KR20000071441A

KR20000071441A - 자기 기록 장치 및 자기 기록 방법

Info

Publication number: KR20000071441A
Application number: KR1020000012677A
Authority: KR
Inventors: 기키츠아키라; 이치하라가츠타로
Original assignee: 니시무로 타이죠; 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2000-11-25
Also published as: EP1037198B1; DE60027629T2; DE60027629D1; US6493164B1; EP1037198A3; CN1201317C; KR100371453B1; CN1267054A; EP1037198A2

Abstract

본 발명은 자기 기록 장치 및 방법에 관한 것으로, 이 자기 기록 장치는 기판상에 형성된 기록층이 있는 자기 기록 매체, 상기 기록층은 자성 입자 및 이 자성 입자사이에 형성된 비자성 물질로 구성되어 있고, 상기 기록층을 가열하도록 구성된 가열 유닛, 및 상기 기록층에 자기장을 인가하도록 구성되 자기 기록 유닛으로 구성되어 있고, 상기 자기 기록 매체, 상기 가열 유닛 및 상기 자기 기록 유닛은 다음과 같은 관계를 만족시키도록 구성되며,

T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)

여기서, Ku(T)는 온도(T)에서 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기온도(Ta)에서 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이며, R_Ku(T)는 Ku(T)/Ku(Ta) 비를 나타내고, 그리고 t 는 자기장 적용이 완료된 다음 경과된 시간을 나타내는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 기록 장치 및 자기 기록 방법{MAGNETIC RECORDING APPARATUS AND METHOD OF MAGNETIC RECORDING}

본 출원은 1999년 3월 15일 출원된 일본 특허출원 11-068185 호의 우선권 이익을 향유하는 출원으로서, 상기 출원의 내용 전체는 본 명세서에서 참고된다.

본원은 정보의 기록 및 재생이 자기적으로 이루어지는 자기 기록 장치 및 자기 기록 방법에 관련한 발명이다.

최근 컴퓨터 처리속도의 향상으로, 정보를 기록 및 재생하도록 고안된 자기 기록 장치(가령, 하드 디스크 드라이브(HDD))는 기록 속도 및 밀도를 더욱 개선시킬 것을 필요로 한다. 그러나, 상기 기록 밀도를 증가시키는 데에는 물리적 한계가 있다.

자기 기록 장치로서 고밀도 기록을 하기 위해서는 작은 자기 도메인(domain)들이 기록층에 기록되도록 하는 것이 필요하다. 상기 작은 기록 자기 도메인을 구별하기 위해서는 자기 도메인 에지(edge)가 완만해야 할 필요가 있다. 상기 요건을 충족시키려면 상기 기록층을 구성하는 자성 입자들의 크기를 줄여야 한다. 또한 고밀도 기록을 위해서 상기 기록층의 두께가 작은 것이 요구되며 그것은 결과적으로 자성 입자들의 크기를 줄이게 된다. 그러나, 자성 입자 크기를 줄이면, 자성 입자의 자기 이방성 에너지(즉, 자기 이방성 에너지 밀도 Ku와 자성 입자 체적의 곱)는 열 변화 에너지보다 작아질 것이다. 만약 자성 입자들의 자기 이방성 에너지가 상기 열변화 에너지보다 작아지면, 기록된 자기 도메인들의 자화는 다시 역전될 것이며 그로 인해 더 이상 기록된 정보의 보유가 불가능하게 될 것이다. 이 현상은 열변화 한계 또는 초강자성 한계로 불려진다. 열변화로 인한 상기 자화 역전을 막기 위해서 자성 입자들의 Ku를 증가시키는 것을 생각해 볼 수 있다. 그러나, 자성 입자들의 Ku가 높아질 때 상기 자성 입자들의 보자력(coercive force)은 Ku에 비례하여 증가할 것이다. 그러므로, 통상의 기록 헤드에 의해 발생된 자기장으로 상기 자화를 역전시키는 것은 불가능하게 될 수 있다.

본 발명의 목적은 자기 기록 장치 및 방법을 제공하여 상기 열변화 한계를 넘어서면서 그러한 고밀도의 기록을 이루도록 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자기 기록 장치의 실시예를 보여주는 개략도;

도 2는 Ku, R_Ku, T/Ku, T/R_Ku, 및 온도 T 사이의 관계를 보여주는 그래프;

도 3은 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서 기록 후 경과시간 t의 로그 ln(t)와 온도 T의 역수 1/T 사이의 관계를 보여주는 그래프;

도 4는 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서 R_Ku/T 와 ln(t) 사이의 관계를 보여주는 그래프;

도 5는 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서 T/R_Ku와 기록 후 경과시간 t 사이의 관계를 보여주는 그래프;

도 6은 본 발명에 따른 자기 기록 매체어서 R_Ku/T 와 ln(t) 사이의 관계를 보여주는 그래프; 및

도 7은 본 발명에 따른 자기 기록 매체에서 T/R_Ku와 기록 후 경과시간 t 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 자기 기록 매체 12 : 하부층

13 : 기록층 14 : 보호층

20 : 슬라이더 30 : 기록/판독 소자

40 : 도파관

본 발명에 따르면, 기판위에 만들어져 있고 자성 입자들 및 상기 자성 입자들 사이에 형성된 비자기 물질로 구성된 기록층을 가지는 자기 기록 매체, 상기 기록층을 가열하도록 만들어진 가열 유닛, 그리고 자기장을 상기 기록층에 인가하도록 만들어진 자기 기록 유닛로 이루어진 자기 기록 장치가 제공되어 있으며 상기 자기 기록 매체, 가열 유닛 및 자기 기록 유닛은 다음 관계식을 만족하도록 구성되어 있다:

T/RKu(T) < 11200/(ln(t) + 20.72)

여기서, Ku는 온도 T 에서 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 주위 온도에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이며, RKu(T)는 비 Ku(T)/Ku(Ta)를 나타내고, t 는 자기장 인가가 끝난 후 경과시간을 나타낸다.

본 발명의 자기 기록 장치에서 기록층은 가급적 주위 온도에서 4 k0e 이상의 보자력을 가진다.

본 발명에 따르면, 기판위에 형성된 기록층을 포함하고 자성 입자들 및 상기 자성 입자들 사이에 형성된 비자기 물질로 구성된 자기 기록 매체에 대하여, 기록층을 가열하는 단계들로 이루어진 자기 기록 방법 및 자기장을 기록층에 인가하여 기록을 수행하는 것이 제시되어 있으며 상기 단계들은 다음 관계식을 만족한다:

T/RKu(T) < 11200/(ln(t) + 20.72)

여기서, Ku는 온도 T 에서 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 주위 온도에서의 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이며, RKu(T)는 비 Ku(T)/Ku(Ta) 를 나타내고, t 는 자기장 인가가 끝난 후 경과시간을 나타낸다.

본 발명에서는 가령, 최고 온도 Tmax 에서의 RKu(Tmax)가 가열 단계에서 0.01 이하가 되도록 기록층이 가열되는 방법이 사용될 수 있으며, 기록층이 기록 단계에서 최고 온도에 도달한 이후 1~50 ns 이내에 기록 동작이 완성된다.

본 발명에서는, 기록층이 가열 단계에서 최고 온도에 도달하기 전에 RKu(T)가 0 이 되도록 기록층이 가열되는 또 다른 방법이 사용될 수 있으며, 기록층이 기록 단계에서 최고 온도에 도달한 이후 20~100 ns 이내에 기록 동작이 완성된다.

본 발명의 부가적인 목적과 장점은 다음의 설명에서 언급되고 부분적으로 그 설명에서 명확해 질 것이며, 또한 본 발명의 실행에 의해서 알게될 것이다. 본 발명의 목적과 장점은 여러 수단 및 특히 아래에서 지적되는 조합들에 의해서 실현되고 구해질 것이다.

첨부된 도면은 본 명세서의 일부를 구성하는 것으로, 앞서의 설명과 함께 이하 설명될 적절한 실시예 및 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것이다.

본 발명에 따른 자기 기록 장치는 자기 기록 매체, 가열 유닛, 그리고 자기 기록 유닛로 구성된다. 본 발명의 장치에서 자기 기록 매체의 기록층을 가열하는 것은 가열 유닛을 이용함으로써 수행되고, 그 뒤 자기 기록 유닛을 사용함으로써 기록층에 자기장이 인가되며 그로 인하여 기록이 이루어진다. 이 방법은 열 보조 기록이라 언급된다. 자기 층의 온도가 올라갈 때, 그로 인하여 보자력이 감소되며, 자기장 인가에 의해 자기 층의 자화가 역전될 수 있어서 자기 기록을 가능하게 한다. 본 발명의 자기 기록 장치는 심지어 주위 온도에서 4 k0e 이상의 보자력(Hc)을 갖는 자기 물질까지 자기 기록을 수행할 수 있다.

본 발명의 자기 기록 장치는 자성 입자들 및 자성 입자들사이에 형성된 비자기 물질로 구성되어 있는 기록층이 기판 위에 만들어지는 구조를 갖고 있다. 하부층은 상기 기판과 기록층 사이에 끼워 넣을 수 있다. 또한, 보호 층이 상기 기록층위에 형성될 수 있다.

상기 기판은 기록층을 보조하는 데 도움이 되고 금속, 유리, 세라믹 등으로 형성될 수 있다.

기록층은 자성 입자들 및 자성 입자들 사이에 형성된 비자기 물질로 구성된 소위 과립층이다. 이러한 구조를 가진 기록층은 하기와 같이 형성될 수 있다. 예를 들어, 통상의 하드 디스크의 기록층을 형성하는 경우에서와 같이, 스퍼터링에 의해 자기 물질이 기판 위에 디포지트될 때, 원형의 자기 결정들이 성장하고 동시에 비자기 소자가 상기 자기 결정주위에서 격리되게 되어서, 비자기 물질(입자 경계)이 상기 자성 입자들사이에 형성된다.

대안적으로, 아몰퍼스 자기 물질의 연속적 막을 기판위에 디포지트해도 좋고, 뒤이어 원형의 자성 입자들을 형성하기 위해 연속적 막을 처리한다. 비자기 물질을 기판의 전체 표면위에 디포지트시키고 결과로 나타나는 표면을 폴리싱하는 것은 자성 입자들 사이에 비자기 물질이 형성되는 구조를 이룰 수 있다. 또한, 기판의 전체 표면에 윤활제를 단지 코우팅하는 것이 자성 입자들사이에 비자기 물질이 형성되는 구조를 만들 수 있다.

상기 기록층을 형성하는 물질로서, 높은 포화 자화(Is) 및 높은 자기 이방성을 보여주는 자기 물질이 적합하다. 이러한 자기 물질로서 Co, Pt, Sm, Fe, Ni, Cr, Mn, Bi, Al 및 이러한 금속들의 합금으로 구성된 집합에서 선별된 자기 금속 물질의 적어도 한 종류를 이용하는 것이 가능하다. 이러한 자기 금속 물질들가운데 높은 결정 자기 이방성을 가지는 Co-기초 합금, 특히 CoPt-기초 합금, SmCo-기초 합금 및 CoCr-기초 합금이 바람직하다. 자기 금속 물질의 구체적 예에는 Co-Cr, Co-Pt, Co-Cr-Ta, Co-Cr-Pt, Co-Cr-Ta-Pt, Co 및 Fe가 있다.

자기 물질로서 Tb-Fe, Tb-Fe-Co, Tb-Co, Gd-Tb-Fe-Co, Gd-Dy-Fe-Co, Nd-Fe-Co 및 Nd-Tb-Fe-Co 와 같은 비정형 희토류 전이 금속 합금, PtMnSb 및 FePt 와 같은 순차적 합금, Co 페라이트 및 Ba 페라이트와 같은 자화 산화물 등을 이용하는 것이 가능하다.

포화 자화 및 보자력과 같은 자화 특성을 제어하기 위해서 Fe 및 Ni에서 선별된 원소의 적어도 한 종류가 상기 자기 물질에 추가될 수 있다. 더우기, 상기 자화 특성을 향상시키기 위해서 적어도 산소, 질소, 탄소, 및 수소에서 선별된 한 원소와 함께 Cr, Nb, V, Ta, Ti, W, Hf, Cr, V, In, Si, B 또는 이러한 원소들의 화합물이 상기 자기 물질에 추가될 수 있다.

상기 기록층은 하드 디스크의 기록층과 같이 동평면의 자기 이방성을 보여주는 기록층, 또는 자기 광학 디스크의 기록층과 같은 수직 자기 이방성을 보여주는 기록층일 수 있다.

하부층은 자기 물질 또는 비자기 물질로 구성될 수 있다. 자기 물질로 구성된 하부층은 교환 결합 상호작용 또는 마그네토스태틱(magnetostatic) 결합 상호작용을 통하여 기록층에 있는 자기 영역과 자화적으로 결합될 수 있다. 높은 포화 보자력을 가진 자기 하부층이 상기 기록층 아래에 배치되고 상기 기록층에 있는 자기 도메인과 교환-결합(exchange-coupled)될 때, 상기 자기 도메인은 안정될 수 있다. 더우기, 높은 자화를 가지는 자기 하부층이 상기 기록층 아래에 배치되고 상기 기록층에 있는 자기 도메인과 교환-결합될 때, 출력 신호는 높여질 수 있다.

비자기 물질로 이루어진 하부층을 상기 기록층의 결정성을 제어할 목적으로, 또는 기판에서 발생하여 상기 기록층까지 섞이는 불순물을 막기위해 배치하기도 한다. 예를 들어, 기록층의 결정 격자에 가까운 격자 상수를 가지는 하부층이 배치될 때, 상기 기록층의 결정성은 제어될 수 있다. 이러한 하부층의 예가 Cr 층이다. 비정형 하부층을 사용함으로써 상기 기록층은 일반적으로 비정형으로 될 수 있다. 기판에서 발생하여 기록층까지 섞이는 불순물을 막기위해서는, 작은 격자 상수를 갖는 박막이나 조밀한 박막이 가급적 하부층으로 사용되어야 한다.

더우기, 자기 하부층은 비자기 하부층의 상기 언급된 기능을 가질 수도 있다. 예를 들어, 자기 하부층은 기록층의 결정성을 제어하는 데 도움이 될 수 있다. 이런 경우에, 판독/기록 특성을 향상시키는 효과 및 결정성을 향상시키는 효과 모두를 얻을 수 있다. 이런 하부층의 예는 비정형 CoZrNb 하부층이다.

상기 하부층이 기판의 수정된 표면 층으로 구성될 수 있는 것을 주목하라. 수정된 표면 층은 이온 도금, 기체 성분의 도우핑, 뉴런 빔 조사 등의 방법에 의해 얻을 수 있다. 이런 경우에, 하부층을 디포지트시키는 단계는 생략될 수 있다.

보호 층으로서 탄소, SiN, SiO₂, Au 또는 이러한 물질들의 스택을 사용하는 것이 가능하다.

가열 유닛은 상기 기록 매체의 표면 전체 또는 부분적으로 가열하도록 고안될 수 있다. 고밀도 자기 기록 매체는 일반적으로 가열될 때 열 변화의 영향으로손상되어 결과적으로 데이타 저장 특성을 악화시키게 된다. 그러므로, 부분적 가열은 상기 기록 매체의 대부분이 주위 온도에서 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 전체 가열시에도 데이타 저장 특성이 거의 악화되지 않는 기록 매체를 가지는 자기 기록 장치의 경우에 있어서는, 전체 가열이 비용 절감면에서 선호될 수 있다.

고속 부분 가열을 가능하게 하는 가열 유닛의 예로서 광 디스크에서와 같이 레이저를 사용한 가열, 유도 가열, 또는 가열 와이어로 가열된 프로브에 의한 가열을 이용하는 것을 생각해 볼 수 있다.

좀 더 부분적인 가열을 수행하기 위해서 상기 기록 매체 표면 위의 렌즈를 통하여 레이저 빔의 초점을 맞추는 가열 시스템, 프로브의 끝에 부착된 정밀한 안테나를 이용하여 유도 가열을 하는 가열 시스템, 또는 상기 매체와 면하는 프로브의 끝이 가능한 정밀하게 날카로와지거나 프로브의 끝이 상기 매체에 가능한 가깝게 위치한 가열 프로브를 사용하여 가열이 이루어지는 가열 시스템을 이용하는 것 또한 가능하다. 이러한 가열 수단들은 상기 기록 매체의 기록 표면 옆이나 반대쪽에 위치할 수 있다.

자기 기록 유닛으로 통상의 자기 기록 헤드를 이용하는 것이 가능하다. 기록 헤드는 자기 극성 및 유도 코일로 구성된 자기 회로를 이룰 수 있다. 자기 기록 유닛로서 영구 자석을 이용하는 것도 가능하다. 영구 자석을 이용할 때는 상기 기록 매체 또는 영구자석이 정밀하게 처리되어 고속으로 고-해상 자기장을 인가할 수 있도록 거리를 변화할 수 있는 방식으로 영구자석을 배치한다. 자기장을 인가하는 방법으로서 기록층위에 적층된 추가의 자기층을 이용하는 것도 가능하다. 가열 또는 빛 조사에 의하여 추가적 자기 층에 온도분포가 있게되면, 자화 분포는 상기 층에 이루어지고 따라서 자기장이 상기 기록층에 인가될 수 있다. 자기 층에서 발생한 누설 자기장은 기록 자기장으로서 상기 기록층에 인가될 수 있다.

본 발명에 따른 자기 기록 장치의 실시예를 도 1을 참고하여 설명하도록 하겠다. 도 1에서, 자기 기록 매체(10)는 하부층(12), 기록층(13) 및 보호층(14)이 디스크 기판(11)위에 순서대로 적층된 구조로 되어있다. 이 자기 기록 매체(10)는 도 1의 화살표 A 로 표시된 방향으로 회전한다.

상기 자기 기록 매체(10) 위에는 슬라이더(20)가 배치되고, 기록/판독 소자(30)가 그 끝면에 장착되어 있다. 상기 기록/판독 소자(30)의 기록 소자 부분이 자기 기록 유닛(자기장을 인가하는 수단) 기능을 한다. 상기 슬라이더(20)에는 레이저 빔이 전송되는 도파관(40)이 있어서, 레이저 빔이 상기 도파관(40)의 끝 부분(41)에서부터 매체(10)상으로 조사된다. 슬라이더(20)는 회전하게 되면 상기 자기 기록 매체(10)위로 미끄러지듯 활주하도록 디자인 된다. 상기 도파관(40) 및 기록/판독 소자(30)는 레이저 빔이 상기 도파관(40)의 끝 부분(41)로부터 먼저 조사되고 다음으로 자기장이 상기 기록 소자에 의해 상기 기록층(13)으로 인가되도록 배열된다.

본 발명의 자기 기록 장치에 따르면, 기록 작용은 상기 기록층으로의 자기장의 적용이 완료 후의 경과시간(t)에 대한 상기 기록층의 온도와 자기성질이 아래 수학식 1을 만족하는 경우 수행된다.

여기서 T 는 기록층의 온도이다. 또한 Ku(T)는 온도 T 에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도값이고, Ku(Ta)는 주위 온도 Ta 에서의 값이며, RKu(T)에서의 상기 두 값 사이의 비, 즉 Ku(T)/Ku(Ta) 를 나타내는 것으로 가정한다. 상기 기록층이 수학식 1을 만족하는 한, 상기 기록층이 크기가 작고 높은 보자력(coercive force)을 가진 자기 입자로 구성되는 경우라 할지라도, 기록층내의 균일하고 뚜렷한 자기 도메인(magnetic domain)을 형성하는 것이 가능하다. 그 결과, 열 변화 제한을 초과하는 고밀도 자기 기록을 수행하는 것이 가능하다.

상기 수학식 1의 관계를 보다 자세히 설명하도록 하겠다.

기록층의 자기화 반전(magnetization reversal)에 대한 물리적 특성 중에서, 자기 이방성 에너지 밀도(Ku)는 온도에 크게 변화한다. 자기 이방성 에너지 밀도(Ku)는 온도(T)의 증가에 따라 감소한다. 상기 보자력(Hc)이 대략 Ku 에 비례하여 변화하기 때문에, 온도(T)의 증가로 감소하기도 한다. 반대로, 상기 수학식 1 에서 T/RKu(T) 값은 온도(T)에 따라 증가한다. 도 2는 이 함수 사이의 성질 관계를 설명하고 있다.

먼저, 본원의 발명자들은 도 1과 같이 박막의 적층 구조를 가진 기록 매체의 온도 반응을 레이저 빔을 매체에 조사하는 것으로 시뮬레이트 하였다. 그 결과, 자기장 적용 완료후 기록 매체의 온도(T)의 역수(1/T)와 경과시간(t)의 로그값 ln(t) 사이에 어떤 관계가 있다는 것을 발견하였다. 도 3은 자기장 적용 완료후 기록 매체의 온도(T)의 역수(1/T)와 경과시간(t)의 로그값 ln(t) 사이의 관계 예를 보여주고 있다. 도 3에서 분명하듯이, 1/T 는 기록 매체의 냉각 절차의 나중 단계 뿐만아니라 초기 단계에서도 ln(t)에 거의 비례하여서, 이들 간의 관계가 한 쌍의 직선(도 3의 점선)으로 접근할 수 있게 된다. 따라서, 본원의 발명자들은 상기 자기화 반전이 기록층의 냉각 처리중에 발생하는 경우에도, 기록층내의 다양한 온도 반응 하에서 기록/판독 시도를 통해 ln(t)에 대해 기록된 상태를 조사함으로써 완전히 기록된 상태를 수행할 수 있는 상태를 예상하였다.

기록층의 자기화 반전에 가깝게 관계되는 상기 자기 이방성 에너지 밀도(Ku)내의 변화는 앞서 설명한 바와 같이 T 에 따라 계속 변화한다. 그러나, T 와 Ku 모두 기록층의 냉각 절차가 진행되는 동안 같이 변화하기 때문에, 이 변수들을 기록층에 개별적으로 서로 관련시키는 것이 어렵다. 따라서, 본원의 발명자들은 온도에 따라 감소하는 함수 Ku/T, 또는 주위 온도에서의 Ku 값에 따라 Ku/T 를 표준화하여 얻어진 함수 RKu/T 중 어느 하나가 ln(t)와 서로 관련시키는데 유용하다는 것을 알아냈다.

도 1에 도시된 자기 기록 매체(10)를 하부층(20)을 70nm 두께의 Cr층으로, 기록층(13)은 20nm 두께의 CoPtCr 합금층으로, 그리고 2.5인치의 얇은 유리 디스크 기판(11)상에 보호층(14)을 10nm 두께의 카본층으로 적층시킨 구조를 사용하였다. CoPtCr 합금층으로 형성된 상기 기록층(13)은 주변온도에서 8×10⁶erg/cc 의 Ku 및 4 kOe 의 보자력을 가지고 있다.

상기 자기 기록 매체(10)는 4500 rpm 으로 화살표(A)로 표시된 방향으로 회전하고, 슬라이더(20)의 비행 높이는 80nm 로 설정하였다. 파장이 650nm 이고 전력이 3 mW 인 레이저 빔을 빛 도파관(40)의 끝 부분(41)을 통해 기록 매체(10)상으로 연속적으로 조사하고, 기록 소자에 의해 상기 기록 매체(10)로 자기장을 인가하여 200 kfci 의 기록 주파수에서의 기록을 수행하였다. 기록 매체의 표면상의 빔 스폿 크기는 최대값의 반에서 전체 폭이 2㎛ 로 설정하였다. 상기 기록 매체의 기록 상태를 자기력 현미경(MFM)을 가지고 자기 도메인을 관찰하여 결정하였다.

이 장치를 가지고, 기록 매체상으로 어떠한 레이버 빔도 조사하지 않은 경우에는, 뚜렷한 자기 도메인을 형성하는 것은 불가능하다. 반면에, 앞서 언급한 상태항서 레이저 빔을 기록 매체상에 조사한 경우에는, 자기 도메인이 형성되는 것을 확인하였다.

더욱이, 자기 도메인이 형성되는 상태를 연구하기 위해서, 레이저 빔에 의한 가열 상태뿐만 아니라 기록 매체의 다양한 회전 속도를 통해 기록 실험을 수행하였다. 그리고 나서, 상기 기록 매체를 MFM 으로 관찰하여 균일하고 분명한 자기 도메인이 형성되는지 형성되지 않는지를 살펴보았다.

이 경우에, 상기 기록 매체의 Ku(T) 값은 측정을 통해 결정하였고, RKu(T) 를 계산하였다. 상기 기록 매체의 온도는 시뮬레이션에 기초하여 결정하였다.

실험 결과를 RKu(T) 및 ln(t) 의 좌표로 표시하였다. 도 4의 속이 빈 원은 자기 도메인이 형성된 곳을 표시하는 것이고, 까만 원은 자기 도메인이 형성되지 않은 곳을 나타낸다. 이 도면에 도시된 직선의 윗 부분 영역의 상태에서 기록을 수행하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 관계를 아래 식으로 표시할 수 있다.

온도(T)가 경과시간(t)으로 낮아지는 이 관계를 보다 쉽게 이해할 수 있도록, 이 실험 결과를 도 5에 기록 후 경과시간(t) 및 T/RKu 좌표로 나타내었다. 도 5에서 속이 빈 원은 역시 자기 도메인이 형성되는 곳을 나타내며 까만 원은 자기 도메인이 형성되지 않은 곳을 나타낸다. 도 5는 곡선의 아래 부분 영역 내의 상태하에서는 기록을 수행하는 것이 가능하다는 것을 보여주고 있다. 도 5의 관계는 수학식 2의 분자와 분모를 바꿔 얻어지는데, 아래와 같이 표시할 수 있다.

T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)

위 수학식 1을 만족하는 한, 기록층에서 자기 도메인을 형성할 수 있다.

앞서 언급한 바와 동일한 방법으로, 기록 매체로의 가열 및 자기 기록을 네가지 상태하에서 수행하여 기록 후 매 경과시간 RKu/T 의 변화를 추적하도록 한다. 이 네 가지 상태는 도 5의 경계 근처에서 선택한다. 상기 실험 결과를 도 6에 RKu/T 및 ln(t) 좌표로 표시하였다. 도 6의 네 개의 마크는 각각 네 상태에 해당한다. 도 6의 빈 원 역시 자기 도메인이 형성되는 곳을 나타내며, 까만 원은 자기 도메인이 형성되지 않은 곳을 나타낸다. 도 6에서 직선의 위쪽 영역은 앞서 언급한 수학식 2로 표현된다. 도 6은 어느 온도일지라도, 수학식 2가 기록 후에 만족되지 않는다면, 그 상태하에서 기록층내에는 자기 도메인은 형성될 수 없다는 것을 보여준다.

온도(T)가 경과시간(t)에 따라 낮아진다는 관계를 쉽게 이해할 수 있도록 도 7에 T/RKu 와 경과시간(t)의 좌표에 실험 결과를 표시하였다. 도 7의 마크는 도 6과 같은 의미이다. 도 7에서, 곡선의 아래 부분 영역이 앞서 언급한 수학식 1로 표현된다. 도 7은 어느 온도라 하여도 기록 후에 수학식 1을 만족하지 못하는 경우에는 그 상태하에서는 기록층내에 자기 도메인이 형성될 수 없다는 것을 보여주고 있다. 따라서, 수학식 1로 표현되는 상태에서는 기록 후에 냉각 절차에서의 어느 시간에서도 만족하게 된다는 결론을 얻을 수 있다.

본 발명의 자기 기록 장치에 따르면, 자기 기록 매체, 가열 유닛 및 자기 기록 유닛으로 구성되어 기록 작용이 앞서 언급한 수학식 1을 만족하도록 수행될 수 있다. 다음으로, 상기 수학식 1을 만족하도록 고려되어야 하는 성분들을 이하에 설명하도록 하겠다.

기록층의 온도를 변화시키는 방법은 다음과 같이 조절할 수 있다. 예를들어, 높은 열 전도도를 가진 열 싱크(heat sink)층 또는 낮은 열 전도도를 가진 유전체 물질로 구성된 열-절연층이 배치되는 기록 매체를 광학 기록 매체내에 채택되는 것과 같은 기록 매체의 부근에 사용한다. 상기 열 싱크층을 사용하는 경우, 상기 시간(t)에 대한 상기 기록층의 온도(T)의 변화율(dT/dt)은 점차 높아져서, 급격한 온도 변화가 있을 수 있다. 열 싱크층을 위한 물질로서, Ag 등의 도전성 물질을 사용할 수 있다. 반면에, 상기 열-절연층을 사용하는 경우에는, (dT/dt)는 점차 작아져서, 원만한 온도 변화가 있을 수 있다. 상기 열-절연층용 물질로는 SiO₂와 같은 유전체 물질을 사용할 수 있겠다.

또한, 열 싱크층과 유전체층 모두를 사용하는 경우에는, 상기 기록층내의 원하는 온도 변화를 설계하는 것이 가능할 수 있다. 그러한 기록 매체는 레이저 가열 또는 유도 가열(induction heating)을 사용하는 시스템에 적용할 수 있다. 레이저 가열을 사용하는 시스템에서는, 기록 매체의 dT/dt 는 흡수 및 두께가 적절히 조절된 빛 흡수층을 사용하여 제어될 수 있다.

그러므로, 기록층의 Ku 의 온도 종속성 즉 RKu(t)는 기록층에 적합한 재료를 선택하는 것에 의해 제어될 수 있다. 본 발명에서는 상기 기록층의 보자력(Hc)은, 가열을 통해 미세한 자성 입자들을 포함하고 있는 기록층으로 기록을 할 수 있고 대기 온도에서 그 기록된 데이터를 유지하는 것을 가능하게 하기 위해서는 4 kOe 또는 그 이상인 것이 적절하다.

기록층을 강자성체 CoPr 로 만든 경우에는, 퀴리 온도가 Pt 가 증가함에 따라 낮아지므로, 대기 온도 부근에서 dKu/dT 를 크게 하는 것이 가능하다. 이와 동일한 효과를 Cr 함유량을 증가시킴으로써 CoPtCr 기록층 내에서도 얻을 수 있다. 일반적으로 말해서, 기록층내에 비자성 소자의 함유량을 증가시키는 것은 대기 온도 부근에서 dKu/dT 를 크게 할 수 있다. 다시 말하면, 퀴리 온도를 올리는 역할을 하는 소자를 기록층에 부가하면, 앞서 설명한 것과 반대의 효과를 얻을 수 있다.

기록층을 자기광학 기록 매체에서 사용되는 강자성체 TbFeCo 로 만드는 경우에는, Co 함유량을 줄이게 되면 퀴리 온도를 낮출 수 있어서 대기 온도 부근의 dKu/dT 를 크게할 수 있다. 더욱이, 가열에 의해 얻어진 기록층의 최대 온도보다 더 높은 퀴리 온도를 가지는 강자성 물질을 사용하여 기록층을 형성하게 되면, RKu 가 일정한 값으로 유지되는 동안 보자력(Hc)이 낮아지는 상태하에서 기록을 행할 수있다. 이 경우 T/RKu 와 T 사이에 비례관계가 있으므로, 자기 기록 매체를 디자인 하는 관점에서 장점이 있다.

기록층을 구성하는 자성 입자의 크기를 조정하는 것으로도 기록층의 RKu 를 제어할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 하드 디스크에 사용되는 CoCrPaTa 로 구성되는 기록층을 서로 각각 떨어져 있는 미세한 자성이 있는 결정성 입자로 구성하여 결합 상호작용이 변화하지 않도록 한다. 기록층을 상기 자성이 있는 결정성 입자를 크기를 작게 하여 형성하는 경우에, 열 에너지의 영향이 상대적으로 커지게 되어 dKu/dT 값이 커질 수 있다. 반면에, 높은 Ku 를 가진 재료를 사용하면 이 효과를 최소로 할 수 있다. 적절한 Ku 값을 가진 재료를 선택하여 기록층의 RKu 를 제어할 수 있다.

또한, 기록층의 재료를 변화시키지 않고 기록층의 면에 방향성 없이 자기화 반전축을 랜덤하게 배열하는 것으로 기록층의 Ku 값을 크게 할 수도 있다.

앞서 언급한 수학식 1의 상태를 만족하기 위해서, 레이저 가열은 아래와 같은 다양한 방법으로 조정될 수 있다.

(1) 레이저 전력은 조절될 수 있다. 레이저 전력을 크게 함에 따라, 기록층의 최대 온도는 더 올라간다.

(2) 레이저 빔 조사방식은 조절될 수 있다. 예를들어, 레이저 빔을 연속적으로 조사하게 되면, 레이저 빔에 의해 이미 통과한 영역에서부터 가열 흐름이 일어난다. 그 결과, 기록층의 온도 변화는 보다 원만해 진다.

(3) 레이저에 대한 기록층의 선형 속도는 조절될 수 있다. 보다 특별하게는, 디스크의 회전 속도는 조절될 수 있다. 기록층의 이동 속도를 증가시키는 것은 기록층내의 영역상으로의 레이저 빔의 조사 시간을 단축시키므로, 기록층의 온도 상승을 억제될 수 있고, 동시에 그것의 온도변화가 날카롭게 된다.

(4) 상기 레이저는 펄스 방식으로 작동시킬 수 있고, 동시에 그 펄스폭은 조절될 수 있다. 펄스폭을 좁게하면, 기록층의 온도 상승은 억제되고, 그것의 온도 변화는 날카롭게 된다.

(5) 상기 (4) 방법에 더하여, 레이저 전력은 모든 펄스에서 조절될 수 있다. 예를들어, 저 전력의 짧은 펄스를 예열을 위해 미리 조사하고 나서 높은 전력의 펄스를 주 가열원으로 조사할 수 있다. 이 방법을 사용함으로써, 온도 상승을 원만하게 할 수 있다. 이 경우, 펄스열의 펄스폭, 변조 및 전력의 거의 명확하지 않은 조합을 생각할 수 있겠다. 따라서, 최적의 조합을 갖춘 펄스열을 주어진 RKu(T) 특성을 나타내는 기록층을 위해서 상기 수학식 1의 상태를 만족하는 방식으로 결정되어야 한다.

(6) 레이저 빔 스폿의 모양은 변화할 수 있다. 빔 스폿의 모양을 매체의 이동 방향을 따라 놓여있는 주축에 타원형으로 만드는 경우에, 기록층의 온도 변화는 앞서 (2)에서 언급한 것과 같은 효과로 인해 모다 원만하게 될 수 있다. 이 경우, 레이저용 광학 시스템은 압전 소자 또는 마이크로머신으로 동작하여 빔 스폿의 모양을 바꾸기도 한다. 이 방법을 사용하여, 레이저 빔의 모양은 다양한 RKu(T) 특성, 기록 매체의 선형 속도, 및 회전 반지름을 나타내는 기록매체 타입에 맞추어 조절될 수 있다.

(7) 자기장을 인가하기 위한 기록 소자와 상기 레이저 사이의 거리는 조절될 수 있다. 기록 소자와 레이저간의 거리를 더 크게 할수록, 기록이 진행되는 동안의 기록층의 온도 변화는 더 원만하게 된다. 이 경우, 레이저 빔용 조사 팁 끝부분의 위치는 압전소자 또는 마이크로머신과 일치할 수 있다. 이 방법을 사용함으로써, 상기 거리는 다양한 RKu(T) 특성, 기록 매체의 선형 속도, 및 회전 반지름을 나타내는 기록매체의 타입에 맞추어 조절될 수 있다.

상기 (1) 내지 (7) 방법은 서로 적절히 조합할 수 있다. 레이저가 아닌 다른 가열 유닛을 사용하는 경우에, 앞서 설명한 것과 같은 방법을 적용할 수 있다.

다음으로, 아몰퍼스 회토류 전이금속 합금으로 구성된 기록층을 가진 자기 기록 매체상에서 기록이 행해지는 실시예를 설명하도록 하겠다. 110nm 두께의 SiN 층을 하부층(12)으로, 20nm 두께의 GdTbFeCo 합금층을 기록층(13)으로, 그리고 40nm 두께의 SiN 및 25nm 두께의 Au 층을 보호층(14)으로 2.5인치 두께의 유리기판(11)상에 적층하여 구성된 자기 기록매체(10)를 사용한다.

GdTbFeCo 기록층(13)은 광학자기매체로 사용되며 수직의 자기 이방성을 나타내는 강자성 물질이다. 대기 온도에서의 이것의 Ku 는 10⁸erg/cc 이며 이것의 보자력은 8 kOe 만큼 높다. 기록층(13)의 Ku 는 온도(T)가 퀴리 온도에 접금함에 따라 점차 선형적으로 감소한다. GdTb 와 FeCo 사이의 혼합비를 조절함으로써, 온도상승으로 크게 감소하는 Ku 없이 보자력(He)를 상당히 낮추는 것이 가능하다. 이것은 강자성 물질의 고유 특성이다.

상기 기록층은 8m/s 의 선형 속도로 회전한다. 광디스크용 픽업을 사용함으로써, 650nm 파장을 가지는 레이저빔을 유리 기판측(11)으로부터 조사한다. 기록매체의 표면상에 레이저 빔 스폿 크기를 0.7㎛ 가 되도록 초점을 맞춘다. 기록 작용은 도 1에서와 같이 100nm 의 비행높이로 슬라이더(10)상에 장착된 기록/판독 소자(30)를 사용하여 수행된다. 3mW 의 레이저 빔을 계속 조사하는 동안, 200kfci 의 기록 주파수에서 자기 기록이 진행된다. 기록 트랙 폭은 2㎛ 이다. 재생은 GMR 소자로 구성된 재생 헤드를 사용하여 행해진다.

기록층(13)을 최대 온도가지 가열하게 되면, RKu 는 0.9 가 되지만, 보자력(He)는 대기 온도에서 8kOe 값으로부터 0.9kOe 로 낮아진다. 상기 보자력이 이 값 부근이 되면, 통상의 기록 헤드는 자기 도메인을 형성할 수 있다. 이것은 상기 수학식 1 상태가 상기 RKu 값이 크기 때문에 불충분하게 만족되는 이 실험에서의 T/RKu 의 시간 종속의 측정으로부터 알게되었다.

그러나, GdTbFeCo 기록층을 아몰퍼스 연속막으로 형성하는 경우에는, 도메인 벽이 불가피하게 형성되어 정밀한 자기 도메인을 형성하는 것이 어렵게 된다.

그래서, GdTbFeCo 의 연속막을 형성한 다음, 상기 막을 전자-빔 리소그라피로 조정하여 지름 10nm 간격 10nm 를 각각 가지는 원주모양의 자성 입자로 배열된 구조를 형성한다. 다음으로, 상기 매체를 위한 기록 실험을 앞서 설명한 것과 동일한 방식으로 수행하고, 그 자기 도메인을 MFM 으로 관찰하였다. 그 결과, 단일 도메인 입자로 구성된 기록된 자기 도메인 각각이 어떠한 도메인 벽도 형성하고 있지 않음을 확인하였다. 이것은 단일-도메인 크기의 유닛 내에서의 고밀도 기록이 실현될 수 있음을 의미하는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 높은 밀도를 유지하는 자기 기록 매체를 상기 기록층을 처리함으로써 제조할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

다음으로, 레이저 빔을 조사한 후 상기 기록층에 자기장을 인가하는 적절하 타이밍을 연구하기 위한 실험을 하였다. 이 실험에서, CoPtCr 기록층을 가지는 자기 기록 매체를 사용하였다.

(A) 상기 매체의 구조, 레이저 전력 및 디스크의 회전 속도는 상기 자기 기록 매체의 최대 온도에서 RKu ≥0.01 상태를 유지할 수 있는 방식으로 조절된다. 상기 매체가 상기 기록이 각각 1, 2, 5, 10, 20, 50 및 100ns 로 설정된 시간으로 최대 온도가 도달하는 경우의 시간으로부터의 주기가 되도록 기록 실험을 하였다. 기록 작용 후, 상기 기록층을 MFM 으로 관찰하여 자기 도메인이 형성되었는지 여부를 확인하였다. 그 결과, 100ns 주기의 경우만 제외하고 모든 상태에서 적절한 자기 도메인이 형성된 것을 발견하였다. 이 결과는 보자력(He)이 상기 기록층이 최대 온도에 도달한 후 경과된 시간으로 증가하기 때문에 적절한 기록을 수행하는 것이 어렵게 되는 것이라고 해석된다. 또한, 상기 매체 온도를 약 100ns 의 주기에서 충분한 기록을 할 수 있을 만큼 충분히 높도록 유지하기 위해서는, 상기 매체의 최대 온도는 상승되어야 한다. 그 결과, 자기 도메인 주변은 불안정하게 되어, 그 결과 자기 도메인이 역전될 수 있다.

(B) 상기 매체의 구조, 레이저 전력 및 디스크의 회전 속도는 상기 기록층의 최대 온도가 퀴리 온도를 초과하는 방식으로 조절된다. 이 경우, 기록 매체는 자화를 잃어버리게 되고, 그래서 RKu 가 상기 기록층이 최대 온도에 도달하기 전에 0 으로 되버린다. 상기 주기를 상기 매체가 상기 최대 온동 도달하는 시간으로부터 상기 기록이 완료되는 때 까지를 각각 1, 2, 5, 10, 20, 50 및 100ns 로 설정하는 방식으로 기록 실험을 하였다. 기록 작용 후, 상기 기록층을 MFM 으로 관찰하여 자기 도메인이 형성되었는지 여부를 관찰하였다. 그 결과, 앞서의 (A)와 달리, 상기 주기가 20ns 또는 그 이상으로 설정되는 경우에서만 적절한 자기 도메인이 형성된 것을 발견하였다. 이 결과는 기록된 자기 도메인은 RKu=0 부근에서는 극도로 불안정하기 때문에, 기록층이 최대 온도에 도달한 다음 짧은 시간 안에 기록이 행해지는 경우에는 자기 도메인이 역전될 수 있다고 해석된다. 반면에, 이 경우에 기록이 완료되기 전에 긴 시간이 필요하다면, 기록 밀도 및 전송율의 향상이라는 관점에서 바람직하지 않다. 그러나, 이 경우에 대기 온도에서 매우 높은 보자력(He)을 가진 기록 매체를 사용하는 것이 가능하므로, 상기 매체를 기록 특성이 매우 탁월한 저속의 기록 시스템에 적용하는 것은 가능하다 하겠다.

추가적인 장점 및 변형들은 당업자에게는 명확하다 하겠다. 그러므로, 본 발명의 더 광범위한 측면들은 본 명세서에서의 특정 설명이나 도시한 실시예 및 설명된 내용으로 제한되는 아니다. 따라서, 첨부한 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 수정이 있을 수 있다.

본 발명에 따른 자기 기록 장치 및 방법에 따르면, 열 변화 제한을 초과해서도 고밀도의 기록을 수행할 수 있다.

Claims

자성 입자 및 상기 자성 입자 사이에 형성된 비자성 물질로 구성되는 기록층이 기판상에 형성되어 있는 자기 기록 매체;

상기 기록층을 가열하도록 구성된 가열 유닛; 및

상기 기록층으로 자기장을 인가하도록 구성된 자기 기록 유닛을 구비하고,

상기 자기 기록 매체, 상기 가열 유닛 및 상기 자기 기록 유닛은 아래 관계를 만족하도록 구성되며:

T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)

여기서, Ku(T)는 온도(T)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기온도(Ta)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이며, RKu(T)는 Ku(T)/Ku(Ta) 비를 나타내며, 그리고 t 는 자기장 적용이 완료된 다음의 경과시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 기록층의 보자력은 대기온도에서 4 kOe 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 기록층은 Co 기반 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 기록층은 회토류 전이 금속 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가열 유닛은 레이저인 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 자기 기록 유닛은 자기 기록 헤드인 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가열 유닛 및 상기 자기 기록 유닛은 일체로 제공되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 장치.
기판상에 형성되고 자성 입자 및 상기 자성 입자사이에 형성된 비자성 물질로 구성되는 기록층으로 구성되는 자기 기록 매체용 자기 기록 방법에 있어서, 상기 방법은:

상기 기록층을 가열하는 단계; 및

상기 기록층에 자기장을 인가하여 기록을 수행하는 단계를 구비하고,

상기 단계는 아래 관계를 만족하며:

T/RKu(T) < 11200 / (ln(t) + 20.72)

여기서, Ku(T)는 온도(T)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이고, Ku(Ta)는 대기온도(Ta)에서의 상기 기록층의 자기 이방성 에너지 밀도이며, RKu(T)는 Ku(T)/Ku(Ta) 비이고, 그리고 t 는 자기장 적용이 완료된 다음 경과된 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 기록층의 보자력은 대기온도에서 4 kOe 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 가열 단계는 가장 높은 온도에서의 상기 기록층의 RKu(Tmax)가 0.01 또는 그 이하가 되도록 수행되고; 그리고

상기 기록 단계는 상기 기록 작용이 상기 기록층이 상기 가장 높은 온도에 도달한 후 1ns 내지 50ns 내에서 완료되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 가열 단계는 상기 기록층이 상기 가장 높은 온도에 도달하기 전 상기 기록층의 RKu(T)가 0 이 되도록 수행되고; 그리고

상기 기록 단계는 상기 기록 작용이 상기 기록층이 상기 가장 높은 온도에 도달한 후 20ns 내지 100ns 내에서 완료되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 가열 유닛은 레이저인 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 레이저로부터 상기 기록층상으로 조사된 레이저 빔의 세기 및 상기 기록 매체의 회전 속도는 조절되는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 기록층에 펄스폭이 조정되는 펄스 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 자기 기록 방법.