KR20090061974A - 동작 주파수가 가변되는 자기장 강화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특정 마이크로파 대역의 자기장을 강화하는데 사용되는 소자(swiss roll)의 전기적인 특성을 개별 소자를 사용하여 가변시킴으로써, 공진 주파수를 용이하게 조정할 수 있고 사용 대역을 가변시킬 수 있는 자기장 강화 장치에 관한 것으로, 유전체가 코팅된 금속판이 실린더 형태로 복수 회 감긴 자기장 강화 장치에 있어서, 공진 주파수를 가변시킬 수 있도록 하기 위해, 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 연결된 가변 커패시터를 포함한다.

자기장, 강화, 소자, 증폭, Swiss, roll, 가변, 공진, 주파수

Description

동작 주파수가 가변되는 자기장 강화 장치{Tunable magnetic wave amplifying device}

본 발명은 동작 주파수가 가변되는 자기장 강화 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 특정 마이크로파 대역의 자기장을 강화하는데 사용되는 소자의 전기적인 특성을 개별 소자를 사용하여 가변시킴으로써, 공진 주파수를 용이하게 조정할 수 있고 사용 대역을 가변시킬 수 있는 자기장 강화 장치에 관한 것이다.

질병 진단에 널리 이용되는 자기공명영상법(MRI: Magnetic Resonance Imaging)은 효능은 뛰어나면서도 인체에 부담을 주지 않는 첨단의 비파괴, 비방사능 검사 방법이다. 이 MRI 검사 방법은 원하는 인체의 측정 부위에 대략 0.5 테슬라 이상의 강한 정자기장(static magnetic field)을 인가한다. 이때 인체에 포함된 수소 원자핵은 대략 수십 MHz 이상의 대역에서 정자기장의 세기에 비례하는 공진 주파수를 가지게 된다. 이 공진 주파수에 해당하는 전파를 펄스 형태로 인체에 조사하면 수소 원자핵들은 전파의 에너지를 흡수하여 여기 상태가 된 다음, 일정한 시간 이후에 다시 같은 주파수의 전파를 발생하면서 에너지를 잃고 낮은 에너지 상태가 된다. 이때 나오는 전파를 자기 공명(MR: magnetic resonance) 신호라 하며, 이 자기 공명 신호를 수신용 안테나를 통해 전달받아 수소 원자핵의 밀도 분포를 나타내는 2 차원 영상을 만들게 된다.

여기서 자기공명 신호의 세기가 클수록 MRI 영상의 해상도가 좋아져서 진단에 도움이 되는데, 자기공명 신호의 세기를 크게 하는 가장 직접적인 방법은 인가하는 정자기장의 세기를 크게 하는 것이다. 열역학 법칙에 따르면 실제로 인체에서 전파를 흡수한 다음 에너지를 잃으면서 전파를 발생하는 수소원자핵은 대략 전체 수소원자핵의 일백만 분의 일(10^-6) 정도이다. 이 비율은 정자기장의 세기에 비례하여 증가하므로 초기의 MRI 장비에서는 영구 자석을 사용한 0.5 테슬라 이하의 정자기장이 주로 사용되었지만, 최근에는 초전도자석을 사용한 1.5 테슬라 이상의 정자기장이 많이 사용되고 있다. 그런데 초전도자석을 이용한 MRI 장비의 경우 영구 자석을 이용한 MRI 장비에 비해 대당 가격과 유지 보수비가 훨씬 많이 들어 환자들의 부담을 키우는 요인이 된다.

해상도를 향상시키기 위한 다른 방법은 MRI 용 조영제를 사용하는 것이다. 보통 엑스레이(x-ray) 검사시에 해상도를 좋게 하기 위해 조영제를 많이 사용하고 있는데, MRI 용 조영제는 현재 활발히 연구되고 있는 실정으로 비용면에서 큰 부담이 없이 해상도를 증가시킬 수 있다. 하지만 약물 투여 방식이므로 환자에 따라 불편을 야기할 수 있으며 실제 사용까지 시간이 걸릴 수 있다.

해상도 개선하기 위한 또 다른 방법은 인체에서 발생한 자기 공명 신호를 수신 안테나로 감지하기까지 손실을 최소화하는 것이다. 자기 공명 신호의 본질은 특정 주파수의 전파로서 전기장 벡터와 자기장 벡터의 두 가지 성분으로 구성된다. 그러나 자기 공명 신호의 경우 대기나 우주 진공을 진행하는 통상의 전파에 비해 자기장의 세기가 전기장의 세기에 비해 훨씬 큰 특성을 가지므로, 특정 주파수의 자기장 변화에 민감하게 반응하는 Swiss roll이라는 일종의 전기 공진 회로를 인체와 수신용 안테나 사이에 배치하여 자기 공명 신호의 손실을 줄일 수 있도록 한다. 자기장 강화 장치인 Swiss roll은 유전체가 코팅된 얇은 금속판을 중심 굴대(mandrel) 위에 실린더 형태로 임의의 자연수 N번 감아 만든 것으로, 자신의 공진 주파수에 해당하는 외부 자기장이 입력되면 전자기 공진을 일으켜 자기장의 세기를 강화시키는 기능을 한다.

이와 같이 자기장 강화 장치인 Swiss roll의 공진 현상을 이용하여 자기 공명 신호의 손실을 줄이는 것은 환자의 경제적 부담이나 불편을 주지 않는다는 장점이 있다. 그러나 Swiss roll의 공진 주파수를 결정하는 자체 인덕턴스와 커패시턴스는 기하학적 형상에 의해 결정되므로, 공진 주파수를 수소 원자핵에서 나오는 전파의 주파수에 정확히 일치시키기가 매우 힘들다는 단점이 있다. 또한 동일 조건에서 제작한 Swiss roll이라 하더라도 대량 제작할 경우 공차에 의해 공진 주파수가 일정하지 않은 단점이 있으며, 온습도 등에 의한 Swiss roll의 물성 변화로 공진 주파수가 틀어질 경우 이를 보정할 수 없는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 특정 마이크로파 대역의 자기장을 강화하는데 사용되는 소자의 전기적인 특성을 개별 소자를 사용하여 가변시킴으로써, 공진 주파수를 용이하게 조정할 수 있고 사용 대역을 가변시킬 수 있는 자기장 강화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 강화 장치는, 유전체가 코팅된 금속판이 실린더 형태로 복수 회 감긴 자기장 강화 장치에 있어서, 공진 주파수를 가변시킬 수 있도록 하기 위해, 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 연결된 가변 커패시터를 포함한다.

바람직하게는 본 발명은, 공진 주파수의 가변 범위를 증가시키기 위해, 상기 가변 커패시터에 직렬 연결된 가변 인덕터를 더 포함한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 강화 장치는, 유전체가 코팅된 금속판이 실린더 형태로 복수 회 감긴 자기장 강화 장치에 있어서, 공진 주파수를 가변시킬 수 있도록 하기 위해, 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 연결된 가변 인덕터를 포함한다.

상기와 같은 본 발명은, 수십 MHz 이상의 대역에서 자기장 증폭 기능을 하는 자기장 강화 장치인 Swiss roll에 개별 소자로 된 가변 커패시터를 추가함으로써, 자기장 강화 장치인 Swiss roll의 공진 주파수를 증폭하고자 하는 외부 자기장의 주파수에 쉽게 동조시킬 수 있으며, 하나의 Swiss roll을 매우 넓은 범위에서 사용할 수 있다. 이러한 Swiss roll은 자기장 검출용 센서에 널리 사용할 수 있으며, 특히 MRI에 사용할 경우에는 별다른 추가 비용없이 MRI 영상의 해상도를 개선할 수 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실 시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 대해 설명하기에 앞서 변동하는 자기장을 강화하는 소자에 대한 이해를 돕기 위해 도 1과 같이 반지름 r인 실린더 형태로 얇은 금속판이 감겨진 구조(101)에 대해 설명한다.

축 방향으로 실린더를 관통하는 외부 자기장(102)의 세기가 변하는 경우 Lenz의 법칙에 따라 실린더의 원주 방향으로 외부 자기장의 변화율에 비례하는 전압이 생겨 원주 방향으로 유도 전류(103)가 흐르고, 이 유도 전류는 다시 유도자기장(104)을 만들어 외부 자기장의 세기에 영향을 주며, 이로부터 다시 유도 전류와 유도자기장이 영향을 받는 피드백(feedback)이 생긴다. 이것을 수학식으로 표현하기 위해 외부 자기장이 단일 주파수의 사인파인 경우의 예를 들어 설명한다.

외부 자기장을 H_o, 실린더에서 원주 방향으로 흐르는 유도전류의 단위길이당 크기를 j라고 하면, 축 방향의 길이가 반지름에 비해 비교적 큰 경우 실린더 내부에 생기는 유도자기장의 세기는 j가 된다. 여기에 자기소거장(demagnetizing field)을 고려하면, 유도자기장은 j보다 약간 작아지게 된다. 이것을 고려하여 유도자기장의 세기를 α×j라 하고 편의상 0.5＜α＜1 라고 가정한다. 자기소거장이란 외부자기장을 인가하여 막대 자석 형태의 자성체를 자화시킬 때 막대 자석 양단에 생기는 자극으로 인해 자성체 내부에서 외부자기장의 반대 방향으로 자기장이 생기는 것을 말한다. 유도 전류와 유도자기장의 근원은 외부자기장이므로, 외부자기장이 e^{- iwt} 형태의 시간 의존성을 가지면, 유도전류와 유도자기장 모두 e^{- iwt} 형태 의 시간의존성을 가진다.

축 방향에 수직인 실린더의 단면에 생기는 전체 자기장 H는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

H = H_o + α × j

실린더의 원주 방향으로 생기는 유도기전력(electromotive force, EMF)은 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

이것은 유도 전류가 원주방향으로 흐를 때 저항 성분에 의한 전압 강하와 같으므로 다음 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

수학식 2에서 Φ는 자기 선속(magnetic flux)이고, B는 자속밀도(magnetic flux density)이며, ρ는 실린더의 원주 방향의 단위길이당 저항이다.

수학식 3을 j에 대해 정리하면 다음 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

수학식 4를 수학식 1에 대입하면 실린더 내부의 전체자기장 세기는 수학식 5와 같다.

도체 저항이 매우 작은 경우 수학식 5에서 괄호안 분모의 두 번째 항은 매우 작아지므로 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 실린더를 약간 변형한 것으로, 직사각형의 얇은 금속 도체판을 끝에서 서로 붙지 않도록 겹쳐서 감은 형태로, 자기장 강화 장치인 Swiss roll이라고 불리는 전자기 소자(201)이다.

Swiss roll에서는 금속판 양 단의 오버랩된 부분(203) 사이에 기생 커패시턴스 성분이 생긴다. 이를 전기 회로 성분으로 나타내면, 도 1에 도시된 단순 실린더는 도 3a와 같이 전압 원에 인덕턴스 L과 저항 R이 직렬 연결된 회로이지만, 도 2a 및 도 2b에 도시된 Swiss roll은 도 3b와 같이 전압원에 인덕턴스와 저항 외에 커패시턴스 성분을 가진 직렬 공진 회로가 된다.

실린더를 축방향으로 관통하는 외부자기장이 변하는 경우 Swiss roll의 원주를 따라 외부자기장의 변화율에 비례하는 전압이 유도된다. 이로 인해 유도 전류가 흐르게 되고, 단순 실린더 형태와는 달리 Swiss roll는 직렬 공진회로이므로, 외부자기장의 주파수가 Swiss roll의 공진주파수와 같으면 유도전류가 매우 커지며, 이때 큰 유도자기장이 생겨 외부자기장의 세기를 증폭한다. 오버랩 부분의 커패시턴스를 C라고 하면, 수학식 3과 수학식 4는 커패시턴스를 가지는 임피던스를 고려하면 각각 다음 수학식 7 및 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

수학식 8을 수학식 1에 대입하면 수학식 9와 같다.

수학식 9로부터 금속판의 저항(ρ)이 매우 작은 경우

가 되면, 수학식 9에서 괄호 안의 두 번째 항이 매우 커지게 되어 실린더 내부의 자기장이 증폭된 것과 같은 효과를 얻는다.

이와 같이 커패시턴스 성분이 추가된 실린더 형태의 Swiss roll은 특정 주파수의 외부자기장을 증폭하는 기능이 있다. 하지만 Swiss roll을 사용하는 경우의 문제점은 대부분 외부자기장의 주파수가 먼저 결정되어 있다는 것이다. 따라서 Swiss roll의 공진 주파수를 외부자기장 주파수에 맞추기 위해 수학식 9에서 r, C 등을 정밀하게 조정하여야 하는데, 이것은 소자 형태만으로 정해지는 인덕턴스와 커패시턴스 성분을 가지고 있는 기존의 Swiss roll에서는 매우 어려운 문제일 수밖에 없다. 따라서 본 발명에서는 용량 조절이 가능한 개별(discrete) 커패시터와 인덕터를 사용하여 Swiss roll의 공진주파수를 쉽게 조정할 수 있으며, 사용 대역을 가변시켜 하나의 Swiss roll을 주파수가 다른 여러 외부자기장 조건하에서 사용할 수 있도록 한다.

도 4a는 자기장 강화 장치인 Swiss roll 구조에서 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 개별 소자로 된 가변 커패시터(402)를 연결한 구조를 나타낸 것이다. 그리고, 도 4b는 도 4a의 등가 회로를 나타낸 것이다.

도 4a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 자기장 강화 장치는, 기존의 Swiss roll 구조에서 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 가변 커패시터(402)를 연결한다. 이와 같은 본 발명에 따른 자기장 강화 장치는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 인덕터(L)(404)와 저항(R)(405)과 기생 커패시터(C)(406)를 갖는 기존의 Swiss roll 구조의 자기장 강화 장치에서 가변 커패시터(406-1)가 기생 커패시터(406)에 병렬 연결된 형태를 갖게 된다. 이와 같은 본 발명에 따른 자기장 강화 장치는, 가변 커패시터(406-1)의 용량을 조절함으로써, Swiss roll의 공진주파수를 변경할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 자기장 강화 장치는, 공진주파수를 가변하기 위해 가변 인덕터를 사용할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 자기장 강화 장치는, 기존의 Swiss roll 구조에서 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 가변 인덕터를 연결한다. 이에 따라 본 발명은 가변 인덕터를 이용해 Swiss roll의 공진 주파수를 변경할 수 있다.

금속판이 복수 회 감긴 Swiss roll에서는 가장 안 쪽의 금속판과 가장 바깥 쪽의 금속판 사이를 관통 홀(403)을 통해 연결할 수도 있다. 또한 Swiss roll의 커패시턴스가 개별 소자인 가변 커패시터에 의해 결정될 수 있도록 금속판 사이의 간격을 비교적 넓게 하여 기생 커패시턴스가 최소화되도록 할 수 있다. 다시 말해, 기생 커패시턴스가 최소화되도록 금속판 사이의 간격을 충분히 넓게 한다면, 가변 커패시터에 의해 Swiss roll의 커패시턴스가 결정될 수 있다.

Swiss roll의 공진 주파수는 수학식 9를 통해 얻어질 수 있는데, 보통 가변 커패시턴스는 용량을 10 배 정도 변경할 수 있다. 그러므로 공진 주파수는 3.2 배 정도 조정할 수 있다.

가변 커패시터는 전압으로 제어되는 바렉터(varactor)나 기계적으로 조절하 는 커패시터를 사용할 수 있다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기장 강화 장치의 예를 나타낸 것이고, 도 5b는 도 5a의 등가 회로를 나타낸 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 강화 장치는, 가변 커패시터에 가변 인덕터를 직렬로 연결한다. 금속판의 오버랩에 의한 기생 커패시턴스가 매우 작다면 도 5a에 대한 등가 회로는 도 5b와 같다.

다시 말해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 강화 장치는, 기존의 Swiss roll 구조에서 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에, 서로 직렬 연결된 가변 커패시터(502)와 가변 인덕터(503)를 연결한다. 이와 같은 본 발명에 따른 자기장 강화 장치는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 인덕터(L)(504)와 저항(R)(505)과 기생 커패시터(도 5b에서는 기생 커패시턴스가 매우 작다고 가정하여 생략하였음)를 갖는 기존의 Swiss roll 구조에서 가변 인덕터(504-1)와 가변 커패시터(506-1)가 직렬 연결된 형태를 갖게 된다. 이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 강화 장치는, 가변 커패시터와 가변 인덕터를 조절함으로써, Swiss roll의 공진주파수의 가변 범위를 더욱 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1은 자기장 변화에 따른 유도 전류와 유도 자기장을 설명하기 위한 도면,

도 2a 및 도 2b는 종래의 Swiss roll 구조의 자기장 강화 장치의 예를 설명하기 위한 도면,

도 3a는 도 1의 등가 회로도,

도 3b는 종래 Swiss roll의 등가 회로도,

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 강화 장치의 구조를 나타낸 도면,

도 4b는 도 4a의 등가 회로도,

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 강화 장치의 구조를 나타낸 도면,

도 5b는 도 5a의 등가 회로도이다.

Claims (8)

1. 유전체가 코팅된 금속판이 실린더 형태로 복수 회 감긴 자기장 강화 장치에 있어서,

   공진 주파수를 가변시킬 수 있도록 하기 위해, 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 연결된 가변 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   공진 주파수의 가변 범위를 증가시키기 위해, 상기 가변 커패시터에 직렬 연결된 가변 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   가장 안 쪽의 금속판과 가장 바깥 쪽의 금속판이 관통 홀을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 가변 커패시터에 의해 커패시턴스를 결정하기 위해, 상기 금속판 사이의 간격을 조절하여, 상기 금속판 사이의 간격에 의해 생성되는 기생 커패시턴스가 최소화되도록 하는 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 가변 커패시터는, 전압에 의해 제어 가능한 바렉터인 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 가변 커패시터는, 기계적으로 조절 가능한 커패시터인 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.
7. 유전체가 코팅된 금속판이 실린더 형태로 복수 회 감긴 자기장 강화 장치에 있어서,

   공진 주파수를 가변시킬 수 있도록 하기 위해, 안 쪽의 금속판과 바깥쪽 금속판 사이에 연결된 가변 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   가장 안 쪽의 금속판과 가장 바깥 쪽의 금속판이 관통 홀을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기장 강화 장치.

Images