KR100695145B1 - 탄소나노튜브를 이용한 자기헤드 - Google Patents

Abstract

탄소나노튜브를 이용한 자기헤드가 개시된다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 자기헤드는, 기판에 일단이 고정된 적어도 하나 이상의 탄소나노튜브 탄성부재; 및 상기 탄소 나노튜브 탄성부재의 자유단에 구비된 자성체 팁; 을 포함하고, 기록매체에 기록되어 있는 자기 정보 영역과 상기 자성체 팁 사이의 자기력에 의해 일어나는 상기 탄소나노튜브 탄성부재의 변형에 따라 재생 신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

자기헤드, 탄소나노튜브, 자성체 팁, 나노입자

Description

탄소나노튜브를 이용한 자기헤드{Magnetic head using carbon nanotube}

도1a 및 도1b는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다.

도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다.

도3은 본 발명의 제3실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다.

도4는 본 발명의 제4실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다.

* 발명의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 기록매체 11,12: 자기 정보영역

20: 기판 50,51,52: 탄소나노튜브 탄성부재

80,81,82: 자성체 팁

본 발명은 자기헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기록매체에 기록된 자기 정보에 따라 재생 신호를 발생시키는 자기헤드에 관한 것이다.

자기헤드는 일반적으로 자기 정보 저장 분야인 HDD(Hard Disk Drive) 등의 분야에서 사용되는 장치로서, 기록매체의 자기 정보영역에 자계 폴의 방향에 의해 기록된 정보를 재생하거나, 그러한 형태의 정보를 기록하는 장치를 말한다.

종래의 자기신호 재생용 자기헤드로는 자기장 변화에 따른 자성물질의 전기저항 값의 변화를 이용하여 자기장을 검출하는 방식이 널리 쓰여왔으며, 특히 자기장 검출 성능의 향상을 위한 노력에 의해서 AMR(anisotropic magnetoresistance), GMR(giant mangetoresitance), TMR(tunneling magnetoresistance)등 다양한 자기저항 방식의 센서가 개발되어 왔다. 이러한 개발을 통해 1~2%의 자기저항비를 나타내는 초기 AMR 방식의 센서로부터 현재 10%대의 자기저항비를 갖는 GMR 방식의 센서로 발전하였으며, 최근에는 40%대의 자기저항비를 갖는 TMR 방식의 센서가 상용화를 앞두고 있다.

그러나 제곱인치당 테라 비트 (Terabit/in²) 이상의 고기록밀도에 대응하기 위해서는 TMR의 성능을 넘어서는 높은 민감도 이외에도 십수 나노미터 이하의 크기를 갖는 비트에 대응하는 분해능이 필요하게 된다. 본 발명은 자성물질을 포함하는 탄소 나노 튜브를 이용하여 수 나노미터 영역을 높은 민감도로 검출해 낼 수 있는 탄소 나노 튜브 자기장 센서에 대한 것이다.

본 발명은 자기 기록매체의 정보영역에 기록된 자계의 방향에 따라 높은 감도의 재생 신호를 출력할 수 있는 자기헤드를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 탄소나노튜브를 이용하여 나노 스케일의 소형화가 가능하고, 고도로 집적화된 자기 정보를 정확하게 재생할 수 있는 자기헤드를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 자기헤드는, 기판에 일단이 고정된 적어도 하나 이상의 탄소나노튜브 탄성부재; 및 상기 탄소 나노튜브 탄성부재의 자유단에 구비된 자성체 팁; 을 포함하고, 기록매체에 기록되어 있는 자기 정보 영역과 상기 자성체 팁 사이의 상호 자기력에 의해 일어나는 상기 탄소나노튜브 탄성부재의 변형에 따라 재생 신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 탄소나노튜브 탄성부재는 일자형으로 형성된 것으로서, 그 자유단이 기록매체의 기록면에 대하여 수평 방향의 탄성 변위를 갖는 것일 수 있다. 또한, 적어도 한 번 이상 절곡된 것으로서, 주로 그 절곡부가 탄성 변형되어 상기 자유단이 기록매체의 기록면에 대하여 수직 방향의 탄성 변위를 갖는 것일 수도 있다.

상기 탄소나노튜브 탄성부재는 하나의 자기헤드에 하나 또는 한 쌍이 구비될 수 있고, 역시 하나의 자기 헤드에 다수 또는 다수 쌍이 병렬적으로 구비될 수 있음은 물론이다. 어떤 경우에도 각 탄소나노튜브 탄성부재의 자유단에는 하나의 자성체 팁이 구비된다.

상기 자성체 팁은 강자성(ferromagnetic) 재료로 이루어진 것으로서, 본 발명의 실시 형태에 따라 경자성(hard magnetic) 또는 연자성(soft magnetic) 재료로 이루어진다. 경자성 재료로는 알니코(Alnico: 철에 알루미늄, 니켈, 코발트를 첨가한 합금), 희토류 자석(rare earth magnet) 또는 경질 페라이트(hard ferrite) 등이 사용될 수 있고, 연자성 재료로는 철-실리콘 합금, 퍼멀로이(permalloy: 니켈-철 합금), 또는 연질 페라이트(soft ferrite) 등이 사용될 수 있다.

이상에서 경자성 재료는 외부 자계에 상관 없이 일정한 자계를 가지는 재료이고, 연자성 재료는 외부 자계에 따라 자화되는 특성을 가지는 재료이다. 여기서 연자성 재료란 보자력이 대략 5 Oe 이하인 재료들 뿐만 아니라, 보자력이 5 내지 50 Oe인 준경자성 재료(semi-hard magnetic material)를 포함하는 개념이다.

상기 자성체 팁은 나노입자(nano particle), 나노선(nano wire), 또는 나노시트(nano sheet) 등, 적어도 한 차원이 수 내지 수십 나노미터의 크기를 갖는 나노 구조로 이루어질 수 있다. 상기 탄소나노튜브 탄성부재의 말단에 고정된 상태로 구비 될 수 있는 구조이면 충분하다.

상기 자성체 팁은 상기 탄소나노튜브 탄성부재가 형성된 후에 접합될 수도 있으나, 제조방법 상으로는 촉매 역할을 하는 전이금속 원소를 포함하여 그 아래로부터 탄소나노튜브가 성장되도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 탄소나노튜브 탄성부재와 자성체 팁으로 이루어진 구조를 이용하여 기록매체의 자기 정보에 따라 재생 신호를 발생시킬 수 있는 메커니즘은 매우 다양하다. 상기 자성체 팁과 기록매체 정보영역의 사이 또는 어느 한 자성체 팁과 또다른 자성체 팁의 사이에 작용하는 자기력에 의하여 상기 탄소나노튜브 탄성부재가 변형된다. 이때 발생하는, 저항값의 변화, 터널링 저항의 변화, 기타 물리적인 변화를 통해 전기적인 재생 신호를 발생시킬 수 있다. 기타 물리적 변화를 통해 재생 신호를 발생시키는 예로는, AFM(Atomic Force Microscope)의 레이저 계측장치를 이용하여 탄소나노튜브의 변위를 신호화 하거나, 탄소나노튜브의 커피시턴스, 광학적 특성 변화, 공명 주파수의 변화 등을 신호화 할 수 있다.

다만, 기록매체에 기록된 디지털 정보를 정확하게 재생하기 위해서 자기헤드는 불연속적인 이산 신호를 발생시키는 것이 바람직하고, 이를 실현하기 위해서 본 발명에 따른 자기헤드는 자성체와 다른 자성체 사이 또는 자성체와 기록매체 사이의 접촉, 비접촉으로 구분되는 저항 값의 변화를 신호화 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일면에 따른 자기헤드는, 기판에 일단이 고정된 제1 탄소나노튜브 탄성부재; 상기 제1 탄소 나노튜브탄성부재의 자유단에 구비된 경자성체 팁; 기판에 일단이 고정되고 상기 제1 탄소나노튜브 탄성부재에 인접하게 구비된 제2 탄소나노튜브 탄성부재; 및 상기 제2 탄소나노튜브 탄성부재의 자유단에 구비되어 자기 기록매체의 자기 정보에 따라 그 폴의 방향이 변하는 연자성체 팁; 을 포함하고, 상기 경자성체 팁과 상기 연자성체 팁 사이의 자기력에 의해 상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 탄성부재가 변형되고, 상기 경자성체 팁과 상기 연자성체 팁의 접촉에 여부에 따라 재생 신호를 발생시킨다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 자기헤드는, 기판에 일단이 고정된 탄소나노튜브 탄성부재; 및 상기 탄소나노튜브 탄성부재의 자유단에 구비된 경자성체 팁; 을 포함하고, 기록매체 자기 정보 영역과 상기 경자성체 팁 사이의 자기력에 의해 상기 탄소나노튜브 탄성부재가 변형되고, 기록매체와 상기 경자성체 팁의 접촉 여부에 따라 재생 신호를 발생시킨다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도1a 및 도1b는 본 발명의 제1실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다. 본 실시예에 따른 자기헤드(100)는 기판(20)과 상기 기판에 각각 일단이 고정된 한 쌍의 탄소나노튜브 탄성부재(50), 즉 제1 탄소나노튜브 탄성부재(51) 및 제2 탄소나노튜브 탄성부재(52)를 갖는다. 상기 한 쌍의 탄소나노튜브 탄성부재(50)의 자유단에는 각각 자성체 팁(80)이 구비된다. 이 때, 제1 탄소나노튜브 탄성부재(51)에는 경자성체 팁(81)이 구비되고, 제2 탄소나노튜브 탄성부재(52)에는 연자성체 팁(82)이 구비되는 것이 바람직하다.

상기 제1 및 제2 탄소나노튜브 탄성부재(51,52)의 고정단은 상기 기판(20)의 제1 및 제2 전극(21,22)에 각각 고정되는 것이 바람직하고, 상기 제1 및 제2 전극(21,22)는 절연체(23)에 의해 서로 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다. 이렇게 일단이 기판(20)에 고정된 자기헤드(100)는 상기 자성체 팁(80)이 기록매체의 정보영역에 형성된 자계의 영향을 받을 정도로 상기 기록매체(10)에 인접하게 배치된다.

본 실시예에 따른 자기헤드(100)의 크기는 수 내지 수십 나노미터 스케일로 작아질 수 있다. 예를 들어, 1TB/in² 정도의 집적도로 저장된 기록매체의 정보영역의 크기(대략 지름 12nm)에 대응하기 위해, 상기 한 쌍의 탄소나노튜브 탄성부재(50)는 대략 5 ~ 10 nm의 간격을 가질 수 있다.

본 실시예에 따른 자기헤드(100)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다. 상기 경자성체 팁(81)의 폴 방향은 상향이든 하향이든 무관하나, 여기서는 상향 폴인 것 을 예로 들어 설명한다.

도1a에 도시된 바와 같이, 기록매체(10)의 상향 폴 정보영역(11)이 제2 탄소나노튜브 탄성부재(52)의 연자성체 팁(82)에 대응되는 위치에 도달하면, 상기 상향 폴 정보영역(11) 자계의 영향을 받아 상기 연자성체 팁(82)에 같은 상향 폴의 자계가 형성된다. 이때 상기 경자성체 팁(81)과 연자성체 팁(52)이 모두 상향 폴을 가지므로 이들 간에 척력이 발생한다. 이러한 척력에 의해 제1 및 제2 탄소나노튜브 탄성부재(51,52)는 서로 멀어지는 방향으로 벤딩된다.

반면, 도1b에 도시된 바와 같이, 기록매체(10)의 하향 폴 정보영역(12)이 제2 탄소나노튜브 탄성부재(52)의 연자성체 팁(82)에 대응되는 위치에 도달하면, 상기 하향 폴 정보영역(11) 자계의 영향을 받아 상기 연자성체 팁(82)에 같은 하향 폴의 자계가 형성된다. 이때 상기 경자성체 팁(81)과 연자성체 팁(52)은 각각 상향과 하향 폴을 가지므로 이들 간에 인력이 발생한다. 이러한 인력에 의해 제1 및 제2 탄소나노튜브 탄성부재(51,52)는 서로 가까와지는 방향으로 벤딩되고, 따라서 상기 경자성체 팁(81)과 연자성체 팁(82)이 접촉된다.

무한대에 가깝던 상기 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 사이의 저항 값은 이러한 접촉에 의해 0에 가까운 값으로 불연속적으로 감소된다. 따라서 본 실시예에 따른 자기헤드(100)는 기록매체(10)에 기록된 디지털 정보에 상응하는 이산 신호를 발생시킬 수 있다.

도2는 본 발명의 제2실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 자기헤드는 일단이 기판(20)에 고정된 수평 외팔보 형상의 탄소나 노튜브 탄성부재(50)와 상기 탄소나노튜브 탄성부재(50)의 자유단에 구비된 경자성체 팁(81)을 포함한다. 본 실시예에 따른 자기헤드는 탄소나노튜브 탄성부재(50)와 상기 경자성체 팁(81)이 기록매체(10)에 대하여 수평을 이루며 인접하도록 배치된다. 상기 경자성체 팁(81)은 상기 경자성체 팁(81)의 폴 방향은 상향이든 하향이든 무관하나 여기서는 상향 폴인 것을 예로 들어 설명한다.

상기 도2에 도시된 바와 같이, 기록매체(10)의 상향 폴 정보영역(11)이 상향 폴을 갖는 상기 경자성체 팁(81) 아래의 대응되는 위치에 도달하면, 상기 경자성체 팁(81)과 상기 상향 폴 정보영역(11) 사이에 인력이 발생한다. 이러한 인력에 의해 상기 탄소나노튜브 탄성부재(50)가 아래쪽으로 벤딩되고, 상기 경자성체 팁(81)이 기록매체(10) 표면에 접촉하게 된다. 이 때, 자기헤드의 기판(20)과 기록매체(10) 사이의 저항 값 또는 커패시턴스 등이 불연속적으로 변하게 되고, 이를 신호화 하여 디지털 정보에 상응하는 이산 신호를 재생할 수 있다.

도3은 본 발명의 제3실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 자기헤드는, 기판(20)으로부터 기록매체(10)에 대하여 수직한 방향으로 고정되고, 한 번 절곡된 탄소나노튜브 탄성부재(50)를 구비한다. 상기 탄성부재(50)의 자유단에는 경자성체 팁(81)이 구비되고, 상기 경자성체 팁(81)과 기록매체(10)의 상호작용에 의해 상기 탄소나노튜브 탄성부재(50)에 변형이 일어나는 점에서는 전술한 실시예들과 같다. 다만, 탄소나노튜브 탄성부재(50)의 절곡된 부분에서 주로 변형이 일어나며, 상기 고정단이 기록매체(10)에 대하여 수직을 이루고 있음에도 불구하고, 탄소나노튜브 탄성부재의 자유단은 기록매체(10)에 대해 수직 방향에 가까운 변위를 가질 수 있다.

도4는 본 발명의 제4실시예에 따른 자기헤드 구조를 도시한다. 본 발명의 제4실시예에 따른 자기헤드는, 두 번이상 절곡된 탄소나노튜브 탄성부재(50)를 구비한다. 따라서, 탄소나노튜브 탄성부재의 자유단이 상기 제3실시예에 비해 좀 더 수직 방향에 가까운 변위를 가질 수 있다. 그 외의 점에서는 상기 제3실시예에 대하여 설명한 바와 같다.

전술한 제3 및 제4실시예에서 채용된 탄소나노튜브 탄성부재(50)는 적어도 한 번 이상 절곡된 것이다. 이렇게 탄소나노튜브를 절곡시키며 성장시키는 기술은 탄소나노튜브의 성장 방법을 연구하는 분야에서 이미 제시된 바 있으며, 탄소나노튜브의 형상이 더 자유롭게 제어된다면 코일형 탄소나노튜브 탄성부재의 제공도 가능할 것이다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

상기한 발명의 구성에 의하여, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 자기헤드는, 자기 기록매체의 정보영역에 기록된 자계의 방향에 따라 높은 감도의 재생 신호를 출력할 수 있고, 나아가 이산화된 재생 신호를 출력할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 자기헤드는, 탄소나노튜브를 이용하여 나노 스케일의 소형화가 가능하고, 고도로 집적화된 자기 정보를 정확하게 재생할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 기판에 일단이 고정된 적어도 하나 이상의 탄소나노튜브 탄성부재; 및

   상기 탄소 나노튜브 탄성부재의 자유단에 구비된 자성체 팁; 을 포함하고,

   기록매체에 기록되어 있는 자기 정보 영역과 상기 자성체 팁 사이의 자기력에 의해 일어나는 상기 탄소나노튜브 탄성부재의 변형에 따라 재생 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 자기헤드.
2. 기판에 일단이 고정된 탄소나노튜브 탄성부재; 및

   상기 탄소나노튜브 탄성부재의 자유단에 구비된 경자성체 팁; 을 포함하고,

   기록매체 자기 정보 영역과 상기 경자성체 팁 사이의 자기력에 의해 상기 탄소나노튜브 탄성부재가 변형되고, 기록매체와 상기 경자성체 팁의 접촉 여부에 따라 재생 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 자기헤드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 탄성부재는 일자형으로 상기 기록매체와 수평하게 배치되어, 그 자유단이 수직 방향 성분의 변위를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 자기헤드.
4. 제2항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 탄성부재는 적어도 한 번 이상 절곡되어, 그 자유단이 수직 방향 성분의 변위를 갖도록 한 것을 특징으로 하는 자기헤드.
5. 제2항에 있어서,

   상기 경자성체 팁은 경자성을 띤, 나노입자, 나노선, 또는 나노시트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기헤드.

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