KR100331444B1 - 강유전체 박막을 이용한 초고밀도 정보 저장 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강유전체 박막 위에 최소 나노미터 크기의 유전 분극을 형성/소멸/재형성하여 정보를 기록하거나 독취할 수 있는 강유전체 박막을 이용한 초소형 정보 저장 장치를 기재한다. 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치는, 강유전체 박막을 기록매체로 이용하고, 동시에 이 기록매체에 정보를 기록하거나 읽기 위한 헤드로서 강유전체 박막과 접촉되어 원자간의 척력(반발력)을 이용하는 접촉 AFM방식으로 구동되는 캔틸레버 탐침을 구비하여 100 Gbit/in2이상의 고밀도 정보저장이 가능할 뿐 만 아니라 강유전체 박막의 특성에 따라 정보의 장기간 보존이 가능하다.
Description
본 발명은 스캐닝 포스 마이크로스코프(scanning force microscope; SPM)를 이용하여 강유전체 박막 위에 최소 나노미터 크기의 유전 분극을 형성/소멸/재형성하여 정보를 기록하거나 독취할 수 있는 강유전체 박막을 이용한 초소형 정보 저장 장치에 관한 것이다.
유전 분극의 극성 방향에 따라 0 혹은 1(혹은 ON/OFF)값을 부여하면 작은 분극 크기로 인해 고밀도의 정보저장매체가 가능하며 SPM은 정전기력만 감지하므로 광학부가 필요없게 되고 마이크로머시닝 기술을 이용하여 작은 크기의 대용량 정보저장장치가 제작 가능하다.
도 1은 기존의 강유전체 박막을 이용한 디스크 장치의 개략적 블럭도이다. 디스크 장치는 크게 원형의 기판과 이 기판 상에 적층된 전극층 및 이 전극층 상에 적층된 강유전체층을 구비한 디스크(8); 상기 강유전체층에 유전 분극을 형성하여정보를 기록하고 이 유전 분극의 극성에 따라 상기 디스크면의 수직 방향으로 광파장의 1/4 길이의 구간을 왕복하면서 정보를 읽는 마이크로팁 및 광을 반사 시키는 반사 수단을 구비하는 헤드(9); 및 상기 헤드의 수직 왕복 이동에 따른 광경로차를 인식하여 상기 기록 정보를 검출하는 광학계(100);를 구비하고 있다.
여기서 디스크(8)에는 도 2에 도시된 바와 같이 원형의 기판(8a)상에 전극층(8b) 및 유전 분극에 의해 정보가 기록되는 강유전체층(8c)이 순차로 적층되어 있다. 헤드(9)에는 도 3에 도시된 바와 같이 강유전체층(8c)에 직접 유전 분극을 형성하여 정보를 기록하고 이 유전 분극의 극성에 따라 디스크 면에 수직 방향으로 광파장의 1/4 길이의 구간을 왕복하면서 정보를 읽는 마이크로팁(9a), 광을 반사시키는 반사체(9b) 및 상기 마이크로팁(9a)과 반사체(9b)를 지지하는 아암(9c)이 구비되어 있다. 그리고 광학계(100)에는 광원인 레이저 다이오드(1), 이 광원(1)에서 방출된 광을 평행광으로 바꿔주는 콜리메이팅 렌즈(2), 평행광은 그대로 통과시키고 디스크면에서 반사된 반사광은 분리하여 주는 빔스플리트(3), 평행광을 디스크면의 트랙에 회절 한계까지 접속시키는 대물렌즈(4), 반사광을 집속시키는 집속렌즈(6) 및 집속된 반사광을 전기적 신호로 변환하여 주는 광검출기(7)가 구비되어 있다.
이와 같은 구성의 디스크 장치는 작동원리는 다음과 같다.
강유전체 박막을 전극판에 증착하여 마이크로팁 전극으로 미세한 부분을 분극시키면 분극된 부분 및 분극이 안되거나 역으로 분극된 부분은 일정한 전압이 인가된 마이크로팁을 이동시켜서 상호간의 정전기력의 차이를 파악함으로써 서로 구별할 수 있다. 따라서 디스크면의 분극량에 따라 일정한 전압이 인가된 헤드의 마이크로팁에 각각 다른 정전력이 부여되고 이 정전력이 마이크로팁을 λ/4만큼 상승 혹은 하강시키면, λ/2만큼의 광경로차를 가진 광만이 빔스플리트(13)에서 분리되어 광검출기(17)로 입사된 후 광검출기(17)에 검출된다.
종래의 이러한 디스크 장치는 광학계를 사용하기 때문에 각종 렌즈와 이들의 정확한 정렬을 위한 도구 등으로 시스템이 복잡하고 부피가 커 작은 크기의 정보저장장치에 적합하지 않고 가격이 비싸진다. 고밀도의 정보저장장치를 위해서는 작은 크기의 분극이 필수적인데 분극 크기가 작을수록 정전기력도 작아지므로 헤드의 미세한 동작범위는 필수적이다. 그러나 종래의 디스크 장치는 빛의 파장에 따라 헤드의 수직 이동 구간의 크기(λ/4)가 제한되므로 미세한 크기의 정전기력을 측정할 수 없다. 또한 정전기력을 이용하여 헤드가 정확히 λ/4 크기만큼 상승 혹은 하강하게 하는 기술도 구현하기 무척 힘들다. 원형에 한정된 기판은 헤드를 여러 개 이용할 수 없으므로 정보전송률(data transfer rate)에 한계를 갖게 되며 디스크의 회전운동을 구동하기 위한 모터와 같은 기계장치의 사용은 여러 가지 기계적 요소와 이들의 정밀한 조립이 걸림돌이 되고 초소형화에도 문제가 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 강유전체 기록막과 콘택(contact) AFM 기술을 이용하여 가볍고 부피가 작으면서도 고밀도의 정보를 저장할 수 있는 강유전체 박막을 이용한 초소형 정보 저장 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 강유전체 박막을 이용한 정보저장장치의 개략적 구성을 보여주는 블럭도,
도 2는 도 1의 기록매체의 단면 구조를 확대하여 보여주는 단면도,
도 3은 도 1의 정보저장장치의 탐침의 개략적 구조를 보여주는 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 정보저장장치의 개략적 구성을 보여주는 블럭도,
도 5는 도 4의 기록매체의 단면 구조를 확대하여 보여주는 단면도,
도 6은 도 4의 정보저장장치의 캔틸레버 탐침의 개략적 구조를 보여주는 단면도,
도 7은 내부 원자간의 거리에 대한 내부원자간에 작용하는 힘을 보여주는 그래프,
도 8은 도 4의 기록매체 상에 물방울이 있는 경우에 접촉 AFM(contact AFM)방식에서의 기록매체 표면 영상이 구현된 상태를 보여주는 도면,
도 9는 도 4의 기록매체 상에 물방울이 있는 경우에 비접촉 AFM(noncontact AFM) 방식에서의 기록매체 표면 영상이 구현된 상태를 보여주는 도면,
도 10은 도 4의 캔틸레버 탐침의 개략적 구조를 보여주는 사시도,
도 11a 및 도 11b는 각각 도 10의 캔틸레버 탐침의 규격을 예시한 평면도 및 단면도,
도 12는 도 4의 정보저장장치에서 캔틸레버 탐침이 정보가 기록된 기록매체를 스캔할 때 팁이 기록매체 상의 분극을 지날때의 경로를 보여주는 도면,
도 13은 도 4의 정보저장장치에서 헤드부의 실시예를 나타내는 사시도,
도 14는 도 4의 정보저장장치에서 정보를 기록하는 방법을 설명하는 설명도,
그리고 도 15는 도 4의 정보저장장치에서 정보를 읽는 방법을 설명하는 설명도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 레이저 다이오드 2. 콜리메이팅 렌즈
3. 빔스플리트 4. 대물렌즈
5. 대물렌즈 6. 집속렌즈
7. 광검출기 8. 디스크
8a. 기판 8b. 전극층
8c. 강유전체층 9. 헤드
9a. 마이크로팁 9b. 반사체
9c. 아암
11. 기판 12. 전극층
13. 강유전체 박막 21. 캔틸레버 탐침
21a. 팁 21b. 캔틸레버 지지대
22. 스캐너 23. 피에조저항 센서
31. 록-인 증폭기 32. 컨트롤러
33. 컴퓨터 100. 광학계
110. 강유전체 기록매체 120. 헤드부
130. 제어부
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 초소형 정보 저장 장치는, 기판, 상기 기판 상에 적층된 전극층 및 상기 전극층 위에 적층된 강유전체 박막을 구비한 기록 매체; 상기 강유전체 박막에 유전 분극을 형성하여 정보를 기록하고 이 유전 분극의 극성에 따라 정보를 읽는 헤드부; 및 상기 헤드부의 구동에 필요한 전기적 신호를 인가하고 상기 헤드부에서 나온 유전 분극에 대한 정보를 수집하여 처리하는 제어부;를 구비한 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치에 있어서,상기 헤드부는:상기 강유전체 박막의 원자들이 갖는 유효 스프링 상수 보다 작은 스프링 상수를 갖는 캔틸레버 지지대; 상기 캔틸레버 지지대의 적어도 일측면에 형성된 피에조저항 물질 센서; 상기 피에조저항 물질 센서의 선단부에 부착되는 것으로 상기 강유전체 박막에 접촉된 상태를 유지하는 팁;을 구비한 캔틸레버 탐침; 및상기 캔틸레버 탐침이 상기 강유전체 박막의 표면을 스캔할 수 있도록 구동하는 스캐너;를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전극층은 Pt로 형성되며, 상기 캔틸레버 탐침의 팁은 상기 강유전체 박막에 닿아서 정보를 쓰고 읽으며, 상기 캔틸레버 탐침에서 상기 캔틸레버 지지대와 팁은 실리콘 혹은 실리콘 화합물로 형성되며,상기 제어부는, 상기 캔틸레버 탐침에 정보를 읽고 쓰기 위해 전기적 신호를 가해 주고 얻어내는 록-인 증폭기; 상기 스캐너 및 상기 록-인 증폭기를 제어하는 컨트롤러; 및 상기 컨트롤러 및 상기 록-인 증폭기를 통하여 정보의 기록 판독 동작을 종합적으로 운영하는 컴퓨터;를 구비한 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 초소형 정보 저장 장치를 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 초소형 정보 정보 저장 장치의 개략적 구성도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 초소형 정보 저장 장치는 크게 정보저장을 위한 기록매체(110)와 이 기록매체(110)에 기록된 정보를 읽기 위한 헤드부(120) 및 유전분극의 극성을 전기적 신호로 분석하며 이와 관련된 헤드부(120)를 제어하는 제어부(130)로 구성된다.
여기서, 기록매체(110)는 도 5에 도시된 바와 같이, 일정한 모양의 기판(11)위에 전극층(12) 및 유전 분극에 의해 정보가 기록되는 강유전체층(13)이 순차적으로 적층되어 있다.
헤드부(120)는 정보를 기록하고 읽는 탐침(21)과 이를 구동시키는 스캐너(22)로 이루어져 있으며, 탐침(21)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 강유전체층(13)에 직접 유전 분극을 형성하여 정보를 기록하고 이 유전 분극의 극성에 따라 정보를 읽는 팁(21a)과 이를 지지하는 지지대(21b) 및 센서(23)로 구성되어 있다. 여기서, 탐침(21)의 팁(21a)은 기록매체(110)와 반발 모드(repulsive mode)로 알려진 접촉식 AFM 모드(contact AFM mode)로 동작하는 것이 특징이다. 도 1에 도시된 바와 같은 기존의 기록저장장치는 기록매체(18)와 탐침(19) 간에 인력(attractive force)이 작용하는 인장 모드(attractive mode) 모드로 작동되었다. 접촉식 AFM 모드(contact AFM mode) 동작에 대해서는 나중에 본 발명의 기록저장 장치의 동작원리를 설명하면서 함께 설명하기로 한다. 그리고, 탐침(21)의 센서(21c)는 피에조저항 물질(piezoresistive material)로 형성된다. 이러한 피에조저항 물질(piezoresistive material)의 기능에 대해서도 탐침(21)의 세부 구조와 함께 뒤에서 설명하기로 한다. 또한, 스캐너(22)는 탐침(21)의 팁(21a)이 기록매체(110) 위를 일정한 간격으로 스캔할 수 있도록 탐침(21)을 구동하는 역할을 한다.
그리고 제어부(130)는 전도성이 있는 팁(21a; 도 6참조)과 강유전체 박막(11) 하부의 전극(12; 도 5참조)을 통하여 그 사이의 강유전체 박막(13)에 일정한 전압을 인가해 유전 분극을 형성하는 방법으로 정보를 기록매체(110)의 강유전체 박막(13; 도 5참조)에 기록하고, 기록된 유전 분극의 극성에 대한 정보를 전기적으로 얻어 이를 종합 분석하여 정보를 얻는 제어 기능을 하는 것으로, 탐침(21)의 팁(21a)에 전압을 걸어주고 센서(23; 도 6 참조)로부터 나오는 신호에서 유전 분극의 극성에 대한 정보를 얻어내는 록-인 증폭기(lock-in amplifier)(31)와 강유전체 박막(13)의 표면에 대한 정보를 얻기 위한 컨트롤러(32), 전기적으로 얻어지는 강유전체 박막의 여러 가지 특성을 종합하고 장치 전반을 구동하는 컴퓨터(33)로 이루어진다.
이와 같이 구성된 정보 저장 장치의 동작원리는 다음과 같다.
서두에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치는 스캐닝 포스 마이크로스코프(scanning force microscope; SPM)를 이용하여 강유전체 박막 위에 최소 나노미터 크기의 유전 분극을 형성/소멸/재형성하여정보를 기록하거나 독취할 수 있도록 제작된다. 이를 위하여 탐침의 팁과 강유전체 박막 간의 접촉 거리를 원자들 간의 힘이, 도 7에 도시된 바와 같이, 반발력으로 작용하는 범위 내에서 동작하도록 하는 접촉식 AFM 모드(contact AFM mode)로 동작하도록 제작된다. 이러한 접촉식 AFM 모드(contact AFM mode)를 반발 모드(repulsive mode)라고도 한다. 이 모드에서는 AFM(atomic force microscopy) 팁이 기록매체인 강유전체 박막과 부드러운 물리적 접촉(soft physical contact)을 이룬다. 팁은 강유전체 박막의 원자들이 갖는 유효 스프링 상수(effective spring constant) 보다 작은 스프링 상수를 갖는 캔틸레버의 끝에 부착된다. 스캐너에 의해 팁이 강유전체 박막을 가로질러 추종(trace)함에 따라서, 접촉력(contact force)은 캔틸레버가 강유전체 박막 표면의 윤곽(굴곡)의 변화에 적응하여 굽혀지도록 한다. 이러한 과정을 좀더 상세하게 고찰하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같은 반데르 발스 곡선(van der Walls curve)을 참조하여 설명한다.
곡선의 오른쪽 굵은 곡선은 원자들은 상대적으로 먼 거리로 이격되어 있음을 나타낸다. 원자들이 점차적으로 가까워짐에 따라 이들은 처음에 약하게 서로 끌어 당긴다. 이러한 끌어당김은 원자들이 서로 너무 가까워져 그들의 전자운들이 서로 상대방에게 정전기적으로 반발할 때 까지 증가한다. 이러한 정전기적 반발은 내부원자 분리가 계속적으로 감소함에 따라 점차적으로 인력을 약화시킨다. 원자들 사이의 거리가 거의 화학적 결합의 길이인 수 옹스트롬에 이를 때 힘은 0이 된다. 총 반데르 발스의 힘이 양(반발)이 될 때 원자들은 접촉하게 된다.
반데를 발스 곡선의 경사는 반발 혹은 접촉 영역에서 매우 가파르다. 따라서, 반발하는 반데르 발스의 힘은 보다 가까운 원자들을 서로 밀치려하는 어떤 힘과 거의 균형을 이룬다. AFM에서 이 것은 캔틸레버가 팁을 강유전체 박막에 대하여 밀때 캔틸레버는 팁 원자들을 강유전체 원자들에 보다 가까와지게 하는 것 보다 더 굽혀진다는 것을 의미한다. 비록 강유전체 박막에 큰 힘을 부여하는 뻣뻣한 캔틸레버를 제작한다 할지라도 팁과 강유전체 원자들 사이의 내부원자적 분리가 많이 감소할 것 같지는 않다. 대신에, 강유전체 박막 표면이 변형될 것 같다.
상기 언급한 반데르 발스의 반발력에 부가하여, contact AFM 동작 동안 두 개의 다른 힘들이 일반적으로 나타난다: 주변 환경에서 종종 나타나는 얇은 수막에 의해 발휘되는 모세관 힘 및 캔틸레버 그 자체에 의해 발휘되는 힘이 있다. 모세관 힘은 수분이 팁 주변으로 흘러들 때 발생하여, 팁을 강유전체 박막 표면에 접촉하게 하는 강한 인력(약 10-8N)을 인가한다. 모세관 힘의 크기는 강유전체와 팁 간의 분리에 종속한다. 캔틸레버에 의해 발휘되는 힘은 압축 스프링의 힘과 같다. 캔틸레버 힘의 크기 및 방향(반발력 혹은 인력)은 캔틸레버의 편향 및 스프링 상수에 의존하며, 상세하게는 도 7의 분리 거리에 대한 힘의 곡선에 잘 나타나 있다. 또한, 도 8 및 도 9는 각각 접촉 AFM(contact AFM)과 비접촉 AFM(non-contact AFM) 방식에서 강유전체 박막에 물방울이 존재할 때 검출되는 강유전체 박막의 표면(mophology) 영상을 보여준다. 도시된 바와 같이, 접촉 AFM(contact AFM)의 경우에 물방울의 영향 없이 강유전체 박막의 표면 영상(윤곽)을 그대로 재현한다.
팁이 강유전체 박막에 접촉하는 한, 팁과 강유전체 박막 사이의 거리는 실질적으로 압축불가능하기 때문에 모세관 힘은 일정해야 한다. 수막이 논리적으로 균질하다는 것 역시 추정될 수 있다. 접촉 AFM(contact AFM)에서 가변하는 힘은 캔틸레버에 의해 발휘되는 힘이다. 팁이 강유전체 상에서 발휘하는 총힘은 모세관과 캔틸레버 힘의 합이고, 접촉 AFM 동안 반발 반데르발스 힘에 의해 균형이 이루어져야 한다. 강유전체 박막 상에 발휘되는 총 힘의 크기는 10-8에서 전형적인 동작 범위인 10-7내지 10-6N 이상이다.
현재 시중에 나와 있는 대부분의 AFM은 이러한 캔틸레버의 위치를 광학적 기술로 감지한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같은 광픽업 장치나 레이저를 캔틸레버에 쏘고 그 반사광을 포토디텍터로 감지하는 등의 방법을 사용하여 캔틸레버의 움직임 위치를 검출한다. 그러나 본 발명에서는 피에조저항 물질(piezoresistive material)을 사용하여 캔틸레버 제작함으로써 캔틸레버의 편향을 전기적으로 검출한다.
도 10은 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치에 사용되는 캔틸레버 탐침의 개략적 구조를 보여주는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 캔틸레버 탐침은 팁이 부착된 밑부분에 캔틸레버가 휘어짐에 따라 전기 저항값이 변하는 피에조저항 물질이 도포되어 이 피에조저항 물질로 형성된 센서 양단에 일정 전압을 인가하는 경우 이 피에조저항 센서를 흐르는 전류의 변화를 감지하거나 혹은 일정 전류를 흘려 피에조저항 센서 양단에 나타난는 전압 변화를 감지하여 캔틸레버 팁의 위치를 감지한다. 도 11a 및 도 11b는 캔틸레버 탐침에 도포된 피에조저항 물질 센서의 규격을 나타내는 도면들로서, 도 11a는 평면적 규격을 나타내고 도 11b는단면적 규격을 나타낸다.
피에조저항(piezoresistive) 효과란 변위에 따라 저항값이 변하는 효과를 말한다. 비저항을 ρ, 저항체의 길이를 L, 저항체의 면적을 A라 할때, 저항값은 아래 수학식 1로 표시된다.
수학식 1에서 L/A는 기하학적 인수(geometrical factor)에 해당된다. 보통 물질은 외력에 의해 내부 스트레스를 받으면 기하학적 인수가 변화한다. 그러나 피에조 저항 물질의 겨우에는 내부 스트레스에 의해 비저항값도 변화하므로 결과적으로 외력에 의한 저항값의 변화가 다른 물질에 비해 뚜렷하게 나타난다. 따라서 외력에 의한 저항값의 변화율은 비저항값의 변화로 나타나게 되며 아래의 수학식 2와 같이 표시된다.
이 수학식 2에서 Δρ/ρ는 비저항의 변화율이고, πL은 길이방향 피에조저항 계수이며, σL은 인가된 길이방향 스트레스를 나타낸다. 스트레스는 외력의 함수이므로 캔틸레버의 스프링 상수를 계산하면 외력 즉 스트레스는 스프링 상수와 캔틸레버의 변위에 의한 함수로 치환된다. 따라서 저항 변화율은 변위의 함수가 되고 결과적으로 단위 변위당 저항 변화율을 구할 수 있다.
이와 같이 피에조저항 물질을 이용한 캔틸레버 탐침은 도 10에 도시된 바와 같은 구조를 가지고 AFM의 능동형 센서로 사용된다. 본래 실리콘은 피에조저항 성질이 뚜렷하므로 실리콘 기판 위에 적절한 저항성 물질을 일정한 결정축 방향으로 올리면 캔틸레버의 변위에 따른 실리콘의 피에조저항 효과가 선형적으로 나타나게 된다.
피에조저항의 작동원리를 간단하다. 캔틸레버에 일정한 전류를 흐르게 한뒤에 강유전체 박막 위를 스캐닝하면 여러 가지 물리적인 힘에 의해 캔틸레버가 휜다. 그러면 캔틸레버의 단위 변위에 따른 저항 변화율에 의해 저항값이 변하게 되며, 이는 캔틸레버에 걸리는 전압의 변화로 감지된다. 이 전압 변화량이 표면의 정보를 의미하게 된다. 고밀도의 정보는 필연적으로 매우작은 비트 크기를 갖게 되므로 이를 감지하려면 작은 변위에도 저항 변화가 큰 캔틸레버를 설계하는 것이 필수적이다 이를 위해 스프링 상수는 작아야하고 공진 주파수는 커야하며 캔틸레버의 질량은 작아야 한다는 등의 요건이 만족되어야 한다. 이러한 요건을 만족하도록 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같은 사양을 갖도록 제작한다. 이 실시예는 일예로서 상기 요건에 따른 여러가지 변형예가 있을 수 있다.
이상과 같은 구조와 원리을 이용하여 박막의 표면 영상을 판독할 수 있는 접촉식 AFM을 이용하여 정보를 기록하여 저장하는 장치로 이용하기 위해서 박막을 강유전체로 형성하고, 캔틸레버가 강유전체 박막을 건드리지 않고 그 표면 위를 움직이는 동안 팁과 강유전체 박막 하부의 전극 사이에 전압을 인가하여 강유전체를 분극시킴으로써 정보를 기록한다. 이러한 정보저장장치는, 도 12에 도시된 바와 같이, 캔틸레버가 강유전체의 분극에 의한 정전하 위를 스캔할 때 편향하는 점을 이용하여 캔틸레버의 편향의 정도를 감지함으로써 정보를 판독할 수 있다. 이러한 정전기력 마이크로스코피(Electrostatic Force Microscopy)에 의한 캔틸레버 탐침의 움직임 경로가 도 12에서 화살표로 표시되어 있다. 이러한 EFM은 강유전체 박막 표면의 국소적으로 충전된 도메인들을 MFM이 샘플 표면의 자기 도메인들의 위치를 정하는 방법과 유사하게 실지 조사한다. 이러한 EFM 원리를 적용하여 정보를 기록하고 판독하는 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치의 실시예가 도 13에 도시되어 있다. 이 실시예에서 알 수 있듯이 실제로 캔틸레버 탐침(21)은 복수개가 구비되어 정보를 기록하거나 판독하는데 사용된다. 이와 같이 캔틸레버 탐침이 여러개로 이루어짐으로써 여러 개의 정보를 한꺼번에 읽고 쓸 수 있으며, 따라서 정보전송률을 획기적으로 높일 수 있다. 이 도면에서 각 캔틸레버 탐침(21)의 구조는 도 10 및 도 11a와 도 11b에 도시된 바와 같으며, 기록매체의 단면 구조는 도 5에 도시된 바와 같다. 따라서, 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타낸다.
이와 같은 구성의 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치에서 정보를 기록하고 기록된 정보를 판독하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 정보를 기록하는 방법으로는, 도 14에 도시된 바와 같이, 강유전체 박막(13)과 팁(21b)이 접촉된 상태에서 팁(21b)과 기록매체의 전극(12) 사이에 일정한 전압(Vw 혹은 -Vw)을 인가하면 강유전체 박막(13)이 분극되어 일정한 크기의 유전 분극(14 혹은 15)이 형성된다. 유전 분극은 박막의 수직방향으로 분극되며 인가한 전압의 극성(Vw 혹은 -Vw)에 따라 유전 분극의 분극 방향은 두 가지로 나누어진다. 팁(21b)을 이용하여 강유전체 박막(13) 위에 서로 다른 분극 방향을 가진 유전 분극(14 혹은 15)을 형성하면 이는 0/1(혹은 ON/OFF)의 정보단위로 이해될 수 있다.
다음에, 이와 같이 기록된 정보를 독취하기 위해서는 유전 분극의 분극방향을 식별하여야 하는데 이를 위해서는 교류 전압이 이용된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 강유전체 박막(13)과 팁(21b)이 접촉된 상태에서 일정한 주파수의 교류 전압(26)을 팁에 인가해주면 팁과 유전 분극간의 전기적 힘에 따라 교류 전압의 진폭이 변하게 되고(27) 록-인 증폭기(lock-in amplifier)(31; 도 4참조)를 이용하여 작은 진폭의 변화를 추출, 증폭하여 분석하면 유전 분극의 전기장을 알게 되고 결국 유전 분극의 분극방향에 대한 정보를 알 수 있다. 이 때 교류 전압에 의한 팁의 진동은 별도의 광학계를 이용하지 않고 헤드에 포함된 피에조저항 센서(23)를 이용하여 앞서 설명한 바와 같은 방식으로 식별한다. 이러한 정보 독취법 외에도 팁과 강유전체 박막의 하부 전극 및 이들 사이의 강유전체 박막에 형성되는 정전 용량(capasitance)을 감지하여 정보를 판독할 수도 있다. 한편 교류전압의 진폭을 일정하게 유지하기 위해 팁이 힘을 받을 때마다 컨트롤러(32)에서 적당한 직류전압을 이용하여 진폭을 일정하게 유지한다.
유전 분극의 극성을 상쇄시키는, 즉 정보를 지우는 원리는 유전 분극을 형성하는 원리와 동일하다. 도 14에 도시된 바와 같이, 강유전체 박막(13)과 팁(21b)이 접촉된 상태에서 유전 분극의 극성과 반대방향으로 전압을 가해주면 유전 분극의 극성이 반대방향으로 변하면서 기존의 극성을 잃게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치는, 강유전체 박막을 기록매체로 이용하고, 동시에 이 기록매체에 접촉하여 정보를 기록하거나 읽는 캔틸레버 탐침을 구비하여 고밀도의 정보를 읽고 쓰는 것이 자유로울 뿐 만 아니라 강유전체 박막의 특성에 따라 정보의 장기간 보존이 가능하다. 특히, 캔틸레버 탐침의 팁은 강유전체 박막과 접촉하여 원자간의 척력(반발력)이 작용되는 상태에서 구동되는 접촉 AFM방식으로 구동되며, 따라서 기존의 비접촉 AFM방식으로 구동되는 경우 보다 기록 밀도가 훨씬 높다. 이와 같은 접촉 AFM방식은 기록의 정밀도가 높을 뿐 만 아니라 강유전체 박막의 단위 유전 분극의 크기에 의해 100 Gbit/in2이상의 높은 저장밀도가 가능하다. 이는 현재의 HDD의 기록 밀도가 수십 Gbit/in2정도임에 비추어 획기적이라 할 수 있다. 헤드부의 탐침과 구동기는 값싸고 대량생산에 유리한 마이크로머시닝 기술로 초소형화 할 수 있다. 그리고 제어부를 현재 널리 쓰이는 집적회로 형태로 구현하여 헤드부와 결합시키면 현재 컴퓨터에 탑재할 만한 크기의 정보저장장치는 물론 이보다 훨씬 작은 장치에도 장착할 수 있는 초소형 고밀도 정보저장장치가 제작된다. 2차원 평면 위를 자유자재로 구동하는 본 발명에 따른 정보저장장치의 구동부는 디스크 형태로 국한된 기존의 정보저장장치에서 회전속도가 증가함에 따라 장치 전체의 기계적인 안정성이 떨어지고 회전을 위한 정밀기계 요소들이 물리적 한계를 갖고 이들의 조립이 어려운 단점을 제거하였고 회전 장치와는 달리 여러 개의 탐침을 장착할 수 있어 높은 정보전송률(data tranfer rate)을 구현할 수 있다. 이는 장차 미래사회에 필요한 큰 정보용량을 작은 크기의 저장장치안에 구현할 수 있으므로 용량이나 크기 모두 큰 서버일 뿐 만 아니라 휴대용 정보 저장 장치에도 이용할 수 있는 획기적인 정보 저장 기술이라 할 수 있다.
Claims (8)
- 기판, 상기 기판 상에 적층된 전극층 및 상기 전극층 위에 적층된 강유전체 박막을 구비한 기록 매체; 상기 강유전체 박막에 유전 분극을 형성하여 정보를 기록하고 이 유전 분극의 극성에 따라 정보를 읽는 헤드부; 및 상기 헤드부의 구동에 필요한 전기적 신호를 인가하고 상기 헤드부에서 나온 유전 분극에 대한 정보를 수집하여 처리하는 제어부;를 구비한 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치에 있어서,상기 헤드부는:상기 강유전체 박막의 원자들이 갖는 유효 스프링 상수 보다 작은 스프링 상수를 갖는 캔틸레버 지지대; 상기 캔틸레버 지지대의 적어도 일측면에 형성된 피에조저항 물질 센서; 상기 피에조저항 물질 센서의 선단부에 부착되는 것으로 상기 강유전체 박막에 접촉된 상태를 유지하는 팁;을 구비한 캔틸레버 탐침; 및상기 캔틸레버 탐침이 상기 강유전체 박막의 표면을 스캔할 수 있도록 구동하는 스캐너;를구비하는 것을 특징으로 하는 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치.
- 삭제
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- 제1항에 있어서,상기 전극층은 Pt로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 캔틸레버 탐침은 마이크로머시닝법으로 복수개가 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치.
- 제1항에 있어서,상기 캔틸레버 탐침에서 상기 캔틸레버 지지대와 팁은 실리콘 혹은 실리콘 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제어부는,상기 캔틸레버 탐침에 정보를 읽고 쓰기 위해 전기적 신호를 가해 주고 얻어내는 록-인 증폭기;상기 스캐너 및 상기 록-인 증폭기를 제어하는 컨트롤러; 및상기 컨트롤러 및 상기 록-인 증폭기를 통하여 정보의 기록 판독 동작을 종합적으로 운영하는 컴퓨터;를 구비한 것을 특징으로 하는 강유전체 박막을 이용한 정보 저장 장치.
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