진 공 펌 프

진공펌프 진공펌프의 구분

진공펌프 Rotary Pump

[로터리 펌프의 내부 구조 및 작동순서]

- 일반적으로 실험실에서 저 진공 용도로 가장 많이 사용됨. - 로터리 펌프는 정지자(stator), 회전자(rotator) 그리고 Vane에 의해 흡입(A) 압축(B,C) 배기(D) 의 과정을 거쳐 작동. - Vane 과 회전자에 의해 압축된 가스의 압력이 배출밸브를 열기에 충분 할 정도로 높아지면, 밸브가 열리면서 가스가 배출.

- 로터리 펌프는 윤활제의 역할 뿐만 아니라 회전에 의한 마찰열의 의 감소와 정지자와 Vane 사이의 공간을 막아주기 위하여 오일을 사용하게 되는데, 사용하는 오일의 증기압이 낮아야 좀 더 낮은 압력까지 낮출 수 있고, 역류(Backstream) 에 의한 진공 용기의 오염을 방지할 수 있다.

-펌프를 장시간 멈출 때는 반드시 펌프를 진공해제(vent) 하는것이 좋다. 그리고 펌프의 배출구 쪽에서는 배기된 기체 뿐만 아니라 펌 프오일이 증기 또는 작은 입자형태(oil mist) 로 계속 나오기 때문에 fume hood 를 이용해 배출 하거나 또는 긴 튜브 등을 이용하여 실험 실 바깥으로 내 보내야 한다. 부득이 실내에서 방출 하여야 할 경우 에는 방출되는 기체에 의한 안전 유무를 확인해야 하고 펌프 오일은 Oil mist trap 을 사용하여 제거 하여야 대기 오염을 방지 할 수 있다. 그리고 입자가 많이 포함된 기체를 배기할 경우에는 먼지필터를 진공 용기와 펌프 사이에 설치 하여야 펌프를 보호 할 수 있다.

[로터리 펌프 스케치 출처 : 우성진공]

진공펌프 Rotary Pump

[로터리 펌프 출처 : 피제이코디박]

역류(Backstream) 과 트랩(Trap) : 역류는 펌프 오일이 주로 증기의 상태로 진공용기 쪽으로 이동하는 현상인데, 진공 용기오염의 원인이 된다. 실온에서는 증기압이 비교적 낮으나 마찰 등 으로 인하여 온도가 오르면 증기압은 쉽게 수백 배 또는 그 이상 증가한다. 표면을 타고 올라오는 경우는 ‘Creep’이라고 하며 장시간에 걸쳐 이루어 지는데 표면을 냉각 시키거나 또는 반대로 뜨겁게 하여 증발시킴 으로서 방지할 수 있다. 또한 진공 용기와 펌프 사이에 트램(Trap) 이나 역류 방지판(baffle) 등을 사용하여 이러한 현상을 상당히 줄일 수 있다. Dead volume : 로터리 펌프의 배기과정 중 가스가 빠져 나가면 압력이 다시 감소 하므로 가스가 완전히 빠져 나가기 전에 배출 밸브가 닫히게 되는데, 이떄 빠져 나가지 못하는 가스를 의미한다. Dead volume은 오일의 증기와 함께 로터리 펌프가 작동할 수 있는 한계압력(ultimate or lowest pressure) 을 한정짓는 원인이 된다. Gas ballast : 물과 같이 응축이 쉽게 되는 증기류는 펌프속에서 압축단계를 거치는 동안 응축되어 펌프오일을 오염 시킨다.예를들어 수증기를 배기할 경우, 응축된 뒤 기름에 섞여 돌아다니는 물분자는 기압이 낮은 흡입 단계에서 다시 기화하여 펌프 흡입구 쪽의 압력을 높인다. 따라서 펌프의 압축 주기에 외부에서 대기나 다른 가스(N2)등을 일부러 주입 시켜 충분한 방출압력을 가짐으로 해서 물분자 등이 펌프 안에서 응 축이 되는 것을 방치하는 장치 이다. 배출 과정에서 수증기의 응축은 배출 밸브를 열 수 있는 압력을 낮추어 밸브 작동을 어렵게 하고, 흡입과정에서의 기화로 최저도달 압력을 낮추는 악영향을 미친다.

[로터리 펌프 출처 : 우성진공]

진공펌프 Dry Pump

반도체,LCD 관련 공정에서 사용되는 활성 Gas를 배기하며 Oil 사용 펌프와 Gas가 반응하여 반응생성불 발생을 억제하고 Oil이 진공 측으로 역류 하는것을 방지하기 위해 사용 H(고온형) 과 L(저온형) 두가지 종류의 Pump가 있다. H : 고온형 Pump 본체의 Gas통과 부분을 공냉에 의해 고온 영역으로 균열화 하여 CVD , Etching 등의 Process로 발생하는 승화 성 배기 물질을 Pump 내부에 부착시키지 않도록 되어 있음. L : 저온형 Gas 통과부를 수냉으로 하여 저온 영역으로 균열화, 고온에서 반응하는 Process Gas 배기 및 고온 진공 배기에 사용. Booster Pump 및 TMP(Turbo Molecular Pump)와 조합하여 사용 하고, 보조 Pump로도 이용한다. 주로 활성 Gas 배기(CVD,Etching) 또는 불활성 Gas 배기의 배기 Pump 로도 사용된다.

[Dry Pump의 내부 단면구조]

[Rotor] [Rotor]

진공펌프 Booster Pump

[부스터펌프 작동원리]

10~10-4 torr 영역의 진공펌프 대형 챔버의 저 진공 시간을 줄이기 위하여 사용한다. 평행한 축에 달린 8자 모양의 두개의 회전자가 반대방향으로 돌면서 기체를 흡입,배출한다. 오일을 사용하지 않기 때문에 로터리 펌프 대비 훨씬 빠른 속도로 회전 할 수 있으나 로터리 펌프로 보조배기(Backing)을 해줘야 한다.

[부스터 펌프 출처 : 피제이 코디박] [부스터 펌프와 로터리 펌프의 결합]

진공펌프 Oil Diffusion Pump

[Oil Diffusion Pump 작동원리]

Jet 에서 초음속으로 분사되는 Oil stream과 기체분자의 충돌 펌프 하단으로의 운동량 발생 구조는 크게 히터(heater)와 jet assembly로 구성되어 있다. 히터에서 끓어 형성된 오일 증기가 증기탑을 따라 상승하다가 아래쪽을 향한 노즐에서 초음속(약 300m/초) 으로 분출되는 것. 이렇게 아래쪽을 향해 분사되면서 펌프 주변으로 들어온 기체 분자 들을 함께 같은 방향으로 이동시켜 배기가 이루어 짐. 이때 고분자 오일과 기체 분자들의 충돌 시 운동량 전달에 의해 기체 분자가 아래쪽으로 향하게 되어 배기된다. 일반적으로 오일의 산화를 방지하고 배기 효율을 높이기 위해 Rotary Pump를 이용하여 보조 배기를 해주면서 사용하게 된다. 장점 : 가격이 저렴, 구동부위가 없다, 모든 가스들에 대하여 일정한 배기 속력을 갖음 단점 : Oil 의 역류(Back Stream) > Cold trap 필요 Oil 의 산화 > Leak에 민감

[Oil Diffusion Pump의 명칭]

[Oil Diffusion Pump]

진공펌프 Turbo Molecular Pump

일정한 각도를 가지고 고속으로 회전하는 blade와 가스분자의 충돌에 의한 분자들의 이동 Turbo Molecular pump 는 블레이드의 회전에 의해 분자에 Momentu, transfer가 일어나고 이때 분자가 원하는 방향으로 튀어 나감 으로써 배기가 이루어 진다는 간단한 원리로 구동. 장점 : Start-up 시간이 없다 챔버 온도에 둔감 부식성/반응성 물질의 잔류가 없다 냉각이 상대적으로 덜 필요하다 단점 : 가격이 고가 가스에 따른 배기속도가 차이다 많다. 특히 질량이 가벼운 분자의 배기속도가 떨어짐 수증기의 배기속도가 낮다 > Cold trap 사용

[TMP Blade 의 구조]

[TMP의 명칭]

진공펌프 Cryo Pump

Cryo Pump는 저온(cryo) 를 이용한 것으로, 차가운 표면에 기체 분자들이 응축 또는 흡착 되도록 하여 제거하는 원리. 냉매로는 액체질소, 압축헬륨 이용. Cryo펌프에 사용되는 냉동기(cold head)는 2단으로 되어있고, 1단은 냉동 능력이 큰 80k 이하로 냉각 할 수가 있고, 2단은 냉동능력이 작은 10k~20k(켈빈) 으로 냉각 할 수가 있다. 15K Cryo Panel(1) (응축 Panel) 과 15K Cryo Panel(2)(흡착 Panel) 은 냉동기의 2단에 부착되어 있고 냉동능력이 큰 1단에 부착 되어 있는 80K Shield 와 80K Buffle 은 실온의 방사(복사) 열로 부터 펌프를 보호하고 있다. 수소(H2), 헬륨(He), 네온(Ne) 과 같이 증기압이 높은 기체는 20K 또는 응축에 의해 배기하는 것이 불가능하므로 20K이하로 냉각된 흡착제 (활성탄) 에 의해 배기된다. 장점 : 수분의 pumping speed가 빠르다. 구동중 backing pump가 필요치 않다. 챔버의 오염 우려가 없다. 단점 : 주기적인 regeneration이 필요 질량이 가벼운 기체분자의 배기속도가 떨어진다. Start-up 시간이 길다 약 2시간 가격이 비싸다. 불순물의 오염에 취약하다.

[Cryo Pump의 개념도]

[Cryo Pump 출처 : 지브이티] [Charcoal Array]