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진공 게이지 종류 : 네이버 블로그
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피라니 게이지(Pirani Gauge)
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개날연블로그 :: 진공도 측정 – 진공 게이지(Vacuum Gauge or Pressure Gauge)
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- Most searched keywords: Whether you are looking for 개날연블로그 :: 진공도 측정 – 진공 게이지(Vacuum Gauge or Pressure Gauge) 기체의 종류에 따라 방전의 색이 달라지므로, 기체 종류 판별에 이용하기도 합니다. 피라니 게이지(Pirani gauge) MFC 에서 가스의 양을 측정할때, 가스의 … 이제 대충이지만 진공펌프도 돌려보고, MFC 로 가스의 양도 조절할 수 있습니다. 어라? 그런데 문제는 가스의 양이야 맘대로 조절 가능하지만, 내가 가진 챔버에서 이정도 가스가 들어갔을때 챔버내의 압력은?..
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진공도 측정 – 진공 게이지(Vacuum Gauge or Pressure Gauge)
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INFICON
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- Summary of article content: Articles about INFICON 피라니 스탠다드 게이지. 5 x 10-4mbar ~ 대기압 범위 내에서 매우 신뢰할 수 있는 측정을 하는 가장 컴팩트한 Pirani 게이지. PSG5xx ATM~중간진공 게이지 … …
- Most searched keywords: Whether you are looking for INFICON 피라니 스탠다드 게이지. 5 x 10-4mbar ~ 대기압 범위 내에서 매우 신뢰할 수 있는 측정을 하는 가장 컴팩트한 Pirani 게이지. PSG5xx ATM~중간진공 게이지 …
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저진공게이지
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- Summary of article content: Articles about 저진공게이지 ATM 진공게이지 센서. by 우성주식회사. Views 6902 … KP100 Pirani Gauge Analog Indicator … Low Vacuum Pirani Gauge (피라니게이지). …
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진공과 게이지 1. 압력 진공 게이지의 종류와 원리 및 특성 (저 진공 게이지)
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진공과 게이지 1 압력 진공 게이지의 종류와 원리 및 특성 (저 진공 게이지)
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Dual Vacuum Gauge(Piezo + Pirani Combo)
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- Most searched keywords: Whether you are looking for Dual Vacuum Gauge(Piezo + Pirani Combo) 일반적으로 진공도를 측정해야 하는 경우, 피라니 센서(Pirani Sensor)를 이용한 컨벡션 게이지(Convection Gauge)를 사용하는 경우가 많습니다. 이번 시간에는 피라니 … 일반적으로 진공도를 측정해야 하는 경우, 피라니 센서(Pirani Sensor)를 이용한 컨벡션 게이지(Convection Gauge)를 사용하는 경우가 많습니다. 이번 시간에는 피라니 게이지의 문제점과 그에 대한 대안을 알아보도록 하겠습니다. 피라니 컨벡션 게이지(Pirani Con
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Vacuum Gauge, PIRANI 피라니 진공 게이지 | 캐시바이
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- Summary of article content: Articles about Vacuum Gauge, PIRANI 피라니 진공 게이지 | 캐시바이 0.01 ~ 10(-5) Torr 영역까지 표시됨 □ Platinum Alloy Sensor는 기존 피라니 게이지의 Gold Sensor와 달리 Mercury와 Hydrocarbon Vapor도 사용 가능 □ Chemglass … …
- Most searched keywords: Whether you are looking for Vacuum Gauge, PIRANI 피라니 진공 게이지 | 캐시바이 0.01 ~ 10(-5) Torr 영역까지 표시됨 □ Platinum Alloy Sensor는 기존 피라니 게이지의 Gold Sensor와 달리 Mercury와 Hydrocarbon Vapor도 사용 가능 □ Chemglass … V08-132-455,V08-132-595■ 0.01 ~ 10(-5) Torr 영역까지 표시됨 ■ Platinum Alloy Sensor는 기존 피라니 게이지의 Gold Sensor와 달리 Mercury와 Hydrocarbon Vapor도 사용 가능 ■ Chemglass Cat. No Model Description – – – V08-132-251 AF-0304-01 PIR…
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피 라니 게이지
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사물인터넷의 핵심 – 스마트센서로 정복하다
진공센서 진공 게이지 종류 센서로세계로미래로 ・ URL 복사 본문 기타 기능 공유하기 신고하기 1. 맥레오드 진공게이지 이것은 1874년 맥레오드(Herbert McLeod)에 의해 개발된 진공 게이지이며, 10-4 Torr 까지 진공을 측정할 수 있는 액주식 압력계의 일종으로 개발자의 이름을 따서 맥레오드 진공계(McLeod gauge)라 한다. 이 진공계는 절대 진공계이며 기체의 보일 법칙(PV = 일정)을 이용해서 압력을 측정하는 원리이다. 측정하고자 하는 기체를 체적 V0 만 분리하여 압축시켜 V로 하면, 압력은 P0에서 V0/V 만큼 증폭이 되어 압력 P가 되는데, 이 압력 P를 측정하여 원래의 압력 P0를 구하는 방식이다. 액주식 수은 마노미터와 유사한 형태이며, 기본적인 동작원리와 외관은 아래 그림과 같다. 플런저를 통해서 외부에서 압축하기 전에는 진공 용기 속의 압력과 미지압력(진공측)이 동일한 상태이다. 플런저를 통해 외부에서 압력을 가하게 되면 수은이 밀려서 h 만큼의 위치로 올라가게 된다. 압축 전 저장고에 들어 있는 기체의 부피를 V 0 , 이 때의 압력을 P 0 라고 하고, 플런저를 통해 가해진 압력을 P, 이 때의 모세관 부피를 V이라 하면, 보일의 법칙에 의해 다음과 같은 관계식이 성립한다. 여기서 a는 모세관의 단면적이고, h는 수은이 상승한 높이이다. 그리고 모세관의 직경은 매우 작기 때문에 V 0 ≫ ah 로 가정할 수 있다. 위의 식에서 모세관 단면적 a와 저장고 부피 V 0 는 맥레오드 진공계의 형상에 의하여 결정되는 값으로 이미 알고 있는 값이고, 모세관 높이 h만 측정하면 미지의 진공도를 측정할 수 있다. 만약 V 0 = 200 cc(2×105 ㎣), 모세관의 내경을 1 ㎜로 하고, h를 0.2 ㎜까지 읽을 수가 있다면, 위의 식에 의해 이 진공계는 2×10-5 ㎩ 까지 측정이 가능하다. 그러나 맥레오드 진공계로 측정이 가능한 한계는 대략 1.3×10-3 ㎩ 정도이다. 측정하한을 낮추기 위해서는 증폭율을 올려야 하는데, 이렇게 하기 위해서는 모세관 내경을 매우 좁게 하든지 저장고의 부피를 매우 크게 해야 한다. 만약 모세관의 내경이 1 ㎜ 이하가 되면, 모세관 현상에 의해 측정오차나 수은이 끊어지는 현상이 생길 수 있다. 그리고 저장고의 부피 V 0 를 매우 크게 하면(약 1 ℓ 이상), 수은의 중량을 유리로 지지하는 것이 어렵게 된다. 이러한 이유로 이론적인 한계보다 높은 약 1.3×10-3 ㎩ 정도까지의 진공도 측정이 가능하다. 2. 서모커플 게이지 이름에서 알 수 있듯이 서모커플 게이지(thermocouple gauge)는 열이 있는 열선(hot wire)에 접촉하여 온도를 측정하여 이로부터 진공도를 유추하는 게이지이다. 개념적인 내부구조는 아래 그림과 같다. 진공쪽에 게이지를 연결하고 게이지의 열선에 전류를 인가하여 필라멘트에서 열이 나도록 하고, 서모커플을 통해 열선의 온도를 측정하도록 설계되어 있다. 진공도가 좋아지면 열전달이 잘 되지 않으므로 열선의 온도가 올라가게 되어 간접적으로 진공도를 유추하는 방식이다. 그림(b)와 같이 낮은 압력(좋은 진공도)에서는 열손실이 주로 방사에 의한 것만 있기 때문에 원자 종류에 관계없이 실제 압력과 거의 일직선적인 특성을 나타낸다. 그러나 0.1 Torr 보다 높은 압력에서는 대류에 의한 열손실이 많기 때문에 원자의 종류에 따라 측정값과 실제 압력 사이에는 차이가 발생한다. 그리고 열선은 산화를 방지하기 위해 백금과 같은 귀금속 합금을 사용하며, 최대 온도가 200 ~ 300℃ 정도가 되도록 설계를 한다. 보통 서모커플 게이지로 측정이 가능한 진공도 범위는 10-3 ~ 1 Torr 범위이다. 서모커플 게이지의 정밀도를 높이기 위해서는 외부 요인에 의한 열손실을 최소화해야 한다. 열은 서모커플과 히터선의 배선 등을 통해 열이 게이지 외부로 빠져나갈 수도 있다. 이런 열손실로 인한 오차를 줄이기 위해서는 서모커플과 히트선의 배선 직경은 가능한 작게 해야 한다. 3. 피라니 게이지 압력의 측정 원리로 보면 피라니 게이지(Pirani gauge)는 서모커플 게이지와 거의 동일하다. 다만 측정하는 방법에서 휘스톤브리지를 사용하여 저항을 측정한다는 측면에서 서모커플 게이지와 구분이 된다. 피라니 게이지와 서모커플 게이지는 공히 가스의 열전도도를 통해 압력을 측정하는 원리이다. 피라니 게이지는 진공 센서 중에서 가장 오래된 방법 중의 하나이다. 게이지의 가장 간단한 형태는 열을 가하는 판을 이용하는 것인데, 가스 압력에 따라 판의 열손실 정도를 검출하여 진공을 측정한다. 1906년 Marcello Pirani에 의해 개발된 방법이며, 발명자의 이름을 따서 피라니 게이지로 명명되었다. 피라니 게이지의 내부 구조는 아래 그림과 같다. 금속관 내부에 설치된 텅스텐 또는 백금으로 만든 저항형 열선에는 저항 R을 통해 I2R 의 줄열이 발생한다. 진공도가 좋아지면 대류에 의한 열손실이 줄어들므로 저항이 증가되어 열선의 줄열은 증가한다. 따라서 이러한 열손실을 측정하면 간접적으로 진공을 측정할 수 있다. 열손실은 열선의 저항으로부터 알 수 있으며, 열선의 저항은 온도에 따라 변한다. 이와 같은 피라니 게이지를 사용하면 0.5 Torr 에서 10-4 Torr 사이의 압력을 측정할 수 있다. 4. 대류 게이지 대류 게이지(convection gauge)는 피라니 게이지의 개선된 형태라고 볼 수 있으며, 금이 도금된 텅스텐 미세선재 주위의 가스에 의한 열교환을 통해 진공도를 측정하는 방식이다. 고진공에서는 가스의 열전도에 의해 열이 손실되고, 저진공에서는 가스 분자에 의한 대류에 의해 열이 손실된다. 대류 게이지의 내부구조는 아래 그림과 같다. 약 120℃의 미세선재는 진공 쪽에 위치해 있고 휘스톤브리지의 Rsense에 해당하며, 나머지 휘스톤브리지의 저항부는 진공 바깥 부분인 게이지의 머리부분에 위치해 있다. 진공도가 낮은 경우 열선 주위로 가스가 많아 열을 많이 잃어버리기 때문에 높은 파워가 필요하고, 진공도가 높으면 열선 주위로 가스가 적어 열을 덜 빼앗기므로 낮은 파워가 필요하다. SRS(stanford research system)사의 PG105 대류 게이지의 출력전압과 압력과의 관계는 아래 그림과 같다. 대류 게이지는 측정이 간단하고, 넓은 측정 범위(10-4 ~ 103 Torr) 특성으로 앞선 서모커플 게이지와 피라니 게이지에 비해 많이 사용되고 있다. 5. 이온 게이지 진공도가 높아지면 진공용기 내부의 압력이 낮아져 직접 압력을 측정하는 방법이나 열 특성을 이용하는 방법으로는 민감도가 떨어져 사용이 어렵다. 고진공도의 경우에는 기체를 이온화시켜 그 이온 전류를 증폭하여 측정하는 이온게이지(ionization gauge) 방법이 사용된다. 피라니 게이지로 측정할 수 없는 더 낮은 진공은 이온게이지로 측정이 가능하다. 이온게이지에는 열 이온게이지(thermionic gauge)인 ‘고온음극 이온게이지’(hot cathode ionization gauge, HCG)와 ‘저온음극 이온게이지’(cold cathode ionization gauge, CCG) 두 종류가 있다. 이러한 이온게이지는 1909년 베이어(Baeyer)가 3극관 진공튜브로 진공을 측정할 수 있다고 제안을 하였고, 이 이론에 근거하여 1916년에 버클리(Buckley)가 3극관 이온게이지를 최초로 개발하였다. 이 당시 개발된 3극관에는 유리 튜브에 3개의 전기 단자가 밀봉된 상태로 만들어졌으며, 아래 그림과 같이 전자의 소스 역할을 하는 음극(cathode), 양극(anode), 양의 이온을 포집하는 집전기(collector)로 이루어졌었다. 그림(a)는 그리드가 집전기 역할을 하고, 그림(b)는 양극판이 집전기 역할을 하는데 이 형태가 더 많은 이온을 포획할 수 있고 민감도가 우수하여 많이 사용되었다. 현재 사용하고 있는 이온게이지도 이와 유사한 개념을 채용하였는데, 이온 집전기는 음극에 대해 반대극성으로 유지하여 전자는 배제하고 오직 이온만 포획하도록 설계하였다. 그리고 전자를 가속하기 위한 전압은 약 100 V 정 도를 사용하는데, 그 이유는 아래 그림과 같이 대부분의 중성가스 분자들이 전자에 의해 이온화되는 에너지가 100 eV 에서 최대를 보이고 있기 때문이다. 이 그림은 20℃에서 mbar 당 cm 전자 움직임 당 생성된 이온수 대 입사하는 전자의 운동 에너지 관계이다. 이러한 3극관 이온게이지는 개발된 이후 약 30년 동안 변함없이 사용되었으며, 이 당시 과학자들은 펌프의 성능이 개선됨에도 불구하고 왜 진공이 10-6 ㎩에서 더 낮은 진공이 구현되지 않은지 의심을 하고 있었다. 1947년에 개최된 제1회 국제진공학회에서 노팅험(Nottingham)은 측정 가능한 가장 낮은 압력의 한계는 펌프의 성능 문제가 아니고 이온게이지의 X선 때문이라고 발표하였다. 이온게이지의 X선은 양극판에 전자가 충돌하면서 생성되며, 이 X선에 의해 이온 집전기에서 광전자(photoelectron)를 방출하게 되고, 결국 이러한 광전자에 의한 전류에 의해 더 낮은 진공도를 측정하지 못하는 것이다. 이러한 가설은 1950년 바야드와 알퍼터(R.T. Bayard, D. Alpert)에 의 해 X선을 줄일 수 있는 디자인 개선을 통해 더 낮은 진공도를 측정할 수 있게 되었고, 오늘날 이런 형태의 이온 게이지를 발명자의 이름을 따서 Bayard-Alpert 게이지 또는 줄여서 BAG 라고 한다. 1937년에 페닝(Penning)은 전자기장을 이용한 게이지를 최초로 개발하였는데, 개발자의 이름을 따서 이런 형태의 게이지를 페닝 게이지라고 한다. 페닝은 스퍼터링 방법으로 코팅하는 기술에 대한 그의 특허에 기초로 하여 게 이지를 개발하였으며, 1 m㎩~0.1 ㎩ 사이에서 방전 전류는 압력에 거의 선형적으로 변하는 특성을 나타내었다. 아래 그림은 1949년에 개발된 페닝 게이지의 전극 배열, 자기장, 전자의 궤적을 보여준다. 오늘날에도 페닝 게이지는 이런 디자인으로 되어 있으며, 간단한 진공 게이지용으로 사용된다. 고온음극 이온게이지는 줄여서 HCG라고 하며, 이것은 필라멘트를 가열하여 열전자를 방출하게 하고, 음극과 양극 사이의 전기장에 의해 방출된 전자는 가속되어 챔버 내에 있는 분자들과 충돌하여 이온화 시킨다. 이때 이온화된 분자 중 양이온만을 포획하여 이온 집전기인 양극에서 전류를 측정하는 방법이다. 이때의 이온 전류는 챔버 내의 분자 수와 비례하므로 진공을 알 수 있다. 초창기 모델은 3극 열음극(triode hot cathode)의 형태로 되어 있었으며, 후에 개선된 디자인 모델이 개발되었다. 저온음극 이온게이지는 줄여서 CCG라고 하며, 상온 상태에 있는 음극에 강한 전압을 인가하여 전자를 방출하게 하고, 전기장에 의해 가속된 전자가 챔버 내의 분자를 이온화시켜 이온의 전류를 측정하여 압력을 측정하는 방법이다. 전자의 운동에너지를 올리기 위해 전기장 뿐만 아니라 자기장을 인가하기도 한다. 이온게이지의 내부구조는 아래 그림과 같다. 두 방법의 차이점은 전자에 에너지를 인가하는 방식에 있다. 하나는 열을 가하여 전자를 방출하는 방식이고, 다른 하나는 전자기 방법으로 전자를 방출시키는 방식이다. 공통점은 가속된 전자의 운동에너지를 이용하여 분자를 이온화시켜 이온의 전류를 측정하는 방법이다. 6. 고온 이온게이지 HCG의 초기 모델은 3극관을 이용한 방법이었으나, 이 방법은 그리드에 충돌하는 전자들에 의해 낮은 에너지의 X선을 방출하여 10-8 Torr 이하를 측정할 수가 없었다. 이런 문제를 해결하기 위해 1950년에 바야드와 알퍼터 (R.T. Bayard, D. Alpert)에 의해 개량된 HCG가 제안되었는데, 이를 발명자의 이름을 따서 BAG라고도 한다. BAG의 내부구조는 아래 그림과 같다. 기존 3극관과 다른 것은 열을 발생시키는 필라멘트의 위치를 중앙에서 바깥쪽으로 이동시킨 것이 차이점이다. 뜨거운 필라멘트에서 전자에 열에너지를 전달하고, 이 전자들이 그리드 쪽으로 가속되어 날아간다. 전자들이 운동하면서 가스 분자들과 충돌하여 이들 중 일부를 이온화 시킨다. 게이지의 중앙에 가는 선의 집전기를 통해 진공도에 비례하는 전류를 측정한다. 일정한 온도에서는 진공도와 전류는 비례관계에 있다. BAG는 전자가 가속되어 그리드에 충돌되는 원리를 이용하므로 전자에 의한 미약한 X선이 발생한다. 그리드에서 발생한 X선은 집전기와 충돌하여 광전효과(photoelectric effect)에 의한 광전자가 생성되어 잡음전류에 기여하게 된다. 이러한 잡음전류 때문에 BAG로 측정할 수 있는 진공도가 결정되는데, 이런 이유로 일반적으로 10-10 에서 10-11 Torr까지만 측정이 가능하다. BAG 이전의 초창기 3극관을 이용한 HCG는 X선의 영향이 커서 10-8 Torr 정도만 측정이 가능하였다. 일반적인 BAG의 측정범위는 10-3 ~ 10-10 Torr 인데, 특수 디자인으로 제작하면 초고진공인 10-11 Torr부터 10-1 Torr 까지도 측정범위를 넓힐 수 있다. 이렇게 하기 위해서는 일반적인 BAG에서 두 가지를 개선해야 하는데, 하나는 이온 집전기의 직경을 줄여 X선에 의한 전류의 양을 줄이는 방법이다. 다른 하나는 나선형 그리드의 구조를 미세선재(fine-wire)를 이용한 메시구조로 제작하는 방법이다. 미세선재로 만들게 되면 전자의 입장에서 보면 투 명하게 보이므로 전자의 충돌로 인한 X선을 줄일 수 있다. 필라멘트의 재질로 표면에 산화토륨(thoria)과 이트리어(yttria)로 코팅이 된 텅스텐 또는 이리듐을 주로 사용한다. 이 중에서 가장 많이 사용하는 형태는 이트리어가 코팅된 이리듐 재료를 가장 많이 사용하는데, 이것은 텅스 텐에 비해 낮은 온도에서 동작이 가능하기 때문이다. 또한 전원이 인가된 상태에서 낮은 진공도에 노출이 되어도 쉽게 타지 않는 특성이 있다. 반면, 텅스텐 필라멘트는 1×10-2 Torr에 노출되면 즉시 타 버린다. BAG에 인가하는 적절한 전류는 필라멘트의 종류, 게이지의 크기와 형태, 진공도 범위, 측정 민감도 등에 따라 달라진다. 일반적으로 25㎂ ~ 10㎃ 사이의 전류를 흘려준다. 필라멘트 종류에 따른 대표적인 BAG의 내부구조는 아래 그림과 같다. BAG는 열선 필라멘트를 사용하기 때문에 다른 종류의 진공게이지에 비해 비교적 높은 온도에서 동작한다. 그러므로 다른 진공게이지에 비해 휘발성의 물질에 대한 오염은 상대적으로 적은 편이다. 그러나 장시간 사용하다보면 BAG의 전극이 탄화수소(hydrocarbon)에 의한 오염 가능성이 있는데, 이로 인해 오염된 표면에서 더 많은 X선이 발생할 수 있다. 이것을 줄이기 위해 탈가스(degassing)를 주기적으로 실시해야 한다. 보통 탈가스에는 두 가지 기술이 사용되는데, 하나는 전자충격(electron bombardment, EB)이고, 다른 하나는 저항법(resistive)이다. EB는 미세선재 메시 그리드 게이지와 나선형 코일 그리드 게이지에 사용할 수 있다. 반면 저항법은 오직 나선형 그리드 게이지에만 적용이 가능하다. 두 가지 기술은 유사한 효과는 내지만 오염물질을 제거하는 방법에서는 큰 차이가 있다. EB법은 양극 전압을 매우 높게 올려 전자 방출을 충분히 하여 오염된 영역이 전자들로 완전히 대체되도록 하는 방법이다. 저항법은 그리드에 전류를 흘리고, 그리드의 온도를 충분히 올려 분자들을 떼어내는 방법이다. 탈가스 기능의 ON, OFF에 따른 기체의 압력 변화는 아래 그림과 같다. (a)는 수소 가스에 대해 3종류의 이온게이지에 대해 시간에 따라 탈가스 기능 On, OFF에 따른 압력의 변화를 나타낸 것이고, (b)는 탈가스 기능에 의해 가스별 진공도의 영향을 나타낸 것이다. 이온화게이지 중에서 HCG의 가장 큰 장점은 진공도와 전류의 선형성이 매우 우수하다는 것이다. BAG의 경우 게이지 제어기에 전류 대 진공의 관계에서 기울기(일명 민감도 인자)만 고려하면 진공도를 바로 계산할 수 있다. 예를 들어, 중간 진공도 영역인 10-9 ~ 10-4 Torr 사이의 민감도를 이용하여 진공도를 계산한다고 하면, 전 측정영역에서 선형성에 의한 최대 오차는 ±25% 정도에 불과하다. 대표적인 가스에 대한 전류 대 진공의 관계는 아래 그림과 같다. 다른 가스에 대한 민감도는 He이 5.56, 수소가 2.17, 질소가 1.0, 아르곤은 0.775이다. BAG는 다른 이온화게이지에 비해 정밀도도 우수하고, 안정적이며, 재현성이 우수하다는 장점이 있다. 그러나 개별 게이지들의 특성이 다르기 때문에 ±50% 이하의 정밀도를 얻기 위해서는 게이지마다 선형성 보정을 해야 한다는 단점이 있다. 일반적으로 BAG의 교정은 질소 또는 아르곤 가스를 이용하는데, 기타 가스에 대한 BAG의 출력은 이온화 효과가 다르기 때문에 가스보정인자(gas correction factor)를 고려해야 하는 단점이 있다. 1957년에 피츠버그에 있는 웨스팅하우스 연구소의 슐츠와 Schulz & Arthur Phelps)는 BAG를 고압에서 사용하는 경우 이온들의 평균자유행로(mean free path)가 짧아져 이온 집전기에 도달하는 이온 수가 감소하는 것을 보완하기 위해 게이지를 개선하였다. 고압에서의 산화를 방지하기 위해 필라멘트는 산화토륨(thorium oxide)을 코팅한 이리듐을 사용하고, 아래 그림과 같이 집전기의 면적을 넓게 만들어 BAG의 상한선인 10-3 Torr 보다 더 높은 10-1 Torr 까지도 사용이 가능하다. 이 게이지는 스퍼터링, 에칭, 플라즈마 제조공정 등에 주로 사용된다. 7. 페닝 게이지 페닝 게이지는 두 개의 양극과 음극 전극 사이에 매우 높은 DC 전압을 인가하여 방전시키고, 방전된 전류가 압력에 비례하는 관계를 이용해서 압력을 측정하는 방식이다. 낮은 압력에서는 가스 밀도가 매우 낮아 방전을 유지시키기에 필요한 충분한 전하를 만들지 못하기 때문에 측정 하한선은 약 1 ㎩ 정도이다. 이 한계를 확장하기 위해 전기장 방향으로 자기장을 인가하게 되면 이 자기장으로 인해 음극에서 양극으로 가는 전자의 경로 길이가 증대되는 효과를 얻을 수 있다. 이런 전자들은 다시 가스 분자들과 충돌하여 또 다른 전자를 생성시키게 되고, 이런 과정을 통해 신호 증폭 없이도 충분한 이온전류를 얻을 수 있다. 페닝 게이지의 동작원리와 내부구조는 아래 그림과 같다. HCG와 달리 페닝 게이지는 열 대신에 수 kV의 높은 전기장과 자기장을 이용한 에너지로 전자를 가속시키기 때문에 저온음극 이온게이지라고 하며, 페닝 게이지는 CCG의 대표적인 게이지로 분류된다. 페닝 게이지는 자체 배기 능력이 있으므로 실제 압력보다 낮게 측정될 수 있으므로 가능하면 굵은 연결관을 사용해야 한다. 페닝 게이지는 튼튼하고, 대기에 노출되어도 손상이 없으며, 다른 게이지에 비해 계측을 위한 회로부가 비교적 간단하다. 그리고 HCG와는 달리 열을 사용하지 않기 때문에 게이지를 켤 때 기체방출이 거의 생기지 않아 탈가스(degassing) 프로세스가 필요없는 장점이 있다. 페닝 게이지의 진공도에 따른 방전전류 특성은 아래 그림과 같다. 진공도가 높으면(낮은 압력) 방전에 의한 전자 전류는 진공도와 비례하여 전류가 흐르게 되고, 진공도가 낮으면(높은 압력) 양의 이온들이 많아져 전류는 불안정하게 되고 플라즈마에 의한 전류가 지배적으로 되어 더 이상 진공도에 비례하는 전류특성이 나오지 않게 된다. 따라서 일반적으로 페닝 게이지로 측정 가능한 진공도는 10-2 ~ 10-6 Torr 이며, 더 낮은 진공도를 측정하기 위해서는 다른 디자인이 필요하다. 8. 마그네트론과 역 마그네트론 이온 게이지 1958년 레드헤드와 홉슨(Redhead and Hobson)은 페닝 게이지의 성능을 대폭 향상시킨 마그네트론(magnetron)과 역 마그네트론(inverted magnetron) 게이지를 개발하였다. 이것은 페닝 게이지와 원리는 비슷하나 자기장은 원통의 길이방향으로 그리고 전기장에 대해서 수직으로 작용하여 가스 분자들의 이온화율을 높인 것이 특징이다. 마그네트론과 역 마그네트론의 내부 구조는 아래 그림과 같다. 마그네트론 게이지에서 양극은 바깥 부분인 실린더쪽에 위치해 있는 반면, 역 마그네트론 게이지에서 양극은 중심축에 위치해 있는 것이 차이점이다. 이 게이지는 10-10 Torr 또는 그 이하까지도 측정이 가능하다. 인쇄
진공과 게이지 1. 압력 진공 게이지의 종류와 원리 및 특성 (저 진공 게이지)
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우리가 앞서 배운것은 챔버내의 기체 분자를 최대한 밖으로 내보내어(또는 포집하여)챔버를 진공에 가깝게 만드는 펌프에 관련한 것이다. 그러나 열심히 뺐는데 궁금하지 않은가? 얼마나 빼내었고 그래서 그 정도는 얼마나 되는가. 그걸 알기위해 존재하는게 바로 진공 게이지이다.
오늘 먼저 알아볼것은 바로 러프 진공에서 사용되는 게이지이다. 게이지도 펌프처럼 각각의 원하는 정도에따라 각각 다른 게이지를 선택해서 압력대별로 사용하여야한다. 이제 차근히 알아보면
1.부르동 게이지(Bourdon Gauge)
수 많은 부르동게이지의 모습
부르동 게이지는 우리가 영화에서나 드라마에서 가스 압력이 막 왔다갔다 하면서 위험한 상태를 알려주는 경우에 주로 나오는 그것과 동일하게 생겼다. 투박하지만 대기압 부근에서의 압력을 측정하는데 신뢰성이 높은편이다.
부르동 게이지의 원리를 보면 다음과 같다.
부르동 게이지 원리
부르동 게이지는 상대적인 압력을 측정하는데, 휘어져 귀처럼 생긴 내부의 튜브의 한쪽은 진공용기 쪽으로 열려있고 다른쪽은 봉합되어 압력표시 바늘과 연결되어 있다. 오른쪽 0은 대기압을 30은 가장 낮은 압력으로 나타낸다. 여기서 0과 30까지 나타내는것은 절대적인 수치가 아닌 상대적인 압력 차이를 이야기하는것이다. 왼쪽으로 갈수록 대기압 오른쪽으로 갈수록 진공을 의미한다. 주로 1에서 0.1torr의 범위의 압력에서 사용된다.
게이지의 니들에 따른 상태표시
2.커패시턴스 압력계(Capacitance Manometer)
두 번째 러프 게이지는 커패시턴스 압력계이다. 모델에 따라 상대적인 압력과 절대적인 압력을 원하는대로 측정가능한 장점이 있다. 상당히 넓은 범위의 압력을 측정할 수 있으나 혼합기체의 가스량 변화에는 민감하지 못하다. 우선 사진으로 원리를 살펴보면
상대적, 절대적 압력에 따른 커패시턴스 압력계의 차이와 그 원리
위에서 보이는 중간의 금속 팽창막(diaphram)이 압력차에 의해 휘어지고 이는 연결되어 있는 전극과의 거리에 변화를 주게 된다. 그렇게 되면 정전용량에 변화가 생기는데 이는 주파수 변화 특성으로 다시 이어진다. 그리고 주파수 변화는 마침내 압력으로 표현된다. 게이지는 대체로 매우 정확하지만(1% 이내의 오차) 온도 변화에 민감하여 항시 온도를 유지시켜줘야한다. 보통은 대기압부터 10^-3 까지의 범위에서 주로 사용된다. 그리고 capacitance manometer하면 보통 mks사의 바라트론 게이지(baratron gauge)를 의미하기도한다.
3. 열전대 게이지(Thermocouple gauge)
열전대 게이지 또는 TC게이지라 불리는 이 게이지는 정확성은 높지 않으나 방식이 간단하고 가격대도 괜찮아 간단한 러프진공의 압력을 측정하는데 사용한다.
대략적인 열전대 게이지의 모습
대략적인 열전대 게이지의 모습이다. 구성을 살펴보면 다음과 같다.
TC게이지는 한개의 제어장치와 게이지 튜브로 구성되어 있는데 그 게이지 튜브 안에는 가열된 필라멘트가 존재한다. 필라멘트에 용접된 부분은 뜨거운 도선의 온도를 측정하는 열전대이며 계량기는 온도가 아닌 압력 단위로 측정된다.
Thermocouple gauge의 원리
대기압에서는 가열된 필라멘트와 많은 분자들이 충돌할것이며 기체 분자는 충돌할때마다 필라멘트의 열을 빼앗아 갈것이다. 따라서 도선의 온도는 낮아질것이다. 반대로 기체를 배기하면 다시 도선의 온도는 올라갈것이고 이 두 형태 모두 압력 게이지로 나타난다. 그러나 압력 변화에 따라 필라멘트의 열이 곧바로 변하는것이 아닌 충돌하여 열을 빼앗는 시간도 포함되므로 응답시간이 느리다. 이 장치도 대략 1mtorr까지의 범위 내에서 사용된다.
4. 피라니 게이지(Pirani Gauge)
피라니 게이지는 TC게이지와 거의 유사하게 작동한다. 2torr에서 1mtorr까지의 압력범위에서 가장 많이 사용되는 범용적인 게이지로 TC게이지보다 더 복잡한 구성요소와 그 성능덕분에 TC게이지보다 비싸고 크다.
TC게이지와 동일한 방식
피라니 게이지는 마찬가지로 기체분자로 인해 열을 빼앗기는 방식을 동일하다. 그러나 이 열 변화로 인해 필라멘트의 저항변화를 일으키며 이를 감지하여 나타낸것이 피라니게이지이다.
Pirani gauge의 회로 구성
균형이 잡힌 브리지 회로내에서 path1과 path2의 전류값은 같다. 그러나 필라멘트가 열을 빼앗기기 시작하면 저항이 변하기 시작하는데 이는 저항의 차이로 나타나고 이는 전압차이를 유발한다. 그 차이 값을 전류에서 압력단위로 환산하여 나타낸것이 피라니 게이지의 원리이다.
오늘은 이렇게 러프 진공에서 사용되는 게이지와 그 원리들 그리고 구성을 알아보았습니다. 다음은 더 고진공에서 사용되는 게이지들에 대해 공부해보도록 하겠습니다. 질문은 언제나 환영입니다.
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Dual Vacuum Gauge(Piezo + Pirani Combo)
일반적으로 진공도를 측정해야 하는 경우,
피라니 센서(Pirani Sensor)를 이용한 컨벡션 게이지(Convection Gauge)를 사용하는 경우가 많습니다.
이번 시간에는 피라니 게이지의 문제점과 그에 대한 대안을 알아보도록 하겠습니다.
피라니 컨벡션 게이지(Pirani Convection Gauge)
피라니 게이지는 센서 내부에 있는 일정 온도의 와이어가 기체의 열전도 현상으로 인한
열손실을 감지해 압력을 측정하는 방식으로 가장 큰 장점으로는 저렴한 가격을 들 수 있습니다.
하지만 치명적인 단점들이 존재하는데 그것 중 하나가 바로 정확도입니다.
컨벡션 게이지의 정확도는 고진공 보다는 저진공에서 더 큰 문제를 가지고 있습니다.
또한 설치시에도 진동에 민감하며, 꼭 수평으로 설치해야만 하는 불편함이 존재합니다.
피라니 게이지에 대한 단점은 아래와 같습니다.
– 대기압에서 불안정한 측정값을 나타냅니다.
– 응답 속도가 보통 500 밀리초(Millisecond – msec) 이상으로 느립니다.
– 1,000 torr 의 압력 이상에서 사용할 경우 센서 내부가 파괴될 수 있습니다.
– 컨벡션 센서의 내부 부피가 40cc 로 크기 때문에 압력의 단계 변화에 대한 응답 시간이 느립니다.
– 1 torr 이상의 압력을 정확히 읽어내기 위해서는 수평으로 설치되는 것이 권장됩니다.
– 센서 외에도 추가 컨트롤러가 필요합니다.
– 매우 비선형(Non Linear)의 아날로그 출력을 내기 때문에 아날로그 출력을 사용하려는 사용자는
복잡하고 많은 비용의 소프트웨어 알고리즘을 개발해야 합니다.
피라니 컨벡션 게이지의 대안
위에 언급한 것처럼 피라니 게이지는 저렴한 가격이 장점이지만
측정 범위와 정확도 등에 있어서 약점을 보이고 있습니다.
그렇다면 피라니 게이지의 대안으로 사용할 수 있는 제품으로는 어떤 게이지가 있을까요?
캐패시턴스 게이지(Capacitance Gauge)
가장 좋은 대안으로는 캐패시턴스 게이지(Capacitance Gauge)가 있습니다.
캐피시턴스 게이지는 높은 정확도 및 견고성이 보장되는 응용 분야를 위해 설계되어
실제 교정용 정밀 측정에 아주 효과적으로 사용되고 있습니다.
하지만 1,000 torr ~ 1 mtorr 에 이르는 광범위한 영역을 측정하기 위해
두개의 센서와 별도의 컨트롤러가 필요하기 때문에 가격이 매우 비싸지게 됩니다.
피에조 + 피라니 게이지(Piezo + Pirani Gauge)
차선책으로는 피에조 센서와 피라니 센서를 함께 사용하는
Piezo + Pirani Combo 타입의 게이지가 있습니다.
각종 기체의 종류와 상관없이 독립적으로 압력을 측정하는 피에조 센서는
10 torr 이상의 고압 영역을 측정하며,
위에서 설명한 열전대 방식의 피라니 센서는 1 torr 미만의 저압 영역을 측정합니다.
1 ~ 10 torr 사이의 압력은 두 센서 사이의 가중 평균을 사용해 측정하며
자체적인 온도 센서를 통해 측정 정확도를 높입니다.
피에조 + 피라니 콤보 타입 게이지의 장점은 아래와 같습니다.
* 컨벡션/피라니 게이지의 기체에 따른 불안정한 측정값
*콤보 게이지의 일관적인 측정값
– 대기압에서의 안전성
– 1,000 Torr ~ 0.1 mTorr 사이의 일관되고 반복 가능한 측정값
– 압력 변화에 대한 응답 시간이 400 밀리초(Millisecond – msec) 로 빠릅니다.
– 견고한 스테인리스 스틸(Stainless Steel)본체로 인해 양압 150 psig 까지 안전하게 견딜 수 있습니다.
– 1.5 cc 의 작은 내부 용량으로 인해 압력 변화에 대한 응답 시간이 빠릅니다.
– Hot Wire 타입으로 컨벡션 게이지보다 다양한 환경에서 사용이 가능합니다.
– 30 torr 이상의 압력에 대한 정확도는 판독 값의 1.5% 이며,
30 torr 미만의 압력에 대한 정확도는 판독값의 10% 입니다.
위와 같이 피에조 + 피라니 콤보 게이지는 피라니 게이지보다 넓은 압력 범위를
더 높은 정확도로 측정하면서도 캐패시턴스 게이지에 비해 저렴한 가격으로 이용할 수 있습니다.
또한 인포라드에서 제공하는 Teledyne Hastings 사의 2020B 제품은
터치스크린(Touch Screen)을 이용해 별도의 컨트롤러 및 리드아웃(Lead Out) 없이
다양한 응용 환경에 적용할 수 있는 제품입니다.
제품에 대한 더 자세한 내용은 아래의 링크를 참고하시기 바랍니다.
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