KR19990069852A - 상변화 광디스크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상변화 광디스크를 개시한다. 상기 광디스크의 투명기판상에는 제1유전체층, 기록층, 제2유전체층, 반사층 및 보호층이 순차적으로 형성되어 있는데, 상기 기록층이 결정질 상태인 경우 디스크 반사율 Rc가 23% 이하이고, 결정질 상태인 경우와 비정질 상태인 경우의 디스크 반사율 차이 (Rc-Ra)가 11% 이상이고, (Rc-Ra)/Rc가 0.80 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 상변화 광디스크의 결정질 상태 및 비정질 상태의 반사율을 소정 범위내로 제어함으로써 캐리어 레벨, 노이즈 레벨 및 변조 진폭 특성이 모두 양호하다. 그 결과, 안정되고 우수한 신호품질을 갖는 상변화 광디스크를 얻을 수 있다.

Description

상변화 광디스크

본 발명은 상변화 광디스크에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 기록층의 기록 및 소거가 자유로와 중첩 기록이 가능한 상변화 광디스크에 관한 것이다.

일반적인 광디스크는 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다. 여기에서 광디스크의 정보 영역을 개략적으로 살펴보면, a는 기록 시작면, b는 프로그램면 그리고 c는 기록 끝면을 나타낸다.

도 2는 도 1a의 A-A'선을 기준으로 한 단면을 확대하여 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 원판 (21)상에 디지털 정보를 이루는 마크인 피트 (22)가 트랙상에 마치 모르스 부호처럼 형성되어 있으며, 그 위에 레이저빔을 반사시키는 반사층 (23)과 보호층 (24)이 형성되어 있다.

상술한 바와 같은 광디스크를 제조하는 공정은 크게 스탬퍼(stamper)를 제조하는 단계와 제작된 스탬퍼에 의하여 광디스크를 대량으로 복제하는 단계로 이루어진다. 스탬퍼는 먼저 광디스크와 동일한 포맷을 갖는 유리 마스터(grass master)를 제조한 후에, 얻어진 유리 마스터에 대한 금형을 제조하는 것에 의하여 얻어진다.

광디스크는 정보의 기록 및 소거 가능 여부에 따라 1회 기록후 읽는 것만이 가능한 재생전용형, 1회에 한하여 기록가능한 추기형, 기록후 소거 및 재기록이 가능한 서환형으로 구분할 수 있다. 여기에서 서환형 광디스크로는 기록층 재료로서 광자기 재료를 이용하고 있는 광자기 디스크, 상변화 재료를 이용한 상변화 광디스크 등이 있다.

상변화 광디스크는 기록층을 이루는 재료에 대한 가열온도 및 냉각속도를 제어하여 결정질 구조와 비정질 구조 사이의 가역적인 변화를 유도함으로써 정보가 기록 및 소거되는 원리를 이용하는 것이다. 여기에서 결정질 구조와 비정질 구조의 형성 과정을 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 즉, 레이저 빔을 이용하여 기록층을 국부적으로 용융시킨 후 급냉시키면 기록 마크인 비정질구조가 형성되고, 다시 결정화 온도 이상으로 용융점 이하에서 적정시간 유지시키면 소거 영역인 결정질 구조가 형성된다.

상변화 광디스크는 일반적으로 투명기판 상에 제1유전층, 기록층, 제2유전층 , 반사층 및 보호층이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는다. 여기에서 기록층 에는 기록 신호가 만들어지는 트랙이 형성되어 있다. 그리고 레이저 빔을 조사하면, 기록층이 결정질에서 비정질로, 또는 비정질에서 결정질로 변화되어 기록과 소거가 반복되는 것이다.

이러한 상변화 광디스크는 다른 재료를 이용하는 광디스크에 비하여 중첩 기록이 용이하다. 또한, 광디스크의 기록밀도를 증가시키는 레이저 광의 단파장화가 가능할 뿐만 아니라, 구동 드라이브의 광학계가 간단하여 기록가능한 차세대 고밀도 광디스크로서 주목받고 있다.

상변화 광디스크에 있어서, 정보의 기록 및 소거는 조사되는 레이저 빔의 세기와 관련된다. 예를 들면, 고출력의 레이저 빔을 기록층에 조사하여 그 기록층을 국부적으로 용융시킨 다음, 급냉시키면 조사된 부분이 비정질화되어 기록마크가 형성된다. 여기에서 기록마크는 재생전용형 광디스크의 트랙을 따라 형성되는 피트에 해당되는 것이다. 이렇게 형성된 기록 마크에 기록시 파워의 1/3∼1/2 정도의 출력을 갖는 레이저 빔을 조사하면, 기록 마크 부분이 결정화되어 기록된 정보가 소거된다.

상변화 광디스크는 상술한 바와 같이 기록 마크를 형성 및 소거하는 것에 의하여 정보의 기록 및 소거가 이루어지므로 반복하여 중첩 기록이 가능하다는 장점이 있다. 상변화 광디스크에 중첩 기록을 할 경우, 기록 마크가 형성되는 위치의 상(phase)은 서로 다르게 되는 것이 일반적이다.

상변화 광디스크에서 재생신호는 레이저 빔에 의하여 형성된 비정질 상태의 반사율과 미기록 부분인 결정질 상태의 반사율 사이의 차이에 의하여 발생되게 된다. 재생 신호와 관련된 주요 특성인 반송파 대 노이즈 비(carrier-to-noise ratio: CNR)과 변조 진폭 (modulated amplitude)특성은 비정질 상태의 반사율과 결정질 상태에서의 반사율에 의하여 결정되므로, 양호한 신호 특성을 얻기 위해서는 이 두 반사율 값을 적정수준으로 한정하는 것이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 결정질 상태의 반사율과 비정질 상태의 반사율값을 소정 범위내로 제어함으로써 안정되고 양호한 신호 품질을 갖는 상변화 광디스크를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 광디스크의 정보 영역을 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 취한 확대 단면도이고,

도 3은 본 발명에서 사용하는 기록 신호 패턴을 나타낸 도면이고,

도 4a 및 도 4b는 결정 상태의 반사율과 비정질 상태의 반사율 차이에 따른 캐리어 레벨 변화를 나타낸 도면이고,

도 5는 결정 상태 반사율에 따른 노이즈 레벨 변화를 나타낸 도면이고,

도 6은 결정 상태 반사율에 따른 l14H 레벨의 변화를 나타낸 도면이고,

도 7은 결정 상태의 반사율과 비정질 상태의 반사율 차이에 따른 l14 레벨의 변화를 나타낸 도면이고,

도 8은 콘트라스트 [(Rc-Ra)/Rc]에 따른 변조 진폭 (l14/l14H) 특성 변화를 나타낸 도면이고,

도 9는 본 발명에 따른 반사율 조건 범위를 만족하는 결정질 상태의 반사율과비정질 상태의 반사율 영역을 도시한 도면이고,

도 10은 본 발명에서 사용된 상변화 광디스크의 동특성 평가 장치를 개략적으로 도시한 도면이고,

도 11은 본 발명에서 사용된 기록 펄스의 형태를 나타낸 도면이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 투명기판상에 제1유전체층, 기록층, 제2유전체층, 반사층 및 보호층이 순차적으로 형성되어 있는 상변화 광디스크에 있어서,

상기 기록층이 결정질 상태인 경우 디스크 반사율 Rc가 23% 이하이고,

결정질 상태인 경우와 비정질 상태인 경우의 디스크 반사율 차이 (Rc-Ra)가 11% 이상이고,

(Rc-Ra)/Rc가 0.80 이상인 것을 특징으로 하는 상변화 광디스크를 제공한다.

상변화 광디스크의 신호 특성중의 하나인 CNR은 캐리어 레벨(carrier level)과 노이즈 레벨(noise level)의 차이로 정의되는데, 제품으로 사용되기 위해서는 50dB 이상의 값이 요구된다. 또한 드라이브에서 구동되기 위해서는 재생신호의 레벨이 적정수준 이상으로 유지되어야 하는데, 이를 위해서는 변조 진폭 특성 즉, l14/l14H이 양호해야 한다. l14와 l14H 각각의 레벨값은 도 3에 나타난 바와 같다.

고밀도 상변화 광디스크의 대표적 제품인 DVD-RAM의 규격에서는 변조 진폭 특성이 0.43 이상으로 유지될 것을 요구하고 있다. 이에 본 발명에 따른 상변화 광디스크는 각 층의 두께를 적절히 조절하여 -15dB 이상의 캐리어 레벨과 -65dB 이상의 노이즈 레벨 그리고 0.43 이상의 변조 진폭 특성을 만족시킴으로써 신호 품질이 양호하다.

상변화 광디스크에서 캐리어 레벨의 결정 요인에 대하여 설명하면 다음과 같다.

광디스크의 기록을 재생하는 경우, 포토디텍터(photodetector)에서 검출된 광 신호의 강도는 수식 1로 표현된다.

신호 강도=10logP

단, P는 포토디텍터 발생 전력을 나타내는데, P가 와트(watt) 또는 밀리와트(milli watt)일 때 신호강도는 dBW 또는 dBm으로 나타낸다.

2종 신호의 발생 광량을 상대비교하여 P₁/P₂의 로그 스케일로 나타낼 경우, 신호 강도의 단위는 dB로 나타난다.

또한 포토디텍터의 발생 전력(P)은 V²/R 또는 RI²이므로(단, V는 전압, R은 저항 그리고 I는 전류를 의미함) 저항이 일정할 경우, 포토디텍터의 발생 전력비는 수식 2 및 3에 나타나 있는 바와 같이 전류비 또는 전압비로 표현할 수 있다.

10log(P₁/P₂)=20log(I₁/I₂)

10log(P₁/P₂)=20log(V₁/V₂)

그리고, CNR은 캐리어 주파수 f_o에서의 신호 강도와 평균 노이즈 레벨의 비로서 하기 수식 4로 표현된다.

CNR=10log(P_s(fo)/P_N(av))=20log(I_S(fo)/I_N(av))=20logI_S(fo)-20logI_N(av)

단, P_s(fo)(또는 I_s(fo))는 주파수 f_o의 신호에 의해 포토디텍터에서 발생하는 파워(또는 전류)를 나타내고, P_N(av)(또는 I_N(av))는 주파수 f_o를 제외한 임의의 주파수의 신호에 의해 포토디텍터에서 발생되는 파워(또는 전류)를 나타낸다.

광디스크 재생시 포토디텍터에서 발생된 전류치 I는 하기 수식 5로 나타난다.

I=η_s*P_o*Rf(η_s는 포토디텍터의 감도 계수, P_o는 재생 파워, Rf는 반사율을 나타낸다.

따라서, 상변화 광디스크는 다음과 같은 식 전개가 가능하다.

I_S(fo)=η_sP_o{Rf(c)-Rf(a)}

캐리어 레벨=20log [η_sP_o{Rf(c)-Rf(a)}]=20logη_sP_o+20log{Rf(c)-Rf(a)}

단, Rf(c)는 레이저 스폿이 미기록 결정질 부분을 통과할 때의 반사광량을 나타내고, Rf(a)는 레이저 스폿이 비정질 기록 마크 부분을 통과할 때의 반사광량을 나타낸다.

상기 η_s및 P_o는 드라이브 또는 평가기의 특성에 의하여 달라지므로 캐리어 레벨은 하기 수식 6으로 전개가능하다.

캐리어 레벨=K+20log{Rf(c)-Rf(a)}(단, K는 상수임)

상기 식에서 Rf(c) 및 Rf(a)는 레이저 스폿의 크기, 트랙 피치 등을 포함한 그루브 형상, 기록 마크의 폭과 길이 등에 의해 영향를 받기는 하지만, {Rf(c)-Rf(a)}는 주로 결정질 상태 및 비정질 상태의 반사율 차이 (Rc-Ra)에 의하여 좌우되며, 서로 선형 증가 또는 단조 증가 관계를 갖게 된다.

도 4a 및 도 4b는 결정 상태의 반사율과 비정질 상태의 반사율 차이가 서로 다른 상변화 광디스크를 제조한 다음, 그 캐리어 레벨 특성을 평가하여 나타낸 것이다.

이를 참조하면, -15dB 이상의 캐리어 레벨을 얻기 위해서는 결정 상태와 비정질 상태의 반사율 차이가 0.11 이상인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

한편, 노이즈 성분에 영향을 미치는 디스크 재생 신호의 인자로는 드라이브 전자회로에서 발생하는 노이즈, 포토디텍터에서의 쇼트 노이즈, 매체 노이즈 등이 있다. 이중에서 드라이브 전자회로에서 발생하는 노이즈와 포토디텍터에서의 쇼트 노이즈는 드라이브 자체와 관련된 것이므로 디스크 설계시 특별히 고려하지 않아도 무방하다.

매체 노이즈에 영향을 미치는 인자에 대해서는 확실하게 규명되지는 않았지만, 상변화 광디스크의 주요 노이즈 원은 반사광량의 변동에 의한 것으로 알려져 있다. 이러한 반사광량의 변동은 기록 마크 형상의 불규칙성 및 결정 입자 크기 불규칙성에서 기인하는 미기록 부분의 반사율 편차에 의해 크게 영향받으며, 이들은 모두 결정상태의 반사율 크기에 의존한다.

도 5는 결정 상태의 반사율이 서로 다른 상변화 광디스크를 제조한 다음, 그 노이즈 레벨을 평가하여 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, -65dB 이상의 노이즈 레벨을 얻기 위해서는 결정 상태의 반사율이 23% 이하인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

광디스크의 주요한 신호 특성중의 하나인 변조 진폭은 상술한 바와 같이 l14와 l14H의 비(여기에서 l14는 l14H와 l14L의 차로 정의됨)로 정의되는데, 대표적인 고밀도 상변화 광디스크인 DVD-RAM의 규격에서는 0.43 이상의 변조 진폭 특성이 요구된다. 이 때 l14H는 미기록 부분에서의 반사광량에 의한 포토디텍터의 발생 전류치에 의하여 결정되며, l14L은 기록 부분에서의 반사광량에 의한 포토디텍터의 발생 전류치에 의하여 결정된다. 여기에서 미기록 부분은 결정질 상태이며, 기록 부분은 비정질 상태임을 상기할 때, 이들 각각은 결정 상태의 반사율과 비정질 상태의 반사율에 의존하게 됨을 알 수 있다.

도 6은 결정 상태의 반사율 Rc에 따른 l14H 레벨 변화를 도시한 것이다. 이를 참조하면, Rc의 크기가 증가함에 따라 l14H가 직선적으로 증가함을 알 수 있다.

도 7은 결정 상태의 반사율과 비정질 상태의 반사율 차이에 따른 l14 변화를 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 결정 상태의 반사율과 비정질 상태의 반사율 차이가 커질수록 l14가 직선적으로 증가함을 알 수 있다.

도 8은 콘트라스트 [(Rc-Ra)/Rc]와 변조 진폭과의 관계를 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 변조 진폭은 콘트라스트가 증가함에 따라 증가되며, 변조 진폭이 0.43 이상의 값을 얻기 위해서는 콘트라스트가 0.8 이상인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 반사율 조건 범위를 만족하는 Rc 및 Ra 영역을 도시한 도면이다. 이를 참조하면, Rc와 Ra를 빗금친 영역 범위내로 한정하는 경우, -15dB 이상의 캐리어 레벨과, -65dB 이상의 노이즈 레벨, 그리고 0.43 이상의 변조 진폭 특성을 동시에 얻을 수 있게 된다. 그 결과, 상변화 광디스크의 신호 품질이 안정되고 양호하다.

도 10은 본 발명에 따른 상변화 광디스크의 기록 특성 평가용 장치에 대한 구성도이다.

이를 참조하면, 기록 신호 발생기 (101), 기록 및 소거 파워 제어 회로 (102), 레이저 다이오드 구동회로 (103), 레이저 다이오드 (104) 및 광디스크를 회전시키기 위한 스핀들 모터 (105)로 구성되어 있다.

도 11은 본 발명에서 사용된 기록 펄스의 형태를 나타낸 것으로서, 이를 참조하면, 본 발명의 기록 펄스는 기록 파워 레벨, 소거 파워 레벨 및 바이어스 레벨로 구성되어 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

스탬퍼를 사용한 인젝션 몰딩법에 의하여 두께가 0.6㎜이고, 트랙 피치가 0.74㎛이고, 그루브 깊이가 70㎚인 폴리카보네이트 원형 기판을 제조하였다.

상기 폴리카보네이트 원형 기판에 ZnS-SiO₂(8:2)를 RF 스퍼터링하여 제1유전층(두께: 200㎚)을 형성하였다. 이어서 상기 제1유전체층 상부에 Ge₂Sb₂Te₅를 DC 스퍼터링하여 기록층(두께: 15㎚)을 형성하였고, ZnS-SiO₂(8:2)를 RF 스퍼터링하여 제2유전층(두께: 15㎚)을 형성하였다.

상기 제2유전층 상부에 Al-Cr 합금을 DC 스퍼터링하여 반사층(두께: 90㎚)을 형성하였다. 이 반사층 상부에 UV 경화성 수지를 스핀코팅한 다음, 그 위에 그루브가 형성되어 있지 않은 폴리카보네이트 원판 기판(두께: ㎜)을 얹은 상태에서 UV를 조사함으로써 상변화 광디스크를 완성하였다.

완성된 상변화 광디스크를 회전시키면서 레이저 빔을 조사하여 기록층을 결정화함으로써 광디스크를 초기화하였다.

초기화된 상변화 광디스크를 도 10의 기록 특성 평가용 장치에 장착한 다음, 6m/s로 회전시켰다. 이 때 기록을 위하여 사용한 레이저 펄스는 도 11과 같고, 광원의 파장은 680㎚, 대물렌즈의 NA는 0.6이었다.

이후, 기록마크에서 발생되는 신호를 스펙트럼 분석기에 입력한 후 분석하여 캐리어 레벨과 노이즈 레벨을 측정하였다. 그리고 각 신호의 레빌 및 기록 마크 형상의 좌우 대칭성을 오실로스코프로 평가하였다.

<실시예 2>

제1유전체층의 두께가 210㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

<실시예 3>

제1유전체층의 두께가 220㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

<비교예 1>

제1유전체층의 두께가 80㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

<비교예 2>

제1유전체층의 두께가 90㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

<비교예 3>

제1유전체층의 두께가 120㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

<비교예 4>

제1유전체층의 두께가 140㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

<비교예 5>

제1유전체층의 두께가 160㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

<비교예 6>

제1유전체층의 두께가 240㎚, 기록층의 두께가 15㎚, 제2유전체층의 두께가 15nm 그리고 반사층의 두께가 90nm인 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하였다.

상기 실시예 1-3 및 비교예 1-6에 따라 제조된 상변화 광디스크의 캐리어 레벨, 노이즈 레벨 및 변조 진폭 특성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

구분	Rc(%)	Ra(%)	Rc-Ra(%)	Rc-Ra/Rc	캐리어 레벨(dB)	노이즈 레벨(dB)	변조 진폭
실시예 1	18.7	0.3	18.4	0.98	-11.3	-65.9	0.68
실시예 2	14.8	0.2	14.6	0.99	-12.8	-66.4	0.66
실시예 3	12.0	0.9	11.1	0.93	-15.0	-66.1	0.65
비교예 1	12.0	4.7	7.3	0.61	-19.1	-68.3	0.38
비교예 2	15.0	6.6	8.4	0.56	-15.8	-67.5	0.33
비교예 3	26.4	10.2	16.2	0.61	-11.6	-64.4	0.38
비교예 4	30.8	9.6	21.2	0.69	-10.2	-63.2	0.38
비교예 5	30.8	6.6	24.2	0.79	-9.5	-62.9	0.41
비교예 6	11.4	4.0	7.4	0.65	-17.4	-67.3	0.51

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1-3에 따라 제조된 상변화 광디스크는 Rc가 23% 이하, (Rc-Ra)가 11% 이상이면서 (Rc-Ra)/Rc이 0.80 이상으로서 캐리어 레벨이 -15dB 이상이고, 노이즈 레벨이 -65dB 이상이고, 변조 진폭이 0.43 이상으로서 그 제반특성이 우수하였다. 반면, 비교예 1-6에 따라 제조된 상변화 광디스크는 Rc, (Rc-Ra) 및 (Rc-Ra)/Rc가 상기 범위를 벗어난 값을 갖고 상기 실시예 1-3에 비하여 캐리어 레벨, 노이즈 레벨 및 변조 진폭 특성이 저하되었다.

본 발명에 따르면, 상변화 광디스크의 결정질 상태 및 비정질 상태의 반사율을 소정 범위내로 제어함으로써 캐리어 레벨, 노이즈 레벨 및 변조 진폭 특성이 모두 양호하다. 그 결과, 안정되고 우수한 신호품질을 갖는 상변화 광디스크를 얻을수 있다.

Claims (1)

1. 투명기판상에 제1유전체층, 기록층, 제2유전체층, 반사층 및 보호층이 순차적으로 형성되어 있는 상변화 광디스크에 있어서,

   상기 기록층이 결정질 상태인 경우 디스크 반사율 Rc가 23% 이하이고,

   결정질 상태인 경우와 비정질 상태인 경우의 디스크 반사율 차이 (Rc-Ra)가 11% 이상이고,

   (Rc-Ra)/Rc가 0.80 이상인 것을 특징으로 하는 상변화 광디스크.