진공펌프기술력 향상…'경쟁력 확보' 갈길 멀다

[산업일보]
커피산업에서 첨단 반도체산업까지 진공펌프는 현재 다양한 분야에서 적용되고 있으며, NT, IT, BT, ET 등 미래첨단 분야에서도 점차 그 응용분야가 증가하고 있다. 적용범위의 급속한 확대와 대조적으로 국산 진공펌프의 개발과 공급처는 절대적으로 적은 형편으로 심각한 수출입 불균형을 이루고 있어 국내 진공펌프 개발 기술을 위한 신뢰성 확보의 요구가 현재 절실한 상황에 있다. 최근 한국표준과학연구원의 진공기술기반구축사업의 일환인 ‘진공펌프 종합특성 평가장치의 구축’ 사업이 실효를 거둠에 따라 향후 진공펌프 국산화에 견인차 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

저진공부터 극고진공까지 산업적용 다양해

진공펌프는 대기압으로부터 10^-1Pa 정도의 저ㆍ중진공 영역까지 작동하는 저진공 펌프류와 10^-1Pa 이하의 중진공 영역으로부터 초고진공 내지 극고진공 영역까지 작동하는 고진공 펌프류로 크게 구분된다. 또한 방법론적으로 크게 진공용기 내의 공기를 펌프를 통해 완전히 외부로 내보내는 펌프(gas transfer type)와 용기 내의 공기를 펌프 내의 특정 공간이나 물질 내에 붙잡아두는 흡착방식(gas entrapment type)의 펌프로 나누기도 한다. 대체로 흡착펌프는 고진공, 초고진공, 극고진공을 만드는데 사용된다.

저진공에서는 기체가 집단적으로 움직이는 점성류 영역에 속하므로 저진공 펌프류는 기체를 대기압 이상으로 압축시킨 후 밖으로 배출시키는 방법이 주로 쓰인다. 그에 반해 기체가 분자류 영역에 속하는 고진공 펌프류는 기체분자 하나 하나에 작용해 배기하게 된다. 고진공펌프에는 반드시 적당한 용량의 저진공펌프가 뒷받침해 주어야 한다. 그 이유는 고진공펌프의 작동은 용기의 진공도가 최소한도 중진공 정도에 도달된 후에 시작해야 할 뿐 아니라 작동 중에도 펌프 배기구의 진공도가 중진공 영역이라야 하기 때문이다. 따라서 저진공펌프로 먼저 초벌배기(rough pumping)한 후 작동을 시작해야 하며 작동중에도 저진공펌프로 배기구의 압력, 즉 배압(backing pressure)을 중진공으로 유지해야 한다.


현재 산업체에서는 통상적인 터보분자펌프와 분자드래그펌프의 장점을 살린 복합분자펌프의 현저한 사용증가가 이루어지고 있으며, 이 펌프의 가장 큰 장점으로는 높은 진공도에서의 배기효과를 들 수 있다. 이러한 펌프를 사용하게 되면 여러 반도체 제조공정에서 더욱 작고 저비용의 배후펌프와 더불어 배후관 직경의 소형화를 통한 공정의 효율성을 극대화할 수 있다는 장점을 가지게 된다. 또 다른 터보펌프의 형태는 자기부상효과를 이용한 분자펌프이며, 세라믹이나 베어링을 사용하는 통상적인 터보펌프에 비해 긴 시간동안 운전을 할 수 있고 고온에서도 작동을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

진공펌프 개발의 신조류

새로운 진공펌프로 최근에 개발되고 있는 것은 터보펌프와 크라이오제닉 워터 펌프(cryogenic water pump)를 복합한 크라이오 터보펌프(cryoturbo) 혹은 "turbo chiller"를 들 수 있다. 물분자를 배기하는데 탁월한 효과를 가지고 있는 크라이오 펌프와 가벼운 분자를 배기하는데 효과적인 터보분자펌프를 동시에 장착해 빠른 배기를 요하는 로드락(loadlock), 전달용 진공용기(transfer chamber)와 같은 진공장치에 쓰이고 있다. CTI 회사의 신라인(ThinLine) 펌프의 경우 5배 정도의 배기효과와 70% 정도의 배기시간을 단축하는 것으로 보고되고 있다. 이 회사 펌프의 경우 워터펌프(water pump)와 터보펌프를 하나의 장치로 개발한 모델을 이용하고 있다.

비슷한 형태의 펌프로 APD Cryogenics에서 개발된 Aqua Trap 펌프를 들 수 있으며, 터보펌프와 동시에 사용했을 때 물분자의 배기속도를 10배 정도 증가시킬 수 있는 것으로 주목받고 있다. 이 펌프의 장점으로는 단순한 refrigerator 개념을 응용해 복잡한 cold line과 같은 부수적인 장치들을 제거하고 단순히 cold plate를 진공용기 안에 바로 설치해 배기효과를 극대화한 것이다.
반도체 전체 제조공정의 60% 정도는 각각 특별한 진공도를 응용하고 있으며 여기에는 식각(metal, oxide, polysilicon), CVD, 'ion implantation, sputtering'과 'resist etching'을 들 수 있다. 각 응용 공정은 목적에 따라 진공요구도, 배기속도, 가스 당 부분진공도, 처리해야 되는 반응물, 진공용기의 크기 등에 따라 개별적이고 특수한 환경을 요구하고 있다. 또한 가스 주입량은 ion implantation의 수 sccm으로부터 CVD와 식각장치의 수 백 slm까지 다양하며, 사용하는 펌프도 SEM이나 crystal grower와 같은 장치 등에도 널리 사용되고 있다.
반도체 산업에 쓰이는 진공펌프의 증가에 힘입어 펌프 제조회사들은 저비용, 불순물 유입의 최소화를 이룩하면서 펌프 자체의 성능향상을 위한 새로운 기술들을 계속 접목하고 있다.

경쟁력 확보 위한 ‘신뢰성 확보’ 물꼬 터

진공펌프시장에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 TFT-LCD시장의 경우 성원 에드워드, 케이텍 까사미아, 에바라 진공펌프, 한국 (주)엘오티베큠, 알카텔, 부쉬 등 90% 이상이 독일, 프랑스, 유럽 진공펌프 기업들이 점유하고 있다.
지금까지는 이들 장비를 수입해 쓰고 애프터서비스를 외국에 맡기고도 수익이 남을 수 있었다. 하지만 경쟁이 치열해지고 장비가격이 높아지면서 갈수록 경쟁력을 상실하고 있다.
이를 해결하기 위해 진공 부품·장비의 규격과 성능에 대한 데이타를 제공할 성능시험평가기술 확보가 요구돼 왔다.


이러한 필요성에 의해 과학기술부와 한국표준과학연구원은 지난 99년 10월부터 3단계로 나누어 진공 기반기술 확보를 위한 진공기술기반구축사업을 추진해 오고 있다. 4년간에 걸쳐 진행된 1단계(99.10~03.10) 수행과제 결과 기술수요가 많은 72개 항목에 대해 진공도 10^-9Pa급까지의 진공 핵심부품ㆍ재료 평가 및 진공 시스템ㆍ공정 진단에 필요한 종합 평가장치를 구축하고 평가기술을 개발을 완료했다.
1단계 과제 내 진공펌프 종합특성 평가장치의 구축은 저진공펌프, 고진공펌프, 게터펌프 성능평가장치와 내화학성 특성 및 배기가스 분석장치의 4개 분야로 구성돼 있다. 각각의 분야는 국제규격에 상응하는 총 17개의 세부 평가항목으로 구성돼 있다.
현재 저진공 펌프의 도달진공도, 배기속도, 소비전력, 소음 등에 대한 장비구축이 완료돼 대외 측정 데이터 공급이 진행되고 있다. 또한 터보펌프, 이온펌프 등에 대한 평가장치도 ISO 규격에 준해 제작돼 지원이 가능하게 됐다.

한국표준과학연구원 임종연 박사는 “연구 계획 수립 초기에는 환경조건에 따른 내구성 특성만이 계획돼 있었으나, 사용조건에 따른 내구성 평가가 필요하다는 산업체의 요구사항을 적극 반영해 펌프의 수명예측 또는 성능의 저하요인 분석을 위한 저진공펌프의 내구성평가에 관련된 소음, 진동 등을 복합한 종합적인 성능평가 방법, 데이터 획득장치의 구축 등에 대해 펌프업체 및 대량 사용 업체 등과 함께 개발중”이라고 말했다.

현재 진공기술기반구축사업은 2단계 사업이 진행되고 있으며 3단계 사업이 최종 마무리되는 2010년까지 진행될 예정이다.


자료 제공 : 임종연 박사(한국표준과학연구원 물리표준부)
정리 : 미디어 다아라 김원정 기자