물리학과 첨단기술 December 2007 18

하드디스크 드라이 (HDD) 기술의 최신동향

오 훈 상

저자약력

오훈상 박사는 자성재료 및 자기소자 전문가로 서울대학교 금속공학

과에서 박사학위 취득 후(1998), 하이닉스 반도체(1998‐2001)를 거쳐

2001년부터는 삼성종합기술원에서 고밀도 HDD용 자기기록매체 연구개

발에 매진해왔다. 현재 초고밀도 수직자기기록매체 개발과제 및 새로운

개념의 차세대 정보저장기기 연구과제의 과제책임자를 맡고 있다.

(hoonsang_oh@samsung.com)

머리말

자기기록의 시 라 할 수 있는 텔 그래폰(telegraphon)이

1898년 덴마크의 V. Poulsen에 의해 발명되고 나서 약 60여년이라는 긴 시간이 흐른 뒤에야 재 우리가 일상생활에서

많이 사용하고 있는 하드디스크 드라이 (hard disk drive, HDD)의 원조격인 RAMAC(random access method of ac-counting and control)이라는 HDD가 IBM에 의해 처음 상용

화되었다. 하지만 그 후 50여 년 동안 HDD는 부실 정도의

천문학 기술진보를 보이며 발 하 다. 1956년 매된

RAMAC의 경우 직경이 24인치나 되는 자기 디스크 50장으로

구성된 덩치 큰 기계 음에도 불구하고 정보 장용량이 고작

(?) 5 MB 던 것에 반해 요즘에는 1 TB라는 거 한 용량을

가진 3.5인치 HDD(3.5인치 크기의 디스크가 3장 는 4장

들어있음)를 손쉽게 구할 수 있다. 여기서 MB, GB 그리고 TB는 각각 Mega (106), Giga (109) Tera (1012) Byte의 장

용량을 의미한다 (주: 화 한 편이 약 1 GB이므로 1 TB는

약 1000편의 화를 담을 수 있는 용량임). 단지 용량으로만

이야기하자면 5 MB에서 1 TB로의 변화는 20만 배의 증가이

므로 51년 동안 이루어진 변화치고는 그 게 단해보이지 않

을 수도 있지만 HDD에 내장된 디스크의 크기 요소까지 고려

하여 용량이 아닌 면기록 도(areal density, 정보 장 매체의

단 면 당 정보를 담을 수 있는 능력, 보통 bits/in2로 표

함) 측면에서 비교하면 RAMAC의 기록 도가 2 kb/in2 수이었고 재 매되고 있는 HDD 첨단 제품이 200~250 Gb/in2 수 에 달하므로 최소 1억 배 이상의 기술향상이 있

었다고 할 수 있는 것이다 (주: 코딩하는 방식에 따라 8 bit 는 16 bit가 1 Byte를 구성함).

이러한 엄청난 수 의 기술발 이 가능했던 것은 HDD를 구성

하는 각종 부품, 즉 정보를 쓰고 읽는 기록헤드 재생헤드

(head), 정보를 담는 매체인 디스크(disk), 디스크를 안정 이면

서도 고속으로 회 시키는 모터(motor), 헤드를 정 하게 원하

는 치에 치시키는 액 에이터(actuator), 헤드가 읽은 신호

를 처리하는 채 칩(chip) 등의 분야에서 부신 기술향상이 동

반되었기 때문이며 특히 최근에는 수직자기기록(perpendicular magnetic recording, PMR) 방식이라는 새로운 기록방식이

HDD에 도입되어 2000년 반 잠시 주춤했던 기록 도의

증가추세를 연간 약 40% 수 으로 올려주고 있다.본고에서는 우선 HDD의 기록 도를 좌우하는 핵심부품인

헤드와 디스크를 상으로 고기록 도를 달성하기 해 요구

되는 기본 인 기술 요구사항에 해 살펴본 후, 최근 상용

화된 수직자기기록 기술에 해 들여다보고 마지막으로 재

의 수직자기기록 기술의 뒤를 이을 것으로 상되는 차세

기록기술의 연구동향에 해서도 간략히 언 하고자 한다.

고 도를 한 요구사항

우선 HDD에서 정보를 기록하고 신호를 재생하는 과정에

해 간략히 설명하고자 한다. 시간에 따라 극성이 바 는 자

석을 강자성 디스크 에서 빠른 속도로 이동하면서(실제로는

헤드가 움직이는 것이 아니라 디스크가 회 함으로써 헤드와

디스크와의 상 치가 변화함), 자석에서 방출되는 자기장

으로 디스크 표면을 국부 으로 N극 는 S극으로 자화시킴으

로써 소 비트(bit)라고 부르는 정보의 단 를 기록하게 되는

데, 디스크를 회 시키면서 기록하기 때문에 원주방향으로 연

속된 비트 패턴(bit pattern)을 얻게 되고 이를 트랙(track)이라고 부른다(그림 1 참조). 기록된 정보를 읽을 때에는 자기장

에 의해 항이 변하는 자기 항(magnetoresistance, MR) 소자를 재생헤드로 사용한다. MR 소자는 디스크 표면을 이동하

면서 비트 표면에서 방출되는 자기장의 방향을 감지하여 압

변화로 변환한 후 신호처리를 담당하는 채 칩에 넘겨 다. 기록 도를 높인다는 이야기는 비트의 크기를 감소시킴으로써, 즉 촘촘하게 비트를 기록함으로써 디스크의 단 면 당 가능

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그림 1. HDD에 기록된 비트(bit)와 트랙(track)의 정의.

그림 2. Bit, bit transition, magnetic grain 간의 상호관계를 나타내는

모식도.[1]

그림 3. 자기입자 간의 자기적 상호작용이 큰 경우 bit transition이 심

하게 쭈글쭈글해짐을 보여주는 모식도: (a) grain 구조, (b) grain 간의

자기적 상호작용이 큰 경우 몇 개의 grain이 하나의 domain cluster를

형성함으로써 마치 큰 grain처럼 거동함을 보여줌 (황색선은 의도한 bit

transition, 녹색선은 실제 형성된 bit transition임).[2]

참고문헌

[1] Carnegie Mellon University의 J. G. Zhu 교수 발표자료에서 인용.

[2] H. J. Richter, J. Phys. D: Appl. Phys. 32, R147‐R168 (1999).

한 한 많은 비트를 기록하겠다는 것인데, 비트를 작게 쓰고 읽

기 해서는 에서 언 한 기록헤드, 디스크, 재생헤드의 성

능 헤드가 기록/재생시 디스크 표면에서 떠 있는 높이(부상

높이, flying height) 등이 모두 요하다.이에 해 좀 더 상세히 기술하면 우선 기록 헤드에서 방

출하는 기록자기장(writing field)은 그 크기가 세고 한 형

상이 날카로워야 한다. 즉 상당히 집속된 상태로 디스크에

달되어야 한다. HDD에서 정보를 기록하는 과정은 종이 에

만년필로 씨를 쓰는 것에 비유할 수 있는데 주어진 지면에

최 한 작은 씨로 많은 자를 촘촘히 쓰기 해서는 펜

끝이 무디지 않고 날카로워야 하듯, 기록자기장의 형상도 퍼

지지 않고 집속된 상태로 디스크에 달되어야 한다.정보가 기록되는 디스크의 경우는, 디스크를 구성하는 자기

입자(magnetic grain)의 크기가 작고 균일해야 하며 자기입

자 간의 자기 상호작용(exchange coupling, 인 한 자기입

자끼리 상호작용하는 힘)은 작을수록 고 도에 좋다. 보통 한

개의 비트는 수십에서 수백 개의 자기입자로 구성이 되며 비

트와 비트 간의 경계는 자기입자의 결정입계(grain boundary)를 따라 형성되는데 (그림 2 참조), 통상 지그재그 형태의 모

양을 갖는다. 비트 간의 경계가 쭈 쭈 하면 재생헤드로 비

트 패턴을 읽을 때 노이즈 성분으로 작용하기 때문에 신호

잡음비(signal‐to‐noise ratio, SNR)가 감소하게 되고 비트를

읽어낼 때 발생하는 에러율(bit error rate, BER)도 증가하게

되므로 가 비트 경계선이 덜 쭈 쭈 하도록 만들어주어

야 하는데 그 게 하기 해서는 자기입자의 크기가 작고 균

일한 것이 유리하다. 한 자기입자의 크기가 작더라도 자기

입자간의 자기 상호작용이 크면, 정보를 기록할 때 개개의

자기입자가 독립 으로 자화반 (magnetization reversal)을

일으키지 못하고, 하나의 자기입자가 자화반 을 일으키면서

인 한 주변의 자기입자도 함께 반 시키는 상이 발생하게

되어 마치 자기입자의 크기가 큰 것과 같은 결과를 낳게 되

고, 결국 비트 경계선이 심하게 쭈 쭈 해지게 된다(그림 3 참조). 이러한 상은 마치 종이에 펜으로 을 쓸 때 종이의

질에 문제가 있어서 펜 끝이 뾰족함에도 불구하고 잉크가 번

지기 때문에 작은 씨를 알아보기 쉽도록 쓰기 힘든 상에

비유할 수 있다.재생헤드의 경우는 MR 소자의 감도(sensitivity)와 해상도

(resolution)가 높을수록 고 도에 유리하다. 아무리 씨를

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작게 썼어도 시력이 나쁘거나 돋보기가 없으면 정보를 독

할 수 없듯이 비트를 작게 썼어도 재생헤드 감도가 낮으면

충분한 수 의 SNR을 얻기 힘들기 때문이다.마지막으로 헤드와 디스크 간의 거리, 즉 헤드의 부상높이

는 낮을수록 좋다. 헤드의 부상높이를 이면 동일한 헤드를

사용하더라도 더 성능이 우수한 헤드를 사용한 것과 같은 효

과를 얻을 수 있다. 헤드의 부상높이가 큰 경우 기록헤드에서

방출되는 기록자기장은 디스크 표면 쪽으로 다가가면서

주변으로 퍼지게 되어 자기장의 강도 날카로운 정도가 열

화된다. 반 로 기록헤드를 디스크 표면에 가까이 근시키면

강하고 날카로운 기록자기장이 디스크의 기록층에 달되어

보다 작은 비트를 쓰는데 유리하다. 기록된 정보를 재생할 때

에도 MR소자가 디스크 표면에 가까울수록 재생출력이 커지

고 공간해상도(spatial resolution)도 증가하여 작은 비트를

읽어낼 때 유리한 것이다. 정 기계공학 유체역학의 발달

로 재 고 도 HDD의 경우 헤드의 부상높이는 약 20 nm 이하로 이는 지상에서 2 mm 떨어져 500 km/h로 나는 비

행기와 맞먹는 정 도이다.다음 로 넘어가기 에, 기록된 정보의 안정성 련하여

반드시 기억해야할 개념이 있다. 기록된 정보가 오랜 시간이

지나도 지워지지 않기 해서는 자기입자의 자기이방성 에

지(magnetic anisotropy energy)가 주 의 열에 지를 충분

히 이겨낼 수 있을 정도로 커야 한다는 것이다. 참고로 자기입

자의 자기이방성 에 지는 자기입자의 자기이방성 에 지 상

수(magnetic anisotropy energy constant, 보통 Ku로 표

하며 물질 상수임)와 자기입자 부피의 곱인 Ku·V로 표 하는

데 통상 으로 Ku·V가 주변환경의 열에 지(kBT)보다 40~50배 이상 되어야 기록된 정보가 10년 이상 유지되는 것으로 알

려져 있다.앞에서 고 도를 한 디스크의 조건을 설명하면서 가

자기입자의 크기가 작고 균일할수록 좋다고 하 는데, 자기입

자 크기를 자꾸만 이다 보면 입자의 부피가 무 작아져서

입자의 자기이방성 에 지, 즉 Ku·V가 주변의 열에 지를 극

복하기 힘든 상황에까지 도달하게 되는데 이를 상자성 효

과(superparamagnetic effect)라고 한다. 이 게 되면 디스

크에 기록된 정보가 주변의 열에 지에 의해서도(작동 인

HDD의 내부온도는 최고 70~80 °C에 달함) 쉽게 지워지게

되어 결국 정보 장 매체로서의 기능을 할 수 없게 된다. 이를 해결하기 한 방안으로 두 가지 다른 근방법을 생각해

볼 수 있는데, 하나는 자기입자의 자기이방성 에 지 도 Ku

를 높일 수 있는 방법을 찾거나 아 Ku가 큰 물질로 체함

으로써 자기입자가 작은 크기에서도 열 으로 안정할 수 있

도록 해주는 방법이고, 다른 하나는 자기입자 크기를 이려

는 노력 신 아 물리 는 화학 패터닝을 통해 하나

의 자기입자 는 자구(domain)로 구성된 열 으로 안정한

크기의 독립 인 비트를 형성한 소 패턴 미디어(patterned media)를 제작함으로써 비트의 열 안정성을 꾀하는 방법이

다. 최근 고기록 도용 디스크 연구논문들을 살펴보면 Ku가

높은 물질 개발에 한 연구와 패터닝에 의한 디스크 제조방

법에 한 연구로 양분됨을 알 수 있다.

고 도용 최신기술

1950년 부터 재에 이르기까지 기록 도를 높이기 해

헤드, 디스크 기타 부품 련 다양한 신기술이 꾸 히 개

발되어 제품에 용되어 왔으며, 최근에는 헤드, 디스크, 채

부품이 동시에 바 는 큰 변화가 있었는데 이는 바로 수직자

기기록 방식의 도입이다.기존에 사용해오던 수평자기기록(longitudinal magnetic

recording, LMR)과 최근 도입된 수직자기기록의 차이를 그림

4에 비교하 다. 수평자기기록 방식에서는 비트의 자화방향이

디스크의 면내에 워있기 때문에, 비트의 크기가 작아짐에

따라 인 한 비트에 의한 반자기장(demagnetizing field)이

커지는 특성이 있어서 기록 도가 높아질수록, 즉 비트의 길

이가 작아질수록 기록된 비트가 더 열 으로 불안정해

지는 상을 보인다. 이의 해결을 해 즉, 반자기장을 이

고 자기입자의 열 안정성을 증가시키기 해 기록층의 두

께를 낮추면서(두께를 낮추면 비트의 면내 방향으로의 형상이

방성이 증가하여 열 안정성이 다소 증가하는 효과가 있음) 동시에 보자력(coercivity, 자화반 을 해 인가해야 하는 자

기장의 세기)을 증가시키려는 노력이 진행되었으나, 기록층의

두께감소는 재생신호 크기의 하(다른 조건이 동일할 때 재

생신호는 기록층의 잔류자화값(Mr)과 기록층의 두께 t의 곱인

Mr․t에 비례함)를 유발하고, 지나친 보자력의 증가는 기존의

수평자기기록용 기록헤드로는 기록이 불가능한 상황을 야기

함으로써(기록헤드로부터 얻을 수 있는 기록자기장의 세기가

충분치 않기 때문) 결국 상기의 문제를 모두 해결할 수 있는

수직자기기록이 도입되게 되었다.수직자기기록은 1970년 말 일본 도호쿠 (東北大)의 S.

Iwasaki 교수에 의해 발명된 기술로써, 그림 4에서 볼 수 있

듯이 자기 정보(magnetic information)를 디스크에 수직한

방향으로 기록하겠다는 개념인데, 술한 수평자기기록 방식

과는 반 로 비트 길이가 작아짐에 따라 비트 내 반자기장이

감소하고 인 한 두 비트 간에 열 안정성을 상호 보완해주

는 형식으로 설자기장(stray field)이 작용하기 때문에 원천

으로 고 도에 유리한 방식이다. 하지만 이러한 우수한 개

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그림 4. 기존의 수평자기기록과 최근 도입된 수직자기기록의 비교:

(a) 수평자기기록, (b) 수직자기기록.[3]

참고문헌

[3] HGST사의 web site에서 발췌 (http://www.hitachigst.com).

념의 기록방식이 실제 제품에 용되기에는 거의 30여 년이

라는 시간이 걸렸다. 수직자기기록 방식은 1990년 반까

지는 미국이나 유럽 연구자들의 주목을 받지 못하 으며, 주로 일본 내에서만 소수의 연구자들에 의해 연구 명맥이 이루

어져 오다가, 1990년 말 이후 기존 수평자기기록 기술의

한계가 명백해짐에 따라 세계 HDD 분야 연구자들이 심

을 보이기 시작했고, 세계 으로 지난 5~6년 정도의 단기

간이지만 집 인 연구개발을 통해 신 인 헤드 디스

크 기술이 개발되었고, 결국 2006년에 본격 인 제품출시가

이루어지게 되었다.수직자기기록의 핵심은 단자극(single pole) 형태의 기록헤

드와 연자성 바닥층(soft magnetic underlayer, SUL)이 도입

된 이 층 구조의 기록 디스크를 사용하는데 있다. 수평자기

기록의 경우 기록헤드를 구성하는 두 개의 자극으로부터 디

스크 표면 쪽으로 새어 나오는 설자기장에 의해 기록을 하

는 방식인데 반해, 수직자기기록의 경우 디스크 내의 연자성

바닥층 내에 기록헤드의 거울 이미지(mirror image)가 형성

됨으로써 연자성 바닥층이 일종의 가상의 헤드 역할을 하기

때문에 기록층이 마치 두 개의 자극(하나는 실제 기록헤드의

자극, 다른 하나는 연자성 바닥층 내에 형성된 가상 헤드의

자극) 사이에 치하는 형국이 되어 설자기장이 아닌 사이

자기장(gap field)을 사용하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있

다. 사이자기장은 설자기장에 비해 약 2배 정도 크기 때문

에 보다 Ku가 높은(따라서 보자력이 높은) 기록매체의 사용이

가능해지고, 따라서 상자성 효과에 한 걱정없이 자기입자

의 크기를 더 이는 것이 가능하므로 Ku가 높은 재료로 작

은 자기입자 크기를 구 할 수만 있다면 기록 도를 더 높일

수 있다.그러나 연자성 바닥층은 정보를 기록할 때에는 기록자기장

의 세기를 증폭시켜주는 유익한 역할을 하지만, 신호 재생시

에는 연자성 바닥층 내에 정자기 인 안정성을 해 자연

으로 형성된 자구벽(domain wall)에 의해 원치 않는 강한 자

기신호가 방출되어 노이즈의 원인으로 작용하는 단 을 가지

고 있다. 이러한 단 을 극복하기 해 연자성 바닥층의 재

질 구조에 한 연구가 활발히 이루어졌고 재는 자구벽

에 의한 노이즈가 발생하지 않는 연자성 바닥층 구조가 사용

되고 있다. 수직자기기록 디스크가 제품에 용되는데 가장

큰 기여를 했다고 말해도 과언이 아닌 사건 의 하나가 바

로 CoCrPt‐oxide라고 하는 새로운 미세구조의 기록층 개발

이다. 1990년 까지 주로 연구되어온 속성분으로만 이루어

진 CoCrPt계 합 (CoCrPt, CoCrTa, CoCrNb, CoCrPtNb, CoCrPtB 등)의 경우 자기입자간의 자기 상호작용을 감소

시키기 한 목 으로 수평자기기록 매체와 마찬가지로 기

록층 증착시 약간의 열에 지를 가하여 Cr 성분이 결정입계

에 석출되도록 조장함으로써 결정입계가 자성을 띠지 않도

록 만드는 방법을 이용하 는데 CoCrPt‐oxide(CoCrPtO 는

CoCrPt‐SiO2가 주로 사용되고 있음) 기록층의 개발로 인해

기록층 증착시 별도의 열에 지를 가하지 않더라도 Co를 주

성분으로 하는 자기입자가 산화물 결정입계에 의해 둘러싸인

미세 구조를 얻는 것이 가능해짐으로써 자기 상호작용이

히 감소한 기록층이 확보되었다. 이 게 산화물에 의해

자기입자가 분리된 구조를 갖는 기록층은 기존의 CoCrPt계

합 에 비해 동일한 입자 크기에서 훨씬 더 우수한 기록/재생 성능을 나타내고, 입자 크기를 감소시키는 것도 비교 용

이한 것으로 드러났기 때문에 많은 연구자들에 의해 집

인 연구가 이루어져 결국 제품에 채용되었다. 재 제품에 사

용되고 있는 디스크의 경우 자기입자의 크기가 약 7~8 nm 정도 수 인데 향후 500 Gb/in2 이상의 기록 도를 달성하

기 해서는 5~6 nm 수 으로 여야 할 것으로 상된다.헤드 분야에 있어서 일어난 최근의 기술변화는 자기 차폐

(magnetic shield) 박막으로 둘러싸인 자극 구조의 기록헤드

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그림 5. 수직자기 기록헤드에서 (a) write pole을 shield로 둘러싼 구조

및 (b) shield 적용에 따른 기록자기장의 profile의 변화.[4]

그림 6. Thermal Flying height Control에 의한 헤드의 부상높이 조절기

술을 나타내는 개념도: (a) 실제 제작된 헤드 구조, (b) Heater에 전류

를 흘리지 않는 경우 (c) Heater에 전류를 흘림으로써 헤드표면의 일부

가 디스크 표면으로 돌출된 상황.[3]

참고문헌

[4] D. M. Mallary et al., IEEE Trans. Magn. 38, 1719 (2002)의

그림을 재구성.

(shielded‐pole writer) 면수직 류주입(current perpen-dicular to plane, CPP) 형 재생헤드의 개발이다. 기록용 자

극 주 를 연자성체 차폐박막으로 둘러싸주면 기록자기장의

세기는 다소 감소하지만 자기장의 날카로운 정도(field gra-dient)가 큰 폭으로 향상되기 때문에 고 도 기록에 유리하다

는 개념은, 이미 1987년 M. Mallary에 의해 특허의 형태로

제안되었으나 20여 년이 지난 지 에야 실제 제작 성능평

가가 이루어지고 있으며(그림 5 참조), 향후 2~3년 이내에 제

품에 용될 것으로 기 되고 있다. 재생헤드인 MR 소자에

있어서도 기존에 사용하고 있는 거 자기 항(giant magne-toresistance, GMR) 터 자기 항(tunneling magneto-resistance, TMR) 소자 뒤를 이어 CPP‐GMR 소자가 연구되

고 있다. 1997년 IBM에 의해 개발되어 제품에 용된 면수

평 류주입(current in plane, CIP) GMR 형태의 스핀밸

(spin valve) 소자는 상당히 오랜기간 사용되었지만, 최근 개

발된 강자성체/ 연체/강자성체 구조의 TMR 소자에 의해

체되어 재는 TMR 소자가 제품에 사용되고 있다. 그러나

TMR 소자는 기존의 GMR 소자에 비해 기본 으로 소자

항이 크기 때문에, 향후 지속 인 고 도화 추진으로 재생헤

드 크기가 계속 감소하게 되면 지나치게 높은 항으로 인해

정보를 고속으로 송할 수 없게 되어 사용에 문제가 있을

것으로 상된다. 이에 한 비책으로 고려되고 있는 것이

GMR 타입으로 다시 되돌아가되 CIP 형태가 아닌 CPP 구조

를 채용함으로써 기존 CIP‐GMR 비 높은 감도(MR 비)와

낮은 기 항을 동시에 추구하겠다는 근이며 선진 헤드

HDD 업체들은 이미 상당한 수 의 기술을 확보하고 있는

것으로 단된다. Hitachi Global Storage Technologies사는

지난 2007년 10월 500~1000 Gb/in2용 HDD에 사용가능한

수 의 성능을 가진 CPP‐GMR 소자를 개발했다고 발표한 바

있으며 2009년 이후 상용화를 목표로 한다고 발표하 다.헤드와 디스크 간의 거리 즉 헤드의 부상높이를 낮추는 기

술에 있어서도 최근 큰 진 이 이루어졌다. 헤드 제조를 한

웨이퍼 공정시 박막 열선(heater)을 헤드 내부에 제작한 후, 실제 헤드 사용시 열선에 류를 흘려 Joule 열을 발생시켜

헤드의 몸체인 슬라이더(slider)의 국부 인 열팽창을 유도함

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그림 7. Discrete Track Media와 Bit Patterned Media의 구조를 나타내

는 모식도.[5]

참고문헌

[5] 제21회 Storage Research Consortium에서 발표된 roadmap에서

인용.

으로써 헤드가 디스크 표면 쪽으로 근하게 해주는 이른바

TFC(thermal flying height control)라는 기술(그림 6 참조)이 최근 개발되었고 이미 제품에 채용되었다. 요즘 HDD 제품의 경우 TFC를 사용하지 않으면 헤드의 부상높이는 약 10 nm 수 이지만 상기의 TFC 기술을 이용하면 약 5~6 nm 수 까지 낮추는 것이 가능해 큰 폭의 기록/재생 성능향상이

가능하다. 상기 기술뿐만 아니라 디스크 표면을 보호하고 있

는 보호막( 재 diamond‐like carbon과 graphite carbon의

이 층 구조가 주로 사용되고 있으며 통상 carbon overcoat라 부름)의 두께를 신뢰성의 희생없이 임으로써 헤드와 자

기기록층과의 거리를 감소시키려는 노력도 디스크 업체들에

의해 진행되고 있다.기존의 수평자기기록으로 달성 가능했던 최고 기록 도는

약 130 Gb/in2 수 이었으나 수직자기기록의 도입으로 최근

250 Gb/in2 수 의 HDD 제품이 개발되기에 이르 고 향후

어도 500~600 Gb/in2 수 까지는 수직자기기록 기술이

큰 무리없이 지속 으로 용될 것으로 측되고 있다. 한

다음 에서 소개할 1 Tb/in2 이상의 고기록 도를 목표로

연구되고 있는 다양한 차세 후보기술(patterned media, heat assisted magnetic recording, microwave assisted magnetic recording 등) 역시 기본 으로 수직자기기록 기술

의 연장선상에서 개발될 것으로 생각되고 있다.

Tb/in2를 향한 노력

재 제품에 사용되고 있는 CoCrPt‐oxide 재질의 기록 도

한계는 CoCrPt 재질이 갖는 Ku 값의 제약에 의해 약 500~ 600 Gb/in2

로 상되고 있으며, 패턴 매체(patterned media)와 같은 새로운 방식을 도입하지 않고 기존의 방식을 고수하

면서 600 Gb/in2 ~ 1 Tb/in2 수 의 기록 도를 달성하기

해서는 Ku가 더 큰 물질개발이 반드시 필요하다. Ku가 큰

(통상 Ku＞107 erg/cm3 이상) 물질로는 FePt, CoPt, SmCo 등이 있으나 그 FePt에 한 연구가 가장 활발히 진행되

어 왔다. 이론 으로 L10 구조라 불리는 규칙구조(ordered structure)의 FePt 덩어리(bulk)가 갖는 Ku(약 6~7×107 erg/ cm3) 값을 박막 상태에서도 그 로 얻을 수 있다고 가정하면, 약 3 nm 정도의 크기가 되어도 충분히 열 으로 안정할 수

있다. 하지만 해결하기 어려운 각종 공정상의 기술 문제로

인해 지난 수년 간 많은 연구자들의 활발한 연구에도 불구하

고 재까지 기록 도 측면에서 기존의 CoCrPt‐oxide 재료보

다 더 우수한 성능을 보이는 FePt 매체에 한 연구결과는

보고되지 않고 있다.아직까지는 4~5 nm 수 의 결정크기에서 열 으로 안정하

고 자기입자간의 자기 상호작용이 작은 재료 공정이 개

발되지 않았으나, 만약 개발이 되었다고 가정할 경우 재의

기록헤드로는 기록하기 힘들 정도로 기록층의 보자력이 매우

클 것으로 상되므로 이를 극복할 수 있는 방안이 필요하며

이를 해 경사기록(tilted recording)이라는 기록방식의 개념

ECC(exchange coupled composite) 디스크라는 개념도

제안되었다.University of California at San Diego의 H. N. Bertram

교수 그룹에서 제안한 경사기록은 자기입자를 스 칭시킬 때

자기장을 입자의 자화용이축과 평행한 방향이 아니라 45º 정도의 각도를 주고 인가하면, 자화용이축과 평행한 방향으로 인

가한 경우에 비해 약 50% 정도 세기의 자기장으로도 스 칭

즉 기록이 가능하다는 Stoner‐Wohlfarth 자화반 개념을 이

용하자는 것이다. 디스크 제작시 개개 자기입자의 자화용이축

이 매체 표면과 45º 정도 기울어지도록 성장시키는 것이 핵심

이슈이나 실제 박막제작 공정상의 어려움으로 성공 인 진보

를 이루지 못했고 재는 거의 연구되지 않고 있다. 한편

University of Minnesota의 R. Victora 그룹에서 제안한

ECC 디스크 개념 역시 Ku가 큰 기록층을 스 칭시키기 해

고안된 개념으로 Ku가 큰 기록층 상부에 Ku가 매우 작거나 연

자성 특성을 가지는 제2의 기록층이 있고 상부층과 하부층 사

이에는 상하부층 간의 자기 상호작용을 제어하기 한 비자

성 스페이서(spacer)가 삽입된 구조이다. 작동원리는 정보 기

록시 기록헤드의 자기장에 의해 상부의 연자성 기록층이 먼

스 칭하면서 Ku가 높은 하부층의 스 칭을 도와 으로써 기

록이 가능하게 하겠다는 개념인데 산모사(simulation) 결과

물리학과 첨단기술 December 2007 24

들은 많이 보고되고 있으나 실제 실험 인 구 에 한 연구

결과는 다소 미진한 편이다.디스크에 증착되는 자성재료의 물성이나 층구조가 아닌

디스크 자체의 형상변화를 통해 기록 도를 높이고자 하는

연구도 최근 활발하게 이루어지고 있다. 재 사용되고 있는

CD나 DVD와 같은 디스크와 유사하게 디스크 기 에 원주

방향으로 홈을 서 랜드(land)와 그루 (groove)를 형성함으

로써 트랙간의 자기 인 간섭을 감소시켜 높은 트랙 도를

확보하고자 하는 불연속 트랙 매체(discrete track media, DTM)와 아 개개의 비트를 독립 인 셀(cell)로 정의할 수

있도록 고정 도의 패터닝 기술을 이용해서 비트 어 이를

제작함으로써 개개 비트의 열 안정성을 확보하고자 하는 비

트 패턴 매체(bit patterned media, BPM)가 이에 해당한다

(그림 7 참조). 상기의 DTM이나 BPM 형태의 디스크를 이용

하여 1 Tb/in2 이상의 기록 도를 달성하기 해서는 극도

로 정 도가 높은(해상도 10 nm 이하 수 ) 반도체 리소그

라피(lithography) 기술이 필요하며, 디스크 제작 생산성

(throughput)을 높이기 해 개개의 디스크를 일일이 속도가

느린 자빔(e‐beam) 리소그라피로 패턴을 제작하는 것이 아

니라, 나노임 린트(nano‐imprint) 기법을 이용하여 소수의

원 (master) 제작 후 패턴 사를 통해 다시 연성 주형(soft mold)을 제작하고 이를 이용하여 포토 지스트(photoresist)가 도포된 디스크에 어서 패턴을 형성하는 방법이 주로 연

구되고 있다. 2007년 10월 선진 헤드업체인 TDK사는 자사

의 우수한 나노패터닝 기술을 이용하여 트랙간격 64 nm 수의 극도로 촘촘한 패턴을 갖는 DTM을 제작하여 600

Gb/in2 수 의 기록 도 달성 가능성을 보여 바 있으나, 면 화 기술 제조원가 등의 문제로 인해 상용화를 해

서는 최소 2년 이상의 시간이 요구될 것으로 보인다. BPM의

경우는 패턴 제작의 기술 난이도뿐만 아니라 셀 크기 감소

에 따른 자성박막의 물성 변화, 정보기록시 기록헤드와 디스

크 상 셀 치를 정확히 동기화(synchronization)하는 기술, 출력신호의 변화에 따른 새로운 채 알고리즘 개발 등 풀어

야 할 과제가 산 해있어, 장기 인 에서 연구가 진행되

고 있는 것으로 단된다.디스크 재질이나 구조가 아닌 새로운 기록방식에 한 연구도

병행되고 있는데 2001년부터 Seagate사에 의해 주도 으로 연

구가 진행되어온 열보조 자기기록(heat assisted magnetic recording, HAMR)과 2006년 Carnegie Mellon University의 J. G. Zhu 교수가 제안한 마이크로 보조 기록(Microwave assisted magnetic recording, MAMR) 등이 그것이다. 상기의 두 기술 모두 재의 기록헤드로 Ku가 높은 기록층을

기록하기 해서는 별도의 보조 에 지 수단이 필요하다고

보고 이 를 이용한 열 는 스핀 달토크(spin transfer torque) 상을 이용하여 발생시킨 수십 GHz의 고주 를 디

스크에 인가하겠다는 개념이다. HAMR의 경우 Seagate가 5년 이상 연구했음에도 불구하고 아직은 시스템 수 이 아닌

부품개발 수 에 머물러있는 것으로 단되며, MAMR의 경

우 아직은 산모사를 통해 향후 비 연구방향만을 제시

했을 뿐 실험 인 연구결과는 거의 무한 수 이어서 이러

한 기록방식이 상용화되려면 최소 5년 이상의 시간이 필요할

것으로 측하고 있다.

맺음말

HDD는 기존의 PC 기업용 서버 주의 시장에서 벗어

나 재는 개인용 MP3 이어나 비디오 리코더, 디지털 카

메라, 게임기와 같은 소 소비자 자(consumer electronics, CE) 제품에도 속히 침투하고 있으며, 향후 자동차에 장착

되는 인포테인먼트(infortainment) 기기로의 진출을 통해 더

더욱 성장할 것으로 상되고 있다. 일부 문가들의 분석에

의하면 기업 개인소비자들의 정보 장기기에 한 꾸 한

수요증가로 인해, 향후 몇 년 동안은 연간 최소 5억 수 의

HDD 생산이 지속 으로 요구되며 2010년에는 약 $ 40B 규모의 시장이 형성될 것으로 측되고 있다. 최근 NAND 래

시메모리 시장의 성장 SSD(solid state drive)의 개발

등으로 인해 HDD가 심각한 생명의 을 받고 있다고 많은

사람들이 우려하고 있으나, HDD는 다른 어떤 정보 장기기

보다도 가격 비 성능이 뛰어나면서도( 재 GB 당 가격을 비

교해보면 SSD에 비해 HDD가 10배 이상 렴 !), 엄청난 첨

단기술이 탑재된 기기로써 어도 용량 정보 장기기 분

야에서는 거의 독보 인 정보 장기기로써 향후 오랜 기간

생존할 것을 믿어 의심치 않으며, 반도체 메모리와 경쟁이 아

닌 상호보완 인 계를 유지하며 발 해나갈 것으로 생각된

다. 한 래시메모리와 HDD를 결합한 하이 리드(hybrid) 형태의 드라이 시장도 차 커질 것으로 망된다.지난 50여 년 간 HDD가 끊임없는 신기술 개발을 통해

비약 인 성능향상을 이루어왔듯이, 앞으로도 각종 분야의 다

양한 문가들이 참여하여 끊임없는 기술 신에 도 한다면

재 가시권에 들어온 1 Tb/in2의 시 를 넘어 10 Tb/in2의

역까지도 도달할 수 있지 않을까 기 해본다. 끝으로 필자

가 재료공학 문가인 계로 주로 헤드, 디스크의 재료, 구조 공정 에서 바라본 문제와 기술방향 주로 기술하

고, 그 외에 HDD의 성능향상에 큰 기여를 하는 헤드의

정 제어 기술이나 신호처리 기술 분야는 다루지 못한 것에

해 독자들의 양해를 구한다.