KR100531275B1 - 광자기 디스크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 자계없이 재생층의 신호를 증폭함으로써 고밀도 기록 및 재생이 가능하면서도 전력소모가 작고 구동회로 구조가 간단하며 제조비용이 저렴한 광자기 디스크를 제공하기 위한 것으로써, 통상의 광자기 디스크에서 재생층과 기록층사이에 희토류-천이류합금에 Si, Ti, Cr, Mn, Mo, W, B, C, Al, P, S, Ga, Ge, As, Se, Te, Sb, Sn, In, Bi중의 한 원소를 0.1~20 원자비(atomic %)만큼 첨가하는 물질로 형성한 두께 5~500nm의 마스크층을 구비함을 특징으로 한다.

Description

광자기 디스크{Optical magnetic disk}

본 발명은 광자기형 광디스크에 관한 것으로, 구체적으로는 기록층과 재생층 사이에 마스크층을 설치하여 기록밀도를 향상 시키도록 한 광자기 디스크에 관한 것이다.

광자기 디스크는 편광된 빛이 자성박막면에서 반사할 때, 막면에 대해 수직한 방향의 자기이방성을 갖는 자성박막인 경우는 편광면 각도가 회전하는 현상을 이용한 것이다. 이와 같은 자기 광학효과를 Kerr효과라 하고, 이때 회전하는 편광면의 각을 Kerr회전각이라 한다. 광자기 디스크의 SNR은 수학식 1로 표시된다.

여기서, η는 포토다이오드의 양자효율, P는 재생파워, R은 매체의 반사율, θ_K는 Kerr회전각, e는 전하, 그리고 B는 대역폭이다.

위의 식에서 매체의 특성을 나타내는 파라미터인 R과 θ_K만을 고려하였을 때 성능지수(figure of merit)는 수학식 2로 표시된다.

따라서, 상보적인 관계인 R과 θ_K에서 R보다는 θ_K를 증가시키는 것이 효율적이다.

통상적으로 광자기 기록에 이용되는 자성박막의 Kerr회전각은 0.3°정도의 작은 값을 갖는다. 따라서 이 값을 증가시키기 위하여 유전체층과 반사층을 이용하여 다층화한다. 이때, 유전체층은 보호층 역할도 한다. 도 1에 나타낸 바와 같이 기판(10)/반사방지층(11)/기록층(12)/위상층(13)의 4층 구조가 일반적이다. 여기서 미 설명부호 15는 보호층의 역할을 하는 UV래커층이다. 이러한 구조의 광자기 디스크는 제 1 세대 광자기 디스크로 이용되고 있다.

종래기술에 의한 기록의 경우, 기록밀도는 집속된 레이저빔의 크기에 의해 결정된다. 레이저빔은 회절을 고려하였을 때 광원의 파장 λ와 사용렌즈의 개구수(NA)에 의해 결정된다. Rayleigh 회절한계에 의하면 집속 레이저빔의 직경 D는 수학식 3으로 표시된다.

그러나, 실제이용할 수 있는 한계는 가우시안(Gaussian) 강도 분포를 갖는 레이저빔의 경우, D의 반정도인 계수를 0.61로 볼 수 있다. 마크 크기 감소에 의한 기록밀도를 높이기 위해서는 레이저의 파장을 감소시키거나 렌즈의 개구수(NA)를 증기시키면 되지만 레이저 파장의 감소에는 한계가 있고 최근 개구수(NA)의 0.85정도까지 되고 있는 바, 근접장 영역이 아닌한 거의 한계에 왔다고 볼 수 있다.

기록방법에는 대표적으로 마크 포지션(Mark positon) 기록과 마크 엣지(Mark edge)기록의 두가지 방법이 있으며, 마크 포지션 기록의 경우는 레이저빔을 기록매체에 가하면서 외부 자기장을 인가해주면 냉각되면서 자화의 방향이 외부 자기장의 방향과 같은 방향으로 자구가 생성되어 기록마크가 형성된다. 이때 자구방향에 따라 "온"과 "오프" 또는 "0"과 "1"을 나타내게 된다.

제 1 세대 광자기 디스크이후 큰 관심은 기록밀도를 높이는데 집중되어 있다. 따라서 디스크의 구조는 점차 다층화되고 기록 레이저빔과 외부 자계의 형태도 복잡해지고 있다. 그 중 가장 효율적인 기록방법으로는 광 펄스-자계변조 기록(laser-pumped magnetic field modulation)방법으로 도 2에 그 기록과정을 개략적으로 나타내고 있다. 즉 광 펄스-자계변조 기록방법은 레이저(23), 조준렌즈(24), 편광빔 스플리터(25) 및 대물렌즈(26)를 포함하는 광자기헤드(22)로 일정한 레이저 펄스 신호를 광자기 디스크(21)에 가하면서 외부 자계 공급원 신호에 의해 구동되는 외부 자계 공급원(20)으로부터 제공되는 외부자계를 통한 변조에 의한 기록방법으로써, 이렇게 할 경우는 작고 안정된 자구를 광자기 디스크에 형성시킬 수 있다.

광자기 디스크의 밀도를 높이기 위해서는 고밀도의 기록과 더불어 작게 기록된 마크를 읽어낼 수 있어야 한다. 상술한 광 펄스-자계변조기록방법으로 기록하면 레이저빔이하 크기로 기록이 가능하지만 기록된 신호를 읽을 때는 특별한 방법이 필요하다.

대표적인 두가지 제안된 방법은 자기초해상(Magnetically induced super resolution : MSR) 재생기술과 자구확대(Magnetic amplifying magneto-optical system) 재생기술이 있다.

상기 자기초해상 재생기술을 도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 읽을때 레이저빔의 온도가 높은, 즉 임계치 온도 레벨보다 높은 온도 영역에 해당하는 재생층의 가운데인 중심 어퍼처 부분에서만 창(window)을 열어 기록층의 신호를 복제하는 메카니즘을 이용하는 것으로써, 재생메카니즘을 살펴보면, 상온에서 재생층(30)의 자화방향은 수평이지만 온도가 높은 재생 레이저빔의 중심영역(임계치 온도 레벨이상 온도에 상응하는 영역)에서는 수직방향의 자화용이축을 갖게 되는 특징을 이용한다. 이때 재생 레이저빔의 중심영역 즉, 중심 어퍼처영역에서 재생층(30)의 자화는 기록층(31)에 기록된 마크의 자화방향을 복제하게 되어 재생신호를 얻을 수 있게 한다.

한편, 상기 자구확대(MAMMOS) 재생기술은 상기 MSR 재생기술에서보다도 더욱 기록밀도를 높이기 위해 기록마크를 작게 하였을 때 기록층에 기록된 마크를 재생층에서 확대시켜서 재생신호를 크게 하는 방법으로써, 기존의 광학계에서 상기 고밀도화 한 MSR 재생기술보다도 더 높은 기록밀도를 얻기 위해서는, 즉 MSR 재생기술에서 재생한 마크의 크기보다도 더 작은 마크를 재생하기 위해서는 다른 재생기술이 필요하게 된다. MAMMOS 재생기술은 디스크의 구조상 기록층과 재생층으로 구성되고, 레이저빔의 온도가 높은 재생층의 가운데 부분인 중심 어퍼처에서만 창을 열어 복제하는 등 기본적으로 MSR 재생기술과 유사성이 많은 기술이나, 근본적으로 다른 점은 MAMMOS 재생기술은 기록마크와 동기된 외부 자기장이 인가된다는 점이며, MAMMOS 재생기술에서는 기록마크의 크기가 레이저빔의 크기에 비해 20% 정도로 작다.

GdFe합금으로 형성되는 재생층이 온도에 따른 보자력의 의존성은 도 4에 나타낸 바와 같이, 천이금속 부격자의 자화값이 Gd에 비해 큰 조성(transition metal rich)을 이용하였고, 상온에서 500 Oe정도인 보자력은 온도가 올라감에 따라 감소됨을 나타내고 있다. 재생과정에서 레이저빔에 의해 재생층이 가열되고 특히 온도가 상대적으로 높은 빔의 중간영역(도 3의 중심 어퍼처에 상응)에서 보자력이 최소로 된다. 이때, 빔의 중간영역의 재생층은 기록층과의 정자기 결합에 의해 기록층의 마크를 재생층에 복사하게 된다. 한편, 이 상태에서 적당한 크기의 재생의 외부 자기장을 인가하여 복사된 마크의 자화방향과 동일한 경우는 도 5에 도시된 바와 같이, 거의 포화레벨에 가깝게 자구가 확대되게 하고 반대방향의 경우는 자구가 기록층에서 발생되는 정자기력과 상쇄되어 소거레벨로 감소하게 된다. 따라서 자기장의 방향을 기록된 각 마크의 위치에서 동기하여 스위칭시켜주면, 기록마크의 자화방향과 외부의 재생자기장의 방항에 따라 재생층이 확대되거나 상쇄된 상태를 디지털 재생신호로써 검출하게 된다.

도 6a는 광변조 방식으로 기록파워를 다르게 하여 기록된 마크들을 MFM(Magnetic force micorometer)을 이용하여 관측한 마크형태를 나타낸 MFM 영상과 재생의 외부 자기장이 없을 때 각 기록파워마다의 관측된 재생신호를 나타낸 것이며, 도 6b는 상기 기록파워중 어느 하나일 때 재생의 외부 자기장을 인가하였을 때의 관측된 재생신호를 나타낸 것이다. 도 6a의 경우는 기록파워에 따른 기록된 마크의 크기와 재생신호의 진폭이 비례하지만, 외부에서 자기장을 걸어준 경우에는 도 6b와 같이 모두 포화된 진폭의 재생신화가 관측되었다. 상기 MAMMOS 재생기술을 이용할 경우, 상술한 MSR 재생술에 비하여 4~5배 정도의 기록밀도, 즉, 20Gb/in²이상을 기대할 수 있다.

한편, 상기 MAMMOS 재생기술을 구현하기 위한 광자기 디스크는 도 7에 도시된 바와 같이 기판(40)과 반사방지층(41), 재생층(42), 위상층(43), 반사층(44), 기록층(45), 보호층(46) 및 역시 보호층인 UN래커층(47)의 구조로 형성되는 것이 일반적이고, 상기 MAMMOS 재생기술을 구현하기 위해서는 재생층 및 기록층의 최저 2층의 자성층 및 자구확대를 위한 외부 자기장을 인가하는 수단이 필요하다.

상기 MAMMOS 재생기술은 MSR 재생기술보다는 기록밀도를 크게 할 수 있다는 장점은 있으나 외부 자기장을 인가하는 수단이 필요하기 되므로 이에 따른 전력소모등의 문제를 야기시킬 수 있고, 특히 휴대용으로써 배터리를 이용하는 경우에는 자기장을 발생시키는 코일에 전류를 흘려주게 되어야 하므로 큰 전력소모가 문제로 된다. 뿐만 아니라 재생과정에서 기록마크와 외부로부터 공급되는 자기장 펄스를 동기화시켜야 하기 때문에 광자기 디스크의 구동회로가 복잡해지고 부피가 커지며 제조비용도 올라간다는 등의 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 발명한 것으로써, 본 발명의 목적은 재생시에 외부 자기장이 필요없이 재생신호를 확대할 수 있어 고밀도의 기록/재생이 가능한 광자기 디스크를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광자기 디스크는 기판상에 적어도 재생층과 기록층을 포함하여 형성된 광자기 디스크에 있어서, 상기 재생층과 기록층사이에는 두께 5~500nm의 마스크층을 형성하고, 상기 마스크층은 재생시 레이저빔 중심부에 의해 가열되는 높은 온도에서 상자성체로 되고, 상온에서는 강자성체로 되는 물질로 되게 희토류-천이류합금에 Si, Ti, Cr, Mn, Mo, W, B, C, Al, P, S, Ga, Ge, As, Se, Te, Sb, Sn, In, Bi 중의 하나의 원소를 0.1~20 원자비(atomic %)로 첨가하도록 하여 형성되고, 상기 재생층은 상기 마스크층이 상자성으로 되어서 상기 기록층과의 결합이 끊어질 때 자구가 확대되는 특징을 가진 물질로 형성됨을 특징으로 한다.

이하 첨부도면에 근거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명에 의한 광자기 디스크의 한 예를 나타낸 단면도로써, 본 발명의 광자기 디스크는 기판(50)상에 Si₃N₄의 유전체로 형성되는 반사방지층(51), GdFe로 형성되는 재생층(52), 후술하는 재료로 형성되는 마스크층(53), TbFeCo로 형성되는 기록층(54), SiN₄ 유전체로 형성되는 보호층(55), AlTi로 형성되는 반사층(56) 및 보호층인 UV래커층(57)을 포함하여 형성된다.

상기 마스크층(53)은 200℃ 이상에서 큐리온도를 가지는 희토류-천이류(RE-TM)합금은 상온에서 수직 자기이방성을 가지나 상기 큐리온도가 통상의 광자기 디스크의 재생시 광자기 디스크의 온도보다 높으므로 이 큐리온도를 낮추어서 광자기 디스크의 재생시 레이저빔의 온도가 높은 가운데 부분에 상당하는 광디스크의 부분에서의 온도(임계치 온도 레벨이상에 해당되는 어퍼처부분에서의 온도; 도3 참조)에서도 통상 희토류-천이류합금의 상온에서 가지는 강자성특성의 자기적 성질을 상실하여 상자성으로 되도록 희토류-천이류합금에 상기 온도에 따라 자기적 특성을 상실하게 하는 물질을 첨가토록 한다. 이 첨가 물질들로는 Si, Ti, Cr, Mn, Mo, W, B, C, Al, P, S, Ga, Ge, As, Se, Te, Sb, Sn, In, Bi을 사용한다. 그리고, 첨가 물질의 첨가량은 0.1~20 원자비(atomic %) 범위이다. 그리고 이 마스크층의 두께는 5㎚~500㎚로 하는 것이 바람직하다. 마스크층의 두께가 5㎚보다 작으면 마스크층으로써의 기능을 할 수 없고, 500㎚이상이면 사용되는 재생파워를 크게 하여 주어야 하기 때문에 실용적이 아니다.

그리고, 기록층(54)은 주로 TbFeCo합금이 사용되고, 재생층(52)은 본 실시예에서 GdFe합금이 사용되고 있으나 재생층(50)은 GdCo 합금이 사용되어도 되며, 이들 물질은 후술하는 바와 같이 자구확대 기능을 가지는 물질이다. 그리고, 본 실시예에서는 재생층(52)/마스크층(53)/기록층(54)과 같이 연속적으로 적층된 구조를 가지도록 하고 있으나, 기록층(54)과 마스크층(53), 그리고 마스크층(53)과 재생층(52)사이에 Si₃N₄의 유전체층을 삽입하여도 된다. Si₃N₄의 유전체층을 삽입하면 반사도가 조절되고 신호의 크기가 조절되어 바람지하다.

그리고, 상기 마스크(53)과 재생층(50) 또는/및 기록층(4)과의 사이에 상기 유전체층이 없으면 교환상호결합(exchange coupling)을 이용하는 경우로 되고, 유전체층이 있으면 정자기결합(magnetostatic coupling)을 이용하는 경우로 된다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 광자기 디스크에 대한 동작에 대하여 다음과 같이 설명한다.

먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마스크층(53)은 희토류-천이류(RE-TM)합금에 Si, Ti, Cr, Mn, Mo, W, B, C, Al, P, S, Ga, Ge, As, Se, Te, Sb, Sn, In, Bi등의 원소가 0.1~20 원자비로 범위로 포함되어 있기 때문에 상온에서는 수직 자기이방성을 갖는 강자성체이나, 도 9b에 도시된 바와 같이 재생용 레이저빔이 가해지게 되면, 레이저빔중 온도가 높은 가운데 부분(마스크(53)중 하얀 네모부분)에서는 자성을 상실하여 상자성으로 되는 특성을 가진다. 상기 희토류-천이류(RE-TM)합금만으로 큐리점온도가 낮아지지 않아 재생시 레이저빔중 온도가 높은 가운데 부분에서도 강자성을 그대로 유지함을 유념하여야 한다. 따라서 재생 레이저빔에 의한 재생온도 정도에서도 자성을 상실하고 상자성을 갖게 되므로, 이때 기록층(54)과 재생층(52)간의 교환결합(exchange coupling)을 끊어주게 된다. 이 상태가 되면 기록층(54)으로부터의 영향력을 잃어가면서 확대되는 현상이 생겨난다. 즉, 재생층(52)이 상기의 GdFe 혹은 GdCo로 되면, 작은 자구(magnetic domain)는 안정되지 못한 반면에 큰 자구는 안정되는 특성을 갖게 된다. 즉, 최소자구의 크기는 D는 수학식 4의 관계를 갖게 된다.

여기서 σ_W는 자벽에너지이고, H_c와 M_s는 각각 보자력과 포화자화값이다. 상기 물질로 형성되는 재생층의 경우 포화자화값은 TbFeCo로 형성되는 기록층(54)과 비슷하지만 보자력이 기록층에 비하여 특히 작기 때문에 최소 자구의 크기가 커진다. 따라서 상온에서는 도 9a와 같이 기록층(54)에 기록된 정보를 교환상호결합(exchange coupling)에 의하여 마스크층(53)이 재생층(52)에서 복사를 하게 된다. 그러나, 도 9b와 같이 재생 레이저빔에 의해 온도가 올라가면 온도가 높은 빔 중간부분의 마스크층(53)은 자성을 잃어버리는 변화가 생기게 되고, 이때 기록층(54)으로부터 전달되는 교환상호결합이 끊어지게 되고, 이로 인해 최소 자구가 커야 안정되는 특성을 가는 재생층(52)에서는 자구의 확대가 일어나게 되어 재생신호가 증폭하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 광 펄스 자계변조 기록기술을 이용하여 기록된 레이저빔 크기에 비해 짧은 마크에서 발생되는 신호를 읽어내고자할 때, 상온에서는 수직자기이방특성을 가지나 재생시 레이저빔중 온도가 높은 가운데 부분에서 자성을 잃어버리는 마스크층을 이용하여, 상온에서 작은 기록마크를 재생층에 전달시키고, 재생시에는 기록층과의 교환상호결합(마스크층과 기록층 또는 재생층 사이에 유전체층이 있는 경우에는 정자기 결합)을 끊어버려서 외부의 자기장 없이 전달된 신호를 증폭하도록 하는 재생층에 의해 재생신호를 증폭할 수 있으므로 고밀도 기록/재생이 가능하게 된다는 효과가 있다.

도 1은 종래의 제 1 세대 광자기 디스크구조의 단면도,

도 2는 종래의 광 펄스 자계변조의 기록방법을 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 종래의 자기 초해상 재생기술을 설명하기 위한 도면,

도 4는 종래의 MAMMOS 재생층(GdFeCo)에서의 보자력 온도 의존성을 나타낸 그래프,

도 5는 종래의 MAMMOS 재생기술에 의해 기록된 마크, 외부 자기장 및 재생신호를 개략적으로 나타낸 도면,

도 6a는 MFM(Magnetic Force Microscope)로 관측한 마크의 형상과 외부 자기장이 가해지지 않는 상태에서의 재생신호를 나타낸 도면,

도 6b는 외부 자기장이 가해진 상태에서의 재생신호를 나타낸 도면,

도 7은 종래의 MAMMOS 광디스크 구조의 단면도,

도 8은 본 발명의 광디스크 구조의 단면도,

도 9a는 본 발명의 광디스크에서 상온일때, 기록층의 기록정보가 마스크층 및 재생층에 전사되는 상태를 나타낸 도면,

도 9b는 본 발명의 광디스크에서 고온일때 기록층의 기록정보가 마스크층에 의해 단절되어서 전사된 재생층의 재생신호가 증폭되는 상태를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 40, 50 : 기판 30, 42, 52 : 재생층

11, 41, 51 : 반사방지층 12, 31, 45, 54 : 기록층

13, 43 : 위상층 46, 55 : 보호층

14, 44, 56 : 반사층 53 : 마스크층

15, 47, 57 : UV래커층 20 : 외부 자계 공급원

21 : 광자기 디스크 22 : 광자기헤드

23 : 레이저빔 24 : 조준렌즈

25 : 편광빔 스플리터 26 : 대물렌즈

Claims (4)

1. 기판상에 적어도 재생층과 기록층을 포함하여 형성된 광자기 디스크에 있어서,

   상기 재생층과 기록층 사이에 두께 5~500nm의 마스크층을 형성하고, 상기 마스크층은 재생시의 레이저빔 중 온도가 높은 가운데 부분에서 상자성체로 되고, 상온에서는 강자성체로 되게 희토류-천이류합금에 Si, Ti, Cr, Mn, Mo, W, B, C, Al, P, S, Ga, Ge, As, Se, Te, Sb, Sn, In, Bi 중의 적어도 하나의 원소를 0.1~20 원자비(atomic %)로 첨가하도록 하여 형성되고, 상기 재생층은 상기 마스크층이 상자성으로 되어서 상기 기록층과의 결합이 끊어질 때 자구가 확대되는 특성을 가진 물질로 형성됨을 특징으로 하는 광자기 디스크.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 재생층은 GdFe, GdCo중의 어느 하나의 합금으로 형성됨을 특징으로 하는 광자기 디스크.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 마스크층의 적어도 일측에는 Si₃N₄로 되는 유전체층이 형성되어서 상기 기록층과의 재생층의 적어도 일측과 접합됨을 특징으로하는 광자기 디스크.