[연재강좌] 광디스크 기술동향

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 광디스크 기술동향 DVD레코더의 보급에 따라 영상을 디스크로 기록하는 문화가 일반 소비자에게 침투해 왔다. 특히 일본에서는 HDD가 탑재된 기종의 판매대수가 가장 많으며, HDD에 녹화된 영상을 광 디스크로 보존하는 사용법이 일반화 됐다. 때문에 HDD에서 DVD로 전송하는데 필요한 시간의 단축, 즉 고속기록이 광 디스크에 요구되는 중요한 성능이 됐다. <그림1>은 광디스크의 대용량화 추세를 나타낸 것이다. 향후 디지털화이비전의 보급과 함께 디스크 대용량화의 필요성이 더욱 높아질 것으로 예상된다. 2003년에 제품화 된 블루레리(Blu-ray)디스크는 한쪽 면 1층 당 25GB의 기록용량을 갖고 있으며, 2004년에는 한쪽 면 용량 50GB의 2층형도 제품화됐는데 장시간 녹화 등 앞으로도 용량확대의 필요성이 증대될 것으로 전망하고 있다. 용량 확대기술로는 기존제품과의 호환성 관점에서 장치의 광학계가 크게 바뀌지 않는 것이 바람직하며 더욱이 일반 고객에 보급하기 위해서는 모체의 비용, 즉 비트단가를 낮추는 것이 중요하다. 고속화기술 <그림2>는 광 디스크드라이브의 고속화 추세를 나타낸 것이다. CD 및 DVD의 재생전용매체(ROM)와 추기형매체(-R)에서는 이미 고속회전의 원심력으로 디스크가 파괴되지 않는 한계라고 하는 회전수 1만rpm에 이르렀으며, 전송속도는 CD 52배속(62Mbps), DVD 16배속(176Mbps)을 달성했다. 서환형(RAM) DVD에서는 제품으로는 6배속이 최고이지만 학회레벨에서는 DVD-RAM과 DVD-RW 둘 다 16배속 기록이 보고 됐다. 고속화는 기록매체의 조성이나 열구조의 개선과 고속 레이저파형 제어로 달성되고 있다. 기록형 DVD의 2층 매체의 규격이 발표되고, 2004년 대응 드라이브가 제품화됐지만 2층 매체에서는 기록 대상과는 다른 층에 레이저광이 흡수되기 때문에 보다 높은 파워의 레이저가 필요하다. 이를 위해 2층 매체를 포함한 고속화 경쟁의 수속은 앞으로 2~3년은 걸릴 것으로 예상한다. 블루레리 디스크도 학회레벨에서는 이미 6배속을 초과한 고속기록재생이 보고 되고 있으며 부품기술에서도 고 파워로 발진하는 청자색 반도체 레이저도 보고 되고 있어 향후 DVD와 동일하게 고속경쟁이 가속될 것으로 예상된다.

대용량화 기술 광 디스크의 대용량화에는 광 스폿 구경을 축소하고 단위면적 당 기록정보량을 증대하는 고 면밀도화와 1비트 당 기록면적을 바꾸지 않고 대용량화하는 3차원기록과 하나의 기록영역에 복수 비트를 기록하는 정보다중화 기록방법이 있다<그림3>. CD, DVD에서 블루레리까지는 광원의 단파장화와 대물렌즈의 개구수(NA) 증대에 따라 광 스폿을 축소하고 고밀도화를 도모해 왔지만 블루레리에서는 가시광 최단 파장인 400㎚의 광원을 이미 사용하고 있고 개구수는 0.85로 거의 한계인 1에 달하고 있다. 게다가 앞에서 설명했듯이 2층 기록도 이미 채용하고 있다. 그리고 대용량화는 신호처리나 근접장광, 초해상에서 광 파장 이하의 작은 기록마크의 기록재생을 실시해 면밀도를 향상시키는 방법과 다층기록이나 홀로그램 등의 다중기록 및 3차원기록을 통해 용량을 확대하는 접근이 있다. <표1>은 각종 대용량화 방식의 특징을 정리한 것이다.

1. 신호처리 기술 (1) PRML PRML(Partial-Response Maximum-Likelihood)은 광 스폿보다 작은 기록마크를 재생할 때 인접 마크의 신호도 동시에 재생해 재생신호 레벨이 변화되는 것을 역이용해서 미세마크를 재생하는 방식이다. 이 기술은 HDD에서 오래전부터 실용화되고 있는 기술이지만 광디스크의 신호는 비선형성을 갖고 있기 때문에 자기디스크의 신호처리 방식을 그대로 적용해도 충분한 고밀도화효과는 기대할 수 없다. 그래서 비선형 패턴 의존성을 학습 제어하는 적응보상형 PRML방식이 제안되고 있으며, 블루레리와 똑같은 NA와 파장으로 선 기록밀도를 1.4배로 향상할 수 있다. 이 방식에 인접 트랙의 크로스 토크를 계산으로 제거하는 기술을 조합시킨 편면단층 50GB 용량의 실증이 보고 되고 있다. (2) 다치기록 기록 레벨을 2개가 아닌 8개 레벨로 제어함으로써 DVD와 똑같은 광학계로 약2배의 기록용량을 실현할 수 있는 기술이 보고 되고 있다. 8개는 원리적으로는 3중 기록으로 3배 용량에 상당하지만 분해 능력과 S/N의 충분한 확보가 필요하기 때문에 보고에서는 2배 밀도에 머물고 있다. 2. 근접장기록 근접장은 헤드와 기록 미디어의 거리를 광 파장보다 짧은 거리까지 근접시킴으로써 공기 중의 광 파장보다 짧은 근접장광을 이용해 고 면밀도기록을 실행하는 것이다. 고밀도화가 가능한 반면, 종래의 광 디스크와는 달리 먼지의 영향을 크게 받기 때문에 가환성의 실현이 곤란하며 현재 자기디스크와 같은 장치상태에서의 실현이 상정된다. (1) SIL SIL(Solid Immersion Lens)은 고 굴절률의 렌즈 속에 굴절률 분량만큼 축소된 광 스폿을 형성하고, 그 렌즈를 기록매체에 수십㎚ 거리까지 근접시킴으로써 광의 ‘터널효과’에 따른 근접장광이 매체에 도달해 기록재생이 가능해진다는 것이다. 최근에는 굴절률 2.07의 초반구형 SIL(NA1.84)에 따라 12㎝디스크로 112GB 상당 기록밀도의 상변화 기록실증이 보고 되고 있다. (2) 미세개구·플라즈몬 프로브 레이저광의 파장보다 작은 개구부를 설치해 개구부에서 배어 나오는 근접장광으로 기록을 재생하는 방법이 미세개구법이다. 개구의 구경을 작게 해서 매체와 개구의 거리를 근접시키면 원리적으로는 테라바이트(TB: terabyte) 급의 대용량화가 가능하지만 개구를 축소하면 빛의 이용효율이 지수적으로 감소한다. 여기서 레이저의 공진 한정 값을 이용해 신호를 확대하면서 재생하는 방법이 시도되고 있다. 또한 비교적 효율이 높은 근접장 발생방법으로 금속부에서의 플라즈몬 공명효과를 이용한 각종 방법도 검토되고 있다. 3. 초해상기록 (1) MSR/DWDD MSR(Magnetically induced Super Resolution) 즉 자기초해상은 기록층과 재생층에서 형성되는 자성다층막을 이용해 기록층에 기록된 정보를 재생층에 자기전사하면서 재생하는 방식이다. 광 조사를 통해 자성막 온도를 상승시키고 기록층과 재생층 간의 자기교환 결합력을 변화시켜 스폿의 일부분만 재생층에 정보가 전사된 것처럼 만든다. 이로써 전사되지 않은 부분에서 발생하는 신호나 클로스 토크 성분을 마스크해 실효적인 스폿 구경을 축소할 수 있다. 이 방식이 자기초해상(MSR)이다. 자기초해상에서는 광 스폿의 일부에서 나오는 신호를 사용하기 때문에 분해능은 향상하지만 신호량이 저하된다. 신호량의 저하를 억제하면서 분해능을 향상시키는 방법으로 DWDD(Domain Wall Displacement Detection)가 제안되어 이미 실용화되고 있다. (2) 비선형 초해상 광자기재료 이외에도 광조사에 따라 광학정수의 변화를 발생시키는 산화물계 재료를 이용한 초해상방식을 연구하고 있다. 이 방식은 빛의 강도가 가장 높은 부분만 투과율이 증대하고, 그 외의 광 스폿 주변에는 빛이 투과되지 않는 듯한 마스크 층을 기록 층 바로 앞에 적층함으로써 광 스폿 중심부의 정보만을 읽어내는 방식이다. ROM매체나 서환형 DVD와 같은 상변화 매체와의 조합이 원리적으로는 가능하기 때문에 폭넓은 응용이 기대된다. (3) Super-RENS 초해상기술의 일종인 Super-RENS(super-resolution near-field structure)기술은 고강도 빛의 조사로 기록 매체 일부에 공극(air gap)의 불가역 물리변화를 발생시켜 기록마크를 형성하고 그 변화 장소에 비교적 저강도의 빛을 조사했을 때 일어나는 가역적인 매체변형에 따른 반사광의 강도변화를 검출하는 재생방식의 총칭이다. 여러 종류의 매체 구성이 제안되고 있는데 읽어내는 원리의 해석과 랜덤 데이터 평가 등이 진전되어 120㎜크기의 디스크 한쪽 면 100GB 상당의 기록밀도로 실용 레벨의 특성을 얻기 시작했다. 4. 3차원기록 기술 (1) 다층기록 블루레리 디스크(Blu-ray Disc : BD)의 대용량화법으로서 ROM 기록 층을 8층 적층한 200GB 용량의 실증이 보고 되고 있다. 본 방식은 각층의 간극을 미묘하게 늦춰서 층간의 클로스 토크 영향을 교묘하게 회피하는 것이 특징이다. 본 방식은 기록 층의 층수를 늘리면 가장 안쪽의 기록을 재생할 때는 앞의 모든 층에서 흡수(왕복분)하기 때문에 반사광량이 상당히 작아진다. 8층으로 최적 설계를 했다하더라도 기판표면의 반사율 레벨인 4%와 같은 레벨까지 반사율이 저하되기 때문에, 더 이상의 대용량화(층수증가)는 힘들 것으로 본다. (2) 홀로그램 홀로그래피 스토리지(holography storage) 기술로는 고밀도화에 적합한 청색파장광원에 대응하는 기록매체가 개발되고 있으며, 현상에서 200GB, 최종적으로는 1TB 이상의 용량이 실현가능하다는 보고가 있다. 또 종래의 광 디스크에 가까운 광학계를 이용하는 코로니아 홀로그램에서도 파장이나 경사의 마진데이터(margin data)가 표시되는 등, 실용화를 위한 검토가 착실하게 진행되고 있다. 또 평면도파로에서 형성되는 ROM을 다층적층하고, 각 도파로로부터 회절광을 검출하는 방식도 제안되고 있다. (3) 비선형기록(2광자흡수) 고강도 레이저광을 집광해서 매체 상에 조사하고 빛의 초점 부근의 에너지밀도가 가장 높은 부분에만 기록하는 방법으로 2광자흡수법이 있다. 2광자흡수는 흡수율이 레이저 광 강도의 2승에 비례한다는 비선형 현상이기 때문에 에너지 밀도가 가장 높은 부분에만 선택적으로 기록할 수 있어 체적기록을 실현할 수 있다. 2광자흡수를 효율적으로 일으키는 매체 개발이 과제이다. (4) 층선택형 다층기록 본방식은 종래의 다층방식에서 문제됐던 바로 앞 층에서의 흡수로 인한 광이 약해지는 문제를 해결하기 위해, 대상이 되는 층에만 전압을 인가해서 일렉트로크로믹(electrochromic) 효과로 착색하고 기록재생을 실시하는 것이다. 이때 비선택층은 투명하기 때문에 흡수가 없고 원리적으로는 층수를 수십 층 이상 적층할 수 있어 테라바이트 급 대용량화가 기대된다. 호환화 기술 블루레리나 HD DVD 등의 청색광원 광디스크에서는 종래의 CD나 DVD의 호환성 확보가 요구된다. HD DVD와 DVD/CD의 호환 픽업에 가세해 블루레리에서도 DVD/CD 서로 하나의 렌즈나 픽업에 대응하는 광학계가 제안되고 있다. 또 렌즈 기울기 보상기능을 갖는 2렌즈 액추에이터 개발도 보고 되고 있다. 소형화 기술 모바일용 광 디스크로 직경30㎜이하, 수100MB의 용량을 갖는 디스크와 초소형 드라이브·헤드가 개발되고 있다. 렌즈와 검출기를 일체화한 초소형 집적광학계를 스윙 암에 탑재해 초소형 드라이브를 실현하고 있다. 환경을 배려한 식물 유래의 생분해성 수지를 재료로 하는 디스크 기판을 사용한 DVD-ROM 미디어나 기판에 종이를 이용한 BD매체도 개발되고 있다. BD에서는 DVD와 달리 얇은 커버층 너머로 집광되기 때문에 빛이 기판을 투과하지 않는다. 이로 인해 종이 이용이 가능해졌다. BD의 재단이나 소각처리도 간단하고 불에 타지 않는 쓰레기 삭감도 기대할 수 있다. 블루레리 디스크는 본격 제품화단계에 들어갔으며 연구개발의 중심은 차세대 대용량화 기술 및 고속화기술로 바뀌고 있다. 하지만 여전히 본명기술은 명확하지 않다. 플래쉬 메모리나 고속네트워크와 같은 경합기술 인프라도 급속하게 발전하고 있으며 차세대 광 디스크에 요구되는 애플리케이션도 명확하지 않다. 이와 같은 환경 하에서는 용량과 속도뿐만이 아니라 가환성, 장기보존성, 염가 ROM매체, 신뢰성과 같은 광 디스크만의 특징이 점점 중요성을 높여갈 것이다.