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토리첼리의 실험

1643년 이탈리아의 물리학자 토리첼리는 유리관과 수은을 사용하여 다음과 같은 실험을 하였다. 즉, 단면적1cm인 한쪽 끝이 막힌 길이 1m의 유리관 안에 수은을 가득 채운 다음, 수은이 담긴 그릇 안에 거꾸로 세우면, 유리관 안의 수은주는 그릇에 담겨 있는 수은의 표면으로부터 76cm의 높이를 항상 유지 하게 된다는 것이다.

이때 유리관 위쪽에는 진공상태가 되는데 이를 "토리첼리 진공" 이라고 한다. 유리관 안의 수은주가 76cm가 되는 것은 수은주의 무게가 그릇에 담긴 수은의 표면에 작용하는 대기의 압력과 균형을 이루기 때문이다. 이 실험으로 대기압(1기압)은 높이 76cm의 수은주 무게와 같다는 사실이 발견되었으며, 이는 오늘날 진공의 측정 단위에 있어서도 기초적인 개념이 되고 있다. 우리가 흔히 사용하는 진공도의 단위인 토르(Torr)는 토리첼리의 머릿 글자를 딴 것이며, 대기압 상태를 표시하는 760Torr나 760mmHg, 76cmHg등도 모두 토리첼리의 실험에서 나타나는 수은주의 길이를 이용 한 대기압의 표시인 것이다.

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진공이란: 진공(Vacuum)의 어원은 비어있음(empty)을 의미하는 그리스어로부터 유래한다. 실제로는 공기중에 노출되어있는 진공용기가 사용되므로 몇 가지의 진공장치에 의해 공기가 제거됨으로써 진공상태를 얻게 된다. 따라서 진공용기로부터 제거되는 공기량에 따라 진공의 정도가 결정된다. 현실적을 전혀 공기가 존재하지 않는 진공 용기를 얻는 것은 불가능하다. 만약 이것이 실현된다면 그러한 진공상태는 완전한 또는 절대적 진공으로 불릴 것이다. 하지만 일반적인 진공이라는 것은 공간의 기체압력이 대기압보다 낮은 상태, 즉 분자밀도가 약2.5 1019분자/cm3보다 적은 상태를 의미한다.

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진공의 목적: 밀폐된 용기(chamber)에 있는 공기분자를 펌프를 통해 배기시키는 것이다. 즉 용기내의 기체밀도를 감소시키는 것이 펌프의 목적이고 기체밀도가 작으면 작을수록 좋은 진공이다.

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진공의 분류

진공시스템은 보통작동압력에 의해 분류된다. 가장 널리 사용되는 분류방법중의 하나는 다음과 같다.

진공의 구분	압력(Pa)	응용 분야
저진공	10⁵ (대기압) ~ 10²	기계공학, 식품공학
중진공	10² ~ 10^-1	전자공학, 광학 진공야금
고진공	10^-1 ~ 10^-5	반도체, 레이저 광학
초고진공	10^-5 ~ 10^-10	반도체, 신소재, 가속기, 우주과학, 표면과학
극고진공	10^-10 이하	우주과학, 차세대소자, 소립자연구

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펌프의 종류

건식 로타리 베인 펌프 (DRY-RUNNING ROTARY VANE PUMP)
만유식 로타리 베인 펌프 (OIL FLOODED ROTARY VANE PUMP)
순환 급유식 로타리베인 펌프 (OIL CIRCULATED INJECRED ROTARY VANE PUMP)
배출 급유식 로타리 베인 펌프 (ONCE -THROUGH OIL INJECTED ROTARY VANE PUMP)
로타리 피스톤 펌프 (ROTARY PISTON PUMP)
로타리 기어 펌프 (ROTARY GEAR PUMP)
피스톤 펌프 (PISTON PUMP)
다이아후렘펌프 (DIAPHRAM PUMP)
루츠 펌프 (ROOTS PUMP)
수봉식 펌프 (LIQUID RING PUMP)
터보 분자 펌프 (TURBO MOLECULAR PUMP)
확산 펌프 (DIFFUSION PUMP)
이젝타펌프 (STEAM EJECTOR/GAS EJECROR)
흡착 펌프 (ABSORPTION PUMP)
이 온 펌프 ( ION PUMP)
게터 펌프 (GETTER PUMP)
승화펌프 (SUBLIMATION PUMP)
저온 펌프 (CRYO PUMP)

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펌프의 기본 원리

이와 같이 진공펌프의 종류가 여러 가지로 구분되고 있는 것은, 각 펌프의 작동 원리가 서로 다르고, 이에 따라 펌프의 최대 진공도 및 쓰이는 용도가 각기 다르기 때문입니다.

☞ 로타리 베인 펌프

일반적으로 가장 많이 쓰이는 진공펌프로, 기본원리는 옆의 그림과 같다. 그림에서 보면 내부 구조가 로타 베인 및 실린더로 되어 있는데, 로타의 중심과 실린더의 중심은 편심되어 있다.

베인은 스프링 또는 원심력에 의해서 실린더 내면에 밀착된 상태로 돌아가게 되는데, 이때 베인과 베인 사이에 공간이 생기게 되고, 이 공간은 로타의 회전에 따라 용적이 달라지게 된다.

한쪽, 베인이 흡기부를 지나면서 공간의 용적은 점차 커지게 되고, 다음 베인이 흡기부 끝단을 통과할 때 공간용적은 최대가 된다. 이렇게 하여 흡기부로부터 빨아들인 공기는 다음 단계에서 압축이 되고 이것이 배기부를 지나면서 배출이 되는 것이다.

로타리 베인 펌프의 최대 진공도는 1+10Torr정도의 영역에 그치고 있으나, 루츠펌프 및 확산펌프와 연결되어 고진공이 요구되는 공정에도 다양하게 쓰이고 있으므로, 오늘날 산업 전반에 걸쳐 가장 널리 쓰이고 있고 기종이라 할 수 있다.

< 그림 1. 로타리 베인 펌프의 구조와 원리 >

a. 확장 b. 팽창 c. 압축 d.배기

① 실린더 (Cyliner) ② 로타 (Rotor) ③ 베인 (Vane) ④ 배기밸브 (Discharge Valve)

☞ 부스터 펌프

두개의 리본모양의 회전 로타가 쌍을 이루며 회전함으로써 공기를 함입하여 배기시키는 것이다. 주로 저진공, 중진공 영역에서 많이 쓰이며, 용량이 대용량이므로 다량의 공기를 배기시키는데 유리하다.

특히1Torr부터 10Torr 의 영역에서 대용량의 배기능력을 가지고 있으므로, 식품의 동결건조 공정등에서 우수한 성능을 발휘한다. 그러나 배기부가 대기압인 경우 배기 능력을 상실하므로, 로타리 베인 펌프 등 다른 보조펌프와 연결하여 사용되고 있다.

< 그림 2. 부스터 펌프의 구조와 원리 >

☞ 확산 펌프

확산펌프는 액체(일반적으로 확산유)를 가열하여 증발시킨 다음, 이를 노즐을 통해 고속으로 분사 시킴으로써, 이때 충돌하는 공기입자를 아래로 끌어 내려 보조펌프(일반적으로 로타리 베인 펌프)를 통해 배출시키는 것이다.

이 기종의 펌프들은 대체로 구조가 간단하고 기계적인 운동을 하지 않으므로 사용이 간편하여, 고진공을 얻는데 많이 사용되고 있습니다. 그러나 다른 고진공용 펌프와 마찬가지로 반드시 보조펌프를 써야만 한다.

< 그림 3. 확산 펌프의 구조와 원리 >

☞ 크라이오 펌프

120K이하의 극저온 상태에서 기체를 응결 시키거나 응결체 안에 가두어 둠으로써 진공 상태를 발생시키는 장치, 냉각 매체로는 주로 액화질소나 액화헬륨을 사용하는데, 초고진공 영역에서 배속도가 매우 크므로, 우주선 실험 등 여러 분야에서 높은 진공도를 얻는데 많이 쓰이고 있다.

< 그림 4. 크라이오 펌프의 구조와 원리 >

☞ 터보 분자 펌프

이 펌프는 공기 입자성에 근거를 두고, 일정한 각도를 가지고 고속으로 회전을 하는 많은 날개를 가진 저 회전자 와 그사이에 있는 고정자를 써서, 공기의 입자운동에 일정한 방향성을 부여함으로써 공기를 배출시키는 것이다.

터보 분자 펌프는 10Torr이하의 고진공 영역에서 일정한 배기량을 유지하므로, 고진공이 지속적으로 요구되는 전자 현미경이나 각종 반도체 생산 및 실험실 장비등에 많이 쓰이고 있다.
그러나 중×저진공 영역에서는 배기량이 저하됨으로 로타리 베인 펌프 등의 보조펌프와 함께 사용되고 있는 것이 일반적이다.

< 그림 5. 크라이오 펌프의 구조와 원리 >

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진공 (vaccum) 의 이용

분류	이용
원자력공업	재료제조, 리크테스트, 핵융합(프라즈마), 방사선검출기
건설업	콘크리트의 탈수, 액체의 분체
식품공업	건조, 증류, 농축함침, 탈가스, 야채의 진공, 진공포장, 동결건조
화학, 의약품공업	비타민, 유지, 석유, 가역제의 증류, 탈가스, 탈취, 탈수
자동차공업	열처리, 소입, 진공증착, 스팟터링, 부품제조, 테스트, 로보트이용 등 에어콘 챠징
전자공업	전자관, TV브라운관, 반도체제조, LSI, 광IC, 증착, CVD, LCVD, 재료제조 분석, 스팟터링, 프라즈마 에칭, 이온빔에칭
광학공업	분광기, 복사기, 고온현미경, 렌즈증착
금속공학	금속의 증류, 탈가스, 소결, 소입, 소둔, 주조, 용해, 전자빔, 진공조 표면처리
이화학기기 공업	전자현미경, 표면분석기, 질량분석기, 입자가속기
기타	저온공업, 전선제조, 우주개발, 에너지개발, 의료기기, 공예품증착, 가정용품, 성형기기, 인쇄기기, 산업기계, 기타

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진공상태를 만들면

공기 및 기체의 영향에 의한 부식, 산화등을 예방한다. (제품보존 등)
물질의 끓는점을 낮아져 조기에 증발토록 한다. (농축, 금속처리 등)
흡착패드 등을 이용하여 타 기구로는 운반하기 어려운 물체의 운반에 적합하게 된다. (분체, 판 등의 운반)
물체속의 기체를 제거하고 타물질을 투입하는데 편리하다. (가스충전, 함침 등)
전기적 특성이 있다. (반도체, 브라운관, 진공관 등)

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각종 진공장치 및 용도

장치명	대상물
진공증유장치	의약품관계 : 비타민 A, B, E, K, M, A, P 등 식품관계 : 지방산, 가소제, 석유유분, 고분자화합물 등 화학공업관계 : 지방산, 가소제, 석유유분, 고분자화합물 등 금속관계 : Mg, Hg, Zn, Se, Ti
진공농축장치	식품관계 : 과즙, 육즙, 당액 등 화학공업관계 : 전해액, 글리세린, 해수의 담수화, 냉수제조
진공탈포장치	식품관계 : 마요네즈, 초코렛 등 기타 : 함침제 등 고점성물질, 고분자화합물수지 등
진공건조장치	식품관계 : 분말가루, 육류, 어류, 과실류 등 의약품관계 : 혈청, BCG, 항생물질 화학공업관계 : 합성수지, 절삭용구, 자기, 약품용 비소 기 타 : 화약, 금속분말, 절삭용지 등
진공탈기장치	공조관계 : 전기냉장고의 냉동기 등 기 타 : 절삭용유 등
진공합침장치	전기관계 : 트랜스, 케이블, 모타, 콘덴셔 등 토목건축관계 : 신건재, 특수재료 등
진공용해장치	Ta, Nb, Ti, Zr, W, Be등 Fe-Ni-Co계 합금 등
진공탈가스주조장치	철, 동, 특수동 등
진공소결합금	초경합금, 고순도합금, 다공질합금 등
진공열처리장치	동, 인청동의 풀림처리, 영구자석재의 열처리 등
진공방전장치	IC소자, 특수금속 등
진공단열장치	보온병 등
진공성형장치	플라스틱 성형, 타이어 성형, 각종 용기등
진공유송장치	분체의 이송, 판재 각재의 흡착이송 등
전자선 이용의 진공장치	전자현미경, 질량분석기, 전자희석장치 등
진공냉각장치	식품(야채, 어류)
기 타	콘크리트, 진공포장 등