[물리] 자기 껍질을 통한 자기장 조절

2013.01.13 00:42

자기 껍질을 통한 자기장 조절 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013010118&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-01-09

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자기장에 대한 일반적 성질은 자력 소스로부터 멀리 떨어질수록 감소한다는 점이다. 그러나 최근 자기 껍질(magnetic shell)을 가지고 있는 주변의 자력 소스는 거리가 증가함에 따라 자기장을 향상시킬 수 있어 자기 에너지를 빈 공간을 통해 멀리 떨어진 곳으로 운송하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다. 이러한 기술을 역으로 이용하여 연구진은 전송된 자기 에너지가 첫째 껍질에서 멀리 떨어진 둘째 자기 껍질에 의해 포집될 수 있음을 입증하였다. 이후 둘째 껍질은 포집된 자기 에너지를 작은 내부 영역으로 집중시키게 된다. 이러한 결과는 자기 에너지(magnetic energy)를 운반하고 집중시킬 수 있는 유례없는 결과로서, 무선 에너지 전송, 의학 분야 등에 활용될 가능성을 가지고 있다.

스페인 바르셀로나 자율대(Autonomous University of Barcelona) 연구진은 자기 에너지 분포와 집중을 위한 새로운 방법을 Physical Review Letters에 보고하였다. 그들은 공간에서 자기장을 형성하는 새로운 방법을 제시하기 위해 금번 연구에 착수하였다. 자기장은 여러 분야에서 너무나 중요하기 때문에 새로운 가능성을 찾는 일은 매우 큰 가치를 가지고 있다.

개발된 기술의 기본은 전자기 파동의 조절을 다루고 메타물질과 투명 망토가 포함되는 학문인 변형 광학(transformation optics)에 있다. 연구자들은 일반적을 빛을 조절하기 위해 변형 광학 개념을 이용하는데 초점을 맞추고 있는 반면 스페인 연구진은 동일한 개념을 이용하여 특정한 전자기 성질을 가지고 있는 자기 껍질을 디자인함으로써 자기장을 조절하였다.

껍질은 자기 소스에 대한 상대적 위치에 따라 두 가지 방식으로 자기장을 조절하는데 사용될 수 있다. 자기 소스가 껍질 내부에 존재하면 껍질은 자기 에너지를 외부로 밀어낸다. 껍질이 외부에 위치하는 자기 소스 근처에 배치되면 껍질은 자기 에너지를 모아 껍질의 중심에 있는 구멍으로 집중시킨다.

두 경우에 껍질은 공간을 내부와 외부로 나누는 역할을 담당하며, 이후 자기 에너지를 완전히 하나의 도메인 혹은 다른 것으로 전달한다. 이러한 방법은 초전도체(superconductor) 및 강자성체(ferromagnetics)가 자기 에너지를 배분하는 것과 다르다. 자기 껍질의 성질에 대한 요구 조건을 완벽히 만족하는 재료는 존재하지 않지만, 연구진은 초전도체와 강자성 재료를 반복적으로 형성함으로써 이러한 성질을 매우 근접하게 모사할 수 있었다.

실제적 목적에서 이러한 근사법은 자기 껍질의 두 기능이 함께 혹은 독립적으로 사용되는 다양한 분야에서 동작하는데 무리가 없다. 예를 들어, 자체 껍질로 두 개의 자기 이중 쌍극자를 둘러쌈으로써 이들 사이의 자기 커플링은 향상될 수 있는데, 이는 소스와 수신기 사이의 무선 전력 운송 효율성을 향상시키는데 사용될 수 있다.

자기장 근처로 집중시킬 수 있는 성질을 이용하면 단일 자기 껍질은 자기 센서의 감도를 향상시키는데 사용될 수도 있다. 연구진은 껍질 내부에 위치한 자기 센서가 초전도체를 이용한 집중 방식보다 외부 자기 소스로부터 보다 큰 자기 플럭스를 검출할 수 있음을 입증하였다. 자기 센서는 종종 전자제품, 공장 자동화, 항법 장치 등에 사용된다.

자기 에너지는 또한 발전소, 자기 메모리, 모터와 같은 분야에서 중요한 역할을 담당한다. 이러한 모든 분야는 특정 방식으로 분포되거나 혹은 집중된 자기 에너지를 필요로 한다. 새로운 방식으로 자기 에너지를 조절함으로써 자기 껍질은 위와 같은 응용 분야를 향상시킬 수 있다.
[그림]
1. 자기 에너지를 배척 혹은 집중시킬 수 있는 새로 디자인된 자기 껍질. (a)에서 작은 이중쌍극자 자석은 (b)의 자기 껍질에 의해 둘러싸여 있어 자기 에너지를 외부로 밀어냄. (c)에서 둘째 껍질은 에너지를 모아 중심 홀에 집중시킴. 이를 통해 자기 에너지는 빈 공간으로 전달됨. (d)의 두 이중쌍극자 자석은 자기 에너지를 밀어내는 (e)의 껍질에 의해 둘러싸임. (f)에 나타난 것처럼 두 이중쌍극자 간의 자기 커플링이 형성됨.

2. 다중 자석의 자기 에너지를 증가시키는데 사용되는 자기 껍질.

[원문]
Carles Navau, et al. "Magnetic Energy Harvesting and Concentration at a Distance by Transformation Optics." PRL 109, 263903 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.263903

[출처] http://phys.org/news/2013-01-magnetic-shell-unprecedented-fields.html

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