KR100695165B1 - 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치 - Google Patents

마이크로 기어를 구비한 정보저장장치 Download PDF

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Abstract

마이크로 기어를 구비한 정보저장장치에 관하여 개시한다. 개시된 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치는: 스테이지 상에 배치되며, 복수의 기록영역을 구비한 기록매체; 상기 기록매체의 상기 기록영역에 대응되는 프로브를 구비한 프로브 어레이;
상기 스테이지로부터 하방으로 이격된 하부기판; 및 상기 스테이지 및 상기 하부기판 사이에 설치되어 상기 스테이지를 x축 방향으로 구동하는 x축 액츄에이터와, y축 방향으로 구동하는 y축 액츄에이터;를 구비한다. 상기 각 액츄에이터는, 상기 스테이지의 하부에 설치되며, 상기 기록매체를 수평방향으로 제1거리 이동시키는 제1 피에조; 상기 제1 피에조 상에 설치된 제1기어; 상기 제2기판 상에 상기 제1기어와 맞물리게 설치된 제2기어; 및 상기 제2기어와 상기 하부기판 사이에 설치되어 상기 제2기어를 수직으로 이동시키는 제2 피에조;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 기어를 구비한 정보저장장치{Information storing device having micro-gear}
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치의 단면도이다.
도 2는 정보저장장치의 구성요소의 배치를 설명하는 일부 평면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치의 작용을 설명하는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
10: 상부기판 20: 하부기판
30: 스테이지 40: 기록매체
50: 프로브 어레이 60: 스페이서
62: 슬라이딩 패드 70: 스프링
100: x축 액츄에이터 110: 제1 피에조
120: 제1기어 130: 제2 피에조
140: 제2기어 200: y축 액츄에이터
본 발명은 프로브를 이용한 정보저장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프로브의 정보저장영역의 정보매체를 구동하는 마이크로 기어 및 피에조를 구비한 정보저장장치에 관한 것이다.
오늘날 휴대용 통신 단말기, 전자 수첩등 소형 제품에 대한 수요가 증가함에 따라 초소형 고집적 비휘발성 기록매체의 필요성이 증가하고 있다. 기존의 하드 디스크는 소형화가 용이하지 아니하며, 플래쉬 메모리(flash memory)는 고집적도를 달성하기 어려우므로 이에 대한 대안으로 주사 탐침(Scanning probe)을 이용한 정보 저장 장치가 연구되고 있다.
탐침은 여러 SPM(Scanning Probe Microscopy)기술에 이용된다. 예를 들어, 탐침과 시료 사이에 인가되는 전압차이에 따라 흐르는 전류를 검출하여 정보를 재생하는 주사관통현미경(Scanning Tunneling Microscope; STM), 탐침과 시료 사이의 원자적 힘을 이용하는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope; AFM), 시료의 자기장과 자화된 탐침간의 힘을 이용하는 자기력 현미경(Magnetic Force Microscope; MFM), 가시광선의 파장에 의한 해상도 한계를 개선한 근접장 주사 광학 현미경(Scanning Near-Field Optical Microscope; SNOM), 시료와 탐침간의 정전력을 이용한 정전력 현미경(Electrostatic Force Microscope;EFM) 등에 이용된다.
이러한 SPM 기술을 이용하여 정보를 고속 고밀도로 기록 및 재생하기 위해서는 수십나노미터 직경의 작은 영역에 존재하는 표면전하를 검출할 수 있어야 하며, 기록 및 재생속도를 향상시키기 위해 캔티레버를 어레이 형태로 제작한다.
기록매체의 기록영역에 프로브 어레이를 배치한 경우, 기록매체 또는 프로브 어레이를 상대적으로 이동시켜서 하나의 프로브로 복수의 영역에 기록/재생한다. 고용량의 정보장치에 프로브 어레이를 사용하기 위해서는 기록매체의 이동을 정확하게 제어하는 것이 필요하다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 기록매체의 이동을 정밀하게 제어하는 수단을 구비한 정보저장장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치는:
스테이지;
상기 스테이지 상에 배치되며, 복수의 기록영역을 구비한 기록매체;
상기 기록매체의 상기 기록영역에 대응되는 프로브를 구비한 프로브 어레이;
상기 스테이지로부터 하방으로 이격된 하부기판; 및
상기 스테이지 및 상기 하부기판 사이에 설치되어 상기 스테이지를 x축 방향으로 구동하는 x축 액츄에이터와, y축 방향으로 구동하는 y축 액츄에이터;를 구비하며,
상기 각 액츄에이터는,
상기 스테이지의 하부에 설치되며, 상기 기록매체를 수평방향으로 제1거리 이동시키는 제1 피에조;
상기 제1 피에조 상에 설치된 제1기어;
상기 하부기판 상에 상기 제1기어와 맞물리게 설치된 제2기어; 및
상기 제2기어와 상기 하부기판 사이에 설치되어 상기 제2기어를 수직으로 이동시키는 제2 피에조;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 x축 액츄에이터와 상기 y축 액츄에이터는 서로 직각되게 설치된다.
또한, 상기 x축 액츄에이터와 상기 y축 액츄에이터는 각각 두개로 이루어지며, 상기 스테이지의 하부에서 대각선 방향으로 배치될 수 있다.
한편, 상기 스테이지 또는 상기 하부기판에 일단이 고정되고, 타단은 상기 스테이지 또는 상기 하부기판으로부터 슬라이딩되게 설치된 스페이서;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 스페이서의 타단이 슬라이딩되는 부분에는 슬라이딩 패드가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 스테이지가 상기 하부기판으로부터 벗어나는 것을 억제하는 수단;을 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 억제수단은, 상기 스테이지 및 상기 하부기판 사이를 연결하는 복수의 스프링이다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 억제수단은, 상기 스테이지의 하부 및 상기 하부기판의 상부에 서로 대응되게 설치된 자석이다.
상기 제1 및 제2기어는 사파이어로 제조된 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크 로 기어를 구비한 정보저장장치를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치의 단면도이며, 도 2는 정보저장장치의 구성요소의 배치를 설명하는 일부 평면도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 상부기판(10) 및 하부기판(20) 사이에 스테이지(30)와, 스테이지(30) 상의 기록매체(40)가 설치된다. 상부기판(10)에는 기록매체(40)의 n 개의 기록영역에 대응되는 n 개의 프로브가 어레이 형태로 이루어진 프로브 어레이(50)와, 상기 프로브 어레이(50)를 제어하는 콘트롤러(52)가 설치된다.
상기 스테이지(30) 및 상기 하부기판(20) 사이에는 스테이지(30)를 구동하는 2축액츄에이터와, 상기 스테이지(30)와 하부기판(20) 사이의 거리를 유지하는 스페이서(60)가 설치된다. 상기 2축액츄에이터는 두개의 x축 액츄에이터(100)와, 두개의 y축 액츄에이터(200)를 구비한다. 상기 x축 액츄에이터(100)와 y축 액츄에이터(200)는 각각 x 방향 및 y 방향으로 구동한다. 상기 x축 액츄에이터(100)와 y축 액츄에이터(200)는 각각 대각선 방향에 위치하는 것이 바람직하다. x축 액츄에이터(100)와 y축 액츄에이터(200)는 실질적으로 동일한 구조이며, 다만 그 설치된 위치가 서로 직교하며, 따라서 구동하는 방향이 다르다.
도 1은 도 2의 I-I 선단면이다. 도 1을 참조하면, x축 액츄에이터(100)는 스테이지(30)의 하부에 배치되어서 스테이지(30)를 x 방향으로 구동하는 제1 피에조 (110)와, 제1 피에조(110) 상에 설치된 제1기어(120)와, 상기 제1기어(120)와 맞물리게 설치된 제2기어(130)와, 상기 제2기어(130) 및 상기 하부기판(20) 사이에 설치되어 상기 제2기어(130)를 수직으로 구동하는 제2 피에조(140)를 구비한다.
상기 제2기어(130)는 제2 피에조(140)에 인가되는 전압의 유무에 따라서 수직방향에서 아래로 이동하거나 또는 원래의 위치인 상방으로 이동된다. 제2 피에조(140)는 10층 이상으로 형성될 수 있으며, 그 두께는 2~3 mm 로 형성될 수 있다. 대략 10 V의 전압인가에 따라서 1 ㎛ 의 구동을 할 수 있다.
제1 피에조(110)는 인가되는 전압의 크기에 따라서 x 방향으로 이동한다. 제1 피에조(110)도 10층 이상으로 형성될 수 있으며, 그 두께는 2~3 mm 로 형성될 수 있다. 대략 10 V의 전압인가에 따라서 1 ㎛ 의 구동을 할 수 있다.
상기 제1 및 제2기어(120,130)는 마모 방지를 위해서 사파이어 또는 알루미나로 제조될 수 있다. 상기 기어는 상기 제1 피에조(110)의 구동거리에 따라서 피치 거리가 설계될 수 있다. 그리고, 상기 기어의 홈의 깊이는 상기 제2 피에조(140)의 구동거리 보다 작게 설계된다.
기록매체(40)의 영역은 2 cm x 2 cm 일 수 있으며, 각 프로브는 100 ㎛ x 100 ㎛ 영역을 커버할 수 있다. 제1 및 제2기어(120,130)의 피치가 1 ㎛ 인 경우, 제1 및 제2기어(120,130)의 수는 각각 100 개 정도가 된다. 여기서, 기어의 홈의 깊이는 100 nm 정도로 설계될 수 있다.
상기 스페이서(60)의 일단은 하부기판(20)에 고정되며, 그 상부는 스테이지(30)에 접촉되게 설치된다. 상기 하부기판(20)에서 상기 스테이지(30)와 접촉하는 부위에는 슬라이딩 패드(62)가 설치되어서 스테이지(30)가 스페이서(60)로부터 용이하게 슬라이딩하는 게 바람직하다. 상기 스페이서(60) 및 상기 슬라이딩 패드(62)는 알루미나로 형성될 수 있다.
참조번호 70은 상기 스테이지(30)가 상기 하부기판(20)으로부터 이탈하지 않도록 설치된 억제수단의 일 예인 스프링이다. 상기 스프링은 상기 스테이지(30)의 이동을 허용하는 정도의 스프링 강성을 가지는 것이 바람직하다.
상기 억제수단으로는 도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 스테이지(30)의 하부에 설치된 자석과 상기 자석과 대응되는 위치의 상기 하부기판(20) 상에 형성된 자석으로 이루어 질수도 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치의 작용을 설명하는 도면이다.
도 3a을 참조하면, x축 액츄에이터(100)의 두개의 제2 피에조(140)에 소정의 직류전압을 인가하면, 인가된 전압에 따라서 제2 피에조(140) 및 제2기어(130)는 x축 방향으로 이동한다. 이 때의 이동거리는 제1 및 제2기어(120,130)의 피치인 1 ㎛ 이내가 되게 한다. 즉, 제1 피에조(110)에 인가되는 전압과 제1기어(120)의 이동거리를 직선적으로 피팅하면, 인가전압에 따라서 제1기어(120)는 하나의 기록영역에 해당되는 10 nm 의 해상도로 이동할 수 있게 된다. 이때, 두개의 y축 액츄에이터(200)의 제1 및 제2기어(120,130)는 기어의 톱니의 방향(x 방향)으로 슬라이딩된다. 이러한 작동원리는 기록매체(40)의 미세 스캐닝(fine scanning)을 설명한다.
도 3b를 참조하면, 미세 스캐닝 이후에, 스테이지(30)를 x 방향으로 더 이동 시키려면 x 축 액츄에이터의 제1기어(120)를 제2기어(130) 상에서 x 방향으로 이동시켜야 한다. x 축 및 y축 액츄에이터(200)의 제2 피에조(140)에 소정의 전압, 예컨대 3 V DC 전압을 인가하면, 제2 피에조(140) 및 제2기어(130)는 대략 300 nm 정도 하방으로 이동한다. 제2기어(130)의 홈의 깊이가 100 nm 인 경우, 제1기어(120)는 제2기어(130)로부터 이탈된다.
도 3c를 참조하면, x축 액츄에이터(100)들의 제1 피에조(110)에 소정의 전압, 예컨대 10 V DC 전압을 인가하면, 제1기어(120) 및 스테이지(30)는 x축 방향으로 이동한다. 이때 제1기어(120)는 제2기어(130)의 톱니 사이를 이동하게 된다. 이는 기록매체(40)의 거친 스캐닝(coarse scanning)을 설명한다.
도 3d를 참조하면, x 축 및 y축 액츄에이터(200)의 제2 피에조(140)에 인가된 전압을 제거하면, 제2 피에조(140)는 상방으로 이동하면서 원래의 위치로 돌아간다. 즉, 제1기어(120) 및 제2기어(130)가 맞물린 상태가 된다. 이후, 미세 스캐닝 동작이 행하여 진다.
본 발명의 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치에 따르면, 기어를 사용하면서도 백래쉬(backlash)가 발생되지 않아 정보저장매체의 정밀한 이동이 가능하다.
또한, 전자기 모터를 사용하지 않고 피에조로 기어를 구동하므로 컴팩한 구조의 정보저장장치를 구현할 수 있다.
또한, 정보영역의 해상도를 구현하기 위해서 100 signal to noise ratio 정도의 신호 정확도를 필요로 하므로, 비교적 낮은 S/N(신호대 잡음비) 장비를 사용 할 수 있다.
또한, 피에조의 이동거리가 1 ㎛ 이하로 한정될 수 있으므로 구동전압을 낮출 수 있다.
또한, 기어의 톱니수를 증가시키면, 대용량의 정보저장장치를 구현할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 다양한 형태의 탐침을 제조할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (9)

  1. 스테이지;
    상기 스테이지 상에 배치되며, 복수의 기록영역을 구비한 기록매체;
    상기 기록매체의 상기 기록영역에 대응되는 프로브를 구비한 프로브 어레이;
    상기 스테이지로부터 하방으로 이격된 하부기판; 및
    상기 스테이지 및 상기 하부기판 사이에 설치되어 상기 스테이지를 x축 방향으로 구동하는 x축 액츄에이터와, y축 방향으로 구동하는 y축 액츄에이터;를 구비하며,
    상기 각 액츄에이터는,
    상기 스테이지의 하부에 설치되며, 상기 기록매체를 수평방향으로 제1거리 이동시키는 제1 피에조;
    상기 제1 피에조 상에 설치된 제1기어;
    상기 하부기판 상에 상기 제1기어와 맞물리게 설치된 제2기어; 및
    상기 제2기어와 상기 하부기판 사이에 설치되어 상기 제2기어를 수직으로 이동시키는 제2 피에조;를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 기어를 구비한 정보저장장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 x축 액츄에이터와 상기 y축 액츄에이터는 서로 직각되게 설치된 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 x축 액츄에이터와 상기 y축 액츄에이터는 각각 두개로 이루어지며, 상기 스테이지의 하부에서 대각선 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지 또는 상기 하부기판에 일단이 고정되고, 타단은 상기 스테이지 또는 상기 하부기판으로부터 슬라이딩되게 설치된 스페이서;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스페이서의 타단이 슬라이딩되는 부분에는 슬라이딩 패드가 더 설치된 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지가 상기 하부기판으로부터 벗어나는 것을 억제하는 수단;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 억제수단은, 상기 스테이지 및 상기 하부기판 사이를 연결하는 복수의 스프링인 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 억제수단은, 상기 스테이지의 하부 및 상기 하부기판의 상부에 서로 대응되게 설치된 자석인 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2기어는 사파이어로 제조된 것을 특징으로 하는 정보저장장치.
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