As the current magnetic recording technology approaches to recording density of 40 Gbit/$inch^2$ and frequency range up to 1 GHz, time dependent phenomena of magnetization become important issues. Generally, there are two limitations related to the time dependent magnetization reversal process in recent magnetic recording technology. One is the thermal stability of recorded informations and the other is the gyromagnetic limit on medium switching time. In this thesis, dynamics of magnetization reversal including thermal effect have been studied. To study the thermal effect effectively, the Monte Carlo and Langevin methods are included in micromagnetics model.
In the first part, the gyromagnetic limit of magnetic switching time have been studied. It was found that the thermal effect should be considered in studying the switching time since the switching time is significantly reduced by thermal fluctuation. Dependency of the switching time on α/($1+α^2$) in single domain particle is certified when the magnetization reversal of the single domain particle follows the Stoner-Wohlfarth coherent rotation. The Arrhenius-Neel law which is generally used in studying a magnetic after-effect is not valid when the energy barrier is smaller than $k_BT$ or is comparable to $k_BT$ .
For longitudinal magnetic recording media, magnetic interactions and microstructures such as an exchange, magnetostatic interaction, grain size and orientation of easy axis can strongly affect the remanent coercivity in the range of nano second field duration. Significant degradation of coercivity will occurr if the effective exchange constant $A^{*}$ would not be reduced as grain size decreases. The "bicrystal" structure shows more sensitive coercivity variations in nano second field duration range than that of non-bicrystal structure, which may be a crucial demerit for high density recording applications.
In the second part, the reason of linear dependency on ln(t) of magnetization decay and effects of magnetic interactions on time dependent phenomena of longitudinal recording media have been studied. For the magnetic thin film with randomly distributed easy axes in film plane, the shape of the density function of the energy barrier is significantly changed with the varying magnetic interactions. If there exist stronger the exchange or magnetostatic interaction among grains, the density function of the energy barrier has a broader distribution, and magnetization decay with time shows a linear dependence on ln(t).
In the last part, thermal stability and possibility of 100 Gbit/$inch^2$ in perpendicular magnetic recording have been described. A perpendicular magnetic thin film with large nucleation field could have a very good thermal stability. The larger nucleation field results from smaller magnetostatic interaction and larger exchange interaction. If the nucleation field is large enough to endure the trailing field of head, reverse domain was not formed in the bit. Therefore, the medium noise was significantly reduced in that case. However, there exists a critical value of exchange parameter, $h_e$ for acceptable SNR that would be related to bit length B. In point of view of media, areal recording density of 100 Gbit/$inch^2$ could be attainable in perpendicular recording with a combination of single layered medium and ring type head when the medium has a large nucleation field. However, there should be a big improvement of a writing head or reduction of magnetic separation because of limit of leakage field of the head.
현재의 자기기록 기술이 면기록밀도 40 Gbit/$inch^2$, data rate 1 GHz 영역으로 다가감에 따라 자화양의 시간의존 현상이 중요한 문제로 대두되고 있다. 일반적으로 자기기록 시스템에서 자화반전 과정의 시간의존 현상은 크게 두 가지의 물리적인 한계를 제공한다. 하나는 기록된 정보의 열적 안정성의 한계이고, 다른 하나는 매체의 자화반전 시간의 gyromagnetic 한계이다. 본 논문에서는 미소자기학 모델을 이용하여 자기기록 시스템에서의 열적 자화반전에 대해 연구하였다. 이러한 열적 자화반전에 대한 계산을 위해 기존의 미소자기학 모델에 Monte Carlo 방법과 Langevin 방법을 도입하였다.
먼저, 자화반전 시간의 gyromagnetic 한계에 대해 연구하였다. 단자구의 열적 자화반전 시간에 대해 계산한 결과, 열적 요동이 자화반전 시간을 상당히 감소시켰으며 감쇠상수에 대해 α에 대해 α/($1+α^2$) 의존성을 갖는다는 사실을 알 수 있었다. 따라서 자화반전 시간에 대한 연구에 있어서 열적 요동의 영향은 반드시 포함되어야 한다. 또한 열적 요동에 대한 이론으로 일반적으로 사용되는 Arrhenius-Neel law는 에너지 벽이 $k_BT$에 비해 비슷하거나 더 작은 경우에는 사용할 수 없음을 알 수 있었다.
수평 기록매체에서 $10^{-9}$초 정도의 짧은 시간동안만 외부자계가 인가되었을 때의 잔류 항자력은, 매체의 자기적 상호작용과 미세구조에 따라 상당한 변화를 보였다. 입도 크기가 감소함에 따라 교환상수 $A^{*}$가 함께 감소하지 않으면, 즉 입도간의 자기적 분리가 더 잘 이루어지지 않으면, 나노초 부근에서의 잔류항자력은 급격히 증가하였다. Bicrystal 구조는 non-bicrystal 구조에 비해 나노초 부근에서의 잔류항자력의 변화 폭이 더 컸다. 따라서 bicrystal 구조는 낮은 noise 특성에도 불구하고 고밀도기록용 구조로써 적합하지 않다는 것을 알 수 있다.
두 번째로 수평기록 매체에서 자화양의 시간 의존성이 ln(t)에 선형적인 비례관계를 갖는 원인과 이에 대한 자기적 상호작용의 영향에 대해 고찰하였다. 수평기록매체와 같이 자화용이 축이 면내 방향으로 등방적인 경우, 정자기 상호작용과 교환상호작용과 같은 자기적 상호작용이 강해짐에 따라 에너지 벽의 함수의 폭이 넓게 분포하였다. 이러한 넓은 폭을 갖는 에너지 벽의 분포함수는 자화양의 시간 의존성이 ln(t)에 선형적인 비례 관계를 갖는 주요한 원인임을 알 수 있었다.
마지막으로 차세대 고밀도기록용 매체로 주목받고 있는 수직기록매체에 대해 그 열적 안정성과 100 Gbit/$inch^2$용 매체로써의 가능성에 대해 고찰하였다. 수직기록매체의 경우 입도간의 교환상호작용이 증가함에 따라 자화양의 열적 안정성이 급격히 증가하였다. 작은 정자기 상호작용과 큰 교환상호작용은 상대적으로 큰 핵생성 자계를 갖는 원인이 되었다. 또한 핵생성 자계가 기록헤드의 trail 부분의 자계를 버틸 정도로 크면, 비트 내부에 자구 반전을 저해하여 결과적으로 매우 낮은 noise 특성을 나타내었다. 교환상호작용의 경우 기록 후 10년 후에도 시그널 대 노이즈 비 24 dB를 유지하기 위해서는 그 크기의 상한값이 존재하며 이 값은 비트의 크기와 관련되어있다. 본 연구팀에 의해 이전에 개발된 큰 핵생성 자계를 갖는 수직기록매체에 대해 수치모사해본 결과 수직기록 방식의 경우 단층 자성막과 링형 헤드로 100 Gbit/$inch^2$의 초고밀도기록이 가능함을 알 수 있었다. 그러나 이러한 초고기록밀도를 위해서는 헤드의 누설자계의 한계로 인해 보다 큰 포화자화값을 갖는 헤드재료의 개발이 이루어지거나 헤드와 매체간의 거리를 현저히 줄여야 한다.