지구자기장 이하의 저자기장 측정에 있어서 소형이고 소비전력이 작으면서 장기적 안정성이 요구되는 분야에 flux-gate 마그네토미터를 많이 사용하고 있다. 또한 많은 저자기장 측정분야가 지구자기장의 크기측정보다는 지자장의 변화를 측정하는 경우가 많기 때문에, 본 연구에서 측정범위가 $\pm$1,000 nT, 5pT/√Hz (at 1 Hz)인 flux-gate센서를 사용 $\pm$50000 nT인 지구자기장을 순차적 근사법으로 보상한 후 지구자기장의 변화를 고감도로 측정할 수 있는 3-축의 flux-gate 마그네토미터를 개발하였다.
본 논문은 자기장을 이용하여 전류를 안정화시켜 정밀전류를 발생 시킬 수 있는 장치에 관한 연구이다. 일반적으로 전류를 안정화 시키는 방법은 전류회로에 직렬로 저항을 연결하여 저항 양단에 유도되는 전압을 측정하여 전류를 제어하는 방법을 많이 사용한다. 그러나 이 방법은 정밀한 전류를 제어하기 위하여 직렬로 연결되는 저항값이 커야하며, 또한 전류에 의해 발생되는 열로 인해 저항값이 증가하기 때문에 정밀한 제어가 어렵다. 이러한 단점을 보완 할 수 있는 방법으로 전류회로에 직렬로 코일을 연결하여 전류가 변화면 코일속에 자기장이 변화는 원리를 이용하여 전류를 안정화시켜 정밀전류를 발생 할 수 있다. 본 연구에서는 저자기장 국가표준 확립 및 물리고유상수인 양성자 자기회전비율 측정을 위해 원자자기공명 방법을 이용하여 직류전류를 1 A 범위에서 $0.1{\mu}A$ 수준으로 안정화 시켰다.
최근 세계적 주목을 받고 있는 spin FET 소자는 반도체에 주입된 spin 편향된 전자가 gate voltage(V$_{G}$)에 의해 반도체 계면에 유도된 전기장의 영향을 받아, Spin 세차운동을 하는 mechanism(Rashba 효과)이 근간을 이루고 있다. 작은 band gap을 가지는 반도체(narrow gap 반도체)는 작은 유효질량의 전자에 의해서 이러한 Rashba 효과를 크게 할 수 있어서, spin FET 구현을 위한 강력한 후보이며, 요즘 한창 연구되고 있는 주제이기도 하다. Rashba 효과가 저자기장 영역에서의 weak antilocalization효과로 나타남을 이용하여, 본 논문에서는 metal gate가 형성된 HgCdTe FET를 제작하여(FET1 시료, Fig. 1(a)참조), V$_{G}$에 따른 weak localization(WL) 및 weak antilocalization(WAL) 효과를 얻었다. 또한, Rashba 효과에 의한 spin 세차운동을 측정할 수 있는 소자(FET3 시료, Fig.1(b) 참조)를 제작하여 spin FET 구조에 대하여 연구하였다.
본 연구에서는 함정을 자기소거시키는 과정에서 함정에 의한 자기장을 측정하기위한 3-축의 flux-gate 마그네토미터를 설계 제작하였다. 설계에서 고려한 사항은 자기장측정지점과 자기장 데이터를 수집하는 장치 사이의 거리가 수백미터로 멀기 때문에 입력전압의 변동이 커도 동작이 되게 전압 범위가 16~36 V까지 가능한 DC/DC 변환기를 사용하였고, 데이터의 전송은 자기장 측정값을 디지털로 변환 시킨 후 RS422통신으로 전송하게 하였다. 또한 함정을 자기소거 하는 과정에서 발생하는 ${\pm}1mT$ 자기장하에서도 0점의 변화가 ${\pm}2nT$ 이하가 되게 피측정자기장의 보상은 ${\pm}1mT$, 측정범위는 ${\pm}0.1mT$가 되게 제작을 하였다. 또한 수심 30 m에서도 동작되어야하는 조건을 고려하여 6기압 하에서 센서가 수밀이 되고 정상 작동이 되는 것을 확인 하였다. 마그네토미터의 일반특성으로는 선형도가 측정범위 ${\pm}0.1mT$에서 0.01 % 이상 이였고 센서의 노이즈는 1 Hz에서 $30pT/\sqrt{Hz}$이였다.
탐지코일 마그네토미터는 고감도의 교류자기장 측정용으로 많이 사용되어 왔다. 본 연구에서는 센서코어의 자기소거인자를 감소시키고, 센서의 S/N ratio를 증가시키기 위하여 코어를 2개로 분리하고 각각의 코어에 코일을 권선하였으며, 코일의 연결은 차동형이 되게 하였다. 제작된 탐지코일 마그네토미터의 선형도는 0.03 % 이였으며, 감도가 9.3 mV/nT이고, 분해능은 1 Hz에서 20 pT 정도였다.
Co계 비정질 리본인 Metglass$^{(R)}$2714A 코어를 사용하여, 자기장 측정 범위가 ${\pm}100\;{\mu}T$, 측정 주파수 범위가 dc~10 Hz인 3-축의 피드백형 플럭스게이트 마그네토미터를 제작하였다. 제작된 마그네토미터의 아날로그 출력의 전기잡음은 5 pT/$\sqrt{Hz}$ at 1 Hz 이었으며, Micro-controller와 24 bit ADC(Analog to Digital Converter)를 사용한 마그네토미터의 출력을 0.1 nT의 분해능으로 디지털로 출력 할 수 있게 하였다. 디지털 신호로 출력되는 마그네토미터의 선형도는 $1{\times}10^{-4}$ 이하였으며, 1시간 동안 영점 변화는 0.2 nT 이하였다.
컴퓨터, TV, 의료용기기 등의 모니터로 사용되는 브라운관의 자기장 영향에 따른 특성을 분석하기 위한 자기장 발생 및 측정장치를 개발하였다. 한 변의 길이가 2 m인 정육각형 형태의 3-축 자기장 발생장치, 컴퓨터, 전원공급기 및 자기장 측정기 등을 이용하여 전세계 각 나라별 지구자기장(Earth Magnetic Field, EMF)을 발생시킬 수 있는 대형 3-축 코일 시스템을 설계하고 제작하였다. 각 코일의 코일상수는 X축(E-W)는 30.31 $\mu$T/A, Y축(Ver)는 29.73 $\mu$T/A 및 Z축(N-S)는 30.51 $\mu$T/A이고, 자기장 분해능은 0.01 $\mu$T이었다. 자기장 균일도는 사용되는 편향요크(Deflection York, DY)의 크기를 고려하여 중심에서 12 cm 이내의 공간에서 측정하였고, 균일도는 1 % 내외 이었다.
본 연구에서는 비정질 CoFeHfO 박막 재료의 두께 변화에 따른 고주파 손실 특성을 분석하기 위하여 57~1368 nm 두께의 CoFeHfO 박막 재료에 대해 마이크로파 투자율 특성을 분석하였다. 두께가 405 nm이하에서 허수부 투자율은 2.95 GHz에서 하나의 공진주파수를 보이지만, 405 nm 이상에서는 2.97 GHz와 547 MHz에서 두 개의 공진주파수를 보인다. 저자장하에서 측정한 토오크 곡선 결과로부터 547 MHz에서 발생되는 공진주파수는 CoFeHfO 재료의 자화 용이축들의 각도 분포에 기인하는 것으로 자기장의 세기에 따라서 급격하게 감소하는 특성을 보인다. 따라서 두께가 400 nm 이상의 CoFeHfO 박막 재료를 2 GHz 대역에서 작동하는 초소형 마이크로파 부품에 적용하기 위해서는 자화 용이축의 분포각도를 최소화시켜야 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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