何谓超导体？

简单来说，超导体可谓之为一种超级导体。1911年，荷兰科学家Kammerligh Onnes发现，当温度在绝对零度附近，某些材料会在无电阻状态下运作。而当冷却到大约4K（-269 ℃），氦气液化时，某些材料也有同样的现象。第一代超导体被泛称为低温超导（Low Temperature Superconductor； LTS）材料，具有超导转变温度（使这些材料发生超导现象的温度，低于这个温度，这些材料仍保持超导现象），范围大约在绝对零度上的39度（39K），或称临界温度（Critical Temperature；Tc）。当温度低于其超导临界温度Tc时，它具有零电阻（Zero Resistance）以及反磁性（Diamagnetism）两种特性，请参考(图一)与(图二)。

《图一 超导体的零电阻特性》

《图二 超导体的反磁性特性》

将超导体冷却到转变温度之下是LTS技术能否广泛使用的最大关键因素。维持材料于液态氦之温度的成本，通常比由材料本身所能达到的理想状态昂贵，科学家为此不断寻找能在较高温情况下展现超导性之材料。1986年，瑞士科学家Muller与Bednorz发现转变温度在77K（-196℃）以上的陶瓷超导体，产生了第二代超导体，称为高温超导体（High Temperature Superconductor；HTS）。科学家们将第一代的合金超导体称之为传统超导体或低温超导体，而因为高Tc的超导体，其结构性质与冷却剂均与第一代合金之超导体有所不同，所以将使用液态氮冷却由氧化物组成之第二代超导体称为高温超导体。

超导体的分类

综合以上所述，超导体主要分为两种：低温超导体及高温超导体。

低温超导体（LTS）

低温超导体多以合金为主，Tc较低。较常见的有Hg、Nb-Ti、Nb3Sn、Nb3Ge及其中Tc最高的MgB2等，如(图三)。

《图三 MgB2之晶体结构》

高温超导体（HTS）

高温超导体一般为氧化物，且多为含铜之氧化物，Tc较高。超导电流主要是于(图四)中所示之铜氧平面上流动，此种于铜氧层上流动的电流，使得其超导特性倾向于二维的性质，而与传统超导体的三维性质有所区分。

《图四 YBa2Cu3O7高温超导体之结构》

超导体的应用

自高温超导体问世后，其实用性提高，而应用范围也逐渐扩大。各国研究学者都相继开发HTS材料、组件及系统，以供各种不同的应用。HTS较高的运作温度使材料比较容易互相配合，并具有较大的科技及经济潜力。比啤酒成本低的液态氮，较液态氦便宜，并且在使用上也更安全。虽然这种冷却剂（一种超冷的物质）在实验室里被广泛使用，但在多数的商业电子HTS系统（例如商业无线通信），必需结合使用可直接冷却超导组件的制冷机。制冷机类似冰箱的压缩机，但传导式之低温冷却机冷却效果可达到更低的温度（80K以下）。使用寿命约5～10年，制冷机控制系统的运作温度，为达到组件最佳的效能。对于超导体应用的有推波助澜的效果。

超导产业的发展──以高温超导滤波器为例

高温超导滤波器应用的范围很广，可分为在商业方面以及军事方面的应用，以下将介绍高温超导滤波器应用于商业的无线通信产品与其优势。

近年来无线通信技术发展日新月异，日常生活各种无线通信应用层出不穷，移动电话、呼叫器、无线电话、飞航无线通信及数据传输等市场快速成长，造成相邻频段间相互干扰，影响通讯的质量。一般基地台系统业者因应的对策都是以增加基地台的数目来保持通讯的质量，可是如此一来会增加投资的成本，同时加重工作人员的负荷，使系统营运绩效大幅减缩，而且在有限的土地上不可能无止境的增加基地台的数量。另一项可以治本的方法就是应用先进的超导科技，制成基地台接收系统。此方法目前在美国以及日本等国已经试验成功。

超导通讯滤波器可用于各种无线天线的收发系统，其与传统滤波器的性能比较则如(表一)所示，并具有以下优点：

低损耗、低噪声、低电波可收信及增加基地台覆盖面积等优点，可大幅降低噪声之干扰，适用于第三代行动通讯基地台；传输速率越高者愈需要用它来降低噪声干扰，以达到行动通讯使用所需之规格标准。与传统滤波器比较起来，覆盖面积增加100％，基地台数目少50％，并能提升服务容量70％。如此除可节省土地空间的使用、人力的资源，无线通信业者的服务质量也会因而改善，更可增加无线通信业者的营运绩效。此外，由于超导接收系统的收讯极为灵敏，手机发射的强度也因此大幅降低，可减少电磁波对人体及脑部造成的伤害。(图五)为同频段之高温超导体滤波器（HTS）以及传统滤波器之计算机仿真比较图，高温超导体滤波器有较大的使用带宽以及较低的损耗以及干扰。

《图五 高温超导滤波器及传统滤波器之计算机仿真比较图》

超导滤波器系统组成

超导滤波器组成有以下重要部份，参考(图六)：

《图六 超导滤波器子系统》 数据源：AST/HST生产之3G HTS Filter 子系统

国内高温超导滤波器技术发展现况与趋势

台湾在高温超导研究方面，有国科会多年来不断推动，2003年编列8千500万元预算资助45个研究计划；另外中科院也完成微波频段超窄带滤波器的研制，颇获好评。这几年国内的研究发展有了初步成果，包括建立沈淀法理论计算及实验的相互印证，成功地用以制作均匀、小尺寸的超导粉体；以及建立应用高温超导薄膜制作高频滤波器组件的能力。高温超导的发现预告继半导体工业之后，将迈入另一个新工业时代，而台湾近年来在半导体产业发展的制程或材料制作技术，已为超导小型应用产业的发展建立良好技术基础。虽然台湾的高温超导相关产业仍在起步阶段，但若能以项目计划方式推动未来主流产品，如应用高温超导制作无线电通讯所需组件的技术、超导线材和线材间接合技术的开发和制作，在国际上应具有竞争力。据悉，中科院应用高温超导技术首度完成国内微波频段超窄带通滤波器的研制，功率耗损仅达7％，这个研发成果在中日半导体年会中发表，深获好评甚获国际肯定。

无线通信领域将是超导体主要应用趋势

超导现象是科学家研究过程中的一个伟大发现，其可期的产业化前景及丰厚的利润，吸引着无数的投资者，加上由于无线通信市场的蓬勃发展，频段分配成为最宝贵的资源，目前世界先进国家已确定高温超导体应用于无线通信上将是未来通讯上的必然趋势，使用高温超导体薄膜制成的超导通讯滤波器可取代传统基地台的滤波器，除了可增加覆盖面积，减少各个频段间的相互干扰，提升通话质量外，更因此可减少电话公司的设备投资费用，增益营收。未来3G时代来临，高温超导滤波器将是基地台主要核心组件。但目前世界上拥有成熟超导技术的公司却屈指可数。而由以上的介绍可知，超导滤波器系统的制作，还需要很多其他关键零组件产业与技术方面的结合，如：低温技术、真空技术等等，这其中又以美、日、德等先进国家居领导地位，所以积极招揽网罗各地相关的精英就成了首要之务。

超导产业的发展是需要相当多的跨产业技术的相互配合，所以需要投入相当大的人力和财力，各先进国家甚至是由官方予以全力支持扶植；然而台湾目前的现况，大都是些国家级的研究单位以实验室的型态来进行超导的研究与发展，目前仅有超导国际科技（AST）一家民间业者将超导体科技导入产业化，未来势必需要更多业者的投入与政府的政策支持，才能让超导体产业有更长远的未来发展。

（作者任职于超导国际科技）