KR20000073393A - 광기록 매체 - Google Patents

Abstract

낮은 레이저 파워로도 기록이 가능하고 광의 회절 한계 이상으로 기록 밀도를 향상시킬 수 있는 광기록 매체에 관한 것으로, 기판상에 약 700Å 이하의 두께로 Si₃N₄등으로 이루어진 제 1 유전체층을 형성하고, 그 위에 온도가 가장 높은 중심 영역의 레이저 광만을 투과시키는 광반응 윈도우층(13)을 약 100∼450Å의 두께로 형성한 다음, 약 100∼450Å의 두께로 Si₃N₄등으로 이루어진 제 2 유전체층(14), 아조그룹의 액정 폴리머로 이루어지는 기록층(15), Al 반사층(16)을 순차적으로 적층함으로써, 낮은 파워의 레이저로도 기록 및 재생이 가능하고, 기록 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Description

광기록 매체{optical recording medium}

본 발명은 광기록 매체에 관한 것으로, 특히 아조(azo) 그룹 액정 폴리머를 기록 재료로 하는 광기록 매체에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용한 재기록형(rewritable) 혹은 기록가능형(recordable) 광디스크의 기록 방법에는 몇 가지가 있다.

대표적인 재기록형 기록 방법으로는 광자기 기록과 상변화 기록이 있고, 기록가능형 기록 방법으로는 대표적으로 레이저 에너지에 의한 애브레이션(ablation)이다.

먼저, 광자기 기록은 편광된 빛이 자성박막면에서 반사할 때, 막면에 대해 수직한 방향의 자기 이방성을 갖는 자성박막인 경우는 편광면의 각도가 회전하는 현상을 이용한다.

이와 같은 자기광학 효과를 커(Kerr) 효과라 하고, 이때 회전하는 편광면의 각을 커 회전각이라 한다.

광자기 디스크의 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio ; SNR)는 다음과 같다.

여기서, η는 포토다이오드의 양자 효율(quantum efficiency), P는 리드 파워(read power), R은 매체 반사도(reflectivity), θ_K는 커 회전각, e는 일렉트론 차지(electron charge), 그리고 B는 밴드 폭(band width)이다.

위의 식에서 매체의 특성을 나타내는 파라미터(parameter)인 R과 θ_K만을 고려하였을 때의 피겨 오브 메리트(figure of merit)는 Rθ_K ²에 비례한다.

따라서, R보다는 θ_K를 증가시키는 것이 효율적이다.

통상 광자기 기록에 이용되는 자성박막의 커 회전각은 0.3°정도의 작은 값을 갖는다.

따라서, 이 값을 증가시키기 위해서 유전체 및 반사층을 이용하여 다층화 한다.

그리고, 상변화 기록은 CD나 CD-ROM과 마찬가지로 반사되는 광의 반사도에 의한 판독을 한다.

즉, 대표적인 상변화 기록 제료로는 Ge-Sb-Te가 있고, 이 재질의 상(결정질, 비정질)변화를 이용하는 것이다.

통상 결정질(crystalline)의 경우가 비정질(amorphous)에 비해 반사도가 큰 특성을 보이게 되는 현상을 이용하는 것이다.

결정질상에서 비정질상으로의 상변화를 유도하기 위해서는 높은 레이저 파워와 더불어 빠른 냉각이 필요하고, 반대로 비정질상에서 결정질상을 형성시키기 위해서는 앞의 경우보다 낮은 레이저 파워를 이용하여 천천히 냉각시키는 방법이 필요하다.

한편, 재기록 가능형인 상변화 기록은 기록 가능형인 폴리머 애브레이션(ablation)을 이용하는 경우와 기본적으로 같은 원리를 이용한다.

즉, 반사도의 차이를 이용하여 기록된 부분과 기록되지 않은 부분을 구분한다.

상변화 기록의 경우는 비정질과 결정질의 반사도차를 이용하고, 기록 가능형의 폴리머 애브레이션을 이용하는 경우는 미기록된 부분과 기록되어 폴리머가 제거된 부분의 반사도 차를 이용하는 것이다.

이 경우의 SNR은 반사도와 다음과 같은 관계가 있다.

여기서, R은 매체의 평균 반사도이고, ΔR은 기록 비트(bit)와 미기록 비트의 반사도 차이다.

한편, 종래에는 다이 폴리머(dye polymer)를 기록층으로 이용한 간단한 구조의 기록 가능형 디스크가 개발되었지만, 이 역시 기록층에 정보 기록시에 기록 파워가 높은 단점이 있었다.

즉, 광자기 디스크, 상변화 디스크, 그리고 다이 폴리머를 이용한 디스크의 경우에 있어서 기록 파워는 약 10mW 정도가 필요하다.

이 정도의 값을 얻기 위해서는 약 30mW 정도의 출력을 갖는 레이저 다이오드를 이용하여야 하는데, 현재 이러한 블루(blue) 파장 대역의 고출력 레이저 다이오드를 생산하기 어려운 단점이 있다.

만일 가까운 장래에 기술 혁신으로 말미암아 블루 파장 대역의 고출력 레이저 다이오드가 생산된다 할지라도 생산 원가 측면에서는 고가이므로 큰 효과는 없을 것으로 보인다.

그러므로 앞으로 경쟁력 있는 디스크의 생산을 위해서는 낮은 레이저 파워로도 기록이 가능한 디스크를 개발할 필요가 있다.

종래 기술에 따른 광기록 매체에 있어서는 다음과 같은 문제가 있었다.

첫째, 광의 회절 한계 이상으로 기록 밀도를 높이는데는 한계가 있다.

그 이유는 광기록 매체에 정보를 기록하는 기술은 기록/재생용으로 쓰이는 레이저 광원의 파장에 의존하기 때문이다.

즉, 광기록 기술에서 데이터 마크 1 비트(bit)의 최소 길이는 다음의 식에 의하여 결정된다.

여기서, λ는 광의 파장이고, NA는 개구율(또는 수차 : numerical aperture)이다.

그러므로, 판별할 수 있는 데이터 트랙간의 최소 피치는 대략 광 파장 정도가 되므로 기록 밀도를 증가시키기 위해서는 이러한 광의 회절 한계를 극복하여야 하는데, 기술적으로 많은 어려움이 있다.

둘째, 기록층에 정보 기록시, 기록 파워가 높다.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위한 것으로, 낮은 레이저 파워로도 기록이 가능한 광기록 매체를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 광의 회절 한계 이상으로 기록 밀도를 향상시킬 수 있는 광기록 매체를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광기록 매체의 기록층에 사용되는 아조벤젠 폴리머의 광 이성화 현상을 보여주는 도면

도 2는 본 발명에 따른 광기록 매체를 보여주는 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 기판 12 : 제 1 유전체층

13 : 광반응 윈도우층 14 : 제 2 유전체층

15 : 기록층 16 : 반사층

본 발명에 따른 광기록 매체의 특징은 기판과, 기판상에 형성되는 제 1 유전체층과, 제 1 유전체층상에 형성되고 특정 온도 이상의 빛만을 투과시키는 광반응 윈도우층과, 광반응 윈도우층상에 형성되는 제 2 유전체층과, 제 2 유전체층상에 형성되고 아조그룹의 액정 폴리머로 이루어지는 기록층과, 기록층상에 형성되는 반사층으로 구성되는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 광반응 윈도우층이 Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Bi, Si 중 어느 하나이거나 그들의 합금으로 이루어지는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 광기록 매체를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 개념은 블루(blue) 파장 대역에서 높은 흡수도를 나타내는 아조(azo)그룹의 액정 폴리머(polymer)를 재기록형 및 기록 가능형 광디스크의 기록 재료로 사용함으로써, 낮은 레이저 파워로도 기록이 가능하도록 하고, 기록층과 기판 사이에 광반응 윈도우(window)층을 형성하여 온도가 가장 높은 기록/재생 레이저의 중앙영역만을 투과시킴으로써, 광의 회절 한계 이상의 밀도로 정보를 안정하게 기록하고 재생하는데 있다.

본 발명의 기록층 재료로 사용되는 아조벤젠(azobenzene) 그룹의 액정 폴리머는 광에 민감하여 선편광이나 편광되지 않는 광을 조사하면 정보를 기록하거나 소거할 수 있을 뿐만 아니라 소거한 정보를 재기록할 수 있는 장점이 있다.

이러한 정보 저장 원리는 고분자 재료에 도입된 아조벤젠 그룹의 광학적 이색성(dichroism)에 의해 유도되는 복굴절(birefringence)의 차이에 의해 정보가 기록되어지거나 이와 동반되는 변형(deformation)에 의해 기록되어진다.

즉, 빛에 의해 아조벤젠 그룹들이 도 1에 도시된 바와 같이 트랜스(trans) 구조에서 시스(cis) 구조로 이성화(isomerization) 반응이 일어나며, 결국 아조벤젠 그룹을 포함한 고분자 사슬의 배열에 영향을 미침으로써 변형을 동반한다.

그리고, 광 이성화 반응과 더불어 폴리머 분자들은 편광방향에 수직한 방향으로의 배향이 일어나고, 이때 복굴절이 생겨나게 된다.

이와 같이, 폴리머 분자의 이동 현상과 함께 폴리머 박막에 변형이 일어나게 되는데, 이 폴리머 분자의 이동 정도가 박막 내부의 프리 볼륨(free volume)의 크기보다 커지면 변형 현상이 나타나게 되는 것이다.

이러한 변형 현상은 복굴절 변화에 의한 기록 이외의 또 다른 기록의 한 방법으로 이용되기도 한다.

한편, 흡수 영역내의 빛에 노출되기 이전의 폴리머 분자들이 등방성(isotropy)을 유지한 상태를 트랜스(trans) 상태라 하고, 선편광된 빛에 노출된 후의 이방성(anisotropy)을 갖게 된 상태를 시스(cis) 상태라 한다.

이와 같이, 선편광된 빛에 의해 트랜스에서 시스로 변하는 현상을 광 이성화(photo isomerization)라 하는데, 이러한 트랜스-시스-트랜스(trans-cis-trans) 광 이성화 반응은 순환되지 않았던 아조벤젠 그룹들이 조사된 기록광의 편광면에 대해 수직으로 배열된다.

따라서, 아조벤젠 그룹이 무질서한 상태(isotropic state)에서 일정한 방향으로 배열된 상태(anisotropic state)로 변하면서 복굴절이 유도되고 변형을 동반한다.

그러므로, 유도된 복굴절을 측정함으로써, 아조벤젠 그룹의 배열된 정도를 확인할 수 있다.

즉, 이러한 복굴절의 차이에 의해서 정보가 기록되거나 이와 동반되는 변형에 의해 정보가 기록된다.

그리고, 편광되지 않은 광이나 원편광을 재조사하거나 열을 가하면 기록된 정보를 소거할 수 있다.

이때, 아조벤젠 그룹은 앞서 언급한 트랜스-시스-트랜스 광 이성화 반응의 순환을 통해 무질서하게 배열시켜 결국 유도되었던 복굴절이 사라지거나 변형된 부분이 원상태로 되돌아온다.

이러한 소거 과정은 사용된 고분자 박막을 녹는점 이상으로 가열함으로써도 가능하다.

한편, 가역적 광 기록매체는 화학 결합을 통해 고분자 사슬의 주쇄나 또는 측쇄에 아조벤젠 그룹이 도입된 고분자 재료들을 널리 이용하고 있는데, 주쇄에 아조벤젠 그룹이 도입되면 고분자의 움직임이 느려져 아조벤젠 그룹의 배열이 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 측쇄에 아조벤젠 그룹이 도입된 측쇄형 액정 고분자 재료들을 사용하였다.

또한, 이 측쇄형 액정 고분자들은 전이 온도 구간에서 분자의 재배열이 용이하고 배열된 분자들의 안정성이 좋기 때문에 본 발명에 적용하기 적합하다.

이외에 본 발명에서는 화학적 결합에 의해 아조벤젠 그룹이 고분자에 연결되는 것이 아니라 단순히 고분자 매트릭스에 도입된 브랜드(blend) 형태의 재료들도 사용할 수 있다.

이 브랜드 형태의 재료들은 측쇄형 액정 고분자 재료들에 비하여 기록된 정보의 저장 안정성은 떨어지지만, 사용하는 고분자 매트릭스의 특성에 따라 다양한 구조의 고분자 매트릭스를 선택할 수 있으며, 고분자 박막의 제조가 용이한 장점이 있다.

이와 같은 특성을 갖는 아조 그룹의 액정 폴리머는 기존의 상변화나 광자기 기록막에 비해서 기록 레이저 광에 대해 상당히 민감한 반응을 보이므로 기록 밀도를 높이려는 본 발명의 목적에 아주 적합하다.

그 이유는 본 발명의 광반응 윈도우층을 기존의 광기록 매체에 이용하게 되면, 기록 레이저 광의 강도가 급격히 감소하므로 기록층에 정보를 기록하기 어렵기 때문이다.

하지만, 본 발명과 같이 아조 그룹 액정 폴리머를 기록층 재료로 사용하면 기록 레이저 광이 광반응 윈도우층을 통과하면서 기록 레이저 광의 강도가 감소된다 하더라도 폴리머 기록층의 감도가 충분히 높아 정보를 기록하는데에는 어려움이 없을 뿐만 아니라 광의 회절 한계 이상으로 기록 밀도를 높일 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 광기록 매체를 보여주는 구조단면도로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기판(11)상에 약 700Å 이하의 두께로 Si₃N₄등으로 이루어진 제 1 유전체층(12)을 형성하고, 그 위에 온도가 가장 높은 중심 영역의 레이저 광만을 투과시키는 광반응 윈도우층(13)을 약 100∼450Å의 두께로 형성한다.

그리고, 약 100∼450Å의 두께로 Si₃N₄등으로 이루어진 제 2 유전체층(14), 아조그룹의 액정 폴리머로 이루어지는 기록층(15), Al 반사층(16)을 순차적으로 적층함으로써 완성된다.

여기서, 광반응 윈도우층(13)은 Si₃N₄로 이루어진 제 1, 제 2 유전체층(12,14) 사이에 위치하며, 기록 및 재생 레이저 광은 기판(11)으로부터 기록층(15)과 반사층(16)쪽으로 입사되며, 제 2 유전체층(14)은 광의 회절 현상이 일어나지 않는 한계내의 두께로 형성한다.

그리고, 광반응 윈도우층(13)은 레이저 광에 의해 가열되면서 그 재질의 물성이 변화하는 특성이 있는데, 정보 기록 및 재생시 레이저 광의 온도가 가장 높은 중심 영역쪽에 있는 광반응 윈도우층(13)의 물성이 변하여 그 영역의 레이저 광만이 투과시키는 역할을 수행한다.

이러한 특성을 갖는 광반응 윈도우층(13)에 사용되는 적합한 재료는 Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Bi, Si 중 어느 하나이거나 그들의 합금이 적합하다.

본 발명의 기록, 재생 및 소거 과정을 살펴보면 다음과 같다.

기록시에는 먼저, 블루 파장대(400 ∼ 480nm)의 레이저 빔을 약 5mW 이하의 낮은 레이저 파워로 광반응 윈도우층에 조사하면, 레이저 광의 중심에서만 광반응 윈도우층의 물성이 변화한다.

그 이유는 레이저 광의 강도 I가

과 같은 가우시안(Gaussian) 형태를 가지므로 레이저 광의 중심 온도가 가장 높기 때문이다.

이와 같이 고온인 레이저 광의 중심 영역쪽에 있는 광반응 윈도우층은 물성이 변하면서 작은 어퍼춰(aperture)가 생기게 되고, 그 곳으로 작은 직경의 레이저 광만이 투과하여 기록층에 도달한다.

이때의 레이저 광은 광의 강도가 급속히 감소된 광이지만 기록층의 아조벤젠 그룹의 폴리머 분자들은 그 광에 대해 충분히 감지한다.

이어, 기록층의 아조벤젠 그룹의 폴리머 분자들은 광 이성화 반응을 일으키면서 복굴절로 유도되어 레이저 광을 흡수한(정보를 기록한) 부분과 레이저 빔을 흡수하지 않은(정보가 기록되지 않은) 부분에 흡수도의 차가 나타난다.

이 흡수도의 차이는 반사도로 나타나므로 이것을 "0"과 "1"의 정보 기록 단위로 이용한다.

그리고, 기록된 정보들을 재생하는 과정은 먼저, 재생을 위한 레이저 빔을 약 3mW 이하의 낮은 레이저 파워로 광반응 윈도우층에 조사하면, 레이저 광의 중심에서만 광반응 윈도우층의 물성이 변화하면서 작은 어퍼춰(aperture)가 생기게 되고, 그 곳으로 작은 직경의 레이저 광만이 투과하여 기록층에 도달한다.

이 레이저 광이 기록층 표면중에서 정보가 기록된 부분과 정보가 기록되지 않은 부분을 지날 때, 반사도의 차가 나타나는데 이를 이용하여 "0" 또는 "1"을 재생한다.

여기서, 블루 파장의 레이저로 기록된 비트는 블루 파장의 레이저는 물론 레드(red) 또는 적외선 파장의 레이저로도 재생이 가능하다.

또한, 기록된 정보의 소거시에는 정보가 기록된 기록층에 편광되지 않은 광이나 원편광을 재조사하거나 또는 소정 온도의 열을 기록층에 가함으로써 기록된 정보를 간단하게 소거할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기존의 광학계를 그대로 이용하면서 기록 밀도를 15배 이상 획기적으로 향상시킬 수 있다.

즉, 기존의 광 디스크는 약 4 Gb/in²정도의 기록 밀도를 갖고 있지만, 본 발명의 경우는 약 60∼70 Gb/in²이상이 가능하다.

본 발명에 따른 광기록 매체에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기존의 광학계를 그대로 이용하면서 기록 밀도를 15배 이상 획기적으로 향상시킬 수 있으므로 생산 비용을 절감할 수 있다.

둘째, 5mW 이하의 낮은 파워의 레이저로 기록이 가능하므로 생산이 어려운 블루영역의 고출력 레이저 다이오드를 사용하지 않고 저출력의 레이저 다이오드를 이용할 수 있다.

Claims (4)

1. 기판과;

   상기 기판상에 형성되는 제 1 유전체층과;

   상기 제 1 유전체층상에 형성되고, 특정 온도 이상의 빛만을 투과시키는 광반응 윈도우층과;

   상기 광반응 윈도우층상에 형성되는 제 2 유전체층과;

   상기 제 2 유전체층상에 형성되고, 아조그룹의 액정 폴리머로 이루어지는 기록층과;

   상기 기록층상에 형성되는 반사층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광반응 윈도우층은 기록 및 재생용 레이저 빔의 중심 영역만을 투과시키는 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광반응 윈도우층은 Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Bi, Si 중 어느 하나이거나 그들의 합금인 것을 특징으로 하는 광기록 매체.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유전체층의 두께는 700Å 이하이고, 상기 제 2 유전체층과 광반응 윈도우층의 두께는 100∼450Å 인 것을 특징으로 하는 광기록 매체.