진공 기술 소개

 

진공은 일반적으로 대기압의 압력을 받는 어떤 공간에서 마주치는 상태라고 정의된다.

진공의 표준 정의는 “어떤 용기 속의 자체 압력과 그 입자의 농도가 주변을 둘러싼 대기의 농도보다 낮은 또는 기체의 압 력이 낮은(예: 지구 표면의 대기 압력보다 더 낮음) 기체의 상태“이다.

 

 

진공 기술 소개

 

진공의 개요

대기압은 특정 지역에서의 공기의 무게가 감소하기 때문에 다음 식에서와 같이 고도가 높아질수록 낮아진다.

기압 공식

 

단순화를 위하여 해수면의 공기 밀도, 중력 가속도, 대기압을 일정하다고 가정할 경우 다음과 같은 요약된 결과를 얻게 된다:

수치 기압 공식

ph=p0/2 이고 방정식을 h에 대하여 풀 경우 결과는 반고도값 h½ = 5,548 m, 달리 말하면 대기압은 5,548 km마다 반으로 줄어든다.

 

방정식의 높이 값이 에베레스트산의 높이로 대체될 경우엔 335 mbar의 대기압 또는 공식 SI 단위로 표현된 33,500 Pa 또는 335 hPa이라는 결과를 얻게 된다. 이는 표준으로 제시된 지구 표면에 존재하는 가장 낮은 대기압이 된다.

 

표준을 준수하는 SI 단위를 중부 유럽에서 공통적으로 사용하는 mbar 수치 값과 상호 관련시키기 위하여 SI 단위로 표현된 압력을 접두어 "헥토"가 보완된 Pa로 표현하고 있다.

 

지구 표면에서 10,000 m 상공을 나는 여객기의 순항 고도에서 대기압은 이미 290 hPa로 감소하고, 압력이 24 hPa 인 곳에서는 기상 관측 기구가 최대 30 km까지 올라간다. 극궤도 기상 위성은 약 800 km 고도에서 극지역의 태양동조궤도를 따라 비행한다. 이곳의 압력은 이미 약 10^-6 hPa로 떨어진 상태이다. 지구, 태양, 또는 태양계에서의 거리가 멀면 멀수록 압력은 더 낮아진다. 알려진 가장 낮은 압력은 항성 간 공간에서 발견된다.

 

 

기술 응용 분야에서 압력은 절대적인 수치가 아니라 대기압과 관련되어 표시이다. 대기압의 압력 범위는 음수 또는 백분율로 표시된다. 이의 예는 압력계, 가스용기나 진공 리프팅 기어에 사용하는 압력 감속기 또는 진공 이송 시스템에서 나타나고 있다.

 

지상에서는 진공을 생성하기 위하여 다른 유형의 진공 펌프가 사용됩니다. 가장 중요한 유형의 진공 펌프 및 진공 장비 의 동작 범위에 대한 개요는 그림 1에 나타내었다.

 

Source : Paul Scherrer Institut, Villingen, CH

<그림 1> 진공의 개요 

 

 

진공기술의 압력 범위

우주에서는 은하수들의 근접성에 따라 10^-18 hPa 이하의 압력이 유지된다. 지구에서는 기술적으로 생성된 10^-16 hPa 미만의 압력이 보고된 바 있다. 10^-16 hPa까지의 대기압은 범위가 소수점 이하 19자리까지이다. 압력 범위에 대해 특수하게 조정된 진공 생성 및 측정의 유형들은 표 1에 제시하였다.

 

<표 1> 진공 기술의 압력 범위

압력 범위	압력 hPa	압력 Pa	cm3 당 수밀도	m의 평균 자유 행로
대기압	1,013.25	101,325	2.7·10^19	6.8·10^-8
저진공(LV)	300…1	30,000…100	10^19…10^16	10^-8…10^-4
중간 진공(MV)	1…10^-3	100…10^-1	10^16 …10^13	10^-4…10^-1
고진공(HV)	10^-3…10^-7	10^-1…10^-5	10^13…10^9	10^-1…10^3
초고진공(UHV)	10^-7…10^-12	10^-5…10^-10	10^9…10^4	10^3…10^8
극고진공(XHV)	<10^-12	<10^-10	<10^4	>10^8

• 대기압은 101.325 kPa (760 Torr)로 표준화되어 있다.
• 저진공 진공 청소기나 액주식 압력계 등의 기초적인 장치로 만들어지거나 측정되는 진공이다.
• 중간 진공은 펌프를 사용해 만들 수 있으나, 이 진공을 액체나 기계 압력계로 측정하기에는 그 압력이 매우 낮다. 중간 진공은 맥라우드 진공계, 온도 진공계 또는 전기 용량 진공계로 측정될 수 있다.
• 고진공은 기체의 평균 자유 경로가 그 기체가 있는 공간의 길이보다 긴 진공이다. 고진공은 보통 다단계 펌핑이나 이온 진공계 측정을 필요로 한다. 
• 초고진공은 기체가 들어 있는 방을 가열해 기체들을 제거하는 것과, 다른 특별한 과정들을 거쳐야 만들어질 수 있다.
• 우주 공간은 일반적으로 인공적인 진공보다 더욱 진공에 가깝다. 깊은 우주는 우주의 어떤 부분이 기준으로 잡히는가에 따라 고진공보다 높은 진공일 수도 낮은 진공일 수도 있다. 예를 들어, 행성 간의 공간의 평균자유경로는 태양계의 크기보다 작지만 작은 행성들이나 위성들보다는 크다. 결국, 태양풍은 태양계 규모에서 연속적인 흐름을 보인다. 그러나 지구와 달에 대해서는 입자들의 폭격으로 인식될 것이다.
• 완전한 진공은 아무 입자들도 존재하지 않는 이상적인 상태이다. 아주 짧은 순간동안, 매우 작은 부피의 공간에서 일어날 수는 있지만 이것은 실험실에서는 얻어질 수 없다. 모든 물질의 입자들이 제거된다고 해도 그 공간에는 여전히 광자나 중력자, 암흑 에너지, 가상 입자 등이 남아 있을 것이기 때문이다.

압력 측정 단위

압력 측정 단위는 파스칼(pascal)입니다. 이 단위는 프랑스의 수학자, 물리학자, 작가 겸 철학자인 블레즈 파스칼 (Blaise Pascal)의 이름을 따라 명명되었습니다. 표 2에 따르면, SI 단위인 pascal은 Pa = N m^-2 로 구성된다. 단위 mbar, torr 그리고 표 2에 제시된 단위들은 실제로 흔히 사용된다.

 

<표 2> 압력 단위의 변환표

 

 

분자 수밀도

이상기체 상태 방정식은 다음과 같이 여러 형태로 표현된다.

 

이상 기체 상태 방정식

 

상기 식에서 보듯이 압력은 입자 수밀도에 비례한다. 표준 조건에서의 부피 단위 당 입자수가 높기 때문에, 예를 들면, 10^-12 hPa의 압력에서는 cm³ 당 26,500개의 분자가 여전히 존재한다. 그래서 초고진공 상태하에서 조차 아무것도 없음 또는 하나도 없음이라고 말하는 것이 가능하지 않다.

 

우주 공간에서 파스칼 단위로 압력을 표현하는 것(예: 10^-18 hPa 미만)은 극히 낮은 압력에서는 비효과적이어서, 이런 압력 범위는 입자 수밀도로 더 잘 표현할 수 있다( 예: 행성간 공간에서 m³ 당 < 10^4 분자).

 

 

흐름의 유형

흐름 채널 직경에 대한 평균 자유 행로의 비율은 흐름의 유형을 설명하는 데에 사용할 수 있다. 이 비율은 크누센 수라고 부른다.

 

크누센 수

l¯           평균 자유 행로     [m] d           흐름 채널의 직경  [m] Kn         크누센 수             dimensionless

 

크누센 수의 값은 기체 흐름의 유형을 특징 지우면서 특별한 압력 범위를 나타낸다.

표 3은 진공 기술에서 다양한 유형의 흐름의 개요와 중요한 특성 파라미터를 제공한다

 

흐름 영역의 다양한 유형들의 개요는 그림 2에서 볼 수 있습니다

<그림 2> 흐름 영역의 다양한 유형들의 개요

 

 

저 진공에서의 점성 흐름

연속 흐름이라고도 알려진 점성 흐름에서는 기체 분자 사이에서 빈번한 충돌이 일어나지만 용기 벽에서는 덜 빈번한 충 돌이 일어난다. 이 경우 기체 분자들의 평균 자유 행로는 흐름 채널의 차원보다 훨씬 더 짧다.

 

점성 흐름의 경우, 거리는 층류 흐름과 난류 흐름 사이에서 일어난다.층류 흐름 또는 층이 있는 흐름에서 기체 입자들은 서로에게 항상 평행한 동일한 변위 층에 머물러 있다. 흐름 속도가 증가할 경우 이 층들은 깨지고 유체 입자들이 완전히 무질서하게 서로에게 흘러든다. 이것이 이른바 난류 흐름이다. 점성 흐름의 이 두 영역 사이의 경계는 다음과 같이 레이놀즈 수라고 표현할 수 있다.

 

레이놀즈 수

Re          레이놀즈 수         무차원 ρ            액체의 밀도         [kg m-3] ν            흐름의 평균 속도  [m s-1] l             특징적 길이         [m] η            동적 점성             [Pa s]

 

Re(레이놀즈 수) < 2,300일 때까지는 층류 흐름이며, Re > 4,000이면 난류 흐름이 된다. 2,300 < Re < 4,000의 범위에서는 흐름이 대부분 난류이다. 층류 흐름도 가능하지만, 이 범위에서는 두 개의 흐름 유형이 모두 불안정해진다.

 

진공 상태에서 난류 흐름은 대기압에서 또는 빠른 환기가 수행될 때 냉매 회수 운전 시에만 발생합니다. 진공 시스템에서 파이프는 난류 흐름이 상대적으로 높은 압력에서만 짧게 발생하도록 치수화된다. 왜냐하면 이 과정에서 발생하는 높은 흐름 저항은 사용된 펌프가 반드시 더 높은 부피 유속을 만들어내도록 강요하기 때문이다.

 

 

중간 진공에서의 크누센의 흐름

크누센 수가 0.01에서 0.5 사이라면 이는 크누센의 흐름이라 할 수 있다. 많은 공정 압력이 중간 진공 범위에 있기 때문에 이런 유형의 흐름은 대응하는 주파수와 함께 발생한다.

 

고진공 및 초고진공에서의 분자 흐름

Kn > 0.5의 크누센 수에서는 사실상 분자의 상호작용이 더 이상 일어나지 않는다. 우세한 것은 분자의 흐름이다. 이 경 우 평균 자유 행로가 흐름 채널의 직경보다 훨씬 더 크다. 분자의 흐름에서 압력과 구성품 직경의 곱은 약 ≤ 1.3 · 10^-2 hPa cm이다.

압력과 구성품 직경의 곱에 따른 흐름 범위의 개요를 보여 주는 그래프가 그림 3에 나와 있습니다.

 

<그림 3> p · d에 따른 진공 상태의 흐름 범위

이 그래프는 표 3에서도 볼 수 있듯이 압력에 따라 순수하게 진공 범위로 분류하는 것이 무척 단순함을 보여준다. 하지만 이런 분류가 여전히 일반적으로 사용되고 있기 때문에 여기서도 인용되고 있다.

 

 

<표 3> 흐름 영역의 유형들의 개요

	점성 흐름	크누센 흐름	분자 흐름
	저진공	중간 진공	고진공/초고진공
압력 범위 [hPa]	10^3…1	1…10^-3	< 10^-3 bzw. < 1^0-7
압력 범위 [Pa]	10^5…10^2	10^2…10^-1	< 10^-1 bzw. < 10-5
크누센 수	Kn < 0.01	0.01 < Kn < 0.5	Kn > 0.5
레이놀즈 수	Re < 2,300: laminar Re > 4,000: turbulent
p · d [hPa cm]	p · d > 0.6	0.6 > p · d > 0.01	p · d < 0.01

 

진공 펌프의 처리량

이상 기체 상태 일반 방정식을 시간 t로 나누면 다음과 같이 기체의 흐름을 얻을 수 있습니다

pV 처리량

qpV       pV 처리량             [Pa m3 s-1]

 

방정식의 오른쪽에서 볼 수 있듯이, 일정한 질량 흐름은 일정한 온도 T에서 변위 된다.이것 역시 pV 흐름 또는 기체 처리량이라 불린다. 처리량은 진공 펌프에 의해 운반되는 기체 유속이다.

처리량을 유입 압력으로 나누면 다음과 같이 진공 펌프의 펌프 속도인 부피 흐름 비율을 얻을 수 있다.

 

진공 펌프의 처리량
부피 흐름 비율 또는 진공 펌프의 펌프 속도

 

처리량의 다양한 단위에 대한 변환표는 표 4에 나와 있습니다.

 

<표 4> 처리량 단위의 변환표 

	Pa ㎥ / s = W	mbar l / s	Torr l / s	atm ㎤ / s	lusec	sccm	slm	Mol / s
Pa ㎥ / s	1	10	7.5	9.87	7.5·10^3	592	0.592	4.41·10^-4
mbar l / s	0.1	1	0.75	0.987	750	59.2	5.92·10^-2	4.41·10^-5
Torr l / s	0.133	1.33	1	1.32	1,000	78.9	7.89·10^-2	5.85·10^-5
atm ㎤ / s	0.101	1.01	0.76	1	760	59.8	5.98·10^-2	4.45·10^-5
lusec	1.33·10^-4	1.33·10^-3	10^-3	1.32·10^-3	1	7.89·10^-2	7.89·10^-5	5.86·10^-8
sccm	1.69·10^-3	1.69·10^-2	1.27·10^-2	1.67·10^-2	12.7	1	10^-3	7.45·10^-7
slm	1.69	16.9	12.7	16.7	1.27·10^4	1,000	1	7.45·10^-4
Mol / s	2.27·10^3	2.27·10^4	1.7·10^4	2.24·10^4	1.7·10^7	1.34·10^6	1.34·10^3	1