학회지검색

▶ 디지털소자

초전도 디지털 전자소자 응용

정보통신 기술이 발전하게 됨에 따라 빠른 시간 내에 다량의 정보를 처리해야 하기 때문에 전자산업 분야는 앞으로 점점 더 고속으로 작동하는 전자소자를 요구하게 될 것이다. 이에 따라 반도체 소자의 고속화 연구가 현재 많이 진행되고 있으나, 반도체 소자를 고속화 할 경우 나노 구조의 선폭으로 제작하는 일이 기술적으로도 어려운 일이겠으나, 나노 구조의 제작 기술이 가능하다 해도 소비 전력 면에서 한계가 있기 때문에 10 GHz 이상의 획기적인 속도의 상승은 용이하지 않을 것으로 전망되고 있다. 반도체 회로의 경우 현재까지는 Moore의 법칙에 따라 18-24개월마다 집적도가 약 두 배로 증가하여 왔으며 현재까지 개발된 0.18 ㎛ 선폭을 사용할 경우 ∼2GHz 정도의 속도를 얻을 수 있으리라고 보고 있다. Moore의 법칙이 계속 만족되기 위해서는 0.1 ㎛ 이하의 선폭을 갖는 칩을 제작하여야 하는데, 0.1 ㎛ 이하의 선폭을 갖는 나노 구조의 공정이 용이하지 않아 Moore의 법칙이 한계점에 도달했다는 관측이 제기 되고 있다. Moore의 법칙에 따라 0.1 ㎛ 이하의 선폭을 갖는 칩이 개발될 경우에도 칩의 속도는 4 GHz의 속도에 다다른 후 그 이상의 속도를 얻기는 쉽지 않을 것으로 예측된다.

SQUID는 1964년 포드자동차 과학연구소의 J. Mercereau 등이 초전도루프에 2개의 접합을 끼워 간섭현상을 관측한 것을 계기로 발명되어, 1969년 MIT연구팀의 심장의 자기신호 관측과 1972년 뇌의 자기신호 관측, 1982년 철판의 내부결함 탐지 등 비교적 오랜 개발역사를 지니고 있다. 그러나 초기에는 재현성 있는 SQUID센서의 제작기술 미비 등으로 응용기술의 개발이 더디게 진행되다가, 1980년대에 반도체 제작기술을 이용한 특성이 우수한 조셉슨접합을 제작할 수 있게 됨에 따라 SQUID제작과 응용기술도 한 단계 발전하게 되었다. 그 동안 사용된 저온초전도SQUID는 지구상에 희귀하고 다루기가 까다로운 액체헬륨을 냉매로 사용해야 했으므로 그 응용범위가 제한적이었는데, 1987년 액체질소에서도 사용할 수 있는 고온초전도체의 발견으로 새로운 고온초전도 SQUID 개발은 물론 응용범위가 넓혀지게 되었다. 현재 미국, 독일, 핀란드, 일본 등에서 많은 SQUID응용기술이 개발되고 있으며 뇌자도측정장치, 비파괴평가 장치 등 일부는 상품으로 판매하기 시작하는 단계이다.

SQUID는 개발역사가 30 여 년이 되어 이제 서서히 그 결과들이 실용화되고 있다. 저온초전도체인 Nb SQUID의 경우, 제작방법이 잘 확립되어 있고 감도가 5 fT/√Hz 수준으로 향상되어 다채널 뇌자도 측정시스템이 개발되었으며, 미국, 유럽, 일본 등의 기업에서 시스템을 판매하는 단계에까지 와있다. 고온초전도의 경우, 아직 개발역사가 짧고 물질이 지닌 층상구조와 짧은 간섭길이 등으로 조셉슨접합 제작이 쉽지 않으며, 다층박막 제작의 어려움, SQUID의 장기간 사용시 특성저하, 지자기 등 외부잡음시 SQUID의 작동정지 등 아직 많은 문제점이 남아있다. 그러나 박막 및 조셉슨접합 제작기술이 크게 향상되어 77 K에서 감도가 30 fT/√Hz 정도로 발전했으며, 심자도 측정, 비파괴시험에 큰 문제가 없는 것으로 나타났다. 특히 값싼 액체질소의 간편성과 냉매 대신 냉동기로 대체가능성 때문에 야외현장에서 비행기 동체의 내부결함 검사, 원자로 및 철골 구조물의 부식 및 결함 검사 등 안정성 평가에 많은 기술이 개발되고 있으므로 향후 커다란 시장이 형성될 것으로 예상된다.

SQUID의 많은 응용분야 중 생체자기 계측분야의 실용화가 두드러지는 데, 대표적인 예가 Nb SQUID를 이용한 다채널 뇌자도 측정장치이다. 미국의 BTI, 캐나다의 CTF, 핀란드의 Neuromag 등이 100채널급 장치를 대당 20∼50억원 수준의 고가에 판매하고 있고, 기존의 MRI와 결합하여 간질 진단에 탁월한 우수성을 보여 미국의 많은 의료보험회사가 의료비 지원을 하고 있다. 심자도의 경우 기존의 심전도기기로 측정할 수 없는 부정맥의 정확한 위치추정이 가능해지므로 임상진단에 중요한 위치를 찾아가고 있으며, 특히 태아의 심자도는 선천성 심장 장애의 조기 발견 등으로 주목을 받고 있다.

이에 비하여 비파괴평가분야는 기술의 우수성은 입증되었으나, 아직 제품이 본격적으로 출시되는 단계에 이르지 못하고 있다. 시스템의 가격, 사용의 간편성 등으로 기존의 방법과 경쟁중에 있는 데, 향후 SQUID시스템의 가격을 대폭 내리고 사용자가 간편하게 작동할 수 있도록 개발해야 할 것이다. 그러나 기존의 비파괴기술로 찾지 못해서 사고시 인명피해나 경제적 손실이 방대한 항공기, 교량의 결함탐지 등을 SQUID 비파괴기술이 시장을 점유할 것으로 예상된다.

아직은 연구단계에 머물고 있지만 향후 새로운 커다란 시장이 형성될 분야가 SQUID를 이용한 지질탐사 일 것이다. 외부잡음에 대한 내성과 SQUID조작을 간편화시키면 이를 이용하여 광맥개발, 지하 및 수중의 오염원과 폭발물 탐지, 지하에 매설된 파이프 및 케이불의 위치 추적 등 규모가 큰 시장이 출현할 것으로 전망된다.

향후 SQUID기술의 개발동향은 사용자가 간편히 controller를 조작할 수 있고 거대한 자기차폐실 대신 간단한 차폐기술이 개발하여 주위잡음을 배제하는 방향으로 추진될 것이다. 현재 SQUID측정장치들은 소량으로 생산되어 유사기능의 측정장비들과 가격경쟁력에서 뒤지고 있는 데, SQUID소자 및 냉동기술의 발달로 생산비가 대폭 줄어 들 것이다. 아직은 많은 임상자료와 비파괴 측정자료가 축적되어 있지 않아 의료계나 비파괴검사 전문가들에게 신뢰감을 주지 못하고 있는 데, SQUID의 탁월한 성능이 시간이 지날수록 입증되어 현재의 이용자가 일부 저온기술자에서 의사, 생물학자, 지질학자, 심지어는 생산현장의 품질관리 인력까지 사용하는 시대가 도래할 것으로 예측된다.

문의사항: 한국표준과학연구원 이규원