何謂超導體？

簡單來說，超導體可謂之為一種超級導體。1911年，荷蘭科學家Kammerligh Onnes發現，當溫度在絕對零度附近，某些材料會在無電阻狀態下運作。而當冷卻到大約4K（-269 ℃），氦氣液化時，某些材料也有同樣的現象。第一代超導體被泛稱為低溫超導（Low Temperature Superconductor； LTS）材料，具有超導轉變溫度（使這些材料發生超導現象的溫度，低於這個溫度，這些材料仍保持超導現象），範圍大約在絕對零度上的39度（39K），或稱臨界溫度（Critical Temperature；Tc）。當溫度低於其超導臨界溫度Tc時，它具有零電阻（Zero Resistance）以及反磁性（Diamagnetism）兩種特性，請參考(圖一)與(圖二)。

《圖一　超導體的零電阻特性》

《圖二 超導體的反磁性特性》

將超導體冷卻到轉變溫度之下是LTS技術能否廣泛使用的最大關鍵因素。維持材料於液態氦之溫度的成本，通常比由材料本身所能達到的理想狀態昂貴，科學家為此不斷尋找能在較高溫情況下展現超導性之材料。1986年，瑞士科學家Muller與Bednorz發現轉變溫度在77K（-196℃）以上的陶瓷超導體，產生了第二代超導體，稱為高溫超導體（High Temperature Superconductor；HTS）。科學家們將第一代的合金超導體稱之為傳統超導體或低溫超導體，而因為高Tc的超導體，其結構性質與冷卻劑均與第一代合金之超導體有所不同，所以將使用液態氮冷卻由氧化物組成之第二代超導體稱為高溫超導體。

超導體的分類

綜合以上所述，超導體主要分為兩種：低溫超導體及高溫超導體。

低溫超導體（LTS）

低溫超導體多以合金為主，Tc較低。較常見的有Hg、Nb-Ti、Nb3Sn、Nb3Ge及其中Tc最高的MgB2等，如(圖三)。

《圖三　MgB2之晶體結構》

高溫超導體（HTS）

高溫超導體一般為氧化物，且多為含銅之氧化物，Tc較高。超導電流主要是於(圖四)中所示之銅氧平面上流動，此種於銅氧層上流動的電流，使得其超導特性傾向於二維的性質，而與傳統超導體的三維性質有所區分。

《圖四　YBa2Cu3O7高溫超導體之結構》

超導體的應用

自高溫超導體問世後，其實用性提高，而應用範圍也逐漸擴大。各國研究學者都相繼開發HTS材料、元件及系統，以供各種不同的應用。HTS較高的運作溫度使材料比較容易互相配合，並具有較大的科技及經濟潛力。比啤酒成本低的液態氮，較液態氦便宜，並且在使用上也更安全。雖然這種冷卻劑（一種超冷的物質）在實驗室裡被廣泛使用，但在多數的商業電子HTS系統（例如商業無線通訊），必需結合使用可直接冷卻超導元件的製冷機。製冷機類似冰箱的壓縮機，但傳導式之低溫冷卻機冷卻效果可達到更低的溫度（80K以下）。使用壽命約5～10年，製冷機控制系統的運作溫度，為達到元件最佳的效能。對於超導體應用的有推波助瀾的效果。

超導產業的發展──以高溫超導濾波器為例

高溫超導濾波器應用的範圍很廣，可分為在商業方面以及軍事方面的應用，以下將介紹高溫超導濾波器應用於商業的無線通訊產品與其優勢。

近年來無線通訊技術發展日新月異，日常生活各種無線通訊應用層出不窮，行動電話、呼叫器、無線電話、飛航無線通訊及數據傳輸等市場快速成長，造成相鄰頻段間相互干擾，影響通訊的品質。一般基地台系統業者因應的對策都是以增加基地台的數目來保持通訊的品質，可是如此一來會增加投資的成本，同時加重工作人員的負荷，使系統營運績效大幅減縮，而且在有限的土地上不可能無止境的增加基地台的數量。另一項可以治本的方法就是應用先進的超導科技，製成基地台接收系統。此方法目前在美國以及日本等國已經試驗成功。

超導通訊濾波器可用於各種無線天線的收發系統，其與傳統濾波器的性能比較則如(表一)所示，並具有以下優點：

低損耗、低雜訊、低電波可收信及增加基地台覆蓋面積等優點，可大幅降低雜訊之干擾，適用於第三代行動通訊基地台；傳輸速率越高者愈需要用它來降低雜訊干擾，以達到行動通訊使用所需之規格標準。與傳統濾波器比較起來，覆蓋面積增加100％，基地台數目少50％，並能提升服務容量70％。如此除可節省土地空間的使用、人力的資源，無線通訊業者的服務品質也會因而改善，更可增加無線通訊業者的營運績效。此外，由於超導接收系統的收訊極為靈敏，手機發射的強度也因此大幅降低，可減少電磁波對人體及腦部造成的傷害。(圖五)為同頻段之高溫超導體濾波器（HTS）以及傳統濾波器之電腦模擬比較圖，高溫超導體濾波器有較大的使用頻寬以及較低的損耗以及干擾。

《圖五　高溫超導濾波器及傳統濾波器之電腦模擬比較圖》

超導濾波器系統組成

超導濾波器組成有以下重要部份，參考(圖六)：

《圖六　超導濾波器子系統》 資料來源：AST/HST生產之3G HTS Filter 子系統

國內高溫超導濾波器技術發展現況與趨勢

台灣在高溫超導研究方面，有國科會多年來不斷推動，2003年編列8千500萬元預算資助45個研究計畫；另外中科院也完成微波頻段超窄帶濾波器的研製，頗獲好評。這幾年國內的研究發展有了初步成果，包括建立沈澱法理論計算及實驗的相互印證，成功地用以製作均勻、小尺寸的超導粉體；以及建立應用高溫超導薄膜製作高頻濾波器元件的能力。高溫超導的發現預告繼半導體工業之後，將邁入另一個新工業時代，而台灣近年來在半導體產業發展的製程或材料製作技術，已為超導小型應用產業的發展建立良好技術基礎。雖然台灣的高溫超導相關產業仍在起步階段，但若能以專案計畫方式推動未來主流產品，如應用高溫超導製作無線電通訊所需元件的技術、超導線材和線材間接合技術的開發和製作，在國際上應具有競爭力。據悉，中科院應用高溫超導技術首度完成國內微波頻段超窄帶通濾波器的研製，功率耗損僅達7％，這個研發成果在中日半導體年會中發表，深獲好評甚獲國際肯定。

無線通訊領域將是超導體主要應用趨勢

超導現象是科學家研究過程中的一個偉大發現，其可期的產業化前景及豐厚的利潤，吸引著無數的投資者，加上由於無線通訊市場的蓬勃發展，頻段分配成為最寶貴的資源，目前世界先進國家已確定高溫超導體應用於無線通訊上將是未來通訊上的必然趨勢，使用高溫超導體薄膜製成的超導通訊濾波器可取代傳統基地台的濾波器，除了可增加覆蓋面積，減少各個頻段間的相互干擾，提昇通話品質外，更因此可減少電話公司的設備投資費用，增益營收。未來3G時代來臨，高溫超導濾波器將是基地台主要核心組件。但目前世界上擁有成熟超導技術的公司卻屈指可數。而由以上的介紹可知，超導濾波器系統的製作，還需要很多其他關鍵零組件產業與技術方面的結合，如：低溫技術、真空技術等等，這其中又以美、日、德等先進國家居領導地位，所以積極招攬網羅各地相關的精英就成了首要之務。

超導產業的發展是需要相當多的跨產業技術的相互配合，所以需要投入相當大的人力和財力，各先進國家甚至是由官方予以全力支持扶植；然而台灣目前的現況，大都是些國家級的研究單位以實驗室的型態來進行超導的研究與發展，目前僅有超導國際科技（AST）一家民間業者將超導體科技導入產業化，未來勢必需要更多業者的投入與政府的政策支持，才能讓超導體產業有更長遠的未來發展。

（作者任職於超導國際科技）