진공 펌프의 이해 - 터보 분자 펌프(Turbomolecular Pump)
산업 현장이나 연구실에서 진공 환경을 만들어내기 위해 꼭 필요한 것이 바로 진공 펌프입니다.
시장에는 다양한 사용 조건과 진공도 등에 따라 수많은 종류의 진공 펌프가 존재하는데,
그 중 우리가 원하는 사양의 진공 펌프를 찾는 것은 쉽지 않습니다.
그래서 우리가 사용 하는 펌프들의 기본적인 이론 및 스펙을
산업 현장 및 연구실의 진공 시스템에서 주로 사용되고 있는 진공 펌프들을 중심으로
정리해보는 시간을 준비했습니다.
이번 시간에는 고진공 영역대에서 많이 사용되고 있는 대표적인 기계식 고진공 펌프인
터보 분자 펌프에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
기본 설명
기계식 펌프의 한 종류인 터보 분자 펌프는 W. Becker 박사가 1958년에 발명했습니다.
중진공 단계인 10E-3 부터 초고진공 단계인 10E-10 까지의 진공도를 만들어낼 수 있으며,
오일을 사용하지 않아 오염되지 않은 상태의 진공을 생성합니다.
터보 분자 펌프의 내부 모습
(그림 제공 : Wikipedia)
터보 분자 펌프는 고진공 단계에서만 사용할 수 있는 2차 펌프이기 때문에
로터리 베인 펌프(Rotary Vane Pump)와 같은 1차 펌프와 함께 사용됩니다.
1차 펌프로 터보 분자 펌프를 사용할 수 있는 필요 진공도까지 먼저 배기한 후
터보 분자 펌프 쪽 밸브를 열고 터보 분자 펌프를 사용합니다.
1차 펌프로 충분한 진공이 이루어지지 않은 상태에서 터보 분자 펌프 쪽 밸브를 열면
순간적인 압력 차이로 인해 터보 분자 펌프의 부품들이 손상될 수 있습니다.
일부 터보 분자 펌프 제품들은 이러한 사고를 방지하기 위해 일정 이하의 압력에 도달하지 않으면
터보 분자 펌프 쪽 밸브가 열리지 않도록 설계된 장치도 사용하고 있습니다.
구조와 구동 원리
터보 분자 펌프의 단면도
(그림 제공 : wikipedia)
터보 분자 펌프는 진공 펌프들 중에서 가장 복잡하고 정밀한 구조를 가진 펌프 중 하나로
기본 설계 자체가 터빈(Turbine)의 설계와 유사합니다.
고속으로 회전하는 모터의 중심축에 정해진 간격을 따라 터빈 블레이드(Turbine Blades)라고
하는 회전 디스크와 스테이터 블레이드(Stator Blades)라고 하는 고정 디스크가
번갈아가며 달려 있고 이 디스크들에는 터빈에서 볼 수 있는 날개(Blade)들이
매우 촘촘하게 달려있습니다.
흡입구를 통해 챔버로 들어온 기체 분자는 터빈과 스테이터의 날개에 의해 부딪힙니다.
이 날개들은 기체 분자들이 한쪽 방향으로만 이동할수 있도록 설계되어 있고,
기체 분자들은 점점 다음 층의 날개들에 맞아 결국 배기구로 배기됩니다.
각각의 날개들은 배기구 쪽으로 갈수록 각도가 깊고 촘촘하게 장착되어
흡입구와 배기구 사이에 발생하는 압력차이에 적잘하게 대응할 수 있도록 설계되어 있습니다.
흡입구 쪽의 날개는 최대한 많은 양의 공기를 챔버 내에 끌어들이기 위해
30º ~ 40º의 큰 각도로 만들어지고, 배기구 쪽으로 갈 수록 각도를 작게 만들어
기체 분자가 점차 압축될 수 있도록 합니다.
기체 분자를 압축하는 이유는 기체 분자의 압력으로 인해 배기가 빠르게 진행되고,
동시에 기체가 흡입구 쪽으로 역류 하는 것을 방지하기 위함입니다.
터보 분자 펌프의 디스크들과 날개들은 수천 ~ 수만 RPM의 속도로 회전해야 하기 때문에
각각의 부품들이 매우 정밀하고 미세하게 조정되며, 수평을 이루고 있어야 합니다.
매우 빠른 속도로 작동하기 때문에 부품 간의 마찰열을 줄이는 것이 큰 문제인데,
일부 터보 분자 펌프는 자기 베어링(Magnetic Bearing)을 이용해 마찰을 줄이는 방식을 사용합니다.
또한 매우 세밀한 장비이기 때문에 먼지등과 같은 오염에 취약하고
부식성이나 연마성 기체 분자를 다룰 때는 보호 조치가 취해져야 합니다.
특히 챔버에 흡입되는 먼지량이 누적되게 되면 로터 및 날개 등을 수리하고 교체해야 할 수 있습니다.
성능과 응용분야
[10E-3 ~ 10E-10hPa]
터보 분자 펌프는 10E-3 ~ 10E-10 hPa 의 범위의 진공을 만들어낼 수 있습니다.
위에 언급한 것처럼 오일을 사용하지 않아 깨끗한 진공을 만들어낼 수 있지만
저진공 상태에서는 사용할 수 없기 때문에 로터리 베인 펌프와 같은 1차 펌프를 함께 사용해야 합니다.
터보 분자 펌프가 산업적으로 사용되기 시작한 것은 1980년대로,
반도체 산업이 발전하게 되면서 박막 기술이나 진공 증착과 관련된 분야에서 터보 분자 펌프가
필수적으로 사용되기 시작하면서 부터입니다.
일상 생활에 쓰이는 많은 제품의 생산과 연구 분야에서 터보 분자 펌프는 높은 진공도와
극히 순수한 가공 조건을 제공할 수 있기 때문에 여러 분야에서 사용되고 있습니다.
분석 - 질량 분석, 전자 현미경 기술 등
반도체 산업 - 전자 구성품, 통합 회로(ICs), 태양광 전지 등
광학 / 유리 산업 - 열보호, 무반사 처리, 반사, 광학 필터 코팅 등
코팅 기술 - 표면 보호, 장식 코팅, 디스플레이, 스크린 등
진공 금속 공학 - 진공 납땜, 진공 신터링, 진공 합금, 진공로 등
리크 디텍션 - 진공 시스템, 차량 연료 탱크, 에어백 카트리지, 포장
연구 - 핵 입자 물리학, 융합 연구, 레이저 응용 등
램프 산업 - 램프 보호 등
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진공 및 진공 응용 분야와 관련된
진공 센서에 대한 문의는
아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.
참고
위키피디아 : https://en.wikipedia.org/wiki/Turbomolecular_pump
https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_bearing
그 외 : https://www.edwardsvacuum.com/en
https://www.pfeiffer-vacuum.com
https://marriott.tistory.com/45?category=338839
http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=KAR2004010298