KR101229997B1 - 고구배 자기장을 형성하는 방법 및 그에 기반한 물질 선별 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기선별장치에 관한 것으로서, 상자성의 자화율에 따라 상자성 물질을 선별하고, 반자성의 자화율에 따라 반자성 물질을 선별하는 장치이다.

상기 발명은 전자공학분야, 금속학분야, 화학분야, 또는 생물학적인 개체의 선별 및 물로부터 중금속과 유기적인 불순물들을 제거하는데 사용될 수 있다.

상기 발명의 장치는 열린 영역 구조(open domain structure)형식의 자기 시스템에 기반을 두고 있다. 그리고 상기 장치는 대체로 옆면이 결합된 형태로 제작된 직사각형의 영구자석(1, 2)으로 구현되고, 그 자기장의 극성은 서로 반대 방향이며, 자기 이방성은 그 물질의 자기유도를 초과한다.

상기 자석(1, 2)은, 자석의 밑면에 결합되며, 비 기억 물질로 만들어진 판으로 구성된 공통의 밑판위에 탑재되고, 비 기억 물질로 만들어진 박판(5, 6)은 자석의 윗면에 위치하며, 자석결합면의 상부 에지(8, 9)에 간극을 두고 형성된다.

물질을 선별하기 위한 비자성의 물질은 상기 간극(7)의 위에 위치한다.

고구배, 선별 장치

Description

고구배 자기장을 형성하는 방법 및 그에 기반한 물질 선별 장치 {Method for Forming a High-Gradient Magnetic Field and a substance Separation Device Based Thereon}

본 발명은 자기 선별 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는

a)반자성(Diamagnetic, 反磁性)물질로부터 상자성(Paramagnetic, 常磁性)물질 선별

b)상자성 자화율(Paramagnetic Susceptibility)에 의거한 상자성물질의 분류

c)반자성 자화율(Diamagnetic Susceptibility)에 의거한 반자성물질의 분류

에 관한 것이다.

본 발명이 적용될 수 있는 분야는 전자공학, 금속공학 및 화학적으로 깨끗하고 매우 순수한 물질 및 재료의 제작, 생물학과 의학에서 생물학적인 재료들의 분류(적혈구, "마그네틱 박테리아(Magnetic Bacteria)" 등), 물로부터 중금속 및 유기적인 불순물의 제거 등이 있다.

자기 선별의 기본적인 요소는 물질의 입자에 작용하고, 물질의 자화력에 비례하며, 자기장에 적용되는 자기유도(B)와 구배(gradient)값 ▽B로 표현되는 자기력이다. 그러므로, 자기 선별의 감도와 선택도의 증가에는 자기유도값과 자기장의 구배값 또는 그들을 조합한 값(B▽B)의 최고가능치가 사용된다.

자기선별기는 몇 밀리미터의 내에서 B▽B값이 4.5·10⁵ mT²/m 에 도달하는 자화율값에 의하여 강자성물질을 선별한다는 것은 알려져 있다 [참고문헌 1].

그러나, 상기 자기선별기는 자기장의 매개변수(parameters)값이 충분히 높지 않기 때문에 상자성물질과 반자성물질의 선별에는 사용될 수 없다.

키틀의 열린 영역 구조(Kittel open damain structure)형식의 반대극성을 가지는 두개의 영구자석으로 구성된 자기시스템은 이미 알려져 있다 [참고문헌 2].

상기 시스템에서, 결합된 자석의 에지(edge)근처에 자기소거 인자 텐서(tensor)의 비대각 행렬 요소(non-diagonal matrix elements)로부터 야기된 강한 자기공전장이 나타나고(도 1 참조), B▽B값은 10¹¹mT²/m 에 도달한다.

자석의 표면, 즉 접합면의 상부 에지 구역(도 1의 선 0Y영역)에, 강한 자기 공전장이 Hy(x,z), Hz(x,z), Hx(x,z)성분으로 나타나 있다.

Hy(x,z)성분은 시스템에서 기하학적으로 0 과 같고, 수직요소인 Hz(x,z)는 자석물질의 자기유도값의 절반 이하를 나타내며, 본 발명에서 가장 중요한 수평요소 Hx(x,z)는 다음과 같은 표현으로 나타낼 수 있다.

Hx(x,z) = Ms [ln(a² + z² + 2ax + x²) - 2ln(x² + z²) + ln(a² + z² - 2ax + x²)]

여기서 Ms는 자석의 포화자화(Magnetization saturation)를 나타내고, a는 0x 축을 따라서 자기장의 크기를 나타낸다.(도 1에 도시되어 있음)

z = 0 인 평면의 원점에서 자기공전장의 수평성분은 무한대를 향하고 있다.

그 결과, 자석 접합면의 소구간(-0.1 ≤ x ≤ 0.1a)에서는 자기공전장의 수평성분이 급격하게 상승하며, 이것은 도 1에 점선으로 표시되어 있다. 그 강도는 자석의 자기유도 보다 몇 배 더 높을 수 있다.

자기 시스템이 나타내는 중요한 실질적 특징은 자기공전장 Hx(x,z) 이 고구배(High-gradient)값을 가진다는 사실이다. 그 값은 영점에 가까운 구역에서 10⁶ - 10⁹ mT²/m 에 도달한다. 이 시스템에서 B▽B값은 10¹¹ mT²/m 에 달한다. 이 자기시스템은 생성된 자기장의 구배와 형태의 컨트롤이 불가능 하다는 단점이 있으며, 이때문에 재료와 물질을 선별하기 위하여 본 시스템을 사용하는것은 실질적으로 불가능하다.

몇 마이크로미터 이내에서 B▽B값이 약 1.3·10¹⁰mT²/m 에 도달이 가능한 고구배 자력선별기는 종래에도 알려져 있다[참고문헌 3]. 이 선별기는 25 - 60 μm 크기의 강자성체(선형, 구형, 등)를 분석해야 할 물질속으로 삽입해야 하고, 이로 인하여 선별해야 할 물질의 특질과 특징의 가능 범위를 실질적으로 제한하는 단점이 있었다.

바이러스나 미생물 같은 병원성 물질을 포함하는 콜로이드 분산으로부터 연속적으로 불순물을 제거하는 장치는 종래에도 알려져 있다. [참고문헌 4]

상기 장치는 중심코어(core)를 가지는 적어도 하나의 자석이 구비된다. 상기 자석의 자극들은 그들의 표면과 수직인 자기장을 형성하도록 서로간에 조절되고 배치된다.

채널 안에는 직사각형의 단면적을 가지며, 비 자성체로 형성된 상자모양의 바스켓(basket)이 존재하며, 그 안에는 높은 자기 투과성을 가지며 뭉친 섬유질이나, 줄, 그물같은 천, 또는 분말의 형태로 형성되며, 고구배값의 자기장을 생성시킬 수 있는 필터가 있다.

상기 바스켓과 필터의 일측은 용액을 제공하는 방과 연결되어 있고, 타측은 필터로 걸러진 액체를 수집하는 방과 연결되어 있다.

상기 장치는 강자성체를 분석해야할 물질에 필터의 형태로 넣어야 한다는 점과, 액체가 아닌 물질의 선별에는 적용할 수 없다는 단점이 있다.

부유상태에서 자화될 수 있는 입자를 침전시키는 방법에 의하여 생물학적인 물질을 자기선별하는 시스템은 종래에도 알려져 있다 [참고문헌 5].

이 자기시스템은 운반용 플레이트(plate)를 포함한다. 상기 운반용 플레이트는 다수의 영구자석이 탑재되어 있고, 각 자석의 극성이 인접한 자석의 극성과 반대방향으로 형성되어 있는 철판이 결합되어 있다.

자기장 집중 철판은 자석위에 놓여지고 그 위에 커버판이 배치된다.

커버판에는 구멍이 형성되고, 자기장 집중판이 자기장의 내부에 위치하며, 부유물이 들어있는 튜브가 선별된다.

자기집중판은 평평한 외면과, 원뿔모양의 단면을 가지며, 상기 구멍 쪽으로 갈 수록 두께가 줄어든다.

이 자기시스템은 상자성의 자화율 크기에 의하여 상자성 물질을 선별하기 위하여 사용하는 자기장의 매개변수(parameter)들을 얻는 것이 불가능 하다는 단점이 있다.

본 발명의 따른 장치는, 반자성의 물질로부터 여러가지 타입의 상자성 물질을 선별하는 고감도의 자기선별기로서 사용되고, 상자성의 자화율에 크기에 의하여 상자성 물질 및 재료를 분할하고, 반자성의 자화율의 크기에 의하여 반자성 물질 및 재료를 분할하기 위하여, 선별구역 내에서 조정 가능한 형태와 구배를 가지고, 강한 고구배의 자기장을 생성하는 장치이다.

상기 목적은 본 발명의 고구배의 자기장을 만드는 방법에 의하여 달성된다. 상기 자기장은 반대 극성의 자기장을 가지는 두개의 자석이 접합된 에지 위에(키틀의 열린 영역 공간)의 형태로 형성되어 있으며, 자기의 이방성은 자석물질의 자기유도를 실질적으로 초과한다.

구역의 크기는 자석 접합면의 상부 에지의 바로위에 형성된 자석의 노출된 면에 간극을 두고 위치하는 얇은 자성을 가진 연성의 판재에 의하여 결정된다.

이 문제는 또한 자기선별장치가 옆면이 결합된 두개의 영구자석으로 이루어지며 열린 영역구조로 만들어진 자기시스템에 기초를 두고있다는 사실에 의하여 해결된다. 상기 자석은 반대 방향의 극성을 가진 직사각형 모양으로 이루어지는 것이 일반적이며, 자석의 이방성은 자성재료의 자기유도를 실질적으로 초과한다.

상기 자석들의 하부에는 연성의 철을 결합한 자기판을 공통적인 밑판으로 하여 설치된다

자석의 상부에는 간극을 두고 형성된 연성의 자기물질이 박판의 형태로 자석의 접합면의 바로 위에 위치하고, 상기 간극의 바로 위에 선별되는 물질을 위하여 비자성의 기판이 위치한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 박판은 바나듐 펄맨듀어(vanadium permendure)와 같은 자성을 가진 연성의 판재로 구성되어 있다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 박판은 0.01 ~ 1.0 mm 의 두께로 형성된다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 대칭적으로 결합된 자석의 결합면에 위치한 간극의 크기를 0.01 ~ 1.0 mm 사이로 조절하기 위하여, 자석의 상부면을 따라 상기 박판을 교체하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 기판은 폴리에스테르(Polyester)와 같은 비자성 물질로 구성된 얇은 밴드나 테이프로 형성된다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 밴드는 간극의 세로축과 수직인 방향을 따라 교체되는 방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 기판은 기계적인 진동 발생기와 연결된 비자성의 판으로 형성된다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 자석은 (네오디뮴-철-보론)Nd-Fe-B, (사마리움-코발트)Sm-Co, 또는 (철-플래티늄)Fe-Pt 등의 물질로 만들어진다.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 세개 이상의 자석을 결합한 두개 이상의 전자 시스템에 기초를 두고 형성되며, 선별구역은 접합면의 상부 에지 위에 두개 이상의 슬롯(slot) 가진다.

자석 접합면의 상부 에지는 자석의 접합면과 자석의 윗면이 교차된 선에 바로 인접한 자석구역이다. (도 6의 8번 과 9번을 참조)

본 발명의 따른 장치의 주요특징은 선별구역에서 B▽B값을 대폭 증가하는 기능이다. 그리고, 고감도의 자기선별기를 제작하기 위하여 높은 자기공전장을 사용할 실질적인 가능성을 제시하는 B▽B값을 조절하는 것이다.

도 2 와 도 3 및 도 4 와 도 5 는 종래의 열린영역구조와 자기장의 구조변화를 비교하여 나타내며 [참고문헌 1], 본 발명에 의하여 얻어진 결과이다. 도시된 것은 본 발명에 따른 자기시스템을 나타낸다. 그것은 양쪽 판 사이의 간극의 형태로 되어있는 구역에서의 자기장의 집중 뿐만 아니라, 자석 접합면의 에지에서 자기유도의 크기 및 배열, 자기력선의 모양변화 등을 통하여 이루어진다. 따라서, 상기 발명은 자기장 수치의 큰 변화를 가능하게 한다. 그리고, 상자성의 자화율의 크기에 따라 상자성 물질을 선별하고, 반자성 자화율의 크기에 따라 반자성 물질을 선별하는 것을 포함하는 넓은 범위에 걸쳐, 자기 속성의 물질을 선별하기 가장 적당한 상태로 만들 수 있다.

도 1은 두개의 자석 구조로 된 키틀의 열린 영역 구조(Kittel open domain structure)를 나타낸 도면,

도 2는 키틀의 열린 영역 구조의 자력선을 나타내는 다이어그램,

도 3은 본 발명에 따른 자기시스템의 자력선을 나타내는 다이어그램,

도 4는 키틀의 열린 영역 구조에서 접합된 자석의 에지 근처에서 자기유도의 수평요소의 분포를 나타내는 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 접합된 자석의 에지 근처에서 자기유도의 수평요소의 분포를 나타내는 그래프,

도 6은 본 발명에 따른 자기시스템을 나타낸다.

도 7은 간극(gap) 구역에서 자기유도가 판의 표면과의 거리에 의존하는 것을 나타내는 그래프.

도 6에 도시된 장치는 반대의 자화 방향을 가지는(화살표로 표시) 직사각형 모양의 두개의 자석 (1, 2)로 구성되어 있다. 상기 자석들은 자성재료의 자기유도 보다 훨씬 더 큰 자기 이방성(磁氣異方性, Magnetic anisotropy)을 가지는 물질로 만들어졌다. 예를들어, 네오디뮴-철-보론(neodymium-iron-boron), 철플래티늄(ironplatinum), 또는 사마륨-코발트(samarium-cobalt) 등이다.

네오디뮴-철-보론 자석은 실험에서 소결(燒結)된 약 1.3T 의 잔류자기유도값과, 약 1300 kA/m의 고유의 강제적인 자화력과, 약 320 kJ/m³ 의 최대 생산 에너지로서 사용된다. 자석의 크기는 25 x 50 x 50 mm 이다.

상기 자석(1, 2) 들은 평면(3)을 따라 결합되어 있고, 그들의 아래쪽 면에는 연철로 만들어진 판 형태의 밑판(4)이 형성되어 있다. 밑판의 두께는 예를들어 5 ~ 25 mm 이다.

상기 자석(1, 2)들의 위쪽면에는 박판(薄板)(5, 6) 이 위치한다. 상기 박판은 높은 포화자기유도를 가지는 자력을 띤 유연한 물질로 되어 있다. 박판의 두께는 0.01 ~ 1.0 mm이다.

상기 박판(5, 6)의 두께는 물질을 선별하기 위하여 요구되는 자기유도의 크기 및 최적의 자기장의 구배의 크기에 의하여 결정된다..

자석(1, 2)의 상부에 위치한 상기 박판(5, 6)은 자석(1, 2)의 상부에지(edge)(8, 9)의 바로 위에 0.01 ~ 1.0 mm 의 간극(gap)(7) 을 두고 있으며, 대개 평면(3)에 대하여 대칭적이다. 상기 간극(7)의 바로 위에는 선별해야할 물질 (11)이 놓여지기 위한 비자성의 기판(10)이 형성되어 있다. 상기 기판(10)은 예를 들어, 기계적 진동 발생기와 연결된 수평의 판으로 만들어질 수 있다(도 6에는 도시되어 있지 않음). 또한, 상기 기판은 비자성의 밴드(예를 들어, 폴리에스테르) 로 만들어질 수 있고, 밴드를 상기 간극(7) 의 수직방향을 따라 이동시킬 수 있는 수단이 제공될 수 있다(상기 밴드와 이동수단은 도 6 에 도시되지 않음). 상기 기판(10)은 상기 박판(5, 6)의 표면으로부터 0 ~ 5 mm의 거리를 이동시키는 수단이 제공될 수 있다. 상기 박판(5, 6)은 상기 간극(7)의 폭이 0.01 ~ 1.0 mm 를 넘도록 조절하기 위하여 자석(1, 2)의 상부면을 따라 이들을 이동시키는 이동 수단(12, 13)과 연결된다..

상기 장치는 간극이 형성된 상기 박판(5, 6)의 표면으로부터 10μm 이하의 거리에서 B▽B값이 4·10¹¹ mT²/m 보다 더 큰 강한 자기장을 생성할 수 있다.

따라서, 상기 장치의 일 실시예에서는 두께 0.20 mm 의 바나듐 펄맨듀어 판이 사용된다. 그리고 간극의 폭은 0.05mm, 접선성분의 자기유도는 4.0T를 초과한다.

게다가, 자기장의 접선 성분의 피크(peak)폭은 상기 간극(7)의 폭에 의하여 조절된다.

도 7 은, 박판(5, 6)면에 대하여 수직인 축과의 거리에 따른 자기유도의 의존성을 나타낸다. 도 7의 원점은 박판(5, 6)의 높이 내에서 상기 간극(7)의 중심점이다. B▽B값이 4.2·10¹¹mT²/m 일때, 이 중심점에서 0.10 mm 떨어진 거리의 구배값은 4.1·10⁶ mT/m 이고, 0.01 mm 거리에서는 1.2·10⁸ mT/m 이 된다.

전술한 장치를 사용하여 상자성 물질의 선별 가능 실험은 혼합물의 상자성의 자화율 차이에 의하여 실행된다. 그 결과는 다음 표에 도시되어 있다.

물질	자화율 [x·106]	거리 [mm]
디스프로슘 황산염	92760	1.900
유로퓸 영화물	26500	0.700
구리 염화물	1080	0.100

선별과정은 다음과 같이 수행된다. 상기 표에 있는 물질들의 혼합물을 박판 (5, 6)으로부터 소정의 거리에 있는 얇은 폴리에스테르 밴드 위에 올려놓는다.

그리고, 상기 밴드는 상기 간극(7)의 세로축과 직각인 방향을 따라 상기 판의 위를 움직인다.

가장큰 자화율을 갖고 있는 디프로슘 황산염의 입자는 상기 밴드와 박판(5, 6)사이의 거리가 약 1.90mm이 되면 혼합물에서 선별되고, 나머지 입자들은 밴드에 그대로 남게된다.

그리고, 선별된 디프로슘 황산염의 입자는 밴드에서 제거되고, 밴드와 박판 (5, 6)의 간격을 좁히면서 선별과정이 계속 된다.

상기 표는 상자성 물질 혼합물의 모든 성분이 선별될 수 있는 상기 밴드와 상기 판(5, 6) 사이의 거리를 나타내고 있다.

본 발명에 따른 두개의 자석으로 구성된 자기시스템에 기초하여, 두개 이상의 비슷한 자기 시스템을 조립함으로써, 더 생산적인 자기선별기가 만들어질 수 있다. 각 시스템들은 세개 이상의 자석의 면을 연속적으로 결합하고, 접합면 상부 에지의 위쪽에 두개 이상 형성된 간극 근처에 선별구역이 형성된다. 예를들어, 상기와 같이 네개의 자석과 세개의 선별구역을 가진 시스템에서는, 선별되어야 할 물질이 놓여진 밴드는 한번 통과하는 동안에 세 단계의 선별과정이 실행된다.

따라서, 상기 장치는 간극을 형성한 판의 표면과의 거리가 10μm 이하일때 공학적으로 4·10¹¹ mT²/m 이상의 높은 B▽B값을 가지는 강한 자기장을 생성할 수 있다.

상기 장치는 선별 구역 내의 자기장의 모양과 구배를 조정할 수 있다.

실제로, 상기 장치는 상자성의 자화율에 의하여 상자성 물질을 선별하거나, 반자성의 자화율에 의하여 반자성의 물질을 선별함으로써, 반자성의 물질로부터 상자성 물질을 선별하는데에 사용될 수 있다. 상기 물질은 분말형태이거나, 콜로이드 용액 및 콜로이드 분산 형태로 되어 있을 수 있다.

본 명세서에서 설명된 참고문헌은 다음과 같다.

참고문헌 1. Glebov, V.A.; Glebov, A.V.; Knyazev, Yu.D.; Nefedov, V.S.; Lileyev, A.S: "Magnetic separation of fast-hardened powders of neodymiumironboron system"; Proceedings of VUZ - Institute of Higher Education; Materials of Electronic Engineering, No. 4, 2003, pp. 59 - 61.

참고문헌 2. Samofalov, V.N.; Ravlik, A.G.; Belozorov, D.P.; Avramenko, B.A.: "Strong magnetic fields of scattering in systems from the highly anisotropic magnetic materials", Physics of Metals and Metallurgical Science, 2004, Volume 97, No. 3, pp. 15 - 23.

참고문헌 3. Gh. lacob, Ay. D. Ciochina, O. Bredetean: "High Gradient Magnetic Separation Ordered Matrices", European Cells and Materials, Vol. 3. Suppl. 2, 2002 25 (pp. 167 - 169), ISSN 1473-2262.

참고문헌 4. European patent No. 0 429 700, published 05.04.1995.

참고문헌 5. European patent No. 0 589 636, published 02.08.2000.

Claims (9)

1. 키틀의 열린 영역구조(Kittel open damain structure)내의 자석 접합면의 에지 위에서 자석들의 극성의 방향이 서로 반대이며, 자석들의 자기 이방성이 자성재료의 자기유도를 초과하는 고구배(high gradient) 자기장 구역(zone)을 생성하는 방법에 있어서,

   상기 구역(zone)의 영역(dimensions)은 상기 자석 접합면의 상부 에지의 바로 위에서 간극을 형성함으로써 자석의 자유면에 위치된 자성을 가진 연성의 박판에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 자기장을 형성하는 방법.
2. 고구배 자기장 내에서 물질을 선별하는 장치에 있어서,

   옆면이 서로 결합된 두개의 영구 자석으로 구성된 열린 영역 구조(open domain structure)의 형태의 자기 시스템에 기초를 두고 형성되고,

   상기 자석들의 모양은 직사각형 이고,

   상기 자석들의 자기장의 극성의 방향은 서로 반대방향이고,

   상기 자석들의 자기 이방성은 자성재료의 자기유도를 초과하고,

   상기 자석들은 자석의 밑면에 결합된 자성을 가진 연성의 판재를 포함하는 공통의 밑판위에 고정되고,

   상기 자석들의 윗면에는 얇은 자성을 가진 연성의 박판들이 상기 자석들의 결합면의 상부 에지 바로 위에 위치하는 간극을 형성하며, 상기 간극의 바로 위에는 선별될 물질을 위한 비자성의 기판이 위치하는 것을 특징으로 하는 선별 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 박판은 자성을 가진 연성의 물질인 것을 특징으로 하는 선별 장치.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 박판의 두께는 0.01 ~ 1.0 mm 인 것을 특징으로 하는 선별 장치.
5. 제 2항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 박판은 상기 간극의 폭의 범위를 0.01 ~ 1.0 mm 으로 조정하기 위한 수단이 제공되며, 상기 간극은 자석들이 결합된 측면을 따라 형성된 평면과 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 선별장치.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 기판은 얇은 밴드로 이루어지고, 상기 간극의 세로축과 수직인 방향을 따라 상기 밴드를 움직이는 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 선별 장치.
7. 제 2항에 있어서,

   상기 기판은 기계적인 진동 발생기에 연결되는 수평의 판인 것을 특징으로 하는 선별 장치.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 자석은 네오디뮴-철-보론(neodymium-iron-boron), 사마리움-코발트(samarium-cobalt), 또는 철-플래티늄(iron-platinum) 으로 만들어진 것을 특징으로 하는 선별 장치.
9. 제 2항에 있어서,

   상기 밑판 위에 세 개 이상의 자석이 옆으로 연속적인 결합을 하는 두개 이상의 자기 시스템이 형성되는 것을 특징으로 하는 선별 장치.

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