10년 전, 스위스의 퀼러박사팀이 금속산화물 LaBaCuO에서 초전도현상을 발견해 노벨상을 받았다. 이 초전도체의 임계온도(초전도체로 되는 온도)는 당시 초전도체(Nb₃ 임계온도(23K이하)보다 높은 액체질소 온도(77K)를 상회할정도였다. 상대적으로 높은 임계온도 덕분으로 이 초전도체의 명칭은 고온초전도체(HTS)로 불리게 됐다.
고온초전도체는 금속이나 합금인 저온초전도체와는 다르게 多成分體이다.
지금까지 발견된 산화물 고온초전도체중 대표격인 재료는 YBaCuO(미국의 Chu교수), BiSrCaCuO(일본 마에다박사), T1BaCaCuO(미국의 Sheng박사), 그리고1993년에 미국의 실링 박사가 발견한 HgBaCaCuO(임계온도 T=133K)이다.
초전도 전자공학은 거의 포화기에 도달한 반도체산업의 뒤를 이어갈 차세대 전자산업의 *兒로 주목을 끌고 있다. 다양한 응용분야의 요구를 만족할수 있는 전자소자로 자리매김하기위해서는 초전도 재료는 우수한 薄膜형태를갖추고 정교한 반도체소자의 제조공정을 적극적으로 활용해야 할 것으로 판단된다. 고온초전도 전자공학의 실용화 단계를 1백으로 할 때 현재의 연구개발 상태는 20정도이며 실용화 시기는 2000년이후에나 가능할 것으로 전망된다. 특히, `量子效果`를 기반으로 상품화된 고온초전도 능동소자는 거의 없지만 마이크로파용 고온초전도 수동소자는 미국을 중심으로 5천만 달러 정도의 시장이 형성되고 있다.
고온초전도체는 광범위한 상업적 응용성에다 일반 금속이나 저온초전도체와 다른 독특한 특성 때문에 주목을 받고 있다. 따라서 새로운 고온초전도체를 탐색하기 위한 투자나 신기느 초전도 인공초격자의 창출은 매우 큰 의미를 가진다.
고온초전도 에피박막은 초전도성을 지배하는 근복적인 물성 탐구와 신구조및 신기능으로무장된 다양한 전자공학적 응용도 가능케 한다. 고온초전도 능동소자, 고온초전도반도체 하이브리드 소자, 고온초전도반도체절연체 집적소자, 초고속 배선, 마이크로 직접소자(MMICs) 분야에서 응용이 기대되고 있다. 고품위 박막을 성장하기 위간 에피택셜 박막성장 기술의 수준도 크게 향상됐고 다양한 마이크로파 소자의 설계 및 제조기술과 폐순환 방식의 초소형냉각기(cryocooler)의 개발도 뒤따랐다.
고온초전도체의 마이크로파 소자응용은 주로 다음과 같은 物性을 이용하는것이다. 첫째는 매우 낮은 마이크로파 도체 손실 또는 기존의 금, 은, 구리등의 금속 박막에 비해 10배에서 1천배 정도 낮은 표면저항을 가졌다는 것,둘때는 높은 전장 및 자장 하에서 비선형 傳道特性, 즉 전류제어나 熱 또는光 등에 의한 자극으로 전도특성을 바꿀 수 있는 높은 가능성, 셋째 조셉슨접합에서 비선형 현상이 발휘된다는 점, 그리고 큰 전류도 처리할 수 있는능력을 가졌다는 점 등이다. 능동소자의 마이크로파 응용분야는 주로 초전도관동(tunneling) 효과나 磁束의 養子化 현상에 기반을 둔 고속·고주파 소자구현이다.
현재 고온초전도 기술(HTS technology)의 급속한 발전은 고온초전도 능동소자와 수동소자 분야의 진보를 가져왔지만 이보다 고온초전도 수동소자를이용한 마이크로파 분야의 발전 가능성을 보여주고 있다. 고온초전도 에피박막을 사용할 경우 高性能을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 고온초전도 박막의매우 낮은 표면저항 때문에 파워손실의 극소화를이룰 수 있고 準光學영역(~THz)에소도 사용주파수의 영향을 받지않아 소형 마이크로파 소자(회로)를 구현할 수 있다. 따라서 현재 단계에서 고려할 수 있는 실용화를 위한 기술단계는 높은 임계온도(T) 및 높은 임계 전류밀도(J) 실현→저 磁束雜音 실현→다층구조의 에피박막과 대면적 에피박막의 성장→SNS(초전도/금속/초전도)형조셉슨 접합→텐넬링 접합소자→고속·저전력 소비형 초전도 삼단자소자(트랜지스터)→고온초전도반도체 하이브리드 회로 구현→마이크로파 통신시스템설계 및 구현 순이다.
고온초전도 마이크로파 공학의 선결조건은 역시 고품위의 고온초전도 박막성장이다. 이와 함께 중요한 인자가 바로 低損失 단결정 기판의 선택이다.
마이크로파용 고온초전도 에피택셜 박막성장을 위한 기판의 구비조건은 첫째, 단결정기판의 격자상수가 성장시킬 초전도체의 격자상수와 거의 일치해야 하며 둘째, 박막과 화학적 상호작용이 없어야 한다. 따라서 상호 확산을방지하는 완충층도 필요하다. 그리고 셋째는 열팽창 계수가 거의 비슷해야하고 넷째 기판표면의 양질여부를 나타내는 균일도, 평활도, 形態가 우수해야 하며, 다섯째 구조상의 균질도도 우수해야 한다. 특히 마이크로파 소자응용을 위해서는 기판의 誘電損失(tanδ)이 매우 작고(<10), 집적도를 높히기위해서는 직경이 2인치이상인 대면적 기판이어야 한다. 그리고 유전상수는대체로 작으면서 등방적인 것이 이상적이며 쌍정면이 없어야 한다. 결국 사용하는 기판재료의 복잡성 때문에 고성능 마이크로파 소자의 제조에는 기판의 전기적 및 물성에 대한 깊은 이해가 뒤따라야 하며 마이크로파 공학과 재료공학의 긴밀한 共助가 요구된다고 할 수 있다.
고온초전도 박막의 특성향상이나 마이크로파 응용에의 적합성 여부는 전적으로 인 사투(in situ) 또는 후열처리공정을 포함하는 핵심공정에 달려있다고 해도 과언이 아니다. 최근까지 마이크로파 소자(회로) 구현에 사용된 주된 산화물 고온초전도체는 YBa₂Cu₃Oz과 T1₂Ba₂CaCu₂O이며 사용기판은 MgO, LaA1O₃, 사파이어, NdGaO₃ 등이다. 그리고 에피박막 성장기법은 주로펄스 레이저 증착법과 RF마그네트론 스퍼터링법이다. 이밖에 전자선 증발법,MOCVD법, MBE법 등이 주목을 끌고 있다. 따라서 박막제조도 이제는 실험실차원에서 산업체 규모로 전환되고 있으며 3인치 직경의 박막이 상품화되고있다.
고온초전도 대면적 에피택셜 박막에서 高 임계전류밀도와 低 표면저항이실현되므로 마이크로파 소자는 통신분야에서 중요도를 높히고 있다. 우선 제작의 간편성과 저손실 특성을 이용한 마이크로파 수동소자를 보면 낮은 표면저항(Rs)이 수동소자의 성능을 대폭 향상시켜 삽입손실의 감소와 품질계수(Q값)를 증가시킨다. 이러한 장점을 최대로 살린 간단한 수동소자가 공진기(resonator)이다. 一次元 공진기는 하나의 전송선(중심도체:/2의 길이를 가짐,는 파장)과 입출력단이 특별한 결합기구로 연결된 구조이며 이때 전송선은마이크로스트립 선로, 스트립선로, 원반 및 고리 등이며 반드시 기판 뒷면에접지평면을 포함한다. 二次元 공진기는 패턴된 공진기 상하에 접지평면용 기판 2개를 추가로 접촉시키는 경우로 電力處理能力이 일차원 공진기보다 더우수하다. 三次元 구조 공진기는 TE₁₁ 모드形 HTSsapphire(원통형 rod)HTS구조의 공진기이며 매우 높은 전력처리능력(Q값이 10정도)을 가진다. 따라서고출력 필터나 低位相 雜音 발진기에 사용되고 초전도 박막의 특성 평가용으로도 사용된다. 전자통신연구소 기초기술연구부는 고리형 및 원반형 공진기의 중심도체에 약간의 섭동(비대칭이 되게)을 가해 이중모드 공진기를 창출했다. 세계 처음으로 기본공진에서 축퇴된(전압피크와 전류피크) 피크를 분리시켜 더 향상된 Q값을 얻었다.
각종 필터는 마이크로파 회로나 시스템에서 가장 중요나 원천소자이다. 따라서 마이크로파 설계자는 다양한 용도와 특성 때문에 독자적인 필터설계 및제조에 심혈을 기울인다. 필터는 설계한 주파수 대역에서 원하는 신호를 통과하거나(대역통과), 통과를 저지하는 (저역통과) 기능 등을 가진다. 이러한마이크로파 필터에서 대역통과 필터가 가장 중요하며 제조를 위한 설계방식에는 최대평탄특성형, 체비세프형(Chebychev), 그리고 타원함수형으로 대별할 수 있지만 특별히 규정된 표준규격이 없어 독자적인 설계기법과 최교의성능을 발휘하는 제작기술의 확보가 시급하다.
각국에서 개발되고 있는 一次元대역통과 필터는 대부분 체비셰프형 필터인데 한쌍의 평행결합선(공진기)을 /4씩 겹치게 배열하고, 갭을 두어 결합을제어하며 평행결합선을 반복시켜 극수를 결정한다. 현재까지 11극 대역통과필터가 개발됐으며 국내는 전자통신연구소가 6극 대역통과 필터와 신구조의6극 필터를 개발했다.
마이크로파 회로에서 고온초전도체의 사용은 제한되어 있지만 재료자체나박막공정의 발전에 힘입어 마이크로파 회로의 전력처리능력를 대폭 향상시키고 있다. 또 일반 금속과는 다르게 고온초전도체는 표면저항(R) 또는 Q값의파워 의존성, 고조파 생성, 相互變調 의 비선형 특성이 두드러진데, 통신분야에서는 이러한 비선형 효과에 대해 관심을 갖고 적극적으로 이용하고 있다.
전력처리능력을 향상시키고 필터패턴의 크기, 즉 기판의 크기를 줄일 수있는 방법으로 제안된 것이 바로 TE₁ 및 TE₁ 모드를 사용하는 二次元 이준모드 대역통과 필터이다. 섭동준 이중모드 공진기를 집적한 구조로 2개를 직접하면 5극 대역통과 필터가 되어 중간출력(수 watt) 정도를 필요로 하는 마이크로파 시스템에 적합하다.
주파수 영역에서 입력신호를 여러개의 주파수 성분으로 나누거나 그 반대의 기능도 발휘할 수 있게 대역통과 필터와 4극 형 수동소자(3dB 결합기)를직접시켜 구현한 것이 서브시스템인 멀티플렉서로 정보통신 시스템에서 광범위하게 사용되고 있다. 이 부품은 고온초전도 박막만으로도 제조가 가능하다.
마지막으로 고온초전도 회로가 점차 복잡해지고 통신시스템을 겨냥, 집적화하고 있기 때문에 대면적 에피박막이 필수요건으로 등장하고 있다. 이에따라 Si, GaAs, InP 및 강유전체 소자와의 계면연구, 즉, 하이브리드화가 매우 주용하다. 그래서 고온초전도 능동소자(죠셉슨 접합이나 삼단자 소자)와수동소자와의 混成化, 고온초전도 수동소자와 반도체 고속소자(예, GaAsHBT)의 혼성화가 주목을 받고 있다.
고온초전도 마이크로파 소자응용에서 최대의 걸림돌은 역시 냉각문제이다.
초전도 부품을 개별적으로 냉각시키기 보다는 통신시스템 전체를 냉각시키는경우가 더 유리하지만 초소형 및 長壽形 냉각패키지의 개발도 급선무이다.
고온초전도 기술의 상품화를 앞당길 수 있는 분야이지만 국내에 냉각패키지기술이 없는 점은 매우 안타까울 뿐이다.
전자통신연구소 기초기술부 마이크로파 연구팀은 고온초전도 박막의 성장에서부터 설계 및 최적화 시뮬레이션 그리고 건식 및 습식에 의한 마이크로파 소자제조와 측정용 시험치구의 제작 등 최종적인 시제품을 제작, 특성을평가하는 연구를 일관성 있게 수행하고 있다. 최근, 미국 해군성 연구실(Naval Research Lab.)에서 우주개발용 서브시스템 개발을 위간 대형 프로젝터(HTSSEⅡ)로 다채널 필터뱅크, 패칭란테나 어레이, 지연선 필터, 아날로그신호처리기, 대역통과 수신기, 밀리미터파(60GHz)용 통신수신기, A/D 컨버터, 마이크로파용 디지털 멀티플렉서 개발이 추진되고 있어 더욱 고무시키고있다.