초전도 재료의 전자공학 응용과 기술개발 전망

한국표준과학연구원 책임연구원   朴容基 ( super203@kriss.re.kr )

  지구자기장의 100억 분의 1정도로 작은 생체자기신호를 감지하는 초전도양자간섭장치(SQUID), IMT-2000이나 차세대 위성통신 등에 사용될 초고효율 마이크로파 소자, 기존의 반도체 소자에 비하여 100배 이상의 작동속도를 가지면서도 소비전력은 1,000분의 1 이하인 새로운 논리소자, 광자(光子, photon) 하나에 의해 유발된 현상까지도 감지할 수 있는 초고감도 검출기 등의 전자소자나 장치들은 더 이상 상상 속에서만 존재하는 장치가 아니다. 이러한 극한의 효율과 성능을 지닌 전자소자들이 초전도 재료를 이용함으로써 현실 세계 속으로 태어나고 있으며 앞으로 우리의 생활을 바꾸어 놓을 중요한 기술로서 연구개발 되고 있다.

1911년 네델란드의 카메링 오네스가 수은에서 초전도 현상을 처음 발견한 이래 초전도 재료의 무한한 응용가능성이 제안되고 연구개발 되어 왔다. 1987년 액체질소로 냉각하여도 초전도성을 나타내는 고온초전도 물질이 발견되면서 초전도 응용기술의 경제성과 실현 가능성이 한층 더 높아지게 되었으며 새로운 응용분야도 출현하게 되어 세계적인 기술개발의 열기가 달아오르게 되었다.

현재 활발하게 연구 개발되고 있는 초전도 재료의 전자공학적인 응용 분야는 다음의 4가지로 나눌 수 있다.

1. 초전도 양자 간섭장치 (SQUID)
2. 무선 통신 및 마이크로파 소자
3. 초고속 단자속 양자 논리소자(RSFQL)
4. 고효율 검출기

1. 초전도 양자 간섭장치 (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)
   SQUID는 인류가 만든 자기 센서 중 감도가 가장 뛰어난 센서이다. 수 펨토 테슬러(10^-15 T)의 자기 감도를 가지고 있어 지구 자기장(약 50 마이크로 테슬러)의 100억 분의 1 정도로 작은 자기 신호까지 검출할 수 있다. SQUID의 주요 응용분야로는 다음과 같은 것들이 있다.

• 뇌자도(腦磁圖, MEG) 측정장치
  뇌에서 발생하는 극미세한 자기 신호를 측정함으로써 뇌의 기능을 이해하고 뇌 질환을 진단할 수 있게 하는 장치이다. 뇌에서 발생하는 자기 신호는 대단히 작기 때문에 아직은 저온초전도 SQUID 시스템을 사용해야만 측정이 가능하며 미국, 캐나다, 일본 등의 회사에서 이미 상용화된 장비가 판매되고 있다. 미국 등에서는 이미 간질 등 뇌기능 이상 진단에 있어 중요한 수단의 하나로 인정되고 있으며 뇌 과학 및 인지과학 연구에서도 중요한 연구 수단이 되고 있다. 앞으로 5년 내지 10년 사이에 병원 등에서 넓게 보급되어 활용될 것으로 예상되고 있다.
• 심자도(心磁圖, MCG) 측정장치
  심장에서는 뇌에 비해 100 배정도의 큰 생체자기 신호가 발생한다. 이를 측정함으로써 부정맥에 의한 돌연사 조기 진단이나 태아 심장 기능의 이상 유무를 기존의 심전도보다 정밀하게 측정할 수 있는 진단장치를 개발할 수 있다. 현재 저온초전도 및 고온초전도 SQUID 장치가 개발되고 있으며 초보적인 임상연구가 진행되고 있다. 보다 간편하고 저렴한 측정장치의 개발이 요구되고 있으며 앞으로 5년 내지 10년 사이에 병원에서 사용될 본격적인 진단장치의 상업화가 이루어 질 것으로 예측된다.
• 비파괴 평가 장치
  항공기나 대형 구조물 등의 결함 탐지나 제조업, 재료 공정 산업 및 반도체 생산라인 등의 품질관리에서도 SQUID는 기존의 기술로는 측정이 어려운 일부 분야에서 새로운 가능성을 제시하고 있다. 고온초전도 SQUID를 이용한 휴대용 시스템은 앞으로 1년에서 5년 사이에 본격적인 상업화가 이루어 질 것으로 보인다.
• 기타 장치
  저온초전도 SQUID를 이용한 자력계는 이미 널리 보급되어 재료의 자기적 특성 측정에 사용되고 있으며, SQUID 현미경, 고감도 DNA및 항체 검사 등의 새로운 응용기술들이 개발되고 있다. 이 밖에도 지하수, 유전 및 광물 탐사 등을 위한 장치가 개발되고 있으며 폭발물 탐지 및 잠수함 탐지 등 군사적 응용분야도 연구 개발되고 있다.

2. 무선 통신 및 마이크로파 소자
   고온초전도 재료는 표면저항이 대단히 낮아 고온초전도 박막을 이용해 마이크로파 소자를 제작하게 되면 기존의 금속이나 반도체 혹은 유전체로 제작된 소자에 비해 크기 및 성능 면에서 월등히 우수하다. 무선 통신에 있어 기지국에 고온초전도 소자를 사용하게 되면 한 기지국의 서비스 면적이 넓어지고, 간섭이 줄어들게 되어 통화 품질을 향상시키며 송신기의 출력을 낮출 수 있어 고온초전도 필터는 고온초전도 전자소자 분야에 있어 첫 번째 대규모 실용기술이 될 전망이다.

미국의 STI, Conductus, Illinois Superconductor 등이 앞서 있으며, 스웨덴의 Erickson, 일본의 NEC나 한국의 LG 등과 같은 대기업들과 벤처기업들의 적극적인 참여가 시도되고 있다. 만일 IMT-2000이 2002년도에 본격적으로 시작된다면 2002년에는 기지국용 필터의 전세계 시장규모는 7억 8천만불 정도로 예측되며, 앞으로 이 중 5억 5천만불 정도가 고온초전도필터에 의해 점유될 것으로 전망하는 기업도 있다.

이 밖에도 초고속 데이터 통신을 위한 고온초전도 필터, 저 잡음 발진기 및 신호처리 장치 등이 군사용 레이더, 위성통신 등에 사용되기 위해 개발되고 있다.

3. 초고속 단자속 양자 논리소자(RSFQL)
   IT 산업 발달의 가속화로 수십 GHz이상의 초고속 전자소자가 요구되게 되었다. 이에 따라 초고속 반도체 소자 개발이 진행되고 있으나 현재까지 개발된 0.18 ㎛ 선폭을 사용할 경우 약 2 GHz 정도의 속도를 얻을 수 있을 것으로 보고 있으며, 0.1 ㎛ 이하의 선폭을 갖는 칩이 개발될 경우에도 칩의 속도는 4 GHz의 속도에 다다른 후 그 이상의 속도를 얻기는 쉽지 않을 것으로 예측된다. 그러나 0.1 ㎛ 이하의 선폭을 갖는 나노 구조의 공정이 용이하지 않을 뿐만 아니라 반도체 초고집적 회로에서의 과도한 전력 소모도 해결해야할 큰 과제 중 하나이다.

그러나 초전도 조셉슨 접합을 이용한 초고속 단자속양자(Rapid Single Flux Quantum; RSFQ)소자는 초전도 상태에서 미세한 전력으로 단자속양자의 상태를 변환시켜 빠른 전환 속도로 작동되기 때문에, 기존의 반도체 소자에 비하여 100배 이상의 작동속도를 가지면서도 소비전력은 1,000분의 1 이하로 작다. 이와 같은 초고속 초전도 디지털 전자소자를 이용하면 앞으로 현재의 슈퍼컴퓨터 수준의 성능을 가지는 탁상용 컴퓨터가 출현할 것으로 예상하고 있으며 미국에서는 2010년까지 초당 10¹⁵ 부동소수점을 처리할 수 있는 페타플롭스(petaFLOPS) 컴퓨터개발을 목표로 저온초전도 소자를 기반으로한 초기 연구가 진행중이다. (참고로 페타플롭스 컴퓨터는 3차원 그래픽 연산에서 32 ∼ 36 MFLOPS의 성능을 나타내는 펜티엄 133 MHz 프로세서에 비해 1억배의 속도이며, 미국 정부에서 핵실험 시뮬레이션 등을 위해 수행하는 ASCI 프로젝트의 일환으로 설치한 세계 최고속 컴퓨터인 Intel사의 ASCI Red(9,472개의 프로세서, 2.1 TFLOPS)보다도 1,000배가 빠르다.)

이러한 소자를 개발하기 위해서는 칩당 10만 내지 100만 개의 초전도 소자를 집적할 수 있어야 하는데 현재 개발된 저온초전도 접합제작 기술을 사용할 경우 1만 내지 10만 개의 접합을 집적할 수 있으며 고온초전도체의 경우 칩 당 100개 미만의 접합 수준에 머물러 있다. 작동속도와 냉각 측면에서는 고온초전도체가 저온초전도체에 비해 유리하나 디바이스 수준의 고온초전도 접합제작이 어려워 현재로서는 응용을 위한 연구에서 저온초전도 접합이 주류를 이루고 있다. 이러한 초전도 소자를 작동시키기 위한 적절한 냉각장치의 개발 또한 초전도 디지털 소자의 실용화를 위해서는 해결되어야 할 중요한 연구과제이다.

4. 고효율 검출기 및 조셉슨 접합 소자
   현재 전압표준은 초전도 조셉슨 접합을 이용한 전압표준기에 의해 유지되고 있는데, 저온초전도 접합을 이용한 전압표준기의 경우 이미 미국의 HYPRES나 독일의 PREMA 등에 의해 상용장치가 제작되고 있다. 프로그램이 가능한 저온초전도 전압표준기의 경우 앞으로 3내지 5년 사이에 상용화가 가능할 것으로 보이며 고온초전도 접합을 이용한 간이형 전압표준기도 5년 내지 10년 사이에 개발될 것으로 보인다.

저온초전도체를 사용하는 믹서와 검출기는 이미 전파 천문 분야에서는 사용되고 있다. 적외선 검출을 위한 저온초전도 및 고온초전도 볼로미터, 입자 검출기 및 단일 광자 검출기 등이 개발되고 있다. 고 분해능의 X-선 형광분석기와 질량분석기가 이미 개발되어 앞으로 3년 이내에 상업화가 이루어질 것으로 보인다. 특히 미국의 NIST에서는 기존의 Si(Li) 검출기의 에너지 분해능보다 10배가 우수한 저온초전도체를 이용한 X-선 형광 분석기를 개발하여 기존의 주사전자현미경(SEM)에 장착되는 단계에 와 있어 가시적인 시장을 형성하기 시작하고 있다.

5. 맺음말
   세계 초전도 산업 정상들의 모임(ISIS)에서 추정한 2010년도의 초전도 세계 시장은 370억 달러이며 이 중 초전도 전자소자는 반 정도를 차지하고 있다. 이에 반해 2001년 12월에 발표된 유럽의 초전도 산업 컨소시움인 Conectus에서는 실용화 기술 개발과 시장진입의 지연에 따라 보다 낮은 46억 달러 정도의 새로운 추정치를 제시하고 있다. 고온초전도체가 발견되어 폭발적으로 시작된 연구개발 초기의 예상보다는 초전도 재료의 실용화 시기가 늦어지고 있는데 이는 고온초전도체의 복잡하고 다루기 까다로운 재료적인 특성을 감안하지 못한 초기의 너무 낙관적인 예상 때문이다. 최근 초전도 전자소자분야에서는 고온초전도체를 이용한 응용기술 개발뿐만 아니라 냉각기술의 발달에 따라 다시 저온초전도체를 활용하는 실용화 기술개발도 활기를 띠고 있으며, 제작의 용이성, 성능 및 냉각이 함께 고려되는 최적시스템이 실용화 될 것이다.

미국의 시사 주간지 「Time」은 1995년 7월 17일자 기사에서 21세기에 인류의 생활을 바꿀 주요 기술 중 하나로 고온초전도체를 선정한 바 있다. 초전도체가 발견된 지 100년이 되는 2011년에는 많은 새로운 초전도 전자소자들이 실용화되어 인류의 삶을 보다 풍요롭게 바꾸어 놓을 것으로 기대된다.

월간 세라믹스   2002년   4월호  게재