풍선탑재용 TES 볼로미터와 SQUID 읽기 회로 설계 및 특성 평가

초록

EBEX 풍선 실험을 위해 4인치 실리콘 웨이퍼에 140개의 스파이더‑웹 형태 TES 볼로미터를 배열하고, 평균 열전도도 32 pW/K를 목표로 설계하였다. 디지털 주파수 영역 멀티플렉싱(FDM) SQUID 읽기 전자회로와 결합해 전기·열 특성을 측정했으며, 실험값이 설계값과 일치함을 확인하였다.

상세 분석

본 논문은 고도 30 km 이상에서 관측되는 극히 낮은 광자 배경을 고려한 TES(Transition Edge Sensor) 볼로미터 설계와, 이를 효율적으로 읽어내는 디지털 주파수 영역 멀티플렉싱(FDM) SQUID(readout) 전자회로의 개발 및 검증을 다룬다. 볼로미터는 스파이더‑웹 구조를 채택해 입사 광자를 효율적으로 흡수하면서 열용량을 최소화했으며, 4 인치 직경 실리콘 웨이퍼 위에 140개의 소자를 일괄 마이크로패브리케이션하였다. 열전도도(G) 설계값은 32 pW/K로, 이는 풍선 실험에서 요구되는 낮은 백그라운드 전력(≈ 10 pW 수준) 대비 충분히 높은 감도를 제공한다. 열링크는 실리콘 질화막과 금속 트레이스를 이용해 정밀하게 조절했으며, 전기적 특성(임피던스, 전류-전압 곡선)과 열적 특성(임계 온도 Tc, 전력-온도 관계) 모두 실험적으로 확인하였다. 읽기 전자회로는 디지털 신호 생성기와 고속 ADC/ DAC를 결합한 FDM 방식을 채택해, 하나의 SQUID에 최대 16개의 볼로미터 신호를 동시에 주파수 변조 방식으로 전송한다. 이때 각 채널은 100 kHz1 MHz 대역의 고유 주파수를 할당받아 교차 간섭을 최소화한다. SQUID는 저잡음 전류 증폭기로 동작하며, 전자기 차폐와 저온 전원 설계가 병행돼 풍선의 진동 및 온도 변동에도 안정적인 동작을 보였다. 실험 결과, 전압-전류 곡선에서 전이 구간이 10 mK 이하의 폭으로 관측되었고, 열전도도 측정값은 30 ~ 34 pW/K 범위로 설계값과 6 % 이내 차이를 보였다. 또한, 읽기 전자회로의 전압 잡음 스펙트럼은 1 Hz10 kHz 구간에서 10 pA/√Hz 이하를 기록해, 목표 감도(NEP ≈ 10⁻¹⁷ W/√Hz) 달성에 충분함을 입증했다. 이러한 결과는 풍선 탑재형 초고감도 마이크로파 관측 장비에 TES 볼로미터와 FDM SQUID 시스템을 적용할 수 있는 기술적 기반을 제공한다.