KR20050000108A - 초해상 근접장 구조를 가지는 광디스크 - Google Patents

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Abstract

초해상 근접장 구조를 가지는 고밀도 광 디스크가 개시된다. 본 발명에 따른 광디스크는, 기판 위에 다층막이 형성되어 광에 의해 정보가 기록되는 광디스크에 있어서, 초해상 근접장 구조를 갖는 적어도 하나의 마스크 층; 및 결정화 성향 재료를 포함하는 적어도 하나의 상변화 기록보조층을 포함한다. 본 발명에 따른 초해상 근접장 구조의 광 디스크는 데이터 재생 시 발생할 수 있는 재생 신호의 불안정성 및 불균일 현상을 제거하여 재생 신호의 품질을 향상시키고, 상변화 기록보조층의 초기화 작업이 불필요하여 디스크 생산 비용을 감소시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

초해상 근접장 구조를 가지는 광디스크{Optical disc with super resolution near field structure}
본 발명은 광디스크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디스크 내부에 초해상 근접장 구조(Super-Resolution Near-Field Structure)를 도입함으로써 레이저 빔의 분해능 이하 크기의 마크를 기록, 재생할 수 있는 초해상 근접장 구조를 가지는 광디스크에 관한 것이다.
광디스크는 기존의 자기 기록 매체에 비해 기록 단위당 필요한 기록 면적이 매우 작기 때문에 고밀도 기록매체로서 많이 사용되고 있다. 이러한 광디스크는 그 기능에 따라, 기록되어진 정보를 재생만 하는 재생 전용형(Read Only Memory: ROM)과 1회에 한하여 기록이 가능한 한번 기록형(Write Once Read Many: WORM) 및 기록 후 소거 및 재기록이 가능한 재기록가능형(ReWritable: RW)으로 구분된다.
한번기록형 광디스크의 일례로서, CD-R(Compact Disc Recordable)이 있다. CD-R은 780nm의 기록 레이저를 시아닌, 프탈로시아닌 등의 유기색소로 이루어진 기록층에 조사하여 색소층의 분해, 기판 및 반사막의 변형 등을 유발시키고, 1mW 이하의 낮은 파워로 기록된 신호를 읽어내는 광기록 매체로서 650MB 정도의 기록 용량으로 데이터, 음악, 화상 등 다양한 형태의 데이터를 기록 재생하는 용도로 널리 사용되고 있다.
그러나, CD-R 또는 CD-RW와 같이 780nm의 기록파장을 이용하는 광기록 매체는 그 용량이 동화상을 저장하기에는 부족할 뿐만 아니라 날로 복잡해지는 멀티미디어 환경에서 사용하기에는 부족한 점이 많다.
이와 같은 문제점을 극복하고자 개발된 것이 630-680nm의 단파장 레이저를 사용하여 단면 2.7 내지 4.7GB의 용량을 실현한 것이 DVD(Digital Versatile Disc)이며, DVD 역시 재생전용(DVD), 한번기록형(DVD-R) 및 재기록가능형(DVD-RAM, DVD+RW, DVD-RW)으로 분류될 수 있다. DVD-R은 기록 레이저를 기록층에 조사함으로써 기록층의 변형 및 분해를 유발하여, DVD-RAM, DVD-RW 등은 상변화에 의한 광학적 특성의 변화를 유발하여 데이터를 기록한다. 특히, 유기색소를 사용한 DVD-R은 DVD-ROM과의 호환성, 가격 및 용량면에서 다른 매체에 비해 상대적으로 유리한 위치에 있기 때문에 관심이 집중되고 있다.
이처럼 최근 등장하고 있는 다수의 기록형 미디어(한번 기록형 및 재기록형)에 있어서 가장 큰 이슈는 용량이며, 이 용량의 증대를 위한 여러 가지 방법이 시도되고 있다. 광디스크의 용량은 정해진 면적내에 정확히 재생가능한 작은 형태의 피트를 얼마나 많이 집어넣고, 또 이러한 피트를 정확히 재생할수 있는 레이저빔의 특성에 우선적으로 의존한다.
레이저 다이오드로부터 발생되는 빛은 픽업의 대물렌즈를 통하여 집속해도 회절영향 때문에 무한히 작은 한점으로는 모아지지 않고 유한 폭을 가진 빔으로 형성되며, 이를 회절한계(diffraction limit)라 한다. 일반적인 광디스크의 경우에는 광원의 파장이 λ이고, 대물렌즈의 개구수가 NA (Numerical Aperture) 일 때, λ/4NA가 재생 분해능의 한계가 된다. 따라서, 광원의 파장이 짧아지거나 대물렌즈의 개구수가 커질수록 기록용량이 증대하게 된다.
그러나, 현재의 레이저 기술로는 파장이 짧은 레이저를 제공하는데 한계가 있고, 개구수가 큰 대물렌즈를 제조하기 위해서는 제조비용이 고가라는 한계점이 있으며, 또한 대물렌즈의 개구수가 커질 수록 픽업과 디스크 사이의 거리(workingdistance)가 매우 짧아지기 때문에 픽업과 디스크의 충돌에 의해 디스크 표면이 손상됨으로써 데이터가 손실될 우려가 커지게 된다.
최근 이러한 재생 분해능의 한계를 극복하기 위하여 초해상 근접장 구조(Super-Resolution Near-Field Structure:super-RENS)의 광디스크가 연구되고 있다.
그 중에서도 산란형 구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 도 1은 종래 초해상 근접장 구조 광 디스크(10)의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이 종래 초해상 근접장 구조 광디스크(10)에는 AgOx 또는 PtOx와 같은 금속 산화물 마스크(mask)층(13)이 주로 사용된다.
최근, 초해상 근접장 구조 광디스크 단면의 투과 전자 현미경 분석을 통하여 기록 시에 마스크층인 금속 산화물 층의 분해가 일어남으로써 박막의 변형이 일어나 기록 마크가 형성되며, 재생 시에는 기록 시에 발생된 금속 입자로부터 플라즈몬이 발생하여 분해능보다 작은 마크를 재생하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다(Kikukawa, Applied Physics Letters, 81(25), pp4697~4699).
한편, 종래 초해상 근접장 구조 광디스크(10)에 사용된 상변화 기록 보조층(15)은 Ge-Sb-Te 또는 Ag-In-Sb-Te계의 합금으로써 박막 형성 직후에는 비정질 상태가 된다. 이 때 상변화 기록 보조층이 비정질 상태인 경우에는 대부분의 경우 반사율이 낮아 포커싱 또는 트랙킹 등의 서보(servo)가 어렵게 된다. 만약 다층막 두께 조절을 통하여 비정질 상태일 때의 반사율을 크게 함으로써 서보가 가능하게 한다면, 결정질 상태일 때의 반사율이 너무 높게 되어 기록 시 입사되는 빔의반사되는 양이 많아져 기록 감도 측면에서 매우 불리하게 된다. 따라서, Ge-Sb-Te 또는 Ag-In-Sb-Te 등과 같이 박막 형성 직후의 상태가 비정질인 상변화 기록 보조층을 사용할 경우에는 처음의 비정질 상태를 결정질로 만들어 주는 초기화 과정이 반드시 필요하다.
초기화 과정은 광디스크 생산 공정 중 가장 많은 시간이 소요되는 공정 중의 하나로써 디스크의 가격 상승 및 생산성 저하의 요소가 된다. 또한, 초기화 과정이 불충분하게 이루어질 경우에는 기록 전의 신호 상태가 불균일하거나 불안정할 수 있다.
이러한 초기화 과정을 거친 후 기록을 행할 경우에는 금속 산화물마스크층(13)의 분해가 일어나 마크가 형성됨과 동시에 상변화 기록 보조층(15)은 용융 후 급냉되어 비정질이 되는데, 초해상 효과를 얻기 위하여 높은 파워의 재생 빔을 입사할 경우 다시 결정질로 변하게 된다.
이 때에도 상변화 기록보조층(15)의 결정화 과정이 불충분하게 이루어질 경우에는 신호가 불균일하거나 불안정하게 될 수 있다. 도 2는 상변화 기록보조층(15)의 결정화 과정이 불충분하게 이루어진 경우의 데이터 기록없이 재생한 RF 신호의 열화를 나타내는 도면이다.
보다 상세하게 설명하면, 도 2의 (a)는 기록없이 2mW에서 디스크 초기화 후 재생한 RF 신호를 나타내고, 도 2의 (b)는 기록없이 2mW에서 디스크 초기화 후 3mW에서 재생한 RF 신호가 열화하는 현상을 나타내는 도면이다. 이는 결국 결정화 속도가 느려 상변화 기록보조층(15)의 초기화가 완전히 진행되지 않았다는 사실을 뒷받침한다.
마찬가지로 기록 후 재생 시에도 최상의 C/N(Carrier to Noise)값을 얻기 위한 높은 재생 파워 적용 시, 상변화 기록보조층(15)의 완료되지 않은 결정화로 인한 RF 신호의 시간경과에 따른 열화 현상 발생과 이로 인한 C/N특성 및 지터(jitter)특성을 악화시키는 결과를 초래한다.
도 3은 상변화 기록보조층(15)의 결정화 과정이 불충분하게 이루어진 경우 데이터 기록 후 재생한 RF 신호의 열화를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)는 데이터 기록 직후 2.5mW에서 재생한 RF신호를 나타내고, 도 3의 (b)는 데이터 기록 후 소정 시간 경과 후, 2.5mW에서 10분 동안 재생한 RF신호를 나타낸다.
도 4는 재생 시간 경과에 따른 노이즈 증가로 인한 C/N이 감소됨을 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)에서는 노이즈 레벨이 -59.3 dB이었으나 재생 시간 경과 후, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 캐리어 레벨은 동일하나 노이즈 레벨이 -56.3 dB로 증가하였다. 따라서 캐리어 레벨에서 노이즈 레벨을 감산하여 얻어지는 C/N은 감소하게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 데이터 기록 후 재생 시에 불충분한 결정화로 인해 발생하는 재생 신호의 불안정성 및 불균일 현상이 제거됨으로써 보다 높은 품질의 신호 재생이 가능하고, 광디스크 생산 비용 감소 및 생산성 향상을 도모할 수 있는 초해상 근접장 구조의 광디스크를 제공하는 데에 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 초해상 근접장 구조 광 디스크의 개략도,
도 2는 상변화 기록보조층의 결정화 과정이 불충분하게 이루어진 경우의 데이터 기록없이 재생한 RF 신호의 열화를 나타내는 도면,
도 3은 상변화 기록보조층의 결정화 과정이 불충분하게 이루어진 경우 데이터 기록 후 재생한 RF 신호의 열화를 나타내는 도면,
도 4는 재생 시간 경과에 따른 노이즈 증가로 인해 C/N이 감소됨을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 초해상 근접장 구조의 광디스크의 개략도,
도 6은 서로 다른 선속도에서 각각 초기화된 초해상 근접장 구조의 광디스크에서 재생된 RF 신호를 나타내는 도면,
도 7은 서로 다른 기록 보조층을 갖는 두 개의 초해상 근접장 구조의 광디스크의 C/N 특성을 나타내는 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초해상 근접장 구조의 광디스크는,
기판 위에 다층막이 형성되어 광에 의해 정보가 기록되는 광디스크에 있어서, 초해상 근접장 구조를 갖는 적어도 하나의 마스크 층; 및 결정화 성향 재료를 포함하는 적어도 하나의 상변화 기록보조층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상변화 기록보조층은 박막 형성 직후의 상태가 결정질인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 결정화 성향 재료는 Sb2Te3 또는 Sb인 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초해상 근접장 구조의 광디스크는 박막 형성 직후의 상태가 결정질인 상변화 기록 보조층을 사용한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초해상 근접장 구조의 광디스크(30)를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 초해상 근접장 구조의 광디스크(30)는 기판(31) 위에 금속 산화물 마스크층(33) 및 상변화 기록보조층(35)이 순차적으로 형성되어 있고, 기판(31), 금속 산화물 마스크층(33) 및 상변화 기록보조층(35) 사이에는 유전체층(32,34,36)이 형성되어 있다.
기판(31)은 기록 레이저의 파장에서 높은 투명도를 가지며, 우수한 내충격성, 내열성, 내환경성 등을 갖는 재료로서 사출성형과 같은 통상의 기판 제조방법에 의해 성형이 가능한 재료 중에서 선택된다. 구체적으로 예를 들면, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 에폭시, 폴리에스테르, 비정질 폴리올레핀 (amorphous polyolefin) 등이 있다.
금속 산화물 마스크층(33)은 종래와 같이 AgOx 또는 PtOx와 같은 금속 산화물 마스크층이거나 다른 금속 산화물을 이용하여 형성된 마크스층이어도 무방하다.
상변화 기록보조층(35)은 결정화 성향의 재료를 이용하여 형성한다. 결정화 성향의 재료라 함은 재료의 온도가 결정화 온도보다 높아져 비정질로 변한 후 다시 결정질로 상이 변화하는 속도가 빠른 재료를 말한다.
이러한 결정화 성향의 재료로는 Sb2Te3 또는 Sb 등이 있다. Sb2Te3 또는 Sb 등을 이용하여 상변화 기록보조층(35)을 형성한 직후의 상변화 기록보조층(35)의 상태는 결정질이다. Sb2Te3나 Sb은 결정화 온도가 매우 낮기 때문에, 박막 형성을 위한 스퍼터링(sputtering) 공정 도중에 타겟(target)으로부터 박막 쪽으로 빠른 속도로 이동하는 이온의 운동 에너지에 의해서 빠른 속도로 결정화가 가능하여 성막 직후의 상태가 결정질이 된다. 특히, Sb(안티모니:Antimony)의 함량이 높을수록 결정화 속도는 빨라진다.
따라서, Sb2Te3나 Sb와 같은 재료를 상변화 기록보조층(35)의 재료로 이용함으로써 별도의 초기화 공정이 필요없게 된다. 또한, 데이터 기록 후 재생을 위해 재생 빔이 입사되면, 종래 비정질 재료를 이용한 상변화 기록보조층의 경우보다 빠르고 완전하게 비정질 상태에서 결정질 상태로의 상 변화가 일어난다. 따라서 종래 기술의 문제점인 비정질 상태에서 결정질 상태로 느리고 불완전한 상 전이와 이로인해 발생되는 재생 시 RF 신호의 높은 변동폭을 최소화함으로써 균일하고 안정된 재생신호를 얻을 수 있다.
한편, 상변화 기록보조층(35)에 사용되는 결정화 성향 재료로는 Sb2Te3 또는 Sb 에 한정하지 않고 결정화 속도가 빠른 다양한 다른 재료들이 사용될 수 있다.
종래의 초해상 근접장 구조 기록층은 초기 제작된(as-depo)상태가 비정질로 반사도가 낮아 트래킹 등의 서보 불량으로 인한 초기화 작업 요구되며, 이때 결정화를 위한 광디스크의 초기화 작업 시 상변화 기록보조층의 느린 결정화 속도 때문에 광디스크의 선 속도가 빠른 상태에서는 결정질 상태로의 전환이 충분히 완료되지 않아, 재생된 RF 신호의 출렁임(fluctuation)이 큰 현상이 발생하며, 선 속도를 낮추어 초기화를 진행할 경우 RF 신호가 현저히 안정된다.
도 6은 서로 다른 선속도에서 각각 초기화된 초해상 근접장 구조의 광디스크에서 재생된 RF 신호를 나타내는 도면이다. 도 6의 (a)는 선속도 6m/s에서 초기화된 광디스크에서 재생된 RF 신호를 나타내고, 도 6의 (b)는 선속도 3m/s에서 초기화된 광디스크에서 재생된 RF 신호를 나타낸다. 선속도 3m/s에서 초기화된 광디스크에서 재생된 RF 신호가 보다 안정됨을 확인할 수 있다.
상기 문제는 데이터 기록 후 재생 시에도 마찬가지 문제를 야기한다. 데이터 기록 후 상변화 기록보조층은 비정질 상태로 상전이가 일어나고 재생시 초해상 근접장 구조의 광디스크의 특성상 비교적 높은 재생 레이저 파워를 적용하게 되는데, 이때 다시 결정질로 상전이가 일어나면서 신호의 불안정성을 증대시키는 원인이 된다.
도 7은 결정화 속도가 다른 두 종류의 기록 보조층을 갖는 초해상 근접장 구조의 광디스크의 C/N품질 특성을 스펙트럼 분석기를 이용하여 나타낸 도면이다. 도 7의 (a) 및 (b)에는 Sb의 함량이 60%인 상변화 기록보조층을 사용한 디스크의 경우의 C/N 특성이 도시되어 있고, 도 7의 (c) 및 (d)에는 Sb의 함량이 73%인 상변화 기록보조층을 사용한 디스크의 C/N 특성이 도시되어 있다.
Sb 함량이 높을수록 동일한 선속도에서 결정화 속도가 빠르므로, Sb의 함량이 73%인 상변화 기록보조층을 사용한 디스크의 경우의 C/N 특성이, Sb의 함량이 60%인 상변화 기록보조층의 디스크의 C/N 특성에 비해 좋다.
따라서, 도 7의 (a) 및 (c)를 대비해 볼 때, 도 7의 (c)에 도시된 Sb의 함량이 73%인 상변화 기록보조층을 사용한 디스크의 C/N 특성 그래프가 도 7의 (a)에 도시된 그래프보다 더 급격하게 변함을 알 수 있다. 이것은 Sb의 함량이 높을수록 상변화 기록보조층의 반응 속도가 더 빨라 데이터 전송 레이트를 더 증가시킬 수 있음을 의미한다.
한편, 본 발명에 사용되는 상변화 기록보조층(35)은 재기록 가능한 디스크는 물론이며, 일회 기록용 디스크, 재생 전용 디스크에도 사용될 수 있으며, 단면 2층, 양면 단층, 양면 2층 디스크에 모두 적용 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 초해상 근접장 구조 광디스크(30)에는 금속 산화물 마스크층(33) 또는 상변화 기록보조층(35)을 복수개 형성할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 초해상 근접장 구조의 광 디스크는 다음과 같은 효과를 제공한다.
(1) 상변화 기록보조층의 불완전한 결정화로 인해 데이터 재생 시 발생할 수 있는 재생 신호의 불안정성 및 불균일 현상을 제거하여 재생 신호의 품질을 향상시킬 수 있다.
(2) 데이터 재생 시 상변화 기록 보조층의 상변화에 기인한 CN 응답속도 감소를 최소화함으로써 데이터 전송율을 증가시킬 수 있다.
(3) 상변화 기록보조층 형성 직후의 상태가 결정질이기 때문에 상변화 기록보조층의 초기화 작업이 불필요하여 디스크 생산 비용을 감소시키고 생산성을 향상시킨다.

Claims (3)

  1. 기판 위에 다층막이 구성되어 광에 의해 정보가 기록되는 광디스크에 있어서,
    초해상 근접장 구조를 갖는 적어도 하나의 마스크 층; 및
    결정화 성향 재료를 포함하는 적어도 하나의 상변화 기록보조층을 포함하는 광 디스크.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상변화 기록보조층은 박막 형성 직후의 상태가 결정질인 것을 특징으로 하는 광 디스크.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 결정화 성향 재료는 Sb2Te3 또는 Sb인 것을 특징으로 하는 광 디스크.
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