진공의 힘

진공 기술은 동결 건조와 중축합 그리고 증류 등 거의 모든 산업에서 필수적인 도우미 역할을 한다. 하지만 진공 펌프가 모두 같은 것은 아니다. 무엇이 업계를 이끄는지, 진공 기술을 사용할 때 고려해야 할 점은 무엇인지 그리고 어떤 솔루션이 있는지 알아보자!

도미니크 슈테판(Dominik Stephan): Process 편집자

적을수록 좋다. 많은 공정이 엄청난 압력 하에서 처리되는 반면, 음압은 미세 진공 증류에서 동결 건조에 이르는 공정을 가능하게 한다. 끓는 점을 낮추기 위해 진공 기술을 사용하든, 진공 상태에서 단량체의 중축합이 원하지 않는 부산물의 반응을 방지하든 ‘아무것도 없는(nothing) 것이 이를 가능하게 한다.’

물론 기술적으로 이것은 아무것도 없는 것이 아니다. 절대 진공, 즉 물질의 완전한 부재는 기술적으로 달성할 수 없다. 우주의 무한한 공간조차도 실제로 ‘비어있는’ 것이 아니라 매우 미세한 가스와 우주 먼지 그리고 기본 입자들이 존재한다. 지구상에서 진공은 거의 모든 산업에서 없어서는 안 될 중요한 것이다. 모든 사람들이 즉석커피에서 코로나 백신에 이르기까지 진공 공정을 통해 제조된 제품과 관련이 있다.

현재 진공 기술의 가장 큰 시장은 반도체 산업 분야이다. VDMA 수치에 따르면 진공 시장의 약 45%가 반도체 공정에서 발생한다. 일반 산업과 프로세스 엔지니어링 역시 각각 17%와 7%로 상위 3위 안에 들어간다. 그 시작은 원료 산업이다. 원유가 증류될 때 비등 물질 혼합물(소위 ‘섬프’)이 컬럼에 남는다. 온도를 높이면 오일 성분이 열분해(균열) 되지만 특정 진공 상태의 진공 증류에서 끓는점이 충분히 내려가고, 그로 인해 섬프가 녹아 구성 성분에서 분리될 수 있다. 컴팩트한 디자인에 15m 직경인 진공 증류 컬럼은 정유 공장에서 흔히 볼 수 있다. 대형 공장은 약 10-2mbar의 음압으로 하루에 최대 160,000배럴을 처리할 수 있다.

하지만 훨씬 낮을 수도 있다. 진공 증류는 제품을 손상시키지 않고 카나비스 오일 제조 과정에서 용매로 사용하는 에탄올을 분리하는 데 이용하는 등, 진공은 훨씬 많은 일을 할 수 있다. 일부 제조업체는 건조된 식물 성분을 생산에 사용할 수 있도록 동결 건조를 사용한다. 또한 민감한 제품도 부드럽게 건조하기 위해 얼음을 수증기로 승화하는 데에도 진공을 이용한다.

아무것도 없는 것이 이를 가능하게 한다. 그렇다면 이 아무것도 없는 것은 어떻게 만들 수 있을까? 이를 위해서는 진공 펌프가 반드시 필요하다. 이러한 장치는 예를 들어, 다이어프램 펌프, 왕복 피스톤 펌프, 로터리 베인 펌프 또는 루츠 펌프와 같이 매우 다양한 방식으로 설계할 수 있다. 하지만 스크류 진공 펌프와 분자 펌프 그리고 ‘가스 결합’ 장치도 자주 볼 수 있다.

진공에서?

업계에서 대부분의 진공 펌프는 체적 또는 용적식 원리에 따라 작동하고, 효율성은 펌프의 견고성에 결정적으로 좌우된다. 적절한 기술을 선택할 때, 양정 능력(장치의 성능과 응답 시간, 초당 리터)와 생성 가능한 진공량(토출 압력 또는 용기에 남아 있는 잔류 압력)이 결정적인 역할을 한다.

하지만 유감스럽게도 진공 펌프라도 생각할 수 있는 모든 응용 분야에 완벽한 장치나 시스템은 없다. 특히 완전히 새로운 제품이나 공정에서 문제가 되는 측면인 전달 매체와 그 속성만큼이나 공정과 생성된 가스의 양 그리고 작동 압력을 고려해야 한다. 특히, 화학 산업의 대규모 플랜트에서 진공 시스템은 진공 펌프로만 구성되는 것이 아니라, 가스 분석 시스템과 누출 감지기도 중요하다.

윤활된 것처럼 작동한다

음압의 정도만 문제가 되는 것이 아니라, 거친 진공(최대 1hPa), 미세 진공(최대 10~3hPa), 고진공(최대 10~8hPa) 또는 초고진공(최대 10 ~ 11hPa)으로 구분되며, 진공 펌프의 처리량도 결정적이다. 펌프 오일 윤활이 가능한지는 적합한 기술을 선택할 때 중요한 역할을 한다. 오일 윤활식 진공 펌프(팔레트 진공 펌프)는 고효율과 더 높은 내구성이 결합된다. 하지만 정기적인 유지 관리가 필요하며 식품 산업과 같이 오일이 제품을 오염시킬 수 있는 응용 분야에는 사용할 수 없다.

물론 진공 펌프도 ‘진공’에서 작동하는 것이 아니다. 네트워킹과 디지털화는 인더스트리 4.0 시대 진공 기술에도 필수이다. 따라서 VDMA 압축기, 압축 공기 및 진공 기술 협회는 펌프 및 시스템 협회와 협력하여 OPC 재단에서 최근에 발표한 OPC UA 동반 사양(OPC 40223 ‘펌프 및 진공 펌프’)을 개발했다.