KR100368615B1 - 컴퓨터 하드디스크 및 이 하드디스크의 보호막을 형성하는 방법 - Google Patents

컴퓨터 하드디스크 및 이 하드디스크의 보호막을 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컴퓨터의 하드디스크에 있어서, 자료 저장부분인 자성층을 보호하는 보호막을 특수재질의 재료를 사용하여 형성시킴으로써, 보호막 두께를 감축시켜 저장 능력을 증가시키고, 사용수명을 연장시키는 하드디스크 제조기술에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 마찰계수와 열전도도가 극히 낮고 강도가 높은 재질인 보론카바이드에 내마모성과 흡착성을 높이도록 알루미늄, 실리콘 또는 티타늄을 0.5 내지 1.5 중량% 혼합한 재료를 하드디스크의 자성 박막 상에 코팅시켜 보호막을 형성시킴으로써 종래의 하드디스크의 저장 능력의 4배 이상 증가시킬 수 있으며 또한 그 수명이 반영구적인 하드디스크를 제조하는 것이다.

Description

컴퓨터 하드디스크 및 이 하드디스크의 보호막을 형성하는 방법 {A HARD DISK FOR COMPUTER AND A METHOD OF PREPARING SURFACE PROTECTING FILM ON THE HARD DISK}
본 발명은 컴퓨터의 하드디스크에 있어서, 자료 저장부분인 자성층을 보호하는 보호막을 특수재질의 재료를 사용하여 형성시킴으로써, 보호막의 두께를 감축시켜 저장 능력을 증가시키고, 사용수명의 연장을 도모하는 하드디스크 제조기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰계수와 열전도도가 극히 낮고 강도가 높은 재질인 보론카바이드(B4C)에 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 또는 티타늄(Ti)을 0.5 내지 1.5 중량% 혼합한 재료를 하드디스크의 자성 박막 위에 코팅시켜 자성 박막을 반영구적으로 보호하고, 하드디스크의 저장능력을 증대시킬 수 있게 한 하드디스크 자성층의 보호막의 제조기술에 관한 것이다.
도 1은 하드디스크의 판독/기록 헤드(2)와 하드디스크(3)가 정상 작동시 헤드와 하드디스크의 관계를 개략적으로 도시한 것으로서, 일반적인 하드디스크는 디스크 기판(7)상에 자성 박막층(6)이 형성되고 이 박막층(6)상에 보호막(5)이 접합제(9)에 의하여 접합되어 이루어진다. 한편, 이러한 하드디스크의 기록 능력은 하드디스크가 가지는 신호비트(bit)(8)의 개수에 좌우되는 바, 기록 능력을 증가시키기 위하여는 자성층에 기록하는 신호비트(8)의 길이와 폭을 줄이는 방법을 강구할 수 있다. 그러나, 신호비트(8)의 길이나 폭을 줄이면 상대적으로 자성층의 신호비트에서 발생되는 신호의 세기가 약해지므로 이를 보완하기 위하여는 헤드와 하드디스크 자성 박막층(6)의 표면과의 간격을 줄여야만 된다. 바꾸어 말하면, 헤드(2)와 자성 박막의 표면(6)과의 간격을 줄이면 하드디스크의 기록 능력을 증대시킬 수 있게 된다. 그런데, 헤드(2)와 자성 박막층(6)의 표면과의 간격은 자성층의 보호막(5)의 두께와 접합제(9)의 두께 그리고 하드디스크가 고속으로 회전할 때 형성되는 공기 베어링(air bearing)(4)의 높이로 결정된다.
종래에, 일반적으로 상용화 되고있는 컴퓨터 하드디스크의 자성 박막층은 대략 150Å 두께의 수소가 함유된 카본(hydrogenated carbon,H-C)으로 된 보호막으로 코팅되어 있다. 그러나, 이러한 수소가 함유된 카본(hydrogenated carbon,H-C) 재료는 내마모성이 열악하므로 판독/기록시 헤드가 보호막 표면에 접하게될 때 닳거나 깨질 수 있기 때문에, 상당기간의 내구성을 유지시키기 위해서는 그 두께를 150Å이상으로 하여야만 하는 문제점을 가지고 있다. 그러므로 하드디스크의 용량 증대를 위하여, 보호막의 두께를 보다 얇게 만들기 위하여 수소가 함유된 카본(hydrogenated carbon,H-C)보다 내마모성이 강한 재질의 개발이 요구되어 왔다. 이와 같은 요구에 부응하여 미국 IBM사에서는 종래의 수소가 함유된 카본(hydrogenated carbon,H-C) 대신에 보론카바이드(B4C)를 보호막으로 사용한 하드디스크를 개발하여 미국특허 5,897,931호를 취득하였다. 보론카바이드(B4C)는 다이아몬드와 같은 정도의 경도를 가지며, 특히 마찰력이 낮아 접착시 닳지 않는 장점도 가지면서, 또한 열전도도가 낮아 자성 박막층의 보호막으로서 적합하다. 이러한 보론카바이드(B4C)를 보호막 재질로 사용함으로써, IBM사에서는 보호막 두께를 50Å로 축소시키면서도 종래의 하드디스크 보다 높은 기록 용량과 사용 수명을 연장시킬 수 있음을 제안하였다. 한편, IBM사의 미국 특허 5,897,931호에서는 보론카바이드(B4C)를 자성층의 표면에 증착시키기 위해서 스퍼터링(sputtering) 기술을 사용하였으며, 보론카바이드(B4C) 보호막이 자성 박막에 강력하게 접착되도록 게르마늄(Ge), 루테늄(Ru), 텅스텐/티타늄/실리콘(W/Ti/Si), 텅스텐/티타늄(W/Ti), 실리콘(Si), 이트륨(Y)등을 사용하여 자성층의 윗 표면에 10Å 두께의 접착피막을 형성하고 이 접착피막 표면에 50Å의 보론카바이드(B4C) 보호막을 증착시켜 자성층이 손상 되지 않도록 하였다. 그러나 이러한 하드디스크에 있어서도 보호막과 접합제층의 두께가 여전히 60Å으로 두꺼운 바, 이 두께를 더욱 감소시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 요구에 부응하여 미국 특허 5,897,931호에 개시된 바와 같은 하드디스크 보호막의 두께(50Å)를 더욱 얇게 하면서도 내구성에 문제가 없는 하드디스크를 제공하는 데에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 보호막의 두께를 감소시켜 기록 용량이 증대된 하드디스크를 제공하는 데에 있다.
도 1은 작동시의 컴퓨터의 하드디스크와 헤드 관계를 나타낸 도.
도 2는 본 발명에 따른 ICP-MSD 반응로 내에서의 하드디스크 표면 보호막 형성 과정을 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 하드디스크 표면 보호막의 특성 시험을 위한 디스크 드라이브를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 하드디스크의 단면을 나타낸 도.
* 주요 부호의 설명 *
1 : 슬라이더 2,18 : 판독/기록 헤드 3,17 : 하드디스크
4 : 에어 베어링 5 : 보호막 6 : 자성 박막층
7 : 디스크 기판 8 : 신호비트 9 : 접합제층
10 : 타겟 11 : 플라즈마 12 : 디스크
13 : 회전받침대 14 : 코일 15 : IPC-MSD 반응로
16 : 디스크 드라이브
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시형태에 의하면 디스크 기판상에 자성 박막층이 형성되고, 상기 박막층 상에, 보론카바이드(B4C)에 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 티타늄(Ti) 중의 어느 하나 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이 0.5 내지 1.5중량% 혼합된 재질로 이루어진 보호막을 형성시켜 이루어진 컴퓨터 하드디스크가 제공된다. 상기 보호막의 두께는 종래의 하드디스크 보다 얇은 50Å미만, 특히 바람직하게는 40Å으로도 충분한 내구성을 나타낸다. 본 발명의 제2 실시형태에 의하면 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 티타늄(Ti) 중의 어느 하나의 분말 또는 이들 중 2이상의 혼합분말을 보론카바이드(B4C)분말과 혼합한 후, 가열, 가압하여 보론 카바이드 혼합플라즈마 스퍼터링판을 제작하는 단계와, 상기 스퍼터링판과 자성 박막이 형성되어 있는 하드디스크를 아르곤 가스가 주입된 ICP-MSD(Inductively Coupled Plasma-Assisted Magnetron Sputter Deposition; 유도결합 플라즈마를 이용한 자전관 스퍼터 증착. 이하 "ICP-MSD"라 한다.) 플라즈마 반응로에 배치하고 전압을 인가하여 플라즈마 아르곤을 형성시키고, 형성된 플라즈마 아르곤이 상기 보론카바이드 혼합플라즈마 타겟에 충돌하여 혼성플라즈마를 형성시키는 단계와, 이렇게 형성된 고농도의 혼성 플라즈마를 상기 하드디스크의 자성 박막의 표면상에 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 하드디스크의 보호막을 형성방법이 제공된다.
상기한 보론카바이드 혼합플라즈마 타겟은 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 티타늄(Ti) 중의 어느 하나의 분말 또는 이들 중 2이상의 혼합분말 0.5 내지 1.5 중량부와 보론카바이드(B4C)분말 98.5 내지 99.5 중량부를, V-타입 혼합기로 3시간 혼합한 후, 고온가압기에서 500-900℃로 가열하며 5 내지 6톤의 압력하에서 압축시켜 제작할 수 있다.
상술한 바와 같이, 하드디스크의 기록 용량을 증가시키기 위하여는 보호막 및 접합제층의 두께를 감소시켜야 하는데, 일반적으로 보호막의 두께가 얇아지면 강도는 감소하게 된다. 그러나, 보론카바이드(B4C)는 밀도가 높아지면 강도가 증가되는 특성을 갖고 있으므로, 이러한 보론카바이드(B4C) 재질로 된 보호막의 내구성 약화를 보강하기 위해서는 보호막의 보론카바이드(B4C) 밀도를 보다 높이면 된다. 또한 자성 박막층 상에 증착되는 보론카바이드(B4C)의 특성은 프라스마의 농도, 증착판의 온도 및 표면 재질, 반응로 내압 및 불순물 등에 의해 여러 가지로 나타나기 때문에 이들의 조건을 조절하므로서 최적의 보호막을 형성할 수 있다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명에서는 보론카바이드(B4C)의 증착 밀도를 높일 수 있도록 하기 위해 보론카바이드(B4C) 프라스마의 농도 조절이 가능한 IPC-MSD방법을 사용하여, 보호막의 두께가 미국 특허 5,897,931호에 개시된 50Å 미만이면서도 보호막의 내구성은 적어도 동일한 보호막을 갖는 하드디스크를 제공할 수 있게 하였다. 보론카바이드(B4C)는 알루미늄(Al) 또는 실리콘(Si), 티타늄(Ti)과의 결합성이 좋기 때문에 본 발명에서는 보론카바이드(B4C)와 알루미늄(Al)의 혼합 프라스마 스퍼터링판을 제작하고, 이를 사용하여 자성 박막 위에 보론카바이드(B4C)와 알루미늄(Al)을 동시에 증착시킴으로써 충분한 내구성을 갖는 보호막을 형성 시킨다.
보론카바이드(B4C)에 첨가되는 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및/또는 티타늄(Ti)의 양은, 이들 혼합물이 보호막을 형성할 때 보론카바이드(B4C)의 원래의 특성이 손상되지 않지 않으면서도 보호막의 강도 및 내구성을 높일 수 있게 하기 위하여 전체 혼합물의 0.5 내지 1.5 중량%의 비율로 하는 것이 바람직하다. 이들 첨가물의 양이 0.5중량% 미만인 경우에는 보론카바이드 강도 증대능력이 저하됨과 동시에 보호막의 자성 박막에 대한 접착력이 열악하여 지게 되고, 첨가량이 1.5중량%를 초과하는 경우에는 이들 첨가물이 보론카바이드와 결합되지 못한 채 보호막 표면에 석출되어 하드디스크가 헤드와 접촉시 보호막으로부터 이탈하여 보호막에 손상을 주게 된다.
본 발명에 있어서는 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 티타늄(Ti) 또는 이들의 혼합물을 적정량 보론카바이드(B4C)에 첨가함으로써 보론카바이드의 강도 및 내구성을 높여, 종래 보다 얇게(50Å 미만으로) 보호막을 형성 시키더라도 보호막이 충분한 강도와 내구성을 나타내어, 하드디스크의 기록 용량 및 사용기간을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기한 바와 같은 혼합물은 자성층의 재질과 강하게 접착되므로 본 발명에 있어서는 종래의 하드디스크의 경우와 같이 별도의 접합제를 사용할 필요가 없다. 따라서, 본 발명에서는 보호막의 두께 감소와 함께 접합제층의 두께 만큼의 간격을 더욱 줄일 수 있어 종래의 하드디스크에 비해 더욱 많은 기록 용량을 가지게 할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따라 보호막의 두께를 40Å으로 하면, 종래의 보호막의 두께보다 10Å이 얇아지게 되고, 나아가 자성층 표면과 보호막과의 접착을 위해 사용되는 10Å 두께의 접합제층을 사용하지 않아도 되므로, 결과적으로 자성 박막 표면과 헤드와의 간격을 종래의 것보다 20Å 축소시킬 수 있게 된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 이들 실시예는 본 발명을 더욱 명확히 이해할 수 있도록 제시되는 것일 뿐, 본 발명에 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
혼합플라즈마 스퍼터링판의 제작
ICP-MSD 방법을 사용하여 자성 박막상에 보호막을 형성시키기 위한 보론카바이드 혼합플라즈마 타겟을 다음과 같이 하여 제작하였다.
입자 크기가 10마이크론(㎛) 이하인 보론카바이드(B4C)분말 123.75g 에 입자 크기가 역시 10마이크론(㎛) 이하인 알루미늄(Al)분말 1.25g을 첨가하고 V-타입 혼합기로 3시간 혼합한 후, 이들 혼합 분말을 70 X 70 X 2㎜의 탄소몰더에 넣고 고온가압기에서 약 700℃로 가열하며 약 5.5톤의 압력하에서 20분간 압축시켜 ICP-MSD 프라스마 반응로의 플라즈마 타겟으로 사용할 수 있는 B4C/Al 세라믹판(스퍼터링판)을 제작하였다.
하드디스크의 제작
본 실시예에서는 현재 상용화되어 있는 마그네틱 디스크로서 니켈(Ni)과 인(P)의 합금으로 코팅된 알루미늄(Al) 합금에 100-300Å 두께의 코발트/백금/크롬(Co/Pt/Cr)의 자성 박막을 입힌 마그네틱 디스크를 사용하였다.
이러한 마그네틱 디스크를, 도2에 나타낸 바와 같은 구조의 ICP-MSD 프라스마 반응로(15)내의 회전대(13)에 올려놓고, 또한 상기에서와 같이 하여 제작된 B4C/Al 세라믹판을 플라즈마 타겟(10)에 부착시키고, 반응로내의 압력을 5 밀리토르(millitorr)가 되도록 진공상태로 한 후 아르곤 가스를 주입하고 1.0 kW의 DC 전압을 B4C/Al 타겟(10)과 회전대(13)에 인가하여 아르곤 가스가 플라즈마를 형성도록하고, 형성된 아르곤 플라즈마가 B4C/Al 타겟(10)과 충돌하여 보론카바이드(B4C)와 알루미늄(Al)이 타겟 판으로부터 분리되어 아르곤 이온과 혼합하여 혼성 플라즈마(11)를 형성하게 하였다. 이렇게 생성된 혼성 플라즈마(11)는 주위에 있는 코일(14)에 의한 유도 전류에 의해 형성되는 자장에 따라 내부로 밀집하여 고농도의 플라즈마로 형성되고, 생성된 고농도의 B4C/Al 플라즈마는 마이너스 전극을 띠고 있는 회전대 위의 마그네틱 표면(12)에 증착하여 보론카바이드/알루미늄(B4C/Al) 보호막을 형성하였다. 증착 시간을 조절하여 형성되는 보호막의 두께가 40Å이 되게 하여 도4에 개략적으로 도시한 바와 같은 단면 구조를 가지는 본 발명의 하드디스크 제작을 완료하였다.
하드디스크의 성능 시험
도3에 개략적으로 도시한 바와 같은 시험장치를 사용하여, 상기와 같은 방법으로 제작된 본 발명의 하드디스크의 보론카바이드/알루미늄(B4C/Al) 보호막의 내구성을 시험하였다. 비교를 위하여 미국 특허 5,897,931호에 의하는 바와 같은, 보론카바이드(B4C)만으로된 보호막을 갖는 하드디스크의 내구성도 시험하였다. 상기 장치에 의한 성능 시험 내용은 보호막으로 코팅된 디스크(17)와 헤드(18) 및 스라이더(1)와의 마찰(drag) 및 접착시험을 포함한다. 본 시험에서 사용한 헤드 스라이더(1)는 티타늄 카바이드이며 10.5g의 무게로 보호막을 압박토록 하였다. 이와 같은 시험의 결과, 40Å의 두께를 갖는 본 발명에 따른 하드디스크의 보호막은, 10Å의 두께를 갖는 접합제층에 의하여 마그네틱 피막층상에 접합된 50Å의 두께를 가지는 보론카바이드 단독 보호층과 비교하여 우수한 강도 및 내구성을 가짐이 확인되었다.
이상에서 상술한 바와같이, 본 발명은 ICP-MSD를 활용하여 하드디스크의 마그네틱 피막 표면에 40Å 두께의 보호막을 직접 형성시킴으로써, 150Å 두께의 보호막을 갖는 하드디스크에 비하여 기록 용량을 약 4배 정도 증가시킬 수 있으며, 미국 특허 5,897,931호에 개시된 하드디스크보다도 얇은 두께의 보호막을 가져 이보다 더 증대된 기록용량을 가지는 동시에 디스크 마그네틱 표면을 장기간 보전할 수 있어 반영구적으로 사용가능한 하드 디스크를 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 디스크 기판(7)상에 자성박막층(6)이 형성되고, 상기 자성박막층(6) 상에 보호막(5)이 형성되어 이루어지는 컴퓨터 하드디스크에 있어서,
    상기 보호막은 보론카바이드(B4C)에 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 티타늄(Ti)중의 어느 하나 또는 이들 중 2 이상의 혼합물이 0.5 내지 1.5중량% 혼합된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 컴퓨터 하드디스크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막(5)의 두께는 50Å 미만인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 하드디스크.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보호막(5)의 두께는 40Å 인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 하드디스크.
  4. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 컴퓨터 하드디스크의 보호막을 형성하는 방법에 있어서,
    알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 티타늄(Ti)중의 어느 하나의 분말 또는 이들 중 2이상의 혼합분말을 보론카바이드(B4C)분말과 혼합한 후, 가열, 가압하여 보론 카바이드 혼합 플라즈마 스퍼터링판을 제작하는 단계와;
    상기 스퍼터링판과 자성박막이 형성되어 있는 하드디스크를 아르곤 가스가 주입된 ICP-MSD 플라즈마 반응로에 배치하고 전압을 인가하여 플라즈마 아르곤을 형성시키고, 형성된 플라즈마 아르곤이 상기 보론카바이드 혼합플라즈마 타겟에 충돌하여 혼성플라즈마를 형성시키는 단계와;
    이렇게 형성된 고농도의 혼성 플라즈마를 상기 하드디스크의 자성박막의 표면상에 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 하드디스크의 보호막을 형성하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보론카바이드 혼합플라즈마 스퍼터링판은 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 티타늄(Ti)중의 어느 하나의 분말 또는 이들 중 2이상의 혼합분말 0.5 내지 1.5 중량부와 보론카바이드(B4C)분말 98.5 내지 99.5 중량부를, V-타입 혼합기로 3시간 혼합한 후, 고온가압기에서 500-900℃로 가열하며 5 내지 6톤의 압력 하에서 압축시켜 제작되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 하드디스크의 보호막을 형성하는 방법.
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