1. 서 론

자기차폐는 심전도와 심뇌도와 같이 아주 미약한 생체자기를 측정하거나 고감도 자기센서의 특성을 조사할 때 불시에 발생하는 자기적인 변화를 최소화하는데 반드시 필요하다^(1,2). 이 때 차폐 성능은 자성체의 구조체 형상과 투자율에 크게 영향을 받는다⁽³⁾. 구조체의 형상을 육면체로 하는 경우, 간편하게 제작할 수 있는 반면에 내부자계의 균일성을 보장할 수 없다. 내부 자계의 균일성이 가장 좋은 것은 구의 형상이지만 시편의 출입을 위한 입구를 내부자계의 균일성을 해치지 않도록 조심해서 설계해야 한다. 이에 비해 원통형은 대칭적인 형상을 가지고 내부자계도 균일하며 또한 양끝으로 시편을 출입시킬 수 있어 자기차폐 구조체로서 매우 적합하다. 자기차폐 구조체의 자성체는 투자율이 높은 퍼멀로이가 선호된다. 하지만 원통형으로 만들기 위해서는 응력이 불가피하게 도입되어 투자율이 크게 나빠지므로 반드시 응력제거 열처리가 필요하다⁽⁴⁾. 소형자기센서의 감도와 분해능을 측정하기 위해서는 실내에서 책상 위에 두고 사용할 수 있는 정도의 크기가 적합하고 자기차폐의 성능을 높이기 위해 구조체를 다층구조로 할 필요가 있다. 자기센서의 분해능은 아주 미약한 자계를 측정할 수 있는 능력으로 최근 센서의 자성체에서 발생하는 노이즈를 줄여 높은 분해능의 자기센서가 실현되고 있다^(5,6). 따라서 이런 분해능의 특성을 측정하기 위해서는 자기센서 주위의 자계변화가 극히 억제되어야 한다. 본 연구에서는 고투자율의 퍼멀로이 자성체 판재를 이용하여 4층 자기차폐 구조체를 제작하였으며 층수의 변화에 따른 차폐효과를 조사하였다.

2. 실험 방법

그림 1은 차폐 구조체의 크기를 나타낸 것이다. 차폐 구조체는 4층 구조를 가지고 가장 안쪽 층은 직경이 140mm, 길이가 330mm이고 그 다음 층부터는 직경을 30mm, 길이를 100mm 씩 증가시켰다. 전체의 크기는 직경이 230mm, 길이가 630mm로 실내에서 책상 위에 두고 사용할 수 있도록 하였다.

차폐 구조체의 제작에 사용된 자성체는 두께가 1mm, 최대 비투자율이 100,000인 고투자율 퍼멀로이 판재이며 이 판재를 이용하여 4개의 원통을 제작하였다. 고투자율 퍼멀로이 자성체는 응력이 인가되면 비투자율윻이 크게 나빠지므로 굽힘에 의해 자성체에 부여되는 응력을 제거해야 한다. 이를 위해 수소분위기 중에서 2시간 응력제거 열처리를 하였다. 이렇게 제작한 4개의 원통의 비투자율은 LCR미터로 측정한 인덕턴스로부터 식(1)을 이용하여 구하였다.

여기서 $\mu_{o}$는 공기중의 투자율, $l$은 원통의 원주길이, S는 자속이 관통하는 단면적(두께와 원통길이의 곱), N은 원통에 감은 권선수, L은 LCR미터로 측정한 인덕턴스이다.

그림 2는 차폐 구조체의 자계 차폐효과를 측정하기 위한 장치를 나타낸 것이다.

이 장치는 4층 차폐 구조체와 그 중심을 관통하는 이동레일, 자계센서, 스테핑모터, 모터의 이동을 제어하는 제어기, 데이터처리를 위한 DAQ보드로 이루어진다. 이동레일은 비자성 재료인 알루미늄으로 제작하였고 센서의 이동거리는 약 800mm로 하였다.

그림 3은 3축 플럭스게이트 자계센서를 나타낸 것이다. 각축의 센서 크기는 길이가 10mm, 폭이 5mm이며 센서 사이의 거리는 20mm이다. 자계측정범위는 ±100,000nT이며 분해능은 1nT이다⁽⁷⁾. 3축 센서 중에서 X방향 센서는 차폐구조체의 폭 방향, Y방향 센서는 상하방향, Z방향 센서는 차폐 구조체의 길이방향의 자계를 측정한다. 차폐 구조체의 차폐효과는 차폐 구조체가 있을 때와 없을 때, 차폐 구조체의 중심부 자계를 구해 식(2)에 대입하여 계산한다.

이 식에서 Hbackground 는 차폐 구조체가 없을 때의 자계이며 Hshieldcan은 차폐 구조체가 있을 때 자계이다.

그림 4는 그림 1에서 보인 차폐구조체의 FEM 정자장해석 모델을 나타낸 것이다. 해석 시에 공간자계는 차폐 구조체의 길이방향(Z방향)으로 30,000nT, 상하방향(Y방향)으로 45,000nT, 폭방향으로 0nT을 설정하였다. 이 자계는 북반구의 지자계와 동일하다. 그리고 해석 시간을 줄이기 위해 차폐구조체를 체적요소가 아닌 면요소로 설정하였다. 해석방법은 가장 네 번째 층, 즉 가장 안쪽에 배치되는 층만이 존재할 때 해석한 후에 그 다음에 두 번째, 세 번째, 네 번째 층을 추가하여 총 네 번의 해석을 하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

그림 5는 4개의 원통 자성체에 대해 원주방향으로 측정한 비투자율을 나타낸 것이다. 이 그림에서 각 원통의 직류상태의 비투자율은 가장 바깥쪽 층이 되는 첫 번째 층이 24113이고 두 번째 층은 18671, 세 번째 층은 18289, 가장 안쪽에 배치되는 네 번째 층은 18671이였다. 첫 번째 층의 비투자율이 나머지 층들보다 큰 것은 직경이 커서 비교적 응력이 작게 작용한 것으로 생각된다.

그림 6은 FEM 정자장 해석결과를 나타낸 것이다. 이 해석에서 필요한 비투자율은 그림 5에서 구한 값을 이용하였다. 그림 6(a)와 (b)에서와 같이 층수의 증가에 따라 자계차폐효과가 중첩되어 최저 자계의 범위가 점점 넓어짐을 알 수 있다. 표 1은 그림 6의 차폐구조체가 있을 때의 자계와 없을 때, 즉 지자계를 식(2)에 대입하여 계산한 실드효과를 나타낸 것이다. 따라서 Hbackground는 Y방향의 경우는 45,000nT, Z방향은 30,000nT가 대입되었으며 Hshieldcan로써는 차폐구조체의 중앙에서 Y방향과 Z방향의 자계가 각각 대입되었다. 이 표에서와 같이 차폐구조체의 층수가 증가함에 따라 비례해서 실드효과가 커짐을 알 수 있다.

그림 7은 실내 공간에서 이동레일을 동-서방향으로 배치하여 차폐 구조체 없이 자계를 측정한 것으로 이 측정으로부터 차폐구조체가 배치될 중앙에서 Hbackground 를 결정할 수 있다. 그림에서 나타낸 것과 같이 X, Y, Z방향으로 측정한 자계는 측정위치마다 크기가 다르고 비대칭을 이루고 있다. 중앙에서 X축방향(남-북)의 자계는 –31857nT, Y축방향(상-하)은 61782nT, Z축방향(동-서)은 –5452nT로 지자계와 크게 다르다. 실내에서 측정한 자계와 지자계가 크게 다른 것은 철근 콘크리트 건물의 천장과 바닥, 그리고 기둥 등에 사용된 철근에 의해 공간자계가 크게 왜곡되기 때문이다. 따라서 실내에서 차폐 구조체를 사용하는 경우, 차폐 구조체에 작용하는 자계는 균일한 자계가 인가되지 않는다.

그림 8은 FEM 정자장 해석방법과 동일하게 크기가 가장 작은 네 번째 층에서 부터 1층씩 증가시켰을 때 층수 증가에 따른 차폐 구조체 내부자계를 측정한 것이다. 차폐구조체의 측정자계는 그림 6의 해석결과와는 달리 공간자계의 불균일 때문에 비대칭을 이루고 있다. 그러나 그림 8(a)-(c)에서와 같이 층수가 증가함에 따라 최저 자계의 균일 범위가 증가하였다. 그림 9는 그림 8에서 나타낸 자계를 차폐 구조체 중심부근 30mm-40mm의 범위에서 나타낸 것이다. 차폐 구조체의 내부 자계는 차폐 구조체의 폭 방향인 X방향과 상-하 방향인 Y방향에서는 층수의 증가에 따라 거의 0nT에 가까워져 차폐효과가 충분히 얻어지지만 차폐 구조체의 길이 방향인 Z방향의 자계는 약 100nT로 감소하였다. 표 2는 제작한 실드구조체에 대해 표 1과 같이 실드효과를 계산한 것이다. 실드효과는 그림 9의 중앙점의 자계 Hshieldcan과 그림 5에서 중앙점의 Hbackground를 식(2)에 대입하여 X, Y, Z방향에 대해 계산하였다. 제작한 차폐 구조체의 차폐효과는 FEM해석 결과와는 달리 층수가 증가하여도 층수에 비례해서 감소하지 않았다. 자계감소는 폭방향(X 방향)과 상하뱡향(Y방향)에 대해서 4번째 층과 3번째 층이 함께 할 때, 최소가 되었다. 이와 같이 해석결과와 측정결과가 다른 것은 그림 7에서 설명한 것과 같이 구조체 주위의 자계가 불균일한 것과 그리고 자성체의 비선형 특성에 때문에 실제 동작하는 투자율이 다르기 때문이라고 생각된다. 길이방향인 Z방향의 자계는 다른 방향에 비해 자계감소가 가장 작았지만 –36dB의 차폐효과가 얻어졌다. 이것은 공간에 자계변동이 발생하였을 때, 차폐 구조체의 길이방향 성분이 60nT 이하이면 약 1nT 이하로 감소시킬 수 있는 능력이다.

4. 결 론

본 연구에서는 최대투자율이 100,000이고 두께가 1mm의 퍼멀로이 자성체 판재를 이용하여 4개의 원통을 만들어 4층 구조의 자기차폐 구조체를 제작하였다. 맨 바깥쪽 원통의 크기는 길이가 330mm이고 지름이 230mm, 나머지 내부 원통은 길이는 100mm, 지름은 50mm씩 감소시켰다. 각 원통의 비투자율은 응력제거 열처리로 약 17,000-24,000이 얻어졌고 이 비투자율을 FEM정자장 해석에 적용하여 차폐구조체 내부의 자계를 계산하였다. 제작한 4층 차폐구조체의 실드효과는 FEM 정자장 해석을 통해 얻어진 실드효과와는 달리 층 수의 증가에 비례하여 감소하지 않았다. 이것은 자성체의 비선형특성과 실내 공간의 불균일한 자계에 의해 원통의 각 부분에 서로 다른 비투자율이 작용하기 때문이라고 생각된다. 그리고 제작한 4층 구조의 차폐효과는 차폐 구조체의 폭 방향과 상하방향으로 약 –79dB와 –81dB가 얻어졌고 길이방향으로는 –36dB가 얻어졌다. 이것은 제작한 자계센서의 분해능을 측정할 때, 차폐 구조체의 길이방향 성분이 60nT 이하의 불시적인 자계변동이 측정공간에서 발생한다면, 약 1nT 이하로 감소시킬 수 있는 측정장치이다.