In the present work, the recording mechanism of compact disc- recordable (CD-R), which is a representative organic optical disk, were studied. To predict the recording mechanism of CD-R, the engineering analysis of the recording process has been carried out by using computer simulation. The optimum thickness of the dye layer was calculated by using matrix technique, and the temperature and stress distributions in the layers were estimated by using finite element method. From these numerical calculations, the curvature change of each interface was calculated and the dimensions of the deformed area were estimated. Based on the temperature distributions, the deformation temperature of each layer and the writing power of each deformation were predicted.
To observe the thermal deformation and decomposition of the dye layer and PC substrate, CD-R was prepared by the conventional fabrication method. The dye layer was applied by a spin coating method and the gold reflective layer was formed by a sputtering method. After laser recording on the CD-R, each layer surface of the recorded CD-R was observed by the optical microscope, scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The dimensions of the deformed area were obtained by AFM analysis. From the engineering analysis and the experimental observations, it was found that the recording mechanisms of CD-R consist of the three thermal deformation effects of the PC and dye layer, a bump, a pit and a bubble.
To elucidate the effect of each deformation, the thermal deformation and decomposition of the dye layer were separately observed with a glass substrate CD-R by AFM analysis, and those of the PC were observed with a flat PC substrate CD-R. The effect of each deformation was interpreted by the recording characteristics, the carrier to noise ratio (CNR).
The thermal behavior of the dye layer was investigated to estimate the property changes of the dye during laser recording. A glass substrate CD-R was heat treated at several different temperatures in a convection oven and its spectra of absorbance and reflectance were measured by UV spectrophotometer. To correlate and estimate the changes in optical properties and in chemical structures, the dye layer of the heat treated CD-R was analyzed by UV spectrophotometer and NMR.
The thermal decomposition of the dye and its corresponding chemical structure change were investigated by TGA and NMR.
In order to draw the relationship between the deformations of the PC and the recording characteristics, it was attempted to correlate CNR and jitter with bump height and bump width. The trend of CNR was related to the bump half-width rather than the bump height, and the trend of jitter corresponded to that of $|3T - T_{bhw}|^{1/2}$.
After laser recording, the decrease of CNR in the recorded CD-R was observed with time. To find out the main factors to affect the CNR decrease with time, the optical property changes of the dye layer and the quenching effects to the CNR were investigated. After laser recording, the changes of the optical and chemical properties of the recorded dye layer were proceeded for some hours and they affected the recording characteristics.
본 연구에서는 대표적인 유기광디스크인 기록가능 컴팩트 디스크 (CD-R, compact disc-recordable)의 기록 메커니즘에 대하여 고찰하였다. CD-R 기록 메커니즘을 예측하기 위하여 전산모사를 통한 광기록 과정의 공학적 해석을 수행하였다. 행렬기법 (matrix technique)을 이용하여 색소층의 최적두께를 계산하였고, 각 층에서의 온도와 stress 분포를 유한요소법을 이용하여 구하였다. 이러한 수치 계산 결과로부터 각층의 굴곡변화 및 변형 부위의 치수를 산정하였고, 온도분포 결과로부터 각층의 변형온도와 각 변형의 기록 power를 예측하였다.
색소층과 폴리카보네이트 기판의 열변형 및 열분해를 관찰하기 위하여, 일반적인 제조방법을 이용하여 CD-R을 제조하였다. Spin coating법을 이용하여 색소층을 도포한후 sputtering 방법을 이용하여 금 반사막을 형성하였다. 이렇게 하여 제조한 CD-R을 광기록후, 기록된 CD-R의 각층 표면을 광학현미경, 주사전자 현미경 (SEM), 원자간력현미경 (AFM)을 이용하여 관찰하였고, 변형부위의 치수를 AFM 분석을 통하여 얻었다. 공학적 해석 및 실험적 관찰로부터 CD-R의 기록 메커니즘은 폴리카본네이트 및 색소층의 세가지 변형효a} }즉, bump, pit, bubble로 이루어짐을 알 수 있었다.
각 변형효과를 규명하기 위하여, 색소층의 열변형 및 분해를 유리기판을 이용하여 제조한 CD-R의 AFM 분석을 통하여 별도로 관찰하였고, 폴리카본네이트 기판의 열변형 및 분해는 안내골이 없는 폴리카본네이트 기판으로 제조한 CD-R을 이용하여 관찰하였다. 각 변형의 효과는 기록특성인 CNR로 해석하였다.
광기록시 색소의 특성 변화를 예측하기 위하여 색소층의 열거동을 살펴보았다. 유기기판 CD-R을 여러 온도에서 열처리후, 흡수 및 투과 스펙트럼을 분광분석기 (UV spectrophotometer)로 측정하였다. 색소층의 광학특성 및 화학구조 변화와 이들의 상관관계를 알아보기 위하여 색소층을 열처리한 후 분광분석기와 핵자기공명분석기(NMR)로 분석하였다. 색소의 열분해와 이에 따른 화학구조 변화를 열중량분석기 (TGA)와 NMR을 이용하여 살펴보았다.
폴리카본네이트의 변형과 기록특성과의 상관관계를 유도하기 위해, CNR 및 jitter 와 bump 높이 및 너비와의 상관관계 유도를 시도하였다. CNR의 경향은 bump 높이보다는 bump 중간 높이 (bump half-width)와 상관관계를 가졌고,jitter의 경향은 $|3T - T_{bhw}|^{1/2}$과 상관관계를 가졌다. 광기록후 시간의 경과에 따라 기록된 CD-R의 CNR 감소가 관찰되었다. 시간 경과에 따른 CNR 감소에 대한 주원인을 규명하기 위해 기록된 색소층의 광학특성와 냉각에 의한 CNR 변화를 살펴보았다. 광기록후 기록된 색소층의 광학특성 및 화학특성 변화가 기록 후 수 시간 지속됨이 관찰되었고, 이러한 특성변화가 기록특성 변화에 영향을 미쳤다.
