KR20000053057A - 자성화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각 분리된 강자성 자구를 나타내고 각각 최대 크기가 100nm이하인 다수의 페리마그네틱 또는 페로마그네틱 입자들로 이루어진 자기층을 포함하는 자기 기록 매체에 관한 것이다.

Description

자성화 장치{MAGNETIZABLE DEVICE}

초고밀도(>=1 Gbit/in²)의 자성매체에 대해 가능한 경로들 사이에는 나노단위(1-100nm)의 입자들을 사용한다. 자성매체에 대한 표준 필요조건 이상으로, 실행 가능한 미립자 매체는 입자들이 분리되어 교환될 뿐만 아니라 입자의 크기에서 작은 표준 편자를 가져야 한다. 이러한 필요조건들은 좋지 않은 매체소음을 피하기 위해 필요한 것이다. 이온 빔을 산란시키는 다수의 타겟 또는 아크-방전과 같은 나노단위 입자들의 일반적인 제조방법들은 이러한 두 가지 필요조건을 완전히 갖추지 않았다. 게다가 균일한 입자들이 지시된 어레이로 배열된다면 각각의 입자는 매체의 효율성을 더욱 증가시키는 예상 가능한 위치에 "비트"정보로 나타낼 수 있다.

본 발명은 분리된 자구(磁區)를 가지는 나노단위의(예를 들면 1-100nm) 강자성 입자들로 이루어진 자기층을 포함하는 자성화 장치에 관한 것이다. 본 발명의 자성화 장치는 향상된 자료저장 특성을 가진 자기저장장치로 사용될 수 있다. 특히 본 발명은 정보저장에 유용한 정격 2-D 충진된 어레이(array)로 배열될 수 있는 분리된 단일자구를 가지는 균일한 나노단위의 강자성 입자들을 포함하는 자기저장매체에 관한 것이다.

본 발명에서는 초고밀도 기록을 위해 이러한 필요조건을 충족하는 미립자 매체를 생산하는 방법을 설명한다. 또한 본 발명은 매체를 다른 응용에 이용할 수 있는 것과 같이 다양한 자성물질을 생산토록 하는 공지된 시스템에 관한 것이다.

특히 본 발명은 그 내부 구멍이 나노단위의 입자들을 생산하는데 사용되는 철 저장 단백질인 페리틴의 이용법을 설명한다. 페리틴은 전체 생물 종들의 철 대사에 이용되고 그 구조는 그들 사이에서 고도로 보전된다. 페리틴은 직경이 대략 8nm인 중공(中空)셀(hollow shell) 제공하기 위하여 배열된 24개의 서브유닛으로 구성된다. 그 구멍은 일반적으로 상자성 페리하이드리트의 형태로 4500개의 철(Ⅲ) 원자를 저장한다. 그러나 이러한 페리하이드리트는 제거될 수 있고(페리하이드리트가 전혀 없는 페리틴은 "아포페리틴"이라 명함) 다른 물질들이 결합될 수 있다. 예를 들어 세라믹, 초상자성 자철광, 아세타미노펜 및 감미료 아스파탐을 포함한다. 자성매체에 부합시키기 위하여 본 발명은 강자성 배열된 물질을 조합시킨다.

본 발명의 일례에 따르면, 분리된 자구를 가지는 각각 최대 100nm의 크기의 강자성 입자들로 이루어진 자기층을 포함하는 자성화 장치를 제공한다.

본 발명의 두 번째 예에 따르면, 각각 최대 100nm의 크기를 가지는 상기의 자기층과 분리된 강자성의 자구를 나타내는 입자들을 각각 포함하는 자기 기록 매체를 제공한다. 바람직하게 그 자기층은 비자성 접착 기면에 지지한다.

본 발명의 세 번째 예에 따르면, 각각 유기분자에 결합하고 최대 100nm이하의 크기를 가지는 다수의 강자성 입자들을 포함하는 자기 구성체를 제공한다. 본 발명의 이러한 예에서 상기 유기 분자는 강자성 입자에 의해 제거되고 대체된 보통의 자심 페리하이드리트의 페리틴인 것이 바람직하다.

여기서 사용되는 "강자성체"란 페로마그네틱과 페리마그네틱 중 하나인 물질을 포함한다. 이러한 용법은 전기공학 기술분야에서는 일반적이다.

본 발명에서 사용되는 강자성 입자들은 상온(예를 들어 15℃-30℃)에서 강자성의 특성을 가지는 크기의 물질이어야 한다.

바람직하게 강자성 입자들은 각각 최대의 크기가 50nm를 초과하지 않고 더 바람직하게는 25nm이하이며, 가장 바람직하게는 15nm보다 작은 것이다. 강자성체 입자들의 최대의 크기는 그 입자가 강자성의 특성을 잃을 정도로 너무 작아서는 안되고 기록 매체의 요구된 작동 온도에서 초상자성체로 되어야 한다. 일반적으로 상온에서의 작동은 자성 입자가 평상적으로 그들 최대의 직경이 약 3nm보다 작지 않다는 것을 의미한다.

본 발명의 일례의 자성화 장치와 본 발명의 두 번째 예의 자기 기록 매체에서, 인접한 강자성 자구사이의 거리는 주어진 영역에서 식별 가능한 최대수의 자구를 허용할 수 있도록 작은 것이 바람직하고 기록 매체에 최대의 저장능력을 제공한다. 실제의 최저한도는 다른 재제들과 사용되는 기록 매체의 온도와 같은 다른 조건들에 따라 변할 것이다. 그러나 핵심적인 필요조건은 어떤 자구의 자기 배열이 인접한 자구들에 의해서 바뀔 수 있는 범위에서 인접한 자구들이 서로 자기적으로 간섭하지 않아야 한다는 것이다. 일반적으로 자구의 공간에 대한 최저한도는 약 2nm이다. 인접한 자구들 사이의 거리는 필요한 개별 자구들의 밀도에 의해서 결정될 것이다. 그러나 일반적으로 본 발명에 의해 제공된 소형화 가능성을 이용하기 위하여 인접한 자구들 사이의 거리는 10nm보다 작을 것이다.

일반적으로 그 입자들은 크기가 균일할 것이고 이는 그 입자들은 약 5%이상으로 최대직경이 변화할 수 없다는 것을 뜻한다. 본 발명에서 유기분자를 사용하는 이점중의 하나는 자성 입자를 둘러싸서 결합하는 유기분자를 같은 크기의 입자들을 선택하는데 사용할 수 있는 것이다.

그 입자들이 타원체인 경우에는 입자의 직경은 100nm보다 작아야 할 것이다.

본 발명의 모든 바람직한 실시예에서 각각의 강자성 입자들은 유기분자 내에 싸여지거나 부분적으로 싸여진다. 거대분자란 1500kD이하인 분자량을 가지나 일반적으로 500kD이하인 한 분자 또는 분자들의 모임을 뜻한다. 페리틴은 400kD의 분자량을 가진다.

거대분자는 자성 입자를 둘러싸거나 구성화하여 결합할 수 있는 능력이 있어야 하고 따라서 그 입자를 포함할 수 있는 적절한 구멍(cavity)을 가질 것이며; 구멍은 일반적으로 거대분자 내로 완전히 들어가 있을 것이다. 선택적으로 거대분자는 완전히 둘러싸여 있지 않으나 자성 입자를 받아서 지지할 수 있는 능력이 있는 적절한 오프닝(opening)을 포함할 것이고; 예를 들어, 오프닝은 거대분자에서 고리에 의해 규정될 것이다. 예를 들어 본 발명에서 사용할 수 있는 적절한 거대분자는 단백질 아포페리틴(구멍이 비어있는 페리틴), 플라겔라 L-P 링, 사이클로덱스트린, 자체 조합되는 환식 펩타이드와 같은 단백질이다. 거대분자 내로 자성 입자를 넣는 것과 다른 방법으로 자성입자는 세균성 S-층과 같은 거대분자로 구성화될 수 있다.

강자성 입자들을 구성화하기 위하여 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 물질은 MCM형 물질, 덴드리머 및 교질입자형 시스템과 같은 무기-실리카 네트워크이다.

본 발명에서 사용하기 위하여 바람직한 거대분자는 대개 8nm정도의 직경의 구멍을 가지는 아포페리틴 단백질이다. 이러한 단백질 내에 수용되기 위하여 페리마그네틱 또는 페로마그네틱 입자들은 8nm이하의 직경을 가져야 한다.

본 발명의 이러한 예에서 표면이 덮여 결합되는 입자들은 집합과 산화를 막고 또한 분리된 자구를 갖도록 돕는다.

본 발명의 첫 예의 자성화 장치와 본 발명의 두 번째 예의 자기 기록 매체에서 그 입자들은 초고밀도 자기매체를 산출하는 2-D 지정 어레이에 배열되는 것이 바람직하다.

강자성 물질은 코발트, 철 또는 니켈과 같은 금속; 알루미늄, 바륨, 비스무트, 세륨, 크롬, 코발트, 구리 철, 망간, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오븀, 백금, 프라세오디뮴, 사마륨, 스트론튬, 티타늄, 바나듐, 이테르븀, 이트륨 또는 그들의 혼합물을 포함하는 합금과 같은 금속 합금; 바륨, 코발트 또는 스트론튬을 포함하는 페라이트와 같은 금속 페라이트; 또는 유기 강자성 물질이다.

나노단위의 입자들을 산출할 때 한가지 중요한 것은 생성된 입자가 초상자성체가 아니어야 한다. 초상자성 입자들은 영구적인 자기 쌍극자 모멘트를 가지나 결정학적인 축에 관하여 그 모멘트의 방향은 시간에 따라 변동한다. 이것은 실제의 자기저장매체에 유용하지 않다. 초상자성은 부피, 온도 및 입자들의 이방성에 의존한다. 에너지를 고려하여 이러한 양들에 관한 방정식을 얻을 수 있다. 입자가 초상자성체가 될 때의 부피(V_p)는 V_p=25kT/K이고 여기서 k는 볼쯔만 상수, T는 입자의 켈빈온도, K는 물질의 이방성 상수이다. 이 식을 사용하여 고정된 부피에서 주어진 물질에 대해 입자가 초상자성체가 되는 온도(블로킹 온도)를 결정할 수 있다. 본 발명의 특별한 경우에 페리틴에 대한 고정 부피가 8nm이다. 단지 결정성의 이방성을 가진 코발트 금속입자가 8nm의 직경을 가진 구형이라면 블로킹 온도는 353^oK이다. 이는 하드디스크 드라이브에서 경험된 온도의 범위내이고, 코발트 입자들은 유용한 저장매체라는 것이 입증될 것이다. 명백하게 물질의 보자성, 모멘트, 포화자성 및 이완시간과 같은 다른 고려대상이 있다. 물질들을 페리틴에 조합시킴에 따라 이들이 조건에 맞게 부합되어진다.

페리틴은 모든 생물 종의 철 대사에서 사용되고 그 구조는 그들 사이에서 고도로 보전된다. 대략 8nm의 직경의 중공셀을 제공하는 432 대칭으로 배열된 24개의 서브유닛으로 구성된다. 일반적으로 구멍은 상자성 페리하이드리트의 형태로 4500개의 철(Ⅲ)원자를 저장한다. 그러나 이러한 페리하이드리트는 제거될 수 있고(페리하이드리트가 전혀 없는 페리틴은 "아포페리틴"이라 함) 다른 물질이 결합될 수 있다. 페리틴 안에 서브유닛이 단단하게 싸여지나 3-폴드(fold)와 4-폴드 축으로 구멍 내에 채널이 있다. 3-폴드 채널의 내층은 카드뮴, 아연 및 칼슘과 같은 금속과 결합하는 잔기이다. 이러한 2가 이온들을 안으로 끌어들임으로써 페리틴 분자와 잠재적으로 결합하거나 또는 적어도 인접하는 배열을 자극한다.

8nm이하로 균일한 크기의 강자성으로 배열된 입자의 2-D 충전 어레이를 얻는 한 방법은 수용액상에서 천연의 페리틴으로부터 페리하이드리트 코어의 제거, 페리틴 구멍 내에 코발트(Ⅱ)수용액의 소듐 보로하이드리드 환원에 의해 강자성으로 배열된 코발트 금속입자들의 결합, 초원심분리를 통한 소규모 분배의 산출, 2-D 어레이로 조합하는 MES/글루코스 하부(subphase) 용액내로 입자들을 주입, 탄소로 둘러싸인 지지층으로의 2-D 어레이의 이동을 포함한다. 이러한 방법에서 페리틴의 원천은 척추동물, 무척추동물, 식물, 진균류, 효모, 세균 또는 재조합 기술을 통해 생산된 것일 수 있다.

설명된 방법에서 금속합금코어는 수용성 금속염의 소듐 보로하이드리드 환원에 의해서 생산될 수 있다. 다른 산화 방법은 탄소, 일산화탄소, 수소 또는 히드라진 수산화용액을 포함한다. 선택적으로 적절한 용액은 산화하여 금속 페라이트 코어를 얻을 수 있다. 환원은 화학적으로 또는 전기화학적으로 금속 페라이트를 얻는 것이다.

이러한 방법에서 소규모 분배를 선택하는 다른 방법은 짧거나 긴 칼럼 메니스커스 소모방법 또는 자기장 분리와 같은 방법이 채용될 수 있다.

게다가 이 방법에서는 카드뮴, 칼슘 또는 아연을 포함하는 2가의 금속염을 입자의 배열을 돕기 위하여 하부용액내에 첨가할 수 있다.

게다가 2-D 어레이에 입자들을 배열하는 다른 방법은 고체 지지층위의 용액 증발과 같은 방법이 채용될 수 있다.

게다가 이 방법에서는 2-D 어레이를 수소화되거나 진한 액체질소로 처리한 다이아몬드 같은 탄소와 같이 탄소를 주요소로 한 필름 또는 이산화실리콘과 같은 실리콘을 주요소로 한 필름으로 덮을 수 있다.

본 발명에서 가장 큰 크기의 강자성 입자를 둘러싸는데 사용할 수 있는 페리틴은 그 내부직경이 8nm로 제한된다. 페리하이드리트 코어를 제거하여 생성된 입자들은 아포페리틴을 산출한다. 이것은 질소의 유입 하에서 완충제로 처리된 아세트산나트륨 용액에 대한 투석에 의해 행해진다. 티오글라이콜산을 환원하는 킬레이션은 페리하이드리트 코어를 제거하는데 사용된다. 염화나트륨 용액에 대한 투석을 반복함으로써 용액으로부터 환원된 페리하이드리트 코어를 완전히 제거한다. 일단 아포페리틴이 생성되면 페리마그네틱 또는 페로마그네틱 입자들이 다음 방법들에서 결합된다. 우선 아포페리틴이 존재하는 금속염 용액을 환원한다. 이는 금속 입자들의 자성을 감소시키는 산화로부터 보호하기 위하여 비활성 대기에서 수행한다. 용액 내에서 금속염의 화합물은 또한 환원되어 합금이나 합금 전구체들을 산출한다. 자기장에서 소결이나 가열냉각은 유용한 자성 합금을 산출하기 위해 필요할 것이다. 또다른 방법은 철(Ⅱ)염과 다른 금속염의 화합물을 산화하는 것이다. 이로써 산화로부터 감소영향을 받지 않는 금속 페라이트 입자를 얻는다. 유익한 그 금속염들은 알루미늄, 바륨, 비스무트, 세륨, 크롬, 코발트, 구리, 철, 망간, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오븀, 백금, 프라세오디뮴, 사마륨, 스트론튬, 티타늄, 바나듐, 이테르븀, 이트륨의 염들을 포함한다.

입자의 소규모 분배는 매체 소음을 피하기 위해 필요하다. 이러한 분배는 밀도 경사 원심분리 또는 자기장 분리를 포함하나 이에 한정되지 않는 다양한 방법을 통하여 얻을 수 있다.

설명된 제조 방법에서는 천연의 말의 비장 페리틴을 사용하는 반면에 본 발명에서는 그 원천에만 한정되지 않는다. 페리틴은 척추동물, 무척추동물, 식물, 진균류, 효모, 세균 또는 재조합 기술을 통한 생성물들에서 발견될 수 있다. 2가의 결합부위가 결여된 돌연변이의 아포페리틴을 만듦으로써 변이주의 단백질이 정육각형으로 밀집된 것과는 대조적으로 사각의 집합체로 조합된 것을 발견하였다.

페리틴이 나노단위의 입자를 산출하기 위한 이상적인 시스템으로 여겨지는 반면에 사용할 수 있는 시스템이 아니다. 예를 들어 플라겔라 L-P 링은 내부직경이 13nm인 관모양의 단백질이다. 이러한 단백질의 2-D 어레이를 만듦으로써 금속 필름을 관의 중심에 넣어 수직막대의 자성 물질을 만들 수 있다. 또한 미세유상액(microemulsion)에서의 금속의 환원은 계면활성제로 둘러싸여진 나노단위의 입자를 만드는데 사용할 수 있다. 본 발명에서는 나노단위의 입자를 제조하는 다른 방법을 제공한다.

마지막으로 입자들의 정돈된 배열이 바람직하다. 이를 얻기 위한 한 방법은 테플론통에 함유된 MES/글루코스 하부 용액에 입자의 수용액을 주입하는 것이다. 그 입자들을 공기와 하부의 접촉면에 뿌리면 일부 변성되어 단층 필름을 형성한다. 넣어진 입자들의 2-D 배열은 이러한 단층의 아래에 발생한다. 실온에서 10분이 지난 후에 그 배열과 단층은 5분 동안 단층위에 직접 지지층을 배치함으로써 지지층으로 이동한다. 그 지지층을 회수한 후에 부착된 배열을 보호하기 위하여 얇은 탄소층으로 둘러싼다. 또한 고체지지층 위에서의 용액의 증발건조와 같은 다른 방법으로 2-D 배열을 얻을 수 있고 본 발명에서는 이 배열 방법들에만 한정되지 않는다.

(실시예 1)

이 실시예는 말 비장의 페리틴에서 아포페리틴을 얻는 방법을 설명한다. 카드뮴이 유리된 천연의 말 비장의 페리틴(100mg/ml)으로부터 질소의 유입 하에서 pH 5.5에서 완충제로 처리된 아세트산나트륨용액(0.2M)에 대한 투석(분자량 10-14kDaltons의 분리)에 의하여 티오글라이콜산(0.3M)을 사용한 환원 킬레이션으로 페리하이드리트 코어를 제거하여 아포페리틴을 얻었다. 염화나트륨 용액(0.15M)에 대한 투석을 반복하여 용액으로부터 환원된 페리하이드리트 코어를 완전히 제거하였다.

(실시예 2)

이 실시예에서는 아포페리틴내의 코발트 금속을 얻는 방법을 설명한다. 아포단백질을 pH7.5에서 완충제로 처리된 공기를 제거한 TES/염화나트륨 용액 (0.1/0.4M)에 첨가하여 대략 1 mg/ml의 단백질 가공(working)용액을 얻었다. 공기가 제거된 코발트(Ⅱ)[예를 들어 아세테이트염]용액(1mg/ml)을 첨가된 전체 원자가 대략 500개 원자/아포단백질 분자인 것과 같이 증가적으로 첨가하였다. 이것을 실온에서 하루동안 비활성 대기에서 교반하였다. 그 다음 소듐 보로하이드리드를 사용하여 코발트(Ⅱ)염을 코발트(0)금속으로 환원하였다. 최종 생성물로 각각 페리틴 껍질로 둘러싸여진 코발트 입자들의 용액을 산출하였다.

(실시예 3)

이 실시예에서는 아포페리틴내의 이트륨 코발트(YCo₅)와 같은 금속 합금을 얻는 방법을 설명한다. 금속 합금은 실시예 2의 방법과 같으나 이트륨(Ⅲ)[예를 들어 아세테이트염]과 코발트(Ⅱ)[예를 들어 아세테이트염]를 1:5의 비율로 사용한다. 최종 생성물로 각각 페리틴 껍질로 둘러싸여진 이트륨 코발트 입자들의 용액을 산출하였다.

(실시예 4)

이 실시예에서는 아포페리틴내의 코발트 페라이트(CoO·Fe₂O₃)와 같은 금속 페라이트를 얻는 방법을 설명한다. 아포단백질을 pH 6으로 완충제로 처리된 공기가 제거된 MES/염화나트륨용액(0.1/0.4M)을 첨가하여 대략 1mg/ml의 단백질 가공용액을 얻었다. 1:2 비율의 공기가 제거된 코발트(Ⅱ)[예를 들어 아세테이트 염]와 철(Ⅱ)[예를 들어 황산암모늄 염]의 용액을 증가적으로 첨가하고 공기로 산화되게 하였다. 최종 생성물로 각각 페리틴 껍질로 둘러싸인 코발트 페라이트입자들의 용액을 산출하였다.

(실시예 5)

이 실시예에서는 페리틴으로 싸여진 자성 입자들의 2-D 배열을 설명한다. 입자들의 수용액[예를 들어 2-4의 선택된 크기로 규격화된 것]을 테플론통에 함유된 MES/글루코스 하부 용액(0.01M/2%)내로 주입하였다. 그 입자들을 공기와 하부의 접촉면에 뿌려서 일부를 변성하여 단층 필름을 형성하였다. 싸여진 입자들의 2-D 배열은 이 단층 아래에 발생한다. 실온에서 10분 후에 그 배열과 단층은 5분 동안 단층위에 직접 지지층을 배치함으로써 지지층으로 이동하였다. 지지층을 회수한 후에 부착된 배열을 보호하기 위하여 얇은 탄소층으로 둘러쌌다.

Claims (10)

1. 자기층이 각각 최대의 크기가 100nm이하인 다수의 강자성 입자들로 이루어지고, 각각의 상기 입자들이 분리된 강자성 자구를 나타내며, 자기 기록 매체를 제조하는 과정에서 강자성 입자들이 유기분자 내로 넣어지거나 또는 부분적으로 넣어지는 것을 특징으로 하는 자기층을 포함하는 자기 기록 매체의 자료저장을 위한 이용법.
2. 제 1항에 있어서, 인접한 강자성 자구사이의 거리는 적어도 2nm인 것을 특징으로 하는 이용법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 인접한 강자성 자구사이의 거리는 10nm이하인 것을 특징으로 하는 이용법.
4. 상기의 청구항에 있어서, 자기 기록 매체의 제조과정에서 강자성 입자들이 단백질 거대분자의 구멍 또는 오프닝 내로 넣어지거나 또는 부분적으로 넣어지는 것을 특징으로 하는 이용법.
5. 제 4항에 있어서, 자기 기록 매체의 제조과정에서 강자성 입자들을 아포페리틴 단백질 내로 넣는 것을 특징으로 하는 이용법.
6. 자기층이 각각 100nm이하의 최대 크기를 가지는 다수의 강자성 입자들로 이루어지고, 각각의 입자들이 분리된 강자성 자구를 나타내며, 자기 기록 매체의 제조과정에서 강자성 입자들이 유기분자 내로 넣어지거나 또는 부분적으로 넣어지는 것을 특징으로 하는 자기층을 포함하는 자기 기록 매체를 포함하는 하드디스크 드라이브.
7. 제 6항에 있어서, 인접한 강자성 자구사이의 거리가 적어도 2nm인 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 인접한 강자성 자구사이의 거리가 10nm이하인 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
9. 제 6항, 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 자기 기록 매체의 제조과정에서 강자성 입자들이 단백질 거대분자의 구멍이나 오프닝 내로 넣어지거나 또는 부분적으로 넣어지는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.
10. 제 9항에 있어서 자기 기록 매체의 제조과정에서 강자성 입자들이 아포페리틴 단백질 내로 넣어지는 것을 특징으로 하는 하드디스크 드라이브.