진공

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1. 개요

진공은 물질이 없는 공간 또는 압력이 대기압보다 낮은 상태를 의미하며, 고대 그리스 철학자들의 원자론 논쟁에서 시작되어 다양한 과학 분야에서 연구 및 활용되었다. 이론물리학에서는 에너지가 0인 상태로 정의되며, 양자역학적 진공은 가상 입자의 쌍생성 및 쌍소멸이 일어나는 상태로 묘사된다. 실험과학에서는 진공 펌프를 사용하여 만들어지며, 압력의 정도에 따라 저진공, 중진공, 고진공, 초고진공 등으로 구분된다. 진공은 백열전구, 전자 현미경, 반도체 제조, 동결 건조 등 다양한 기술에 활용되며, 한국의 반도체, 디스플레이 산업 및 기초 과학 연구에서도 중요한 역할을 한다.

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진공
정의
설명	물질이 없는 빈 공간
물리학
밀도	7 × 10⁻²⁹ g/cm³
최소 질량	1.66 × 10⁻²⁴ g
진공 기술
정의 (일본 공업 규격)	대기압보다 낮은 기체 압력의 공간 상태
기타
라틴어	vacuus
영어	vacuum

2. 역사 속의 진공

"진공"이라는 단어는 라틴어 'vacuus'(비어 있는)에서 유래했으며, 영어에서 모음 'u'가 연속으로 두 번 나타나는 몇 안 되는 단어 중 하나이다.^[7] 역사적으로 진공의 존재 가능성은 큰 논쟁거리였다. 고대 그리스 철학자들은 원자론의 맥락에서 진공 또는 공허의 존재에 대해 논쟁했다. 플라톤은 특징 없는 공허라는 추상적인 개념에 회의적이었고, 아리스토텔레스는 주변 물질이 즉시 진공을 채울 것이므로 자연적으로 진공이 발생할 수 없다고 믿었다.

중세 이슬람 세계에서 알파라비는 진공의 존재를 부정하는 논문을 썼지만,^[9] 알비루니는 "진공의 가능성을 배제하는 관찰 가능한 증거는 없다"고 말했다.^[11] 13세기에 알자자리가 흡입 펌프를 설명했고, 이는 15세기부터 유럽에 등장했다.^[12]^[13]

13세기와 14세기 학자들은 진공의 개념에 큰 관심을 가졌고, '공포의 진공'이라는 용어가 생겨났다. 1277년 파리의 단죄는 신이 원한다면 진공을 만들 수 있다는 결론을 내렸다.^[14]

르네 데카르트는 진공과 원자의 이분법 없이 기하학에 기반한 대안적인 원자론 이론을 제안했다. 그는 진공이 자연에 발생하지 않는다는 견해에 동의했지만, 그의 좌표계는 공간의 빈 공간을 부피의 정량화된 확장으로 정의하는 현대적인 개념을 제시했다.

17세기에는 부분 진공을 측정하려는 시도가 있었다.^[17] 1643년 에반젤리스타 토리첼리는 수은 기압계를 통해 부분 진공을 실험으로 증명했다. 1654년 오토 폰 게리케는 최초의 진공 펌프를 발명하고 마그데부르크 반구 실험을 통해 대기압의 힘을 증명했다.^[18] 로버트 보일은 게리케의 설계를 개선했고, 로버트 훅의 도움으로 진공 펌프 기술을 더욱 발전시켰다. 1850년 아우구스트 퇴플러가 퇴플러 펌프를, 1855년 하인리히 게슬러가 수은 변위 펌프를 발명하여 약 10 Pa(0.1 토르)의 부분 진공을 달성했다.

19세기에는 빛의 전파 매질로 여겨졌던 광발생 에테르에 대한 실험이 이루어졌지만, 지구 궤도에 미세한 항력을 감지하려는 시도는 실패했다. 1912년 천문학자 헨리 피커링은 성간 흡수 매체가 에테르일 수 있지만, 기체의 특징을 가진다고 언급했다.^[20]

1930년 폴 디랙은 진공을 음의 에너지를 가진 무한한 입자의 바다인 디랙 해로 제안했다. 1927년 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리는 입자 사이의 공간의 "공허함"에 대한 의문을 제기했다.

20세기에 들어 전구, 진공관의 발전과 진공 속에서의 기술 발전에 따라 입자 가속기와 전자 현미경 등 진공을 이용한 기기의 발달, 그리고 전자와 이온에 관련된 새로운 지식과 기술이 탄생했다. 특히 1953년 B-A 게이지가 개발되면서 초고진공을 측정할 수 있게 되었다. 현대의 대표적인 진공 이용은 전자 공업 분야이며, 이 분야의 발전에 따라 진공 관련 산업은 급속도로 발전했다.

2. 1. 고대 그리스

원자설을 바탕으로 빈 공간과 진공의 존재성에 대해 많은 토론을 했던 고대 그리스 철학자들은 진공이라는 개념을 추상적인 개념으로 보았다. 플라톤은 진공의 추상적인 개념은 실질적이지 못하다는 이유로 한계를 맞게 된다고 주장했다. 이것은 의미나 느낌으로 이해할 수가 없었고, 물리적 부피 외에는 그에 대해 더 이상의 설명을 할 수 없었다. 아리스토텔레스는 밀도가 높은 주의의 물질의 연속체들이 신속하게 초기의 희박함을 채울 것이기 때문에 자연적으로 진공이 생길 수 없다고 믿었다. 그의 저서 ''Physics'' 4번째 책에서 아리스토텔레스는 진공에 대해 여러 가지 주장을 했다. 그는 저항이 없는 매질을 통과하는 움직임은 움직임이 중간에 멈춰야 할 이유가 없기 때문에 끊임없이 계속되어야 한다고 말했다. 루크레티우스는 기원전 1세기에 진공의 존재성에 대해 논했고, 헤론은 1세기에 직접 진공을 만들려고 노력했지만 실패했다.^[63]

기원전 5~4세기, 레우키포스(Λεύκιππος)와 데모크리토스(Δημόκριτος)의 원자론은 자연을 구성하는 분할할 수 없는 최소 단위인 "원자(atom)"가 "공허(κενόν)" 속에서 운동한다고 주장했다. 반면, 아리스토텔레스(Ἀριστοτέλης)는 공간에는 반드시 어떤 물질이 가득 차 있다고 하여 진공의 존재를 인정하지 않았다(자연은 진공을 싫어한다). 이에 대해 아리스토텔레스 학파의 스트라톤(Στράτων)은 공기를 압축하는 실험을 통해 원자의 거리를 줄일 수 있는 여지(즉, 원자가 존재하지 않는 공간=진공)의 존재를 주장했다.

2. 2. 10세기

10세기 중앙아시아에서 이슬람 물리학자 알 파라비(Al-Farab)는 진공에 관한 작은 실험을 했다. 그는 물 위에 뜬 플런저를 관찰했고, 공기의 부피는 가능한 공간을 모두 채울 수 있게 확장할 수 있다고 주장했다.^[64]^[65] 그래서 그는 완벽한 진공에 대한 개념은 모순이라고 주장했다. 그러나 물리학자 이븐 알 하이탐(Alhazen)과 신학자 Mu'tazili는 아리스토텔레스와 알 파라비의 주장에 반대했고, 그들은 진공의 존재를 주장했다. 기하학을 사용해서, 이븐 알 하이탐은 수학적으로 공간은 본체를 포함한 안쪽면 사이에 있는 3차원 빈 공간이라는 것을 증명했다.^[66] 아마드 달랄에 따르면, 알비루니 또한 “진공의 가능성을 배제하는 증거는 찾을 수 없다”라고 말했다.^[67]

2. 3. 13세기 14세기

로저 베이컨, 파르마의 블라시우스, 월터 버리 등 13세기와 14세기의 학자들은 진공과 관련된 문제에 상당한 관심을 기울였다.^[14] 이들은 스토아 학파의 영향을 받아 아리스토텔레스가 주장했던 "진공은 연속적이어서 생길 수 없다"는 관점에서 벗어나기 시작했다. 이러한 생각들은 17세기에 진공에 대한 자연적 관심과 이론적 관심을 분리하는 데 도움을 주었다.^[15]

당시 자연은 진공을 싫어한다는 일반적인 견해는 ''공포의 진공''이라고 불렸다. 심지어 신조차 원한다면 진공을 만들 수 없다는 추측도 있었으나, 신의 능력에 제한이 없어야 한다고 요구한 1277년 파리의 단죄는 신이 원한다면 진공을 만들 수 있다는 결론으로 이어졌다.^[14] 14세기 이후 아리스토텔레스의 관점에서 점차 벗어나면서, 17세기까지 학자들은 우주 자체의 경계 너머에 초자연적인 공허가 존재한다는 것을 널리 인정하게 되었다.^[15]

2. 4. 17세기

에반젤리스타 토리첼리는 최초로 실험실에서 진공 상태를 유지할 수 있게 해 주는 장비인 수은 기압계를 만들었다.^[72] 중세에는 두 판 사이를 빨리 떨어뜨리면 순간적으로 진공이 만들어진다고 생각했다. 이에 대해 공기가 충분히 빠르게 빈 공간을 채워 진공이 생기지 않는다는 주장과 진공이 된다는 주장이 맞섰다. 1643년 토리첼리는 수은 기둥을 이용한 실험을 통해 수은 기둥의 무게가 대기와 평형을 이루기 때문에 항상 760mm 높이를 유지하며, 유리관 위쪽의 빈 공간은 거의 진공 상태가 된다는 것을 보였다. 이 진공을 '토리첼리의 진공'이라고 한다.

르네 데카르트는 블레즈 파스칼에게 기압계를 산 위에 가져가 보라고 조언했지만, 토리첼리의 실험에서 수은 위의 빈 공간이 진공이라는 생각은 받아들이지 않았다. 그는 공간 사이에 진공 상태를 방해하는 미세한 성분들이 존재한다고 믿었다. 파스칼의 처남이 기압계를 들고 산을 올라가면서 대기가 엷어져 진공에 가까워진다는 결론을 내렸지만, 데카르트는 미세 성분들이 우주 전체에 존재하기 때문에 진공은 없다고 주장했다. 그는 보편 유체라는 미세 입자들이 우주에 퍼져 있고, 행성들이 이 유체의 소용돌이에 의해 움직인다는 소용돌이 이론을 제시하며 진공 개념을 부정했다.

1654년, 오토 폰 게리케는 최초의 진공 펌프를 발명하고, 마그데부르크 반구 실험을 했다. 그는 구리로 된 지름 40cm의 반구 두 개를 합쳐 진공 펌프로 공기를 빼낸 후, 양쪽에 말을 묶어 반대 방향으로 당기게 했다. 여덟 마리씩의 말을 사용해야 반구가 떨어졌는데, 이는 기압의 힘이 크다는 것을 증명했다.

블레즈 파스칼은 파스칼 법칙을 해석하면서 진공에 의해 작용되는 압력은 0이라고 주장했다. 크리스티안 하위헌스는 현실적인 진공 펌프를 개발하는 데 성공했다. 로버트 보일은 이 디자인을 발전시켰고, 1850년 이후 아우구스트 퇴플러가 퇴플러 펌프를, 하인리히 게슬러가 1855년에 수은 펌프를 발명하여 10 Pa의 부분 진공을 만들었다. 이를 통해 진공 상태에서 전기 실험이 가능해졌고, 이는 과학 혁명에 크게 기여했다.

2. 5. 19세기

마이컬슨-몰리 실험에서 마이컬슨과 몰리는 지구의 공전 방향과 직각 방향으로 설치된 거울 사이로 광선이 지나가게 하고, 거울에서 반사된 빛의 간섭현상을 관찰했다. 당시 우주 공간이 에테르로 채워져 있다는 가설과 지구에 대한 빛의 상대속도를 고려하면 간섭이 예상되었으나, 실제로는 간섭이 일어나지 않았다. 이는 에테르 가설에 대한 의문을 제기했다.^[19]

조지 피츠제럴드는 마이컬슨-몰리 실험 결과를 설명하기 위해 지구가 운동 방향으로 수축한다고 제안했다. 헨드릭 로런츠는 이를 로런츠 변환식으로 정리했다. 이 수축 효과는 로런츠-피츠제럴드 수축이라고 불리며, 이들은 에테르의 존재 가능성을 부정했다.

19세기에는 빛의 전파를 위한 매질로 여겨졌던 광발생 에테르에 대한 실험이 이루어졌다. 아이작 뉴턴의 굴절과 복사열 설명에도 이 개념이 영향을 주었다. 그러나 지구 궤도에 미세한 항력을 감지하려는 시도는 실패했다. 1912년 천문학자 헨리 피커링은 성간 흡수 매체가 에테르일 수 있지만, 기체의 특징을 가지며 자유 기체 분자가 존재한다고 언급했다.^[20]

2. 6. 20세기

폴 디랙은 1930년에 진공을 음(-)의 에너지를 가진 무한한 입자들로 가득 찬 디랙 해로 제안했다.^[73] 이 이론은 디랙 방정식을 개선하고, 2년 뒤 발견된 양전자의 존재를 예측하는 데 기여했다.

1927년 베르너 하이젠베르크가 발표한 불확정성 원리는 아주 짧은 시간 동안에는 입자 사이의 공간이 비어있는 것처럼 보일 수 있다는 점을 시사했다. 이는 진공에 대한 기존의 관점에 다시 한번 의문을 제기하게 만들었다.

20세기에는 전구, 진공관의 발전과 더불어 진공 기술이 진보하면서, 입자 가속기와 전자 현미경과 같이 진공을 활용하는 장비들이 개발되었다. 또한, 전자와 이온에 대한 새로운 지식과 기술이 등장했다. 진공은 식품, 철강 등의 산업에도 응용되면서 진공 펌프, 진공계, 진공 부품 등이 산업화되어 발전했다.

특히 1953년 B-A 게이지(Bayard-Alpert gauge)가 개발되면서 이전에는 측정이 불가능했던 초고진공 영역을 측정할 수 있게 되었다. 이에 따라 초고진공에 대응하는 진공 펌프와 부품들이 개발되었다.

현대에 이르러 진공은 전자 공업 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 전자 공업의 발전에 힘입어 진공 관련 산업은 급속도로 성장했으며, 이제는 다양한 산업을 지탱하는 기반 기술로 자리 잡았다.

3. 진공의 의미

"vacuum"이라는 단어는 라틴어 vacuum|빈 공간, 공허^la에서 유래했으며, "비어 있는"을 의미하는 ''vacuus''의 중성 명사 형태로, "비어 있다"를 의미하는 ''vacare''와 관련이 있다.^[7]

"Vacuum"은 영어에서 모음 "u"가 두 번 연속으로 나타나는 몇 안 되는 단어 중 하나이다.^[7]

3. 1. 서양철학의 진공

아리스토텔레스는 매질이 없으면 물체의 속도가 무한해져서 모순이 발생할 것이기 때문에 진공이 존재할 수 없다고 주장했다. 르네 데카르트 역시 진공이 존재할 수 없다고 주장했다. 보일과 홉스는 진공의 존재성에 대한 논쟁을 한참동안 벌인 적이 있다.^[7]

역사적으로 진공이 존재할 수 있는지에 대한 논쟁이 많았다. 고대 그리스 철학자들은 원자론의 맥락에서 진공 또는 공허의 존재에 대해 논쟁했는데, 원자론은 진공과 원자를 물리학의 기본적인 설명 요소로 제시했다. 루크레티우스는 기원전 1세기에 진공의 존재를 주장했고 알렉산드리아의 헤론은 기원후 1세기에 인공 진공을 만들려고 시도했지만 성공하지 못했다.^[8]

플라톤의 견해에 따르면, 특징 없는 공허라는 추상적인 개념은 상당한 회의에 직면했다. 감각으로는 파악할 수 없었고, 그 자체로는 그와 똑같은 크기의 물리적 부피를 넘어서는 추가적인 설명력을 제공할 수 없었으며, 정의상 말 그대로 아무것도 아니었기 때문에 존재한다고 말할 수 없었다. 아리스토텔레스는 더 조밀한 주변 물질 연속체가 진공을 일으킬 수 있는 초기 희소성을 즉시 채울 것이기 때문에 자연적으로 진공이 발생할 수 없다고 믿었다. 그의 저서 ''물리학'' 제4권에서 아리스토텔레스는 진공에 반대하는 여러 주장을 제시했는데, 예를 들어 아무런 장애물도 없는 매질을 통한 운동은 특별히 어떤 곳에서 정지할 이유가 없기 때문에 무한히 계속될 수 있다는 주장이었다.

중세 이슬람 세계에서 물리학자이자 이슬람 학자였던 알파라비는 10세기에 진공의 존재를 거부하는 논문을 썼다.^[9] 그는 공기의 부피가 사용 가능한 공간을 채우기 위해 팽창할 수 있으며, 따라서 완벽한 진공의 개념은 모순된다고 결론지었다.^[10] 아마드 달랄에 따르면 알비루니는 "진공의 가능성을 배제하는 관찰 가능한 증거는 없다"고 말했다.^[11] 흡입 펌프는 13세기에 아랍 엔지니어 알자자리에 의해 설명되었고, 나중에 15세기부터 유럽에 등장했다.^[12]^[13]

13세기와 14세기의 학자인 로저 베이컨, 파르마의 블라시우스, 월터 버리 등은 진공의 개념과 관련된 문제에 상당한 관심을 기울였다. 자연은 진공을 싫어한다는 일반적인 견해는 ''공포의 진공''이라고 불렸다. 심지어 신조차 원한다면 진공을 만들 수 없다는 추측이 있었고, 신의 능력에 제한이 없어야 한다고 요구한 1277년 파리의 단죄는 신이 원한다면 진공을 만들 수 있다는 결론으로 이어졌다.^[14] 14세기 이후 아리스토텔레스의 관점에서 점점 벗어나면서, 17세기까지 학자들은 우주 자체의 경계 너머에 초자연적인 공허가 존재한다는 것을 널리 인정했다. 스토아 물리학의 영향을 받은 이러한 생각은 자연적 관심사와 신학적 관심사를 분리하는 데 도움이 되었다.^[15]

플라톤 이후 거의 2000년 만에 르네 데카르트도 진공과 원자의 문제가 있는 무-유의 이분법 없이 기하학에 기반한 대안적인 원자론 이론을 제안했다. 데카르트는 진공이 자연에는 발생하지 않는다는 당대의 견해에 동의했지만, 그의 좌표계의 성공과 더 암묵적으로 그의 형이상학의 공간-육체적 구성요소는 공간의 빈 공간을 부피의 정량화된 확장으로 정의하는 철학적으로 현대적인 개념을 정의하게 될 것이다.

토리첼리의 수은 기압계는 실험실에서 최초의 지속적인 진공 중 하나를 만들어냈다.

진공의 개념에 대한 중세의 사고 실험은 두 개의 평평한 판이 빠르게 분리될 때, 아주 짧은 순간이라도 진공이 존재하는지 여부를 고려했다.^[16] 판이 분리될 때 공기가 충분히 빠르게 이동하는지, 아니면 월터 버리가 가정했듯이 '천상의 작용제'가 진공이 발생하는 것을 방지하는지에 대한 많은 논의가 있었다. 장 부리당은 14세기에 항구가 봉인되었을 때 10마리의 말이 힘을 합쳐도 풀무를 열 수 없었다고 보고했다.^[8]

크룩스관은 음극선을 발견하고 연구하는 데 사용되었으며, 게슬러관의 진화된 형태였다.

17세기에는 부분 진공 측정을 정량화하려는 최초의 시도가 있었다.^[17] 1643년 에반젤리스타 토리첼리의 수은 기압계와 블레즈 파스칼의 실험은 모두 부분 진공을 보여주었다.

1654년 오토 폰 게리케는 최초의 진공 펌프를 발명했다.^[18] 그리고 그의 유명한 마그데부르크 반구 실험을 통해 반구 외부의 대기압으로 인해 공기가 부분적으로 배출된 두 개의 반구를 말들이 힘을 합쳐도 분리할 수 없다는 것을 보여주었다. 로버트 보일은 게리케의 설계를 개선했고, 로버트 훅의 도움을 받아 진공 펌프 기술을 더욱 발전시켰다. 그 후 1850년 아우구스트 퇴플러가 퇴플러 펌프를 발명하고 1855년 하인리히 게슬러가 수은 변위 펌프를 발명하여 약 10 Pa(0.1 토르)의 부분 진공을 달성할 때까지 부분 진공에 대한 연구는 중단되었다. 이러한 진공 수준에서는 여러 가지 전기적 특성이 관찰 가능해져서 추가 연구에 대한 관심이 다시 높아졌다.

3. 2. 이론물리학의 진공

이론물리학에서 진공은 에너지가 0인 상태를 뜻한다. 에너지가 0이 아니지만 진공과 비슷한 성질을 가진 상태를 가짜 진공(false vacuum)이라 부른다. 물리학의 양자 마당 이론에서의 진공은 매질이다. 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 아주 짧은 시간 동안 에너지의 요동이 있어 입자가 쌍생성되고 쌍소멸한다. 이때 지나가는 빛은 영향을 받는다.

일반 상대성 이론에서 응력-에너지 텐서가 0이면, 아인슈타인 장 방정식을 통해 리치 텐서의 모든 성분이 0이 됨을 의미한다. 진공이라고 해서 시공간의 곡률이 반드시 평평하다는 것을 의미하지는 않는다. 중력장은 여전히 진공 상태에서 기조력과 중력파의 형태로 곡률을 생성할 수 있다(기술적으로 이러한 현상은 웨일 텐서의 성분이다). 블랙홀(전하가 0인 경우)은 완전히 "진공으로" 채워져 있지만 여전히 강한 곡률을 보이는 영역의 좋은 예이다.

자발적 파라메트릭 다운 변환을 통해 증폭된 진공 요동(붉은 고리 안)을 보여주는 실험 영상.

양자 역학과 양자장 이론에서 진공은 가장 낮은 에너지를 가진 상태(즉, 이론의 방정식에 대한 해)로 정의된다(기저 상태). 양자 전기 역학에서는 이 진공을 'QED 진공'이라고 하여 양자 색역학의 진공인 QCD 진공과 구별한다. QED 진공은 물질 입자가 없고(따라서 이름이 그렇다), 광자가 없는 상태이다. 위에서 설명했듯이, 이 상태는 실험적으로 달성하기 어렵다.(어떻게든 한 부피에서 모든 물질 입자를 제거할 수 있다고 해도, 모든 흑체 광자를 제거하는 것은 불가능하다.) 그럼에도 불구하고, 그것은 실현 가능한 진공에 대한 좋은 모델을 제공하며, 다음에 설명하는 여러 실험적 관찰과 일치한다.

QED 진공은 흥미롭고 복잡한 특성을 가지고 있다. QED 진공에서 전기장과 자기장은 평균값이 0이지만, 분산은 0이 아니다.^[32] 그 결과, QED 진공에는 진공 요동(존재와 소멸을 반복하는 가상 입자)과 진공 에너지라고 하는 유한한 에너지가 포함되어 있다. 진공 요동은 양자장 이론의 필수적이고 어디에나 존재하는 부분이다. 진공 요동의 실험적으로 검증된 효과에는 자발 방출과 램 이동이 있다.^[14] 쿨롱의 법칙과 전하 근처 진공에서의 전위는 수정된다.^[33]

이론적으로 QCD에서는 여러 진공 상태가 공존할 수 있다.^[34] 우주 인플레이션의 시작과 끝은 서로 다른 진공 상태 간의 전이에서 비롯된 것으로 생각된다. 고전 이론의 양자화를 통해 얻은 이론의 경우, 구성 공간에서 에너지의 각 정상점은 단일 진공을 생성한다. 끈 이론은 수많은 진공을 가지고 있는 것으로 여겨진다(소위 끈 이론 랜드스케이프).

; 고전론에서의 절대 진공

고전론에서 진공은 물질이 존재하지 않고 압력이 0인 가상적인 상태, 즉 "아무것도 없는 상태"이다. '''절대 진공'''이라고도 한다. 이는 개념적인 것이며, 실제로 실현 가능한 것은 아니다.

; 양자론에서의 진공 상태

양자론에서 진공은 결코 "아무것도 없는" 상태가 아니다. 예를 들어 항상 전자와 양전자의 가상입자로서의 쌍생성이나 쌍소멸이 일어나고 있다.^[59]

폴 디랙은 진공을 음의 에너지를 가진 전자가 빽빽하게 채워진 상태(디랙의 바다)로 생각했지만,^[60] 후대의 물리학자들에 의해 이 개념(공공 이론)은 확장되고, 해석의 재검토가 이루어지고 있다.

현재의 장의 양자론에서는 진공은 충분한 저온 상태를 가정할 경우 그 물리계의 최저 에너지 상태로 정의된다. 입자가 존재하여 운동하고 있다면, 그 에너지가 더 있는 것이므로, 그것은 최저 에너지 상태가 아니다. 따라서 충분한 저온 상태에서는 입자가 하나도 없는 상태가 진공이다. 단, 장의 기대값은 0이 아닌 값을 가질 수 있다. 그것을 진공 기대값이라고 한다. 예를 들어 히그스 장이 0이 아닌 값을 가지고 있는 것이 전자에 질량이 있는 원인이 되고 있다.

3. 3. 실험과학의 진공

입자가 전혀 없는 공간을 실험적으로 만들 수 없으므로, 대기압보다 낮은 압력을 가진 계는 모두 진공이라고 부른다. 역사적으로 진공의 존재 가능성에 대한 논쟁이 많았다. 고대 그리스 철학자들은 원자론의 맥락에서 진공 또는 공허의 존재에 대해 논쟁했는데, 원자론은 진공과 원자를 물리학의 기본적인 설명 요소로 제시했다. 알렉산드리아의 헤론은 기원후 1세기에 인공 진공을 만들려고 시도했지만 성공하지 못했다.^[8]

플라톤은 특징 없는 공허라는 추상적인 개념조차 감각으로 파악할 수 없고, 추가적인 설명력을 제공할 수 없으며, 정의상 아무것도 아니기 때문에 존재한다고 말할 수 없다고 보았다. 아리스토텔레스는 더 조밀한 주변 물질 연속체가 진공을 일으킬 수 있는 초기 희소성을 즉시 채울 것이기 때문에 자연적으로 진공이 발생할 수 없다고 믿었다. 그의 저서 ''물리학'' 제4권에서 아리스토텔레스는 진공에 반대하는 여러 주장을 제시했다.^[8]

중세 이슬람 세계에서 물리학자이자 이슬람 학자였던 알파라비는 10세기에 진공의 존재를 거부하는 논문을 썼다.^[9] 그는 공기의 부피가 사용 가능한 공간을 채우기 위해 팽창할 수 있으며, 따라서 완벽한 진공의 개념은 모순된다고 결론지었다.^[10] 아마드 달랄에 따르면 알비루니는 "진공의 가능성을 배제하는 관찰 가능한 증거는 없다"고 말했다.^[11] 흡입 펌프는 13세기에 아랍 엔지니어 알자자리에 의해 설명되었고, 나중에 15세기부터 유럽에 등장했다.^[12]^[13]

13세기와 14세기의 학자인 로저 베이컨, 파르마의 블라시우스, 월터 버리 등은 진공의 개념과 관련된 문제에 상당한 관심을 기울였다. 자연은 진공을 싫어한다는 일반적인 견해는 ''공포의 진공''이라고 불렸다. 심지어 신조차 원한다면 진공을 만들 수 없다는 추측이 있었고, 신의 능력에 제한이 없어야 한다고 요구한 1277년 파리의 단죄는 신이 원한다면 진공을 만들 수 있다는 결론으로 이어졌다.^[14]

진공의 개념에 대한 중세의 사고 실험은 두 개의 평평한 판이 빠르게 분리될 때, 아주 짧은 순간이라도 진공이 존재하는지 여부를 고려했다.^[16] 장 부리당은 14세기에 항구가 봉인되었을 때 10마리의 말이 힘을 합쳐도 풀무를 열 수 없었다고 보고했다.^[8]

17세기에는 부분 진공 측정을 정량화하려는 최초의 시도가 있었다.^[17] 1643년 에반젤리스타 토리첼리의 수은 기압계와 블레즈 파스칼의 실험은 모두 부분 진공을 보여주었다.

1654년 오토 폰 게리케는 최초의 진공 펌프를 발명했다.^[18] 그리고 그의 유명한 마그데부르크 반구 실험을 통해 반구 외부의 대기압으로 인해 공기가 부분적으로 배출된 두 개의 반구를 말들이 힘을 합쳐도 분리할 수 없다는 것을 보여주었다. 로버트 보일은 게리케의 설계를 개선했고, 로버트 훅의 도움을 받아 진공 펌프 기술을 더욱 발전시켰다. 그 후 1850년 아우구스트 퇴플러가 퇴플러 펌프를 발명하고 1855년 하인리히 게슬러가 수은 변위 펌프를 발명하여 약 10 Pa(0.1 토르)의 부분 진공을 달성할 때까지 부분 진공에 대한 연구는 중단되었다.

3. 4. 고전적인 전자기파의 관점에서의 진공

고전적인 전자기파의 관점에서, 진공은 전자기파의 효과가 일어나는 표준이 되는 매질이라고 생각한다. 몇몇 과학자들은 이 표준을 고전 진공이라고도 부른다.^[21]

고전 전자기학 이론에서 자유 공간 혹은 완전 진공은 다음과 같은 특성을 갖는다.^[21]^[22]

전자기파는 SI 단위에서 정의된 빛의 속도인 299,792,458 m/s로 움직인다.^[26]
중첩 원리는 항상 정확하게 성립한다.^[27] 예를 들어, 두 전하가 생성하는 전위는 각 전하가 단독으로 생성하는 전위의 단순한 합이다. 이 두 전하 주변의 임의의 지점에서 전기장의 값은 각 전하가 단독으로 작용할 때의 두 전기장의 벡터 합을 계산하여 구한다.
유전율과 투자율은 정확하게 전기 상수 ε₀^[28] 및 자기 상수 μ₀^[29] 이다 (SI 단위에서). 가우스 단위에서는 정확히 1이다.
특성 임피던스 (η)는 자유 공간의 임피던스 Z₀ ≈ 376.73 Ω와 같다.^[30]

고전 전자기학의 진공은 본질 관계가 SI 단위로 다음과 같이 표현되는 이상적인 전자기 매질로 볼 수 있다.^[31]

:

\boldsymbol D(\boldsymbol r,\ t) = \varepsilon_0 \boldsymbol E(\boldsymbol r,\ t)\,

:

\boldsymbol H(\boldsymbol r,\ t) = \frac{1}{\mu_0} \boldsymbol B(\boldsymbol r,\ t)\,

이는 전기 변위장 '''D'''를 전기장 '''E'''에, 그리고 자기장 또는 ''H''-장 '''H'''를 자기 유도 또는 ''B''-장 '''B'''에 관련짓는다. 여기서 '''r'''은 공간 위치이고 t는 시간이다.

유전율과 투자율은 전자기파가 지나는 매질의 특성으로 전자기장이 매질에게 영향을 미칠 때 매질의 반응을 나타내는 척도이다. 일반적으로 전기장이 어떤 매질을 통과할 때 전기장에 의해 매질을 이루는 분자들에 분극현상이 일어나게 되어 매질 내에서 전기장의 세기는 외부에서 준 전기장의 세기보다 작다. 이 때 분극 현상에 의한 전기장과 외부에서 걸어준 전기장의 크기를 이용해서 나오는 전기장의 벡터를 '''D(r,t)'''라고 하면 아래와 같이 된다.

:

\varepsilon = \frac{\boldsymbol D(r ,\ t)}{\boldsymbol E(r ,\ t)}

또한 투자율이란 자기장이 얼마나 쉽게 물질을 통과하는 지에 관한 물리량으로써, 투자율의 의미는 가한 자기장의 강도대비 실제로 통과하는 자속밀도로 정의된다.

즉 다음과 같이 된다.

:

\mu = \frac{\boldsymbol B(r ,\ t)}{\boldsymbol H(r ,\ t)}

4. 진공의 측정

진공은 일반적으로 절대압력으로 측정되지만, 온도와 화학적 조성과 같은 추가적인 매개변수도 고려해야 한다. 잔류 기체의 평균 자유 행로(MFP)는 분자가 서로 충돌하기 전에 이동하는 평균 거리를 나타내는 중요한 매개변수이다.

진공의 질은 달성하거나 측정하는 데 필요한 기술에 따라 여러 범위로 나뉜다. ISO 3529-1:2019에 정의된 범위는 다음과 같다(100 Pa는 0.75 Torr에 해당하며, Torr는 SI 단위가 아님).^[78]^[79]

압력 범위	정의	범위 정의에 대한 이유 (일반적인 상황)
대기압(31 kPa ~ 110 kPa) ~ 100 Pa	저진공(조진공)	일반 강철과 같은 간단한 재료와 양정 진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 점성 흐름 영역
100 Pa 미만 ~ 0.1 Pa	중진공(미진공)	정교한 재료(예: 스테인리스강)와 양정 진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 천이 흐름 영역
0.1 Pa 미만 ~ 10^-6 Pa	고진공(HV)	정교한 재료(예: 스테인리스강), 엘라스토머 씰링 및 고진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 분자 흐름 영역
10^-6 Pa 미만 ~ 10^-9 Pa	초고진공(UHV)	정교한 재료(예: 저탄소 스테인리스강), 금속 씰링, 특수 표면 처리 및 세척, 베이크아웃 및 고진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 분자 흐름 영역
10^-9 Pa 미만	극고진공(XHV)	정교한 재료(예: 진공 소성 저탄소 스테인리스강, 알루미늄, 구리-베릴륨, 티타늄), 금속 씰링, 특수 표면 처리 및 세척, 베이크아웃 및 추가 게터 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 분자 흐름 영역

'''대기압'''은 변하지만 101.325 kPa는 일반적인 표준 또는 기준 압력이다.
'''완전 진공'''은 전혀 입자가 없는 이상적인 상태이다.

진공은 일반적으로 지구의 주변 대기압을 기준으로 한 상대적인 측정으로, 압력 단위로 측정된다.

진공의 정도를 측정하는 것은 공간에 존재하는 원자·분자에 의해 기체분자운동론적으로 발생하는 압력을 측정하는 것이다. 진공을 처음으로 측정한 것은 1643년, 에반젤리스타 토리첼리가 발명한 수은기압계(水銀気圧計)였다. 현재는 대기압부터 약 16자리에 이르는 넓은 범위를 측정할 수 있게 되었다. 진공계는 측정 원리에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 측정 영역에 접하고 있는 고체 표면에 대해 기체 분자가 미치는 힘을 직접 측정하는 절대압 측정형이고, 다른 하나는 기체 분자의 밀도에 따라 변화하는 물리량(열이나 전류)을 측정하여 압력으로 환산하는 분자 밀도형이다.

진공의 압력 측정에는 필요한 진공의 범위에 따라 다양한 장치가 사용된다.^[38]

'''정역학 진공계''': 다른 압력에 노출되어 있는 액체의 기둥으로 구성되어 있다. 1 torr부터 대기압 이상까지의 압력을 측정할 수 있다. 맥라우드 진공계는 최대 10⁻⁶ torr(0.1 mPa)의 높은 진공을 측정할 수 있다.^[39]
'''기계 진공계'''(탄성압력계): 부르동 관, 격판, 또는 금속으로 만들어진 캡슐 등에 의존한다.
'''열전도 진공계''': 압력의 감소에 따라 기체가 열을 더 잘 전달한다는 사실에 기반한다. 피라니 진공계가 일반적인 예시이다.
'''이온화 게이지''': 초고진공에 사용된다. 열 음극과 냉 음극의 두 가지 유형이 있다. 열 음극 버전에서는 가열된 필라멘트가 전자빔을 생성하고, 냉 음극 버전에서는 고전압 방전으로 전자가 생성된다.^[41]

4. 1. 진공의 질

진공의 질은 그 계 안에 남아 있는 물질의 양으로 결정되므로, 고품질 진공은 매우 적은 양의 물질이 남아 있는 상태를 의미한다. 진공은 주로 절대압력으로 측정되지만, 온도나 화학적 조성과 같은 다른 요소들도 함께 고려해야 한다. 중요한 요소 중 하나는 남아 있는 기체 분자들이 서로 충돌하기 전까지 이동하는 평균 거리인 평균 자유 행로(MFP)이다. 기체의 밀도가 낮아질수록 평균 자유 경로는 증가하며, 평균 자유 경로가 방, 펌프, 우주선 등 진공이 있는 공간보다 길어지면 유체 역학의 연속체 가정이 성립하지 않는다. 이러한 진공 상태를 고진공이라고 하며, 이 영역에서의 유체 흐름 연구를 기체 입자 역학이라고 한다. 대기압에서 공기의 평균 자유 경로는 70nm로 매우 짧지만, 상온, 100mPa에서의 공기의 평균 자유 경로는 100mm 정도로 길다. 크룩스 방사계는 날개 길이가 평균 자유 경로보다 작을 때 작동한다.^[78]^[79]

진공의 질은 진공을 생성하거나 측정하는 기술에 따라 여러 범위로 나뉜다. 일반적인 분포는 다음과 같다.

	압력 (Torr)	압력 (Pa)
대기압	760	101.3 kPa
저진공	760 to 25	100 kPa ~ 3 kPa
중진공	25 to 1×10⁻³	3 kPa ~ 100 mPa
고진공	1×10⁻³ ~ 1×10⁻⁹	100 mPa ~ 100 nPa
초고진공	1×10⁻⁹ ~ 1×10⁻¹²	100 nPa ~ 100 pPa
극히 높은 진공	<1×10⁻¹²	<100 pPa
우주 공간	1×10⁻⁶ ~ <3×10⁻¹⁷	100 µPa ~ <3fPa
완전한 진공	0	0 Pa

'''대기압'''은 101.325 kPa (760 Torr)로 표준화되어 있다.
'''저진공'''은 진공 청소기나 액주식 압력계 등의 기초적인 장치로 만들거나 측정할 수 있는 진공이다.
'''중진공'''은 펌프로 만들 수 있지만, 액체나 기계 압력계로 측정하기에는 압력이 너무 낮다. 맥라우드 진공계, 열전대 진공계 또는 정전용량 진공계로 측정할 수 있다.
'''고진공'''은 기체의 평균 자유 경로가 기체가 있는 공간의 크기보다 긴 진공이다. 고진공은 보통 다단계 펌핑이나 이온 진공계 측정을 필요로 한다.
'''초고진공'''은 기체가 들어 있는 방을 가열하여 기체를 제거하는 과정과 다른 특별한 과정을 거쳐야 만들어진다. 영국과 독일의 기준은 10^-6 Pa (10^-8 Torr) 이하의 압력을 초고진공으로 정의한다.^[80]^[81]
'''우주 공간'''은 일반적으로 인공적인 진공보다 더 진공에 가깝다. 깊은 우주는 우주의 어떤 부분을 기준으로 하는가에 따라 고진공보다 더 높거나 낮은 진공일 수 있다. 예를 들어, 행성 간 공간의 평균 자유 경로는 태양계의 크기보다 작지만 작은 행성이나 위성보다는 크다. 따라서 태양풍은 태양계 규모에서는 연속적인 흐름으로 보이지만, 지구와 달에 대해서는 입자들의 폭격으로 인식된다.
'''완전한 진공'''은 아무런 입자도 존재하지 않는 이상적인 상태이다. 매우 짧은 시간 동안, 매우 작은 부피의 공간에서 일어날 수는 있지만, 실험실에서는 얻을 수 없다. 모든 물질 입자가 제거된다 하더라도 광자, 중력자, 암흑 에너지, 가상 입자 등이 남아 있기 때문이다.

일본산업규격(JIS)에서는 진공을 “일반적인 대기압보다 낮은 압력의 기체로 채워진 공간 내의 상태”라고 정의한다.

진공 상태는 진공펌프를 사용하여 용기 내부의 기체를 배출함으로써 얻을 수 있다. 진공도는 대상 공간에 존재하는 기체 원자·분자가 외벽에 미치는 압력으로 표시된다. 단위는 Torr(토르)가 사용되어 왔지만, 국제단위계로 통일됨에 따라 Pa(파스칼)로 전환되고 있다. 1 atm=1.01325×10⁵ Pa=760 Torr이다. 진공도는 용어의 이미지와 표현이 반대이므로 주의가 필요하다(예: 진공도가 높다(높은 수준의 진공도이다)＝압력이 낮다).

일반적인 압력과 마찬가지로 게이지압과 절대 진공도가 있으며, 각각 소위 게이지압과 절대압에 해당한다. 섭씨 온도(℃)와 절대 온도(K)와 마찬가지로, 대기압을 0Pa로 하여 그로부터의 변위량을 나타낸 것이 게이지압이다. 절대 진공을 0Pa로 하여 그로부터의 누적량을 나타낸 것이 절대 진공도이다.

단, 게이지압 진공도의 경우, 소위 게이지압으로 진공 상태를 “게이지압 −100kPa”와 같이 음의 값으로 나타내는 경우와, 다른 단위로 취급하여 “게이지압 진공도 100kPa”와 같이 양의 값으로 나타내는 경우, 또한 “게이지압 진공도 −100kPa”와 같이 나타내는 경우가 있으므로, 사양 확인 시 절대 진공도인지 여부와 함께 확인할 필요가 있다. 절대 진공도의 경우에는 “1.33×10^-7kPa'''(abs)'''”와 같이 주석이 들어가는 경우가 있다.

;ISO에서의 진공 영역의 구분

ISO 3529-1에서는 진공을 압력 영역에 따라 다음과 같이 구분하고 있다.

영역	영어명	압력 범위	지구 대기에서 동등한 기압의 고도
저진공	Low Vacuum	100 kPa～100 Pa	지상～약 60 km
중진공	Medium Vacuum	100 Pa～0.1 Pa	약 60 km～약 90 km
고진공	High Vacuum	0.1 Pa～10^-5 Pa	약 90 km～약 250 km
초고진공	Ultra-high Vacuum	10^-5 Pa이하	약 250 km～

이 초고진공보다 진공도가 높은 영역(주로 10^-8 또는 10^-9 Pa 이하)을 '''극고진공'''(Extreme High Vacuum, XHV)이라는 용어를 사용하는 경우도 있지만, ISO에서는 정의되어 있지 않다.

기체는 매우 많은 분자로 이루어져 있으며, 0℃, 1기압의 공기라면 1cm³에 포함된 기체 분자의 수는 2.69×10¹⁹개이다. 온도가 일정하다면 단위 체적당 기체 분자의 수는 압력에 비례한다. 일반적으로 정지궤도 위성 궤도 정도의 고도(100,000 km)라면 공기가 전혀 없다고 생각되기 쉽지만, 이 고도에서도 압력은 존재(10^-13 Pa 정도)하며 1cm³의 공간에 수십 개의 기체 분자가 존재한다.

진공에서는 1기압의 기체와 달리 압력 영역에 따라 기체의 거동이 달라진다. 기체는 1기압에서는 연속 유체로 취급되지만, 엄밀하게는 제멋대로 날아다니는 분자들의 집합이다. 분자는 작지만 크기를 가지고 있기 때문에, 이동 중에 다른 분자와 충돌한다. 충돌함으로써 방향과 속도를 바꾸고, 다시 다른 분자와 충돌한다. 이 충돌에서 충돌까지의 거리의 평균을 평균자유행정(mean free path)이라고 한다. 평균자유행정은 기체 분자의 직경을 D, 분자 밀도를 n이라고 하면 D와 n에 반비례한다.

기준으로 공기의 평균자유행정은 실온, 에서 약 5cm이다. 용기 표면에 충돌하는 기체 분자의 수는 그곳에 존재하는 기체 분자의 밀도와 분자의 열운동 평균 속도에 비례한다. 이들은 분자 유동 영역에서의 진공 배기나 박막 형성 시 매우 중요한 값이 된다.

기체가 존재하면 기체 분자들이 운동에 의해 움직이며, 이들의 충돌에 의해 부딪힌 대상에 기체 분자 무게에 따른 충격이 가해진다. 기체 내에 벽이 있어도 마찬가지이며, 기체 분자는 항상 벽에 충돌하고, 그 충격에 의해 벽에 힘이 가해진다. 그 힘을 단위 면적으로 나눈 힘이 압력이다.

JIS에서는 “공간 내 어떤 점을 포함하는 가상의 미소 평면을 양쪽 방향에서 통과하는 분자에 의해, 단위 면적당, 단위 시간에 수송되는 운동량의 면에 수직인 성분의 총합. 공간 내에 정상적인 기체의 흐름이 있을 때는, 흐름의 방향에 대해 면의 기울기를 규정한다.”라고 되어 있다.

진공에서는 압력의 단위는 국제단위계에서 Pa(파스칼)로 표시되지만, 토리첼리의 진공 발견의 공적에 따라 토르(Torr)는 옛날부터 사용되어 왔고, 오래된 서적이나 옛 방식의 진공 기술자는 지금도 사용하고 있다.

진공 배기된 진공 챔버는 내부의 분자량이 감소하여 외부로부터의 힘이 커지기 때문에 항상 외부로부터 차압을 받게 된다. 대부분의 진공 장치는 100 Pa 이하로 배기되므로, 사실상 1기압의 힘을 받게 된다.

진공 장치에서는 진공 챔버와 진공 펌프를 연결하는 배관이 필요하다. 이 배관은 진공 배기를 할 경우 저항으로 작용하여 배기 속도를 늦추는 요인이 된다. 이 배관에 의한 저항의 역수를 컨덕턴스라고 한다. 따라서 컨덕턴스는 기체의 흐름의 용이함을 나타낸다.

컨덕턴스는 압력이 다른 용기(각각의 압력을 P₁, P₂라고 한다.)를 연결하는 배관이 있을 경우, 그 연결된 배관에는 유량 Q가 발생한다. 이 경우의 배관의 컨덕턴스는

C = Q / (P₁ - P₂)

로 나타낸다.

평균 자유 행정은 분자 밀도에 반비례한다. 분자 밀도는 압력에 비례하므로 압력에도 반비례하며, 압력이 저하되면 평균 자유 행정이 길어진다. 이 평균 자유 행정 λ를 진공 장치의 대표적인 길이 L로 나눈 값 Kn을 크누센 수라고 한다.

Kn = λ / L

Kn이 0.3 이상, 평균 자유 행정이 진공 공간의 벽(예를 들어 진공 챔버의 벽) 사이의 거리의 30배보다 커지면 분자 간의 충돌이 아니라 대부분 분자와 벽의 충돌이 된다. 이러한 영역을 분자 유동 영역(molecular flow region)이라고 한다.

이에 비해 분자끼리 충분히 충돌하고 있는 영역(크누센 수 < 0.01)을 점성 유동 영역(viscous flow region)이라고 한다. 점성 유동 영역의 기체는 연속 유체로 생각할 수 있다.

크누센 수가 0.01~0.3인 경우는 중간 유동 영역(intermediate flow region)이라고 하며, 분자 유동의 성질과 점성 유동의 성질이 복잡하게 얽힌 거동을 보인다.

4. 2. 진공계

진공은 압력의 단위로 측정되며, 보통 지구의 대기압에 대해 상대적으로 측정된다.

'''정역학 진공계'''는 다른 압력에 노출되어 있는 액체의 기둥으로 구성되어 있다. 그 기둥은 각각의 끝 부분의 압력 차에 의해 그 무게가 평형을 이룰 때까지 높이가 유동적으로 움직인다. 정역학 진공계는 1 torr부터 대기압 이상까지의 압력을 측정할 수 있다. 정역학 진공계의 변형 중 중요한 맥라우드 진공계는 부피를 이미 알고 있는 진공을 격리하고 액체 기둥의 높이 변화를 늘릴 수 있게 압축한다. 맥라우드 진공계는 10⁻⁶ torr (0.1 mPa)만큼 높은 진공을 측정할 수 있으며, 이것은 현재 기술로 직접적으로 측정할 수 있는 가장 낮은 압력이다. 다른 진공계들은 더 낮은 압력도 측정할 수 있지만, 다른 압력에 의해 조절되는 성질들에 의해 간접적으로 측정할 수 있을 뿐이다. 이런 간접적인 측정은 직접적인 측정을 통해 영점조절이 돼야 하며 보통 맥라우드 진공계가 거기에 사용된다.^[82]

'''기계 진공계'''(Mechanical gauge) 또는 탄성압력계는 부르동 관, 격판, 또는 보통 금속으로 만들어져 있는 우리가 측정하려는 곳의 압력에 의해 모습이 바뀌는 캡슐 등에 의존한다. 이 아이디어의 변형으로 만들어진 것이 격판이 각각의 축전기를 구성하는 정전 압력계(capacitance manometer)이다. 압력의 변화는 격판에 굴곡을 형성하고 이것은 축전기를 변화시킨다. 이 진공계들은 10⁺³ torr부터 10⁻⁴ torr까지와 그 보다 더 높은 값들을 측정할 수 있다.

'''열전도 진공계'''는 압력의 감소에 따라 기체가 열을 더 잘 전달한다는 사실에 기반한다. 이런 종류의 측정기에서는 와이어 필라멘트가 그에 흐르는 전류에 의해 가열된다. 열전대 또는 저항측온기(RTD)는 그 필라멘트의 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 온도는 필라멘트가 근처의 기체들에 열을 빼앗기는 속도에 관계되어 있기에, 결국 열전도도에 관련이 있다. 일반적인 변종(variant)은 피라니 진공계로 하나의 플라티늄 필라멘트를 가열된 원소, RTD 이 두 가지로 사용한다. 이 측정기들은 10 torr to 10⁻³ torr까지의 압력 하에 정확하나, 이 측정기들은 측정되는 기체의 구성성분에 의해 영향을 받는다.

'''이온화 게이지'''는 초고진공에 사용된다. 이것은 열 음극과 냉 음극의 두 가지 유형이 있다. 열 음극 버전에서는 전기적으로 가열된 필라멘트가 전자빔을 생성한다. 전자는 게이지를 통과하여 주변의 기체 분자를 이온화한다. 생성된 이온은 음극에서 수집된다. 전류는 이온의 수에 따라 달라지며, 이는 게이지의 압력에 따라 달라진다. 열 음극 게이지는 10⁻³ torr에서 10⁻¹⁰ torr까지 정확하다. 냉 음극 버전의 원리는 동일하지만, 전자는 고전압 방전으로 생성된 방전에서 생성된다. 냉 음극 게이지는 10⁻² torr에서 10⁻⁹ torr까지 정확하다. 이온화 게이지 보정은 구조 기하학, 측정되는 기체의 화학적 조성, 부식 및 표면 침착물에 매우 민감하다. 대기압 또는 저진공에서 활성화되면 보정이 무효화될 수 있다. 고진공에서 기체의 조성은 일반적으로 예측할 수 없으므로 정확한 측정을 위해서는 이온화 게이지와 함께 질량 분석계가 사용되어야 한다.^[83]

진공의 질은 계 내에 남아 있는 물질의 양으로 나타내므로, 고품질 진공은 매우 적은 물질이 남아 있는 것을 의미한다. 진공은 주로 절대압력으로 측정되지만, 완전한 특성 분석에는 온도와 화학적 조성과 같은 추가적인 매개변수가 필요하다. 가장 중요한 매개변수 중 하나는 잔류 기체의 평균 자유 행로(MFP)로, 분자가 서로 충돌하는 사이에 이동하는 평균 거리를 나타낸다.

진공의 질은 달성하거나 측정하는 데 필요한 기술에 따라 범위로 세분화된다.

압력 범위	정의	범위 정의에 대한 이유(일반적인 상황)
대기압(31 kPa ~ 110 kPa) ~ 100 Pa	저진공(조진공)	일반 강철과 같은 간단한 재료와 양정 진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 점성 흐름 영역
100 Pa 미만 ~ 0.1 Pa	중진공(미진공)	정교한 재료(예: 스테인리스강)와 양정 진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 천이 흐름 영역
0.1 Pa 미만 ~ 10^-6 Pa	고진공(HV)	정교한 재료(예: 스테인리스강), 엘라스토머 씰링 및 고진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 분자 흐름 영역
10^-6 Pa 미만 ~ 10^-9 Pa	초고진공(UHV)	정교한 재료(예: 저탄소 스테인리스강), 금속 씰링, 특수 표면 처리 및 세척, 베이크아웃 및 고진공 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 분자 흐름 영역
10^-9 Pa 미만	극고진공(XHV)	정교한 재료(예: 진공 소성 저탄소 스테인리스강, 알루미늄, 구리-베릴륨, 티타늄), 금속 씰링, 특수 표면 처리 및 세척, 베이크아웃 및 추가 게터 펌프로 압력을 달성할 수 있다. 기체의 분자 흐름 영역

'''대기압'''은 변하지만 101.325kPa는 일반적인 표준 또는 기준 압력이다.
'''완전 진공'''은 전혀 입자가 없는 이상적인 상태이다.

진공의 압력 측정에는 필요한 진공의 범위에 따라 다양한 장치가 사용된다.^[38]

'''수주계'''(수은 컬럼 압력계와 같은)는 양 끝이 서로 다른 압력에 노출된 관 속의 수직 기둥 형태의 액체로 구성된다. 가장 간단한 설계는 한쪽 끝이 측정 대상 영역에 연결된 폐쇄형 U자형 관이다. 어떤 유체도 사용할 수 있지만, 높은 밀도와 낮은 증기압으로 인해 수은이 선호된다. 간단한 수주계는 1 torr(100 Pa)에서 대기압 이상의 압력을 측정할 수 있다. 중요한 변형으로는 진공의 알려진 부피를 분리하여 액체 기둥의 높이 변화를 증폭시키는 맥리오드 압력계가 있다. 맥리오드 압력계는 최대 10⁻⁶ torr(0.1 mPa)의 높은 진공을 측정할 수 있는데, 이는 현재 기술로 가능한 최저 직접 압력 측정값이다. 다른 진공계는 더 낮은 압력을 측정할 수 있지만, 다른 압력 제어 특성을 간접적으로 측정하여 측정한다. 이러한 간접 측정은 대부분 맥리오드 압력계를 통해 직접 측정을 통해 보정해야 한다.^[39]

'''기계식''' 또는 '''탄성식''' 게이지는 보통 금속으로 만들어진 부르돈관, 다이어프램 또는 캡슐에 의존하는데, 이는 해당 영역의 압력에 따라 모양이 변한다. 이 아이디어의 변형은 다이어프램이 커패시터의 일부를 구성하는 '''커패시턴스 압력계'''이다. 압력 변화는 다이어프램의 굴곡을 유발하여 커패시턴스 변화를 초래한다. 이러한 게이지는 10³ torr에서 10⁻⁴ torr 이상에서 효과적이다.

'''열전도도''' 게이지는 기체의 열전도율이 압력에 따라 감소한다는 사실에 의존한다. 이 유형의 게이지에서는 전류를 흘려서 와이어 필라멘트를 가열한다. 그런 다음 열전대 또는 저항 온도 검출기(RTD)를 사용하여 필라멘트의 온도를 측정할 수 있다. 일반적인 변형은 가열 요소와 RTD 모두로 단일 백금 필라멘트를 사용하는 피라니 게이지이다. 이러한 게이지는 10 torr에서 10⁻³ torr까지 정확하지만 측정되는 기체의 화학적 조성에 민감하다.

'''이온화 게이지'''는 초고진공에 사용된다. 이것은 열 음극과 냉 음극의 두 가지 유형이 있다. 열 음극 버전에서는 전기적으로 가열된 필라멘트가 전자빔을 생성한다. 전자는 게이지를 통과하여 주변의 기체 분자를 이온화한다. 생성된 이온은 음극에서 수집된다. 전류는 이온의 수에 따라 달라지며, 이는 게이지의 압력에 따라 달라진다. 열 음극 게이지는 10⁻³ torr에서 10⁻¹⁰ torr까지 정확하다. 냉 음극 버전의 원리는 동일하지만, 전자는 고전압 방전으로 생성된 방전에서 생성됩니다. 냉 음극 게이지는 10⁻² torr에서 10⁻⁹ torr까지 정확하다. 이온화 게이지 보정은 구조 기하학, 측정되는 기체의 화학적 조성, 부식 및 표면 침착물에 매우 민감하다. 대기압 또는 저진공에서 활성화되면 보정이 무효화될 수 있다. 고진공에서 기체의 조성은 일반적으로 예측할 수 없으므로 정확한 측정을 위해서는 이온화 게이지와 함께 질량 분석기가 사용되어야 한다.^[41]

일본산업규격(JIS)에서는 “일반적인 대기압보다 낮은 압력의 기체로 채워진 공간 내의 상태”라고 정의하고 있다.

진공 상태는 진공펌프를 사용하여 용기 내부의 기체를 배기함으로써 얻을 수 있다. 진공도는 대상 공간에 존재하는 기체 원자·분자의 외벽에 미치는 압력으로 표시된다. 단위는 Torr(토르)가 사용되어 왔지만, 국제단위계로 통일됨에 따라 Pa(파스칼)로 전환되고 있다. 1 atm=1.01325×10⁵ Pa=760 Torr이다.

진공도는 용어의 이미지와 표현이 반대이므로 주의가 필요하다(예: 진공도가 높다(높은 수준의 진공도이다)＝압력이 낮다).

일반적인 압력과 마찬가지로 게이지압과 절대 진공도가 있으며, 각각 소위 게이지압과 절대압에 해당한다. 섭씨 온도(℃)와 절대 온도(K)와 마찬가지로, 대기압을 0Pa로 하여 그로부터의 변위량을 나타낸 것이 게이지압이다. 절대 진공을 0Pa로 하여 그로부터의 누적량을 나타낸 것이 절대 진공도이다.

;ISO에서의 진공 영역의 구분

ISO 3529-1에서는 진공을 압력 영역에 따라 다음과 같이 구분하고 있다.

영역	영어명	압력 범위	지구 대기에서 동등한 기압의 고도
저진공	Low Vacuum	100 kPa～100 Pa	지상～약 60 km
중진공	Medium Vacuum	100 Pa～0.1 Pa	약 60 km～약 90 km
고진공	High Vacuum	0.1 Pa～10^-5 Pa	약 90 km～약 250 km
초고진공	Ultra-high Vacuum	10^-5 Pa이하	약 250 km～

이 초고진공보다 진공도가 높은 영역(주로 10^-8 또는 10^-9 Pa 이하)을 '''극고진공'''(Extreme High Vacuum, XHV)이라는 용어를 사용하는 경우도 있지만, ISO에서는 정의되어 있지 않다.

진공의 정도를 측정하는 것은 공간에 존재하는 원자·분자에 의해 기체분자운동론적으로 발생하는 압력을 측정하는 방법에 의한다.

진공을 처음으로 측정한 것은 1643년, 에반젤리스타 토리첼리가 발명한 수은기압계(水銀気圧計)에 의해서였다. 현재까지 많은 진공계가 발명되었지만, 현재는 대기압(大気圧)부터 약 16자리에 이르는 넓은 범위를 측정할 수 있게 되었다. 이러한 진공계는 측정 원리에서 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 측정 영역에 접하고 있는 고체 표면에 대해 기체 분자가 미치는 힘을 직접 측정하는 절대압 측정형(絶対圧計測型), 또 하나는 기체 분자의 밀도에 따라 변화하는 물리량(열이나 전류)을 측정하여 압력으로 환산하는 분자 밀도형(分子密度型)이다.

5. 우주 공간

우주는 매우 낮은 밀도와 압력을 가지고 있으며, 완벽한 진공에 가장 근접한 물리적 근사치이다. 그러나 성간 공간에서도 1세제곱미터당 수소 원자가 몇 개씩 존재하기 때문에 진정으로 완벽한 진공은 없다.^[4]

항성, 행성, 위성은 중력에 의해 대기를 유지하며, 따라서 대기에는 명확하게 구분되는 경계가 없다. 지구의 대기압은 고도 100km에서 32mPa 정도로 떨어진다.^[35] 이는 우주와의 경계에 대한 일반적인 정의인 카르만 선이다. 이 선 너머에서는 태양의 복사압과 태양풍의 동압에 비해 등방성 기체 압력이 빠르게 무시할 만큼 작아지므로, 압력의 정의를 해석하기 어렵게 된다. 이 범위의 열권은 압력, 온도, 구성에 큰 기울기를 가지며, 우주 기상에 따라 크게 변화한다. 천체 물리학자들은 입방 센티미터당 입자 수 단위로 이러한 환경을 설명하는 데 수밀도를 사용하는 것을 선호한다.

하지만 우주의 정의를 충족하지만, 카르만 선 위의 수백 킬로미터 이내의 대기 밀도는 여전히 위성에 상당한 항력을 발생시키기에 충분하다. 대부분의 인공위성은 저궤도라고 불리는 이 영역에서 작동하며, 태양 활동에 따라 2주마다 또는 1년에 몇 번씩 엔진을 가동해야 한다.^[36] 여기서의 항력은 매우 낮아서 이론적으로 태양 돛에 의한 복사압으로 극복할 수 있는데, 이는 행성 간 이동을 위한 제안된 추진 시스템이다.^[37]

관측 가능한 우주 전체는 수많은 광자, 소위 우주 배경 복사로 가득 차 있으며, 그에 상응하는 수많은 중성미자가 존재할 가능성이 매우 높다. 이 복사의 현재 온도는 약 3,000이다.

지구 자기권의 구조 - 완벽한 진공은 아니지만, 하전 입자, 수소, 헬륨, 산소와 같은 자유 원소, 그리고 전자기장으로 가득 찬 희박한 플라스마로 가득 차 있다.

6. 진공의 생성 및 활용

진공은 다양한 공정과 장치에 유용하게 사용된다. 백열전구는 필라멘트의 화학적 분해를 막기 위해 내부를 진공에 가깝게 만들고 아르곤 기체를 채워넣는다. 진공의 화학적 불활성은 전자빔 용접, 냉간 용접, 진공 포장, 진공 튀김 등에 활용된다. 초고진공은 원자 수준의 깨끗한 표면을 유지할 수 있어 관련 연구에 사용된다. 고진공 또는 초고진공은 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있게 하여 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각 등에 사용되며, 이는 반도체와 광학 코팅 제작, 표면 과학에 필수적이다.

백열전구는 보통 아르곤으로 채워진 부분 진공 상태를 유지하며, 이는 텅스텐 필라멘트를 보호한다.

진공은 보온병의 단열, 액체의 끓는점을 낮추고 저온 탈기를 촉진하여 동결 건조, 접착제 준비, 증류, 야금술, 공정 정화에 사용된다. 전자 현미경과 진공관(예: 브라운관)은 진공의 전기적 특성을 이용한다. 진공 차단기는 전기 기기에 사용되며, 진공 아크 공정은 특정 등급의 강철이나 고순도 재료 생산에 산업적으로 중요하다. 공기 마찰의 제거는 플라이휠 에너지 저장과 초원심분리기에 유용하다.

진공은 흡입을 생성하는 데 사용되며, 뉴커먼 증기기관은 피스톤을 구동하기 위해 진공을 사용했다. 19세기에는 이삼바드 킹덤 브루넬의 실험적인 진공 철도에서 견인력을 위해 진공이 사용되었다. 진공 브레이크는 한때 영국에서 기차에 널리 사용되었지만, 역사 철도를 제외하고는 공기 브레이크로 대체되었다.

다기관 진공은 자동차의 부속품을 구동하는 데 사용될 수 있다. 브레이크의 동력 보조를 제공하는 진공 서보가 대표적이다. 과거에는 와이퍼와 오토백 연료 펌프도 진공으로 구동되었다. 일부 항공기 계기(자세 지시계, 방향 지시계)는 진공으로 작동하는데, 초기 항공기에는 전기 시스템이 없었고, 엔진과 외부 벤투리가라는 두 가지 진공원을 쉽게 사용할 수 있었기 때문이다. 진공 유도 용융은 진공 내에서 전자기 유도를 사용한다.

복수기의 진공 유지는 증기 터빈의 효율적인 작동에 중요하며, 증기 제트 에젝터 또는 액체 링 펌프가 사용된다. 복수기 증기 공간에 유지되는 일반적인 진공은 복수기 유형과 주변 조건에 따라 5~15 kPa(절대압) 범위이다.

이 얕은 우물 펌프는 펌프실 내의 대기압을 낮춘다. 대기압은 우물 아래로 확장되며, 감소된 압력을 균형을 맞추기 위해 물을 파이프를 통해 펌프로 밀어 올린다. 지상 펌프실은 물기둥 무게가 대기압을 균형을 이루기 때문에 약 9미터 깊이까지만 효과적이다.

진공 자체는 가치가 없지만, 진공의 특성을 이용함으로써 많은 가치를 창출할 수 있다. 진공의 활용이 활발해진 것은 18세기 이후이며, 20세기, 특히 1960년대 이후로는 산업의 기반 기술로 널리 이용되게 되었다. 활용 예시는 다음과 같다.

진공 척
배수 펌프
주입 장치
동결 건조
진공 용융
진공 증류 건조
진공 소결
진공 포장
진공 포장기

6. 1. 진공 생성

토머스 뉴커먼의 뉴커먼 증기 기관은 밀어내는 압력 대신 빨아들이는 진공을 이용하여 피스톤을 움직였다. 19세기에는 공기압력으로 추진하는 이섬바드 브루넬의 대기선 실험에 사용되었고, 공기 브레이크가 발명되기 전까지 진공 브레이크가 영국의 기차에서 널리 쓰였다.

엔진 연소에 의한 대기압과 엔진 압력 차이로 생기는 매니폴드 진공은 자동차 부품 작동에 도움을 준다. 내연기관 흡입관 압력을 조절하는 진공 서보에서 생기는 부압을 브레이크에 필요한 힘으로 사용하고, 매니폴드 진공으로 와이퍼를 작동시키기도 한다.

진공 펌프는 진공을 이용하여 유체 등을 끌어올리는 펌프이다. 진공을 만드는 방법에는 용기 부피를 늘리는 방법이 있다. 예를 들어 인체가 인위적으로 횡격막을 늘리면 폐 부피가 늘어나 공기가 인체 내로 유입된다. 이러한 인체의 호흡 과정도 진공 펌프라고 볼 수 있다.

하지만 계속해서 용기 부피를 늘리는 것은 쉽지 않다. 대신 폐쇄된 용기 공기를 계속 빼내면 용기 안은 점점 진공이 된다. 이런 방식으로 진공을 만드는 진공 펌프는 과거 한국에서 많이 쓰이던 수동 펌프가 있다. 진공이 된 용기 내 작은 구멍을 통해 유체가 들어오면 작은 구멍을 막고 반대편 구멍을 열어 유체가 나가는 방식이다.

이는 진공 펌프의 기본적인 원리와 일부를 소개한 것이다. 그 외에도 다양한 용적 펌프를 포함한 다른 펌프들이 개발되었다. 실제로 운동량 전달 펌프는 용적 펌프보다 훨씬 좋은 효율을 가진다.

어떤 펌프로 만들 수 있는 최소 압력은 펌프 자체 성능뿐만 아니라 사용되는 펌프 개수에도 의존된다. 많은 펌프들은 직렬로 연결되어 더 좋은 진공을 만들 수 있다. 용기의 기하적 구조, 유입 구멍 크기와 모양, 재질 등 모든 것이 펌프 성능을 좌우한다. 이러한 것들을 통틀어 진공 기술이라고 부른다. 낮은 압력을 만드는 것만이 진공 펌프 성능은 아니다. 낮은 압력을 만드는데 걸리는 시간, 공기가 새는 것을 방지하는 능력 등 여러 요인이 좋은 펌프를 결정한다.

초고진공계에서는 공기가 새는 세밀한 경로나, 아웃게싱이 일어나는 원인 물질 등 많은 것이 고려되어야 한다. 백금족 원소 팔라듐과 알루미늄의 흡습성, 스테인리스 철과 티타늄의 흡착성은 초고진공계를 구성하는데 고려되어야 한다. 기계 구성에 필수적인 윤활유들도 아웃게싱을 일으킬 수 있으므로 고려되어야 한다. 큰 영향력을 행사하지는 않지만, 진공계 용기 벽의 투과성과 이음 부분 플랜지의 이음 방향 역시 고려는 되어야 한다.

최근 만들어진 가장 좋은 진공계가 10⁻¹³ 토르를 형성한다고 한다.^[84] 하지만 극저온 환경에서는 5*10⁻¹⁷ 토르까지도 압력이 내려간다고 한다.^[85]

유체는 일반적으로 끌어올릴 수 없으므로 흡입을 통해 진공을 만들 수 없다. 흡입은 더 높은 압력이 유체를 진공으로 밀어 넣도록 하여 진공을 확산시키고 희석시킬 수 있지만, 흡입이 일어나기 전에 먼저 진공이 생성되어야 한다. 인공 진공을 생성하는 가장 쉬운 방법은 용기의 부피를 확장하는 것이다. 예를 들어, 횡격막 근육은 흉강을 확장하여 폐의 부피를 증가시킨다. 이러한 확장은 압력을 감소시켜 부분 진공을 생성하며, 이는 대기압에 의해 밀려 들어오는 공기로 곧 채워진다.

무한한 성장을 필요로 하지 않고 챔버의 배기를 계속하려면 진공의 구획을 반복적으로 차단하고, 배출하고, 다시 확장할 수 있다. 이것이 수동식 물펌프와 같은 양이동 펌프의 원리이다. 펌프 내부에서 메커니즘은 작은 밀폐된 공간을 확장하여 진공을 생성한다. 압력 차이 때문에 챔버(또는 예시에서 우물)의 유체가 펌프의 작은 공간으로 밀려 들어간다. 그런 다음 펌프의 공간은 챔버로부터 밀폐되고 대기로 열리고 미세한 크기로 다시 압축된다.

위 설명은 진공 펌핑에 대한 간단한 소개일 뿐이며, 사용 중인 모든 펌프의 범위를 대표하는 것은 아니다. 양이동 펌프의 많은 변형이 개발되었으며, 다른 많은 펌프 설계는 근본적으로 다른 원리에 의존한다. 더 높은 압력에서 사용되는 동적 펌프와 약간 유사한 운동량 전달 펌프는 양이동 펌프보다 훨씬 더 높은 품질의 진공을 달성할 수 있다. 포획 펌프는 고체 또는 흡수된 상태에서 기체를 포획할 수 있으며, 종종 움직이는 부품, 밀봉재 및 진동이 없다. 이러한 펌프 중 어느 것도 보편적인 것은 아니며 각 유형에는 중요한 성능 제한이 있다. 이들은 모두 특히 수소, 헬륨 및 네온과 같이 저분자량 기체를 펌핑하는 데 어려움을 공유한다.

시스템에서 달성할 수 있는 최저 압력은 펌프의 특성 외에도 많은 요소에 따라 달라진다. 더 높은 진공을 달성하기 위해 여러 개의 펌프를 직렬로 연결할 수 있는데, 이를 단계라고 한다. 밀봉, 챔버 형상, 재료 및 펌핑 절차의 선택은 모두 영향을 미친다. 이러한 요소들을 통틀어 ''진공 기술''이라고 한다. 그리고 때로는 최종 압력이 유일하게 관련된 특성이 아니다. 펌핑 시스템은 오일 오염, 진동, 특정 기체의 선택적 펌핑, 펌핑 속도, 간헐적 작동 주기, 신뢰성 또는 높은 누출률에 대한 허용 오차가 다르다.

초고진공 시스템에서는 매우 "이상한" 누출 경로와 가스 방출원을 고려해야 한다. 알루미늄과 팔라듐의 수분 흡수는 용납할 수 없는 가스 방출원이 되며, 스테인리스강 또는 티타늄과 같은 경금속의 흡착성도 고려해야 한다. 일부 오일과 그리스는 극한 진공에서 증발한다. 금속 챔버 벽의 투과성을 고려해야 할 수 있으며, 금속 플랜지의 결정 방향은 플랜지 표면과 평행해야 한다.

현재 실험실에서 달성 가능한 최저 압력은 약 10^-13 토르이다.^[42] 그러나 4K 극저온 진공 시스템에서 5*10^-17 토르만큼 낮은 압력이 간접적으로 측정되었다.^[43] 이는 ≈100개의 입자/cm³에 해당한다.

일본산업규격(JIS)에서는 “일반적인 대기압보다 낮은 압력의 기체로 채워진 공간 내의 상태”라고 정의하고 있다.

진공 상태는 진공펌프를 사용하여 용기 내부의 기체를 배기함으로써 얻을 수 있다. 진공도는 대상 공간에 존재하는 기체 원자·분자의 외벽에 미치는 압력으로 표시된다. 단위는 Torr(토르)가 사용되어 왔지만, 국제단위계로 통일됨에 따라 Pa(파스칼)로 전환되고 있다. 1 atm=1.01325×10⁵ Pa=760 Torr이다. 진공도는 용어의 이미지와 표현이 반대이므로 주의가 필요하다(예: 진공도가 높다(높은 수준의 진공도이다)＝압력이 낮다).

일반적인 압력과 마찬가지로 게이지압과 절대 진공도가 있으며, 각각 소위 게이지압과 절대압에 해당한다. 섭씨 온도(℃)와 절대 온도(K)와 마찬가지로, 대기압을 0Pa로 하여 그로부터의 변위량을 나타낸 것이 게이지압이다. 절대 진공을 0Pa로 하여 그로부터의 누적량을 나타낸 것이 절대 진공도이다.

단, 게이지압 진공도의 경우, 소위 게이지압으로 진공 상태를 “게이지압 −100kPa”와 같이 음의 값으로 나타내는 경우와, 다른 단위로 취급하여 “게이지압 진공도 100kPa”와 같이 양의 값으로 나타내는 경우, 또한 “게이지압 진공도 −100kPa”와 같이 나타내는 경우가 있으므로, 사양 확인 시 절대 진공도인지 여부와 함께 확인할 필요가 있다. 절대 진공도의 경우에는 “1.33×10^-7kPa'''(abs)'''”와 같이 주석이 들어가는 경우가 있다.

;ISO에서의 진공 영역의 구분

ISO 3529-1에서는 진공을 압력 영역에 따라 다음과 같이 구분하고 있다.

영역	영어명	압력 범위	지구 대기에서 동등한 기압의 고도
저진공	Low Vacuum	100 kPa～100 Pa	지상～약 60 km
중진공	Medium Vacuum	100 Pa～0.1 Pa	약 60 km～약 90 km
고진공	High Vacuum	0.1 Pa～10^-5 Pa	약 90 km～약 250 km
초고진공	Ultra-high Vacuum	10^-5 Pa이하	약 250 km～

이 초고진공보다 진공도가 높은 영역(주로 10^-8 또는 10^-9 Pa 이하)을 '''극고진공'''(Extreme High Vacuum, XHV)이라는 용어를 사용하는 경우도 있지만, ISO에서는 정의되어 있지 않다.

대기 중에 있는 용기 내부를 진공으로 만들기 위해 다양한 진공 펌프를 사용한다.

10 Pa 정도의 진공은 로터리 펌프로 간편하게 얻을 수 있다. 진공 데시케이터 등에서는 이 정도의 진공으로 충분하다.

스퍼터 등의 진공 증착 장치에서는 플라즈마 발생 시 다른 기체가 남는 것을 방지하기 위해 10^-5 Pa 정도의 진공도가 요구된다. 이러한 경우, 진공용 재료로 제작된 진공 챔버와 구리 가스켓을 사용하고, 터보 분자 펌프(TMP)로 배기함으로써 달성할 수 있다.

분자선 에피택시(MBE)나 전자 현미경, 입자 가속기 등 10^-9 Pa 대의 진공이 요구되는 경우에는 달성에 더 많은 공정이 필요하다. 진공 챔버를 터보 분자 펌프(TMP)로 고진공 상태로 만든 후, 진공 챔버 전체를 가열(베이킹)하여 챔버 내벽에 부착된 기체 분자를 제거해야 한다. 배기는 대배기량의 터보 분자 펌프(TMP)만으로도 가능하지만, 많은 경우 이온 펌프나 게터 펌프가 사용된다. MBE용 진공 챔버에서는 챔버 내에서 증착을 하기 때문에, 챔버의 벽면에 액체 질소 슈라우드를 설치하여 벽면을 냉각함으로써 내부에 남은 기체 분자를 고착시켜 진공도를 높이는 방법도 사용되고 있다. 체적 ''V''를 배기 속도 ''S''의 펌프로 배기했을 때의 압력 ''p'' = ''p''₀exp(−''St''/''V'')가 된다. 단, ''t'' = 0에서 ''p'' = ''p''₀로 한다. 또한, 컨덕턴스 ''C''₁의 파이프 길이를 ''m''배로 하면, 컨덕턴스는 ''C''₁/''m''이 된다.

6. 2. 아웃게싱

기화나 승화가 진공 상태에서 일어나는 것을 아웃게싱(탈가스)이라고 한다. 모든 물질은 고유의 증기압을 가지며, 진공 압력이 이 증기압보다 낮아지면 기화나 승화가 시작된다. 이는 마치 진공계에 틈이 생겨 액체나 기체가 새는 것과 같은 효과를 낸다. 따라서 진공계를 구성하는 물질의 아웃게싱 때문에 인공적으로 완벽한 진공을 만드는 것은 불가능하다.^[86]

아웃게싱으로 인해 기화 또는 승화된 기체는 상대적으로 차가운 표면에 응축될 수 있다. 이는 광학 기기의 작동에 문제를 일으키거나, 반응 물질 표면에서 반응을 방해할 수 있다. 특히 우주선의 값비싼 기구에 장애를 일으키는 심각한 문제로 여겨진다.^[86]

가장 흔한 아웃게싱 물질은 흡습성을 가진 물질에 포함된 물이다. 물질을 건조하거나 가열하고, 흡습성 표면 구조를 변화시켜 물의 아웃게싱을 줄일 수 있다. 아웃게싱된 물은 회전 베인 펌프에 응축되어 펌프의 속도를 저하시키기도 한다. 따라서 고진공계는 유기물을 최대한 제거해야 한다.^[86]

초고진공계에서는 보통 진공 상태에서 가열하여 불순물의 증기압을 높여 제거한다. 이후 시스템을 냉각하여 증기압을 낮추고 아웃게싱을 최소화한다. 액체 질소 등으로 극저온 냉각을 하면 아웃게싱을 더욱 줄일 수 있다.^[86]

6. 3. 진공의 활용

진공은 다양한 공정과 장치에 유용하게 사용된다. 초기에는 백열전구에서 필라멘트의 화학적 분해를 방지하기 위해 사용되었다. 진공의 화학적 불활성은 전자빔 용접, 냉간 용접, 진공 포장, 진공 튀김에 유용하다. 초고진공은 원자 수준의 깨끗한 표면을 유지할 수 있어 관련 연구에 사용된다. 고진공 또는 초고진공은 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있게 하여 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각 등에 사용되며, 이는 반도체와 광학 코팅 제작, 표면 과학에 필수적이다. 진공은 보온병의 단열, 액체의 끓는점을 낮추고 저온 탈기를 촉진하여 동결 건조, 접착제 준비, 진공 증류, 야금술, 공정 정화에 사용된다. 전자 현미경과 진공관(예: 브라운관)은 진공의 전기적 특성을 이용한다. 진공 차단기는 전기 기기에 사용되며, 진공 아크 공정은 특정 등급의 강철이나 고순도 재료 생산에 사용된다. 공기 마찰의 제거는 플라이휠 에너지 저장과 초원심분리기에 유용하다.

진공은 흡입을 생성하는 데 사용되며, 뉴커먼 증기기관은 피스톤을 구동하기 위해 진공을 사용했다. 19세기에는 이삼바드 킹덤 브루넬의 실험적인 진공 철도에서 견인력을 위해 진공이 사용되었다. 진공 브레이크는 한때 영국에서 기차에 널리 사용되었지만, 역사 철도를 제외하고는 공기 브레이크로 대체되었다.

다기관 진공은 자동차의 부속품을 구동하는 데 사용될 수 있다. 브레이크의 동력 보조를 제공하는 진공 서보가 대표적이다. 과거에는 와이퍼와 오토백 연료 펌프도 진공으로 구동되었다. 일부 항공기 계기( 자세 지시계, 방향 지시계)는 진공으로 작동하는데, 초기 항공기에는 전기 시스템이 없었고, 엔진과 외부 벤투리가라는 두 가지 진공원을 쉽게 사용할 수 있었기 때문이다. 진공 유도 용융은 진공 내에서 전자기 유도를 사용한다.

복수기의 진공 유지는 증기 터빈의 효율적인 작동에 중요하며, 증기 제트 에젝터 또는 액체 링 펌프가 사용된다. 복수기 증기 공간에 유지되는 일반적인 진공은 복수기 유형과 주변 조건에 따라 5~15 kPa(절대압) 범위이다.

진공 자체는 가치가 없지만, 진공의 특성을 이용함으로써 많은 가치를 창출할 수 있다. 진공의 활용이 활발해진 것은 18세기 이후이며, 20세기, 특히 1960년대 이후로는 산업의 기반 기술로 널리 이용되게 되었다. 다음은 활용 예시이다.

진공 척
배수 펌프
주입 장치
동결 건조
백열전구
진공 용융
진공 증류 건조
진공 소결
진공 포장
진공 포장기

7. 진공과 관련된 한국의 과학기술

진공 기술은 한국의 여러 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행해 왔다.

'''반도체 산업''': 초고진공 상태는 원자 수준으로 깨끗한 기판을 연구하는 데 필수적이다. 고진공 또는 초고진공 환경은 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있게 하여 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각과 같은 공정을 가능하게 한다. 이는 반도체 제조, 광학 코팅 제작, 표면 과학에 필수적이다. 또한, 일정 수준의 진공 상태에서 전극 사이에 고전압을 가하면 글로 방전 현상이 나타나는데, 이때 음극 근처에서 발생하는 스퍼터링 작용은 박막을 형성하는 주요 기술로 활용된다.^[1]
'''디스플레이 산업''': 초고진공은 원자 수준으로 깨끗한 표면을 유지해야 하는 기판 연구에 사용된다. 고진공 또는 초고진공 환경은 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각 등의 공정을 통해 반도체 및 광학 코팅 제작, 표면 과학에 기여한다. 글로 방전 현상에서 발생하는 양광주는 플라스마 상태가 되며, 형광등, 가스 레이저관, 네온관 등에 이용된다.^[1]
'''우주 개발 및 기초 과학 연구''': 백열전구는 필라멘트의 화학적 분해를 막기 위해 진공을 활용한 대표적인 초기 사례이다.^[1] 진공의 화학적 불활성은 전자빔 용접, 냉간 용접과 같은 다양한 공정에 응용된다.^[1] 초고진공은 원자 수준의 깨끗한 기판 연구에 필수적이며, 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각 등 반도체, 광학 코팅 제작, 표면 과학의 핵심 공정에 활용된다.

7. 1. 반도체 산업

초고진공은 원자적으로 깨끗한 기판 연구에 사용되는데, 매우 높은 진공만이 원자 수준의 깨끗한 표면을 상당한 시간 동안 유지할 수 있기 때문이다. 고진공 또는 초고진공은 공기의 방해를 제거하여 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있게 한다. 이는 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각의 원리이며, 반도체 제조와 광학 코팅 제작, 표면 과학에 필수적이다.

일정 수준의 진공(약 1.3 kPa) 상태에서 전극을 배치하고 그 전극 사이에 직류 고전압을 가하면 글로 방전 현상이 나타난다.^[1] 이 방전 현상을 유리관 속에서 일으키면 음극에서 양극으로 향해 음극암부, 음극 글로, 파라데이 암부, 양광주가 관찰된다. 음극 글로와 양광주의 색깔은 기체의 종류에 따라 다르다.^[1]

음극 근처에서는 전위 분포가 음극 글로로 향해 거의 직선적으로 상승한다. 따라서 음극 부근에서는 전기장이 강하며, 많은 에너지를 가진 전자와 기체 분자의 충돌에 의해 양이온이 활발하게 생성된다. 양이온은 가속되어 음극 금속에 충돌하고, 양이온과의 운동량 교환에 의해 음극 금속의 전자가 방출된다. 이를 스퍼터링 작용이라고 하며, 방출된 음극 금속 물질은 음극 근처 유리관 내벽에 부착된다.^[1] 이 스퍼터링 작용은 현재 음극 물질을 대상 물체에 증착하여 박막을 형성하는 주요한 수단으로 사용되고 있다.^[1]

7. 2. 디스플레이 산업

백열전구는 필라멘트의 화학적 분해를 막기 위해 진공이 사용된 초기 사례이다. 진공의 화학적 불활성은 전자빔 용접, 냉간 용접, 진공 포장, 진공 튀김에도 유용하다. 초고진공은 원자 수준으로 깨끗한 표면을 유지해야 하는 기판 연구에 사용된다. 고진공 또는 초고진공은 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있게 해주는데, 이는 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각의 원리이며, 반도체와 광학 코팅 제작, 표면 과학에 필수적이다.

일정 수준의 진공(약 1.3 kPa) 상태에서 전극 사이에 직류 고전압을 가하면 글로 방전 현상이 나타난다. 이 현상을 유리관 속에서 일으키면 음극암부, 음극 글로, 파라데이 암부, 양광주가 관찰된다. 음극 글로와 양광주의 색깔은 기체의 종류에 따라 다르다.^[1]

음극 근처에서는 전기장이 강해 양이온이 활발하게 생성된다. 이 양이온은 음극 금속에 충돌하여 전자를 방출시키는데, 이를 스퍼터링 작용이라고 한다. 스퍼터링은 박막을 형성하는 주요 수단으로 사용된다.^[1]

양광주 부분은 플라스마 상태가 되며, 형광등, 가스 레이저관, 네온관 등에 이용된다.^[1]

7. 3. 우주 개발

진공은 다양한 공정과 장치에 유용하게 사용된다. 초기 용도 중 널리 알려진 것은 백열전구에서 필라멘트의 화학적 분해를 방지하는 것이었다. 진공으로 생성되는 화학적 불활성은 전자빔 용접, 냉간 용접, 진공 포장, 진공 튀김에도 유용하다. 초고진공은 원자적으로 깨끗한 기판 연구에 사용되는데, 매우 높은 진공만이 원자 수준의 깨끗한 표면을 상당한 시간(수 분에서 수 일) 동안 유지할 수 있기 때문이다. 고진공 또는 초고진공은 공기의 방해를 제거하여 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있게 한다. 이는 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각의 원리이며, 반도체와 광학 코팅 제작, 표면 과학에 필수적이다. 대류의 감소는 보온병의 단열을 제공한다. 심층 진공은 액체의 끓는점을 낮추고 저온 탈기를 촉진하며, 이는 동결 건조, 접착제 준비, 증류, 야금술, 공정 정화에 사용된다. 진공의 전기적 특성은 전자 현미경과 진공관(예: 브라운관)을 가능하게 한다. 진공 차단기는 전기 기기에서 사용된다. 진공 아크 공정은 특정 등급의 강철이나 고순도 재료 생산에 산업적으로 중요하다. 공기 마찰의 제거는 플라이휠 에너지 저장과 초원심분리기에 유용하다.

7. 4. 기초 과학 연구

진공은 다양한 공정과 장치에 유용하게 사용된다. 가장 널리 알려진 초기 용도는 백열전구에서 필라멘트의 화학적 분해를 방지하는 것이었다.^[1] 진공에 의해 생성되는 화학적 불활성은 전자빔 용접, 냉간 용접, 진공 포장, 진공 튀김에도 유용하다.^[1] 초고진공은 원자적으로 깨끗한 기판 연구에 사용되는데, 매우 높은 진공만이 원자 수준의 깨끗한 표면을 상당한 시간(수 분에서 수 일) 동안 유지할 수 있기 때문이다.^[1] 고진공 또는 초고진공은 공기의 방해를 제거하여 입자 빔이 오염 없이 재료를 증착하거나 제거할 수 있게 한다.^[1] 이는 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 건식 식각의 원리이며, 반도체와 광학 코팅 제작과 표면 과학에 필수적이다.^[1] 대류의 감소는 보온병의 단열을 제공한다.^[1] 심층 진공은 액체의 끓는점을 낮추고 저온 탈기를 촉진하며, 이는 동결 건조, 접착제 준비, 증류, 야금술, 공정 정화에 사용된다.^[1] 진공의 전기적 특성은 전자 현미경과 진공관(예: 브라운관)을 가능하게 한다.^[1] 진공 차단기는 전기 기기에서 사용된다.^[1] 진공 아크 공정은 특정 등급의 강철이나 고순도 재료 생산에 산업적으로 중요하다.^[1] 공기 마찰의 제거는 플라이휠 에너지 저장과 초원심분리기에 유용하다.^[1]

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