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[일신기술]진공 | 저진공부터 초고진공

압력용기

by suflux 2023. 4. 3. 11:17

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[일신기술]진공 | 저진공부터 초고진공

1. 진공이란?

진공의 사전적 의미는 "직관적으로 아무것도 존재하지 않는 상태"를 의미한다다. 이론물리학에서 진공은 "에너지가 0인 상태"를 뜻하며, 실험적으로는 "아무런 입자도 존재하지 않는 공간을 만들 수는 없기 때문에 대기압 보다 낮은 압력을 가지는 계"를 전부 진공이라고 부른다. 또한 아주 고전적인 관점에서의 진공은 "전자기파의 효과가 일어나는 표준이 되는 매질"이라고 정의하며, 우주 공간은 아주 낮은 밀도와 압력을 가지고 있어 완전 진공에 물리적으로 가장 가깝지만 이 또한 완전한 진공이라고 불릴 수는 없다. 정리해 보면 진공은 "아무것도 없으면서, 물질의 발생을 위한 무한 에너지가 응집되어 있는 상태"라고 할 수 있다. 진공은 이미 진공팩, 진공청소기 등 우리의 생활 아주 다양한 곳에 사용이 되고 있고 일신오토클레이브의 복합재성형 오토클레이브에서도 진공처리를 이용하고 있다. Prepreg를 여러 겹으로 원하는 형상의 몰드에 적층한 후 진공을 유지하기 위해 진공 백으로 제품 전체를 포장하여 기체 저압부와 차단하는 공정을 진행한다. 내부 진공을 유지하게 되면 내부에 있는 수지로부터 발생되는 휘발 성분을 제거할 수 있고 여러 겹의 Prepreg를 접합할 때에도 기포가 발생되지 않아 치밀하게 접합된 제품을 얻을 수 있다. 본문 마지막에 더 자세히 살펴보고 일단은 진공에 대해서 더 알아보자.

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2. 진공의 질

진공의 질은 그 계 안에 남아 있는 물질들의 양에 의해 결정된다. 진공을 질을 측정하는 요소들 중 가장 중요한 것은 평균 자유 경로라고 하는 것인데, 계 안에 있는 기체 분자들이 서로 부딪히기 전에 평균적으로 이동한 거리를 뜻한다.

예를 들어 자유 경로의 값이 계의 공간보다 길 때를 고진공 상태라고 부르는데 이때는 기체 분자들이 그 공간의 벽을 만나기 전에 다른 기체 분자를 만날 확률이 매우 낮을 정도로 공간 안에 기체 분자 수가 적은 상태를 의미한다. 초고진공은 고진공보다 기체 분자 개수가 더 적은 상태로, 몇 단계의 진공처리 과정을 거쳐야만 만들 수 있고 현재 인위적으로 만들 수 있는 진공기술의 한계로 알려져 있다. 진공의 질에 대해서 자세히 알아보면 다음과 같다.

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대기압 : 일상생활의 압력 하에 진공 상태이다.

저진공 : 진공청소기 같은 기초적인 장치로 만들어지거나 측정되는 진공

중진공 : 펌프를 사용해 만들고 기계식 압력계로 측정하기 힘든 상태이며, 진공계, 온도 진공계, 전기용량 진공계 등으로 측정할 수 있다.

고진공 : 기체의 평균 자유 경로가 그 기체가 있는 공간의 길이보다 긴 진공이다. 다단계 펌핑을 통해서 만들 수 있다.

초고진공 : 고진공 상태에서 기체가 들어있는 계를 가열해 기체를 제거하는 등 복잡한 과정을 거쳐야 만들 수 있다.

우주 공간 : 초고진공 이상의 상태로 우주의 어떤 부분이 기준으로 잡히는가에 따라서 고진공 보다 높을 수도 낮을 수도 있다고 한다.

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3. 진공상태를 만드는 펌프 기술

초고압 진공을 만든다고 초고압 진공에 사용되는 펌프만 사용하면 되지 않을까 싶지만 저진공 펌프, 고진공 펌프 두 개의 장비도 반드시 필요하다. 수북이 쌓인 눈을 치운다고 생각하면, 눈삽으로 먼저 큰 덩어리들을 치우고, 남은 눈들을 멀리 치워 버리는 도로 빗자루로 쓸어 버린 후 미세하게 남은 눈을 치우는 작은 빗자루로 마무리를 하는 과정이라고 생각하면 쉽다. 작은 빗자루로만 수북이 쌓인 눈을 치우기란 아주 어렵지 않을까?

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복합재성형오토클레이브

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일신 오토클레이브의 복합재성형 오토클레이브는

저진공부터 초고진공까지 제품의 용도에 따라 다양하게

제작 가능하다.

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서로 다른 성분이나 형태의 재료를 조합할 때,

구성 재료의 고유 특성을 극대화하는데 사용된다.

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소재의 냉각과 가열, 진공처리가 가능하며

온도 유지와 압축에서 정밀 공정 수행이 가능하기 때문에

복잡한 형상의 고품질 제품을 제작하는데 좋다.

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소재의 가벼움과 강도 모두를 챙겨야 하는 곳,

예를 들면

비행 물체의 날개나 드론을 만들 때 사용되는

복합재료를 만들 때 사용하면 좋다.

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복합재 오토클레이브 성형 적층

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진공상태에서 여러 장의 prepreg + 첨가제 + 보조재료를

조합하여 성형용 스택 제작하며

2~3개의 prepreg를 적층할 때 감압하여 기포를 제거한다.

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1)저진공~ 중진공

대기압부터 공기를 빼내는 작업을 해야 하고 회전 진공펌프, 격막 펌프, 로터리 펌프, 드라이 펌프, 드래그 펌프, 루츠 펌프 등이 있다. 대표적으로 사용하는 게이지로는 부르동게이지,맥레오드 게이지, 피라니 게이지가 있다. 고진공, 초고진공을 만들기 전에 가장 먼저 진행하는 펌프이기 때문에 1차 펌프라고 부르기도 한다. 로터리 펌프를 예로 들어 자세히 알아보자.

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로터리 펌프의 예시이다. 로터리 펌프는 원형 통 안에서 작은 바퀴가 돌아가며 기체 입자를 빼내는 펌프이다.

흡입 > 고립 > 압축 > 배기의 4단계를 거쳐 진공상태를 만든다. 대기압에서부터 일정 수준까지 진공을 잡아주는 역할을 하기 때문에 고진공 펌프를 가동한 후에는 고진공 펌프의 뒤에서 계속 가동되면서 고진공 펌프를 보조하는 역할로 사용된다.

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2) 고진공

고진공을 만드는 펌프로 대표적인 터보 펌프는 주로 TMP(Turbo Molecular Pump)라고 불리며, 작동원리는 선풍기를 생각하면 된다. 여러 개의 블레이드가 층층이 쌓인 상태로 고속으로 회전하고 그 안으로 들어온 기체 입자가 블레이드에 맞고 바깥으로 튕겨 나가는 구조다. TMP는 정상 RPM까지 도달하는데 10분 이상이 소요되며 20,000RPM 이상 회전해야 기체들을 뽑아낼 수 있다. 물론 고진공 펌프를 사용하기 위하여 챔버의 압력을 일정한 값 이하로 만들기 위해 우선적으로 저진공 상태를 만들어야 한다.

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3) 초고진공

크라이오 펌프는 액체질소 등을 사용하여 저온상태를 만들어 입자의 운동량을 줄이는 방법으로 초고진공을 만드는 방법이다. 특히 크라이오 펌프는 수분이나 수소 기체를 묶어두는 데에 좋은 효과를 보인다. 크라이오 펌프는 두 가지 주요 원리를 이용하여 진공을 만든다.

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- 냉온 응축 : 증기압이 낮은 물질의 온도를 낮추어 액화 시킨 후 얼리는 방법

- 냉온 흡착 : 극저온에서도 증기압이 높아서 액화되지 않는 기체들의 운동에너지를 빼앗아 표면에서 움직이지 못하게 하는 방법

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흡착과 응축은 실생활 숯과 창문에서도 관찰할 수 있는 현상이다. 숯이 습기 제거와 탈취 제거에 쓰이는 이유는 주변에 존재하는 기체들을 잡아서 흡착하는 성질이 있기 때문이고 아침에 온도가 낮아지면서 창문에 물방울이 맺히는 현상은 물보다 상대적으로 낮은 비열을 가진 창문의 낮은 온도로 인해 수증기의 증기압이 낮아져서 수증기가 액화되어 형성된 것이다.

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크라이오 펌프의 구성요소는 COLD HEAD, BAFFLE, 활성탄 이렇게 크게 3가지로 구분할 수 있다.

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COLD HEAD는 펌프 내부를 극저온으로 만들어주는 역할을 한다.

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BAFFLE 펌프의 온도를 유지시켜주는 역할을 한다.

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활성탄은 COLD HEAD에 부착하여 응축되지 않은 기체들을 흡착하는 역할을 한다.

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