그림 . E.토리첼리(1608~1647)      그림 . B.파스칼(1623~1662)

진공(vacuum)은 대기압보다 낮은 압력 상태를 의미한다. 진공의 단위로 사용되는 mmHg, Torr, mbar, Pa, psi에 대해 알아본다.

1. 대기압(大氣壓): 공기의 무게 때문에 생기는 지구 대기의 압력. 1643년 이탈리아 과학자 에반젤리스타 토리첼리(Evangelista Torricelli)는 실험에서 수은조에 약 1 cm2의 단면적을 가진 1.2m의 유리관을 세웠고, 매일 관측한 결과 수은주의 높이가 약 760mm까지 상승하였을 때에 공기가 누르는 힘(압력)을 1 기압이라고 함.

이후 이 실험을 통해 얻어진 760 mm의 수은(Hg) 기둥의 높이를 1기압의 표준으로 삼았다. 1 기압=1 atm=760 mmHg

- 76cm 수은주 기둥 속의 수은의 무게: 76 cm*13.6(수은의 비중)=1,033.6 g

- 이 수은의 양에 적용되는 중력 힘: 1,033.6 g*980 cm/s2=1,012,928 dyne

- 이 수은에 작용하는 압력은 1 기압 즉 1 atm=1,012,928 dyne/cm2=1,013*103 dyne/cm2

2. 토르(Torr): 압력의 단위로 1 기압의 1/760로 정의됨. Torr는 토리첼리의 이름에서 따옴.

1 Torr는 0℃에서의 수은 기둥 1mm의 압력을 나타냄.

갈릴레오 갈릴레이(1564~1642, 이탈리아)의 조수였던 토리첼리는 수은주 진공실험으로 진

공을 발견하였고 이것은 수은기압계의 원리가 됨.

1 mmHg=1 Torr, 1 atm=760 mmHg=760 Torr

3. 기압(氣壓, atmospheric pressure, atm): 압력의 단위. 지구 해수면 근처에서 잰 대기압을 기준으로 함.

   지구를 둘러싸고 있는 대기가 그것과 접촉하고 있는 면에 대해 작용하는 단위 면적당의 힘

4. 바(bar): 압력의 단위. 1 제곱미터 당 100,000 N의 힘이 작용하는 것을 뜻함.

1 bar=100,000 N/m2=100,000*100,000 dyne/(10,000 cm2)=1,000,000 dyne/cm2

1 bar=1,000 mbar(=mb), 1 dbar(데시바)=0.1 bar

1 mbar=0.001 bar=1,000 dyne/cm2

1 atm=1,013*103 dyne/cm2=1,013 mbar

※ 어원: 무게를 뜻하는 그리스어 “바로스”에서 유래. 공식적인 기호는 “bar”

bar, mbar(밀리바)는 1919년 네피어 쇼경에 의해 도입되었고 1929년에 국제적으로 채택됨.

※ 1946년 이전에는 mmHg를 사용하다가 1946년 이후에는 mbar 사용함.

5. 파스칼(Pascal, 기호 Pa): 압력에 대한 SI(국제 단위계) 유도 단위임. 1 파스칼은 1 제곱 미터 당 1 뉴턴의 힘이 작용할 때의 압력에 해당. 작은 단위이기 때문에 기압 측정에서 hPa(=100 Pa, 헥토파스칼), kPa(=1000 Pa, 킬로파스칼)을 사용함. 프랑스의 수학자 블레즈 파스칼(Blaise Pascal)의 이름을 땀. 그는 21살에 토리첼리의 기압에 관한 저서에 관심을 가지고 수은기둥을 사용한 일련의 실험으로 유체의 압력과 부피에 관한 기초를 다지는 파스칼의 법칙을 완성함(1653년, 유압장치의 원리).

1 Pa=1 N/m2, 1 hPa=100 Pa=100 N/m2=100*10 dyne/m2=1,000 dyne/m2=1 mbar

1 mbar=760/1,013 mmHg=0.75 mmHg=0.75 Torr

1 기압=1 atm=76 cmHg=760 mmHg=760 Torr=1,013.25 hPa=1,013.25 mbar

1,000 hPa=1,000*100 Pa=1,000 mbar=1,000*760/1,013 mmHg=750.06 mmHg=750.06 Torr

6. psi(pound per square inch): 압력의 단위. 미국 단위계. 제곱 인치 당 파운드의 힘. 1 psi는 1 제곱 인치 넓이에 1 파운드의 힘이 누르는 압력

1 psi=6894.757 Pa

※ 위 내용은 위키백과의 자료를 참고함.

< 진공 단위 환산표 >

  20여년전 한국진공학회에서 개최하는 정기학술대회에 2~3번 참석하였다. 나는 그 당시 정부출연연구소에서 반도체 공정용 진공펌프 성능평가를 담당하고 있었기 때문에 그 주제로 포스터 발표를 하곤 하였다. 여름과 겨울 휴가철에 공기 좋은 곳에서 열리는 정기학술대회에는 학술대회 뿐 아니라 진공장비전시회도 있었다. 진공 산업 관련 산업체들이 각기 부스를 열고 홍보 활동을 하고 있었다. 학술대회는 구두발표와 포스터로 이루어지고 대학교의 대학원생, 산업체와 연구소의 연구원들이 발표를 하였다. 내가 관심있는 분야의 주제들을 찾아가서 분과별 세션 강의도 듣고 포스터 부스를 찾아가 설명도 들으며 질문도 하고 또 나의 발표 세션으로 관심 있는 사람들이 와서 질문하곤 하였다. 주로 3일 정도 나눠 프로그램을 진행하기 때문에 참석 일정은 형편껏 참석하면 된다. 

  한국진공학회(The Korean Vacuum Society)는 1991년 창립되어 어느덧 무르익어가는 청년의 나이인 30살이 되었다. 현재 4,000명의 회원들이 있으며 매년 2회의 정기학술대회를 개최하고 회장으로는 성균관대학교의 염근영 교수이시다. IUVSTA(국제진공과학기술응용연맹)에 가입된 국내 유일의 진공학회이며 미국진공학회(AVS), 일본진공학회(JVA), 중국진공학회 등과 협력을 하고 있다. 온라인 영문저널 ASCT(Applied Science and Convergence Technology)는 등재학술지로 매년 100여 편의 실력 있는 논문들이 게재되고 있다. 이렇듯 한국진공학회는 진공 및 이와 관련된 학문과 기술 및 응용에 관한 지식의 향상과 진공 공업의 보급 발전을 꾀하고 이를 통해 국가 기술 발전에 기여하고 있다. 

  아직 코로나19로 조심해야 하는 상황이지만 올해 2020년 8월 19일(수)~21(금) 제주대학교에서 개최되는 제59회 하계 정기학술대회에 진공 기술과 관련 학문 분야에서의 산업체, 학계, 연구소의 많은 사람들이 참여하여 유익한 시간이 되었으면 하는 바람을 가져 본다. 안내와 간단한 프로그램 요약은 아래와 같다. 

- 등록 및 자세한 프로그램 내용 관련 한국진공학회 홈페이지: www.kvs.or.kr

- 발표 논문 초록 접수 기간: 2020.6.1.~7.3

- 참가 사전 등록 기간: 2020.6.1.~7.17

- 프로그램:

1. 진공기술강습회, 플라즈마기술강습회

2. 진공장비전시회

3. 포스터 발표 및 특별심포지움: 진공기술 분과, 플라즈마 및 디스플레이 분과, 나노과학 및 바이오인터페이스 분과, 에너지 기술 분과

4. 진공 Tutorial: 분석기술 Tutorial, 알기 쉬운 위상반도체

5. 총회 초청 강연, 임시 총회 및 각종 시상 

  진공 기술은 반도체 및 디스플레이 산업 뿐 아니라 각종 제조 산업, 우주 산업 등에서 광범위하게 활용되는 필수 기술이다. 그만큼 한국진공학회의 위상과 중요도가 클 것이고 이 모임을 통한 기술교류와 기술과 정보의 확산도 큰 효과가 있을 것이다. 진공 관련 업체에 소속되어 있거나 진공 관련 연구를 하는 사람 및 진공 기술에 관심 있는 사람들에게 이번 하계 정기학술대회 프로그램이 좋은 만남과 기회가 되길 기원해 본다.

서울 코엑스에서 1월 23일~25일 3일간 2019 Semicon Korea가 개최되었습니다

첫날은 기조연설에서 인공지능(AI)에 관한 3명의 전문가들이 data, 알고리즘, computing 기술 기반의 AI는 계속하여

메모리 분야 중심의 반도체 산업의 발전을 가져올 것이라고 발표하였습니다.

올해에는 450여개의 회사들에서 2,000여개의 부스를 전시하였고, 주로 나는 관심 영역들인 다음 부스들을 참관하였습니다.

반도체 장비, 건식진공펌프, Cryopump, 터보펌프, Scrubber, 플라즈마 장비, 공정부산물의 원활한 배기를 위해 공정 배관에 설치하는 히터와 jacket, trap, 플라즈마 장치

그리고 장비의 data 수집과 제어 장치 등이었습니다.

정밀기계의 기술을 선보이는 일본의 자동화 로봇 장치들이 눈에 띄었습니다. 글로벌 반도체 전시회인 Semicon은

2019년에도 1월 한국을 시작으로 3월 중국, 5월 아시아, 7월 미국, 9월 대만, 11월 유럽, 12월 일본을 일정으로 세계를 여행하며

세계 반도체 산업 발전에 견인차 역할을 해낼 것입니다.

안녕하세요. 진공 이야기로는 처음 글을 쓰게 되네요.

아무래도 첫 글이기도 해서 어떤 내용으로 글을 써야하나 많은 고민을 하던 끝에

저희의 주력 제품인 플라즈마 자동 세정장치에 필요한 기술적인 부분을 다뤄볼까 해요

그래도 이 분야/업계에 연구 및 종사하시는 분들은 한번쯤 들어 보셨을 거 에요.

우리가 일반적으로 학창시절 배웠던 물질의 상태는 고체/액체/기체의 3가지 상태입니다.

‘플라즈마’라 함은 제 4의 물질 상태라고도 하죠.

이 ‘플라즈마’라고 하는 제 4의 물질은 미국의 물리화학자인 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881-1957)가 기체에 이온화 에너지보다 더 큰 에너지를 가하는 실험을 하던 도중 발견하였습니다. 즉, 기체에 큰 에너지를 가하게 되면 기체 원자가 양이온과 전자로 분리가 되게 되는데 이러한 이온화 된 상태의 기체를 ‘플라즈마’라고 부르게 되었습니다. 플라즈마 안의 양이온과 전자의 수는 거의 같아서 전기적으로 중성 상태를 나타낸다고 볼 수 있지요.

(내용이 너무 길어 질까봐 플라즈마의 정의는 간략히 이정도로만 설명하도록 할게요!)

좀 더 실제적인 내용을 설명 드리고자 해요.

이러한 플라즈마를 이용하여 세정(cleaning)을 한다? 무엇을 어떻게 세정한다는 것인지를

지금부터 설명 드리겠습니다.

챔버 내에서 특정 공정을 진행하고 나면 챔버 내 벽면과 포라인(foreline)을 통해 연결된 펌프 내부까지도 불순물이 생기게 됩니다. 이러한 불순물들을 제거하지 않으면 다음 공정 진행 시 반도체 증착 공정으로 예를 들면 증착된 막의 성질이 달라지기도 하고, 챔버와 연결된 다른 곳에서부터 또 다른 오염 원인(Particle Source)을 야기 시키기도 합니다.

즉, 챔버 또는 기타 연결된 부속 장치들을 세정하기 위하여 플라즈마를 이용합니다.

(실제로 반도체 공정 진행 시 일정한 Cycle을 주기로 챔버 클리닝을 진행하곤 합니다.)

플라즈마 세정에 대표적으로 사용되는 화학 물질로는 NF3(삼불화질소)가스가 해당됩니다.

공정 진행 후 발생한 고체성 불순물 SiO2에 NF3를 플라즈마화 시킨 가스를 반응시키면 불순물이 가스 상태로 상변이되어 제거되게 됩니다. 

SiO2(s) + Fluorine(g) + Nitrogen(g) -> SiF4(g) + NOx(g)

이러한 원리로 챔버 내부, 플라즈마 세정이 필요한 부품, 펌프 내부 등을 클리닝하게 됩니다.

간략하게 그림으로 살펴보시면 다음과 같습니다.

‘제품소개‘ 란에 보시면 제가 예전에 썼던 플라즈마 세정장치 소개 글이 있을 거예요!

그 세정 장치의 원리 또한 위에서 설명드린 것과 같답니다.

저희 같은 경우 직접적으로 세정하는 부위가 펌프 내부, 배관 등이 되겠지요.

실제로 펌프 내부를 살펴보시게 되면 공정 부산물로 인한 Powder들을 살펴볼 수

있어요. 이러한 Powder들은 공정 진행 시 펌프의 고장을 야기하며 이는 곧 공정불량, 수율 저하로까지 일으키게 됩니다.

▲실제로 펌프 배관 내 부산물이 쌓여 있는 모습

이렇게 Ar 가스를 Ignition시켜주고 세정가스 (NF3)를 넣기만 하면

펌프 내 부산물들을 싹 날려버릴 수 있답니다. 물론 이때 주입되는 가스의 양, 비율, 세정 시간에 따라 세정 효율이 달라지므로 이러한 공정조건들을 부산물 특성에 맞게 잘 설정해야 합니다.

플라즈마의 용도는 다양합니다. 세정뿐만 아니라 식각, 표면처리에서부터 오염물질의 살균및 분해까지 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 최근에는 플라즈마를 활용한 군사기술까지도 연구가 확대되고 있다고 합니다.

마치 저희 ㈜플랜에서도 플라즈마를 활용하여 펌프 세정을 연구하는 것처럼..

다음번에 또 저희 플랜에서 연구하고 있는, 진공과 관련된 기술 이야기를 소개 하도록 하겠습니다 :)

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