Introduction
홀로그래픽 메모리는 급속한 네트웍 및 인터넷의 발전, 멀티미디어의 대중화에 따른 대량정보의 전달 및 저장, 짧은 시간에 재생하고자 하는 욕구에 부응하는 기술로써 기존의 자기 디스크 및 디스크 어레이를 대체, 보완하고 나아가 차세대 메모리의 하나이다.
홀로그래픽 정보 저장 시스템은 광굴절 결정 혹은 폴리머와 같은 무기/유기 물질 내에 레이저광의 간섭으로 저장된 공간적 간섭 무늬를 참조광으로 복원하여 기록된 2차원 적인 대량의 정보를 재생하는 장치이다. 이 때 기록시의 참조광의 입사 각도, 위상 코드, 파장에 따라 서로 다른 정보를 저장할 수 있으며 이로 인해 그 기록밀도가 비약적으로 증가하는 장점이 있다. 각각의 페이지를 crosstalk없이 재생하는 기술이 관건 기술이며, crosstalk 및 잡음의 감소를 위해 여러 가지 방식이 시도되고 있다.
홀로그래픽 메모리는 페이지 단위의 정보를 기록/재생하거나 현재의 CD처럼 읽을 수만 있는 ROM 형태로 사용할 수 있다. 한 페이지 단위의 정보를 저장하므로 이는 대량의 정보를 단시간에 읽어 내기에 아주 적합하고, 또 2차원의 정보를 읽어 낼 수 있으므로 접근속도(access time)와 전달율(transfer rate)이 비약적으로 증대된다. 또한 이론적으로 1cm3 내의 광굴절 결정내에 1 Tbit 의 정보를 저장할 수 있게 된다.
본 연구실에서는 기존에 불규칙한 위상의 참조광 및 광섬유를 이용하여 홀로그램을 기록/재생시 홀로그램의 선택도가 향상됨을 보인 바 있다.
이러한 홀로그래픽 기술은 근접장 기술과 융합되어 좀더 작은 면적에 정보를 저장하기 위한 노력이 경주되고 있다. 이러한 기술은 SPM(Scanning Probe Microscopy)기술과 일맥상통하며, 최근 주목받고 있는 SIL(Solid Immersion Lens)를 이용한 근접장 기록기술과 같은 맥락으로서 나노미터 단위의 작은 면적에 데이터를 저장하여 기록밀도를 획기적으로 증대시킨 것이다.
국내외 기술동향 및 수준
- 미국
정부 산하기관인 DARPA (Department of Defence Advanced Research Project Agency)의 자금 지원 하에 광굴절성 저장물질을 개발하는 PRISM(Photorefractive Information Storage Materials) 프로젝트와 시스템 및 관련 부품을 개발하기 위한 HDSS(Holographic Data Storage System) 프로젝트가 산,학,연 콘소시엄 형태로 국책과제로 진행되고 있으며, 상기 국책과제 연구 및 참여기관의 개별적인 연구를 통하여 아래와 같은 성과를 이룩하였다.
- Caltech : Dupont사의 광폴리머를 사용하여 홀로그래픽 디스크 시스템을 개발,현재 광 폴리머 개선을 통하여 100 bits/μm²의 저장밀도를 갖는 홀로그래픽 디스크를 연구
- Holoplex : HM-100이라는 상품명으로 홀로그램 메모리 시스템을 시판중, 주요 응용 분야는 지문을 저장/재생하는 지문인식 시스템이며 대용량 저장장치로의 상품화에 주력
- Optitek(SIROS) : 벤처 자본가의 자금 지원을 바탕으로 조만간 홀로그램 대용량 저장장치를 상용화할 예정이라고 발표, 본 기술 분야 관련 최고의 경쟁력을 갖추고 있음
- Rockwell : 군사용 자동 목표 추적등 특수 목적에 사용하는 홀로그래픽 메모리 시스템 개발
- IBM : HOST(Holographic Optical Storage Test Platform)라는 저장물질 개발용 범용 평가 분석 장치와 광폴리머, 광굴절 결정 개발을 추진, DEMON(Digital Holographic Demonstrator) 개발.
근접장 기술들을 기억 소자 개발에 접목시키고자 하는 연구에서는 IBM이 가장 앞서나가고 있다. SPM을 이용하면 각 bit의 크기를 수 nm에서 수십 nm에 불과하게 만들 수 있으므로 고집적화가 가능하게 된다. 실례로 IBM의 Binnig 그룹은 최근에 AFM cantilever의 thermomechanical writing의 방법을 사용하여 500Gbit/in2의 고집적도를 갖는 hard disk 형태의 기억 매체를 구현하였다. 이러한 형태의 기술은 고집적도의 장점을 가지고 있지만 읽고, 쓰는 속도가 현재의 기술로는 제한되어 있다. 이를 해결하기 위하여 Stanford 대학의 Quate 그룹은 여러 cantilever를 동시에 병렬로 작동시키는 개념을 고안하여 read & write time을 단축시키는 노력을 하고 있다. SPM 부분의 발전은 지난 16년간 전세계적으로 500 - 1000 그룹이 생길 만큼 다양하고, 많은 그룹이 자체 제작한 구조를 사용하고 있다.
- 유럽
프랑스, 영국, 이탈리아 및 스위스 등이 참여한 범 유럽적인 산,학,연 연구 콘소시엄이 BRITE-EuRAM 이라는 프로젝트 명으로 구성되어 항공용의 자동 물체 인식 장치 및 자동 물체 추적장치, 공장 자동화용 형상 인식 장치에 응용이 가능한 초고속 홀로그래픽 디지털 광상관기 및 대용량 저장장치를 개발 중이며 상기 프로젝트의 참여기관으로는 프랑스의 Thomson-CSF, 영국의 British Aerospace, 이탈리아의 DIST, University of Genoa, 스위스의 IMT 등이 참가하고 있다.
- 일본
현재 CD/DVD 계열의 광 저장장치 시장을 석권하고 있는 일본은 그 동안 홀로그램 대용량 저장장치의 개발에 다소 미온적인 태도를 견지하였으나, 최근 들어 이 분야에 대한 연구개발이 매우 활성화되고 있는 추세이다. 이러한 극적인 반전의 배경은 홀로그램 대용량 저장장치의 상용화가 최근에 미국을 위주로 급진전되고 있다는 판단에 근거하고 있다. 일본의 광 저장장치 업체의 기술력 및 제품력으로 미루어 볼 때 본 기술분야에서 조만간 미국의 수준에 근접할 수 있으리라 판단된다. SONY사는 DVD와 호환 가능한 홀로그래픽 디스크에 관련된 연구를 중점적으로 수행 중이며, Hamamatsu Photonics사는 홀로그래픽 광상관기를 이용한 보안용 실시간 인식 장치에 관하여 연구하고 있고, SLM과 같은 소재부품 개발에 적극적인 의지를 보인다. 이외에 Matsusita사 및 NTT 등은 네트웍 스토리지에 응용 가능한 홀로그램 대용량 저장장치에 대하여 연구가 진행 중이다.
- 국내
국내 기업체로는 대우전자, 삼성전자에서 차세대 대용량 저장장치로 부각될 홀로그래픽 디지털 기억장치의 가능성에 주목하여 수년 전부터 이 분야에 대한 기반 기술 관련 연구를 시작하였고, 국내 연구소로는 ETRI, 대학에서는 강원대, 경희대, 광운대, 부경대, 부산대, 서울대, 성균관대, 순천대, 아주대, 영남대, 충북대 등에서 소규모의 연구비로 연구가 수행되어 광굴절효과에 대한 기초적인 물성 특성 및 기본적인 응용실험을 하고 있으며, 특히 서울대의 경우 디지털 홀로그래픽 시스템을 구축중인 단계에 이르고 있다. 근접장 기록 기술의 경우 외국의 경우와 마찬가지로 아직은 대학을 위주로 학술적인 연구만 추진되고 있는 현실이다. 내용은 주로 표면 구조의 변화에 대한 부분과 간단한 Probe 제작에 이은 특성 측정 및 가능성 검토 등이다. 표면 구조 변화( 나노과학 분야 )에 대한 연구진은 지난 5-6년 사이에 꾸준히 증가하여 이제는 상당한 위치에 이르고 있다. 아직도 연구 장비의 부족 등의 장애 요인에도 불구하고, 몇몇 그룹은 세계적으로 주목받는 업적을 내고 있다. 연세대, 명지대, 전북대, 숙명여대, 선문대, 포항공대, 표준연구원, 전자통신연구원 등에서 이러한 연구를 수행하고 있으며 현재 상업용 STM과 AFM이 60 여대 수입되어, 연구에 이용되고 있는 것으로 알려져 있다. 소자 제작을 위한 가공기술 개발은 대우전자, 삼성전자, 전자부품연구원, 서울대 등에서 MEMS 기술을 이용하여 시도되고 있다. 서울대의 경우 반도체 공동연구소를 기반으로 광섬유 팁을 직접 제작하여 사용하고 있다.
연구실 활동
본 연구실에서는 기존에 불규칙한 위상의 참조광 및 광섬유를 이용하여 홀로그램을 기록/재생시 홀로그램의 선택도가 향상됨을 보인 바 있으며,
여러 가지 기록/재생 방식의 성능에 대한 이론적 분석과 효과적인 데이터 코딩 기법에 대한 연구도 수행하고 있다.
그리고 이러한 연구들을 실제 시스템에 적용하는 실험들을 하고 있는데,
본 연구실에서는 철이 도핑된 LiNbO3 결정을 저장 매질로 사용한 홀로그래픽 메모리 시스템을 실제로 구현하여, 이를 계속 발전시켜 나가고 있는 상태이다.
아래의 사진은 왼쪽부터 각각 본 연구실에서 제작한 홀로그래픽 메모리 시스템, 시스템에서 사용하는 광굴절 결정, 이로부터 재생된 데이터 페이지(홀로그램)이다.
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Our holographic
memory system
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Fe-doped lithium niobate
crystal in our system
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Reconstructed hologram
(from our system)
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Related Papers
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- B. Yang, S. Jeon, and B. Lee, "Holographic data storage on photopolymer by use of fiber speckle referencing," Conference on Lasers and Electro-Optics - Pacific Rim (CLEO/Pacific Rim), Seoul, Korea, pp. 1177-1178, Sep. 1999.
- H.-S. Lee, Y.-H. Kim, D. Han, and B. Lee, "Cross-talk noise analysis in hologram memory with hybrid multiplexing of the Hadamard phase code and wavelength," Journal of the Optical Society of America A, vol. 16, no. 3. pp. 563-567, 1999.
- B. Lee, "Hologram storage with optical fibers and microstructures," International Workshop on Holographic Data Storage, Nice, France, March 1999 (Invited paper).
- B. Yang, Y.-H. Min, Y.-K. Kim, and B. Lee, "Hologram recording using micro mirror surface," 1998 International Photonics Conference, Taipei, Taiwan, pp. 85-87, Dec. 1998.
- Y. H. Kang, K. H. Kim, and B. Lee, "Angular and speckle multiplexing of photorefractive holograms by use of fiber speckle patterns," Applied Optics, vol. 37, no. 29, pp. 6969-6972, 1998.
- K. H. Kim, Y. H. Kang, and B. Lee, "Recording of volume hologram using a beam pattern from tapered optical fiber," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 9, no. 12, pp. 1610-1612, 1997.
- Y. H. Kang, K. H. Kim, and B. Lee, "Volume hologram scheme using optical fiber for spatial multiplexing," Optics Letters, vol. 22, no. 10, pp. 739-741, 1997.
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