• 본 특허는 복수의 검출 빔을 이용하여 검출 빔이 지나는 지점들에 대한 자기장을 검출하고 이를 이용하여 원자스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 보정하는 기술임

• 본 특허는 원자스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 보정하여 센서 민감도를 결정하는 기술로 자기장 기울기를 일정하게 유지하여야 하는 분야에 적용 가능함

∨항공, 항해, 무인 이동체, 드론, 로봇 등의 양자 네비게이션 기술 ∨위성에 의존하지 않는 위치확인 시스템

∨양자 결맞음을 이용한 물리량 생성

• 자기장의 기울기 변화는 스핀 세차 운동의 결맞음(coherence)를 저해하며 민감도를 결정하는 시간을 줄일 수 있으므로 원자스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 일정하게 유지시키는 기술 개발이 필요함

• 복수의 검출 빔이 통과되며 계산된 자기장의 크기를 통해 자기장 기울기를 파악하고, 코일에 공급되는 전류를 제어함으로써 자기장 기울기를 보정하여 일정한 기울기 유지가 가능함

• 본 특허에 따른 원자스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 보정하는 방법은 아래 그림과 같이 원자가스 셀에 여러 개의 검출 빔을 조사(irradiation)하고 이를 통해 각 검출빔의 패러데이 회전을 측정함으로 이루어짐

• 이를 위해 포토다이오드 배열을 이용하여 검출 빔의 세기를 측정하고 균형 검파를 수행하여 자기장의 크기를 산출함

• 검출 빔들이 통과하는 검출지점에서 검출 빔들 각각에 대응하는 자기장들을 구하여, 산출된 자기장의 크기를 검출지점 간 거리로 나누어 자기장 기울기를 결정함

• 이후 결정된 자기장 기울기에 따라 z-축 기울기 보상 코일(z-gradient coil)에 공급되는 전류를 제어하여 상쇄하기 위한 자기장을 형성하고, 이를 통해 원자스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 일정하게 유지함. 이때, 원자스핀 자이로스코프는 자기장 기울기가 0이 되도록 전류를 제어할 수 있음

• 양자 센싱 기술은 양자화된 에너지 상태 혹은 양자 상관 관계를 이용하여 관심 물리량을 정밀하게 측정하는 기술로 원자시계, 자기장 센서, 중력계, 자이로스코프 등에 적용되고 있음

• 최근 자이로스코프는 미세전자기계시스템(MEMS, Microelectromechanical systems) 기술을 적용해 초소형 전자부품으로 생산되어 태블릿, 스마트폰 등의 전자기기에 널리 사용되고 있으며, 전력 소비가 낮고 소형이고 가격대가 낮은 고성능 MEMS 자이로스코프를 개발하고 있음

• MEMS 자이로스코프는 카메라 성능을 향상시키는 광학식 손떨림 방지(OIS, Optical Image Stabilization) 기능을 추가하고, 사용이 편리한 사용자 인터페이스, 더욱 흥미로워진 엔터테인먼트 기능의 게임을 비롯해서 GPS Assistance 등의 새로운 애플리케이션들이 가능하게 되었음

• 또한 MEMS 자이로스코프를 관성항법에 적용하기 위해 크기 및 소모전력을 줄이면서 항법 순준의 성능을 보유한 자이로스코프의 개발이 요구되고 있고, 이를 위한후보기술로 양자 센싱 기술이 적용된 원자스핀 자이로스코프 기술이 연구되고 있음 

• 양자 센싱 기술은 원자시계, 원자자기장 센서, 원자중력계 등 상당 수준 개발되어 GPS 시스템, 자원 탐사 등에 적용이 이루어지고 있음

• 자이로스코프를 이용한 자이로 센서는 물체의 회전속도인 각속도 값을 이용하여 가속도 센서와 함께 동작인식에 사용되며, 모션 센서로는 MEMS 자이로가 주로 이용되고 있음

• 2019년 1조 원 가량이었던 양자 센서 세계 시장 규모는 10년 후인 2028년에는 약 2.5조원 규모로 성장할 것으로 기대됨. 양자자력계, 원자시계 등이 양자 센서 시장을 주도할 것으로 예상되는 가운데, 양자 센서는 항해/운송, 의료 등을 중심으로 산업, 의료전반에 걸쳐 수요가 증가할 것으로 예상됨

• 특히, 우리나라의 경우 연구재단, IITP 주관으로 양자 기술 전 분야에서 약 5년간 총 1,000억 원 가량의 지원이 이루어질 예정이며, 중력계, 자력계, 이미징, 광원 등 5개 양자 센싱 프로젝트를 진행 중에 있음