진공 챔버는 외부의 높은 공기압에 노출되면서도 내부의 압력을 낮게 유지하도록 설계되었습니다. 주요 과제는 챔버의 구조적 안정성을 확보하고, 누출을 방지하며, 일정한 압력 차이를 유지하는 것입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 엔지니어는 재료 선택, 접합부 밀봉 방법, 보강 공정 등 다양한 변수를 고려해야 합니다.

재료 선택:

특수 합금, 스테인리스강, 알루미늄은 진공 챔버 제작에 흔히 사용되는 재료입니다. 진공 챔버용 재료는 높은 강도, 우수한 열전도율, 그리고 최소한의 가스 방출(재료에서 가스가 방출되는 현상)을 가져야 하므로 재료 선택이 매우 중요합니다. 엔지니어와 과학자들은 특정 작동 조건과 진공 압력에서 최적의 성능을 발휘하는 재료를 선택해야 합니다.

구조 설계:

진공 챔버는 내부 진공력과 외부 압력을 견딜 수 있도록 구조적으로 견고해야 하며, 휘거나 파손되어서는 안 됩니다. 진공 상태에서 구조적 안정성을 확보하고 붕괴를 방지하기 위해 엔지니어는 벽 두께, 기하학적 형상, 보강 구조 및 응력 분포와 같은 요소를 고려해야 합니다.

진공 씰:

진공 성능을 유지하려면 효과적인 밀봉 기술이 필수적입니다. 엔지니어는 챔버의 접근 포트, 창, 플랜지 및 기타 인터페이스에 대해 신뢰할 수 있는 밀봉 솔루션을 개발하고 실행해야 합니다. 이러한 밀봉은 온도, 압력 변화 및 모든 움직임이나 진동에도 진공의 무결성을 손상시키지 않고 견딜 수 있어야 합니다.

온도 조절:

진공 챔버는 극저온을 포함하여 극도로 높거나 낮은 온도에 노출될 수 있습니다. 진공 상태를 유지하면서 적절한 온도 범위를 확보하기 위해 엔지니어는 단열, 냉각 또는 가열 시스템, 그리고 챔버 내부의 온도 분포를 고려해야 합니다.

진공 접근 및 유지 관리:

진공 챔버는 시료 취급, 장비 설치 및 유지 보수를 위해 접근이 필요한 경우가 많습니다. 엔지니어는 진공 상태를 손상시키지 않으면서 실용적이고 안전한 작업을 가능하게 하기 위해 챔버 구조에 적절한 메커니즘과 접근 지점을 통합해야 합니다.

오염 및 가스 방출:

가스 방출은 진공 챔버 내부 표면에서 가스와 증기가 방출되는 현상을 일컫는 용어로, 이는 진공 환경을 오염시키거나 정밀 장비에 문제를 일으킬 수 있습니다. 가스 방출 및 오염 문제를 줄이기 위해 엔지니어는 챔버 내부 표면을 신중하게 선택하고 처리해야 합니다. 이러한 문제를 극복하는 데 있어 표면 코팅, 세척 기술 및 재료 호환성은 매우 중요합니다.

재료 선택 및 호환성

진공 챔버용 재료를 선택할 때는 진공도, 온도, 압력, 가스 방출, 그리고 수행되는 작업 또는 실험과의 호환성이 중요한 고려 사항입니다. 자주 사용되는 특정 재료의 호환성에 대한 고려 사항은 다음과 같습니다.

스테인레스 스틸 :

스테인리스강, 특히 304 및 316 등급은 뛰어난 강도, 강력한 내식성, 그리고 최소한의 가스 방출 특성으로 인해 진공 챔버에 널리 사용되는 소재입니다. 대부분의 일상적인 작업에 적합하며 고온 및 진공 압력을 견딜 수 있습니다.

알류미늄:

알루미늄은 가볍고 열전도율이 우수하여 특정 용도에 유용합니다. 그러나 일부 가스나 화학 물질과 반응할 수 있으며 스테인리스강보다 가스 방출량이 높을 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 알루미늄 표면에 코팅이나 양극 산화 처리를 할 수 있습니다.

티탄:

티타늄은 가스 방출 가능성이 낮고 내식성이 우수합니다. 고온을 견딜 수 있으며 고진공 시스템에 자주 사용됩니다. 하지만 티타늄은 가격이 비싸고 가공하기 어렵습니다.

유리 :

파이렉스와 같은 붕규산 유리는 저온 및 진공 환경에 적합합니다. 화학적으로 불활성이며 시인성이 뛰어납니다. 다만 금속 부품만큼 강하지는 않으므로 열 응력이나 예상치 못한 압력 변동을 방지하기 위해 주의해야 합니다.

도예:

알루미나(산화알루미늄)와 지르코니아는 진공 챔버에 사용될 수 있는 두 가지 유형의 세라믹입니다. 세라믹은 가스 방출이 적고 화학적 내성 및 내열성이 뛰어납니다. 하지만 깨지기 쉽고 기계적 강도가 낮다는 단점이 있습니다.

엘라스토머:

일부 진공 챔버에는 Viton, Buna-N 또는 실리콘과 같은 엘라스토머 재질의 개스킷이나 O링이 필요할 수 있습니다. 이러한 재질은 신뢰할 수 있는 밀봉재 역할을 하지만, 공정 가스, 진공 압력 및 온도와의 호환성을 확인하는 것이 중요합니다.

구조 무결성

진공 상태에서 실험이나 산업 활동을 안전하고 안정적으로 수행하기 위해서는 진공 챔버의 구조적 무결성이 보장되어야 합니다. 구조적 무결성을 유지하기 위한 몇 가지 필수 요소는 다음과 같습니다.

재료 선택 :

진공 조건 및 기타 응용 분야별 기준을 고려하여 재료를 선택해야 합니다. 스테인리스강, 알루미늄 및 고강도 합금은 진공 챔버 제작에 자주 사용되는 재료입니다.

압력 등급:

압력 등급을 사용하여 챔버가 견딜 수 있어야 하는 최대 압력 차이를 결정하십시오. 안전 여유를 확보하기 위해 챔버는 예상 작동 압력보다 훨씬 높은 압력을 처리할 수 있도록 제작 및 설계되어야 합니다. 내부 압력, 외부 압력, 작동 중 발생할 수 있는 압력 급증과 같은 변수를 고려하십시오.

용접 및 밀봉:

견고하고 누출 없는 이음매를 확보하려면 고품질 용접 공정을 사용하십시오. 전자빔 용접(EBW)과 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접은 진공 챔버에 일반적으로 사용되는 두 가지 용접 기술입니다. 모든 구멍, 플랜지 및 연결부를 밀봉하려면 진공에 적합한 개스킷, O링 또는 금속 씰을 사용하십시오.

버팀대 및 보강:

챔버의 전체적인 강도를 높이려면 리브, 보강재, 지지대 등의 구조적 보강재를 사용하십시오. 진공 압력 하에서 이러한 보강재는 하중을 고르게 분산시키고 변형이나 뒤틀림을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

유한 요소 분석(FEA):

유한 요소 해석(FEA) 시뮬레이션을 사용하여 다양한 압력 및 하중 조건에서 챔버의 구조적 거동을 분석합니다. 이 연구는 잠재적인 취약점이나 고응력 영역을 파악하는 데 도움이 되며, 필요에 따라 설계 최적화 및 수정을 가능하게 합니다.

유한 요소 해석

테스트 및 검사:

진공 챔버의 무결성을 확인하려면 철저한 테스트와 검사를 수행해야 합니다. 육안 검사, 압력 테스트 및 헬륨 누출 감지가 일반적인 테스트입니다. 챔버에 누출이 있는지, 변형이나 장력이 발생하는지 자주 점검하십시오.

수리 및 유지 보수 :

시간이 지남에 따라 발생할 수 있는 마모, 부식 또는 손상에 대처하기 위한 정기적인 유지보수 계획을 수립하십시오. 챔버의 구조적 무결성을 유지하기 위해 손상된 부품은 즉시 교체하거나 수리하십시오.

크기 및 모양 제한

진공 챔버는 사용 목적과 수행되는 실험 또는 절차의 특정 사양에 따라 다양한 크기와 모양으로 제작됩니다. 하지만 진공 챔버를 제작할 때는 몇 가지 제약 조건과 고려 사항이 있습니다.

원형 진공 챔버의 다양한 모양

크기 :

진공 챔버의 크기는 실험실 규모의 초소형 챔버부터 산업 규모의 대형 챔버까지 다양합니다. 크기는 일반적으로 챔버 내부에 들어갈 부품이나 시료의 크기와 필요한 진공 공간의 부피에 따라 결정됩니다. 작은 시료를 사용하는 연구에 적합한 소형 챔버와 달리, 대형 챔버는 상당한 크기의 장비나 복잡한 부품 전체를 수용할 수 있습니다.

압력 제한:

진공 챔버는 특정 진공 압력 수준에 도달하고 이를 유지하도록 제작됩니다. 일반적으로 챔버 내부의 압력은 토르(Torr) 또는 파스칼(Pascal) 단위로 표현됩니다. 고진공(10⁻³ ~ 10⁻⁹ Torr)부터 초고진공(10⁻⁹ Torr 미만)까지 압력 범위는 다양할 수 있습니다. 챔버의 크기와 모양은 달성 가능한 압력 수준에 영향을 미칠 수 있는데, 챔버가 클수록 낮은 압력을 달성하고 유지하기 위해 더 많은 펌핑 동력이 필요할 수 있기 때문입니다.

재료 강도:

진공 챔버의 크기와 모양은 재료의 구조적 안정성을 고려하여 설계되어야 합니다. 챔버를 구성하는 재료는 진공 상태일 때 챔버 벽에 가해지는 외부 대기압을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다.

접근 및 포트:

진공 챔버 설계에는 시료의 추가 또는 제거, 기기 사용 및 보조 장비 연결을 위한 접근 지점과 포트가 포함되어야 합니다. 문, 플랜지, 포트 또는 관통부 등의 형태를 취할 수 있는 이러한 접근 지점은 진공 상태의 안정성을 유지하면서 전선, 케이블 또는 진공 밀봉 커넥터의 진입을 허용합니다.

재료 호환성:

진공 챔버에 사용되는 재료는 특정 진공 조건뿐만 아니라 취급 또는 시험 대상 물질과도 호환되어야 하므로 적절한 재료를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 스테인리스강, 알루미늄, 유리 또는 특수 합금과 같은 재료의 사용은 내화학성, 열전도율 및 진공 적합성과 같은 특성에 따라 결정되는 경우가 많습니다.

형태 요소:

특정 실험이나 공정 요구 사항에 따라 진공 챔버의 모양이 결정되는 경우가 많습니다. 원통형, 직사각형 또는 구형 챔버가 일반적인 모양입니다. 모양은 챔버 내부의 전자기장 분포, 온도 구배 또는 가스 흐름 패턴과 같은 요소에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 실험이나 공정에 미치는 부정적인 영향을 최소화하는 모양을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

표면 마감 및 청결도

최적의 성능을 달성하고 오염을 방지하기 위해 진공 챔버는 표면 마감 및 청결도를 고려해야 합니다. 다음은 각 요소에 대한 몇 가지 구체적인 사항입니다.

진공 챔버 청결도

마침을 표면 :

가스 방출을 줄이고 진공 상태를 강화하며 청소를 용이하게 하기 위해 진공 챔버 내부 표면은 고품질 마감 처리가 되어 있어야 합니다. 진공 챔버에서 일반적으로 사용되는 표면 처리 방법은 다음과 같습니다.

a. 전해연마:

이 방법은 표면에서 얇은 층을 제거한 후 매끄럽고 부동태화된 표면을 남깁니다. 전해연마를 통해 표면 불순물이 제거되고 표면 거칠기가 감소하며 내식성이 향상됩니다.

b. 기계적 연마:

기계적 연마는 연마재를 사용하여 표면을 매끄럽고 정교하게 만드는 공정입니다. 이 공정은 흠집, 버(burr), 불규칙한 부분 등을 제거하여 표면 마감을 개선합니다.

c. 화학적 부동태화:

부동태화 공정 중에는 불순물을 제거하고 표면에 보호 산화막을 형성하기 위해 화학 물질이 사용됩니다. 부동태화는 표면 청결도와 내식성을 향상시킵니다.

d. 비드 블라스팅:

비드 블라스팅은 미세한 유리 또는 세라믹 비드를 사용하여 불순물을 제거하고 표면을 매끄럽게 하는 공정입니다.

2. 청결도:

진공 챔버는 성능 저하를 방지하고 진공도를 유지하며 테스트 결과의 신뢰성을 보장하기 위해 항상 청결하게 유지해야 합니다. 다음은 청결 유지를 위한 몇 가지 팁입니다.

a. 입자상 오염:

먼지, 섬유, 파편과 같은 모든 입자성 물질은 챔버에서 제거해야 합니다. 입자성 오염은 민감한 부품을 손상시키고, 실험을 망치고, 진공 품질을 저하시킬 수 있습니다.

b. 가스 방출 오염:

챔버 재질의 가스 방출을 줄이는 것이 중요합니다. 진공 환경 오염은 표면에서 방출되는 휘발성 화합물로 인해 발생할 수 있으며, 이러한 화합물은 다른 부품에 침착될 수 있습니다. 적절한 표면 처리와 재질 선택을 통해 이러한 문제를 줄일 수 있습니다.

플랜지 및 피드스루 호환성

진공 챔버의 설계 및 작동은 플랜지와 피드스루에 크게 의존합니다. 이들이 어떻게 함께 작동하는지, 그리고 무엇을 유의해야 하는지 알아보겠습니다.

플랜지: 플랜지는 진공 챔버 부품을 조립하는 데 사용되는 연결 요소입니다. 플랜지를 통해 챔버를 밀폐하고 원하는 진공 상태를 유지할 수 있습니다. 미국 표준 협회(ASA), ISO, CF(ConFlat), KF(Klein Flange) 등 다양한 종류의 플랜지가 있으며, 이는 시판되는 수많은 플랜지 중 일부에 불과합니다. 필요한 진공도, 챔버 크기, 적용 분야 등은 플랜지 선택에 영향을 미치는 여러 변수 중 일부입니다.

플랜지의 크기와 종류는 호환성에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, ISO 플랜지와 CF 플랜지는 형상 차이 때문에 직접 함께 사용할 수 없습니다. 하지만 어댑터를 사용하면 다양한 모양과 직경의 플랜지를 연결할 수 있습니다.

피드스루:

진공 상태를 손상시키지 않고 진공 챔버 내부로 전기 신호, 유체 또는 기타 물질을 통과시키기 위해 피드스루가 사용됩니다. 일반적으로 피드스루는 밀폐된 도체로 구성되며 챔버 표면을 관통합니다. 전기, 유체, 광학 또는 특정 용도에 특화된 피드스루는 다양한 용도로 제작될 수 있습니다.

피드스루의 호환성은 설계, 크기 및 밀봉 기술에 따라 달라집니다. 적절한 밀봉과 진공 상태 유지를 위해서는 피드스루의 두께와 재질이 챔버 벽과 호환되어야 합니다. 제조사들은 허용 가능한 챔버 벽 두께 범위 및 밀봉 기술과 같은 피드스루 관련 세부 사항을 명시합니다.

진공 챔버용 플랜지와 피드스루를 선택할 때는 다음과 같은 사항을 고려하는 것이 매우 중요합니다.

플랜지 및 피드스루의 종류ISO, CF, KF 또는 ASA와 같은 범주에 따라 적절한 플랜지와 피드스루를 선택하십시오.

플랜지 및 피드스루 크기: 플랜지와 피드스루의 크기는 챔버의 크기와 호환되어야 하며, 서로 간에도 호환되어야 합니다.

진공 사양: 원하는 진공 상태를 유지할 수 있도록 플랜지와 피드스루를 선택할 때 필요한 진공 수준을 고려해야 합니다.

진공 챔버의 재질: 재질에 따라 필요한 밀봉 기술이나 호환성 고려 사항이 다를 수 있으며, 이는 플랜지 및 피드스루 선택에 영향을 미칠 수 있습니다.

진공 챔버 작동 시 발생하는 문제점

진공 챔버를 작동할 때 여러 가지 기술적, 실질적인 어려움이 발생할 수 있습니다. 다음은 진공 챔버 작동 시 발생하는 일반적인 어려움 몇 가지입니다.

A. 누수 감지 및 유지보수

진공 챔버는 여러 가지 이유로 누출 식별 및 유지 관리에 어려움을 겪을 수 있습니다.

개스킷 및 씰: 진공 챔버에는 공기나 가스가 챔버 내부로 유입되는 것을 막는 밀봉재와 개스킷이 있는 경우가 많습니다. 이러한 밀봉재는 시간이 지남에 따라 마모되거나 누출이 발생하여 진공 손실을 초래할 수 있습니다. 부적절한 설치 또는 유지 관리 또한 밀봉재의 오작동을 유발할 수 있습니다.

재료 열화진공 챔버를 제작하는 데 사용되는 재료는 시간이 지남에 따라, 특히 고온이나 부식성 화합물과 같은 가혹한 조건에 노출될 경우 열화되는 경향이 있습니다. 이러한 열화로 인해 챔버 벽에 균열이나 구멍이 생기면 누출이 발생할 수 있습니다.

진동 및 기계적 스트레스: 진공 챔버 근처의 기계 또는 공정으로 인한 진동이나 기계적 스트레스 때문에 누출이 발생할 수 있습니다. 강한 충격이나 지속적인 진동은 개스킷과 씰을 손상시켜 누출 지점을 만들 수 있습니다.

온도 및 압력 사이클링: 온도와 압력의 잦은 변화는 재료의 팽창 및 수축을 유발하여 누출로 이어질 수 있습니다. 이는 특히 급격한 온도 변화나 챔버의 잦은 가압 및 감압이 수반되는 작업에서 매우 중요합니다.

B. 펌핑 및 압력 제어

진공 챔버를 작동시키는 데에는 펌핑 및 압력 관리 측면에서 상당한 어려움이 있습니다. 이러한 어려움들을 하나씩 자세히 살펴보겠습니다.

펌핑 과제: 펌핑은 챔버에서 기체를 제거하거나 챔버 내부에 진공을 생성하는 과정입니다. 원하는 흡입력을 얻고 유지하는 것이 펌핑에서 가장 큰 문제입니다. 원하는 압력이 얻어질 때까지 챔버에서 공기 및 기타 기체를 제거합니다. 일반적인 펌핑 방법은 다음과 같습니다.

a. 기계식 펌프: 이러한 펌프는 진공을 만들기 위해 챔버에서 기체를 물리적으로 제거합니다. 이러한 펌프에 사용되는 기계적 메커니즘의 예로는 회전하는 피스톤이나 날개가 있습니다.

b. 확산 펌프: 확산 펌프는 고속으로 이동하는 증기 제트를 사용하여 챔버에서 가스 분자를 가속시켜 압력을 낮춥니다.

c. 극저온 펌프: 이 펌프들은 매우 낮은 온도에서 기체를 응축시켜 진공을 생성합니다.

압력 제어 과제:

필요한 진공 수준에 도달한 후에는 진공 챔버 내부의 압력을 유지하고 관리하는 것이 필수적입니다. 이러한 어려움은 여러 요인에서 비롯됩니다.

a. 누출:

진공 챔버의 밀봉부, 연결부 또는 기타 부품에서 미세한 누출이 발생할 수 있습니다. 이러한 누출로 인해 외부 공기가 챔버 내부로 유입되면 압력 조절에 문제가 생길 수 있습니다. 압력을 안정적으로 유지하려면 누출을 최소화하고 면밀히 모니터링해야 합니다.

b. 가스 방출:

가스 방출이란 챔버의 재료, 부품 또는 벽 내부에 갇혀 있던 기체가 방출되는 현상을 말합니다. 매우 높은 진공도가 요구되는 정밀 조사 상황에서는 가스 방출로 인해 챔버 내부 압력이 상승할 수 있습니다.

c. 가스 유량 제어:

챔버 내부 공정에서 특정 가스를 첨가하거나 제거하는 경우, 적절한 압력을 유지하려면 가스 유량 및 조성을 정확하게 제어해야 합니다.

C. 열 관리

진공 챔버는 공기나 다른 열 전달 매체가 없기 때문에 열 관리 측면에서 여러 가지 어려움이 있습니다. 진공 챔버의 온도 제어에 있어 주요 어려움은 다음과 같습니다.

온도 균일성:

많은 응용 분야에서 진공 챔버 내부의 균일한 온도 분포를 달성하는 것은 필수적입니다. 그러나 공기나 다른 매체가 없는 환경에서는 온도 구배가 발생하여 특정 영역에 고온 또는 저온 영역이 생길 수 있습니다. 챔버 전체에 걸쳐 온도를 일정하게 유지하는 효과적인 열 관리 시스템을 구축하는 것은 어려운 과제입니다.

단열재:

챔버 내부의 진공도를 일정하게 유지하려면 적절한 단열재를 사용하여 외부 환경으로부터의 열 전달을 차단해야 하는 경우가 많습니다. 하지만 챔버 내부의 열 방출은 단열재의 열전도율 제한으로 인해 영향을 받을 수 있습니다. 따라서 효율적인 열 전달과 적절한 단열 사이의 균형을 맞추는 것은 열 관리 측면에서 어려운 과제입니다.

열팽창 및 응력:

진공 챔버 내부의 온도 변화로 인해 재료가 팽창하거나 수축할 수 있으며, 이로 인해 열응력이 발생할 수 있습니다. 외부 압력이 없는 진공 상태에서 작동하기 때문에 이러한 열응력의 영향은 더욱 심화될 수 있습니다. 열팽창 및 응력으로 인한 문제를 최소화하기 위해서는 열팽창 계수가 낮은 재료를 선택하고 설계 시 세심한 고려가 중요합니다.

진공 챔버 개방

D. 안전 및 인적 요인

진공 챔버는 제조, 항공우주, 과학 연구 등 다양한 산업 분야에서 저압 환경을 생성하고 유지하는 데 사용되는 특수 밀폐 공간입니다. 진공 챔버를 사용할 때는 작업자를 보호하고 사고를 방지하기 위해 안전 및 인적 자원 측면에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 고려해야 할 몇 가지 중요한 요소는 다음과 같습니다.

압력 위험:

진공 챔버는 저압에서 작동하는데, 압력 제어가 제대로 되지 않으면 위험할 수 있습니다. 챔버 내부와 외부의 압력 차이가 과도해지면 폭발, 내파 및 구조적 파손이 발생할 수 있습니다. 제조업체 또는 엔지니어링 표준에서 요구하는 바에 따라, 챔버는 압력 제한 범위 내에서 제작, 작동 및 설계되어야 합니다.

누출 방지:

진공 챔버는 내부 환경을 일정한 진공 상태로 유지해야 합니다. 누출을 방지하기 위해 금속 씰, O링 또는 개스킷과 같은 적절한 밀봉 부품을 사용해야 합니다. 정기적인 누출 테스트 및 유지 보수를 통해 챔버의 무결성을 확보해야 합니다.

전기 안전 :

진공 챔버에는 계측, 온도 제어 또는 전원 공급을 위한 전기 시스템이 흔히 설치되어 있습니다. 전기 부품 및 배선은 관련 규정을 준수해야 하며, 후버(Hoover)의 환경에서 견딜 수 있도록 제작되어야 합니다. 전기 방전이나 감전 위험을 줄이기 위해 적절한 접지 방법을 사용하십시오.

맺음말

진공 챔버 실러는 연구실부터 제조 시설에 이르기까지 다양한 곳에서 사용됩니다. 엔지니어와 과학자들은 이러한 진공 챔버 실러를 통해 저압 환경에서 재료를 검사하고 다룰 수 있습니다. 진공 챔버의 크기와 모양은 실험, 절차 또는 응용 분야의 구체적인 요구 사항에 따라 결정됩니다.

이러한 설계 문제를 해결하려면 기술적 지식과 의도된 응용 분야의 요구 사항에 대한 이해, 그리고 재료 과학에 대한 지식을 결합해야 합니다. 진공 챔버의 성능은 반복적인 설계 기법, 시뮬레이션 소프트웨어 및 테스트를 통해 향상되는 경우가 많습니다. 이 블로그가 도움이 되셨나요? 이 블로그에 대해 공유하고 싶은 내용이 있으시면 아래 댓글로 알려주세요.

진공 챔버 설계 및 운영에 수반되는 과제

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차례

1. 진공 챔버 설계 과제

압력차: