초록
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1. 전체 개발동향
현재 HDD시장은 전통적인 어플리케이션 분야인 데스크탑 시장이 성숙기에 들어섬에 따라 MP3, PMP 등의 휴대용 멀티미디어와 휴대폰 PVR(Personal Video Recorder) 셋톱박스 등 모바일 가전 시장이 높은 전망을 나타내고 있다. 따라서 고집적 기술의 발달과 제품의 대용량화에 대한 연구가 꾸준히 진행되어오고 있는 실정이다. 기존 PC 일변도인 시장규모에서 벗어나 모바일, GPS, 디지털카메라 등의 비PC 신규시장이 끊임없이 창출되고
문서암호 : www.kosen21.org
1. 전체 개발동향
현재 HDD시장은 전통적인 어플리케이션 분야인 데스크탑 시장이 성숙기에 들어섬에 따라 MP3, PMP 등의 휴대용 멀티미디어와 휴대폰 PVR(Personal Video Recorder) 셋톱박스 등 모바일 가전 시장이 높은 전망을 나타내고 있다. 따라서 고집적 기술의 발달과 제품의 대용량화에 대한 연구가 꾸준히 진행되어오고 있는 실정이다. 기존 PC 일변도인 시장규모에서 벗어나 모바일, GPS, 디지털카메라 등의 비PC 신규시장이 끊임없이 창출되고 있으며, 그 규모는 IDC 등의 조사에 따르면 05년 3억 7천억 개 270억 달러 규모였으며 09년에는 6억 2천억 개 400억 달러에 이를 것으로 전망하고 있다.
이러한 수요에 맞추어 HDD 개발기술 또한 소형화와 고용량을 추구하는 방향으로 확대되고 있으며, 특히 고밀도 자기기록매체 개발에 대한 연구가 가장 중요시 되고 있는 상황이다. 자기기록매체의 발전은 기록밀도로 그 경향을 나타낼 수 있는데, 2000년 이후 지금까지 GMR(Giant Magneto-Resistance) 헤드의 개발과 더불어 연간 100%의 기록밀도 증가율을 보이고 있다. 또한 최근의 연구동향에 따르면 자기기록방식을 수평자기식에서 수직 자기식으로 개발함으로써 수 Tb/inch2 급의 고밀도 자기기록용 재료를 목표로 세계 각국에서의 연구가 활발하게 이루어지고 있는 추세이다.
기존 수평자기방식에서는 그동안 가장 큰 문제점으로 제시되었던, bit 크기의 감소로 인해 미디어가 열적으로 불안정해지는 초상자성 한계(Super-paramagnetic limit)에 의하여 더 이상 기록밀도의 성장률을 구현할 수 없을 것이라는 것이 관련 연구자들과 기술진들의 일관된 예측이다. 따라서 이에 대한 대안으로 다양한 매체 기술들이 제 되었는데, 대표적인 개발 기술로는 다음과 같다.
-. AFC 수 기기록매체 (Antiferromagnetically coupled longitudinal magnetic recording)
-. 수직자기기록매체 (Perpendicular magnetic recording media, PMR media)
-. Patterned media
-. HAMR (Heat assisted magnetic recording)
-. SOMA (Self ordered magnetic array)
현재 연구개발이 거의 완료되고 시제품이 제작되고 있는 PMR media는 CoCr계와 같은 낮은 보자력을 갖는 재료를 이용할 경우 약 600Gbit/in2까지 발전할 수 있으며 FePt, SmCo와 같이 높은 보자력과 결정자기이방성을 갖는 재료에 대해서는 HAMR 기술을 적용할 경우 Tbit/in2 영역까지 구현이 가능할 것으로 예측되고 있다.
이러한 PMR media를 비롯하여 상기에 언급한 최소형 대용량 HDD 활용을 위한 자기기록매체의 개발은 전 세계적으로 앞 다투어 개발에 매진하고 있으며, 자기헤드 관련 기술개발과 함께 그 기술발전 또한 매우 빠르게 진행되고 있는 상황이다. 따라서 본 연구자는 아래와 같은 조사단활동을 통하여 그 개발동향파악 및 기술 습득(교류)을 보다 구체적으로 진행하였다.
2. 국가별 개발(활동) 동향
1) 국내 연구 활동 동향
-. 한국의 삼성전자가 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive: HDD) 분야에서 미국, 일본과 세계 시장에서 치열한 경쟁을 하고 있으나, 시장 점유율의 저조로 가격경쟁력이 떨어지고, 후발 주자로서 안고 있는 시스템 노하우의 부족으로 경쟁력 확보에 큰 어려움을 겪어 왔는데, 최근 연구개발에 중점 투자한 결과 선진 사와 동급의 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive: HDD)를 동시 출시를 통해 기술력을 인정받으면서 시장점유율을 확대해 가고 있는 상태임.
-. Storage Device 관련 국가 연구로는 G7 프로젝트에서 대우 고등기술원이 10Gbit/in2 HDD용 Micro Actuator 개발의 기반 연구를 수행하였으나, 실제 제품까지는 이르지 못하였음.
-. 최근에는 연세대학교에 정보저장기기센터(CSID)가 설립되면서 이를 중심으로 한양대, 건국대 등에서 정보 저장기기 관련 고정밀 기구 및 서보기술 연구가 시작되었고, KIST, 고려대, KAIST에서는 자기기록 헤드, 미디어에 대한 많은 연구가 진행.
-. 삼성종합기술원에서는 1인치 이하급 초소형 자기기록 정보저장장치를 개발 중.
-. ETRI는 최근 열 보조 자기기록에 관한 기초 연구를 개시. 최근에는 우수한 성능의 MR, GMR Head, Low Flying Slider, 고속 DSP & Driver Chip, 소형 정밀 Mechanism 등을 독자적으로 개발하여 제품에 적용하고 있고 차세대 자기기록장치에 필요한 수직자기기록기술 및 Micro Actuator, Ramp Loading Mechanism에 대한 독자 특허를 확보하고 연구를 진행 .
2) 미국의 연구 활동 동향
Storage 산업, 특히 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive: HDD) 산업의 종주국이며, 제일 먼저 1991년 NSIC(National Storage Industry Consortium)을 발족하였음. 발족 직후 미국 상무성의 ATP, 국방성의 DARPA 등의 연구자금을 활용하여, 고밀도 자기기록과 같은 연구 과제를 산학연의 형태로 수행함. 각 분과별로 Project Manager(기업체 책임연구원급)를 선임하고, 매 분기별로 기업, 정부연구소, 대학 등 참여기관을 돌면서 연구발표회를 갖고 있음.
NSIC-EHDR (초고기록밀도 자기기록)
목표: 1 Tbit/in2
연구비: $2.0M/연 (기업$1.4M/연 + NSF $0.6M/년)
참가기관: 7 기업체, 15 대학
NSIC-HAMR (열보조 자기기록)
목표: 1 Tbit/in2
연구비: 총 $21.6M (NIST/ATP $10.8M + 나머지는 기업체부담)
참가기관: Seagate, ARC, MEMS Optical, Carnegie-Mellon University, University of Arizona
3) 일본의 연구 활동 동향
- 정보저장산업 관련 컨소시엄은 산업체 주도의 SRC(Storage Research Consortium).
- 경제통산성(METI) NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) 주관의 ASET(Association of Super-Advanced Electronics Industry).
- SRC는 하드 디스크 드라이브기업체 위주의 자기기록 정보저장기술 연구에 집중.
- ASET는 반도체, 자기기록, 디스플레이, 장비 연구개발 등을 포괄하는 연구조합의 형태.
- 일본의 컨소시엄들은 자기기록 방식의 정보저장(Magnetic Storage)에 집중하고 있는 것이 특징.
4) 싱가포르의 연구 활동 동향
DSI(Data Storage Institute)는 Science, Technology와 Research 또는 A*STAR(국립 Science와 Technology 위원회)를 위한 Agency와 싱가포르 국립대학 (NUS) 에 의해 1992년 6월에 설립된 Magnetics Technology 센터의 확대를 위해, 1996년 4월에 설립되었으며, 현재 진행 중인 주요 연구내용은 다음과 같다.
- Perpendicular media, magnetics, and full disk-media towards 400 Gb/in2 areal density
- Media technology and processes towards 1 Tb/in2
- Sub-2nm Thickness Disk Overcoat And High Flyability Disk Media
- Lubricant for HAMR applications
- Flying Height (FH) Testing Technology With < 0.2nm Repeatability
- Recording physics, modeling and optimization of high density data storage systems
- Exploration of new writing head design for perpendicular magnetic recording systems
- Testing technology for perpendicular magnetic recording systems at extremely low flying height
- MTJ and SV CPP head towards Tb/in2 areal densities
- Spintronics and new devices
3. 조사단 활동내용
1) 미국 NIST(미국국립표준기술연구소), Washington University in St. Louis 방문
-. 방문일시 : 2007년 5월
-. 방문자 : Prof. 이찬규
-. 피 방문자 : Dr. Robert Shull (A leader of magnetic materials group of NIST, 현 TMS학회 회장), Prof. Stuart A. Solin (Washington University at St. Louis)
-. 각 분야의 전문가들과의 면담 및 회의를 통하여, 나노 자성재료의 세계적인 연구동향과 Spin Dynamics 및 Remagnetization에 대한 정보를 획득하였으며 차후 기술개발의 발전전망에 대하여 논의함.
2) 독일 막스플랑크 연구소 방문
-. 방문일시 : 2007년 7월
-. 방문자 : Prof. 이찬규
-. 피 방문자 : Dr. Lorenz Kienle
-. 독일 최상급 재료연구기관인 막스플랑크 연구소 및 관련 산업체를 방문하여 자성재료의 연구 등 신소재 관련 전자현미경 및 X-Ray 등을 이용한 나노자성체 구조해석, 결함분석, 실제 구조 분석하는 기법 및 연구동향에 대한 정보를 수집함.
3) 일본 東北大(Tohoku University) 방문
-. 방문일시 : 2007년 8월
-. 방문자 : Prof. 이찬규
-. 피 방문자 : A. Inoue (동북대학 총장), Prof. Y. Shimada
-. 일본의 동북대학은 수직자기기록방식이 세계 최초로 제안되었으며, 실용화 단계의 연구를 진행하고 있는 대학으로써, 이번 조사단 방문을 통하여 수직자기기록매체에 대한 연구 동향과 정보를 수집하고, 비정질 자성재료에 대한 연구동향도 수집하였음.
4) 러시아 고체물리 연구소(Institute of Solid State Physics of Russian Academy of Science) 방문
-. 방문일시 : 2007년 9월
-. 방문자 : Prof. 이찬규
-. 피 방문자 : Dr. Vladimir S. Gornakov (Senior Scientist)
-. 자성재료의 Magnetic domain 관찰 및 스핀거동의 분석방법에 대한 정보수집 및 공동연구 체제를 구축하였으며, 인근 관련 산업체를 탐방하여 최신 기술동향을 파악하였음.
5) 관련 산업체 탐방 및 자료조사(Web, 서적, 세미나)
가. Toshiba : ’05년 8월부터 면 기록밀도가 133Gb/in2인 PMR 방식의 40GB 1.8인치 HDD의 양산을 시작해 Apple에 공급.’07년에는 0.85인치에도 적용 해 면 기록밀도가? 약 200Gb/in2인10GB 제품을 출시 할 예정.
나. Seagate : PMR방식을 적용한 160GB의 2.5인치 제품에 이어, 12GB 1인치 HDD 출시. 250Gb/in2인 2세대 노트북용 HDD 모멘터스 5400.4도 출시.
다. HGST : PMR방식을 적용한 2.5인치 및 1.8인치 제품 출시. 작년에는 면 기록밀도가 2300Gb/in2인 제품 시연.
라. Fujitsu : 작년에 80GB, 160GB용량의 노트북용 제품 출시. 올 해에는 2.5인치 250/300GB 제품 출시.
마. 삼성전자 : 올해 업계 최초로 160GB의 대용량을 구현한 2.5인치 Spinpoint M5시리즈 출시. 250GB의 고용량을 실현하는 동시에 획기적인 저소음 기술을 적용한 3.5인치 HDD Spinpoint S250 시리즈를 개발.
바. WDC : 250GB 용량의 스콜 피오 2.5인치 시리얼 ATA(SATA) 하드 드라이브를 출시.
6) 국제 학회 참가 및 발표
-. 나노 자성재료 관련 국제 학회에 참가하여, 최신 연구동향을 파악하고 각 분야의 연구자들과 연구 기술에 대한 정보교류를 하였음.
-. 참가/발표 학회 : PRICM-6, 52nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, 2007 CISAS & ISNAM, International Workshop on Nano-structured Materials & Magnetics
4. 향후 전망
향후 나노자성체 분야의 연구는 새로운 스핀의존현상에 대한 학문적 규명과 이를 이용한 스핀소자를 개발하는 것이 연구의 초점이 될 것이다. 이를 위해서는 현재의 마이크로 자성학을 초월하여 전자스핀 교환상호작용이 일어나는 나노 차원에서의 자성체를 제어하고 재현성 있게 제조하는 새로운 기술이 연구되어야 할 것으로 보인다. 또한 기록매체의 부분에 있어서는 현재 Co계 합금박막에 의한 수평자기기록기술의 경우 초상자성 효과에 의해서 정보저장밀도의 한계에 와 있으며, 이러한 한계를 뛰어넘기 위하여 FePt 합금박막이나 Co계 다층박막을 이용한 수직자기기록기술의 연구개발이 가속화 될 전망이다. 한편 자기메모리(MRAM)의 기술 분야에 있어서는 거대자기저항(GMR) 기술에서 투과자기저항(TMR) 기술의 개발로 빠르게 진보하면서, 기술발전 추이로 볼 때 초 G비트급 MRAM소자가 개발될 전망으로 보인다. 이러한 세계적인 개발 속도에 맞추어 국내에도 초소형 고용량 HDD 구현을 위한 기술개발 및 관련 연구가 더욱 필요한 시점이라 판단되어진다.
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