KR20230102421A - 이온 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 펌프 내부에 장착되는 양극 셀의 구조에 관한 것으로 이온 펌프의 배기 성능을 보다 높일 수 있도록 메쉬 구조를 채택한 양극 셀을 특징으로 한다.

Description

이온 펌프 {ION PUMP}

본 발명은 이온 펌프의 구조에 관한 것으로 특히 이온 펌프 내에서 원통형이나 다각형의 단면을 가지고 있는 양극 셀을 메쉬 구조의 벽면으로 하여 이온화 효율을 증가시키고 나아가 배기 효율을 높이는 장치에 관한 것이다.

이온 펌프는 진공 펌프 가운데 하나로 높은 전기장에 의해 음극에서 방출된 전자를 자석 사이에 가두어 전자 구름을 형성하고, 필요한 가스를 전자 구름 그 사이에 도입하여 이온화시켜 음극의 금속 중에 매입함으로써 배기하는 장치이다. 대략적으로 압력은 0.1 파스칼을 초과하지 않으며, 주로 10^-7 파스칼 이하의 초고진공 영역에서 사용한다. 특별히 자석이 필요한 이유는 자석이 발산하는 자기장과 인가된 전기장이 수직을 이루므로 전자를 양극셀 내부에 가두어 전자 구름을 형성하기 용이하기 때문이다.

도 1 및 도 2를 참고로 하여 이온 펌프의 대략적인 동작을 설명한다. 이온 펌프(100)는 하우징(105) 및 요크(107)의 내부에 여러 겹의 영구 자석들(110)이 있고 그 사이에 음극(130)이 배치되어 있다. 음극은 대부분 금속재인 경우가 많다. 음극(130) 사이의 공간에는 여러 개의 양극(150)이 서로 인접하여 배치되어 있는데 이들은 주로 붙어 있거나 아니면 살짝 떨어져서 반복되어 있다. 양극은 주로 원통형이거나 벌집모양의 육면체 셀(CELL)로 되어 있는 것이 대부분이며 이들끼리는 대개 스폿 웰딩(SPOT WELDING)으로 접합하여 만든다. 양극(150)에는 높은 전압이 가해지고 음극(130)은 접지되는 것이 대부분이다.

이온 펌프의 동작은 도 3에 도시된 단면을 참고로 하여 추가로 설명하면 다음과 같다. 양극 셀(150)과 음극(130) 사이에 수 천 볼트 정도의 높은 전압을 걸어주면 음극으로부터 전자가 방출되는데 방출된 전자는 전압에 비례한 높은 운동 에너지를 가지고 있다. 방출된 전자는 영구 자석의 자력에 의해 양극 셀 내부에서 회전 운동을 하면서 전자 구름(170)을 형성하게 된다. 외부에서 인입된 중성의 가스 분자는 양극 셀 내부로 스며들어 전자 구름(170)과 충돌하여 양이온화된다. 양이온화 된 가스 이온들은 전기력에 의해 가속되어 음극과 강하게 충돌하고 음극 속으로 매입되어 제거된다. 이는 1차 제거라고 한다. 만일 음극을 이루는 재료가 티타늄(TITANIUM, Ti)과 같은 금속재라면 티타늄 원자는 가스 이온들의 충돌로 인해 결합력을 깨고 음극 바깥으로 탈출하게 된다. 이온화된 가스들의 충돌에 의해 음극을 이루는 재료 원소의 탈출 현상은 반도체 제조 공정에서 흔히 쓰이는 스퍼터링(SPUTTERING) 공정과 기본 원리가 같다. 음극 재료가 티타늄이라면 이는 다른 원소와 결합하려는 활성이 매우 강해서 양극 내부나 다른 벽에 흡착되어 있던 가스 분자들과 결합하여 막을 형성하는데 이 과정에서 남아 있는 인입 가스 또는 기타의 불순물 가스들이 제거된다. 이를 2차 제거라고 한다. 이런 원리를 이용하므로 이온 펌프는 소음이나 진동이 없고 배기 성능도 10^-7 파스칼까지 도달할 수 있어서 초고진공이 필요한 곳에 많이 쓰이고 있다.

그런데 이온 펌프는 다른 종류의 진공 펌프보다는 배기 용량이 크지 못하여 짧은 시간에 많은 양을 배기하지 못하며 펌프 내부에 불활성 기체들에 의해 흡착에 어려움이 생기는 단점이 있다.

배기 성능은 대개 판 형상의 음극(130) 양극(150) 셀 사이의 간격(δ)의 함수로 표시되는데 간격(δ)이 커질수록 배기 효율은 증가하지만 이온 펌프 내의 공간이 낭비되는 등 다른 성능이 저감될 수 있어서 다른 조건들과도 적절한 트레이드-오프가 필요하다. 배기 성능을 다른 측면에서 보자면 이온 펌프 내부 인입되는 가스가 얼마나 효과적인가를 나타내는 가스 컨덕턴스로 표시될 수도 있는데 가스 컨덕턴스는 간격(δ)의 크기에도 영향을 받지만 이온 펌프 내부의 양극 셀의 구조에도 영향을 받는다. 그러므로 또한 양극 셀(150)의 높이(L)에도 영향을 받을 수밖에 없다. 도 4에는 이온 펌프의 상대적인 배기 속도를 도시한 것인데 수평축은 간격(δ)을, 수직축은 최대 배기 속도를 기준으로 하는 상대 배기 속도를 나타낸다. 통상적인 배기 성능은 같은 크기일 때 간격(δ)이 증가할수록 좋아지다가 점차 포화되는 양상을 보이게 됨을 알 수 있고, 간격(δ)이 0.6 센티미터일때 상대 배기 속도는 0.76 정도의 값에 도달한다. 그러나 간격(δ)이 증가하면 영구자석 사이의 거리도 커짐에 따라 자기장이 약해지므로 전자 구름이 감소하여 결국 배기성능이 저하되는 부작용도 나타난다. 따라서 기존의 이온펌프 구조에서는 최대 배기 성능을 얻기 위해 간격(δ), 양극 셀의 높이(L) 및 이들의 비율 등을 적당한 값으로 절충하게 된다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 이온 펌프에서 양극재로 쓰이는 셀에서 벽면을 메쉬 형태로 제공하여 이온 펌프의 배기 성능을 향상시키고자 하는데 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제를 보다 상세히 설명하면, 양극재 셀 내부로 이온화해야 할 기체를 보다 빠르고 효율적으로 도입시켜 전자 구름과의 충돌에 의한 이온화 효율을 보다 높이고, 나아가 배기 성능 또한 높이고자 하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 하우징; 상기 하우징의 일부면에 설치되어 이온화될 가스가 들어오는 가스 인입구; 상기 하우징 내부에 설치된 영구 자석; 상기 영구 자석의 엔(N)극과 에스(S)극에 각각 인접하여 각각 음극들; 상기 음극들 사이에 다수 개가 반복 설치된 양극;을 구비하되, 상기 양극의 벽면은 메쉬 형상으로 된 것을 특징으로 하는 이온 펌프임을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 인입 가스가 보다 쉽게 양극재 셀 내부로 진입 가능하게 하여 이온화 효율이 높아질 뿐 아니라 배기 성능이 좋아지는 장점이 있다.

도 1은 통상의 이온 펌프의 단면 구조를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 이온 펌프의 동작을 설명하기 위한 부분 입체도이다.
도 3은 이온 펌프의 동작을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 이온 펌프의 배기 성능을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 이온 펌프를 단면으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 이온 펌프의 양극 셀의 입체도이다.
도 7은 본 발명의 양극 셀의 메쉬 형상의 실시예들을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 양극 셀의 장점을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 양극 셀을 가진 이온 펌프의 성능을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 양극 셀을 가진 이온 펌프의 성능을 도시한 또 다른 그래프이다.
도 11은 본 발명의 양극 셀의 단면 구조 가운데 일부 실시예를 도시한 실시예들이다.

이하, 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 각 도면에 제시된 참조부호들 중 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 이온 펌프(600)를 단면으로 도시한 것이고, 도 6은 본 발명에서 쓰이는 이온 펌프의 양극 셀(650) 구조를 입체적으로 도시한 것이다. 도 6에서 양극 셀 각각은 그 벽면이 그물눈, 즉 메쉬(mesh)구조로 되어 있어서 이온화하고자 하는 가스가 쉽게 통과할 수 있는 통기성 구조로 되어 있다. 이 양극 셀은 이온 펌프를 구성하는 하우징(605) 및 요크(607) 내부에서 영구 자석(610)과 음극(도면부호 미도시) 사이에 장착되어 있다. 양극 셀에는 전압이 가해질 수 있고, 음극은 접지될 수 있도록 되어 있다. 이온 펌프를 구성하는 각 요소들을 이해하기 위해서는 도 2의 종래 구조를 참조하여도 무방하다. 본 발명의 구조에 따르면 이온 펌프 내로 인입된 가스가 음극재와 양극재 사이의 공간으로만 통하는 것이 아니라 그물눈 사이, 즉 메쉬 공간으로도 통하게 되어 보다 쉽고 용이하게 이온화 영역으로 진입할 수 있게 된다. 이온화 영역이란 양극 셀 내부의 전자 구름이 형성된 영역을 말하며, 이 영역에서 가스 분자가 전자들과 충돌하여 이온화가 이루어지는 공간을 의미하는 것이다. 이온화 영역의 의미를 이해하기 위해서는 도 3에 도시된 도면을 참고로 하여도 무방하다. 가스가 이온 펌프내로 진입하면 양극 셀 각각의 내부에서 이온화가 이루어진 후 음극 재료와 결합되어 배기된다. 양극 셀 각각은 전기적으로 서로 연결되어 있고 도전성을 갖추고 있다. 양극 셀에는 이온화에 필요한 고전압이 인가되는데 대개는 수천볼트 이상이 가해진다.

메쉬의 그물눈은 여러 형상으로 만들 수 있다. 예를 들어 도 7에 도시되었듯이 네모 형상이나 마름모 형상, 다각형상, 원형상 또는 타원 형상 등 여러 형태로 만들어 질 수 있고 그물눈의 크기나 형상은 이온 펌프의 배기 성능이나 크기, 원하는 진공의 정도, 양극 셀에 가해지는 전압의 크기 등의 변수에 따라 적절히 변형될 수 있다.

본 발명의 장점을 보다 쉽게 이해하기 위하여 도 8에 도시된 단면도를 참조로 하여 설명한다. 영구 자석(610)들 사이에는 판 형상의 음극(620)이 설치되어 있고 도시하지는 않았지만 음극(620)은 접지로 연결되어 있다. 음극 사이의 공간에는 양극 셀(630)이 설치되어 있고 수천볼트 이상의 고전압이 가해질 수 있도록 되어 있다. 당연하지만 음극(620)이나 양극(630) 모두 도전성이 있는 재료로 되어 있다. 양극(630)을 이루는 각각의 셀들 역시 전기적으로 서로 연결되도록 하기 위해 기계적으로도 서로 접촉되어 있는 것이 보다 바람직하다. 양극(630)의 단면 구조는 원통형, 타원형, 또는 다각형인 것이 바람직한데 도 11에는 원통형 양극과 육각형의 벌집 모양의 양극을 대표적으로 도시한 것이다. 원통형 양극을 메쉬 구조로 제작하고 스폿 웰딩으로 접합하여 양극셀 모듈을 만들 수도 있지만 도 10에 도시되었듯이 스트립 형태의 금속망을 이어 붙여서 벌집 모양의 양극셀 모듈을 제작하는 것이 스폿 웰딩의 방식보다 좀 더 용이하게 제작 가능하다.

이온 펌프로 진입된 가스의 일부 성분(도 7에서 'A', 'B'로 표시)은 음극(620)과 양극(630) 사이에 형성된 수 밀리미터 정도의 공간으로 진입하여 이온화 영역에 도달하고, 가스의 다른 일부의 성분(C)은 양극 셀의 메쉬 공간으로 통과하여 이온화 영역에 도달한다. 종래에는 가스의 다른 일부(C) 성분이 양극 셀의 벽면에 부딪힌 다음 산란되지만 본 발명에서는 양극 셀의 벽면으로 향하는 가스 성분(C)은 메쉬 공간으로 통과하기 때문에 양극 셀 벽면의 저항이 최소화된다. 이로 인해 벽면으로 향하는 가스 성분(C)은 이온화 영역으로의 진입이 순조로워지고 나아가 이온화 효율이 높아진다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 메쉬의 투명도를 변수로 하여 배기 성능을 계산해 본 결과를 도 9에 도시하였다. 수평축은 양극 셀을 구성하는 메쉬의 투명도를 나타내는 것으로, 양극 셀의 투과 단면적에서 메쉬 홀이 차지하는 비율을 말한다. 투명도는 0에서 1 사이의 값을 가지게 되며, 투명도 0의 의미는 메쉬가 구성되지 않도록 완전히 막힌 구조를 의미하며, 투명도 1이란 양극 셀 전면이 모두 메쉬 공간임을 나타낸다. 즉 투명도 1은 이론적인 값으로 실제로는 메쉬의 그물 부분이 차지하는 면적이 전혀 없음을 나타내므로 메쉬가 존재하지 않음을 말한다. 도 9의 계산 결과에 의하면 간격(δ)이 0.6 센티미터로 고정된 종래의 기존 구조와 비교하였을 때, 양극 셀의 투명도가. 0.35 이상이면, 본 발명의 상대 배기 속도가 우월해진다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 이온 펌프 내부의 압력을 변수로 하여 배기 속도의 변화를 실험한 결과를 도 10에 도시하였다. 도 10에는 메쉬 구조가 아닌 종래의 양극 셀 구조와, 본 발명의 메쉬 셀을 적용한 양극 셀 구조에 대하여 배기 성능을 서로 비교한 실험 결과를 나타낸 그래프로, 양극 셀의 크기와 공간(δ)의 크기는 서로 동일한 조건에서 행해진 것이다. 도 10의 실험 결과에서 알 수 있듯이 거의 모든 압력 조건에서 본 발명의 이온 펌프의 배기 성능이 더 효율적이다.

본 발명에서, 바람직한 간격(δ)의 크기는 대략 0.2 센티미터 내지 1 센티미터 사이의 값이 적당하고, 양극 셀의 높이는 대략 1 센티미터 내지 2.6 센티미터 사이의 값을 가지는 것이 좋다.

본 발명은 도면들에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이들로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

1. 하우징;
   요크 ;
   상기 하우징 또는 상기 요크 가운데 적어도 일부면에 설치되어 이온화될 가스가 들어오는 가스 인입구;
   상기 하우징 또는 상기 요크 내부에 설치된 영구 자석;
   상기 영구 자석의 엔(N)극과 에스(S)극에 각각 인접하여 설치된 음극들;
   상기 음극들 사이에 다수 개가 반복 설치된 양극 셀;
   을 구비하되, 상기 양극 셀의 벽면은 메쉬 형상으로 된 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 양극 셀은 전압이 인가되고, 상기 음극들은 접지되는 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 양극 셀은 원통형, 타원형 통형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 메쉬 형상은 네모형상, 마름모 형상, 다각형상, 원형상 또는 타원 형상 가운데 하나인 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 양극 셀과 상기 음극들 사이에는 상기 가스가 통과할 공간이 형성되도록 이격된 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 공간은 0.1 센티미터 내지 2 센티미터 사이인 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 양극 셀의 높이는 1 센티미터 내지 10 센티미터 사이인 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 양극 셀은 전도성이 있는 재료인 것을 특징으로 하는 이온 펌프.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 양극 셀은 서로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 이온 펌프.

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