KR100834846B1 - 자기전기 감수율 측정 시스템 - Google Patents

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KR100834846B1
KR100834846B1 KR1020060123845A KR20060123845A KR100834846B1 KR 100834846 B1 KR100834846 B1 KR 100834846B1 KR 1020060123845 A KR1020060123845 A KR 1020060123845A KR 20060123845 A KR20060123845 A KR 20060123845A KR 100834846 B1 KR100834846 B1 KR 100834846B1
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induction
measurement system
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김기훈
오윤석
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

본 발명은 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공한다. 이 측정 시스템은 자기전기성 시료에 직류 자기장을 인가하는 자석, 자기전기성 시료에 교류 자기장을 가하는 교류 유도 코일, 교류 자기장에 의해 진동하는 자기전기성 시료의 전하 신호를 증폭시키는 전하 증폭기 및 교류 유도 코일에 유도 전류를 공급하면서, 전하 증폭기에서 증폭된 상기 전하 신호를 감지하는 위상 감응 검출기를 포함한다. 이에 따라, 다강체 및 자기전기성 물질 연구에 필수적인 상온에서 작동하는 고감도 자기전기 감수율 측정 시스템과 Quantum Design사의 물리적 특성 측정 장치에 사용가능한 고감도 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공할 수 있다.
Figure R1020060123845
자기전기성, 다강체, 감수율, 교류 자기장, 전하 증폭기

Description

자기전기 감수율 측정 시스템{Magnetoelectric Susceptibility Measurement System}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템을 설명하기 위한 개략도;
도 2는 도 1의 전하 증폭기를 설명하기 위한 회로도;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템의 바탕 신호를 측정한 그래프;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템의 이득 값 그래프;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템을 설명하기 위한 개략도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 자기전기성 시료 112 : 전극
210s : 시료 장착 공간 120 : 전자석
122 : 헤름홀쯔 코일 222a : 교류 유도 코일
222b : 교류 유도 보상 코일 224 : 미세 조정 코일
130, 230 : 락-인 앰프 235 : 미세 조절 코일용 락-인 앰프
140, 240 : 전하 증폭기 142 : 콘덴서
144 : 저항체 146 : 연산 증폭기
245 : 전기 차폐체
본 발명은 자기전기 감수율 측정 시스템 및 측정 기술에 관한 것으로서, 더 구체적으로 측정 민감도가 향상된 자기전기 감수율 측정 시스템에 관한 것이다.
자기전기성 효과(magnetoelectric effect)란, 한 물질이 자기장과 전기장에 반응하는 특성을 동시에 가지고 있어, 그 물질이 자기장에 노출되었을 때에는 전기적 전압이 발생하고, 반대로 그 물질이 전기장에 노출되었을 때에는 자화되는 현상을 의미한다. 따라서, 한 물질이 자기전기성 효과를 갖는 경우, 흔히 그 물질은 외부 자기장에 반응하는 특성인 강자성(ferromagnetic), 준강자성(ferrimagnetic) 또는 반강자성(antiferromagnetic) 및 외부 전기장에 반응하는 특성인 강유전성(ferroelectric), 준강유전성(ferrielectric) 또는 반강유전성(antiferroelectric)을 동시에 지니고 있다.
최근 많은 연구의 대상이 되고 있는 자기-전기 센서(magnetic-electric sensor), 자기 센서(magnetic sensor), 전기 센서(electric sensor), 광전자 장치(photoelectron device), 마이크로파 전자 장치(microwave electric device), 자 기-전기 또는 전기-자기 트랜스듀서(magnetic-electric or electric-magnetic transducer) 등이 성공적으로 상업화되기 위해서는 상온에서 강자성과 강유전성을 동시에 가지며, 소자의 실제 사용 온도인 상온(25℃) 이상의 온도에서 자기전기성 효과를 가지는 물질의 개발이 필수적이다. 이에 따라, 이러한 자기전기성 효과에 대한 근본적인 이해를 위하여 현재 상온 및 극저온에서의 자기전기성 물질에 대한 물성 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
이 같은 연구 및 향후 응용에는 특히, 물질의 자기전기성 효과의 크기를 정량적으로 측정할 수 있는 장비가 필수적으로 필요하게 된다. 이러한 장비는 지금까지 상용화되지 않고 실험실 단계에서 제작 및 사용되어 왔다. 하지만 최근에는 자기전기성 물성 연구와 더불어 세계 굴지의 강유전 물성 측정 장비 업체인 axiACCT System사에서 기존 장비에 자기전기 측정 장비를 추가하기 위한 기술(know-how) 개발에 박차를 가하고 있다.
종래의 자기전기성 효과를 측정하기 위한 대부분의 장비는 자기장을 바꾸면서 물질에서 생성되는 전기 쌍극자의 변화로 생기는 전압을 측정하는 방식을 사용한다. 이러한 종래의 방식을 사용하는 장비는 측정하고자 하는 물질의 두께에 의존하기 때문에, 박막 형태의 자기전기성 효과를 가지는 물질의 측정에서는 측정 민감도가 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 일부의 경우에서는 자기전기성 효과를 가지는 물질의 전기 쌍극자의 변화를 직접 전하의 변화로 측정한 바 있으나, 지금까지의 전하 측정 방법은 정밀도가 우수하지 못하거나, 저주파수 대역에서 측정이 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 측정 민감도를 개선할 수 있는 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 저주파수 및 고주파수 대역을 측정할 수 있는 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 극저온 및 고자기장의 극한 환경에서 측정할 수 있는 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공한다. 이 측정 시스템은 자기전기성 시료에 직류 자기장을 인가하는 자석, 자기전기성 시료에 교류 자기장을 가하는 교류 유도 코일, 교류 자기장에 의해 진동하는 자기전기성 시료의 전하 신호를 증폭시키는 전하 증폭기 및 교류 유도 코일에 유도 전류를 공급하면서, 전하 증폭기에서 증폭된 상기 전하 신호를 감지하는 위상 감응 검출기를 포함할 수 있다.
자석은 전자석 또는 초전도 자석일 수 있다.
전하 증폭기는 병렬로 연결된 저항체, 콘덴서 및 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
저항체는 1GΩ의 값을 가질 수 있다.
콘덴서는 1pF의 값을 가질 수 있다.
교류 유도 코일은 헤름홀쯔 코일 또는 솔레노이드 형태일 수 있다.
교류 유도 코일은 솔레노이드 형태이고, 교류 유도 코일 내부에 위치하고, 교류 자기장의 진동을 감지하기 위한 미세 조정 코일, 및 자기전기성 시료 및 미세 조정 코일과 교류 유도 코일 사이를 전기적으로 차폐하기 위해 제공된 전기 차폐체를 더 포함할 수 있다.
교류 유도 코일의 교류 자기장의 외측 성분을 상쇄하기 위한 교류 유도 보상 코일을 더 포함할 수 있다.
교류 유도 보상 코일은 솔레노이드 형태일 수 있다.
교류 유도 보상 코일의 감긴 방향은 교류 유도 코일과 반대 방향일 수 있다. 교류 유도 보상 코일은 교류 유도 코일과 연결될 수 있다.
미세 조정 코일의 신호를 감지하는 미세 조정 코일용 위상 감응 검출기를 더 포함할 수 있다.
전기 차폐체는 스테인레스강 또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
자기전기성 시료와 전하 증폭기는 마이크로 동축 케이블로 연결될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않 는다. 도면들에 있어서, 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.
자기전기성 물질은 아래 수학식 1을 만족할 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00027
Figure 112008013028871-pat00028
수학식 1은 자기전기성 물질에 전기장(
Figure 112008013028871-pat00029
)이 인가되지 않은 상태에서 자기장에 의한 자기전기성 물질의 전기적인 분극(
Figure 112008013028871-pat00030
: polarization)에 관한 식이다. 여기서
Figure 112008013028871-pat00031
는 자기장이고,
Figure 112008013028871-pat00032
는 전기장의 변화에 따른 물질의 전기분극의 변화 정도를 나타내는 양인 유전 상수 텐서(tensor)이고, 그리고
Figure 112008013028871-pat00033
는 자기장의 변화에 따른 물질의 전기분극의 변화 정도를 나타내는 양인 자기전기 감수율 텐서이다. 즉,
Figure 112008013028871-pat00034
및
Figure 112008013028871-pat00035
는 각각 전기장 및 자기장에 의존할 수 있는 텐서들이다.
이때, 수학식 1에 아래 수학식 2의 가정을 적용하면,
Figure 112008013028871-pat00036
Figure 112008013028871-pat00037
,
아래 수학식 3과 같은 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00038
수학식 3의
Figure 112008013028871-pat00039
는 아래 수학식 4로 표현될 수 있다. 여기서 j는 x, y 및 z 중의 하나의 방향이다.
Figure 112008013028871-pat00040
이에 따라, 수학식 3은 아래 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00041
Figure 112008013028871-pat00042
를 구하기 위하여, 수학식 5의 양변을 자기장에 대하여 미분하면 아래 수학식 6을 도출할 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00043
z축 방향의 자기장 성분을 수학식 6에 대입하면 아래 수학식 7로 표현할 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00044
여기에,
Figure 112008013028871-pat00045
라는 조건을 대입하면 아래 수학식 8이 도출될 수 있다. 여기서,
Figure 112008013028871-pat00046
및
Figure 112008013028871-pat00047
는 각각 자기전기성 물질에 가해지는 z축 방향의 직류 자기장 성분 및 교류 자기장 성분이다.
Figure 112008013028871-pat00048
여기에, 다항식의 계수값들을 정리하면 아래 수학식 9로 표현될 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00049
이에 따라, 아래 수학식 10과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00050
여기서, 자기전기 감수율을 자기전기 감수율의 1차 성분 및 2차 성분을 포함하는 근사값으로 표현하면 아래 수학식 11로 표현할 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00051
결과적으로, 자기전기성 물질에 대해 z축 방향의 자기장이 인가되었을 때, 자기전기성 물질의 x, y 및 z축 방향의 자기전기 감수율은 각각 아래 수학식 12와 같을 수 있다.
Figure 112008013028871-pat00052
Figure 112008013028871-pat00053
Figure 112008013028871-pat00054
상기의 수학식 12와 같은 자기전기 감수율을 측정함으로써, 자기전기성 물질의 특성을 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 실온용(room temperature) 자기전기 감수율 측정 시스템은 자석(magnet, 120), 헤름홀쯔 코일(Helmholtz coil, 122), 전하 증폭기(charge amplifier, 140) 및 락-인 앰프(lock-in Amplifier, 130)를 포함할 수 있다.
자석(120)은 자기전기성 시료(110)에 직류 자기장(DC magnetic bais, Hbias)을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 자석(120)은 전자석(electromagnet)일 수 있다.
헤름홀쯔 코일(122)은 락-인 앰프(130)로부터 공급되는 소정의 진동수(ω)를 갖는 유도 전류(I0sinωt)에 의해 자기전기성 시료(110)에 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac, δH)을 인가할 수 있다. 헤름홀쯔 코일(122)은 넓은 공간 범위에 균일한 자기장을 제공할 수 있다.
자기전기성 시료(110)은 하부 전극으로 사용되는 기판(미도시) 및 기판 상에 형성된 자기전기성 물질로 이루어질 수 있다. 자기전기성 시료(110) 상에는 상부 전극으로 사용되는 전극(112)이 더 포함될 수 있다. 하부 전극으로 사용되는 기판은 니오븀(Nb)이 도핑된 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3 : STO)일 수 있으며, 상부 전극으로 사용되는 전극(112)는 금(Au)일 수 있다.
전하 증폭기(140)는 헤름홀쯔 코일(122)에서 발생하는 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac)에 의해 진동하는 자기전기성 시료(110)의 전하 신호(δQ)를 증폭시키면서, 전압 신호(δV)로 변환시킬 수 있다.
락-인 앰프(130)는 위상 감응 검출기(Phase Sensitive Detector : PSD)로 사용되어 전하 증폭기(140)에서 출력된 전압 신호(δV)를 감지할 수 있다. 이에 따라, 락-인 앰프(130)로부터 공급되는 소정의 진동수(ω)를 갖는 유도 전류(I0sinω t)에 의해 헤름홀쯔 코일(122)에서 발생하는 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac)에 의해 진동하는 자기전기성 시료(110)의 전하 신호(δQ)를 측정할 수 있다.
결과적으로, 자기전기성 시료(110)에서 생성되는 전기 쌍극자의 변화로 생기는 전압을 측정하는 종래와는 달리, 본 발명의 자기전기 감수율 측정 시스템은 교류 자기장에 의해 진동하는 자기전기성 시료(110)의 전하를 증폭하여 측정함으로써, 자기전기성 효과에 대한 측정 민감도를 획기적으로 개선할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 전하 증폭기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 전하 증폭기(140)는 병렬로 연결된 저항체(resistor, 144), 콘덴서(condenser, 142) 및 연산 증폭기(OPerational Amplifier : OP Amp., 146)를 포함할 수 있다. 전하 증폭기(140)는 적분 회로(integral circuit)일 수 있다.
저항체(144)는 약 1GΩ의 값을 가질 수 있으며, 콘덴서(142)는 약 1pF의 값을 가질 수 있다. 저항체(144) 및 콘덴서(142)는 저항체-콘덴서 회로의 시정수(time constant)를 결정할 수 있다. 본 발명의 전하 증폭기(140)에 약 1GΩ의 값인 저항체(144)를 사용함으로써, 자기전기 감수율 측정 시스템은 저주파수 대역에서 일정한 이득(gain) 값을 얻을 수 있다. 연산 증폭기(146)는 증폭된 전하 신호를 전압 신호로 변환할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템의 바탕 신호를 측정한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 자기전기 감수율 측정 시스템에 직류 자기장 및 교류 자기장을 인가하고, 시료가 없는 상태를 포함하는 여러 가지 물질에 대하여 측정한 바탕(background) 값들이 표시된 그래프이다. 본 발명의 자기전기 감수율 측정 시스템은 시료가 없는 상태, 순수한 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물(PbZrTiO : PZT), 순순한 니켈 아철산염(NiFe2O4 : NFO), 니오븀이 도핑된 스트론튬 티타늄 산화물 기판 및, 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물-니켈 아철산염 혼합물에 대하여 각각 5×10-6V, 7×10-6V, 1×10-5V, 5×10-5V 및 0.01V의 바탕 값을 보였다. 이는 자기전기성 물질인 플럼범 지르코늄 티타늄 산화물-니켈 아철산염 혼합물은 측정하는 과정에서 잡음으로 작용할 수 있는 다른 신호에 비해 상대적으로 큰 바탕 값을 가지는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템의 이득 값 그래프이다.
도 4를 참조하면, 자기전기 감수율 측정 시스템에 인가된 교류 자기장의 진동수를 변경하면서, 전하 증폭기의 이득 값을 측정한 특성 곡선이 표시된 그래프이다. 특성 곡선에서 보이듯이, 본 발명의 자기전기 감수율 측정 시스템은 넓은 저주파수 대역(100 Hz ~ 5,000 Hz)에서 1.8~1.9V/pC 정도의 일정한 이득 값을 보인다. 앞서 설명한 바와 같이, 이는 전하 증폭기(도 1의 140)에 약 1GΩ의 값을 갖는 저항체와 약 1pF의 값을 갖는 콘덴서를 사용하기 때문이다.
도 3 및 도 4의 결과와 같이, 본 발명의 자기전기 감수율 측정 시스템은 교류 자기장에 의해 진동하는 자기전기성 물질의 전하를 전하 증폭기를 통하여 측정함으로써, 결국 바탕값/이득=1×10-17C 정도의 작은 전하의 진동을 측정할 수 있다. 이에 따라, 자기전기성 효과에 대한 측정 민감도가 획기적으로 개선될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기전기 감수율 측정 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 저온용(low temperature) 자기전기 감수율 측정 시스템은 교류 유도 코일(AC drive coil, 222a), 미세 조정 코일(224), 전기 차폐체(electrical shield, 250), 전하 증폭기(240) 및 락-인 앰프(230)를 포함할 수 있다.
자기전기성 시료(미도시)에 직류 자기장(Hbias)을 제공하는 외부 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 자기전기성 시료에 직류 자기장(Hbias)을 제공하는 외부 장치는 초전도 자석(superconducting magnet)과 저온 유지 장치(cryostat)를 결합한 보편적인 물리적 특성 측정 장치(Physical Property Measurement System : PPMS)일 수 있다. 물리적 특성 측정 장치에 포함된 초전도 자석 및 저온 유지 장치는 각각 자기전기성 시료에 직류 자기장 및 3K까지의 극저온 분위기를 제공할 수 있다.
교류 유도 코일(222a)은 락-인 앰프(230)로부터 공급되는 소정의 진동수(ω) 를 갖는 유도 전류(I0sinωt)에 의해 자기전기성 시료(미도시)에 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac, μ0nI0sinωt)을 가할 수 있다. 교류 유도 코일(222a)은 솔레노이드 형태(solenoid type)일 수 있다. 교류 유도 코일(222a)은 전기적으로 절연체이고, 자기적으로 비자성체인, 예를 들어, 아크릴(acryl), 에폭시(epoxy), 베이클라이트(bakelite), 나무, 알루미늄(Al) 등, 원통형 관에 감긴 형태일 수 있다. 솔레노이드 형태의 교류 유도 코일(222a)은 좁은 공간 범위에 높은 자기장(~9T)을 제공할 수 있다.
교류 유도 코일(222a)에서 발생하는 교류 자기장(Bac)의 외측 성분을 상쇄하기 위한 교류 유도 보상 코일(222b)을 더 포함할 수 있다. 교류 유도 보상 코일(222b)은 솔레노이드 형태일 수 있다. 교류 유도 보상 코일(222b)은 전기적으로 절연체이고, 자기적으로 비자성체인, 예를 들어, 아크릴, 에폭시, 베이클라이트, 나무, 알루미늄 등, 원통형 관에 감긴 형태일 수 있다. 교류 유도 보상 코일(222b)의 감긴 방향은 교류 유도 코일(222a)과 반대 방향일 수 있다. 이에 따라, 교류 유도 코일(222a)에서 발생하는 교류 자기장(Bac)의 외측 성분이 교류 유도 보상 코일(222b)에 의해 상쇄될 수 있다. 이는 아래 관계식을 만족하는 교류 유도 코일(222a)의 감긴 회수(n1)와 단면적(A1) 및 교류 유도 보상 코일(222b)의 감긴 회수(n2)와 단면적(A2)으로 구성하여 이룰 수 있다. 또한, 교류 유도 보상 코일(222b)은 교류 유도 코일(222a)과 전기적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 교류 유도 보상 코일(222b)과 교류 유도 코일(222a)은 하나의 선으로 이루어질 수 있다.
[관계식]
Figure 112008013028871-pat00055
미세 조정 코일(224)은 교류 유도 코일(222a)의 내부에 위치하고, 교류 유도 코일(222a)에서 발생하는 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac)의 진동을 감지할 수 있다. 미세 조정 코일(224)은 교류 자기장(Bac)을 미분한 값(-Aμ0nI0ωcosωt)을 감지하기 때문에
Figure 112008013028871-pat00056
코일이라고 표현할 수도 있다. A는 미세 조정 코일(224)의 단면적이다. 미세 조정 코일(224)의 신호를 감지하는 위상 감응 검출기로 사용되는 미세 조정 코일용 락-인 앰프(235)를 더 포함할 수 있다. 이는 교류 유도 코일(222a)에서 발생하는 교류 자기장(Bac)은 도 1의 헤름홀쯔 코일(도 1의 122 참조)에서 발생하는 것에 비해 균일성이 떨어지기 때문이다. 미세 조정 코일용 락-인 앰프(235)는 미세 조정 코일(224)에서 감지된 교류 자기장(Bac)의 진동수를 비교하여 자기전기성 시료에 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac)이 균일해지도록 조정할 수 있다. 이에 따라, 자기전기성 시료에 균일한 교류 자기장(Bac)이 가해질 수 있다.
전기 차폐체(250)는 자기전기성 시료 및 미세 조정 코일(224)과 교류 유도 코일(222a) 사이를 전기적으로 차폐할 수 있다. 전기 차폐체(250)는 자기전기성 시료가 장착되는 시료 장착 공간(210s) 및 시료 장착 공간(210s)의 하부에 제공된 미세 조정 코일(224)을 감싸는 구조일 수 있다. 전기 차폐체(250)는 스테인레스강(stainless steel) 또는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전기 차폐체(250)는 스테인레스강으로 형성될 수 있다. 이는 저온 측정의 특성상 발생하는 전기적 잡음을 최소화함으로써, 실온 측정과 같은 측정 민감도를 얻기 위해서이다.
전하 증폭기(240)는 교류 유도 코일(222a)에서 발생하는 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac)에 의해 진동하는 자기전기성 시료의 전하 신호(δQ)를 증폭시키면서, 전압 신호(δV)로 변환시킬 수 있다. 전하 증폭기(240)는 병렬로 연결된 저항체, 콘덴서 및 연산 증폭기를 포함할 수 있다. 저항체는 약 1GΩ의 값을 가질 수 있다. 콘덴서는 약 1pF의 값을 가질 수 있다. 자기전기성 시료와 전하 증폭기(240)는 마이크로 동축 케이블(micro coaxial cable)로 연결될 수 있다. 이는 자기전기성 시료의 전하를 측정하는 과정에서 신호가 감소하는 것을 최소화함으로써, 측정 민감도를 높이기 위해서이다.
락-인 앰프(230)는 위상 감응 검출기로 사용되어 전하 증폭기(240)에서 출력된 전압 신호(δV)를 감지할 수 있다. 이에 따라, 락-인 앰프(230)로부터 공급되는 소정의 진동수(ω)를 갖는 유도 전류(I0sinωt)에 의해 교류 유도 코일(222a)에서 발생하는 소정의 진동수(ω)를 갖는 교류 자기장(Bac)에 의해 진동하는 자기전기성 시료의 전하 신호(δQ)를 측정할 수 있다.
결과적으로, 자기전기성 시료에서 생성되는 전기 쌍극자의 변화로 생기는 전압을 측정하는 종래와는 달리, 본 발명의 자기전기 감수율 측정 시스템은 전하 증폭기를 사용하여 교류 자기장에 의해 진동하는 자기전기성 시료의 전하를 증폭하여 측정함으로써, 자기전기성 효과에 대한 측정 민감도를 획기적으로 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 자기전기 감수율 측정 시스템은 물성 연구에 널리 사용되는 물리적 특성 측정 장치와 호환할 수 있게 제작됨으로써, 저온 영역(3K 이상) 및 고자기장(~9T) 환경에서도 자기전기성 효과에 대한 측정 민감도를 가질 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예들에 따른 전하 증폭기를 포함하는 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공함으로써, 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 민감하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 자기전기 감수율 측정 시스템의 측정 민감도를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 전하 증폭기를 포함하는 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공함으로써, 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 저주파수 및 고주파수 대역에서 측정할 수 있다. 이에 따라, 자기전기 감수율 측정 시스템의 사용의 영역을 넓힐 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 실시예들에 따른 전하 증폭기를 포함하는 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공함으로써, 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 극저온(3K) 및 고자기장(9T)의 극한 환경에서 측정할 수 있다. 이에 따라, 자기전기성 효과를 갖는 새로운 물질에 대한 기초적인 물성 연구가 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 전하 증폭기를 포함하는 자기전기 감수율 측정 시스템으로 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 측정함으로써, 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 민감하게 측정할 수 있다. 이에 따라, 측정 민감도가 향상된 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전하 증폭기를 포함하는 자기전기 감수율 측정 시스템으로 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 측정함으로써, 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 저주파수 및 고주파수 대역에서 측정할 수 있다. 이에 따라, 사용 영역이 넓어진 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에 따르면 전하 증폭기를 포함하는 자기전기 감수율 측정 시스템으로 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 측정함으로써, 자기전기성 물질의 자기전기성 효과를 극저온(3K) 및 고자기장(9T)의 극한 환경에서 측정할 수 있다. 이에 따라, 자기전기성 효과를 갖는 새로운 물질에 대한 기초적인 물성 연구가 가능한 자기전기 감수율 측정 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 자기전기성 시료에 직류 자기장을 인가하는 자석;
    상기 자기전기성 시료에 교류 자기장을 가하는 교류 유도 코일;
    상기 교류 자기장에 의해 진동하는 상기 자기전기성 시료의 전하 신호를 증폭시키는 전하 증폭기; 및
    상기 교류 유도 코일에 유도 전류를 공급하면서, 상기 전하 증폭기에서 증폭된 상기 전하 신호를 감지하는 위상 감응 검출기를 포함하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자석은 전자석 또는 초전도 자석인 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전하 증폭기는 병렬로 연결된 저항체, 콘덴서 및 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 저항체는 1GΩ의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 콘덴서는 1pF의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 교류 유도 코일은 헤름홀쯔 코일 또는 솔레노이드 형태인 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 교류 유도 코일은 솔레노이드 형태이고,
    상기 교류 유도 코일 내부에 위치하고, 상기 교류 자기장의 진동을 감지하기 위한 미세 조정 코일; 및
    상기 자기전기성 시료 및 상기 미세 조정 코일과 상기 교류 유도 코일 사이를 전기적으로 차폐하기 위해 제공된 전기 차폐체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 교류 유도 코일의 상기 교류 자기장의 외측 성분을 상쇄하기 위한 교류 유도 보상 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 교류 유도 보상 코일은 솔레노이드 형태인 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 교류 유도 보상 코일의 감긴 방향은 상기 교류 유도 코일과 반대 방향인 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 교류 유도 보상 코일은 상기 교류 유도 코일과 연결된 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 미세 조정 코일의 신호를 감지하는 미세 조정 코일용 위상 감응 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 전기 차폐체는 스테인레스강 또는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
  14. 제 7항에 있어서,
    상기 자기전기성 시료와 상기 전하 증폭기는 마이크로 동축 케이블로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기전기 감수율 측정 시스템.
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