KR100371453B1 - 자기 기록 장치 및 자기 기록 방법 - Google Patents

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KR100371453B1 KR10-2000-0012677A KR20000012677A KR100371453B1 KR 100371453 B1 KR100371453 B1 KR 100371453B1 KR 20000012677 A KR20000012677 A KR 20000012677A KR 100371453 B1 KR100371453 B1 KR 100371453B1
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Abstract

본 발명은 자기 기록 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 자기 기록 장치는 기판 상에 형성되고 자성 입자 및 상기 자성 입자 사이에 형성된 비자성 재료로 구성되는 기록층을 갖는 자기 기록 매체, 상기 기록층을 가열하도록 구성된 가열 유닛, 및 상기 기록층에 자기장을 인가하도록 구성된 자기 기록 유닛을 구비하고, 상기 자기 기록 매체, 상기 가열 유닛 및 상기 자기 기록 유닛은,
T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)
의 관계를 만족시키도록 구성되며,
여기서, Ku(T)는 온도(T)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기 온도(Ta)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, RKu(T)는 Ku(T)/Ku(Ta) 비를 나타내며, t는 자기장 인가가 완료된 후의 경과 시간을 나타내는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 기록 장치 및 자기 기록 방법{MAGNETIC RECORDING APPARATUS AND METHOD OF MAGNETIC RECORDING}
본 출원은 1999년 3월 15일 출원된 일본 특허출원 11-068185 호의 우선권에 기초하여 우선권의 이익을 주장하는 출원으로서, 상기 출원의 내용 전체는 본 명세서에서 참고로 설명된다.
본 발명은 정보의 기록 및 재생이 자기적으로 이루어지는 자기 기록 장치 및 자기 기록 방법에 관한 것이다.
최근 컴퓨터 처리속도의 향상으로 정보를 기록 및 재생하도록 고안된 자기 기록 장치(가령, 하드 디스크 드라이브(HDD))는 기록 속도 및 밀도를 더욱 개선시키는 것이 요구된다. 그러나, 기록 밀도를 증가시키는 데에는 물리적 한계가 있다.
자기 기록 장치로 고밀도 기록을 실행하기 위해서는 기록층에 기록되는 자구(磁區)를 작게 하는 것이 필요하다. 작은 기록 자구를 분별하기 위해서는 자구의 경계(edge)가 매끄러울 필요가 있다. 상기 요건을 충족시키려면 기록층을 구성하는 자성 입자들의 크기를 줄일 필요가 있다. 또한, 고밀도 기록을 위해서 기록층의 두께를 줄일 필요가 있으며, 이것은 또한 자성 입자들의 크기를 줄이는 결과가 된다. 그러나 자성 입자 크기를 줄이면, 자성 입자의 자기 이방성 에너지(즉, 자기 이방성 에너지 밀도(Ku)와 자성 입자 체적의 곱)는 열 요동 에너지(thermal fluctuation energy)보다 작아질 것이다. 만약 자성 입자의 자기 이방성 에너지가 열 요동 에너지보다 작아지면, 기록된 자구의 자화가 다시 반전되고, 이로 인해 더 이상 기록된 정보의 유지가 불가능하게 될 것이다. 이 현상은 열 요동 한계 또는 초상자성 한계로서 불린다. 열 요동으로 인한 자화의 반전을 막기 위해서 자성 입자들의 Ku를 증가시키는 것을 생각해 볼 수 있다. 그러나 자성 입자들의 Ku가 커지면, 자성 입자들의 보자력(coercive force)은 Ku에 비례하여 증가할 것이다. 그러므로 통상의 기록 헤드에 의해 발생되는 자기장으로 자화를 반전시키는 것은 불가능하게 될 수 있다.
본 발명의 목적은 열 요동 한계를 넘어서는 고밀도 기록이 가능한 자기 기록 장치 및 자기 기록 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 기록 장치의 실시예를 보여주는 개략도;
도 2는 Ku, RKu, T/Ku, T/RKu, 및 온도(T) 사이의 관계를 보여주는 그래프;
도 3은 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서의 기록 후의 경과 시간(t)의 로그 ln(t)와 온도(T)의 역수 1/T 사이의 관계를 보여주는 그래프;
도 4는 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서의 RKu/T와 ln(t) 사이의 관계를 보여주는 그래프;
도 5는 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서의 T/RKu와 기록 후의 경과 시간(t) 사이의 관계를 보여주는 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서의 RKu/T와 ln(t) 사이의 관계를 보여주는 그래프; 및
도 7은 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서의 T/RKu와 기록 후의 경과 시간(t) 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 자기 기록 매체 12 : 기초층
13 : 기록층 14 : 보호층
20 : 슬라이더 30 : 기록/판독 소자
40 : 도파관
본 발명에 따르면, 기판 위에 형성되고 자성 입자들 및 상기 자성 입자들 사이에 형성된 비자성 재료로 구성된 기록층을 갖는 자기 기록 매체, 상기 기록층을 가열하도록 구성된 가열 유닛, 및 자기장을 상기 기록층에 인가하도록 구성된 자기 기록 유닛을 포함하는 자기 기록 장치가 제공되는데, 상기 자기 기록 매체, 가열 유닛 및 자기 기록 유닛은 다음의 관계를 만족시키도록 구성되어 있다.
T/RKu(T) < 11200/(ln(t) + 20.72)
여기서, Ku(T)는 온도(T)에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기 온도에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이며, RKu(T)는 Ku(T)/Ku(Ta)의 비율을 나타내고, t는 자기장 인가가 끝난 후의 경과 시간을 나타낸다.
본 발명의 자기 기록 장치에서, 기록층은 대기 온도에서 4k0e 이상의 보자력을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 기판 위에 형성되고 자성 입자들 및 상기 자성 입자들 사이에 형성된 비자성 재료로 구성된 기록층을 포함하는 자기 기록 매체에 대한 자기 기록 방법에 있어서, 상기 자기 기록 방법은 상기 기록층을 가열하는 단계, 및 상기 기록층에 자기장을 인가하여 기록을 실행 단계를 포함하고, 상기 단계들은 다음 관계를 만족시킨다.
T/RKu(T) < 11200/(ln(t) + 20.72)
여기서, Ku(T)는 온도(T)에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기 온도에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이며, RKu(T)는 Ku(T)/Ku(Ta)의 비율을 나타내고, t는 자기장 인가가 끝난 후의 경과 시간을 나타낸다.
본 발명에서, 예를 들어 최고 온도(Tmax)에서의 RKu(Tmax)가 가열 단계에서 0.01 이하가 되도록 기록층이 가열되고, 기록층이 기록 단계에서 최고 온도에 도달한 이후 1㎱ 내지 50ns 이내에 기록 동작이 완성되는 방법이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 기록층이 가열 단계에서 최고 온도에 도달하기 전에 RKu(T)가 0이 되도록 기록층이 가열되고, 기록층이 기록 단계에서 최고 온도에 도달한 이후 20㎱ 내지 100ns 이내에 기록 동작이 완성되는 다른 방법이 사용될 수 있다.
본 발명의 부가적인 목적과 이점은 다음의 설명에서 언급되고, 하기의 설명으로부터 부분적으로 명확해질 것이며, 또한 본 발명의 실행에 의해서 인식될 수 있다. 본 발명의 목적과 이점은 지금부터 구체적으로 설명되는 실시예 및 결합예에 의해서 실현되고 얻어질 수 있다.
본 명세서에서 설명되며 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 도해하며, 상기한 일반적인 설명 및 하기에 설명될 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 도움을 줄 것이다.
본 발명에 따른 자기 기록 장치는 자기 기록 매체, 가열 유닛, 및 자기 기록 유닛을 포함한다. 본 발명의 장치에서, 자기 기록 매체의 기록층을 가열하는 것은 가열 유닛을 이용함으로써 수행되고, 그 다음, 상기 자기 기록 유닛을 사용함으로써 기록층에 자계가 인가되어 기록이 수행된다. 이 방법은 열 지원 기록으로서 언급된다. 자성층의 온도가 상승하면 그의 보자력이 감소되어, 자계의 인가에 의해 자성층의 자화가 반전될 수 있어서 자기 기록을 가능하게 한다. 본 발명의 자기 기록 장치는 대기 온도에서 4k0e 이상의 보자력(Hc)을 갖는 자성 재료에서도 자기 기록을 수행할 수 있다.
본 발명의 자기 기록 매체는 자성 입자들 및 상기 자성 입자들 사이에 형성된 비자성 재료로 구성된 기록층이 기판 위에 형성되는 구조를 갖는다. 상기 기판과 기록층 사이에 기초층이 삽입될 수 있다. 또한, 보호층이 상기 기록층 상에 형성될 수 있다.
기판은 기록층을 지지하기 위한 것으로, 금속, 유리, 세라믹 등으로 형성될 수 있다.
기록층은 자성 입자들 및 상기 자성 입자들 사이에 형성된 비자성 재료로 구성된 이른바 입상층이다. 이러한 구조를 가진 기록층은 다음과 같이 형성될 수 있다. 예를 들어, 통상의 하드 디스크의 기록층을 형성하는 경우와 마찬가지로, 스퍼터링에 의해 자성 재료가 기판 위에 퇴적되는 경우, 원주형의 자기 결정들이 성장하고, 동시에 비자성 원소가 상기 자기 결정 주위를 격리하게 되어, 비자성 재료(입자 경계)가 상기 자성 입자들 사이에 형성되게 된다.
대안으로, 비정질 자성 재료의 연속막을 기판 상에 퇴적하고, 이어서 상기 연속막을 처리하여 원주형의 자성 입자들을 형성할 수 있다. 비자성 재료를 기판의 전체 표면 상에 퇴적하고, 그 표면을 폴리싱(polishing)함으로써 자성 입자들 사이에 비자성 재료가 형성되는 구조를 형성할 수 있다. 또한, 기판의 전체 표면 상에 윤활제를 간단히 코팅함으로써 자성 입자들 사이에 비자성 재료가 형성되는 구조를 형성할 수 있다.
기록층을 형성하는 재료로서, 높은 포화 자화(Is) 및 높은 자기 이방성을 나타내는 자성 재료가 적합하다. 자성 재료로서 Co, Pt, Sm, Fe, Ni, Cr, Mn, Bi, Al 및 이들 금속의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 한 종류의 자성 금속 재료를 이용하는 것이 가능하다. 이들 자성 금속 재료 중에서, 높은 결정 자기 이방성을 가지는 Co계 합금, 특히 CoPt계 합금, SmCo계 합금 및 CoCr계 합금이 바람직하다. 자성 금속 재료의 구체적인 실례로는 Co-Cr, Co-Pt, Co-Cr-Ta, Co-Cr-Pt, Co-Cr-Ta-Pt, Co 및 Fe가 있다.
자성 재로로서 Tb-Fe, Tb-Fe-Co, Tb-Co, Gd-Tb-Fe-Co, Gd-Dy-Fe-Co, Nd-Fe-Co 및 Nd-Tb-Fe-Co와 같은 비정질 희토류 전이 금속 합금, PtMnSb와 FePt와 같은 규칙 합금, 및 Co 페라이트와 Ba 페라이트 같은 자성 산화물 등을 이용하는 것이 가능하다.
포화 자화 및 보자력과 같은 자기 특성을 제어하기 위해서 Fe 및 Ni로부터 선택된 원소 중 적어도 한 종류가 상기 자성 재료에 추가될 수 있다. 또한, 상기 자기 특성을 향상시키기 위해서 Cr, Nb, V, Ta, Ti, W, Hf, Cr, V, In, Si, B 또는 이들 원소와 산소, 질소, 탄소, 및 수소로부터 선택된 적어도 한 원소의 화합물이 상기 자성 재료에 추가될 수 있다.
기록층은 하드 디스크의 기록층과 같이 면 내의 자기 이방성을 나타내는 것, 또는 광 자기 디스크의 기록층과 같은 수직 자기 이방성을 나타내는 것일 수 있다.
기초층은 자성 재료 또는 비자성 재료로 구성될 수 있다. 자성 재료로 구성된 기초층은 교환 결합 상호작용 또는 정자기(magnetostatic) 결합 상호작용을 통하여 기록층의 자구와 자기적으로 결합될 수 있다. 높은 보자력을 가진 자기 기초층이 기록층 아래에 퇴적되어 상기 기록층의 자구와 교환 결합될 때, 자구가 안정화될 수 있다. 또한, 높은 자화를 가지는 자기 기초층이 기록층 아래에 퇴적되어 기록층의 자구와 교환 결합될 때, 출력 신호가 증가될 수 있다.
비자성 재료로 이루어진 기초층이 기록층의 결정 구조를 제어하고, 또는 기판으로부터 발생하는 불순물이 기록층에 섞이는 것을 방지하기 위해 배치될 수 있다. 예를 들어, 기록층의 결정 격자 상수에 가까운 격자 상수를 가지는 기초층이 배치되는 경우, 기록층의 결정성이 제어될 수 있다. 이와 같은 기초층의 실례로서 Cr 층이 있다. 비정질 기초층을 사용함으로써 기록층은 일반적으로 비정질로 될 수 있다. 기판으로부터 발생하는 불순물이 기록층에 섞이는 것을 방지하기 위해서, 작은 격자 상수를 갖는 박막 또는 밀도가 높은 박막이 기초층으로서 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 자성 기초층은 상술한 비자성 기초층의 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 자성 기초층은 기록층의 결정성을 제어하는데 도움이 될 수 있다. 이 경우, 판독/기록 특성을 향상시키는 효과 및 결정성을 향상시키는 효과 모두를 얻을 수 있다. 이와 같은 기초층의 실례로는 비정질 CoZrNb 기초층이 있다.
기초층이 기판의 변형된 표면층으로 구성될 수 있음에 주목하라. 변형된 표면층은 이온 도금, 기체 성분의 도핑, 중성자 빔 조사 등에 의해 얻어질 수 있다. 이 경우, 기초층을 퇴적시키는 단계는 생략될 수 있다.
보호층으로서 탄소, SiN, SiO2, Au 또는 이들 재료들의 적층을 사용하는 것이 가능하다.
가열 유닛은 기록 매체의 표면 전체를 가열하거나 상기 표면을 부분적으로 가열하도록 고안될 수 있다. 고밀도 자기 기록 매체가 가열될 때, 열 요동의 영향을 받고, 그 결과 데이터 기억 특성을 악화시킨다. 그러므로 부분적인 가열이 실행되어 기록 매체의 대부분이 대기 온도에서 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 그러나 전체 가열시에도 데이터 기억 특성이 거의 악화되지 않는 기록 매체를 가지는 자기 기록 장치의 경우, 전체적으로 가열하는 것이 비용 절감면에서 바람직할 수 있다.
고속 부분 가열을 가능하게 하는 가열 유닛의 실례로서, 광 디스크에서와 같이 레이저를 사용한 가열, 유도 가열, 또는 가열선에 의해 가열된 프로브에 의한 가열을 이용하는 것을 생각해 볼 수 있다. 또한, 보다 부분적인 가열을 수행하기 위해서, 기록 매체 표면 위의 렌즈를 통하여 레이저 빔의 초점을 맞추는 가열 시스템, 프로브의 끝에 부착된 가는 안테나를 이용하여 유도 가열을 실행하는 가열 시스템, 또는 매체와 면하는 프로브의 끝이 가능한 가늘게 뾰족하게 되어 있거나 프로브의 끝이 가능한 매체에 가깝게 위치되어 있는 가열 프로브를 사용하여 가열이 이루어지는 가열 시스템을 이용하는 것이 가능하다. 이들 가열 수단은 기록 매체의 기록 표면 쪽이나 기록 매체의 기록 표면의 반대쪽에 위치할 수 있다.
자기 기록 유닛으로서는 통상의 자기 기록 헤드를 이용하는 것이 가능하다. 기록 헤드는 자극 및 유도 코일로 구성된 자기 회로를 형성한다. 또한, 자기 기록 유닛으로서 영구 자석을 이용하는 것도 가능하다. 영구 자석을 이용하는 경우, 기록 매체까지의 거리를 변경할 수 있는 방법으로 영구 자석이 배열되거나, 고 분해도의 자기장을 고속으로 인가하도록 영구 자석이 정교하게 처리된다. 또한, 자기장을 인가하는 수단으로서 기록층 위에 적층된 추가 자성층을 이용하는 것도 가능하다. 가열 또는 빛 조사에 의하여 상기 추가 자성층에 온도 분포가 발생되면, 자화 분포 상기 층에 발생되고, 이에 의해 자기장이 상기 기록층에 인가될 수 있다. 자성층으로부터 발생한 누설 자기장은 기록 자기장으로서 기록층에 인가될 수 있다.
본 발명에 따른 자기 기록 장치의 실시예를 도 1을 참고하여 설명하도록 하겠다. 도 1에서, 자기 기록 매체(10)는 기초층(12), 기록층(13) 및 보호층(14)이 디스크 기판(11) 상에 연속적으로 적층된 구조를 갖는다. 자기 기록 매체(10)는 도 1의 화살표 A로 표시된 방향으로 회전한다.
자기 기록 매체(10) 위에는 슬라이더(20)가 배치되고, 판독/기록 소자(30)가 슬라이더(20)의 끝면에 장착되어 있다. 상기 기록/판독 소자(30)의 기록 소자 부분은 자기 기록 유닛(자기장을 인가하는 수단)으로서 기능을 한다. 슬라이더(20)에는 레이저 빔을 전송하기 위한 광 도파관(40)이 제공되어, 레이저 빔이 상기 도파관(40)의 끝 부분(41)에서부터 매체(10) 상으로 조사된다. 슬라이더(20)는 회전하게 되면 상기 자기 기록 매체(10) 위에서 미끄러지듯 활주하도록 디자인되어 있다. 상기 도파관(40) 및 기록/판독 소자(30)는 가열을 위해 레이저 빔이 상기 도파관(40)의 끝 부분(41)으로부터 기록층(13) 상으로 먼저 조사되고, 그 다음 자기장이 상기 기록 소자에 의해 상기 기록층(13)에 인가되도록 하는 방식으로 배치된다.
본 발명의 자기 기록 장치에 따르면, 기록층으로의 자기장의 인가가 완료된 후(즉, 기록 완료 후)의 경과 시간(t)에 대하여 기록층의 온도와 자기 특성이 아래 수학식 1을 만족시키는 방법으로 기록 동작이 수행된다.
여기서, T는 기록층의 온도이다. 또한, Ku(T)는 온도(T)에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도의 값이고, Ku(Ta)는 대기 온도(Ta)에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도의 값이며, RKu(T)는 상기 두 값 사이의 비율, 즉 Ku(T)/Ku(Ta)를 나타내는 것으로 설정한다. 기록층이 상기 수학식 1을 만족하는 한, 기록층이 크기가 작고 높은 보자력을 가진 자성 입자들로 구성되는 경우라 할지라도, 기록층 내에 균일하고 구별되는 자구를 형성하는 것이 가능하다. 그 결과, 열 요동 한계를 초과하는 고밀도 자기 기록을 수행하는 것이 가능하다.
상기 수학식 1의 관계를 아래에서 보다 자세히 설명하도록 하겠다.
기록층의 자화 반전에 관한 물리적 특성 중에서, 자기 이방성 에너지 밀도(Ku)는 온도에 따라서 크게 변화한다. 자기 이방성 에너지 밀도(Ku)는 온도(T)의 증가에 따라서 단조감소한다. 보자력(Hc)은 거의 Ku의 변화에 비례하여 변화하기 때문에, 또한 온도(T)의 증가에 따라서 감소한다. 반대로, 상기 수학식 1의 T/RKu(T) 값은 온도(T)의 증가에 따라서 단조증가한다. 도 2는 이들 함수 사이의 정성적인 관계를 나타낸다.
먼저, 본 발명의 발명자들은 레이저 빔을 매체에 조사하는 것으로 도 1과 같이 적층된 박막 구조를 가진 기록 매체의 온도 반응을 시뮬레이션하였다. 그 결과, 자기장 인가 완료 후의 기록 매체의 온도(T)의 역수(1/T)와, 경과 시간(t)의 로그값 ln(t) 사이에 단순한 관계가 있다는 것을 확인하였다. 도 3은 자기장 인가 완료 후의 기록 매체의 온도(T)의 역수(1/T)와, 경과 시간(t)의 로그값 ln(t) 사이의 관계의 실례를 나타낸다. 도 3으로부터 알 수 있듯이, 1/T는 기록 매체의 냉각 프로세스의 후기 단계 뿐만아니라 초기 단계에서도 ln(t)에 거의 비례해서, 이들 간의 관계가 두 개의 직선(도 3의 점선)에 의해 근사될 수 있다. 따라서, 본 발명의 발명자들은 자화 반전이 기록 매체의 냉각 프로세스에서 발생하는 때가 불명확한 경우라도, 기록층 내의 다양한 온도 반응 조건 하에서의 기록/판독 실험을 통해 ln(t)에 관하여 기록된 상태를 조사함으로써 완전히 기록된 상태를 달성할 수 있는 조건이 확인될 수 있을 것으로 기대한다.
기록층의 자화 반전과 밀접히 관련되는 자기 이방성 에너지 밀도(Ku)의 변화는 앞서 설명한 바와 같이 T에 따라서 단조롭게 변화한다. 그러나 T와 Ku는 모두 기록층의 냉각 프로세스 동안 같이 변화하기 때문에, 이 변수들을 기록 상태에 개별적으로 상호 관련시키는 것은 어렵다. 따라서 본 발명의 발명자들은 온도에 따라 감소하는 함수(Ku/T), 또는 대기 온도에서의 Ku 값으로 Ku/T를 정규화하여 얻어진 함수(RKu/T) 중 어느 하나가 ln(t)와 상호 관련되는 것이 유용할 수 있음을 확인하였다.
이러한 추정에 기초하여, 판독/기록 실험이 다음과 같이 실행되었다.도 1에 도시된 바와 같이, 2.5인치 두께의 유리 디스크 기판(11)상에 기초층(20)으로서 70nm 두께의 Cr층, 기록층(13)으로서 20nm 두께의 CoPtCr 합금층, 및 보호층(14)으로서 10nm 두께의 탄소층을 적층하여 구성된 자기 기록 매체(10)가 사용된다. CoPtCr 합금층으로 형성된 기록층(13)은 대기 온도에서 8 ×106erg/cc의 Ku 및 4 kOe의 보자력을 갖는다.
자기 기록 매체(10)는 4500 rpm으로 화살표(A)로 표시된 방향으로 회전하고, 슬라이더(20)의 비행 높이는 80nm로 설정된다. 파장이 650nm이고 전력이 3 mW인 레이저 빔을 광 도파관(40)의 끝 부분(41)을 통해 기록 매체(10)상으로 연속적으로 조사하고, 기록 소자에 의해 기록 매체(10)로 자기장을 인가하여, 200 kfci의 기록 주파수로 기록을 수행하였다. 기록 매체의 표면 상의 빔 스폿 크기는 최대값의 1/2에서의 전체 폭인 2㎛로 설정하였다. 기록 트랙 폭은 2㎛이다. 기록 매체의 기록 상태는 자기력 현미경(MFM)을 사용하여 자구를 관찰함으로써 결정된다.
이 장치의 경우, 기록 매체 상으로 레이저 빔을 조사하지 않은 경우에 뚜렷한 자구를 형성하는 것은 불가능하다. 반면, 전술한 조건 하에서 레이저 빔을 기록 매체 상에 조사하는 경우, 자구가 형성되는 것을 확인하였다.
또한, 자구가 형성되는 조건을 조사하기 위해서, 레이저 빔에 의한 가열 조건뿐만 아니라 기록 매체의 다양한 회전 속도를 통해 기록 실험을 수행하였다. 그 후, 기록 매체를 MFM으로 관찰하여 균일하고 명확한 자구가 형성되었는지를 검사하였다.
이 경우에, 기록 매체의 Ku(T) 값은 측정을 통해 결정하고, RKu(T)를 계산하였다. 기록 매체의 온도는 시뮬레이션에 기초하여 결정하였다.
실험 결과를 RKu(T) 및 ln(t)의 좌표 시스템으로 도해하였다. 도 4의 속이 빈 원은 자구가 형성된 곳을 표시하는 것이고, 까만 원은 자구가 형성되지 않은 곳을 나타낸다. 이 도면에 도시된 직선의 윗 부분 영역 내의 조건 하에서 기록을 수행하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 관계를 아래 식으로 표시할 수 있다.
온도(T)가 경과 시간(t)에 따라서 낮아지는 관계를 보다 쉽게 이해할 수 있도록, 이 실험 결과가 도 5에 기록 후의 경과 시간(t) 및 T/RKu의 좌표 시스템으로 표시되어 있다. 또한, 도 5에서 속이 빈 원은 자구가 형성되는 곳을 나타내며, 까만 원은 자구가 형성되지 않은 곳을 나타낸다. 도 5는 곡선의 아래 부분 영역 내의 조건 하에서 기록을 수행하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다. 도 5의 관계는 수학식 2의 분자와 분모를 바꿔 얻어지는데, 아래의 식으로 표시할 수 있다.
T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)
전술한 수학식 1을 만족되는 한, 자구가 기록층에 형성될 수 있다.
앞서 언급한 것과 동일한 방법으로, 기록 매체에 대한 가열 및 자기 기록을 네 가지 조건 하에서 수행하여, 기록 후의 경과 시간마다 RKu/T의 변화를 추적하도록 한다. 이 네 가지 조건은 도 5의 경계 부근에서 선택된다. 실험 결과를 도 6에 RKu/T 및 ln(t)의 좌표 시스템 표시하였다. 도 6의 네 개의 마크는 각각 4개의 상태에 대응한다. 도 6의 빈 원 또한 자구가 형성되는 곳을 나타내며, 까만 원은 자구가 형성되지 않은 곳을 나타낸다. 도 6의 직선의 위쪽 영역은 앞서 언급한 수학식 2로 표현된다. 도 6은 수학식 2가 기록 후에 일시적이라도 만족되지 않는 어떤 순간이 있는 경우, 상기 조건 하에서 기록층에 자구가 형성될 수 없다는 것을 보여준다.
온도(T)가 경과 시간(t)에 따라서 낮아진다는 관계를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해, 도 7에 기록 후의 경과 시간(t) 및 T/RKu의 좌표 시스템으로 실험 결과를 표시하였다. 도 7의 마크는 도 6과 같은 의미를 갖는다. 도 7에서, 곡선의 아래 부분 영역이 앞서 언급한 수학식 1로 표현된다. 도 7은 기록 후에 일시적이라도 수학식 1이 만족되지 않는 어떤 순간이 있는 경우에는 상기 조건 하에서는 기록층에 자구가 형성될 수 없다는 것을 보여주고 있다. 따라서 수학식 1로 표현되는 조건이 기록 후의 냉각 프로세스에서의 어떤 시간에서도 만족될 필요가 있다는 결론을 얻을 수 있다.
본 발명의 자기 기록 장치에 따르면, 자기 기록 매체, 가열 유닛 및 자기 기록 유닛은 기록 동작이 앞서 언급한 수학식 1을 만족하도록 수행될 수 있도록 구성된다. 다음으로, 상기 수학식 1을 만족하도록 고려되어야 하는 요소들을 이하에 설명하도록 하겠다.
기록층의 온도를 변화시키는 방법은 다음과 같이 제어될 수 있다. 예를 들어, 광 기록 매체에서 채택되는 것과 같이, 높은 열 전도도를 가진 히트 싱크(heat sink)층 또는 낮은 열 전도도를 가진 유전체 재료로 구성된 열 단열층이 기록층의 부근에 배치되는 기록 매체를 사용할 수 있다. 히트 싱크층이 제공되는 경우, 시간(t)에 대하여 기록층의 온도(T)의 변화율(dT/dt)은 커지고, 이에 의해 급준한 온도 변화를 달성할 수 있다. 히트 싱크층에 대한 재료로서 Ag 등과 같은 도전성 재료가 사용할 수 있다. 반면에, 열 단열층이 제공되는 경우, (dT/dt)는 점차 작아지고, 이에 의해 완만한 온도 변화가 있을 수 있다. 열 단열층에 대한 재료로는 SiO2와 같은 유전체 재료가 사용될 수 있다.
또한, 히트 싱크층과 유전체층 모두가 제공되는 경우, 기록층에서의 원하는 온도 변화를 설계하는 것이 가능할 수 있다. 이와 같은 기록 매체는 레이저 가열 또는 유도 가열을 사용하는 시스템에 적용될 수 있다. 레이저 가열을 사용하는 시스템에서, 기록 매체의 dT/dt는 흡수 및 두께가 적절히 조절되는 광 흡수층을 제공함으로써 제어될 수 있다.
그러므로 Ku의 온도 의존성, 및 기록층의 RKu(T)는 기록층에 적합한 재료를 선택하는 것에 의해 제어될 수 있다. 본 발명에서 기록층의 보자력(Hc)은, 가열에 의해 미세한 자성 입자들을 포함하고 있는 기록층으로의 기록을 허용하고 대기 온도에서 그 기록된 데이터를 유지하는 것을 가능하게 하기 위해서 4kOe 이상인 것이 적절하다.
기록층이 강자성체 CoPr로 만들어지는 경우, 퀴리 온도는 Pt 함유량이 증가함에 따라 낮아지므로, 대기 온도 부근에서의 dKu/dT를 크게 하는 것이 가능하다. 또한, Cr 함유량을 증가시킴으로써 이와 동일한 효과가 CoPtCr 기록층 내에서 얻어질 수 있다. 일반적으로 말해서, 기록층 내에 비자성 원소의 함유량을 증가시키는 것은 대기 온도 부근에서의 dKu/dT를 크게 할 수 있다. 한편, 기록층에 퀴리 온도를 올리는 역할을 하는 원소를 첨가하면, 앞서 설명한 것과 반대의 효과를 얻을 수 있다.
광 자기 기록 매체에 사용되는 강자성체인 TbFeCo로 만들어진 기록층의 경우, Co 함유량을 줄이는 것으로 퀴리 온도를 낮출 수 있어서 대기 온도 부근에서의 dKu/dT를 크게 할 수 있다. 또한, 가열에 의해 얻어진 기록층의 최대 온도보다 더 높은 퀴리 온도를 가지는 강자성 재료를 사용하여 기록층을 형성하는 경우, RKu가 일정한 값으로 유지되는 동안 보자력(Hc)이 낮아지는 조건 하에서 기록을 행할 수있다. 이 경우 T/RKu와 T 사이에 비례 관계가 있으므로, 자기 기록 매체를 디자인 하는 관점에서 장점이 있다.
기록층을 구성하는 자성 입자의 크기를 조정하는 것으로도 기록층의 RKu를 제어할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 예를 들어 하드 디스크에 사용되는 CoCrPtTa로 구성되는 기록층은 교환 결합 상호작용을 일으키지 않도록 서로로부터 분리된 미세한 자성의 결정 입자로 구성되어 있다. 자성의 결정 입자의 크기를 작게 하는 방법으로 기록층이 형성되는 경우, 열 에너지의 영향이 상대적으로 커지게 되어 dKu/dT의 값이 커질 수 있다. 그런데 높은 Ku를 가진 재료를 사용함으로써 이 효과를 최소화할 수 있다. 적절한 Ku 값을 가지는 재료를 선택함으로써 기록층의 RKu를 제어할 수 있다. 또한, 기록층의 면에서 임의의 방향으로 향해 있는 자화 반전축을 단일 방향으로 배치함으로써 기록층의 재료를 변화시키지 않고 기록층의 Ku 값을 크게 할 수 있다.
앞서 언급한 수학식 1의 조건을 만족하기 위해서, 레이저 가열은 아래에 설명되는 것과 같은 다양한 방법으로 조정될 수 있다.
(1) 레이저 전력이 조절될 수 있다. 레이저 전력이 커질수록, 기록층의 최대 온도는 더 올라간다.
(2) 레이저 빔 조사(照射) 방법이 조절될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔을 연속적으로 조사하는 경우, 레이저 빔이 이미 통과한 영역으로부터 열 흐름이 일어날 수 있다. 그 결과, 기록층의 온도 변화가 완만해질 수 있다.
(3) 레이저에 대한 기록층의 선형 속도가 조절될 수 있다. 보다 구체적으로, 디스크의 회전 속도가 조절될 수 있다. 기록층의 이동 속도를 증가시키는 것은 기록층의 영역 상으로의 레이저 빔의 조사 시간을 단축시키므로, 기록층의 온도 상승이 억제될 수 있고, 동시에 그의 온도 변화가 급준하게 된다.
(4) 레이저가 펄스 방식으로 동작될 수 있고, 동시에 펄스폭이 조절될 수 있다. 펄스폭을 좁게 하면, 기록층의 온도 상승이 억제될 수 있고, 그의 온도 변화가 급준하게 된다.
(5) 상기 (4) 방법에 더하여, 레이저 전력은 모든 펄스에 대해서 조절될 수 있다. 예를 들어, 저전력의 짧은 펄스가 예열을 위해 미리 조사되고, 더 높은 전력의 펄스가 이어서 본 가열을 위해 조사될 수 있다. 이 방법을 사용함으로써, 온도 상승이 완만하게 될 수 있다. 이 경우, 펄스 열의 펄스폭, 변조 및 전력의 거의 무한한 조합을 생각할 수 있다. 따라서 주어진 RKu(T) 특성을 나타내는 기록층에 대하여 상기 수학식 1의 조건을 만족시키는 방법으로 최적의 조합을 갖는 펄스열이 결정되어야 한다.
(6) 레이저 빔 스폿의 형태가 변화될 수 있다. 빔 스폿의 형태를 매체의 이동 방향을 따라 놓여있는 주축을 따라 타원형으로 만드는 경우, 기록층의 온도 변화는 상기 항목 (2)에서 언급한 것과 같은 효과 때문에 보다 완만하게 될 수 있다. 이 경우, 레이저의 광학 시스템을 압전 소자 또는 마이크로머신으로 움직여서 빔 스폿의 형태를 변경시킬 수 있다. 이 방법을 사용함으로써, 다양한 RKu(T) 특성을 나타내는 기록 매체의 종류, 기록 매체의 선속 및 회전 반지름에 따라서 레이저 빔의 형태가 조절될 수 있다.
(7) 자기장을 인가하기 위한 기록 소자와 레이저 사이의 거리가 조절될 수 있다. 기록 소자와 레이저 간의 거리를 크게 할수록, 기록이 실행되는 동안의 기록층의 온도 변화는 더 완만하게 된다. 이 경우, 레이저 빔의 출사 팁 끝부분의 위치를 압전 소자 또는 마이크로머신으로 움직일 수 있다. 이 방법을 사용함으로써, 상기 거리는 다양한 RKu(T) 특성을 나타내는 기록 매체의 종류, 기록 매체의 선속, 및 회전 반지름에 따라서 조절될 수 있다.
상기 (1) 내지 (7) 방법을 서로 적절히 조합할 수 있다. 레이저가 아닌 다른 가열 유닛을 사용하는 경우에, 앞서 설명한 방법을 적용할 수 있다.
다음, 비정질 회토류 전이 금속 합금으로 구성된 기록층을 갖는 자기 기록 매체 상에 기록이 실행되는 실시예를 설명하도록 하겠다. 기초층(12)으로서 110nm 두께의 SiN 층, 기록층(13)으로서 20nm 두께의 GdTbFeCo 합금층, 및 보호층(14)으로 40nm 두께의 SiN 및 25nm 두께의 Au 층을 2.5인치 두께의 유리 기판(11)상에 적층하여 구성된 자기 기록 매체(10)를 사용한다.
GdTbFeCo 기록층(13)은 광 자기 매체에 사용되며, 수직 자기 이방성을 나타내는 강자성 재료이다. 대기 온도에서의 이것의 Ku는 108erg/cc이며, 이것의 보자력은 8kOe 정도로 높다. 기록층(13)의 Ku는 온도(T)가 퀴리 온도에 접근함에 따라 거의 선형으로 감소한다. GdTb와 FeCo 사이의 혼합비를 조절함으로써, 온도 상승에 따라서 Ku를 현저하게 감소시키지 않고 보자력(He)를 상당히 낮추는 것이 가능하다. 이것은 강자성 재료의 고유한 특성이다.
기록층은 8m/s의 선형 속도로 회전한다. 광디스크용 픽업을 사용함으로써, 650nm 파장을 가지는 레이저빔이 유리 기판측(11)으로부터 조사된다. 기록 매체의 표면 상에 레이저 빔 스폿 크기가 0.7㎛가 되도록 초점을 맞춘다. 도 1에서와 같이 100nm의 부상 높이에서 슬라이더(20) 상에 장착된 기록/판독 소자(30)를 사용하여 기록 동작이 수행된다. 3mW의 레이저 빔을 계속 조사하면서, 200kfci의 기록 주파수로 자기 기록이 수행된다. 기록 트랙 폭은 2㎛이다. GMR 소자로 구성된 재생 헤드를 사용하여 재생이 행해진다.
기록층(13)을 최대 온도까지 가열하게 되면, RKu는 0.9가 되지만, 보자력(He)은 대기 온도에서 8kOe 값으로부터 0.9kOe로 낮아진다. 보자력이 이 값 부근이 되면, 통상의 기록 헤드는 자구를 형성할 수 있다. 이 실험에서의 T/RKu의 시간 의존성의 추정으로부터 RKu값이 크기 때문에 상기 수학식 1의 조건이 충분히 만족되는 것이 확인되었다.
그러나 GdTbFeCo 기록층을 비정질 연속막으로서 형성하는 경우, 영역 벽이 불가피하게 형성되어, 미세한 자구를 형성하는 것이 어렵게 된다.
그래서 GdTbFeCo의 연속막을 형성한 후, 상기 막을 전자-빔 리소그래피하여 지름 10nm, 간격 10nm를 각각 가지는 원주 모양의 자성 입자로 배열된 구조를 형성한다. 그 후, 앞서 설명한 것과 동일한 방식으로 매체에 대한 기록 실험을 수행하고, 자구를 MFM으로 관찰하였다. 그 결과, 각각이 단일 영역 입자로 구성되는 기록된 자구들은 어떠한 영역 벽 없이 형성되는 것을 확인하였다. 이것은 단일 영역 크기의 단위의 고밀도 기록이 실현될 수 있음을 의미하는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 높은 밀도를 달성할 수 있는 자기 기록 매체가 기록층을 처리함으로써 제조될 수 있음이 확인되었다.
다음으로, 레이저 빔을 조사한 후 기록층에 자기장을 인가하기 위한 적절한 타이밍을 조사하기 위한 실험을 수행하였다. 이 실험에서, CoPtCr 기록층을 갖는 자기 기록 매체를 사용하였다.
(A) 매체의 구조, 레이저 전력 및 디스크의 회전 속도는 자기 기록 매체의 최대 온도에서 RKu≥0.01의 조건을 달성할 수 있는 방법으로 조절된다. 매체가 최대 온도에 도달하는 시간으로부터 기록이 완료되는 시간까지의 주기가 각각 1, 2, 5, 10, 20, 50 및 100ns로 설정되는 방법으로 기록 실험을 수행하였다. 기록 동작 후, 기록층을 MFM으로 관찰하여 자구가 형성되었는지 여부를 조사하였다. 그 결과, 100ns의 주기의 경우만 제외하고 모든 조건에서 안정한 자구가 형성되는 것을 확인하였다. 이 결과는 기록층이 최대 온도에 도달한 후의 경과 시간에 따라 보자력(He)이 증가하기 때문에 적절한 기록을 수행하는 것이 어렵게 되는 것으로 해석된다. 또한, 약 100ns의 주기 동안 충분한 기록이 가능한 높은 온도로 매체 온도를 유지하기 위해서, 매체의 최대 온도는 상승되어야 한다. 그 결과, 자구 주변이 불안정하게 되고, 그 결과 자구가 반전될 수 있다.
(B) 매체의 구조, 레이저 전력 및 디스크의 회전 속도는 기록층의 최대 온도가 그의 퀴리 온도를 초과하는 방법으로 조절된다. 이 경우, 기록 매체는 자화를 소실하게 되므로, 기록층이 최대 온도에 도달하기 전에 RKu가 0이 된다. 매체가 최대 온도에 도달하는 시간으로부터 기록이 완료되기까지의 주기를 각각 1, 2, 5, 10, 20, 50 및 100ns로 설정하는 방법으로 기록 실험을 수행하였다. 기록 동작 후, 기록층을 MFM으로 관찰하여 자구가 형성되었는지 여부를 관찰하였다. 그 결과, 상기의 (A)와 달리, 상기 주기가 20ns 이상으로 설정되는 경우에서만 안정된 자구가 형성되는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 기록된 자구가 RKu= 0 부근에서 매우 불안정하기 때문에 기록층이 최대 온도에 도달한 후 짧은 시간 안에 기록이 완료되는 경우 자구가 반전될 수 있는 것으로 해석된다. 그런데 이 경우처럼 기록이 완료되기 전에 긴 시간이 필요한 경우, 기록 밀도 및 전송율의 향상이라는 관점에서 바람직하지 않다. 그러나 이 경우에 대기 온도에서 매우 높은 보자력(He)을 갖는 기록 매체를 사용하는 것이 가능하므로, 상기 매체를 기록의 유지 특성이 매우 우수한 저속 자기 기록 시스템에 응용하는 것이 가능할 수 있다.
추가적인 이점 및 변형예들은 당업자들에 의해 쉽게 만들어질 수 있다. 그러므로 본 발명의 보다 광범위한 측면들은 본 명세서에서 도시되거나 설명된 대표적인 실시예 및 상세한 설명에 제한되지 않는다. 따라서, 첨부한 청구항 및 이와 유사한 것에 의해 정의된 일반적인 발명의 개념의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형예가 만들어질 수 있다.
본 발명에 따른 자기 기록 장치 및 방법에 따르면, 열 요동 한계를 초과해서 고밀도의 기록을 수행할 수 있다.

Claims (14)

  1. 기판과, 자성 입자 및 비자성체를 갖고, 상기 비자성체를 상기 자성 입자 사이에 개재(介在)시켜 기록층을 구성하며, 상기 기록층을 상기 기판 상에 형성하여 이루어진 자기 기록 매체,
    상기 기록층을 가열하도록 구성된 가열 유닛, 및
    상기 기록층에 자기장을 인가하도록 구성된 자기 기록 유닛을 구비하고,
    상기 자기 기록 매체, 상기 가열 유닛 및 상기 자기 기록 유닛은,
    T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)
    의 관계를 만족하도록 구성되며,
    여기서, Ku(T)는 온도(T)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기온도(Ta)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, RKu(T)는 Ku(T)/Ku(Ta) 비를 나타내며, t는 자기장 인가가 완료된 후의 경과 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기록층의 보자력은 대기 온도에서 4kOe 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기록층은 Co계 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기록층은 회토류 전이 금속 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 유닛은 레이저인 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 기록 유닛은 자기 기록 헤드인 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 유닛 및 상기 자기 기록 유닛은 일체로 제공되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
  8. 기판과, 자성 입자 및 비자성체를 갖고, 상기 비자성체를 상기 자성 입자 사이에 개재시켜 기록층을 구성하며, 상기 기록층을 상기 기판 상에 형성하여 이루어진 자기 기록 매체의 자기 기록 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 기록층을 가열하는 단계; 및
    상기 기록층에 자기장을 인가하여 기록을 수행하는 단계를 구비하고,
    상기 단계들은,
    T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)
    의 관계를 만족시키며,
    여기서, Ku(T)는 온도(T)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기 온도(Ta)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, RKu(T)는 Ku(T)/Ku(Ta) 비를 나타내며, t는 자기장 인가가 완료된 후의 경과 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기록층의 보자력은 대기 온도에서 4kOe 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 가열 단계는 가장 높은 온도(Tmax)에서의 상기 기록층의 RKu(Tmax)가 0.01 또는 그 이하가 되도록 수행되고,
    상기 기록 단계는 상기 기록층이 가장 높은 온도에 도달한 후 1ns 내지 50ns 내에서 기록 동작이 완료되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 가열 단계는 상기 기록층이 가장 높은 온도에 도달하기 전에 상기 기록층의 RKu(T)가 0이 되도록 수행되고,
    상기 기록 단계는 상기 기록층이 가장 높은 온도에 도달한 후 20ns 내지 100ns 내에서 기록 동작이 완료되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 가열 유닛은 레이저인 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저로부터 상기 기록층 상으로 조사된 레이저 빔의 전력 및 상기 기록 매체의 회전 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 기록층에 펄스폭이 조정되는 펄스 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
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