색즉시공(色卽是空)과 진공(眞空, vacuum) 및 베세토튜브

  1. 色卽是空 空卽是色(색즉시공 공즉시색)
  2. 진공(眞空,vacuum) 의미
  3. 진공 펌프의 종류과 특징
  4. 극極초고속 튜브셔틀의 베세토(글로벌)튜브

  1. 색즉시공 공즉시색(色卽是空 空卽是色)

色不異空空不異色 色卽是空空卽是色(색불이공공불이색 색즉시공공즉시색)

색이 공과 다르지 않고 공이 색과 다르지 않으며, 색이 곧 공이요 공이 곧 색이다.

이 세상에 있어 물질적 현상에는 실체가 없는 것이며, 실체가 없기 때문에 바로 물질적 현상이 있게 되는 것이다. 실체가 없다고 하더라도 그것은 물질적 현상을 떠나 있지는 않다.

또, 물질적 현상은 실체가 없는 것으로부터 떠나서 물질적 현상인 것이 아니다. 이리하여 물질적 현상이란 실체가 없는 것이다. 대개 실체가 없다는 것은 물질적 현상인 것이다.

색즉시공(色卽是空 )이란 말은 2003년도에 우리나라 영화 제목 “색즉시공(Sex Is Zero)”으로 쓰이면서부터 널리 알려지게 되었다. 이 영화는 우리나라 영화사상 최초로 1000만 관객을 돌파한 흥행기록을 세웠고 임창정과 하지원이 주연 했다.

섹스 코미디 영화로 코미디물이면서도 성(性)을 중점적으로 현실감있게 다룸으로 많은 이들에게 흥미를 끌었으며 이 영화로 인해 색즉시공하면 많은 사람들이 섹스 에로틱을 떠올리나 사실은 섹스와는 아무런 관련이 없는 불교경전에 나오는 문구이다.

색즉시공 공즉시색은 불교경전인 반야심경에 나오는 구절로 대승불교의 핵심사상으로 우리가 살고 있는 현상계는 자성이 없는 허상의 세계이지만 인연으로 인하여 분명히 존재하는 세계이므로 집착없이 최선을 다하여 살아야 한다는 뜻이다.

“산은 산이요 물은 물이다” 라는 성철스님의 어록은 색즉시공 공즉시색을 달리 표현한 말로 이 말의 의미는 깨달음을 얻는다고 해서 산과 물이 없어지거나 혹은 산과 물이 서로 뒤바뀌지 않는다는 것이니 깨달음을 얻어 차별이 없는 경지에 이르렀다 할지라도 육신이 몸담고 있는 차별지(差別地)인 이 세상은 여전히 존재한다는 뜻이다.

색(色)은 불교용어로, 색깔이 아니라 ‘실체가 있는 모든 물체(物體)’를 말함이며 색즉시공 공즉시색을 쉽게 말하자면 물질(物質)은 언젠가 사라지고 또한 사라지더라도 금세 다시 물질이 생겨나는 굴레를 뜻하므로 집착과 번뇌를 끊기 힘들다는 뜻이 되기도 한다.

색즉시공(色卽是空)은 이 세상이 실체가 없는 허상이므로 중생들이 세상사에 집착하지 않도록 하는 가르침이며 공즉시색(空卽是色)은 비록 공한 세상이지만 집착없이 열심히 세상을 살도록 중생을 제도하기 위한 가르침이다.

팔만대장경을 한쪽으로 압축하면 반야심경이 되며, 반야심경을 줄이고 또 줄이면 색즉시공 공즉시색이 되는 것이니 그 안에 삼라만상의 지혜가 있다고 한다. 진리는 쉬운 듯 어렵고 어려운 듯 쉬우며 깨달은 자에게 보이겠지만 깨닫지 못한 자에게는 보이지 않는다.

“반야심경”에 나오는 이 구절은 불자라면 다 알고 불자가 아닌 일반인도 불교를 잘 모르나 저 구절이 지닌 알 듯 모를 듯한 말에 매료되기도 한다. 일반적으로 불교는 합리적인 과학과는 상당히 거리가 있다고 생각되지만 양자물리학은 오히려 불교의 교리가 상당히 과학적이라고 말해 주고 있다.

양자 물리학의 관점에서 보면 우리 눈에 보이는 실체도 사실은 에너지 덩어리일 뿐 우리가 생각하는 물질 자체로 존재하지 않는다. 이 세상에 존재하는 물질을 볼 때 물질이 차지하고 있는 공간에는 무언가가 있고, 그 외의 공간은 비어있다고 생각한다.

우리가 무언가가 있다고 생각하는 공간도 사실은 비어 있는 공간과 큰 차이가 없고, 또 비어 있다고 생각하는 공간도 사실은 비어 있는 게 아니라 에너지가 존재하고 있다. 양자 물리학이 발전하면서 원자도 더 작은 단위로 쪼개질 수 있다.

현대적 장치의 도움을 받아 원자의 속성과 그 구성물들을 간접적인 방법으로 ‘관찰’할 수 있게 되었다. 원자의 직경은 약 1억 분의 1센티미터인데, 전자의 궤도반경이 원자핵의 반경보다 10만 배나 크다는 것은 원자 내부의 공간이 대부분 텅 비어 있음을 의미하고 있다.

또한 원자핵과 전자는 에너지가 진동하고 있다고 볼 수 있고 물질의 존재와 부존재는 뚜렷한 경계가 있는 것이 아니다. 물질은 에너지가 집중되어 있는 곳으로 아인슈타인의 상대성 원리는  ‘E=mc2‘ 로 명쾌하게 표현하고 있다.

물질과 에너지가 같은 것이라는 의미를 가지는 상대성 원리는 ‘색즉시공 공즉시색(色卽是空 空卽是色)’의 불교 교리의 과학적 표현이라고 볼 수 있다. ‘색’은 물질이요, ‘공’은 에너지라고 볼 수 있다.

 

  1. 진공(眞空, vacuum) 의미

색즉시공 공즉시색은 반야심경(般若心經)의 핵심내용으로서, 글자 그대로 물질이 곧 비었고 빈 것이 곧 물질이라는 뜻이다. 진공(眞空) 의 사전적 의미는 아무 것도 없는 빈 공간(空間) 이다.

고전적인 진공은 “물질이 전혀 존재하지 않는 공간”을 가리킨다. 영어에서 진공을 가리키는 단어인 바큐움(vacuum)은 라틴어의 “비어있다”인 바쿠우스(vacuus)에서 유래한 단어이며, 우리말과 한자 등의 “진공(眞空)”은 “진짜로 텅 비었다”는 의미를 갖고 있다.

일반인들도 진공관이나 진공 청소기, 진공 보온병 같은 용어를 통해 일상적으로 접할 수 있기 때문에 일반인에게도 친숙한 단어이나 우리가 일반적으로 생각하는 진공은 진짜 진공이 아니다. 양자역학에 따르면, 이러한 진공은, 완전히 비어 있는 것이 아니라, 영점 에너지라고 불리는 미약한 에너지로 채워져 있다.

진공기술의 역사

아리스토텔레스가 “더 이상 쪼개지지 않는 알갱이는 존재하지 않는다. 따라서 우주는 연속된 물질로 가득차 있다. 그러므로 자연에는 진공이 존재하지 않는다”고 추론한 이래 “자연은 진공을 싫어한다”라는 믿음은 중세까지 이어져왔다.

진공의 사전적 의미는 ‘물질이 전혀 존재하지 아니하는 공간으로 인위적으로 만들어 낼 수는 없고, 실제로는 극히 저압의 상태’를 말하고 ‘우주의 공간은 진공도는 높으나, 미량의 성간 물질이 존재한다’라고 설명하고 있다.

상온 대기압 하에서 공기분자 1리터 내에는 대략 1022개 정도의 공기분자가 존재한다. 이 공기 분자는 중진공, 고진공, 초고진공 상태로 진공도를 높이면 그 수가 줄어들게 되며 10-11 torr의 초고진공 상태로 배기하면 그 수는 108개로 줄어들지만 완전히 없어지지는 않는다.

1643년 갈릴레이의 제자 토리첼리(Evangelista Torricelli, 1608~1647)가 수은기둥 실험을 통해 진공의 존재를 입증했다. 유리관내에 수은을 채워 흘러나오지 않게 마개를 닫은 뒤 수은이 담긴 통에 거꾸로 세웠다.

마개를 제거하자 수은은 유리관을 빠져 나오다가 수면 위 76cm 높이에서 멈췄고, 유리관 한쪽 끝에는 인간이 만든 최초의 진공상태가 생겼다. 현재 사용되는 진공의 단위 토르(torr)는 토리첼리를 기념하기 위해 생겼다. 

1927년 영국의 이론 물리학자 디락(Paul Dirac, 1933년 노벨 물리학상 수상)은 진공 에너지가 만드는 전자기장에 의해 여기상태 여기상태(excited state)의 원자가 바닥상태로 천이하면서 광자를 방출한다고 제안하였다.

진공에너지는 우주의 모든 공간 어디에나 있다. 진공 에너지에 의해 진공전자기장(vacuum field)이 만들어지는데 이 전자기장이 모든 주파수에 걸쳐 존재하고 있다. 진공에너지가 우주 전 공간에 퍼져 존재할 뿐 아니라 모든 주파수에 대해 각각 존재하고 있다.

진공 에너지는 물리학 이론에서 매우 중요한 위치를 차지한다. 아인슈타인의 일반상대론에 의하면 우주상수(cosmological constant)에 의해 우주의 팽창속도가 결정되며 이 우주상수는 다름 아닌 진공 에너지의 밀도에 해당한다. 상대성이론인 질량과 에너지 등가법칙인 E=mc2에 의해 에너지가 존재하게 된다는 뜻이다.

에너지적 관점에서 완전한 진공은 에너지가 0 인 상태가 되어야 하는데, 이런 상태를 만든다는 것은 불가능하다. 결국 우리는 완전하고 이상적인 진공을 만들어 낼 수는 없다. 우리가 할 수 있는 것이라곤 밀폐된 상자안에 있는 공기와 수분을 가능한 많이 제거하는 것뿐이다.

우리가 흔히 진공이라고 부르는 것은 바로 그런 ‘현실적인 진공’ 상태를 의미한다. 우리가 숨쉬고 있는 대기의 성분은 약 78%의 질소와 21%의 산소가 주를 이루고, 나머지 1% 정도는 아르곤, 이산화탄소 등의 기체들이 모여 이루어져 있다.

물질의 존재 유무의 관점에서 진공을 정의 하고 있다. 그러나 진공의 물리적인 의미를 포괄적으로 따져 보면 단순히 물질이 비어 있다는 의미는 아니다. 진공은 오히려 꽉 차 있어서 조건에 따라 새로운 물질이 창조될 가능성을 지니고 있다.

물질의 존재가 없어 완전히 비어있는 것처럼 여겨지지만 에너지와 같은 다른 물리량으로 꽉 차 있을 수 있다. 이 에너지는 언제든지 물질로 변환 가능하고 물질 또한 소멸하여 에너지로 변환될 수 있습니다.

에너지에 의한 물질의 생성은 쌍생성(pair production)현상으로 관찰되었고, 물질이 소멸되어 에너지로 변환되는 것은 쌍생성 현상으로 관찰된다. 이와 같은 공의 상태를 만들어야 새로운 색(色)의 상태 즉, 창조(創造)가 이루어 질 수 있다.

여기서 창조는 새로운 형태를 이루거나 새롭게 무엇을 관측하는 양으로 볼 수 있겠다. 따라서, 진공은 창조의 시작이다. 새로움을 창조하기 위해선 먼저 비워야 한다.

아인슈타인은 에너지와 물질의 관계에 대한 개념을 질량과 에너지 등가 관계식 E=mC²로 깔끔하게 정리하였다. (E: 에너지; m: 질량; C: 빛의 속도). 종교 철학적인 관점에서도 진공은 비어 있기 보다는 어떤 물리량(또는 에너지)으로 꽉 차 있는 것처럼 묘사 되고 있다.

아인슈타인의 질량-에너지 등가 관계식과 같이 물질과 에너지는 본질적으로 같은 물리량으로 진공은 물질 유무 관점에서는 빈 공간으로 보이게 되지만 포괄적 물리량의 관점에서는 꽉 차 있는 공간으로도 볼 수 있다.

물질의 관점에서도 진공도를 표현할 경우 관찰 범위의 공간 내에 물질의 존재량이 아닌 물질과 에너지가 결합된 형태인 압력의 크기로 진공도를 표시하고 있다. 압력은 ‘입자의 밀도× 입자의 평균운동에너지’, 즉, 일반적으로는 압력은 p=nkT(p: 압력, n: 입자 밀도, k: 볼츠만 상수, T: 온도(평균운동에너지))으로 표현된다.

관찰 공간 내의 입자의 개수의 차이가 나더라도 진공도는 같다고 할 수 있다. 압력의 표현식에서 에너지만을 남기고 입자를 소멸시키게 되면 진공도는 0이 된다. 이 경우에는 물질이 소멸되어 관찰 범위의 공간이 빈 공간이 되어 진공이 된 것으로 일반적인 진공 상식인 물질의 유무 관점에서는 쉽게 이해 될 수 있다.

현존하는 세계 최고 성능을 갖고 있는 KSTAR 핵융합장치는 플라즈마를 발생하고 가두기 위한 거대한 스테인리스 강으로 만들어진 진공용기와 이 용기 내부에 플라즈마를 가두어 두는 자기장으로 형성되어 있는 공간으로 구성되어 있다.

운전 압력은 약 1 억분의 1 기압에서 시작하여 초기 플라즈마를 만들지만 플라즈마 압력은 점차로 증가하여 정상 플라즈마의 압력은 1 기압 이상을 넘기기도 하며 시간적 압력 변화뿐만 아니라 진공용기 내부의 위치에 따라 다양한 압력 분포가 형성된다.

관찰 범위 공간을 진공용기에서 플라즈마를 가두고 있는 자기장 공간으로 제한 한다면 핵융합 플라즈마를 대기압 플라즈마라고 해야 할지 어떨지 정의하기가 매우 애매하나 관찰 범위를 원자 내부, 즉, 핵과 전자 궤도 사이의 미시적 공간으로 제한 해 본다면, 물질이 없는 진공의 존재는 가능해 진다.

고체의 내부에서도 물질이 존재하지 않는 격자 간의 공간이 존재한다. 격자 간의 공간으로 관찰 범위를 제한한다면 금속 내부에는 많은 진공 공간이 존재하고 있고 금속은 매우 많은 진공 공간을 함축하고 있는 개체로 볼 수 있다.

그러므로 공간의 상대적인 조건에 따라 즉, 관찰 범위 공간을 어떻게 설정하느냐에 따라 진공의 존재성이나 크기는 달라질 수 있는 상대적 개념으로 진공은 물질과 에너지가 관계를 갖고 담겨 있는 상태라고 할 수 있다.

진공의 물리학적 의미는 입자(물질)의 개수가 아니라 입자(물질)와 그에 결합되어 있는 에너지의 복합적인 개념이라는 관점에서 대기압 상태도 개념적으로 진공이라는 의미를 충분히 부여할 수 있다.

진공은 물질과 에너지라고 하는 과학기술 분야의 시작점이라고 할 수 있다. 단순히 기존의 물질(또는 입자)의 유무로 판단되는 진공의 개념에서 벗어나 진공의 본질적인 물질과 에너지의 복합적 개념에 착안하면 진공의 학술적 영역과 분야는 인류의 과학기술의 가장 중요한 근간이고 시작점이 될 것이다.

색즉시공은 이 세상이 실체가 없는 허상이므로 중생들이 세상사에 집착하지 않도록 하는 가르침이며 공즉시색은 비록 공한 세상이지만 집착 없이 열심히 세상을 살도록 중생을 제도하기 위한 가르침이다. 인간도 더욱 성장하기 위해서는 우선 마음을 비울 줄 알아야 한다. 진공은 삶의 지혜이며 철학이다.

옛날 그리스의 학자들에게는 진공이 철학적인 사고의 대상이었다. 그러다 1643년 Evangelista Torricelli가 처음으로 진공을 실험실에서 구현하므로 진공은 비로소 철학의 화두에서 과학의 세계로 들어오게 된다

1654년에 Otto von Guericke는 최초로 진공펌프를 발명하였다. 그 후 진공펌프관련 기술의 진보는 진공기술이 20세기 산업혁명의 주도적인 기술로서 자리매김 하였고 수은 Geissler pump의 등장은 1898년에 Thomas Alva Edison등이 탄소 백열전구를 개발하게 된다.

진공기술의 중요성

우리가 매일 같이 마시는 공기나 물같이 당연한 것으로 인식하고 있을 뿐 하루라도 물을 마시지 않으면 생명이 위험하다는 사실을 잊고 있는 것처럼, 진공기술의 혜택과 중요성을 반도체산업을 비롯하여 진공청소기산업에 이르기까지 절실하게 인지하지 못하고 있는 것이 사실이다.

플라즈마 정밀 제어 기술 및 나노입자 측정 제어 기술은 초고온 및 무접촉 부양 기술(levitation)과 연결 시키면서 새로운 방식의 공정 기술 그리고 재료 개발 기술로 이어지고 있다. 진공기술의 수준이 곧 그 나라의 과학과 산업 경쟁력 수준을 나타낸다.

특히 우리나라는 진공기술을 필요로 하고 있다. 진공 기술은 반도체, 디스플레이, 항공우주, 핵융합, 나노 기술 등 첨단 산업에 폭 넓게 사용되는 기반 기술로 전 세계의 과학자들은 인공적으로 만들어 낼 수 있는 진공의 한계에 도전하며 절대 진공 상태를 추구하는 연구를 하고 있다.

소립자 생성 소멸, 우주 진화 등 기초 과학 발전을 위해서 꼭 필요하며, 그 과정에서 얻어진 지식들이 앞에서 거론했던 많은 산업 분야에서 원천기술로 사용되고 큰 파급효과를 냈기 때문이다. 우리나라도 도전해야 하는 분야이다.

진공 배기기술(vacuum pumping technology)은 오늘날 최소한 70여 개의 일반 제조 응용 분야에서 중요한 지원 기능을 수행할 뿐만 아니라 많은 산업 분야에서 활용되고 있다. 특히, 반도체, 평판 디스플레이, 태양전지 제조 그리고 과학 기기 분야가 진공 기술에 대한 최근의 발전을 이끌고 있으며 당분간은 이런 추세가 계속 지속될 것으로 예측된다.

20세기 시작 즈음에 산업공정 기술로서 진공이 이용되기 시작하였고 전구의 발명에 의해 진공 기술이 활발하게 이용되기 시작하였다. 진공관(vacuum tube)에 의존하는 라디오와 텔레비전의 도입은 이러한 요구를 넓히는 계기가 되었다.

1950년대와 1960년대에는 많은 산업 분야에서 트랜지스터의 이용 확대가 이루어지면서 특히 전자 산업 분야에서 진공 공정이 필요 없을 것이라고 예측되었다. 그러나, 21세기 초 첫 번째 10년이 끝날 쯤에서 진공 공정 기술은 여전히 잘 살아 남았고 역설적으로 전자 산업이 진공 기술을 이끄는 엄청난 동인이 되고 있다.

오늘날, 진공 부품 시장은 약 60억 달러이며 지속적으로 여전히 성장하고 있다. 진공 배기와 진공 배기 서비스는 시장의 3분의 2를 차지하고 이중 반도체 제조 분야가 단일 분야로는 가장 크다. 70개 이상의 일반 산업 응용 분야가 진공 공정을 이용하고 있고 주기적으로 새로운 분야가 생기고 있다.

이 분야들은 다시 수 백 개의 세부 분야로 나누어 지는데 서로 매우 다른 요구 사항들이 필요하다. 특히 전자, 평판디스플레이, 태양 전지 그리고 과학 기기 분야는 향후 진공 기술 발전을 주도할 것이다.

반도체. 소자 크기의 감소와 웨이퍼 크기의 증가는 더 많은 가스 질량 유량(throughput)을 배기하여야 할 필요와 다양한 전구체와 공정 부산물의 증가에 대응하기 위한 진공 기술 필요를 확대시키고 있다.

이러한 현상은 공정에 적합한 진공과 더 큰 용량의 진공 펌프 필요성을 계속 증가시킬 것이다. 또한, 반도체 공정들에 대한 새로운 물질의 도입뿐만 아니라 새로운 물리적 공정들, 즉 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)은 배기 과정에서 해결해야 할 많은 문제점들을 유발하고 있다.

평판 디스플레이. 대형, 평판 스크린, LCD TV의 광범위한 적용은 계속적으로 대형 진공 펌프 필요성을 유발하고 있다. 이러한 진공 펌프들은 이미 평판 디스플레이 제조 공정 조건에 대응하기 위해 더 커져야 할 필요가 있다.

태양전지 제조부분에서도 배기 용량이 더 큰 진공 펌프와 대처하기 어려운 화학 반응과 그 반응물들에 적용할 수 있는 진공 펌프 필요성 측면이 또 다른 기술 주도 요인이 될 것이 분명하다.

태양 전지 제조가 반도체, 평판 디스플레이 그리고 일반 산업 응용 분야에 이미 사용되고 있는 진공 제품들에 대한 수요 증가를 촉진함과 동시에 태양 전지 응용 분야의 특별한 요구 사항들에 적합한 성능을 요구하고 있다.

이러한 진공기술은 극고진공 구현을 통한 우주산업에의 기여, 진공재료기술의 연구 개발을 통한 핵융합기술의 실현 등과 같은 미래의 연구에서도 필수적인 요소기술이다.

 

  1. 진공 펌프의 종류와 특징 

압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 힘이라고 이야기 했었다. 자연 상태에서는 언제나 이런 현상이 당연하게 일어난다. 그러나 진공펌프는 그 반대로 기체를 압력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 강제로 이동시키는 장치이다.

그래서 낮은 압력을 더 낮게 만들어준다. 어찌 보면 자연현상을 역행하는 장치이기 때문에, 당연히 그만큼 더 큰 에너지를 필요로 한다. 이런 진공펌프들을 기체를 배기시키는 방법에 따라 두 가지로 나눈다면 가스배출방식과 가스포집방식으로 구분 할 수 있다.

진공펌프는 배기원리와 사용조건에 따라 매우 다양한 펌프들이 있기 때문에 작업환경이나 압력, 배기속도 및 원하는 가격 등에 알맞은 펌프를 직접 선택해야 한다. 저진공부터 초고진공에 이르기까지 모든 진공범위에서 작동하는 펌프는 없다. 따라서 종류별 펌프를 조합도 매우 중요하다.

로터리(Rotary) 펌프

가스배출방식이란 말 그대로 기체분자를 모아 펌프 내에서 밖으로 이동시켜 배기시키는 방법을 말한다. 그 중 가장 대표적인 것이 로터리 펌프로 흡입-고립-압축-배기의 순서로 이루어지고 있다. 구조를 살펴보면, 펌프 내는 원통형의 공간(실린더)이 있고 기체분자가 들어오는 흡입구와 밖으로 내보내는 배출구가 달려있다.

그리고 실린더 안에는 충분한 오일이 담겨져 있어 윤활유의 역할과 마찰열의 냉각, 그리고 각 장치들의 틈을 막아주는 역할을 하고 있으며, 원형의 로터(회전자)가 달려서 매우 빠르게 회전하고 있다.

로터에는 베인(vane)이라는 장치가 달려있는데, 이것은 항상 스프링에 의해 로터에서부터 실린더 내벽으로 밀어 올려져 로터와 실린더 사이에 생긴 공간을 차단하고 있다.

작동 과정은 먼저 ‘흡입(induction)’과정에서 로터가 회전하면 흡입구를 통해 기체분자가 펌프 안으로 들어오게 된다. 로터가 조금 더 회전하여 ‘고립(isolation)’ 과정이 되면 베인이 흡입구를 차단하여 기체분자들은 완전히 외부와 고립된 상태가 되고 로터가 회전함에 따라 베인에 밀려 배기구 방향으로 이동하게 된다.

압축(compression)’ 과정에서는 기체분자들이 배기구 쪽으로 밀어 올려지고, 마지막으로 배출구의 마개가 열려 ‘배기(exhaust)’가 이루어지면서 반대쪽 흡입구에선 다시 기체분자의 흡입이 이루어 진다. 이와 같은 과정이 계속 반복되면서 기체분자를 이동시켜 진공을 만들어 내게 된다.

로터리 펌프가 중요한 이유는 이것이 가장 기본적인 펌프이기 때문이며 많은 진공장치에서 로터리 펌프를 대부분 1차 펌프(rough pump)로 사용하여 초기 배기를 하고 있다. 고가의 초고진공펌프를 2차 펌프로 장착했다 할 지라도 1차 펌프에서 배기가 제대로 이루어 지지 않았다면 2차 펌프는 성능저하를 초래하기 때문이다.

루츠(Roots) 펌프  

루츠 펌프는 두 개의 로터(rotor: 회전자)가 동시에 반대로 회전하면서 흡입-압축-배기의 과정이 동시에 이루어진다. 이 펌프도 역시 1차 펌프로 사용되고 있지만, 보통은 로터리와 함께 연결하여 보조펌프로 사용하여 배기능력을 극대화 하는 용도로 많이 사용된다.

루츠 펌프는 로터리 펌프와는 달리 내부에 오일이 없기 때문에 오일의 역류로 진공이 오염되지 않고 로터리 펌프를 장시간 사용했을 때 오일이 산화되어 성능이 떨어지게 되면 오일을 주기적으로 교체해줘야 하는데 그와 같은 추가 관리 및 비용의 발생이 적다는 이점이 있다. 

루츠펌프의 단점은 사용중 과도한 열의 발생으로 로터에 열변형이 발생하거나, 축이 휘면 로터끼리 충돌이 일어나 펌프가 고장날 수 있다. 이를 방지하기 위해 로터의 회전을 감속시키거나 별도의 냉각장치를 마련하여야 한다.

그리고 다른 펌프에 비해 상대적으로 기체가 역류할 수 있는 위험이 높다. 로터와 로터 사이, 로터와 실린더(펌프벽)사이 등 경계부가 많아서 기체가 빠져나갈 수 있는 확률이 높아지고, 그로 인해 한번에 진공을 잡기가 어려워 두개 이상의 루츠를 직렬로 연결하기도 한다.

오일확산펌프(Oil Diffusion Pump)

저진공에서는 기체의 양이 많아 ‘점성류’의 특성을 가지므로 그러한 형태의 배기에 유리한 로터리와 루츠펌프와 같은 1차 펌프로 사용된다. 고진공 영역에서는 기체분자 하나 하나씩 배기가 가능한 구조의 펌프가 2차 펌프로 사용된다. 2차 펌프 중에서 가장 흔하게 볼 수 있는 것 중 하나가 오일확산(oil diffusion)펌프다.

독일의 게데(Wolfgang Gaede, 1878~1945)에 의해 처음 고안되어 흔히 확산 펌프 또는 디퓨전(diffusion) 펌프라고 부른다. 확산펌프는 배럴이라 부르는 펌프용기가 있고 그 안의 바닥에는 확산오일이 적당량 담겨있다.

그리고 아래 족에는 오일을 가열시키고 증발시키는 열선 히터가 장착되어 있으며, 오일 위로는 몇 단에 걸쳐 노즐이 달린 굴뚝(chimney)이 중앙부에 설치되어 있다. 그리고 오일의 냉각을 위한 냉각수가 코일(or 금속 튜브)을 통해 펌프 외벽 주위를 흐르고 있다.

펌프의 상부는 진공챔버쪽 배관과 연결되어 있으며 하부쪽에는 배기를 위해 1차 펌프와 연결되는 배출구가 있다. 그 외에는 어떠한 기계적 장치도 작동도 없고, 히터의 가열을 제외하면 어떠한 전기적 장치도 작동도 없다.

간단한 구조에 간단한 작동으로 큰 효과를 얻을 수 있고, 오일 교체 외에는 고장이 발생할 염려도 적으며, 펌프 가격 및 유지 비용도 저렴하기 때문에 가장 많이 사용되는 고진공 펌프이지만 확산펌프내의 오일 분자가 챔버내로 역류하여 들어와 챔버와 시편을 오염시킬 가능성이 있다.

터보펌프 (Turbo Pump) 

터보 펌프는 모든 펌프들 중에서 가장 복잡하고 정밀한 구조를 가진 펌프 중 하나로 고속 모터의 중심축에 정해진 간격을 따라 로터(rotor)라고 부르는 회전디스크와 스테이터(stator)라고 부르는 고정디스크가 번갈아 가며 달려있다.

챔버내에 존재하는 기체를 외부로 배출시키기 위해서 터보 모터는 보통 20,000 rpm 이상의 고속으로 축에 달린 디스크를 회전시킨다. 이때 기체분자가 흡기구를 통해 디스크 사이로 유입되면, 디스크에 장착된 블레이드에 충돌하게 되고 블레이드의 각도에 의해 방향이 꺾이면서 운동량을 전달받아 다음 디스크 쪽으로 이동한다.

이렇게 이동된 기체분자는 또 다른 블레이드와 다시 충돌하게 되어 순차적으로 배기구 쪽으로 이동하게 된다. 각각의 블레이드 들은 배기구 쪽으로 갈수록 각도가 깊고, 촘촘하게 장착되어 흡기구와 배기구 사이에 발생하는 압력차에 적절하게 대응 할 수 있게 설계되어 있다.

터보 펌프는 많은 디스크와 블레이드들이 고속으로 회전을 해야하기 때문에 각각의 부품들은 매우 정밀하게 가공이 되어야 하며, 정확한 수평으로 균형이 잡혀야 한다. 터보 펌프도 오일확산 펌프와 마찬가지로 2차 펌프로 사용된다.

작은 이물질들이 고속으로 회전하는 블레이드에 충돌하거나 정밀 부품들 사이에 침투하여 손상을 입힐 수 있기 때문에 주의를 필요로 한다. 간혹 발생하는 이런 위험을 방지하기 위해, 일정 압력에 도달하지 않으면 2차 펌프의 밸브가 열리지 않도록 해놓은 장치도 사용되고 있다. 

스퍼터 이온 펌프(Sputter Ion Pump)

흔히 이온펌프라고 부르는 스터퍼 이온펌프는 가스배출방식의 펌프가 아닌 가스포집방식으로 진공을 만들어 내는 펌프이다. 기체분자나 기체입자들을 기계적으로 또는 운동량을 전달하는 방식으로 이동시키는 방식이 아니라 기체분자를 ‘흡착’ 시켜 제거하는 방법을 사용한다.

한가운데엔 원통형이나 벌집구조 형태로 제조된 페닝셀(penning cell) 이라고도 하는 양극셀들이 배열되어 있고, 그 양쪽 옆으로 타이타늄(Ti)로 만든 음극판이 장착되어 있다. 그리고 그 밖으로 자석이 설치되어 내부에 자기장을 형성시킨다.

먼저 스퍼터 이온 펌프 내부의 양쪽 음극판에 전원이 가해지면 전극에서 전자가 발생하고 양극셀 내부에 있던 기체들과 충돌하여 기체를 이온화 시킨다. 이때 외부에 설치된 자석에 의해 자기장이 형성된다.

전자들은 자기장 내에서 직진이 아닌 나선운동을 하게 되므로 주변 기체분자와 충돌 확률이 대단히 높아져 이온화 효율을 높일 수 있다. 이때 이온화된 기체들은 전기적으로 (+)이기 때문에 양단의 음극판 쪽으로 가속되어 표면에 충돌하면서 제거되는데, 이것이 1차 제거다.

그리고 이때의 이온의 충돌에너지 때문에 음극 표면에서 타이타늄 원자가 결합력을 깨고 밖으로 튀어나오게 된다. 타이타늄이란 금속은 다른 물질과 결합하려는 성질이 매우 강한 물질이기 때문에 양극이나 다른 벽에 흡착되어 있던 산소, 수소, 질소 등 여러 기체분자들과 결합하면서 막을 형성한다.

이것을 2차 제거라고 하며 이런 원리를 이용하여 진공을 만들어 내기 때문에 어떠한 기계적인 움직임이 없어 소음이나 진동이 거의 없고, 배기성능도 10-9 torr 정도에 달하여 고진공을 필요로 하는 장비에 많이 보급되어 있다.

크라이오 펌프(Cryo Pump)

공기중에 떠돌아 다니는 미세한 수증기 입자들은 어느 온도 이하의 차가운 면을 만났을때 물방울로 응축되는 현상이 발생한다. 온도가 낮은 부분은 높은 부분에 비해서 포화수증기압이 적기 때문에 기체로 존재하지 못하고 액체가 되어버리기 때문이다.

이런 현상을 펌프 내부에 적용시킨 것이 크라이오(cryo) 펌프다. 크라이오(cryo)는 극저온의 의미로 펌프 내부에 극저온 영역을 만들고, 그곳에 기체를 응축시켜 제거하는 방법으로 진공을 만들어 낸다.

펌프 중심에 고압의 헬륨가스를 팽창시키는 방법으로 냉각을 만드는 냉각단(cold head)이 상하로 두 개 달려있어서 단계적으로 온도를 떨어트리며, 보통 15K 이하까지 냉각이 가능하다. 냉각단 위쪽에는 활성탄(charcoal)이 부착된 면이 있어 여러 기체들의 흡착이 가능하고 외부와 연결되는 위쪽에는 배플(baffle)을 설치하여 온도가 외부로 빠져나가는 것을 방지한다. 

기체가 흡착하는 부분을 활성탄 같은 다공성 재료를 쓰면 넓은 표면적으로 인해 매우 효과적인 흡착을 할 수 있다. 80K 로 유지되는 베플과 냉각판에서 먼저 수분등이 흡착되고, 다음 15K의 냉각판에서는 아르곤, 질소, 산소등이 흡착된다.

활성탄에서는 냉각판에서 응축이 이루어지지 않는 수소나 헬륨등의 기체가 흡착되어 제거되며 수분부터 시작하여 헬륨까지 증기압이 낮은 순서로 기체분자들이 응축되어 기체수를 감소시키며 배기가 이루어지게 된다. 

이러한 응축과 흡착을 이용하게 되면 거의 대부분의 기체 종류에 대해 배기가 가능하지만, 지속적으로 기체를 방출하는 것이 아니라 내부에 흡착하게 되므로 흡착용량에 한계가 있고, 기체가 포화되면 이를 다시 제거해서 사용해야 하므로 지속적인 관리가 필요한 것이 단점이다.

크라이오 펌프는 초고진공을 만들 수 있기 때문에 표면과학 분석이나 반도체 제조에서 많이 사용하며, 고압의 가스를 이용하므로 세심한 주의가 요구되는 장치이다.

 

  1. 초고속 튜브셔틀의 베세토(글로벌)튜브

한자로 뾰족한 모양이 한자의 금(金)자를 닮았다고 하여 금자탑(金字塔)이라고 부르는 이집트 기자 고원(Giza Plateau)의 위치한 쿠푸(Khufu)왕 피라미드는 세계 7대 불가사의 중 첫 번째로 꼽히는 건축물이다.

외형적 웅장함뿐만 아니라 그 건축공학적 내구성을 여실히 보여주는 것으로 최첨단 과학의 시대인 오늘날에도 여전히 불가사의한 것으로 남아 있다. 현재까지 지구상 인간이 지은 건축물중 단일 중량, 부피 1위이고 역사상 무너지지 않고 버틴 가장 오래된 건축물로 인류가 멸종을 하더라도 수 만년 동안 그 모습을 유지할 유산으로 남을 것이다.

금자탑(金字塔) 비밀

쿠푸왕의 피라미드는 높이 139m, 밑변이 230m로 피라미드 중 가장 크기가 거대해 ‘대피라미드’라 불리며, 약 4600년 전인 고대 이집트 왕국 제4왕조 시대에 완성됐다. 밑변의 길이를 높이(1백46.6m)로 나눈 값은 1.57로 원주율(3.1416)의 절반에 해당하는 π/2로 황금비에 근사하는 값이다.

피라미드의 밑면의 둘레와 높이의 비를 구해보면 원주율 π에 2를 곱한 값으로, 원의 둘레와 반지름의 비와 같다. 이는 피라미드에 지구를 담아내고자 하는 생각을 반영한 것으로 해석된다. 피라미드의 밑면의 둘레를 지구의 둘레로, 피라미드의 높이를 지구의 반지름으로 생각하면 그 비가 정확하게 맞아 떨어지기 때문이다.

피라미드가 건설된지 4600년이 경과하였음에도 중력붕괴(重力崩壞, gravitational collapse)를 극복하고 아직까지 그 원형을 거의 간직한 채 자리를 지키고 있다. 4600여년간 바깥쪽 석판이 뜯겨 나가는 고난과 도굴을 당하고, 수차례 강진을 겪으면서도 지금까지 변형되거나 무너지지 않고 당당히 서 있다.

피라미드의 비밀을 알아내고자 지금도 많은 학자가 연구를 계속하고 있으나 그 비밀은 피라미드를 지키는 스핑크스는 알고 있을 것이다. 그 비밀은 바로 정삼각형에 가까운 사각뿔로 우주의 영원한 힘인 중력을 극복하는데 있을 것이다.

삼상궤도(三相軌道,Three Phase Track )기술의 안정성

현재 자기부상 열차 시스템은 수건의 실용화가 진행되고 있으며 시속 500km 수준의 주행속도를 달성하고 있으나 궤도 상태나 공기저항 등의 문제로 인하여 보다 초고속의 실현은 기술적으로 매우 어렵다.

바퀴의 마찰저항을 없애기 위해 이륜궤도와 단상 자기부상 기술을 적용함으로써, 음속돌파나 아음속과 같은 초고속 주행시 열차운행의 안정성이 떨어지고 자기부상과 열차운행 제어에 많은 어려움이 발생되고 있다.

상기 단상궤도와 이륜바퀴에서 나타나는 정현파 형태의 사행동(蛇行動, snake motion, hunting)은 철도차량의 공진현상 중 하나로, 주로 직선부를 고속으로 주행할 경우 차체나 대차, 차축 등이 연직축 둘레방향 회전진동(yawing)을 일으키는 현상으로, 궤도나 대차•차체에 손상을 주며 정도가 심한 경우 탈선사고의 주된 원인이 되므로 고속화에서는 특히 이 현상에 대한 대책이 중요하다.

일반적으로 이륜바퀴와 단상궤도는 고대의 수레 혹은 마차에서 연원한 기술적 사상으로 오랜 세월 기술개선으로 열차주행 속도를 꾸준히 증대하여 왔으나, 중력극복을 위한 경제적인 자기부상 기술의 적용이 어렵다.

더불어 초고속 주행에 따른 공기저항의 극복이 지난하며 진동과 섭동 등의 다양한 문제점을 해결하지 못하여, 음속돌파와 같은 초고속 주행 시스템 적용은 근원적인 문제점을 내포하고 있어 초고속 주행 이동체 시스템은 새로운 기술방식이 필요하다.

베세토튜브와 글로벌튜브는 종래 단상궤도와 이륜바퀴의 기존 철도기술에서 연원하는 단상궤도 자기부상 열차와 진공튜브 열차기술의 문제점을 해소할 수 있는 방안으로, 양정현파 주름관을 정육각형 각 변에 연접시킨 육방격자형 다중튜브 구조물과, 각 튜브내 정삼각형 꼭짓점에 삼상(three phase) 자기부상 궤도(track)가 안치되는 것을 특징으로 하는 진공 자기부상 이동체 시스템을 제공한다.

삼상궤도(三相軌道, Three Phase Track) 시스템은 튜브 내부 정삼각형 꼭짓점 A(π/2), B(7π/6), C(11π/6) 에 안치되는 자기편 프레임은 WF보(wide-flange beam)에 상응하는 구조물로 튜브내부에 형성되는 음정현파형 내벽에 WF보의 플랜지(flange)가 취부되고 웨브(web)와 또 다른 플랜지가 자기편의 프레임이 되는 구조를 갖는다.

삼상궤도 자기부상 방식은 이동체인 튜브셔틀(管飞机, チューブシャトル, Tube Shuttle)의 무게 중심(center of gravity)과 모멘트 중심(center of moment)을 원통 실린더 형상인 튜브셔틀의 가상원점 O(0, 0, 0)으로 이동시켜 안정평형(stable equilibrium) 상태 주행이 가능하게 된다.

기존 단상궤도 자기부상 기술의 중립평형(neutral equilibrium)과 열차 주행시의 불안정 평형(unstable equilibrium) 문제를 해소하여 진동이나 섭동을 최소화할 수 있게 되어 튜브셔틀의 음속돌파와 아음속과 같은 초고속 운행의 안정성 확보와 진동과 섭동을 극소화하는 기술적 진보성을 갖게 된다.

또한 양정현파(陽正弦波, Positve Sinusoidal Wave) 형상의 튜브구조물은 심해구간의 높은 수압극복과 선로비용의 최소화를 달성할 수 있어 막대한 투자비와 공사비가 필요한 자기부상 이동체 시스템의 경제성을 높일 수 있게 될 것이다.

진공(眞空, vacuum)은 물질과 에너지라고 하는 과학기술 분야의 시작점이라고 할 수 있다. 단순히 기존의 물질(또는 입자)의 유무로 판단되는 진공의 개념에서 벗어나 진공의 본질적인 물질과 에너지의 복합적 개념에 착안하면 진공의 학술적 영역과 분야는 인류의 과학기술의 가장 중요한 근간이고 시작점이 될 것이다.

베세토튜브, 아시아튜브, 태평양튜브, 북극해튜브, 대서양 등으로 연장될 글로벌튜브는 5대양 6대주를 연결하는 지구공학적 차원의 사상 최대규모 프로젝트이다. 베세토튜브연구회가 추진하는 기술표준은 진공튜브 구조에 적합한 다중튜브(Multi tube)와 삼상궤도(Three Phase Track)기술방식을 특징으로 한다.

반도체 제조 강국인 한국은 보다 고도화된 진공기술을 필요로 하고 있다. 진공 기술은 반도체, 디스플레이, 항공우주, 핵융합, 나노 기술 등 첨단 산업에 폭 넓게 사용되는 기반 기술이다. 지금도 전 세계의 과학자들은 인공적으로 만들어 낼 수 있는 진공의 한계에 도전하며 절대 진공 상태를 추구하는 연구를 하고 있다.

진공(眞空, vacuum)기술은 소립자 생성 소멸, 우주 진화 등 기초 과학 발전을 위해서 꼭 필요하며, 그 과정에서 얻어진 지식은 많은 산업 분야에서 원천기술로 사용되고 큰 파급효과를 내고 있다. 따라서 베세토튜브의 진공 시스템 기술은 우리나라가 도전해야 하는 분야이다.

Post Author: besetotube

답글 남기기

이메일은 공개되지 않습니다. 필수 입력창은 * 로 표시되어 있습니다