초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치 및 그 방법

초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치 및 그 방법{Apparatus and Method of Instantaneous Levitator Using High Temperature Superconducting Coils}

본 발명은 물체를 고속으로 부상시키거나 발사하는 장치에 관한 것이다.

물체를 특정 방향으로 추진시키기 위한 힘을 발생시켜 물체를 고속으로 부상시키는 장치는 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 특히 로켓과 같은 물체를 공중으로 부양시키기 위해서는 초기에 매우 큰 추진력이 필요하며, 그와 같은 추진력을 발생시키기 위하여 매우 큰 비용이 소모되기도 한다.

이와 같은 추진력을 발생시키는 기존의 장치로는 화학 연료의 연소를 통하여 추진력을 획득하는 장치가 있다. 그러나 이와 같은 장치는 다량의 화학 연료가 소모되고 또한 연소를 위한 특정 환경이 조성되어야 한다는 한계점이 있다. 또한 탄성체를 이용하여 추진력을 발생시키는 일반적인 방식도 고려할 수 있으나, 이와 같은 방법은 탄성체의 수명이 정해져 있고 매번 탄성체를 재설정하여야 한다는 단점이 있다.

또한 기존에 하기 선행기술문헌들과 같이 영구 자석 또는 초전도체를 이용하여 물체를 공중에 부양하는 장치들이 존재하고 있으나, 이는 고속으로 물체를 띄우기 위한 용도가 아닌 물체를 지속적으로 공중에 부양시켜 놓기 위한 목적으로 개발되어 사용되고 있는 장치들이므로, 고속 물체 부상 및 발사용으로 사용될 수는 없다는 한계점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 서로 다른 방향으로 감겨지고 서로 다른 초전도 특성을 가진 고온 초전도 코일의 쌍을 서로 평행하게 배치하고, 상기 코일의 쌍에 동일한 전류가 흐르도록 하여 각 코일에서 발생하는 자기장이 서로 상쇄되도록 하는 안정 상태에 있다가, 스위칭을 통하여 상기 코일의 쌍에 갑자기 비대칭적인 전류를 가함으로써 자기장을 발생시키고, 상기 발생된 자기장으로 인하여 플레이트에서 와전류가 유도되도록 하고, 상기 와전류로 인하여 플레이트에서 생성된 자기장이 상기 코일의 쌍에서 발생된 자기장과 상호 반발하는 힘을 이용하여 플레이트가 부상하도록 함으로써, 소량의 고온 초전도체의 코일을 이용하여 순간적으로 큰 힘을 발생시키는 고속 물체 부상 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 유형에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는, 서로 다른 방향으로 감겨지고, 서로 다른 초전도 특성을 가지고, 서로 평행하게 배치된 제1 초전도 코일부와 제2 초전도 코일부의 쌍을 구비하는 초전도체부; 상기 초전도체부에 교류의 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 초전도체부에 연결되고, 조작에 따라 회로를 개폐시키는 스위치부를 포함할 수 있다.

여기서 상기 스위치부가 켜져 상기 스위치부의 양측 회로가 연결된 경우, 상기 초전도체부는 일정한 시간 내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부는 초전도성을 가지기 위한 임계온도가 일정한 온도 이상에서 설정되는 물체인 고온 초전도체(High Temperature Superconductor)인 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부는 서로 반대 방향으로 권선되어 상기 초전도체부가 무유도성(non-inductive)을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부는 서로 다른 임계전류(critical current)와 N 계수(n value)를 가지는 초전도체이고, 병렬로 연결된 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는, 상기 초전도체부에 직렬로 연결되는 제1저항을 더 포함할 수 있고, 여기서, 상기 스위치부는 상기 제1저항과 병렬로 연결되고, 상기 스위치부가 켜지는 경우, 상기 스위치부의 양측 회로가 연결되어, 상기 스위치부가 껴져있을 때 상기 제1저항에 흐르던 전류가 상기 스위치부를 통해 연결된 회로로 흐르도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 초전도체부는 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부에 각 흐르는 전류량을 조절하기 위하여, 상기 제1 초전도 코일부에 직렬로 연결된 제1 조절저항과 상기 제2 초전도 코일부에 직렬로 연결된 제2 조절저항을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 조절저항과 상기 제2 조절조항은 상기 제1저항과 비교하였을 때, 저항 값이 일정한 비율 이하로 작은 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 스위치부가 꺼진 경우, 상기 스위치부의 양측 회로의 연결이 끊어지고, 상기 전원부에 의하여 인가되는 전압에 따라 상기 제1저항에 전류가 흐르고, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부에 일정한 기준 이하의 전류가 흘러, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부가 초전도 상태를 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 스위치부가 꺼진 경우, 상기 제1 초전도 코일부에 흐르는 전류량과 상기 제2 초전도 코일부에 흐르는 전류량이 동일하거나 양의 차이가 일정 기준 이하이고, 상기 제1 초전도 코일부가 생성하는 자기장과 상기 제2 초전도 코일부가 생성하는 자기장이 상호 상쇄되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 스위치부가 켜지는 경우, 상기 스위치부의 양측 회로가 연결되어, 상기 전원부에 의하여 인가되는 전압에 따라 상기 제1저항 대신 상기 스위치부를 통하여 연결된 회로에 전류가 흐르고, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부에 일정한 기준 이상의 전류가 흘러, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부의 초전도 상태가 깨지고, 상기 제1 초전도 코일부의 자체 저항과 상기 제2 초전도 코일부의 자체 저항은 상기 스위치부가 켜진 시점 이후로 일정 시간 동안, 서로 다른 속도로 각각의 저항값의 크기가 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 스위치부가 켜지는 경우, 상기 스위치부가 켜진 시점 이후로 일정 시간 동안, 상기 제1 초전도 코일부에 흐르는 전류량과 상기 제2 초전도 코일부에 흐르는 전류량의 차이가 일정 기준 이상이 되어, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부에 비대칭적으로 전류가 흐르고, 상기 제1 초전도 코일부가 생성하는 자기장과 상기 제2 초전도 코일부가 생성하는 자기장은 상호 상쇄되지 않아, 상기 초전도체부가 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 도체로 구성되는 플레이트부를 더 포함하고, 상기 플레이트부는 상기 초전도체부의 상기 제1 초전도 코일부 및 제2 초전도 코일부와 평행하게 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 초전도체부에서 일정한 시간 이내에 순간적으로 발생시킨 자기장으로 인하여 상기 플레이트부에 와전류(eddy current)가 발생하고, 상기 발생한 와전류로 인하여 상기 플레이트부에서 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장이 생성되고, 상기 플레이트부에서 상기 와전류로 인하여 생성된 자기장과 상기 초전도체부에서 발생한 자기장은, 서로 반대의 방향을 가지고, 상기 플레이트부와 상기 초전도체부 간에 반발력을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부와 상기 플레이트부가 서로 평행하게 위치하도록 각 위치를 고정하고, 상기 플레이트부가 상기 초전도체부 간의 반발력으로 인하여 일 방향으로 이동시, 상기 플레이트부의 움직임을 가이드하는 지지부를 더 포함할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 방법은 서로 다른 방향으로 감겨지고, 서로 다른 초전도 특성을 가지고, 서로 평행하게 배치되고, 병렬로 연결된 제1 초전도 코일부와 제2 초전도 코일부의 쌍으로 이루어진 초전도체부에 직렬로 제1저항과 교류 전원부를 연결하여, 상기 초전도 코일의 쌍이 초전도 상태를 유지하도록 전류를 흐르게 하고, 상기 초전도체부에 평행하도록 플레이트부를 위치시키는, 초전도 상태 유지 단계; 상기 제1저항의 양 측을 단락시켜, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부의 쌍에 기존에 흐르던 전류보다 많은 전류가 비대칭적으로 흐르도록 하고, 상기 초전도체부에서 일정한 시간 내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장이 발생하도록 하는 순간 자기장 발생 단계; 및 상기 초전도체부에서 발생한 자기장에 따라 상기 플레이트부에 반발력을 발생시켜 상기 플레이트부가 부상하도록 하는 물체 부상 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부는 초전도성을 가지기 위한 임계온도가 일정한 온도 이상에서 설정되는 물체인 고온 초전도체(High Temperature Superconductor)이고, 서로 반대 방향으로 권선되어 상기 초전도체부가 무유도성(non-inductive)을 가지고, 서로 다른 임계전류(critical current)와 N 계수(n value)를 가지는 초전도체인 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 초전도 상태 유지 단계는, 상기 제1 초전도 코일부에 흐르는 전류량과 상기 제2 초전도 코일부에 흐르는 전류량은 동일하거나 양의 차이가 일정 기준 이하가 되도록 하고, 상기 제1 초전도 코일부가 생성하는 자기장과 상기 제2 초전도 코일부가 생성하는 자기장은 상호 상쇄되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 순간 자기장 발생 단계는, 상기 제1저항의 양 측을 상기 제1저항에 병렬로 연결된 스위치 또는 회로를 이용하여 단락시켜, 일정한 시간 내에 순간적으로 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부에 일정한 기준 이상의 전류가 흐르도록 하고, 서로 다른 초전도 특성으로 인하여 비대칭적으로 전류가 흐르고 서로 다른 크기의 자기장을 발생시키는 상기 제1 초전도 코일부와 상기 제2 초전도 코일부를 이용하여, 상기 초전도체부가 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장을 발생시키도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 고속 물체 부상 단계는, 상기 순간 자기장 발생 단계에서 발생한 자기장으로 인하여 상기 플레이트부에 와전류(eddy current)가 발생하고, 상기 발생한 와전류로 인하여 상기 플레이트부에서 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장이 생성되고, 상기 플레이트부에서 상기 와전류로 인하여 생성된 자기장과 상기 초전도체부에서 발생한 자기장이 서로 반대의 방향을 가지고 상기 플레이트부와 상기 초전도체부 간에 반발력을 생성하여, 상기 플레이트부를 상기 반발력에 따라 이동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치에 의하면, 소량의 고온 초전도체의 코일을 이용하여 순간적으로 큰 힘을 발생시켜 물체를 공중으로 부상시키는 효과가 있다.

또한 상기 장치는 물체를 임의의 방향으로 발사시키는 장치에 있어서 추진력을 제공하는 장치로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치의 일 실시예를 나타내는 참고도이다.
도 4는 본 발명의 스위치부가 켜지는 경우, 제1 초전도 코일부와 제2 초전도 코일부의 각 자체 저항의 크기가 시간에 따라 변화하는 특성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명의 스위치부가 켜지는 경우, 제1 초전도 코일부와 제2 초전도 코일부에 각 흐르는 전류양이 시간에 따라 변화하는 특성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 본 발명의 스위치부가 켜지는 경우, 초전도체부에서 발생하는 자기장과 플레이트부에서 발생하는 자기장의 시간에 따른 변화를 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 본 발명의 스위치부가 켜지는 경우 초전도체부에서 발생하는 자기장과 플레이트부에서 발생하는 자기장 간의 상호 작용으로 인하여, 초전도체부와 플레이트부 간에 발생하는 반발력의 시간에 따른 변화를 설명하기 위한 참고도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 방법의 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치의 회로도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치의 회로도이다.

상기 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는 초전도체부(100), 전원부(200), 스위치부(300), 제1저항(400), 플레이트부(500), 지지부(600)를 포함할 수 있다. 여기서 제1저항(400), 플레이트부(500), 지지부(600)는 필요에 따라 선택적으로 추가하거나 생략할 수 있다. 예를 들면 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는 초전도체부(100), 전원부(200), 스위치부(300), 제1저항(400), 플레이트부(500), 지지부(600)를 포함할 수 있고, 또는 초전도체부(100), 전원부(200), 스위치부(300), 제1저항(400), 플레이트부(500)를 포함할 수 있고, 또는 초전도체부(100), 전원부(200), 스위치부(300), 제1저항(400)을 포함할 수 있다. 이하에서는 초전도체부(100), 전원부(200), 스위치부(300), 제1저항(400), 플레이트부(500), 지지부(600)를 모두 포함한 최적의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

초전도체부(100)는 서로 다른 방향으로 감겨지고, 서로 다른 초전도 특성을 가지고, 서로 평행하게 배치된 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 쌍을 구비한다.

여기서 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 서로 다른 초전도 특성을 가지는 권선으로 감겨져있고, 서로 다른 방향으로 감겨져 있다.

여기서 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)가 서로 평행하게 배치되었다는 것은 코일이 감기는 축의 방향이 서로 평행하다는 것을 의미한다. 예를 들면 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 도 3과 같이 서로 평행하게 배치될 수 있다.

이와 같이 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 서로 반대 방향으로 권선되어 초전도체부(100)가 무유도성(non-inductive)을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 무유도성은 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에서 각 반대 방향으로 발생하는 자기장이 상호 상쇄되기 때문에 발생하는 현상이다.

또한 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 초전도성을 가지기 위한 임계온도가 일정한 온도 이상에서 설정되는 물체인 고온 초전도체(High Temperature Superconductor)인 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들면 고온 초온도체는 30 K 이상에서 설정되는 임계온도 이하의 온도에서 초전도성을 가질 수 있다. 예를 들어 YBCO, GdBCO, BSCCO 등의 물체는 90-110 K의 임계온도 이하에서 초전도 성을 가진다.

또한 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는, 서로 다른 임계전류(critical current)와 N 계수(n value)를 가지는 초전도체인 것이 바람직하다. 즉 상기 초전도 특성은 임계전류 및 N 계수 등이 될 수 있다. 여기서 임계전류란 초전도체가 초전도성을 가지고 있는 상태에서 흘릴 수 있는 전류의 크기를 의미한다. 또한 N 계수란 임계전류와 함께 초전도체의 전기적 성질을 규정하는 계수로서, 초전도체에 걸리는 전압과 흐르는 전류 간의 관계를 나타내는 법칙인 하기 수학식 1과 같은 EJ Power Law에 있어서의 계수를 의미한다.

(여기서 Ic 는 임계전류이고, Vc 는 임계전류가 초전도체에 흐를 경우 초전도체에 걸리는 전압이고, V 는 초전도체에 걸리는 전압, I 는 초전도체에 흐르는 전류이고, n 은 상기 N 계수이다.)

상기 수학식 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 초전도체에서 흐르는 전류에 따른 전압은 지수함수 관계에 있는 바, 초전도체에 임계전류 이상의 전류가 흐르게 될 경우, N 계수가 크면 초전도체에 걸리는 전압이 급격하게 상승하게 되고, N 계수가 작으면 전압이 보다 서서히 상승하게 되는 특성을 보인다.

여기서 서로 다른 방향으로 감겨져 있고 서로 다른 초전도 특성을 가지는 초전도 코일 쌍을 이용하여 순간적인 자기장을 발생시키는 본 발명의 기본 원리에 대하여 먼저 간략히 설명한다.

서로 다른 방향으로 감겨진 초전도 코일부들 간에는 전류 인가 시 서로 다른 방향으로 자기장이 발생하게 되고, 그 결과 발생한 자기장들이 서로 크기의 차이만큼 상쇄되게 된다. 먼저 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는, 초전도 코일부의 쌍에 일정한 크기 이하의 작은 전류를 흘려보냄으로써 초전도 상태를 유지하고 또한, 서로 동일한 크기 또는 일정한 크기 이하의 전류를 흘려보냄으로써 초전도 상태 초전도 코일부의 쌍에서 발생하는 자기장을 상호 상쇄시킨다. 여기서 초전도 코일부의 쌍에 초전도 상태를 유지시키기 위하여 흘려보내는 일정한 크기의 전류량의 기준은 각 초전도 코일부의 초전도 특성에 따라 결정될 수 있다.

다음으로 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는, 초전도 코일부의 쌍에 초전도 코일의 일정한 크기 이상의 큰 전류를 흘려보냄으로써 초전도 코일부의 초전도 상태를 깨뜨린다. 여기서 초전도 코일부의 쌍에 초전도 상태를 깨뜨리기 위하여 흘려보내는 일정한 크기의 전류량의 기준은 각 초전도 코일부의 초전도 특성 중 임계전류의 특성에 따라 결정될 수 있다. 즉 여기서 초전도 코일부의 쌍에 초전도 코일의 임계전류 이상의 큰 전류를 흘려보냄으로써 초전도 코일부의 초전도 상태를 깨뜨릴 수 있다. 이때 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 초전도 특성이 서로 다름으로 인하여, 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 각 저항값이 달라지고, 그 결과 각 초전도 코일부에서 흐르는 전류량이 달라지게 된다. 그리고 이로 인하여 각 초전도 코일부가 발생시키는 자기장의 크기도 달라진다. 이에 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에서 각 발생한 자기장이 상호 모두 상쇄되지 아니하여, 초전도체부(100)에서는 순간적으로 일 방향으로 일정한 크기 이상의 자기장이 발생하게 된다.

본 발명은 초전도 코일의 쌍에 평행하게 플레이트부(500)를 위치시키는데, 이 경우 플레이트부(500)에서는 상기 초전도체부(100)에서 발생한 순간적인 자기장으로 인하여 와전류(eddy current)가 유도되고, 그 결과 플레이트부(500)에서도 상기 와전류에 따른 자기장이 발생하게 된다. 이때 초전도체부(100)에서 발생한 자기장과 플레이트부(500)에서 상기 발생한 자기장은 서로 다른 방향으로 형성되는 관계로, 상호 간에 반발하게 된다.

따라서 위와 같이 상호 반발하는 초전도체부(100)에서 발생한 자기장과 플레이트부(500)에서 상기 발생한 자기장으로 인하여, 초전도체부(100)와 플레이트부(500) 간에 반발력이 생성되고, 이로 인하여 플레이트부(500)가 일 방향으로 밀리게 되는 것이다.

이상과 같은 본 발명의 기본 원리에 따른 본 발명의 각 구성의 동작에 관하여는 아래에서 보다 상세히 설명한다.

다음으로 초전도체부(100)의 구성 및 동작에 대하여 다시 설명하다.

초전도체부(100)의 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 회로적으로 병렬로 연결되는 것이 바람직하다. 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 병렬로 연결됨으로써, 동일한 크기의 전압을 인가받게 된다. 그리고 그 결과 각 초전도 코일부의 초전도 상태가 깨졌을 경우, 양 코일 간의 초전도 특성의 차이와 그에 따른 초전도 코일의 자체 저항의 차이에 따라, 서로 다른 크기의 자기장이 각 코일에서 발생하게 된다.

또한 초전도체부(100)는 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 각 흐르는 전류량을 조절하기 위하여, 제1 초전도 코일부(110)에 직렬로 연결된 제1 조절저항(130)과 제2 초전도 코일부(120)에 직렬로 연결된 제2 조절저항(140)을 포함할 수 있다.

여기서, 제1 조절저항(130)과 제2 조절조항(140)은 아래에서 설명할 제1저항(400)과 비교하였을 때, 저항 값이 일정한 비율 이하로 작은 것이 바람직하다. 여기서 상기 일정한 비율은 초전도체부(100)에 충분히 큰 전류가 흘러 무유도성이 깨질 수 있게 하는 1:1000 내지 1:10000 등의 작은 비율 값이 되는 것이 바람직하다.

전원부(200)는 초전도체부(100)에 교류의 전원을 공급한다.

이때 전원부의 양측 또는 제1저항(400)의 양측 중 어느 하나의 일측이 접지된 것이 바람직하다.

스위치부(300)는 초전도체부(100)에 연결되고, 조작에 따라 회로를 개폐시킨다.

여기서 스위치부(300)는 조작에 따라 회로를 단락시켜 초전도체부(100)에 흐르는 전류의 양을 순간적으로 증가시키기 위하여 사용된다.

여기서 스위치부(300)가 켜져 스위치부(300)의 양측 회로가 연결된 경우, 초전도체부(100)는 일정한 시간 내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장을 발생시킨다.

예를 들면 초전도체부(100)는 수 또는 수십 밀리세컨드 이내에 전원부(200)의 전압 인가량과 제1 초전도 코일(110) 및 제2 초전도 코일(120)의 초전도 특성에 따라 결정되는 일정한 양 이상의 자기장을 발생시킬 수 있다.

제1저항(400)은 초전도체부(100)에 직렬로 연결될 수 있다.

여기서 스위치부(300)는 제1저항(400)과 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.

그리고 여기서 스위치부(300)가 켜지는 경우, 스위치부(300)의 양측 회로가 연결되어, 스위치부(300)가 껴져있을 때 제1저항(400)에 흐르던 전류가 스위치부(300)를 통해 연결된 회로로 흐르도록 한다. 즉 스위치부(300)가 켜지는 경우 제1저항(400)의 양 측이 연결됨으로써, 기존에 제1저항(400)을 통과하여 흐르던 전류가, 저항이 없는 스위치부(300)를 통해 연결된 회로로 흐르게 된다.

이상과 같은 스위치부(300)와 제1저항(400)의 구성은 순간적으로 많은 양의 전류가 초전도체부(100)에 흐르도록 한다. 즉 제1 조절저항(130) 및 제2 조절저항(140)의 크기가 제1저항(400)의 크기보다 일정한 비율 이하로 작도록 하는 경우, 스위치부(300)가 꺼진 상태에서 전원부(200)에 의하여 인가되는 전압은 대부분 초전도체부(100)가 아닌 제1저항(400)에 인가된다. 또한 제1 초전도 코일부(110) 및 제2 초전도 코일부(120)의 초전도상태가 유지되도록, 초전도체부(100)에 흐르는 전류의 양을 조절하기 위하여, 제1저항(400)이 일정한 크기 이상의 저항값을 가지도록 설정할 수 있다. 그런데 위와 같이 스위치부(300)가 꺼진 상태에 있다가, 스위치부(300)를 켜게 되면, 제1저항(400)에 인가되었던 전압이 모두 초전도체부(100)에 인가되게 되고, 그 결과 초전도체부(100)에 순간적으로 큰 전류가 흐르게 된다.

플레이트부(500)는 초전도체부(100)의 제1 초전도 코일부(110) 및 제2 초전도 코일부(120)와 평행하게 위치하는 것이 바람직하다.

여기서 플레이트부(500)는 도 3과 같이 제1 초전도 코일부(110) 및 제2 초전도 코일부(120)와 평행하게 위치할 수 있다. 즉 제1 초전도 코일부(110) 및 제2 초전도 코일부(120)에서 코일이 감기는 축의 방향과 플레이트부(500)의 판의 중심에서 판에 수직한 중심축의 방향이 서로 평행하게 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는 지지부(600)를 더 포함할 수 있다.

여기서 지지부(600)는 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)와 플레이트부(500)가 서로 평행하게 위치하도록 각 위치를 고정하고, 아래에서 설명할 바와 같이, 플레이트부(500)가 초전도체부(100) 간의 반발력으로 인하여 일 방향으로 이동시, 플레이트부(500)의 움직임을 가이드하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치의 일 실시예를 나타내는 참고도이다.

도 3을 참조하면 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는, 하단부에 제1 초전도 코일(110)과 제2 초전도 코일(120)을 서로 평행하게 위치하도록 구비할 수 있다. 여기서 제1 초전도 코일(110)과 제2 초전도 코일(120)은 도 2와 같이 서로 다른 방향으로 감겨있다. 그리고 플레이트부(500)는 제1 초전도 코일(110)의 상부에 평행하게 위치할 수 있고, 상술한 플레이트부(500)와 초전도체부(100)간에 발생하는 반발력에 의하여 순간적으로 공중으로 부상할 수 있다. 이때 지지부(600)는 제1 초전도 코일(110)과 제2 초전도 코일(120)과 플레이트부(500) 간에 평행성이 유지되도록 각 부위를 지지할 수 있다.

본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치는 스위치부(300)와 제1저항(400)을 이용하여 선택적으로 단락 회로를 구성하여 상술한 바와 같이 초전도체부(100)에 공급되는 전압 및 전류를 조절함으로써, 초전도체부(100)에서 일정한 시간 내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장이 발생되도록 한다.

다음으로는 스위치부(300)가 켜지고 꺼진 경우, 즉 스위치가 켜져 스위치가 연결하는 양 측 회로가 연결되는 경우와 스위치가 꺼져 스위치가 연결하는 양 측 회로가 끊어지는 경우 각각에 대하여, 도면을 참고하면서 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치의 동작을 자세히 설명한다.

먼저 스위치부(300)가 꺼진 경우를 설명한다.

스위치부(300)가 꺼진 경우, 스위치부(300)의 양측 회로의 연결이 끊어지고, 전원부(200)에 의하여 인가되는 전압에 따라 제1저항(400)에 전류가 흐른다.

이때 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 일정한 기준 이하의 전류가 흘러, 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)가 초전도 상태를 유지할 수 있다. 여기서 상기 일정한 기준 이하의 전류는 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 임계전류 이하의 작은 전류인 것이 바람직하다.

이 경우 제1 초전도 코일부(110)에 흐르는 전류량과 제2 초전도 코일부(120)에 흐르는 전류량이 동일하거나 양의 차이가 일정 기준 이하가 된다.

그리고 그에 따라, 제1 초전도 코일부(110)가 생성하는 자기장과 제2 초전도 코일부(120)가 생성하는 자기장이 상호 상쇄되는 것을 특징으로 한다.

즉 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 모두 초전도 상태에 있으므로 저항이 0에 가까운 매우 작은 상태이고, 그 결과 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에는 병렬로 동일하게 연결된 회로의 특성에 따라 동일한 크기의 전류량이 흐르게 된다. 이때 회로의 미세한 특성 차이로 인하여 각 코일부에 흐르는 전류량이 달라질 수 있는데, 이와 같은 현상은 각 초전도 코일부에 조절저항을 직렬로 연결함으로써 조절할 수 있다. 즉 제1 초전도 코일부(110)에 제1 조절저항(130)을 직렬로 연결하고, 제2 초전도 코일부(120)에 제2 조절저항(140)을 직렬로 연결하고, 초전도 상태에서 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 동일한 크기의 전류가 흐를 수 있도록 제1 조절저항(130)과 제2 조절저항(130)의 크기를 각 조절할 수 있다. 그 결과 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에서 각 발생하는 자기장은 서로 같은 크기를 가지거나 그 차이가 일정한 크기 이하로 거의 같은 크기를 가지게 되고, 또한 서로 반대방향을 가지는 특성을 가지게 되어, 상술한 바와 같이 상호 상쇄된다.

다음으로는 스위치부(300)가 켜지는 경우를 설명한다.

스위치부(300)가 켜지는 경우, 스위치부(300)의 양측 회로가 연결되어, 전원부(200)에 의하여 인가되는 전압에 따라 제1저항(400) 대신 스위치부(300)를 통하여 연결된 회로에 전류가 흐른다.

이때 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 일정한 기준 이상의 전류가 흘러, 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 초전도 상태가 깨지게 된다. 상술한 바와 같이 이 때 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에는 각 코일부의 임계전류 이상의 전류가 흘러 각 코일의 초전도 상태가 깨지게 될 수 있다. 즉 스위치가 켜져 초전도 코일부의 쌍에 초전도 상태를 깨뜨리도록 흘려보내지는 일정한 크기의 전류량의 기준은 각 초전도 코일부의 초전도 특성 중 임계전류의 특성에 따라 결정될 수 있다.

그리고 그에 따라, 제1 초전도 코일부(110)의 자체 저항과 제2 초전도 코일부(120)의 자체 저항은 스위치부(300)가 켜진 시점 이후로 일정 시간 동안, 서로 다른 속도로 각각의 저항값의 크기가 증가하게 된다.

도 4는 본 발명의 스위치부(300)가 켜지는 경우, 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 각 자체 저항의 크기가 시간에 따라 변화하는 특성을 설명하기 위한 참고도이다.

도 4를 참조하면, 0.1초의 지점에서 스위치부(300)가 켜지는 경우 순간적으로 고전류가 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 흐르게되어 각 초전도 코일부의 초전도 상태가 깨지게 되는데, 이 경우 각 초전도 코일부는 초전도 특성이 다른 관계로 시간에 따라 저항값이 증가하는 기울기가 도 4와 같이 달라진다.

이 경우 제1 초전도 코일부(110)에 흐르는 전류량과 제2 초전도 코일부(120)에 흐르는 전류량의 차이가 일정 기준 이상이 되어, 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 비대칭적으로 전류가 흐르게 된다.

도 5는 본 발명의 스위치부(300)가 켜지는 경우, 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 각 흐르는 전류량이 시간에 따라 변화하는 특성을 설명하기 위한 참고도이다.

병렬로 연결된 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 도 4와 같이 서로 다른 저항값을 가지는 관계로, 동일한 크기로 인가된 전압에 따라 도 5와 같이 서로 다른 전류를 흘리게 된다.

그리고 이로 인하여 제1 초전도 코일부(110)에서 생성되는 자기장과 제2 초전도 코일부(120)에서 생성되는 자기장의 크기에 차이가 발생하게 된다. 즉 초전도 코일부 간에 흐르는 전류의 양이 상이함으로 인하여 각 초전도 코일부에서 발생하는 자기장의 크기 값이 서로 다르게 되는 것이다.

여기서 제1 초전도 코일부(110)가 생성하는 자기장과 제2 초전도 코일부(120)가 생성하는 자기장은 상호 상쇄되지 않고, 그 결과 초전도체부(100)가 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장을 발생시키게 된다.

다음으로는 이상과 같이 초전도체부(100)에서 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장으로 인하여 플레이트부(500)에 반발력이 가해지는 동작에 대하여 설명한다.

플레이트부(500) 도체로 구성되는 것이 바람직하다.

예를 들면 플레이트부(500)는 알루미늄으로 구성될 수 있다.

여기서 플레이트부(500)는 초전도체부(100)의 제1 초전도 코일부(110) 및 제2 초전도 코일부(120)와 평행하게 위치하는 것이 바람직하다.

여기서 초전도체부(100)에서 위와 같이 일정한 시간 이내에 순간적으로 발생시킨 자기장으로 인하여, 플레이트부(500)에 와전류(eddy current)가 발생하게 된다.

그리고 상기 발생한 와전류로 인하여 플레이트부(500)에서 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장이 생성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 스위치부(300)가 켜지는 경우, 초전도체부(100)에서 발생하는 자기장과 플레이트부(500)에서 발생하는 자기장의 시간에 따른 변화를 설명하기 위한 참고도이다.

도 6을 참조하면, 스위치부(300)가 켜진 시점 이후로 초전도체부(100)에서 발생하는 자기장의 크기가 증가하고, 그에 따라 플레이트부(500)에서 발생하는 자기장의 크기도 함께 증가함을 확인할 수 있다. 여기서 보다 정확하게는 초전도체부(100)에서 발생하는 자기장은 초전도체부(100)의 중심부의 자기장을 의미하고, 플레이트부(500)에서 발생하는 자기장은 플레이트부(500)의 중심부의 자기장을 의미할 수 있다.

이때 플레이트부(500)에서 상기 와전류로 인하여 생성된 자기장과 초전도체부(100)에서 발생한 자기장은, 서로 반대의 방향을 가지게 된다. 그 결과 플레이트부(500)에서 상기 와전류로 인하여 생성된 자기장과 초전도체부(100)에서 발생한 자기장은 플레이트부(500)와 초전도체부(100)간에 반발력을 생성한다.

여기서 상기 반발력은 하기 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.

(여기서 F는 상기 반발력이고,

여기서

도 7은 본 발명의 스위치부(300)가 켜지는 경우 초전도체부(100)에서 발생하는 자기장과 플레이트부(500)에서 발생하는 자기장 간의 상호 작용으로 인하여, 초전도체부(100)와 플레이트부(500)간에 발생하는 반발력의 시간에 따른 변화를 설명하기 위한 참고도이다.

이와 같이 플레이트부(500)에 대하여 발생한 반발력으로 플레이트부(500)는 일방향으로 밀려나 이동하게 된다. 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 물체 부상 장치는, 플레이트부(500)에 물체를 위치시키거나, 힘을 가하고자 하는 물체에 플레이트부(500)를 포함시킴으로써, 초전도체부(100)와 플레이트부(500)간에 발생하는 반발력을 이동시키고자 하는 물체에 가할 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 방법의 흐름도이다.

상기 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 방법은 초전도 상태 유지 단계(S100), 순간 자기장 발생 단계(S200), 물체 부상 단계(S300)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 방법은 도 1을 참조하면서 위에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 장치가 동작하는 방식과 동일한 방식으로 동작할 수 있다. 이에 중복되는 부분은 생략하고 간략히 서술한다.

초전도 상태 유지 단계(S100)는 서로 다른 방향으로 감겨지고, 서로 다른 초전도 특성을 가지고, 서로 평행하게 배치되고, 병렬로 연결된 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 쌍으로 이루어진 초전도체부(100)에 직렬로 제1저항(400)과 교류 전원부(200)를 연결하여, 상기 초전도 코일부의 쌍이 초전도 상태를 유지하도록 전류를 흐르게 하고, 초전도체부(100)에 평행하도록 플레이트부(500)를 위치시킨다.

순간 자기장 발생 단계(S200)는 제1저항(400)의 양 측을 단락시켜, 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)의 쌍에 기존에 흐르던 전류보다 많은 전류가 비대칭적으로 흐르도록 하고, 초전도체부(100)에서 일정한 시간 내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장이 발생하도록 한다.

물체 부상 단계(S300)는 초전도체부(100)에서 발생한 자기장에 따라 플레이트부(500)에 반발력을 발생시켜, 플레이트부(500)가 부상하도록 한다.

여기서 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 초전도성을 가지기 위한 임계온도가 일정한 온도 이상에서 설정되는 물체인 고온 초전도체(High Temperature Superconductor)이고, 서로 반대 방향으로 권선되어 상기 초전도체부가 무유도성(non-inductive)을 가지는 것이 바람직하다.

또한 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)는 서로 다른 임계전류(critical current)와 N 계수(n value)를 가지는 초전도체인 것이 바람직하다.

다음으로는 상기 본 발명에 따른 초전도 코일을 사용한 고속 물체 부상 방법의 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.

초전도 상태 유지 단계(S100)는, 제1 초전도 코일부(110)에 흐르는 전류량과 제2 초전도 코일부(120)에 흐르는 전류량은 동일하거나 양의 차이가 일정 기준 이하가 되도록 하고, 제1 초전도 코일부(110)가 생성하는 자기장과 제2 초전도 코일부(120)가 생성하는 자기장은 상호 상쇄되도록 한다.

순간 자기장 발생 단계(S200)는, 제1저항(400)의 양 측을 제1저항(400)에 병렬로 연결된 스위치 또는 회로를 이용하여 단락시켜, 일정한 시간 내에 순간적으로 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)에 일정한 기준 이상의 전류가 흐르도록 한다. 그리고 서로 다른 초전도 특성으로 인하여 비대칭적으로 전류가 흐르고 서로 다른 크기의 자기장을 발생시키는 제1 초전도 코일부(110)와 제2 초전도 코일부(120)을 이용하여, 초전도체부(100)가 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장을 발생시키도록 한다.

물체 부상 단계(S300)는, 순간 자기장 발생 단계(S200)에서 발생한 자기장으로 인하여 플레이트부(500)에 와전류(eddy current)가 발생하고, 상기 발생한 와전류로 인하여 플레이트부(500)에서 일정한 시간 이내에 순간적으로 일정한 양 이상의 자기장이 생성되도록 한다. 그리고 플레이트부(500)에서 상기 와전류로 인하여 생성된 자기장과 초전도체부(100)에서 발생한 자기장이 서로 반대의 방향을 가지고 플레이트부(500)와 초전도체부(100) 간에 반발력을 생성하여, 플레이트부(500)를 상기 반발력에 따라 이동하도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.

또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 초전도체부
110 : 제1 초전도 코일부
120 : 제2 초전도 코일부
130 : 제1 조절저항
140 : 제2 조절저항
200 : 전원부
300 : 스위치부
400 : 제1저항
500 : 플레이트부
600 : 지지부
S100 : 초전도 상태 유지 단계
S200 : 순간 자기장 발생 단계
S300 : 물체 부상 단계