Digital Versatile Disk- Recordable ( DVD-R )

에서의 광학 특성과 층설계에 관한 연구

강혜영, 김종성

경원대학교 화학공학과

The Optical Properties and Layer Design of

Digital Versatile Disk-Recordable (DVD-R)

Hye Young Kang, Jong Sung Kim

Dept. of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

80 년대 초 Sony와 Phillips에 의해 음악용 Compact Disc (CD)가 개발된 이래 여러종류의 광디스크가 개발, 사용되고 있다[1]. 빛의 세기를 정보저장의 수단으로 하는 광디스크는 컴퓨터 및 멀티미디어 산업의 발전과 더불어 폭발적으로 증가하는 정보의 저장 수단으로서 크게 주목을 받고 있다[2].  본래 음악용으로 개발된 CD는 680 MB의 정보를 담을 수 있어, 정보저장용량에 한계를 느끼게 되었고 그래서 최근에 DVD(Digital versatile Disk)가 개발되었다[3].

DVD는 CD와 같은 직경 120mm, 두께 1.2mm이지만 그 용량이 단면1층의 경우는 4.7GB, 단면2층은 8.5GB, 양면1층은9.4GB, 양면2층은 17GB 이다.

DVD의 개발과 더불어 종래의 Compact Disc Recordable (CD-R)과 같은 개념의 DVD-R이 개발중에 있다. CD-R은 광디스크내에 유기색소로 이루어진 기록막이 존재하여 레이저빔에 의한 기록이 가능한 디스크로 현재 data의 backup 또는 신개발 S/W의 실험분배용 CD 제작 등에 사용되고 있다[4]. CD-R과 마찬가지로 DVD-R도 Polycabonate 기판과 다층박막으로 구성되 있으므로 각층의 광학특성과 층설계에 대한 연구가 필요하다. 본고에서는 빛의 간섭에 의한 다층박막의 광학적 이론을 근거로하여 DVD-R의 각층에서의 광특성과 이에 따른 디스크의 반사특성을 연구하였다.

이론

그림 1은 CD-R과 개발중인 DVD-R의 구조를 보여주고 있다. CD-R과는 달리 DVD-R은 두께 0.6 mm의 두개의 디스크를 붙여서 하나의 양면 디스크로 되어있다[5]. CD-R의 구조 및 층설계, 열해석 등은 다른곳에 상술되어 있다[6]. 기록 밀도를 높히기 위해 DVD-R의 경우는 650 또는 635 nm의 다이오드레이저를 광원으로 사용하고, 트랙간격도 0.8 □m로 줄어들어 120 mm 디스크의 경우 한면당 3.95 GB의 기록용량을 가지게 된다. 기록원리는 CD-R과 마찬가지로 유기색소층에 높은 파워의 레이저빔을 가하면 이 색소가 열분해하여 기록부위와 미기록 부위간의 광반사도가 변화하여 이를 기록 및 재생에 응용하게  된다.

보호층(UV-resin)	접착제

반사막(Gold)

기록층(Dye)

기판 (Polycarbonate)

(a)	(b)

Fig.1. The structure of (a) CD-R and (b) DVD-R.

다층박막에서의 광특성(투과, 흡수, 반사)은 다음과 같은 Matrix 방법으로 계산할 수 있다.  Z-방향으로 입사되는 빛에 대하여 다음과 같은 전기장 식이 성립한다[7, 8].

[eqn: PMATRIX { { { E}`_{1 } ^{+ }}# { { E}`_{1 } ^{- } } } }= { 1} over {t_1 t_2 CDOT CDOT CDOT t_j CDOT CDOT CDOT t_m-1 } PMATRIX { { 1}& { r_1 }# {r_1 }& { 1} } PROD from {j=2} to {m-1} PMATRIX { { { e}^{i delta j } }& {r_j {e}^{i delta j} }# {r_j {e}^{-i delta j} }& {{e}^{-i delta j }} } PMATRIX { { { E}`_{m } ^{+ } }# {0 } }] (1)

[eqn: { delta _j}= { 2 PI } over { lambda } { n}`_{j } ^{c } { d}_{j }]                                                     (2)

여기서 dj는 각층의 두께이고  njc는 각 물질의 복소굴절률이다.

다층박막으로부터의 반사율 R은 다음과 같다.

R=[eqn: LEFT | { { E}`_{1 } ^{- } } over { { E}`_{1 } ^{+ } } RIGHT |^2]=[eqn: LEFT | { { a}_{21 } } over { { a}_{11 } } RIGHT | ^2]                                        (3)

시뮬레이션

DVD-R의 박막에서의 반사율을 상기식으로부터 계산하였다. Polycarbonate 기판과 반사막으로 gold를 사용하였고 유기색소를 기록층으로 사용하였다.레이저빔이 기판으로부터 입사되어 gold면에서 완전 반사된다고 가정하였다. 기판 및 반사면, 보호층의 굴절률은 각각 1.57, 0.18 + 4.7i, 1.5로 사용하였고, 반사막의 두께는 70 nm, 보호층의 두께는 500 nm로 가정하였고, 유기색소의 굴절률은

실수부(n)와 허수부(k)를 변화시키면서 그 영향을 보았고, 적절한 반사율을 얻기 위한 색소의 굴절률을 조사하였다. 다층박막에서의 반사율은 각층의 두께, 복소굴절률, 빛의 파장에 따라 변하므로 이들을 변화시키면서 각각의 영향을 조사하였다.

결과 및 고찰

그림 2는 고정된 k값에 대해 n값과 색소두께의 변화에 따른 반사율의 변화를 보여준다. 복소굴절률의 k값은 0.05로 고정시키고 n값은 1.5에서 2.5 , 기록층 의 두께는 0에서 500 nm 까지 변화시켰다. 여기서 반사율은 PC-dye 계면과  dye-gold 계면사이의 반사광에 의한 간섭 현상에 의해 진동하게 된는데 n값이 증가함에 따라 반사되는 진동이 커지고, 구간은 작아지며 폭은 커진다.

그림 3에서는 고정된 n값에 대해 k값과 색소 두께의 변화에 따른 반사율의 변화를 보여준다. k값이 증가함에따라 반사율은 감소하는데 그 이유는 k가 클수록 흡광도가 높아지기 때문이다. 이렇게 reflectance 가 여러 가지로 나타나기 때문에 recording layer를 선택하는데는 광학적 성질과 layer structure , reflection 등을 고려할 필요가 있다.

Fig. 2. The effect of n and thickness  Fig.3. The effect of k and the

of recorking layer on the             thickness of recording layer

reflection of DVD-R.                  on the reflection of DVD-R.

그림 4에서는 기록층 두께를 100 - 200nm 까지 1step 씩 증가 시키고 반사율 값을 0.6 < R < 0.75 로 고정시켰을 때 이 범위를 만족시키는 두께의 가지수가 얼마나 되는지를 각각의 n 과 k 값에서 나타낸 contour diagram이다.  여기서는 n과 k의 각각의 범위중에서 n은 2.0에서 2.6, k는 0.04에서 0.09사이의 범위를 사용하는 것이 유리함을 알 수 있다. 만약 k값을 0.02 이하나 0.12 이상의 범위로 잡는다면 기록층의 두께가 매우 작아져야 한다.

Fig 4. The contour plot for the number of recording layer thickness

values in (n,k) plane of dye satisfying 0.60<R<0.75 in DVD-R.

결론

본 연구에서는 DVD-R 의 광학적 특성중에서 반사율을 숫자적 계산으로 알아보았다. 반사율에 영향을 주는 요인인 복소굴절률 (n.k)와 기록층의 두께를 변화시켜 보았는데, 굴절률이 일정하면 기록층 두께에 따라 진동이 커지는 변화를 볼 수 있고,  일정한 k에서  n을 증가시켜보면 구간이 줄어들며폭이 커진다. 또 일정한 n에서 k를 증가시켜보면 구간에는 아무런 변화없이 반사율 값이 감소 하였다

DVD-R 의 기록층으로 사용하기에 알맞은색소의 복소굴절률의 n 과 k 의 값은 각각 2.0 - 2.6 , 0.04 - 0.09 인 범위이다.

참고 문헌

1. Kim, J.S., Polymer Science and Technology, 7, 6, 646 (1996)

2. Bouwhuis, G. et al., Principles of Optical Disc Systems, A.H.Ltd, 1985

3. http://www.videodiscovery.com/vdyweb/dvd/dvdfaq.html

4. Pahwa, A., "The CD-Recordable Bible", Eight Bit Books, Wilton, 1994

5. http://www.cmcnyls.edu/public/bulletins/dvdspecs.html

6. Kim, J.S. et al., Molecular Electronics & Devices, 7, 291 (1996)

7. Bell, A.E., Spong, F.W., IEEE J. of QE, QE-14, 1978

8. Kim, J.S. et al., Korean J. of Chem. Eng., 14, 88 (1997)