나노 기술의 간판 기술로 많이 소개되었던 프로브 기반의 기술은 고속 원자힘 현미경(AFM: Atomic Force Microscopy), 반도체 검사 장비, 오감 센서 뿐 아니라 정보저장장치로서의 가능성도 보여주었다. 작은 MEMS 구조물인 프로브를 이용하여 정보를 저장하는 기술은 IBM, HP, 히타치, Nokia 등을 중심으로 연구되거나 연구중에 있다. 그림 1과 같이 PDS는 4 부분으로 구성된다. 기록 헤드의 역할을 하는 2차원 배열의 프로브들과 기록매체 역할을 박막부, 헤드와 기록매체의 상대적인 xy 운동을 가능하게 하는 구동부 및 헤드에서 감지된 신호를 처리하는 신호처리부가 그것이다. 프로브 기반의 정보저장 기술은 기존 저장장치 기술의 한계를 인식하여 이를 극복하고자 제안된 신기술이다. 하드 디스크는 기록밀도 증가에 따라 일정 크기 이하의 자구(magnetic domain)가 상온에서의 열에너지에 의해 그 정보를 잃어버리는 이른바 ‘초상 자성 한계’에 직면해 있고, 광 디스크나 광 묘화법을 사용하는 플래시 메모리는 일정한 크기를 가지는 광파장으로 그 이하의 정보를 기록하거나 묘화할 수 없다는 이른바 ‘광회절 한계’를 갖는다. 이를 물리적 크기 제한을 받지 않는 기술로 극복하고자 한 것이 바로 PDS 기술이다.저장장치의 개요정보를 기록하고 저장하는 정보저장장치는 인류의 역사와 그 맥락을 같이 하고 있다. 동굴 벽화에서부터 파피루스, 종이에 이르기까지의 근대 기술을 넘어 이제는 디지털 기록을 필요로 하는 첨단 기술이 되었다는 차이만 있다. 국가기술지도에 의하면 정보저장장치는 총 4개로 크게 분류된다. 먼저 가장 익숙한 분야로 자기저장장치를 들 수 있다. 마그네틱 테이프, 플로피 디스크를 거쳐 현재 고정형 플랫폼의 표준 저장장치가 된 하드 디스크를 들 수 있으며, 최근 1.8인치, 1인치, 0.85인치 제품을 앞세워 휴대형 정보기기 분야까지 그 영역을 확대하고 있다. 두 번째로 레이저 다이오드와 포토 다이오드를 사용한 광디스크를 들 수 있다. 영화나 게임, 소프트웨어 등 배포형 콘텐츠 시장에서 확고한 자리매김을 하더니 이제는 BD, HD-DVD 등의 형태로 고용량화를 꾀하여 새로운 시장을 넘보고 있다. 세 번째는 현재까지 시장에 출시되지 않은 신기술로 정보를 2차원 평면이 아닌 3차원 볼륨에 저장하는 형태인 홀로그래픽 저장장치가 있다. 광 디스크에 비해 비트 방식이 아닌 페이지 방식의 정보기록 방식을 채택하고 홀로그래피 기술을 이용한 3차원 정보저장으로 고속 대용량화를 무기로 서버형 플랫폼 시장의 강자가 되려하고 있다. 마지막으로 본 원고의 주제인 프로브에 기반한 휴대형 저장장치인 PDS가 있다.PDS의 특징PDS는 그 독특한 구조에 기인한 여러 가지 특징이 있다. 우선 기록밀도 측면에서 평방 인치당 4 테라비트의 정보기록이 가능하다. 이는 현존하는 2차원 저장장치 중에서는 최고의 값이다. 그림 2에서 보는 바와 같이 PDS의 헤드 역할을 하는 프로브는 캔틸레버(그림 상에서 전류가 들어오는 부분)라고 하는 실리콘 외팔보 구조 위에 만들어진 콘형 구조물(저항 히터라고 표기된 부분)로 일반적인 식각 공정을 통하여 10nm 이하의 곡율 반경을 가지도록 쉽게 제작할 수 있다. 기록밀도가 높은 이유는 이러한 프로브의 작은 크기 때문이다. 두 번째 특징은 다른 저장장치에 대한 특이한 구동방식에 기인한다. 마그네틱 테이프 이후에 출시된 디지털 정보저장장치의 표준 구동방식은 회전형이었다. 플로피 디스크, 하드 디스크, CD, DVD, BD, HD-DVD에 이르기까지 헤드와 매체의 상대적인 이송 수단은 모두 모터에 의한 고속 회전 운동이었다. 그러나 PDS는 2차원상의 왕복운동을 그 이송수단으로 하고 있다. 또 다수의 헤드를 이용하여 그 이송거리를 100μm로 하고 있어 거의 육안으로 식별하지 못할 정도의 이송거리를 왕복하는 것이다. 이 방식은 고속 회전 운동에 비해 전력소모, 소음, 소형화 측면에서 큰 강점을 가진다. 그러므로 저전력 소모, 저소음, 저발열의 저장장치를 가능하게 한다. PDS의 또 다른 특징은 독특한 헤드 설계에서 기인한다. 보통의 저장장치는 하나의 헤드를 사용한다. 하드 디스크의 경우 플래터의 한면당 하나의 헤드를 사용하며, 광디스크의 경우 레이저 다이오드 하나와 포토다이오드 하나를 통상 사용한다. 즉 싱글 헤드 개념이다. 그러나 이 저장장치의 경우 몇천 개에서 만 개에 이르는 저장장치 헤드를 거의 동시에 구동하는 구조를 채택하고 있다. 이는 결국 데이터 전송 속도의 획기적인 개선을 가능하게 한다. 100Mbps의 속도를 무난히 달성할 수 있을 것으로 추정되고 있다.PDS 기술의 또 다른 특징은 4Tbints/in2 기록밀도까지는 기술적인 한계가 거의 없다는 것과 lithography 등의 이슈가 없다는 것이다. 이는 물리적인 한계와 싸워서 이를 극복해야 하는 플래시나 광디스크, 하드 디스크에 비해서 공정 비용이 저렴하고 초기 투자비용이 적다는 것을 의미한다. 반도체 라인에서 사용하는 고급 장비를 이용하지 않고 일반적인 MEMS 장비를 이용해서도 만들 수 있다는 것이 큰 장점이다. 또 다른 특징은 반도체 메모리와 같이 하나의 웨이퍼에서 다수의 소자가 만들어진다는 점이다.그러나 원리상으로 보이는 이러한 장점 이외에도 아직은 해결되지 않은 단점들이 존재한다. 내충격, 내진동 설계 등 신뢰성과 관련된 부분에 대한 기술개발이 아직 진행되지 않았다. 또 다른 큰 단점은 이 분야의 연구개발에 큰 재원이 투자되고 있지 못한 점이다. 플래시나 하드 디스크의 경우 천문학적인 연구 재원이 투자되지만 PDS의 경우 아직은 연구 재원이 미미한 형편이다. 이는 이 기술이 가지는 높은 잠재력에 대한 이해도 부족에서 기인한 것으로 신기술이 겪고 있는 애로점을 그대로 안고 있는 셈이다.국내외 관련 기술의 현황탐침형 정보저장장치는 해외의 경우 IBM을 선두로 하여 HP, 히타치 등과 같은 대기업 뿐 아니라, 미국의 Nanochip, Kionix 등과 같은 벤처기업, Carnegie Mellon University(미국), 도쿠대학(일본), Twente 대학(네덜란드) 등과 같은 곳에서 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 국내의 경우 LG전자와 삼성전자, 그리고 전자부품연구원에서 기초적인 연구가 진행되어 왔다.탐침형 정보저장장치 기록/재생 메커니즘의 유력한 후보는 크게 탐침과 기록 미디어 사이의 자기적인 상호작용력을 이용한 방식(자기기록 방식)과, 탐침을 가열하여 기록 미디어에 물리적인 홈을 형성하는 방법(열기계 기록방식), 탐침과 기록 미디어를 접촉시킨 후 전류를 흘려 기록 미디어의 국부적인 영역의 전기적인 특성을 변화시키는 방식(전기저항 변화형 기록방식) 등이 있다.이외에도 탐침을 이용하여 질화막과 산화막 사이에 전하를 국부적으로 포획하는 방법이나 강유전체 박막에 탐침을 이용하여 국부적으로 전기 쌍극자를 형성하여 기록하는 방법 등이 있으나, 전하 포획의 경우 기록밀도가 여타 다른 저장장치에 비해 그리 높은 편이 아니라 탐침형 정보저장장치의 고유 특징인 고밀도화가 어렵고, 강유전체 박막을 이용하는 경우는 데이터를 유지하는 시간이 짧다는 문제와 정보를 재생할 수 있는 탐침이 아직 개발되지 않고 있다는 측면에서 가능성을 탐색하는 수준이다.자기기록방식자기기록방식의 경우 미국의 Carnegie Mellon 대학(CMU)과 네덜란드의 Twente 대학에서 주로 연구하고 있는데, CMU의 경우는 inductive 기록부와 GMR 센서를 캔틸레버 프로브에 집적하는 방식을 채택하고 있다. Twente 대학의 경우는 캔틸레버 위에 강자성체 탐침을 형성하여 기록/재생하는 방식을 채택하고 있다.그림 3은 CMU에서 개발하고 있는 기록/재생 헤드부의 개념도로서, 자성물질로 이루어진 탐침 주변을 코일이 둘러싸고 있어 코일에 전류를 흘려주면 탐침이 monopole의 역할을 하여 데이터를 기록할 수 있도록 설계되었으며, 재생을 위해서는 yoke 형태의 GMR 센서를 장착하였다. 이 때 기록층은 수직자화방향을 가지는 PtCo 자성박막을 사용하였고, 기록시 탐침에 강한 자속이 걸릴 수 있도록 기록층 아래에 연자성 박막을 두었다. 이러한 구조는 다른 탐침형 정보저장장치의 기록/재생 헤드부에 비해 복잡한 형태를 보이며, 제작공정이 복잡한 단점을 가지고 있다. 아직 기록/재생한 결과는 보고되고 있지 않지만, 모델링 결과에 따르면 최소 250Gbit/in2 수준의 기록밀도와 구동기의 물리적인 한계를 고려하지 않는다면 단일 탐침으로 1Gbit/sec 수준의 데이터 입출력 속도를 가질 수 있다고 발표하였다.Twente 대학에서는 magnetic force microscopy(MFM)에 기반한 형태의 자기기록 방식을 채택하고 있는데, 이는 강자성 탐침을 patterned media에 접촉시켜 기록매체의 자화방향을 바꿔주어 정보를 기록하고, 재생시에는 기록매체와 탐침 사이의 자기력에 의해 캔틸레버의 휘어지는 정도를 측정함으로써 데이터를 판독하는 방식이다(그림 4 참조). 이 경우 2진법의 데이터를 기록하기 위해서는 탐침의 자화 방향이 up/down 두 가지가 모두 가능해야 하며, 외부 자극에 의해 탐침의 자화 방향이 바뀌는 개념이 도입되어야 하나, 실제 디바이스로의 구현이 어렵다. 또한 정보를 재생할 때는 탐침과 미디어 사이의 간격을 일정하게 유지해야 한다는 어려움을 안고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 MR 센서가 집적화된 탐침을 제작하여 미디어와 접촉된 상태에서 미디어의 자화 방향에 따라 변하는 MR 신호로써 정보를 재생하는 방법을 고안하고 있다. 그러나 이 경우에도 역시 up/down 두 가지 방향의 정보를 기록할 수 있는 기록헤드의 제작이 어렵다는 점은 공통적으로 가지고 있다. 이러한 문제로 인해 Twente 대학의 방식 역시 아직 기록/재생한 결과는 보고되고 있지 않으나, 미디어는 patterned magnetic media 쪽으로 방향을 잡았으며, laser interference lithography 방식을 이용하여 100nm급의 데이터 비트를 제작한 것을 보고하였다.열기계 기록방식탐침형 정보저장장치에 가장 현실화된 기록/재생 방식으로 IBM에서 다년간 연구해 오고 있는 열기계 기록방식(thermome- chanical recording)을 꼽을 수 있다. 이 방식은 그림 5와 같이 날카로운 탐침을 이용하여 얇은 폴리머 박막에 nm 크기의 물리적인 홈을 내는 방식으로, 홈을 내기 위하여 탐침을 폴리머 막에 대고 누르면서 동시에 열을 가한다. 이 때 홈의 크기는 인가된 힘과 열의 크기에 의존하며, 폴리머 미디어는 주로 PMMA를 사용한다.열기계 기록방식 초기에는 탐침을 가열하기 위해 외부에서 레이저를 조사하고, 데이터 재생은 일반적인 AFM의 측정모드인 optical lever 방식을 사용하였다. 그러나 이 경우 전체 시스템의 크기가 커질 뿐 아니라, 탐침형 정보저장장치가 가지는 낮은 데이터 입출력 속도를 개선하기 위한 탐침의 병렬 운영이 불가능하기 때문에, 탐침을 가열할 수 있는 히터를 캔틸레버 위에 집적화하고 캔틸레버 자체 내에서 재생 신호를 감지할 수 있는 구조들이 연구되었다.기록을 위한 히터는 캔틸레버의 다른 부위에 비해 적게 도핑하여 상대적으로 저항값을 크게 만들어 제작하였다. 이렇게 만들어진 캔틸레버에 전류를 흘려 탐침부를 약 400℃ 정도까지 가열하면서 탐침을 기록미디어인 PMMA에 접촉시키면 PMMA가 국부적으로 녹으면서 물리적인 홈을 만들게 되고, 이로써 데이터 비트를 기록하게 된다. 여기에서 탐침이 견고한 Si 표면과 직접 접촉함으로써 발생할 수 있는 탐침의 마모 방지 및 열전달의 효율성 제고를 위해 데이터 기록층 바로 아래에 경화된 폴리머 얇은 층(60~80nm)을 두었고, 데이터 비트 크기 확대를 막기 위하여 가능한 데이터 기록층을 얇게 (20~50nm) 만들었다.이러한 방식으로 IBM에서는 단일 탐침으로 40nm 정도의 bit size, 즉 400Gbit/in2 정도의 기록밀도의 가능성을 발표하였다. 최근에는 1Tbit/in2 정도까지 단일 탐침 실험을 통해 입증한 바 있다(그림 6 참조). 또한 단일 탐침으로 37nm 정도의 bit size, 즉 641Gbit/in2 정도의 기록밀도에서 raw BER(bit error rate)이 10-4 수준을 보고하였다.IBM의 열기계 기록방식은 데이터의 소거 및 재기록이 가능하다. 그림 7은 기록된 데이터 비트를 소거한 예와, 따로 소거작업 없이 데이터를 바로 재기록하는 예를 보여준다. 이미 기록된 데이터 비트 바로 옆에 탐침을 접근시키고 가열하면 폴리머가 살짝 녹으면서 reflow하여 데이터 홈을 채워 데이터 비트를 소거하게 되며, 이 때 좀 더 오랜 열을 가하면 그 자리에 데이터의 재기록이 가능하다.국내 기업인 LG전자에서는 같은 열기록 방식을 쓰면서 데이터를 재생하는 방식으로 압전 센서를 개발하였다(그림 8 참조). 이는 압전체인 PZT 박막을 캔틸레버 위에 도포하여 캔틸레버가 데이터를 읽을 때 캔틸레버의 휨을 전기적인 신호로 바꾸어 준다. 이 방식은 열감지 센서 방식과는 달리 정보를 재생할 때 추가적인 외부 전원이 필요 없기 때문에 소모전력 면에서 열감지 센서보다 우수하며 응답속도가 매우 빨라 데이터 입출력 속도는 순전히 기계적 구동부의 응답속도에만 의존한다.전기저항 변화형 기록방식전기저항 변화형 기록방식의 대표적인 예는 상전이 물질을 이용한 기록방식으로 상전이 광기록방식과 유사하게 상전이 물질이 비정질 상태에 있을 때와 결정질 상태에 있을 때의 물리적 특성의 차이를 이용한다. 광기록 방식에서는 빛의 반사도 차이를 이용하나 탐침형 정보저장장치에서는 전기저항의 차이를 이용한다.그림 9는 10nm 두께의 GeSbTe 박막 위에 도전성을 가지는 탐침을 접촉시킨 후 전압 펄스를 인가하여 데이터를 기록하고, 재생한 결과이다. 이를 보면 대략 20nm 이하의 데이터 비트가 형성되었음을 알 수 있다.일본의 도쿠 대학은 가열이 가능한 탐침과 상전이 미디어를 사용하여 열에 의해 국부적으로 상전이 물질의 전기전도도가 변하는 현상을 이용하여 정보를 기록하려는 시도를 진행하고 있다. 특히 탐침에 형성된 Ni nanowire를 이용하여 열전달을 증가시켜 기록/재생/소거 속도를 강화시킨 결과를 보고하였으며, 300℃에서 대략 100nm급의 데이터 기록에 성공하였고, 600℃ 순간 고온 열처리로써 데이터 소거 가능함을 보고하였다(그림 10 참조).그러나 탐침을 단단한 상전이 박막에 직접 접촉시키는 경우, 탐침의 마모나 신호의 재현성 등이 문제가 되기 때문에 적절한 보호박막에 대한 연구가 필수적이다. 보호막을 생각하지 않는다면 미국의 HP사에서 시도하고 있는 ARS(Atomic Resolu- tion Storage) 방식이 적절할 수 있다. 이 방식은 탐침과 기록막을 접촉시키지 않고 탐침으로부터 전계방출되는 전자를 이용하여 정보를 기록하는 방식이다. 재생을 위해서는 EBIC(전자빔 유도 전류)라는 현상을 이용하는데, 이는 전자빔이 결정화된 데이터 비트에 조사될 때 기록 미디어의 표면과 기저 사이에 큰 전류가 흐르는 현상을 이용하는 것이다. 이 때 결정화된 부분과 비정질인 부분과의 전류 차이는 14배에 달하며, 단일 탐침을 사용하는 경우 재생신호의 밴드는 550kHz 정도로 보고되었다. 그러나 이 방식의 경우 전자빔의 안정도가 가장 큰 이슈가 되고 있다.기타일본의 히타치 사는 그림 12에서 보는 바와 같이 HDD와 유사한 회전 디스크 형태의 탐침을 폴리머에 두드려서 데이터를 기록하고 일반적인 원자힘 현미경(AFM) 방식으로 데이터를 읽어내는 Force Modulation AFM Recording 방식을 개발하고 있다. 보고된 바로는 1.2Tb/in2 의 저장밀도가 가능한 것으로 되어 있으나 데이터 재생속도는 1.2Mbps에 불과해 탐침을 배열화하는 문제가 해결되지 않는 한, 데이터 입출력 속도에 문제가 있을 것으로 판단된다.국내의 경우 삼성전자는 강유전체 박막을 이용한 기록/재생방법과 이에 적합한 캔틸레버를 개발하고 있고, 미디어 구동을 위한 마이크로 구동기를 제작한 경험이 있다. 현재는 안정적인 기록/재생 메커니즘 확보를 위한 연구에 집중하고 있다. 그림 13은 위 방식을 이용하여 기록한 데이터를 EFM을 이용하여 판독한 결과이다.휴대형 저장장치로서의 전망저장장치의 시장전망을 이야기할 때 꼭 거론되는 시장은 두 곳이다. 소비자가전 분야(CE)와 휴대형 분야가 그것이다. DTV와 홈 네트워킹을 중심으로 가전기기의 디지털화, 스마트화 및 네트워크화가 급속히 이루어질 전망이고 잠재시장 또한 막대할 것으로 추정된다. 그러므로 CE 분야에서의 시장선점을 위하여 저장장치 업체들은 촉각을 곤두세우고 있다. CE 이외에 큰 시장으로 smart handheld device라 불리는 휴대형 정보기기 시장이 있다. 이 시장은 휴대전화의 복합기능화 추세에 힘입어 급성장하고 있으며 현재 수 GB대의 저장장치가 핸드폰에, 수십 GB의 저장장치가 PMP에 탑재되어 출시되고 있다.그림 14는 휴대형 정보기기의 강력한 후보임을 자처하는 저장장치의 장단점을 보여주는 표로 Nokia에서 분석한 자료이다. NAND 플래시 메모리의 경우 기술의 변화 속도가 워낙 빠르고, 가격도 급격히 하락하고 있어 예상하기가 쉽지 않으나 기술적인 측면에서만 보면 ArF-Wet lithography를 사용하여 45나노미터 선폭을 구현하는 수준에서 더 이상 진보하지 못할 것으로 예측된다.그 이유는 45나노미터보다 작은 선폭을 구현할 경우 전혀 새로운 기술인 EUV 기술과 공정장비가 필요하기 때문이다. 간섭, 누설전류 등으로 인한 특성 요동과 전력 분산, 소비전력 등의 기술적인 문제들도 있지만, 300mm 웨이퍼 팹 라인 하나의 건설비용이 500억 달러에 이른다는 경제적인 이유도 크다. 이러한 이유로 8GB 이상의 고용량 플래시 메모리를 싼값에 공급한다는 것은 현재로서는 어려워 보인다. 노키아는 5GB를 대략적인 한계로 보았으나 그동안의 기술발전과 패키징 기술로 인하여 그보다는 높은 용량을 달성할 수 있으리라 본다. 가격에 대한 예측은 비교적 정확해 보인다.다음으로 광디스크에 대한 전망이다. 휴대형 정보기기의 저장장치로서 광디스크는 거의 거론되고 있지 않지만, 매체가 탈착 가능하며 매우 저렴하다는 장점을 내세워 시장을 공략할 가능성은 있다. 2008년 기준으로 드라이버는 25~40달러 수준으로 디스크는 1달러/GB 수준으로 예상하였다.마지막으로 최근 휴대전화에 3GB 용량으로 탑재되어 화제가 되고 있는 초소형 하드디스크에 대한 전망이다. 초소형 하드 디스크의 경우 최근 폼팩터에 따라 그 명암이 엇갈리고 있는 추세이며, 이는 플래시에 대한 경쟁력 보유 여부에 따른 것이다. 1.8인치의 경우 최소 20GB 정도여서 현재 4GB인 플래시 메모리의 추격을 용량, 속도, 가격 면에서 쉽게 따돌릴 수 있어 경쟁력이 있다고 판단된다. 대신 1인치의 경우 6GB 정도의 용량을 구현하여 플래시에 비해 장점을 부각시키기 힘들고, 0.85인치의 경우 용량은 거의 비슷하지만 크기가 작고 속도가 빨라 당분간의 경쟁력은 있어 보인다. 여하튼 소형 정보기기 시장에서 하드는 20~30GB 정도의 용량을 3달러/GB 정도의 가격으로 자리매김 할 듯하다.휴대용 정보저장장치의 3가지 대상 기술군에 대한 분석은 나름대로 휴대형 정보기기에 대한 현 단계의 기준을 제시한다는 점에서 흥미롭다. 예상을 요약하면 2008년을 기준으로 휴대형 정보기기에서 사용될 정보저장장치는 10~60GB 정도의 용량에 GB 당 수 달러 수준의 가격으로 공급되어야 한다는 것이다.PDS 기술은 SD 카드급의 폼팩터에서 수십 GB 용량은 쉽게 달성가능하고, 향후 기록밀도를 4Tbits/in2까지 올릴 수 있다는 점을 감안하면 100GB 이상의 용량을 달성할 수 있을 것으로 추정된다. 공정이 간단하고 lithography 등 기술적인 한계와 장비상의 한계가 없어 가격 측면에서도 SD 카드급 기준으로 10만원대의 소비자 가격을 유지할 수 있을 것으로 전망된다. 그러나 신뢰성 확보 문제 등의 기술적인 이슈들이 아직 검증되지 않았다. 플래시 메모리나 하드 디스크와 비교하여 경쟁력을 현단계에서 가늠하기는 어려워 보인다. 그만큼 정보저장기술의 발전이 급격히 이루어지고 있기 때문이다.맺음말지금까지 휴대형 정보기기의 정보저장장치의 한 후보인 PDS 기술에 대해서 원리, 장단점, 동향 그리고 휴대형 저장장치로서의 전망 등을 알아보았다. 이는 그동안 유무선으로 질문 받았던 사실들을 나름대로 정리한 것이므로, 이 글이 PDS의 현재와 미래를 파악하는 데 유용한 자료가 되었으면 한다.
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