2026년 9월 30일 · 용티IYPT 1988 · 문제 6 · 열·상전이

퍼 담는 순간 사라지는 상품 — 우주 진공 장수

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 1988 문제 6 ‘Seller of vacuum’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 1988 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「기체의 성질」(압력과 부피 — 보일 법칙)·「물질의 상태 변화」(증발과 응결) / 고등학교 통합과학2 「과학과 미래 사회」(과학기술과 윤리) / 진로선택 「물질과 에너지」(기체 분자 운동론·이상 기체) · 과학탐구실험1(측정과 오차) — 아웃개싱과 초고진공 기술은 교육과정 밖 심화 (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

진공, 압력, 파스칼(Pa), 토르(Torr), 기체 분자 운동론, 수 밀도, 러프 진공·고진공·초고진공(UHV), 진공 펌프, 기체 부하, 도달 압력, 아웃개싱(탈기체), 흡착·탈착, 확산, 실제 누설·가상 누설, 압력 상승률 시험, 베이킹, 페르미 추정

원리 살펴보기

진공을 우주에서 퍼 온다는 이 사업은 어디서부터 어긋난 걸까? 진공은 소금이나 석유 같은 물질이 아니라 물질이 없는 상태다. 광부가 광석을 캐듯 퍼 담아 올 실체가 애초에 없고, 우주까지 갈 이유도 없다 — 지구에서 통을 밀봉하고 펌프로 기체를 뽑아내면 빠져나간 그 자리가 곧 진공이다. 더 딱한 것은 우주 진공이 그리 대단하지도 않다는 점이다. 국제우주정거장이 도는 고도 400 km 언저리의 압력은 약 10⁻⁸ Torr(10⁻⁶ Pa)로 1 cm³에 분자가 1억 개쯤 남아 있는데, 지상의 초고진공 장치는 그 문턱만 잡아도 1 cm³당 1천만 개 아래로 내려간다(더 좋은 장치는 여기서 몇 자릿수를 더 내려간다). 잘 만든 실험실 진공이 저궤도보다 오히려 열 배쯤 더 비어 있는 셈이다.

결정타는 뚜껑을 닫는 순간 터진다. 어떤 고체든 표면에는 공기 중에서 달라붙은 물 분자가 겹겹이 앉아 있고 금속 속에는 수소가 녹아 있어서, 진공에 놓이면 벽이 스스로 기체를 토해 낸다 — 아웃개싱(탈기체)이다. 가속기용 스테인리스강의 실측 아웃개싱률로 어림해 보면, 한 변 10 cm짜리 통을 우주에서 닫아 지구로 부치는 경우 저궤도만 한 진공은 0.1초도 버티지 못하고 벽이 내뿜은 기체로 메워진다. 굽고 말려 아웃개싱을 백 배 줄여도 겨우 몇 초를 벌 뿐이다. 지상 장치가 낮은 압력을 지키는 비결은 벽이 얌전해서가 아니라 펌프가 그 기체를 쉬지 않고 퍼내기 때문이다 — 진공은 담아 두는 물건이 아니라 끊임없이 유지해야 하는 상태다. 설령 담아 오는 데 성공한들 1 kg을 저궤도에 올리는 값만 쳐도 수천 달러이고 지구로 내려받는 값은 그보다 훨씬 비싼데, 같은 돈이면 실험실은 펌프를 사서 두고두고 쓴다.

그래서 진공은 파는 것이 아니라 만드는 것이고, 그 기술은 곳곳에서 돌아간다. 반도체 공정은 초고진공에서 박막을 쌓고 깎는데 챔버 벽의 아웃개싱을 다스리는 일이 곧 수율로 이어지며, 입자 가속기는 빔이 잔류 기체와 부딪히지 않도록 수 km 배관을 초고진공으로 유지한다. 우주 모사 시험은 위성을 지상의 열진공 챔버에 넣어 발사 전에 우주를 미리 겪게 하고, 진공 단열은 보온병과 진공 단열재처럼 기체를 없애 열이 건너갈 다리를 끊는다. 우주 진공을 정말 써먹은 사례가 없지는 않다 — NASA는 왕복선에서 떼어 내 자유비행시킨 원반(웨이크 실드)이 잔류 기체보다 서너 배 빠르게 달리며 제 뒤에 만든 후류의 초진공에서 반도체 박막을 길렀는데, 진공을 가져온 것이 아니라 그 자리에서 만들어 썼다. 그마저도 예측만큼 좋은 진공이 나오지 않았고, 그 원인이 바로 원반 자신이 내뿜은 기체였다.

실험 설계

준비물

진공 펌프(러프 펌프로 충분), 진공용 챔버 또는 진공용으로 설계된 두꺼운 유리 종·데시케이터, 절대 압력계(피라니 게이지 등), 차단 밸브와 벤트 밸브, 진공 호스, O링과 진공용 그리스, 초시계, 보안경. 아웃개싱원으로 쓸 시료 — 젖은 종이, 고무마개, 플라스틱 조각, 마시멜로.

변인

독립변인은 챔버 안에 넣는 아웃개싱원의 종류와 양(젖은 종이의 표면적 등)이며, 여기에 일부러 만든 작은 실제 누설을 별도 조건으로 둔다. 종속변인은 펌프를 차단한 뒤 시간에 따른 챔버의 절대 압력, 특히 압력–시간 곡선의 모양과 초기 기울기이다. 통제변인은 챔버의 부피, 차단 직전의 기준 압력, 펌프를 돌린 배기 시간, 실온, O링과 밸브의 상태다.

실험 순서

  1. 챔버를 비운 채 배기해 더 내려가지 않는 기준 압력에 이르면, 그 값과 걸린 배기 시간을 적는다.

  2. 차단 밸브를 닫아 펌프를 떼어 내는 동시에 초시계를 눌러, 5~10초 간격으로 2~3분 동안 압력을 읽어 적는다(압력 상승률 시험).

  3. 벤트 밸브로 천천히 대기를 들여 챔버를 연 뒤 젖은 종이를 넣고, 같은 배기 시간을 지켜 ①②를 반복한다 — 아웃개싱원을 일부러 더한 조건이다.

  4. 젖은 종이를 빼고, 이번엔 O링 사이에 실이나 머리카락 한 올을 끼워 아주 작은 실제 누설을 만든 뒤 ①②를 반복한다.

  5. 세 조건의 압력–시간 곡선을 겹쳐 그려, 직선으로 오르는지 갈수록 완만해지는지로 누설과 아웃개싱을 가른다.

안전 안내

⚠ 안전

진공 용기는 대기압에 눌려 안으로 부서지는 내파(implosion) 위험이 있다. 금이 가거나 흠집 난 유리 종·데시케이터는 절대 쓰지 말고 진공용으로 설계된 용기만 쓰며, 유리 용기는 보호망이나 아크릴 가림막으로 감싸고 실험 내내 보안경을 쓴다. 오일 회전 펌프는 기름 안개가 나올 수 있으니 배기구를 막지 말고 환기가 되는 곳에서 쓴다. 진공 상태의 챔버를 억지로 열지 말고 반드시 벤트 밸브로 천천히 대기를 들인 뒤 연다. 펌프의 뜨거운 표면과 회전부에는 손대지 않는다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

펌프를 떼어 낸 챔버의 압력은 시간이 갈수록 어떻게 오를까? 젖은 종이를 넣은 조건과 일부러 작은 구멍을 낸 조건은 그래프의 모양이 서로 어떻게 달라질까?

자료 정리

가로축을 시간, 세로축을 절대 압력으로 하여 세 곡선을 한 그래프에 겹쳐 그리고 이름을 붙인다. 각 곡선의 초기 기울기 Δp/Δt를 읽어 조건끼리 견주고, 심화 과정에서는 기울기에 챔버 부피를 곱해 기체 부하 Q = V·(dp/dt)를 구한 뒤 시료의 표면적으로 나누어 단위 면적당 아웃개싱률과 견준다. (수치는 실제 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

빈 챔버도 압력이 조금씩 오르고, 젖은 종이를 넣으면 훨씬 가파르게 오르되 시간이 갈수록 기울기가 누그러질 것으로 예상된다. 반면 실제 누설을 낸 조건은 거의 일정한 직선에 가깝게 오를 것으로 보인다. 곡선의 모양이 원인을 일러 준다는 것이 이 실험의 핵심이다. 바깥에서 새어 들어오는 기체는 압력 차가 유지되는 한 일정한 속도로 밀려들어 직선을 그리지만, 벽과 시료에서 나오는 기체는 내놓을 밑천이 줄어들수록 느려져 곡선이 휜다. 다만 실제 장치에서는 두 원인이 섞여 곡선이 어중간할 수 있다 — 이 실험이 판별할 수 있는 것은 원인을 알고 만든 세 조건을 나란히 견주기 때문이다. 그리고 학생이 여기서 두 눈으로 확인하는 사실이 곧 별 항해자의 사업을 무너뜨린다 — 아무리 잘 봉해도 펌프를 떼는 순간 통 안의 압력은 오르기 시작한다. 그가 지구에 닿아 뚜껑을 열었을 때 팔 수 있는 것은 우주의 진공이 아니라, 오는 동안 제 통이 뿜어낸 기체다.

더 탐구하기

  1. 배기 시간을 10분·1시간·하룻밤으로 늘려 가며 기준 압력과 압력 상승률이 나아지는지 재어, ‘얼마나 오래 펌프를 돌려야 하는가’에 답해 보자.

  2. 같은 젖은 종이라도 접어 넣을 때와 펼쳐 넣을 때를 견줘, 아웃개싱이 시료의 표면적에 비례하는지 확인해 보자.

  3. 헤어드라이어로 챔버 바깥을 안전 범위에서 데우며 배기한 뒤 식혀, 산업의 베이킹을 흉내 냈을 때 도달 압력이 낮아지는지 보자.

  4. 마시멜로나 풍선을 챔버에 넣어 부푸는 모습을 촬영하고, 부피 변화에 보일 법칙을 써서 챔버 압력을 거꾸로 추정한 뒤 압력계 값과 견줘 보자.

연결 주제

IYPT 2000 문제 5 ‘유리벽의 탄산 기포’와 물리의 얼개가 같다 — 탄산음료 속 이산화탄소가 유리벽에서 기포로 자라 나오는 일과, 금속 벽에 녹아 있던 수소가 확산되어 진공으로 새어 나오는 아웃개싱은 용해·확산·탈출이라는 같은 뼈대를 공유한다. 포화 증기압을 다루는 IYPT 1995 문제 2 ‘끓는 물과 뚜껑’도 가깝다 — 굽지 않은 금속 벽의 아웃개싱을 지배하는 기체가 표면에 붙어 있던 물이기 때문이다.

참고문헌

[학생] D. M. Hata, E. V. Brewer, N. J. Louwagie, Introduction to Vacuum Technology Lab Manual (Milne Open Textbooks, SUNY Geneseo; ISBN 978-1-942341-97-0, CC BY-NC-SA 4.0) — 무료로 공개된 교재. ‘Learning Activities 9.1–9.2: Pressure Rate-of-Rise Curves’에 이 원고의 실험 절차(기준 압력까지 배기 → 밸브 차단 → 5~10초 간격으로 2~3분 기록)와 판정 기준(실제 누설은 직선, 아웃개싱은 갈수록 완만해지는 곡선)이 실려 있다. 같은 책 ‘Learning Activity 1.1’의 마시멜로 활동은 펌프가 단출할 때의 대안이다. / 영상 검색어 “rate of rise test vacuum”, “marshmallow vacuum chamber”, “Wake Shield Facility” / [심화] E. Al-Dmour, “Fundamentals of Vacuum Physics and Technology,” CAS–CERN Accelerator School: Vacuum for Particle Accelerators, Glumslöv, Sweden, 2017 (arXiv:2006.01464) — 진공 등급 구분(미국진공학회 1980년 분류: 초고진공 10⁻¹²~10⁻⁹ mbar)과 압력별 기체 수 밀도 표(10⁻⁹ mbar에서 1 cm³당 약 10⁷개)의 출처. ·P. Chiggiato, “Outgassing properties of vacuum materials for particle accelerators,” 같은 CAS–CERN 학교, 2017 (arXiv:2006.07124) — 이 원고가 쓴 아웃개싱률의 출처(Table 3: 굽지 않은 오스테나이트계 스테인리스강의 H₂O 방출률이 10시간 배기 후 3×10⁻¹⁰ mbar·ℓ·s⁻¹·cm⁻², 100시간 배기 후 3×10⁻¹¹, 150 °C에서 24시간 구운 뒤로는 H₂가 3×10⁻¹²). · J. A. Strozier, M. Sterling, J. A. Schultz, A. Ignatiev, “Wake vacuum measurement and analysis for the wake shield facility free flying platform,” Vacuum 64(2), 119–144, 2001 (DOI 10.1016/S0042-207X(01)00383-9) — 저궤도 주변 압력 약 10⁻⁸ Torr와 후류 쪽 실측 약 10⁻¹⁰ Torr의 출처이자, NASA 웨이크 실드 시설(우주왕복선 STS-60·69·80)의 근거. ※ 본문의 ‘0.1초’는 위 Table 3의 아웃개싱률에 한 변 10 cm 통의 표면적 600 cm²와 부피 1 ℓ를 넣어 dp/dt = qA/V로 얻은 어림이다. 다만 이 문헌 값들은 펌프로 계속 배기하는 조건에서 잰 것이라, 밀폐한 통 안에서는 나온 기체가 벽에 다시 달라붙는 재흡착과 평형이 작동한다 — 초기 상승의 어림으로는 쓸 만하지만 시간이 길어질수록 과대평가가 된다. 밀폐 용기의 최종 도달 압력을 문헌 값만으로 예측하는 일은 이 탐구의 개방 지점이다. 또 학교의 러프 진공 장치가 닿는 압력대에서는 아웃개싱보다 누설과 펌프 성능이 지배적이어서, 학교 실험이 확인하는 것은 곡선의 모양이지 초고진공 문헌의 절대값이 아니다. 발사 비용(1 kg당 수천 달러)은 팰컨 9의 공표 가격과 저궤도 탑재량으로 어림한 값이며, 시세는 해마다 바뀐다.

X스레드

이어서 읽기