KR100363255B1 - 광기록 매체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광기록 매체에 관한 것으로서, 안내골이 형성되어 있는 기판과 상기 기판에 인접한 순으로 반사막, 유기색소층, 금속박막 및 보호층이 순차적으로 형성되어 있고, 기록광 및 재생광이 상기 보호층을 통해 입사하여 신호의 기록 및 재생이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기록매체를 제공한다. 본 발명에 따른 광기록 매체는 기록 및 재생 레이저 광을 상대적으로 두께가 얇은 보호층을 통해 입사시킴으로써 높은 개구수에 의한 광학수차 문제를 해결할 수 있게 되어, 고밀도의 광기록 매체의 실현이 가능하다.

Description

광기록 매체{Optical recording medium}
본 발명은 광기록 매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디스크의 고밀도화를 위해 픽업(pick-up)렌즈의 개구수를 크게하고, 이를 위해 기록 및 재생광이 보호막을 통해 입사하는 광기록 매체에 관한 것이다.
광기록 매체는 기존의 자기기록 매체에 비해 기록 단위당 기록 면적이 작기 때문에 고밀도용 기록 매체로 많이 사용되고 있다. 이러한 광기록 매체는 그 기능에 따라, 기록되어진 정보를 재생만 하는 재생전용형(Read Only Memory)과 1회에 한하여 기록이 가능한 추기형(Write Once Read Many) 및 기록 후 소거 및 재기록이 가능한 소거 가능형(Erasable)으로 구분된다. 기록 가능한 광기록 매체는 기록 전후 기록층의 물리적인 변형, 상변화, 자기적 성질의 변화 등에 기인한 반사율 변화로 기록을 재생하게 된다.
기록 가능한 광디스크인 CD-R(Compact Disk Recordable)은 지름 12cm, 기판두께 1.2mm, 트랙 피치 1.6㎛, 그리고 650MB의 용량의 정보를 기록할 수 있는 매체로 2시간의 음악기록이 가능하다. 그리고 DVD-R(Digital Versatile Disk - Recordable)의 경우에는 사용하는 레이저의 파장을 줄이고, 기판의 두께도 0.6mm으로 얇게 만들어 4.7GB 용량의 정보를 기록할 수 있어, 2시간의 압축된 동화상기록이 가능하다. 그러나, 앞으로 HD-TV(High Definition TV)의 방영을 위해 디지털 2시간의 동영상을 기록하기 위해서는 15 - 20GB 용량의 기록매체가 필요하다. 동일한 크기의 기록매체에 대한 기록밀도를 증대시켜, 기록용량을 향상시키기 위해 다음과 같은 방법이 제시되었다.
첫째, 피트 기록면을 다층으로 제조하고 두 광원을 사용하여 광원의 간섭을 통해 기록 및 재생하는 방법이다. 그러나 이는 두 광원을 사용해야 한다는 단점이 있다.
둘째, 기록 단위인 피트의 면적을 최소화하여 기록밀도를 향상시키는 방법이다. 즉, 기록 밀도를 높이기 위해서는 피트의 폭을 짧게 하여 트랙 피치를 단축하는 것이 필요하다.
최소기록 피트는 레이저를 집광하는 경우의 빔 직경(beam diameter)과 비례하게 된다. 집광된 빔의 직경은 하기 수학식 1로 계산된다.
빔 직경 = 0.82 × λ/ NA
상기 식에서, λ는 사용된 레이저의 파장이며, NA는 픽업 렌즈의 개구수 (numerical aperture)를 의미한다.
즉, 상기 식에서 피트의 길이를 짧게 하려면 사용하는 레이저의 파장을 줄이거나 픽업렌즈의 개구수를 높여야 한다.
파장을 줄여 기록밀도를 향상시키려는 노력으로, 고출력 레이저 다이오드(LD)의 파장을 830nm, 780nm, 635 - 660nm, 400 - 430nm로 계속 단파장화 하고 있으며, 이는 LD기술의 발전에 의존하고 있다.
또한, 사용하는 픽업렌즈의 개구수를 0.45, 0.50, 0.60 등으로 계속 증가시키고 있다. 개구수가 증가할 수록 렌즈의 제조가 어렵고, 기판과 렌즈간의 작동거리(working distance)가 짧아지므로 기판의 두께가 1.2mm, 0.6mm 등으로 계속 얇아지고 있다.
일본 특허공개 평10-27,383호에서는 도 1에서와 같이, 두께 0.6mm의 기판(10)과 개구수 0.6인 렌즈(L1)를 사용하여, 최소 피트의 크기를 약 0.25㎛로 만들어 광기록 매체의 기록밀도를 향상시키고자 하였다. 그러나, 상기 기록매체를 사용하는 경우 기록용량을 15GB까지 향상시키지 못하는 단점이 있다.
미국 특허 제 5,838,646호에서는 도 2에서와 같이, 기록광을 기판(20)이 아닌 보호층(23)으로 입사시키며, 기판(20)의 두께를 0.05 - 0.6mm, 대물렌즈(L2)의 개구수를 0.55 - 1.10으로 향상시키는 방법으로 최소 피트의 크기를 약 0.15㎛로 감소시켜 기록용량을 20GB이상으로 향상시켰다.
미국 특허 제 4,990,388호에서는 도 3에서와 같이, 개구수가 0.5인 렌즈(L3)를 사용하며, 1.2mm 기판(30) 위에 유기색소층(31)을 기록층으로 형성하는 기록매체 CD-R이 개시하고 있다. 상기 기록매체는 기록층의 유기색소가 큰 굴절율을 가지고 있어서, 기록전후의 굴절율 변화 및 기판의 변화를 이용한 반사율 변화로 기록이 재생된다.
그러나, 유기색소의 굴절율은 흡수파장이 단파장으로 이동할수록 작아진다는문제점이 있다. 도 4a 및 4b에서 41, 42 및 43은 각각 시아닌계 유기색소 NK 863, SD 13, L04를 나타낸다. 유기색소의 최대 흡수파장이 단파장으로 이동할수록 장파장에 비해 흡광도가 저하되고, 따라서 굴절율도 저하되는 것을 알 수 있다. 즉, 500nm 이하의 단파장을 최대 흡수파장으로 하는 유기색소를 사용하는 광기록매체는 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이 굴절율이 1.7 이하로 작아지기 때문에 기록부위와 미기록부위 간의 굴절율 차이가 작아져 기록신호의 크기(modulated amplitude; MA)가 작아진다.
기록 신호의 크기(MA)에 도 5에 도시된 바와 같이 I14/I14H로 정의되며, 기록매체와 재생기 간의 호환성 및 재생성을 위하여 기록신호의 크기(MA)는 0.60 이상일 것이 요구된다. 유색소를 이용한 광기록시 기록신호의 크기(MA) 기록층의 굴절율에 비례하여 증가하며 굴절율이 2.0 이하로 되면 MA가 0.60 이하로 작아지면 재생성에 문제가 발생한다. 도 6a 및 도 6b는 굴절률 변화에 따른 기록 신호의 크기변화를 나타내는 것으로서, 도 6a는 굴절율(n) 2.3, MA는 0.70인 경우를 나타내는 반면, 도 6b는 굴절율(n) 1.9, MA는 0.45인 경우를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 목적은 유기색소를 이용하는 기록층의 경우 500nm 이하의 단파장으로도 만족스러운 기록신호 크기를 얻을 수 있는 고밀도 광기록 매체를 제공하는 것이다.
도 1 내지 도 3은 종래 광기록 매체의 적층구조 및 기록 및 재생시의 레이저 광의 입사방향을 나타낸다.
도 4a 및 4b는 흡수파장에 따른 유기색소의 흡광도 및 굴절율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 기록신호의 크기 변화를 정의하는 도면이다.
도 6a 및 6b는 유기색소층에 사용되는 유기물의 굴절률 변화시 기록신호의 크기변화를 비교하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 광기록매체의 개략적인 단면도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명에 의한 광기록 매체의 구성층에 대하여 기록시 광흡수 및 발열특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 의한 광기록 매체의 기록 및 재생원리를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 광기록 매체의 금속박막에서의 광의 파장에 대한 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10, 20, 30, 70, 80... 기판 11, 22, 31... 기록층
12, 21, 32, 71, 81... 반사막 13, 23, 33, 74, 84... 보호층
82... 유기색소층 83... 금속박막
L1, L2, L3, L7.. 렌즈
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서는, 안내골이 형성되어 있는 기판과 상기 기판에 인접한 순으로 반사막, 유기색소층, 금속박막 및 보호층이 순차적으로 형성되어 있고, 기록광 및 재생광이 상기 보호층을 통해 입사하여 신호의 기록 및 재생이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기록매체를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 광기록 매체의 구조와 각 구성층에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 광기록 매체의 구조를 나타내는 단면도이다. 구체적으로 설명하면, 광기록 매체는 기록 또는 재생시 광을 안내하기 위한 안내골(pregroove)이 형성되어 있는 기판(70)과 상기 기판 위에 순차적으로 형성되어 있는 반사막(71), 유기색소층(72), 금속박막(73) 및 보호층(74)을 구비한다. 상기와 같은 구조를 갖는 2장의 디스크를 접착층을 이용하여 접착한 양면구조의 디스크로 구성하거나, 한 쪽을 더미 디스크(dummy disk)로 접착하여 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 디스크의 고밀도화를 위해서는 개구수가 큰 픽업렌즈의 사용이 요구되며, 큰 개구수의 렌즈 사용시 발생할 수 있는 광학수차 문제를 해결하기 위해 본 발명에 의한 광기록 매체는 레이저빔이 기판이 아닌, 보호막을 통해 입사하도록 하고 있다.
보다 상세하게 설명하자면, 광학수차와 레이저 빔 입사층의 두께는 하기 수학식 2와 같은 관계를 갖는다.
W ∝ (NA)³× d
상기 식에서, W는 광학수차, NA는 개구수, d는 레이저 빔 입사층의 두께를나타낸다.
즉, 개구수를 증가시키면 광학수차의 영향이 상대적으로 크게 증가하게 되므로 이를 감소시키기 위해 입사층의 두께가 얇은 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 입사 레이저 광을 기판보다 상대적으로 두께가 얇으며, 그 두께를 일정 범위에서 자유롭게 조절할 수 있는 보호층을 통해 기록광 및 재생광이 입사하도록 한 것이다. 그 결과, 본 발명에 의한 광기록 매체는 개구수가 0.7 내지 0.9로 큰 픽업 렌즈도 성공적으로 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 광기록 매체의 기록 및 재생원리는 다음과 같다.
기록시 기록광은 금속박막(73) 및 유기색소층(72)에서 흡수되며, 이로 인해 열이 발생한다. 도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 기록광의 약 50%가 금속박막(73)에서 흡수되고, 약 20%가 유기색소층(72)에서 흡수된다. 금속박막이 없는 경우(도 8a에서 ○로 표시)는 약 160℃까지만 가열되어 기록하기에 불충분하지만 본원발명과 같이 금속박막이 존재하는 경우(도 8a에서 ●로 표시)는 약 400℃까지 가열될 수 있다. 기록부분은 금속박막 및 유기색소층에서 발열되는 열에 의해 보호층이 부풀어 오르고 유기 색소층이 분해되어 반사율이 미기록부분보다 감소하여 기록신호가 증가하는데 도 9를 참조하여 구체적인 원리를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 금속박막에 의한 발열로 보호막이 팽창하게 되면 유기색소층의 두께가 d1에서 d2로 얇아진다. 기록전 색소층의 두께는 금속박막에서 반사되는 반사광 R2와 반사막에서 반사되는 반사광 R1이 보강간섭되도록 정해져 있다. 그런데, 기록후 보호막 팽창에 따라 색소층의 두께가 변화되어 R1과 R3의 간섭이 상쇄간섭으로 변화되어 반사율이 저하됨으로써 신호의 크기가 증가한다.
둘째, 기록후 보호막의 팽창은 금속박막 쪽으로 볼록하게 팽창하므로 그 위를 덮고 있는 금속박막이 입사하는 재생광을 산란시켜 반사율을 저하시키므로 신호의 크기가 증가한다.
셋째, 금속박막으로부터 직접 가열되거나 자체발열에 의해 유기색소층이 분해 또는 변형되어 굴절율이 변하고 이로 인한 재생광의 광경로차가 발생하여 기록후 반사율이 저하되어 신호의 크기가 증가한다.
이하에서는 본 발명에 따른 광기록 매체의 각각의 구성층에 요구되는 특성에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 광기록 매체에 사용되는 기판(70)은 한쪽 면에 기록 또는 재생시 광을 안내하기 위한 안내골이 형성되어 있다. 안내골의 형태는 사용하는 유기 색소의 종류 및 유기색소층의 두께에 따라 달라질 수 있다.
기판의 소재로는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 에폭시수지 등이 있으며 사출성형이 가능하다. 상기 수지의 열변형 온도는 80 - 200℃가 바람직하다. 상기 기판의 두께는 0.5 - 1.1mm로써 디스크 구조설계에 따라 적절한 조절이 가능하다.
반사막(71)은 기록 또는 재생시 사용되는 광의 파장에서 고반사율을 얻기 위한 것으로, 변형이 용이하게 일어나지 않도록 열전도율 및 반사율이 큰 금속으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 반사막의 소재로는 Ag, Au, Al, Cu 또는 이들의 합금이 바람직하며, 일반적으로 진공증착 또는 스퍼터링 방법에 의해 제조할 수 있다. 반사막의 바람직한 두께는 10 내지 200nm이다.
본 발명에 따른 광기록 매체의 유기색소층(72)은 기록 레이저 빔의 파장영역에서 적절한 흡수율과 높은 굴절율을 가지고, 가열시 급격히 분해되는 유기색소를 함유하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 시아닌(cyanine)계 색소, 헤미시아닌(hemicyanine)계 색소, 아조(azo)계 색소, 트리페닐메탄(triphenylmethane)계 색소 등을 단독 또는 혼합물 형태로 사용할 수 있다. 유기색소층은 상기 색소를 유기용매에 용해한 다음, 이를 반사막 위에 스핀코팅함으로써 형성할 수 있다. 유기색소층의 바람직한 두께는 10 내지 200nm 이다.
본 발명에 따른 광기록 매체의 주요한 특징인 금속박막층(73)은 기록레이저 빔을 흡수하여 발열하는 발열층 및 기록 전후의 콘트라스트 생성을 위한 부분 반사막의 역할을 수행하기 때문에 일정한 흡수율과 반사율을 가질 필요가 있다.
또한, 금속박막은 보호층 제조시 유기색소층을 보호하는 역할도 한다. 만일 금속박막이 존재하지 않는다면 보호층 코팅시 유기색소가 보호층 코팅용액에 용해되거나, 보호층 경화시 사용하는 자외선에 의해 색소층이 손상될 수 있는데 이를 방지하는 역할을 한다. 도 10은 금속박막으로 질화탄탈(TaN)을 사용한 경우의 자외선 투과율을 나타낸다. 도 10으로부터, 금속박막은 기록 및 재생시 사용하는 파장의 빛, 즉 HD-DVD와 DVD의 기록 및 재생 레이저 빔의 파장영역에서 70%이상의 높은 투과율을 나타내면서, 보호층 경화에 사용되는 350nm 이하의 자외선은 확실하게 차단시키는 것을 알 수 있다.
금속박막 형성에 사용되는 금속은 복소굴절계수 허수부의 k값이 0.01 이상인금속이 바람직한데, 상기 k값이 0.01 이하이면 기록시 광흡수가 작아짐에 따라 기록부위의 변형도 작아지게 되고 기록감도도 저하된다.
또한, 금속박막은 용융온도가 높고(예를 들면 500℃ 이상), 가열시 금속끼리 뭉치는 성질이 없어야 한다. 기록시 열전달이 적어야 열손실이 적고 기판 또는 유기 색소층의 변령을 한정시킬 수 있으므로 열전도율은 4W/cm℃ 이하인 것이 바람직하다. 열전도율이 이보다 커지면 레이저로 가열시 가열된 금속박막에 열이 집중되지 못하고 급속하게 주위로 전달되어 필요한 온도 이상으로 가열하기 곤란하고, 가열되더라도 기록 피트의 크기가 커져 인접한 트랙까지 변형될 우려가 있다.
이상과 같은 관점에서 금속박막에 사용가능한 금속은 Al, Cr, Al/Ti, Cu, Cu/Al, Ni, Pt, Ag, Ta, Pb, Te, Ge, Sb, Fe, Ti, 이들의 산화물 또는 질화물 및 이들의 합금 또는 실리콘계 화합물, Au 및 Au 합금 중에서 선택하는 것이 바람직하다.
금속박막의 두께는 금속의 종류에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나, 약 5- 50nm가 바람직하다. 금속박막의 두께가 5nm 미만인 경우에는 기록전후 반사율의 차이가 작아지고, 50nm를 초과하는 경우에는 발열된 열의 확산으로 기록 피트의 크기가 커져 크로스토크 문제가 발생할 우려가 있다. 금속박막은 진공증착, 전자빔, 스퍼터링 등의 방법으로 형성가능하다.
본 발명에 따른 광기록 매체의 보호층(74)은 다른 구성층들, 특히 기록층인 유기색소층을 보호하는 역할을 하는 것은 물론 기록광 및 입사광이 입사되는 층이다. 기록층의 보호를 위해 하드(hard)한 수지가 적당하며, 예를 들면 에폭시계 또는 아크릴레이트계 자외선 경화형 수지를 코팅하여 경화시키거나 폴리카보네이트 시트를 접착제를 이용하여 접착시킬 수 있다. 본 발명에 의한 광기록 매체는 기록광 및 재생광이 보호층을 통해서 입사하므로, 광 경로를 고려하여 보호층의 두께가 균일하여야 한다. 보호층의 두께는 사용광 및 대물렌즈의 개구수에 의해 결정되며 0.05 - 0.5mm가 바람직하다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 한정적인 것이 아니라 예시적인 것이다.
< 실시예 1 >
1.1mm의 두께를 갖는 폴리카보네이트기판 위에 100nm의 Ag을 스퍼터링하여 반사막을 형성하였다. 그 위에 NK 868(시아닌계 색소, 일본 하야시바라사 제품)을 0.15g/10ml TFP용액으로 스핀코팅을 하여 유기색소층을 형성하였다. 그 위에 TaN을 20nm두께로 스퍼터링한 후, 자외선 래커(Philips 400905)용액을 0.1mm로 코팅한 다음 자외선으로 경화시켰다. 개구수 0.6의 DVD-R 시스템에서 기록신호의 크기는 0.62로 나타났다.
< 비교예 1 >
상기 실시예 1에서, 금속박막을 형성하지 않은 것을 제외하고, 동일한 방법으로 디스크를 제조하였다. 기록신호의 크기는 0.38에 불과하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 광기록 매체는 기록 및 재생 레이저 광을 상대적으로 두께가 얇은 보호층을 통해 입사시킴으로써 높은 개구수에 의한 광학수차 문제를 해결할 수 있게 되어, 고밀도의 광기록 매체의 실현이 가능하다. 또한, 유기색소층과 보호막 사이에 형성된 금속박막은 기록레이저 빔을 흡수하여 발열하는 발열층 및 기록 전후의 콘트라스 생성을 위한 부분 반사막의 역할을 함과 동시에 보호층을 형성하는 과정 및 자외선에 의한 보호층 경화시 유기색소층 손상을 방지하는 역할을 한다.

Claims (6)

  1. 안내골이 형성되어 있는 기판과 상기 기판에 인접한 순으로 반사막, 유기색소층, 금속박막 및 보호층이 순차적으로 형성되어 있고, 기록광 및 재생광이 상기 보호층을 통해 입사하여 신호의 기록 및 재생이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광기록매체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속박막은 Al, Cr, Al/Ti, Cu, Cu/Al, Ni, Pt, Ag, Ta, Pb, Te, Ge, Sb, Fe, Ti, 이들의 산화물 또는 질화물 및 이들의 합금 또는 실리콘계 화합물 및 Au 또는 Au 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 보호층은 그 두께가 0.05 - 0.5mm인 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반사막은 Ag, Au, Al, Cu 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유기색소층은 시아닌(cyanine)계 색소, 헤미시아닌 (hemicyanine)계 색소, 아조(azo)계 색소, 트리페닐메탄(triphenylmethane)계 색소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판은 그 두께가 0.5 내지 1.1mm이며, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트 또는 에폭시 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
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