KR101799531B1

KR101799531B1 - 금속코팅 탄소섬유 진공게이지

Info

Publication number: KR101799531B1
Application number: KR1020170050983A
Authority: KR
Inventors: 김원석; 임성주; 김지연
Original assignee: 재단법인 한국탄소융합기술원
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2017-11-20

Abstract

본 발명에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지는,
절연판; 상기 절연판 위에 놓이며, 4개 지점에서 접착된 단 한 가닥의 전기저항선; 및 상기 4개 지점 각각에 연결된 전류입력선, 제1전압측정선, 제2전압측정선, 전류출력선;을 포함하며, 상기 전기저항선은 동심원의 서로 다른 전기전도도를 가진 적어도 2개의 층으로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 열전도형 진공게이지의 열전도 특성을 개선하여, 종래 열전도형 진공게이지의 측정범위 한계를 극복하고, 반응속도를 크게 향상시킨다. 따라서, 본 발명을 사용하면, 종래 열전도형 진공게이지의 측정가능한 진공범위를 10E-3 torr 에서 10E-6 torr 미만까지 넓힐 수 있으며, 소비전력을 100 mW 미만으로 대폭 줄일 수 있다.

Description

금속코팅 탄소섬유 진공게이지{VACUUM MEASUREMENT GAUGE HAVING METAL COATED CARBON FIBER}

본 발명은 금속코팅 탄소섬유 진공게이지에 관한 것이다.

다양한 분야(반도체, LCD)에서 진공챔버가 필요하고, 진공챔버내 진공도를 측정하기 위한 진공게이지가 필요하다.

진공챔버내 진공도(진공의 크기, 압력의 크기)를 측정하는 방법에는, 직접측정법과 간접측정법이 있다.

직접측정법은 기체 분자들에 의해 가해지는 힘을 측정하여 진공도를 측정한다. 이러한 직접측정법을 이용한 진공게이지로는, 수은주 압력계, 기계식 압력계가 있다.

간접측정법은 기체의 물리적 특성이 압력에 따라 변함을 측정하여 진공도를 측정한다. 이러한 간접측정법을 이용한 진공게이지로는, 열전도형 진공게이지, 점성 진공게이지, 전리 진공게이지가 있다.

열전도형 진공게이지에는 피라니 진공게이지, 열전대 진공게이지, 컨백션 진공게이지가 있다.

열전도형 진공게이지는 기체 압력에 의한 필라멘트의 온도변화를 전기저항 변화로 측정한다. 필라멘트의 재료로는 저항이 작고 열전도도 및 온도계수가 큰 소재인 백금, 니켈, 텅스텐이 사용된다.

이러한 열전도형 진공게이지는 기체에 따라 감도가 다르고, 불확도가 크며, 저항의 온도계수가 커야 하는 단점을 가지고 있다.

한국공개특허(10-2016-0135731)

본 발명의 목적은, 종래 열전도형 진공게이지의 단점을 해결하면서, 진공측정범위를 넓힌 금속코팅 탄소섬유 진공게이지를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 구성이 간단한 금속코팅 탄소섬유 진공게이지를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 소비전력을 낮춘 금속코팅 탄소섬유 진공게이지를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 종래 고진공을 측정하는 고가의 진공게이지를 대체할 수 있는 저가형 금속코팅 탄소섬유 진공게이지를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 금속코팅 탄소섬유 진공게이지는,
절연판;
상기 절연판 위에 놓이며, 4개 지점에서 접착된 단 한 가닥의 전기저항선; 및
상기 4개 지점 각각에 연결된 전류입력선, 제1전압측정선, 제2전압측정선, 전류출력선;을 포함하며,

상기 전기저항선은 중심에 위치된 탄소섬유 또는 탄소나노튜브섬유와, 상기 탄소섬유 또는 탄소나노튜브섬유를 동심으로 감싸는 서로 다른 전기전도도를 가진 적어도 하나의 금속층으로 구성된 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 금속층은 한 종류의 금속으로 구성되거나, 금속합금으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 금속층은, 상기 탄소섬유 또는 탄소나노튜브섬유를 동심으로 감싸는 제1금속층과, 상기 제1금속층을 동심으로 감싸는 제2금속층으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제1금속층은, 상기 탄소섬유와 상기 제2금속층 또는 상기 탄소나노튜브섬유와 상기 제2금속층 사이의 접착성 향상과 전기전도도 향상을 위해, 전기전도도가 1×10E5 S/cm 이상인 은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 순철, 강철, 백금, 주석, 아연, 연, 니크롬, 황동, 청동 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 제2금속층은, 니켈, 니크롬, 백금, 텅스텐 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 전기저항선은,
양(+)의 TCR(Temperature coefficient Resistance)값을 가지며,
진공도가 높을수록, 상기 전기저항선의 온도가 높아지고, 상기 제1전압측정선과 상기 제2전압측정선으로 측정된 전압값이 높아지며,

진공도가 작을수록, 상기 전기저항선의 온도가 낮아지고, 상기 제1전압측정선과 상기 제2전압측정선으로 측정된 전압값이 낮아지는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명은 종래 열전도형 진공게이지의 열전도 특성을 개선하여, 종래 열전도형 진공게이지의 측정범위 한계를 극복하고, 반응속도를 크게 향상시킨다. 따라서, 본 발명을 사용하면, 종래 열전도형 진공게이지의 측정가능한 진공범위를 10E-3 torr 에서 10E-6 torr 미만까지 넓힐 수 있으며, 소비전력을 100 mW 미만으로 대폭 줄일 수 있다.

또한, 본 발명을 사용하면, 전기저항선을 단 한 가닥만 사용하여 진공게이지를 만들 수 있어, 진공게이지의 구성이 간단해지고, 제작비용이 절감된다.

또한, 본 발명을 사용하면, 비교적 넓은 진공측정범위(10E-3 torr 에서 10E-6 torr)를 하나의 진공게이지로 측정할 수 있어, 종래 고진공(10E-5torr)을 측정하는 고가의 전리 진공게이지를 대체할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지가 진공챔버내에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 금속코팅 탄소섬유 진공게이지를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 단면 Ⅲ-Ⅲ을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 금속코팅 탄소섬유 진공게이지의 전기저항선의 온도에 따른 진공도(압력의 크기)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지가 진공챔버내에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 단면 Ⅵ-Ⅵ을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지를 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(10)는, 진공챔버(1) 내에 설치된다.

진공챔버(1)에는 진공챔버(1)내 온도를 70℃ 까지 떨어뜨릴 수 있는 냉동장치(미도시)가 설치된다.

진공챔버(1)의 일측에는 제1관(P1)이 설치된다.

제1관(P1)은 진공챔버(1)내 공기를 빼내는 진공펌프(미도시)와 연결된다.

제1관(P1)에는 제1관(P1)을 개폐하는 제1밸브(A1)가 설치된다.

진공챔버(1)의 타측에는 제2관(P2)이 설치된다.

제2관(P2)을 통하여 진공챔버(1) 내 진공도를 조절하기 위한 아르곤가스가 주입된다.

제2관(P2)에는 제2관(P2)을 개폐하는 제2밸브(A2)가 설치된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(10)는, 절연판(110), 전기저항선(120), 전류입력선(131), 제1전압측정선(132), 제2전압측정선(133), 전류출력선(134)으로 구성된다.

절연판(110)은 이산화규소로 만들어진다.

전기저항선(120) 단 한 가닥이 절연판(110) 위에 놓여진다.

전기저항선(120)은 절연판(110)과 4개 지점(P1,P2,P3,P4)에서 실버페이스트(silver paste)로 접착된다. 제2지점(P2)과 제3지점(P3) 사이의 거리는 1.7cm이다.

전기저항선(120)은 동심원의 서로 다른 전기전도도를 가진 적어도 2개의 층으로 구성된다. 또는, 전기저항선(120)은 내부가 열전도도가 낮고 가늘고 긴 구조를 가진 지지층으로 구성되고, 외부가 전기저항이 낮아 전류를 흘려 열발생이 가능한 전도층으로 구성된다.

이를 위해, 전기저항선(120)은 중심에 위치된 탄소섬유(121)와, 탄소섬유(121)를 동심으로 감싸는 서로 다른 전기전도도를 가진 적어도 하나의 금속층으로 구성된다.

전기저항선(120)이 이러한 구조를 가져야만 하는 이유를 설명한다.

진공게이지에 전기저항선(120)을 적용하려면, 전기저항선(120)은 가늘고 길어야 한다. 그리고, 전기저항선(120)의 길이방향으로 열전도율이 낮아, 대부분의 열이 전기저항선(120)의 주위 기체와 반응하여 대류로 손실되어야 한다. 한편, 전기저항선(120)이 발열체의 역할을 제대로 하려면, 전기저항선(120)은 전기전도도가 높은 금속으로 만들어져야 한다. 그러나, 전기저항선(120)이 금속으로만 만들어질 경우에, 금속의 높은 전기전도도로 인해, 대부분의 열이 길이방향으로 전도되어, 전기저항선(120)의 감도가 낮아져, 진공게이지에 적용하기 어렵게 된다.

이러한 모순을 해결하기 위하여, 전기저항선(120)의 중심에 직경이 작고 길이가 긴 열전도율이 낮은 탄소섬유(121)를 넣고, 탄소섬유(121)의 주위를 감싸는 적어도 하나의 금속층을 형성하여, 전기저항선(120)이 적당한 전기전도도를 유지하면서 길이방향의 열전달을 줄여 전기저항선(120)에서 발생한 열 대부분을 대류로 손실시킨다.

이로 인해, 전기저항선(120)의 감도가 좋아져, 전기저항선(120)을 진공게이지에 적용할 수 있게 된 것이다.

탄소섬유(121)의 두께는 7μm이다.

탄소섬유(121)는 1.5~3.0×E-3 Ωcm의 전기전도도를 가진다.

탄소섬유(121) 대신에 탄소나노튜브로만 구성된 탄소나노튜브섬유가 사용될 수도 있다.

금속층은, 한 종류의 금속으로 구성되거나, 금속합금으로 구성될 수 있다.

일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이, 금속층은 탄소섬유(121)를 동심으로 감싸는 제1금속층(122)과, 제1금속층(122)을 동심으로 감싸는 제2금속층(123)으로 구성될 수 있다. 도 3에 도시된 점선화살표는 전기저항선(120)에서 발생된 열이 퍼져나가는 상태를 낸다.

제1금속층(122)은 탄소섬유(121)와 제2금속층(123) 사이의 접착성 향상과 전기전도도 향상을 위해, 전기전도도가 1×10E5 S/cm 이상인 은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 순철, 강철, 백금, 주석, 아연, 연, 니크롬, 황동, 청동 중 어느 하나로 구성된다. 제1금속층(122)은 탄소섬유(121)의 표면에 전해 혹은 무전해 도금되어 형성된다. 물론, 탄소섬유(121)을 동심으로 감싸는 제1금속층(122)은 다양한 방법으로 형성될 수 있을 것이다.

제2금속층(123)은 고온 산화안정성, 높은 TCR(Temperature coefficient Resistance), 낮은 열전도도를 보유하는 발열물질인, 니켈, 니크롬, 백금, 텅스텐 중 어느 하나로 구성된다. 제2금속층(123)은 제1금속층(122)의 표면에 무전해 도금되어 형성된다. 물론, 제1금속층(122)을 동심으로 감싸는 제2금속층(123)은 다양한 방법으로 형성될 수 있을 것이다.

전류입력선(131), 제1전압측정선(132), 제2전압측정선(133), 전류출력선(134)은, 은으로 만들어진다.

전류입력선(131)은 제1지점(P1)에 연결된다. 전류입력선(131)으로 전류(Iin)가 입력된다. 입력되는 전류의 세기는 250μA이다.

제1전압측정선(132)은 제2지점(P2)에 연결된다.

제2전압측정선(133)은 제3지점(P3)에 연결된다.

제1전압측정선(132)과 제2전압측정선(133)으로, 제2지점(P2)과 제3지점(P3) 사이의 전압(V1,V2)을 측정한다.

전류출력선(134)은 제4지점(P4)에 연결된다.

전류출력선(134)을 통해 전류(Iout)가 출력된다.

전기저항선(120)에 전류가 흘러가면, 전기저항선(120)의 전기저항에 의해 열이 발생하고, 전기저항선(120)의 온도가 올라간다.

도 4에 도시된 바와 같이, 전기저항선(120) 주위의 진공도에 따라, 전기저항선(120)의 온도가 달라진다.

예를 들어, 전기저항선(120)의 온도가 81℃이면 2E-5 torr의 진공도를 가지고, 전기저항선(120)의 온도가 66℃이면 9.9E-4 torr의 진공도를 가진다.

그 이유는 다음과 같다.

진공챔버(1) 내 진공도가 높을수록, 진공챔버(1)내 전기저항선(120)의 열을 빼앗아가는 기체분자수가 적어(기체분자의 압력이 작음), 전기저항선(120)의 온도가 올라가기 쉽고,

진공챔버(1) 내 진공도가 낮을수록, 진공챔버(1)내 전기저항선(120)의 열을 빼앗아가는 기체분자수가 많아(기체분자의 압력이 큼), 전기저항선(120)의 온도가 올라가기 어렵기 때문이다.

전기저항선(120)은 양(+)의 TCR값을 가진다. TCR값은 +3.7305E-4 이다.

TCR값이 양(+)이기 때문에, 진공도가 높아 전기저항선(110)의 온도가 높으면 전기저항선(110)에서 측정된 전압도 높아진다.

반면, 진공도가 작아 전기저항선(110)의 온도가 낮으면 전기저항선(110)에서 측정된 전압도 낮아진다.

이러한 원리를 이용하여, 진공챔버(1)내 진공도를 측정해 낼 수 있다.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(10)로 진공챔버(1) 내 진공도를 측정하는 방법을 설명한다. 도 1 내지 도 4는 기본적으로 참조한다.

진공챔버(1) 내에 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(10)를 설치한다.

금속코팅 탄소섬유 진공게이지(10)를 구성하는 전류입력선(131), 제1전압측정선(132), 제2전압측정선(133), 전류출력선(134)을 진공챔버(1)에 구멍을 뚫어 바깥으로 빼낸다. 이후, 진공챔버(1) 내로 공기가 들어가지 못하게 구멍을 메운다.

제1밸브(V1)를 열고 진공펌프(미도시)를 작동시켜, 진공챔버(1) 내 공기를 제1관(P1)을 통해 빼낸다.

진공챔버(1) 내 진공도를 조절하기 위하여, 제2밸브(V2)를 열고 아르곤가스를 제2관(P2)을 통해 넣는다.

전류입력선(131)으로 전류(Iin)를 입력한다.

전기저항선(120)에 전류가 흐른다.

전류출력선(134)을 통해 전류(Iout)가 출력된다.

전기저항선(120)의 전기저항으로 인해, 전기저항선(120)에 열이 발생한다. 이 과정에서 주변 가스와의 상호작용으로 열을 빼앗기며 그로 인하여 저항이 변한다.

진공도에 따라 달라지는 전압값으로부터, 진공챔버(1) 내 진공도를 측정한다.

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지를 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(20)는, 절연판(210), 전기저항선(220), 전류입력선(231), 제1 전압측정선(232), 제2전압측정선(233), 전류출력선(234)으로 구성된다.

절연판(210)은 이산화규로로 만들어진다. 절연판(210)의 상면에는 설정깊이(1~2mm)의 홈(211)이 형성된다.

전기저항선(220) 단 한 가닥이 절연판(210) 위에 놓여진다.

전기저항선(220)은 절연판(210)과 4개의 지점(P1,P2,P3,P4)에서 실버페이스트(silver paste)로 접착된다. 제2지점(P2)과 제3지점(P3) 사이의 거리는 1.7cm이다.

전기저항선(220)은 홈(211) 위에 위치된다.

전기저항선(220)은 4개의 지점(P1,P2,P3,P4) 부근을 제외하고는, 절연판(210)과 접촉되지 않는다. 도 6에 도시된 점선화살표는 전기저항선(220)에서 발생된 열이 퍼지는 상태를 낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전기저항선(220)의 아래쪽에 위치된 홈(211)으로 인해, 전기저항선(220)로부터 발생된 열이 아래쪽 절연판(210)에 전달되지 않고, 오직 전기저항선 (220)을 따라 좌우로 빠져나간다.

따라서, 제2실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(20)를 사용하면, 절연판(210)으로 인해 열이 차단되는 부분이 없어져, 진공챔버(1) 내의 진공도를 좀 더 정확하게 측정할 수 있다.

이 밖의 전기저항선(220)의 구성은, 제1실시예에 따른 전기저항선(120)의 구성과 동일하므로, 그 설명을 생략한다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(20)의 작동 원리는, 제1실시예에 따른 금속코팅 탄소섬유 진공게이지(10)의 작동 원리와 동일하므로, 그 설명을 생략한다.

10,20: 금속코팅 탄소섬유 진공게이지 110,210: 절연판
120,220: 전기저항선 121,221: 탄소섬유
122,222: 제1금속층 123,223: 제2금속층
131,231: 전류입력선 132,232: 제1전압측정선
133,233: 제2전압측정선 134,234: 전류출력선

Claims

삭제
절연판;
상기 절연판 위에 놓이며, 4개 지점에서 접착된 단 한 가닥의 전기저항선; 및
상기 4개 지점 각각에 연결된 전류입력선, 제1전압측정선, 제2전압측정선, 전류출력선;을 포함하며,
상기 전기저항선은 중심에 위치된 탄소섬유 또는 탄소나노튜브섬유와, 상기 탄소섬유 또는 탄소나노튜브섬유를 동심으로 감싸는 서로 다른 전기전도도를 가진 적어도 하나의 금속층으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속코팅 탄소섬유 진공게이지.
제2항에 있어서,
상기 금속층은 한 종류의 금속으로 구성되거나, 금속합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속코팅 탄소섬유 진공게이지.
제2항에 있어서,
상기 금속층은, 상기 탄소섬유 또는 탄소나노튜브섬유를 동심으로 감싸는 제1금속층과, 상기 제1금속층을 동심으로 감싸는 제2금속층으로 구성된 것을 특징으로 하는 금속코팅 탄소섬유 진공게이지.
제4항에 있어서,
상기 제1금속층은, 상기 탄소섬유와 상기 제2금속층 또는 상기 탄소나노튜브섬유와 상기 제2금속층 사이의 접착성 향상과 전기전도도 향상을 위해, 전기전도도가 1×10E5 S/cm 이상인 은, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 아연, 니켈, 순철, 강철, 백금, 주석, 아연, 연, 니크롬, 황동, 청동 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 금속코팅 탄소섬유 진공게이지.
제4항에 있어서,
상기 제2금속층은, 니켈, 니크롬, 백금, 텅스텐 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 금속코팅 탄소섬유 진공게이지.
제2항에 있어서,
상기 전기저항선은,
양(+)의 TCR(Temperature coefficient Resistance)값을 가지며,
진공도가 높을수록, 상기 전기저항선의 온도가 높아지고, 상기 제1전압측정선과 상기 제2전압측정선으로 측정된 전압값이 높아지며,
진공도가 작을수록, 상기 전기저항선의 온도가 낮아지고, 상기 제1전압측정선과 상기 제2전압측정선으로 측정된 전압값이 낮아지는 것을 특징으로 하는 금속코팅 탄소섬유 진공게이지.
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