KR100483520B1 - 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의 구조및 이를 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬판의 설치방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국소 자기 교란 (localized magnetic disturbance)을 제거하여 자기장의 분포가 균일하게 형성되도록 소정의 형상을 갖는 자기장 집속부재를 1-100mm이내의 간격으로 적어도 2개이상 평행하게 배열하여 형성된 판재(이하 프레스넬 판이라 칭함) 및 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법에 관한 것인바, 본 발명은 -269℃∼+200℃의 온도범위 내에서 투자율 2.0이상, 항자계 1.0 에르스테드[Oe] 이하, 포화자화 10 가우스[gauss] 이상, 큐리 온도 -269℃(액체헬륨 온도 4.2°K) 이상인 특성을 만족하는 자성물질이 판재(plate, sheet)형, 박막(thin film)형, 그물(net)형, 봉(bar)형, 관(pipe)형, 분말형 중 선텍된 어느 하나의 형상을 갖도록 가공된 자기장 집속부재를 적어도 2개 이상을 1-100mm의 간격으로 평행하게 배치시켜 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의를 제공하며, 이 제공된 프레스넬 판을 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 방법으로는 자기장 집속부재를 적어도 2개 이상을 1-100mm의 간격으로 평행하게 배치시켜 형성시킨 프레스넬 판을 서로 마주보는 3쌍의 면을 구비되며 내부 공간이 형성된 육면체 일 때 적어도 대응하는 3개면 이상에 프레스넬 판을 부착하는 것을 특징으로 하는 프레스넬판을 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법에 의해 달성된다.

Description

자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의 구조 및 이를 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법{Magnetic fresnel structure for the homogenization of magnetic field distribution and method for installing thereof}

본 발명은 국소 자기 교란 (localized magnetic disturbance)을 제거하여 자기장의 분포가 균일하게 형성되도록 소정의 형상을 갖는 자기장 집속부재를 1-100mm이내의 간격으로 적어도 2개이상 평행하게 배열하여 형성된 판재(이하 프레스넬 판이라 칭함)의 구조 및 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법에 관한 것이다.

전기장을 수반하지 않는 자기장은 전기장과 달리 용이하게 제거되지는 않으나, 일반적으로 초전도성과 강자성을 이용할 경우에 제거가 가능한 것으로 알려져 있다.

초전도체를 사용하여 차폐하고자 하는 공간을 막기만 하면 자기력선이 투과하지 못하므로, 차폐된 공간 내부에는 자기력선이 존재하지 않게 되어 자기장 차폐가 이루어진다.

이와는 달리 강자성체는 자기력선을 한 곳으로 집속시킨 후에, 자기장을 차폐하고자 하는 공간 외부에 이들 집속된 자기력선이 통과할 수 있는 우회로 경로(bypass path)를 만들어 주어 집속된 자기력선이 빠져나가도록 하는 방법을 사용하면 자기장을 부분적으로 차폐할 수 있다.

전자의 경우에는 고가의 초전도체를 사용해야할 뿐만 아니라, 초전도성을 유지하기 위해서는 초저온을 유지해야 하므로 유지비가 많이 드는 단점이 있다. 예를 들면 금속 초전도체의 경우에는 액체헬륨 온도(4.2˚K)로 냉각시켜야 하며, 세라믹 고온 초전도체의 경우에는 액체질소 온도(198˚K)로 냉각시켜야 한다.

반면, 후자의 경우에는 자기력선을 집속하는 물질의 선정이나 적용 가능한 집속판의 형태 그리고, 집속된 이들 자기력선을 외부로 빼낼 수 있는 적절한 우회로 경로를 갖는 차폐구조 등이 본 발명자에 의해서 개발되었다.

이처럼 자성재료를 사용하여 자기장을 차단하는 방법이나 기술은 이미 개발되어, 정밀기기나 센서 또는 마그네틱 헤드의 차폐장치에 적용되고 있다. 이 방법은 교란되어 있는 자기장의 분포를 균일하게 만드는데는 적용이 불가능하다. 특히 표면이나 평면의 자기장 분포를 차폐가 아닌 균일화하는데는 적용이 불가능하다.

본 발명에서는 평면이나 표면, 공간에서 발생한 자기교란(자기이상)을 제거하기 위해서 연질자석(soft magnet), 경질자석(hard magnet), 초전도체(superconductor)를 교란의 상태와 정도에 따라, 일정한 폭과 길이를 가지는 판재(plate)나 시트(sheet), 막대기(bar) 또는 그물 망(net)을 일정한 간격과 방향으로 배열하므로서 국소 자기 교란 (localized magnetic disturbance)을 제거하여 자기장의 분포가 균일하게 되도록 만드는 프레스넬 판을 제공하며, 상기 자기장의 분포가 균일하게 되도록 만드는 프레스넬 판을 이용하여 3차원 이상의 공간을 갖는 다면체, 구 또는 원통형 내부 표면에 부착 설치하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법에 의하여 달성된다.

상기한 본 발명의 목적은 -269℃∼+200℃의 온도범위 내에서 투자율 2.0이상, 항자계 1.0 에르스테드[Oe] 이하, 포화자화 10 가우스[gauss] 이상, 큐리 온도 -269℃(액체헬륨 온도 4.2°K) 이상인 특성을 만족하는 자성물질이 판재(plate, sheet)형, 박막(thin film)형, 그물(net)형, 봉(bar)형, 관(pipe)형, 분말형 중 선텍된 어느 하나의 형상을 갖도록 가공된 자기장 집속부재를 적어도 2개 이상을 1-100mm의 간격으로 평행하게 배치시켜 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의 구조에 의해 달성되며,상기 프레스넬 판을 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 방법으로는 자기장 집속부재를 적어도 2개 이상을 1-100mm의 간격으로 평행하게 배치시켜 형성시킨 프레스넬 판을 서로 마주보는 3쌍의 면을 구비되며 내부 공간이 형성된 육면체 일 때 적어도 대응하는 3개면 이상에 프레스넬 판을 부착하는 것을 특징으로 하는 프레스넬판을 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법에 의해 달성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 교란된 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 본 발명의 프레스넬 판의 구조는 -269℃∼+200℃의 온도범위 내에서 투자율 2.0이상, 항자계 1.0 에르스테드[Oe] 이하, 포화자화 10 가우스[gauss] 이상, 큐리 온도 -269℃(액체헬륨 온도 4.2°K) 이상인 특성을 만족하는 자성물질이 판재(plate, sheet)형, 박막(thin film)형, 그물(net)형, 봉(bar)형, 관(pipe)형, 분말형 중 선텍된 어느 하나의 형상을 갖도록 가공된 자기장 집속부재를 적어도 폭(a)이 0.1-10mm로 하되 길이는 제한하지 않으며, 2개 이상을 1-100mm의 간격(g)으로 평행하게 배치시켜 형성하도록 한 구조이다.

한편, 상기 자성물질은 Fe, Fe-Si, 펌알로이계, 슈퍼펌알로이계, 퍼멘더계, 뮤메탈계, 몰리-펌알로이계 등의 금속과, MnZn 페라이트, NiZn 페라이트, CuZn 페라이트계, 가네트계의 세라믹 등과 같은 연질자석, 세라믹계의 초전도체, 금속간 화합물 초전도체, 금속-비금속간 화합물 초전도체 등과 같은 초전도체, 경질자석을 들 수 있으며, 상기 자성물질 중 선택된 어느 하나로 이루어지거나 이들과 유기물이나 비자성체와 혼합되어 형성된 것도 사용 가능하다.

상기와 같은 구조로 이루어진 프레스넬 판은 교란된 자기장의 분포를 균일하게 만들 경우에는 도 1의 프레스넬 판을 바닥에 펼쳐놓으면 된다. 이 때, 프레스넬 판은 단축이 지구 자기장의 남북방향을, 장축이 동서방향을 향하도록 하는 것이 훨씬 효과적이다.

한편, 자성물질인 프레스넬 판의 형태와 규격은 자기장이 교란된 상태에 따라 변한다. 즉, 자기의 교란이 심한 곳에서는 투자율(magnetic permeability: μ)이 큰 자성물질을 사용하는데, 자성물질의 폭(a)과 자성물질 간의 간격(gap: g)의 비(a/g)가 크도록 하며, 자성물질의 길이는 가능한 길게 한다. 반면에, 교란이 약한 곳은 투자율이 작은 자성물질을 사용하며, 자성물질의 폭과 유격간의 비(a/g)를 작게 하고, 그 길이는 중요하지 않다.

도 2는 도 1의 프레스넬 구조를 적용한 실시 예를 나타낸 것이다. 도 2a는 프레스넬 구조를 설치하지 않은 건물바닥 중의 한 곳에 대해서 자기장 분포를 측정한 결과이다. 측정 면적은 가로 2m, 세로 2m이며, 플럭스게이트(fluxgate)형 센서가 장착된 자속밀도 측정기(제조원: 이엠오, 기기명: 마그네토미터, 모델명: geomag 101)를 사용하여 자속밀도(B)의 수직성분(B_z)을 측정하였다. 바닥표면에서 50mm 높은 곳에서는 최고 352mG, 최저 235mG, 최대편차 177mG, 등으로 나타났다. 바닥표면에서 500mm 높은 곳에서는 최고 325mG, 최저 310mG, 최대편차 15mG, 등으로 나타났다. 바닥 면에서 떨어질수록 자속 밀도의 최대치는 감소하고, 최소치는 증가하여, 교란의 정도는 바닥표면 보다 완화되었다. 이렇게 심한 교란은 바닥에 장치되어 있는 강자성을 나타내는 철근 때문이다.

도 2b 와 도 2c 는 도 2a의 바닥에 프레스넬 구조를 적용한 실시예를 나타낸 것이다. 초투자율(μ _i )이 1,600이며, 두께가 0.35mm인 방향성 전기강판을 폭48mm, 길이 500mm인 프레스넬 판으로 가공하여, 이 판들을 상기한 바닥 표면에 배열하였다. 이때 판들 간의 유격은 5mm가 되도록 배열하였다. 이 프레스넬 구조를 장치한 바닥에 대해서 표면으로부터 5mm 높은 곳에서의 자속밀도 변화를 측정한 결과는 도 2b인데, 최고 378mG, 최저 348mG, 최대편차 30mG으로 조사되었다. 50mm 높은 곳에서 조사한 결과인 도 2c에서 최고치와 최저치 및 편차는 각각 360mG, 345mG, 15mG로 나타났다. 이러한 프레스넬 구조를 설치하기 전후의 자속밀도 분포 차이를 설명하면 다음과 같다. 바닥표면에서 50mm 높은 곳에서는 최고치가 352mG에서 360mG로 약 2mG 증가하였으며, 최저치는 235mG에서 345mG로 약 110mG 증가하였다. 따라서, 최고치와 최저치 간의 최대편차는 177mG에서 15 mG로 162mG 감소하였다. 즉, 자기 교란의 정도가 177mG에서 15mG 감소하여, 자기 교란이 상당히 완화되었다. 500mm 높은 곳에서는 최대편차가 설치전의 15 mG에서 설치후의 1mG 이하로 현저하게 감소하였다. 즉, 자기 교란이 거의 제거되었다.

이상의 실시 예에서 알 수 있듯이, 프레스넬 구조에 의해서 자기 교란은 현저하게 줄어들며, 바닥에서 약 500mm 이상 높은 곳에서는 자기 교란이 거의 관찰되지 않는다. 따라서, 프레스넬 구조는 자기 교란을 효과적으로 차단할 수 있다는 것을 알 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖으며 자기 교란을 효과적으로 차단 및 균일화 시키는 프레스넬 판을 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 방법으로는 자기장 집속부재를 적어도 2개 이상을 1-100mm의 간격으로 평행하게 배치시켜 형성시킨 프레스넬 판을 서로 마주보는 3쌍의 면을 구비되며 내부 공간이 형성된 육면체 일 때 적어도 대응하는 3개면 이상에 프레스넬 판을 부착 설치한다.

이를 구체적으로 설명하면 설명의 편의상 육면체를 가지고 설명하기로 한다. 육면체의 공간에서 균일한 자기장 분포를 얻기 위해서는, 서로 대응되는 면들 중에서 최소한 1개면 씩 선택하여 3개면 이상에 대하여 프레스넬 판을 설치해야 한다.

만약, 공간에서 자기장을 교란시키는 원인이 명확하게 알려진 경우에는 그 원인을 제거할 수 있는 인접한 면에만 프레스넬 판을 설치하여도 자기장 분포를 균일하게 만들 수 있다. 즉, 공간 밖에서 자기장을 교란하는 원인이 어느 일면 밖에 있을 때는 그 면에만 프레스넬 판을 설치하여도 공간내의 자기장 분포는 균일하게 된다. 자기장을 교란하는 원인이 면과 면이 만나는 모서리 부근에 있어, 교란이 면과 면에 모두 영향을 미칠 때는 모서리를 형성하는 면에 모두 프레스넬 판을 설치하여야 한다. 원인이 어디에 어떻게 분포하고 있는지가 불명확할 때는 육개면 모두에 프레스넬 판을 설치하여야 한다.

공간이 사면체이거나, 팔면체, 12면체, 또는 여러 다양한 형태의 공간에 대해서도 프레스넬 판을 설치하는 방법은 육면체의 경우와 유사하다. 원통으로 이루어진 경우도 원통의 벽과 밑면, 원통의 벽과 윗면, 원통의 벽과 윗면과 밑면, 등을 막는 방법으로 원통 내부의 자기장 분포를 균일하게 할 수 있다.

이상, 실시 예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 기존의 차폐물질이나 차폐구조가 자기장의 교란을 억제하지 못하거나 역의 효과가 있는 것에 반해, 본 발명에서 제안한 자기장 균일화 구조물을 적용할 경우에는 최소 95% 이상의 높은 균일화 효과를 얻을 수 있고, 국소적인 또는 지엽적인 자기장 교란을 제거하기 위해서는 현재 아무런 방법이 제안되어 있지 않으나 본 발명에 따른 국소적인 자기장 균일화 방법을 채택할 경우, 95% 이상의 교란 억제효과를 얻을 수 있으며, 국소적인 공간으로부터 넓은 공간에 이르기까지 어떠한 형태의 공간에 대해서도 자기장의 교란을 정확하게 억제할 수 있고, 자기장이 교란된 바닥에 대해서도 프레스넬 판을 사용하여 간단하게 자기장 교란을 95% 이상 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 제안된 프레스넬 구조를 보여주는 사시도.

도 2a는 자기장이 교란된 바닥으로부터 50mm가 높은 곳에서 마그네토미터를 사용하여 측정한 자기장의 수직성분 분포를 나타낸 특성도.

도 2b는 도 2a의 자기장이 교란된 바닥에 프레스넬 판을 설치한 후에, 바닥으로부터 5mm가 높은 곳에서 마그네토미터를 사용하여 측정한 자기장의 수직성분 분포를 나타낸 특성도.

도 2c는 도 2a의 자기장이 교란된 바닥에 프레스넬 판을 설치한 후에, 바닥으로부터 50mm가 높은 곳에서 마그네토미터를 사용하여 측정한 자기장의 수직성분 분포를 나타낸 특성도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

a : 프레스넬 판의 폭 g : 프레스넬 판의 간격

Claims (7)

1. -269℃∼+200℃의 온도범위 내에서 투자율 2.0이상, 항자계 1.0 에르스테드[Oe] 이하, 포화자화 10 가우스[gauss] 이상, 큐리 온도 -269℃(액체헬륨 온도 4.2°K) 이상인 특성을 만족하는 자성물질이 판재(plate, sheet)형, 박막(thin film)형, 그물(net)형, 봉(bar)형, 관(pipe)형, 분말형 중 선텍된 어느 하나의 형상을 갖도록 가공된 자기장 집속부재를 적어도 2개 이상을 1-100mm의 간격으로 평행하게 배치시켜 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의 구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기장 집속부재가 비자성체 또는 고분자 화합물과의 복합 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의 구조.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 자기장 집속부재의 폭이 0.1-10mm인 것을 특징으로 하는 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의 구조.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 자기장 집속부재가 Fe, Fe-Si, 펌알로이계, 슈퍼펌알로이계, 퍼멘더계, 뮤메탈계, 몰리-펌알로이계의 금속과, MnZn 페라이트, NiZn 페라이트, CuZn 페라이트계, 가네트계의 연질자석과, 세라믹계의 초전도체, 금속간 화합물 초전도체, 금속-비금속간 화합물로 이루어진 초전도체, 및 경질자석 등의 자성물질 중 선택된 어느 하나로 이루어지거나 이들과 유기물이나 비자성체와 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 자기장의 분포를 균일하도록 만드는 프레스넬 판의 구조.
5. -269℃∼+200℃의 온도범위 내에서 투자율 2.0이상, 항자계 1.0 에르스테드[Oe] 이하, 포화자화 10 가우스[gauss] 이상, 큐리 온도 -269℃(액체헬륨 온도 4.2°K) 이상인 특성을 만족하는 자성물질이 판재(plate, sheet)형, 박막(thin film)형, 그물(net)형, 봉(bar)형, 관(pipe)형, 분말형 중 선텍된 어느 하나의 형상을 갖도록 가공된 자기장 집속부재를 적어도 2개 이상을 1-100mm의 간격으로 평행하게 배치시켜 형성시킨 프레스넬 판을 서로 마주보는 3쌍의 면을 구비되며 내부 공간이 형성된 육면체 일 때 적어도 대응하는 3개면 이상에 프레스넬 판을 부착하는 것을 특징으로 하는 프레스넬 판을 이용하여 자기장의 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 육면체가 다면체, 구(球), 타원체 또는 원통체 형상을 갖으며 균일한 형태의 표면을 갖는 내부 또는 불규칙한 형태의 공간의 표면에 프레스넬 판을 설치하여 공간 내부에 발생한 자기장 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 프레스넬 판의 단축이 지구 자기장의 남북방향을, 장축이 동서방향을 향하도록 설치하여 공간 내부에 발생한 자기장 교란을 제거하는 프레스넬 판의 설치방법.