고온초전도체 발견 20년, 응용기술 개발동향과 전망

고온초전도 SQUID 연구개발 동향 및 전망
김인선 이학박사 한국표준과학연구원 생체신호계측연구랩 책임연구원

1. 서론
초고감도 자기장 센서인 초전도양자간섭장치(SQUID, Superconducting Quantum Interference Device)는  인간이 제작할 수 있는 자기센서 중 감도가 가장 높은 센서로, 초전도체만이 지니는 특수한 성질을 이용하여야만 제작할 수 있다. 1960년대 후반에 개발된 SQUID는 지구자기장(약 50 μT)의 10억분의 1정도인 수 fT정도의 극미세 자기장 감지능력을 이용하여 산업기술에 응용하고자하는 많은 기술이 개발 연구되어 왔다. 그러나 금속계 초전도체로 제작된 SQUID는 극저온인 4.2K를 유지하는 액체 헬륨을 냉매로 사용해야 하는 취급 및 사용의 불편성 때문에 이 소자의 활용이 극히 제한적일 수밖에 없었다. 그럼에도 불구하고 재료 및 물성 측정에 사용하는 SQUID Magnetometer 장치와 같은 경우에는, 우리나라의 경우만 해도 각 대학이나 연구기관에 1대 이상 보유하고 있을 정도로 전 세계적으로 큰 시장이 형성되어 있는 실정이다. 이 장치의 경우 유지비용이 매우 고가이지만, SQUID를 대체할 다른 수단보다 그 효용가치가 높기 때문에 널리 보편화되고 있는 것이다. 특히 SQUID는 저주파수 영역의 자기신호 측정에 대단히 유용하여 기존의 센서로는 측정이 불가능한 저주파 극미세 자기신호의 검출이 가능하며 이를 이용한 많은 응용분야가 개발되고 있다. 즉 인체의 생명현상으로부터 발생하는 초미세 자기장을 측정하는 생체자기계측기술, 지하자원 탐사, 지진 및 화산 예측, 잠수함 탐지, 지하 및 해저에 매설된 환경 오염물질이나 폭발물 탐사 등에 폭 넓게 사용될 수 있으며, 그 외에도 고감도의 전자기적인 측정이 가능한 특성을 이용하여 초정밀 볼트미터, susceptometer, rf 증폭기 등 극정밀 전자소자응용에도 활용될 수 있다.     
액체 질소를 사용할 수 있는 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 고온초전도체의 발견(1986년) 이후 많은 사람들이 고온초전도체 SQUID의 개발에 관심을 가지게 되었으며 많은 연구가 이루어졌다. 초기에는 세라믹물질인 고온초전도체를 이용하여 미세구조의 SQUID 소자를 제작하는 데에 많은 기술적 어려움을 겪었으나, 현재에는 고온초전도 SQUID 소자의 자장분해능 특성이 금속계 저온초전도 소자의 성능에 근접하는 수준까지 발전하게 되었다. 따라서 고온초전도 SQUID 소자는 저렴한 액체질소를 사용할 수 있는 편의성을 갖추게 되어 기술적 가치와 파급효과가 매우 클 것이라고 할 수 있다. 따라서 앞에서 기술한 초 저자기장 측정기술들에 응용하고자하는 상용 기술개발이 전 세계적으로 매우 활발히 진행되고 있으며 머지않은 장래에 많은 분야에서 실용화될 것으로 보인다.

2. 고온초전도 SQUID의 기술개발 동향
고온초전도 SQUID의 개발에 있어서 중요한 원천기술은 SQUID 소자의 미세패턴 설계기술, 그리고 고품질 박막제작공정 및 이 박막을 이용하여 조셉슨 접합을 형성하는 기술이 될 것이다. 전자의 경우 많은 연구가 이루어졌으며 최적화 설계법이 잘 알려져 있다. 따라서 고성능 고온초전도 SQUID 소자 개발에 있어서 공정기술이 무엇보다도 중요한 핵심기술이라고 할 수 있을 것이다.
현재까지 많은 종류의 세라믹 고온초전도체가 발견되었으나 그 중에서 YBa2Cu3O7(YBCO)는 물리·화학적인 안정성 때문에 실용화 재료로서 가장 주목받고 있는 물질이다. 특히 고온초전도체 전자소자는 거의 대부분이 YBCO 박막으로 제작되고 있다. 현재까지 이들 소자의 제작에 있어서 가장 중요한 과정은 박막의 제작공정이라 할 수 있는데 이는 YBCO 자체가 결정구조 및 화학적 조성이 복잡하므로 제작 과정에 따라 미세한 차이를 나타내고 최종적으로 소자의 특성에 많은 영향을 끼치기 때문이다. 고품질의 YBCO 박막이 좋은 결정성, 뚜렷한 초전도 전이특성(높은 전이온도) 및 높은 임계전류밀도를 나타내며 따라서 소자의 우수한 특성과 더불어 반복되는 냉각과정에도 특성의 열화가 없기 때문이다. 산화물인 YBCO는 복합세라믹 물질이므로 소규모의 소자제작에는 일반적으로 펄스레이저 증착법(Pulse Laser Deposition)이 가장 보편적으로 사용되고 있다. 8인치 정도의 큰 기판에서는 이 기술을 적용하기 어려운데 대면적 기판의 경우 전자선을 이용하여 고품질 YBCO 박막을 증착하는 기술이 벤처기업(예를 들어 독일의 THEVA사)들에 의해 개발되었으며 장치 또는 박막제품이 상용화 되고 있다.
SQUID는 일종의 자장센서인데 동작원리를 간단히 설명하자면, 초전도 박막을 루프와 같이 폐곡선 형상으로 만들고 두개의 조셉슨 접합이 배치되게 하면 이 루프를 통과하는 자속은 정수배의 flux quantum(기본상수)로 양자화하게 된다. 이때 조셉슨 접합 양단의 전압은 외부자장의 변화에 따라 사인파와 같은 주기적인 신호가 발생하게 되는데 이것을 이용하면 자장을 전압으로 변화시켜 극미세 자장을 검출하는 것이 가능하게 된다. 여기에서 조셉슨 접합이라고 하는것은 두개의 초전도체가 수 nm이하의 극히 얇은 절연층을 사이에 둔 샌드위치 구조이며, 절연층을 통하여 초전도 터널링이 일어나는 것을 조셉슨 효과라고 한다. 수 많은 연구노력에도 불구하고 고온초전도체는 물질의 특성상 박막의 샌드위치 구조를 제작하는 것이 거의 불가능한 것으로 알려져 있다.
따라서 단결정기판 위에 층상으로 성장하는 고온초전도체 박막이 형성하는 grain boundary 경계면에서 조셉슨 접합이 형성된다는 사실을 이용하고 있다. Grain boundary 접합을 형성하는 여러 가지 방법이 있으나 현재까지 보편적으로 이용되는 것은 계단모서리형 접합과 복결정 접합이다. 전자의 경우 가격이 저렴한 반면 재현성, 특성의 열화 등의 단점 때문에 상용기술로써는 기술적 난이도가 높은 편이다. 독일의 Juelicher SQUID Gmbh, 미국의 Tristan Tech. Inc. 등에서는 이 방식을 적용한 SQUID 소자를 개발하여 판매하고 있다. 후자의 경우 결정방향이 다르게 이어 붙인 복결정기판의 가격이 단결정에 비해 4~5배 정도 비싸다는 단점이 있으나, 양호한 접합의 구현이 비교적 쉽기 때문에 많은 개발자들이 복결정접합 방식을 채택하고 있다. 일본의 Hitachi, Sumitomo Electric Hightechs 등이 이 기술을 이용하기도 한다.
SQUID 기술개발에 있어서 세계적으로는 독일을 비롯한 유럽에서 많은 연구가 이루어지고 있으며, 아시아권에서는 일본을 비롯하여 대만, 중국 등에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 일본에서의 연구동향을 살펴보면, 기업체, 국공립연구소 및 대학 18개 이상의 기관에서 많은 연구비를 투입하여 SQUID 상용화 기술연구를 수행하고 있으며, 80% 이상의 연구력을 고온초전도 SQUID 기술개발에 집중하고 있다. 또한 일본 국가 전체적으로는 생체자기, 비파괴검사, SQUID 현미경 등 중복투자 없이 각 기관의 특성에 맞게 전문분야별 기술력을 확보해 나가고 있다. 국내에서는 한국표준과학연구원과 고려대학교, 포항공대 등에서 고온초전도 SQUID 기술개발 연구를 수행하고 있으며, 일본 등 선진국에 비해 전문인력이 많지는 않으나 SQUID 소자제작기술은 세계 최고 수준의 기술력을 확보하고 있다.

3. 고온초전도 SQUID 상용화 기술 및 시장전망
고온초전도체의 전자소자응용분야에서 중요한 부분을 차지하는 SQUID의 상용화 기술의 세게적 연구동향을 살펴보면, 크게 나누어 비파괴검사, 심자계 그리고 연구용 계측기술 등으로 분류할 수 있다. 기존의 비파괴검사기술에서 와전류탐사법은 중요한 부분을 차지하고 있는데, SQUID 기술을 적용하면 탐사물 깊숙이 위치한 결함을 고 분해능으로 검출이 가능하게 된다. 예를 들면 항공기의 브레이크드럼 또는 겹겹이 리벳팅된 안쪽 금속판의 결함이나, 큰 구조물 콘크리트 속의 철근 부식이나 결함을 탐지해 낼 수 있는 것이다. 대규모 인공재해를 방지할 수 있는 첨단기술이므로 기존의 비파괴검사 수요를 대체할 수 있는 잠재적인 시장규모는 매우 클 것으로 전망하고 있다.
SQUID 현미경은 자성물질의 미세패턴이나 IC회로에서의 전류분포 또는 단락에 대한 비파괴검사가 가능한 자기력측정 현미경이라고 할 수 있는데, 고온초전도 SQUID 기술 분야에서 가장 빨리 기업에 의해 상용품이 출시된 분야이다. 레이저기술과 융합하여 비접촉 초고속으로 반도체 웨이퍼의 품질검사가 가능한 레이저-SQUID 현미경 기술도 상용화 개발이 가능한 수준까지 발전하고 있다. 한편 SQUID 장치를 항공기 또는 자동차에 싣고 스캐닝 탐사하여 2차원 또는 3차원 매핑을 통해 지하매설물, 지하자원의 분포, 지하 유적발굴 등에 이용할 수 있는 SQUID 탐사기술이 독일, 호주 등에서 매우 활발히 진행되고 있다. 그 외 나노자성체를 마커로 이용하여 초정밀 측정이 가능한 SQUID 면역검사법, 그리고 기존의 방법보다 1/10,000~
1/1,000 정도로 극히 낮은 자장을 가하여 정밀 측정이 가능한 SQUID-NMR 분석기술도 개발되고 있는데 자장발생장치가 획기적인 수준으로 작아지므로 시스템전체가 매우 컴팩트하게 되는 큰 장점이 있다.
심장 등 장기를 포함하는 인체의 활동은 전기신호에 따르고, 이에 수반하는 전류의 흐름에 의해 미약한 자기신호가 발생하는데 이 자기신호를 SQUID를 이용하여 검출하여 장기의 운동 및 기능을 파악하는 의료진단기기로써 활용하고자 하는 것이 생체자기 계측기술이다. 고온초전도 SQUID는 특히 심장의 자기신호를 측정(심자계장치, Magnetocardiograph)하는데 매우 유용하다. 심장돌연사는 대개 멀쩡한 상태에서 그야말로 갑자기 심장에 ‘벼락’이 쳐 쓰러지므로 사실상 예방이 힘들다. 기존의 심전도(ECG)와는 달리 SQUID를 이용한 심자도 측정에서는 이러한 잠재적인 부정맥 환자를 진단해 낼 수 있는데, 이러한 잠재적인 심장마비의 가능성을 미리 알 수 있어 미리 적절한 치료를 한다면 이러한 사망자 중 상당히 많은 사람들이 생명을 구할 수 있을 것이며 정밀검진에 소요되는 막대한 비용을 절약할 수 있다. 미국에서는 2004년 심자계가 의료기기로서 FDA승인을 받았으며 일본도 의료기기 승인을 받아 실제 병원에서 의료수가 적용이 가능하게 되었다. 즉 SQUID 심자계라고 하는 새로운 의료진단기기의 시장이 형성되기 시작한 초기 단계라고 할 수 있다.
CONECTUS(유럽초전도산업연맹)에서는 유럽의 수 많은 전문가 그룹을 동원하여 초전도분야에 대해 전반적인 기술로드맵을 구축해 오고 있으며 또한 산업전망 및 시장 규모예측 등에 대해 산업적인 관점의 충실한 자료를 제공하고 있다. 그 자료 중에서 SQUID를 포함한 고온초전도 전자소자분야 시장전망자료를 표에 나타내었다. 앞에서 기술한 고온초전도 SQUID 관련기술의 상용화 개발이 이루어지고 있으며 2006년 전후를 기점으로 신흥시장이 형성되기 시작하는 것으로 예측하고 있다. 그리고 유럽의 전문가들은 이렇게 형성된 신흥시장이 대략 2010년 이후부터 본격적인 시장이 형성되는 것으로 보고 있다.
 
4. 결 언
세계적인 시사 잡지 TIMES는 초전도기술을 21세기 인류의 미래를 바꿀 10대 핵심기술 중 하나로 선정하였다. 많은 기대에도 불구하고 세라믹 고온초전도체 물질의 공정기술 확립이 걸림돌이 되어 당초 전망보다 고온초전도기술의 산업응용이 지연되고 있는 실정이다. 초전도기술 중의 백미라고 할 수 있는 SQUID 기술은 안정적인 YBCO박막 제작기술이 정립되면서부터 고온초전도 SQUID 소자 개발기술이 비약적인 발전을 이루게 되었다. 현재는 금속계 저온초전도 SQUID소자의 성능(잡음분해능 약 3 fT/√Hz)과 비교될 만한 수준 (잡음분해능 약 20 fT/√Hz이하) 까지 근접하게 되었다. 성능면에서 충분한 기술적 수준을 확보한 고온초전도 SQUID 기술은 저렴한 액체질소를 사용할 수 있는 편의성을 가지므로 정밀계측분야에서 충분한 경쟁력을 갖고 신흥시장을 형성하고 있는 단계 즉 이 기술이 보편화되어 가고 있는 단계에 이르렀다고 할 수 있다. 고온초전도 SQUID 기술의 보편화가 이루어짐에 따라 더욱 더 기술적 가치와 경제적 파급효과가 커질 것이라고 할 수 있을 것이다.

<사진설명>                                                                                                       
그림1 고온초전도체 박막의 조셉슨 접합을 제작하는 방법 (A) 계단모서리의 grain boundary를 이용한 조셉슨 접합,

그림2 (B) 복결정의 grain boundary를 이용한 조셉슨 접합

그림3 일본의 SQUID 연구개발 지도 (2003년)
그림4 Sumitomo Electric Hightechs의 SQUID 상용제품
그림5 Juelicher SQUID Gmbh의 HTS-SQUID 상용제품

그림6 한국표준과학연구원의 HTS-SQUID 개발품
그림7 고온초전도 SQUID를 이용한 교량상판 철근의 비파괴 안전검사
그림8 고온초전도 전자소자분야 시장전망 (CONECTUS, 2004)

필자약력
경북대학교 전자재료공학 석사
일본 동경공업대학 무기재료 이학박사
한국표준과학연구원 생체신호계측연구랩 책임연구원