KR0160363B1 - 위상 변화형 광 디스크 - Google Patents

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슈이찌 오꾸보
다쯔노리 이데
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가네꼬 히사시
닛본덴기 가부시끼가이샤
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Abstract

위상 변화형 광 디스크는 투명 기판, 기록층, 제1 투명 보호층, 반사층 및 투명 간섭층을 포함한다. 기록층은 결정 상태와 비정질 상태 간의 가역적 위상을 일으키기 위해 투명 기판 위에 형성된다. 기록층은 레이저 빔으로 조사시 위상 변화를 일으켜서 정보를 기록, 재생 및 소거한다. 제1 투명 보호층은 기록층을 보호하기 위해 기록층상에 형성된다. 반사층은 기록층을 통해 투과된 광을 반사시키고, 반사된 광을 기록층상으로 입사시키기 위해 기록층 위에 형성된다. 투명 간섭층은 반사층에 의해 반사된 광 빔들이 서로 광학적으로 간섭하게 하도록 제1 보호층과 반사층 사이에 형성된다. 기록층을 통해 투과된 광은 반사층과, 간섭층과 제1보호층 간의 경계 사이에서 다중 반사된다.

Description

위상 변화형 광 디스크
제1도는 본 발명에 따른 위상 변화형 광 디스크의 구성을 도시하는 도면.
제2도는 본 발명에 따른 위상 변화형 광 디스크의 상부 투명 보호층의 막 두께와 광학적인 특성간의 관계를 도시하는 그래프.
제3도는 본 발명에 따른 위상 변화형 광 디스크의 간섭층의 막 두께와 광학적인 특성간의 관계를 도시하는 그래프.
제4도는 종래의 위상 변화형 광 디스크의 구성을 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 투명 기판 2 : 하부 보호층(제2 투명 보호층)
3 : 기록층 4 : 상부 투명 보호층
5 : 반사층 6 : 투명 간섭층
본 발명은 레이저 빔 조사에 따른 가역적 위상 변화(reversible phase change)를 이용하여 정보를 기록하기 위한 광 디스크에 관한 것이다.
레이저 빔을 이용하는 광 디스크 기록 방식이 대용량 기록, 및 비접촉 방식으로 고속 액세스를 가능하게 하므로, 대용량 메모리를 형성하는데 실용화되고 있다. 광 디스크는 콤팩트 디스크와 레이저 디스크로서 공지된 ROM 광 디스크, 사용자가 정보를 기록할 수 있는 추기(write-once; 追記)형 광 디스크, 및 사용자가 정보를 반복적으로 기록하고 소거할 수 있는 재기입가능(re-writable) 광 디스크로 분류된다. 추기형 및 재기입가능 광 디스크들은 곧 컴퓨터용 또는 문서 및 화상 파일용 외부 메모리로서 사용될 수 있을 것이다.
재기입가능 광 디스크는 기록막의 위상 변화를 이용하는 위상 변화형 광 디스크, 및 수직 자화막의 자화 방향의 변화를 이용하는 광자기 디스크를 포함한다. 이들 디스크 중, 위상 변화형 광 디스크는 외부 자기장을 필요로 하지 않고 오버라이트(overwrite)동작을 용이하게 수행할 수 있으므로 널리 대중화 될 것으로 기대된다.
종래에는, 위상 변화형 광 디스크에 있어서, 결정(crystalline)위상과 비정질(amorphous) 위상 간에 위상이 변화하는 기록막을 사용하는 기입 액세스는 레이저 빔 조사에 따라 수행된다. 기록막상에 기록될 정보에 따라 고전력을 갖는 레이저 빔 스폿은 기록막의 온도를 국부적으로 증가시키기 위해 위상 변화형 광 디스크상에 조사된다. 따라서, 결정 위상과 비정질 위상 간의 위상 변화가 발생하여 기록을 수행한다. 이러한 위상 변화에 수반하는 광학 상수의 변화는 저전력 레이저 빔에 의해 반사 광의 세기의 차이로 판독되어 정보를 재생한다.
예를 들어, 결정화 시간이 비교적 긴 기록막을 사용하는 위상 변화형 광 디스크가 사용될 때, 디스크는 회전되고, 레이저 빔은 용융(melting) 온도와 동일하거나 이보다 높은 온도로 기록막을 가열하기 위해, 디스크상에 형성된 기록막상에 조사된다. 레이저 빔이 통과된 후, 디스크는 그 부분을 비정질 상태로 하기 위해 급냉되어 기록을 수행한다. 소거시에는, 결정화를 촉진하기 위해 필요한 충분히 긴 시간 동안 기록막의 온도를 결정화 온도 이상, 및 융점 온도 이하의 결정화가능 온도 범위로 유지하여 기록막을 결정화한다. 이것을 위한 방법으로서, 디스크의 레이저 빔 진행 방향의 타원형 스폿을 갖는 레이저 빔을 조사하는 방법이 공지되어 있다. 이미 기록된 데이타를 소거하는 동안 새로운 정보가 기록하는 2개의 빔으로 의사-오버라이트(pseudo-overwrite) 동작을 수행하기 위해, 타원형 스폿을 갖는 소거용 레이저 빔은 원형 스폿을 갖는 기록형 레이저 빔 조사 전에 미리 기록막에 조사된다.
고속 결정화 가능한 위상 변화 기록막을 이용하는 디스크가 사용되는 경우에는, 원형 스폿을 갖도록 집광된 단일 레이저 빔이 사용된다. 종래의 방법에 따라, 결정 상태와 비정질 상태 사이의 위상 변화는 2개의 레벨 간에 레이저 빔의 전력을 변화시킴으로써 일어난다. 특히, 용융 온도 이상의 온도로 기록막을 가열할 수 있는 전력을 갖는 레이저 빔이 기록막상에 조사되는데, 기록막의 대부분은 냉각에 의해 비정질 상태로 된다. 반면, 결정화 온도 이상 및 용융 온도 이하의 온도로 기록막을 가열하는 전력을 갖는 레이저 빔이 기록막상에 조사되는데, 기록막의 대부분은 결정 상태로 된다.
위상 변화형 디스크의 기록막을 형성하기 위해, 칼코게니드계 물질(chacogenide-based material)에 속하는 GeSbTe, InSbTe, InSe, InTe, AsTeGe, TeOx-GeSn, TeSeSn, SbSeBi, 또는 BiSeGe가 사용된다. 소정의 물질이 저항 가열 진공 피착, 전자 빔 진공 피착, 스퍼터링 등에 따라 피착된다. 피착 직후 기록막은 일종의 비정질 상태로 된다. 기록막상에 정보를 기록할 때 비정질 기록부가 형성되도록, 전체 기록막은 초기화처리에 의해 결정 상태로 된다. 기록은 결정 상태로 되는 기록막의 비정질부를 형성함으로써 달성된다.
상술된 바와 같이, 종래에, 위상 변화형 광 디스크에서는, 기록부에 의해 반사된 광량과 소거부에 의해 반사된 광량의 차이가 재생 신호로서 주로 검출된다. 그러나, 일반적으로, 기록부에 의해 반사된 광량이 소거부에 의해 반사된 광량과 다르다면, 기록부의 흡수량도 소거부의 흡수량과 다르다. 오버라이트 동작시, 이러한 흡수량의 차이로 인해 기록 마크 왜곡(recording mark distortion)이 생긴다.
이러한 기록 마크(mark)왜곡을 제거하기 위해, 기록 레이저 조사시에 기록 마크를 용융시키는데 필요한 열 에너지와 소거부를 용융시키는데 필요한 열 에너지를 흡수량 차를 제어함으로써 동일하게 설정하는 위상 변화형 광 디스크가 매우 효과적이다.
본 발명의 목적은 오버라이트 동작시 발생하는 기록 마스크 왜곡을 가능한한 많이 억제하도록 열 에너지, 즉 기록부와 소거부를 용융시키는데 필요한 기록용 레이저 전력과 소거용 레이저 전력이 동일하게 설정되는 위상 변화형 광 디스크를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적을 달성하기 위해, 투명 기판, 결정 상태와 비정질 상태 간의 가역적 위상 변화를 일으키기 위해 상기 투명 기판상에 형성되고 레이저 빔 조사시 위상 변화를 일으켜서 정보를 기록, 재생, 및 소거하는 기록층, 기록층을 보호하기 위해 기록층상에 형성된 제1 투명 보호층, 기록층 통하여 투과된 광을 반사하고, 반사 광이 기록층상으로 입사되게 하기 위해 기록층 위에 형성된 반사층, 및 반사층에 의해 반사된 광 빔들이 광학적으로 간섭하도록 하기 위해 상기 제1 보호층과 반사층 사이에 형성된 투명 간섭층을 포함하고, 기록층을 통해 투과된 광이 반사층과, 간섭층과 제1보호층 사이의 경계 사이에서 다중 반사되는 위상 변화형 광 디스크를 제공하는 것이다.
위상 변화 기록막은 2개의 상태, 즉 결정 상태와 비정질 상태를 갖는다. 용융 잠열 및 열 전도도는 결정 상태에서 더 크다. 따라서, 기록 동안 동일한 레이저 전력을 조사(irrediation)하여 결정부와 비정질부를 모두 용용시키기 위해, 결정부는 보다 큰 열 에너지를 흡수해야 한다.
일반적으로, 비정질 상태를 저반사율로, 결정 상태를 고반사율로 설정하여 신호가 재생되는 경우, 제4도에 도시된 바와 같이 하부 보호층(12), 기록층(13), 상부 투명 보호층(14) 및 반사층(15)가 투명 기판(11)상에 순차적으로 형성되는 종래의 매체 구성에서는 비정질 상태의 흡수율은 결정 상태의 흡수율을 초과한다. 따라서, 결정 상태의 흡수율이 비정질 상태의 흡수율을 초과하는 상태를 실현할 수 없다.
본 발명에 따라, 비정질부로서 기록 마크부를 용융하는데 필요한 열 에너지와 결정부로서 소거부를 용융하는데 필요한 열 에너지가 동일하게 설정되도록, 투명 보호층, 간섭층, 및 반사층이 순차적으로 기록층 상에 형성되고 다중 반사된 광 빔 중 광 간섭을 일으키게 한다.
광학 이론에 공지된 바와 같이, 상부 투명 보호층, 간섭층, 및 반사층이 기록층상에 제공되는 경우, 기록층을 통해 투과된 광은 상부 투명 보호층을 통하여 반사층에 의해 반사되고, 기록층으로 되돌아간다. 이 때, 광 간섭을 일으키는 되돌아간 광의 위상은 각각의 층의 막 두께를 조절함으로써 조정될 수 있어서, 기록층에 의해 흡수된 광량을 조절할 수 있다. 기록층의 광학 상수가 비정질 상태와 결정 상태에서 서로 다르지만, 2개의 층내의 기록층내의 온도 상승률은 막 두께를 선택함으로써 동일하게 설정될 수 있다.
특히, 비정질 상태의 기록층의 흡수율, 결정 상태의 기록층의 흡수율, 비정질 상태의 디스크의 반사율, 결정 상태의 디스크의 반사율, 비정질 상태의 반사층의 흡수율, 및 결정 상태의 반사층의 흡수율은 각각 Aa, Ac, Ra, Rc, ARa 및 ARc라고 가정하면, 본 발명에 따른 디스크에서는,
Aa + ARa + Ra = 100%
Ac + ARc + Rc = 100%
Rc Ra …(1)
와 같은 조건하에서는
Ac ≥ Aa …(2)
을 실현하기가 용이하다.
제2도는 ZnS-SiO2하부 보호층(260-nm의 두께), Ge2Sb2Te5기록층(15-nm의 두께), ZnS-SiO2상부 투명 보호층, Si 간섭층(20-nm의 두께), 및 Al반사층(60-nm의 두께)이 순차적으로 형성되는 조건하에서 상부 투명 보호층의 막 두께를 변화시킬 때의 Ra, Rc, Aa 및 Ac의 변화를 도시하는 그래프이다. 상부 투명 보호층의 막 두께가 약 10 내지 40 nm 또는 약 150내지 220 nm인 경우, 식(1) 및 부등식(2)로 표현된 원하는 조건이 실현될 수 있다.
제3도는 ZnS-SiO2하부 보호층(260-nm의 두께), Ge2Sb2Te5기록층(15-nm의 두께), ZnS-SiO2상부 투명 보호층(20-nm의 두께), Si 간섭층, 및 Al반사층(60-nm의 두께)이 순차적으로 형성되는 조건하에서 Si 간섭층의 막 두께를 변화시킬 때의 Ra, Rc, Aa 및 Ac의 변화를 도시하는 그래프이다. 간섭층의 막 두께가 20 내지 30 nm 또는 약 110 내지 120nm인 경우, 상술한 것과 동일한 원하는 조건이 실현될 수 있다.
특개평 제2-240842호는 기록막이 기판상에 형성되고, 광- 흡수막이 기록막에 인접하여 제공되는 용융-소거가능 위상 변화형 광 디스크를 개시한다. 이러한 광 디스크 기술에 따라, 광-흡수층은 열 흡수층으로 동작하고, 가열시 발생된 열은 기록층과 광-흡수층에 의해 흡수되어, 위상 변화에 의해 발생된 흡수율의 차이를 억제한다. 그러나, 본 발명과는 다르게, 금속 등으로 이루어진 광-흡수층이 기록층과 접촉하여 형성되기 때문에, 간섭층과 반사층 사이의 광 간섭을 이용하는 광 흡수 제어는 수행될 수가 없다. 비정질 상태의 흡수율이 결정 상태의 흡수율을 초과하기 때문에, 본 발명의 흡수율의 조건을 실현할 수가 없다. 이러한 광 디스크 기술이 용융-소거가능 위상 변화형 광 디스크에만 적용될 수 있기 때문에, 기록층을 형성하는데 적합한 물질은 제한되어 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 이러한 기술은 용융이 소거를 위해 수행하는 지의 여부에 상관없이 적용가능하다.
본 발명의 광 디스크와 유사한 광 디스크의 구성으로서는, 예를 들어, 특개평 제2-3119호가 기판상에 매체층 및 보호층을 형성함으로써 얻어진 광 기록매체를 기술하고 있다. 이러한 특정한 공보에 따르면, 광학적인 소거중에 흡수율이 최대로 되도록 막 두께가 설정되기 때문에, 정보는 낮은 조사 에너지를 이용하여 소거될 수 있다. 그러나, 이러한 공보에 기술된 구성은 본 발명과는 다르게, 광학적인 소거중에 흡수율이 최대로 되도록 막 두께를 설정함으로써 기록 감도만을 향상시키고, 열 에너지의 흡수율을 원하는 대로 제어할 수 없다.
본 발명의 양호한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 기술한다. 제1도는 본 발명에 따른 광 디스크의 구성을 도시한다. 하부 보호층(2), 기록층(3), 상부 투명 보호층(4), 간섭층(6), 및 반사층(5)과 투명 기판(1)상에 순차적으로 형성된다.
하부 보호층(2) 및 상부 투명 보호층(4)는 기록층(3)을 사이에 두고 배치되어 기록층(3)을 보호한다. 기록층(3)은 정보를 기록, 재생, 및 소거하기 위해 레이저 빔으로 조사될 때 결정 상태와 비정질 상태 사이에서 가역적 위상 변화를 일으킨다. 반사층(5)는 기록층(3)을 통해 반사된 광을 상부 투명 보호층(4)와 간섭층(6)사이의 경계에서 다중 반사한다. 광이 기록층(3)과 상부 투명 보호층(4)사이의 경계에 의해 반사되는 경우, 이 반사 광은 또한 반사층(5)에 의해 다중 반사된다. 간섭층(6)은 자신과 상부 투명 보호층(4)와의 경계에서 광을 반사 및 굴절시키고, 이에 의해 다중 반사된 광 빔들이 반사층(5)에 의해 반사된 광을 포함하고 서로 광학적으로 간섭하도록 기록층(3)을 통과하게 한다. 광 간섭을 일으키는 다중 반사된 광 빔의 위상은 간섭층(6)이 소정의 막두께를 갖도록 설정함으로써 조정되어, 기록층(3)에 의해 흡수된 열 에너지의 흡수율이 제어된다. 유사한 효과가 상부 투명 보호층(4)가 소정의 막 두께를 갖도록 설정함으로써 얻어질 수 있다.
디스크형 글라스 또는 플라스틱 부재가 투명 기판(1)로서 사용된다. SiO2, Si3N4, AlN, TiO2, ZnS, ZnS-SiO2, Ta2O5등이 하부 보호층(2) 및 상부 투명 보호층(4)의 물질로서 사용된다. 칼코게니드계 물질에 속하는 GeSbTe, InSbTe, InSe, InTe, AsTeGe, TeOx-GeSn, TeSeSn, SbSeBi, 또는 BiSeGe이 기록층(3)을 형성하기 위해 사용된다. 투명 유전체 물질이 간섭층(6)을 형성하는데 사용된다. 상부 투명 보호층(4)의 광학 상수와 다른 광학 상수를 갖는 물질이 양호하다. 예를 들어, SiO, Si, Ge, MgF2, Al2O3, In2O3, ZrO2등이 간섭층(6)을 형성하는데 사용될 수 있다.
Al, Au, Cu, Ag 또는 Ti과 같은 금속이 반사층(5)의 물질로서 사용된다. 이러한 구성에 있어서, 기록층(3)의 결정부에 의한 보다 큰 열 에너지의 흡수가 간섭층(6)과 반사층(5)에 의해 발생된 광 간섭을 이용함으로써 실현될 수 있다.
하부 보호층(2)는 생략될 수 있다.
[제1 실시예]
하부 보호층(2), 기록층(3), 상부 투명 보호층(4), 간섭층(6), 및 반사층(5)가 투명 기판(1)상에 순차적으로 형성되었다. (1.2mm의 두께 및 1.6㎛의 트랙 피치를 갖는)직경 130-nm의 폴리카보네이트 기판이 투명 기판(1)로서 사용되었다. ZnS-SiO2로 형성된 하부 투명층(2)(260-nm의 두께), Ge2Sb2Te5기록층(3)(15-nm의 두께), ZnS-SiO2상부 투명 상부 보호층(4)(20-nm의 두께), Si 간섭층(20-nm의 두께) 및 Al간섭층(5)(60-nm의 두께)이 스퍼터링에 의해 투명 기판(1)상에 순차적으로 형성되었다.
오버라이트 동작이 상기 구성을 갖는 디스크상에 수행되었고, 재생된 신호의 특성이 평가되었다. 측정을 위해, 830-nm의 파장의 반도체 레이저가 장착된 광 헤드가 사용되었다. 초기화 이후의 디스크가 3,600 r.p.m으로 회전되었고 8.4-MHz 신호(듀티: 50%)가 30mm의 직경내의 트랙상에 기록되었다. 그리고 나서, 2.2-MHz(듀티: 50%)가 동일한 트랙상에 오버라이트되었다. 재생된 신호의 제2고조파 왜곡이 최소화되도록, 기록 전력 및 소거 전력이 각각 12mW 및 6mW으로 설정되었다. 이 트랙은 재생되었고, 기록 엣지에서 얻어진 재생된 신호의 지터가 측정되었다.
오버라이트 동작 이후의 2.2-MHz 신호의 지터는 소정의 오버라이트 동작이 수행되지 않은 초기 기록 후에 얻어진 신호와 거의 동일하였다.
[제1 비교예]
비교를 위해, 본 발명이 적용되지 않는 간섭층을 갖고 있지 않는, 제4도의 구성과 동일한 구성을 갖는 종래의 디스크에 오버라이트 동작이 수행되었고, 지터가 측정되었다. 기록, 소거 및 재생은 830-nm의 파장의 반도체 레이저가 장착되어 있는 광 헤드를 사용하여 수행되었다. 8.4-MHz신호가 기록된 후 2.2-MHz 신호가 오버라이트된 경우에, 지터는 제1 기록 후에 얻어진 지터의 약 2배로 증가되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라, 오버라이트시의 기록 마크와 소거된 부분 사이의 온도 증가량이 제거될 수 있다. 따라서, 마크의 엣지에서 발생하는 왜곡이 억제될 수 있어서, 고정밀 엣지 검출이 가능하여 고밀도 기록이 가능하다.

Claims (6)

  1. 투명 기판(1); 결정 상태와 비정질 상태 간의 가역적 위상 변화를 일으키기 위해 상기 투명 기판 위에 형성되고, 레이저 빔으로 조사시 위상 변화를 일으켜 정보를 기록, 재생 및 소거하는 기록층(3): 상기 기록층을 보호하기 위해 상기 기록층상에 형성된 제1투명 보호층(4); 상기 기록층을 통해 투과된 광을 반사하고, 상기 반사 광이 상기 기록층상으로 입사되게 하기 위해 상기 기록층 위에 형성된 반사층(5); 및 상기 반사층에 의해 반사된 광 빔들이 서로 광학적으로 간섭하도록 하기 위해 상기 제1 보호층과 상기 반사층 사이에 형성된 투명 간섭층(6)을 포함하고, 상기 기록층을 통해 투과된 광이 상기 반사층과, 상기 간섭층과 상기 제1보호층 사이의 경계에서 다중 반사되는 것을 특징으로 하는 위상 변화형 광 디스크.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기록층을 보호하기 위해 상기 투명 기판과 상기 기록층 사이에 형성된 제2 투명 보호층(2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 변화형 광 디스크.
  3. 제1항에 있어서, 상기 간섭층은 상기 제1보호층의 광학 상수와 다른 광학 상수를 갖는 것을 특징으로 하는 위상 변화형 광 디스크.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 보호층은 SiO2, Si3N4, AlN, TiO2, ZnS, ZnS-SiO2및 Ta2O5로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 물질로 이루어지고, 상기 간섭층은 SiO, Si, MgF2, Al2O3, InO3및 ZrO2로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상 변화형 광 디스크.
  5. 제1항에 있어서, 상기 간섭층은 다중 반사된 광 빔들의 위상을 조정하기 위해 소정의 두께를 갖도록 설정되어, 상기 기록층에 의해 흡수된 열 에너지의 흡수율을 제어하는 것을 특징으로 하는 위상 변화형 광 디스크.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 보호층은 다중 반사된 광 비임의 위상을 조정하기 위해 소정의 두께를 갖도록 설정되어, 상기 기록층에 의해 흡수된 열 에너지의 흡수율을 제어하는 것을 특징으로 하는 위상 변화형 광 디스크.
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