KR100494574B1 - 에스피엠 나노 정보 저장 장치 - Google Patents

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    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof

Abstract

본 발명은 SPM 나노 정보 저장 장치에 관한 것으로, n행(Row)과 m열(Column)로 어레이 되며, 미디어에 정보를 기록하고 재생하는 캔틸레버 어레이와; 상기 n X m개의 캔틸레버 어레이의 캔틸레버 각각에 연결된 복수개의 제 1 스위치들과; 상기 제 1 스위치들과 각각 연결되며, 기록 정보신호와 재생 정보신호를 임시로 저장하는 복수개의 임시 저장부들과; 상기 임시 저장부들에 각각 연결되는 제 2 스위치들과; 상기 제 2 스위치들 중, 각각의 열(Column)로 어레이된 캔틸레버들과 연결되는 제 2 스위치들에 각각 연결되며, 기록 정보신호를 입력받고 재생 정보신호를 출력하는 복수개의 입출력 버퍼들과; 상기 제 1과 2 스위치들 각각이 스위치 온(On)되도록, 제어 클럭 신호를 상기 제 1과 2 스위치들로 출력하는 제어 클럭 신호 발생부와; 상기 제어 클럭 신호 발생부로 시스템 클럭 신호를 발생시켜 출력하는 시스템 클럭 신호 발생부를 포함하여 구성된다.
따라서, 본 발명은 파이프 라인 동작을 자유롭게 구현함으로써, 기록/재생 동작중에 소모되는 불필요한 시간을 줄일 수 있고 아울러 고속동작을 가능한 효과가 있다.
더불어, 출력단의 수도 마음대로 조절할 수 있어 보다 큰 설계 자유도를 구현할 수 있는 효과가 발생한다.

Description

에스피엠 나노 정보 저장 장치{SPM nano data storage device}
본 발명은 전기신호를 인가하여 전기전도도 및 물질 특성을 변화시킬 수 있는 물질을 미디어(기록 매체)로 하는 SPM(Scanning Probe Microscopy) 나노 정보 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미디어를 통해 신호를 전달하도록 구성함으로써, 헤더의 복잡한 설계를 피할 수 있고, 아울러 다양한 장치를 구현할 수 있는 SPM 나노 정보 저장 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 원자현미경(AFM)은 캔틸레버라 불리는 미소한 막대 끝의 탐침(Probe)을 이용하여 표면형상 등을 측정하는 장치이다.
AFM은 마이크로머시닝으로 제조된 캔틸레버(Cantilever)라고 불리는 작은 막대를 사용한다.
이 캔틸레버는 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지도록 만들어졌고, 끝 부분에는 원자 몇 개 정도의 크기로 뾰족한 바늘이 달려 있다.
이 탐침을 시료 표면에 접근시키면, 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는 힘(척력)이 작용하며 이 힘을 감지하는 장치이다.
이 AFM의 원리는 현재 나노-노광 장치(Nano-lithography) 및 데이터 저장장치(Data storage system)등에도 적용되고 있다.
AFM의 동작모드 중, 컨택 모드(Contact mode)의 경우, AFM에서는 척력을 사용하는데 그 힘의 크기는 1-10nN 정도로 아주 미세하지만, 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다.
이 캔틸레버가 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(Photo diode)를 사용하여 측정한다.
그러나, 레이저와 포토다이오드를 이용한 감지 장치는 복잡하고 정교한 장치를 필요로 하기 때문에, 캔틸레버에 압저항(Piezoresistive) 센서를 집적하여 감지하는 장치를 사용하는 방법이 제안되었다.(US5386720A, US5266801A 등)
이러한 압저항 센서를 내장한 캔틸레버 기술은 포토다이오드 보다 제작이 용이하고 간단하여 캔틸레버를 이용한 데이터 저장장치의 가능성을 열어 놓았다.
대표적인 AFM 데이터 저장장치는 IBM에서 발표한 바 있는 밀리피드(Millipede)가 있다.
이 밀리피드에서 '쓰기'동작은 AFM 팁에 내장되어 있는 저항성 히터를 이용하여 히터에서 발생한 열로 PMMA(Poly-(Methyl Methacrylate))로 구성된 미디어에 오목하게 구멍(Indentation)을 내어 수행한다.
이렇게 쓰여진 데이터는 캔틸레버의 팁으로 미디어를 스캔하면서 캔틸레버가 휘는 정도를 압저항체(Piezoresister)를 통해 감지하여 '읽기' 동작을 수행한다.
한편, SPM(Scanning Probe Microscopy) 나노 정보저장장치(Data Storage)에서 정보를 센싱하여 읽기 동작을 수행하고, 쓰기 동작을 수행하는 캔틸레버 어레이를 SPM 나노정보저장장치 헤더(이하, 캔틸레버 헤더(header))라고 한다.
이와 같은, 캔틸레버 헤더로 읽기/쓰기 동작을 수행하기 위해 종래 기술로 가능한 방법은 DRAM과 유사한 방법으로 읽기/쓰기 동작을 수행하는 것인데, 병렬로 연결된 캔틸레버 어레이에서 몇 개 혹은 모든 캔틸레버를 선택하여 정보를 동시에 쓰기 또는 읽기를 한 다음, 이 정보를 입력 또는 출력단을 통해 출력한 후, 다음 정보 위치로 캔틸레버 헤더를 이동하는 방법이 있을 수 있다.
만약, SPM 나노 정보 저장장치에서 32 X 32 개의 캔틸레버 어레이를 갖는 캔틸레버 헤더의 예를 들어 보자.
종례의 기술의 경우 DRAM과 유사하게 동작할 경우, 32 X 32개의 캔틸레버 어레이에서 k(1 ≤k ≤1024)개의 캔틸레버가 선택되어 읽기 동작을 수행할 때, k개의 출력 단으로 정보를 출력하면 된다.
그러나, 만약 32 X 32(1024개)개의 캔틸레버 모두가 선택되어 읽기 동작을 수행할 경우, 출력(혹은 입력)단을 1024(n X m)개를 두어야 한다.
입력의 경우도 마찬가지이므로 32 X 32개의 캔틸레버 헤더의 설계시 1024개의 입/출력단이 필요하다.
만약, k개의 입/출력 단을 갖는 SPM 나노 정보 저장장치를 설계한다면, n X m개의 캔틸레버 어레이에서 최대 k개의 캔틸레버만 동시에 선택할 수 있기 때문에, 읽기/쓰기 동작의 속도를 현저하게 저하시킬 수 있다.
그러므로, 동작 속도 향상을 위해서는 n X m개의 입/출력단 필요한데, 이 경우 캔틸레버 헤더에 너무 많은 기능을 집적해야하므로, 설계시 제어 회로 및 캔틸레버 설계 마진이 줄어들고, 전력 소모 및 전력선 노이즈(Powerline noise) 등, 피할 수 없는 문제들이 많이 발생한다.
반면에, 미디어 쪽에는 매우 넓은 면적이 있으나 그것을 효율적으로 이용되지 않고 있다.
아울러, 일반적인 SPM 나노 정보 저장장치는 비동기식으로 동작하기 때문에, 동작시간을 효율적으로 이용하지 못해, 속도 향상에는 한계가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 파이프 라인 동작을 자유롭게 구현함으로써, 기록/재생 동작중에 소모되는 불필요한 시간을 줄일 수 있고 아울러 고속동작을 가능하게 하는 SPM 나노 정보 저장 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 출력단의 수도 마음대로 조절할 수 있어 보다 큰 설계 자유도를 구현할 수 있는 SPM 나노 정보 저장 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, n행(Row)과 m열(Column)로 어레이 되며, 미디어에 정보를 기록하고 재생하는 캔틸레버 어레이와;
상기 n X m개의 캔틸레버 어레이의 캔틸레버 각각에 연결된 복수개의 제 1 스위치들과;
상기 제 1 스위치들과 각각 연결되며, 기록 정보신호와 재생 정보신호를 임시로 저장하는 복수개의 임시 저장부들과;
상기 임시 저장부들에 각각 연결되는 제 2 스위치들과;
상기 제 2 스위치들 중, 각각의 열(Column)로 어레이된 캔틸레버들과 연결되는 제 2 스위치들에 각각 연결되며, 기록 정보신호를 입력받고 재생 정보신호를 출력하는 복수개의 입출력 버퍼들과;
상기 제 1과 2 스위치들 각각이 스위치 온(On)되도록, 제어 클럭 신호를 상기 제 1과 2 스위치들로 출력하는 제어 클럭 신호 발생부와;
상기 제어 클럭 신호 발생부로 시스템 클럭 신호를 발생시켜 출력하는 시스템 클럭 신호 발생부를 포함하여 구성된 SPM 나노 정보 저장 장치가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 SPM(Scanning Probe Microscopy) 나노 저장 장치의 사시도로서, 탐침을 이용한 나노 저장장치의 구성은, 정보를 읽고 쓸 수 있는 장치인 헤더(Header)(100), 정보를 저장하는 미디어(200), 상기 미디어(200)를 움직이는 스캐너(300)와, 기록 및 재생시 정보를 처리하는 정보 처리 장치(500)로 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 SPM 나노 정보 저장장치의 구성도로서, 행(Row)과 열(Column)로 n X m개 어레이 되며, 미디어에 정보를 기록하고 재생하는 캔틸레버 어레이(110)와; 상기 캔틸레버 어레이(110)의 캔틸레버 각각에 연결된 복수개의 제 1 스위치들(531)과; 상기 제 1 스위치들(531)과 각각 연결되며, 기록 정보신호와 재생 정보신호를 임시로 저장하는 복수개의 임시 저장부들(532)과; 상기 임시 저장부들(532)에 각각 연결되는 제 2 스위치들(533)과; 상기 제 2 스위치들 중, 각각의 열(Column)로 어레이된 캔틸레버들과 연결되는 제 2 스위치들에 각각 연결되며, 기록 정보신호를 입력받고 재생 정보신호를 출력하는 복수개의 입출력 버퍼들(534)과; 상기 제 1과 2 스위치들(531,533) 각각이 스위치 온(On)되도록, 제어 클럭 신호를 상기 제 1과 2 스위치들(531,533)로 출력하는 제어 클럭 신호 발생부(520)와; 시스템 클럭 신호를 발생시켜, 상기 제어 클럭 신호 발생부(520)로 출력하는 시스템 클럭 신호 발생부(510)로 구성된다.
여기서, 상기 입출력 버퍼들(534,535) 각각은 복수개의 입출력핀들(536)과 연결된다.
물론, 도 2에서는 제 1과 2 스위치들(531,533), 임시저장부들(532)과 입출력 버퍼들(534,535)이 단순히 블록으로 도시되어 있지만, 상기 제 1과 2 스위치들(531,533), 임시저장부들(532)과 입출력 버퍼들(534,535)은 복수개이며, 상기 캔틸레버 어레이(110)에 있는 각각의 캔틸레버들과 상기 제 1과 2 스위치들(531,533)과 임시저장부들(532)의 각각은 연결된다.
이 때, 본 발명에서는 상기 입출력 버퍼들(534,535)을 상기 제 2 스위치들(533)이 분리된 그룹들(여기서, 그룹은 상기 제 2 스위치들을 몇 개의 그룹으로 나누었을 때 분리된 각각임.)과 각각 연결시켜, 제 2 스위치의 그룹이 온(On)되었을 때, 재생된 정보신호를 입력받거나 기록된 정보신호를 출력하게 된다.
즉, 본 발명에서는 제 2 스위치의 그룹을 각각의 열(Column)로 어레이된 캔틸레버들과 연결되는 제 2 스위치들로 설계하였으며, 이의 설계는 자유롭게 수행할 수 있다.
이렇게 구성된 본 발명에 따른 SPM 나노 정보 저장장치의 정보 재생과정을 설명하면 다음과 같다.
상기 캔틸레버 어레이(110)에서 정보를 재생하는 동안, 제 1 스위치(531)와 제 2 스위치(533)는 오프(Off) 상태로 유지한다.
이 때, 정보가 충분히 재생되면, 제 1 스위치(531)를 온(On)시켜 재생 정보 신호를 임시저장부(532)에 저장한다.
그 후, 상기 제 1 스위치(531)를 오프(Off)시키면, 상기 캔틸레버 어레이(110)는 '다음 정보'의 위치로 이동하여 '다음 정보'를 재생할 수 있다.
그리고, 상기 캔틸레버 어레이(110)가 다음 정보 위치로 이동하고, 재생하는 시간동안, 상기 임시저장부(532)에 있는 재생 정보 신호를 제 2 스위치(533)를 온시켜 출력버퍼(534)를 통하여 재생정보 신호를 입출력핀(536)으로 내보낼 수 있다.
즉, 재생정보 신호가 출력되는 중에도 캔틸레버 어레이(110)는 다음 정보 위치로 이동하여 재생할 수 있게 된다.
정보를 기록하는 것은, 전술된 동작의 역순으로 수행된다.
이러한, 시스템 크락 신호에 모든 제어 신호들이 동기가 되면, 시스템 차원에서 파이프 라인(Pipeline)동작이 가능하게 된다.
여기서, 파이프 라인 동작이란 시스템의 속도를 높이기 위해 명령 사이클을 동시에 겹쳐서 수행하는 기능을 말하며, 한 명령이 끝나기 전에 다른 명령어의 실행을 시작하여 시스템의 수행 속도를 향상 시켜주는 방법이다.
그러므로, 본 발명의 SPM 나노 정보 저장장치는 파이프라인 동작을 이용하여, 정보의 재생 및 기록 속도를 현격하게 향상시킬 수 있게 된다.
도 3은 도 2의 상세 구성도로서, 행(Column)과 열(Row)로 n X m개 어레이된 캔틸레버 어레이의 각각의 캔틸레버는 각각의 제 1 스위치들(531a,531b,531c,531d)과 연결되어 있다.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, '531a'는 제 1 행 첫 번째 캔틸레버와 연결된 스위치이고, '531b'는 제 1 행 m번째 캔틸레버와 연결된 스위치이다.
그리고, '531c'는 제 n 행 첫 번째 캔틸레버와 연결된 스위치이고, '531d'는 제 n 행 m번째 캔틸레버와 연결된 스위치이다.
또한, 상기 각각의 제 1 스위치들(531a,531b,531c,531d)은 각각의 임시저장부(532a,532b,532c,532d)와 연결되고, 각각의 임시저장부(532a,532b,532c,532d)는 각각의 제 2 스위치들(533a,533b,533c,533d)과 연결된다.
그리고, 각 열에 있는 캔틸레버들과 각각 연결되는 제 2 스위치들(533a,533c)(533b,533d)에는 입출력 버퍼들(534a,534b)과 입출력핀(536a,536b)이 각각 연결된다.
상기 입출력 버퍼들(534a,534b)은 CMOS 인버터를 상기 입출력핀(536a,536b)에 교차하여 연결시키면 구현된다.
즉, 상기 입출력 버퍼들(534a,534b)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 CMOS 인버터로 구성되며, 하나의 CMOS 인버터는 재생된 정보신호를 출력하고, 다른 하나의 CMOS 인버터는 기록된 정보신호를 입력받도록, 연결된다.
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 나노 정보 저장장치의 정보 기록과 재생 동작에서 시스템 클럭신호와 제어클럭 신호의 타이밍(Timing)도로서, 시스템 클럭신호( Φs)는 주기적으로 하이 신호가 발생되며, 제어클럭 신호들(Φ1, Φ2,..., Φn)는 각각의 제어클럭 신호들이 시간 순서로 하이 신호가 발생된다.
이 때, 상기 제어클럭 신호(Φi(i=1,2,...,n))는 선택된 캔틸레버 어레이에서만 인에이블(Enable)되는 신호이고, 선택되지 않은 캔틸레버 어레이의 경우 신호는 디스에이블(Disable) 된다.
그러므로, 예를 들어, n X m개의 캔틸러버 어레이가 있고, 입출력 버퍼를 m개로 설계되었고, 정보를 재생하기 위해, 제 1 내지 3 행(Row)의 캔틸레버가 선택되었다고 가정하자.
이 경우, 제 1 내지 3 행의 캔틸레버에 해당하는 제어클럭 신호( Φr, Φ1, Φ2, Φ3)들은 도 4a와 같이 동작을 하고 다른 부분의 제어클럭 신호( Φ4, Φ 5,..., Φn)는 동작을 하지 않는다.
여기서, Φr은 전술된 제 1 스위치를 온(On)시키는 제어클럭 신호이고, Φi(i=1,2,...,n)는 제 2 스위치를 온(On)시키는 제어클럭 신호이다.
따라서, 재생 동작의 경우, 제어클럭 신호( Φr)로 제 1 스위치를 온(On)시켜, 재생된 정보 신호를 임시저장부에 저장한다.
이 후, 캔틸레버 어레이의 헤더(Header)는 다음 정보의 위치로 이동하고, 다시 재생하는 시간동안, 제어클럭 신호(Φ1, Φ2, Φ3)로 제 2 스위치들을 순차적으로 온(On)시켜, 입출력 버퍼를 통하여 입출력핀으로 재생된 정보 신호를 출력한다.
이러한, 동작에서 모든 신호는 시스템의 클락 신호에 동기된다.
정보를 기록하는 것은, 도 5b와 같은 타이밍도에 의해 재생방법의 역순으로 수행된다.
이와 같이 본 발명의 SPM 나노 정보 저장 장치를 사용할 경우, 정보 입출력 버퍼를 n X m개를 둘 필요도 없으며, 설계자 및 이용자의 용도에 따라 마음대로 설계할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 캔틸레버가 다음 정보를 재생하는 동안 임시저장장치에 저장된 정보를 연속적으로 출력하게 됨으로써, 낭비되는 시간을 활용하여 SPM 나노 정보 저장장치의 속도를 향상시킬 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 파이프 라인 동작을 자유롭게 구현함으로써, 기록/재생 동작중에 소모되는 불필요한 시간을 줄일 수 있고 아울러 고속동작을 가능한 효과가 있다.
더불어, 출력단의 수도 마음대로 조절할 수 있어 보다 큰 설계 자유도를 구현할 수 있는 효과가 발생한다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 SPM(Scanning Probe Microscopy) 나노 저장 장치의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 SPM 나노 정보 저장장치의 구성도
도 3은 도 2의 상세 구성도
도 4는 본 발명에 따른 입출력 버퍼의 구성도
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 나노 정보 저장장치의 정보 기록과 재생 동작에서 시스템 클럭신호와 제어클럭 신호의 타이밍(Timing)도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 헤더(Header) 110 : 캔틸레버 어레어
200 : 미디어 300 : 스캐너
500 : 정보처리장치 510 : 시스템 클럭 신호 발생부
520 : 제어클럭 신호 발생부 531,533 : 스위치
532 : 임시저장부 534 : 입출력 버퍼
536 : 입출력핀

Claims (2)

  1. n행(Row)과 m열(Column)로 어레이 되며, 미디어에 정보를 기록하고 재생하는 캔틸레버 어레이와;
    상기 n X m개의 캔틸레버 어레이의 캔틸레버 각각에 연결된 복수개의 제 1 스위치들과;
    상기 제 1 스위치들과 각각 연결되며, 기록 정보신호와 재생 정보신호를 임시로 저장하는 복수개의 임시 저장부들과;
    상기 임시 저장부들에 각각 연결되는 제 2 스위치들과;
    상기 제 2 스위치들 중, 각각의 열(Column)로 어레이된 캔틸레버들과 연결되는 제 2 스위치들에 각각 연결되며, 기록 정보신호를 입력받고 재생 정보신호를 출력하는 복수개의 입출력 버퍼들과;
    상기 제 1과 2 스위치들 각각이 스위치 온(On)되도록, 제어 클럭 신호를 상기 제 1과 2 스위치들로 출력하는 제어 클럭 신호 발생부와;
    상기 제어 클럭 신호 발생부로 시스템 클럭 신호를 발생시켜 출력하는 시스템 클럭 신호 발생부를 포함하여 구성된 SPM 나노 정보 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입출력 버퍼들 각각은,
    한 쌍의 CMOS 인버터로 구성되며,
    하나의 CMOS 인버터는 재생된 정보신호를 출력하고, 다른 하나의 CMOS 인버터는 기록된 정보신호를 입력받도록, 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 SPM 나노 정보 저장 장치.
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