About Conductance

컨덕턴스에 도전해 본다.

진공 컨덕턴스가 무엇이고 이에 영향을 끼치는 요소가 무엇이 있는지!

지난 시간에는 진공과 압력의 표시 단위를 살펴보았다. 이제 본격적으로 실용적인 이론들에 대해서 알아보겠다. 다른 사람의 이름을 따온 진공 기호들과는 다르게 컨덕턴스(Conductance)는 영어이다 보니, 사전적인 의미를 먼저 찾아보도록 한다. 

전도도란 무엇인가?

개념은 비슷하지만 구체적으로 들어가면 전기, 열, 진공에서의 컨덕턴스는 아예 다른 개념이다. 셋 다 완전히 다른 공식으로 이루어져 있다는 점에서 큰 차이를 볼 수 있다. 

• 전기에서의 컨덕턴스

전기에서의 컨덕턴스는 전도도라고 부르고, 전류가 흐르기 쉬운 정도 혹은 용이함을 나타낸다.

• 열에서의 컨덕턴스

열에서의 컨덕턴스는 열전도도라고 부르고, 열이 얼마나 잘 전달되는지를 나타낸다.

그렇다면 본격적으로 진공에서의 컨덕턴스를 알아보도록 하자. 이들과 어떤 차이가 있을까?

진공에서의 컨덕턴스

앞서 두 경우와는 다르게 따로 부르는 말이 있지 않고, 영어 그대로 하여서 “컨덕턴스”라고 부른다. 개념적으로는 기체 분자가 진공 시스템 내에서 얼마나 많은 양이 이동하는지를 말한다고 생각하면 된다. 유체가 흐르고 진공 시스템에 연결이 되어 있으면 컨덕턴스를 사용하게 되며, 예시로는 호스, 노즐, 벨브, 파이프 등 기체를 이동하거나 전송하는 장치가 있다. 

기호는 C이고, 단위는 주로 L/s (리터 퍼 세컨드) 혹은 m3/h (입방미터 퍼 아워)를 쓴다고 한다. 즉, 몇초당 리터가 얼마나 나가는지, 얼만큼의 m3나가는지에 대해서 말하고 있다. 부피 유량을 사용한다고 하는데, 부피 유량이 무엇일까?

• 유량이 무엇일까?

유량은 유체역학, 진공의 개념에서 자주 사용되는 개념이며 “어떤 물질(기체/액체)이 단위 시간 동안 얼마나 많이 흐르는지를 나타내는 양”이다.

• 부피 유량이란 무엇일까?

부피 유량은 단위 시간 동안 일정 면적을 통과하는 유체(기체나 액체)의 부피를 나타내는 값이다. 쉽게 말해, 파이프나 강물 등에서 1초/1분 동안 얼마나 많은 물이나 기체(부피)가 지나가는지를 뜻한다.

컨덕턴스의 효율성에 대하여

이를 보면 알겠지만 컨덕턴스에게 영향을 끼치는 요소는 상당수가 존재한다. 그 중에서 가장 대표적인 요소들을 알아보도록 하겠다.

1.   직경

직경이 넓을수록 컨덕턴스의 효율이 올라간다. (예를 들어) 파이프의 너비가 넓을수록 기체가 흐를 공간이 충분할 테니 많은 양이 통할 수 있는 것이다. 

컨덕턴스에서 가장 크게 영향을 주는 요소라고 이해할 수 있는데, 이는 직경의 너비에 따라서 컨덕턴스가 많은 영향을 받기 때문이다. 직경이 작으면 빼내는 힘이나, 길이나, 연결방식 등 다른 조건이 좋아도 컨덕턴스가 제한되기 때문에 중요한 요소로 취급을 받게 된다. 또한, 직경에 따라서 압력을 주는 수준도 달라지기에, 중요하다고 볼 수 있다. 

• 병목현상이란? 

직경 (그리고 후술할 연결 방식)과 관련된 현상으로는 병목 현상이 있다. 병목 현상은 말 그대로 Bottle neck을 의미한다. 흔한 병을 보면 병의 목 부분은 병 전체에 비해서 작을 때가 많다. 그래서 넓은 몸통보다 작은 병목이 사용되면 나오는 양이 느려지고 조금씩 나오게 된다. 

• 즉, 나머지가 잘 흐르고 파이프 하나에 병목 현상이 일어나서 한정된 양으로 흐르게 되면, 컨덕턴스는 줄어 들게 된다. 

(1000L/s가 흐르는 파이프와 10L/s가 흐르는 파이프가 있다고 하자. 아무리 첫번째 파이프가 1000L를 흘러도 연결된 다른 파이프가 10L밖에 되지 않으면 의미가 없다)

2.   길이

파이프의 길이가 짧을수록 컨덕턴스의 효율이 올라간다. 이동하는 거리가 적은만큼 더 많이 움직이게 되는 것이다.

3.   압력

압력이 높을수록 컨덕턴스의 효율이 올라간다. 누르는 힘이 강하니깐 더 많이 움직이게 되는 것이다. 압력에 따라서 움직이는 방식이 두가지 형식으로 나뉜다

• 점성유동

점성유동은 압력이 높은 상태를 의미한다. 압력이 높으면 분자들끼리 이동할 공간이 없기 때문에 분자들끼리 부딪히게 된다. 그것이 바로 점성유동이다. 분자들이 자유롭지 못하면서 계속 서로 서로를 밀게 되고 그렇게 되면 액체처럼 하나의 움직임과 같게 되는 것이다. 서로끼리 밀다 보니깐 나가는 파워가 더 크고, 그렇게 되면서 컨덕턴스가 높아지게 된다. 

• 분자유동

분자유동은 압력이 낮은 상태를 의미한다. 점성 유동과는 다르게 분자들이 이동할 공간이 많기 때문에 분자들끼리 부딪히기 보다는 벽에 부딪히는 일이 더 많다. 압력과 무관하게 일정하다. 여유롭게 벽에만 부딪히니, 점성유동보다는 파워가 더 약하다. 그렇게 되면서 컨덕턴스가 비교적으로 낮다. 

• 천이유동

점성유동과 분자유동의 중간에 있는 애매모호한 단계라고 볼 수 있다. 두 흐름의 특징을 골고루 가지고 있으며, 분자끼리도 충돌을 하고 벽과도 충돌을 한다고 이해할 수 있다.

하지만 압력 같은 경우에는 결국 직경에 좌지우지된다. 직경이 작아지면 분자들이 이동할 공간이 부족해서 압력이 올라가고, 직경이 넓어지면 분자들이 여유롭게 다닐 수 있기 때문에 압력이 내려간다. 넓어서 안 부딪혔지만 좁아져서 애들끼리 부딪히기 때문에…

4.    연결 방식

연결 방식은 크게 병렬 연결과 직렬 연결 두가지로 나누어지는데, 이에 따라서 컨덕턴스의 효율이 변경이 된다.

• 직렬 연결

여러 개의 배관이 차례차례 연결된 방식이다. 기체가 나가는 통로가 한 곳이고, 계속 이어지면서 나가야된다면, 공기가 나가는 시간이 증가할 수 밖에 없다. 만약 연결된 곳들 중에서 컨덕턴스가 하나라도 작으면 흐름이 제한되는 병목 현상이 일어나게 된다.

• 병렬 연결

기체가 동시에 여러 곳을 통해 나갈 수 있는 구조다. 기체가 나가는 통로가 여러곳이라고 생각해보자, 그렇게 된다면 공기는 더 많이 흐르게 되고, 결론적으로는 컨덕턴스의 효율이 높아질 수 있다.

식으로 보면 간단하게 알 수 있다.

이것 외에도 각도(각도에 따라서 분자가 벽에 부딪히지 정도를 판단할 수 있으니), 온도(기체는 온도에 높아지면 활발해지기 때문에), 기체의 종류(분자의 구성요소가 다르니깐)에 따라서 컨덕턴스는 영향을 받는다.

컨덕턴스에 영향을 미치는 요소를 정리하자면

직경(파이프가 얼마나 넓은지), 길이(파이브 길이가 얼마나 긴지), 압력(안에서 얼마나 누르는지), 각도(얼마나 굽어져있는지), 온도(기체가 영향 받는 온도가 얼마나 되는지), 기체의 종류(어떤 기체를 운반할건지), 연결 방식(직렬인지 병렬인지)가 있다.

오늘은 컨덕턴스에 대해서 배워 보았다. 가장 중요한 사실은 진공 시스템 내에서 기체가 얼마나 이동할 수 있는지. 이것이 가장 중요할 수 있겠다. 또한, 연결된 파이프들이나 공기를 빼내는 기계 아무리 펌프가 좋아도, 만약 연결되어 있는 다른 파이프의 능력치가 이를 따라가지 못하면 파이프의 효율이 안 나오지 않게 된다. 즉, 아무리 1분에 100L를 뺄 수 있는 기계라도 연결된 파이프가 10L밖에 못 들어가면, 결과론적으로 1분에 10L 밖에 못 빼낸다는 것을 생각하면 된다.