지난 30년간의 하드 디스크의 데이터 집적도(Data density)를 보면 매년 두 배로 증가했다. 그리고 연구원들은 디스크에 저장된 아주 작은 비트(bits)를 읽어내는 센서를 그만큼 더욱 작게 만들어 왔다, 그 결과 오늘날 하드디스크 용량은 놀랍게도 1인치 크기에 무려 200기가비트 이상을 패킹할 수 있다. 그러나 반도체 산업들이 1인치 당 무려 1테라비트의 용량을 저장하는 기술을 개발하면서 지금 그 정보를 읽어내는 센서들은 물리적 한계에 직면하고 있어, 정보를 읽어내는 새로운 센서 기술 없이는 더 이상의 집적도가 불가능하다는 지적이 나오고 있다. 오늘은 이에 도전하는 새로운 기술을 개발하고 있는 영국 물리연구소의 노력을 소개하기로 한다.
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[목차]

1. 기존의 리드 헤드(read heads) 센서를 대체하는 자기효과(magnetic effect)의 센서 기술, 초당 60-80기가비트까지 읽어낼 수 있어
2. 기존의 리드 헤드(read heads) 센서 방식이란?
3. 새로운 센서의 원리란?
4. 해결해야 할 문제들
5. 용어
6. 자기장(파동)이 전기장(에너지)이라는 법칙에 도전하는 다른 사례들
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1. 기존의 리드 헤드(read heads) 센서를 대체하는 자기효과(magnetic effect)의 센서 기술, 초당 60-80기가비트까지 읽어낼 수 있어

영국 테딩톤(Teddington) 소재 물리과학연구소(National Physical Laboratory)의 연구원들이 하드 디스크의 비트 정보들을 읽어내는 새로운 센서 디자인을 제안하고 있다. 이 새로운 디자인은 응용물리학 저널(Journal of Physics D: Applied Physics)에 "자기-전기 효과 원리에 의한 새로운 자기 기록 리드 헤드 기술에 관한 연구(A new magnetic recording read head technology based on the magneto-electric effect)"라는 논문으로 발표되었는데, 이는 기존의 비트를 읽어내는 리드 헤드(read heads) 센서보다는 아주 색다른 자기 효과(magnetic effect)를 이용하는 것이다. 따라서 이번 연구를 주도한 Marian Vopsaroiu(mv1@npl.co.uk)는 앞으로 1인치 당 1테라비트의 대용량 집적 정보를 읽어내는데 가장 효과적이면서 가장 작고 얇은 센서가 될 것이라고 밝히고 있다.

[그림 : 조만간 하드 디스크의 집적 용량은 지금의 5배 이상이 되어 1인치 당 1테라비트의 데이터를 패키징 하게 될 것이다. 그러면 이 데이터를 읽어내는 현존하는 리드 헤드 센서로는 이들 작은 테라비트의 정보를 읽어낼 수 없다. 그래서 영국 물리과학연구소 연구원들이 자기-전기 효과의 원리를 이용한 새로운 센서 디자인에 도전하고 있다. Credit: University of St. Andrews]

또한 이 새로운 센서는 기존의 리드 헤드 센서보다 전기 소모가 적다. 그러므로 이 정보를 읽어내는 센서 기술이 상용화되면 랩탑이나 MP3에 가장 적합한 기능이 될 것으로 기대하고 있다. 게다가 읽어내는 속도 또한 기존의 리드 헤드 센서보다 빠르다. "기존의 기술보다 무려 3-4배 이상 빨리 읽어냅니다. 초당 20기가비트가 아니라 초당 60-80기가비트까지 읽어 낼 수 있습니다"라고 Vopsaroiu는 말한다.

2. 기존의 리드 헤드(read heads) 센서 방식이란?

랩탑이나 컴퓨터들은 하드 디스크 데이터를 읽어내는 리드 헤드 센서를 사용하고 있는데 이는 바로 자기-저항 효과(magneto-resistance = MR effect)라는 원리를 이용하고 있다. 하드 디스크들은 비트들을 자기적으로 저장한다. 하나의 비트의 자기장의 방향(스핀)에 따라 1과 0을 저장하여 나타낸다. 리드 헤드 센서가 디스크 위를 날 때(fly), 비트들의 자기장들은 그에 상응하는 저항 변화를 리드헤드 센서에 만들어 낸다. 그러나 이 때 저항을 직접 측정할 수 없으므로, 직류를 이용하여 저항을 우선 전압(voltage)으로 전환시킨다. 이 때의 원리는 전압 = 전류 x 저항이다. 따라서 전체 비트들을 읽어 내려면 리드 헤드 센서를 통해 전류가 지속적으로 흘러야 한다.

3. 새로운 센서의 원리란?

그러나 이번에 연구된 새로운 센서는 이와 같은 지속적인 전류가 필요 없다. 그 이유는 바로 자기-전기 효과(magneto-electric = ME effect) 때문이다. 자기장이 바로 전기장이고 전기장이 바로 자기장인 원리를 이용하는 것이다. 그러므로 이 자기-전기 효과를 나타내는 물질들은 동시에 전기장과 자기장을 갖고 있다. 따라서 이들 물질 내의 전기장들은 외부 자기장에 따라 반응하며 변화하고, 자기장은 전기장에 따라 반응하며 변화한다.

[그림 : 멀티합금속물질에서의 자기-전기 효과(ME effect)를 이용한 자기 저장 리드헤드 센서의 멀티층 쌓기 구조 디자인. 두 개의 강자성의 전극에서 추출된 미디어 장(media field)에 의해 유도된 전압이 출력된다. 본 구조에서는 자기장 방패벽(magnetic shield)과 반 정도의 절연체 갭(gap) 층이 있다. 사진 : 본 논문에서]

그래서 이 새로운 물질을 이용한 센서에서는 하나의 데이터 비트들의 자기장은 저항 대신 하나의 전압을 직접 만들어 낸다. "매번 저장된 비트 위를 날면 이 센서는 비트들로부터 하나의 파동 전압(a pulse voltage)을 유도하여 하나의 비트 자기장의 방향에 따라 +와 -가 되는 것입니다"라고 Vopsaroiu는 설명한다.

[그림 : 자기-전기 효과 리드 헤드 센서를 이용하면 마그네틱으로 저장된 트랙의 자기장 변화에 의해 전압이 유도되고 이 때 +와 -에 상응하는 0과 1의 데이터를 읽게 된다. 0은 + 전압과 1은 -전압과 상응하여 읽는다. 사진 : 본 논문에서]

그리고 이 센서는 다양한 자기장과 전기적 성질을 가진 물질을 이용하여 7층으로 쌓아 만들 수 있다. 그러면 7층으로 이루어진 센서는 자기-전기 효과를 나타내며 상호작용한다. 그러나 기존의 리드 헤드 센서들은 15층으로 이루어져 있어 두꺼워질 수 밖에 없다. "10-15나노 공간에서 15-20층으로 쌓는 것은 불가능합니다"라고 Vopsaroiu는 말한다. 그는 말하기를 그가 연구한 바로는 이들 새로운 센서들은 10나노보다 더욱 작게 만들 수 있으므로 그 결과 1인치 당 1테라비트의 용량을 집적할 수 있다는 것이다.

4. 해결해야 할 문제들

단, 주의할 것은 Vopsaroiu가 말하는 이들 숫자들은 아직 이론적이라는 것이며, 7층의 센서에서 사용된 물질들에 따라 실제 작동될 수도 있고 안 될 수도 있다. 적합한 자기장과 전기적 성질을 가진 물질들은 그만큼 복잡한 합금 물질들이기 때문이다. 예를 들면 지르코늄 티탄산염(zirconium titanate), 코발트 금속 바나디윰(cobalt iron vanadium), 플라티늄 망간(platinum manganese) 등이다. 그러므로 지금까지는 자기장과 전기장의 성질을 갖도록 하는 합금 물질들을 이용하여 센서를 쌓아 올리려면 아직 그 크기가 수 마이크로미터의 두께가 된다.

그러므로 실제 이 센서가 상용화되려면 7층으로 이루어진 센서 내의 층들 사이는 2나노미터 이하의 두께가 되어야 한다. 그러나 문제는 이와 같이 두께가 2나노 이하가 되면 자기장과 전기장을 동시에 갖는 성질이 그대로 유지될 것인지도 확실치 않다. "2나노 이하의 두께로 내려가면 물질 내의 행동들이 급격하게 변화게 됩니다"라고 현재 사용되고 있는 기존 리드 헤드 센서의 터널링 자기-저항 효과(tunnelling magneto-resistance effect, TMR effect)의 원리를 발견한 MIT 공대의 물리학자인 Jagadeesh Moodera는 말한다. 하이젠베르크의 불확정성 원리나 전자들이 튀어 나가는 터널링 효과, 그리고 단채널 효과가 일어날 수 있다는 얘기이다.

더군다나 실제로 복잡한 합금 물질을 이용해 10나노 미터 두께의 센서를 만드는 것도 커다란 도전이다. 물질들이 모두 서로 다른 성질을 갖고 있기 때문에, 기본적으로 상호작용 하지 않는다. 이에 대해 Moodera는 "예를 들면 하나의 물질은 산소에 매우 민감할 수 있고, 반면 다른 물질은 산소를 필요하게 될 것입니다. 그럼에도 불구하고 이번 연구 결과 및 아이디어는 매우 의미 있는 것으로 보입니다. 포기하지 말고 계속 연구하는 것이 좋을 것 같습니다"라고 말한다.

Vopsaroiu 또한 그의 디자인이 많은 도전을 기다리고 있음을 잘 알고 있다. 그러나 기존의 리드 헤드 센서들은 매우 복잡하여 이를 생산하는 기업들은 이제 무언가 새로운 방법에 도전해야 한다고 말한다. 언젠가 1인치 당 1테라비트의 데이터를 저장하려면 그 것을 읽어내는 리드 헤드 센서 또한 새로운 센서 기술로 변해야 함을 그는 잘 알고 있다. 그래서 그는 지금 이 새로운 자기-전기 효과를 이용한 센서 기술에 도전하고 있는 것이다. 자기장이 전기장임은 바로 진리의 물리 법칙이기 때문이다.

5. 용어

MR = Magneto-resistance
TMR = Tunnelling magneto-resistance
GMR = Giant magneto-resistance
AMR = Anisotropic magneto-resistive effect
FM = Ferromagnetic
ME = Magneto-electric effect
FE = Ferroelectric

6. 자기장(파동)이 전기장(에너지)이라는 법칙에 도전하는 다른 사례들

6-1. [Goodbye wires!!! 미국 MIT 연구원들, 물리학의 공명현상(resonance phenomenon) 원리를 이용해 2.4미터 떨어진 곳에 무선전기전송(Wireless Power Transfer) 및 무선전기충전(Wireless Power Recharging) 실험에 성공, 2006년 11월에 무선전기전송 방식원리를 발견한데 이어 6개월 만에 실제 무선으로 전기를 전송하여 전구를 밝혀, 2.4미터 거리에서 60와트의 전기전송률은 40%, 조만간 전기코드에 의한 콘셉-플러그인 방식은 구식이 될 것, 앞으로 2~3년 안에 상용화가 가능, 2007년 6월 7일자 Science Express에 "똑같은 주파수대의 자기공명원리를 이용한 무선전기전송(Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances)"이라는 논문을 발표(Wireless energy promise powers up(30/Jun/2007), 02286-TRM]

6-2. [미국 하버드대, 2001년 초당 30만Km의 속도로 진행하는 빛을 진공상태에서 정지(stopping)시켜 저장해 두었다가 다시 놓아주는 기술을 개발하더니, 2007년 2월 8일, 절대온도 0도로 냉각된 원자의 구름에서 빛을 물질로 전환시켜(Cool clouds turn light to matter), 이동하는 빛의 파동을 정지시켰다가 다른 위치에서 또 다른 빛에 의해 원래 그대로 재생시키는데 성공(A fleeting pulse of light has been captured and then made to reappear in a different location), 빛과 물질을 통합(light and matter united)한 것으로, 빛과 물질, 물질과 빛을 마음대로 제어, 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensates(BECs) 이론을 활용한 양자역학(Quantum mechanics, Quantum physics)의 개가, 광학 스토리지 디바이스(Optical storage devices), 양자 컴퓨터(Quantum computers) 가시화, 2007년 2월 8일자 네이처지(Nature 445, 605-606페이지) 뉴스 & 뷰(News & Views)란에 "양자역학 : 아직 이해할 수 없는 영역(Quantum physics: Indistinguishable from afar)"라는 소개와 더불어 623-626 페이지에 걸쳐 "물질 파장 역학으로 광학정보의 응집 제어(Coherent control of optical information with matter wave dynamics)"라는 논문을 발표(23/Feb/2007), 02253-TRM]

[소스]

[Technology Review-A New Way to Read Hard Disks. Researchers believe that the magneto-electric effect might be key to creating the sensors needed for ultra-high-capacity memory(11/Sep/2007)]