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저온초전도 SQUID

1960년대 SQUID는 초전도 덩어리에 조그만 구멍을 뚫어 제작하는 것에서 시작하여, 덩어리에 가는 나사로 압력을 조정하여 얻는 point contact형태로 발전하다가, 지금은 거의 모든 SQUID가 박막을 이용하여 제작된다. 박막형 SQUID의 재질은 주로 임계온도 9.2 K인 Nb을 기본물질로 이용하는 데, 핵심 구성품인 조셉슨접합은 Nb-AlOx-Nb 터널형 접합을 이용한다. 저온초전도 SQUID 센서제작의 핵심기술은 input코일과 SQUID를 상호 유도적으로 잘 결합 시키는가였다. 이 문제는 1982년 IBM의 Ketchen과 Jaycox가 나선형의 input코일과 넓은 면적의 washer SQUID를 결합시키는 기술을 개발하여 해결되었으며, 지금은 모두 이런 형태의 SQUID로 제작하고 있다.

Input코일과 feed back코일을 제작하기 위하여 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)로 SiO2 절연층을 입힌 뒤 Nb박막을 입혀서 동일한 Si-wafer기판에 원하는 형태의 코일을 제작한다. 모든 패턴닝은 반응성 이온에칭 또는 lift-off 방법으로 제작한다. 터널형 조셉슨접합은 전기용량을 가지므로 I-V특성곡선이 이력현상을 보인다. 이를 제거하기 위하여 수 Ω의 shunt 저항을 Mo, 혹은 Pd 으로 제작하여 회로에 붙인다.

고온초전도체 SQUID로 이용되는 조셉슨접합은 크게 결정경계면 접합(grain boundary junction), 근접효과 접합(proximaty effect junction), 터널접합, 약결합구조접합(weakened junction) 등으로 개발되고 있다. 이중 많이 사용되고 있는 접합은 결정경계면 접합으로 자연적 혹은 인공적으로 만들어진 결정경계면을 이용하여 그림2와 같은 형태의 복결정접합(bicrystal junction)이나 step-edge 접합 등으로 제작된다.

저온초전도SQUID와 마찬가지로 용도에 따라 magnetometer를 SQUID와 결합하게 되는 데, 절연막을 입힌 후 다시 고온초전도체를 입히기가 어려워 몇 가지 다른 방식으로 제작되고 있다. 감도가 높은 magnetometer를 만들기 위해서는 인덕턴스를 줄이면서 유효면적을 키워야 하기 때문에 SQUID 루프의 면적을 크게 한 washer SQUID와 SQUID 루프의 일부를 pick-up코일로 사용하는 direct-coupling방법이 있다. 이는 인덕턴스가 큰 pick-up 코일을 SQUID 루프와 병렬로 연결함으로써 자장에 대한 감도를 높이는 한편, SQUID 루프에 의해서만 결정되는 유효 인덕턴스는 줄여 잡음수준을 최소화 할 수 있기 때문이다.

다음은 SQUID 루프와 자속변환장치를 각기 다른 기판위에 제작한 뒤 겹쳐서 사용하는 flip-chip방식이다. Flip-chip결합방식은 제작이 용이하므로 많이 이용되고 있는 데, 10 fT/√Hz 이하로 자기잡음을 줄이고 있다.

RF SQUID의 경우, RF 발진주파수가 높아짐에 따라 잡음이 감소하게 되는 데, 수 GHz 대에서 감도가 약 16 fT/√Hz에 이른다. RF SQUID는 작동에 어려움이 적은 방면, 전자회로 제작이 어려워 독일 등 일부 연구팀에서만 개발하고 있다.

고온초전도체의 SQUID제작기술이 발달함에 따라 감도는 10 fT/√Hz급으로 저온초전도 SQUID의 수준에 근접하는 데, 77 K에서 작동시키면 전자들의 열적요동에 의한 잡음 때문에 감도는 떨어지게 된다. 그러나 냉각장치의 간소화 등으로 이동성이 높고 더욱 나아가 냉매를 사용하지 않고 냉동기로 대치할 수 있기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.

SQUID를 이용한 측정시스템은 냉매를 안정되게 유지하는 Dewar, SQUID센서를 부착하여 초전도상태를 유지하게 하는 probe, FLL회로 및 구동회로, 신호처리장치 등으로 구성되어 있다. SQUID를 초전도상태로 안정되게 유지하기 위해서는 외부와 열적 단열이 잘 되어 있고, 냉매의 소모량을 최소화시키는 Dewar가 필수적인데, 저온초전도 SQUID의 경우 액체헬륨 Dewar, 고온초전도 SQUID의 경우 액체질소 Dewar가 사용된다. SQUID는 미세자장을 측정하므로 자기신호원에 pick-up코일을 최소한으로 근접해야 한다. Pick-up코일은 Dewar의 바닥부분에 위치하게 되는 데, 실온과는 진공으로 격리되어 있다. 통상 이 거리가 1 cm 이하인데, 비파괴시험을 위하여 1 mm 수준으로 얇아지고 있다.

SQUID를 작동하기 위하여 구동장치가 필요한데, 이는 bias회로와 FLL(Flux-locked loop) 등이다. Bias회로는 SQUID를 가동하기 위한 전류원이며 DC SQUID의 경우 직류전류를 루프에 직접 흘리고, RF SQUID의 경우 높은 주파수의 교류를 유도적으로 흘리게 된다.

실제 SQUID를 이용하여 생체계측이나 비파괴평가 등에 적용하기 위해서는 그림3과 같이 시스템화 시켜 측정값을 영상화로 분석하는 것이 편리하다. 이를 위해서 컴퓨터와 인터페이스가 필요한데, 각종 필터와 앰프를 거쳐 A/D converter에서 디지털신호로 바꾼다. 여러 개의 SQUID센서로 작동하는 다채널 측정시스템의 경우, 각 채널별로 구동장치가 연결되어야 한다. 이렇게 각 채널에서 측정된 데이터들을 조합하여 mapping시키는 데, 이 과정을 signal processing 이라 하며, 측정된 데이터로부터 역문제 해결과정으로 활동전류의 위치, 크기 등을 추정한다. 이 과정은 source localization이라 하며 컴퓨터를 이용하여 각기 특성에 맞는 알고리즘으로 구한다.