KR102316231B1 - 나노 자성 입자를 이용한 자기장 변형 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

나노 자성 입자를 이용한 자기장 변형 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

나노 자성 입자를 이용한 자기장 변형 방법 및 이를 위한 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 방법은 단일 솔레노이드 코일 또는 평행한 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가하는 단계; 측정 센서를 기반으로 기설정된 타겟 위치에서 상기 전류에 의해 발생하는 자기장의 세기를 측정하는 단계; 및 상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 기반으로 상기 자기장의 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 조절하는 단계를 포함한다.

Description

나노 자성 입자를 이용한 자기장 변형 방법 및 이를 위한 장치 {METHOD FOR CHANGING MAGNETIC FIELD USING NANO MAGNETIC PARTICLE AND APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 자기장의 세기를 변화시키는 기술에 관한 것으로, 특히 멀티 코일을 이용하지 않고도 자성 나노 입자만으로 자기장의 세기를 조절할 수 있는 기술에 관한 것이다.
의료 영상 장비나 분석 화학 장비와 같이, 현대 사회에서 전자기장을 이용하여 신호를 확보하거나 영상을 확보하는 장비에서 가장 필수적인 부품중의 하나는 솔레노이드 코일이다. 솔레노이드 코일은 전자 부품에서는 인덕터(inductor)로써 사용되지만, 의료 영상 장비에서는 전자기장을 인가하거나 신호를 확보하기 위한 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)(또는 맥스웰 코일(Maxwell coil))로 사용된다. 또한, 형태에 따라 가장 일반적인 원형, 타원형, 사각형 또는 코일을 곡면에 따라 굽혀놓은 새들 코일(saddle coil) 등 다양하게 사용되고 있다.
이 때, 인덕터로 사용되는 솔레노이드 코일을 제외하고, 다양한 솔레노이드 코일의 가장 큰 목적은 2차원 또는 3차원 공간상에 특정 자기장을 형성시키는 것이다. 대부분의 솔레노이드 코일의 경우, 자기장을 2차원 공간 또는 3차원 공간에 일정하게 분포하도록 형성하는 것을 목표로 개발된다. 예를 들면, 병원에서 많이 사용하는 MRI의 경우에는 1.5T(teslar)의 자기장을 영상화하기 위한 부분 전체에 형성시키는 코일이 필요하다.
그리고, 특정한 공간에 일정한 자기장을 형성한 이후에는 각기 다른 축 (axis)에 추가적인 코일을 달아 자기장을 2차원 또는 3차원 적으로 이동시킴으로써 영상 확보에 필요한 자기장 세기를 확보한다. 이러한 기술을 MRI나 EPRI(Electron Paramagnetic Resonance imaging)에서는 그래디언트 필드(gradient field)를 형성 한다고 표현한다. 또한, MPI(Magnetic Particle Imaging)에서는 FFL 또는 FFP(Field Free Line 또는 Field Free Point)의 이동이라고 표현하거나, electromagnetic magnetic probe를 형성한다고 표현하기도 한다.
즉, 적용되는 분야 자체는 다르지만, 항상 메인 축(main axis)에 자기장을 형성시키고, 다른 축의 코일을 이용하여 메인 축에 형성된 자기장을 변화시키는 기본적인 구성은 동일하다. 하지만, 이러한 구성은 많은 코일을 사용해야 한다는 점과 많은 코일에 전기를 공급하기 위하여 부가적으로 파워서플라이 및 전류 제어에 필요한 컨트롤러(controller) 등이 필요하다는 문제점이 존재한다.
또한, 이러한 구조의 코일을 한번 제작하면 현실적으로는 수정이 거의 불가능해서, 고가의 코일을 폐기하거나 새롭게 제작해야 하는 운용적 측면의 문제점도 발생한다. 그리고, 시료의 특정 부위에 대해 특정한 세기의 자기장을 발생시키려 할 경우, 2차원 공간은 최소한 4개, 3차원 공간은 최소한 6개의 전류와 전압의 양을 조절하여 실측한 이후에 사용해야 한다는 불편함이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 코일의 시스템 기능(system function)을 만들어야 하고, 원하는 해답에 이르기까지 많은 시간이 필요하다.
한국 공개 특허 제10-2011-0071871호, 2011년 6월 29일 공개(명칭: 펄스 자기장을 이용한 금속 나노분말 분금 장치 및 방법)
본 발명의 목적은 멀티 코일 시스템을 이용하지 않고, 나노 자성 입자를 이용하여 자기장의 세기를 변형시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 자기장의 세기를 변형시키기 위해 필요한 장비의 사용을 최소화하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 많은 코일을 이용하는 방법보다 상대적으로 쉽고, 비용적 측면에서도 효율적인 자기장 변형 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기장 변형 방법은 단일 솔레노이드 코일 또는 평행한 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가하는 단계; 측정 센서를 기반으로 기설정된 타겟 위치에서 상기 전류에 의해 발생하는 자기장의 세기를 측정하는 단계; 및 상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 기반으로 상기 자기장의 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 조절하는 단계를 포함한다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 상응하는 원통 내부에 장착될 수 있다.
이 때, 조절하는 단계는 복수개의 나노 자성 입자 시료들을 이용할 수 있으며, 상기 복수개의 나노 자성 입자 시료들은 나노 자성 입자의 농도가 상이할 수 있다.
이 때, 인가하는 단계는 상기 기설정된 타겟 위치가 2차원 공간일 경우에 상기 단일 솔레노이드 코일에 전류를 인가하고, 상기 기설정된 타겟 위치가 3차원 공간일 경우에 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가할 수 있다.
이 때, 두 개의 솔레노이드 코일들은 헬름홀츠(Helmholtz) 코일 및 맥스웰(Maxwell) 코일 중 어느 하나의 형태에 상응할 수 있다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 경우, 상기 두 개의 솔레노이드 코일들 중 하나 이상의 솔레노이드 코일에 장착될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 장치는, 단일 솔레노이드 코일 또는 평행한 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가하는 전원부; 및 측정 센서를 기반으로 기설정된 타겟 위치에서 상기 전류에 의해 발생하는 자기장의 세기를 측정하고, 상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 기반으로 상기 자기장의 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 조절하는 제어부를 포함한다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 상응하는 원통 내부에 장착될 수 있다.
이 때, 제어부는 복수개의 나노 자성 입자 시료들을 이용할 수 있으며, 상기 복수개의 나노 자성 입자 시료들은 나노 자성 입자의 농도가 상이할 수 있다.
이 때, 전원부는 상기 기설정된 타겟 위치가 2차원 공간일 경우에 상기 단일 솔레노이드 코일에 전류를 인가하고, 상기 기설정된 타겟 위치가 3차원 공간일 경우에 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가할 수 있다.
이 때, 두 개의 솔레노이드 코일들은 헬름홀츠(Helmholtz) 코일 및 맥스웰(Maxwell) 코일 중 어느 하나의 형태에 상응할 수 있다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 경우, 상기 두 개의 솔레노이드 코일들 중 하나 이상의 솔레노이드 코일에 장착될 수 있다.
본 발명에 따르면, 멀티 코일 시스템을 이용하지 않고, 나노 자성 입자를 이용하여 자기장의 세기를 변형시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 자기장의 세기를 변형시키기 위해 필요한 장비의 사용을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명은 많은 코일을 이용하는 방법보다 상대적으로 쉽고, 비용적 측면에서도 효율적인 자기장 변형 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 2차원의 자기장 변형 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원의 자기장 변형 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노 자성 입자 시료를 솔레노이드 코일의 내부에 장착하기 위한 아크릴 구조물의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노 자성 입자 시료를 아크릴 구조물에 장착한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 복수개의 나노 자성 입자 시료들을 아크릴 구조물에 장착한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 아크릴 구조물을 회전하여 나노 자성 입자 시료의 위치를 변경한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 장치를 나타낸 블록도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 방법은 단일 솔레노이드 코일 또는 평행한 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가한다(S110).
이 때, 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들은 구리나 알루미늄 등의 도선을 나선형으로 균일하게 감아 원통형으로 만든 코일에 상응한다. 따라서, 도선에 전류를 인가하면 원통형의 내부를 관통하는 방향으로 비교적 균일한 세기의 자기장이 형성될 수 있다.
이 때, 두 개의 솔레노이드 코일들은 헬름홀츠(Helmholtz) 코일 및 맥스웰(Maxwell) 코일 중 어느 하나의 형태에 상응할 수 있다.
이 때, 헬름홀츠 코일은 두 개의 동일한 솔레노이드 코일로 이루어지며, 자기장을 측정하기 위한 영역을 사이에 두고 두 개의 솔레노이드 코일이 중심축을 공유하며 나란하게 위치할 수 있다.
이 때, 맥스웰 코일은 헬름홀츠 코일을 개선한 것으로, 헬름홀츠 코일보다 훨씬 균일한 자기장을 생성하지만 헬름홀츠 코일보다 복잡한 설정이 필요하다.
이 때, 파워 서플라이(power supply)를 통해 전류를 공급받을 수 있다.
이 때, 기설정된 타겟 위치가 2차원 공간일 경우에 단일 솔레노이드 코일에 전류를 인가하고, 기설정된 타겟 위치가 3차원 공간일 경우에 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가할 수 있다. 즉, 사용자가 2차원 공간에 원하는 세기의 자기장을 생성하고 싶을 경우에는 하나의 솔레노이드 코일에만 전류를 인가하여 자기장을 생성하면 되고, 3차원 공간에 원하는 세기의 자기장을 생성하고 싶을 경우에는 두 개의 솔레노이드 코일들에 모두 전류를 인가하여 자기장을 생성할 수 있다.
이 때, 2차원 공간에 자기장을 생성하는 구조와 3차원 공간에 자기장을 생성하는 구조는 도 2 내지 도 3을 통해 상세하게 설명하도록 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 방법은 측정 센서를 기반으로 기설정된 타겟 위치에서 전류에 의해 발생하는 자기장의 세기를 측정한다(S120).
이 때, 타겟 위치는 향후 나노 자성 입자 시료를 통해 자기장의 세기를 변형하기 위한 위치에 상응할 수 있다. 따라서, 타겟 위치에는 나노 자성 입자 시료를 장착하기 위한 시료 장착 홀이 존재할 수 있다.
따라서, 아직 나노 자성 입자 시료가 장착되지 않은 시료 장착 홀의 중심점을 기준으로 자기장의 세기를 측정할 수 있다.
이 때, 시료 장착 홀은 나노 자성 입자 시료를 고정시키기 위한 아크릴 구조물에 포함된 것으로, 이에 대한 구조는 도 4를 통해 상세하게 설명하도록 한다.
이 때, 측정 센서는 솔레노이드 코일을 통해 자기장이 발생하는 내부 동심원 영역을 X축과 Y축으로 이동하면서 자기장 세기를 측정할 수 있다. 따라서, 측정 센서는 X축과 Y축으로 측정 센서를 이동시킬 수 있는 XY 스테이지(XY stage)에 고정되어 이동할 수 있다.
이 때, 측정 센서와 XY 스테이지에 대한 상세한 구조 역시 도 2 내지 도 3을 통해 상세하게 설명하도록 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 방법은 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 기반으로 자기장의 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 조절한다(S130).
예를 들어, 자기장이 형성되는 위치에 나노 자성 입자가 존재하는 경우, 나노 자성 입자의 자력에 의해 자기장에 변화가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 변화를 나노 자성 입자의 농도로 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수 있다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들에 상응하는 원통 내부에 장착될 수 있다.
예를 들어, 나노 자성 입자가 포함된 용액이 담긴 용기를 시료 장착 홀에 끼워 넣어서 솔레노이드 코일에 해당하는 원통 내부에 장착할 수 있다.
이 때, 복수개의 나노 자성 입자 시료들을 이용할 수 있으며, 복수개의 나노 자성 입자 시료들은 나노 자성 입자의 농도가 상이할 수 있다.
예를 들어, 나노 자성 입자의 농도가 100%인 1번 시료, 나노 자성 입자의 농도가 50%인 2번 시료, 나노 자성 입자의 농도가 25%인 3번 시료를 동시에 하나의 솔레노이드 코일에 장착할 수 있다.
이 때, 시료 장착 홀에 나노 자성 입자 시료를 장착하는 방법은 도 5 내지 도 6을 통해 상세하게 설명하도록 한다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 경우, 두 개의 솔레노이드 코일들 중 하나 이상의 솔레노이드 코일에 장착될 수 있다. 즉, 두 개의 솔레노이드 코일들 중 어느 하나의 솔레노이드 코일에만 나노 자성 입자 시료를 장착할 수도 있고, 두 개의 솔레노이드 코일들에 모두 나노 자성 입자 시료를 장착하여 자기장을 변형시킬 수도 있다.
이와 같은 자기장 변형 방법을 통해 솔레노이드 코일 형태의 전자기장 발생 장치 내에서 부분적으로 자기장의 변형을 유도할 수 있다.
또한, 자기장의 세기를 변형시키기 위해 필요한 장비의 사용을 최소화 할 수 있고, 많은 코일을 이용하는 방법보다 상대적으로 쉽고, 비용적 측면에서도 효율적인 자기장 변형 방법을 제공할 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 2차원의 자기장 변형 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 2차원의 자기장 변형 시스템은 하나의 솔레노이드 코일(210), 측정 센서(220), 파워 서플라이(230) 및 XY 스테이지(240)를 포함한다.
이 때, 하나의 솔레노이드 코일(210)은 에나멜 코팅된 구리선을 여러 번 감아서 생성한 것일 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서 사용하는 솔레노이드 코일(210)은 에나멜 코팅된 구리선을 110회 감아서 지름이 114mm에 상응하는 것일 수 있다.
이 때, 솔레노이드 코일(210)의 원통 내부에는 나노 자성 입자 시료를 장착하기 위한 별도의 아크릴 구조물이 구비될 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 솔레노이드 코일(410)의 원통 내부에는 나노 자성 입자 시료를 장착하기 위한 시료 장착 홀(421~424)을 다수 포함하는 아크릴 구조물(420)이 구비될 수 있다.
이 때, 아크릴 구조물(420)은 장착될 나노 자성 입자 시료의 형태에 따라 다른 형태의 시료 장착 홀을 갖는 것으로 교체될 수도 있다.
이 때, 시료 장착 홀(421~424)은 사용자가 원하는 위치에 생성될 수 있으며, 나노 자성 입자 시료를 담는 용기의 모양에 상응할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 측정 센서(220)는 XY 스테이지(240)에 연결되어 X축과 Y축으로 이동하면서 자기장을 측정할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 사용된 측정 센서(220)는 홀 센서(Hall sensor)에 상응하는 것으로, F.W bell 5100 series 또는 lutorn MG-3002 series에 해당할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자기장 변형 시스템은 파워 서플라이(230)를 통해 하나의 솔레노이드 코일(210)로 전류를 인가할 수 있다.
즉, 파워 서플라이(230)가 하나의 솔레노이드 코일(210)에 전류를 인가하면, 솔레노이드 코일(210)은 2차원 공간상에 자기장을 발생시킬 수 있고, 측정 센서(220)가 발생한 자기장의 세기를 측정하여 별도의 디스플레이를 통해 사용자에게 제공할 수 있다. 이 후, 사용자가 자기장의 세기를 부분적으로 변화시키고 싶다면, 자기장의 세기를 변화시키고 싶은 위치에 나노 자성 입자 시료를 장착함으로써 자기장의 세기를 변형시킬 수 있다.
이 때, 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 조절하여 자기장의 세기도 미세하게 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원의 자기장 변형 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 3차원의 자기장 변형 시스템은 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311), 측정 센서(320), 파워 서플라이(330) 및 XY 스테이지(240)를 포함한다.
도 3에 도시된 시스템을 도 2와 비교하면, 도 2에서는 하나의 솔레노이드 코일(210)을 이용하는 반면에 도 3에서는 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)을 사용하는 것을 알 수 있다.
이 때, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)로 각각 인가되는 전류의 방향을 조절하여 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)이 헬름홀츠 코일 또는 맥스웰 코일의 형태에 상응하도록 할 수 있다.
예를 들어, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)에 인가되는 전류의 방향이 같으면, 측정 센서(320)의 위치에서 서로 다른 극성이 만나는 헬름홀츠 코일의 형태로 자기장이 생성될 수 있다.
다른 예를 들어, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)에 인가되는 전류의 방향이 서로 상이하면, 측정 센서(320)의 위치에서 서로 같은 극성이 만나는 맥스웰 코일의 형태로 자기장이 생성될 수도 있다.
이 때, 본 발명에서는 도 3에 도시된 것과 같이 파워 서플라이(330)를 통해 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)에게 각각 전류를 인가해줄 수 있다. 즉, 파워 서플라이(330)를 통해 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)로 전류가 인가되면, 측정 센서(320)가 위치하는 곳에 3차원에 상응하는 자기장이 형성될 수 있다.
또한, 측정 센서(320)는 XY 스테이지(340)에 연결되어, X축과 Y축으로 자유롭게 이동하면서 자기장을 측정할 수 있다.
이 때, 사용자가 자기장의 세기를 부분적으로 변화시키고 싶다면, 자기장의 세기를 변화시키고 싶은 위치에 나노 자성 입자 시료를 장착함으로써 자기장의 세기를 변형시킬 수 있다.
이 때, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311) 중 어느 하나의 솔레노이드 코일에만 나노 자성 입자 시료를 장착할 수도 있고, 두 개의 솔레노이드 코일들 모두에 나노 자성 입자 시료를 장착할 수도 있다.
예를 들어, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)이 헬름홀츠 코일의 형태에 상응하고, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)이 모두 30 Gauss에 상응하는 자력을 발생시키도록 전류를 인가하였다고 가정할 수 있다. 이 때, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)에 모두 25g의 자성 나노 입자가 포함된 원액 농도의 나노 자성 입자 시료를 장착한다면, 시료를 장착한 중심에서의 자기장의 세기는 45 Gauss에 상응할 수 있다. 하지만, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)이 맥스웰 코일의 형태라면, 자기장의 세기는 10 Gauss이하로 떨어질 수 있다.
다른 예를 들어, 상기와 같이 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)이 헬름홀츠 코일의 형태에 상응하고, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)이 모두 30 Gauss에 상응하는 자력을 발생시키도록 전류를 인가하였다고 가정할 수 있다. 이번에는 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311) 중 하나의 솔레노이드 코일(310)에만 25g의 자성 나노 입자가 포함된 원액 농도의 나노 자성 입자 시료를 장착한다면, 시료를 장착한 중심에서의 자기장의 세기는 35 Gauss에 상응할 수 있다. 하지만, 두 개의 솔레노이드 코일들(310, 311)이 맥스웰 코일의 형태라면, 자기장의 세기는 측정이 불가능한 수준으로 낮은 수치에 상응할 수 있다(5 Gauss 이하).
도 5는 본 발명에 따른 나노 자성 입자 시료를 아크릴 구조물에 장착한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 나노 자성 입자 시료(511)는 솔레노이드 코일의 내부에 구비되는 아크릴 구조물의 시료 장착 홀(510)에 탈착식으로 장착될 수 있다.
이 때, 나노 자성 입자 시료(511)는 용액에 나노 자성 입자를 혼합하여 플라스틱과 같은 용기에 담은 것에 상응할 수 있다. 따라서, 용액에 혼합되는 나노 자성 입자의 양을 조절하여 다양한 농도의 시료를 획득할 수 있다.
이 때, 도 5에 도시된 것과 같이 나노 자성 입자 시료(511)의 중심 위치에서 측정 센서(550)로 변형된 자기장의 세기를 측정할 수 있다.
예를 들어, 나노 자성 입자 시료(511)를 장착하기 전에, 솔레노이드 코일에 1.54V, 1.5A의 전류를 1.13 Ohm의 저항을 기반으로 인가하였을 때 시료 장착 홀(510)의 중심에서 측정된 자기장의 세기가 20 Gauss라고 가정할 수 있다. 이 때, 나머지 시료 장착 홀(520, 530, 540)의 중심점을 기준으로 자기장의 세기를 측정하여도 18 Gauss를 기준으로 +/- 1정도의 세기라고 가정할 수 있다. 만약, 25g의 자성 나노 입자가 포함된 원액 농도에 상응하는 나노 자성 입자 시료(511)를 시료 장착 홀(510)에 장착하고 자기장의 세기를 다시 측정한다면, 각각의 시료 장착 홀(510, 520, 530, 540)의 중심점에서는 28Gauss~30Gauss 정도의 세기를 갖는 자기장이 검출될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 복수개의 나노 자성 입자 시료들을 아크릴 구조물에 장착한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 나노 자성 입자 시료(610, 620, 630)는 하나의 솔레노이드 코일의 내부에 동시에 여러 개가 장착될 수도 있다.
이 때, 나노 자성 입자 시료(610, 620, 630) 각각의 농도는 상이할 수 있다.
예를 들어, 나노 자성 입자 시료(610)가 100% 농도의 원액이라고 가정한다면, 나노 자성 입자 시료(620)의 농도는 50%이고, 나노 자성 입자 시료(630)의 농도는 25%에 상응할 수 있다.
이 때, 나노 자성 입자의 농도에 따라 자기장에 주는 영향력도 상이하므로, 나노 자성 입자의 농도를 달라하는 것만으로도 추가적인 코일이나 전류의 변화 없이 자기장의 세기를 자유롭게 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장의 변화를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들은 각각 균일한 세기의 자기장을 생성할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따라 나노 자성 입자 시료를 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착하는 경우, 나노 자성 입자 시료를 장착한 부위의 자기장 세기가 변형될 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 왼쪽의 원에 상응하는 영역이 자기장이 변형되기 전인 변형전 자기장(710)이라고 가정할 수 있다. 이 때, 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들에 나노 자성 입자 시료를 장착한다면, 도 7의 오른쪽 원과 같이 부분적으로 자기장의 세기가 상이한 변형후 자기장(720)이 생성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 기존의 기술처럼 많은 수의 코일들을 이용하지 않으므로 파워 서플라이나 전류 제어 장비와 같이 다루기 힘들고 위험한 장비의 사용을 최소화할 수 있다.
또한, 기존의 기술에서 사용되는 코일은 일반적으로 제작이 매우 어렵고 고가인 반면, 본 발명과 같은 나노 자성 입자를 이용한 자기장 변형 시스템은 나노 자성 입자가 담긴 용기에서 나노 자성 입자의 용량이나 농도를 조정함으로써 상대적으로 쉽게 구현할 수 있다.
또한, 다수의 코일들로 특정한 공간상의 전자기장을 유도하는 경우, 이에 상응하는 시스템 기능(system function)을 별도로 개발해야 하지만, 나노 자성 입자를 이용할 경우에는 상대적으로 매우 손쉽게 원하는 공간상에 원하는 세기의 자기장을 만들어낼 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 아크릴 구조물을 회전하여 나노 자성 입자 시료의 위치를 변경한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 아크릴 구조물은 솔레노이드 코일의 원통 내부에 탈착식으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 아크릴 구조물에 장착되는 시료의 형태와 아크릴 구조물에 구비된 시료 장착 홀의 모양을 고려하여 적합한 아크릴 구조물을 사용할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 나노 자성 입자 시료는 플라스틱 용기에 나노 자성 입자를 포함하는 용액을 담아 사용할 수 있는데, 다양한 농도의 나노 자성 입자 시료를 이용하여 자기장 세기가 변화하는 데이터를 확보할 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 나노 자성 입자 시료(810)는 100% 농도의 원액, 나노 자성 입자 시료(820)는 50% 농도, 나노 자성 입자 시료(830)는 25%의 농도라고 가정할 수 있다. 이 때, 각각의 시료들에 의한 자기장의 세기 변화를 보다 정확하게 측정하기 위해서는 사용하려는 시료를 측정 센서의 위치에 장착해야 할 필요가 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따른 아크릴 구조물은 복수개의 나노 자성 입자 시료들(810, 820, 830)을 장착한 상태에서 회전하여 복수개의 나노 자성 입자 시료들(810, 820, 830)의 위치를 변경할 수도 있다.
예를 들어, 원액에 상응하는 나노 자성 입자 시료(810)가 측정 센서에 위치하는 경우, 자기장의 세기가 30 gauss에 상응한다면, 나노 자성 입자 시료(820)가 측정 센서에 위치하는 경우에는 26 gauss 그리고 나노 자성 입자 시료(830)가 측정 센서에 위치하는 경우에는 22 gauss정도로 자기장 세기가 측정될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 장치를 나타낸 블록도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 변형 장치는 전원부(910)와 제어부(920)를 포함한다.
전원부(910)는 단일 솔레노이드 코일 또는 평행한 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가한다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들은 구리나 알루미늄 등의 도선을 나선형으로 균일하게 감아 원통형으로 만든 코일에 상응한다. 따라서, 도선에 전류를 인가하면 원통형의 내부를 관통하는 방향으로 비교적 균일한 세기의 자기장이 형성될 수 있다.
이 때, 두 개의 솔레노이드 코일들은 헬름홀츠(Helmholtz) 코일 및 맥스웰(Maxwell) 코일 중 어느 하나의 형태에 상응할 수 있다.
이 때, 헬름홀츠 코일은 두 개의 동일한 솔레노이드 코일로 이루어지며, 자기장을 측정하기 위한 영역을 사이에 두고 두 개의 솔레노이드 코일이 중심축을 공유하며 나란하게 위치할 수 있다.
이 때, 맥스웰 코일은 헬름홀츠 코일을 개선한 것으로, 헬름홀츠 코일보다 훨씬 균일한 자기장을 생성하지만 헬름홀츠 코일보다 복잡한 설정이 필요하다.
이 때, 파워 서플라이(power supply)를 통해 전류를 공급받을 수 있다.
이 때, 기설정된 타겟 위치가 2차원 공간일 경우에 단일 솔레노이드 코일에 전류를 인가하고, 기설정된 타겟 위치가 3차원 공간일 경우에 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가할 수 있다. 즉, 사용자가 2차원 공간에 원하는 세기의 자기장을 생성하고 싶을 경우에는 하나의 솔레노이드 코일에만 전류를 인가하여 자기장을 생성하면 되고, 3차원 공간에 원하는 세기의 자기장을 생성하고 싶을 경우에는 두 개의 솔레노이드 코일들에 모두 전류를 인가하여 자기장을 생성할 수 있다.
이 때, 2차원 공간에 자기장을 생성하는 구조와 3차원 공간에 자기장을 생성하는 구조는 도 2 내지 도 3을 통해 상세하게 설명하였으므로 생략한다.
제어부(920)는 측정 센서를 기반으로 기설정된 타겟 위치에서 전류에 의해 발생하는 자기장의 세기를 측정한다.
이 때, 타겟 위치는 향후 나노 자성 입자 시료를 통해 자기장의 세기를 변형하기 위한 위치에 상응할 수 있다. 따라서, 타겟 위치에는 나노 자성 입자 시료를 장착하기 위한 시료 장착 홀이 존재할 수 있다.
따라서, 아직 나노 자성 입자 시료가 장착되지 않은 시료 장착 홀의 중심점을 기준으로 자기장의 세기를 측정할 수 있다.
이 때, 시료 장착 홀은 나노 자성 입자 시료를 고정시키기 위한 아크릴 구조물에 포함된 것으로, 이에 대한 구조는 도 4를 통해 상세하게 설명하였으므로 생략한다.
이 때, 측정 센서는 솔레노이드 코일을 통해 자기장이 발생하는 내부 동심원 영역을 X축과 Y축으로 이동하면서 자기장 세기를 측정할 수 있다. 따라서, 측정 센서는 X축과 Y축으로 측정 센서를 이동시킬 수 있는 XY 스테이지(XY stage)에 고정되어 이동할 수 있다.
이 때, 측정 센서와 XY 스테이지에 대한 상세한 구조 역시 도 2 내지 도 3을 통해 상세하게 설명하였으므로 생략한다.
또한, 제어부(920)는 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 기반으로 자기장의 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 조절한다.
예를 들어, 자기장이 형성되는 위치에 나노 자성 입자가 존재하는 경우, 나노 자성 입자의 자력에 의해 자기장에 변화가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 변화를 나노 자성 입자의 농도로 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수 있다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 단일 솔레노이드 코일 또는 두 개의 솔레노이드 코일들에 상응하는 원통 내부에 장착될 수 있다.
예를 들어, 나노 자성 입자가 포함된 용액이 담긴 용기를 시료 장착 홀에 끼워 넣어서 솔레노이드 코일에 해당하는 원통 내부에 장착할 수 있다.
이 때, 복수개의 나노 자성 입자 시료들을 이용할 수 있으며, 복수개의 나노 자성 입자 시료들은 나노 자성 입자의 농도가 상이할 수 있다.
예를 들어, 나노 자성 입자의 농도가 100%인 1번 시료, 나노 자성 입자의 농도가 50%인 2번 시료, 나노 자성 입자의 농도가 25%인 3번 시료를 동시에 하나의 솔레노이드 코일에 장착할 수 있다.
이 때, 시료 장착 홀에 나노 자성 입자 시료를 장착하는 방법은 도 5 내지 도 6을 통해 상세하게 설명하였으므로 생략한다.
이 때, 나노 자성 입자 시료는 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 경우, 두 개의 솔레노이드 코일들 중 하나 이상의 솔레노이드 코일에 장착될 수 있다. 즉, 두 개의 솔레노이드 코일들 중 어느 하나의 솔레노이드 코일에만 나노 자성 입자 시료를 장착할 수도 있고, 두 개의 솔레노이드 코일들에 모두 나노 자성 입자 시료를 장착하여 자기장을 변형시킬 수도 있다.
이와 같은 자기장 변형 장치를 이용함으로써, 솔레노이드 코일 형태의 전자기장 발생 장치 내에서 부분적으로 자기장의 변형을 유도할 수 있다.
또한, 자기장의 세기를 변형시키기 위해 필요한 장비의 사용을 최소화 할 수 있고, 많은 코일을 이용하는 방법보다 상대적으로 쉽고, 비용적 측면에서도 효율적인 자기장 변형 방법을 제공할 수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 나노 자성 입자를 이용한 자기장 변형 방법 및 이를 위한 장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
210, 310, 311, 410: 솔레노이드 코일 220, 320, 550: 측정 센서
230, 330: 파워서플라이 240, 340: XY 스테이지
420: 아크릴 구조물
421~424, 510~540: 시료 장착 홀(hall)
511, 610, 620, 630: 나노 자성 입자 시료
710: 변형전 자기장 720: 변형후 자기장
810: 농도 100% 시료 820: 농도 50% 시료
830: 농도 25% 시료 910: 전원부
920: 제어부

Claims (12)

  1. 단일 솔레노이드 코일 또는 평행한 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가하는 단계;
    측정 센서를 기반으로 기설정된 타겟 위치에서 상기 전류에 의해 발생하는 자기장의 세기를 측정하는 단계; 및
    상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 기반으로 상기 자기장의 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 조절하는 단계
    를 포함하고,
    상기 조절하는 단계는
    복수개의 나노 자성 입자 시료들을 이용할 수 있으며, 상기 복수개의 나노 자성 입자 시료들은 나노 자성 입자의 농도가 상이한 것을 특징으로 하는 자기장 변형 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 자성 입자 시료는
    상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 상응하는 원통 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 인가하는 단계는
    상기 기설정된 타겟 위치가 2차원 공간일 경우에 상기 단일 솔레노이드 코일에 전류를 인가하고, 상기 기설정된 타겟 위치가 3차원 공간일 경우에 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 두 개의 솔레노이드 코일들은 헬름홀츠(Helmholtz) 코일 및 맥스웰(Maxwell) 코일 중 어느 하나의 형태에 상응하는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 두 개의 솔레노이드 코일들의 경우, 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 상기 나노 자성 입자 시료가 모두 장착되거나 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들 중 어느 하나의 솔레노이드 코일에만 상기 나노 자성 입자 시료가 장착되는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 방법.
  7. 단일 솔레노이드 코일 또는 평행한 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가하는 전원부; 및
    측정 센서를 기반으로 기설정된 타겟 위치에서 상기 전류에 의해 발생하는 자기장의 세기를 측정하고, 상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 장착되는 나노 자성 입자 시료의 농도를 기반으로 상기 자기장의 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 조절하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는
    복수개의 나노 자성 입자 시료들을 이용할 수 있으며,
    상기 복수개의 나노 자성 입자 시료들은 나노 자성 입자의 농도가 상이한 것을 특징으로 하는 자기장 변형 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 나노 자성 입자 시료는
    상기 단일 솔레노이드 코일 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 상응하는 원통 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 장치.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원부는
    상기 기설정된 타겟 위치가 2차원 공간일 경우에 상기 단일 솔레노이드 코일에 전류를 인가하고, 상기 기설정된 타겟 위치가 3차원 공간일 경우에 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 두 개의 솔레노이드 코일들은 헬름홀츠(Helmholtz) 코일 및 맥스웰(Maxwell) 코일 중 어느 하나의 형태에 상응하는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 두 개의 솔레노이드 코일들의 경우, 상기 두 개의 솔레노이드 코일들에 상기 나노 자성 입자 시료가 모두 장착되거나 또는 상기 두 개의 솔레노이드 코일들 중 어느 하나의 솔레노이드 코일에만 상기 나노 자성 입자 시료가 장착되는 것을 특징으로 하는 자기장 변형 장치.
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