진공챔버에서 기체를 뽑아내기 위해선, 기체가 어떻게 흐르고 이동하는지 알아야 합니다. 여기에는 대표적인 두 가지 기체 흐름이 있는데, 이는 점성유동(Viscous Flow)과 분자유동(Molecular Flow)입니다. 이 분류는 기체분자가 공간을 채우기 위해 어떠한 형태로 움직이는가와 관련되어 있습니다.
점성유동(Viscous Flow)
1 x 10⁻² Torr 이상의 압력으로 기체 분자가 공간에 차 있을 경우, 기체 분자는 액체와 같이 움직입니다. 이러한 움직임 특성 때문에 점성유동이라고 부릅니다. 이러한 상태에서 기체 분자들을 끊임없이 기체 분자들끼리 충돌과 밀어내는 동작이 일어납니다. 분자들끼리 아주 가깝게 밀집되어 있기 때문에 진공펌프로 이 분자들 일부를 뽑아내면, 다른 분자들이 뽑아져 나간 분자들이 차지하고 있던 공간을 바로 채워버립니다.
이러한 점성유동 조건에서는 분자 이동이 예측가능합니다. 분자가 밀집되어 이동될 수 있고 이를 예측할 수 있기 때문에 저진공(rough vacuum) 조건을 만들기 위해 작은 구경의 기체 배출구 및 배관을 사용합니다. 액체와 같이 기체분자가 이동하는 특성을 갖는 조건이기 때문에 시간 단위당 많은 양의 기체를 뽑아낼 수 있습니다.
분자유동 (Molecular Flow)
분자들이 멀리 떨어져 있어서 서로간에 영향을 미치지 않게 될 때 분자유동이 일어납니다. 이로 인해 분자들이 무작위로 움직입니다. 이러한 상태는 기체 분자가 많이 없는 낮은 압력에서 이루어집니다.
압력에 따라 기체 분자는 다른 기체분자와 충돌하기 전까지 수 센티미터, 수십 센티미터, 심지어 수십 킬로미터를 이동할 수 있습니다. 이는 기체분자 유동 형태를 만드는 데 있어서 기체분자들간의 상호 작용을 이용할 수 없다는 겁니다.
이러한 분자유동 범위 내에서는 분자들의 이동을 예측할 수 없습니다. 그래서 고진공 펌프에 큰 펌프 개구부를 사용하는 것입니다.
이렇게 개구부가 크기 때문에 무작위로 움직이는 분자들이 펌프로 들어오는 가능성을 높일 수 있습니다.
점성유동과 분자유동의 차이는 압력만이 아닙니다. 진공챔버의 크기, 배관 등에 따라 달라집니다. 이는 결국 평균자유행정거리(mean free path)가 챔버의 직경보다 큰가, 작은가에 달라집니다. 평균자유행정거리는 다음 게시물에서 확인하도록 하겠습니다.
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