KR100812317B1 - 자장기울기 분포 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고감도 캔티레버에 수 마이크론 크기의 초전도구조체를 구성하여 캔티레버의 공진주파수를 측정함으로써 공간내 자장기울기의 분포를 측정하는 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 외부 자기장에 대하여 반자성을 띠며 자속 양자수에 비례하는 자기모멘트를 가지는 초전도구조체와 ; 상기 초전도구조체가 설치되고 탄성을 갖으며 고유 주파수로 진동하는 초고감도 캔티레버와 ; 상기 초고감도 캔티레버를 탑재하여 3차원 공간에서 이동시키는 3축 스테이지와 ; 상기 초고감도 캔티레버의 진동을 감지하는 광섬유 간섭계 및 ; 상기 각 수단을 제어하고 얻어진 데이터로부터 주파수 변위와 자장기울기를 산출하는 컴퓨터로 구성됨을 특징으로 한다.

초전도구조체, 초고감도 캔티레버, 자장기울기

Description

자장기울기 분포 측정 장치{flux-gradient distribution measurement equipment}

도 1은 본 발명에 따른 자장기울기 분포 측정 장치를 도시한 구성도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 초전도구조체

2 : 초고감도 캔티레버

3 : 3축 스테이지

4 : 광섬유 간섭계

5 : 컴퓨터

본 발명은 자장기울기 분포 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초고감도 캔티레버에 수 마이크론 크기의 초전도구조체를 구성하여 초고감도 캔티레버의 공진주파수를 측정함으로써 공간내 자장기울기의 분포를 측정하는 장치에 관한 것이다.

산업이 날로 고도화됨에 따라 측정 표준의 정확도가 중요시되고 있고, 힘 측정의 경우 수십 MN(메가뉴턴) 이상의 하중을 다루는 항공우주산업, 중화학공업, 플 랜트산업에서부터 수십 ㎍ 이하의 질량을 측정하는 초정밀 저울 분야 및 원자현미경이 감지하는 나노뉴턴(nN)에 이르기까지 그 범위가 광범위하며, 각 국은 국가표준기관마다 실하중 힘표준기를 개발해 힘의 국가표준용으로 사용하고 있는데, 이들이 얼마나 정확한지를 평가해야 하는 것이 하나의 문제이다.

이러한 힘 표준기에 사용되는 장치가 힘 발생 장치로서 이는 분동에 의해 발생되는 동력을 힘 측정기에 전달하는데 사용되는 장치로 힘측정기가 얼마나 정확한지를 확인하는 장비이다.

최근 측정 감도의 괄목할만한 발달에 힘입어 힘 측정은 첨단 나노/바이오 연구에서 매우 유용하고 필수적인 것으로 인식되고 있다. 이러한 힘 측정은 단백질 폴딩 연구나, 고집적 데이터저장, 나노스케일 이미징, 비뉴톤식 중력 측정에 걸쳐 널리 이용되고 있다.

힘측정 영역은 또한 점점 더 미소 영역까지 확장되어 단일 전자스핀(single electron spin)까지 판독할 수 있는 자기공명 힘 현미경에서 보는 것처럼 애토뉴톤(10^-18N : αN)에 이르고 있다.

그러나 국제표준계(System International : SI) 소급이 가능한 힘 표준이나 힘 발생은 1뉴톤(N) 이하에서 조차 확립되어 있지 않은 상황이고, 기존의 실하중(deadweight) 방식은 마이크로 뉴톤(μN) 이하에서는 사용할 수 없으며, 최근 미국 국립기술표준원(National Institute of Standards and Technology : NIST)에서는 정전기적인 방식으로 10 마이크로 뉴톤 이하의 힘을 발생시키는 것을 목적으로 하는 마이크로힘 실현과 측정 프로젝트(Microforce Realization and Measurement Project)에 착수했다. 이는 일정한 전압이 걸린 커패시터의 두 전극 사이에 작용하는 힘을 이용하는 것으로, 힘이 전압 등 전기적 단위로 표현되며 이들 값은 조셉슨 효과나 분수홀 효과에 의해 그 표준이 제공되고 있다.

그러나 이러한 기존의 힘 표준기는 나노뉴톤(nN), 피코뉴톤(ρN) 이하의 힘에 대해선 아직까지 힘 구현 방식이나 표준방식에 대해 제시된 바가 없었고, 전기적 단위와는 달리 아직까지 양자 현상에 직접 기반하는 기계적인 힘 발생방식에 대하여도 제기된 적이 없었다.

이에 본 출원인은 양자 기반 힘발생기 및 이를 이용한 힘 측정기를 개발하였으며, 본원과 동일자로 출원하였다.

본 발명은 상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하고 본 출원인에 의해 출원되는 양자 기반 힘발생기 및 이를 이용한 힘 측정기에 사용되는 자장기울기 분포 측정 장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 외부 자기장에 대하여 반자성을 띠며 자속 양자수에 비례하는 자기모멘트를 가지는 초전도구조체와 ; 상기 초전도구조체가 설치되고 탄성을 갖으며 고유 주파수로 진동하는 초고감도 캔티레버와 ; 상기 초고감도 캔티레버를 탑재하여 초고감도 캔티레버를 3차원 공간에서 이동시킬 수 있는 3축 스테이지와 ; 상기 초고감도 캔티레버의 진동을 감지하는 광섬유 간섭계 및 ; 상기 각 수단을 제어하고 초전도구조체의 자기력 변화에 따른 상기 초고감도 캔티레버의 공진주파수 변화로부터 자장기울기에 대한 데이터를 산출하는 컴퓨터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 양자 기반 힘 발생기의 자장기울기 분포 측정 장치에 의해 이루어진다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 양자 기반 힘발생기의 자장기울기 분포 측정 장치를 도시한 구성도이다.

외부 자기장에 대하여 반자성을 띠며 자속 양자수에 비례하는 자기모멘트를 가지는 초전도구조체(1)와 ; 상기 초전도구조체가 설치되고 탄성을 갖으며 고유 주파수로 진동하는 초고감도 캔티레버(2)와 ; 상기 초고감도 캔티레버(2)를 탑재하여 초고감도 캔티레버를 3차원 공간에서 이동시킬 수 있는 3축 스테이지(3)와 ; 상기 초고감도 캔티레버(2)의 진동을 감지하는 광섬유 간섭계(4) 및 ; 상기 각 수단을 제어하고 초전도구조체(1)의 자기력 변화에 따른 상기 초고감도 캔티레버(2)의 공진주파수 변화로부터 자장기울기에 대한 데이터를 산출하는 컴퓨터(5)를 포함하여 구성된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 자장기울기 측정 장치는 양자기반 힘 발생기 및 이를 이용한 힘 측정기에 사용되는 것으로서 전체적인 구성에 있어서 힘 발생기와 동일 유사하다.

상기 초전도구조체(1)는 마이크로 크기의 초전도링이나 초전도양자간섭 회로(SQUID)로 구성될 수 있으나 본 발명에서는 초전도링을 일예로 설명한다.

상기 초전도구조체(1)는 저온초전도체인 니오븀(Nb), 알루미늄(Al)과 같은 초전도 물질로 구성되며, 임계온도 이하에서 반자성을 띠게 되어 외부자기장에 비례하는 자기모멘트를 갖게 된다. 이와 같이 자기모멘트를 갖는 초전도구조체(1)가 자기장기울기에 놓이면, 힘을 받게 되고 이 힘은 초고감도 캔티레버(2)의 변위를 발생시킨다.

상기에서 초전도물질로 니오븀과 알루미늄을 일 예로 들었으나 이러한 초전도 물질에는 많은 종류가 있고 이러한 초전도물질을 선택적으로 사용할 수 있음은 본 발명이 속한 기술 분야에서는 쉽데 이해될 수 있는 것으로 이를 구체적으로 나열하는 것은 생략한다.

상기 초고감도 캔티레버(2)는 박판으로 위에 설치된 초전도구조체(1)에 자기장 기울기가 가해짐에 의해 상하로 변위를 일으키고 이 변위는 상기 광섬유 간섭계(4)에 의해 감지된다.

상기 초고감도 캔티레버(2)의 위치를 변화시킴으로서 다른 자장 범위에 초고감도 캔티레버(2)가 놓여질 수 있게 할 수 있고 이렇게 초고감도 캔티레버(2)의 위치 변화를 주기 위한 수단으로 상기 3축 스테이지(3)가 구비되어 있다.

상기 컴퓨터(3)는 상기 3축 스테이지(3)를 구동시키고 상기 광섬유 간섭계(4)에 의해 감지되는 초고감도 캔티레버(2)의 변위를 저장하여 후술하는 자장기울기를 산출하는 수단으로서 각 수단을 제어하고 초전도구조체(1)의 자기력 변화에 따른 상기 초고감도 캔티레버(2)의 공진주파수 변화로부터 자장기울기에 대한 데이터를 산출한다.

상기 초전도구조체(1)는 외부자기장에 대해 반자성을 띤다. 즉, 자기장에 비 례하며 방향이 반대인 자기모멘트는

식 1

를 가진다.

자화율

는 dm/dB_ext로 정의된다.

따라서 자기장 기울기 내에서 캔티레버(2)가 진동하면 위치에 따른 자기장 변화가 자기모멘트 크기를 변화시킨다.

자기력은

식 2

에 의해 자기모멘트 m 과 자기장기울기 dB/dz의 곱으로 표현되며, 자기모멘트 변화에 의해 자기력이 초고감도 캔티레버(2)의 변위에 따라 변하게 된다.

상기 초고감도 캔티레버(2)의 변위는 상기 초고감도 캔티레버(2)의 유효(effective) 스프링상수를 변화시켜 공진주파수의 변화가 생기게 된다. 이러한 초고감도 캔티레버(2)의 변위는 상기 광섬유 간섭계(3)에 의해 감지되고, 공진주파수 변화(shift)의 크기를 측정함으로써 그 위치에서의 자기장기울기를 알 수 있게 된다.

좀 더 자세히 유도하면, 초고감도 캔티레버(2)에 미치는 힘은

인데 여기서 k는 자기장기울기가 없을 때 초고감도 캔티레버의 스프링상수이다.

여기에 식 1과 자기장

을 대입하고 z의 1차항까지 근사를 하면

이 된다.

즉 유효 스프링 상수는 자기장기울기 내에서

이 되며,

에 의한 공진주파수 변화

는

으로 주어진다.

즉, 초전도구조체(1)의 자화율과 초고감도 캔티레버(2)의 스프링상수를 알면 공진주파수로부터 자기장기울기를 측정할 수 있다.

자화율

는 초전도구조체의 크기(dimension)와 초전도물질의 성질에 의해 결정되며, Ginzburg-Laudau 방정식과 Maxwell 전자기 방정식을 이용해 초전도구조체내의 전류밀도 분포를 구함으로써 계산할 수 있다. 초전도링의 경우 Brandt와 Clem이 계산한 방식에 의해 자화율이 계산될 수 있다.

위와 같은 방법으로 자장기울기를 측정하되 상기 3축 스테이지(3)를 구동시켜 초고감도 캔티레버(2)의 위치를 3차원적으로 변위시키면서 자장기울기를 측정함으로서 자장기울기의 분포를 감지할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 후술하는 청구범위에 의해 제시되는 본 발명의 범주와 기술적 사상을 벗어남이 없이 많은 수정 및 변형이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 본 출원인에 의해 출원된 양자에 기반하는 미세한 힘을 발생시킬 수 있는 힘 발생기 등에서 자장기울기를 측정할 수 있으며, 이에 따라 힘발생기는 자장기울기에 따른 최적의 힘 발생을 유도할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (4)

1. 외부 자기장에 대하여 반자성을 띠며 자속 양자수에 비례하는 자기모멘트를 가지는 초전도구조체(1)와 ; 상기 초전도구조체(1)가 설치되고 탄성을 갖으며 고유 주파수로 진동하는 초고감도 캔티레버(2)와 ; 상기 초고감도 캔티레버(2)를 탑재하여 초고감도 캔티레버(2)를 3차원 공간에서 이동시킬 수 있는 3축 스테이지(3)와 ; 상기 초고감도 캔티레버(2)의 진동을 감지하는 광섬유 간섭계(4) 및 ; 상기 각 수단을 제어하고 초전도구조체(1)의 자기력 변화에 따른 상기 초고감도 캔티레버(2)의 공진주파수 변화로부터 자장기울기에 대한 데이터를 산출하는 컴퓨터(5)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자장기울기 분포 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 초전도구조체(1)는 니오븀(Nb), 알루미늄(Al) 등으로 이루어지는 초전도 물질들 중 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 자장기울기 분포 측정 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 초전도구조체(1)는 초전도양자간섭 회로임을 특징으로 하는 자장기울기 분포 측정 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 초전도구조체(1)는 초전도링임을 특징으로 하는 자장기울기 분포 측정 장치.

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