KR100585462B1 - 정보 저장 및 독출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 균일한 크기로 정렬된 나노점을 갖는 나노 소자에 정보를 저장하거나 저장된 정보를 독출하기 위한 정보 저장 및 독출 장치에 관한 것으로, 나노 소자의 정렬된 각 나노점 상에 위치 가능하도록 캔티레버에 의해 이동되는 탐침과, 상기 탐침이 선택된 나노점 상에 위치된 상태에서 상기 탐침과 상기 나노 소자 사이에 저장 바이어스 전압 또는 독출 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 전원공급부와, 상기 탐침의 위치를 검출하기 위한 빔을 제공하는 빔 발생수단과, 상기 탐침으로부터 반사되는 빔을 검출하는 위치검출수단과, 상기 위치검출수단으로부터 출력되는 신호를 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기로부터 출력되는 신호를 이용하여 상기 나노점에 저장된 정보를 판독하는 검출회로를 포함한다.
정보 저장, 원자력 현미경, 탐침, 나노점, 전하 주입

Description

정보 저장 및 독출 장치 {Data storing and reading apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 정보 저장 및 독출 장치를 설명하기 위한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 나노 소자 2: 캔티레버 구동부
3: 탐침 4: 빔 발생수단
5: 위치검출수단 7: 검출회로
8: 피드백 루프회로 9: 스위칭부
10: 캔티레버 11: 바이어스 전원공급부
본 발명은 정보 저장 및 독출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 균일한 크기의 나노점이 규칙적으로 배열된 나노 소자에 전기적으로 정보를 저장하거나 독출하기 위한 정보 저장 및 독출 장치에 관한 것이다.
정보를 기록 및 재생하는 방식은 크게 자기기록, 광기록, 전기기록 등으로 구분될 수 있다. 자기기록 방식은 대용량의 정보를 저장하기 위한 장치에 보편적으로 적용되며, 광기록 방식은 휴대가 가능한 장치에 주로 적용된다.
최근에는 플래시 메모리와 같이 전기를 이용하여 정보를 저장하는 장치가 개발되었으며, 기술적 진보와 생산가격의 절감을 통해 빠른 속도로 보급되고 있다. 하지만 기존의 정보 저장 장치들은 여러 가지 단점을 가지고 있다.
자기 기록 방식은 센서의 감도를 최대한으로 증가시킨다 하더라도, 초상자성 한계(superparamagnetic limit)로 인하여 최대 저장 밀도가 제한된다. 또한 광기록 방식도 사용하는 빛의 파장과 렌즈의 개구수(numerical aperture)에 따라 분해능 한계(diffraction limit)가 존재하여 마찬가지로 저장 밀도를 증가시키기 어렵다. 반면, 전기 기록 방식은 전기를 저장하는 매체의 크기에 제약이 없으므로 전하를 저장하는 공간의 크기를 자유로이 조절할 수 있으며, 이를 감지하는 센서의 감도를 높일 수 있다면 저장 밀도를 획기적으로 증가시키는 것이 가능하다.
전기 기록 방식에는 플래시 메모리와 같이 SiNxOy 층에 전하를 주입하거나 고유전율 물질의 유전 분극을 이용하는 FRAM의 방식이 존재한다. 하지만 이들 방식도 전하 주입 영역이 SiNxOy 층 계면의 트랩 스테이트(trap state)에 존재하기 때문에 밀도를 조절하기 어려울 뿐만 아니라 반복적인 동작에 의해 노화된다. 마찬가지로 FRAM 방식도 유전물질의 크기가 작아지면 유전분극의 크기가 줄어들어 강유전성을 잃어버리게 되고, 공정에 따른 열적 손상이나 반복적인 동작에 의해 노화된다.
본 발명은 규칙적으로 배열된 나노점을 갖는 나노 소자에 전기적으로 정보를 저장하거나 저장된 정보를 독출할 수 있도록 하므로써 저장 밀도와 재생 속도를 증 가시킬 수 있는 정보 저장 및 독출 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고밀도의 균일한 나노점을 구비하는 나노 소자에 정보를 저장하거나 저장된 정보를 독출하기 위한 정보 저장 및 독출 장치에 있어서, 상기 나노 소자의 각 나노점 상에 위치 가능하도록 캔티레버에 의해 이동되는 탐침과, 상기 탐침이 선택된 나노점 상에 위치된 상태에서 상기 탐침과 상기 나노 소자 사이에 저장 바이어스 전압 또는 독출 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 전원공급부와, 상기 탐침의 위치를 검출하기 위한 빔을 제공하는 빔 발생수단과, 상기 탐침으로부터 반사되는 빔을 검출하는 위치검출수단과, 상기 위치검출수단으로부터 출력되는 신호를 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기로부터 출력되는 신호를 이용하여 상기 나노점에 저장된 정보를 판독하는 검출회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탐침과 캔티레버는 원자력 현미경으로부터 제공되며, 상기 빔 발생수단은 레이저 다이오드로 구성되고, 상기 위치검출수단은 포토 다이오드로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 바이어스 전원공급부로부터 제공되는 상기 저장 바이어스 전압은 직류전압이고, 상기 독출 바이어스 전압은 교류전압이며, 상기 저장 및 독출 동작을 위해 상기 바이어스 전원공급부를 선택적으로 동작시키는 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
금속이나 반도체 소재로 이루어진 나노점에 전하를 주입시키면 나노점에 전 하가 저장되며, 각 저장 단위인 나노점에 저장되는 전하의 크기를 조절하면 정보를 멀티-레벨(multi-level)로 처리할 수 있어 저장 밀도와 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있다.
최근 연구 결과에 따르면 수 내지 수십 나노(nm) 정도의 크기와 배열 주기를 갖는 나노점 형성이 가능하게 되었다. 나노 구조는 대개 전자선을 이용하여 형성하지만, 전자선 형성법은 점 단위 기술이므로 수율(throughtput)이 낮아 나노점 메모리의 제작에는 적합하지 않다. 반면, 자기 정렬이 가능한 고분자 물질이나 Al2O3 등의 템플레이트(template)을 이용한 대면적 고밀도 나노점 제작 기술은 기존의 반도체 공정과 연동이 가능하고 저렴한 가격으로 규칙적인 나노점을 제작할 수 있기 때문에 나노점 템플레이트를 이용한 나노점 메모리 제작 기술과 나노(nm) 스케일의 분해능을 갖는 원자력 현미경(AFM)을 기반으로 정보 저장 및 독출 장치를 구성한다면 고밀도 대용량의 초고속 정보 저장 장치를 구현할 수 있게 된다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정보 저장 및 독출 장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 적용되는 나노 소자를 설명하기 위한 평면도 및 단면도이다.
먼저, 본 발명에 적용되는 나노 소자는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(100) 상에 금속이나 반도체 소재로 이루어진 다수의 나노점(120)들이 규칙적 으로 배열되며, 각 나노점(120)들은 산화막 등으로 이루어진 절연막(110)에 의해 서로 전기적으로 절연된다.
그러면 상기와 같이 구성된 나노 소자에 정보를 저장하거나, 저장된 정보를 독출하기 위한 본 발명에 따른 정보 저장 및 독출 장치를 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
상기 나노 소자의 각 나노점(120) 상에 캔티레버(10)에 의해 이동되는 탐침(3)이 위치될 수 있으며, 상기 탐침(3)이 선택된 나노점(120) 상에 위치된 상태에서 바이어스 전원공급부(11)로부터 탐침(3)과 나노 소자 사이에 저장 바이어스 전압 또는 독출 바이어스 전압이 인가된다.
빔 발생수단(4)은 상기 탐침(3)의 위치를 검출하기 위한 빔을 제공하며, 위치검출수단(5)은 상기 탐침(3)으로부터 반사되는 빔을 검출하여 전기적 신호를 생성한다. 상기 위치검출수단(5)으로부터 출력되는 신호는 증폭기(6)를 통해 증폭된 후 검출회로(7)로 입력되고, 상기 검출회로(7)는 상기 증폭기(6)로부터 제공되는 신호를 이용하여 상기 나노점(120)에 저장된 정보를 판독한다.
상기 바이어스 전원공급부(11)는 저장 및 독출 동작을 위해 직류(DC) 바이어스 전압(Vdc) 또는 교류(AC) 바이어스 전압(Vac)을 선택적으로 출력하는데, 상기 바이어스 전원공급부(11)는 상기 검출회로(7)로부터 신호를 입력받는 피드백 루프회로(8)의 출력신호에 따라 동작되는 스위칭부(9)에 의해 제어된다. 즉, 저장 동작을 위해서 상기 바이어스 전원공급부(11)는 상기 탐침(3)과 나노 소자 사이에 직류(DC) 바이어스 전압(Vdc)을 공급하고, 독출 동작을 위해서는 상기 탐침(3)과 나노 소자 사이에 약한 교류(AC) 바이어스 전압(Vac)을 공급한다.
또한, 한번의 저장 또는 독출 동작이 완료되면 다음 동작을 위해 상기 탐침(3)은 일정한 위치로 귀환해야 하는데, 피드백 루프회로(8)는 상기 증폭기(6)로부터 출력되는 신호에 따라 초기화 신호를 캔티레버 구동부(2)로 제공하여 상기 탐침(3)이 일정한 레벨에 위치되도록 한다.
상기 캔티레버(10) 및 탐침(3)은 나노(nm) 스케일의 분해능을 갖는 원자력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)으로부터 제공될 수 있다. 원자력 현미경은 나노(nm) 스케일의 공간 분해능을 갖도록 압전(piezo) 등을 이용하여 상기 캔티레버(10) 및 탐침(3)을 구동시킨다. 또한, 상기 빔 발생수단(4)은 레이저 다이오드로 구성하고, 상기 위치검출수단(5)은 포토 다이오드로 구성할 수 있다.
그러면 상기와 같이 구성된 정보 저장 및 독출 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
[정보 저장]
처리장치(도시안됨) 등으로부터 소정의 정보를 저장하기 위한 신호가 제공되면 상기 캔티레버 구동부(2)는 상기 탐침(3)을 나노 소자의 선택된 나노점(120) 상에 위치시킨다. 상기 바이어스 전원공급부(11)로부터 상기 탐침(3)과 나노 소자 사이에 직류(DC) 바이어스 전압(Vdc)이 공급되면 상기 나노점(120)에 전하가 주입된다. 나노점(120)에 전하를 주입하기 위해 탐침(3)과 나노 소자 사이에 직류(DC) 바 이어스 전압(Vdc)을 인가할 때 임의적으로 전압의 부호와 크기를 조절하여 멀티-레벨(multi-level)의 정보를 저장할 수 있다.
예를 들어, 50nm 크기의 금속 나노점(120)들이 균일하게 배열된 나노 소자의 경우, 탐침(3)과 나노 소자 사이에 직류(DC) 바이어스 전압(Vdc)을 인가하여 나노점(120)에 원하는 전하를 분포하도록 할 수 있다. 원자력 현미경(AFM)의 탐침을 이용하여 측정한 결과 각각의 나노점에 분포된 전하를 정량적으로 확인할 수 있었다. 도 3a는 나노 소자의 나노점 분포를 보여주며, 도 3b 및 도 3c는 동일한 영역에서 전압의 방향을 조절하여 주입되는 전하를 +, - 상태로 각각 조절한 경우의 전하 분포를 나타낸다. 탐침과 나노 소자 사이에 인가하는 전압에 따라 각각의 나노점에 독립적으로 저장된 전하의 크기를 알 수 있다. 즉, 하나의 나노점에 저장되는 전하의 부호와 크기를 자유로이 조절할 수 있고, 나노점에 저장된 전하의 크기를 연속적으로 제어할 수 있으므로 정보를 멀티-레벨로 저장할 수 있게 된다.
[정보 독출]
처리장치(도시안됨) 등으로부터 소정의 나노점(120)에 저장된 정보를 독출하기 위한 신호가 제공되면 상기 캔티레버 구동부(2)는 상기 탐침(3)을 나노 소자의 선택된 나노점(120) 상에 위치시킨다. 상기 바이어스 전원공급부(11)로부터 상기 탐침(3)과 나노 소자 사이에 약한 교류(AC) 바이어스 전압(Vac)이 공급되면 상기 나노점(120)에 주입된 전하량에 따라 상기 탐침(3)이 움직이는데, 상기 빔 발생수단(4)으로부터 제공되는 빔이 상기 탐침(3)에 반사되어 위치검출수단(5)으로 입사되므로써 상기 탐침(3)의 이동량에 해당하는 전기적 신호가 생성된다. 이 때 생성되는 신호는 매우 미약하기 때문에 상기 증폭기(6)는 상기 신호를 증폭하여 검출회로(7)로 출력하고, 상기 검출회로(7)는 상기 증폭기(6)로부터 제공되는 신호를 이용하여 상기 나노점(12)에 저장된 정보를 판독한다. 즉, 각 나노점(120)에 하전된 전하량을 측정함으로써 정보를 독출할 수 있게 된다.
본 발명이 적용되는 나노 소자의 나노점은 블록 공중합체나 Al2O3 등의 템플레이트를 이용한 금속 또는 반도체 증착 공정과 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 형성할 수 있다. 자기정렬을 이루는 블록 공중합체를 이용한 나노 격자 구조의 템플레이트를 제작하고, 이를 이용하여 정렬된 금속 또는 반도체 나노점 격자를 형성한다. 전하를 저장하기 위한 구조로 금속 산화물, 실리콘 산화물 또는 질화물 등으로 이루어지는 상하부 절연층과 하부 전극을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 규칙적으로 배열된 나노점을 갖는 나노 소자에 전기적으로 정보를 저장하거나 저장된 정보를 독출할 수 있도록 한다. 또한, 나노점에 저장되는 전하의 부호와 크기를 조절하고 나노점에 저장된 전하의 크기를 연속적으로 제어하여 정보를 멀티-레벨로 저장할 수 있도록 한다. 따라서 대면적의 기판 상에 나노점이 고밀도로 배열된 나노 소자에 본 발명을 적용하면 정보의 저장 밀도와 처리 속도를 증가시킬 수 있으며, 멀티-레벨의 정보 저장이 가능한 고밀도 대용량의 초고속 정보 저장 장치를 구현할 수 있다.

Claims (6)

  1. 다수의 나노점을 구비하는 나노 소자에 정보를 저장하거나 저장된 정보를 독출하기 위한 정보 저장 및 독출 장치에 있어서,
    상기 나노 소자의 나노미터 크기의 격자점인 각 나노점 상에 공간적으로 규칙적인 구조를 갖는 위치로의 제어가 가능하도록 캔티레버에 의해 이동되는 탐침과,
    상기 탐침이 선택된 나노점 상에 위치된 상태에서 상기 탐침과 상기 나노 소자 사이에 저장 바이어스 전압 또는 독출 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 전원공급부와,
    상기 탐침의 위치를 검출하기 위한 빔을 제공하는 빔 발생수단과,
    상기 탐침으로부터 반사되는 빔을 검출하는 위치검출수단과,
    상기 위치검출수단으로부터 출력되는 신호를 증폭하는 증폭기와,
    상기 증폭기로부터 출력되는 신호를 이용하여 상기 나노점에 다중레벨로 저장된 정보를 판독하는 검출회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 및 독출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탐침과 캔티레버는 원자력 현미경으로부터 제공되는 것을 특징으로 하는 정보 저장 및 독출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 바이어스 전원공급부로부터 제공되는 상기 저장 바이어스 전압은 직류전압이고, 상기 독출 바이어스 전압은 교류전압인 것을 특징으 로 하는 정보 저장 및 독출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 발생수단은 레이저 다이오드로 구성되고, 상기 위치검출수단은 포토 다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 정보 저장 및 독출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 저장 및 독출 동작을 위해 상기 바이어스 전원공급부를 선택적으로 동작시키는 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 및 독출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 탐침의 위치를 초기화시키기 위한 신호를 제공하는 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 저장 및 독출 장치.
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