KR100459397B1 - 광 기록 및 재생 장치의 솔리드 이머션 렌즈 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈는 입력 광원을 광 디스크에 집속하여 정보를 기록함과 동시에 기록된 정보를 재생하는 광 기록 및 재생장치에 있어서, 입력된 광원을 정밀하게 집적하며 고 굴절률 재료로 이루어진 솔리드 이머션 렌즈는 소정의 면적과 일정 두께를 갖으며 렌즈의 유효수차를 증가시키는 플렌지부와, 상기 플렌지부의 일 측면에서 반구형으로 돌출 되어 형성된 렌즈부가 구비되어 구성되고, 그 제작방법은 형상틀의 일측 평면을 이루는 가공면에 렌즈 역상의 반구형홈을 형성하는 제1단계와, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 완충막을 도포하는 제2단계와, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 렌즈형성 물질인 고 굴절률재료를 증착하여 성장시키는 제3단계와, 상기 형상틀에 성장된 고 굴절률재료를 평탄화 시켜 일정두께를 갖는 플랜지부를 형성하는 제4단계와, 상기 형상틀을 제거한 후, 상기 완충막을 선택적으로 제거하여 플랜지부를 갖는 솔리드 이머션 렌즈를 성형하는 제5단계를 반복 실시하여 제작함으로써, 유효수차 및 굴절률이 증가된 솔리드 이머션 렌즈가 성형되도록 한 것이다.
Description
본 발명은 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보다 높은 굴절률을 갖음과 동시에 광학 특성이 균일하게 제조되는 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈 및 그 제작방법에 관한 것이다.
광기록매체 또는 광자기기록매체는 비트(또는 기록마크) 사이즈가 소형화되어야 하고 트랙폭이 협소하게 되어야 고밀도 기록용량을 가질 수 있게되나, 기록매체의 기록막에 비트를 형성하기 위해 기록매체 상에 집광되는 광의 스폿크기는 회절한계에 의해 제약되기 때문에 기록밀도를 향상시키는데 한계가 있다.
정보의 대용량화 추세에 비추어 볼 때 기존의 광 기록 재생방식의 한계를 극복할 수 있는 새로운 광 기록 재생방식이 요구되고 있다.
최근에는 기록용량을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 예상되는 근접장(Near Field)을 이용한 근접장 광 기록 재생(Near Field Recording Reproduction)에 관한 연구가 증가되고 있다.
상기 근접장 광 기록 및 재생장치의 원리는 다음과 같다.
렌즈 내부로 임계각 이상의 각도를 갖고 입사하는 빛은 굴절률이 밀한 곳에서 소한 곳으로 진행할 때 빛이 전반사 된다.
이때, 빛의 전반사에 의해서 렌즈의 표면에는 아주 미세한 세기의 광이 존재하게 되는데 이것을 에버네슨트 웨이브(Evanescent wave) 또는 소산파라고 한다.
상기 에버네슨트 웨이브를 이용하면, 기존의 원격장(Far-field)에서는 빛의 회절 현상 때문에 나타나는 분해능의 절대적인 한계, 즉 회절 한계 때문에 불가능했던 고분해능이 가능하게 된다.
상기 근접장 광 기록 및 재생광학계는 렌즈 내에서 빛을 전반사 시켜 렌즈 표면에 에버네슨트 웨이브를 발생시키고, 상기 에버네슨트 웨이브와 기록매체의 커플링에 의하여 기록 및 재생을 하게 된다.
도 1은 광 기록 및 재생장치에서 헤드 슬라이더에 장착된 광학계를 부분적으로 도시한 단면도로써, 도 1에 도시한 바와 같이 광 기록 및 재생장치는 반구형 솔리드 이머션 렌즈(SIL: Solid Immersion Lens)(12)와 1차집광렌즈(11)가 구비되어 구성된다.
상기 솔리드 이머션 렌즈(12)는 윗면은 구형이고 아래 면은 평면인 반구형으로 되어 있으며, 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)의 평면부 중심이 상기 1차집광렌즈(11)의 초점과 일치하도록 설치된다.
따라서, 상기 1차집광렌즈(11)에 입사된 빛(14)은 굴절되어 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)의 아래쪽 평면부 중심에 모이게 된다.
상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 이용하여 디스크상에 데이터(비트)를 기록하기 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 매우 작은 간격, 예를 들면 10∼70nm 정도의 간격으로 기록매체(13) 표면에 근접시킨다.
이렇게 근접하게 되면, 상기 솔리드 이머션 렌즈(12) 아래 면에 1차집광된광 에너지의 일부가 기록매체로 전달되는 광근접장 현상이 발생한다.
이 근접장 현상에 의하여 기록매체 표면에 데이터를 기록하거나 재생하는 것이 가능하게 된다.
예를 들면, 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)로부터 전달된 에너지는 기록매체 표면의 일부를 가열하여 국소적인 상변화를 일으킨다. 이러한 상 변화로 기록매체 표면에 비트가 형성된다. 즉, 정보를 기록하는 것이다.
기록된 정보를 읽을 때에는 국소적으로 상변화된 곳에서 반사율이 달라지는 특성을 이용한다.. 기록 때보다 낮은 세기의 광을 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 통하여 입사시키고, 기록 매체 표면에서 반사되어 다시 상기 솔리드 이머션 렌즈(12)를 통하여 나오는 광의 세기를 광센서로 측정하면, 비트의 유무에 따라 반사율이 달라지므로 정보를 읽을 수 있다.
상기의 솔리드 이머션 렌즈(12)는 높은 굴절률을 갖는 유리 덩어리를 화학적으로 식각한 후 반구(Hemisphere) 혹은 초반구(Super-Hemisphere) 형상으로 래핑 또는 폴리싱하여 렌즈를 제작하고 이 렌즈를 일정한 두께를 갖는 유리판에 접착한 후 이를 프레임에 붙여 사용하도록 하였다.
그러나 종래의 솔리드 이머션 렌즈의 제조 방법은 제조 과정이 매우 복잡할 뿐만 아니라 대량생산에 적합하지 않으며, 초소형 경량화하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 높은 굴절률을 갖음과동시에 광학 특성이 균일하게 제조되고, 초소형 경량화가 가능한 솔리드 이머션 렌즈 및 그 제작방법을 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 광 기록 및 재생장치에서 헤드 슬라이더에 장착된 광학계를 부분적으로 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예인 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈를 도시한 사시도,
도 3에서 도 10까지는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔리드 이머션 렌즈의 각 제조공정에 있어서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
21 : 솔리드 이머션 렌즈 21a : 플렌지부
21b : 렌즈부 31 : 형상틀
31a : 가공면 32 : 식각 마스크용 박막
33 : 식각구멍 34 : 반구형홈
35 : 완충막 36 : 고 굴절률재료
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광학 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈는 입력 광원을 광 디스크에 집속하여 정보를 기록함과 동시에 기록된 정보를 재생하는 광 기록 및 재생장치용 솔리드 이머션 렌즈에 있어서, 입력된 광원을 정밀하게 집속하며 고 굴절률 재료로 이루어진 솔리드 이머션 렌즈는 소정의 면적과 일정 두께를 갖으며 렌즈의 유효수차를 증가시키는 플렌지부와, 상기 플렌지부의 일 측면에서 반구형으로 돌출 되어 형성된 렌즈부로 구성되고, 상기 플랜지부의 두께(t)와, 상기 플랜지부 일 측면에서 돌출된 렌즈부 끝단까지의 높이(H)와, 상기 돌출된 반구형의 렌즈부 반경(R), 솔리드 이머션 렌즈의 굴절률(N) 등은 서로H + t = R(1+1/n)의 관계를 갖도록 형성된다.
또한, 상기 광학 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈는 형상틀의 일측 평면을 이루는 가공면에 렌즈 역상의 반구형홈을 일정 간격으로 다수개 형성하는 제1단계와, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 완충막을 도포하는 제2단계와, 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 렌즈형성 물질인 고 굴절률재료를 증착하여 성장시키는 제3단계와, 상기 형상틀에 성장된 고 굴절률재료를 평탄화 시켜 일정두께를 갖는 플랜지부를 형성하는 제4단계와, 상기 형상틀을 제거한 후, 상기 완충막을 선택적으로 제거하여 플랜지부를 갖는 솔리드 이머션 렌즈를 성형하는 제5단계를 반복 실시하여 솔리드 이머션 렌즈를 제작한다.
이하 본 발명의 일 실시예인 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈 및 그 제작방법을 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에서 종래의 구성과 동일한 구성을 이루는 광 기록 및재생장치에서 헤드 슬라이더에 장착된 광학계의 도시는 생략하고, 그에 대한 설명은 도 1을 인용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈를 도시한 사시도로써, 도 2에 도시한 바와 같이 입력된 광원을 정밀하게 집속하며 고 굴절률 재료로 이루어진 솔리드 이머션 렌즈(21)는 일정한 두께(t) 및 렌즈의 유효수차를 갖는 사각형상으로 형성되어 렌즈의 유효수차를 증가시키는 플렌지부(21a)와, 상기 플렌지부(21a)의 일측면에서 반구형으로 돌출 되어 형성된 렌즈부(21b)가 구비되어 구성되며 상기 솔리드 이머션 렌즈는 상기 플랜지부(21a)의 두께(t)와, 상기 플랜지부(21a) 일측면에서 돌출된 렌즈부(21b) 끝단까지의 높이(H)와, 상기 돌출된 반구형의 렌즈부(21b) 반경(R), 솔리드 이머션 렌즈의 굴절률(N) 등은 서로
H + t = R(1+1/n)
의 관계를 갖도록 형성된다.
도 3에서 도 10까지는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔리드 이머션 렌즈의 각 제조공정에 있어서의 단면을 개략적으로 도시한 것으로써, 광 기록 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈 제조방법은 다음과 같다.
우선 본 발명의 일 실시예인 솔리드 이머션 렌즈(21)의 형상틀(31)을 제작하는 과정은 다음과 같고, 본 발명의 일 실시예인 솔리드 이머션 렌즈(21)의 형상틀(31)을 제작하는 방법에는 등방성 식각(Isotropic etching)을 이용한 방법으로, 습식 식각(Wet etching), 건식 식각(Dry etching) 모두 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이 실리콘 형상틀(31)의 양 측면에 식각 마스크용 박막(32)을 형성한다.
이때, 후면에 형성되는 식각 마스크용 박막(32)은 건식 식각을 이용한 등방성 식각에서는 생략해도 무방하다.
다음, 도 4에 도시된 바와 같이 사진 묘화 공정 및 박막 식각 공정을 이용하여 상기 형상틀(31)의 일측면에 도포된 식각 마스크용 박막(32)에 등간격으로 다수개의 식각이 진행될 식각 구멍(33)을 형성한다.
이때, 식각 구멍(33)은 원형이 바람직하며, 상기 식각 구멍(33)의 직경 크기에 따라 구현되는 반구형 솔리드 이머션 렌즈(21)의 반경이 결정된다.
다음 도 5에 도시된 바와 같이 상기 식각 구멍(33)을 통해 등방성 식각 공정을 실시하여 상기 형상틀(31)의 일 측면에 렌즈 역상의 반구형홈(34)이 형성된다.
상기와 같이 등방성 식각 공정이 완성되면, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 형상틀(31)에 형성된 식각 마스크용 박막(32)을 제거하여 렌즈 역상의 반구형홈(34)이 등 간격으로 다수개 형성된 형상틀(31)이 완성되는 제 1단계가 완료된다.
상기와 같은 방법으로 완성된 형상틀(31)을 이용하여 고 굴절률 솔리드 이머션 렌즈(21)를 제작하는 공정은 다음과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 핵심적인 부분인 상기 형상틀(31)과 무관하게 균일한 솔리드 이머션 렌즈 물질을 얻기 위해 고 굴절률재료(36)의 성장이 용이하게 진행되며, 형상틀(31)의 재질과 무관하게 고 굴절률재료(36)가 성장할 수 있도록 상기 형상틀(31)의 가공면(31a)을 포함한 반구형홈(34)의 내면에 완충막(35)을 도포하는 제2단계가 완료된다.
이때, 상기 완충막(35) 상에서 성장하게 될 결정구조에 따라 상기 완충막(35)을 증착하는 방법도 스퍼터링, MBE(Molecular Beam Epitaxy), 화학 기상 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 적절히 선택할 수 있다.
다음, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 형상틀(31)의 가공면(31a)을 포함한 반구형홈(34)의 내면에 렌즈형성 물질인 고 굴절률재료(36)를 증착하여 성장시키는 제3단계가 완료된다.
도 9에 도시된 바와 같이 상기 제3단계에 의해 성장된 고 굴절률재료(36)에서 상기 형상틀(31)의 가공면(31a)으로부터 일정두께를 초과되어 형성된 부분을 기계적 연마 및 화학적 폴리싱 기법으로 평탄화 시키고, 필요한 상기 플렌지부(21a)의 두께를 갖는 솔리드 이머션 렌즈를 형성하는 제4단계가 완료된다.
마지막으로, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 형상틀(31)을 제거한 후, 상기 완충막(35)을 선택적으로 제거하여 플랜지부(21a)를 갖는 솔리드 이머션 렌즈(21)를 성형하는 제5단계를 완료하고, 상기와 같이 제1단계에서 제5단계까지를 반복 실시하여 상기 고 굴절률재료(36)로 이루어진 솔리드 이머션 렌즈(21)를 제작하게 되는 것이다.
상기 완충막(35)은 상기 형상틀(31)의 결정구조와 무관하게 상기 고 굴절률재료(36)가 성장할 수 있도록 하는 알루미늄나이트(AlN), 또는 산화아연(ZnO) 등을 이용할 수 있으며, 상기 고 굴절률재료(36)는 갈륨 나이트라이드(GaN: Gallium Nitride)인 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명에 의한 제작방법으로 제작되는 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈는 상기 고 굴절률재료가 성장될 시, 상기 형상틀의 재질과 무관하게 상기 고 굴절률 재료가 성장할 수 있도록 상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 완충막을 도포하여 상기 고 굴절률재료가 상기 형상틀에 접촉되지 않게 한다.
또한, 상기 솔리드 이머션 렌즈에 플랜지부를 두어 솔리드 이머션 렌즈의 유효수차를 증가시키고, 운반 및 정렬 시, 취급이 편리해진다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 제작방법으로 제작된 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈는
종래 구조에서 유리로 구성되었던 솔리드 이머션 렌즈에 비하여 굴절률을 대폭 증가시킬 수 있는 갈륨 나이트라이드를 포함한 고 굴절률 재료를 이용하고, 일정한 두께를 갖는 플랜지부를 형성시킴으로써, 근접장 픽업 광학계의 유효수차를 증가시키는 효과가 있다.
또한, 솔리드 이머션 렌즈를 형성하는 고 굴절률재료의 결정 구조를 용이하게 성장시킴으로써 광 손실을 줄이고, 왜곡 현상을 최소화함으로써, 광학계의 해상도를 보다 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 솔리드 이머션 렌즈의 제작방식을 개선하여 양산성, 소형화, 경량화를 달성할 수 있게되며, 이는 반도체 일관 제조공정과, 마이크로머시닝 기술을 통하여 가능하게 된다.
Claims (7)
- 입력 광원을 광 디스크에 집속하여 정보를 기록함과 동시에 기록된 정보를 재생하는 광 기록 및 재생장치용 솔리드 이머션 렌즈에 있어서,입력된 광원을 정밀하게 집속하며 고 굴절률 재료로 이루어진 솔리드 이머션 렌즈는 소정의 면적과 일정 두께를 갖으며 렌즈의 유효수차를 증가시키는 플렌지부와, 상기 플렌지부의 일 측면에서 반구형으로 돌출 되어 형성된 렌즈부로 구성되고,상기 플랜지부의 두께(t)와, 상기 플랜지부 일 측면에서 돌출된 렌즈부 끝단까지의 높이(H)와, 상기 돌출된 반구형의 렌즈부 반경(R), 솔리드 이머션 렌즈의 굴절률(N) 등은 서로H + t = R(1+1/n)의 관계를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 고 굴절률 재료는 갈륨 나이트라이드(GaN)인 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈.
- 삭제
- 형상틀의 일측 평면을 이루는 가공면에 렌즈 역상의 반구형홈을 일정 간격으로 다수개 형성하는 제1단계와,상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 완충막을 도포하는 제2단계와,상기 형상틀의 가공면을 포함한 반구형홈의 내면에 렌즈형성 물질인 고 굴절률재료를 증착하여 성장시키는 제3단계와,상기 형상틀에 성장된 고 굴절률재료를 평탄화 시켜 일정두께를 갖는 플랜지부를 형성하는 제4단계와,상기 형상틀을 제거한 후, 상기 완충막을 선택적으로 제거하여 플랜지부를 갖는 솔리드 이머션 렌즈를 성형하는 제5단계를 반복 실시하여 솔리드 이머션 렌즈를 제작하는 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈 제작방법.
- 삭제
- 제 5항에 있어서, 상기 완충막은 상기 형상틀의 결정구조와 무관하게 고 굴절률재료가 성장할 수 있도록 하는 알루미늄나이트라이드(AlN), 또는산화아연(ZnO)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 기록 및 재생장치의 솔리드 이머션 렌즈 제작방법.
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