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초전도체의 또 다른 자기적 특성은 초전도체로 만들어진 고리모양의 루프에 자장을 가하면, 루프 안으로 들어가는 자속은 자속양자(Φ =h/2e=2.07×10-15 T-m2)의 정수배만 허용된다. 이 현상을 자속의 양자화라 부른다. 자속양자 Φ 는 직경이 약 7 ㎛인 적혈구내에 들어가 있는 지자장에 해당하는 정도로 매우 작은 양이다.

SQUID는 초전도체만이 지닌 조셉슨효과와 자속의 양자화 현상을 결합하여 외부 자속의 변화를 전압으로 변환하는 일종의 transducer로, 한 개의 초전도 루프에 한 개 또는 두 개의 조셉슨접합을 끼워 결합한 자기센서이다. 초전도루프에 한 개의 조셉슨접합을 삽입하여 결합한 것을 RF SQUID, 두 개의 조셉슨접합을 삽입하여 결합한 것을 DC SQUID라 부른다. RF SQUID는 높은 주파수의 교류전류로 작동하며, DC SQUID는 직류전류로 작동한다. 그림1에 DC SQUID와 RF SQUID의 모양과 bias전류회로가 나타나 있다.

만일 Ib를 적당한 값에 고정하고 외부자속를 서서히 증가하거나 감소시키면 SQUID 양단의 전압은 최대값과 최소값 사이를 주기적으로 변하여 그림2의 (b)와 같이 나타난다. 즉, 외부의 자속변화(△Φ)에 대해 SQUID는 전압의 변화(△V)를 보이는 것이다.

SQUID는 외부자속에 대해 sine곡선과 유사한 비선형적인 전압을 출력하므로, 정확한 측정을 위하여 비선형적인 전압을 직선화 시킬 필요가 있다. 이를 위하여 그림3과 같이 FLL(Flux-locked loop)이라는 회로를 이용한다.

만일 외부 자속의 변화가 너무 급격하면 SQUID회로는 lock를 놓칠 수 있다. SQUID가 lock을 유지하면서 단위 시간 당 자속변화를 측정할 수 있는 능력을 slew rate이라 하며 보통 105∼ 106 Φ /sec 이다.

RF SQUID는 그림1의 (b)와 같이 조셉슨접합에 내포된 R-C회로에 탱크회로라 불리는 외부의 R-L-C공진기 회로에서 교류전류를 가하고 자장을 변화시키면 공진기의 유효 임피던스가 자속의 변화에 대해 공진기의 전압이 변하는 원리로 자장을 측정한다. DC SQUID에 비해 I-V특성 및 V-Φ특성이 복잡하므로 더 이상의 설명은 생략한다.

자속변화 감지 능력을 나타내는 SQUID의 감도는 1초 동안 측정할 수 있는 가장 작은 자속의 변화에 해당하는 에너지로 나타낸다. 현재의 기술로 제작되고 있는 저온초전도 SQUID의 경우 약 10-32 J의 감도를 가지고 있는 데, 역학적 에너지로 환산하면 지구 중력하에서 9.1×10-28g의 전자를 1mm 들어올리는 정도의 아주 미약한 에너지의 변화이다. 이 값은 물리학에서 측정의 한계를 나타내는 플랑크 상수 h에 근접하는 정도로 작은 값이다.

모든 SQUID는 임계전류의 변화, 자속의 구속, 열요동 등으로 자체 자기잡음을 지니고 있는데, 이 보다 큰 자기신호만 측정이 가능하다. SQUID의 잡음은 3가지 방법으로 표현하는 데, 잡음에너지(ε), 자속잡음(Sψ½), 자장잡음(BN)이다. 상용화되어 있는 SQUID의 잡음수준은 ε=10-31 J/Hz, Sψ½,∼10-6 Φ /√Hz, BN=10 fT/√Hz 이다.

Magnetometer와 Gradiometer

실제 자속측정 회로에서는 SQUID로 직접 자장을 측정하지 않고, SQUID의 감도를 극대화 시키기 위하여 그림4와 같이 자속변환장치(Flux Transformer)를 사용한다. 자속변환장치는 자속을 감지하는 pick-up코일과 이를 SQUID에 증폭시켜 입력해주는 input코일로 구성되어 있으며 모두 초전도체로 구성되어 있다. Pick-up코일은 많은 자속을 감지하기 위하여 넓은 면적을 지니고 있으며, input코일은 SQUID에 집속시키기 위하여 SQUID와 비슷한 면적을 지니고 있고 증폭시키기 위하여 여러 번 감겨져 있다.

Magnetometer는 그림4의 (a)처럼 하나의 pick-up코일로 되어 있어 감지된 자속(Bz)을 input코일의 감은 수만큼 증폭하여 SQUID로 전달한다. 따라서 magnetometer는 외부 자기잡음을 막을 수 있는 자기차폐실내에서 뇌 등에서 나오는 미약한 신호를 측정하는 데 사용한다.

Gradiometer는 (b)처럼 두 개의 pick-up코일이 서로 반대 방향으로 감겨있어 균일한 자장에 대해서는 반응하지 않지만, 기울기가 다른 자속에 대해서는 두 코일에 걸린 차이만큼이 input코일에 전달되어 SQUID에서 측정된다. 자동차, 엘리베이터 등 자기잡음원이 멀리 떨어져 있는 경우, gradiometer의 pick-up코일 근처에서는 잡음의 기울기가 거의 같으므로 외부잡음을 제거할 수 있기 때문에, 자기차폐실 없이 야외에서 측정할 수 있는 비파괴평가 등에 이용한다.