KR19980082653A - 상변화형 광디스크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기록층의 결정질과 비정질의 반사율 차를 광학신호로 이용하여 기록 및 소거가 자유로와 중첩 기록이 가능한 상변화형 광 디스크에 관한 것이다. 이러한 결정질과 비결정질의 형성과정은 레이저 빔으로 기록층을 국부적 용융시킨 후 급냉시키면 기록 마크인 비정질이 되고, 서냉시키면 소거영역인 결정질이 된다. 이러한 상변화형 광디스크는 광자기 디스크와는 달리 단파장 레이저 빔 적용이 용이하여 기록밀도 향상 가능성이 보다 크다는 장점을 가지고 있다. 한편, 중첩 기록시 결정질과 비정질 각각의 승온 특성이 다르게 되면 정보를 나타내는 기록 마크의 크기와 형상의 불균일성이 발생되므로, 승온 특성은 동일하게 유지될 것이 요구된다.

그러나, 단일 기록층만을 고려할 때 비정질 부분의 광 흡수율이 결정질보다 높으며 열전도율이 낮아 동일 레이저 파워에 대하여 비정질의 온도 상승율이 크게 되고, 그 결과 발생되는 기록 마크의 크기와 형상 불균일성은 단파장 레이저를 이용한 고밀도 기록시 신호 품질에 악영향을 미치게 된다. 이에 본 발명은 청색 대역의 단파장 레이저 빔이 조사될 때 기록층의 비정질과 결정질의 광흡수율 비[A(c)/A(a)]가 1.0 이상 되면서, 반사율 차[R(c)-R(a)] 역시 10% 이상 유지되는 디스크를 설계한 것이다. 특히, 반사층의 두께가 100 나노미터가 되더라도 이상의 요구 특성을 만족하는 복소굴절율을 갖는 탄탈, 니오브 또는 텅스텐으로 반사층이 형성된 것이다.

Description

상변화형 광디스크

본 발명은 기록과 소거가 자유로와 중첩 기록이 가능한 상변화형 광디스크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사층이 텅스텐이나 니오브나 탄탈로 형성되어 청색 레이저 빔이 사용될 때 중첩 기록시 정보를 의미하는 기록 마크의 크기 및 마크 형상의 불균일성이 방지되도록 한 상변화형 광 디스크에 관한 것이다.

일반적인 광디스크는 예시도면 1과 같이 폴리카보네이트 기판이 되는 원판(1)상에 디지탈 정보를 이루는 마크인 피트(2)가 트랙상에 마치 모르스 부호처럼 형성되어져 기록층을 구성하게 되며, 피트(2)면에는 레이저 빔을 반사시키는 알루미늄 반사층(3)과 그 위에 기록 내용을 표시하는 라벨인쇄와 보호코팅면(4)이 형성된 구조로 이루어지고, 도면의 부호 a는 기록시작면, b는 프로그램면, c는 기록끝면을 나타낸다.

이러한 광디스크를 성형하는 공정은 도 2와 같아서, 잘 연마된 글래스 원판(5)상에 포토레지스트(6)를 코팅시키고, 이 포토레지스트(6)에 레이저 빔을 조사시켜 피트(2)가 생기도록 반응을 시키고, 현상공정을 거쳐 글래스마스터(7)를 형성시킨 다음 이를 기초로 하여 니켈도금을 반복하여 광디스크 사출성형의 원판인 스탬퍼(8)을 완성하여 광디스크를 대량으로 복제하여 생산하게 된다.

이렇게 생산된 광디스크는 기록층의 기록내용을 단순히 읽을 수만 있는 CD-ROM (Read Only Memory)이며, 본 발명에서는 앞의 재생전용 광디스크와는 대별되는 정보를 기록하거나 기록된 정보를 소거(삭제)할 수 있는 서환형 광디스크, 특히 서환형중에서 기록층을 이루는 재질을 가열 및 냉각속도를 제어하여 재질의 결정질 구조와 비정질 구조로 변화시켜 기록하는 상변화(Phase Change)형 광디스크를 안출대상으로 하고 있다.

이를 좀더 상세히 설명하면, 상변화형 광디스크는 일반적으로 도 3에 나타낸 바와 같이 폴리카보네이트 기판(9)과 ZnS-SiO₂, SiNx 등으로 대표되는 유전체층(13)과 Ge-Sb-Te, In-Sb-Te, Ag-In-Sb-Te등의 칼코겐 화합물로 이루어진 기록층(10), 그리고 Al 및 Al 합금등으로 대표되는 금속반사층(11) 및 UV Resin으로 대표되는 보호층(12)으로 구성되어 진다.

이러한 기록층(10)에는 기록신호가 만들어지는 트랙(14)이 형성되어 있으며, 트랙(14)위에 레이저 빔을 조사하여 결정질을 비정질로, 또는 비정질을 결정질로 천이시켜 기록과 소거가 반복하게 되는 것이다.

이러한 상변화형 광 디스크는 다른 형태의 광디스크에 비해 다이렉트 오버라이트(이하 중첩기록이라칭함)가 용이하며, 광디스크의 기록밀도를 결정하는 상기 레이저 스폿의 크기를 줄일 수 있을 뿐더러, 드라이브의 광학계가 간단하기 때문에 차세대 고밀도 기록 가능 광디스크 매체로 기대되고 있다.

즉, 레이저 스폿의 크기는 K×(레이저 빔의 파장/NA)이며, 여기서 K는 상수이고, NA는 대물렌즈의 구경치(Numerical Aperture)이므로, 레이저 스폿의 크기를 작게 하기 위하여는 단파장의 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.

그러나, 광자기형 광디스크의 경우 재생을 가능케 하는 기록층의 커[Kerr] 효과가 단파장 영역에서는 상당히 감소하기 때문에 이에 대응하기 어려운 것이다.

반면, 상변화형 광디스크의 경우 단파장에서도 기록층의 결정 및 비정질의 광특성 차이가 충분히 유지되기 때문에 단파장 대응이 유리한 것이다.

중첩 기록은 고출력의 레이저 빔을 기록층(10)에 조사하여 그 기록층을 국부적으로 용융시키고 이를 급냉시켜 비정질화해 기록 마크를 형성하며, 또한 이렇게 형성된 기록 마크상에 기록시 파워의 약 1/3-1/2 정도의 출력을 갖는 레이저 빔을 조사해 결정화함으로 소거를 행하게 된다.

기록 마크는 전기된 피트에 대응되는 것으로, 기록 마크의 길이가 하나의 정보를 의미하고, 도 4에서와 같이 이러한 중첩 기록시 기록 마크가 다시 형성되는 위치는 결정상, 비정질상, 그리고 결정상과 비정질상을 동시에 걸치는 세가지 경우가 있다.

이때, 기록 마크의 크기나 소거영역은 레이저 빔에 의한 조사시 기록층(10)의 승온특성에 큰 영향을 받으며, 이러한 기록 마크의 크기나 소거영역은 디스크의 주요 품질인 CNR(반송파 대 잡음비), 지터(신호의 시간축 방향 편차), 소거율을 좌우하게 된다.

따라서, 중첩 기록시 일정파워의 레이저 빔이 조사될 때 균일한 크기와 형상의 기록 마크의 형성을 위해서는 결정질이나 비정질이 동일온도로 승온되어 용융되어야 균일한 형상의 기록 마크가 형성되므로, 기록층의 결정 상태와 비정질 상태의 동일한 승온 특성이 요구된다.

상술된 바와 같이 상변화형 광디스크에 있어서는 광자기형 광디스크와는 달리 단파장의 레이져 빔 사용이 용이해 고밀도의 기록을 수행할 수 있다.

한편, 레이저 빔에 의한 기록층의 용융과 냉각에 의해 형성된 기록 마크의 형상은 광디스크의 품질을 좌우하게 되므로, 결정질과 비결정질의 열적특성이 동일하게 유지될 것이 요구된다.

즉, 기록층의 결정질 상태와 비정질 상태 모두 일정한 파워의 레이저 빔이 조사되어 용융되면 이후의 냉각조건은 거의 동일하므로, 만약 결정질과 비결정질의 승온 특성에 차이가 생기게 되면 용융점 이상 승온되는 영역에 차이가 생기게 되어 중첩 기록시 기록 마크의 크기와 형상이 다르게 되는 것이다.

그러나, 일반적으로 단일 기록층만을 고려할 때 비정질 부분의 광 흡수율이 결정질보다 높으며, 열전도율이 낮으므로 그 승온특성, 특히 동일 레이저 파워에 대한 비정질의 온도 상승율이 크다.

그 결과 발생하는 기록 마크의 크기와 형상 불균일성은 단파장 레이저를 이용한 고밀도 기록시 신호 품질에 결정적으로 악영향을 미치게 된다.

이에 따라 디스크의 구조 설계를 변경에 의해 결정질 부분의 광흡수율을 비정질의 그것보다 크게하여 이러한 승온 특성을 보정해 주는 방법이 제시된 바 있다.

그런데, 알루미늄 합금의 반사층을 채용한 종래의 상변화형 광디스크에는 이러한 보정이 매우 어렵다는 단점을 가지고 이다.

이에 본 발명은 알루미늄 합금을 대체하는 새로운 반사층 재료를 사용함으로서 광 흡수율 보정이 보다 용이한 상변화형 광디스크를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명은 청색 대역의 단파장 레이저 빔이 조사될 때 반사층의 두께가 100 나노미터에서 기록층의 비정질과 결정질의 광흡수율이 비[A(c)/A(a)]가 1.0 이상이고 디스크의 반사율 차[R(c)-R(a)]가 10% 이상되는 복소굴절율을 갖는 탄탈, 니오브 또는 텅스텐으로 방사층이 형성된 것이다.

따라서, 기록 밀도를 증가시키기 위한 청색 대역 단파장 레이저 빔으로 기록마크를 형성할 때, 기록층의 결정질과 비정질의 승온 특성을 되도록 동일하게 유지함으로써, 중첩 기록시 기록 마크의 크기와 형상의 불균일성이 최소화해 광디스크의 품질이 향상시키는 효과가 있는 것이다.

도 1 (가)는 일반적인 광디스크의 정보영역을 나타낸 설명도,

(나)는 광디스크의 구조를 나타낸 (가)도의 A-A선 단면도,

도 2는 스탬퍼 제조공정도,

도 3은 상변화형 광디스크 구조도,

도 4는 상변화형 광디스크에서 중첩 기록을 나타낸 설명도,

도 5는 상변화형 광디스크에서 레이저 빔의 조사에 따른 광 성질을 나타낸 설명도,

도 6은 본 발명에 따른 반사층을 형성하기 위하여 임의의 반사층 재질에서 복소굴절율에 따른 기록층의 결정질과 비정질 광흡수율 비의 변화 분포를 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명에 따른 반사층을 형성하기 위하여 임의의 반사층 재질에서 복소굴절율에 따른 디스크의 결정질과 비정질 반사율 차이 변화분포를 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명에 따른 반사층을 형성하기 위한 도 6과 도 7의 중복범위를 나타낸 그래프이다.

이하 첨부된 예시도면과 함께 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기판상에 기록층, 유전체층 및 반사층이 증착된 상변화형 광디스크에 있어서, 반사층의 두께가 100 나노미터로 형성되고, 488 나노미터의 레이저빔이 조사될 때, 기록층이 비정질에 대한 결정질의 흡수율 비가 1.0 이상 되도록 임의의 재질(X)에서 반사층의 복소굴절율(n+ki)의 인자 n, k을 요소로 하는 기록층의 비정질에 대한 결정질의 광흡수율 비[A(c)/A(a)] 변경범위에서 1 이상인 범위와 광디스크의 결정질과 비정질의 반사율차[R(c)-R(a)] 변경범위에서 0.1 이상인 범위와의 중복 범위내의 특성을 갖는 원소가 반사층에 채용되는 것을 특징으로 하는 상변화형 광디스크이며, 상기 중복범위 내에 포함되는 원소는 텅스텐(W)이나 니오브(Nb)나 탄탈(Ta)인 것을 특징으로 한다.

여기서, 계산에 고려된 각층의 재료와 그 광학상수는 아래 표 1과 같다.

[표 1]

본 발명은 표 1에서와 같이 반사층의 재질을 제외한 상변화형 광디스크의 각 박막의 치수와 재질을 결정하고, 여기에 488 나노미터의 청색 단파장 레이저 빔을 조사할 때, 기록층의 결정질과 비정질의 승온 특성이 동일성을 유지하도록 광특성을 갖는 반사층이 형성되도록 한 것이다.

즉, 예시도면 도 5에서와 같이 이러한 상변화형 광디스크의 레이저 빔 입사량을 I라 할 때, 입사량은 흡수량과 반사량, 그리고 투과량의 합으로 나타나는데, 이는

A+R+T=1이고, 여기서 A는 광디스크의 흡수율, R은 광디스크의 반사율, 그리고 T는 광디스크의 투과율을 나타낸다.

따라서, 광디스크 비정질 상태의 흡수율을 A(a), 반사율을 R(a), 투과율을 T(a)로 하고, 결정질 상태의 흡수율을 A(c), 반사율을 R(c), 투과율을 T(c)라 한다면,

A(a)+R(a)+T(a)=A(c)+R(c)+T(c)가 된다.

그런데, 광디스크에 조사된 레이저 빔을 흡수하는 것은 대부분 기록층과 반사층이라 할 수 있으므로, 상기 식은

기록층A(a)+반사층A(a)+R(a)+T(a)=기록층A(c)+반사층A(c)+R(c)+T(c)로 나타낼 수 있으며, 이를 정리하면

[기록층A(a)-기록층A(c)]=[R(c)-R(a)]+[T(c)-T(a)]+[반사층A(c)-반사층A(a)]가 된다.

따라서, 결정질과 비정질의 열적특성이 동일하게 유지되기 위하여는 상기 식에서 기록층 A(a)와 기록층 A(c)의 차가 0에 가깝도록 결정될 것이 요구되어지는 것이며, 비정질과 결정질의 약간의 열전도율 차이까지 고려된다면 이는 음의 값을 갖는 것이 바람직하다.

한편, 상변화형 광 디스크는 결정질과 비정질의 반사율 차를 신호로 이용한 것이며 적정한 신호품질을 얻기 위해서는 상기 식에서 광 특성상 광디스크의 결정질의 반사율과 비정질의 반사율 차인 [R(c)-R(a)]는 적어도 10% 이상이 되어야 한다.

따라서, 상기 [R(c)-R(a)]값이 언제나 양의 값을 가져야 하므로 기록층의 비정질과 결정질이 광흡수율 비가 1.0 이상이 되기 위해서는 디스크의 투과율 차인 [T(c)-T(a)]와 [반사층 A(c)-반사층 A(a)]와의 합이 음의 값을 가져야 한다.

그런데, Al 합금 반사층을 채용한 경우는 상기 디스크의 투과율 차와 반사층의 흡수율차가 음의 값을 갖기 어려우며 음의 값을 갖기 위해서는 반사층의 두께가 수 나노미터 정도로 매우 얇아야 되는데 이는 성막시 그 두께가 제어하기 어려울 뿐더러 디스크에 적절한 내구성을 부여하기가 어렵다.

이를 다시 설명하면, Al 합금 반사막의 [T(c)-T(a)]는 0에 가깝고 [반사층 A(c)-반사층A(c)] 역시 0에 가까우므로 상기 [기록층 A(a)-기록층 A(c)] 값이 1.0 이상이 되는 것을 기대하기 어려운 것이다.

이러한 이유에서 상기 Al 합금 반사층은 기록층의 흡수율 비를 보정하기 용이한 광특성을 갖는 다른 재질로 변경되어야 할 필요가 있는데, 이를 위해 본 발명은 두께 제어가 용이하고 동시에 디스크의 내구성을 확보할 수 있는 100 나노미터의 반사층 두께에서 특정 복소굴절율(n+ki)의 반사층 재질 X를 사용하였을 경우, 비정질에 대한 결정질의 광흡수율 비[A(c)/A(a)]의 변화 분포와 디스크의 반사율 차[R(c)-R(a)]의 변화 분포 계산으로부터 디스크에 적절한 광 특성을 부여할 수 있게끔 반사층이 선정된 것이다.

이를 위해서 상기 표 1의 조건에서 임의의 재질 X의 복소굴절율의 요소 n, k에 따른 광디스크의 반사율 차의 변화를 시뮬레이션 하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도시된 바와 같이 광디스크의 반사율 차이의 변화는 좌상단 일부구역[약 k는 0.3 이하에서 n이 4.3-5.5인 구역과 6.7-8.0인 구역]을 제외하고 n이 약 3.0 이상인 전역에 걸쳐 광디스크의 반사율 차는 0.1(10%)이상됨을 알 수 있다.

따라서, 전기된 반사층의 광흡수율 변화 분포에서 그 값이 1.0 이상인 구역과 상기 광디스크의 반사율 차 변화 분포에서 그 값이 0.1(10%) 이상인 구역의 중복구역이 n, k 값을 만족하는 반사층이 상기 표 1의 조건에서 기록층의 흡수율 차를 보완하게 되는 것이며, 이것이 예시도면 도 8에 도시되어 있다.

상기 중복구역은 n이 2.5~8.0까지 그리고 k가 0~3.3까지의 구역내에 포함되어 있으며, 도시된 바와 같이 알루미늄은 488 나노미터의 단파장 레이저 빔 조사시, 100 나노미터의 반사층 두께에 비적접한 재질임이 확연이 드러난다.

한편, 상기 중복구역 내에서 복소굴절율을 가진 원소로는 도시된 바와 같이 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 니오브(Nb) 등이 있으며 이러한 재질로 반사층을 형성할 경우 기록층의 비정질과 결정질의 열흡수율 차이가 보완되며, 그 결과로써 기록 마크 크기나 형상의 불균일성이 억제될 수 있는 것이다.

따라서, 이러한 기록 마크 크기와 형상이 하나의 데이터 신호를 의미함을 고려할 때 상기 재질로 형성된 반사층으로 인한 크기와 형상 불균일성 억제는 광 디스크의 신호 특성과 물질에 있어 중요한 의미를 지니게 되는 것이다.

또한, 상기 중복범위와의 재질이라도 이에 근접된 Mo, Hf, Ti 등은 합금화되어 상기 중복범위에 포함될 수 있다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 488 나노미터의 단파장 레이저 빔으로 기록 마크를 형성할 때, 두께가 100 나노미터이고 텅스텐이나 니오브나 탄탈 등으로 된 반사층이 형성되어 기록층의 결정질과 비정질의 승온 특성이 동일성을 유지하게 되므로써, 중첩 기록시 기록 마크의 크기 및 형상의 불균일성이 억제되고 이로 인해 광디스크의 품질이 향상되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 기판상에 기록층, 유전체층 및 반사층으로 구성된 상변화형 광디스크에 있어서, 기록층의 비정질에 대한 결정질의 광흡수율 비[A(c)/A(a)] 변화 분포에서 그 값이 1.0 이상인 범위와 디스크의 결정질과 비정질의 반사율 차[R(c)-R(a)] 변화 분포에서 그 값이 0.1(10%) 이상인 범위와의 중복범위 내의 원소로 반사층이 구성된 것을 특징으로 하는 상변화형 광디스크.
2. 제1항에 있어서, 반사층이 텅스텐(W)이나 니오브(Nb) 또는 탄탈(Ta)로 구성된 것을 특징으로 하는 상변화형 광디스크.