진공용으로 사용 가능한 오링의 선정에서 중요한 팩터는 화학적 적합성과 사용 온도 적합성입니다. 특히 반도체 진공 공정에서는 극성의 매체 및 초고진공 환경, 씰 자체의 화학적 오염원을 배제 등의 요구 특성을 고려해야 합니다.

진공용 오링/씰에서 요구되는 특성

요구되는 진공도(vacuum level) 또는 기밀성에 대한 적합성

오링의 압축량이 증가하면 기밀성이 향상됩니다. 즉, 유동률(flow rate)이 감소합니다. 단면적(CS)의 증가는 가스의 이동거리를 증가시키고 압축률의 증가와 더불어 메탈표면의 결함과 표면가공 마크등의 이동 경로를 효과적으로 메꾸어 주므로 유동률을 감소시킬 수 있습니다. 진공 그리스는 표면장력을 증가시켜줌으로써 가스 흡수를 감소시켜줍니다. 오링의 표면에 저증기압(low vapor pressure)의 그리스를 도포할 수 있습니다. 적용 조건에 맞추어 실리콘 그리스(silicon grease), 광물유베이스 또는 과불화폴리에스테르 베이스 그리스 등 중에서 선택적으로 사용 가능합니다만 그리스의 성분이나 하이드로카본 성분이 시스템의 환경에 적합한지 체크해야 합니다. 압축율이 올라가면 그리스의 효과는 줄어들므로 그리스 도포는 압축률을 인위적으로 올려 줄 수 없는 조건에서 필요한 조치입니다. (예, 15% 수축률에서는 구리스 도포로 유동률 감소 효과가 상당하나 30%에서는 효과 미미함.) 장착 시는 표면 품질, 씰과 장착부위의 청결에 주의하고 충분한 압축이 되도록 설계해야 합니다.

가스투과성(permeability) 계산식

K; 투과성 상수
ΔP: 압력차
A: 면적
d: 두께

상온에서의 재질별 투과성 상수 값이 위 표와 같습니다. K값은 높은 온도에서 상승하고 압축률을 올리면 하감합니다. 가스 투과성을 낮추는 방법으로 이중 오링(double o rings)을 적용하고 두 개의 오링 사이에 진공(guard vacuum)을 가하여 줌으로써 가스투과성을 낮출 수도 있습니다.

기밀성 향상 대응 방안

• 압축량 증대
• 단면적 증가
• 진공 구리스 도포
• 접촉 메탈면 코팅 등 표면 조도 관리

청정성(cleanness) 및 아웃개싱(out-gassing)

아웃개싱(out-gassing) 특성은 진공에 노출 전 후의 질량 차이/질량 손실(weight loss)를 통해 알 수 있으며 위 표는 주요 재질의 질량 손실률입니다. 광학 제품 등의 오염에 민감한 공정에서는 아웃 개싱이 중요한 관리 대상입니다. 바이톤의 경우 초기 아웃개싱은 1*10-6 Torr-liter/cm2-s 입니다. 표면 오염(SMC/surface molecular contamination), 증발성유기물오염(VOC/volatile organic contamination) 등을 최소화 하기 위해 세척(cleaning) 또는 배큠베이킹(vacuum baking)처리를 할 수 있습니다. 배큠베이킹은 아웃개싱을 최소화 하므로 작동초기의 펌프다운 타임(pump-down time)을 줄여 줄 수 있습니다.

※ 표면 오염원: 이형제 또는 몰딩 후처리 잔류물 등
※ 아웃 개스: 가소제, 가류제, 물, 모노머, polymerizing agents 등의 증발로 발생하는 가스
※ 펌프다운 타임; 시스템에 방출된 아웃 개스 펌핑에 걸리는 시간

영구압축(compression set) 저항성

위 표는 온도별 각 재질의 영구압축률을 보여줍니다.

웨이트 로스

고진공에서는 고무 내 오일 등의 휘발성 성분이 추출되어 시스템 내의 표면에 얇은 막을 형성하게 됩니다. 특히 이물질에 민감한 디스플레이, 웨이퍼 등 광학, 전자기 제품에서는 웨이트로스를 최소화하는 것이 중요한 과제입니다. 퍼플러는 고진공에서 웨이트로스가 적은 고무 재질로서 우선적으로 사용되고 있으며 보다 저렴한 재질을 진공 가열(vacuum baking)하여 의도적으로 고무 내의 휘발성 물질을 사용 전에 취출합니다. 진공 가열은 오링의 수축과 저온 저항성을 약화 시킬 수 있으므로 유의하여야 합니다.

작동 온도(service temperature)

고온에서는 열팽창이 주요한 팩터의 하나입니다. 특히 진공용으로 많이 사용되는 퍼플러(perfluorocarbon)는 열팽창 계수가 높습니다. 따라서 그루브 폭 등의 치수 설계 시 열팽창을 충분히 고려해 주어야 합니다. 열팽창 상태에서 충분한 그루부 공간이 확보되지 않으면 오링의 파열이나 메탈 하드웨어의 뒤틀림 등의 변형 및 볼트 등의 패스너의 변형 파손이 일어날 수 있습니다. 예를 들어 200°C 이상의 사용 조건의 퍼플러 오링은 상온 체적률(gland fill)이 75% 이내에서 그루브 용적을 결정해 주어야 합니다.

니트릴의 경우 아웃 개싱이 많으나 상대적으로 가스 투과성이 낮습니다. 반면 실리콘은 적은 아웃 개싱 특성을 갖지만 높은 가스 투과성을 보입니다. 비용(cost) 또한 중요한 고려 요소입니다. 예를 들어 NBR 대비 FFKM은 수 백 배 이상의 비용을 요합니다. 이와 같이 각각의 요구 특성에 대한 재료에 대하여 절대적 우열을 가를 수는 없으므로 재료 별 성질이 요구 특성 별로 다른 점을 살펴 적용 환경에 적합하게 선택해야 합니다.

진공오링 장착 설계

체적률(volume ratio)

진공용 오링의 그루브의 설계 시는 일반적으로 체적률을 80-90% 수준으로 일반 밀봉 시 대비 상대적으로 높게 합니다. 이는 오링의 압축 시 그루부의 사면이 모두 오링과 접촉함으로써 밀봉효과를 최대화하고 그루부 내에 발생하는 버추얼 리크(virtual leak)를 최소화 하는 효과를 볼 수 있기 때문입니다.

압축률(compression ratio)

진공용 고무오링의 압축률은 보통 25-30% 수준을 유지합니다. 압축량의 증가는 압축압력(compression pressure)의 증가를 요하므로 상응하는 볼트 체결 강도(strength)와 더불어 플랜지 등의 강성(stiffness)을 고려해야 합니다. 압축량의 증가로 인해 씰/오링의 단면의 변형을 고려하여 그루브의 폭도 증가시켜 주어야 합니다.

버추얼리크 예방 또는 제거를 위한 그루브 설계/설치 방법 예

※ 버추얼 리크(VIRTUAL LEAK): 막힘 볼트 구멍의 미체결 부위, 오링과 그루부 간의 미채움 공간, 내부 용접 뒤 쪽의 미채움 공간 등에 잔류하는 공기, 수증기 등이 분자단위흐름(MOLECULAR FLOW)을 통해 진공 챔버 내로 채워지는 현상임. 펌프다운(PUMP DOWN) 시간 증가와 진공도 유지에 방해가 된다.

스트레인(strain)

내부 진공의 플랜지 씰링(또는 axial sealing)의 경우 장착성을 위하여 그루브의 외측경(OD)는 오링의 외경보다 약간 크게 해 주되 대개의 재질에서 내경 측은 약 5% 이내에서 스트레치(인장)되도록 해 줄 수 있습니다.

기타 그루브 설계

도브테일 그루브를 사용하는 이유는 플랜지의 장탈착 시 오링의 이탈을 방지하는 것이 주된 이유이므로 가공비 등의 상승을 고려하여 제한적으로 사용이 권장됩니다. 특히 하드웨어 편차가 크거나 큰 사용 온도 범위, 부풀음이 커지는 매체 등의 조건에서는 도브테일 그루브의 사용이 제한됩니다. 평면형상(flat type)의 가스켓은 상대적으로 넓은 접촉면적으로 인해 씰 표면의 결함을 충분히 메꾸기 위한 접촉력(contact force)을 과다하게 요하므로 피하는 것이 좋습니다.