펌프의 성능을 평가하는 parameter에는 여러 가지가 있으나 일반적으로 Pumping speed S와 Throughput Q 를 가지고 펌프의 용량을 평가하게 되는데, 이 두 값 중 일반인들이 가장 많이 사용하는 값은 pumping speed S인데 그 이유는 이 값이 일반 산업계에서 통용되고 있으며 쉽게 이해할 수 있는 개념인 반면에 throughput Q는 다음과 같이 정의되는 일율(powder)의 개념이다. 여기서 주의할 것은 진공 펌프의 pumping speed S는 상수값이 아니다. 즉, 압력에 따라 pumping speed S가 변하는 것인데, 일반적으로 펌프 제조 업체에서 제시하는 값은 Peak pumping speed 값을 제시하게 된다.(그래프 참고)
Pumping speed S는 실제 상황을 설명하는데 미흡하다면, throughput Q는 어떤지 설명하기 전에 먼저 Q의 정의를 따져 보자.
Q = P×S
= 힘/면적 × 체적/시간
= 힘 × 길이/시간
= 에너지/시간
= 일률
이 식에서 알 수 있듯이 throughput Q는 일률(단위 시간당 처리할 수 있는 에너지량)이다. 그러면 여기서 가스의 체적을 나타내는 방법에 대해서 생각해 보자. 가스(기체)는 액체나 고체와는 달리 그 체적이 압력과 온도에 따라 그 량이 결정된다. 예를 들어, door가 달려 있는 체적 1000 L인 chamber를 대기(1 atm)에 노출시킨 후, door를 닫았을 때, chamber 내에 들어 있는 기체의 체적은 1000 L이지만 분자의 개수는 2.68 × 1027 개이다. 그런데 만일 이 chamber의 door를 닫은 상태에서 기체를 가압(10 atm)하여 넣으면 이 chamber내에 들어 있는 기체의 체적도 역시 1000 L이지만, 분자의 개수는 2.68 × 1028개이다. 이 두 가지 경우에서 알 수 있듯이 어떤 특정 용기 또는 chamber에 들어 있는 기체의 양은 단순히 체적에 의해서만 결정되는 것이 아니고, 압력에도 관계된다. 왜냐하면 두 가지 경우 체적은 1000 L 이지만, chamber내에 들어 있는 기체의 분자 개수(mole 수)는 현저히 다르기 때문이다. 기체는 0℃, 1기압에서 22.4 L의 체적을 차지하고, 이때의 mole수는 1이다. 참고로 1 mole = 6.02 × 1023 분자이다. 결국 위의 두 가지 예에서 처럼 실제 chamber내에 들어 있는 기체의 량은 다음과 같다.
1 atm, 1000 L 1 atm × 1000 L = 760 Torr × 1000 L
= 760000 Torr L
= 2.68 × 1027 분자
10 atm, 1000 L 10 atm × 1000 L = 7600000 Torr L
= 2.68 × 1028 분자
기체의 체적은 같지만, 그 안에 들어 있는 분자 개수는 다른 것을 알 수 있다.
앞의 그래프에서 두 가지 경우( 2 × 10-1 Torr, 1000 L/min과 2 Torr 600 L/min)를 들었는데 먼저 0.2 Torr의 압력(진공도)에서 그래프의 펌프가 처리할 수 있는 가스 체적은 1000 L/min이지만, throughput은 200 Torr L/min이다. 반면에 2 Torr에서는 1200 Torr L/min이다. 0.2 Torr에서의 pumping speed는 1000 L/min이지만, throughput으로 계산하면 200 Torr L/min이 되고, 2 Torr에서는 pumping speed가 0.2 Torr에서의 pumping speed에 비해 작지만 throughput은 오히려 1200 Torr L/min이 된다. 그런데 througput Q의 단위는 평상시에 볼 수 없던 단위(실제로는 leak rate의 단위로 사용)이기 때문에 쉽게 인식되지 않는 관계로 이 값을 전통적으로 사용하고 있고, 현재 line에서 모든 가스의 량을 나타내는 단위인 sccm이나 slm 단위로 표현하게 된다. 이 두 값 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
1 mbar L/sec = 0.75 Torr L/sec = 60 sccm
이 관계식을 이용하여 예로 든 두 가지 경우는 비교하면 다음과 같다.
|
압력(진공도) Torr |
Pumping Speed S(L/min) |
Throughput Q | |
|
Torr L/min(Torr L/sec) |
Sccm(slm) | ||
|
0.2 |
1000 |
200(3.33) |
266.7(0.27) |
|
2 |
600 |
1200(20) |
1600(1.6) |
이 관계를 이해할 수 있다면, 다음의 경우도 쉽게 이해할 수 있을 것으로 생각된다. 예를 들면 chamber의 체적이 1000 L이고, chamber와 pump를 연결한 pipe의 체적이 500 L이라면 이 system을 대기압(760 Torr)에서 1 Torr까지 1분 안에 pumping 하기 위해 필요한 pump의 pumping speed는 어느 정도가 적합한가 ? 답은 1500 L/min이 아니다. 위에서도 설명하였듯이 1500 L라는 체적내에는 약 67 mole의 기체 분자들(4.03 × 1025 분자)이 들어 있다. 이 경우 펌프가 처리해야 할 throughput Q는 다음과 같이 계산된다.
Q = (760 – 1) Torr × 1500 L/min
= 18975 Torr L/sec = 25300 sccm = 25 slm
이 throughput 량을 대기압에서 처리하기 위해서는 펌프의 pumping speed가 다음과 같다.
24 L/sec = 1440 L/min = 89.8 m3/hr at 1 atm(760 Torr)
189.75 L/sec = 11385 L/min = 682.9 m3/hr at 100 Torr
1897.5 L/sec = 113850 L/min = 6829.6 m3/hr at 10 Torr
18975 L/sec = 1138500 L/min = 68296.3 m3/hr at 1 Torr
이상에서 알 수 있듯이 가스의 량은 단순히 체적만으로 기재하면 안 되고 항상 압력과 온도를 같이 기재하여야 그 량을 정확하게 알 수 있는 것이다. 마찬가지로 단위 시간당 배기해야 할 가스량은 단순히 체적을 시간으로 나눈 pumping speed가 아닌 throughput Q를 사용하여야 하며, 이러한 이유로 체적 1500 L를 1분내에 pumping하기 위해서는 1500 L/min의 pumping speed를 가진 펌프를 사용해서는 pumping을 할 수 없게 되는 것이다.