KR20020051537A - 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과재생장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미디어에 정보를 기록할 때, 개구(Aperture)에서 나오는 근접장 광 뿐만 아니라 전기 전도성 캔티레버 끝에서 유도되는 전류에 의하여 미디어를 국소적(locally)으로 가열시켜 정보를 기록시킴으로써 기록속도를 증가시키는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치는 캔티레버 스테이지와 근접장 광 개구형 탐침이 일체형으로 형성되어, 상기 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 근접장 광 뿐만 아니라 탐침에서 미디어로 또는 탐침자체에서 유도되는 전류에 의하여 미디어를 국소적으로 가열시켜 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버와, 그 기록된 정보를 상기 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 정보 기록시에, 근접장 광 개구 탐침(near-field optical aperture probe) 및 전기 전도성 돌출형 탐침(conducting protruding probe)를 이용하여 정보를 기록하고, 기록된 정보를 근접장 광 개구형 탐침을 이용하여 읽도록 하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, CD나 DVD등의 광 정보 저장기(optical data storage)의 경우에는, 미디어 구조에 렌즈를 이용하여 광을 집속(focus)하여 발생하는 열로 미디어의 상 변환(phase change)을 유도하거나, 자기장을 가해줌으로해서 미디어의 자화방향(magnetization direction)을 변하게 하여 정보를 기록(recording)하고, 빛의 반사율(reflectivity) 변화나 편광(polarization) 방향의 변화를 이용하여 정보를 읽는다.
그러나 이러한 방식의 경우, 기록되는 정보의 물리적인 사이즈는 사용되는 빛의 회절 한계(diffraction limit)에 의해 제한된다. 회절 직경은 빛의 파장(wavelength)에 비례하고 렌즈의 NA(numerical aperture)에 반비례함으로, 단파장(short wavelength)의 빛을 사용할 경우 기록 밀도(recording density)가 높다. NA의 값이 일반적으로 1보다 작기 때문에 기록되는 정보의 크기는 빛의 파장에 의해 결정적으로 제한을 받게 되고, 이러한 정보의 크기의 제약은 기록 밀도의 증대의 한계를 결정하므로, 현재 사용 가능한 레이저 다이오드(laser diode)의 파장이 500nm 정도이므로 기록밀도 30 G/in2이상의 기록집적을 불가능하게 하고 있다.
이러한 문제를 극복하기 위하여, 파장의 크기보다 작은 구멍을 통해서 새어 나오는 소산파(evanescent) 형태의 근접장 광(near-field optics)을 이용하여 그 기록밀도를 증가시키려는 노력이 진행중이다. 과도적으로 굴절률(refraction index)이 큰 SIL(solid immersion lens)를 이용하여 NA의 값을 증가시켜 기록밀도가 증가되는 기술이 개발되고, 이보다 더 작은 정보 기록 사이즈의 구현을 위하여 근접장 광 탐침(probe)을 미디어 표면에 접근 시켜 그 비트 사이즈(bit size)를 줄이려는 시도가 계속되고 있는 상황이다.
근접장 광 탐침을 이용한 정보 기록/재생(write/read) 기술은 Betzig등에 의해서 MO(magneto-optic)원리를 이용하여 최초로 제안되었다 [Betzig et al., Appl. Phys. Lett., Vol.61, pp.142-144, 1992]. 이러한 기술을 이용하여 80nm 의 정보 비트 사이즈의 구현이 가능하였다. 이후, SIL을 이용한 근접장 광 기록 기술 등이 Kino등에 의해서 개발되었으나, NA가 2-3정도가 한계이므로 150nm 정도의 비트사이즈가 그 기록 한계로 여겨진다[Kino et al., US Patent 5,982,716]. 이후, Hosaka등에 의하여 광섬유(optical fiber) 탐침(probe)을 이용한 Ge-Sb-Te계 화합물의 광 정보 기록/재생이 수행되었으나, 광섬유의 기계적인 약점과 함께, 광의 투과율(throughput)이 낮아서 기록시간(recording time)이 오래 걸리므로 해서 데이터 전송속도(data transfer rate)의 한계가 존재한다[Hosaka et al., Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, Vol. 35, pp.443-447, 1996].
기계적인 안정성을 높이고 광의 투과율(throughput)을 높이는 방향으로 개구형 탐침(aperture probe)를 갖는 AFM(atomic force microscope) 캔티레버(cantilever) 형식의 근접장 광 캔티레버가 현재 개발되고 있으나, 여전히 그 투과율이 낮아서 정보 기록 속도가 실용적인 정보 저장기 기술로의 적용에 제약을 주고 있다.
한편, 일부에서는 전도성(conducting) AFM 캔티레버를 이용하여 정보를 기록/재생 하는 기술이 개발되고 있다. 그 중에서 가장 실제적인 응용이 가능한 기술로서 메트릭스 타입의 다중 탐침에서 흐르는 전류에 의한 자체 전기저항에 의한 열에너지(thermal energy)를 가지고 유기 미디어(organic media)를 가열하여 정보를 기록하고 그 형상을 읽음으로써 정보를 재생하는 열기계역학적(Thermomechanical) 방식의 기술이 개발되었으나, 정보를 읽고 쓸 때 탐침과 미디어가 직접적으로 깊이 접촉(contact)을 하여야 하므로 그에 따른 탐침의 마모(wear)나 진동(vibration)에 의한 에러(error)의 문제가 여전히 존재한다[Binnig et al., Appl. Phys. Lett. Vol.74, pp.1329-1331, 1999].
이러한 기록/재생 방식의 안정성을 보완하기 위해서 Kado등은 전도성 캔티레버를 이용하여 미디어 표면에 직접적인 전류를 유도하거나 탐침 끝에 빛을 가하여 탐침을 가열하고 그에 따른 발생열을 이용하여 정보를 기록하는 기술을 개발하였다[Kado et al., US patent 6,101,164]. 그러나, 이 기술 역시 기록시에 항상 탐침과 미디어가 직접적으로 접촉하여야 하며, 기록된 정보를 읽을 때에도 접촉해야 하므로 정보 기록/재생의 안정성(stability)과 탐침의 수명(life time)에 문제가 존재한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명은 미디어에 정보를 기록할 때, 개구(Aperture)에서 나오는 근접장 광 뿐만 아니라 전기 전도성 캔티레버 끝에서 유도되는 전류에 의하여 미디어를 국소적(locally)으로 가열시켜 정보를 기록시킴으로써 기록속도를 증가시키는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 근접장 광 뿐 아니라 캔티레버에 전도채널을 형성하여 전기 전도성 돌출형 탐침의 자체 저항에 의한 발생열을 미디어와의 접촉을 통하여 전달함으로써 이에 따른 정보 기록 시간이 단축되어 궁극적으로 데이터 전송 속도(data transfer rate)를 향상시키는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기록된 정보를 재생할 때는 개구(Aperture)에서 나오는 근접장 광을 이용한 반사율(reflectivity) 또는 투과율(transmission)의 변화를 읽으므로 AFM 캔티레버만 사용하는 방식과 비교하여 마모나 접촉에 따른 진동에 의한 에러를 최소화할 수 있는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 재생장치 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명은 정보 재생시에 근접장 광을 이용하므로 그 기록 사이즈는 회절 제한(diffraction limit)을 극복하여 최소화 할 수 있는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 재생장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 캔티레버를 다중화(multiple)하여 사용하여 데이터 전송속도를 탐침(probe)의 개수에 비례하여 증가시킬 수 있는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치의 구성도.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치의 구성도.
도3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치의 구성도.
도4는 정보 기록 및 재생시의 간극 거리, 광펄스 및 전기 펄스의 파형도.
도5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치의 구성도.
도6은 도1 내지 도3에서의 기록층의 구조도.
도7은 도 5에서의 기록층의 구조도.
도8a 및 도8b는 도1 내지 도3 및 도 5의 미디어의 구조도.
도9a 및 도9b는 도1 내지 도3 및 도 5의 미디어의 구조도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 전기전도성 캔티레버11 : 근접장 광 개구형 탐침
12 : 캔티레버 스테이지12' : 접촉 패드
12" : 캔티레버 홀더13 : 전기 전도성 돌출형 탐침
20 : 미디어 기판21 : 기록층
22 : 기록된 영역22' : 금속 나노박막
22" : 나노입자 3차원 박막30 : 전압 펄스 발생기
40 : 광원 및 검출기41 : 렌즈
42 : 광 검출기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치는, 캔티레버 스테이지와 근접장 광 개구형 탐침이 일체형으로 형성되어, 상기 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 근접장 광 뿐만 아니라 자체에서 유도되는 전류에 의하여 미디어를 국소적으로 가열시켜 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버와, 그 기록된 정보를 상기 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치는, 상하에 접촉 패드가 형성되고, 근접장 광 개구형 탐침이 일체형으로 형성되어, 상기 접촉패드(contact pad)를 이용하여 근접장 광 개구형 탐침과 미디어의 간극(gap)을 제어하고, 자체의 압전(piezoelectric) 박막구조로 수십나노 미터 이하의 정밀 제어를 수행하여 미디어에 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버와, 그 기록된 정보를 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치는 캔티레버 홀더와 근접장 광 개구형 탐침이 일체형으로 형성되어, 상기 근접장 광 개구형 탐침과 미디어의 반데르 바알스힘(van der Waals force)을 측정하고, 그 측정된 값과 자체에 부착된 압전(piezoelectric) 구동 구조로 근접장 광 개구형 탐침과 미디어의 간극을 제어하여 미디어 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버와, 그 기록된 정보를 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치는 근접장 광 개구형 탐침과 전기 전도성 돌출형 탐침이 일체형으로 형성되어, 그 형성된 근접장 광 개구형 탐침과 전기 전도성 돌출형 탐침을 이용하여 근접장 광 및 전기를 동시에 미디어 가하여 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버와, 그 기록된 정보를 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치의 구성도를 도시한 것이다.
도 1에서, 도면 부호 10은 전기전도성 캔티레버(conducting cantilever)이고, 도면 부호 11은 근접장 광 개구 탐침(near-field optical aperture probe)이며, 도면 부호 12는 캔티레버 스테이지(cantilever stage)이다. 도면 부호 20은 미디어 기판(media substrate)이고, 도면 부호 21은 기록층(recording layer)이며, 도면 부호 22는 기록된 영역 (recording area)이다. 도면 부호 30은 전압 펄스 발생기(voltage pulse generator)이고, 도면 부호 40은 광원(light source : LD) 및 검출기(photo detector : PD)이며, 도면 부호 41은 렌즈(lens)이고, 도면 부호 42는 광검출기(PD)이다.
본 발명의 제1 실시예는 전기 전도성(conducting)을 가지고 있는 근접장 광 개구 탐침(11)이 형성된 전기 전도성 캔티레버(near-field optical cantilever)(10)에 의해 정보를 기록하고, 기록된 정보를 전기 전도성 캔티레버(10)로 읽는다. 또한, 본 발명의 제1 실시예는 전기 전도성 캔티레버(10)를 미디어(25)에 접근시켜 미디어(25)와 캔티레버(10)의 간극(gap)을 조절(control)할 수 있다.
정보 기록/재생(write/read)을 위해서는, 근접장 광 개구 탐침(11)과 미디어(25) 사이의 간극 제어, 근접장 광 개구 탐침(11)에서 미디어(25)로의 에너지 전달에 의한 정보 기록 및 근접장 광을 이용한 정보 재생의 세가지 조건이 구비되어야 한다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 정보 기록시에 근접장 광을 이용한 미디어(25)의 광 기록 원리와 함께 전기 전도성 캔티레버(10)에서 미디어(25)로의 전류의 이동에 의해 유도되는 열에 의한 정보 기록이 동시에 가능하므로, 기록밀도는 극대화하면서 에너지 출력에서 획기적인 증대를 가능하게 한다.
상기 간극 제어(gap control)는 크게 두가지 방식으로 나뉘어서 적용될 수 있다. 첫째는, 도 2에 도시된 본 발명의 제2 실시예에서와 같이, 부도체(insulator)의 접촉 패드(contact pad)(12')사이에 전기 전도성캔티레버(10')를 형성함으로써 기계적으로 간극을 유지할 수 있다. 여기서, 상기 전기 전도성 캔티레버(10')는 압전 박막 구조로 형성된다.
둘째는, 도3에 도시된 제3 실시예에서와 같이, 탐침과 미디어 사이의 반데르바알스(van der Waals) 힘을 측정하고 압전(Piezoelectric) 물질로서 간극을 제어하는 AFM방식이 있다.
AFM방식은 일반적으로 접촉방식(contact mode)과 비접촉방식(noncontact mode)으로 나뉘어진다. 접촉방식(contact mode)은 캔티레버(10')와 시료(sample)사이의 척력(repulsive force)을 이용하는 데 반하여, 비접촉방식(noncontact mode)은 캔티레버(10')와 시료사이의 인력(attractive force)을 이용한다.
본 발명의 제3 실시예에서는 비접촉방식(noncontact mode)를 이용한 간극제어를 기본으로 하지만, 정보 기록시에는 순간적으로 탐침과 시료가 근접하는 것이 효과적이다.
도 2에 도시된 접촉패드(contact pad)(12')를 이용할 경우, 주사속도(scanning speed)가 수십 cm/s 이상의 고속 주사가 가능하므로 데이터 전송속도의 증대에 강점이 있지만, 미디어의 마모나 근접장 광 개구형 탐침(11)과 미디어(25)의 간격이 일반적으로 크므로 정보 기록의 에너지 전달 효율이 낮다는 단점이 있다.
이러한 약점을 극복하기 위해서 접촉패드 기술과 함께 캔티레버를 압전(piezoelectric) 물질로서 구동제어(actuator) 구조로 제작하고, 미세 간극을 제어하는 하이브리드(hybrid) 방식을 사용할 수 있다. 도 3에 도시된 AFM 방식의간극 제어의 경우 접촉방식(contact mode)의 경우는 미디어(25)와 근접장 광 개구형 탐침(11)의 마모나 탐침이 잘 부러지는 단점이 있는 반면, 정보 기록에서의 에너지 전달 효율이 극대화될 수 있다. 비접촉방식(noncontact mode)의 경우 탐침(11)과 미디어(25)의 마모 문제는 적으나, 탐침(11)의 공진 주파수(resonance frequency)를 이용한 간극 제어의 한계 때문에 주사속도가 낮아지는 단점이 있다.
근접장 광 개구형 탐침(11)은 실리콘(silicon), 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)가 기본 재질로서, 표면에 Au, W, Pt, Cr, Ti, Al, Co 텅스텐카바이드(W2C), TiC, TiN, 또는 다이아몬드 등의 금속 재질이 코팅 있어서 전기전도가 가능한 구조이다. 아울러 미디어(25)의 경우 역시 벌크(bulk) 기판 또는 박막이 전도성(conducting)을 가지고 있기 때문에 전기 전도가 가능하게 만들어진 구조이다.
근접장 광 개구형 탐침(11)에서 미디어(25)로의 에너지 전달의 경우, 근접장 광만을 사용할 경우에는 사용하는 레이저 다이오드의 광출력이 10mW라고 가정하면 일반적인 광탐침의 투과율(throughput)이 100nm의 영역에서 약 10-4정도이므로, 미디어(25)에 집속되는 광출력은 1 μW이고, 20nm 정도 두께의 무기물 상전이 박막(Ge-Sb-Te계)의 경우 결정(crystal)에서 비정질(amorphos)로의 전환시간이 1 ms정도이고, 이를 기록속도로 환산하면 1 kb/s 이다[참고논문 Jpn. J. Appl. Phys. Part.1, Vol.35, pp 443-447, 1996].
그러나, 도 5에 도시된 전기 전도성 돌출형 탐침(13)과 미디어(25) 사이의 전압이 10V이고 유도되는 전류가 100 μA라면 전기저항에 의한 에너지 출력은 1 mW정도이므로 기록시간은 1 μsec 정도가 되고, 이를 기록속도로 환산하면 1 Mb/s로서 기록속도의 개선에 크게 기여할 수 있다.
기록된 정보를 읽을 때는 탐침(11)과 미디어(25) 사이의 전기 전도를 이용하지 않고 근접장 광만을 이용하여 기록된 미디어의 광흡수율(optical absorption)의 차이를 읽는 과정으로 정보를 재생한다. 이러한 정보 재생의 경우 필요한 광출력이 작고 탐침(11)과 미디어(25)가 서로 완전히 접촉하지 않아도 되므로 그 재생 속도가 빠르고 탐침(11) 및 미디어(25)의 마모가 적기 때문에 중요한 핵심 요소이다.
이러한 정보 기록/재생 방식을 사용하는 경우, 100nm 의 기록크기를 갖는 100 G/in2정보 기록 밀도를 얻을 수 있다. 아울러 기록/재생 속도는 1 Mb/s 가 가능하고 다중 탐침을 사용할 경우, 10~100 Mbps의 데이터 전송 속도(data transfer rate)의 구현이 원리적으로 가능하다.
도 4는 정보를 기록하고 읽고(read) 지우는(erase) 동안의 광 및 전기신호 그리고 탐침 간극의 변화를 나타내고 있다.
정보를 기록할 때는 탐침과 미디어 간극을 줄이고 광 및 전압 펄스(pulse)를 가하여 미디어의 구조에 변화를 유도한다. 기록된 정보를 읽는 것은 간극은 멀어지고 기록시보다는 작은 광 펄스(pulse)를 입력하여 반사 또는 투과하는 빛의 신호를 측정함으로써 이루어진다.
WORM(write-once-read-many) 형태의 미디어의 경우, 한번 기록된 정보는 바꿀 수 없으므로 이 후 광 신호만으로 정보를 재생하는 과정만을 반복하게 된다. 상변환(phase change) 기록물질(recording material)과 같은 재기록가능한(rewritable) 미디어의 경우는 탐침을 접근시켜 기록시에 비해 다소 낮은 출력의 에너지만을 미디어에 전달하게 함으로써, 비정질에서 결정의 형태로 상변환을 유도하여 기록된 정보를 지울 수 있다. 이와같은 과정을 통하여 정보를 기록하고 읽고 지울 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록과 재생장치의 구성도를 도시한 것이다.
도면 부호 13은 전기 전도성 돌출형 탐침을 나타내고, 나머지 도면 부호는 도 1과 동일한 구성이므로 동일 부호를 부여하였다.
도 1의 경우에는 정보 기록시에 탐침(11)의 마모 및 훼손이 발생하여 근접장 광 개구(Aperture) 구조가 제대로 기능을 다하지 못하는 경우가 있을 수 있으므로, 이것을 해결하는 방안으로, 도 5에 도시된 바와같이, 한 개의 캔티레버(10)에 전기 전도성 돌출형 탐침(13)과 근접장 광 개구형 탐침(11)을 나란히 형성하여 사용하는 분리형 이중 탐침 캔티레버를 형성하였다.
정보 기록/재생에 필요한 정확한 트래킹(tracking) 또는 검색(Seeking)을 위해서 두 탐침의 간격은 수십나노 미터 이하의 정밀도로 제작되어야 한다. 또한 AFM형 탐침이 근접장 광 탐침보다는 더 돌출되어야 하나 최소한 그 높이 차이는 100nm 이하가 되어야 한다. 정보 기록시에는 전기 전도성 돌출형 탐침(13)이 사용되는데, 기록된 정보는 근접장 광 개구형 탐침(11)으로 읽는 메커니즘을 사용하게 된다.
정보 기록시에 전기 전도성 돌출형 탐침(13)에서 미디어(25)로의 전기저항에 의한 발생열을 이용하거나, 전기저항(resistivity)이 큰 돌출 탐침이 자체저항(self resistance)에 의해 가열되는 발생열을 이용할 수 있다. 후자의 경우는 미디어가 전기 전도되지 않아도 되기 때문에 전기 부도체의 미디어를 사용할 수 있는 장점이 있다.
탐침 간극 제어 및 정보 기록/재생의 광과 전기신호 제어는 일체형 탐침과 유사하나 정보 기록시에 광신호가 사용되지 않는다는 차이점이 있다.
일반적으로, 사용되는 미디어는 광 기록에 사용되는 무기물(inorganic material)과 유기물(organic)이 대상인데, 무기물의 경우 Ge-Sb-Te로 대표되는 상변환 물질이 사용가능하고 금속박막과 반도체등 상변환이나 형상 변환 가능한 전기 전도성 물질이면 모두 가능하다.
그 물질로는 Ge, Sb, Te, Sn, Ga, Se, Pb, Bi, In, Ag, Sn, S, Al 등에서 선택되는 상변환 물질(phase change material)을 들 수 있다. 이러한 상 변환 물질은 일반적으로 전기전도가 가능하고 상변환에 의한 광흡수율 및 전기 전도의 차이를 이용할 수 있기 때문에 유리하다.
또 다른 물질로는 Au, Ag, Cu, Zn, Cd, Ga, In, Eu, Gd, Ti, Pb, Pd, Al, Sb, Bi, Te, Ge, Si, 등의 금속 및 반도체가 있는데 이러한 물질은 열에 의해서 그 형상(morphology)이 바뀌거나 서로 융합하여 Alloy, 또는 Silicide를 형성함으로써 광 특성이 변화되는 것을 이용한 기록/재생이 가능하다.
또한 Ti과 같은 물질은 전기전도탐침에 의해 국소적으로 산화막을 형성하여 정보를 기록할 수 있다. 이들은, 도 6에 도시된 바와 같이, 보호막이 없이 사용되거나 얇은 보호막을 입혀서 사용될 수 있다. 또한 이중(double) 또는 다중박막의형태로써 사용 가능하다. 이중 또는 다중박막의 경우 서로 융합(fusion)한 결과 빛의 흡수율의 차이를 유도하여 반사 및 투과되는 빛의 양의 변화를 이용한 기록/재생을 가능하게 한다. 기판(substrate)의 경우 금속, 반도체, 부도체(유리glass, 석영quartz등)이 모두 사용 가능하다.
도 7에 도시된 바와같이, 전기 전도성 돌출형 탐침(13)과 근접장 광 개구형 탐침(11)이 분리되어 한 캔티레버에 부착된 경우에는, 전기 전도성 돌출형 탐침(13)에 흐르는 전류에 의하여 시료를 가열하여 정보를 기록하고, 근접장 광 개구형 탐침(11)으로 기록된 정보를 읽는 미디어도 사용 가능하다.
전기 전도성의 미디어인 경우에는, 탐침에서 시료사이로 직접 전류를 흘려서 발생하는 열로 정보를 기록하고, 전기 부도체의 미디어인 경우는 캔티레버에 전류를 흘려 전기저항이 큰 탐침에서 발생하는 저항열로 미디어에 탐침을 접촉하여 정보를 기록할 수 있다.
기판위에 금속 박막을 얇게 입히면, 도 7에 도시된 바와같이, Volmer-Weber 성장에 의한 클러스터(cluster)들이 형성되는 데, 이렇게 형성된 금속 클러스터(cluster)는 일반적으로 벌크(bulk)에 비하여 표면 플라스몬(surface plasmon)에 의한 빛의 흡수율이 크게 증가한다. 형성된 클러스터(cluster)에 빛과 전류 유도를 통한 가열을 하면 그 크기나 분포가 변화하여 광의 흡수율이 변화한다. 이러한 변화를 정보 기록으로 사용하고 기록된 정보를 광으로 읽으면 정보를 재생할 수 있다. 그러나, 이러한 클러스터(cluster)의 경우, 한번 쓰고 난 뒤, 정보를 지울수 없기 때문에 Write-Once-Read-Many(WORM) 형태의 미디어로만 사용 가능하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 클러스터 박막을 형성하는 방법으로는 진공용기(vacuum chamber)에 불활성기체(inert gas)를 채우고 금속을 증착(evaporation)할 경우, 뜨거워진 금속 원자가 차가운 기체에 부딪혀 금속끼리 응집(condensation)하고 이들이 시료의 표면에 흡착(deposition)하는 그림 8의 형태로도 만들어질 수 있다. 이러한 방법의 장점은 수십 나노미터에서 수 마이크론까지 두꺼운 클러스터 박막을 형성할 수 있다는 데 있다.
형성된 박막을 빛 및 전기에 의한 가열을 하면 클러스터가 서로 결합하여 금속 박막을 형성하고 그에 따른 빛의 흡수율의 차이를 유도함으로써 정보를 기록/재생할 수 있다. 물론 이것 역시 Write-Once 방식으로만 사용 가능하다. 기판으로서는 금속, 반도체, 부도체가 모두 사용 가능하다.
또 다른 미디어로서는 유기물이 사용 가능하다. 전기전도가 되는 금속 및 반도체 기판위에 유기 박막을 형성함으로써 빛과 전기를 통한 가열과정을 통하여 유기물의 분자구조(molecular structure) 및 상 변환을 유도하고 그에 따른 광 흡수율의 차이를 이용하여 정보를 기록/재생할 수 있다. 여기에 사용되는 유기물로서는 PMMA, poly carbonate, 폴리이미드(polyimid), 아조벤젠(azo-benzene), 디아릴에텐계(diarylethene) 화합물, NBMN(3-nitrobenzal malonitrile), pDA(1,4-phenylendiamine), 스피로벤젠(spiero-benzene), 광기록용 액정(liquid crystal) 고분자(polymer)등이 있다. 유기물의 특성에 따라 WORM, 또는 재기록(Rewritable)으로 사용 가능하다. 경우에 따라서는 유기물 박막과 금속클러스터를 같이 사용할수 있는데, 리간드 안정 금속 클러스터(Ligand stabilized metal cluster)가 그 예이다. 이외에도 산화물 박막이나 카본계열이 물질들의 형상변환, 상 변환, 조성변환(compositional transition)등의 물질들이 사용될 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 이중 기능의 캔티레버 탐침을 이용하여 광에너지 뿐 아니라 전기 에너지를 미디어에 가함으로써 기록시간을 단축할 수 있고, 근접장 광으로 정보를 재생함으로 탐침의 마모나 진동에 의한 에러의 유발을 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명은 마이크로 세컨드(second)이하의 기록 시간이 구현 가능하므로 Mbit/s의 기록속도를 달성할 수 있고, 정보를 재생하는 속도 역시 Mbit/s정도이므로 이제까지의 탐침형 정보 저장기의 약점을 획기적으로 개선할 수 있다. 이러한 이중 기능 탐침을 어레이(array) 형태로 만들어서 다중 캔티레버 구조로 사용할 경우 그 데이터 전송속도와 탐색 시간(Seeking time)이 테라 바이트(Tera byte) 정보 저장기의 실용적인 사용이 가능하다.
아울러, 본 발명은 탐침의 크기를 축소할 경우, 궁극적으로 10nm 급의 정보 기록 기술의 구현도 가능하다.
Claims (11)
- 캔티레버 스테이지와 근접장 광 개구형 탐침이 일체형으로 형성되어, 상기 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 근접장 광 뿐만 아니라 자체에서 유도되는 전류에 의하여 미디어를 국소적으로 가열시켜 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버; 및그 기록된 정보를 상기 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 상하에 접촉 패드가 형성되고, 근접장 광 개구형 탐침이 일체형으로 형성되어, 상기 접촉패드(contact pad)를 이용하여 근접장 광 개구형 탐침과 미디어의 간극(gap)을 제어하고, 자체의 압전(piezoelectric) 박막구조로 수십나노 미터 이하의 정밀 제어를 수행하여 미디어에 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버; 및그 기록된 정보를 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 캔티레버 홀더와 근접장 광 개구형 탐침이 일체형으로 형성되어, 상기 근접장 광 개구형 탐침과 미디어의 반데르 바알스힘(van der Waals force)을 자신에 반사되는 빛으로 측정하고, 그 측정된 값과 자체에 부착된 압전(piezoelectric) 구동 구조로 근접장 광 개구형 탐침과 미디어의 간극을 제어하여 미디어 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버; 및그 기록된 정보를 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 근접장 광 개구형 탐침과 전기 전도성 돌출형 탐침이 일체형으로 형성되어, 그 형성된 근접장 광 개구형 탐침과 전기 전도성 돌출형 탐침을 이용하여 근접장 광 및 전기를 동시에 미디어 가하여 정보를 기록하는 전기 전도성 캔티레버; 및그 기록된 정보를 근접장 광 개구형 탐침에서 나오는 빛의 반사율 또는 미디어로의 투과율로서 정보를 재생하는 광 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 근접장 광 개구형 탐침은 레이저 다이오드에서 나오는 빛을 렌즈를 이용하여 집속하는 것을 특징으로 하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 근접장 광 개구형 탐침은 부착된 마이크로 표면 방출 레이저(VCSEL)에서 나오는 빛을 렌즈를 이용하여 집속하는 것을 특징으로 하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 미디어는 전기 전도가 가능한 박막으로 형성되고, 결정(crystal)-비정질(amorphos) 상 변환이 가능한 무기물 및 유기물질을 다양한 기판에 흡착 또는 증착되어, 물질의 상변환(phase change)에 따른 광 흡수율의 차이를 유도하여 근접장 광 및 탐침에 의한 전기 펄스로 정보를 기록하고, 근접장 광으로 정보를 재생하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 미디어는 전기 전도가 가능한 무기물 및 유기물 클러스터(cluster) 박막으로 형성되고, 다양한 기판 위에 흡착 또는 증착되어, 클러스터의 크기(size) 및 분포(distribution)의 변화를 유도하여 근접장 광 및 탐침에 의한 전기 펄스로 정보를 기록하고, 근접장 광으로 정보를 재생하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 미디어는 전기 전도가 가능한 금속 다층 구조 또는 금속-반도체 다중층 구조를 갖는 박막으로 형성되고, 다양한 기판위에 흡착 또는 증착되어, 열에 의한 형상 변환(morphological change), 산화막 형성, 물질간의 혼합(Alloying) 또는 화합물(compound) 형성을 유도하여 근접장 광 및 탐침에 의한 전기 펄스로 정보를 기록하고, 근접장 광으로 정보를 재생하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 미디어는 전기 전도가 가능한 박막 구조로 형성되고, 탐침 자체의 전기저항에 의한 발생열에 의해 탐침에 접촉된 후, 온도가 상승되어 정보를 기록하고,근접장 광으로 정보를 재생하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 미디어는 전기 전도가 불가능한 박막 구조로 형성되고, 상기 전기 전도성 돌출 탐침 자체의 전기저항에 의한 발생열에 의해 전기 전도성 돌출 탐침에 접촉된 후, 온도가 상승되어 정보를 기록하고, 근접장 광으로 정보를 재생하는 다중 기능 근접 탐침을 이용한 고밀도 정보 기록 및 재생장치.
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