진공계

압력 직접 측정식은 측정 대상 기체의 압력 자체가 계측기의 측정 요소에 직접적인 힘으로 작용하여, 그 힘의 크기를 측정함으로써 압력을 결정하는 방식이다. 이 방식은 기체의 종류에 의존하지 않는 절대적인 압력 측정이 가능하다는 장점을 가진다. 주로 상대적으로 높은 압력 영역, 즉 저진공에서 중진공 영역의 측정에 널리 사용된다.

대표적인 예로는 액주식 진공계와 탄성식 진공계가 있다. 액주식 진공계는 U자관 내의 액체 기둥 높이 차이로 압력을 측정하며, 마노미터가 대표적이다. 탄성식 진공계는 부르돈관, 다이어프램, 캡슐 등의 탄성체가 압력에 의해 변형되는 정도를 측정하는 방식으로, 진공 게이지에 흔히 적용된다. 이러한 계측기들은 구조가 비교적 단순하고 견고하며, 측정값이 직관적이라는 특징을 가진다.

그러나 압력 직접 측정식은 측정 요소의 기계적 변형이나 액주의 높이를 측정하는 방식의 한계로 인해 매우 낮은 압력, 즉 고진공 이상의 영역에서는 적용하기 어렵다. 미세한 압력 변화를 감지하기에는 감도가 충분하지 않기 때문이다. 따라서 초고진공 영역의 측정에는 압력에 따른 기체의 열적 또는 전기적 특성 변화를 측정하는 압력 간접 측정식이 주로 사용된다.

압력 간접 측정식은 측정 대상 기체의 압력 자체를 직접 측정하는 대신, 압력에 따라 변화하는 기체의 특정 물리적 성질을 측정하여 압력을 간접적으로 산출하는 방식을 말한다. 이 방식은 주로 중진공에서 초고진공 영역의 낮은 압력을 측정하는 데 사용되며, 기체의 열전도율, 방전 특성, 이온화 효율 등이 측정 매개변수로 활용된다.

대표적인 예로, 열전도식 진공계는 가열된 필라멘트에서 기체 분자로 열이 전달되는 속도, 즉 열전도율이 압력에 비례한다는 점을 이용한다. 방전식 진공계는 낮은 압력에서 글로우 방전 현상이 발생하는 전압이 압력에 따라 변하는 특성을 측정한다. 이온식 진공계는 열음극이나 냉음극을 사용해 기체 분자를 이온화시키고, 생성된 이온 전류의 크기가 압력에 비례함을 측정 원리로 삼는다.

이러한 간접 측정 방식은 매우 낮은 압력까지 측정이 가능하다는 장점이 있으나, 측정 신호가 기체의 종류에 크게 의존한다는 한계를 가진다. 따라서 측정값은 주로 질소 등 특정 기체에 대해 교정된 등가 압력으로 표시되며, 다른 종류의 기체를 측정할 때는 변환 계수를 적용해야 정확한 압력을 얻을 수 있다.

액주식 진공계는 액체 기둥의 높이 차이로 압력을 측정하는 가장 기본적인 형태의 진공계이다. 주로 수은이나 유체를 사용하며, U자관 형태가 일반적이다. 측정하고자 하는 압력이 작용하면 관 내부의 액주 높이가 변화하는 원리를 이용한다. 이 방식은 구조가 간단하고 측정 원리가 직관적이며, 절대압력 측정이 가능하다는 장점을 가진다.

액주식 진공계는 대기압 근처의 비교적 높은 압력부터 중간 정도의 진공 영역까지 측정하는 데 주로 사용된다. 따라서 저진공계에 해당한다고 볼 수 있다. 측정 가능한 압력 범위는 사용하는 액체의 밀도와 관의 길이에 의해 제한을 받는다. 수은을 사용할 경우 그 측정 한계는 약 1 토르까지이며, 더 높은 진공도를 측정하기 위해서는 다른 원리의 진공계가 필요하다.

이러한 계측기는 연구 실험실에서 교정용 표준기로 활용되거나, 공정에서 비교적 높은 압력을 모니터링하는 용도로 사용된다. 그러나 유독성 수은을 사용하는 경우 안전상의 주의가 필요하며, 액체의 움직임으로 인한 응답 속도가 느리고 휴대 및 설치가 불편하다는 단점도 있다.

탄성식 진공계는 측정 대상 기체의 압력이 탄성체에 가해져 발생하는 변형을 측정하여 압력을 구하는 방식의 진공계이다. 이 방식은 압력을 직접 측정하는 직접식에 속하며, 주로 저진공 영역에서 사용된다. 측정 원리는 기체의 압력이 탄성체(예: 금속 박막, 벨로우즈, 부르동관)를 변형시키고, 이 변형량이 압력에 비례한다는 점을 이용한다. 변형량은 기계적 지침의 이동, 전기적 신호의 변화(예: 스트레인 게이지, 용량 변화) 등 다양한 방법으로 검출된다.

대표적인 예로 부르동관 진공계가 있다. 이는 C자형 또는 나선형으로 휘어진 금속관 내부에 진공 압력이 가해지면 관이 펴지는 원리를 이용한다. 이 움직임은 기계적 연결 장치를 통해 지침을 회전시켜 게이지에 압력 값을 표시한다. 또한, 금속 박막이나 벨로우즈를 사용하는 캡슐형 진공계도 널리 쓰인다. 압력에 따라 변형되는 박막의 변위를 용량 변화로 측정하는 방식은 보다 정밀한 측정이 가능하다.

탄성식 진공계는 구조가 비교적 단순하고 견고하며, 전원이 필요 없는 기계식 제품도 있어 현장에서 편리하게 사용된다. 측정 범위는 대기압부터 약 0.1 Pa(파스칼) 정도의 저진공 영역에 주로 적용된다. 따라서 초기 배기 상태 확인, 진공 챔버의 조압 측정, 진공 펌프의 전단 압력 모니터링 등 다양한 공정에서 활용된다. 그러나 측정값이 기체의 종류에 영향을 받지 않는 절대압력계가 아닌 경우가 많아, 보정이 필요할 수 있다는 점은 사용 시 고려해야 한다.

열전도식 진공계는 기체의 열전도율이 압력에 따라 변하는 현상을 이용하여 압력을 측정하는 진공계이다. 이 방식은 주로 저진공 및 중진공 영역의 압력 측정에 널리 사용된다. 열전도식 진공계의 핵심 구성 요소는 가열된 센서 요소(일반적으로 필라멘트나 저항선)로, 이 요소는 주변 기체 분자와의 열전달로 인해 열을 잃게 된다. 주변 압력이 낮아질수록 기체 분자 수가 감소하여 열전달 효율이 떨어지고, 이로 인해 센서 요소의 온도가 상승한다. 이 온도 변화는 센서의 전기적 저항 변화로 측정되어 최종적으로 압력 값으로 변환된다.

열전도식 진공계는 크게 두 가지 주요 유형으로 나뉜다. 하나는 피라니 게이지로, 가열된 금속 필라멘트의 저항 변화를 직접 측정하는 방식이다. 다른 하나는 서미스터 게이지로, 반도체 소자인 서미스터의 저항 변화를 이용한다. 피라니 게이지는 비교적 넓은 압력 범위(대략 10^-3 Pa에서 대기압 근처까지)에서 측정이 가능하며, 서미스터 게이지는 일반적으로 더 좁은 범위에서 사용된다. 이들 계측기는 구조가 간단하고 내구성이 좋으며, 비교적 저렴한 가격으로 반도체 제조 공정이나 일반 연구 실험실에서 흔히 볼 수 있다.

그러나 열전도식 진공계는 측정값이 기체의 종류에 크게 의존한다는 한계를 가진다. 열전도율은 기체 종류마다 다르기 때문에, 질소나 공기에 대해 보정된 게이지는 수소나 헬륨 같은 다른 기체를 측정할 때 정확한 압력 값을 나타내지 못한다. 따라서 사용 시 측정 대상 기체의 종류를 고려하여 적절한 보정이 필요하다. 이러한 특성에도 불구하고, 넓은 측정 범위와 견고한 구조 덕분에 진공 공학 및 다양한 산업 현장에서 기본적인 압력 모니터링 도구로 널리 활용되고 있다.

방전식 진공계는 진공 용기 내에서 발생하는 방전 현상의 특성을 이용하여 압력을 측정하는 진공계이다. 주로 저진공에서 중진공 영역(약 10^3 Pa ~ 10^-1 Pa)의 압력 측정에 사용된다. 이 계측기는 글리밍 방전이나 코로나 방전과 같은 가스 방전 현상이 압력에 따라 그 특성(예: 방전 전류, 방전 전압, 방전 색상)이 변화한다는 점을 측정 원리로 삼는다.

가장 대표적인 형태는 펠링 진공계이다. 이 장치는 유리관 내부에 두 개의 전극을 배치하고 고전압을 인가한다. 진공도가 낮아질수록(즉, 압력이 높아질수록) 기체 분자의 밀도가 증가하여 방전이 더 쉽게 일어나고, 방전 전류가 증가하거나 방전이 시작되는 전압(방전 개시 전압)이 낮아진다. 반대로 진공도가 높아지면(압력이 낮아지면) 방전이 유지되기 어려워져 방전 전류가 감소한다. 이러한 전류나 전압의 변화를 측정하여 압력을 간접적으로 산출한다.

방전식 진공계는 구조가 비교적 간단하고 저렴하며, 압력 변화에 대한 응답이 빠르다는 장점이 있다. 또한 방전 시 발생하는 빛의 색상을 육안으로 관찰하여 대략적인 압력 범위를 추정할 수도 있어, 진공 시스템의 상태를 빠르게 점검하는 데 유용하게 쓰인다. 그러나 측정값이 기체의 종류에 크게 의존하며, 장시간 사용 시 전극이 오염되거나 소모될 수 있고, 고정밀 측정에는 적합하지 않다는 한계를 가진다. 따라서 정밀 측정보다는 시스템의 진공 유무 확인이나 대략적인 압력 범위 모니터링에 주로 활용된다.

이온식 진공계는 고진공 및 초고진공 영역의 압력을 측정하는 데 사용되는 계측기이다. 이 방식은 측정하고자 하는 기체를 이온화시켜 생성된 이온 전류를 측정하여 압력을 구하는 간접 측정 원리를 기반으로 한다. 일반적으로 열음극을 사용하여 전자를 방출시키고, 이 전자가 기체 분자와 충돌하여 이온을 생성하는 과정을 거친다. 생성된 이온은 수집기에 모여 전류를 형성하며, 이 전류의 크기는 기체의 압력에 비례하는 관계를 가진다.

이 계측기는 매우 낮은 압력, 즉 10^-3 Pa부터 10^-9 Pa 이하의 초고진공 영역까지 측정이 가능하다. 이러한 높은 감도 덕분에 반도체 제조 공정 중 박막 증착이나 이온 주입 같은 정밀 공정, 입자 가속기 및 핵융합 장치의 진공 유지 시스템, 그리고 표면 과학 연구를 위한 분자 박막 분석 등에서 필수적으로 활용된다. 측정 정확도가 높고 응답 속도가 비교적 빠르다는 장점이 있다.

그러나 이온식 진공계는 사용 시 몇 가지 주의사항이 있다. 측정값이 기체의 종류에 따라 달라지기 때문에, 다른 종류의 기체를 측정할 때는 보정이 필요하다. 또한, 계측기 내부의 열음극이 고온으로 가열되어 주변 기체 분자를 열분해하거나 화학적 변화를 일으킬 수 있어, 매우 깨끗한 환경에서 사용해야 측정 신뢰도를 유지할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 진공 공학 및 정밀 계측 분야에서 중요한 도구로 자리 잡고 있다.