KR20110110913A - 초전도 자석 및 초전도 자석 제조 방법 - Google Patents

초전도 자석 및 초전도 자석 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 자석 및 초전도 자석 제조방법을 제공한다. 초전도 자석은 홀이 형성된 초전도 플레이트들이 적층되게 배치된다. 초전도 플레이트들에 형성된 홀에 의해 적층된 초전도 플레이트들에는 상단에서 하단까지 관통된 개구가 제공된다.

Description

초전도 자석 및 초전도 자석 제조 방법{SUPERCUNDUCTING MAGNETS AND MATHOD OF MANUFACTURING THE MAGNETS}
본 발명은 초전도 자석 및 초전도 자석 제조 방법에 관한 것이다.
어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K:－273.15 ℃) 가까이 까지 냉각하였을 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상을 초전도라고 한다. 초전도 현상이 일어나는 전이온도(Tc)는 금속에 따라 다르며, 일반적으로 초전도체는 전이온도의 크기에 따라 저온초전도체와 고온초전도체로 구분된다.
저온 초전도체는 온도가 약 4K에서 초전도체가 되는 물질을 말하며, 고온 초전도체는 온도가 30K이상에서도 초전도체가 되는 물질을 말한다.
이러한 초전도체는 선 또는 테이프(tape)형태로 가공되어 높은 자기장을 생성시키는 초전도 전자석에 널리 사용되고 있다. 일반적으로 저온 초전도체는 선의 형태로 가공되므로 용이하게 코일로 권선되어 초전도 전자석에 사용된다. 이와 달리, 고온 초전도체는 테이프 형태로 가공되기 때문에 상기 저온 초전도체와 같은 전자석 형태로 용이하게 감을 수 없어 팬케익(pancake)이나 더블 팬케익(double pancake) 형태의 코일이 제안되어 사용되고 있다.
저온 초전도체는 하나의 선만으로 균일한 자기장을 가지는 초전도 전자석을 제작할 수 없으므로, 선과 선 사이의 접합이 요구된다. 접합부는 전기 저항에 의한 에너지 손실과 자기장의 모양 변화를 야기한다. 또한, 코일로 권선할 때 균일한 간격으로 권선되지 못하므로 자기장이 균일하게 생성되지 못한다.
그리고, 고온 초전도체는 팬케익 형태의 코일로 사용될 경우, 테이프가 접합되는 접합부가 많이 발생한다. 접합은 테이프의 양단을 압착하거나 접합부재를 이용하여 접합하는데, 접합에 의해 초전도 결정립의 파괴등 초전도체에 많은 변형이 야기되므로 테이프 내에서 전류가 전기저항에 의한 에너지 손실 없이 흐르는 것이 방해된다. 이에 의하여 전자석에서 생성되는 자기장이 균일하지 못하다.
특히, MRI(Magnetic Resonance Imaging)와 NMR(Nuclear Magnetic Resonance)의 Spectroscopy에 사용되는 초전도 자석은 상기 장비가 규정된 특성을 발휘하기 위해 일정하고 안정된 자기장이 요구되는 데, 상기 저온 초전도 또는 고온 초전도 자석(또는 전자석)의 자기장 불균일은 상기 장비의 성능에 많은 문제를 야기한다.
본 발명은 자기장의 균일도를 향상시키고 영구전류방식(Persistent current mode)으로 작동할 수 있는 초전도 자석 및 초전도 자석의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제작이 용이한 초전도 자석 및 초전도 자석의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 초전도 자석을 제공한다. 초전도 자석은 홀이 형성된 초전도 플레이트들이 적층되게 배치되되, 상기 홀에 의해 적층된 상기 초전도 플레이트들의 상단에서 하단까지 관통된 개구가 제공되도록 상기 초전도 플레이트들이 배치된다.
각각의 상기 초전도 플레이트들은 다각판으로 제공된다.
일 실시예에 의하면, 상기 다각판들은 상하방향으로 정렬되어 적층된다.
다른 실시예에 의하면, 상기 다각판들은 정 다각판이며, 상기 정 다각판들은 순차적으로 복수개씩 그룹지어지며, 상기 각 그룹내에서 상기 정다각판은 인접한 다른 정다각판과 비정렬되게 배치된다.
복수개의 상기 그룹 각각은 동일한 수 및 배치의 상기 정 다각판으로 구성된다.
상기 홀은 상기 정 다각판의 중앙에 형성되며, 상기 정 다각판들은 상기 홀을 축으로 회전되어 배치된다.
상기 정 다각판들은 상기 정 다각판의 내각을 상기 그룹내의 상기 정 다각판들의 수로 나눈 각도만큼 회전된다.
상기 정 다각판들은 정 사각판으로 제공되며, 각각의 상기 그룹은 제1 정 사각판; 상기 제1 정 사각판 상부에 위치하며, 상부에서 바라볼 때, 상기 제1 정 사각판에 대해 45°회전되어 적층되는 제2 정 사각판을 가진다.
각각의 상기 초전도 플레이트들은 원판으로 제공되며, 상기 원판들은 상하방향으로 정렬되어 적층된다.
적층된 상기 초전도 플레이트들을 고정하는 고정부재를 더 포함하되, 상기 고정 부재는 상기 초전도 플레이트들의 상부에 위치하며, 상기 개구와 통하는 홀이 형성된 상부 플레이트; 상기 초전도 플레이트들의 하부에 위치하며, 상기 개구와 통하는 홀이 형성된 하부 플레이트; 및 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트를 연결하는 연결부재를 포함한다.
또한, 본 발명은 초전도 자석 제작방법을 제공한다. 초전도 자석 제작방법은 상기 초전도 자석에 전류를 인가하여 초전도 자석을 제조하는 것으로, 상기 초전도 자석을 솔레노이드 내부에 위치시키고, 상기 솔레노이드에 전류를 인가하여 그 내부에 자기장을 형성시키되, 상기 초전도 플레이트들의 온도를 전이온도 이하로 유지시킨다.
본 발명에 의하면, 판형상으로 제공된 초전도 플레이트들이 일정한 간격으로 적층되므로 초전도 자석에서 자기장이 균일하게 생성된다.
또한, 본 발명에 의하면, 초전도 플레이트들을 접합하는 접합부가 제공되지 않으므로, 접합부로 인한 불균일한 자기장의 발생이 예방된다.
또한, 본 발명에 의하면, 초전도 플레이트들을 적층하여 초전도 자석을 제작하므로 초전도 자석의 제작이 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 자석을 나타내는 사시도이고,
도 2는 도 1의 적층된 초전도 플레이트들을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 적층된 초전도 플레이트들 중 하나의 초전도 플레이트 단면을 나타내는 단면도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 플레이트의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 정 다각판들이 비정렬되게 적층된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 정다각판들의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정 사각판들이 비정렬되게 적층된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8의 정 사각판들의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 플레이트가 적층된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층된 초전도 플레이트들을 나타내는 일부 단면도이다.
도 12는 영구 전류 모드에 의한 전류 인가 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 도 12의 과정에 따른 전류를 인가하는 과정을 나타내는 사시도이다.
도 14는 본 발명의 초전도 자석에 자기장이 형성된 모습을 나타내는 사시 단면도이다.
도 15는 도 2의 초전도 플레이트들에 인가된 전류를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 6의 초전도 플레이트들에 인가된 전류를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 10에 따른 초전도 플레이트들에 인가된 전류를 나타내는 도면이다.
도 18은 구동 모드에 따른 전류를 인가하는 과정의 일 실시예를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 19는 구동 모드에 따른 전류를 인가하는 과정의 다른 실시예를 간략하게 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 19를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 자석을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 적층된 초전도 플레이트들을 나타내는 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 초전도 자석(100)은 적층된 초전도 플레이트들(200) 및 고정부재(300)를 포함한다.
초전도 플레이트(201, 202, 203…)들은 판 형상으로 제공되며, 복수개가 적층되어 배치된다. 실시예에 의하면, 초전도 자석(100)은 수백개 내지 수천개의 초전도 플레이트(201, 202, 203…)들이 적층되어 제공될 수 있다. 각각의 초전도 플레이트(201, 202, 203…)에는 홀(201a, 202a, 203a…)이 형성된다. 실시예에 의하면, 홀(201a, 202a, 203a…)은 초전도 플레이트(201, 202, 203…)의 중심영역에 형성된다. 초전도 플레이트(201, 202, 203…)들은 상기 홀(201a, 202a, 203a…)에 의하여 적층된 초전도 플레이트들(200)의 상단에서 하단까지 관통된 개구(200a)가 제공되도록 배치된다. 개구(200a)는 각각의 초전도 플레이트들(200)에 인가된 전류에 의해 자기장이 발생되는 공간으로 제공된다.
각각의 초전도 플레이트(201, 202, 203…)들은 도 3과 같이, 복수개의 층(11 내지 18)이 적층되어 제공된다. 실시예에 의하면, 하나의 초전도 플레이트(201)는 금속기판(11), 확산방지막(12), 배향완충층(13), 캡핑층(17), 초전도층(18), 그리고 안정층(19)이 순차적으로 적층되어 제공된다.
금속기판(11)은 몰디브덴(Mo), 크롬(Cr), 코발트(Co), 텅스텐(W), 니켈(Ni) 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 금속기판(11) 상부에는 확산 방지막(12)이 제공된다. 확산 방지막(12)은 산화 금속막을 포함할 수 있으며, 산화 금속막은 직류 반응성 스퍼터링(Direct-Current Sputtering)에 의해 형성될 수 있다. 확산 방지막 상부에는 배향완충층(13)이 형성된다. 배향완충층(13)에는 시드층(14), 템플릿 층(15), 버퍼층(16)이 순차적으로 적층되어 제공된다. 시드층(14)은 템플릿 층(15)의 결정 생성 표면을 제공하며, 템플릿 층(15)은 2축 텍스쳐를 제공한다. 실시예에 의하면, 템플릿 층(15)은 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition) 금속 산화층이 제공될 수 있다. 버퍼층(16)은 2축 텍스쳐 특성을 향상시킬 수 있는 층으로, 균질 에피(homo-epitaxial) 금속 산화층이 제공될 수 있다.
배향 완충층(13)의 상부에는 초전도층(18)이 제공된다. 초전도층(18)은 배향 완충층(13)에 의해 2축 배향특성을 가진다. 초전도층(18)과 배향 완충층(13) 사이에는 두 물질 층의 격자 매치와 화학적 측성을 향상시키기 위한 캡핑 층(capping layer, 17)이 제공될 수 있다. 실시예에 의하면, 캡핑층(17)은 STO(SrTiO3)를 포함한다. 초전도층(18)의 상부에는 초전도층(18)을 보호하기 위한 안정층(19)이 제공된다. 실시예에 의하면, 안정층(19)은 구리 및/또는 은을 포함한다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 플레이트의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 4 및 5을 참조하면, 초전도 플레이트(201)는 다각판으로 제공된다. 도 4와 같이, 초전도 플레이트(201)는 가로변과 세로변의 길이가 동일한 정사각판으로 제공될 수 있다. 또는 도 5와 같이, 가로변(a)의 길이가 세로변(b)의 길이보다 긴 직사각판으로 제공될 수 있다
이와 달리, 다각판(201)은 오각판, 육각판, 그리고 팔각판등 다양한 형태의 판으로 제공될 수 있다
실시예에 의하면, 다각판들(201, 202, 203…)은 상하방향으로 정렬되어 적층된다. 다각판들(201, 202, 203…)의 각 모서리는 인접하여 배치되는 다각판의 모서리와 나란하게 배치되도록 적층된다. 이에 의하여, 다각판들(200)은 서로 간의 조합에 의해 전체적으로 기둥형상을 갖는다.
다른 실시예에 의하면, 다각판들(201, 202, 203…)은 정 다각판으로 제공되며, 각각의 정 다각판들은 비정렬되게 적층된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 정 다각판들이 비정렬되게 적층된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 6의 정다각판들의 평면도이다.
도 6 및 7을 참조하면, 적층된 정다각판들(201a, 201b, 202a, 202b…)은 순차적으로 복수개씩 그룹(201, 202, 203…)지어 배치된다. 복수개의 그룹(201, 202, 203…)은 동일한 수의 정 다각판들을 가지며, 각 그룹마다 정 다각판들이 동일하게 배치된다.
실시예에 의하면, 각 그룹(201, 202, 203…)내에서 정다각판들(201a, 202a, 203a…)은 인접한 다른 정다각판(201b, 202b, 203b…)과 비정렬되게 배치된다. 정 다각판들(201b, 202b, 203b…)은 그 중앙에 형성된 홀(200a)을 축으로 회전되어 배치된다. 구체적으로, 정다각판들(201a, 201b, 202a, 202b…)은 정 다각판의 내각(θ)을 각 그룹(201, 202, 203…)에 제공되는 정 다각판의 수로 나눈 각도만큼 회전되어 배치된다.
실시예에 의하면, 각 그룹(201, 202, 203…)은 두 개의 정 사각판을 포함한다. 각 그룹내에서 제1정사각판(201a, 202a, 203a…)은 상부에 위치하고, 제2정사각판(201b, 202b, 203b…)은 제1정사각판(201a, 202a, 203a…)의 하부에 위치한다. 제2정사각판(201b, 202b, 203b…)은 상부에서 바라볼 때, 제1정사각판(201a, 202a, 203a…)에 대해 홀(200a)을 축으로 45°회전되어 적층된다. 이에 의하여, 적층된 다각판들(200)의 상단에서부터 하단까지, 다각판들(201b, 202b, 203b…)은 인접한 다각판(201a, 202a, 203a…)에 대해 45°회전되어 적층된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정 사각판들이 비정렬되게 적층된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 9는 도 7의 정사각판들의 평면도이다.
도 8 및 9를 참조하면, 정 사각판들(201a~201c, 202a~202c…)은 상단에서부터 하단으로 순차적으로 복수개씩 그룹지어 배치되되, 각 그룹(201, 202, 203…)에는 세 개의 정사각판이 포함된다. 각 그룹(201, 202, 203…)내에서 각각의 정사각판들(201a~201c, 202a~202c…)은 일방향으로 홀(200a)을 축으로 30°회전되어 적층된다. 구체적으로, 제1정사각판(201a, 202a, 203a…)은 각 그룹(201, 202, 203…)의 상부에 위치되고, 제2정사각판(201b, 202b, 203b…)은 제1정사각판(201a, 202a, 203a…)의 하부에 위치한다. 제2정사각판(201b, 202b, 203b…)은 상부에서 바라볼 때, 제1정사각판(201a, 202a, 203a…)에 대해 (200a)홀을 축으로 반시계 방향으로 30°회전되어 적층된다. 그리고 제3정사각판(201c, 202c, 203c…)은 제2정사각판(201b, 202b, 203b…)의 하부에 위치하며, 제2정사각판(201b, 202b, 203b…)에 대해 홀(200a)을 축으로 반시계방향으로 30°회전되어 적층된다. 제3정사각판(201c, 202c, 203c…)은 제1정사각판(201a, 202a, 203a…)에 대해 홀(200a)을 축으로 60°회전되어 적층된다.
상기 실시예와 달리, 각 그룹에는 4개 이상의 정사각판이 포함될 수 있으며, 각 그룹에 속한 정사각판은 홀을 축으로 일정각도 회전되어 적층된다.
또한, 상기 실시예와 달리, 정다각판들은 정오각판, 정육각판, 그리고 정팔각판등으로 제공될 수 있다. 정다각판들은 정다각판의 내각을 각 그룹에 포함된 정 다각판들의 수로 나눈 각도만큼 홀을 축으로 회전되어 적층된다.
예컨데, 정다각판들이 정오각판으로 제공되는 경우, 각 그룹에 포함되는 정오각판들은 순차적으로 홀을 축으로 일방향으로 108°/n 각도로 회전되어 적층된다. 여기에서 108°는 정오각판의 내각이고, n은 각 그룹에 포함되는 정오각판들의 수다.
그리고, 정다각판들이 정육각판으로 제공되는 경우, 각 그룹에 포함되는 정육각판들은 순차적으로 홀을 축으로 일방향으로 120°/n 각도로 회전되어 적층된다. 여기에서 120°는 정육각판의 내각이고, n은 각 그룹에 포함되는 정육각판들의 수다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 플레이트가 적층된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 10을 참조하면, 초전도 플레이트들(200)은 원판으로 제공된다. 각각의 원판들(201, 202, 203…)은 동일한 반경을 가진다. 원판(201, 202, 203…)들은 상하방향으로 정렬되어 적층된다. 원판(201, 202, 203…)들의 중심영역에는 홀(201a, 202a, 203a…)이 형성되며, 상기 홀(201a, 202a, 203a…)들에 의해 적층된 원판들(200)의 상단에서 하단까지 관통된 개구(200a)가 제공되도록 원판(201, 202, 203…)들이 배치된다. 적층된 원판들(200)은 전체적으로 원기둥 형상으로 제공된다.
한편, 도 11와 같이, 적층된 초전도 플레이트(202, 203, 204…)들 사이에는 절연층(insulation layer, 410)이 제공될 수 있다. 절연층(410)은 인접한 초전도 플레이트(202, 203, 204…)를 전기적으로 절연시킨다.
다시 도 1을 참조하면, 고정부재(300)는 적층된 초전도 플레이트들(200)을 고정한다. 고정부재(200)는 상부플레이트(310), 하부 플레이트(320), 그리고 연결부재(330)를 포함한다.
상부 플레이트(310)는 사각 판으로 제공되며, 적층된 초전도 플레이트들(200)의 상부에 위치한다. 상부 플레이트(310)는 초전도 플레이트들(200)보다 넓은 면적으로 제공된다. 상부플레이트(310)의 중심영역에는 홀(311)이 형성된다. 홀(311)은 적층된 초전도 플레이트들(200)에 형성된 개구(도 2의 200a)와 통한다. 상부 플레이트(310)의 가장자리영역에는 서로 이격하여 복수개의 결합홀(미도시)이 형성된다. 결합홀에는 고정부재(330)의 연결로드(331)가 삽입된다.
하부 플레이트(320)는 상부 플레이트(310)에 대응하는 형상으로 제공되며, 적층된 초전도 플레이트들(200)의 하부에 위치한다. 하부플레이트(320)의 중심영역에는 홀(미도시)이 형성된다. 홀은 적층된 초전도 플레이트들(200)에 형성된 개구와 통한다. 하부 플레이트(320)의 가장자리영역에는 서로 이격하여 복수개의 결합홀(미도시)이 형성된다. 결합홀에는 고정부재(330)의 연결로드(331)가 삽입된다.
상부 플레이트(310)와 하부 플레이트(320)는 초전도 플레이트들(200)과 전기적으로 절연되는 절연재질로 제공될 수 있다. 실시예에 의하면, 상부 플레이트(310)와 하부 플레이트(320)는 수지 또는 플라스틱(plastic) 재질로 제공될 수 있다.
연결부재(330)는 상부플레이트(310)와 하부 플레이트(320)를 연결한다. 연결부재(330)는 연결로드(331) 및 너트(332)를 포함한다. 연결로드(331)는 적층된 초전도 플레이트들(200)의 외측에 복수개 제공되며, 상부플레이트(310)와 하부 플레이트(320) 각각에 형성된 결합홀에 삽입된다. 연결로드(331)는 그 일부가 상부 플레이트(310)의 상부 및 하부 플레이트(320)의 하부에 도출되도록 제공된다. 연결로드(331)의 외주면에는 연결로드의 길이방향을 따라 나사산과 골이 반복하여 형성된다. 너트(332)는 상부 플레이트(310)의 상부 및 하부 플레이트(320)의 하부에 각각 제공되며, 연결로드(331)에 형성된 나사산과 골에 삽입되어 상부 플레이트(310)와 하부 플레이트(320)를 고정한다. 상기 연결로드(331)와 너트(332)의 결합에 의하여, 초전도 플레이트들(200)이 적층된 상태를 유지할 수 있다.
연결로드(331)와 너트(332)의 결합 이외에도 고정부재(330)는 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예컨데, 고정부재(330)는 상부 플레이트(310)와 하부 플레이트(320)를 고정시키는 프레임으로 제공될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 초전도 자석에 전류를 인가하여 초전도 자석을 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 초전도 자석은 영구 전류 모드(persistent current mode)와 구동 모드(driven mode)에서 자기장을 발생시킬 수 있다.
영구 전류 모드는 초전도 자석이 전이온도(Tc)이하에서 저항이 없는 상태로 전류가 흐르는 특성을 이용한다. 전이온도 이하 상태에서 초전도 자석은 저항이 없는 상태를 유지하므로, 초전도 자석에 인가된 전류는 지속적으로 초전도 자석내를 흐를 수 있다. 이에 의하여, 초전도 자석에 형성된 개구에는 자기장이 형성된다.
구동 모드는 전원에 의해 초전도 자석에 지속적으로 전류를 인가하여 자기장이 형성시킨다.
도 12은 영구 전류 모드에 의한 전류 인가 방법을 나타내는 순서도이고, 도 13는 도 12의 과정에 따른 전류를 인가하는 과정을 나타내는 사시도이고, 도 14는 본 발명의 초전도 자석에 자기장이 형성된 모습을 나타내는 사시 단면도이다.
도 12 내지 14를 참조하면, 영구 전류 모드에 의한 초전도 자석 제조 방법은 초전도 자석을 솔레이드 내부에 위치시키는 단계(S10), 솔레노이드에 전류를 인가하여 솔레노이드 내부에 자기장을 형성시키는 단계(S20), 그리고 자기장 내에서 초전도 자석의 온도를 전이온도 이하로 유지시키는 단계(S30)를 포함한다.
먼저, 초전도 자석(200)이 냉각부재(520)의 내부에 제공된 상태에서 솔레노이드(510) 내부에 위치된다. 냉각부재(520)는 초전도 자석(200)의 온도를 77K이하로 유지시킬 수 있도록 제공된다. 냉각부재(520)로는 냉각기(refrigerator) 또는 냉매가 순환되는 챔버가 사용될 수 있다.
초전도 자석(200)이 솔레노이드(510) 내부에 위치되면, 외부전원(미도시)으로부터 솔레노이드(510)에 전류(i1)가 인가된다. 솔레노이드(510)에 인가된 전류에 의해 솔레노이드(510) 내부에는 자기장(B1)이 형성된다. 실시예에 의하면, 자기장(B1)은 솔레노이드(510)의 하부에서 상부를 향하는 방향으로 솔레노이드(510) 내부에 형성된다. 솔레노이드(510) 내부에 형성된 자기장(B1)에 의해 초전도 플레이트들(200)에는 유도 전류(i2)가 발생된다.
솔레노이드(510) 내부에 자기장(B1)이 형성되면, 냉각부재(520)는 초전도 플레이트들(200)의 온도를 전이온도 이하로 냉각시킨다. 초전도 플레이트들(200)의 온도가 전이온도 이하로 냉각되면, 초전도 플레이트들(200)의 초전도층은 저항이 없는 상태를 유지한다. 이에 의하여, 초전도 플레이트들(200)의 초전도층에 발생된 유도 전류(i2)는 영구적으로 초전도 플레이트들(200) 내에서 흐르게 된다. 초전도 층을 흐르는 전류에 의하여, 적층된 초전도 플레이트들(200)에 형성된 개구(200a)에는 자기장(B2)이 형성된다.
본 발명은 판 형상의 초전도 플레이트들(200)이 상하방향을 따라 균일한 간격으로 적층되므로 개구(200a)에는 상하방향으로 자기장이 균일하게 형성된다.
도 15는 도 2의 초전도 플레이트들에 인가된 전류를 나타내는 도면이다.
도 15를 참조하면, 초전도 플레이트들(201)에 인가된 유도전류(i)는 초전도 플레이트(201)의 중심영역에 형성된 홀(201a)을 중심으로 초전도 플레이트(201)를 따라 흐른다.
초전도 플레이트(201)가 정사각판으로 제공되는 경우, 홀(201a)을 중심으로 정사각판(201)의 꼭지점까지의 거리와 모서리까지의 거리가 상이하다. 이러한 거리 차이로 인하여 정사각판(201)의 모서리에 인접한 홀 영역(b)에서 형성되는 자기장의 크기와 꼭지점에 인접한 홀 영역(a)에서 형성되는 자기장 크기가 상이할 수 있다. 구체적으로, 홀(201a) 영역 중 꼭지점 영역과 인접한 영역(a)과 모서리 영역과 인접한 영역(b)에서 형성되는 자기장값이 상이하여, 홀(201a)의 반경방향을 따라 전체적으로 불균일한 자기장이 형성될 수 있다.
도 16은 도 6의 초전도 플레이트들에 인가된 전류를 나타내는 도면이다.
도 16을 참조하면, 솔레노이드 내부에 형성된 자기장에 의해 동일한 그룹(201)에 속하는 제1정사각판(210a)과 제2정사각판(201b)에는 각각 유도전류(i)가 발생된다.
초전도 플레이트(201)가 정사각판으로 제공되므로 인하여, 제1정사각판(201a)의 꼭지점 영역에 인접한 홀 영역(a)과 모서리 영역에 인접한 홀 영역(b)에서 형성되는 자기장 크기가 상이할 수 있다. 그리고, 제2정사각판(201b)의 꼭지점 영역에 인접한 홀 영역(a)과 모서리 영역에 인접한 홀 영역(b)에서 형성되는 자기장 크기가 상이할 수 있다. 한편, 제1정사각판과 제2정사각판은 동일한 형상으로 제공되므로, 제1정사각판각과 제2정사각판의 각 영역에 인접한 홀 영역에는 동일한 크기의 자기장이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 제2정사각판(201b)이 홀을 축으로 제1정사각판(201a)에 대해 45°회전되어 제공되므로, 제1정사각판(201a)의 꼭지점 영역과 인접한 홀 영역(a)과 제2정사각판(201b)의 모서리 영역과 인접한 홀 영역(a)은 상하방향으로 동일한 직선상에 위치한다. 이에 의하여, 제1정사각판(201a)의 모서리 영역과 인접한 홀 영역(b)에서 발생되는 자기장과 제2정사각판(201b)의 꼭지점 영역과 인접한 홀 영역(b)에서 발생되는 자기장은 서로 보완된다. 그리고, 제2정사각판(201b)의 모서리 영역과 인접한 홀 영역(a)에서 발생된 자기장과 제1정사각판(201a)의 꼭지점 영역과 인접한 홀 영역(a)에서 발생된 자기장은 서로 보완된다. 따라서, 하나의 정사각판에서 발생되는 자기장은 홀 영역에 따라 불균일할 수 있으나, 회전되어 적층된 복수개의 사각판들에서 발생되는 자기장은 상기와 같은 자기장 보완에 의해 각각의 홀에는 전체적으로 균일한 자기장이 형성될 수 있다.
도 17은 도 10에 따른 초전도 플레이트들에 인가된 전류를 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 초전도 플레이트들(201)은 원판으로 제공되므로 홀(201a)을 중심으로 원판의 외주면까지의 거리가 일정하다. 이에 의하여, 원판(201)에 인가된 유도전류(i)는 균일한 전류 밀도로 홀(201a)을 따라 원판(201)을 흐르므로, 홀(201a)의 각 영역에는 전체적으로 균일한 자기장이 형성된다.
도 18는 구동 모드에 따른 전류를 인가하는 과정의 일 실시예를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 각각의 초전도 플레이트(200)에는 탭(421)이 제공된다. 실시예에 의하면, 탭(421)은 초전도 플레이트(200)의 측면 모서리영역에 제공된다. 탭(421)은 일단이 초전도 플레이트(200)의 모서리 영역에 연결되고, 타단이 초전도 플레이트(200)의 모서리 영역 일측에 위치된다. 각각의 탭(421)의 타단에는 전선(432)이 연결된다. 전선(432)은 탭(421)과 전원(431)을 연결하며, 탭(421)으로 전류를 공급한다. 전선(432)은 전원(431)과 연결되는 제1전선(433)과 상기 제1전선(433)으로부터 복수개 분기되어 각각의 초전도 플레이트들(200)에 결합된 탭(421)에 연결되는 제2전선(434)을 포함한다. 전선(432)은 초전도 선재로 제공될 수 있으며, 전이온도 이하에서 저항이 없는 상태를 유지한다. 전선(432)에는 상기 탭(421)으로 전류의 공급을 차단할 수 있는 스위치(미도시)가 제공된다. 실시예에 의하면, 스위치로는 히터가 사용될 수 있다. 히터는 제1전선(433)의 일부 영역을 가열하여 온도를 전이온도 이상으로 유지시켜 탭(421)으로 전류의 공급을 차단한다.
도 19는 구동 모드에 따른 전류를 인가하는 과정의 다른 실시예를 간략하게 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 각각의 초전도 플레이트(200)에는 탭(421)이 제공된다. 탭(421)은 초전도 플레이트들(200)의 측면 모서리영역으로부터 초전도 플레이트의 일측으로 제공된다. 각각의 탭(421)들은 연결탭(422)에 의해 인접한 탭(421)과 전기적으로 연결된다. 연결탭(422)은 상하방향으로 적층된 탭(422)들 중 인접하게 제공되는 탭(421)들을 전기적으로 연결한다. 연결탭(422)에 의하여 적층된 초전도 플레이트들(200)은 전기적으로 서로 연결된다. 적층된 초전도 플레이트들(200) 중 최상단에 제공되는 초전도 플레이트(200)에 연결되는 탭(421)과 최하단에 제공되는 초전도 플레이트(200)에 연결되는 탭(421)은 전선(432)을 통해 전원(431)과 전기적으로 연결된다. 상술한 구조에 의하여, 적층된 초전도 플레이트(200)들 각각은 직렬연결되며, 전선(432)을 통해 전류를 공급받는다. 전선(432)에는 탭(421)으로 전류의 공급을 차단할 수 있는 스위치(미도시)가 제공된다. 실시예에 의하면, 스위치로는 히터가 사용될 수 있다. 히터는 전선(432)의 일부 영역을 가열하여 온도를 전이온도 이상으로 유지시켜 전류의 공급을 차단한다.
상기 도 18 및 19에 개시된 실시예에 의하면, 스위치가 온(on)상태를 유지하는 동안 초전도 플레이트들(200)에는 전류가 지속적으로 공급되고, 공급된 전류에 의하여 초전도 플레이트(200)들에는 전류의 흐름이 발생된다. 초전도 플레이트들(200)을 흐르는 전류에 의하여, 개구에는 자기장이 발생된다. 본 발명은 평판형상의 초전도 플레이트들(200)이 균일한 간격으로 적층되므로, 개구에는 자기장이 균일하게 형성된다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나태 내고 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당 업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 초전도 자석 200: 초전도 플레이트들
201, 202, 203, 204: 초전도 플레이트 200a: 개구
201a, 202a, 203a, 204a: 홀 300: 고정부재
410: 절연층 421: 탭
422: 연결탭 431: 전원
432: 전선 510: 솔레노이드

Claims (8)

  1. 홀이 형성된 초전도 플레이트들이 적층되게 배치되되,
    상기 홀에 의해 적층된 상기 초전도 플레이트들의 상단에서 하단까지 관통된 개구가 제공되도록 상기 초전도 플레이트들이 배치되며,
    상기 초전도 플레이트들은 다각판이고, 상기 다각판들은 순차적으로 복수개씩 그룹지어지며, 상기 각 그룹내에서 상기 다각판은 인접한 다른 다각판과 비정렬되게 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다각판들은 정 다각판으로 제공되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
  3. 제 2 항에 있어서,
    복수개의 상기 그룹 각각은 동일한 수 및 배치의 상기 정 다각판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 홀은 상기 정 다각판의 중앙에 형성되며,
    상기 정 다각판들은 상기 홀을 축으로 회전되어 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 정 다각판들은 상기 정 다각판의 내각을 상기 그룹내의 상기 정 다각판들의 수로 나눈 각도만큼 회전되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 정 다각판들은 정 사각판으로 제공되며,
    각각의 상기 그룹은
    제1 정 사각판;
    상기 제1 정 사각판 상부에 위치하며, 상부에서 바라볼 때, 상기 제1 정 사각판에 대해 45°회전되어 적층되는 제2 정 사각판을 가지는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    적층된 상기 초전도 플레이트들을 고정하는 고정부재를 더 포함하되,
    상기 고정 부재는
    상기 초전도 플레이트들의 상부에 위치하며, 상기 개구와 통하는 홀이 형성된 상부 플레이트;
    상기 초전도 플레이트들의 하부에 위치하며, 상기 개구와 통하는 홀이 형성된 하부 플레이트; 및
    상기 상부 플레이트와 하부 플레이트를 연결하는 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
  8. 제 1 항 내지 제 7항 중 어느 하나의 초전도 자석에 전류를 인가하여 초전도 자석을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 초전도 자석을 솔레노이드 내부에 위치시키고, 상기 솔레노이드에 전류를 인가하여 그 내부에 자기장을 형성시키되,
    상기 초전도 플레이트들의 온도를 전이온도 이하로 유지시키는 것을 특징으로 하는 초전도 자석 제조방법.
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