Adelaide University, SQUID 합성 면적 분포 설계 검증·국제 특허 출원

SQUID의 오랜 구조적 딜레마

초전도 양자 간섭 소자(SQUID)는 지금껏 개발된 자기장 감지 소자 중 가장 높은 민감도를 갖춘 부류다. 뇌 영상 시스템, 고주파(RF) 센서, 과학 계측 장비 등 고정밀 분야에서 폭넓게 활용된다. 그러나 SQUID는 자기장의 미세한 변화를 포착하는 데는 탁월한 반면, 자기장이 정확히 영(0)인 지점을 식별하는 이른바 절대 자기장 감지에는 구조적 어려움이 있었다. 기존 해결책은 크기가 서로 다른 초전도 루프 수백~수천 개를 집적한 복잡한 회로를 구성하는 방식이었는데, 이 방식은 제조 복잡도를 높이는 동시에 소자 전체의 감도를 저하시키는 부작용을 동반했다.

합성 면적 분포: 같은 크기, 다른 작동 원리

QuaNTeG 팀은 루프 크기를 다양화하는 기존 접근 대신, 조셉슨 접합이 없는 베어루프를 동일 크기 SQUID 루프 사이에 전략적으로 배치하는 방법을 채택했다. 베어루프는 자기 신호가 회로를 통과하는 경로를 변화시켜, 단일 크기 루프 배열이 다양한 크기의 루프를 포함한 배열과 같은 방식으로 동작하도록 만든다. 연구팀은 이 현상을 합성 면적 분포라 정의했다. 이론 모델을 수립한 뒤 극저온 환경에서 실제 초전도 회로를 제작해 검증한 결과, 측정값은 이론 예측과 정확히 일치했다. 연구 책임자인 Giuseppe Tettamanzi 부교수(화학공학부)는 오랫동안 절대 자기장 감지를 구현하는 방법이 알려져 있었지만 성능 타협이 불가피했으며, 이번 연구가 베어루프 배치를 통해 최대 감도 조건을 그대로 보존하면서 동일한 효과를 낼 수 있음을 보였다고 설명했다. 연구에는 박사과정 연구원 Ross Monaghan과 Jonathan Marenkovic이 공동으로 참여했다.

제조 단순화 효과와 응용 분야

이 설계 방식의 실용적 의의는 제조 공정의 단순화다. 크기가 각기 다른 루프를 수백~수천 개 단위로 정밀 가공·집적할 필요가 없어지므로, 생산 공정과 비용이 동시에 줄어들 것으로 기대된다. 연구팀은 잠재적 응용 분야로 뇌 기능 모니터링 시스템, 더 민감한 RF 수신기, 저잡음 통신 기술, 전자기 센싱 플랫폼 등을 제시했다. Tettamanzi 부교수는 검출의 근본적인 양자 한계에 더 가까이 다가갈수록 약한 신호에서 더 많은 정보를 추출할 수 있다고 강조했다.

특허 출원과 상용화 전망

해당 설계 개념은 현재 국제 특허 출원이 진행 중이며, 소자 성능 향상과 신규 응용 탐색을 위한 후속 연구도 이미 시작됐다. 관련 논문은 Physical Review Applied에 게재됐다. 다만 연구팀 스스로 상용화 전에 추가 검증이 필요하다고 명시한 만큼, 실제 제품화까지는 상당한 시간이 소요될 것으로 보인다. 그럼에도 이론과 실험이 일치하는 결과를 확보하고 특허 출원까지 진행한 점은 후속 개발을 위한 실질적 기반이 마련됐음을 의미한다.