자기계

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

자기력계는 자기장의 크기나 방향을 측정하는 데 사용되는 장치이다. 자기력계는 벡터 자기력계와 스칼라 자기력계로 분류되며, 다양한 원리를 바탕으로 여러 종류가 존재한다. 플럭스 게이트 자력계, 양성자 자력계, 오버하우저 효과 자력계, 세슘 증기 자력계, SQUID 등이 대표적이다. 자기력계는 감도, 정확도, 측정 범위, 샘플링 속도 등 다양한 성능 지표를 가지며, 사용 환경과 측정 목적에 따라 적합한 자력계를 선택해야 한다. 응용 분야는 지구 과학, 자원 탐사, 고고학, 군사, 보안, 의료 등 매우 광범위하며, 나침반, 비파괴 검사, 우주 탐사 등에도 활용된다.

더 읽어볼만한 페이지

자기 장치 - 나침반
나침반은 지구 자기장을 이용하여 방향을 지시하는 도구로, 자기 나침반 외에도 다양한 종류가 있으며, 항해, 탐험 등 여러 분야에서 사용되어 왔고 현대에도 널리 활용된다.
자기 장치 - 테이프 드라이브
테이프 드라이브는 자기 테이프에 데이터를 읽고 쓰는 장치이며, 1951년 UNISERVO 출시 이후 기술 발전을 거쳐 현재는 높은 저장 용량과 데이터 안정성을 바탕으로 백업, 아카이브 등에 활용된다.
핵자기 공명 - 펠릭스 블로흐
펠릭스 블로흐는 고체 물리학과 핵자기 공명 분야에 기여하고, 블로흐 파를 이용한 고체 내 전자 이론을 정립했으며, 핵자기 공명 현상 연구를 통해 MRI 기술 개발의 기초를 마련하여 1952년 노벨 물리학상을 수상했다.
핵자기 공명 - 피터 맨스필드
피터 맨스필드는 자기 공명 영상(MRI) 기술 발전에 혁신적인 기여를 하여 2003년 노벨 생리학·의학상을 수상한 영국의 물리학자로, MRI의 '슬라이스 선택' 기법과 에코 플래너 영상(EPI) 기법을 개발하여 현대 의학 영상 분야 발전에 크게 기여했다.
센서 - 서미스터
서미스터는 온도에 따라 저항이 변하는 반도체 소자로, 온도-저항 특성에 따라 NTC, PTC, CTR 서미스터로 나뉘며 온도 센서, 과전류 방지 등 다양한 용도로 사용되고, 저항-온도 관계는 B 상수 방정식이나 슈타인하르트-하트 방정식으로 표현되어 여러 분야에 적용된다.
센서 - 기압계
기압계는 대기압을 측정하는 기구로, 17세기 중반 토리첼리에 의해 최초의 수은 기압계가 발명되었으며, 일기 예보, 고도 측정 등 다양한 분야에서 활용되고, 수은, 아네로이드, 전기식 등 여러 종류가 현대에 개발되어 사용된다.

자기계
자기계
자기계
유형	측정 장치
측정	자기장 또는 자기 모멘트
관련 단위	테슬라, 가우스, 암페어 매 미터
작동 원리
분류	스칼라 벡터
측정 유형	절대값 상대값
기술	고전적인 자기계 SQUID 자기저항 플럭스 게이트 홀 효과 원자 자기계 패러데이 효과
용도
응용 분야	지자기 연구 고고학 지구물리학 재료 과학 우주 탐사 군사 소비자 전자 제품

2. 자력계의 종류

자력계는 사용하는 물리적 원리나 소자에 따라 다양한 종류로 나눌 수 있다. 주요 자력계의 종류는 다음과 같다.

코일
홀 소자
자기 저항 효과 소자 (MR: AMR, GMR, TMR 등)
자기 임피던스 소자 (MI 소자)
GSR 센서 (Giant Self-resonant 센서)
위건트 와이어
플럭스 게이트 센서
광 펌핑 자력계
다이아몬드 질소-공공 중심 소자
패러데이 소자 (자기 광학 효과)
양성자 자력계 (자기 공명형 자기 센서)
전기역학적 자기 센서 (하전 입자선)
초전도 양자 간섭 소자 (SQUID)

2. 1. 측정 방식에 따른 분류

자기력계는 측정하는 방식에 따라 크게 두 가지 기본 유형으로 나눌 수 있다.^[3]

스칼라 자력계 (Scalar magnetometer^영어): 가해지는 자기장의 총 세기만을 측정하며, 방향 정보는 제공하지 않는다.^[3] 전체 자기력계라고도 불린다.
벡터 자력계 (Vector magnetometer^영어): 자기장의 벡터 성분을 측정하여, 자기장의 크기와 방향을 모두 알 수 있다.^[3] 지구 자기장을 연구할 때는 자기장의 벡터 성분을 자침각(자기 북극과 지리적 북극 사이의 각도)과 복각(자기장 벡터와 수평면 사이의 각도)으로 표현하기도 한다.^[3] 세 개의 직교 센서를 사용하면 3차원 공간에서 자기장의 성분을 측정할 수 있으며, 각 성분 값 제곱의 합에 제곱근을 취하는 피타고라스 정리를 이용하여 총 자기장 세기(TMI, Total Magnetic Intensity)를 계산할 수 있다.^[3]

주노 우주선의 플럭스 게이트 자기력계. 붐 끝에 설치되어 자기장의 벡터 성분을 측정한다.

벡터 자력계는 온도 변화에 따른 드리프트 현상이나 페라이트 코어의 치수 불안정성에 영향을 받을 수 있다. 또한, 정확한 성분 정보를 얻기 위해서는 기기를 수평으로 유지해야 하는 단점이 있다. 이러한 이유로 현재 광물 탐사 등에는 잘 사용되지 않는다.^[3]

이 외에도 자력계는 내부 보정 여부에 따라 절대 자력계(자기 센서의 내부 보정이나 알려진 물리 상수를 사용)와 상대 자력계(보정되지 않은 기준선에 상대적으로 측정)로 나뉘거나^[3], 측정하는 자기장 변화 속도에 따라 AC 자력계(100 Hz 이상 빠르게 변화하는 자기장 측정)와 DC 자력계(느리거나 정적인 자기장 측정)로 분류되기도 한다.^[15] AC 자력계는 전자기파 탐사 등에, DC 자력계는 광물화 및 지질 구조 탐지에 주로 사용된다.^[15]

2. 2. 주요 자력계

자기장은 크기와 방향을 모두 갖는 벡터 양이다. 자기장의 세기는 SI 단위에서 테슬라(T)로, cgs 단위계에서 가우스(G)로 측정된다. 1 T는 10,000 G와 같다.^[1] 지구 자기장의 측정값은 종종 나노테슬라(nT), 또는 감마(gamma)로 표현되는데, 1 nT는 1 감마와 같다.^[2] 지구 자기장은 위치에 따라 약 20,000 nT에서 80,000 nT까지 다양하며, 일상적인 변동폭은 약 100 nT 정도이다. 자기 이상으로 인한 국소적인 자기장 변화는 피코테슬라(pT) 수준까지 작을 수 있다.^[3] 측정 단위에 따라 가우스 또는 테슬라로 측정하는 자력계를 각각 ''가우스미터'' 또는 ''테슬라미터''라고 부르기도 한다. 때로는 1 밀리테슬라(mT) 미만의 약한 자기장을 측정하는 기기를 자력계, 그 이상의 강한 자기장을 측정하는 기기를 가우스미터로 구분하기도 한다.^[1]

자력계 측정에는 두 가지 기본 유형이 있다.

벡터 자기력계: 자기장의 크기뿐만 아니라 방향까지, 즉 자기장의 벡터 성분을 측정한다. 지구의 자기장을 연구하는 데 사용되는 자기력계는 자기장의 벡터 성분을 자침각 (자기장 벡터의 수평 성분과 진북 또는 지리적 북극 사이의 각도)과 ''복각'' (자기장 벡터와 수평면 사이의 각도)으로 표현할 수 있다.
전체 자기력계 또는 스칼라 자기력계: 자기장의 방향 정보 없이 전체 크기(스칼라 값)만을 측정한다.

또한 측정 기준에 따라 다음과 같이 분류할 수도 있다.

절대 자기력계: 자기 센서의 내부 보정 또는 알려진 물리 상수를 사용하여 절대 크기 또는 벡터 자기장을 측정한다.
상대 자기력계: 고정되어 있지만 보정되지 않은 기준선에 상대적인 크기 또는 벡터 자기장을 측정한다. ''변위계''라고도 하는 상대 자기력계는 자기장의 변화를 측정하는 데 사용된다.

자력계는 또한 상황 또는 의도된 용도에 따라 분류될 수 있다.

고정형 자기력계: 고정된 위치에 설치되며 자기력계가 고정된 상태에서 측정이 이루어진다. 인터마그넷(INTERMAGNET) 네트워크와 같이 고정된 기지국에서 사용된다.
휴대용 또는 이동형 자기력계: 움직이는 동안 사용하도록 설계되었으며, 수동으로 휴대하거나 움직이는 차량으로 운송할 수 있다.
실험실 자기력계: 내부에 배치된 물질의 자기장을 측정하는 데 사용되며 일반적으로 고정되어 있다.
측량 자기력계: 지구 자기장 측량에서 자기장을 측정하는 데 사용된다. 이는 고정된 기지국이거나, 지리적 영역을 스캔하는 데 사용되는 이동형 자기력계일 수 있다.

다양한 물리적 원리를 이용한 자력계들이 개발되어 사용되고 있으며, 대표적인 예로는 플럭스 게이트 자력계, 양성자 세차 자력계, SQUID 등이 있다. 각 자력계의 구체적인 원리와 특징은 하위 섹션에서 자세히 설명한다.

2. 2. 1. 플럭스 게이트 자력계

플럭스 게이트 자력계(Fluxgate magnetometer)는 자기 투자율이 높은 작은 코어 주위에 두 개의 코일을 감아 만든 장치이다. 작동 원리는 다음과 같다. 먼저 하나의 코일(구동 코일)에 교류 전류를 흘려보내 코어를 자화 포화 상태와 비자화 상태로 계속해서 변화시킨다. 주변에 자기장이 없다면 구동 코일에 가해진 전류 신호와 두 번째 코일(감지 코일)에서 유도되는 전압 신호는 동일하다. 하지만 외부 자기장이 존재하면 코어는 외부 자기장 방향으로는 더 쉽게 포화되고, 반대 방향으로는 덜 쉽게 포화된다. 이로 인해 감지 코일에서 유도되는 전압 신호는 구동 코일의 전류 신호와 달라지며, 이 차이는 외부 자기장의 세기에 비례한다. 감지 코일의 출력 신호를 처리하여 외부 자기장의 세기에 비례하는 직류(DC) 전압으로 변환하여 자기장을 측정한다.^[23]^[24]

좀 더 자세히 설명하면, 플럭스 게이트 자력계는 일반적으로 뮤 금속이나 퍼멀로이와 같이 자기 투자율이 높은 물질로 만들어진 코어, 코어 주위를 감싼 내부 구동(1차) 코일, 그리고 그 바깥을 감싸는 감지(2차) 코일로 구성된다. 구동 코일에 교류 전류를 흘리면 코어는 계속해서 포화와 비포화 상태를 반복한다. 외부 자기장에 대해 코어는 교대로 약하게 투과하고 높게 투과한다. 코어는 종종 토로이드형 링이거나 각 구동 코일이 반대 방향으로 감겨있는 선형 요소 쌍이다. 이러한 폐쇄형 플럭스 경로는 구동 코일과 감지 코일 사이의 결합을 최소화한다. 외부 자기장이 존재할 때, 코어가 높은 투자율 상태이면 외부 자기장은 감지 코일을 통해 국부적으로 집중(게이트)된다(이 때문에 플럭스 게이트라는 이름이 붙었다). 코어의 투자율이 낮으면 외부 자기장은 덜 집중된다. 감지 코일 내부에서 외부 자기장의 이러한 주기적인 게이팅(gating)은 감지 코일에 신호를 유도한다. 이 신호의 주 주파수는 구동 주파수의 두 배이며, 신호의 강도와 위상 방향은 외부 자기장의 크기 및 극성과 직접적으로 연관된다.

결과 신호의 크기에는 감지 코일의 권선 수, 코어의 자기 투자율, 센서의 기하학적 구조, 시간에 따른 게이트된 자속(flux) 변화율 등 여러 요인이 영향을 미친다. 위상 동기 검출 방식은 이러한 고조파 신호를 감지 코일에서 추출하여 외부 자기장에 비례하는 직류(DC) 전압으로 변환하는 데 사용된다. 능동 전류 피드백 방식도 사용될 수 있는데, 이 경우 감지 코일은 외부 자기장을 상쇄하도록 구동된다. 이때 피드백 전류는 외부 자기장에 선형적으로 비례하므로 측정 기준으로 사용된다. 이 방식은 인가된 외부 자기장 세기와 감지 코일을 통과하는 자속 사이의 고유한 비선형성 문제를 해결하는 데 도움이 된다.

플럭스 게이트 자력계는 1936년 H. 아셴브레너와 G. 고바우에 의해 발명되었다.^[23]^[24] 제2차 세계 대전 중에는 빅터 바퀴어가 이끄는 걸프 연구소 팀이 잠수함 탐지를 위해 공중 플럭스 게이트 자력계를 개발했으며, 전쟁 후에는 이 기술을 이용하여 해저의 자기 이상 현상을 측정함으로써 판 구조론 이론을 확립하는 데 중요한 역할을 했다.^[25]

플럭스 게이트 자력계는 비교적 저렴하고 견고하며 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 최근에는 IC 칩 형태로 소형화되어 학계^[26]와 산업계^[27]에서 널리 사용되고 있다. 전력 소비량도 적어 다양한 탐지 분야에 활용하기에 적합하다. 플럭스게이트 나침반이나 경사계 형태로 제작되어 자기장의 방향과 크기를 측정하는 데 사용된다.

특히 경사계 형태의 플럭스 게이트 자력계는 고고학 탐사에서 유적지나 난파선과 같은 땅속이나 물속에 묻힌 물체를 찾는 데 널리 사용된다. 또한, 불발탄(UXO) 탐지에도 효과적인데, 예를 들어 독일 군대에서 사용하는 "Foerster" 모델이 유명하다.^[28] 지하에 매설된 파이프라인 밸브, 정화조, 맨홀 뚜껑 등을 찾는 유틸리티 위치 확인 작업에도 사용된다.^[29]

군사적인 목적으로도 다양하게 활용된다. 해군은 항구와 같은 전략적 요충지 해저에 플럭스 게이트 자력계 배열을 설치하여 적 잠수함의 활동을 감시한다.^[44] 잠수함은 이러한 탐지를 피하기 위해 주기적으로 감자화 과정을 거치지만, 완전히 자기장을 제거하기는 어렵다. 플럭스 게이트 자력계는 잠수함 선체에 남아있는 미세한 자기장을 측정하여 잠수함의 존재나 종류를 파악하는 데 사용될 수 있다. 또한, 잠수함이 예인하는 소나 배열의 각 센서 위치를 정밀하게 파악하여 표적의 방향을 정확히 계산하는 데에도 플럭스 게이트 자력계가 사용된다. 과거에는 무기 항법 시스템에도 사용되었으나, 현재는 GPS나 링 레이저 자이로스코프로 대체되는 추세이다. 최근에는 무인 항공기(UAV)에 탑재되어 다양한 정찰 및 공격 임무에도 활용되고 있다.

2. 2. 2. 양성자 자력계 (PPM)

''양성자 세차 자력계''는 ''양성자 자력계''(PPM) 또는 간단히 자력계라고도 부른다. 이는 핵자기 공명(NMR) 현상을 이용하여 측정하려는 자기장 내 양성자(수소 핵)의 공명 주파수를 측정하는 방식이다. 양성자의 세차 주파수는 원자 고유의 상수와 주변 자기장의 세기에만 의존하기 때문에, 이 방식 자력계는 1 ppm 수준의 높은 정확도를 가질 수 있다.^[16]

작동 원리는 다음과 같다. 먼저 솔레노이드에 직류 전류를 흘려 수소가 풍부한 액체(등유나 데케인, 혹은 물) 주변에 강한 자기장을 생성한다. 이 자기장은 액체 내의 일부 양성자를 자기장 방향으로 정렬시킨다. 그 후 전류를 차단하면, 양성자들은 외부의 주변 자기장에 맞춰 다시 정렬하면서 세차 운동을 시작한다. 이때 양성자들은 주변 자기장의 세기에 정비례하는 특정 주파수로 회전하며 약한 회전 자기장을 발생시킨다. 이 약한 자기장을 인덕터 코일로 감지하고 전자적으로 증폭한 뒤, 디지털 주파수 카운터로 주파수를 측정한다. 측정된 주파수 값은 보통 자기장 강도로 변환되어 표시되거나 디지털 데이터로 출력된다.

휴대용 PPM 장비의 경우, 측정 속도는 보통 1초당 1회 미만으로 제한된다. 측정은 일반적으로 센서를 약 10m 간격으로 이동하며 고정된 위치에서 수행한다. 휴대용 기기는 센서의 부피와 무게, 그리고 전력 소모량에도 제약을 받는다.

PPM은 최대 3,000 nT/m의 자기장 기울기 환경에서도 작동할 수 있어 대부분의 광물 탐사 작업에 적합하다. 하지만 줄무늬 철광층 탐사나 큰 철제 물체 감지처럼 더 큰 자기장 기울기(경사 자기장) 허용 오차가 필요한 경우에는 오버하우저 효과 자력계 (최대 10,000 nT/m)나 세슘 증기 자력계 (최대 30,000 nT/m)가 더 적합하다.

PPM은 상대적으로 가격이 저렴하고(약 8천달러 미만), 과거 광물 탐사 분야에서 널리 사용되었다. 주요 제조사로는 GEM Systems, Geometrics, Scintrex 등이 있으며, G-856/857, Smartmag, GSM-18, GSM-19T 등이 인기 모델이었다. 그러나 최근 광물 탐사 분야에서는 측정 속도가 더 빠르고 측정 사이에 멈출 필요가 없는 오버하우저, 세슘, 칼륨 방식의 자력계로 점차 대체되는 추세이다.

2. 2. 3. 오버하우저 효과 자력계

'오버하우저 효과 자력계' 또는 '오버하우저 자력계'는 측정을 위해 '양성자 세차 자력계'와 동일한 기본 효과를 사용한다. 측정 유체에 자유 라디칼을 첨가함으로써, 핵 오버하우저 효과를 활용하여 양성자 세차 자력계의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 솔레노이드를 사용하여 양성자를 정렬하는 대신, 저전력 무선 주파수(RF) 필드를 사용하여 자유 라디칼의 전자 스핀을 정렬(분극화)하며, 이는 오버하우저 효과를 통해 양성자와 결합된다.

이는 두 가지 주요 이점을 제공한다. 첫째, RF 필드를 구동하는 데 필요한 에너지가 적어 휴대용 장치의 경우 더 가벼운 배터리를 사용할 수 있다. 둘째, 전자-양성자 결합이 측정 중에 발생할 수 있어 더 빠른 샘플링이 가능하다. 오버하우저 자력계는 초당 1회 샘플링 시 0.01 nT에서 0.02 nT 표준 편차의 판독값을 생성한다.

2. 2. 4. 세슘 증기 자력계

'''광학 펌핑 세슘 증기 자력계'''는 매우 높은 감도(300 fT/Hz^0.5)와 정확도를 가진 장치로, 다양한 분야에서 활용된다. 세슘 외에도 루비듐이나 칼륨과 같은 다른 알칼리 금속 증기를 이용하는 자력계도 있다.^[17]

이 장치는 기본적으로 광자를 방출하는 장치(주로 레이저), 방출된 광자가 통과하는 흡수 챔버, 그리고 광자를 감지하는 검출기로 구성된다. 흡수 챔버 안에는 세슘 증기가 "버퍼 가스"(주로 헬륨이나 질소)와 혼합되어 있는데, 버퍼 가스는 세슘 원자 간의 충돌을 줄여주는 역할을 한다.

작동 원리는 세슘 원자가 가질 수 있는 여러 에너지 준위 상태를 이용한다. 간단히 말해, 전자가 원자핵 주위의 특정 원자 궤도에 위치하는 것으로 생각할 수 있다. 레이저에서 나온 광자가 챔버 내의 세슘 원자와 만나면, 원자는 더 높은 에너지 상태로 들떴다가 다시 광자를 방출하며 무작위적인 낮은 에너지 상태로 떨어진다. 세슘 원자는 특정 에너지 상태에서만 레이저 광자에 반응하므로, 시간이 지나면 모든 원자는 결국 레이저 광자에 더 이상 반응하지 않는 상태로 모이게 된다. 이 상태가 되면 레이저 빛은 세슘 증기를 그대로 통과하여 광자 검출기에 도달하며, 세슘 증기는 투명해진 것처럼 보인다. 이 과정을 광학 펌핑이라고 하며, 측정을 위한 준비 상태가 된 것이다.

외부 자기장이 가해지면, 광학 펌핑된 원자들의 에너지 상태가 영향을 받아 변화한다. 상태가 변한 원자들은 다시 레이저 빛을 흡수하게 되고, 그 결과 광자 검출기에 도달하는 빛의 양이 줄어든다. 광자 검출기는 이 변화를 감지하여 외부 자기장의 세기를 정밀하게 측정할 수 있다.

가장 일반적인 세슘 자력계는 매우 약한 교류(AC) 자기장을 추가로 가하는 방식을 사용한다. 원자의 에너지 준위 차이는 외부 자기장의 세기에 따라 결정되므로, 특정 주파수의 AC 자기장은 원자의 상태를 변화시켜 다시 빛을 흡수하게 만든다. 이 변화는 광자 검출기에서 신호로 감지되며, 관련 전자 회로는 이 신호의 주파수를 분석하여 외부 자기장의 정확한 세기를 알아낸다.

다른 방식으로는 셀에 쪼여주는 빛 자체를 변조하는 벨-블룸 자력계가 있다. 이는 외부 자기장의 세기에 해당하는 특정 주파수로 빛을 껐다 켰다 반복하는 방식이다. 이 빛의 변조는 광자 검출기에서 감지되는 신호의 변화를 유발하며, 전자 회로는 이를 분석하여 외부 자기장의 세기를 측정한다. 두 방식 모두 매우 정밀한 자력계를 구현할 수 있게 해준다.

세슘 증기 자력계는 그 높은 감도와 정확도 덕분에 고고학 유적 탐사나 지구 물리학 연구 등 자기장의 미세한 변화를 측정해야 하는 분야에서 중요하게 사용된다.

2. 2. 5. 칼륨 증기 자력계

칼륨 증기 자력계는 광 펌핑 자력계의 한 종류로, 칼륨 증기를 매질로 사용한다. 다른 알칼리 금속 증기 자력계가 불규칙하고 복합적이며 넓은 스펙트럼 선을 사용하는 것과 대조적으로, 칼륨 증기 자력계는 단일하고 좁은 ESR 선에서 작동하는 특징을 가진다. 이는 본질적으로 넓은 스펙트럼 선을 가진 헬륨 자력계와도 구별되는 점이다.^[18]

2. 2. 6. SQUID (초전도 양자 간섭 장치)

SQUID(Superconducting Quantum Interference Device) 또는 초전도 양자 간섭 장치는 자기장의 극히 미세한 변화를 측정하는 매우 민감한 자력계이다. 조사 및 실험실용 자력계로 모두 사용되며, 매우 민감한 절대 자력 측정 기술이다.

상용 기기에서는 3 fT Hz^−½, 실험 장치에서는 0.4 fT Hz^−½ 수준의 낮은 잡음 수준을 보인다. 많은 액체 헬륨 냉각 상용 SQUID는 DC(직류) 근처(1 Hz 미만)에서 수십 킬로헤르츠까지 평탄한 잡음 스펙트럼을 가지므로, 시간 영역 생체자기 신호 측정, 예를 들어 뇌자도(뇌 활동) 및 심자도(심장 활동) 측정에 이상적이다. 지금까지 실험실에서 시연된 SERF 원자 자력계는 경쟁력 있는 잡음 수준을 보이지만 비교적 작은 주파수 범위에서만 가능하다.

SQUID 자력계는 작동을 위해 액체 헬륨(4,200) 또는 액체 질소(77,000)로 냉각해야 하는 단점이 있다. 이 때문에 열역학적, 기계적, 자기적 관점에서 포장 요구 사항이 매우 까다롭다. 또한 노이즈에 민감하여 높은 DC 자기장과 펄스 자석 환경에서는 실험실 자력계로 사용하기 실용적이지 않다.

주로 실험실 샘플에서 발생하는 자기장을 측정하는 데 사용되며, 뇌자도나 심자도 측정에도 활용된다. 지구물리학 탐사에도 가끔 사용되지만, SQUID를 냉각하는 물류는 상온에서 작동하는 다른 자력계보다 훨씬 복잡하다.

상용 SQUID 자력계는 300 mK에서 400 K 사이의 시료 온도와 최대 7조의 자기장에서 사용할 수 있다.

2. 2. 7. 광 펌핑 자력계

광 펌핑 자력계는 광 펌핑 현상을 이용하여 자기장을 측정하는 장치이다. 주로 알칼리 금속(칼륨, 루비듐, 세슘), 헬륨, 수은과 같은 원자 기체를 사용한다.^[14] 미세 가공된 광학 펌핑 자력계(μOPM)는 편광된 빛을 사용하여 원자의 스핀을 제어하고, 이를 통해 자기장을 정밀하게 측정하고 모니터링한다.^[14]

특히 헬륨-4를 이용한 자력계는 1960년대와 70년대에 텍사스 인스트루먼트에서 처음 개발되었고, 이후 스핀오프 회사인 폴라토믹과^[19] 1980년대 후반부터는 프랑스의 CEA-Leti에서 개발되었다. CEA-Leti는 원자 자력계의 고질적인 문제였던 데드존(dead zone, 측정 불가능 영역)을 제거하는 설계를 개발했다.^[20] 이 기술은 우주 궤도상에서 50 pT 수준의 높은 정확도를 보였으며, ESA는 2013년 발사한 스웜(Swarm) 미션에 이 자력계를 채택했다. 이 미션에서는 플럭스게이트 자력계와 경쟁할 수 있는 실험적인 벡터 측정 모드도 성공적으로 시험되었다.^[21]

원자 기체 기반 자력계는 특히 낮은 자기장 영역에서 자기장 벡터를 측정하는 데 유용하다. 이 영역에서는 원자 간의 간섭성이 라모어 주파수보다 빠르게 감소하는데, 이러한 자력계의 작동 원리는 한레 효과에 기반한다. 알칼리 금속을 사용하는 경우, 원자 간 스핀 교환 완화 현상 때문에 간섭 시간이 제한되는 문제가 있었다. 하지만 2000년대 초, 프린스턴 대학의 로말리스 연구 그룹은 낮은 자기장 영역에서 알칼리 기체를 고온으로 가열하여 밀도를 높이면 스핀 교환 완화 효과를 억제하고 간섭 시간을 크게 늘릴 수 있음을 발견했다. 이를 SERF 효과(Spin-Exchange Relaxation-Free effect)라고 부른다. SERF 자력계는 매우 높은 감도를 가진다.

광 펌핑 자력계는 극저온 냉각이 필요 없다는 장점 때문에, 기존의 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)를 대체할 기술로 주목받고 있다. 특히 뇌자도(MEG)나 심자도(MCG)와 같은 생체 자기 신호 측정 분야에서 SQUID는 극저온 냉각을 위한 두꺼운 단열층이 필요하여 측정 감도에 제약이 있었지만, 광 펌핑 자력계는 이러한 문제가 없어 활용 가능성이 높다.^[13] 예를 들어, μOPM은 뇌 발작의 원인을 더 정확하게 탐지하는 데 사용될 수 있다.^[13]

이러한 장점 때문에 현재 여러 스타트업 기업들이 생물의학 응용 분야를 목표로 광 펌핑 자력계를 개발하고 있다. TwinLeaf,^[30] quSpin,^[31] FieldLine^[32] 등은 알칼리 증기 기반의 자력계를 개발 중이며, Mag4Health는 준안정 상태의 헬륨-4를 이용한 자력계를 개발하고 있다.^[33]

2. 2. 8. 기타 자력계

홀 효과 센서는 가장 흔하게 사용되는 자기 감지 장치 중 하나이다. 이는 반도체에 자기장을 가했을 때 자기장의 세기에 비례하는 전압이 발생하는 홀 효과를 이용하며, 자기장의 극성 또한 감지할 수 있다. 자기장의 세기가 비교적 큰 환경에서 주로 사용되는데, 예를 들어 자동차의 ABS (Anti-lock Brake System)에서 바퀴 디스크의 홈을 감지하여 회전 속도를 파악하는 데 쓰인다.

자기 저항 효과를 이용하는 자력계도 있다. 이는 주로 자화율이 높은 니켈-철 합금인 퍼멀로이의 얇은 스트립으로 만들어지며, 자기장의 변화에 따라 전기 저항이 달라지는 원리를 이용한다. 특정 방향의 자기장에 민감하게 반응하며, 3차원으로 제작하여 모든 방향의 자기장을 측정할 수도 있다. 집적회로 형태로 대량 생산이 가능하고, 응답 시간이 1μs 미만으로 매우 빨라 초당 1,000번 이상 빠르게 움직이는 물체에서도 자기장을 측정할 수 있다. 나침반 등에 사용되어 1° 이내의 정밀한 측정이 가능하다.^[22] 자기 저항 효과에는 이방성 자기저항 (AMR), 거대자기저항 (GMR), 터널자기저항 (TMR) 등 여러 종류가 있다.

광섬유를 이용한 자력계는 빛의 편광면이 자기장 속에서 회전하는 패러데이 효과 (자기 광학 효과)를 이용하여 자기장을 측정한다.

다이아몬드 결정 구조 내의 질소 원자와 빈자리(공공, vacancy)가 결합된 다이아몬드 질소-공공 중심 (NV 센터)의 양자 역학적 특성을 이용하는 자력계도 개발되고 있다. 이는 매우 높은 민감도와 공간 분해능을 가질 수 있어 차세대 자력계 기술로 주목받고 있다.

이 외에도 플럭스 게이트 센서, 광 펌핑 자력계, 프로톤 자력계, 초전도 양자 간섭계(SQUID) 등 다양한 원리를 이용한 자력계들이 연구되거나 활용되고 있다.

3. 자력계의 성능 및 선택 기준

자기력계의 성능과 기능은 다양한 기술 사양을 통해 평가되며, 이를 통해 특정 용도에 적합한 기기를 선택할 수 있다. 주요 성능 지표에는 측정 속도, 정밀도, 안정성 등이 포함된다.^[1]^[3]

또한, 자력계를 선택할 때는 단순히 성능 지표뿐만 아니라, 측정하려는 자기장의 특성(세기, 변화 속도 등), 기기가 사용될 환경 조건(온도 변화, 진동 유무 등), 그리고 자기장의 방향까지 측정해야 하는지 여부 등 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 한다.^[1]^[3]

3. 1. 성능 지표

자기력계의 성능과 기능은 다양한 기술 사양을 통해 설명된다. 주요 사양은 다음과 같다.^[1]^[3]

'''샘플 속도'''(Sample rate): 1초당 측정값을 얻는 횟수를 의미한다. 샘플 속도의 역수는 측정 한 번에 걸리는 시간인 '''주기 시간'''(cycle time)이다. 이동하면서 측정하는 자기력계의 경우 샘플 속도가 중요한데, 샘플 속도와 이동 속도에 따라 측정 지점 간의 거리가 결정된다.
'''대역폭'''(Bandwidth) 또는 '''대역 통과'''(bandpass): 자기력계가 자기장의 빠른 변화를 얼마나 잘 따라갈 수 있는지를 나타내는 지표이다. 신호 처리 기능이 내장되지 않은 자기력계의 대역폭은 샘플 속도에 의해 결정되는 나이퀴스트 한계에 따라 정해진다. 최신 자기력계 중 일부는 연속적인 측정값들을 부드럽게 처리하거나 평균을 내어, 노이즈를 줄이는 대신 더 낮은 대역폭을 갖도록 조정하기도 한다.
'''해상도'''(Resolution): 자기력계가 구분할 수 있는 자기장의 가장 작은 변화량을 의미한다. 측정하려는 가장 작은 변화보다 훨씬 더 정밀한 해상도를 가진 자기력계가 필요하다. 여기에는 측정값을 디지털 데이터로 변환할 때 발생하는 양자화 오차도 포함된다.
'''절대 오차'''(Absolute error): 자기력계가 측정한 값과 실제 자기장 값 사이의 차이를 말한다. 이는 측정의 정확도와 관련이 있다.
'''드리프트'''(Drift): 시간이 지남에 따라 절대 오차가 변하는 정도를 나타낸다.
'''열 안정성'''(Thermal stability): 온도가 변할 때 측정값이 얼마나 영향을 받는지를 나타낸다. 보통 온도가 섭씨 1도 변할 때 측정값이 몇 나노테슬라(nT) 변하는지(nT/°C)로 표현된다.
'''노이즈'''(Noise): 자기력계 센서 자체나 내부 전자회로에서 발생하는 불필요한 무작위 신호를 의미한다. 노이즈는 보통 $\rm{nT}/\sqrt{\rm{Hz}}$ 단위로 표시하며, 여기서 주파수(Hz)는 관련된 대역폭을 나타낸다.
'''감도'''(Sensitivity): 노이즈와 해상도 중 더 큰 값으로 정의된다. 즉, 자기력계가 감지할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다.
'''방위각 오차'''(Heading error): 자기장은 일정한데 기기의 방향만 바꾸었을 때 측정값이 변하는 정도를 의미한다.
'''데드 존'''(Dead zone): 특정 방향에서 자기력계의 성능이 나빠지거나 측정이 불가능해지는 각도 영역을 말한다. 모든 광 펌핑 자력계, 양성자 정밀 측정 자력계, 오버하우저 자력계는 어느 정도 데드 존 효과를 가진다.
'''구배 허용 오차'''(Gradient tolerance): 자기장의 세기가 위치에 따라 급격하게 변하는 자기장 구배 환경에서도 자기력계가 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지를 나타낸다. 불발탄 탐지나 매립지 조사처럼 자기장 변화가 큰 환경에서 중요한 성능 지표이다.

3. 2. 자력계 선택 시 고려 사항

자력계를 선택할 때는 여러 요소를 신중하게 고려해야 한다. 측정하려는 대상과 목적, 사용 환경 등에 따라 적합한 자력계가 다르기 때문이다.^[1]^[3]
측정 목적 고려

감도 및 분해능: 측정하려는 자기장의 세기 범위를 파악하고, 그에 맞는 감도와 분해능을 가진 자력계를 선택해야 한다. 감도가 무조건 높다고 좋은 것은 아니다. 예를 들어, 일반적인 영구 자석의 강한 자기장을 측정하는데 미세 자기장 측정용 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)를 사용하는 것은 적절하지 않다.^[1]
측정 대상 자기장의 성질: 측정하려는 자기장이 시간에 따라 변하는 교류 자기장인지, 거의 변하지 않는 직류 자기장인지 확인해야 한다. 전자기 유도 원리를 이용하는 코일 센서는 기본적으로 교류 자기장 측정에 적합하다. 측정 대상이 교류임이 명확하다면, 비교적 저렴한 코일 센서로도 충분할 수 있다.^[1]
다이내믹 레인지: 측정 가능한 자기장의 최소값과 최대값 사이의 범위, 즉 다이내믹 레인지도 중요한 고려 사항이다. SQUID나 광 펌핑 자력계와 같이 매우 민감한 센서는 미세 자기장 측정에는 뛰어나지만 다이내믹 레인지가 좁아 주변의 강한 자기장이나 지구 자기장의 영향도 크게 받을 수 있다. 따라서 외부 자기장의 영향을 차단하기 위한 차폐실이 필요할 수 있다. 반면, 다이내믹 레인지가 넓은 센서는 외부 잡음의 영향을 덜 받으며, 필요시 필터 회로를 이용해 전기적으로 잡음을 제거하기 용이하다.^[1]

사용 환경 고려

진동: 자동차 내부와 같이 진동이 심한 환경에서는 기계적 정밀도가 요구되는 패러데이 소자나 특정 전자기 센서는 측정 오류를 일으킬 수 있으므로 사용에 주의해야 한다.^[1]
온도: 온도 변화가 심한 환경에서는 센서의 감도가 온도에 따라 변할 수 있다. 특히 홀 소자는 온도 의존성이 큰 편이므로, 온도 변화에 따른 출력 값 보정이 필요할 수 있다. 또한, SQUID와 같이 극저온 냉각이 필요한 센서는 고온 환경에서는 사용할 수 없다.^[1]

극성 검출 가능 여부

측정 시 자기장의 방향(N극 또는 S극) 정보까지 필요한지 확인해야 한다. 홀 소자나 플럭스 게이트 센서는 자기장의 방향을 구별할 수 있다. 하지만 자기 임피던스 소자나 패러데이 소자 등은 기본적으로 자기장의 세기(크기)만 측정 가능하며 방향 정보는 알 수 없다. 만약 후자의 센서로 방향까지 측정해야 한다면, 바이어스 자기장을 인가하는 등 추가적인 장치나 설계가 필요하다.^[1]

4. 자력계의 응용 분야

자력계는 자기장의 세기나 방향을 측정하는 장비로, 과학 연구부터 산업, 일상생활에 이르기까지 매우 폭넓게 활용된다.

실험실 환경에서 자력계는 물질 시료의 고유한 자기적 성질인 자화와 자기 모멘트를 정밀하게 측정하는 데 쓰인다. 이를 통해 반자성, 상자성, 강자성, 반강자성과 같은 물질의 자기적 특성을 규명하고, 온도나 외부 자기장 조건에 따른 상전이 현상을 관찰할 수 있다. 이러한 연구는 물리학, 화학, 지구 물리학, 지질학, 생물학 등 다양한 학문 분야에서 물질을 깊이 이해하는 데 필수적이다.

탐사 분야에서는 지구 자기장의 미세한 변화를 감지하여 눈에 보이지 않는 지하의 정보나 멀리 떨어진 우주 환경을 파악한다.

지구 과학 및 자원 탐사: 광물, 석탄, 석유 등 지하자원 탐사와 지질 구조 파악에 핵심적인 역할을 한다. 항공 자기 탐사, 지상 탐사 등 다양한 방법으로 수행된다. (자세한 내용은 지구 과학 및 자원 탐사 문단 참고)
고고학: 땅속이나 물속에 숨겨진 고고 유적지, 난파선, 과거 생활의 흔적(화덕, 벽돌 등)을 찾아내는 데 유용하게 사용된다. (자세한 내용은 고고학 문단 참고)
군사 및 보안: 잠수함이나 기뢰, 불발탄 등 탐지, 은닉 무기 수색, 군사 시설 방호 등 국방 및 안보 분야에서 중요하게 활용된다.^[38] (자세한 내용은 군사 및 보안 문단 참고)
우주 탐사: 우주선에 탑재되어 행성이나 달의 자기장을 측정하고 태양풍과 같은 우주 환경 변화를 연구하는 데 필수적인 장비이다.

탐사 및 측정 외에도 자력계는 산업 현장과 일상생활 곳곳에서 다양한 형태로 응용된다.

의료 및 생체 신호 측정: 인체에서 발생하는 미세한 자기 신호(뇌자도, 심자도 등)를 측정하여 질병 진단 및 생체 연구에 활용하려는 노력이 이루어지고 있다. (자세한 내용은 의료 문단 참고)
오로라 예측: 전 세계 관측망을 통해 지구 자기장 변동을 지속적으로 감시하며, 이 데이터(K-지수)는 오로라 발생 가능성을 예측하는 데 활용된다.^[41]
산업용 센서 및 검사: 공장의 비접촉 전류 센서, 로봇이나 기계의 회전 및 각도 센서(엔코더), 자동차의 ABS 센서 등 다양한 센서의 핵심 부품으로 사용된다. 또한, 재료나 구조물의 결함을 파괴 없이 검사하는 비파괴 검사에도 이용된다.
모바일 기기: 대부분의 스마트폰에는 미세 전자기계 시스템(MEMS) 기술 기반의 소형 자력계가 내장되어 나침반 기능을 제공하고 위치 기반 서비스의 정확도를 높인다.
기타: 터널 공사 시 위험 요소 감지, 석유 시추 시 드릴 방향 안내, 지폐 위변조 감별, 핵자기 공명(NMR) 장치 등 특수한 목적에도 활용된다.

이처럼 자력계는 그 목적과 환경에 맞게 우주선, 항공기, 헬리콥터, 선박, 차량 등 다양한 플랫폼에 탑재되거나 휴대용 장비 형태로 개발되어 사용되고 있다. (기타 구체적인 응용 사례는 기타 문단 참고)

4. 1. 지구 과학 및 자원 탐사

자력계는 지구 자기장의 세기와 방향을 측정하는 장비로, 지구 과학 연구와 자원 탐사 분야에서 폭넓게 활용된다. 자력계는 측정하는 값에 따라 자기장의 총 세기만 측정하는 스칼라 자력계와 특정 방향의 성분까지 측정하는 벡터 자력계로 나뉜다. 또한, 측정 방식에 따라 내부 상수로 보정되는 절대 자력계와 알려진 자기장을 참조해 보정하는 상대 자력계로 구분된다. 시간에 따른 자기장 변화를 지속적으로 기록하는 장비는 자력 기록기라고 한다.^[15]

자력계는 측정하는 자기장 변화 속도에 따라 AC 자력계와 DC 자력계로도 분류된다. AC 자력계는 전자기파 탐사처럼 빠르게 변하는 자기장(100 Hz 이상) 측정에, DC 자력계는 광물이나 관련 지질 구조 탐지처럼 느리거나 정적인 자기장 측정에 사용된다.

자력계를 팁에 장착한 붐을 코에 장착하여 공중 조사를 위해 개조된 다이아몬드 DA42 경비행기

탐사 방법자원 탐사나 지질 조사를 위한 자력 탐사는 다양한 방식으로 수행된다.

항공 자기 탐사: 비행기(고정익)나 헬리콥터에 자력계를 장착하여 넓은 지역을 신속하게 탐사하는 방식이다. 센서는 항공기에 직접 부착되거나(스팅어 형태) 케이블에 매달아 끌고 가는 방식(버드 또는 폭탄 형태)으로 운용된다. 항공기 고도 변화에 따른 측정값 오차를 보정하기 위해 레이더 고도계가 함께 사용되며, GPS로 정확한 위치 정보를 기록한다. 호주, 캐나다, 미국 등 여러 국가는 광물 탐사와 지도 제작을 위해 체계적인 항공 자력 탐사를 수행하고 있다.
지상 탐사: 탐사 대상 지역을 직접 걸어 다니거나 차량(배낭, 사륜 오토바이 등)을 이용하여 지표면 가까이에서 정밀하게 측정하는 방식이다. 광물 탐사 시 항공 탐사에서 발견된 이상 지역을 확인하거나, 얕은 깊이의 목표물을 탐사할 때 주로 사용된다. 고해상도 탐사를 위해 좁은 간격(예: 10m ~ 50m)으로 측선을 설정하고, 더 짧은 간격(예: 1m)으로 측정한다.
해양 탐사: 선박 뒤에 자력계(토우 피시)를 끌고 다니며 해저 지질 구조나 침몰선 등을 탐사한다.
시추공 탐사: 시추공 안에 자력계(프로브 또는 손데)를 내려보내 지하 깊은 곳의 지질 정보를 얻는다.

탐사 데이터는 일반적으로 고정된 위치에서 지구 자기장의 일변화를 측정하는 기지국 자력계의 데이터로 보정하여 정확도를 높인다.^[42]
주요 활용 분야

광물 탐사: 철광석, 자철석, 적철석, 자류철석과 같이 자성을 띠는 광체를 직접 탐지하거나, 광상과 관련된 지질 구조(예: 전단대, 변질 후광)를 파악하는 데 매우 유용하다. 금이나 다이아몬드(킴벌라이트 파이프) 탐사에도 활용된다. 항공 탐사로 광역적인 이상대를 찾고, 지상 탐사로 정밀 조사를 수행하는 방식으로 진행되는 경우가 많다. 탐사 데이터는 복잡한 해석 과정을 거치며, 대상의 깊이, 형태, 자화 방향 등 다양한 요소를 고려하여 분석한다.
석탄 탐사: 탄전이 발달하는 분지의 형태를 파악하고, 석탄 채굴 시 위험 요소가 될 수 있는 현무암 관입(암상, 암맥 등) 구조를 탐지하는 데 사용된다. 또한 번개로 인해 자연 발화된 지역이나 석탄의 불순물인 능철석 분포를 파악하는 데도 도움이 된다. 정밀한 탐사를 위해 지상 탐사가 선호되며, 석탄층이 깊거나 지표에 현무암이 덮여 있는 경우 시추공 탐사가 유용할 수 있다.
석유 및 가스 탐사: 지진 탐사가 주된 방법이지만, 자력 탐사는 기반암 구조에 대한 정보를 제공하거나 퇴적층 내 화성암 분포를 파악하는 등 보조적인 역할을 한다. 특정 환경에서는 탄화수소가 누출되면서 발생하는 미세한 자기 이상을 탐지하여 유전이나 가스전의 존재 가능성을 시사하기도 한다.^[48] 방향성 시추 시에는 시추 장비의 정확한 방위각을 파악하는 데 활용된다.^[43]
지하 구조 및 위험 요소 탐지: 지질 구조 매핑 외에도 잠수함, 침몰 선박, 터널 보링 머신 운용에 위험을 줄 수 있는 지장물, 불발탄, 기뢰, 지뢰, 유독성 폐기물 드럼 등 다양한 지하 매설물이나 위험물을 탐지하는 데 사용된다.
기타 지구 과학 연구: 판 구조론 연구, 지각 변동 감시, 고지자기 연구 등 지구 자기장의 시공간적 변화를 연구하는 데 기초 자료를 제공한다.
GSI형 자기력계. 국토지리정보원(구 국토지리원) 개발. 국립과학박물관 전시.

과거에는 양성자 자력계(PPM)가 널리 쓰였으나, 최근에는 측정 속도가 빠르고 정밀도가 높은 오버하우저 효과 자력계, 세슘 증기 자력계, 칼륨 자력계 등이 광물 탐사 등에 주로 사용된다. 특히 세슘 및 칼륨 자력계는 매우 민감하고(세슘: 300 fT/Hz^0.5)^[17] 측정 중 센서 방향 변화에 덜 민감하여 이동 탐사에 유리하다.

4. 2. 고고학

자력계는 고고 유적지, 난파선, 그리고 기타 땅속에 묻히거나 물속에 잠긴 물체를 탐지하는 데 사용된다. 특히 플럭스 게이트 경사계는 크기가 작고 비교적 비용이 저렴하여 널리 사용된다. 경사계는 땅 표면 가까운 곳의 지형을 잘 나타내며, 별도의 기준점(기지국)이 필요 없다는 장점이 있다. 세슘 자력계와 오버하우저 자력계 역시 경사계로 사용하거나, 기준점과 함께 단일 센서 시스템으로 사용할 때 매우 효과적이다.

영국의 TV 프로그램 ''타임 팀''은 고고학 조사에서 자력계를 활용하는 모습을 보여주며 '지구물리 탐사'를 대중에게 알리는 데 기여했다. 자력계는 과거 사람들이 불을 피웠던 화덕 자리, 구운 벽돌로 만든 벽, 현무암이나 화강암처럼 자성을 띤 돌 등을 찾아내는 데 쓰인다. 또한, 헝가리 대평원과 같은 곳에서는 오래된 길이나 도로의 흔적을 찾아내기도 하는데, 이는 과거 사람들이 밟고 다녀 단단해진 흙(차등 압축)이나 점토층의 변화를 자력계가 감지하기 때문이다. 다만, 밭과 같이 자기적 특성이 고르지 않은 땅은 조사 과정에서 자기 잡음(불필요한 신호)을 일으킬 수 있다.

4. 3. 군사 및 보안

플럭스게이트 자력계는 제2차 세계 대전 중 잠수함 탐지를 위해 처음 개발되었다.^[25] 현대에도 해군은 항구 등 전략적으로 중요한 지역의 해저에 자력계 배열을 설치하여 잠수함의 움직임을 감시하는 데 활용한다.^[44] 과거 소련의 알파급 잠수함은 비자성체인 티타늄으로 선체를 만들어 이러한 탐지 시스템을 무력화하려 시도하기도 했다.^[44]

군용 잠수함은 자력 이상 탐지기(MAD)나 자기장에 반응하는 기뢰 등에 의한 탐지를 피하기 위해 주기적으로 선체의 자기장을 약화시키는 감자 과정을 거친다. 그러나 잠수함의 자기장을 완전히 제거하는 것은 불가능하다. 잠수함이 받는 수압으로 선체가 변형되거나 내부의 열 발생 등으로 자기장이 변할 수 있는데, 이러한 자기장 변화를 측정하여 잠수함의 잠항 심도를 추정하기도 한다.

또한, 잠수함은 함선 등을 탐지하기 위해 긴 소나 배열을 예인하는데, 이때 플럭스게이트 자력계를 이용하여 소나 배열의 각 센서 위치를 정확히 파악하고 정렬함으로써 탐지 정확도를 높인다.

자력계는 불발탄(UXO)이나 지뢰와 같이 땅속이나 물속에 숨겨진 자성을 띤 폭발물을 탐지하는 데에도 중요한 역할을 한다.^[28] 특히 플럭스게이트 자력계(경사계)나 독일의 푀르스터(Foerster)형 자력계는 철제 탄약을 찾는 데 효과적이며, 세슘 및 오버하우저 자력계는 과거 폭격 지역이나 군사 훈련장을 탐색하고 관리하는 데 사용된다.

이 외에도 자력계는 숨겨진 무기를 탐지하거나^[38] 군사 무기 시스템을 배치하는 데에도 활용된다. 과거에는 플럭스게이트 자력계가 무기의 항법 시스템에도 사용되었으나, 현재는 GPS나 링 레이저 자이로스코프와 같은 더 정밀한 기술로 대체되었다. 무인 항공기(UAV) 탑재체에도 다양한 방어 및 공격 임무를 위해 자력계가 포함된다.

4. 4. 의료

SQUID(초전도 양자 간섭 장치)는 자기장의 극히 작은 변화를 측정할 수 있는 매우 민감한 벡터 자력계이다. 낮은 잡음 수준 덕분에 시간 영역의 생체 자기 신호 측정에 이상적이며, 특히 뇌자도(MEG)나 심자도(MCG) 측정에 사용된다.^[30]^[31]^[32]^[33] 하지만 SQUID는 작동을 위해 액체 헬륨(4.2 K)이나 액체 질소(77 K)로 냉각해야 하므로, 열역학적, 기계적, 자기적 관점에서 포장 요구 사항이 매우 엄격하고 운영이 복잡하다는 단점이 있다.

이러한 SQUID의 극저온 냉각 요구는 의료 영상과 같은 특정 응용 분야에서 단점으로 작용할 수 있다. 냉각을 위한 두꺼운 단열재가 측정하려는 생체 자기 신호의 진폭에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 최근에는 극저온 냉각이 필요 없는 원자 기체 기반의 광 펌핑 자력계(원자 자력계)가 주목받고 있다. 이 자력계는 SQUID를 대체할 가능성이 있으며, 현재 여러 스타트업 기업(TwinLeaf^[30], quSpin^[31], FieldLine^[32], Mag4Health^[33] 등)이 생물의학 응용 분야를 위한 광 펌핑 자력계를 개발하고 있다.

자력계는 이 외에도 근자도 측정 등 다양한 생체 자기장 계측 장치에 활용된다.

4. 5. 기타

자력계는 매우 다양한 분야에서 활용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

탐사 및 측정:
지구물리학: 광물 매장량 탐사, 지질 구조 파악, 판 구조론 연구 등에 사용된다. 자력계를 항공기, 헬리콥터, 사륜 오토바이(ATV), 선박 등에 장착하거나 직접 휴대하며 지표 또는 해양의 자기장 변화를 측정한다.
고고학: 고고 유적지, 난파선, 화덕, 벽돌 벽, 현무암이나 화강암과 같은 자기적 특성을 가진 돌, 과거의 도로나 경작지 흔적 등을 탐지하는 데 사용된다. 자기 탐사는 TV 프로그램 ''타임 팀'' 등을 통해 대중에게 알려지기도 했다. 플럭스 게이트 경사계, 세슘 및 오버하우저 자력계 등이 주로 사용된다.^[38]
우주 탐사: 우주선에 탑재되어 행성이나 달의 자기장을 측정하고 우주 환경을 연구하는 데 필수적인 장비이다. 마리너 2호, 마리너 10호^[49], 카시니-호이겐스^[50]^[51], 메신저, 스웜 미션^[20]^[21], GOES 등 많은 탐사선과 인공위성에 자력계가 탑재되었다.
자력계는 행성의 자기장을 측정할 수 있다.
해양 탐사: 잠수함, 침몰선 등 수중에 있는 물체를 탐지하는 데 사용된다.

산업 및 기술:
비파괴 검사: 재료의 결함이나 균열 등을 자기장을 이용하여 파괴 없이 검사하는 자기 탐상 장치에 활용된다.
기계적 응력 측정: 강자성 재료에 가해지는 기계적 응력을 측정하고 감시하는 데 사용된다. 응력은 재료 내부 자기 구역의 정렬에 영향을 미쳐 주변 자기장을 변화시키는데, 이를 측정하여 응력 상태를 파악할 수 있다.^[39]^[40]
입자 가속기: 실험 입자물리학에서 입자 빔을 제어하는 강력한 자석의 자기장을 정밀하게 측정하는 데 필수적이다.
오스트레일리아 싱크로트론의 선형 가속기(Linac)에 사용되는 사중극자 자석. 자력계는 이러한 자석의 자기장을 측정하는 데 사용된다.
센서: 비접촉 전류 센서, 엔코더와 같은 회전 센서, 각도 센서, 자동차의 잠김 방지 브레이크 센서 등 다양한 센서에 응용된다.
기타: 정보 기록 매체용 자기 헤드, 지폐 등의 진위 판정 장치, 드릴 안내 시스템, 터널 보링 머신 주변의 위험 요소 감지, 탄광 위험 감지 등에도 사용된다.

군사 및 보안:
탐지 및 감시: 대잠수함전에서 잠수함 활동을 감시하기 위해 해저에 설치된 자력계 배열에 사용된다. 러시아의 알파급 잠수함은 이러한 탐지를 피하기 위해 비자성체인 티타늄으로 선체를 제작하기도 했다.^[44] 또한 기뢰나 지뢰, 불발탄, 유독 폐기물 드럼, 은닉 무기^[38] 등을 탐지하는 데에도 활용된다.
잠수함 관련: 잠수함은 탐지를 피하기 위해 주기적으로 감자화 과정을 거치지만, 완전히 자기장을 제거하기는 어렵다. 선체에 가해지는 수압이나 온도 변화에 따른 자기장 변화를 측정하여 잠수함의 상태를 추정하기도 한다. 또한 잠수함이 예인하는 소나 배열의 각 센서 위치를 정렬하는 데에도 플럭스게이트 자력계가 사용된다.
항법: 과거에는 무기 항법 시스템에도 사용되었으나, 현재는 GPS나 링 레이저 자이로스코프로 대체되는 추세이다.
무인 항공기(UAV) 탑재: 다양한 방어 및 공격 임무를 위해 UAV 탑재체에도 자력계가 포함된다.

의료 및 생체:
생체 자기장 계측: 인체에서 발생하는 미세한 자기장을 측정하여 진단에 활용한다. 심자도(심장), 뇌자도(뇌), 근자도(근육) 등이 대표적이다.
기타: 심장 박동 모니터 등에도 활용될 수 있다.

모바일 및 IT:
스마트폰: 많은 스마트폰에는 나침반 기능을 위해 소형 미세 전자기계 시스템(MEMS) 자력계가 내장되어 있다. 예를 들어 아이폰 3GS에는 허니웰이 생산한 AN-203 자력계가 사용되었다.^[45] 3축 자력계는 스마트폰을 어떤 방향으로 잡든 정확한 측정을 가능하게 한다. 홀 효과 장치도 널리 쓰인다.^[46]
모토로라 줌 태블릿에 내장된 AKM 반도체의 3축 전자 자력계 AKM8975
3D 상호작용: 도이치 텔레콤 연구진은 스마트폰 자력계를 이용하여 자석을 쥔 손의 움직임(제스처)을 인식하여 터치 없이 기기를 조작하는 'MagiTact' 기술을 연구하기도 했다.^[47]

기타 응용:
일기 예보: 태양 활동 주기와 관련된 지구 자기장 변화를 관측하는 데 사용될 수 있다.
전파: 지구 자기장 변화가 전파 전파에 미치는 영향을 연구하는 데 활용된다.
핵자기 공명(NMR) 신호 획득.
실험실 연구: 실험실용 자력계는 시료 물질의 자화를 정밀하게 측정하여 강자성, 반강자성, 초전도 등 물질의 다양한 자기적 특성을 연구하는 데 사용된다. 온도나 외부 자기장 등 조건을 변화시키며 측정하여 상전이 현상 등을 관찰할 수 있다. 이는 물리학, 화학, 지구물리학, 지질학, 생물학 등 다양한 분야의 기초 연구에 중요하다.

참조

_[1] 웹사이트 Magnetic field measurement. http://engineering.d[...] CRC Press LLC 2014-03-29
_[2] 웹사이트 USGS FS–236–95: Introduction to Potential Fields: Magnetics http://pubs.usgs.gov[...] USGS 2014-03-29
_[3] 서적 "Commercial magnetometers and their application", in the book "Optical Magnetometry" http://ebooks.cambri[...] Cambridge University Press 2014-03-30
_[4] 논문 Advances in magnetometry http://www.if.ufrj.b[...] 2014-03-29
_[5] 웹사이트 Essentials of Paleomagnetism: Third Web Edition 2014 http://earthref.org/[...] Magnetics Information Consortium (MagIC) 2014-03-30
_[6] 서적 IAGA GUIDE FOR MAGNETIC MEASUREMENTS AND OISERVAIORY PRACTICE http://iugg.org/IAGA[...] International Association of Geomagnetism and Aeronomy 1996
_[7] 웹사이트 The Intensity of the Earth's Magnetic Force Reduced to Absolute Measurement http://21stcenturysc[...] 2009-10-21
_[8] 웹사이트 Magnetometer: The History http://www.ctsystems[...] CT Systems 2009-10-21
_[9] 웹사이트 Ferromagnetic Materials http://phareselectro[...] 2015-05-26
_[10] 논문 The Beginnings of Continuous Scientific Recording using Photography: Sir Francis Ronalds' Contribution http://www.eshph.org[...] 2016-06-02
_[11] 서적 Sir Francis Ronalds: Father of the Electric Telegraph Imperial College Press
_[12] 서적 Encyclopedia of Geomagnetism and Paleomagnetism Springer
_[13] 웹사이트 MicroMicrofabricated Optically Pumped Magnetometers to Detect Source of Seizures http://www.medgadget[...] 2017-04-17
_[14] 웹사이트 Measuring Field Strength with an Optically Pumped Magnetometer https://cdnapisec.ka[...] National Institute of Standards and Technology 2016-07-26
_[15] 웹사이트 Magnetograms https://www.bgs.ac.u[...] British Geological Survey 2022-12-05
_[16] 간행물 Requirements for obtaining high accuracy with proton magnetometers https://web.archive.[...] GEM Systems Inc. 2010-01-11
_[17] 웹사이트 A History of Vector Magnetometry in Space http://www-ssc.igpp.[...] 2012-10-25
_[18] 논문 Development of a new high sensitivity Potassium magnetometer for geophysical mapping 2008
_[19] 웹사이트 Polatomic - Welcome http://www.polatomic[...] 2022-05-11
_[20] 논문 Swarm Absolute Scalar and Vector Magnetometer Based on Helium 4 Optical Pumping 2009-09-01
_[21] 논문 In-flight performance of the Absolute Scalar Magnetometer vector mode on board the Swarm satellites 2015-04-25
_[22] 간행물 Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems http://www.ssec.hone[...] Honeywell Inc. 2012-10-21
_[23] 서적 Measurement Techniques in Space Plasmas Fields American Geophysical Union 1998
_[24] 서적 Fluxgate Magnetometers for Space Research Books on Demand 2010
_[25] 뉴스 Victor Vacquier Sr. dies at 101; geophysicist was a master of magnetics http://www.latimes.c[...] 2009-01-24
_[26] 논문 High-Sensitivity Low-Noise Miniature Fluxgate Magnetometers Using a Flip Chip Conceptual Design
_[27] URL http://www.ti.com/li[...]
_[28] 웹사이트 Landmine and UXO detection brochure – Foerster Instruments http://pdf.directind[...] 2012-10-25
_[29] 웹사이트 The Ultimate Guide to Magnetic Locators https://precisionout[...] 2024-11-10
_[30] 웹사이트 MicroSERF Twinleaf magnetometers https://twinleaf.com[...]
_[31] 웹사이트 quSpin QZFM magnetometers https://quspin.com/p[...]
_[32] 웹사이트 FieldLine website https://fieldlineinc[...]
_[33] 웹사이트 Mag4Health website https://www.mag4heal[...]
_[34] 논문 A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer 2003-02-04
_[35] 논문 Optical Magnetometry 2006
_[36] 서적 2008 IEEE International Frequency Control Symposium
_[37] 간행물 The magnetic field homogeneity of coils by means of the space harmonics suppression of the current density distribution https://hal.archives[...] 2016
_[38] 뉴스 What are magnetometers, or mags? https://www.nytimes.[...] 2024-08-07
_[39] 간행물 Solving the inverse problem of magnetisation–stress resolution http://eprints.white[...] 2013-04-07
_[40] 간행물 Residual magnetic field sensing for stress measurement 2007-04
_[41] 웹사이트 The K-index http://www.swpc.noaa[...] Space Weather Prediction Center 2009-10-21
_[42] 보고서 Aeromagnetic Survey in Afghanistan: A Website for Distribution of Data http://pubs.usgs.gov[...] United States Geological Survey 2011-08-25
_[43] 웹사이트 GMW Associates - Oil & Gas https://gmw.com/indu[...] 2022-03-16
_[44] 뉴스 The application of titanium Navy http://www.free-pres[...] 2010-09-15
_[45] 서적 Basic sensors in iOS O'Reilly 2011
_[46] 간행물 A Compass in Every Smartphone https://spectrum.iee[...] 2012-10-21
_[47] 문서 MagiTact http://portal.acm.or[...]
_[48] 웹사이트 中国科技论文在线 http://www.paper.edu[...]
_[49] 간행물 The Mission of Mariner II: Preliminary Observations – Interplanetary Magnetic Fields 1962
_[50] 웹사이트 Cassini Orbiter Instruments – MAG http://saturn.jpl.na[...] Jet Propulsion Laboratory/NASA
_[51] 간행물 The Cassini magnetic field investigation http://lasp.colorado[...] 2017-11-01
_[52] 서적 AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit Research Gate
_[53] 뉴스 Magnetometers based on diamonds will make navigation easier https://www.economis[...] 2020-07-18

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com