진공 배기를 위한 게터(Getter) 물질에 대해서

게터(Getter)란 화학적으로 활성화된 금속막에 의하여 기체가 흡착되는 작용을 이용하여 진공배기를 할 수 있는 물질을 말한다. 게터는 그 특성에 따라 증발형게터(Evaporable Getter)와 비증발형게터(NonEvaporable Getter)로 두 종류로 나뉜다./ 증발형 게터는 고온의 활성화 공정(Activation process)을 통하여 게터 물질을 증발시켜서 불순기체를 제거하기 때문에 녹는점이 낮고, 쉽게 증발이 이루어지는 물질로 이루어져 있으며, 음극선관(Cathode Ray Tube)의 진공유지에 가장 많이 이용되고 있다. 비증발형 게터는 증발형 게터가 사용되기 어려운 경우, 즉 증발된 게터로 인해 소자가 오염되는 경우나 활성화 공정 온도가 너무 높은 경우에 사용된다. 비증발형 게터는 증발형 게터와 같이 게터 자체를 증발시킬 필요가 없고, 특히 활성화 공정의 용이성 때문에 램프, 보온병, 진공챔버 등 응용범위가 넓어지고 있다. / 게터의 활성화 온도는 장착되는 부품의 제조공정 온도를 결정하는 매우 중요한 인자이다. 게터 장착 후 활성화온도가 높게 되면 주변 장치를 변형 또는 파괴시켜 장치 자체의 특성을 열화 시키는 등의 큰 문제점을 갖게 된다. 이러한 문제점 때문에 게터는 가스의 흡수특성 외에도 활성화 온도를 낮게 할 필요가 있다. / 박막형 게터의 경우 활성화온도가 200℃ 이하에서도 가능하다는 연구 결과가 있다. 그러나 박막의 표면상태는 벌크의 경우와는 다소 다르며 에너지적으로 활성화가 되어 박막의 경우와 벌크의 경우 특성이 동일하지 않은 경우가 있다.

게터는 원하지 않는 오염 물질을 제거하여 진공의 효율성을 향상시키기 위해 의도적으로 진공 시스템 내부에 배치된 반응성 물질입니다. 기본적으로 가스 분자가 게터 재료에 부딪힐 때 화학적으로 또는 흡착에 의해 결합하여 환경에서 제거됩니다. 즉, 게터는 대피된 공간에서 원치 않는 가스의 미량이라도 제거합니다.

게터 재료는 벌크 게터, 코팅 게터 및 플래시 게터의 세 가지 광범위한 범주로 나뉩니다. 게터의 예는 단순한 포일, 랩 및 스탬프 형태에서 작업 내부 및 주변에 배치되는 기계 선반에 이르기까지 다양합니다. 게터는 코팅 형태로 표면에 적용하거나 펠릿 형태로 가스 스트림에 배치할 수도 있습니다. 흑연이든 금속이든(예: 몰리브덴 및/또는 스테인리스강 실드) 대부분의 진공 용광로의 고온 영역은 게터 역할을 합니다. 게터는 티타늄 또는 탄탈륨과 같은 반응성 금속을 처리할 때와 진공관, 음극선관 등과 같은 밀봉된 시스템에서 특히 중요합니다. getter의 정교함은 당면한 작업과 직접적인 관련이 있습니다.

 

게터 속성

getter 재료의 동작은 다음에 따라 달라집니다.

• 흡착(즉, 표면에 기체 분자 축적);
• 흡수(즉, 고체에서 기체 분자의 확산);
• 화학적 결합(즉, 표면 원자와의 반응).

게터 재료는 존재하는 가스 종과 반응하여 화학 반응을 생성하도록 설계되었습니다. 진공 시스템에 존재하는 일반적인 가스는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO 2 ), 질소(N 2 ), 수소(H 2 ) 및 수증기(H 2 O)입니다. 대부분의 금속 표면에는 보호 산화물이 있으며 진공 및 고온에서 이것이 효과를 발휘하려면 먼저 용해되어 게터 재료로 확산되어야 합니다. 따라서 게터 재료는 오염 가스가 일단 흡수되면 확산될 수 있어야 합니다.

게터는 표면에 가스를 결합합니다. 따라서 표면적이 크거나 다공성 물질이 많을수록 성능이 향상됩니다. 어떤 경우에는 흡수된 가스 종을 결합 해제하기 위해 베이크아웃 프로세스(일반적으로 진공에서 수행됨)를 사용하는 경우 게터를 재사용할 수 있습니다. 특정 유형의 표면(예: 질화물)은 표면을 유용한 상태로 되돌리기 위해 가스 추출보다 확산이 필요합니다.

게터 재료

대부분의 열처리 응용 분야에서 스테인리스강 및 주기율표 IV족 금속(티타늄, 지르코늄, 하프늄)은 게터 재료로 특히 적합합니다. 보다 정교한 적용을 위해 탄탈륨, 니오븀, 토륨 및 기타 많은 재료가 성공적으로 사용되었습니다.
게터가 흡수할 수 있는 가스의 양을 종종 "게터 용량"이라고 합니다(표 1). 보다 과학적인 용어로, 그것은 물질 내부에 결합된 오염 종의 원자 또는 분자의 수입니다.

예를 들어, 표 1의 수소에 대한 티타늄의 게터 용량은 27 Pa–l/mg입니다. 티타늄의 몰 질량은 48g/mol이므로 티타늄 1mg에는 1.25 x 10 19 티타늄 원자가 포함되어 있습니다. 이상 기체 법칙(PV = NkT)은 모든 양의 기체 상태가 압력, 부피 및 온도에 의해 결정된다는 것을 알려줍니다. 결과적으로 27 Pa-l은 6.7 x 10 18 입자(즉, 6.7 x 10 18 수소 분자 또는 1.34 x 10 19 수소 원자)를 포함합니다. 이들은 1.25 x 10 19 티타늄 원자에 분포되어 게터의 각 티타늄 원자가 (대략) 하나의 수소 원자에 해당합니다.

화학 반응(단순화된 형태)은 다음과 같습니다(여기서 GM은 게터 재료를 나타냄).

(1) 2GM + O 2      → 2GMO
(2) 2GM + N 2      → 2GMN
(3) 2GM + CO → GMC + GMO
(4) 2GM + CO 2    → CO + 2GMO → GMC + GMO
(5) GM + H 2 O → H + GMO → GMO + H(벌크)
(6) GM + H 2      → GMH + H(벌크)
(7) GM + C x H y   → GMC + H(벌크)
(8) GM + 불활성 가스( He, Ne, Ar, Kr, Xe) → 반응 없음

게터 재료의 대부분에서 표면 결합 가스 원자의 확산 속도가 온도에 따라 증가하기 때문에 게터 용량은 온도의 영향을 받습니다. 이는 게터 표면을 지속적으로 활성 상태로 유지하는 데 도움이 되며 화학 반응으로 인해 표면에만 결합하는 가스에 대한 게터 용량이 증가합니다. 흡착은 또한 더 오랜 기간 동안 계속됩니다(포화될 때까지).

티타늄은 진공 상태에서 티타늄 부품을 실행할 때 효과적인 게터 재료로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 650°C – 760°C(1200°F – 1400°F) 범위의 온도에서 어닐링하는 동안 부품 표면을 깨끗하게 유지하기 위해(즉, 산화 및 변색 방지), 티타늄 스크랩(종종 깨끗한 형태의 , 건식 기계 회전)은 일반적으로 부하에 포함됩니다.

비증발 게터

비증발성 게터는 주로 극도로 높은 진공 조건(10 -10 mbar(10 -9 torr) 이하) 을 달성하는 데 도움이 되는 고유한 표면 특성으로 인해 많은 초고진공 환경에서 없어서는 안될 부분이 되었습니다 . IV족 및 V족(바나듐, 니오븀, 탄탈륨) 원소의 이원, 삼원 및 다성분 합금이 가장 자주 사용됩니다. 이들은 일반적으로 지르코늄 기반의 특수 합금 필름으로 구성됩니다. 요구 사항은 합금 재료가 가열되면 사라지는 실온에서 패시베이션 층을 형성해야 한다는 것입니다. 이러한 합금의 대부분은 이름 뒤에 숫자가 오는 St(Stabil) 형식의 이름을 가집니다.

• St 707 – 70% 지르코늄, 24.6% 바나듐 균형 철 합금;
• St 787 – 80.8% 지르코늄, 14.2% 코발트 균형 미시메탈 합금;
• St 101 – 84% 지르코늄 및 16% 알루미늄

전자 제품에 사용되는 튜브에서 게터 재료는 정상 작동 시 가열되는 튜브 내의 플레이트를 코팅합니다. 게터가 반도체 제조와 같이 보다 일반적인 진공 시스템 내에서 사용될 때 진공 챔버에 별도의 장비로 도입되어 필요할 때 켜집니다.

마지막 생각들

열처리 장치의 경우 게터는 부품을 "밝고 깨끗하게" 유지하는 데 도움이 되는 최후의 수단으로 간주되는 경우가 많습니다. 사실, 그들은 많은 고도로 정교한 제품과 재료의 성공적인 진공 처리에 중요한 역할을 합니다. 결과적으로 우리는 그들의 역할을 더 잘 이해해야 합니다.