KR920003885B1 - 아날로그/디지탈변환기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

아날로그/디지탈 변환기
제 1 도는 본 발명에 따라서 구성된 아날로그/디지탈변환기의 특히 변환부의 구조를 도시한 도면.
제 2 도는 제 1 도에 도시한 아날로그/디지탈변환기의 특히 변환부의 구성을 모식적으로 도시한 도면.
제 3 도 (a) 및 (b)는 제 2 도에 도시한 변환부의 동작을 설명하는 그래프.
제 4 도는 제 2 도에 도시한 변환부에 결합하는 부호기의 구성을 도시한 도면.
제 5 도는 종래의 아날로그/디지탈변환기의 변환부의 구조를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1a)(1b)…(1n), (10a)(10b)…(10i)… : 초전도 재료층 (2a)(2b)…(2n),(11a)(11b)(11i)… : 산화막
(20a)(20b)…(20i) : 초전도 재료막 (S1)(S2)…(Sn),(Sn+1) : 초전도 부재
(J1)(J2)…(Jn) : 죠셉슨접합 (P0)(P1) : 전류인가용 단자
(P2)(P3)…(Pn) : 검출용 단자
본 발명은 아날로그/디지탈변환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 발명은 초전도체를 이용한 신규한 아날로그/디지탈변환기의 구성에 관한 것이다.
초전도현상하에서 물질은 완전한 반자성을 나타내고, 내부에 유한한 정상전류가 흐르고 있음에도 불구하고 전위차가 나타나지 않게 된다.
이 초전도현상의 응용분야는 MHD발전, 전력송전, 전력저장등의 전력분야 혹은 자기부상열차, 전자기추진선박등의 동력분야, 또한 자장, 고주파, 방사선 등의 초고감도 센서로서 NMR, π중간자치료, 고에너지 물리실험장치등의 계측분야등, 매우 광범위한 분야에 걸쳐서 적용되고 있고. 또한 죠셉슨 소자에 대표되는 전자분야에서도, 단지 소비전력의 저감뿐만아니라, 동작이 매우 고속인 소자를 실현할 수 있는 기술로서기대되고 있다.
그런데, 과거의 경험으로 초전도는 초저온하에서만 관측되는 현상이었다. 즉, 종래의 초전도물질로서 가장 높은 초전도임계온도(Te)를 가지고 있다고 알려진 Nb3Ge에 있어서도 23.2K라는 매우 낮은 온도가 장기간에 걸쳐서 초전도임계온도의 한계로 되어 있었다.
그 때문에, 종래는 초전도현상을 실현하기 위하여 비등점이 4.2K인 액체헬륨을 사용해서 초전도물질을 Tc이하까지 냉각하고 있었다. 그러나, 액체헬륨의 사용은 액화설비를 포함한 냉각설비에 의한 기술적부담 및 코스트적 부담이 매우 커서, 초전도기술의 시용화에 장해가 되고 있었다.
그러나, 최근에 이르러서 복합산화물 소결체가 높은 임계온도에서 초전도체가 될 수 있는 것이 보고되고, 비저온 초전도체에 의한 초전도기술의 실용화가 급작스럽게 촉진되게 되었다. 이미 보고되어 있는 예에서는 Y-Ba-Cu계, La-Ba-Cu 혹은 La-Sr-Cu계등의 복합산화물에서 페로브스카이트형(Perovskite type)과 유사한 결정구조를 가진 것이, 특히 액체질소온도 이상에서 초전도현상을 나타내는 것으로서 들 수 있다.
이와같이, 신규한 초전도 재료의 개발에 의해서 초전도현상을 더욱 일반적인 환경에서 사용할 수 있게 되었다. 따라서, 많은 분야에서 그 응용이 진행되고 있어서, 초전도기술은 현대의 산업구조까지도 변혁시킨다고 말해지고 있다.
제 5 도는 종래의 아날로그/디지탈변환기를 조셉슨접합의 집합체로서 제작하였을 경우의 변환부의 구조를 도시한 도면이다.
동 도면에 도시한 구조의 것을 제작할 경우, 먼저 가장 좌측에 존재하는 초전도재료층(1a)을 형성하고,이어서 산화막(2a)을 형성한 후에 제 2 의 초전도층(1b)을 형성한다. 이렇게해서 1개의 조셉슨접합이 형성되나, 이하 필요한 조셉슨접합의 수에 따라서 이 공정을 반복할 필요가 있다.
이와 같은 종래의 조셉슨접합 집합체는 제작에 매우 많은 공정수를 필요로 하고, 아날로그/디지탈변환기와 같이 많은 단수(段數)를 필요로하는 회로의 제작에는 비현실적인 것이 된다.
그래서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고. 더욱 간편한 공정으로 동등한 회로를 구성할 수 있는, 신규한 구조를 가진 아날로그/디지탈변환기를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명에 따라서, 소정의 임계조건에 대해서, 일정한 차이로 서로 다른 임계조건이 설정된 복수의 초전도 전류로를 직렬로 결합해서 이루어진 변환부와, 이 초전도 전류로의 각각에 있어서의 초전도 전류의 차단을 검출하는 수단을 구비한 검출부를 갖추고, 이 변환부의 환경자장의 변화를 직접 디지탈전압신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기가 제공된다.
본 발명에 관한 아날로그/디지탈변환기는 초전도 전류로 즉, 그의 초전도층 혹은 초전도막을 다음의 일반식 즉 (α1-xβx)γyδz(단, 원소α는 주기율표 IIa족에 포함되는 원소이고, 원소 β는 주기율표 IIIa족에 속하는 원소이며, 원소 γ는 주기율표 Ib, IIb, IIIb, IVa 또는 VIIIa족에 포함되는 원소이고, S가 0이며, x,y,z는 각각 0.1-0.9, Y=1.0-4.0, 1≤z≤5를 만족하는 수치이다.)로 표시되는 복합산화물 초전도재료에 의해서 형성하는 것이 유리하다. 여기에서, 특히 유리한 원소의 겹합으로서, Ba-Y-Cu, Ba-La-Cu 혹은 Sr-La-Cu등의 결합을 들 수 있다. 이들 원소를 결합시킨 복합산화물 혹은 이것을 베이스로 한 복합산화물은 액체질소온도를 초과하는 높은 온도에서 초전도현상을 나타내므로 이것을 사용해서 형성한 초전도 회로의 실용성은 매우 높다.
본 발명에 따른 아날로그/디지탈변환기는 서로 임계전류가 다른 복수의 초전도 전류로를 직렬로 결합해서 이루어진 변환부를 구비한 것을 그 주요한 특징으로 하고 있다.
즉, 조셉슨접합(초전도 전류로)은, 소정의 임계전류를 가지고 있고, 이 임계전류 이하에서는 전혀 전기저항이 없으므로, 초전도 전류로의 양단에 전위차가 발생하지 않는다. 한편, 임계전류가 인가되면, 초전도성이 상실되어서 오옴의 법칙에 지배되는 일반도체 혹은 절연체가 된다. 이 상태에서는 그 초전도 전류로의 양단에 인가전류에 따른 전압이 발생하는 것은 물론이다.
본 발명에 따른 아날로그/디지탈변환기의 변환부는 서로 임계전류가 다른 복수의 초전도 전류로를 직렬로 결합해서 구성되어 있다. 따라서, 이 검출부에 최소의 임계전류이하의 소정의 전류가 흐르고 있는 상태에서, 이 검출부가 놓여진 환경의 전류 혹은 자장이 변화하면, 그에 따라서 초전도 전류로중, 임계조건이 낮은 쪽으로부터 조건의 변화에 대응하는 몇개가 일반도체가 되어, 그 양단에는 소정의 전압이 발생한다. 그래서, 이것을 검출함으로써 자장 혹은 전류의 변화량을 알 수 있다. 따라서, 예를들면 복수의 초전도 전류로의 임계조건을, 일정한 차이로 단계적으로 다르게 설정해두고, 또한 검출한 전압을 소정의 부호기에 입력함으로써 예를들면 바이너리 디지탈신호로서 출력할 수 있다.
그런데, 실용성을 고려하면 본 발명에 따른 아날로그/디지탈변환기는, 소정의 기판위에 물리증착에 의해서 형성하는 박막에 의해서 유리하게 구성할 수 있다. 여기에서 물리증착이라 함은 스퍼터링법, 이온도금법등을 유리한 방법으로서 들 수 있으며, 또한 이 경우에 형성하는 박막이 높은 초전도 특성을 나타내는 페로브스카이트형 구조를 용이하게 채택하도록, 페로브스카이트구조 혹은 이에 준한 구조를 가진 표면성상을 가진 기판을 사용하는 것이 유리하다. 구체적으로는 SrTiO3단결정, MgO 단결정 또는 사파이어 등을 기판으로서 사용하는 것이 유리하다.
여기에서, 본 발명의 특징적인 구성에 의하면, 상술한 바와같은 아날로그/디지탈변환기를 구성하는 복수의 조셉슨접합은 다만 2개의 초전도층으로 형성된다.
즉, 제 1 의 초전도층은 소정의 동일면 상에 서로 독립해서 위치하고, 상부면을 얇은 절연층으로 덮은 복수의 초전도 재료로 형성되어 있고, 이것에 대해서, 제 2 의 초전도층은 제 1 의 초전도층에 속하는 초전도층중, 서로 인접하는 2개의 영역을 결합하도록 구획된 복수의 초전도 재료막으로 되어 있다. 이와같은 초전도 전류로의 집합체는 불과 2회의 패턴 형성공정에 의해서 제작할 수 있다.
이하에 도면을 참조해서 본 발명을 더욱 구체적으로 상세히 설명하나, 이하에 기재하는 것은 본 발명의 일실시예에 지나지 않으며, 본 발명의 기술적 범위를 하등 제한하는 것은 아니다.
제 1 도는 본 발명에 따라서 구성된 아날로그/디지탈변환기의 변환부의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
제 1 도에 도시한 바와같이, 제 1 의 초전도층(A)은 그 면적 (제 1 도는 단면도로 도시되어 있으므로 길이로서 표시되어 있다) 이 도면에서 좌측으로부터 우측으로 단계적으로 변화하는 서로 독립한 초전도 재료층(10a),(10b)…(10i)…을 형성하고 있다. 또한, 이와같은 제 1 층(A)의 상부면은, 그 표면을 산화막으로 함으로써, 조셉슨접합의 장벽층이 되는 얇은 절연막(11a), (11b)…(11i)…을 형성하고 있다.
상술한 바와같은 제 1 층(A)상에 형성된 제 2 층(B)은 역시 패턴화된 초전도 재료에 의해서 형성되어 있고, 서로 독립한 초전도 재료막(20a),(20b)…(20i)…의 각각은 제 1 층(A)에 속하는 초전도 재료층 중, 인접하는 2개의 층을 결합하도록 형성되어 있다. 즉, 초전도 재료막(20a)은 초전도 재료층(10a)및 (10b)을 결합하고 있고, 초전도 재료막(20b)은 초전도 재료층(10b)및 (10c)을 결합하고 있으며, 이하 필요한 수에 따라서 그 결합이 연속하고 있다.
또한, 이들 초전도 재료층(10a),(10b)…(10i)…, 및 초전도 재료막(20a),(20b)…(20i)…의 형성방법은, 종래부터 공지된 박막패턴 기술을 이용할 수 있으므로, 그 상세한 설명에 대해서는 설명을 생략한다.
상술한 바와같이 형성된 변환부에서는 초전도 재료층(10a)과 초전도 재료막(20a)과의 사이, 초전도 재료막(20a)과 초전도 재료층(10b)과의 사이와 같이, 각 접합부에 조셉슨접합이 형성되어 있다. 여기에서, 각 접합면의 면적을 단계적으로 증가 혹은 감소함으로써 제 5 도에 도시한 종래의 조셉슨접합의 집합체와 등가회로를 형성할 수 있다.
제 2 도는, 상술한 바와같은 아날로그/디지탈변환기의 요부인 초전도 재료를 사용한 변환부의 구성을 개념적으로 도시한 도면이다.
제 2 도에 도시한 바와같이, 이 변환부는 단면적이 단계적으로 변화하는 초전도부재(S1)(S2)…(Si)…(Sn+1)를 적층해서 구성하고 있다. 초전도 부재(S1),(S2)…(Si)…(Sn+1)상호간의 접합부에서는 각 초전도 부재 사이에 얇은 절연층이 삽입되어 있고, 이 부위에는 서로 임계전류가 다른 조셉슨접합(J1),(J2)…(Jn)이 형성되어 있다. 또, 이들의 초전도부재의 집합체의 양단에는 이 집합체에 전류를 인가하기 위한 1쌍의 단자(P1) 및 (P0)가 결합됨과 동시에, 각 초전도 부재(S1),(S2)…(Si)…(Sn+7)8는, 후술하는 전압검출용의 단자(P2),(P3)…(Pn)가 결합되어 있다.
여기에서, 제 3a 도는, 이 변환부의 환경자계와 같은 조셉슨접합에 있어서의 임계전류 밀도와의 관계를 도시한 그래프이다.
즉, 상술한 초전도 부재의 집합체에 대해서, 단자(P1) 및 (P0)에 의해서 최소의 임계전류조건을 가진 조셉슨접합인 접합(J1)의 임계전류보다도 작은 소정의 전류(I0)를 흐르게 한다. 이 상태의 집합체에 대해서, 어떤 강도의 자장(Hm)이 인가되면, 제 3a 도에 도시한 그래프로부터 알 수 있는 바와같이, 어떤 접합(Ji)과 그보다도 임계조건이 낮은 (J1)으로부터 (Ji-1)까지의 접합은 초전도가 파괴되어서 저항을 발생한다. 따라서, 검출용단자(P2)로부터 (Pi)까지의 단자에는 직류전압이 발생한다.
또, 제 3b 도에는 아날로그신호를 중첩해서 입력되는 전류와, 각 조셉슨접합에 있어서의 임계전류밀도와의 관계를 도시한 그래프이다.
즉, 상술한 초전도 부재의 집합체에 대해서, 단자(P1) 및 (P0)에 의해서 최소의 임계전류조건을 가진 조셉슨접합인 접합(J1)의 임계전류보다도 작은 소정의 전류(I0)를 흐르게 한다. 이 상태의 집합체에 대해서 입력전류가 인가된 아날로그신호에 의해서 증가하면, 제 3b 도로부터 알 수 있는 바와같이, 어떤 접합(Ji) 과 그 보다도 임계조건이 낮은 (J1)으로부터(Ji-1)까지의 접합은 초전도가 파괴되어서 전기저항을 발생한다. 따라서, 검출용단자(P2)로부터 (Pi)까지의 단자에는 직류전압이 발생한다.
이와같이 해서 각 검출용단자(P2),(P3)…(Pn)로부터 출력되는 환경자장의 변화에 따른 전압을 제 4 도에 도시한 바와같이 접합한 부호기에 입력함으로써, 예를들면 디지탈적인 2진신호를 얻을 수 있다.
이와같은 본 발명에 따른 아날로그/디지탈변환기의 변환부에 있어서의 초전도 전류로의 집합체는 최대로 2종류의 마스크에 의해서 적은 공정수로 제작할 수 있다.
이상, 상세히 설명한 바와같이, 본 발명에 의한 아날로그/디지탈변환기는, 아날로그신호가 중첩된 자장을 입력함으로써, 이것에 대응한 디지탈신호를 출력한다. 이 동작은 직접적으로 특히 자장의 변화를 직접 디지탈신호로서 출력하는 아날로그/디지탈변환기는 종래에는 존재하고 있지 않았다. 즉, 본 발명에 의한 아날로그/디지탈변환기는 디지탈신호를 직접 출력하는 고속이며 고감도인 자기센서로서 유리하게 이용할 수 있다.
또, 아날로그/디지탈변환기를 구성하는 변환부를 초전도 전류로의 집합체로서 형성하는 태양에서는 매우 고속의 동작을 실현할 수 있다.
또한, 실시예에서는 초전도 전류로의 집합체를 직렬로 결합한 접합면적이 다른 복수의 조셉슨접합에 의해서 형성하였으나, 이것을 서로 단면적이 다른 임계조건을 가진 초전도재료를 적층해서 형성하는 것도 본 발명의 범위에 포함되는 것은 물론이다.

Claims (17)

  1. 소정의 임계조건에 대해서 일정한 차이로 서로 다른 임계조건이 설정된 복수의 초전도 전류로를 직렬로 결합해서 이루어진 변환부와, 이 초전도 전류로의 각각에 있어서의 초전도 전류의 차단을 검출하는 수단을 구비한 검출부를 갖추고, 이 변환부의 환경자장의 변화를 직접 디지탈전압신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지 탈변환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 전류로의 각각에 설정된 임계조건이, 각 초전도 전류로의 임계전류인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 전류로의 각각에 설정된 임계조건이, 각 초전도 전류로의 임계자장인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 전류로의 차단을 검출하는 수단이 상기 초전도 전류로의 각각을 포함하는 소정구간의 전류로에 발생하는 전압을 각각 검출하는 회로의 집합인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 초전도 전류로가 조셉슨접합을 포함하는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 초전도 전류을 차단을 검출하는 수단의 출력이, 상기 초전도 전류로의 동작에 따른 바이너리 신호를 생산하는 회로에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 전류로가 기판상에 형성된 초전도 재료박막인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 초전도 재료박막이 물리증착법에 의해서 상기 기판상에 형성된 박막인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 박막이 상기 기판상에 습식도포에 의해서 형성된 퇴적층을 소결해서 형성되는복합산화물 박막인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 SrTiO3단결정, MgO또는 사파이어 기판상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 전류로가 비초전도 상태에서 도체인 것과 같은 재료에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 전류로가 하기의 일반식
    (α1-xβx)γySz
    (단, 원소 α는 주기율표 IIa속에 포함되는 원소이며, 원소 β는 주기율표 IIIa족에 포함되는 원소이고, 원소 γ는 주기율표 Ib, IIb, IIIb, IVa 또는 VIIIa속에 포함되는 원소이며, S가 0이고, x, y, z는 각각 x=0.1~0.9, y=1.0~4.0, 1
    Figure kpo00001
    z
    Figure kpo00002
    5를 만족하는 수치이다)로 표시되는 복합산화물 초전도재료에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 복합산화물이 페로브스카이트형의 결정구조를 가진 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 원소 α가 Ba이고, β가 Y이며, 상기 원소 γ가 Cu인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 원소 α가 Ba이고, β가 La이며, 상기 원소 γ가 Cu인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 원소 α가 Sr이고, 상기 원소 β가 La이며, 상기 원소 γ가 Cu인 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
  17. 제 1 항에 있어서, 복수의 초전도 전류로는, 소정의 동일면상에 서로 독립해서 위치하고, 상부면을 얇은 절연층으로 덮은 복수의 초전도 재료층으로 형성되는 제 1 층과, 이 제 1 층을 형성하는 복수의 초전도 재료층중, 인접하는 2개를 결합하도록 형성되고, 또한 서로 독립한 복수의 초전도 재료막으로 이루어진 제 2 층으로 구성되고, 이 제 1 층에 속하는 초전도 재료층과 이 제 2 층에 속하는 초전도 재료막과의 접합면의 면적이 서로 다르게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지탈변환기.
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