트벤테대, 피라미드형 SQUID 센서로 양자소재 나노 자기장 이미징 성공

왜 피라미드인가 — 거리 문제의 해법

SQUID(초전도 양자 간섭 소자)는 극히 미세한 자기장 변화도 감지할 수 있어 양자소재 연구에 핵심적인 계측 도구다. 그러나 기존 설계에서는 감지 링이 칩 평면 위에 누워 있어, 나머지 칩 구조물 때문에 측정 대상 표면과 수 마이크로미터 이상의 간격이 생긴다. 자기장은 거리의 제곱에 반비례하는 속도로 감쇠하므로, 이 간격이 나노미터 분해능을 가로막는 근본 원인이었다.

트벤테 연구팀은 실리콘 웨이퍼를 액체로 식각해 역피라미드 형태의 구덩이를 만들고, 그 위에 유리질 박막을 증착하는 방식을 선택했다. 박막이 모서리에 두껍게 남는 특성을 이용해 피라미드의 네 모서리를 따라 극세선 프레임만 분리해 낸다. 이 공정이 코너 리소그래피(corner lithography)이며, Erwin Berenschot과 Niels Tas가 속한 Mesoscale Chemical Systems 그룹에서 개발한 기술이다. 이후 주변 실리콘을 제거하면 피라미드가 유연한 외팔보(cantilever) 끝에 수직으로 서게 된다.

소자 구조와 성능

피라미드 모서리를 따라 형성된 네 가닥의 초전도 와이어에는 극저온에서 초전도 상태가 되는 니오븀(Nb)을 코팅한다. 이후 집속 이온빔으로 피라미드 꼭대기의 소형 링에 두 개의 조임부(constriction)를 형성하면 SQUID 소자가 완성된다. 외팔보가 표면을 주사할 때 끝부분의 피라미드가 재료 표면에 직접 근접할 수 있어, 나노미터 수준의 자기장 분포를 영상화할 수 있다.

이 센서의 두드러진 특징 중 하나는 1테슬라 이상의 강자기장 환경에서도 초전도성을 유지한다는 점이다. 지구 자기장의 약 2만 배에 해당하는 세기다. 강자기장이 필요한 양자소재 실험에서 기존 초전도 센서가 오히려 무력해지는 문제를 극복한 것이다. 또한 네 개의 접속 단자 중 두 개를 측정 이외의 기능에 배정할 수 있어, 스캔 중 실시간으로 감도를 조정하거나 추가 기능을 부가하는 것이 가능하다.

웨이퍼 단위 양산과 산업 연계

기존 유사 기술인 SQUID-on-tip 방식은 유리관을 수작업으로 당겨 바늘을 만든 뒤 초전도체를 증착하는 방식으로, 한 번에 하나씩만 제작되며 재현성이 낮다. 트벤테 연구팀은 반도체 공정과 동일한 방식으로 한 번의 생산 사이클에 수백 개의 피라미드를 동시에 제작한다. 완성된 팁의 수율은 80~90% 수준이며, 식각 조건을 바꾸면 링의 크기를 수 마이크로미터에서 약 100나노미터까지 조절할 수 있다.

엔스헤이데 소재 주사현미경 제조사인 Bruker가 MESA+ NanoLab에서 공동 참여함으로써, 실험용 장비에서 상용 제품으로 이어지는 경로가 단축될 전망이다. 이번 연구는 네덜란드 중력 프로그램 QuMat의 일환으로 수행됐으며, 성과는 저널 Physical Review Applied에 게재됐다(DOI: 10.1103/3qfq-4458).

의미와 한계

이 연구는 3차원 나노구조와 초전도 기능 소자를 반도체 공정으로 결합할 수 있음을 보여준 사례다. 양자소재의 특성 계측이 지금보다 체계적으로 이뤄질 경우, 위상 절연체나 고온 초전도체 등의 연구 속도에 영향을 줄 수 있다. 다만 실제 측정 충실도(fidelity)나 공간 분해능의 정량적 한계, 극저온 냉각 시스템 요구 조건 등 운용 환경에 관한 세부 데이터는 추가 검증이 필요하다. Bruker와의 상용화 일정 역시 아직 구체적으로 공개되지 않은 상태다.