KR100837411B1 - 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법 - Google Patents

자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법에 관한 것이다. 개시된 본 발명의 데이터 저장 장치는 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측면에 접촉된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명의 데이터 저장 장치는 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않으면서도, 대량의 데이터를 저장할 수 있다.

Description

자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치 및 그의 동작 방법{Data storage device using magnetic domain wall moving and method of operating the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치를 보여주는 평면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 데이터 저장 장치의 쓰기 동작 방법을 단계별로 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 1의 제2 자성층 일부 및 읽기 헤드를 보여주는 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치를 보여주는 개략적인 평면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 제1 자성층 200 : 제2 자성층
300 : 데이터 기록 소자 400, 400a∼400h : 읽기 헤드
B : 버퍼 영역 D : 자구
D1, D2 : 제1 및 제2 자구 E1 : 제1 자성층의 일단
E2 : 제1 자성층의 타단 E3 : 제2 자성층의 일단
E4 : 제2 자성층의 타단 M1, M2 : 제1 및 제2 방향
S1∼S8 : 제1 내지 제8 섹터 W : 자구벽
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 자구벽(magnetic domain wall) 이동을 이용하는 데이터 저장 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
일반적인 HDD(Hard disk drive)는 디스크 형태의 자기 기록 매체를 회전시키면서 그 위에 읽기/쓰기(reading/writing) 헤드를 부상시켜 정보를 읽고 쓰는 장치이다. 이러한 HDD는 100GB(gigabite) 이상의 많은 데이터를 저장할 수 있는 비휘발성 데이터 저장 장치로서, 주로 컴퓨터의 주 저장 장치로 이용되어왔다.
그러나 HDD는 그 내부에 많은 수의 움직이는 기계 시스템을 포함한다. 이들은 HDD가 이동되거나 충격을 받으면 다양한 기계적인 고장(trouble)을 유발할 수 있고, 그러므로 HDD의 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)을 저하시킨다. 또한, 상기 기계 시스템들은 HDD의 제조 복잡성과 제조 비용을 증가시키고, 소비 전력을 증가시키며, 소음을 유발한다. 특히, HDD를 소형화할 때 상기 제조 복잡성과 제조 비용의 증가 문제는 더욱 커진다.
이에, 최근에는 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않으면서 HDD와 같이 대량의 데이터를 저장할 수 있는 새로운 저장 장치의 개발을 위한 연구가 이루어지고 있다. 상기 새로운 저장 장치의 일례로, 자성 물질의 자구벽(magnetic domain wall) 이동 원리를 이용한 데이터 저장 장치가 제안되었다.
자성체를 구성하는 자기적인 미소영역을 자기 구역(magnetic domain ; 이하, 자구라 함)이라 한다. 이러한 자구 내에서는 전자의 자전, 즉 자기 모멘트의 방향이 동일하다. 자구의 크기 및 자화 방향은 자성 재료의 물성, 모양, 크기 및 외부의 에너지에 의해 적절히 제어될 수 있다. 자구벽(magnetic domain wall)은 서로 다른 자화 방향을 갖는 자구들의 경계 부분이고, 자성 재료에 인가되는 전류 또는 자기장에 의해 이동될 수 있다. 즉, 소정의 폭 및 두께를 갖는 자성층(magnetic layer) 내에 특정 자화 방향을 갖는 다수의 자구들을 만들 수 있고, 적절한 강도를 갖는 전류 또는 자기장을 이용해서 상기 자구 및 자구벽을 이동시킬 수 있다.
상기 자구벽의 이동 원리를 데이터 저장 장치에 적용하면, 자구벽 이동에 의해 자구들이 고정된 읽기/쓰기 헤드를 통과하도록 함으로써, 기록 매체의 회전 없이 읽기/쓰기가 가능하다.
종래 기술에 따른 자구벽 이동 원리를 이용한 데이터 저장 장치(이하, 종래의 저장 장치)는 U자형 자성층을 포함한다. 상기 자성층은 다수의 자구를 갖는 저장 영역과, 상기 저장 영역과 유사한 길이의 버퍼 영역으로 이루어진다. 상기 자성층의 중앙부 아래에는 읽기 헤드 및 쓰기 헤드가 구비된다. 상기 자성층에 전류를 인가하여 자구벽을 밀거나 당기면서 읽기/쓰기 동작을 수행한다.
그러나 전술한 종래의 저장 장치는 저장 영역만큼의 버퍼 영역을 요구하므로, 유효 저장 용량이 물리적 저장 가능 용량의 1/2 정도에 불과하다. 그리고 U자형 자성층은 일반적인 식각 공정으로 구현하기 어렵기 때문에, 종래의 저장 장치는 실용화가 용이하지 않다. 또한 종래의 저장 장치에서 쓰기 헤드는 외부 자장을 이용하는 것인데, 이와 같이 외부 자장을 이용한 쓰기 헤드는 자기 이방성 에너 지(magnetic anisotropic energy)가 큰 강자성층에 대해서는 적용이 어렵다. 이로 인해, 종래의 저장 장치의 자성층은 연자성 물질로 형성한다. 연자성 물질로 형성된 자성층은 강자성 물질로 형성된 자성층보다 자구벽 이동의 안정성을 확보하기 어렵고, 높은 기록 밀도를 구현하기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 유효 저장 용량 증가 및 공정의 용이성 향상에 유리한 구조 및 쓰기 모드를 갖는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 데이터 저장 장치의 동작 방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층; 상기 제1 자성층의 일측면에 접촉된 데이터 저장용 제2 자성층; 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자; 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치를 제공한다.
여기서, 상기 제1 자성층은 직선형(linear shape) 또는 호형(arc shape)일 수 있다.
상기 제2 자성층은 부분 절단된 링형 또는 직선형일 수 있다.
상기 제1 자성층은 직선형이고 상기 제2 자성층은 부분 절단된 링형일 때, 상기 제1 자성층은 복수이고, 상기 제1 자성층 각각에 복수의 제2 자성층이 구비될 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 자성층은 디스크형 기판 상에 형성되되, 상기 복수의 제1 자성층은 서로 다른 크기를 갖고 소정 간격을 두고 평행하게 배열되고, 상기 제2 자성층은 상기 기판의 중앙부에서 외곽부로 갈수록 내경이 커질 수 있다.
상기 제1 자성층은 호형(arc shape)이고 상기 제2 자성층은 직선형일 때, 상기 제1 자성층은 복수이고, 상기 제1 자성층 각각에 복수의 제2 자성층이 구비될 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 자성층은 디스크형 기판 상에 형성되되, 상기 제1 자성층은 상기 기판의 외곽부에 형성되고, 상기 제2 자성층은 상기 제1 자성층의 안쪽에 서로 평행하게 형성될 수 있다.
상기 데이터 기록 소자는 상기 제1 자성층의 양단 및 상기 제1 자성층과 인접하지 않는 상기 제2 자성층의 일단에 연결될 수 있다.
상기 제2 자성층은 다수이고, 등간격으로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 자성층은 동일 물질로 함께 형성될 수 있다.
상기 읽기 헤드는 제1 전극, 상기 제2 자성층, 분리층, 고정층, 반강자성층 및 제2 전극이 차례로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
상기 분리층은 절연층 또는 도전층일 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 자성층 사이 및 상기 제2 자성층과 상기 분리층 사이 중 적어도 하나에 상기 제2 자성층 보다 비저항이 큰 저항성 물질층이 개재될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드가 마련된 상태에서, 상기 자구 중 어느 하나를 상기 제2 자성층과 접한 상기 제1 자성층 부분까지 확장시키는 제1 단계; 및 상기 제2 자성층과 접한 상기 제1 자성층 부분의 자구를 상기 제2 자성층으로 1 비트 만큼 이동시키는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법을 제공한다.
여기서, 상기 제1 단계는 상기 제1 자성층의 양단 사이에 전류를 흘려줌으로써 수행하고, 상기 제2 단계는 상기 제2 자성층에서 상기 제1 자성층으로 전류를 흘려줌으로써 수행한다.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드가 마련된 상태에서, 상기 읽기 헤드 중 적어도 어느 하나를 사용해서 상기 제2 자성층에 기록된 데이터를 읽는 제1 단계; 및 상기 데이터 기록 소자를 사용해서 상기 제2 자성층의 자구벽을 상기 제2 자성층의 타단에서 일단 방향으로 1 비트 만큼 이동시키는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법을 제공한다.
여기서, 상기 제1 단계 및 제2 단계는 교대로 반복 수행하되, 상기 제2 자성 층의 자구벽이 상기 읽기 헤드의 간격만큼 이동될 때까지 수행할 수 있다.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드가 마련된 상태에서, 상기 읽기 헤드 중 어느 두 개 사이에 전류를 인가하여 그들 사이의 상기 제2 자성층 부분에 기록된 데이터를 소거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 그리고 첨부된 도면들에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치(이하, 본 발명의 저장 장치)의 부분적인 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 저장 장치는 쓰기용 제1 자성층(100)과, 제1 자성층(100)의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층(200)을 포함한다. 제1 자성층(100)은 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구, 즉, 제1 및 제2 자구(D1, D2)를 포함한다. 제2 자성층(200)은 소정의 데이터가 기록되는 다수의 자구(D)를 포함한다. 도 1에서 제1 자성층(100)은 직선형이고 제2 자성층(200)은 부분 절단된 링형이지만, 이들의 모양은 달라질 수 있다. 예컨대, 제1 자성층(100)은 호형(arc shape)이고, 제2 자성층(200)은 직선형일 수도 있다. 한편, 도 1에서
Figure 112007018716734-pat00001
는 제1 방향(M1)으로 자화되었음을 의미하고,
Figure 112007018716734-pat00002
는 상기 제1 방향(M1)과 반대인 제2 방향(M2)으로 자화되었음을 의미한다. 이러한 표시는 다른 도면들에서도 같은 의미로 사용된다.
제1 자성층(100)의 양단(E1, E2)과 제2 자성층(200)의 일단(E3)에 연결된 데이터 기록 소자(300)가 형성되어 있다. 여기서, 제2 자성층(200)의 일단(E3)은 제2 자성층(200)의 양단 중 제1 자성층(100)과 인접하지 않는 일단(E3)이다. 데이터 기록 소자(300)는 전류 조절 소자(current controller) 또는 전압 조절 소자(voltage controller)로서, 다수의 트랜지스터를 포함하는 장치일 수 있다. 예컨대, 데이터 기록 소자(300)는 제1 자성층(100)의 양단(E1, E2) 사이에 제1 및 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 및 제2 트랜지스터의 중간 지점과 제2 자성층(200)의 일단(E3) 사이에 제3 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 내지 제3 트랜지스터의 온/오프 상태를 조절함으로써, 제1 및 제2 자성층(100, 200) 내의 전류의 방향을 조절할 수 있다. 상기 전류의 방향을 조절하여 제1 및 제2 자구(D1, D2)의 경계인 자구벽(W)을 적절히 이동시킬 수 있다.
제2 자성층(200)을 따라서 다수의 읽기 헤드(400), 예컨대, 제1 내지 제8 읽기 헤드(400a∼400h : 400)들이 등간격으로 형성되어 있다. 읽기 헤드(400)는 TMR 헤드 또는 GMR 헤드일 수 있는데, 그 구조에 대해서는 후술한다. 이러한 읽기 헤드(400)에 의해 제2 자성층(200)이 섹터(sector) 단위로 나눠진다. 제2 자성층(200)의 일단(E3)에서 제8 읽기 헤드(400h) 까지의 영역이 버퍼 영역(B)이다. 도면 부호 S1∼S8는 제1 섹터 내지 제8 섹터를 나타낸다. 본 발명의 저장 장치의 버퍼 영역(B)의 크기는 단위 섹터의 크기와 동일하다. 제2 자성층(200)이 읽기 헤드(400)에 의해 9등분 되면, 버퍼 영역(B) 크기는 제2 자성층(200) 크기의 1/9이다. 종래의 저장 장치의 버퍼 영역이 자성층의 물리적 저장 가능 용량의 1/2임을 고려하면, 본 발명의 저장 장치의 버퍼 영역(B)이 종래의 저장 장치의 버퍼 영역보다 훨씬 작다. 읽기 헤드(400)의 개수를 증가시키면, 버퍼 영역(B)의 크기를 더욱 줄일 수 있다. 이와 같이, 읽기 헤드(400)의 수가 증가됨에 따라 버퍼 영역(B)의 크기가 감소하는 이유는, 제1 내지 제8 섹터(S1∼S8)에 소정의 데이터가 기록된 상태에서 읽기 동작을 수행할 때, 읽기 헤드(400)의 간격, 즉 하나의 섹터 길이 만큼만 자구벽을 이동시키면 버퍼 영역(B)을 제외한 섹터들(S1∼S8)의 데이터를 모두 읽을 수 있기 때문이다. 그러므로, 본 발명의 저장 장치는 종래의 저장 장치보다 매우 큰 기록 밀도를 가질 수 있다.
이하에서는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여, 도 1에 도시된 본 발명의 저장 장치의 쓰기 동작 방법을 보다 자세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 본 발명의 저장 장치의 쓰기 동작 방법을 단계별로 보여준다.
도 2a를 참조하면, 도 1에 도시된 본 발명의 저장 장치의 제1 자성층(100)의 일단(E1)에서 타단(E2)으로 전류를 흘려주어, 자구벽(W)을 제1 자성층(100)의 타단(E2)에서 일단(E1) 방향으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분까지 제2 자구(D2)가 확장된다.
도 2b를 참조하면, 제2 자성층(200)의 일단(E3)에서 제1 자성층(100)의 타단(E2)으로 펄스 전류를 흘려주어, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구를 제2 자성층(200)의 타단(E4)으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 제2 자구(D2)에 대응하는 데이터, 예컨대, '1'에 대응하는 데이터가 기록된다.
도 2c를 참조하면, 본 발명의 저장 장치의 제1 자성층(100)의 타단(E2)에서 일단(E1)으로 전류를 흘려주어, 자구벽(W)을 제1 자성층(100)의 일단(E1)에서 타단(E2) 방향으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분까지 제1 자구(D1)가 확장된다.
도 2d를 참조하면, 제2 자성층(200)의 일단(E3)에서 제1 자성층(100)의 일단(E1)으로 펄스 전류를 흘려주어, 제2 자성층(200)과 접한 제1 자성층(100) 부분의 자구를 제2 자성층(200)의 타단(E4)으로 이동시킨다. 이에, 제2 자성층(200)의 타단(E4)에 제1 자구(D1)에 대응하는 데이터, 예컨대, '0'에 대응하는 데이터가 기록된다. 이러한 방법으로 제2 자성층(200)의 저장 영역, 즉 상기 섹터 영역 내에 소정의 데이터를 기록할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 저장 장치에서는 데이터를 저장하고자 하는 제2 자성층(200) 및 상기 제2 자성층(200)과 동일한 층에 형성된 쓰기용 제1 자성층(100) 내에서 자구벽을 적절히 이동시키는 방법으로 데이터를 기록한다. 이러한 자구벽 이동을 이용한 쓰기는 동일층 내에서 이루어지고 전류의 흐름을 적절히 제어하는 단순한 방법으로 이루어진다. 그러므로, 본 발명의 저장 장치의 쓰기 동작은 데이터를 기록하고자 하는 자성층의 물성(property) 및 치수(dimension) 등으로 인한 제약으로부터 자유롭다. 그러므로, 본 발명의 저장 장치에서 데이터를 기록하고자 하는 제2 자성층(200)은 강자성 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 저장 장치의 자구벽 이동의 안정성은 종래의 저장 장치의 그것보다 우수하다. 또한, 본 발명의 저장 장치는 종래의 저장 장치 보다 기록 밀도 증가에 더욱 유리하다.
이하에서는 도 3을 참조하여, 도 1에 도시된 본 발명의 저장 장치에 구비되는 읽기 헤드(400)의 구조를 보다 자세히 설명한다.
도 3은 도 1의 제2 자성층(200) 일부 및 읽기 헤드(400)를 보여주는 단면도이다. 여기서, 표현의 편의를 위해 제2 자성층(200)은 직선형인 것으로 가정한다. 그리고 각 자구(D) 내의 화살표는 그의 자화 방향을 나타내며, 제2 자성층(200)에 소정의 데이터가 기록되어 있음을 의미한다.
도 3을 참조하면, 읽기 헤드(400)는 제1 전극(1), 제2 자성층(200), 분리층(2), 고정층(pinned layer)(3), 반강자성층(antiferromagnetic layer)(4) 및 제2 전극(5)이 차례로 적층된 구조를 포함한다. 분리층(2), 고정층(3), 반강자성층(4)의 폭은 자구(D)의 폭과 동일하지만, 제1 및 제2 전극(1, 5)의 폭은 자구(D)의 폭과 다를 수 있다. 제1 전극(1)은 각 읽기 헤드(400) 별로 구분되게 형성되지 않고, 제2 자성층(200) 하면 전체에 형성될 수도 있다. 제2 전극(5)은 제2 자성층(200)과 직교하는 배선 형태로 형성될 수 있다.
분리층(2)은 절연층 또는 도전층일 수 있지만, 바람직하게는 절연층이다. 분리층(2)이 절연층일 때 읽기 헤드(400)는 TMR 헤드이고, 분리층(2)이 도전층일 때 읽기 헤드(400)는 GMR 헤드이다.
이러한 읽기 헤드(400) 내에 위치하는 제2 자성층(200)의 자구(D)의 자화 방향에 따라 제1 전극(1)과 제2 전극(5) 사이의 저항값이 달라지므로, 이를 검출하여 자구(D)에 기록된 데이터를 판별할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 전극(1)과 제2 자성층(200) 사이 및 제2 자성층(200)과 분리층(2) 사이 중 적어도 하나에 제2 자성층(200) 보다 비저항이 큰 저항성 물질층, 예컨대, 절연층이 개재되는 것이 바람직하다. 상기 저항성 물질층은 제2 자성층(200)에 인가된 전류가 읽기 헤드(400)로 누설되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다. 그리고, 고정층(3)과 반강자성층(4) 사이에는 도전층과 다른 고정층이 차례로 더 구비될 수도 있다. 이때 고정층(3)과 상기 다른 고정층은 서로 다른 자화 방향을 갖는다.
이와 같이, 본 발명의 저장 장치에서는 다수의 읽기 헤드(400)가 형성되어있기 때문에, 데이터의 선택적 읽기가 가능하다. 예를 들면, 도 1에서 제2 자성층(200)의 자구벽을 일단(E3) 방향으로 비트 단위로 이동시키면서, 특정 읽기 헤드, 예컨대 제2 읽기 헤드(400b) 만 동작시키면, 제2 섹터(S2)에 기록된 데이터만을 읽을 수 있다. 이러한 읽기 동작을 수행한 후, 제2 자성층(200)의 자구벽을 타단(E4) 방향으로 이동시키면 데이터의 위치가 복구된다. 아울러, 본 발명의 저장 장치에서는 제2 자성층(200)의 자구벽을 이동시키면서 읽기 헤드(400)를 2개 이상 동작시킴으로써, 2개 이상의 섹터에 기록된 데이터를 동시에 읽을 수 있다. 이렇게 동시에 읽혀진 데이터는 읽기 헤드(400)와 연결되는 별도의 채널 칩(channel chip)에 의해 합쳐질(combined) 수 있다. 이러한 데이터의 선택적 읽기 및 동시 읽기가 가능하므로, 데이터 엑세스 시간(data access time)이 단축될 수 있다. 부가적으로, 본 발명의 저장 장치에서는 데이터의 선택적 소거(erasing)도 가능하다. 예컨대, 도 1에서 제2 읽기 헤드(400b)와 제3 읽기 헤드(400c) 사이에 소정의 전류를 인가하여 제3 섹터(S3) 내의 자구벽을 이동시킴으로써, 제3 섹터(S3)에 기록된 데이터를 선택적으로 제거할 수 있다.
이하에서는, 도 1과 같은 기본 구조를 디스크 형 기판 상에 고집적화한 장치에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치의(이하, 본 발명의 제1 저장 장치) 개략적인 평면도이다.
도 4를 참조하면, 디스크 형 기판(50)의 소정 영역 상에 직선형의 쓰기용 제1 자성층(100)이 형성되어 있다. 상기 소정 영역은 십자로 4등분된 기판(50)의 두 영역간 경계부일 수 있다. 제1 자성층(100)은 다수일 수 있고, 그들은 서로 다른 크기로 형성될 수 있다. 예컨대, 우측으로 갈수록 제1 자성층(100)의 크기가 작아질 수 있다. 제1 자성층(100)의 개수와 크기는 달라질 수 있다.
각 제1 자성층(100)의 일측에 다수의 제2 자성층(200)이 구비되어 있다. 제2 자성층(200)은 일부 절단된 링형이고, 소정 간격을 두고 배열된다. 기판(50)의 외 곽에서 안쪽으로 갈수록 제2 자성층(200)의 내경은 점차로 작아진다. 이러한 제2 자성층(200)은 분리된(discrete) 데이터 저장 영역이다.
각 제2 자성층(200)을 따라서 다수의 읽기 헤드(400)가 등간격으로 구비되어 있다. 읽기 헤드(400)는 센스 엠프(sense amplifier)와 같은 증폭 소자를 포함하는 검출기(detector)(미도시)와 연결되고, 상기 검출기는 데이터 결합을 위한 소정의 채널 칩(channel chip)(미도시)과 연결될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 각 제1 자성층(100)의 양단(E1, E2) 하부 또는 상부에는 앞서 언급한 데이터 기록 소자(미도시)와의 전기적 콘택을 위한 제1 및 제2 콘택플러그가 형성되어 있다. 제2 자성층(200)의 일단(E3) 하부 또는 상부에도 상기 데이터 기록 소자와의 전기적 콘택을 위한 제3 콘택플러그가 형성되어 있다. 이것은 이하에서 설명할 본 발명의 제2 및 제3 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치에서도 동일하다.
본 발명의 제1 저장 장치에서 제1 및 제2 자성층(100, 200)의 형태는 다양하게 변형될 수 있는데, 그 예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치(이하, 본 발명의 제2 저장 장치)의 개략적인 평면도이다.
도 5를 참조하면, 두 개의 호형(arc shape)의 제1 자성층(100)이 기판(50)의 외곽부 상에 형성되어 있다. 각 제1 자성층(100)의 일측으로부터 기판(50)의 중앙부로 연장된 다수의 직선형 제2 자성층(200)이 형성되어 있다. 각 제2 자성층(200)을 따라서 다수의 읽기 헤드(400)가 등간격으로 구비되어 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 데이터 저장 장치(이하, 본 발명의 제3 저장 장치)의 개략적인 평면도이다. 본 발명의 제3 저장 장치는 본 발명의 제2 저장 장치와 제1 자성층(100)의 개수에서 차이가 있다.
도 6을 참조하면, 네 개의 호형(arc shape)의 제1 자성층(100)이 기판(50)의 외곽부 상에 형성되어 있다. 각 제1 자성층(100)의 일측으로부터 기판(50)의 중앙부로 연장된 다수의 직선형 제2 자성층(200)이 형성되어 있다. 각 제2 자성층(200)을 따라서 다수의 읽기 헤드(400)가 등간격으로 구비되어 있다.
이와 같이, 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 기판(50) 상에 고집적화됨에 따라, 대량의 데이터를 저장할 수 있는 데이터 저장 장치들(본 발명의 제1 내지 제3 저장 장치)이 구현될 수 있다. 이러한 본 발명의 저장 장치는 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않는 장치로서, 상기 기계 시스템에 의한 고장(trouble)에서 자유롭다. 그러므로 본 발명의 저장 장치는 대량의 데이터를 저장할 수 있으면서도, 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)이 우수하다. 또한, 본 발명의 저장 장치는 상기 기계 시스템들을 요구하지 않으므로 제조가 용이하고 소비 전력이 적으며 제조 비용이 절감된다.
특히, 도 4 내지 도 6에 도시한 데이터 저장 장치에서는 제1 자성층(100)이 다수의 제2 자성층(200)에 데이터를 기록하기 위한 공통적인 쓰기 수단이다. 즉, 제1 자성층(100)의 일단(E1) 및 타단(E2)에 소정의 전류를 인가하여 자구벽(W)을 원하는 위치로 이동시킴으로써, 다수의 제2 자성층(200) 중 특정한 어느 하나의 제2 자성층에 원하는 데이터를 기록할 수 있다. 이렇게, 본 발명의 저장 장치에서는 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 동일층에 함께 형성되고, 제1 자성층(100)이 공통 쓰기 수단으로 이용되기 때문에, 쓰기 수단 및 저장 트랙의 제조 공정 및 이 종래 보다 매우 용이하다.
이하에서는, 부가적으로 제1 자성층(100)에 대해 보다 자세히 설명한다.
전술한 본 발명의 실시예에서는 제1 자성층(100)을 단순하게 표현하였지만, 제1 자성층(100) 내에 제1 및 제2 자구(D1, D2)을 형성하기 위해서는 제1 자성층(100)의 구조를 다소 변형하거나 또는 제1 자성층(100)의 구성 요소를 다소 다양화시킬 필요가 있다. 예컨대, 제1 자성층(100)의 일단(E1) 및 타단(E2) 중 적어도 하나는 일단(E1) 및 타단(E2)을 제외한 나머지 영역 보다 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있고, 일단(E1) 및 타단(E2)은 제1 자성층(100)의 중앙에서 멀어질수록 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 아울러, 일단(E1) 및 타단(E2)은 서로 다른 크기로 형성될 수 있다. 또한, 일단(E1) 상에 반강자성층이 더 구비되거나, 일단(E1) 및 타단(E2) 상에 서로 다른 닐 온도(Neel Temperature : 이하, TN)를 갖는 제1 및 제2 반강자성층이 더 구비되거나, 일단(E1) 상에는 비자성층, 강자성 고정층 및 제1 반강자성층이 차례로 더 구비되고 타단(E2) 상에는 제2 반강자성층이 더 구비될 수도 있다. 이와 같이, 제1 자성층(100)의 구조를 다소 변형하거나 또는 제1 자성층(100)의 구성 요소를 다소 다양한 후에, 제1 자성층(100)에 소정의 외부 자장을 인가하면 제1 자구(D1) 및 제2 자구(D2)가 형성되고, 그들의 소멸이 방지될 수 있다.
이상의 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 데어터 저장 장치의 구성 요소가 보다 다양화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 전술한 실시예는 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 수직 자기 이방성을 갖는 경우에 대한 것이지만, 본 발명은 제1 및 제2 자성층(100, 200)이 수평 자기 이방성을 갖는 경우에도 동일하게 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명을 이용하면 움직이는 기계 시스템을 포함하지 않으면서도, 대량의 데이터를 저장할 수 있는 데이터 저장 장치를 구현할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 저장 장치는 이동성(mobility) 및 신뢰성(reliability)이 우수하고, 제조가 용이하며, 소비 전력이 적다.
또한, 본 발명의 저장 장치는 다수의 읽기 헤드(400)를 갖기 때문에 버퍼 영역(B)의 크기가 종래 보다 월등히 작다. 예컨대, 제2 자성층(200)의 90% 이상이 유효한 저장 영역으로 이용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 저장 장치는 종래의 저장 장치보다 매우 큰 기록 밀도를 가질 수 있다. 아울러, 본 발명의 저장 장치에서는 다수의 읽기 헤드(400)에 의한 선택적 읽기, 동시 읽기 및 선택적 소거가 가능하므로, 데이터 엑세스 시간(data access time)이 단축된다.
게다가, 본 발명의 저장 장치에서는 제1 및 제2 자성층(100, 200) 내에서 자 구벽을 적절히 이동시키는 방법으로 데이터를 기록하기 때문에, 데이터 저장을 위한 제2 자성층(200)을 강자성 물질로 형성할 수 있다. 그러므로, 본 발명을 이용하면, 자구벽 이동의 안정성을 개선할 수 있고, 기록 밀도를 더욱 높일 수 있다.

Claims (18)

  1. 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층;
    상기 제1 자성층의 일측면에 접촉된 데이터 저장용 제2 자성층;
    상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자; 및
    상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 자성층은 직선형(linear shape) 또는 호형(arc shape)인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  3. 제 1 및 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 자성층은 부분 절단된 링형 또는 직선형인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 자성층은 직선형이고 상기 제2 자성층은 부분 절단된 링형일 때, 상기 제1 자성층은 복수이고, 상기 제1 자성층 각각에 복수의 제2 자성층이 구비된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성층은 디스크형 기판 상에 형성되되, 상기 복수의 제1 자성층은 서로 다른 크기를 갖고 소정 간격을 두고 평행하게 배열 되고, 상기 제2 자성층은 상기 기판의 중앙부에서 외곽부로 갈수록 내경이 커지는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 자성층은 호형(arc shape)이고 상기 제2 자성층은 직선형일 때, 상기 제1 자성층은 복수이고, 상기 제1 자성층 각각에 복수의 제2 자성층이 구비된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성층은 디스크형 기판 상에 형성되되, 상기 제1 자성층은 상기 기판의 외곽부에 형성되고, 상기 제2 자성층은 상기 제1 자성층의 안쪽에 서로 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 기록 소자는 상기 제1 자성층의 양단 및 상기 제1 자성층과 인접하지 않는 상기 제2 자성층의 일단에 연결된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 자성층은 다수이고, 등간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성층은 동일 물질로 함께 형성되는 것 을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 읽기 헤드는 제1 전극, 상기 제2 자성층, 분리층, 고정층, 반강자성층 및 제2 전극이 차례로 적층된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 분리층은 절연층 또는 도전층인 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 자성층 사이 및 상기 제2 자성층과 상기 분리층 사이 중 적어도 하나에 상기 제2 자성층 보다 비저항이 큰 저항성 물질층이 개재된 것을 특징으로 하는 자구벽 이동을 이용한 데이터 저장 장치.
  14. 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드가 마련된 상태에서,
    상기 자구 중 어느 하나를 상기 제2 자성층과 접한 상기 제1 자성층 부분까지 확장시키는 제1 단계; 및
    상기 제2 자성층과 접한 상기 제1 자성층 부분의 자구를 상기 제2 자성층으로 1 비트 만큼 이동시키는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 제1 자성층의 양단 사이에 전류를 흘려줌으로써 수행하고, 상기 제2 단계는 상기 제2 자성층에서 상기 제1 자성층으로 전류를 흘려줌으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
  16. 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드가 마련된 상태에서,
    상기 읽기 헤드 중 적어도 어느 하나를 사용해서 상기 제2 자성층에 기록된 데이터를 읽는 제1 단계; 및
    상기 데이터 기록 소자를 사용해서 상기 제2 자성층의 자구벽을 상기 제2 자성층의 타단에서 일단 방향으로 1 비트 만큼 이동시키는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제1 단계 및 제2 단계는 교대로 반복 수행하되, 상 기 제2 자성층의 자구벽이 상기 읽기 헤드의 간격만큼 이동될 때까지 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
  18. 서로 반대 방향으로 자화된 두 개의 자구를 포함하는 쓰기용 제1 자성층과, 상기 제1 자성층의 일측에 형성된 데이터 저장용 제2 자성층과, 상기 제1 자성층 및 상기 제2 자성층과 연결된 데이터 기록 소자 및 상기 제2 자성층에 부착된 다수의 읽기 헤드가 마련된 상태에서,
    상기 읽기 헤드 중 어느 두 개 사이에 전류를 인가하여 그들 사이의 상기 제2 자성층 부분에 기록된 데이터를 소거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 저장 장치의 동작 방법.
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