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진공이란?
진공이란, 압력의 정도를 나타내는 것으로, 표준대기압보다 어느 정도 낮은 압력부터를 진공이라 할 수 있습니다. 기준이 없어, 어느 정도의 압력부터가 진공의 시작이라고 단정하기가 어려우므로, 압력의 단위를 사용해 그 정도를 표현합니다.
일반적으로 압축된 공기(compressed air)의 반대 개념으로 생각하면 편하고, 원리적으로는 공기의 입자가 보통(표준대기압-해수면 기준)보다 희박하다고 생각할 수 있습니다.
진공에 대한 이해를 돕기 위해 몇 가지의 예와 원리를 소개하겠습니다.
사람의 입과 모기, 그리고 거머리의 빠는 힘을 비교하면.......
사람의 입보다는 모기가, 모기보다는 거머리가, 빠는 힘(suction), 즉 진공이 세다고 할 수 있겠습니다.
일기예보에서 저기압과 고기압이라 표현하는데, 저기압도 하나의 아주 약한 진공이라 할 수 있고, 가정에서 사용하는 진공청소기도 하나의 진공이라 할 수 있습니다.
에어컨이나 냉장고에는, 일정공간에 냉매를 주입하는데, 이러한 일정공간(얇은 파이프로 생각하면 편함)에 냉매가스를 주입하는데, 진공을 이용합니다. 이미 존재하는 공기 입자들을 압력을 가해서 밀어내기가 쉽지가 않기 때문이죠. 진공으로 공기의 입자를 뽑아 내어 희박하게하고 난 후에, 새로 주입될 입자들의 통로를 열어 주면, 잘 빨려 들어갑니다. 같은 원리로, 우리가 일상에서 사용하는 백열전구나 형광등 외의 모든 전구는 내부를 진공을 걸어 가스를 주입하여 생산됩니다.
우리가 사용하는 보온병 또한, 진공을 이용합니다.보온병은 이중벽으로 되어 있는데, 그 공간에 진공을 걸어, 열 손실을 최소화 하는데 이용합니다.
병원에서도 이물질(액체)이나 피 등을 빨아 들이는데 진공을 이용하고 있습니다.
우리가 접하는 대부분의 인쇄물 또한 진공을 이용한 자동화시스템에 의해, 이송되고 제작되고 있으며,고급 용기나 특수 용기, 내외장물 등도 진공에 의해 성형됩니다. 성형에서는, 액체 상태의 물질을 고체로 변환할 때, 액체 속의 기포를 진공을 이용해 뽑아 내어,깨끗한 표면처리와 내부의 조밀도를 높이는데 이용합니다. 이러한 응용은 전자제품, 전자부품, 반도체부품 등에도 널리 이용되고 있습니다.
어린아이들이 스트로(빨대, 대롱)를 이용해 물이나 쥬스를 마시는 것도 진공의 응용입니다. 같은 원리로, 배수 펌프장이나 우물 등에서도, 진공을 이용해 물이나 기타 액체를 빨아 올리고, 요즘은 아파트에서 중앙집중식 음식물 쓰레기 수거용 이송작업에도 진공을 이용하고 있습니다.
또한 무거운 물건도 진공을 이용하여 들어 올리거나 운반할 수 있는데, 실례로 대리석이나 다른 석재도 상처가 나지 않게 진공으로 이송 작업 등을 하고 있습니다.산에 올라가면, 물이 빨리 끓고 밥이 설익는 현상이 생기는데, 이것도 진공 상태에서 벌어지는 현상입니다. 진공 상태에서는 끓는점이 표준대기압보다 낮아지게 되는데, 산업에서는 증류(원유나 화학공정)를 하는데 진공을 이용하여, 원료를 절감을 하고 있습니다.
음식물이나 부패하기 쉬운 물질 등을 보관하는 데에도 진공보관이나 진공포장을 이용하며,우리가 흔히 마시는 커피도 동결건조라는 과정을 거쳐 생산됩니다. 동결된 상태에서 건조를 시키는 것인데, 이 때, 진공을 이용합니다. 그 외에도 렌즈나 안경테 등의 코팅에도 진공을 이용하고 있으며, 지금도 새로운 산업이나 작업에 진공을 이용한 실험들이 계속되고 있습니다.
여기서, 진공의 유래와 진공게이지, 압력의 측정에 관한 기술자료를 간략히 소개하겠습니다.
- Historical Notes
Early interest in pressure measurement was stimulated in the 17th century by engineers who were concerned about the inability of suction pumps to remove water from mines. The pumps were limited to about 30 feet. For example, the Duke of Tuscany(Italy) commissioned Galileo to investigate the problem.
압력의 측정에 관한 관심은, 17세기, 광산에서 물을 제거하지 못하는 suction pump에 관심을 둔 기술자들에 의해 시작되었다. 펌프들은 30피트 밖에 물을 퍼내지 못했다. 이태리의 Tuscany 공작은 이 문제에 대해 갈릴레오에게 조사를 위탁했고,
Galileo, among others, devised a number of experiments to investigate the properties of air. Among these experiments were pistons for measuring the "force of vacuum" and a water barometer that stood about 34 feet tall.
갈릴레오는 공기의 특성을 조사하기 위한 여러 가지 실험장치들을 고안했다. 이들 중, "진공의 힘"을 측정하는 피스톤과 물 높이가 무려 34 피트나 되는 압력계가그것이다.
After Galileo's death in 1642, the work was carried on by his associate, Evangelista Torricelli. Torricelli invented the mercury barometer (Figure 1) and he concluded that atmospheric air forced water up to a height of 33.6 feet.
1642년, 갈릴레오가 죽은 뒤, 이러한 연구는 그의 동료 토리첼리에게 이어졌고, 토리첼리는 '그림1'과 같은 수은 측정계를 발명해, 대기압력의 힘이 물을 33.6 피트까지 밀어 올린다는 결론을 내렸다.
In 1644, the French mathematician, Blaise Pascal, sent a group of mountaineers up into the Alps with a barometer and proved that air pressure decreased with altitude.The average height of the mercury column at sea level is 760mm, and this is defined as a standard atmosphere. This also is 1.01×10E5 Pascals or 1.01×10E5 dynes cmE2. The 1/760 of this value is called a Torr in honor of Torricelli.1644년, 프랑스 수학자 파스칼은 산악인들을 알프스 산맥에 보내, 이 측정계로 압력을 측정, 고도에 따라 압력이 감소한다는 것을 증명하였다. 해수면에서의 평균 수은 기둥의 높이가 760mm이며,이 값은 표준 대기압으로 정의 되었다. 또한 이 수치는 0.0000101 파스칼 혹은 제곱센티당 0.0000101 다인의 값이다. 1/760의 값은, 토리첼리를 기리기 위해 그의 이름을 따서 "Torr 토르"라는 단위로 불려지게 되었다. An extension of the mercury barometer was the mercury U-tube manometer (Figure 2). Varying atmospheric pressure causes the mercury level to rise and fall in the"Torricellian Void". Likewise, if the pressure at the other end of the tube is artificially reduced by a vacuum pump, the mercury in the tube falls drastically.
이러한 수은기압계는 수은 U튜브로 발전되었고(그림 2), 대기압이 변화함에 따라, "토리첼리진공" 속의 수은이 높아졌다 낮아지는 변화를 보이며, 똑같이 다른 쪽 끝 튜브의 압력이 인위적으로 진공펌프에 의해 낮아지면, 튜브 속 수은도 곧바로 내려간다.
With both the barometer and the manometer, it is the difference in heights of the mercury levels that indicates the pressure, that is, the force (weight of Hg) per unit area that the air pressure will support. As the pressure on the system side is reduced, the height of the columns on either side of the U-tube approaches the same, and any difference becomes very difficult to measure (Figure2).
바로미터나 마노미터에 있어서 차이점은, 압력 (즉, 공기의 압력이 지지하는, 단위 면적당 힘-수은의 무게)을 나타내는 수은의 높이의 차이 뿐이다.계(시스템) 내부의 압력이 감소하면, U 튜브의 두 수은주가 같아지게 되는데, 그 차가 측정하기 힘들 정도로 작아진다 (그림 2).
 Many schemes were tried to magnify the very small differences that occurred at very low pressure, but the only one that really extended the range of the manometer was invented by H. McLeod in 1872. This gauge is an application of Boyle's Law and is still in use today as a standard for calibrating secondary gauges (Figure 3).
압력이 낮을 때의 아주 작은, 이 수은주의 차이를 확대해서 볼 수 있는, 수 많은 고안이 있었지만,결과적으로 이러한 마노미터는 1872년 맥레오드에 의해 발명된다.이 게이지는 보일의 법칙을 응용한 것으로,
오늘날까지, 후속적으로 발명된 게이지들을 보정할 때, 그 기준으로 사용하고 있다 (그림 3).
V1 = Total volume, capillary plus bulb(cm³)
P1 = Pressure in system
b = Volume of capillary (in cubic cm)
mm length
h = Difference in height of mercury columns
V2 = bh(cm³) volume in capillary
P2 = Pressure in capillary = P1+h
- Applications
The vacuum gauges in use today mainly fall into three categories : mechanical, manometric,and electronic. Which gauge is used in a particular application generally depends on the pressure range it is intended to measure. Figure 4 shows useful pressure ranges of sometypical gauges.
오늘날, 진공게이지는 그 사용에 따라 기계적, 압력적, 그리고 전자적인 세 가지 분류로 나뉘어지며, 어떤 사용처에 어떠한 종류의 게이지를 사용하느냐는, 일반적으로 그 게이지로측정하려는 압력의 범위에 따라 결정한다.그림 4는 이런 대표적인 게이지들의 사용/측정 압력 범위를 나타낸 것이다.
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