하드디스크 고밀도화를 위한 기술의 발전

자기 응용에 관한 세계 최대의 국제 학회 Intermag 2012이 본격적으로 시작되었다. 5월 9일과 그 다음날 인 5월 10일, 하드 디스크 장치 (HDD)의 고밀도화 기술에 관한 연구 성과가 많이 발표되었다.

● 하드디스크 고밀도화의 과제 

　HDD의 고밀도화는 한마디로 정리하면 면적당에 기록 할 수있는 데이터 비트의 수를 늘리는 것이다. 그래서면 기록 밀도, 구체적으로는 평방 인치 당에 무엇 bit를 기록 할 수 있는지에 고밀도화의 정도를 평가한다. 덧붙여서 시판되고있는 최신 HDD는 500Gbit/평방 인치 ~ 700Gbit/평방인치의 기록 밀도가있다.

　HDD의 고밀도화해도, 단순히 진행되지 않는다. HDD는 자기미디어 (디스크)이나 기록 헤드, 재생 헤드 위치 결정기구 등의 다양한 요소 기술로 구성되어 있기 때문이다. 요소 기술의 사양이 서로 영향을주는. 복잡한 트레이드 오프의 균형을 잡아 않으면 제품이되지 않는다.

　예를 들어 자기미디어에서 고밀도화의 논의를 시작 해보자. 자기 미디어의 기록층 인 자성 재료막에는 미세한 입자 (입자 또는 그레인)가 계층에 늘어서있어, 복수의 그레인 덩어리 (자구)에 자화 방향을 갖추게 기​​록 헤드에서 자기장을 추가 하여 정보 (비트)를 기록하고있다.

　자기 매체의 자성 재료에 기록 된 자화 (자기 모멘트)는 열에너지에 의해 요동한다. "열 요동", "열 요란"라고 불리고있다. 열 에너지의 크기는 kB (볼츠만 상수)와 T (온도)의 곱에 해당한다. 한편, 자화 반전에 필요한 에너지는 자성 재료의 자기 이방성의 힘 (Ku)과 입자의 덩어리 (자구)의 부피 (V)의 곱에 해당한다. 제품 수준에서 자화를 안정시키기 위해서는 자기 디스크의 온도를 T하면 kB와 T의 곱에 Ku와 V의 곱을 60 배 ~ 70 배로 것이 필요하다고되어 있다.

　여기서 고밀도화는 1bit의 면적을 좁히는 것, 즉 입자 덩어리의 부피 (V)를 작게하는 것에 해당한다. 당연히 V를 줄이면 Ku와 V의 곱가 줄어들고 열 에너지에 대한 자화의 안정성이 저하됩니다. 그래서 안정성을 유지하기 위해, Ku 큰 자성 재료로 변경한다. 그런데 Ku 큰 자성 재료는 자화 반전이 일어나기 어렵다. 자화 반전을 일으킨다는 기록 헤드의 자기장을 높일 필요가있다. 단순히 자기장을 강화와 인접 트랙에 누설하는 자계가 증가하고 기록 신호의 신호 대 잡음비 (SNR)가 악화된다. 이를 방지하려면 자기장의 변화가 급격한 기록 헤드를 개발해야한다.

　또한 자기 신호의 신호 대 잡음비 (SNR)는 자구 당 그레인의 제곱근에 비례한다. 그레인의 크기를 바꾸지 않고 자구의 체적 V를 줄이면 SNR이 저하됩니다. SNR을 유지하려면 V의 축소에 비례하여 그레인을 작게해야한다. 즉 그레인의 작은 재료의 개발이 필요하다.

HDD 고밀도화가 이번 포럼의  주제

●고밀도화의 한계를 돌파하는 기술 

이러한 공전과 같은 기술 과제를 지금까지 HDD 업계는, 기존 기술의 개량으로 어떻게든 해결해 왔다.

그러나 언젠가는 한계가 온다.현재로서는은, 1 Tbit/평방 인치 부근에서 한계에 이른다고 여겨지고 있다.

　이 한계를 깨기 위해 연구 개발이 진행되고있는 것이 다음과 같은 4 가지 기술이다.

　(1) 비트 패턴 미디어 (BPM) 기술 

　(2) 열 어시스트 자기 기록 (TAMR 또는 HAMR) 기술 

　(3) 마이크로파 어시스트 자기 기록 (MAMR) 기술 

　(4) 싱글 자기 기록 (SMR) 기술

고밀도화의 한계를 돌파하는 기술의 후보.

왼쪽에서부터 BPM 기술, TAMR 기술, MAMR 기술, SMR 기술

　(1)의 비트 패턴 미디어 (BPM) 기술은 자기 미디어의 기록 층을 미세한 점의 고밀도 어레이로 가공 한 개의 점을 1bit에 대응시키는 것. 자구의 경계에 해당하는 영역이 크게 축소되고 밀도가 높아진다.

　Intermag 2012에서는 도시바가 5Tbit / 평방 인치로 매우 높은 밀도의 비트 패턴을 자성 재료 막에 가공 해 보였다 있었다 (Y. Kamata 외에 강연 번호 CS-10). 자성 재료는 철과 백금의 합금 (FePt)이다. 두께는 3.2nm. 가공용 마스크는 유기 고분자 재료의 PS (폴리스티렌)-PDMS (폴리 디메틸 실록산)을 이용했다. 이 유기 고분자 재료를 스핀 코팅하면 PDMS 측을 중심으로 균일 한 크기의 구형에 자동으로 응집하고 예쁘게 배열한다. 배열의 피치는 분자량으로 제어한다.

5Tbit / 평방 인치의 가공용 마스크. 유기 고분자 재료가 구형에 응집하는 성질을 이용했다. "셀프 어셈블리"라고 부르고있다

　(2)의 열 어시스트 자기 기록 (TAMR 또는 HAMR) 기술은 레이저 광을 기록 층에 집광 가열하여 자화 반전을 일어나기 쉬워하는 기술이다. Ku 높은 재료를 사용하기 쉽게된다.

Intermag 2012에서는, University of Rochester와 Western Digital의 공동 연구팀이, 레이저광의 집광에 후레넬・렌즈를 사용하는 기술을 제안하고 있었다(L. Miao 외 , 강연 번호 CC-08).후레넬・렌즈는 평면에 회절 패턴을 형성한 렌즈로, 리소그래피 기술에 의해서 패턴을 가공할 수 있기 위해, 굴절 렌즈에 비하면 제조가 용이하다고 하는 특징을 가진다.자기 헤드의 보호막에 사용되고 있는 알루미나・세라믹을 리소그래피로 가공해, 렌즈를 실현한다.

평면에 회절 패턴을 형성한 렌즈의 평면도와 렌즈의 가공 순서

　

3)의 마이크로파 어시스트 자기 기록(MAMR) 기술은, 마이크로파를 기록층에 조사해, 강자성 공명(FMR)을 일으키는 것으로 자화 반전을 일어나기 쉽게 하는 기술이다.열어시스트 기록과 같게, Ku의 높은 재료를 사용하기 쉽게 된다.

　Intermag 2012에서는, 케이오 기쥬쿠 대학과 TDK의 공동 연구 그룹이, 17 GHz의 마이크로파 펄스에 의해서 그라뉴라형 자성막(수직 자기 기록으로 일반적인 기록용 자성막)의 보관 유지력을 33%줄여 보였다(N. Ishida 외 , 강연 번호 CC-10).강자성 공명(FMR)의 주파수 스펙트럼도 나타내 보이고 있었다.또 히타치 제작소가, MAMR와 BPM를 조합하는 것으로 6.3 Tbit/평방 인치 영원째라고 높은 밀도로 자기 기록이 가능한 일을 시뮬레이션으로 나타내 보였다(M. Igarashi 외 , 강연 번호 CC-11).BPM의 닷은, 두께 6 nm의 기록층에 두께 4 nm의 공명층을 실은 구조이다.

　(4)의 싱글 자기 기록(SMR) 기술은, 어느 쪽일까하고 말하면 기존 기술의 연장에 있다.기록 헤드로 데이터를 쓸 때, 인접 트럭을 분리하지 않고, 일부러 인접 트럭의 일부를 거듭해 써 해 나가는 기록 기술이다.원리적으로는 기록 헤드를 축소하지 않고와도, 기록 밀도를 높일 수 있다.Intermag 2012에서는 Western Digital이, 싱글 자기 기록(SMR)에 적절한 기록 헤드의 형상을 Finit Element Method에 따르는 해석으로 검토한 결과를 보고했다(L.Wang 외 , 강연 번호 EC-10).주자극의 전체를 자기 실드 한 구조와 주자극의 한쪽 편만을 자기 실드 한 구조의 양쪽 모두를 검토했다.1 Tbit/평방 인치를 넘는 기록 밀도를 상정하고 있다고 한다.

　정리하면, BPM 혼자 최대 5Tbit /평방 인치, MAMR와 BPM의 결합에서 최대 6.3Tbit /평방 인치가 시야에 들어온 것을 알 수있다. 

제품화까지의 길은 아직 긴하지만, 틀 자체는 잡혀있다. 향후의 진전을 기대하고 싶다.