KR101324075B1

KR101324075B1 - 초전도 시스템

Info

Publication number: KR101324075B1
Application number: KR1020087012197A
Authority: KR
Inventors: 티모시 아서 쿰스
Original assignee: 매그니파이 리미티드
Priority date: 2005-10-21
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2013-10-31
Also published as: US8252726B2; JP2009513010A; JP5562556B2; KR20080073713A; CA2622221A1; EP1946337B1; GB2431519B; WO2007045929A3; CA2622221C; CN101292305A; US20080252404A1; EP1946337A2; GB2431519A; WO2007045929A2; GB0521473D0

Abstract

본 발명은 초전도체의 자기화를 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서 특히 자속펌프 및 새로운 유형의 자기화된 초전도체에 관한 것이다. 이 방법은 초전도체의 자성을 변경하는 방식으로서, 자기장을 자동으로 제어하여, 초전도체의 표면 위를 진행하는 자속 변경 파장을 생성시키는 과정으로 이루어진다.

초전도 시스템, 초전도체

Description

초전도 시스템{SUPERCONDUCTING SYSTEMS}

본 발명은 초전도체의 자기화를 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서 특히 자속펌프 및 새로운 유형의 자기화 초전도체에 관한 것이다.

초전도 자속펌프의 개념은 상대적으로 간단하다. 작은 자기장을 반복적으로 적용하면 초전도체 내에 더 큰 자기장을 가둬둘 수 있다. 이 자기장은 초전도체의 부피 및 임계전류에 의해 제한되지만 들뜸자기장(excitation field)의 제한은 받지 않는다. 초전도체의 냉각상태만 유지한다면 이 자기장은 별도의 외부 전류 공급 없이도 계속 그 상태를 유지할 수 있다.

본 발명에 적용된 새로운 기술은 고자기장(예를 들어 1테슬라 이상의 범위)을 생성할 수 있게 한다. 또한, 평면 자석과 실질적으로 직각을 이루는 자기장을 생성할 수도 있다. 또한, 선택적으로 시간과 공간을 변화시킴으로써, 균일장(uniform field) 또는 진행파장(travelling wave field)과 같은 원하는 패턴으로 자석을 자기화할 수 있다.

넓은 의미에서, 본 발명에 따른 기술은 자기장을 "저장"하기 위해 초전도체와 같은 매질을 사용한다. 매질의 자기화는 상자성(paramagnetic)으로부터 강자성(ferromagnetic) 또는 반자성(diamagnetic)으로 자성 변경이 가능한 재질에 의해 제공된다. 이러한 재질의 자성을 변경하면 자기장의 변화가 초전도체에 전류를 유도하여 초전도체의 자기화(또는 자기소거)가 이루어진다. 본 발명에 따른 기술의 실시예는 매우 넓은 범위의 응용 분야에 적용될 수 있는 잠재력을 가진다.

본 발명의 첫번째 특징으로는 초전도체의 자성을 변경하는 방법이 제공되며, 이 방법은 자기장을 자동으로 제어하여 상기 초전도체의 표면 위를 진행하는 자속(magnetic flux)을 변경하는 파장을 생성시키는 것을 포함한다.

이 방법은 자속의 진행파를 초전도체에 반복적으로 적용하는 것을 포함하는 것이 바람직하다. 이렇게 지속적인 전류를 생성함으로써 진행 파장이 한 번 통과할 때마다 초전도체에 더 많은 자속을 점증적으로 저장할 수 있다. 실시예에서 자속파장은 초전도체의 임계자장보다 더 센 자기장을 적용하며, 이 자기장은 Type-I 초전도체의 경우에는 1차임계자장보다 센 자기장이 된다. Type-I 초전도체를 사용하는 경우, 진행자기장이 초전도체에 자선(flux line)을 통과시킬 수 있을 정도의 충분한 크기를 가져야 상기 자선을 초전도체의 특정 영역에 적용시킬 수 있다.

이 방법의 바람직한 실시예에서는 초전도체가 Type-II 초전도체로 구성되고 자속은 상기 초전도체의 1차임계자장(HC1)보다 큰 강도를 가진다. 전형적으로 HC1의 크기는 20mT 정도로 작지만 적어도 원칙적으로 1테슬라에서 최대 40~50테슬라까지 이르는 2차임계자장(HC2) 크기까지 초전도체를 자기화할 수 있다. 실제적으로는, 이러한 고자기장으로 인해 생성된 반발력(2개의 평행 전류로 인해 발생)이 높은 장력을 유발하며 특히 고온초전도체의 경우 자기장 범위의 상한선에 대한 일종의 기계적 구속 장치를 적용하는 것이 필요할 수 있다.

본 발명은 자속 진행파(즉, 진행파 자기장)의 적용 방식이 초전도체의 자성을 증폭시키는지 또는 감소시키는지에 따라 초전도체의 자기화 또는 자기소거에 적용될 수 있으며 초전도체의 자성을 동적으로 변경하는 데에도 적용될 수 있다. 초전도체를 자기화할 때에는 자기장의 제어를 통해 초전도체의 표면에 자속이 매 번 적용될 때마다 초전도체 내부에 자기다발이 갇히도록 하며 이러한 방식을 통해 상대적으로 작은 자기장을 여러 번 적용함으로써 초전도체 내부에 매우 큰 자기장이 만들어지도록 할 수 있다.

원칙적으로 진행파는 일련의 코일을 사용하여 생성할 수 있으며 고체(solid-state) 방식을 적용하는 것이 바람직하다. 그러므로 바람직한 실시예에서 자기장 자동 제어 방식은 초전도체 표면 위에 자기화물질의 층을 배치하고 이 층의 자성 정렬(magnetic ordering) 파동을 제어하는 것을 포함한다. 물론 자기화물질이 반드시 표면과 접촉할 필요는 없으며 아래에 설명된 대로 자기화물질을 초전도체 표면으로부터 분리하는 방식이 제공하는 장점도 있으나, 효율의 증대를 위해 자기화물질을 초전도체 표면에 충분히 접근시켜 둘 사이의 자속이 충분히 결합되게 하는 것이 바람직하다. 자기화물질층은 초전도체와 유사한 크기를 가지는 것이 바람직하며 따라서 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 이상의 두께를 가질 수 있다. 일부 바람직한 실시예에서는 박막(thin film) 또는 후막(thick film) 기술이 적용된다.

자성정렬은 강자성, 준강자성, 반자성 및 다양한 유사 방식(경사면, 나선형 및 크기 감소 방식)을 포함하는 기존의 다양한 자성정렬 방식 중 하나로 구성될 수 있다. 그러나 넓은 의미에서 자성정렬 파동은 일종의 정렬(magnetic alignment) 기능을 하는 파동을 포함한다. 예를 들어, 상기 진행파는 자성정렬 펄스를 포함할 수도 있지만 원하는 결과는 자속의 변화이므로 자성배열을 이미 갖춘 물질에 정렬해제 펄스를 적용할 수도 있다.

자기화물질 자체는 큰 자기장을 생성하지 않아도 되며 그 대신 자기화물질에 저항이 감소(또는 증가)된 영역을 생성시킴으로써 외부적 또는 개별적으로 적용된 자기장을 초전도체에 국부적으로 집중시키는 방식에 의존할 수 있다. 그러므로 자성정렬은 저저항 경로를 제공하여 외부 적용된 자기장을 국부적으로 증가시킬 수 있도록 하는 자성정렬을 포함할 수 있다.

일부 특별히 바람직한 실시예에서는 전도체에 전류 펄스를 적용하여 전도체를 가열(또는 냉각)함으로써 진행 열파를 생성한다. 전도체의 특성(저항, 크기) 및 적용 전류의 강도는 자성정렬을 제어할 수 있는 열파를 생성할 수 있도록 적절히 선택한다. 그러므로 예를 들어, 상기 물질의 퀴리점보다 높게 전도체를 국부적으로 가열함으로써 전류 펄스가 생성한 열파 펄스가 전도체를 따라 흐르고 이 열파 펄스가 다시 자성배열을 갖춘 재질 내에 자성 정렬 해제 펄스를 생성할 수 있다. 자성체로 적절한 물질에는 프러시안블루(또는 유사물질)가 있겠으나 물론 다른 많은 물질도 사용될 수 있다. 자성체의 종류는 열파의 크기 및/또는 초전도체가 초전도 현상을 나타내기 시작하는 임계온도에 따라 적절히 선택한다. 그러나 자성정렬은 정렬온도에서 이루어지며 이 정렬온도를 기준으로 물질의 전이가 이루어지도록 열파가 적절한 온도 변화를 제공해야 한다.

본 발명의 관련 특징으로는 초전도체를 자기화하는 방법이 제공되며 이 방법은 상기 초전도체의 임계자기장보다 큰 자기장을 상기 초전도체에 반복적으로 적용하는 것을 포함한다.

이 방법의 일부 바람직한 실시예에서는 자기모멘트가 적용 자기장보다 최소 50% 이상의 크기를 가지도록 초전도체를 자기화한다. 그러나 초전도체의 자기모멘트는 반복 적용된 자기장보다 2배, 5배, 10배 또는 100배 이상까지 증폭될 수도 있다.

본 발명의 보충적인 특징으로는 초전도체의 자기화를 위한 시스템이 제공되며 이 시스템은 상기 초전도체의 표면 위를 진행하는 자속을 변경하는 파장을 생성하는 장치를 포함한다.

그러므로 이 장치는 진행 파동을 생성할 수 있도록 상기 재질의 자성정렬을 제어하는 제어 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 이 제어 시스템은 상기 재질 내에 자성정렬의 진행파동을 생성할 진행 열파를 생성하도록 구성될 수 있다. 그러므로 예를 들어 이 제어 시스템은 전류원에 의해 구동되는 전도체를 포함할 수 있으며 이 전류원은 전류 구동 펄스와 같은 전류 구동 파형을 출력하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 관련 특징으로는 초전도체를 자기화하는 시스템이 제공되며 이 시스템은 상기 초전도체의 임계자기장보다 큰 자기장을 상기 초전도체에 반복적으로 적용하는 수단을 포함한다.

상술한 대로, 프러시안블루 또는 유사물질로 된 자기화물질층의 자성정렬을 제어함으로써 자기장을 반복하여 적용할 수 있다. 바람직한 실시예에서는 자기화를 제어하는 데에 열파가 사용되지만, 뒤에 설명될 일부 프러시안블루 유사물질 등에 레이저와 같은 빛을 사용하여 자성을 변환(switch)시킬 수도 있다. 그러므로 상술된 시스템의 다른 실시예에서는 레이저 등을 사용하여 변화하는 광 패턴을 자기화물질에 적용함으로써 초전도체에 변화하는 자기장을 적용한다.

본 발명의 다른 특징으로는 초전도 자속펌프가 제공되며 이 자속펌프는 초전도 재질층과, 상기 초전도체층 위에 배치되고 열 방식으로 두 자기상태 사이의 변환(thermally switchable)이 가능하며 상기 초전도체층에 상기 상태 중 하나의 상태에서 자기적으로 결합된 자성체층과, 상기 자성체층과 열접촉이 된 전도체를 포함하며, 상기 전도체는 전도체를 통과하는 전류를 제어함으로써 상기 자기층의 열 변환을 제어할 수 있도록 구성된다.

자성체와 초전도체 사이에는 간격자 역할을 하는 물질층을 두어, 열 차단 기능(진행 열 펄스를 사용하여 진행자기파를 생성하는 구성의 경우)을 제공하거나 전기 절연(전도체를 사용하여 자성체의 전도율과 전도체의 배치에 따라 변화 열파를 생성하는 경우)을 제공하는 것이 바람직하다. 추가적으로 또는 대체적으로, 자성체와 초전도체는 초전도 자속펌프 장치의 여러 부분을 물리적으로 분리 가능하도록 하거나 별도의 장치로 구성할 수 있다. 예를 들어 자속펌프를 구현하는 경우 초전도체를 "막대" 형태의 고정 장치에 장착하고 자속펌프가 작동할 수 있을 만큼 충분히 가까운 거리를 유지하도록 자성체와 초전도체의 위치를 조절하여 자기 충전 또는 소거 작업을 수행할 수 있다. 그러므로 실시예에서 고정 장치는 프러시안블루 유사물질과 같은 자성체를 포함하는 자기 충전/소거 장치에 연결하여 자기장을 제공할 수 있으며 이 장치에는 관련 전자 장치 및 자석 또는 코일도 구성하는 것이 바람직하다.

그러므로 본 발명의 추가적인 특징으로는 초전도체를 포함하는 부분과, 초전도체의 자성을 변경하기 위한 자기 충전/소거 장치부를 포함하는 2개부의 초전도 자속펌프 장치를 포함하며, 자기 충전/소거 장치는 최소한 하나의 가변자성체(switchable magnetic material)와, 자성체의 변환을 위한 시스템을 포함하며, 초전도체를 가변자성체에 가까이 가져간 상태에서 자성체의 변환을 제어함으로써 초전도체의 자성을 변화시킬 수 있다. 자성체의 변환을 위한 시스템은 자성체를 열 방식으로 변환하는 시스템을 포함하는 것이 바람직하며 자기장을 생성하기 위해 자석 또는 코일을 포함할 수 있다.

초전도체는 쿠프레이트 초전도체 등과 같은 고온 초전도체를 포함하는 것이 바람직하며 쿠프레이트 초전도체에는 YBCO(yttrium barium copper oxide, 이트륨-바륨-구리-산화물)가 바람직하다.

또한 본 발명은 복수의 픽셀을 가지며 각 픽셀이 상술한 자속펌프를 포함하도록 구성된 초전도 장치를 제공한다. (물론 초전도 장치 또는 자속펌프를 언급할 때에는 초전도 상태에 있는 장치 또는 자속펌프에만 한정되지 않는다.)

실시예에서는 하나의 픽셀이 일단 자기화되면 인접한 픽셀의 주변 자기장이 증가되고 따라서 프러시안블루의 주변 자기장이 더 커지므로 두 번째 픽셀에 대한 펌프가 첫 번째 픽셀에 대한 펌프보다 더 큰 자성을 생성한다. 그러므로 처음 자기화된 초전도체가 두번째 초전도체의 자기화를 보조하고 계속하여 두 번째가 세 번째를 보조하는 역할에 사용될 수 있다.

따라서 본 발명은 물리적으로 인접한 일련의 초전도체로 이루어진 초전도체를 자기화하는 방법을 제공하며, 이 방법은 이 중 첫 번째 초전도체를 자기화하며, 첫 번째 초전도체의 자속이 두 번째 초전도체에 결합되고, 상기 결합 자속을 두 번째 초전도체의 자기화에 사용하는 것을 포함한다.

유사하게, 본 발명은 물리적으로 근접한 일련의 초전도체로 이루어진 초전도체를 자기화하는 시스템을 제공하며, 이 시스템은 이 중 첫 번째 초전도체를 자기화하며, 첫 번째 초전도체의 자속이 두 번째 초전도체에 결합되고, 상기 결합 자속을 두 번째 초전도체의 자기화에 사용할 수 있는 수단을 포함한다.

이러한 장치는 픽셀화된 자기장을 생성하는 데 사용될 수 있으며 특히 각 픽셀의 자성을 정의함으로써 이러한 자기장이 장치의 면에 직각을 이루는 모양을 가지게 할 수 있다. 이 기능을 이용하면 평면 영역 위로 거의 납작한 모양의 자기장을 구현하는 등 비일반적인 모양의 자기장을 생성할 수 있다.

본 발명의 추가적인 특징으로는 특정 영역의 자기장을 정의할 수 있는 방법이 제공되며 이 방법은 복수의 초전도 자성체 요소와 상기 초전도 자성체 요소의 자성 제어를 통해 특정 영역 위의 상기 자기장을 정의하는 것을 포함한다.

물론 각 초전도 자성체 요소는 동일한 초전도체의 일부분이 될 수도 있다. 즉, 예를 들어 도 1b 및 1c에 도시되고 뒤에 설명된 것와 같이 자기화층 및/또는 초전도체가 하나의 연속적인 층이 될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 도 1b에 도시되고 뒤에 설명된 것과 같이 자기화(가변자성)층이 하나의 연속적인 층을 포함할 수 있다. 일부 바람직한 실시예에서는 자기화/가변자성층과 초전도체/초전도층 사이에 간격자 또는 단열층이 제공된다. 그러나 가변자성층이 초전도체의 임계온도 아래(프러시안블루 또는 유사물질과 YBCO의 경우 상기 온도보다 훨씬 아래에서 작동하는 것이 바람직함)에서 작동하는 경우 단열층이 생략될 수 있다.

본 발명의 추가 관련 특징으로는 초전도 자기 장치가 제공되며 이 장치는 초전도체 영역을 포함하는 초전도 자기 요소와, 상기 초전도체 영역에 진행자기파를 적용하는 시스템을 포함한다.

이 장치는 복수의 전극을 포함하는 것이 바람직하며 이 전극은 선택한 초전도 자기 요소에 적용되어 상기 요소를 자기 충전 또는 소거할 진행 자기파를 생성하는 시스템을 구동하는 데 사용된다. 상술한 대로 이 장치는 복수의 자기 픽셀을 포함하는 것이 바람직하다. 각 픽셀은 하나의 초전도 자속펌프를 이룰 수 있으며 이러한 자속 펌프는 픽셀 모양으로 구성된 자기화층과 여기에 상응하는 복수의 초전도 자기 요소를 가진다. 실시예에서 자기화 또는 가변자성층 및/또는 초전도체는 선택적으로 하나의 연속적인 층으로 구성될 수 있으며, 절연재질층으로 인해 초전도체로부터 분리된 상태를 유지할 수도 있다. 자기파를 적용하는 시스템은 초전도체를 자기 충전 또는 소거하기 위한 자기화 재질의 영역을 포함하는 것이 바람직하다. 시스템은 자성체의 자성정렬을 변경함으로써 자기화물질에 진행 자기파(변화하는 자기장)를 생성할 수 있도록 적어도 하나의 전도체를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 추가적으로 자기화 초전도체를 제공하며 이 초전도체는 하나의 표면을 가지는 초전도체와, 상기 표면 위에 배치된 자기화물질층과, 이 초전도체 표면 및 이 자기화 재질 사이에 배치된 단열 영역을 포함한다.

실시예에서 단열 영역은 자기화 재질과, 자기화 또는 자기소거된 초전도체가 서로 분리되도록 하기 위한 공기 간격을 포함할 수 있다. 초전도체의 표면이 평면이어야 할 필요는 없다.

자기화 재질은 자기장이 없는 경우, 초전도체의 초전도성이 없어지기 시작하는 온도보다 최대 100K 높은 온도 이하에서 스스로 자성배열을 가지는 재질을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어 강자성체 또는 준강자성체의 퀴리온도는, 초전도체가 초전도 현상을 보이는 온도보다 상대적으로 가까운 온도(예를 들어, 최대 10K, 50K, 또는 100K 더 높음)를 가지는 것이 바람직하다. 그러나 실시예는 단열 성능에 따라 500K 또는 1000K까지 온도차가 나더라도 작동이 가능할 수 있다. 일부 구성에서는 단열 영역이 부분적인 단열 기능만 제공하거나 아예 단열 영역이 없을 수도 있다.

본 발명의 다른 특징으로는 표면과, 상기 표면에 직각을 이루는 법선으로 정의된 축을 가지는 자기화된 초전도체가 제공되며 이 자기화된 초전도체는 외부적으로 적용된 자기장이 없을 경우 상기 축에서 거리가 멀어질수록 비단조적으로 변화하는 자기장을 가진다.

일부 바람직한 실시예에서 초전도체의 표면은 실질적으로 평면을 이루며 축은 초전도체의 대칭을 정의할 수 있다. 여기에 설명된 자기화 기술은 새로운 방식으로 초전도체를 자기화할 수 있게 해 준다.

그러므로 본 발명의 추가적인 특징으로는 표면과, 상기 표면에 직각을 이루는 법선으로 정의된 축을 가지는 자기화된 초전도체가 제공되며 이 자기화된 초전도체는 외부적으로 적용된 자기장이 없을 경우 상기 축에서 거리가 멀어져도 실질적으로 일정한 세기의 자기장을 유지하는 영역을 가진다.

종래의 평면 자석 모양에서는 자기소거를 통해 표면 전체에 일정한 자기모멘트를 가지는 자석을 구성할 수 없다. 일반적으로 이러한 모양의 자석에서는 자기모멘트가 자석 중심으로 갈수록 감소된다. 이와 대비하여 본 기술의 실시예에서는 초전도 디스크의 중심으로 갈수록 초전도체의 자기모멘트가 실질적으로 일정하게 증가한다. 구성된 회전 전류는 개념적으로 일련의 공심 원형 코일이라고 볼 수 있다. 이 가상의 코일들이 실질적으로 동일한 전류를 가지는 경우, 자기장은 초전도체의 대칭축으로 갈수록 증가한다. 상기의 진행 자기장에서 이러한 전류가 다른 경우, 대칭축으로 갈수록 감소하는 자기장과 대칭축으로 갈수록 증가하는 자기장 사이에 있는 위치를 얻을 수 있으며 특히 이 자기장은 실질적으로 평평한 자기장, 즉 평평한 표면과 수직을 이루며 적어도 표면 중심 부분에 걸쳐 실질적으로 일정한 크기를 유지하는 자기모멘트를 가진다. 여러 종류의 회전 전류를 구성하는 데에는 다양한 방식이 있다. 그 중 한 방법은 초전도체의 대칭 축으로 갈수록 두께가 좁아지는 전도체를 사용하는 것이고, 또 다른 방법은 상술한 것과 같이 픽셀화된 자기화 초전도체를 사용하여 평평한 표면 영역 위에 실질적으로 균일한 자기장을 생성하는 것이다.

그러므로 본 발명의 관련 특징 중 하나로는 자기화된 초전도체가 제공되며 상기 자기화된 초전도체는 실질적으로 동심인 복수의 회전 전류를 가지고 상기 전류들은 동일한 회전 방향을 가지며 서로 다른 상대 전류량을 가진다.

여기에서 설명하는 자기화 기술의 실시예에서 중심의 회전 전류는 복수의 동심 회전 전류와 반대 방향으로 회전한다.

여기에서 설명하는 기술은 강력한 자기장을 생성할 수 있게 해 주는데 이 자기장의 최대 자기모멘트는 최소한 1T, 2.2T, 2.3T 이상까지 이를 수 있다.(물론 초전도체를 설명할 때 자기모멘트는 자기화가 같은 의미로 쓰인다.) 이는 기존의 재질로 얻을 수 있는 것보다 더 큰 강도이다.

그러므로 추가적으로 본 발명은 자기화된 초전도체를 제공하며 이 초전도체는 실질적으로 평면적인 모양과, 최소 1T의 자기모멘트를 가진다.

예를 들어, 임계전류밀도(J_c) 10¹⁰ A/m²의 전형적인 고온초전도체를 사용하여 1.4T의 자기장을 생성하는 실시예에서는 두께 90 ㎛, 지름 1mm의 초전도체 디스크가 필요하다. 지름 5mm 디스크에 동일한 자기장을 생성하려면 약 45 ㎛ 의 두께면 충분한 것으로 산출된다. 20 ~ 30mT 범위의 작은 들뜸장으로도 반복적인 적용을 통해 이러한 유형의 초전도체를 1.4T까지 자기화할 수 있다.

여기에서 사용되는 기본 원리는 열을 이용하여 자기장의 변화를 유도하는 것이다. 이 자기장의 변화는 전기장을 생성되고 생성된 전기장은 전류를 만들어낸다. 설명된 실시예에서는 초전도체에 전류가 유도되고 이렇게 유도된 전류는 계속 유지되며 그 결과로 지속 자기장이 만들어진다. 실제로, 여기에서 설명한 기술은 초전도체 만이 아닌 어떠한 전도체에도 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 초전도체는 일반적인 전도체로 대체될 수 있으며 이러한 경우 장치는 예를 들어 전기력을 생산하는 열기관이 될 수 있다.

그러므로 본 발명은 빛 또는 열 에너지에서 전기력을 생산하는 열 또는 광 기관을 제공하며 이 기관은 빛 또는 온도의 변화를 자기장으로 변환하는 수단과, 상기 자기장 변화를 전기력으로 변환하는 수단을 포함한다.

이와 비슷한 개념을 고효율 태양 전지의 기반으로 적용할 수도 있다.

그러므로 본 발명의 추가적인 특징 중 하나로서 태양 전지가 제공되며 이 태양 전지는 자기적으로 변환 가능한 광투과 기능의 창을 제공하는 첫 번째 재질층과, 상기 첫 번째 재질층 아래에 배치된 자기적으로 변환 가능한 재질의 두 번째 층(상기 층은 광감응 자성을 지님)과, 상기 자기화 재질의 자기장에 배치된 전도체를 포함하며, 작동 시 자기적으로 변환 가능한 재질에 대한 광투과가 진동(oscillate)하면서 상기 자성에 변화를 유발하여 상기 전도체에 전류를 유도한다.

첫 번째 층의 재질은 액정 재질을 포함하는 것이 바람직하다. 실시예에서 태양 전지는 가변자성 재질에 자기장을 생성해 줄 영구 자석과 같은 수단을 포함한다.

도 1a~1c는 초전도 자속펌프의 입면도를 나타낸다.

도 2는 도 1에 표시된 유형의 자속펌프셀이 복수로 배열된 자속펌프를 나타낸다.

도 3은 도 1에 표시된 장치를 위에서 본 정면도로서 도 2 장치의 자속펌프셀에 대한 어드레스 실시예를 나타낸다.

도 4는 모형 기하 구조의 한 예를 나타낸다.

도 5에서 7까지는 초전도체 중심 방향으로 자기장을 적용했을 때 어떻게 되는 지를 일련의 단계로 나타낸다(좌우대칭인 초전도체의 오른쪽 부분만 표시).

도 8은 초전도 고리 중심에 갇힌 자속밀도(펌프 횟수 대 평균 B)를 나타낸다.

도 9는 도 7과 비슷하지만 상보적인 자기소거 절차를 나타낸다.

도 10은 자기소거 절차에서 초전도 고리 중심에 갇힌 자속밀도(펌프 횟수 대 평균 B)를 나타낸다.

도 11은 자기화된 초전도체의 한 예를 나타낸다.

도 12는 자속 증폭 효과를 도시한다.

도 13은 태양전지의 실시예를 나타낸다.

도 14는 발명 기술을 시연하는 실험 장치를 나타낸다.

도 15는 NdFeB에 대한 B-H 곡선의 한 예를 나타낸다.

도 16은 프러시안블루 퍽(puck) 견본의 정면도와 반으로 자른 단면도를 나타낸다.

도 17은 프러시안블루 유사물질의 온도 변화에 따른 M-H 루프를 나타낸다.

도 18a 및 18b는 도 14 장치의 중심 및 비중심에 위치한 탐침의 온도(K)에 대한 자속밀도(mT)를 각각 그린 도표로서 냉각 및 가열을 나타낸다.

도 19는 중심 및 비중심 탐침에서 냉각(왼쪽 눈금) 및 가열(오른쪽 눈금)에 대한 임계 온도에서의 마이스너(Meissner) 전이를 나타낸다.

도 20은 온도(K) 대 자속밀도(mT) 도표로서, 중심 및 비중심 탐침에서 복수의 펌프 주기를 나타낸다.

도 21은 단일 및 복수 펌프 주기 모두에 대한 온도(K) 대 자속밀도(mT) 도표로서, 단일 중심 탐침의 경우 초전도체가 일반 전도로 바뀔 때 선의 연속성이 끊어지는 것을 나타낸다.

도 22a 및 22b는 초전도체가 없을 때의 제어 곡선을 나타낸다.

이하, 첨부한 도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 특징들을 상세히 설명한 다.

도 1은 초전도 자속펌프 입면도를 나타내며 도 2는 도 1에 표시된 유형의 자속펌프셀이 복수로 배열된 자속펌프를 나타낸다.

일부 바람직한 실시예에서 시스템을 구성하는 요소는 다음과 같다.

1) 초전도층

2) 단열층

3) 가변자성층

4) 열원/전도층

배치구조는 도 1과 2에 도식으로 나타나 있다. 도 1은 각 요소의 입면도를 나타내고 도 2는 위 요소들의 집합을 나타낸다. 도 1과 도 2 모두 원리 설명의 편의를 위해 제공되었으며 최종 장치를 정확하게 표현하고 있지는 않다. 일반 전도 상태의 초전도체를 급속하게 자기소거하기 위한 열원을 제공하는 데 사용할 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 또는 제조 상의 편의를 위해 도 1b에 표시된 연속적인 초전도층을 가지거나 도 1c에 표시된 것과 같이 연속적인 단열층을 가질 수 있다.

도 1을 상세히 참조해 보면, 도 1a~1c 모두에서 초전도층(1)이 냉각 싱크(5) 와 직간접적인 열접촉을 이루고 있다. 초전도체층(1) 위에 위치하는 단열층(2)은 도 1a의 경우 초전도층 전체를 덮고 냉각 싱크와 접촉을 이루며, 도 1b의 경우 초전도층의 상단 표면을 덮고 있으며 도 1c의 경우 초전도층의 상단 표면을 부분적으로 덮고 있다. 세 가지 도식 실시예는 모두 단열층(2)이 가변자성층의 전체 또는 일부를 그 아래에 있는 초전도층으로부터 분리하고 있다(도 1c에서 가변자성층(3)은 초전도층과 모서리에 부분적으로 접촉하고 있음). 열원 및/또는 전도체/전열체로 구성된 네 번째 층(4)은 가변자성층(3)과 직접 접촉시키는 것이 바람직하며 이 층은 선택적으로 단열층(2)과 직접적으로 접촉(도 1c)하거나 냉각 싱크(5)와 접촉(도 1a)할 수도 있다. 도 1a ~ 1c에 표시된 구조는 한 영역에 걸쳐 복제될 수 있으며 따라서 복수의 초전도층, 단열층 및 가변자성층으로 구성된 연속적인 층을 구성할 수 있다. 네 번째 층(전선)(4)을 도 1b에 표시된 것처럼 가변자성층에 삽입하지 않고 그 위에 위치시킬 수도 있다. 가변자성층(예를 들어 프러시안블루 또는 유사물질)이 YBCO와 같은 초전도층의 임계온도부터 상당히 아래에서 작동하는 경우에는 단열층이 생략될 수도 있다.

도 2에서 전도체/열원의 그리드(grid)는 균일하게 배치되어 있지만 실제로, 특히 고정된 자기장 패턴이 필요한 경우에는 균일하지 않을 수도 있다. 예를 들어 일부를 서로 다른 횟수만큼 개폐하거나 각 부분의 크기를 서로 다르게 하여 균일한 자기장 패턴을 만들어 낼 수 있다. 도 2에 표시된 픽셀 맵에서 각 픽셀은 실질적으로 같은 크기를 가지지만 전문가는 하나의 장치 안에 있는 픽셀이 서로 다른 크기 를 가질 수도 있음을 알 수 있다.

자속 펌프의 바람직한 구현 방식에 있어서, 초전도층은 아래로부터 냉각을 유지하며 단열층을 통해 상단층으로부터 단열된다. 냉각 헤드와 가변자성층은 열적으로 결합되어 있다. 전형적으로 네 번째 층(4)은 전선이며 이 전선을 통해 전류가 흘러 상단 자기층의 온도를 조절하게 된다. 이 배치 구조를 사용하면 열펄스를 가변자성층에 보내어 자성에서 비자성 또는 그 반대로 전환이 가능하며 이는 초전도체에 전달될 자기파를 생성한다. 초전도체를 통과하는 자속은 초전도체 안에 갇히게 되며 이렇게 갇힌 자속의 총 크기는 펄스가 전달된 횟수에 의해 좌우된다. 사용할 수 있는 셀의 수는 제한 없이 응용 분야에 따라 달라질 수 있으며 셀 별로 펌프 적용 횟수가 다를 수 있도록 장치의 배선을 구성하고 이를 통해 원하는 패턴의 자기장을 생성할 수 있다. 자속은 자기장이 커지도록 증가시키거나 그 반대로 감소시킬 수 있다. 원하는 자기장 패턴에 일단 도달하면 이 패턴은 초전도체의 온도가 유지되는 한 그 상태를 안정적으로 유지한다.

도 3은 도 1에 표시된 장치를 위에서 본 정면도로서 도 2 장치의 자속펌프셀에 대한 어드레스 실시예를 세 개의 단위 셀로 나타낸다. 이 그림은 전류가 중앙 셀로 전달되어 자기층의 모서리를 따라 가열 영역을 만드는 과정을 나타낸다. 스위치는 일반적으로 트랜지스터를 사용하며 이 스위치로 공급 레일의 전류를 전도체(그림에서 빗살 무늬로 표시되어 있으며 자기층에 인접하여 위치함)에 공급 또는 차단한다.

현재로서, 가변자성층에 대한 적합성 시험을 거친 재질은 프러시안블루 유사물질이 있다. 일반적으로 이러한 재질은 YBCO의 임계온도 부근에서 강자성 또는 준강자성 배열을 나타낸다. 이러한 재질은 아래 표에 나열되어 있다(Molecular Magnetism from Molecular Assemblies to the Devices, Ed. Eugenio Coronado et al ). 현재까지 사용된 재질에는

와

가 있다. 그러나, 전문가는 원칙적으로 어떤 자성체라도 가변자성층으로 사용할 수 있음을 알 수 있다. 이 기술은 반자성으로 전환되는 재질에도 적용할 수 있다. 초전도체에 근접하여 자기장의 변화를 가져올 수만 있으면 되는 것이다.

CsNi^II[Cr^III(CN)₆]·2H₂O 화합물은 YBCO에 대한 T_c가 93K이기 때문에 유용하며 Cu^II ₃[Cr^III(CN)₆]₂·15H₂O 화합물은 T_c(66K)가 질소의 응결점(64K)에 가깝기 때문에 유용하다.

프러시안블루 유사물질(F는 강자성 배열, FI는 반자성 배열):

초전도체로 바람직한 재질은 YBCO와 같은 쿠프레이트(cuprate)로서 이러한 재질은 박막, 후막 또는 벌크(bulk)형으로 만들어지며 충분히 높은 T_C(임계온도)를 가질 뿐 아니라 고자기장을 가둬둘 수 있다. 그러나 원칙적으로는 어떤 Type II 초전도체도 사용될 수 있다. 또한 YBCO에서 이트륨이 가돌리늄 또는 루비듐과 같은 희토류로 교체된 변형물(일반적으로 ReBCO라고 함)도 사용될 수 있다. 다른 후보로는 2212 또는 2223 형식의 BSCCO와, 값싸게 구할 수 있지만 30도 대 중반의 낮은 T_C 를 가지는 마그네슘 디보라이드(MgB2)가 있다. 이 외에도 란탄족이나, 수은 또는 탈륨 기반의 화합물과 같은 다양한 재질이 있다.

또한 유기 초전도체라고 설명될 수 있는 다양한 재질도 있다. 이러한 재질에는 준일차원재질인 베크가르드염(Bechgaard salt) 및 퐈브르염(Fabre salt)와, Kappa-BEDT-TTF₂ X, lambda-BETS₂ X 및 흑연 삽입 화합물과 같은 준이차원재질과, 알칼리 첨가 풀러렌(fullerene)과 같은 삼차원재질이 포함된다.

사용될 수 있는 여러 쿠프레이트 재질의 목록은 "Superconducting materials - a topical overview"(Hott, Roland; Kleiner, Reinhold; Wolf, Thomas et al . (2004-08-10) oai:arXiv.org:cond-mat/0408212)에서 찾아볼 수 있다. 이 목록은 Bi-HTS (Bi-m²(n-1)n, BSCCO); T1-HTS (T1-m²(n-1)n, TBCCO); Hg-HTS (Hg-m²(n-1)n, HBCCO); Au-HTS (Au-m²(n-1)n); 123-HTS (RE-123,RBCO); Cu-HTS (Cu-m²(n-1)n); Ru-HTS (Ru-1212); B-HTS (B-m²(n-1)n); 214-HTS (LSCO"0202"); (전자 도핑된 HTS PCCO NCCO); ("02(n-1)n"); 무한층 HTS (전자 도핑된 I.L.)와 같은 고온초전도체를 포함한다.

원리증명의 일환으로, 상술한 방식을 사용하여 자기장이 초전도체 고리 외부로부터 초전도체 내부 방향으로 적용되는 모형이 만들어졌다. 이 모형에 사용된 모양은 계산의 편의를 고려하여 만들어졌으며 실제로는 상술한 정사각형 모양을 포함한 어떤 모양에서도 작동할 수 있다.

이 모형에 사용된 매개변수는 1e10 A/m²의 J_c를 가지는 3.5mm의 초전도체이다. 자석은 두께가 2mm이며 초전도체의 표면과 수직으로 20~30mT를 제공한다.

도 4는 모형 기하 구조의 한 예를 나타낸다. 도 5는 초전도체 중심 방향으로 자기장을 적용했을 때 어떻게 되는 지를 일련의 단계로 나타낸다(좌우대칭인 초전도체의 오른쪽 부분만 표시). 이 예에서 자기장은 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하는 작은 자석에 의해 생성되는 것으로 가정한다. 각 단계에서, 자석은 500 표시 바로 아래에 위치한다(단계 2의 502 위치에서는, 단계 1에서 유도된 모든 자속이 초전도체에 갇혀 있으므로 단계 1의 자기장과 새 자석 위치의 자기장이 서로 상쇄되지 않음). 도해를 위해, 도 6에서는 2회 펌프가 단계 별로 표시되어 있으며 도 7에서는 10회, 50회, 150회, 250회, 300회 펌프 후의 상태가 표시되어 있다. 각 그림에서 영역 B는 페이지 안쪽으로 진행하는 전류이며 영역 R은 페이지 바깥쪽으로 진행하는 전류이다. 주기 횟수가 증가할수록 영역 B가 더 커지고 초전도체 전체가 완전히 전류로 채워지면 내부에 갇힌 자기장의 물리적 한계에 도달하게 된다. 이 한계는 초전도체의 J_c(임계전류밀도)와 부피에 따라 달라진다.

도 8의 도표는 펌프 횟수에 따라 자기장이 어떻게 전개되는지를 나타낸다. 그러므로 도 8은 초전도 고리 중심에 갇힌 자속밀도(펌프 횟수 대 평균 B)를 나타낸다.

이 시스템은 자석을 껐을 때에도 그 효과만 정반대일 뿐 자석을 켰을 때와 마찬가지로 작동한다. 이 과정을 도시한 도 9는 도 7과 비슷하지만 상보적인 자기소거 절차를 나타낸다. 도 10은 자기소거 절차에서 초전도 고리 중심에 갇힌 자속밀도(펌프 횟수 대 평균 B)를 나타낸다.

도 11은 원통형 초전도체의 자속을 도식적으로 나타낸다. 자속선의 간격은 그 부분의 자속밀도를 나타낸다. 동일한 간격의 자속선은 균일한 자속밀도를 의미한다.

도 12는 자속 증폭 효과를 도시한다. 도 12a는 픽셀 1을 자기화하는 데 사용된 약한 주변 자기장을 나타낸다(화살표는 자기장의 방향, 화살표의 간격은 자속밀도를 나타냄). 도 12b에서는, 이제 인접 픽셀에 주변 자기장과 픽셀 1의 자기장이 합쳐서 적용되고 이에 따라 픽셀 2에 적용된 펌프는 픽셀 1의 첫 번째 펌프보다 더 큰 자기장을 만들어내게 된다.

더 상세한 설명을 위해 픽셀 1에 30mT 자기장을 반복 적용하여 300mT로 자기화되었다고 가정해 본다. 픽셀 2와 픽셀 3은 각각 150mT를 공유하므로 이 픽셀들에 대한 유효 자기장은 180mT(150mT + 30mT)가 된다. 이러한 방식으로, 일련의 픽셀 또는 초전도체를 순차적으로 자기화하는 자기장을 반복 적용하여 상당한 크기의 최종 자기장을 얻을 수 있다. 어느 시점에 도달하면 자기화 재질(프러시안블루)이 포 화상태에 도달하겠지만, 이러한 유형의 기술을 사용하면 아주 신속하게 높은 자기장을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

위의 설명은 자속펌프의 기본 작동 원리와 이 원리를 설명하는 모형을 보여준다. 이 구현 방식은 설명의 편의를 위해 가장 간단한 구조로 장치를 나타내고 있으며 원칙적으로는 여기에 더 많은 자기층을 두고 자석을 순차적으로 켜서 펌프 속도를 높이거나, 임계온도가 서로 다른 층을 두어 한 층은 초전도체에 갇힌 자기장을 증가시키는 동시에 다른 층은 감소시키게 할 수도 있다.

실제로 여기에는 두 가지 개념이 적용되고 있다. 첫 번째로는 비자성에서 자성(강자성, 준강자성, 또는 반자성) 상태로 전이되는 재질을 사용하여 "수신부"(주로 초전도체)에 자기장을 적용하는 것이다. 이 과정은 1회 이상 반복될 수 있으며 이 과정을 사용하여 최종 자기장을 증가 또는 감소시킬 수 있다.

두 번째 개념은 자기장 패턴을 만들어 내기 위한 자기장 "픽셀화" 원리이다. 여기에서, 자기장을 "픽셀화"하는 목적은 국지적으로 자기장의 밀도와 강도를 달리 하기 위한 것이다. 이 개념이 중요한 이유는 여러 가지가 있는데 예를 들어 균일하게 분포된 자기장이 필요할 경우 픽셀을 동일하게 자기화하거나 평면 위에 고르게 분포시켜서는 이러한 자기장을 얻을 수 없는 것을 보면 그 중요성을 이해할 수 있다.

이 개념의 중요성은 다음과 같다.

1) 기하학적 구조가 독특하다(평면과 수직인 축, 즉 단축과 평행을 이루는 고자기장을 만드는 것은 일반적으로 불가능함).

2) 종래에는, 전도체의 특정 영역에 고자기장을 가두려면 최소한 동일하거나 더 큰 자기장을 적용하는 것 외에는 실질적으로 가능한 방법이 없었다. 본 방법은 낮은 자속밀도의 자기장을 여러 번 적용하는 과정을 사용한다.

3) 자기장의 공간 및 크기를 양자화하는 것은 정적 및 동적으로 다양한 자기장 패턴을 만들 수 있음을 의미하며, 실시예에서는 코일을 사용하지 않으므로 인덕턴스로 인한 제한이 없음을 의미한다.

상술한 개념은 앞에서 언급된 열기관을 만드는 데 사용할 수 있으며 효율적인 태양전지를 만드는 데에도 사용할 수 있다. 도 13에 표시된 이러한 장치의 실시예는 세 개의 층을 가지고 있으며, 첫 번째 층은 액정 재질로 구성되며, 이 액정 재질은 자기장이 적용되었을 때 투명한 상태와 불투명한 상태 사이를 전환한다. 적절한 액정 재질의 예에는 4-n-pentyl-4'-cyanobiphenyl(또는 5CB라고도 함)이 있다. 장치의 두 번째 층은 빛이 태양 전지에 도달하는 방향 쪽으로 첫 번째 층 아래에 위치하며 자성체층으로 구성되고, 이 자성체는 1,3,5-trithia-2,4,6- triazapentalenyl (TTTA) 또는 빛에 의해 상태가 바뀌는 광유도 자기화 효과(LIESST)를 보이는 화합물로 구성된다. 이 장치는 전도체로 구성된 세 번째 층을 포함할 수도 있다. 작동 시, 빛이 투명 상태에 있는 액정에 비춰지면 자기층(프러시안블루)의 자기 상태를 전환시키고 이는 자기장의 변화를 유발한다. 이는 전도체에 전기장을 유도하고 따라서 전류가 만들어진다. 이 자기장은 또한 액정층을 불투명 상태로 만든다. 이제 어두워졌으므로 가변자성층이 또 다시 상태를 바꾸고 이는 자기장에 또 다른 변화를 유발하여 또 다른 전류를 유도한다. 이에 액정은 다시 투명해지고 전체 주기는 처음부터 다시 시작된다.

도 13을 보다 상세히 참조해 보면, 이 도면은 태양 전지의 실시예를 나타내며, 이 태양 전지에서는 영구 자석으로 외부 자기장이 제공되며, 초저온에서 전환 자성체가 작동하는 경우에는 전환 자성체 아래에 하나 이상의 코일/전도체를 포함한다.

상술한 바와 같이, 액정 재질의 후보에는 많은 재질이 있으며 그 중 하나는 4-n-pentyl-4'-cyanobiphenyl(5CB)로서 이 재질은 약 400가우스 또는 0.04테슬라에서 전이가 이루어진다. 이 전이는 불투명에서 투명으로, 또는 편광의 경우 완전 흑색에서 완전한 투명으로 이루어진다

일부 자성체는 실내 온도에서 광전이(photoshift) 현상을 나타낸다. T_C가 296K이고 반자성(diamagnetic)과 상자성(paramagnetic) 사이를 전환하는 예로는 1,3,5-trithia-2,4,6-triazapentalenyl(TTTA)가 있다(H. Matsuzaki, W. Fujita, K. Awaga and H. Okamoto, "Photoinduced phase transition in an organic radical crystal with room-temperature optical and magnetic bistability", PHYSICAL REVIEW LETTERS 91 (1): Art. No. 017403 JUL 4 2003).

이 외에도 저온에서 빛에 반응하는 다양한 프러시안블루 유사물질을 본 발명에 따른 자속펌프의 실시예에 적용할 수 있다. 그 중 첫 번째 물질은 Hashimoto 연구진이 발견했으며 K0.2Co1.4[Fe(CN)(6)]. 6.9H(2)O 및 K0.4Co1.3[Fe(CN)(6)]. 5H(2)O와 같은 코발트 금속을 기반으로 한다(참고 문헌: Sato O, Iyoda T. Fujishima A, et al . "Photoinduced magnetisation of a cobalt-iron cyanide" SCIENCE 272 (5262): 704-705 MAY 3 1996, 및 Sato O, Einaga Y, Iyoda T. et al. "Reversible photoinduced magnetization" JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY 144 (1): L11-L13 JAN 1997). 몰리브덴 기반의 또 다른 예로는 Cu^II2[Mo^IV(CN8) ·8H20 (S. Ohkoshi et al., Chem Lett ., 4, 312 (2001); J. Am . Chem . Soc ., 128, 270 (2006); T. Hozumi et al ., J. Am . Chem . Soc ., 127, 3684 (2005))가 있으나 이 화합물은 일부 응용 분야에서 충분한 자기장을 제공하지 않을 수 있다. 또 다른 예에는 Rb₀ _.91Mn₁ _.05[Fe(CN)₆]·0.6H₂O 이 있다("Temperature- and photo-induced phase transition in rubidium manganese hexacyanoferrate", Shin-ichi Ohkoshi, Hiroko Tokoro and Kazuhito Hashimoto JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY 15 (32): 3291-3295 2005). 그 외에도 Epstein이 발표한 망간 화합물인 Mn[tetracyanoethanide]2("New Bases for Flexible, Light-weight, Low-cost, and Scalable Electronics: Organic-based Magnetism and Doped Conducting Polymers for Field Effect Devices" Arthur J. Epstein)가 있다.

그 외에 본 발명의 실시예에 적용할 수 있는 화합물로서, 광전이(photoshift) 현상을 나타내지 않고 프러시안블루 유사물질이 아니면서 자성 정렬 또는 정렬 해제 과정을 거치는 물질로는, 트리오스-디티옥살라토염(tris-dithiooxalato salt), A[M^IICr(C₂S₂O₂)₃] (단, A⁺ = PPh₄ ⁺, N(n-C _n H₂ _n ₊₁)₄ ⁺, n = 3-5, M^II은 Mn, Fe, Co 및 Ni) (Inorg . Chem ., 42 (4), 986 -996, 2003. 10.1021/ic020302x S0020-1669(02)00302-6)와 같은 옥살레이트(oxalate)와, (R₄N)[Mn^IICr^III(C₂O₄)₃]와 같 은 금속 옥살레이트 자석과, M^II[N(CN)₂]₂ 및 M^II[N(CN)₂]₂L_x (단, L = pyridine, pyrazine, 2,2'-bipyridine, 4,4'-bipyridine)와 같은 디시아나미드(dicyanamide) 화합물(Manson, J. L.; Incarvito, C. D.; Rheingold, A. L.; Miller, J. S. J. Chem . Soc ., Dalton Trans. 1998, 3705); C₂S₃N₃₍trithiatriazapentalenyl 라디칼)(McManus GD, Rawson JM, Feeder N, et al. "Synthesis, crystal structures, electronic structure and magnetic behaviour of the trithiatriazapentalenyl radical", C2S3N3　JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY 11 (8): 1992-2003 2001) 및 V(TCNE)₂·0.5CH₂Cl₂(MANRIQUEZ JM, YEE GT, MCLEAN RS, et al. A ROOM-TEMPERATURE MOLECULAR ORGANIC BASED MAGNET　SCIENCE 252 (5011): 1415-1417 JUN 7 1991)가 있다.

그 뿐 아니라, 모든 자성체는 퀴리점을 가지며 이 온도는 도핑 과정을 통해 적절한 온도로 낮춰질 수 있다.

도 14는 실험 장치의 오른쪽 절반 부분(다른 절반도 동일함)에 대한 수직 단면도를 나타내며 이 실험 장치는 각 항목의 동작이 개별적 및 조합적으로 실험할 수 있도록 고안되어있다. 구조는 모듈형으로 되어 있으며 프러시안블루 장착 및 미장착 상태에서, 초전도체 장착 및 미장착 상태에서, 그리고 홀탐침(Hall probe)이 초전도체에 인접한 상태 또는 자석에 인접한 상태에서 측정을 할 수 있도록 되어있 다. 도 14는 정확한 비율로 축척된 구조가 아님을 참고해야 한다.

이 도면에서 A 및 B로 표시된 화살표는 자석 및 프러시안블루의 열 경로를 나타낸다. 초전도체와 프러시안블루 사이에는 섬유 와셔를 통해 추가적인 열 경로가 제공된다. 실험 장치는 진공실 안에 설치되며 프러시안블루와 자석 위 및 아래에는 간격이 띄워져 있다. 실험 장치는 두 가지 형태가 있는데 하나는 뛰어난 열전도율을 제공하도록 놋쇠로 만들어지고 또 다른 하나는 자기경로를 제공하기 위해 철로 만들어진다. 도 14는 철 제조 형태를 나타내며 나중에 도 18 및 19에 표시된 결과는 철 형태의 실험 장치를 사용하여 얻은 결과이다. 실험 내용의 상당 부분을 차지하는 프러시안블루 유사물질에는

이 사용되었으며 이 물질은 매우 낮은 상대투과성(약 3)을 가지며, 이 물질을 사용할 경우 철 형태의 실험 장치를 사용해야 설명된 실험 결과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 제 2의 프러시안블루 유사물질

을 사용하여 추가로 결과를 측정하였으며 이 물질에 대한 SQUID 측정값은 시스템 실시예에서 실질적인 작동을 이루어짐을 뒷받침해 주고 있다.

이전에 언급되었듯이, 자기화 재질(이 경우 프러시안블루)은 자체적으로 상당한 자기장을 생성할 필요 없이 개별적으로 적용된 자기장을 집중시키기만 하면 된다. 그러므로, 예를 들어 도 1의 실시예에서 가변자성층(3) 위에 자석 또는 추가 자기층을 제공할 수 있다. 도 14의 장치는 NdFeB 자석을 통해 자기장을 제공하는 구조를 보여주며 이 자기장은 프러시안블루 유사물질에 의해 증폭된다.

도 15는 서로 다른 등급의 NdFeB에 대한 자기화(B-H) 곡선의 한 예을 나타낸다. 이 곡선을 통해, 자기장의 변화가 완전히 가역적(reversible)인 것을 볼 수 있다. 온도에 따른 자성의 변화는 도 14의 장치를 사용하여 측정되었으며 자석을 실내 온도로 되돌렸을 때 자성이 처음보다 감소하지 않았음이 확인되었다. 그러므로 NdFeB의 열주기는 원하는 자기장의변화를 얻을 수 있으며 이 변화는 초전도체를 자기화할 수 있다. 도 15에서는 NdFeB 자체가 YBCO의 전이온도 부근에서 자성변환이 이루어지는 것을 볼 수 있다. 그러므로, YBCO는 자체적으로 "전환" 자성체의 후보가 될 수 있다.

프러시안블루 유사물질은 용액에서 분말 형태로 침전되며 열전도율이 낮은 경향이 있다. 큰 형태로 만드는 실용적인 방법 중 하나는 silver Dag^TM와 같은 금속 결합제를 사용하는 것이며 이 방법을 사용하면 구성 변수에 크게 영향을 미치지 않으면서 열 및 전기 전도율을 향상시켜 전체적인 자기모멘트가 향상된다. 도 16은 이 방식으로 만들어진 프러시안블루 퍽(puck) 견본을 나타낸다.

도 17은 프러시안블루 유사물질

의 온도 변화에 따른 M-H 루프를 나타낸다. 적용된 자기장(X 축)이 일정한 경우, 온도를 낮추면 전체 자기장이 커지는 효과가 발생한다. 이 유사물질은 유효 상대투과율이 3에 불과하고 포화자성이 40K에서 60mT이다. 2.5 * 10⁵Amps/m(0.3T)의 자기장이 적용되었을 때 온도를 45K에서 70K로 변경하면 약 3 * 10⁴Amps/m(38mT)의 자성 변화가 생성된다. 모형을 통해 이 정도면 본 실험 장치에서 20~30mT 크기의 진행 자기파를 만들기에 충분한 것으로 나타났으므로 이 물질이 사용되었다. 그러나 자세한 실험을 통해 더 나은 구성을 얻을 수도 있을 것이다. 도 18a 및 18b는 열주기로 인한 자기장의 변화를 보여주는 루프를 나타낸다. 두 개의 홀탐침이 사용되는데 하나는 실험 장치의 중심선에 인접한 위치(도 19a)에 배치되었고 다른 한 개는 중심선에서 떨어진 위치에 배치되었다. 두 경우 모두 상단 곡선은 냉각 과정을 나타내고 하단 곡선을 가열 과정을 나타낸다.

도 18 및 19는 단일 펌프를, 도 20은 2회 펌프, 도 21은 도 18 및 19의 데이터를 한 도표에 표시한 것이다.

도 18은 실험 장치가 가열되면서 자속밀도가 감소되어 초전도체가 자화되는 것을 나타낸다. 여기에서 가열 작업은 냉각 헤드를 공급하는 냉각기를 끔으로 인해 이루어지므로 열경로는 도 14의 섬유 와셔를 통해 이루어진다.

도 18을 해석하는 데에는 주의가 필요하다. 시스템 상의 단일 지점에서만 온도를 측정하고 이 지점이 초전도체와 의도적으로 약하게 열결합되어 있으므로 측정 온도와 초전도체의 실제 온도 사이에는 차이가 있을 수 있다. 이 차이는 초전도체가 임계 온도에 도달하는 지점에서 이루어지는 마이스너전이(Meissner transition) 시에 확실히 드러난다. 냉각 시, 이 전이는 측정 온도(몸체 온도)가 약 122K일 때 발생한다. 가열 시, 이 전이는 약 98K에서 발생한다.

상기 차이에도 불구하고 두 가지 현상이 본 시스템의 작동에 대한 확실한 실험적 증거를 제공한다.

그 중 한 가지는 가열 시 온도가 상승하면서 전체 자기장이 감소한다는 것이다. (초전도체는 들뜸장과 반대 방향으로 자기화되므로 전체 자기장이 감소된다.)

두 번째는 가열 시 중심 탐침에서의 측정 기록선 가운데에 끊긴 부분이 크게 발생하는 것이다. 이 부분은 초전도체가 일반 전도(초전도 성질이 없어짐) 상태로 바뀌고 이에 따라 자성을 잃을 때 발생한다. 이 잘린 부분 중 일부는 마이스너 자속 제외 때문이겠지만 도 19(아래)에 나타난 것처럼 모두가 그 때문인 것인 아니다.

도 19는 냉각 및 가열 과정 모두에서의 초전도 전이 현상을 상세히 나타낸 다. 여기에서 중요한 사실은 초전도체가 임계 온도를 통과하여 냉각될 때와 마이스너 자속 제외가 발생할 때의 자속밀도의 변화는 중심 및 비중심 탐침 모두에서 가열 시보다 더 적다는 것이다. 이는 초전도체가 마이스너 효과 만으로 설명할 수 있는 것보다 더 많은 자성을 가졌다는 것을 의미한다.

더 상세히 설명하면 초전도체가 임계 온도를 통과할 때 자속이 제외되는 마이스너 효과라는 현상이 발생한다. 이 현상은 도 19에서 장치가 냉각될 때 발생하는 자속밀도의 감소에서 발견할 수 있다. 자기화가 없다면 가열을 통해 임계온도를 통과하면 측정된 자속밀도도 유사하게 증가해야 할 것이다. 도 19에서 이 증가량은 초전도체가 가열될 때 더 크며 이는 초전도체의 자기화가 성공적임을 의미한다. 이는 아주 중요한 결과로서 이 시스템이 움직이는 부품을 두거나 코일에 전류를 통과시키지 않고도 어떤 물질을 자기화할 수 있다는 것을 시연해 보이고 있다.

그러므로 도 20을 보면 두 개의 주기가 표시되며 이는 1회 이상의 펌프가 적용될 수 있음을 시연해 주고 있다. 도 21은 단일 주기 및 2회 주기를 겹쳐서 나타낸다. 도 22a 및 22b는 초전도체 없이 실험 장치를 작동시킨 결과를 보여주며 이 결과에는 "펌프" 작용의 증거가 나타나지 않으며, 장치를 이전과 같은 방식으로 가열했을 때 자속밀도가 히스테리시스(hysteresis)를 조금 보이거나 아예 보이지 않는다는 것을 시연하고 있다(도 22b는 온도 및 자속밀도를 따로 기록하여 온도가 순환되는 것을 시연함).

이 시연 장치의 한계는 프러시안블루 자체로서 펌프 횟수가 늘어날수록 프러시안블루에서 보는 총 자기장은 감소한다. 그러므로 도 17에서 왼쪽(Y축 방향)으로 이동하면 온도에 따른 자기장의 변화는 감소한다. 다시 말해, 진행 자기파의 크기가 감소하고 이에 따라 펌프의 효과도 감소하는 것이다.

그러나, 복수의 요소가 있을 경우에는 한 요소가 일단 자기화되면 이로 인해 인접 요소의 자기장이 강화되므로 문제가 되지 않는다. 또한, 이 시스템에서 첫 번째 열파는 냉각 단계에서 발생하는 것으로 보인다. 그 대신 가열 단계에서 발생하도록 시스템을 구성한 경우라면 초전도체는 반대 방향으로 자기화되며 자기장이 증가하므로 Y축에서 멀어질 것이다.(파장은 하나의 변동 또는 단계 변화로 구성될 수 있지만 주기적 파동을 사용하는 경우라면 어떤 주기도 될 수 있으며 이런 경우 주기의 후단이 수 밀리초, 초 또는 수 시간까지의 간격을 두고 선단을 따를 수도 있다.)

상술한 실시예의 일부는 특히 초전도체 링을 다루고 있고, 회전 또는 반회전 모양이 가장 좋은 배열이라고 인식되어 있지만 시스템의 구성이 반드시 이 모양에 한정되는 것은 아니며 원형 파장(사방으로 또는 중심으로 퍼져가는 파장) 대신 평면 파장(실질적으로 직선 상으로 이동하는 파장)으로도 기능할 수 있다.

여기에서는 움직이는 부품을 두거나 코일에 전류를 통과시키지 않고도 어떤 물질을 자기화할 수 있는 방법/시스템을 설명하였다. 더 구체적으로는 여기에서 설명한 기술은 고자기장의 생성을 가능하게 하는 것이다. 본 기술은 잠재적으로 다양한 첨단 응용 분야에 적용될 수 있다. 그 예로 NMR과 같이 아주 균일하고 안정적인 자기장을 필요로 하는 응용 분야와, 자동차, 발전기 및 광학기술에서 액정을 자기적으로 켜고 끄는 것과 같이 파장의 진행과 자기장의 변화를 필요로 하는 응용 분야가 있다. 또한 이 기술은 휘발성 자기 메모리에 사용될 수 있으며 자기 CMOS에 기반한 컴퓨터에도 적용될 수 있다.

물론 이와 관련하여 여러 유효한 대체 기술들이 개발될 것이다. 본 발명은 여기에 설명한 실시예에만 한정되지 않고 본문에 첨부된 청구항의 의도와 범위 내에서 제3자가 수정하여 적용하는 모든 방식도 포함한다.

Claims

초전도체의 자화(magnetisation)를 변경하는 방법에 있어서, 상기 초전도체의 표면 위를 진행하는 자속 변경 파를 생성하기 위해 자기장을 자동으로 제어하되, 상기 자동 제어는 상기 초전도체의 표면 위의 자기화 가능 물질 층 내의 자성 정렬 파(a wave of magnetic ordering)를 제어하는 것을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 자화 변경은 상기 초전도체를 자기화(magnetising)하는 것을 포함하고, 상기 방법은 상기 초전도체에 상기 진행하는 자속 파를 반복적으로 적용하는 것을 더 포함하는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 자속 파는 상기 초전도체에 상기 초전도체의 임계장 보다 더 큰 장을 적용하는 방법.
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제 1항에 있어서, 상기 물질은 강자성 또는 페리자성(ferrimagnetic) 물질을 포함하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 제어는, 정렬을 제어하기 위한 상기 전도체 내의 진행하는 열파(travelling thermal wave)를 생성하기 위해 상기 물질 층과 열접촉을 이루는 전도체 내에 흐르는 전류의 제어를 포함하는 방법.
제 6항에 있어서, 상기 정렬은 정렬온도에서 이루어지고,

상기 열파는 상기 물질 내의 온도 변화를 제공하되 상기 온도 변화는 상기 정렬온도의 한쪽에서 다른 쪽으로의 전이인

방법.
초전도체를 자기화하는 방법에 있어서, 상기 초전도체의 임계 장보다 큰 자기장을 상기 초전도체에 반복적으로 적용하되, 상기 초전도체는 상기 적용된 자기장보다 최소 50% 더 큰 자기장에서 자기 모멘트를 가질 정도로 자기화되는 방법.
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초전도체의 자기화를 위한 기구에 있어서, 상기 초전도체의 표면 위를 진행하는 자속 변경 파(a wave of changing magnetic flux)를 생성하는 장치를 포함하고, 상기 장치는 자기화 가능 물질과, 상기 진행하는 자속 파를 생성하기 위하여 상기 물질 내의 자성 정렬을 제어하는 제어 기구를 포함하는 기구.
제 11항에 있어서, 상기 자성 물질은 정렬 온도를 가지며, 상기 제어 기구는 상기 물질 내의 진행하는 자성 정렬 파를 생성하기 위해 진행하는 열파를 생성하도록 구성된 기구.
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초전도 자속펌프에 있어서,

초전도 물질의 층;

상기 초전도 물질의 층 위에 배치되고 두 가지 자성 상태 사이를 열적으로 전환할 수 있고 상기 두 가지 상태 중 최소한 하나의 상태에서 상기 초전도 물질의 층에 자기적으로 결합된 자성 물질의 층; 및

상기 자성 물질의 층과 열접촉을 이루는 전기 전도체를 포함하며,

상기 전도체는 상기 전도체를 통과하는 전류를 제어하여 상기 자성 층의 상기 열적 전환을 제어할 수 있도록 구성된 초전도 자속 펌프.
제 14항에 있어서, 상기 자성 물질 및 초전도 물질 사이에 간격 물질(spacer material)을 더 포함하는 초전도 자속 펌프.
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복수의 픽셀을 가지며, 각 픽셀이 제 14항의 자속 펌프를 포함하는 초전도 장치.
초전도 자기 장치에 있어서, 초전도체 영역을 포함하는 초전도 자기 요소와, 진행하는 자기 파를 상기 초전도체의 영역에 적용하는 기구를 포함하는 장치.
제 18항에 있어서,

복수의 상기 초전도 자기 요소와, 선택된 상기 초전도 자기 요소를 어드레스(address)하기 위한 복수의 전극을 포함하여, 상기 어드레스된 요소를 자기화하기 위해 상기 진행하는 자기 파를 적용하도록 상기 기구를 구동하는

장치.
제 18항 또는 제 19항에 있어서,

진행하는 자기 파를 상기 초전도체의 영역에 적용할 상기 기구는,

상기 초전도체의 자기화를 위한 자기화 가능 물질의 영역과, 상기 물질 내의 진행하는 자성 정렬 파를 생성하도록 상기 자기화 가능 물질에 진행하는 열파를 적용하기 위한 최소 하나의 전도체를 포함하는 장치.
하나의 영역 위의 자기장을 정의하는 방법에 있어서,

복수의 초전도 자기 요소를 제공하는 단계; 및

상기 영역 위에 상기 자기장을 정의하도록 상기 초전도 자기 요소의 자화를 제어하는 단계를 포함하는 방법.
하나의 표면을 가지는 초전도체와, 상기 표면 위에 배치된 자기화 가능 물질의 층과, 상기 초전도체 표면 및 상기 자기화 가능 물질 사이의 단열 영역을 포함하는 자기화 가능 초전도체.
제 22항에 있어서, 상기 자기화 가능 물질의 층은, 자기장이 없을 때 상기 초전도체의 초전도(superconducting)가 중지되기 시작하는 온도보다 최대 100K 더 높은 온도 이하에서 스스로 정렬하는 물질을 포함하는 자기화 가능 초전도체.
하나의 표면과 상기 표면에 대한 법선(a direction normal to said surface)에 의해 정의되는 축을 가지는 자기화된 초전도체에 있어서,

외부적으로 적용된 자기장이 없을 경우 상기 축에서 거리가 멀어질수록 비단조적으로 변화하는 자기장을 가지는 자기화된 초전도체.
하나의 표면과 상기 표면에 대한 법선에 의해 정의되는 축을 가지는 자기화된 초전도체에 있어서,

외부적으로 적용된 자기장이 없을 경우 상기 축에서 거리가 멀어져도 장의 세기가 실질적으로 일정한 최소 하나의 영역을 가지는 자기장

을 가지는 자기화된 초전도체.
제 25항에 있어서, 상기 표면의 일부분은 실질적으로 평면이고, 상기 영역은 실질적으로 상기 표면의 평면 부분을 가로질러 연장되는 자기화된 초전도체.
제 24항, 제 25항 또는 제 26항에 있어서, 상기 자기장은 최소 2.3T의 최대 자기모멘트를 가지는 자기화된 초전도체.
자기화된 초전도체에 있어서,

실질적으로 동심인 복수의 순환 전류를 가지고, 상기 전류들은 동일한 순환 방향(sense of circulation)과 서로 다른 상대적 크기를 가지는 자기화된 초전도체.
제 28항에 있어서, 상기 복수의 동심 순환 전류와 반대 방향(opposite sense)으로 순환하는 중심 순환 전류를 더 포함하는 자기화된 초전도체.
평면적인 모양과, 최소 1T의 자기모멘트를 가지는 자기화된 초전도체.
제 8항에 있어서, 상기 자기화된 초전도체를 사용하여 두 번째 초전도체를 자기화하는 것을 더 포함하는 방법.
제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 자기화된 초전도체를 사용하여 두 번째 초전도체를 자기화하도록 구성된 기구.
물리적으로 인접한 일련의 초전도체들을 이루는 초전도체를 자기화하는 방법에 있어서,

상기 일련의 초전도체들 중 첫 번째 초전도체를 자기화하여 상기 첫 번째 초전도체의 자속이 상기 일련의 초전도체들 중 두 번째 초전도체에 결합되도록 하고, 상기 결합된 자속을 상기 두 번째 초전도체의 자기화를 위해 사용하는 것을 포함하는 방법.
물리적으로 인접한 일련의 초전도체들을 이루는 초전도체를 자기화하는 기구에 있어서,

상기 일련의 초전도체들 중 첫 번째 초전도체의 자속이 상기 일련의 초전도체들 중 두 번째 초전도체에 결합될 정도로 상기 첫 번째 초전도체를 자기화하는 수단; 및

상기 두 번째 초전도체를 자기화하기 위해 상기 결합된 자속을 사용하는 수단

을 포함하는 기구.
빛 또는 열 에너지에서 전기력을 생산할 수 있는 엔진에 있어서,

조도(light level) 또는 온도의 변화를 자기장의 변화로 변환할 수 있는 수단; 및

상기 자기장의 변화를 전기력으로 변환할 수 있는 수단

을 포함하는 엔진.
태양 전지에 있어서,

자기적으로 변환 가능한(alterable) 광투과(light transmission)를 가진 창을 제공하는 물질의 첫 번째 층;

상기 첫 번째 층 아래에 배치되며 광 반응성 자화(a light-responsive magnetisation)를 가지는 자기적으로 전환 가능한(switchable) 물질의 두 번째 층; 및

상기 자기적으로 전환 가능한 물질의 자기장 내에 배치되는 전도체를 포함하며,

작동 시 상기 자기적으로 전환 가능한 물질에 대한 광투과가 진동하면서 상기 자화 내 변화들을 유발하여 상기 전도체 내에 전류를 유도하는 태양 전지.
제 36항에 있어서, 상기 첫 번째 층은 액정 물질의 층을 포함하는 태양 전지.
제 36항 또는 제 37항에 있어서, 상기 전환 가능한 자성 물질을 위한 자기장을 생성하는 수단을 더 포함하는 태양 전지.
초전도체의 자화(magnetisation)를 변경하는 방법에 있어서, 상기 초전도체의 표면 위를 진행하는 자속 변경 파를 생성하기 위해 자기장을 자동으로 제어하되, 상기 초전도체의 초전도성을 유지하면서 상기 자화를 변경시키는 방법.