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전공

박막공정의 핵심요소, 진공 펌프(Vacuum pump)를 알아봅시다.

안녕하세요. 미스터펭귄입니다.

첫 포스팅으로 '진공 펌프(Vacuum pump)'를 소개해드리도록 하겠습니다.


평소 공학을 전공하시는 전공자들은 앞으로 펌프를 많이 접해보실 것이라고 생각합니다.

최근 반도체 산업이 발전하고 있는데, 반도체 공정 중 박막 증착법인 PVD, CVD, ALD에서

가장 핵심요소가 바로 '진공 펌프'라고 할 수 있죠.

 

진공(Vacuum)은 박막증착 공정뿐만 아니라

표면분석 및 특성평가에서도 중요한 조건이기 때문에

반도체 공정뿐만 아니라 다양한 산업군에서의 핵심·필수 전제조건 역할을 합니다.

 

이렇게 중요한 '진공(Vacuum)' 상태를 도대체 어떻게 만드는 것일까요?

그 질문에 대한 답은 바로 '진공 펌프(Vacuum pump)' 입니다.

 

다양한 블로그를 찾아보시면 '진공'에 대해 전반적으로 이해할 수 있게 이미 포스팅이 되어있기 때문에,

이번에는 조금 더 깊이 들어가서 진공을 만들어주는 '펌프'에 대해 설명드리고, 진공 범위에 따라 사용되는

펌프를 각각 하나씩 예를 들어 설명드리는 시간을 가지도록 하겠습니다.

 

 


 

진공이란, 아무런 입자도 존재하지 않는 공간을 말합니다.

하지만, 아무것도 존재하지 않는 공간을 만드는 것은 거의 불가능에 가깝다고 할 수 있죠.

 

예를 들어,

방 안에 공기를 포함한 어떤 물질도 존재하지 않는다면 방 안을 '진공' 상태라고 말할 수 있지만,

방 안에 아주 작은 먼지 하나라도 날아다닌다면 그것은 이론적으로 '진공'이라고 할 수 없습니다.

사전적 의미의 진공은 먼지 하나라도 있으면 진공이 될 수 없다.

이렇게 미세한 물질 하나라도 존재하면 진공으로 정의될 수 없기 때문에,

실질적으로 사용하는 진공의 정의는 대기압보다 낮은 압력을 가진 상태를 의미합니다.

진공을 나타내는 단위는 여러가지가 있는데, 

진공은 대기압의 단위인 atm을 기준으로 Torr, Pa, mmHg, psi 등을 사용합니다.

 

대기압(1atm)을 기준으로 각 단위별로 환산해보면 아래와 같습니다.

대기압(1atm) = 760Torr = 760mmHg = 14.7psi = 101,300Pa

 

 

진공도 범위(Torr 단위)에 따른 진공 영역

진공 영역은 위의 표를 보시는 것과 같이 네 영역으로 나눌 수 있습니다.

 

초고진공 영역은 압력이 가장 낮은 영역이기 때문에

네 영역 중에서 가장 불순물의 양이 적다고 할 수 있죠.

 

하지만 가장 낮은 압력을 만드는 만큼

시간이 굉장히 오래걸리고 비용이 많이 들기 때문에

진행하고자 하는 공정에 알맞는 진공 영역을

선택하는 것이 가장 효율적인 방법이라고 할 수 있습니다.

 

앞에서 진공에 대한 개념과 진공 영역을 간단히 알아보았습니다.

 

진공에 대한 전반적인 내용을 이해하였으니, 

진공을 만들어주는 진공 펌프에 대해 차근차근 알아가보도록 합시다.

진공 펌프(Vacuum pump)란? 말 그대로 진공을 만들어주는 펌프라는 의미입니다.

 

 

그렇다면 여기서 간단한 퀴즈를 내보겠습니다.

Quiz. 하나의 진공 펌프로 대기압에서 초고진공상태로 만들 수 있다?

정답은 없다. 입니다.

하나의 진공 펌프로 대기압에서 초고진공상태로 만들 수 없는 이유는

그 이유는 진공 영역에 따라 펌프의 설계가 달라지기 때문입니다.

 

예를 들어서,

고진공에 사용되는 펌프를 저진공에서 사용하게 되면, 

몇 안되는 기체 분자만을 배출시키기 위해 설계된 고진공 펌프가

감당할 수 없을 정도로 많은 기체 분자들과 충돌하면서 제 기능을 하지 못하고 멈춰버리게 되죠.

 

그렇기 때문에 진공을 만들때는 저진공, 고진공, 초고진공 영역에 맞는 진공 펌프를 사용해야 합니다.

 

저진공에서 고진공, 고진공에서 초고진공을 만들기 위해 다양한 펌프를 사용해야 한다는 것을

아래 그림의 청소 도구에 비교해보았습니다.

 

     눈삽 (저진공 펌프)                        도로빗자루 (고진공 펌프)                     빗자루 (초고진공 펌프)

눈을 기체분자, 청소 도구를 진공 펌프라고 생각한다면,

 

수북히 쌓인 눈을 퍼내어 걷어내는 눈삽 = 저진공 펌프.

눈을 쓸어서 땅이 보이게 하는 도로빗자루 = 고진공 펌프.

남은 눈을 구석구석 털어내는 빗자루 = 초고진공 펌프.

라고 쉽게 이해할 수 있는데요.

 

이렇게 저진공, 고진공, 초고진공으로 나뉜 펌프들은 다양한 종류의 펌프를 통해 진공을 만듭니다.

각 진공 영역에 맞는 펌프의 종류를 나열해보았습니다.

 

진공 영역별 사용되는 펌프 종류

정말 많은 종류의 펌프들이 있죠? 

다양한 종류의 펌프들이 있는 만큼 펌프의 장단점이나 사용목적에 따라 쓰임새가 다양하기 때문에,

공정에 적합한 진공 펌프를 잘 선택하는 것이 중요합니다.

 

 

이번 포스팅에서는 다양한 펌프들 중에,

저진공을 만들기 위해 사용되는 Rotary vane pump,

고진공을 만들기 위해 사용되는 Oil diffusion pump,

초고진공을 만들기 위해 사용되는 Cryogenic pump,

3가지 펌프의 원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

Rotary vane pump는 저진공을 만들때 사용합니다.

고진공, 초고진공을 만들기 전에 가장 먼저 진행하는 펌프이기 때문에

'1차 펌프'라고 부르기도 한답니다.

 

그렇다면 이 펌프가 어떻게 작동하는지 아래의 그림을 통해서 알아보도록 하죠.

Rotary vane pump의 구조

Rotary vane pump의 구조는 크게 실린더, 흡입구, 배출구, 새터, 

회전하는 로터와 날개(Vane)로 구성되어 있습니다.

 

또한 Rotary vane pump는 오일을 사용하는데요.

펌프 내에 충분한 오일이 채워져 있어서 마찰로 인한 열을 냉각시켜주는 역할을 하고,

오일이 날개와 정지자 사이의 공간으로 기체 분자가 빠져나가는 것을 막아주기 때문입니다.

그림 출처:  https://goo.gl/ME49zW

Rotary vane pump는 총 4가지 단계,

흡입(Induction) - 고립(Isolation) - 압축(Compression) - 배기(Exhaust) 를 통해서 진공을 만들어줍니다.

각 단계별로 살펴보면,

 

흡입(Induction)

로터가 회전하면서 흡입구의 기체를 실린더 안쪽으로 들어오게 만듭니다.

 

고립(Isolation)

로터가 계속 회전하면서 날개가 흡입구를 차단하고, 실린더 안의 기체를 고립시킵니다.

 

압축(Compression)

실린더 안에 들어있는 기체들을 로터와 날개가 회전하면서 배기구쪽으로 이동시키고 압축시킵니다.

 

배기(Exhaust)

압축된 기체는 배기구의 마개가 열리면서 최종적으로 밖으로 빠져나가게 됩니다.

 

이렇게 4가지 단계를 반복하면서 기체분자를 밖으로 빼내고, 저진공을 만들어 주는겁니다.

 

 

Oil diffusion pump는 저진공 상태에서 고진공으로 만들어주기 위해 사용하는 펌프입니다.

오일을 분사시켜서 기체 분자들을 아래쪽의 배기구로 이동시키는 단순한 컨셉으로 진공을 만들어내죠.

 

아래 그림을 참고하면서 자세하게 살펴보도록 하겠습니다. 

그림 출처:  https://goo.gl/2AAarU

Oil diffusion pump의 구조는 히터, 배럴, 굴뚝(Chimney) 3가지로 구성되있습니다.

 

히터는 오일을 증발시켜서 굴뚝을 타고 올라가게 만드는 역할을 합니다.

 

굴뚝(Chimney)은 증발된 오일이 아래쪽을 향하여  분사되도록 설계되어 있고,

오일을 분사시키는 노즐은 오일이 충분한 운동성을 가질 수 있도록 해주죠.

 

배럴 내부에는 충분한 오일이 있고, 외부에는 오일을 냉각시켜주는 냉각수가 코일의 형태로 둘러쌓여져 있습니다.

냉각수 코일은 분사된 오일을 다시 냉각시켜서 액체로 만들어주죠.

 

그림 출처:  https://goo.gl/EUVJ4v

Oil diffusion pump이 고진공을 만드는 원리도 펌프의 구조만큼이나 간단합니다..

 

먼저, 배럴 내부의 오일을 히터를 통해 증발시킵니다. 

증발된 오일이 굴뚝을 따라 상승하게 되고, 증발된 오일이 점점 많아지게 되죠.

굴뚝 위로 올라온 오일들은 노즐을 통해서 초음속(약 300m/s)의 속도로 분출됩니다.

 

분출된 오일들은 주위의 기체분자들과 충돌하면서 오일이 가진 운동량을 기체분자들에게 전해주게 됩니다.

충돌을 통해 운동량을 얻은 기체분자들은 아래로 향하게 되고 배기구를 통해 빠져나가게 됩니다.

 

고진공을 만들어내는 펌프라고 해서 복잡하고 이해하기 힘든 원리를 사용하지 않는다는 점 알고 계셨으면 좋겠습니다.

 

그렇다면 초고진공을 만들어내는 펌프도 복잡하고 어려운 원리를 사용하지 않는다는 것을 짐작하실텐데요.

 

다음으로 초고진공을 만들어내는 Cryogenic pump에 대해서 알아보도록 합시다.

'Cryo'는 영어로 '추위, 한랭'을 뜻하는 접두어입니다.

그렇다면 우리는 Cryo를 보고 "저온과 관련이 있는 펌프" 라고 짐작해볼 수 있겠죠?

사진 출처:  https://goo.gl/sBrfdF

추운 겨울에 안경 쓴 사람들이  추운 실외에서 따뜻한 실내로 들어올 때

안경이 뿌옇게 흐려지는 것을 본 적 있으신가요?

 

이 현상은 공기 중에 존재하는 수증기가 차가운 온도의 안경면을 만나면서

액체로 응축하는 현상이 일어나기 때문인데요.

 

이렇게 우리가 생활하면서 겪었던 현상을 진공 펌프에 적용시킨 것이 바로

'Cryogenic pump' 입니다.

 

Cryogenic pump를 이해하기 위해서는 먼저 '증기압(Vapor pressure)'이란 용어를 알아야 합니다.

 

'증기압(Vapor pressure)'이란? 

사전적 의미로는 액체 또는 고체에서 증발하는 압력으로,

증기가 고체나 액체와 동적평형상태에 있을 때의 포화증기압을 말합니다.

 

그래서, 어떤 물질의 증기압이 높다는 것은 높은 포화증기압을 만족하기 위해서

물질이 계속해서 증발하려 하는 것을 뜻해요.

 

반대로, 어떤 물질의 증기압이 낮다는 말은 조금만 증발이 일어나도

금방 포화증기압에 도달하는 것을 뜻하죠.

 

증기압은 온도라는 변수에 의해 변화하는데요. 

아래의 그래프를 보면서 조금더 자세하게 알아보겠습니다.

 

'평형 증기압 곡선', 기체와 액체 또는 고체가 공존하는 곳을 곡선으로 나타냄. 그래프 출처: https://goo.gl/WQZzKv

모든 물질이 온도가 감소함에 따라 증기압 곡선 또한 감소하는 것을 볼 수 있습니다.

 

따라서, 물질의 온도를 낮춘다면 기체의 포화증기압을 낮아져서 더이상 기체로 존재하지 못하고 액체로 응축됩니다.

 

그래서 증기압이 펌프와 무슨 관련이 있는가?

Cryogenic pump는 두 가지 원리를 사용해서 진공을 만들기 때문에 설명드렸습니다.

 

1.냉온 응축(Cryo-Condensation)

냉온 응축(Cryo-Condensation)이란, 증기압이 낮은 물질의 온도를 낮추어 액화시킨 다음, 얼리는 방법을 말합니다.

 

2.냉온 흡착(Cryo-Sorption)

냉온 흡착(Cryo-Sorption)이란, 극저온에서도 증기압이 높아서 액화되지 않는 기체들의 운동에너지를 빼앗아

표면에서 움직이지 못하게 하는 방법을 말합니다.

 

흡착과 응축은 실생활 숯과 창문에서도 손쉽게 관찰할 수 있습니다.

숯은 실생활에서 주로 공기를 정화하는 용도로 사용하는데요.

숯이 습기를 제거하거나 탈취가 가능한 이유는 숯이 주변에 존재하는 기체들을 잡아서

흡착하는 성질 때문이라고 할 수 있죠.

 

추운 겨울날에 온도가 낮아지면 창문에 물방울이 맺히는 것을 보신 적이 있으실텐데요.

창문의 낮은 온도로 인해 수증기의 증기압이 낮아져서 수증기가 액회되어 형성된 것이

바로 창문에 맺힌 물방울이에요.

 

이제 Cryogenic pump가 두 가지 원리를 이용해서 어떻게 기체를 제거하는지 감이 오시나요?

그렇다면 지금부터 그림을 살펴보면서 Cryogenic pump의 구성요소에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

Cryogenic pump의 실제 모습(왼쪽)과 개략도(오른쪽)  출처:  https://goo.gl/AV1Dio

Cryogenic pump의 구성요소는  Cold head, Baffle, 활성탄(activated charcoal)

이렇게 3가지로 크게 구분할 수 있어요.

 

Cold head펌프 내부를 극저온으로 만들어주는 냉각판 역할을 합니다.

 

Baffle은 외부와 연결되는 부분에 설치하여 펌프의 온도를 유지시키는 일종의 차단막입니다.

펌프 내부의 온도가 밖으로 빠져나가지 못하게 하고 외부의 열이 안쪽으로 들어오지 못하도록 반사시키죠.

 

활성탄은 Cold head에 부착하여 펌프 내부에서 응축되지 않는 기체들을  흡착하는 역할을 합니다.

 

Cryo pump의 구성요소를 알아보았으니 이제 펌프의 작동 원리를 살펴보도록 합시다.

 

Cryogenic pump는 극저온을 만들기 위해 액체 헬륨을 냉매로 사용합니다.

높은 압력의 액체 헬륨을 Cold head 에서 팽창시키게 되면 헬륨의 기화로 인해 주변의 열을 빼앗으면서

극저온이 형성됩니다.

 

이렇게 극저온으로 만들어진 Cold head는 상부, 하부로 총 2개로 나뉘어져 있는데요.

하부 Cold head와 Baffle의 온도는  약 75~50K 까지 내려가고,

상부 Cold head의 온도는 약 10~20K까지 내려가죠.

(여기서 K는 절대 온도를 나타내는 켈빈 온도를 말합니다.)

 

또한 상부 Cold head에는 추가적으로 활성탄이 부착되어 있습니다.

75~50K의 온도를 가지는 하부 Cold head는 냉온 응축(Cryo-Condensation)원리를 사용합니다.

 

따라서 하부 Cold head에서는 증기압이 낮아 액화시킬 수 있는 H2O, N2, O2, Ar 등을 얼려서

1차적으로 제거하는 역할을 하죠.

 

온도 20~10K에 활성탄이 부착된 상부 Cold head는 냉온 흡착(Cryo-Sorption)원리를 사용합니다.

따라서 상부 Cold head에서는 하부 Cold head에서 응축되지 않은 증기압이 높은 기체들이  약 15K의 활성탄에 의해

운동에너지를 빼앗기고 흡착되어 제거되는 것이죠.

대표적인 기체들로는, H2, He, Ne 등이 있습니다.

 

2종류의 Cold head에서 기체 분자들이 응축, 흡착되면서 기체분자수가 감소하게 되고

결국 초고진공을 만들어내는 거죠.

 


지금까지 진공과 진공 범위에 따른 진공 펌프에 대해서 열심히 설명해보았습니다.

 

실제 박막 공정에서 기본 전제조건이 되는 것이 진공 펌프인만큼,

제가 설명한 내용들이 여러분들께 쉽게 이해가 되고 많은 도움이 됐으면 좋겠습니다!

이상으로 미스터펭귄의 '진공 펌프' 포스팅을 마치도록 하겠습니다.

감사합니다!