1. 서 론

지구자기장의 변동 및 인공적으로 발생하는 불요 자기장은 전자장비, 의료기기 및 산업용 기기의 성능에 영향을 주거나 오동작을 일으키는 경우가 많이 발생하고 있다^[1]. 이러한 자기장을 차폐시키는 방법은 투자율이 매우 높은 자성재료로 외부 자기장의 침투를 차단하는 수동적 방법과 불요 자기 잡음에 대해 역방향의 자기장을 발생시켜 자기장을 중화시키는 능동적 차폐방법이 있다^[2]. 수동적 차폐방법인 자기차폐실은 제작원가나 설치 기간이 많이 소요된다는 단점이 있지만, 차폐 효과가 가장 우수하다는 장점이 있다^[2]. 생체자기 측정용 차폐실의 경우 생체 주파수인 0.1Hz～10Hz대역에서 매우 미약한 신호로 발생하는 것에 반하여 외부 환경잡음은 상대적으로 매우 커서 차폐성능이 우수한 차폐작업이 필요하다^[3]. 현재 자기차폐실은 퍼멀로이나 뮤메탈을 이용하여 밀폐된 차폐실을 제작하고 차폐실 내부로 자기 잡음이 침투하지 못하게 할 수 있다. 이때 차폐 효과는 자성체의 투자율과 두께에 비례하고 보통 10Hz 이하의 차폐에서 효과적이며 60Hz 이상의 교류잡음에 대한 차폐는 금속에서 나타나는 와전류 효과를 이용하여 차폐한다^[4]. 여기서 차폐 효과를 높이기 위해 사용하는 퍼멀로이와 같은 자성체는 매우 고가이지만 두꺼운 단층보다는 얇은 2～3중으로 사용하면 재료비보다 차폐 효과를 높일 수 있다^[4].

능동 차폐방법은 자기장 보정 방법을 통하여 구현할 수 있는데, 이 방법은 자기장이 발생하는 공간 내에 3축 고감도 자기 센서가, 외부 변동 자기장을 검출한 후 3축($x,\: y,\: z$)코일로 외부 자기장을 상쇄시키는 자기장을 발생시킴으로써 자기 잡음이 없는 환경을 만들어 낼 수 있어, 불규칙적이며 빈번히 발생하는 불요 자기 잡음 환경하에서 적합하다^[2]. 현재 차폐기술은 고가의 퍼멀로이를 사용한 수동차폐실의 경우에 0.1Hz에서 98%, 60Hz에서 95%, 180Hz에서 90%로 알려졌다. 또한 60Hz 이상에서는 표피 깊이에 따른 와전류 효과를 이용하고 있다. 이에 반하여 헬름홀츠 코일을 이용한 능동차폐의 경우는 밀폐된 수동차폐실에 비하여 차폐 효과는 다소 떨어지지만, 차폐율이 80% 이상이 된다면 설치의 편리성 및 가격을 고려할 때 충분한 장점이 있다.

본 논문에서는 외부잡음에 민감한 생체자기장 분야의 차폐성능을 높이기 위하여 능동차폐 측정장치를 설계하였다. 자기 잡음 측정을 위한 센서 설치를 위해 뇌자도 형태의 갠트리를 사용하고, 외부에서 유입되는 자기장 감지를 위한 3축 자기장 발생장치인 헬름홀츠 코일을 설계하고 제작한다. 설계된 헬름홀츠 코일은 자기장 감지 센서 외곽에 설치하고 자기 잡음을 측정하고, 역방향의 자기장을 발생시켜 코일 내부의 불요 자기장을 차폐시킨다. 주파수대역별로 보면 0.1Hz에서 95 %, 60Hz에서 90%. 180Hz에서는 85%의 자기장 차폐를 목적으로 한다.

2. 생체자기 분야의 자기차폐

인간의 뇌, 심장, 폐 등은 생명유지를 위해 세포막을 통하여 여러 가지 이온들을 끊임없이 교환하고 있고, 이러한 이동 현상은 미소 전류를 생성시키며 미소 자기장을 발생시킨다. 생체자기장의 측정은 1962년 근육으로부터 발생하는 생체자기 신호를 구리코일로 측정하고, 뇌파의 경우 구리코일과 자기차폐실을 이용하여 측정한 것으로 보고된 바 있으나 잡음이 높아 측정이 불가능하였다^[3].

하지만 지구자기장의 1억 분의 1 수준으로 매우 미약한 생체자기장의 본격적 측정은 초전도 양자간섭장치(SQUID : Superconducting Quantum Interference Device)센서가 발견된 이후 가능하게 되었다. SQUID 센서는 현존하는 가장 정밀한 센서이며 90% 이상이 생체자기 신호를 감지하기 위한 장치로 쓰이고 있다^[3]. 인체의 미약한 전류에 의해 발생하는 생체자기 신호의 추출기술은 잡음성 자기 신호를 감지하고, 이를 차폐하여 높은 신호 대 잡음 비를 얻고 결과적으로 정밀한 인체감지 신호를 얻는 것이 핵심이 된다.

Fig. 1은 뇌자도(MEG : Magnetoencephalography) 검사시스템 나타낸다. MEG는 뇌 신경 세포의 전기적 활동으로 인하여 발생하는 미세한 생체자기장을 코일과 초전도 SQUID 센서를 이용하여 측정하고 측정치를 영상화하는 뇌기능검사이다^[5]. SQUID 센서는 자기 신호에 비선형적으로 반응하며 초전도 상태에서 동작하므로 듀아(Dewar) 내부에 설치하고 액체헬륨으로 냉각시켜야 한다. 또한, MEG 센서는 일반적으로 2.5cm～3.5cm 범위로 약 100개～250개의 센서가 배치된다.

Fig. 1. Dewar measure device for electroencephalography

3. 듀아와 자기 상쇄 코일 설계

3.1 센서 설치를 위한 듀아

SQUID 센서는 자기 신호에 비선형적으로 반응하며 초전도 상태에서 동작하므로 액체질소에 의한 냉각이 필요하다. 따라서 외부와의 열 차단을 위한 듀아(Dewar)라고 하는 용기가 필요하다. 듀아는 저온에서 열전달 계수가 작고 기계적 강도가 우수한 유리섬유 강화 플라스틱으로 제작하며 대류에 의한 열 유입을 막기 위해 진공으로 2중 벽으로 구성하고 외부유입 열은 침입하지 못하도록 알루미늄 열 반사막을 사용한다^[6]. 듀아의 조건은 액체질소의 증발량이 적어야 하고, 설치될 센서와 상온 사이의 거리인 진공 간격이 작아야 하며, 열 반사막에서 자유전자의 열적 요동에 의한 자기 잡음이 발생하지 않아야 하는 난해한 조건들이 필요하다.

논문의 듀아는 효율이 우수한 단열재인 유리섬유를 이용하여 액체질소의 기화를 24시간 이상 유지할 수 있도록 하였고, 외부는 비자성 금속으로 고정하였다. 측정은 기화 문제로 충진 후 바로 측정하였다. 또한, 크기를 최소화로 하여 코일(1.6m×1.6m×1.0m) 내부의 설치하였을 때 공간적으로 방해가 되지 않도록 내경 100mm 외경 300mm 크기로 제작하였고 센서의 감지 성능이 충분히 발휘되도록 하였다. Fig. 2는 듀아의 외관을 나타낸다.

Fig. 2. Dewar for magnetic sensor

3.2 자기상쇄용 헬름홀츠 코일

자기장을 발생시키는 장치는 전자석, 솔레노이드와 영구자석, 헬름홀츠 코일 등이 있는데, 전자석은 고 자기용이고, 솔레노이드는 정밀한 자기장을 발생시킬 수 있으나 축 방향으로만 공간을 활용할 수밖에 없는 단점이 있다. 영구자석은 자기장 발생공간이 매우 좁아 넓은 공간이 필요한 본 논문에서는 3축 헬름홀츠 코일 형태로 설계하였다.

헬름홀츠 코일은 자기장 발생공간이 넓은 장점이 있다. 사각 헬름홀츠 코일은 원형 코일과 비교하면 프레임을 제작하기 쉽고, 중심위치에 접근하기 쉬운 장점이 있다^[7]. 또한, 단일 사각 코일과 비교하면 동일 영역에서 ±3dB 이상의 균일자기장을 얻을 수 있다^{[7, 8]}. 단일 사각 형태의 2축 코일은 회전시키면서 3축 방향으로 측정하여야 하지만 3축 코일은 고정된 상태에서 사용할 수 있다. Fig. 3은 3축 코일을 나타낸다.

헬름홀츠 코일은 크기와 권선 수에 따라 자기장을 발생시킬 수 있고, 코일 내부의 센서가 감지한 자기장을 역방향으로 동일크기의 자기장을 발생시켜 자기장을 상쇄시킬 수 있어 능동형 차폐에서는 핵심적인 부분이 된다.

두 개의 사각형 형태의 코일이 $z$축을 따라 서로 마주 보고 있고, 전류 $I$ 가 흐를 때, 자속밀도 $B$는 다음과 같다^[8].

$B =\left(\dfrac{1600}{D^{2}+L^{2}}+\dfrac{1600}{D^{2}+W^{2}}\right)\bullet\left(\dfrac{L\bullet W\bullet N\bullet I}{\sqrt{L^{2}+W^{2}+D^{2}}}\right)[T]$

여기서 $B$는 자속밀도[T], $W$와 $L$은 코일의 크기[mm], $D$는 코일 간의 거리[mm], $N$은 3축 각 방향의 코일을 감은 수이고 I는 전류를 나타낸다. 본 연구에서는 3축 코일 제작을 위해 코일프레임으로 목재를 사용하여 지지틀을 만들고 에나멜이 덮인 굵기 1mm2의 구리선으로 같은 방향으로 50회씩 감았다. Table 1은 코일의 크기와 중심부의 자속밀도를 나타낸다.

설계된 헬름홀츠 코일의 각 축의 중심의 자기장의 크기는 24.64μT, 24.64μT, 46.59μT로 계산되었다. 이때 인가된 전류는 1App을 사용하였으며 측정은 자기 센서를 이용하여 측정하였다. 센서는 출력계수가 100mV/μT이고, 측정 자기장영역이 ±100μT이다. 자기 센서의 출력은 자체의 오차 전압과 지구자기장의 직류성분 그리고 1kHz 이상의 자기장 잡음도 출력되므로, 저역 필터에서 오차 전압 및 직류성분은 커패시터로 차단하고 1kHz 이상의 교류잡음을 제거하고 발생되는 0.01Hz～1kHz을 측정하고 신호 처리를 하였다.

3축 헬름홀츠 코일의 측정결과는 $x,\: y$축이 25.2μT로 측정되었고 $z$축은 48.1μT로 측정되어 설계값에 비해 2%～3% 정도 오차가 발생하였다. 오차의 원인은 코일 지지틀 가공문제, 코일을 감을 때 불균일성 등 제작 시 발생하는 문제로 생각한다.

Fig. 3. Design and measurement of a Helmholtz coil

Table 1. Coil dimension and central flux density in each axial direction (number of turns=50)

Axis	Coil Dimension (mm)			MagenticFlux Density (μT) calculate	Magentic Flux Density (μT) measurement
	L	W	D
	1600	1000	1600	24.64	25.20
	1600	1000	1600	24.64	25.20
	1600	1600	1000	46.59	48.10

4. 자기차폐율 측정

차폐율 측정은 Fig. 4와 같이 헬름홀츠 코일 내부에 센서로 외부 자기 잡음을 감지하고, 역방향 자기장을 발생시켜 상쇄 효과를 측정하였다. 측정을 위한 설치 작업은 Fig. 4와 같다. 이때 각 주파수에서 자기장 차단 케이스 내부에서 측정된 자기 잡음은 Table 2와 같다.

Table 2를 보면 응답속도가 0.1μs인 경우에 센서는 각 주파수 대역에서 78.4%～88.5% 정도의 상쇄율을 보였으며 응답속도가 1μs인 경우는 88.2%～96.5%의 차폐율 향상을 보였다. 주파수가 높아질수록 상쇄율은 점차로 하락하였다. 하지만 1μs에서는 0.1Hz에서 96.5%, 1Hz에서 94.7%, 10Hz에서 96.7%, 60Hz에서 91.0%, 120Hz에서 88.2%로 측정되어 설계목표와 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 특히 생체자기장의 대부분을 차지하는 0.1Hz～10Hz대역에서는 95%의 차폐율을 보였다. 측정 과정에서 주요환경 잡음은 건물의 진동에 의한 9Hz 대역의 잡음과 차량의 이동으로 인한 1Hz 내외의 잡음 그리고 건물 공조시스템에 의한 잡음 등으로 분석되었다.

Fig. 4. Installation work for magnetic shielding rate measurement

Fig. 5. Magnetic noise before cancellation and magnetic quantity after cancellation (0.1μs, 1μs)

Fig. 6. Comparison of magnetic shielding rate measurements (0.1μs, 1μs)

5. 결 론

현재 국내의 생체자기장 측정기술은 한국표준과학연구원에서 보유하고 있으며 자기차폐 기술 및 상용화는 미국과 스위스 등 일부 국가의 기업체에서만 가능하다. 따라서 국내로 도입되는 생체자기 측정장치는 물론 자기차폐실도 상당 부분 수입에 의존하고 있는 현실이다.

생체자기장은 인체의 미세한 변화에 따라 발생하는 자기장으로 지구자기장이나 외부환경잡음에 1/300배 정도로 매우 미약하다. 따라서 고해상도의 생체자기 영상을 얻기 위해서는 300배(50dB) 이상의 자기장 차폐가 필요한데, 이 정도 성능의 자기차폐실은 5～10억 원 정도이다. 하지만 본 논문의 능동차폐시스템은 저가의 비용으로 생체자기용 자기장을 차폐하는 것이 가능하다. 생체자기측정 분야 이외의 산업용으로는 나노미터급 선폭을 갖는 반도체 제조를 위한 전자선 리소그래피 장비와 10만 배 이상의 고배율을 갖는 전자현미경 측정환경에서도 필요하므로 최적 자기장 환경을 조성하기 위해서도 자기장 상쇄장치가 필요하다.

본 논문에서 제시한 능동차폐 시스템은 0.1Hz 대역의 차폐율은 약 100배(40dB) 수준이며 60Hz 대역의 차폐율은 약 10,000배(80dB)에 달한다. 따라서 능동차폐 상쇄 보정장치의 측정결과 0.1Hz에서 95% 이상의 차폐율을 얻을 수 있었다. 특히 생체자기측정의 주요 주파수 대역인 0.1Hz～10Hz 대역에서는 95% 이상의 차폐율은 대부분의 불요 자기장을 제거할 수 있다. 이 정도의 차폐율을 위해 수동차폐방식인 퍼멀로이나 알루미늄으로 제작한다면 무게는 수 톤에 달하고 제작비용도 5억 원 이상이 소요된다.

측정 과정에서의 주요환경 잡음은 1Hz～10Hz 대역에서 발생하였으며, 이는 건물진동, 차량 이동 및 건물 공조시스템에 의한 잡음으로 분석되었다. 또한, 응답속도에 따른 상쇄율 저하 문제는 추후 연구할 과제로 생각된다.

본 논문을 통해 제시된 능동차폐시스템은 지구자기장을 이용하는 정밀 위치 제어 기술, 첨단 반도체 장비 및 정밀 로보틱스 산업에도 응용될 수 있다고 판단된다.