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미국의 경우 PCS 및 이동통신 기지국용의 수신기 전단부가 벤처기업인 STI , Conductus , ISCO 에서 개발되어 (잡음지수 1 dB 정도) 현재 시장진입단계에 있다. 이 벤처기업 들 중 STI의 경우 냉각장치를 포함하여 부피가 1.6 ft3에 불과한 수신기 전단 (그림 2)의 잡음수준이 0.5 dB 정도임을 발표한 바 있는데, 이러한 성능의 수신기 전단부는 여러 요인을 감안하더라도 미국 내에서 기지국의 수를 10 % 이상 줄일 수 있게 해 준다. 또한 Conductus는 0.3 %의 통과대역을 지닌 PCS용의 5 pole 필터와 이동통신용 (900 MHz)의 9 pole 필터를 제작하여 60 K에서의 삽입손실이 각각 1.2 dB와 0.2 dB 정도 됨을 발표한 바 있다. 참고로 PCS 수신기용 필터의 경우 power 처리 능력이 약 1 Watt (W) 정도면 충분한데 비해 송신기용 필터의 경우 평균치 20 ∼ 50 W, 최대치 100 W 정도의 power를 처리할 수 있어야 한다. 이러한 사양을 목표로 AT&T, Conductus, MIT, 그리고 Dupont 등에서 연구를 수행한 결과 현재까지 개발된 2-pole 필터의 경우 최대 power 처리능력이 110 W 이상, 3-pole 필터의 경우 74 W 이상인 것으로 알려져 있다. 미국에서는 이와 함께 HTSSE-II project를 통하여 인공위성의 payload에 C-band 및 X-band 초전도 통신시스템을 설치하여 가동한 바 있다.

독일에서는 FZ Juelich 와 Wuppertal 대학, 그리고 BOSCH에서 C-band용 송신기용 유전체-초전도체 접합형 필터 (손실 0.5 dB 이내)와 저잡음오실레이터 (23 GHz, 100 Hz offset에서 -110 dBc/Hz이하)를 개발중이며 독일의 Leybold 사는 Sterling type의 냉동기를 개발하여 수신기 전단부 필터시스템 제작용으로 시판하고 있다. 그림 2는 STI에서 제작한 고온초전도필터와 냉각장치가 포함된 이동통신기지국용 수신기 전단부에 대한 것으로서 현재 이러한 수신기 전단부는 Rack mount 형과 tower mount형이 제작되고 있다.

우리 나라

국내에서의 초전도 마이크로파 소자응용과 관련된 연구는 현재까지 매우 제한된 규모로만 진행되고 있어서 이 분야에서 축적된 기술 수준도 선진 외국과 비교하여 아직 어느 정도의 차이가 있다. 현재 LG전자기술원에서는 PCS 기지국용의 필터와 수신기 전단부의 상용화 연구가 진행되고 있는데, 최근 PCS용으로 제작된 12 pole 필터의 경우 1770 - 1780 MHz의 passband를 지니면서 삽입손실은 0.4 dB, 1 MHz offset에서 out-band 특성은 -35 dB인 것으로 알려져 있다. 그림 3은 LG 전자기술원에서 개발한 11 pole YBCO 고온초전도필터의 모습과 특성이다. 고온초전도 필터의 상용화 연구는 국내의 벤처기업인 RFTRON에서도 시도되고 있는데, 이 업체가 보유하고 있는 고온초전도마이크로파 분야의 기술은 아직 알려진 바 없다. 이외에 대학에서의 이 분야 연구로서 건국대에서의 마이크로파 표면저항 측정표준화, 측정자동화 연구 및 송신기 모듈용 필터 연구, 그리고 포항대 및 서강대에서 단결정 내의 고유 조셉슨 접합 및 조셉슨 배열을 이용한 조셉슨 오실레이터 제작 연구를 들 수 있다. 이 중 표면저항 측정표준화 연구는 고온초전도박막의 표면저항을 10 μΩ 이내의 감도로 측정할 수 있는 실용화 수준에 도달하였으나 조셉슨오실레이터 연구는 현재의 출력인 50 pW 정도를 100 배 이상 향상시켜야 실용화가 가능하게 될 것으로 보인다.

1. PCS 혹은 IMT-2000용 수신기 전단부

PCS 및 IMT-2000 시스템은 현재 고온초전도마이크로파 기술의 시장진입이 가장 먼저 이루어지고 있는 분야로서, PCS 혹은 IMT-2000 기지국 내의 수신기 전단부에서 필터 부분을 고온초전도필터로 대체할 경우 원하는 주파수대역의 선택정도를 크게 향상시킬 수 있고 간섭신호에 대한 영향을 크게 줄이는 것이 가능하다. 또한 이러한 고온초전도필터의 사용은 제한된 수의 기지국을 이용한 보다 넓은 영역에서의 신호처리와 통화 음질의 향상을 가능하게 할 것이다. 고온초전도필터가 사용된 수신기 전단부의 경우 모듈 내에 설치될 냉각장치의 가격을 포함할 경우 그 가격이 상온에서 동작하는 기존의 수신기 전단부의 가격에 비해 2 ∼ 3 배 정도 고가라는 점이 지적된다. 그러나 성능향상을 통한 기지국 수의 축소 및 통화품질의 향상은 이러한 추가 비용의 투자를 가치 있게 만들고 있는데, 실제로 점점 많은 수의 통신사업자들이 고온초전도필터가 사용된 수신기 전단부의 사용을 선택하고 있는 추세이다.

현재 IMT-2000용 수신기 전단 모듈을 실용화하려는 연구도 활발한데 이 분야에서의 대표적인 벤처업체로 미국의 STI, Conductus, ISC 등과 일본의 AMTEL 및 Cryodevice사를 들 수 있다. 또한 대기업으로는 미국의 AT&T, 스웨덴의 Erickson, 그리고 일본의 NEC 등이 적극적으로 R&D를 수행하고 있다. 이 업체들은 자체적으로 대면적 박막 제조 기술, 필터 설계기술, 저온 패키징 기술을 확립하고 있으며, 벤처업체 들은 소형 극저온 냉동기 기술과 고온초전도 마이크로파기술이 결합된 초기 상용화 제품을 이미 출시한 바 있다.

2. 위성통신 payload 및 기지국용 부품
고온초전도필터가 지닌 우수한 특성을 고려하여 인공위성의 payload에 기존의 부피가 큰 도체 도파관 필터 대신 고온초전도 마이크로스트립 필터를 사용하려는 연구가 현재 미국에서 진행 중인데 이 경우 냉각장치의 무게를 포함하더라도 필터의 무게가 크게 줄게되어 인공위성 설치비용이 크게 절감되게 된다. 또한 통신시스템 내에 고온초전도 채널라이저 (channelizer)와 고온초전도 저잡음 오실레이터가 사용된 주파수변환기 (frequency converter)가 사용됨에 따라 제한된 주파수 대역 내에서의 보다 많은 수의 주파수 채널 확보 및 신호 대 잡음비의 향상을 통한 신호전송 속도의 획기적인 증대도 기대된다. 그림 4는 독일의 FZ Juelich 에서 개발한 23 GHz용 초저잡음 오실레이터의 모습이다.

미국에서는 Naval Research Laboratory (NRL)의 Naval Center for Space Technology(NCST)가 중심이 되어 미 공군의 프로그램 중의 하나인 ARGOS (Advanced Research and Global Observation Satellite) 위성의 payload에 사용될 소자를 high temperature superconductivity space experiment project (HTSSE)를 통하여 개발하고 있다. NRL은 1988년부터 HTSSE 프로그램을 시작한 바 있는데 HTSSE를 통해 제작된 고온초전도 소자들은 1999년 2월 23일에 캘리포니아 Vandenberg 공군기지에서 발사한 Delta rocket에 탑재되어 현재 그 성능이 평가되고 있다. 참고로 HTSSE II 프로그램에는 Westinghouse, Conductus, TRW, Loral, ComDev, University of Wuppertal, MIT/Lincoln Labs, NASA/JPL, NASA/Lewis, NRL등 구미 각국의 연구진들이 참여하고 있다. 민간기업에 대한 정부 차원의 지원도 활발해서, NASA나 DARPA등은 고온초전도 멀티플렉서(DuPont), PCS transceiver subsystem (Conductus), switchable HTS filter bank system (STI) 등의 분야에 예산을 지원하고 있다.

유럽의 경우 GEC Marconi, Thomson CSF가 European ACTS project (Superconducting Systems for Communications)를 수행하고 있다. 이 과제에는 Leybold vacuum, University of Wuppertal, University of Birmingham 등이 공동 참여 중인데, DCS-1800 기지국에 적용될 필터와 듀플렉서 개발은 주된 목표의 하나이다. 독일에서는 Bosch Telecom에서 HTS 3-channel transponder를 개발하고 있으며, 이 transponder는 2001년까지 ESA (European Space Agency) 의 ISS ALPHA space station에 전달될 계획이다.

기지국용의 냉각장치로는 현재 독일 Leybold사에서 만든 sterling type의 냉각장치가 시판되고 있다. 이 냉각장치는 77 K에서의 냉각능력이 1 W 정도이고 약 3 년 이상 수리없이 계속 작동할 수 있는 것으로서 이러한 냉각장치의 성능을 보다 향상시키고 단가를 낮추려는 연구가 진행 중이다. 또한 미국 및 일본에서도 기지국용 냉각장치로 pulse tube type의 냉각장치가 개발되고 있다.
[표 3]은 고온초전도 통신소자 기술 분야 중 상용화 단계에 들어선 기술분야를 정리한 것이다.