진공

진공(眞空)은 직관적으로 아무것도 존재하지 않는 상태를 의미한다. 진공은 아무것도 없는 무(無) 와는 다르게 물질은 없지만, 공간은 있는 상태이다.

역사 속의 진공

진공의 존재성에 대한 논쟁들은 고대부터 시간이 흐르면서 계속 이루어져 왔다.

고대 그리스

그리스 철학자들은 원자설을 바탕으로 빈 공간과 진공의 존재성에 대해 많은 토론을 했다. 특히 플라톤은 진공이라는 개념을 상당히 추상적인 개념으로 보고 많은 사람들에게 알렸지만, 진공의 추상적인 개념은 실질적이지 못하다는 이유 때문에 한계를 맞게된다. 이것은 의미나 느낌으로 이해할 수가 없었고, 물리적 부피이외에는 그에 대해 더 이상의 설명을 할 수 없었다. 아리스토텔레스는 밀도가 높은 주의의 물질의 연속체들이 신속하게 초기의 희박함을 채울 것이기 때문에 자연적으로 진공이 생길 수 없다고 믿었다. 그의 저서 Physics 중 4번째 책을 보면 아리스토텔레스는 진공에 대해 여러 가지를 주장을 했다는 것을 알 수 있다. 그는 저항이 없는 매질을 통과하는 움직임은 움직임이 중간에 멈춰야 할 이유가 없기 때문에 끊임없이 계속 되어야 한다고 말했다. 루크레티우스는 기원전 1세기에 진공의 존재성에 대해 논했고, 헤론은 1세기에 직접 진공을 만들려고 노력했지만 실패했다.

10세기

중세의 중앙아시아에서, 이슬람 물리학자 알 파라비(Al-Farab)(Alpharabius, 872-950)는 진공에 관한 작은 실험을 했다. 그는 물 위에서 뜬 플런저를 관찰했는데 결론적으로, 공기의 부피는 가능한 공간을 모두 채울 수 있게 확장할 수 있다고 주장했다. 그래서 그는 완벽한 진공에 대한 개념은 모순이라고 주장했다. 그러나 Nader El-Bizri과 물리학자 이븐 알 하이탐 (Alhazen, 965-1039), 그리고 신학자 Mu'tazili는 아리스토텔레스와 알파라비의 주장에 대해 반대했고, 그들은 진공의 존재를 주장했다. 기하학을 사용해서, Ibn al-Haytham은 수학적으로 공간은 본체를 포함한 안쪽면 사이에 있는 3차원 빈 공간이라는 것을 증명했다. Ahmad Dallal에 의해, Abū Rayhān al-Bīrūnī 또한 “ 진공의 가능성을 배제하는 증거는 찾을 수 없다”(there is no observable evidence that rules out the possibility of vacuum)라고 말했다." 흡입 펌프는 나중에 15세기 유럽에서 만들어졌다.

13세기 14세기

베이컨, 블라시우스, 월터 벌리 등의 유럽 의 13, 14세기 학자들은 진공과 관련된 이슈들에 상당한 관심을 가졌다. 예를 들어, 스토아 학파를 보면, 14세기의 학자들은 아리스토텔레스 진공은 연속적이어서 생길 수가 없다는 관점을 벗어났다는 것을 알 수 있다. 이러한 진공에 대한 생각들은 후에 17세기에 진공에 대한 자연적 관심과 이론적 관심들을 분리시키는데 도움을 주었다.

서양철학의 진공

아리스토텔레스는 매질이 없으면 물체의 속도가 무한해져서 모순이 발생할 것이기 때문에 진공이 존재할 수 없다고 주장했다. 르네 데카르트 역시 진공이 존재할 수 없다고 주장했다. 보일과 홉스는 진공의 존재성에 대한 논쟁을 한참동안 벌인 적이 있다.

이론물리학의 진공

이론물리학에서 진공은 에너지가 0인 상태를 뜻한다. 에너지가 0이 아니지만 진공과 비슷한 성질을 가진 상태를 가짜 진공(false vacuum)이라 부른다.
물리학의 양자 마당 이론에서의 진공은 매질이다. 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 아주 짧은 시간 동안 에너지의 요동이 있어 입자가 쌍생성되고 쌍소멸한다. 이때 지나가는 빛은 영향을 받는다.

실험과학의 진공

실험적으로 아무런 입자도 존재하지 않는 공간을 만들 수는 없기 때문에, 대기압보다 낮은 압력을 가지는 계는 전부 진공이라고 부른다.

음극선 실험과 진공

음극선관을 처음으로 연구하기 시작한 사람은 패러데이이다. 19세기말에 높은 전압을 유리관의 각 끝에 있는 금속판에 걸게 되면 유리관 안에 방전현상이 일어나고 번쩍거리는 현상을 발견하였다. 이 사실은 당시에 엄청난 과학적 관심을 불러일으켰었다. 양극판 사이에 흐르는 방전효과라고 과학자들은 보고 그 현상을 '음극선'이라고 명명하였다. 이러한 음극선은 유리관안에 공기가 많이 들어있으면 방해를 받아 잘 흐르지 못했다. 그리하여 과학자들이 유리관 안의 공기를 진공펌프를 이용하여 빼내었고 그것이 음극선관의 시초이다. 진공기술이 좋지 않았던 초기의 음극선관은 성능이 좋지 않았다. 독일의 유리 기구 제작자이며 엔지니어였던 가이슬러가 비로소 진공 기술을 높인 음극선관을 만들어 음극선관을 만들었고 이를 가이슬러관이라고 부르게 되었다. 가이슬러관이 발명되어서 비로소 음극선의 흐름이 제대로 관찰될 수 있었다. 이후에 영국의 크룩스가 가이슬러관의 진공도보다 더 높은 진공도를 갖는 음극선관을 개발하였는데 이를 크룩스관이라고 부른다.
과학자들은 이후에 이러한 음극선관을 이용하여 음극선이 과연 전하의 흐름인가에 대한 해답을 제시할 수 있는 여러 가지 실험을 하였다. 먼저 헤르츠가 1880년대 실험을 해보았고 음극선이 전하의 흐름이 아니라고 결론지었다. 그 이유는 음극선에 전기장을 걸어주었을 때 음극선이 편향되지 않았었기 때문이었다. 하지만 이 결론 역시 음극선관의 진공도가 좋지 않았기 때문이었다. 그 이후에 톰슨은 입자의 빔이 맞다는 사실을 실험으로 보여주게 된다.
앞서 말했듯이 톰슨과 헤르츠의 실험의 차이는 바로 진공 기술의 차이였다. 사실 음극선 유리관 안에 기체가 많을수록 전기장에 효과가 줄어들었고 공기의 방해 때문에 전하의 편향효과를 관찰할 수 없었다. 하지만 톰슨은 관속에 남아있는 기체를 가능한 많이 제거하고자 장치의 열을 오랜시간동안 가하고 진공펌프를 오랫동안 가동시키는등 헤르츠가 하지 않은 방법으로 더 나은 진공을 만들어내었다. 실제로 톰슨은 헤르츠의 실험이 잘못되었음을 자신실험기구에서 헤르츠의 실험을 재연했을 때 편향효과가 일어나지 않음으로써 확인하였다.

우주 공간

우주 공간은 아주 낮은 밀도와 압력을 가지고 있으며 완전 진공에 물리적으로 가장 가깝다. 그러나 어떤 진공도 정확히 완전하지 않으며, 심지어 1세제곱미터의 공간 당 몇 개의 수소 원자들밖에 존재하지 않는 성간 공간도 완전한 진공이 아니다.
별들, 행성들, 그리고 위성들은 중력으로 그들의 대기들을 유지하며, 그렇기에 대기들은 뚜렷한 경계를 가지지 않는다. 지구의 대기압은 우주 공간과 지구 대기의 경계라고 불리는 칼만 라인이 있는 100 km 고도에서 압력이 3.2 × 10−2 Pa 정도까지 떨어진다. 이 칼만 라인을 넘어가면 동방성 기체의 압력은 태양으로부터의 복사압, 태양풍의 동력압 등에 비해 무의미해져 압력에 대한 설명이 어려워지게 된다. 이 범위의 열권은 압력, 온도와 구성에서 큰 변화도를 가지고 이것은 우주 날씨에 따라 많이 변하기도 한다. 천체물리학자들은 이런 환경들을 1세제곱센티미터를 단위로 해서 개수 밀도를 쓰기를 선호한다.
그러나 칼만 라인의 몇 백 킬로미터 위의 공간이 정의상으로 우주 공간이기는 해도 그 공간의 대기압은 위성들에 무시할 수 없을 정도의 저항력의 영향을 주기에는 충분하다. 대부분의 인공위성들은 이 저궤도라고 불리는 공간에서 작동하고 있으며 그 궤도를 유지하기 위해 매일 조금씩의 연료를 소모한다. 여기서의 저항력은 요즘 제안된 행성 간 여행을 위한 솔라 세일에 가해지는 복사압 이용에 의해 극복될 수 있을 정도로는 작다. 행성들은 그들의 대기들은 태양풍에 의해 침식되었을지도 몰라도 질량은 너무 커서 그들의 궤적에 큰 영향을 미친다.
모든 관측 가능한 우주는 많은 수의 광자들, 우주 배경 복사, 많은 중성미자들로 차 있다. 이 복사의 최근 온도는 3 K 정도이다.

진공의 생성 사용

진공은 아주 다양한 곳에 사용이 된다. 먼저 화학적 분해로부터 필라멘트를 보호하는 역할을 한다. 진공의 화학적 안정함은 전자 빔 용접, 냉 용접, 진공 포장, 그리고 원 식재료의 풍미를 보존하는 진공 프라잉 등의 기술에 사용된다. 초고진공만이 원자 수준에서의 요철이 적은 표면을 만들기에 적합하기 때문에 이러한 원자수준의 기질의 연구에 주로 쓰이게 된다. 또한 고, 초고진공은 입자빔으로 물질을 제거하는 기술에서 화학적 오염을 초래하는 공기들의 화학적 효과를 막을 수 있어 이러한 기술들에 사용된다. 이런 진공 기술은 표면 과학, 반도체의 핵심적인 세 기술인, 가스를 반응관에 흐르게 하여 박막을 형성시키는 화학 증착, 기화된 금속 증기 진공에 있는 표면에 응축시켜 박막을 형성시키는 물리 증착, 반도체 표면을 진공에 있는 가스계로 부식시켜서 가공시키는 드라이 에칭에 필수 요소이다. 진공은 끓는 점을 낮추어 물질들의 기화를 촉진시키기 때문에 다량의 수분을 함유한 재료들을 쉽게 건조시킬때 사용되는 동결건조, 순수한 물질을 얻기위한 증류, 금속공학, 그리고 배기기술에 사용되고 있다. 마지막으로 진공의 전기적 성질은 전자 현미경과 진공관 양극선관에 사용이 되고, 공기저항을 없애는 효과는 빠른 속도를 요구하는 초원심분리기등에 사용되고 있다. 다음 구체적으로 소개할 기술들은 많이 쓰이는 기술들이다.

사용-진공 기계

진공은 보통 빨아들이는 용도로 많이 쓰인다. 토머스 뉴커먼의 뉴커먼 증기 기관은 밀어내는 압력대신 빨아들이는 진공을 이용해서 피스톤을 움직이게 하였다. 또한 19세기에는 공기압력으로 추진을 받는 이섬바드 브루넬의 대기선의 실험에 사용되기도 하였다. 뿐만 아니라 공기 브레이크가 발명되기 전까지는 진공 브레이크가 영국의 기차에서 널리 쓰였다고 한다.
엔진의 연소에 의한 대기압과 엔진의 압력 차이로 생기는 매니폴드 진공은 자동차의 부품들을 작동시키는데 도움을 주기도 한다. 잘 알려진 기술에는 내연기관의 흡입관의 압력을 조절하는 진공 서보에서 생기는 부압을 브레이크에 필요한 힘으로 사용하는 것이다. 또한, 매니폴드 진공으로 와이퍼를 작동시키기도 한다.

진공 생성- 진공펌프

진공펌프는 진공을 이용하여 유체등을 끌어올리는 펌프를 의미한다. 진공을 만드는 방법에는 먼저 용기의 부피를 늘리는 방법이 있다. 그 예로 인체가 인위적으로 횡격막을 늘리게 되면 폐의 부피가 그에 따라 늘어나게 되어 공기가 인체 내로 유입되게 된다. 이러한 인체의 호흡과정도 진공펌프라고 볼 수 있다.
하지만 계속해서 용기의 부피를 늘리는 일은 쉽지 않다. 대신에 폐쇄된 용기의 공기를 계속해서 빼내게 되면 용기 안은 점점 진공이 된다. 이런 방식으로 진공을 만드는 진공펌프는 옛날에 우리나라에서 많이 쓰이던 수동펌프가 있다. 진공이 된 용기내의 작은 구멍을 통해 유체가 들어오면 작은 구멍을 막고 반대편 구멍을 열게 되면 유체가 나가는 방식이다.
방금까지 설명한 것들은 그저 진공펌프의 기본적인 원리들과 진공펌프의 일부분을 소개한 것에 지나지 않는다. 그 외에도 다양한 용적펌프를 포함한 다른 펌프들이 개발되어왔다. 실제로 운동량 전달 펌프는 용적 펌프보다 훨씬 좋은 효율을 가지게 된다.
어떠한 펌프로 만들 수 있는 최소의 압력은 그 펌프 자체의 성능뿐만 아니라 사용되는 펌프의 개수에도 의존된다. 많은 펌프들은 직렬로 연결되어 더 좋은 진공을 만들어낼 수 있다. 용기의 기하적 구조, 유입구멍의 크기와 모양, 재질 등 모든 것들이 펌프의 성능을 좌지우지한다. 이러한 것들을 통틀어 진공 기술이라고 부른다. 그리고 그저 낮은 압력을 만들어내는 것만이 진공펌프의 성능은 아니다. 낮은 압력을 만들어내는데 걸리는 시간 그리고 공기가 새는 것을 방지하는 능력 등 여러 요인이 좋은 펌프를 결정한다.
초고진공계에서는 공기가 새는 세밀한 경로나, 아웃게싱이 일어나는 원인 물질등 많은 것이 고려 되어야 한다. 백금족 원소 팔라듐과 알루미늄의 흡습성, 스테인리스 철과 티타늄의 흡착성은 분명히 초고진공계를 구성하는데에 고려가 되어야 한다. 뿐만 아니라, 기계를 구성하는데 필수적인 윤활유들도 아웃게싱을 일으킬 수 있으므로 분명히 고려되어야 한다. 큰 영향력을 행사하지는 않지만, 진공계의 용기의 벽의 투과성과 이음부분의 플랜지의 이음방향 역시 고려는 되어야 한다.
최근에 만들어진 가장 좋은 진공계가 10⁻¹³ 토르 를 형성한다고 한다. 하지만 극저온의 환경에서는 5*10⁻¹⁷ 토르 까지도 압력이 내려간다고 한다.

진공 생성의 한계 -아웃게싱

진공으로 일어나는 기화 혹은 승화를 아웃게싱이라고 한다. 모든 물질들은 모두 자신들의 고유의 증기압을 가지고 있다. 압력이 점점 낮아지다가 증기압보다 낮아지면 물질들은 기화를 시작한다. 사실 인공적인 계에서 아웃게싱 효과가 일어나는 것은 진공에 기체가 점점 들어오는 효과와 비슷하므로, 진공계에 액체나 기체가 새는 틈이 생긴 것과 동일한 상황이다. 그렇기 때문에 진공계를 구성하는 물질의 아웃게싱 효과로 인해 인공적으로 완벽한 진공을 만드는 것이 불가능해진다. 또 다른 문제는 응축현상인데, 이러한 아웃게싱 효과로 인해 기화 또는멜롱하게 저하시키는 원인이 되기도 한다. 이러한 물에 의한 아웃게싱 효과가 번번하기 때문에 고진공계는 반드시 유기물들을 최대한 제거해야 한다.
일반적으로 증기압은 온도에 비례한다. 그리하여, 초고진공계는 보통 진공상태에서 가열을 충분히 시켜서 모든 불순물들의 증기압을 높여버려서 증기로 만들어버린다음에 제거해버린다. 불순물들을 이러한 방식으로 제거하고 난다음 다시 초고진공계를 식히면, 그 계를 이용한 작업을 할때 일어나는 장애들을 최대한 줄일 수 가 있다. 뿐만 아니라 식히는 과정에서 액체질소등 아주 온도가 낮은 물질들로 식히게 되면 초고진공계의 온도가 떨어지게 되어 증기압이 상당히 낮아지게 때문에 계에서 일어나는 아웃게싱 효과를 더 줄일 수가 있다.