KR20030093343A - 양자 간섭형 자속계의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
제 1 원통형 세라믹 기재의 외부 표면으로의 고온 초전도 미립자의 영동전착 및 소결에 의해 입력 코일과 일체형의 픽업 코일부를 형성하는 공정, 제 2 원통형 세라믹 기재의 외부 표면 전면으로의 고온 초전도 미립자의 영동전착 및 소결에 의해 고온 초전 도자기 실드관을 형성하는 공정, 자기 실드관의 하단부 내에 픽업 코일부의 선단부가 삽입되도록 배치함과 동시에, 자기 실드관의 상단부로부터 고온 초전도 양자 간섭형 소자를 삽입하고, 입력 코일과 고온 초전도 양자 간섭형 소자를 자기적으로 결합시키는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
Description
양자 간섭형(이하, SQUID라고 칭함) 자속계는, 지자기(地磁氣)의 5,000만분의 1 이하의 자장을 검출할 수 있는 고감도의 자기 센서이다. 초전도의 양자화 현상을 이용하고 있어, 종래의 자기 센서보다도 3자리수 이상의 고감도를 갖고 있다. 특히, 고온 초전도 박막을 이용한 SQUID 자속계의 개발에 의해, 액체 질소 온도(77.3K)에서의 동작이 가능해져, 그 응용 분야는 확대되어가고 있다.
SQUID 자속계는, 초전도 박막을 미세 가공하여, 약한 초전도 상태의 접합부를 도 1에 도시하는 바와 같이 병렬로 접속한 장치이다. SQUID 자속계에 바이어스 전류를 흘리면, 도 2에 도시하는 바와 같이 경계 전류치(Ic)까지는 초전도 상태이기 때문에, SQUID 자속계의 양단에 발생하는 전압은 0이다. 그러나, 경계 전류치를 넘으면 SQUID 자속계는 상전도(常傳導) 상태로 변화하여, 전압이 발생한다.
한편, SQUID 자속계에 자장을 인가하여, 병렬로 접속된 접합 부분의 루프에 자속을 넣으면, 경계 전류치가 감소한다.
여기서, 도 3에 도시하는 바와 같이 바이어스 전류를 경계 전류치 근방에 고정하고, 외부로부터 자장을 인가하면, SQUID 자속계의 양단에 발생하는 전압이 변화된다. 이 전압 변화를 검출하여, 자장의 강도를 측정할 수 있다.
이상과 같은 종래의 고온 초전도 박막을 이용한 SQUID 자속계에서는, 그 픽업 코일의 제작이 매우 곤란하다는 문제가 있다. 즉, 고온 초전도 재료는, 성형, 가공이 곤란한 것이므로, 동축형 픽업 코일의 형상으로 마무리할 수 없기 때문에, 통상, 평판형 픽업 코일로서, 박막 장치인 SQUID 소자와 일체화하여 제작하고 있었다.
즉, 고온 초전도 재료를 이용한 동축형 픽업 코일은, 지금까지 제작되고 있지 않았다.
이와 같이, 종래의 고온 초전도 재료를 이용한 SQUID 자속계의 픽업 코일은 평판형이기 때문에, 자기 측정에 있어서는, SQUID 소자에 대하여 연직(鉛直) 방향의 구배에 대한 감수성은 없었다.
본 발명은, 이러한 사정 하에서 이루어져, SQUID 소자에 대하여 연직 방향의 구배에 대한 감수성을 갖는다, 동축형 픽업 코일을 갖춘 양자 간섭형 자속계의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 제 1 원통형 세라믹 기재의 외부 표면에 도전성 패턴을 형성하는 공정, 상기 도전성 패턴 상에, 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 영동전착시키는 공정, 및 상기 제 1 원통형 세라믹 기재를 열 처리해서 상기 미립자를 소결시켜, 입력 코일 및 이 입력 코일과 일체형의 픽업 코일을 형성하는 공정을 구비하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 양자 간섭형 자속계의 제조 방법은, 상기 제 1 원통형 세라믹 기재의 상부 내 표면에 도전성층을 형성하고, 상기 도전성층 상에 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 영동전착시키고, 상기 제 1 원통형 세라믹 기재를 열 처리하여 상기 미립자를 소결시킴으로써, 상기 제 1 원통형 세라믹 기재의 상부 내 표면에 제 1 자기 실드(magnetic shield)층을 형성하는 공정을 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 양자 간섭형 자속계의 제조 방법은, 외면에 제 2 고온 초전도 실드층을 갖는 자기 실드관의 하단부 내에 상기 픽업 코일의 선단부가 삽입되도록 배치하는 공정, 및 상기 자기 실드관의 상단부로부터 고온 초전도 양자 간섭형 소자를 삽입하여, 상기 입력 코일과 상기 고온 초전도 양자 간섭형 소자를 자기적으로 결합시키는 공정을 더 구비하는 것으로 할 수 있다.
이 경우, 상기 자기 실드관은, 상기 픽업 코일의 외경보다도 큰 내경을 갖는 제 2 원통형 세라믹 기재의 외부 표면에 도전성막을 형성하고, 상기 도전성막 상에고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 영동전착시키고, 상기 제 2 원통형 세라믹 기재를 열 처리하여 상기 미립자를 소결시켜, 제 2 고온 초전도 실드층을 형성함으로써 얻을 수 있다.
이상의 본 발명의 방법에 있어서, 도전성 패턴, 도전성층 및 도전성막은, 세라믹 기재의 표면에 도전성 페이스트층을 형성하고, 이 도전성 페이스트층을 열 처리함으로써 형성할 수 있다. 혹은또, 도전성 물질의 도금, 또는 도전성 물질의 증착에 의해 형성할 수 있다.
또, 도전성 패턴, 도전성층 및 도전성막은, 은을 주성분으로서 포함하는 것으로 할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명의 양자 간섭형 자속계의 제조 방법에 의하면, 원통형 세라믹 기재의 외면에, 입력 코일과 일체형의, 동축형 픽업 코일을 형성할 수 있기 때문에, 고온 초전도 양자 간섭형 소자에 대하여 연직 방향의 구배에 대하여도 높은 감수성을 부여할 수 있다.
또한, 픽업 코일의 확대가 용이하기 때문에, 감도의 향상을 용이하게 실행할 수 있다.
본 발명은, 양자 간섭형 자속계, 특히, 고온 초전도 박막을 이용한 양자 간섭형 자속계의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 SQUID 자속계의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 SQUID 자속계의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 SQUID 자속계의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 의해 제조된 양자 간섭형 자속계의 픽업 코일부를 취출하여 나타내는 사시도.
도 5는 도 1에 나타내는 픽업 코일부를 갖추는 양자 간섭형 자속계를 나타내는 사시도.
도 6은 영동전착된 고온 초전도 미립자의 열 처리에서의 열 이력을 도시한 도면.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명은, 원통형 세라믹 기재에 영동전착에 의해 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 퇴적함으로써, 입력 코일 및 이 입력 코일과 일체형의 동축형 픽업 코일을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 원통형 세라믹 기재로서는, 100℃ 정도까지의 내열성을 갖는 것, 초전도체에 대하여 안정적인 것, 비교적 초전도체의 열팽창 계수에 가까운 것 등의 조건으로부터, 알루미나(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 이트륨 안전화 지르코니아(YSZ) 등을 이용할 수 있다. 입수성의 관점에서 이것들이 속에서는, 알루미나를 바람직하게 이용할 수 있다.
본 발명에 사용되는 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, YBa2Cu3O7입자, YBa2Cu4O8입자 등을이용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자는, 영동전착에 의해 퇴적되기 때문에, 그 하부(下地)는 도전성이 아니면 안된다. 그 때문, 원통형 세라믹 기재 표면에 도전성 재료를 피착시킬 필요가 있다. 도전성 재료로서는, 초전도체와 반응하지 않는 금속으로서 은이 바람직하다.
원통형 세라믹 기재 표면에 도전성 재료를 피착시키는 방법으로서는, 도전성 페이스트를 도포하여 열 처리하는 방법, 도전성 재료를 도금 또는 증착에 의해 피착하는 방법 등을 들 수 있다.
은 페이스트로서는, 904T, FSP-306T, MH-l06D(상품명 : 다나카 귀금속사 제조)를 들 수 있다.
영동전착은, 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 분산시킨 용매 중에 원통형 세라믹 기재를 배치하고, 피착된 도전성 재료에 대향시켜 양극을 배치하고, 도전성 재료를 음극으로서 이용하여, 전극사이에 전압을 인가함으로써 행하여진다. 용매로서는, 톨루엔, 아세톤 등을 이용할 수 있다. 용매중의 미립자의 농도는, 통상, 30㎎/㎤∼40㎎/㎤이며, 옥소의 농도는, 0.4㎎/㎤이다.
영동전착의 조건은 통상 이용되는 조건을 이용할 수 있다. 예컨대, 전압 40∼500V, 시간 10∼60초이다. 또, 영동전착은, 자장이 영동 방향에 대하여 평행하게 인가된 상태에서 실행하는 것이 바람직하다.
영동전착된 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자는, 이어서 열 처리되어 소결된다. 이 열 처리에 의해, 고온 초전도체 전구 물질 미립자는 고온 초전도 미립자가 된다. 열 처리 온도는 950∼930℃, 열 처리 분위기는 산소인 것이 바람직하다.
이상, 입력 코일 및 이 입력 코일과 일체형의 동축형 픽업 코일을 형성하는 공정에 대하여 설명했지만, 본 발명에서는, 원통형 세라믹 기재의 내면에 고온 초전도막으로 이루어지는 자기 실드를 형성하는 공정, 및 픽업 코일보다도 큰 내경을 갖는 별도의 원통형 세라믹 기재의 외면에 고온 초전도막을 형성하여 자기 실드관을 얻는 공정도, 상기와 동일한 프로세스로 실행할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 간섭형 자속계의 제조 방법에 관하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 방법에 의해 제조된 양자 간섭형 자속계의 픽업 코일부를 취출하여 개략적으로 도시한 도면이다. 또한, 도 5는, 도 4에 나타내는 픽업 코일부를 구비한 양자 간섭형 자속계를 개략적으로 도시한 도면이다.
우선, 순도 97% 이상의 알루미나로 이루어지는, 내경 18㎜, 외경 21㎜의 제 1 원통형 세라믹 기재(1)를 준비했다. 이 원통형 세라믹 기재(1)의 상부 내 표면 및 외부 표면에, 스크린 인쇄에 의해, 각각 내부 표면 은 페이스트막 및 외부 표면 은 페이스트 패턴을 0.05㎜의 막두께로 형성했다. 은 페이스트로서는 FSP-306T(다나카 귀금속사 제조)를 이용했다.
이어서, 이 제 1 원통형 세라믹 기재(1)를 600℃에서 1 시간, 대기속에서 열 처리했다. 이 열 처리에 의해 은 페이스트의 휘발 성분이 증발되고, 은 성분이 제1 원통형 세라믹 기재(1)의 내부 표면과 외부 표면에 고착되었다. 그 결과, 막두께 0.05mm의 내부 표면 은막 및 외부 표면 은 패턴이 형성되었다.
다음에, 내부 표면 은막 및 외부 표면 은 패턴 상에 고온 초전도 미립자를 영동전착시켰다. 고온 초전도 미립자로서는, 본 실시예의 경우, 입경 3㎛ 이하의 YBa2Cu3O7입자를 이용했다. 영동전착은 다음과 같이 행하였다.
즉, 아세톤 500㎖, 옥소 200㎖, 및 YBa2Cu3O715g을 포함하는 전착욕(電着浴) 안에 원통형 세라믹 기재(1)를 배치했다. 양극으로서 나선(spiral)형의 백금선(0.5mm 직경)을 원통형 세라믹 기재(1)의 외측에 배치하고, 직선 형상의 백금선(0.5mm 직경)을 내측에 배치했다. 또, 음극으로서는, 원통형 세라믹 기재(1)의 내부 표면 및 외부 표면에 형성된 내부 표면 은막 및 외부 표면 은 패턴을 이용했다.
양극 및 음극 사이에 500 V의 전압을 20초간 인가함으로써, 원통형 세라믹 기재(1)의 내부 표면 및 외부 표면에 형성된 내부 표면 은막 및 외부 표면 은 패턴 상에, 고온 초전도 미립자를 영동전착시켰다.
그 후, 제 1 원통형 세라믹 기재(1)를 도 3에 나타내는 것 같은 열 이력으로 열 처리하여, 제 1 고온 초전도 미립자를 소결했다. 열 처리 분위기는 산소였다.
열 이력은, 도 6에 도시하는 바와 같이 우선 300℃까지 승온하여 1시간 유지하고, 이어서 500℃/h의 승온 속도로 800℃까지 승온하고, 다음에 100℃/h의 승온 속도로 930℃까지 승온해서, 1시간 유지했다. 강온(降溫)은, 우선 60℃/h의 강온속도로 500℃까지 강온해서 5시간 유지하고, 이어서 60℃/h의 강온 속도로 상온까지 냉각했다.
그 결과, 제 1 원통형 세라믹 기재(1)의 외부 표면에 픽업 코일(2) 및 입력 코일(3)이 형성되고, 내부 표면에 제 1 자기 실드(4)가 형성되었다. 이렇게 하여, 입력 코일(3)과 일체형의 픽업 코일(2)로 이루어지는 동축형의 픽업 코일부(5)를 얻을 수 있었다.
다음에, 도 5에 도시하는 바와 같이 픽업 코일부(5)의 외경보다도 큰 내경을 갖는 제 2 원통형 세라믹 기재(6)의 외부 표면 전면에 은 페이스트를 도포했다. 은 페이스트로서는, 상술한 것과 동일한 것을 이용했다.
이어서, 제 2 원통형 세라믹 기재(6)를, 600℃에서 1 시간, 대기속에서 열 처리했다. 이 열 처리에 의해, 은 페이스트의 휘발 성분은 증발하고, 은 성분이 외부 표면 전면에 고착되어, 은층을 형성했다.
그 후, 은층 상에, 고온 초전도 미립자를 영동전착시켰다. 고온 초전도 미립자 및 영동전착의 조건은, 상술한 것과 마찬가지였다.
또한, 제 2 원통형 세라믹 기재(6)를 상기와 동일한 열 이력으로 열 처리하여, 고온 초전도 미립자를 소결함으로써, 외부 표면에 제 2 자기 실드층이 형성된 자기 실드관(7)을 얻을 수 있었다.
그리고, 자기 실드관(7)의 하단부 내에 상술한 픽업 코일부(5)의 선단부가 삽입되도록 배치함과 동시에, 자기 실드관(7)의 상단부로부터 고온 초전도 양자 간섭형 소자(8)를 삽입하여, 픽업 코일부(5)의 입력 코일(3)과 고온 초전도 양자 간섭형 소자(8)를 자기적으로 결합시켜, 양자 간섭형 자속계가 완성되었다.
또, 픽업 코일부(5)의 내부 면의 제 1 자기 실드층(3)은 연직 방향의 자기 잡음을 배제하는 역할을 갖는다.
이상과 같이 하여, 양자 간섭형 자속계를, 간단한 공정으로, 정밀도 높게, 저비용으로 제조할 수 있었다.
이상 설명한 실시예에서는, 원통형 세라믹 기재에 은 페이스트를 도포함으로써 도전성 패턴 또는 도전성층을 형성했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 도금이나 증착에 의해 도전성 물질을 피착시키더라도 좋다.
또한, 이상의 실시예에서는, 고온 초전도 미립자를 영동전착한 예를 나타내었지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 열 처리에 의해 고온 초전도 미립자가 된다, 고온 초전 도전구 물질 미립자를 영동전착시키더라도 좋다. 혹은 또, 고온 초전도 미립자와 고온 초전도전구 물질 미립자의 혼합물을 영동전착시키는 것으로도 가능하다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 양자 간섭형 자속계의 제조 방법에 의하면, 원통형 세라믹 기재의 외면에, 입력 코일과 일체형의 동축형 픽업 코일을 형성할 수 있기 때문에, 고온 초전도 양자 간섭형 소자에 대하여 연직 방향의 구배에 대하여도 높은 감수성을 부여할 수 있다. 또한, 픽업 코일의 확대가 용이하기 때문에, 감도의 향상을 용이하게 실행할 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 양자 간섭형 자속계에 의해, 자기에 의한 비파괴 검사나 생체측정의 정밀도를 향상시킬 수 있기 때문에, 본 발명은 극미 자기 측정의 기술의 진보 및 용도 확대에 대한 공헌도가 매우 높다.
Claims (16)
- 제 1 원통형 세라믹 기재(基材)의 외부 표면에 도전성 패턴을 형성하는 공정과,상기 도전성 패턴 상에, 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구(前驅) 물질 미립자를 영동전착(泳動電着)시키는 공정과,상기 제 1 원통형 세라믹 기재를 열 처리해서 상기 미립자를 소결시켜, 입력 코일 및 이 입력 코일과 일체형의 픽업 코일을 형성하는 공정을 구비하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 도전성 패턴은,세라믹 기재의 표면에 도전성 페이스트층을 형성하고, 이 도전성 페이스트층을 열 처리함으로써 형성되는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 도전성 패턴은,도전성 물질의 도금, 또는 도전성 물질의 증착에 의해 형성되는 양자 간섭형자속계의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 도전성 패턴은, 은을 주성분로서 포함하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 원통형 세라믹 기재의 상부 내 표면에 도전성층을 형성하고, 상기 도전성층 상에 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 영동전착시키고, 상기 제 1 원통형 세라믹 기재를 열 처리하여 상기 미립자를 소결시킴으로써, 상기 제 1 원통형 세라믹 기재의 상부 내 표면에 제 1 자기 실드(magnetic shield)층을 형성하는 공정을 더 구비하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 도전성층은,세라믹 기재의 표면에 도전성 페이스트층을 형성하고, 이 도전성 페이스트층을 열 처리함으로써 형성되는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 도전성층은,도전성 물질의 도금, 또는 도전성 물질의 증착에 의해 형성되는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 도전성층은,은을 주성분으로서 포함하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,외면에 제 2 고온 초전도 실드층을 갖는 자기 실드관의 하단부 내에 상기 픽업 코일의 선단부가 삽입되도록 배치하는 공정과,상기 자기 실드관의 상단부로부터 고온 초전도 양자 간섭형 소자를 삽입하여, 상기 입력 코일과 상기 고온 초전도 양자 간섭형 소자를 자기적(磁氣的)으로 결합시키는 공정을 더 구비하되,상기 자기 실드관은,상기 픽업 코일의 외경보다도 큰 내경을 갖는 제 2 원통형 세라믹 기재의 외부 표면에 도전성막을 형성하고, 상기 도전성막 상에 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 영동전착시키고, 상기 제 2 원통형 세라믹 기재를 열 처리하여 상기 미립자를 소결시켜, 제 2 고온 초전도 실드층을 형성함으로써 얻어지는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 도전성막은,세라믹 기재의 표면에 도전성 페이스트층을 형성하고, 이 도전성 페이스트층을 열 처리함으로써 형성되는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 도전성막은, 도전성 물질의 도금, 또는 도전성 물질의 증착에 의해 형성되는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 도전성막은, 은을 주성분으로서 포함하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 원통형 세라믹 기재의 상부 내 표면에 도전성층을 형성하고, 상기 도전성층 상에 고온 초전도 미립자 및/또는 고온 초전도체 전구 물질 미립자를 영동전착시키고, 상기 제 1 원통형 세라믹 기재를 열 처리하여 상기 미립자를 소결시킴으로써, 상기 제 1 원통형 세라믹 기재의 상부 내 표면에 제 1 자기 실드층을 형성하는 공정을 더 구비하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 도전성층은,세라믹 기재의 표면에 도전성 페이스트층을 형성하고, 이 도전성 페이스트층을 열 처리함으로써 형성되는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 도전성층은, 도전성 물질의 도금, 또는 도전성 물질의 증착에 의해 형성되는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 도전성층은, 은을 주성분으로서 포함하는 양자 간섭형 자속계의 제조 방법.
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