진공의 기초 3. 기체의 성질과 법칙 그리고 압력

우선 압력에 대해 조금 더 이야기해보자면 압력은 0이 될 수 없다. 다만 0에 가까워질뿐, 우리는 각각의 사용에 의해서 압력을 제거한다. 그리고 우리가 공부하는 반도체에서는 더 청정하고 클린한 환경을 만들고 원하는 가스가 이온화되어 증착이나 반응을 일으키도록 고진공부터 초고진공까지 유지한다.

 

일반적으로 진공에서 압력의 범위는 3가지로 나누는데

 

러프진공 759~1X10-3 torr

고진공 1X10-3 torr~1X10-8 torr

초고진공1X10-8 torr~

 

로 분류된다. 정확하지는 않지만 현재는 최대 1X10-12 torr까지 진공을 만드는게 한계로 알고있다. 이러한 진공시스템을 만들때는 반드시 진공용기를 단단하게 만들어야하는데 내부의 압력이 줄어듬에 따라 바깥에서 누르는 대기압이 진공용기를 파괴할 수 있기 때문에 무른 재질의 소재는 사용하지 말아야한다.

 

그렇다면 이제 기체로 넘어가보자

 

모든물질이 그렇듯 기체도 화학적 원소부터 시작한다. 모든 원소들은 주기율표에 제시되어있고 지구를 구성하는 물질이며 이 원소들중에서도 의미있게 받아들일 수 있는 부분은 원자부터이다. 원자는 핵이라는 중심부에 붙어있는 중성자와 양자를 가지고 있다. 양자는 말 그대로 양의 전하를 가지고 있으며, 중성자는 중성을 보인다. 이 핵은 많은 전자들에 의해 둘러싸여 있으며 전자는 음의 전하를 가지고 있어 양자와 전기적으로 균형을 이루기 때문에 원자는 전기적으로 중성을 띄고 있다.

 

일반적으로 다른 원소라고 하면 핵의 양자와 중성자의 개수가 다름을 의미한다. 이것은 곧 양자와 중성자의 무게에 따라 질량이 달라짐으로 이어지고 모든 원소는 이에따라 각각 고유의 무게를 가진다.

 

이러한 원자가 모여 분자를 이루고 그 분자는 모두 개별적인 특징을 가진다. 이게 우리가 사는 우주에서 각각 다른물질들이 존재 할 수 있는 이유이다. 보통은 이러한 원자가 모인 분자를 단위 원자량(amu:atomic mass units)라고 부른다. 간단하게 수소의 원자무게는 1amu이고 수소분자는 수소 원자 2개로 이루어져있어 2amu가 된다. 더 나아가 물 분자라고하면 H2O(O=16amu)로 총 18amu가 된다. 단순히 각각을 더하면 된다.

 

이제 기체가 무엇으로 이루어졌고 어떠한 원자량을 가지는지 알았으니 이러한 기체가 가지는 법칙들을 알아보자

 

우선 1)아보가드로의 법칙(Avogadro's law)

 

동일한 압력과 온도 조건에서 동일한 부피의 기체는 동일한 분자수(아보가드로수)를 가진다. 이것은 mole이라고 한다.

표준조건(1기압,0도씨)에서 어떤 기체던지 1mole은 6.023X10-23개의 입자를 가지고 있으며 부피는 22.4L이다. 또한 동시에 분자량은 1이다.

 

2) 보일의 법칙

 

보일의 법칙은 기체의 질량과 온도가 일정할 때, V1P1=V2P2(1은 처음상태, 2는 나중상태를 의미)라는 등식이 성립함을 말한다. 예를들어서 처음 상태의 부피에 부피를 절반으로 줄이려면 압력을 두배로 높여야한다. 반대로 처음 상태의 압력에 부피를 두배 크게 하려면 압력을 반으로 낮추면 되고 압력을 낮추는것은 우리가 위에서 배웠듯이 진공을 만드는 것이다. 그렇다면 우리가 진공으로 갈수록 기체의 부피는 점차 확산됨을 알 수 있다(분자들끼리 거리가 멀어짐) 

 

3)샤를의 법칙

 

온도가 변화할때의 기체 변화를 나타낸 법칙이다. 기체는 차가울때는 작게 뜨거울때는 부피가 커진다. 식은 다음과같다.

 

V1/T1=V2/T2

 

4)게이-루삭의 법칙

위의 샤를의 법칙을 뜯어보면 재미있는점을 찾을 수 있는데 그것은 온도가 1도 변화할때마다 기체의 부피는 1/273씩 변화한다는것이다(273은 절대온도 K를 의미 즉 0도씨). 식으로 나타내면

 

V=V0(1+0도씨에서 변화한 온도/273)이다.

 

5)여기서 나아가 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 혼합하면 다음과 같은 일반기체의 법칙을 알 수 있다.

 

P1V1/T1=P2V2/T2가 된다. 

 

오늘은 여기까지 공부해보고 다음시간에는 컨덕턴스의 계산에대해 조금 더 공부해보겠습니다. 질문있으시면 댓글 남겨주세요~