1. 서 론

자기 센서는 자기장의 변화량을 전기신호로 변환시킬 수 있으며 인공적인 자기 잡음과 지구자기장(EMF: Earth Magnetic Field)의 변화를 벡터값으로 감지한다^[1]. EMF는 지역적으로 20μT～80μT 의 크기로 분포하며, 우리나라는 평균적으로 50μT 정도가 발생한다. 이러한 EMF의 변동과 인공적으로 발생하는 전기장, 자기장 등 불요 자기 잡음은 건물이나 자성체 등에 집중, 분산되어 교란 현상을 발생시키면서 산업현장 또는 그 주변에 존재하는 송전선 및 지하매설선, 건물의 공조시스템, 교통수단 및 대형병원의 생체영상, 산업제조 분야 등에 영향을 주고 있다. 또한, 현재는 극저주파 자기장이 환경오염형태로 인식되고 있다. 이중 전기장은 차폐가 쉽지만, 자기장은 구조적으로 완벽한 차폐가 불가능하다^[2].

불요 자기장을 감지하고 해석하는 연구는 다양한 방법으로 진행되고 있는데, 차폐를 위한 방법은 투자율이 높은 재료를 사용하는 밀폐형 구조의 수동차폐방법과 역방향 자기장을 발생시켜 자기장을 상쇄시키는 능동차폐 방법이 있다^[3]. 현재 능동차폐는 전기 자동차의 배터리를 충전하기 위한 무선 전력 전송 시스템의 전류에 의해 생성되는 자기장을 줄이기 위해 능동 코일 차폐의 새로운 설계가 연구되고 있다^[4].

수동차폐는 10Hz 이상에서 와전류(eddy current)에 의한 차폐와 0.1Hz～10Hz의 극저주파 대역에서는 고 투자율의 자성체를 이용하여 설계하고 있다. 이 저주파 대역은 반도체 등 산업 정밀측정 및 생체 의료용 기기 성능에 많은 영향을 주고 있다. 따라서 극저주파 자기장 차폐를 위해서 수동 차폐실 내부에 능동차폐장치를 이중으로 설치할 경우, 차폐 효과는 높아진다^[5]. 여기서 차폐 효과를 확인하기 위한 가장 중요한 요소는 자기장 감지를 위한 자기 센서이다.

자기 센서는 사용 목적에 따라 그 종류가 다양하며 이 가운데 자기장에 따라 저항이 변화하는 현상을 이용한 이방성 자기저항(AMR: Anisotropic Magneto -resistance) 센서는 EMF의 변화와 환경 자기장을 감지할 수 있고, 집적회로화할 수 있어 다양한 자기감지 분야에서 이용되고 있다^[6]. 자속 게이트(Fluxgate)는 상온에서 동작하는 감도가 비교적 높은 센서이며 강자성 철심의 비선형 특성을 이용하며 100pT 의 분해능으로 1mT 까지 직류 및 교류 자기장의 크기 및 방향을 감지할 수 있는 소자이다. 현재 생체분야의 해부학적 구조 영상을 위한 고해상도 자기공명영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging) 분야에서 사용하는 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device) 센서는 분해능이 100pT 이며 초전도체로 만든 검출 코일로 미약하고 복잡한 생체자기 신호를 전압으로 나타낼 수 있다^[6].

본 논문에서는 이상의 3가지 센서를 이용하여 반도체 등 첨단 전자산업기기와 생체의료분야에서 성능을 감소시키는 원인이 되는 0.1Hz～10Hz 대역의 자기장 감지 성능을 측정하여 불요자기장의 발생 및 대책 분야에 적합한 센서의 성능을 확인한다. 이를 위하여 SQUID 센서는 액체질소에 의한 냉각 및 외부 열 차단을 위해 듀아(Dewar)를 이용하였고, 자기장 감지 및 듀아의 설치 크기를 고려하여 3축의 길이가 1.6m × 1.6m × 1.0m 인 헬름홀츠 코일을 설계하여 자기 잡음을 측정하고 역방향 자기장을 발생시켜 상쇄차폐율을 측정한다.

2. 자기센서

이방성 자기저항 센서는 EMF와 환경적인 자기장을 감지할 수 있다. 자기저항효과는 자성체의 저항이 자화와 전류 방향에 따라서 변화하는 현상을 이용하는 것으로 집적회로화할 수 있어 여러 응용 분야에서 사용되고 있다. Fig. 1은 AMR 센서의 기본구조를 나타낸다. 자기저항은 휘트스톤 브리지 전압은 모두 같지만, 외부 자기장에 의해 전기저항이 발생하고 전압 신호가 발생한다^[7].

Fig. 1. Principle structure of AMR sensor

하니웰사의 AMR 센서는 휘트스톤 브리지형 이방성 자기 센서로 자기장을 검출하고 무선전송이 가능하며 회로에 내장된 높은 투자율의 강자성체는 자기장의 크기와 방향을 알 수 있다.

본 논문에서 AMR 센서는 하니웰사의 HMC 1001과 HCM 1002 을 이용하여 저역 필터와 증폭기를 구성하였으며 측정범위는 ±2G, 분해능은 27μG 이다. 또한, 불요 자기장의 크기는 매우 작으므로 저항값의 변화에 대한 전위차는 2단 증폭기를 사용하였다.

Fig. 2의 자속 게이트는 상온에서 동작하는 센서 중 감도가 가장 높은 센서이며, 강자성체의 비선형 특성을 이용한다. ±100pT 의 분해능으로 1mT 까지 직류 및 교류 자기장의 방향과 크기를 감지하고 전류의 흐름과 강자성체에서 발생하는 자기장의 변화를 검출하는 소자이다^[8]. 플럭스 게이트에 관련 연구는 EMF 변화에 따른 잠수함 감지, 항공기, ITS, 차량의 공간적 움직임, 의료분야 검사 등에 사용되고 있다. 그림 2의 3축 센서는 각 축당 최대 ±2G까지 측정할 수 있으며 분해능은 0.05mG이다.

Fig. 2. Fluxgate sensor

SQUID 센서는 초전도체로 만든 코일로 자기장을 검출한 후, 전압으로 처리할 수 있다. 여기서 초전도체는 전기저항이 0으로 내부로의 자기장이 침투할 수 없어 자기장 차폐에 효과적이다. 현재 사용되는 일반적인 SQUID 센서는 저온 4.2K, 고온 77K에서 동작하며, 센서 설치를 위한 듀아는 77K 의 액체질소를 충진시켜 사용하였다. 또한, 내부와 외부 사이는 대류에 의한 온도상승을 방지하기 위해 진공상태를 유지 시켰다.

3. 자기장 발생 코일과 듀아

3.1 헬름홀츠 코일 설계

자기장을 감지하고 역방향 상쇄 자기장을 발생시킬 수 있는 헬름홀츠 코일은 불요 자기장을 능동적으로 차폐하는데 필수적인 장치이다^[9]. 코일은 자기장이 발생하는 영역 내에 3축 자기 센서가, 외부 변동 자기장을 검출하고 자기장을 제거하는 역방향 자기장을 발생시켜 차폐된 자기장 환경을 만들 수 있다. 이때 대부분의 산업 전자기기 성능에 영향을 대역은 저주파수 대역인 10Hz 이하로 알려졌다.

자기장을 발생시키는 코일은 Biot-Savart 법칙, Legendre 다항식, Elliptical 함수를 사용하여 계산할 수 있다^[9]. Fig. 3의 사각형 코일에서 $P$에서 발생하는 자기장의 크기 $B$는 근사적으로 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 $W$ mm과 $L$mm은 각각 헬름홀츠 코일의 치수이고, $D$ mm은 코일 간의 거리이며 $N$은 코일의 권선 수, $I$는 전류이다. 본 측정에서 코일은 전선을 50회 감았고 인가 전류는 1App이다.

(1)

$B =\left(\dfrac{1600}{D^{2}+L^{2}}+\dfrac{1600}{D^{2}+W^{2}}\right)\left(\dfrac{LWNI}{(L^{2}+W^{2}+D^{2})^{1/2}}\right)[\mu T]$

본 논문에서 설계한 3축 코일의 크기는 내부에 설치할 내경 100mm, 외경 300mm 의 듀아와 자기차폐박스(0.6m × 0.6m × 0.6m)의 크기를 고려하여 상하부 면이 1.6m × 1.6m이고, 좌우 및 전후 측면은 1.6m × 1.0m으로 설계하였다. 여기서 계산치와 측정치는 상하부와 측면의 경우 각각 46.59μT, 24.64μT, 24.64μT로 계산되었으며 측정치는 48.1μT, 25.2μT, 25.2μT로 측정되어 2%～3% 정도 오차가 발생하였다. 오차의 원인은 코일을 감은 불균일성과 작업공정문제 등으로 평가된다. 측정방법은 Fig. 4와 같이 코일의 인가 전류를 1App로 하였고, 센서의 출력이 자체 오프셋 전압과 코일 주변의 잡음도 미약하게 감지하므로 이를 증폭시켜 저역 필터로 차단하고 A/D 신호 처리를 하였다.

Fig. 3. 2-Rectangular helmholtz coils

Fig. 4. Measuring the magnetic field of a helmholtz coil

3.2 SQUID 센서 설치를 위한 듀아

SQUID 센서는 초전도 상태에서 동작하므로 액체질소에 의한 냉각이 필요하며 외부와의 열 차단을 위해서 듀아가 필요하다. 듀아는 저온에서 열 전달계수가 낮으며 기계적 강도가 우수한 유리섬유 강화 재질을 이용하여 2중 벽으로 설치했다. 또한, 액체질소의 온도 유지와 듀아에 설치될 SQUID 센서와 상온 사이의 거리인 진공 간격이 작아야 하고 열적 움직임에 의한 잡음이 발생하지 않아야 하는 조건들이 필요하다. 본 논문에서 사용한 듀아는 장시간 액체질소 온도를 유지할 수 있도록 하고 외부는 비자성 금속인 자기차폐 상자로 고정하였다. 또한, 코일의 크기와 내부 설치를 위해 내경 100mm, 외경 300mm의 듀아를 사용하였다. Fig. 5는 듀아의 외관을 나타낸다.

Fig. 5. Sensor measurement experiment for magnetic shielding

4. 센서 감지 및 상쇄율 측정

자기장 감지 및 상쇄 성능을 평가하기 위해 AMR, Fluxgate 및 SQUID 센서의 성능 비교를 하였다. 이를 위하여 센서 설치를 위한 3축 구조의 헬름홀츠 코일을 설계하고 제작하였으며, 초전도 상태에서 동작하는 SQUID 센서는 듀아 내부에 설치하였으며 내부의 액체질소 기화 문제로 충전 후 바로 측정하였다. Fig. 5는 실험장면이며 1.6m × 1.6m × 1.0m 코일 내부에 자기차폐 상자와 SQUID 센서 설치를 위한 듀아, AMR, Fluxgate 센서가 설치된 모습을 나타낸다.

측정은 0.1Hz～10Hz 대역에서 각 센서의 분해능과 응답속도, 측정기의 성능을 고려하여 0.1μs 와 1μs 두 가지 경우에 대해서 실험하였다. 감지된 자기장에 대해 역방향 자기장을 발생시키는 코일 내부의 센서의 성능을 비교한 결과, 차폐 전의 잡음은 주파수 별로 57 nT～120nT로 측정되었다. 자기 잡음이 랜덤한 이유는 EMF 잡음과 실험장소의 내, 외부의 환경잡음이 다양하게 존재하기 때문이라고 판단된다.

Table 1은 헬름홀츠 코일이 자기장을 감지하고 역방향 자기장을 발생시키는 속도에 대한 상쇄율을 측정한 결과이고, Fig. 6은 차폐비율을 나타낸 그래프이다. 측정결과, 응답속도가 1μs 일 때 AMR은 43.9%～58.4%, Fluxgate는 54.2%～71.1%의 차폐율을 보였다. 이에 비해 SQUID 센서는 94.7%～ 96.7%의 차폐율을 보였다. 응답속도가 0.1μs 에서는 3가지 센서 모두 1μs 에 비해 10% 이상 낮은 차폐율이 측정되었는데 AMR은 21.1%～41.7%, Fluxgate는 51.7%～68.1%, SQUID는 71.9%～88.5%의 차폐율을 보였다. 응답속도에 따른 차폐율 변화 문제는 추후 연구할 부분이라 생각된다.

Fig. 6. Magnetic field cancellation rate of AMR, Fluxgate, SQUID sensor (0.1μs/1μs)

또한, 전도도가 큰 금속을 사용하는 밀폐 구조의 수동차폐실의 경우, 표피 깊이의 변화에 따른 와전류 차폐 효과가 나타나는 60Hz의 측정결과, 0.1μs / 1μs에 대해 AMR 센서는 52.9% / 30.2%, Fluxgate는 59.4% / 25.8%로 측정되었고 SQUID 센서는 87.7% / 91.0%로 측정되었다. 120Hz에서 AMR 센서는 45.1% / 2.0%, Fluxgate는 58.8% / 15.7%, SQUID 센서는 78.4% / 88.2%로 측정되었다.

결국, AMR과 Fluxgate는 응답속도와 관련하여 10Hz 이하와는 반대의 결과를 나타냈다. 즉 주파수가 높아지면 AMR과 Fluxgate의 상쇄 효과는 50% 이하로 측정되었고, SQUID 센서는 80%의 감지능력을 유지하였다. 즉 공간이 열린 개방형 능동차폐의 경우에는 10Hz 이하에서 효과적이며 그 이상의 대역에서 차폐는 수동차폐실을 사용할 필요가 있다.

5. 결 론

현재 점점 엄격해지고 있는 반도체 등 산업현장과 초고해상도의 영상을 요구하는 의료분야 등에서 저주파 자기장 차폐에 대한 요구가 많아지고 있다. 불요 자기장 차폐방법은 퍼멀로이와 같이 보자력이 우수한 고가의 자성재료를 이용한 수동차폐방법과 역방향 자기장을 발생시켜 자기장을 중화시키는 능동차폐 방법이 있다. 여기서 차폐를 위한 가장 중요한 요소는 자기장을 감지할 수 있는 자기 센서이다.

본 논문에서는 AMR 센서, Fluxgate 및 SQUID 센서를 이용하여 자기장 차폐를 위한 센서의 성능을 비교하였다. 이를 위하여 헬름홀츠 코일을 설계하였고, 센서 설치를 위해 듀아를 사용하였다.

측정은 정밀기기와 의료영상 성능에 영향을 주는 0.1Hz～10Hz 대역에서 응답속도 0.1μs와 1μs 두 가지 경우에 대해 측정하였다. 센서의 성능을 비교한 결과는 차폐 전의 자기 잡음은 주파수 별로 57nT～120nT 로 측정되었고, AMR 센서는 2.1%～58.4%, Fluxgate는 51.7%～71.7%, SQUID 센서는 73.3%～96.7%의 차폐율이 측정되었다. 자기장 차폐는 주파수가 높아지면 외부 자기장 감지와 상쇄 과정에 너무 빨라지게 되므로 자기장은 상쇄가 되지 않기 때문에 낮은 수준의 수동차폐실과 능동상쇄방법을 동시에 사용해야 한다. AMR 센서 또는 Fluxgate를 사용할 경우, 수동차폐실 내부에서는 외부의 자기 잡음과 격리되므로 차폐실 외부에 설치하여야 하지만, SQUID 센서를 사용할 때는 미약한 생체신호에 영향을 주는 자기 잡음의 완벽한 감지가 가능하다.

측정 과정 중 주요환경 잡음은 10Hz 이하의 건물진동 잡음과 차량의 이동으로 인한 잡음 그리고 공조시스템에 의한 잡음 등이 발생하였다.

향후, 보자력이 우수한 자성체를 이용한 자기차폐와 와전류 차폐방식을 능동차폐방법과 동시에 사용한다면 잡음 원을 완전히 제거하여 우수한 자기장 차폐환경을 얻을 것으로 생각된다. 본 논문의 측정결과는 반도체 제조, 나노 소자 기술 등 고해상도가 필요한 전자현미경, 자기장의 근원이 되는 전력선 등 전력기기, 생체자기장을 측정하는 의료분야에서 응용될 수 있을 것으로 판단된다.