KR100544009B1 - 데이터 기록 및 판독 방법 및 장치, 데이터 저장 디바이스 및 데이터 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 팁을 통해서 표면 상의 위치들로/로부터 데이터를 기록/판독하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 표면 상의 위치들 간에서 상기 팁을 이동시키는 단계를 포함한다. 각 위치에서, 상기 팁을 통해서 상기 표면으로 에너지를 선택적으로 인가하면서 이와 동시적으로 상기 팁과 상기 표면에 함께 힘을 선택적으로 인가한다.

Description

데이터 기록 및 판독 방법 및 장치, 데이터 저장 디바이스 및 데이터 처리 시스템{DATA READ/WRITE SYSTEMS}
본 발명은 일반적으로 팁(tip)을 통해서 저장 표면에 데이터를 기록, 및/또는 저장 표면으로부터 데이터를 판독하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이와 같은 저장 디바이스의 일례는 P.Vettiger 등에 의한 IBM Journal of Research and Development. Vol.44 No 3, May 2000의 "The "Millipede" - More than one thousand tips for future AFM data storage"에 개시되어 있다. 여기에서 개시된 바와 같이, 이 디바이스는 실리콘 기판 상에 제조된 캔틸레버 센서(catilever sensors)의 2 차원 어레이를 포함한다. 각 캔틸레버의 한쪽 단부는 기판에 부착된다. 각 캔틸레버의 다른쪽 단부는 저항성 가열 소자 및 외측을 향하는 팁을 갖는다. 각 캔틸레버는 열 도전체 및 행 도전체를 통해서 어드레스가능하다. 이 열 도전체 및 행 도전체에 의해 각 캔틸레버를 통해 전류를 선택적으로 흘려 그 상에 존재하는 가열 소자를 가열한다.
판독 동작 및 기록 동작 모두에서, 어레이의 팁은 평면 기판을 코팅하는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 층과 같은 폴리머 층을 포함하는 저장 매체와 접촉하며 이동한다.
각 팁을 통해서 폴리머 층으로 국부적 힘을 가하는 단계와 폴리머 층을 국부적으로 변형시키기에 충분한 레벨로 대응하는 열 도전체 및 행 도전체를 통해서 데이터 신호를 인가함으로써 각 팁을 선택적으로 가열하는 단계의 조합에 의해서 팁이 폴리머 층의 표면에 홈 또는 피트(pit)를 남기게 됨으로써 데이터가 저장 매체에 기록된다. 통상적으로, 국부적 힘은 폴리머 층에 대해서 팁을 기계적으로 바이어싱(bias)함으로써 가해진다. 저장 매체는 열적으로 소거될 수 있으며 이어서 여러 번 재기록될 수 있다. 저장 매체를 소거하기 위해서, 폴리머 층이 리플로우(reflow)하기에 충분한 레벨로 가열되어 저장 매체 내에 형성된 홈은 모두 제거된다.
각 가열 소자는 열적 판독 센서를 제공하는데, 그 이유는 이 소자는 온도에 의존하는 저항을 가지기 때문이다. 데이터 판독 동작 동안, 가열 신호는 어레이 내의 각 열로 순차적으로 인가된다. 가열 신호는 선택된 열 내의 가열 소자를 가열하지만 폴리머 층을 변형시키지 않는 온도 레벨까지만 가열한다. 가열 소자와 저장 매체 간의 열 전도도(thermal conductance)는 가열 소자와 저장 매체 간의 거리에 따라 변한다. 저장 매체를 가로 질러서 어레이가 스캐닝되면서 팁이 비트 홈 부분 내로 이동할 때, 가열 소자와 저장 매체 간의 거리는 감소한다. 저장 매체와 가열 소자 간의 매체가 가열 소자와 저장 매체 간에서 열을 전달한다. 각 가열 소자와 저장 매체 간의 열 전달(heat transfer)은 연관된 팁이 홈으로 이동할 때 보다 효율적이게 된다. 그러므로, 가열 소자의 온도가 감소되고 따라서 저항이 감소된다. 각 열(row)의 연속적으로 가열되는 가열 소자의 온도 변화는 병렬로 모니터링되며 이로써 기록된 비트의 검출을 용이하게 할 수 있다. 통상적으로, 비교적 길이가 긴 팁이 허용가능한 신호 대 잡음 비를 얻기 위해서 사용되어왔다. 그러나, 이러한 길이가 긴 팁은 비교적 깨지기 쉬우며 제조하기가 어렵다. 또한, 통상적인 디바이스에서, 기록 동작을 용이하게 하기 위해서 비교적 연성의 폴리머가 사용되었다. 그러나, 이러한 연성 재료와 연관된 문제점은 그 내부에서의 변형이 온도 변화에 대해서 비교적 민감하다는 것이다. 구체적으로 말하자면, 주위 온도 변화에 의해서 변형이 쉽게 제거될 수 있으며 이로써 그에 대응하는 데이터가 손실될 수 있다. 또한, 어레이가 표면을 가로질러서 스캐닝됨에 따라, 팁이 폴리머 물질에 대해 마모된다.
일본 공개 특허공보 제 08 297 870 호의 요약서에 따르면, 캔틸레버의 팁은 기록 층에 대해 스프링 바이어싱되고(spring biased), 따라서 표면 상에서 이동하면서 기록 층의 표면과 지속적으로 접촉한다. 기록 층을 운반하는 기판과 팁 사이에 전압 펄스가 인가되어 팁에서 기판으로의 전류에 의해 국부적으로 기록 층이 연화된다.
US-A 5,537,372는 표면 위를 이동하는 동안 바이어싱 수단을 통해 기록 층의 표면에 대해 연속적으로 눌려지는 팁을 구비한 캔틸레버를 포함하는 프로브 저장 시스템을 개시한다. 레이저를 이용하여 팁 아래의 기록 층 상의 데이터 항목 위치를 선택적으로 가열함으로써 기록 층에 데이터가 기록된다. 가열과 더불어 로딩 힘은 팁을 기록 층으로 압입할 것이다.
EP 0 887 794 A1는 기록 층에 만입부를 생성하기 위해 팁에 힘을 선택적으로 인가하는 기록 장치를 개시한다.
발명의 구성
본 발명에 따라서, 팁을 통해서 표면 상의 위치로/그로부터 데이터를 기록/판독하는 방법이 제공되며, 이 방법은 표면 상의 위치들 간에서 팁을 이동시키는 단계와, 각 위치에서, 팁을 통해서 표면으로 에너지를 선택적으로 인가하고 이 에너지의 선택적 인가와 동시에 팁과 표면에 함께 힘을 선택적으로 가하는 단계를 포함한다. 이러한 구성을 통해 판독 및 기록 민감도가 개선된다.
팁은 바람직하게는 표면으로 향하는 이동과 표면으로부터 멀어지는 이동을 교번적으로 수행한다. 이렇게 하면 팁이 위치들 간을 이동할 때 팁 상의 마모가 감소된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 팁을 통해서 표면으로 에너지를 선택적으로 인가하는 것과 동시에 팁과 표면에 함께 힘을 선택적으로 가함으로써 보다 개선된 판독 및 기록 동작이 달성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 팁과 표면에 함께 힘을 선택적으로 가하는 것과 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 것을 시차를 두고 실행함으로써(offsetting) 기록 및 판독 동작이 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계가, 팁과 표면이 서로를 향해서 이동할 때 팁을 통해서 표면에 에너지를 인가하는 단계를 포함함으로써 기록 성능이 더욱 개선될 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계가 팁이 표면과 결합되는 것과 동시에 표면에 팁을 통해서 에너지를 인가하는 단계를 포함함으로써 기록 성능이 더욱 더 개선될 수 있다.
이와 유사하게, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계가 팁과 표면이 서로 간에 멀어지면서 이동할 때 팁을 통해서 표면에 에너지를 인가하는 단계를 포함함으로써 판독 성능이 더욱 개선될 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계가 팁이 표면과 분리되는 것과 동시에 표면에 팁을 통해서 에너지를 인가하는 단계를 포함함으로써 판독 성능이 더욱 더 개선될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 팁과 표면에 함께 힘을 선택적으로 인가하는 단계는 팁과 표면을 함께 누르기 위해서 팁 상에서 동작하는 힘 필드를 선택적으로 생성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 팁은 힘 필드의 선택적인 생성에 의해서 표면과 결합되는 쪽으로 이동하거나 분리되는 쪽으로 이동한다. 힘 필드는 전계를 포함할 수 있다. 이와 달리, 힘 필드는 자계를 포함할 수 있다. 에너지는 열 에너지를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 팁을 통해서 표면 상의 위치로/그로부터 데이터를 기록/판독하는 장치가 제공되며, 이 장치는 표면 상의 위치들 간에서 팁을 이동시키는 제 1 트랜스듀서 서브시스템(a first transducer subsystem)과, 각 위치에서, 팁을 통해서 표면으로 에너지를 선택적으로 인가하는 제 2 트랜스듀서 서브시스템과, 제 2 트랜스듀서 서브시스템에 의한 에너지 인가 단계와 동시에 팁과 표면에 함께 힘을 선택적으로 인가하는 제 3 트랜스듀서 서브시스템을 포함한다.
바람직하게는 제 3 트랜스듀서 서브시스템은 제 2 트랜스듀서 서브시스템에 의한 에너지 인가 단계와 동시에 팁의 표면으로 향하는 이동과 표면으로부터 멀어지는 이동을 교번적으로 수행한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 3 트랜스듀서 서브시스템은 제 2 트랜스듀서 서브시스템에 의한 에너지 인가 단계와 동시에 팁 및 표면에 함께 힘을 선택적으로 인가한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 2 트랜스듀서 서브시스템에 의해 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계는 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해 팁과 표면에 함께 힘을 선택적으로 인가하는 단계에 대해서 시차를 두고 실행된다. 이러한 실시예에서, 기록 동작 동안, 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 팁과 표면이 서로를 향해서 이동할 때 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 팁을 통해서 표면에 에너지를 인가한다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 기록 동작 동안, 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 팁이 표면과 결합되는 것과 동시에 표면에 팁을 통해서 에너지를 인가한다. 이와 유사하게, 판독 동작 동안, 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 팁과 표면이 서로 간에 멀어지면서 이동할 때 팁을 통해서 표면에 에너지를 인가한다. 또한, 판독 동작 동안, 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 팁이 표면과 분리되는 것과 동시에 표면에 팁을 통해서 에너지를 인가한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 제 3 트랜스듀서 서브시스템은 팁과 표면을 함께 누르기 위해서 팁 상에서 동작하는 힘 필드를 선택적으로 생성하는 힘 필드 생성기를 포함한다. 바람직하게는, 힘 필드 생성기는 힘 필드의 선택적인 생성에 의해서 팁을 표면과 결합되는 쪽으로 이동시키거나 분리되는 쪽으로 이동시킨다. 힘 필드 생성기는 전계 생성기를 포함할 수 있다. 이와 달리, 힘 필드 생성기는 자계 생성기를 포함할 수 있다.
제 2 트랜스듀서 서브시스템은 열 형태의 에너지를 표면에 인가하는 가열기를 포함한다.
본 발명은 저장 표면, 이 저장 표면을 바라보고 있는 팁, 상술한 바와 같이 팁을 통해서 표면 상의 위치로/로부터 데이터를 기록/판독하는 장치를 포함하는 데이터 저장 디바이스에도 적용된다. 본 발명은 중앙 처리 장치 및 이 중앙 처리 장치에 접속된 이러한 데이터 저장 디바이스를 포함하는 데이터 처리 시스템에도 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 오직 예시적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명을 구현하는 데이터 저장 디바이스의 센서의 평면도,
도 2는 화살표 A-A' 방향에서 관측할 때 센서의 단면도,
도 3은 데이터 저장 디바이스의 등측도,
도 4는 기록 동작 후의 데이터 저장 시스템의 저장 매체의 단면도,
도 5는 선택적인 소거 동작 후의 저장 매체의 단면도,
도 6은 선택적인 소거 동작 후의 저장 매체의 다른 단면도,
도 7은 저장 매체의 표면의 에너지 도면,
도 8은 기록 동작 동안 저장 매체의 단면도,
도 9는 선택적인 소거 동작 동안 저장 매체의 단면도,
도 10은 데이터 저장 디바이스의 센서의 다른 단면도,
도 11a는 센서가 저장 표면 상의 연속적인 위치로 어드레스될 때 센서와 저장 매체 간의 이격 거리(spacing)를 나타내는 그래프,
도 11b는 연속적인 각 위치에서 센서에 인가된 기록 신호의 그래프,
도 11c는 연속적인 각 위치에서 센서에 인가된 판독 신호의 그래프,
도 11d는 연속적인 각 위치에서 센서에 인가된 시변화 전계의 그래프.
도 1에서, 본 발명을 구현하는 데이터 저장 시스템은 기판(20) 상에 배치된 2 차원 어레이의 캔틸레버 센서(10)를 포함한다. 열 도전체(60) 및 행 도전체(50)가 또한 기판 상에 배치된다. 각 센서(10)는 열 도전체(60) 및 행 도전체(50)의 상이한 조합에 의해서 어드레스된다. 각 센서(10)는 70 ㎛ 범위의 길이와 수 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 U 형상 실리콘 캔틸레버(15)를 포함한다. 캔틸레버(15)의 림(limb)은 말단부(distal end)에서 실리콘 기판(20)에 고정된다. 캔틸레버(15)의 선단(apex)은 기판(20) 내에 형성된 리세스(70)에 위치하며 기판(20)에 대해서 수직 방향으로 자유롭게 이동할 수 있다. 캔틸레버(15)는 그의 선단에서 저항성 가열 소자(30)와 기판으로부터 떨어져서 바라보고 있는 실리콘 팁(40)을 갖는다. 캔틸레버(15)의 림은 전기 도전도를 높이기 위해서 강하게 도핑된다. 가열 소자(30)는 캔틸레버(15)의 선단을 보다 저농도로 도핑하여 캔틸레버(15)를 흐르는 전류에 대한 증가된 전기 저항 영역을 도입함으로써 형성된다. 캔틸레버(15)의 림 중 하나는 중간 다이오드(80)를 통해서 열 도전체(60)에 접속된다. 캔틸레버(15)의 다른 림은 행 도전체(50)에 접속된다. 열 도전체(60), 행 도전체(50), 다이오드(80)는 기판(20) 상에 배치된다.
도 2에서, 팁(40)은 40nm의 두께를 갖는 PMMA 막과 같은 폴리머 층(90)의 형태로 된 평면 저장 매체를 누른다. 폴리머 층(90)은 실리콘 기판(100)에 의해서 운반된다. 70nm 범위의 두께를 갖는 SU-8와 같은 교차 링크된 포토 레지스트(cross-linked photo resist)의 선택사양적인 버퍼 층(110)이 폴리머 층(90)과 기판(100) 사이에 배치된다. 판독 동작 및 기록 동작 모두에서, 어레이의 팁(40)은 저장 매체의 표면을 가로 질러 이동된다. 기록 동작에서, 팁들의 어레이는 저장 매체에 대해서 이동될 수 있으며 이로써 폴리머 층(90) 구역 상에서 데이터 기록이 가능하게 된다.
팁을 통해서 폴리머 층(90)에 국부적 힘을 인가하는 단계와 대응하는 열 도전체(60)에서 대응하는 행 도전체(50)로 캔틸레버(15)를 통해서 기록 전류를 보냄으로써 팁(40)을 통해서 열 형태의 에너지를 표면에 인가하는 단계의 조합에 의해서 데이터가 저장 매체에 기록된다. 캔틸레버(15)를 통해서 전류를 보냄으로써 가열 소자(30)가 가열된다. 열 에너지는 열 전도를 통해서 가열 소자(30)에서 팁(40)으로 전달된다.
도 3에서, 각 열 도전체(60)는 별도의 라인의 열 멀티플렉서(180)에 접속된다. 이와 마찬가지로, 각 행 도전체(50)도 별도의 라인의 행 멀티플렉서(130)에 접속된다. 데이터 신호 및 제어 신호는 각기의 제어 라인(140,150)을 통해서 제어기(210)와 열 및 행 멀티플렉서(180,130) 간에서 통신된다. 저장 매체(90)는 위치 선정 트랜스듀서(160,170,220)를 통해서 어레이에 대해서 수직 방향으로 제어 가능하게 이동될 수 있다. 트랜스듀서(160,170)는 폴리머 층(90)의 표면에 평행한 면에서 어레이를 이동시킨다. 트랜스듀서(220)는 표면에 대해서 수직 방향으로 어레이를 이동시킨다. 동작 시에, 제어기(210)는 기록 동작 동안 어레이를 구동시키는 기록 신호를 생성하며, 판독 동작 동안 어레이를 구동시키는 판독 신호를 생성하고, 폴리머 층(90)의 표면에 대해서 어레이의 팁의 이동을 제어하기 위해서 트랜스듀서(160,170,220)를 구동하는 위치 선정 신호를 생성한다. 제어기(210)는 또한 판독 동작 동안 어레이로부터의 출력을 수신한다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 트랜스듀서(160,170,220)는 압전성 트랜스듀서, 전자기 트랜스듀서 또는 이들의 조합에 의해서 구현된다. 그러나, 다른 구현 기술이 사용될 수 있다. 제어기(210)는 마이크로프로세서, 마이크로제어기 또는 이와 유사한 제어 디바이스 또는 제어 디바이스들의 집합체에 의해서 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 트랜스듀서(220)는 생략될 수 있다.
도 4에서, 폴리머 층(90)을 국부적으로 변형하기에 충분한 레벨로 팁(40)을 가열하는 기록 전류를 선택하여, 이로써 팁(40)이 폴리머 층(90)의 표면에 홈을 남기게 되며 40nm 범위의 직경을 갖는 피트(120)가 생성된다. 예시적으로, PMMA 막의 국부적 변형은 팁(40)을 섭씨 700 도 정도의 온도로 가열함으로써 달성될 수 있었다. 선택사양적인 버퍼 층(110)은 PMMA 막(90)보다 높은 용융점을 가지며 이로써 팁(40)이 기판(110)을 침식하는 것을 방지하는 침투 방지 역할을 한다. 피트(120)는 폴리머 층(90) 상에서 융기된 폴리머 물질의 링(190)에 의해서 둘러싸인다. 제 2의 중첩하는 피트(121)가 점선으로 도시되어 있다.
가열 소자(30)는 온도에 의존하는 저항을 가지기 때문에 열적 판독 센서를 제공한다. 데이터 판독 동작 동안, 가열 전류가 캔틸레버(15)를 통해서 대응하는 열 도전체(60)에서 대응하는 행 도전체(50)로 전달된다. 이에 따라서, 가열 소자(40)가 다시 가열되지만 폴리머 층(90)을 변형시키기에는 충분하지 않는 온도 레벨까지 가열된다. 가령, 섭씨 400 도 정도의 판독 온도는 PMMA 막을 녹이기에는 충분하지 않지만 그럼에도 불구하고 허용가능한 판독 성능을 제공한다. 가열 소자(30)와 폴리머 층(90) 간의 열 전도도는 가열 소자(30)와 폴리머 층(90) 간의 거리에 따라서 변한다. 판독 동작 동안, 팁(40)은 폴리머 층(90)의 표면을 가로 질러서 스캐닝된다. 이러한 스캐닝 단계는 폴리머 층(90)에 대해서 어레이를 이동시킴으로써 성취된다. 팁(40)이 피트(120) 내부로 이동할 때, 가열 소자(30)와 폴리머 층(90) 간의 거리는 감소한다. 가열 소자(30)와 폴리머 층(90) 간의 매체가 가열 소자(30)와 폴리머 층(90) 간에서 열을 전달한다. 가열 소자(30)와 폴리머 층(90) 간의 열 전달은 팁(40)이 홈(120) 내에서 이동할 때 보다 효율적이다. 이로써, 가열 소자(30)의 온도가 감소되고 그에 따라 저항도 감소된다. 가열 소자(30) 열의 온도 변화는 병렬로 모니터링될 수 있으며 이로써 기록된 비트의 검출을 용이하게 한다.
전술한 가열 전류는 가열 전압 펄스를 대응하는 열 도전체(60)에 인가함으로써 생성된다. 따라서, 가열 전류는 가열 전압 펄스가 인가되는 열 도전체(60)에 접속된 각 센서(10)를 통해서 흐른다. 그러므로, 어레이의 대응하는 열 내의 모든 가열 소자(30)는 가열된다. 이어서, 기록된 데이터가 가열된 센서(10) 열(row)로부터 병렬로 판독된다. 어레이의 각 열이 멀티플렉싱 기법(multiplexing scheme)에 따라서 순차적으로 판독된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 저장 매체는 3mm*3mm 저장 표면을 제공한다.
도 5에서, 기록된 데이터 비트는 소거될 사전기록된 데이터 상에 서로 중첩하는 새로운 피트(121-124)를 형성하여 폴리머 층(90)의 표면을 실질적으로 평탄하게 함으로써 선택적으로 소거될 수 있다. 이는 각각의 새롭게 형성된 피트가 바로 직전의 피트를 효과적으로 소거하도록, 서로 중첩하는 새로운 피트(121-124)의 밀도를 보다 크게 하여 소거될 피트를 오버라이트(overwrite)하는 전술한 기록 동작을 수행함으로써 성취될 수 있다. 도 6에서, 서로 중첩하는 새롭게 형성된 피트(121-124)가 서로 병합되고 소거되어야 하는 피트(120)와도 병합하여서 폴리머 층(90)의 표면을 실질적으로 평탄화시킨다. 전술한 바와 같이, 이러한 소거 작업이 전체적으로 수행될 필요는 없다. 일련의 리플(200)이 폴리머 층(90)의 표면에 남을 수 있다. 소거된 비트가 판독 동작 동안 데이터 비트로서 검출되지 않으면 충분하다. 이는 물론 데이터 기록 민감도에 의존할 것이다. 제어기(120)는 새로운 피트(121-124)의 형성을 제어하기 위해 소거 모드에서 동작가능하다. 도 5에서, 몇몇 애플리케이션에서는, 새로운 피트(124)와 같은, 원하지 않는 데이터 시퀀스를 소거하기 위해서 기록되는 시퀀스 내의 최종의 새로운 비트가 기록될 새로운 데이터 시퀀스의 일부를 형성하는 것도 가능하다. 다른 구성에서는, 원하지 않는 비트를 소거하기 위해서 새로운 비트가 기록되는 밀도는 어떤 새로운 비트도 표면에서 기록 상태로 남게 되지 않을 정도로 될 수 있다.
도 7에서, 폴리머 층(90)의 표면은 안정적인 또는 그라운드 상태(230)와 준안정 상태(240)를 갖는다. 팁(40)을 통해서 표면에 힘(Fw)과 에너지(Ew)의 조합을 인가함으로써 팁(40)과 접촉하는 지점에서 표면은 준안정 상태(240)로 변형된다. 도 7 및 도 8을 조합하여 보면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 팁(40)을 표면 상의 한 위치에 배치시키고 팁(40)을 통해서 표면에 힘(Fw)과 에너지(Ew)의 조합을 인가함으로써 그 위치에서의 표면은 변형되며 이로써 데이터 비트가 그 위치에서 기록된다. 도 9에서, 이어서, 변형부 내에 팁(40)을 위치시키며 팁(40)을 통해서 표면에 에너지(Ee)를 인가함으로써 데이터 비트가 소거된다. 에너지(Ee)는 표면 상에 데이터 비트를 기록하는데 필요한 에너지보다 작지만 표면에 기록된 데이터 비트를 판독하는데 필요한 에너지보다 클 수 있다. 이와 달리, 에너지(Ee)는 에너지 Ew와 같은 크기를 가질 수도 있다. 어느 쪽이든지, 에너지 Ee는 준안정 상태(240)에서 안정 상태(230)로 표면을 안정화시기키는데 충분하다. 소거 동작에서, 힘(Fw)은 감소되고 또한 제거될 수 있다. 힘(Fw)의 감소는 트랜스듀서(220)에 의해서 구현될 수 있다. 힘(Fw)이 감소하는 경우, 변형된 표면 내의 분자를 여기시키기 위해서 에너지(Ee)가 인가되면, 표면 내의 분자간의 힘(Fm)은 표면이 안정 상태로 되어 갈 때 팁(40)을 외부로 밀어내기에 충분하다. 전술한 바와 같이, 판독, 기록, 선택적인 소거 동작에서 필요한 에너지 및 힘의 상이한 조합이 제어기(210)에 의해서 어레이로 제공될 수 있다.
도 10의 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판(110)은 도전성이며 제어기(210)는 어레이의 각각의 팁(40)에 선택적으로 접속가능하고 각 팁(40)과 저장 매체의 인접 영역 간의 전위차를 선택적으로 확립하는 전압 신호 생성기(250)를 포함한다. 전위차는 각 팁(40) 영역에서 전계 E를 생성한다. 전계 E 는 팁(40)이 폴리머 층(90)의 표면을 향하게 하도록 배향된다. 이로써, 팁(40)은 전계 E의 영향 하에서 폴리머 층(90)의 표면에 힘을 추가적으로 인가한다. 이러한 추가적인 힘은 판독 동작 및 특히 기록 동작을 개선시키는데 사용될 수 있다. 구체적으로 말하자면, 추가적인 힘을 통해서 판독 및 기록 동작 모두에서 보다 높은 데이터 레이트가 성취될 수 있다. 실험 상에서, 나노미터 범위에서, 팁(40)에 의해서 폴리머 층(90)의 표면에 변형을 형성하는 힘에 대항하는 점성의 대항력이 약 5 마이크로초 이상의 속도로 작용하였다. 전계 E 에 의해서 인가되는 추가적인 힘은 이러한 점성의 대항력을 극복하는데 도움을 준다. 전계 효과는 팁(40)의 크기를 감소시킴으로써 더 증가될 수 있다. 실험 상에서, 팁(40)이 1 나노미터보다 매우 작게 제조될 때, 상당한 힘이 폴리머 층(90)의 표면 상에 국부적으로 인가되었다. 이러한 짧은 팁의 경우에, 센서(10)와 기판(100) 간의 캐패시턴스는 비교적 높다. 가령, 실험 상에서, 기판(100)과 길이 100nm을 갖는 팁(40) 간에서 인가된 10 볼트 전압은 약 0.1 mN의 힘을 폴리머 층 상에 인가하였다. 심지어 팁(40)과 폴리머 층(90)이 실온에 존재할 경우에도, 이러한 힘은 비교적 연성인 폴리머 내에 홈을 형성하기에 충분할 정도로 크다. 전계가 존재하지 않는 경우에, 팁은 약 0.0001 mN의 부하를 인가한다. 전계가 존재할 때에 팁(40)을 가열함으로써 침투 시간을 크게 줄일 수 있다. 구체적으로 말하자면, 실험 상에서, 전계 E 에 의해서 제공된 추가 힘은 기록 동작 동안 데이터 레이트를 나노초 시간 체제(nanosecond regime)로 되게 하였다. 또한, 팁(40)을 가열하고 동시에 전계 E 를 인가함으로써, 선택적 비트 소거 또는 오버라이트 동작을 수행함에 있어서 유연성이 증가된다. 비트를 기록하고 이와 동시에 이웃하는 비트를 소거하기 위해서, 팁(40)의 온도를 비교적 높은 레벨로 유지하는 것이 바람직하다. 그러나, 비트를 기록하지만 이와 동시에 이웃하는 비트가 소거되는 것을 방지하기 위해서는, 팁(40)을 통해서 폴리머 층(90)에 인가되는 힘을 비교적 높은 레벨로 유지하는 것이 바람직하다. 실험 상에서, 전술한 전계 E 에 의한 힘을 인가하고 그와 동시에 팁(40)을 가열하게 되면, 데이터 저장 밀도가 4 배로 증가된다.
도 11a의 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 팁(40)이 연속하는 판독 동작들 간에서 또한 연속하는 기록 동작들 간에서 폴리머 층(90)의 표면으로부터 제거된다. 예시적으로, 도 11a는 팁(40)이 폴리머 층(90) 상의 연속하는 위치들(A-E)을 통해서 순차적으로 이동할 때 팁(40)과 폴리머 층(90) 간의 이격 거리 d의 변화를 도시한다. 여기서, d0은 팁(40)이 표면과 접촉하게 될 때의 이격 거리를 나타낸다. 위치 A 내지 E는 d0=0에 따라서 표면 상에서 등거리로 위치할 수 있거나 그렇지 않을 수도 있다. d1은 팁이 표면으로부터 가장 멀리 떨어져 있을 때의 이격 거리이다. 이격 거리 d는 트랜스듀서(220)를 거쳐서 제어기(210)에 의해서 제어된다.
도 11b에서, 위치 A 내지 E에 데이터 비트를 기록하는 기록 동작에서, 제어기(210)는 팁(40)이 폴리머 층(90)에 부닥칠 때 팁(40)에 대응하는 가열 소자 양단에 기록 전압 펄스 W1를 인가한다. 기록 전압 펄스 W1은 팁(40)의 영역에서 폴리머 층(90)의 표면을 국부적으로 변형시키기에 충분한 에너지를 팁(40)에서 생성하기에 충분한 크기의 전류 흐름을 가열 소자(30)에서 생성한다. 팁(40)이 멀리 떨어져 있는 위치로부터 표면에 충격을 가함으로써 폴리머 층(90)의 표면에 변형이 보다 양호하게 생성될 수 있는데, 그 이유는 이렇게 함으로써 추가적 에너지가 폴리머 층(90)의 표면에 부여되기 때문이다. 이렇게 형성된 변형은 기록된 데이터의 명료도를 향상시킨다. 위치 A 내지 E의 일련의 위치가 순차적으로 기록됨에 따라서, 대응하는 연속적인 기록 펄스는 상위 전압 레벨 W1 및 하위 전압 레벨 W0 간에서 교번하는 기록 신호 W을 생성한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 기록 펄스 W1 인가 기간은 팁(40)이 폴리머 층(90)의 표면에 접촉하는 기간과 일치한다. 그러나, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 기록 펄스 W1 인가 기간은 팁(40)과 폴리머 층(90)이 접촉하는 기간과 일치하지 않고 어긋나며, 이로써 폴리머 층의 표면 상에 팁(40)이 충돌하기 이전에 기록 전압이 가열 소자(30) 양단에 인가되며, 이후에 팁(40)이 폴리머 층(90)과 접촉하는 기간 동안 계속적으로 기록 전압이 인가되고, 팁(40)이 폴리머 층(90)과 분리되기 이전에 기록 전압이 제거된다. 이렇게 접촉 기간과 기록 펄스 인가 기간을 어긋나게 함으로써 팁(40)에서 폴리머 층(90)의 표면으로의 에너지 전달을 최적화할 수 있으며, 이로써 폴리머 층의 표면의 변형 정도가 증대된다.
도 11c에서, 위치 A 내지 E에서 데이터 비트를 판독하는 판독 동작에서, 제어기(210)는 팁(40)이 폴리머 층(90)으로부터 분리될 때 팁(40)에 대응하는 가열 소자 양단에 판독 전압 펄스 R1를 인가한다. 판독 전압 펄스 R1은 폴리머 층(90)의 표면 내의 변형에 대응하는 에너지 전달에서의 변화 정도의 검출을 가능하게 하기에 충분한 에너지를 팁(40)의 영역에서 생성하기에 충분한 크기의 전류를 가열 소자(30)에서 생성한다. 폴리머 층(90)으로부터 팁(40)이 분리되지 못하도록 반대로 작용하는 폴리머 층(90)의 표면에서의 힘에 의해서 기록된 데이터의 검출이 보다 양호하게 수행될 수 있다. 위치 A 내지 E의 일련의 위치가 순차적으로 판독됨에 따라서, 대응하는 연속적인 판독 펄스는 상위 전압 레벨 R1 및 하위 전압 레벨 R0 간에서 교번하는 판독 신호 R을 생성한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 판독 펄스 R1 인가 기간은 팁(40)이 폴리머 층(90)의 표면에 접촉하는 기간과 일치한다. 그러나, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 판독 펄스 R1 인가 기간은 팁(40)과 폴리머 층(90)이 접촉하는 기간과 일치하지 않고 어긋나며, 이로써 폴리머 층의 표면과 팁(40)이 접촉하는 기간 동안 판독 전압이 가열 소자(30) 양단에 인가되며, 팁(40)이 폴리머 층(90)과 분리된 후 그러나 팁(40)과 폴리머 층이 다음에 접촉하게 되기 이전에 판독 전압은 제거된다. 이렇게 접촉 기간과 판독 펄스 인가 기간을 어긋나게 함으로써 폴리머 층(90)의 표면의 변형부에 기록된 데이터 비트의 검출을 최적화한다.
도 11a 내지 도 11c을 참조하여 상술된 판독 동작 및 기록 동작 동안, 어레이의 팁(40)은 오직 비교적 짧은 기간 동안 만(통상적으로 밀리 내지 마이크로 초) 폴리머(90)와 접촉된 채로 유지된다. 이는 유리하게는 팁(40)이 폴리머 층(90)에 대해서 횡적으로 이동하는데 있어서 마찰 장애를 감소시킨다. 또한, 그와 달리 팁(40)과 폴리머 층(90) 간의 연장된 접촉에 의해서 생성될 수 있는 팁의 마모 정도를 제한한다. 또한, 팁(40)의 크기의 균일성 및 정확도에 대한 요구 정도를 감소시킨다. 또한, 팁(40)과 폴리머 층(90) 간의 이격 거리에서의 보다 큰 변화 정도도 허용될 수 있다. 이는 제조 비용을 줄이고 프로세스 수율을 증가시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예의 도 11d에서, 판독 동작 및 기록 동작은 제어기(210)의 전압 신호 생성기(250)를 통해서 팁(40)과 기판(100) 간의 전위차를 전압 V1 과 전압 V0 간에서 변화시킴으로써 개선된다. 이러한 전압 변화는 팁(40)과 폴리머 층(90) 간의 접촉 기간과 분리 기간과 동기화된다. 구체적으로 말하자면, 폴리머 층(90)의 표면과 팁(40)이 접촉하는 기간은 전압 신호 생성기(250)에 의해서 팁(40)과 기판(100) 간에 전압 펄스가 인가되는 기간과 동일하도록 타이밍을 정한다. 전압 펄스는 팁(40) 영역에서 전계 E 를 생성한다. 전계 E 는 팁(40)이 폴리머 층(90)의 표면을 누르도록 배향된다. 이로써, 팁(40)은 전계 E 의 영향하에서 폴리머 층의 표면으로 추가적인 힘을 인가한다. 본 발명의 본 실시예의 바람직한 변경에서, 기록 동작 동안, 기판(100)과 팁(40) 간에 인가된 전압 펄스는 팁(40)에 인가된 기록 펄스와 동기되어 폴리머 층(90)의 데이터 기록을 개선시킨다. 이와 마찬가지로, 본 발명의 본 실시예의 다른 바람직한 변경에서, 판독 동작 동안, 기판(100)과 팁(40) 간에 인가된 전압 펄스는 팁(40)에 인가된 판독 펄스와 동기화되어 폴리머 층(90) 내에 기록된 데이터의 판독을 개선시킨다.
도 11d를 참조하여 상술된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 팁(40)과 기판(100) 사이에 팁(40)과 폴리머 층(90)의 주기적 결합에 대응하는 전위차 변화가 부다된다. 그러나, 본 발명의 몇몇 실시예에서, 기판(100)과 팁(40) 간의 전위차의 주기적 변화는 폴리머 층(90)에 대해서 수직 방향으로 이동하는 것과 상관없이 사용될 수 있다. 구체적으로 말하자면, 이러한 실시예에서, 기판(100)과 팁(40) 간에 인가된 전압 펄스는 요구된 동작이 지시한 바와 같은 팁으로 인가된 판독 펄스 또는 기록 펄스와 동기화되도록 유지된다. 그러나, 폴리머 층(90)에 대한 팁(40)의 횡적 이동이 트랜스듀서(160,170)에 의해서 생성될 때 팁(40)은 폴리머 층(90)의 표면과 계속적으로 접촉된 채로 유지된다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예인 도 10에서, 기판 영역은 개별적으로 어드레스가능한 도전성 구역으로 분할된다. 전압 신호 생성기(250)는 기판(100) 내에 형성된 어드레스 라인을 통해서 도전성 구역으로 선택적으로 접속가능하다. 이로써, 제어기(210)는 전압 신호 생성기(250) 및 이에 수반되는 어드레스 라인을 통해서 선택된 도전성 구역과 선택된 팁(40) 또는 팁의 그룹(40) 간에서 전계 E 를 생성한다. 전술한 바와 같이, 전계 E 는 기판(100)과 팁(40)의 가열 소자(30) 간에서 확립될 수 있다. 이와 달리, 전계 E 는 가열 소자(30)와 상관없이 전계 E 를 생성하기 위해 센서(10) 내에 통합된 개별 도전성 플랫폼(platform)과 기판(100) 간에서 확립될 수 있다. 기판(20) 내에 또는 기판(20) 상에 형성된 어드레스가능한 도전성 경로━각각의 도전성 경로는 도전성 플랫폼들 중 상이한 하나의 도전성 플랫폼에 접속됨━가 제어기(210)에 의해서 사용되어 선택된 팁(40) 또는 팁 그룹(40)에 전계 E 를 인가할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전계 E 는 기판(20) 및 센서(10) 내에 또는 상에 각기 형성된 도전성 코일을 통해 전류를 선택적으로 흐르게 함으로써 생성되는 자계에 의해서 대체될 수 있다.
본 명세서에서 제안된 본 발명의 다양한 실시예를 요약하기 위해서, 표면 상의 위치들 간에서 팁을 이동시키는 단계를 포함하는, 팁을 통해서 표면 상의 위치로/로부터 데이터를 기록/판독하는 방법이 상술되었다. 각 위치에서, 팁과 표면은 서로를 향해서 이동된다. 이어서, 에너지 및 힘이 팁을 통해서 표면으로 인가된다. 이어서, 팁과 표면은 서로 분리된다. 본 명세서에서 기술된 다른 실시예에서, 팁이 표면을 누르도록 하기 위해서 힘 필드가 팁 영역에 인가된다.

Claims (28)

  1. 팁(tip)을 통해서 표면 상의 위치들로/그로부터 데이터를 기록/판독하는 방법에 있어서,
    상기 표면 상의 위치들 간에서 상기 팁(40)을 이동시키는 단계와,
    각 위치에서, 가열 소자(30)를 펄스 모드로 동작시킴으로써 상기 팁(40)을 통해 상기 표면으로 에너지를 선택적으로 인가하는 단계- 캔틸레버 센서(10)는 상기 가열 소자(30) 및 상기 팁(40)을 포함함 -와,
    상기 선택적 에너지 인가와 동시에 펄스 모드로 상기 팁(40)과 상기 표면에 함께 힘을 선택적으로 가하는(selectively forcing) 단계
    를 포함하는 데이터 기록/판독 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁(40)을 상기 표면으로 향하게 하는 이동 단계와 상기 팁을 상기 표면으로부터 멀어지게 하는 이동 단계를 교번적으로 수행하는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 팁(40)을 통해서 상기 표면으로 에너지를 선택적으로 인가하면서 이와 동시에 상기 팁(40)과 상기 표면에 함께 힘을 선택적으로 인가하는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  4. 삭제
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계는 상기 팁(40)과 상기 표면이 서로를 향해서 이동할 때 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면에 에너지를 인가하는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계는 상기 팁(40)이 상기 표면과 결합되는 것과 동시에 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면으로 에너지를 인가하는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계는 상기 팁(40)과 상기 표면이 서로 간에 멀어지면서 이동할 때 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면에 에너지를 인가하는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 표면에 에너지를 선택적으로 인가하는 단계는 상기 팁(40)이 상기 표면과 분리되는 것과 동시에 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면에 에너지를 인가하는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  9. 제 1 항과 제 2 항과 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팁(40)과 상기 표면에 함께 힘을 선택적으로 인가하는 단계는 상기 팁(40) 상에서 동작하는 힘 필드(force field)를 선택적으로 생성하여 상기 팁(40)과 상기 표면을 함께 누르는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 힘 필드의 선택적인 생성에 의해서 상기 팁(40)을 상기 표면과 결합되는 쪽으로 이동시키거나 분리되는 쪽으로 이동시키는 단계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 힘 필드는 전계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 힘 필드는 자계를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 방법.
  13. 삭제
  14. 팁을 통해서 표면 상의 위치들로/로부터 데이터를 기록/판독하는 장치에 있어서,
    상기 팁(40) 및 가열 소자(30)를 포함하는 캔틸레버 센서(10)와,
    상기 표면 상의 위치들 간에서 상기 팁(40)을 이동시키는 제 1 트랜스듀서 서브시스템(a first transducer subsystem)과,
    각 위치에서, 상기 가열 소자(30)를 펄스 모드로 동작시킴으로써 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면으로 에너지를 선택적으로 인가하는 제 2 트랜스듀서 서브시스템과,
    상기 제 2 트랜스듀서 서브시스템에 의한 에너지 인가와 동시에 펄스 모드로 상기 팁(40)과 상기 표면에 함께 힘을 선택적으로 가하는 제 3 트랜스듀서 서브시스템
    을 포함하는 데이터 기록 및 판독 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 3 트랜스듀서 서브시스템은 상기 제 2 트랜스듀서 서브시스템에 의한 에너지 인가와 동시에 상기 팁(40)의 상기 표면으로 향하는 이동과 상기 표면으로부터 멀어지는 이동을 교번적으로 수행하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 제 3 트랜스듀서 서브시스템은 상기 제 2 트랜스듀서 서브시스템에 의한 에너지 인가와 동시에 상기 팁(40) 및 상기 표면에 함께 힘을 선택적으로 가하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  17. 삭제
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 상기 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 상기 팁(40)과 상기 표면이 서로를 향해서 이동할 때 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면에 에너지를 인가하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 상기 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 상기 팁(40)이 상기 표면과 접촉되는 것과 동시에 상기 표면에 상기 팁(40)을 통해서 에너지를 인가하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 상기 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 상기 팁(40)과 상기 표면이 서로 간에 멀어지면서 이동할 때 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면에 에너지를 인가하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜스듀서 서브시스템은 상기 제 3 트랜스듀서 서브시스템에 의해서 상기 팁(40)이 상기 표면과 분리되는 것과 동시에 상기 표면에 상기 팁(40)을 통해서 에너지를 인가하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  22. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 팁(40) 상에서 동작하는 힘 필드를 선택적으로 생성하여 상기 제 3 트랜스듀서 서브시스템은 상기 팁(40)과 상기 표면을 함께 누르는 힘 필드 생성기를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 힘 필드 생성기는 상기 힘 필드의 선택적인 생성에 의해서 상기 팁(40)을 상기 표면과 결합되는 쪽으로 이동시키거나 분리되는 쪽으로 이동시키는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 힘 필드 생성기는 전계 생성기를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 힘 필드 생성기는 자계 생성기를 포함하는
    데이터 기록 및 판독 장치.
  26. 삭제
  27. 저장 표면, 상기 저장 표면을 바라보고 있는 팁, 제 14 항 또는 제 15 항에 따른, 상기 팁(40)을 통해서 상기 표면 상의 위치로/로부터 데이터를 기록/판독하는 장치를 포함하는 데이터 저장 디바이스.
  28. 중앙 처리 장치, 상기 중앙 처리 장치에 접속된 제 27 항에서 청구된 데이터 저장 디바이스를 포함하는 데이터 처리 시스템.
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