KR100468823B1 - High Density Data Storage with Diamond Tips and How It Works - Google Patents

본 발명은 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 데이터 저장 장치(High data storage system) 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 데이터 저장 장치는, 팁의 코팅 재질로 다이아몬드를 사용하고 강유전체 기록 매체의 윗전극을 유사 다이아몬드(DLC)나 비정질 탄소를 사용한다. 따라서, 팁이나 기판의 내마모성이 보장되어 고밀도 데이터 저장 장치(high data storage system)로 적합한 조건을 갖춘다. 또한, 콘택트 모드(contact mode)이기 때문에 팁의 끝 두분에 근사한 비트 사이즈(bit size)를 얻을 수 있어 고밀도 저장이 보장된다.The present invention relates to a high data storage system using a diamond tip and a method of operating the same. In the high-density data storage device using the diamond tip according to the present invention, diamond is used as the coating material of the tip and pseudo diamond (DLC) or amorphous carbon is used as the upper electrode of the ferroelectric recording medium. Thus, the wear resistance of the tip or substrate is ensured to meet the conditions suitable for high data storage systems. In addition, because of the contact mode, a bit size close to the tip of the tip can be obtained, ensuring high density storage.

다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 데이터 저장 장치 및 그 작동 방법High Density Data Storage Using Diamond Tips and How It Works

본 발명은 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 데이터 저장 장치(High data storage system) 및 그 작동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high data storage system using a diamond tip and a method of operating the same.

일반적으로 물체의 표면 상태를 분석하기 위하여 원자간 힘 현미경(atomic force microscope; AFM)을 이용하거나 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope; STM)을 사용한다. 이 때 팁을 물체의 표면에 주사(scanning)하면서 분석하는데 팁과 물체간에 전기적 바이어스(bias)를 걸어주면 STM 모드(mode), 바이어스(bias)가 없으면 AFM 모드로 분류한다. 이와 같이 STM 모드의 구동 방법은 도 1에 도시된 바와 같다. 도전성 물질로 형성된 팁(1)이 가장자리에 설치된 팁 홀더(2)와 분석 대상 물체(4) 간에 전압을 인가하여 도전성 팁(1)과 분석 대상 물체(4) 사이에 전계(3)를 형성하여 분석 대상 물체의 표면 상태를 분석한다. 즉, 전압이 인가된 도전성 팁(1)을 분석 대상 물체의 표면을 따라 움직이면서 분석 대상 물체(4)의 표면으로부터의 전계 교란을 검출하여 대상 물체(4)의 표면 상태를 분석한다. 따라서, 팁(1)은 바이어스 전압을 인가할 수 있도록 도전성 물질로 만든 것이 일반적이다.Generally, an atomic force microscope (AFM) or a scanning tunneling microscope (STM) is used to analyze the surface state of an object. At this time, the tip is scanned and scanned on the surface of the object. When the electrical bias is applied between the tip and the object, the tip is classified into the STM mode and the AFM mode if the bias is not present. Thus, the driving method of the STM mode is as shown in FIG. The electric field 3 is formed between the conductive tip 1 and the analyte 4 by applying a voltage between the tip holder 2 formed at the edge of the tip holder 2 and the analyte 4 at the edge thereof. Analyze the surface condition of the object to be analyzed. That is, the electric field of the target object 4 is analyzed by detecting the electric field disturbance from the surface of the target object 4 while moving the conductive tip 1 to which the voltage is applied along the surface of the target object. Therefore, the tip 1 is generally made of a conductive material so that a bias voltage can be applied.

이와 같은 방법에 있어 팁과 기판 사이를 접촉하는 접촉 방식과 팁과 기판 사이를 띄우는 비접촉 방식이 있는데 접촉 방식은 STM 모드(mode)에 있어서는 팁과 기판과의 사이를 미세하게 유지해야하는 어려움과 팁이 기판에 닿을 수 있는 진동 문제가 있고, 또한 팁과 기판과의 지속적인 마찰에 의해 팁의 마모가 발생, 수명에 영향을 주는 한계가 있다.In this method, there is a contact method for contact between the tip and the substrate and a non-contact method for floating the tip and the substrate. The contact method has a difficulty in keeping the tip and the substrate finely in the STM mode. There is a vibration problem that can come into contact with the substrate, and there is a limit that the wear of the tip is caused by continuous friction between the tip and the substrate, affecting the life.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 다이아몬드를 팁에 코팅하여 기록매체에 정보를 기록함으로써 팁의 진동과 마모를 억제한 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 저장 장치 및 그 작동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, and provides a high-density storage device using a diamond tip that suppresses the vibration and wear of the tip by recording the information on the recording medium by coating the diamond on the tip and a method of operating the same There is a purpose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 저장 장치는, 팁 홀더 상의 일측에 팁 및 강유전체 기록 매체를 구비한 고밀도 저장 장치에 있어서, 상기 팁은 절연성 다이아몬드가 코팅된 팁으로 이루어지고, 상기 강유전체 기록 매체는 강유전체와 상기 강유전체의 상부 및 하부에 각각 상부 전극 및 하부 전극을 구비하되 상기 상부 전극은 도전성 유사 다이아몬드로 형성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the high-density storage device using the diamond tip according to the present invention, in the high-density storage device having a tip and a ferroelectric recording medium on one side on the tip holder, the tip is a tip coated with insulating diamond The ferroelectric recording medium may include a ferroelectric and an upper electrode and a lower electrode respectively above and below the ferroelectric, and the upper electrode may be formed of a conductive pseudo diamond.

본 발명에 있어서, 상기 상부 전극은 도전성 비정질 탄소로 형성된 것도 바람직하고, 상기 하부 전극은 도체, 도전성 세라믹 및 반도체 중 적어도 어느 하나 를 사용하여 형성되고, 상기 다이아몬드 코팅 팁은 상기 강유전체 기록 매체의 상부 전극과 접촉하여 동작하도록 형성되며, 상기 강유전체 기록 매체의 상부 전극은 도전성을 높이기 위하여 첨가제를 도핑한 유사 다이아몬드 혹은 비정질 탄소로 형성되며, 기록된 정보를 검출하기 위하여 상기 팁에 트랜지스터 혹은 단일 전자 트랜지스터를 더 접속한 것이 바람직하다.In the present invention, the upper electrode is preferably formed of conductive amorphous carbon, the lower electrode is formed using at least one of a conductor, a conductive ceramic, and a semiconductor, and the diamond coating tip is an upper electrode of the ferroelectric recording medium. The upper electrode of the ferroelectric recording medium is formed of pseudo diamond or amorphous carbon doped with an additive to increase conductivity, and a transistor or a single electronic transistor is added to the tip to detect recorded information. It is preferable to connect.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 저장 장치의 작동 방법은, 팁 홀더 상의 일측에 절연성 다이아몬드가 코팅된 팁을 구비하고, 정보를 기록하기 위한 강유전체와 상기 강유전체의 상부 및 하부에 각각 도전성 유사 다이아몬드로 형성된 상부 전극 및 도전성 물질로 형성된 하부 전극으로 이루어진 강유전체 기록 매체를 구비한 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 저장 장치의 작동 방법에 있어서, (가) 상기 다이아몬드 팁과 상기 강유전체 기록 매체의 하부 전극 일정한 전압을 인가하여 상기 강유전체를 분극시켜 정보를 기록하는 단계; 및 (나) 상기 다이아몬드 팁과 상기 강유전체 기록 매체의 하부 전극에 역분극이 발생하지 않을 정도의 일정 전압을 인가하여 상기 기록 단계에서 분극에 의해 도메인의 극성에 따른 캐패시턴스 차이를 감지하여 상기 기록된 정보를 읽는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, a method of operating a high density storage device using a diamond tip according to the present invention includes a tip coated with an insulating diamond on one side on a tip holder, and a ferroelectric material and the ferroelectric material for recording information. A method of operating a high density storage device using a diamond tip having a ferroelectric recording medium comprising an upper electrode formed of a conductive pseudo-diamond and a lower electrode formed of a conductive material, respectively, above and below, (A) the diamond tip and the ferroelectric Applying a constant voltage to the lower electrode of the recording medium to polarize the ferroelectric to record information; And (b) applying a constant voltage to the diamond tip and the lower electrode of the ferroelectric recording medium such that reverse polarization does not occur, thereby detecting capacitance difference according to the polarity of the domain by polarization in the recording step. Steps to read; characterized in that it comprises a.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계 및 상기 (나) 단계에서 상기 팁은 각각 상기 강유전체 기록 매체의 상부 전극에 접촉시켜 작동시키고, 상기 팁의 다이아몬드에는 캐패시턴스를 높이기 위한 첨가제가 더 도핑되며, 상기 강유전체 기록 매체의 상부 전극은 도전성 유사 다이아몬드 혹은 도전성 비정질 탄소로 형성되며, 도전성을 높이기 위한 첨가제가 더 도핑되며, 상기 강유전체 기록 매체의 하부 전극은 도체, 도전성 세라믹 및 반도체 중 어느 한 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 (나) 단계에서 상기 팁과 상기 강유전체 기록 매체의 하부 전극 사이에 일정한 전압을 인가하여 상기 기록 단계에서 형성된 분극 방향에 따른 상기 팁과 상기 하부 전극 사이의 캐패시턴스 차이를 검출하기 위하여 상기 팁과 상기 하부 전극 사이에 접속된 트랜지스터 혹은 단일 전자 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, in the steps (a) and (b), the tip is operated by contacting the upper electrode of the ferroelectric recording medium, respectively, and the diamond of the tip is further doped with an additive for increasing capacitance. The upper electrode of the ferroelectric recording medium is formed of conductive pseudo diamond or conductive amorphous carbon, and is further doped with an additive for enhancing conductivity, and the lower electrode of the ferroelectric recording medium is formed of any one of a conductor, a conductive ceramic, and a semiconductor. Preferably, in the step (b), a constant voltage is applied between the tip and the lower electrode of the ferroelectric recording medium to detect a difference in capacitance between the tip and the lower electrode according to the polarization direction formed in the recording step. A transistor connected between the tip and the lower electrode Alternatively, it is preferable to use a single electron transistor.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 저장 장치 및 그 작동 방법을 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, a high density storage device using a diamond tip and a method of operating the same will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 고밀도 저장 장치를 실현하기 위하여 다이아몬드(diamond)로 코팅(coating)된 팁(tip)을 사용하고, 기록 매체(media)로서 강유전체를 사용하되 윗전극은 유사다이아몬드(DLC; diamond like carbon)나 비정질 탄소(carbon)를 사용하여, 기록할 때는 팁과 아래전극 사이에 전위차를 가하여 강유전체를 분극시켜 도메인(domain)을 형성하고 읽을 때에는 윗전극과 팁 사이에 전위차를 가하여 도메인(domain)에 의한 표면 캐패시턴스 차이를 전기적으로 검출한다. 이를 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하면 다음과 같다.In the present invention, a tip coated with diamond is used to realize a high density storage device, and a ferroelectric material is used as a recording medium, but the upper electrode is made of diamond like carbon (DLC). B. Using amorphous carbon, write a potential difference between the tip and the bottom electrode when recording, to form a domain by polarizing the ferroelectric, and when reading, apply a potential difference between the top electrode and the tip. The surface capacitance difference is detected electrically. This will be described in detail with reference to specific examples.

도 2는 본 발명에 따른 고밀도 데이터 저장 장치의 개략적 구성을 보여 주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 데이터 저장 장치는, 팁(11) 및 강유전체 기록매체(13, 14, 15)를 구비하고, 팁(11)과 기록매체(13, 14, 15) 사이의 간격을 없애고 순수한 콘택트 모드(contact mode)로 기록하고 재생한다. 팁(11)은 다이아몬드를 코팅하여 내마모성을 강화한다. 기록 매체(media)로는 강유전체 캐패시터(13, 14, 15)를 사용하되, 윗전극(13)은 다이아몬드 코팅된 팁에 손상을 주지않고 윤활성이 우수한 유사 다이아몬드(DLC; diamond like carbon)나 비정질 탄소(carbon)를 사용한다. 이 때 다이아몬드나 유사 다이아몬드(DLC)(혹은 비정질 탄소)들은 윗전극(13)으로서의 역할을 할 수 있도록 첨가제를 사용하여 도전성을 높인다. 아래전극(15)은 전도체, 도전성 세라믹(ceramic), 반도체 물질을 사용하면 되는데 전도체가 바람직하다. 부재번호 16은 기록된 정보를 검출하는데(읽는데) 사용되는 트랜지스터 혹은 단일 전자 트랜지스터(single electron transistor)이다.2 is a view showing a schematic configuration of a high-density data storage device according to the present invention. As shown, the high-density data storage device using the diamond tip according to the present invention includes a tip 11 and a ferroelectric recording medium 13, 14, 15, the tip 11 and the recording medium 13, 14, 15) Eliminate gaps and record and play back in pure contact mode. The tip 11 coats the diamond to enhance wear resistance. As a recording medium, ferroelectric capacitors 13, 14, and 15 are used, and the upper electrode 13 is a diamond-like carbon (DLC) or amorphous carbon (DLC) having excellent lubricity without damaging the diamond-coated tip. carbon). At this time, diamond or pseudo diamond (DLC) (or amorphous carbon) increases the conductivity by using an additive to serve as the upper electrode (13). The lower electrode 15 may be formed of a conductor, a conductive ceramic, or a semiconductor material, but a conductor is preferable. Reference numeral 16 is a transistor or single electron transistor used to detect (read) the recorded information.

이와 같은 구성의 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 저장 장치는 다음과 같이 동작한다.The high density storage device using the diamond tip of such a configuration operates as follows.

먼저, 기록할 때에는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 팁(11)과 아래전극(15) 사이에 전위차를 인가하여 강유전체(14)를 분극시킨다. 이 때 국부적인 기록 부위를 유지하기 위하여 코팅 다이아몬드(coating diamond)는 용량(capacitance)성인 것을 사용한다.First, when writing, as shown in FIGS. 3A and 3B, a potential difference is applied between the tip 11 and the lower electrode 15 to polarize the ferroelectric 14. In this case, in order to maintain a local recording site, a coating diamond is used having a capacitive property.

다음에, 기록된 부위의 정보(bit)를 읽을 때에는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 팁(11)과 아래전극(15)에 전위차를 인가하여 트랜지스터 게이트에 전위가 걸리도록 한다. 즉, 다이아몬드 코팅 팁(diamond coated tip)(11)과 하부전극(15) 사이에 전위차를 인가할 경우 도메인의 극성에 따라 유도되는 트랜지스터 게이트 전압이 다르게 되어 트랜지스터의 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 세기가 다르게 되는 원리를 이용하는 것이다. 이 경우 팁(11)에 코팅된 다이아몬드(coated diamond)는 용량성(capacitive)이어야 하며, 도메인 사이즈(domain size)에 축적된 전하를 검출할 수 있는 소자(device)로는 그 만큼 작은 크기를 갖는 단일 전자 트랜지스터(single electron transistor; SET)(16; 도 2참조)가 적당하다. 그러나 도메인의 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)가 클 경우에는 일반 트랜지스터를 사용하더라도 검출이 가능하다.Next, in reading the information (bit) of the recorded portion, as shown in Figs. 4A and 4B, a potential difference is applied to the tip 11 and the lower electrode 15 so that the potential is applied to the transistor gate. In other words, when a potential difference is applied between the diamond coated tip 11 and the lower electrode 15, the transistor gate voltage induced according to the polarity of the domain is different so that the intensity of the current flowing between the source and the drain of the transistor is increased. Is to use a different principle. In this case, the coated diamond on the tip 11 should be capacitive, and as a device capable of detecting the charge accumulated in the domain size, a single diamond having such a small size A single electron transistor (SET) 16 (see Fig. 2) is suitable. However, if the domain's electric dipole moment is large, it can be detected even with a normal transistor.

결론적으로, 다이아몬드 코팅 팁(diamond coated tip)에 일반 펄스(pulse)를 인가하여 기록하고, 읽기는 다이아몬드 코팅 팁(diamond coated tip)과 단일 전자 트랜지스터(single electron transistor) 혹은 트랜지스터를 이용하여 트랜지스터 게이트에 정전하(electrostatic charge)를 유도시켜 도메인 극성을 검출하게 된다.In conclusion, a normal pulse is applied to the diamond coated tip, and the reading is performed by using a diamond coated tip and a single electron transistor or a transistor to the transistor gate. Electrostatic charges are induced to detect domain polarity.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다이아몬드 팁을 이용한 고밀도 데이터 저장 장치는, 팁의 코팅 재질로 다이아몬드를 사용하고 강유전체 기록 매체의 윗전극을 유사 다이아몬드(DLC)나 비정질 탄소를 사용하기 때문에 팁이나 기판의 내마모성이 보장되어 고밀도 데이터 저장 장치(high data storage system)로 적합한 조건을 갖춘다. 특히, 콘택트 모드(contact mode)이기 때문에 팁의 끝 부분에 근사한 비트 사이즈(bit size)를 얻을 수 있어 고밀도 저장이 보장되며, 특히 기존의 레이저 빔을 사용하지 않고 단순히 전기적인 포텐셜(potential)로 기록 및 해독을 하므로 장치가 간편해지는 장점이 있다.As described above, the high-density data storage device using the diamond tip according to the present invention uses a diamond as the coating material of the tip and uses a diamond or amorphous carbon as the upper electrode of the ferroelectric recording medium. Its wear resistance is guaranteed, making it suitable for high data storage systems. In particular, the contact mode allows the bit size to be approximated at the tip of the tip, which ensures high density storage, especially in electrical potential without the use of conventional laser beams. And since the device is easy to decipher.

도 1은 종래의 현미경 탐침을 이용한 STM 모드의 구동 방법을 설명하는 도면,1 is a view for explaining a driving method of the STM mode using a conventional microscope probe,

도 2는 본 발명에 따른 고밀도 데이터 저장 장치의 개략적 구성을 보여 주는 도면,2 is a view showing a schematic configuration of a high density data storage device according to the present invention;

도 3a 및 도 3b는 도 2의 고밀도 데이터 저장 장치의 "쓰기" 동작을 설명하기 위한 도면,3A and 3B are diagrams for describing a " write " operation of the high density data storage device of FIG.

그리고 도 4a 및 도 4b는 도 2의 고밀도 데이터 저장 장치의 "읽기" 동작을 설명하기 위한 도면이다.4A and 4B are diagrams for describing a “read” operation of the high density data storage device of FIG. 2.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

1. 일반 STM 팁 2. 팁 홀더(Tip holder)1. Normal STM Tip 2. Tip Holder

3. 일반 STM 모드에 의한 전계 4. 물체3. Electric field by normal STM mode 4. Object

11. 다이아몬드 코팅 팁(Diamond coated tip)11. Diamond coated tip

12. 팁 홀더(Tip holder)12. Tip holder

13. 윗전극(도전성 DLC 혹은 비정질 carbon)13. Upper electrode (conductive DLC or amorphous carbon)

14. 강유전체 15. 아래전극14. Ferroelectric 15. Bottom electrode

16. 트랜지스터 혹은 단일 전자 트랜지스터16. Transistors or Single Electronic Transistors