더 세게 누르는 대신 튜브 모양을 바꾼 소형 진공펌프
기체가 새는 튜브를 더 강하게 누르면 틈은 닫힐 수 있다. 그러나 튜브 손상도 커진다. 더 빨리 돌려 누출보다 빠르게 기체를 옮기면 이번에는 열이 쌓인다. MIT가 2023년 4월 25일 소개한 3D 프린팅 진공펌프는 힘과 속도를 높이는 대신 튜브 벽의 형상을 바꿨다.
롤러 뒤에서 생기는 진공
연동펌프는 유연한 튜브를 롤러로 눌러 액체나 기체를 옮긴다. 롤러가 지나가면 눌린 튜브가 다시 팽창하고, 그때 생긴 진공이 유체를 끌어당긴다. 연구진은 이 원리를 휴대형 질량분석기에 들어갈 수 있는 사람 주먹 크기의 펌프로 줄였다.
질량분석기는 진공 속에서 이온을 움직여 시료 성분을 판별한다. 이온이 공기 중 기체 분자와 부딪히면 움직임이 바뀌기 때문에 진공 유지가 중요하다. 기존 연동펌프에서는 롤러의 힘을 받은 튜브 재료가 재분포하면서 틈이 생겼고, 이 틈이 누출로 이어졌다.
홈과 초탄성 재료의 분업
다중 재료 3D 프린터는 큰 변형을 견디는 초탄성 재료로 유연한 튜브를 만들었다. 튜브 벽에 넣은 홈은 압착될 때 재료가 옆으로 재분포할 필요를 줄여 응력을 낮췄다. 연구진은 틈을 없애는 데 필요한 홈 크기를 정밀하게 출력했다. 연결부가 붙는 구간은 벽을 두껍게 만들어 강도를 높였다.
전체 튜브를 한 번에 출력한 이유는 조립 뒤 생길 수 있는 누출 결함을 피하기 위해서였다. 다만 좁고 유연한 튜브를 세워 출력하면 흔들릴 수 있었다. 출력 중에는 가벼운 지지 구조가 튜브를 안정시켰고, 완성 뒤에는 장치를 손상시키지 않고 벗겨낼 수 있었다.
성능 수치가 가리키는 범위
최종 펌프는 최신 수준의 다이어프램 펌프보다 10배 낮은 압력의 진공을 만들었다. 같은 진공에 도달하려면 표준 다이어프램 펌프 세 대를 직렬 연결해야 한다는 것이 연구진의 설명이다. 최고 온도는 섭씨 50도로 다른 연구에서 사용된 최신 수준 펌프의 절반이었고, 튜브를 완전히 밀봉하는 힘도 절반이었다.
기사에는 건식 러프 펌프와의 10배 압력 비교도 별도로 제시된다. 따라서 이 결과를 모든 진공펌프보다 10배 우수하다고 일반화할 수는 없다. 비교 대상과 지표는 압력, 최고 온도, 밀봉에 필요한 힘으로 나뉜다.
연구진은 소형 질량분석기 전체를 아직 출력하는 중이었다. 이 연구가 완성한 것은 펌프다. 핵심은 작은 크기만이 아니다. 튜브가 눌릴 때 재료가 어떻게 움직이는지부터 바꾸자, 누출을 막기 위해 속도와 힘을 계속 높여야 했던 충돌도 줄일 수 있었다.
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