Micromagnetic treatments of recording physics in the hard disk drive (HDD) can reveal detailed information on the magnetic dynamics during the recording process. The understanding of the medium magnetization process during recording, the write head field, and even the response of magneto-resistive sensors during reproducing process is becoming increasingly important for high end recording achievement in the HDD industry. In order to achieve ultra-high density, it is necessary to make the media with enhanced signal to noise ratio (SNR) characteristics and high thermal stability and to design a writing head which gives sufficiently high writing field and sharp field gradient. In this study, read and write simulations were performed for antiferromagnetically coupled (AFC) media and double layered perpendicular recording media respective with the proper write heads. The SNR and the cause of noise were analyzed. Several modifications and suggestions of the alternative recording systems are proposed and some of them have been checked and proved to improve the noise characteristics of recording system by micromagnetic simulations.
Micromagnetic simulations on the AFC media with high antiferromagnetic exchange constant J of 0.9erg/㎠ have been performed for the various thickness and crystalline anisotropy of the bottom layer. In such the strongly coupled AFC media, spin-tilting phenomena occurred for the most part along track in written bits, i.e. magnetizations of each layer are slightly tilted to form magnetization flop in the orthogonal direction to the longitudinal head field. The SNR characteristics of such media are closely related to the degree of spin-tilting. It was also found that head field optimization is necessary in the strongly coupled AFC media to increase signal intensity. The AFC media are an attractive path to postpone the limits of the longitudinal magnetic recording (LMR)
In double layered perpendicular magnetic recording media, magnetostatic interaction between recording layer and soft underlayer (SUL) contributes substantially on increase of noise in reproduction process. Unlike single layered perpendicular magnetic recording media, it is reported that media noise power in the double layered media generally increases with increasing recording density. Therefore, the noise reduction in the double layered media becomes an important issue.
To solve the noise problem of PMR media, we propose a modified medium with a synthetic antiferromagnetically coupled (SAFC) SUL structure of two soft magnetic layers separated by a thin non-magnetic Ru layer. The media with SAFC-SUL showed much lower noise and higher SNR than the media with conventional SUL. The lower noise in the SAFC-SUL is originated from the suppressed vortex formation in the SUL by the synthetic antiferromagnetic coupling in the two soft underlayers and the reduced magnetically perturbed region. Another modification of the SUL was done by inserting a thin perpendicular recording layer or longitudinal recording layer between top SUL and bottom SUL. This also suppressed the noise. Magnetization switching and head field rise for different magneto-motive force (MMF) rise time were investigated in a double layered perpendicular recording system with a single pole tip of the writing head (SPT) and the double layered media with the SUL. When the damping constant α of the SPT was 0.01and MMF rise time was short as 100 ps or less, the perpendicular magnetization of the SPT showed very slow saturation behavior after the quick initial reversal.
The effect of eddy current on the magnetization switching of the SPT was also investigated for two different electrical conductivities of the head materials. The magnetic field from eddy current degrades the magnetization switching of the SPT and makes the magnetic fluctuation in the SPT and the SUL. From the analyses of the contribution from the SPT and SUL on the writing field during the initial reversal, about 70 % of the fluctuation in head field is due to the eddy current effect in SUL. In the case of the media with SAFC-SUL, reduced media noise is expected due to the small magnetic fluctuation in the transition region of the SUL even in the case including the portion of eddy current induced fluctuation.
In the “composite media” exchanged coupled with a semi-hard magnetic layer which is magnetically well-isolated, the two types of field gain from the bottom semi-hard layer were confirmed. One is magneto-static field from the early switched magnetization of the bottom layer and the other is the exchange coupling field. With a proper exchange coupling constant (Jex) between the main recording layer and semi-hard layers, the semi-hard grains rotate first at the low level of the generating writing field and at the same time this provides an exchange field and magnetic static field to the hard grains of the main recording layer. These two kinds of field gain effectively tilt the easy axis of hard grains and make their magnetizations reverse at the middle level of the rising writing field. Through the writing process, the separated magnetic switching behavior grain by grain comes from exchange coupling between the main recording layer and the second semi-hard layer. When Jex is increased, the SNR is also increased until a certain Jex and begins to be decreased. It also found that composite media with magnetically well-isolated semi-hard magnetic layer is significantly effective in narrow track writing for high Ku materials.
미소자기학적(micromagnetics) 연구를 통해 하드디스크 (HDD) 산업에서의 핵심기술인 자기기록(magnetic recording)의 전반적인 메카니즘을 이해할 수 있다. 즉, 기록하는 동안의 기록매체의 자화 프로세스와 기록용 자기헤드의 자계방출과 재생용 MR(magneto-resistive) 센서의 자화 거동 등을 세부적으로 또는 종합적으로 파악하는 것은 최상의 기록특성을 실현함에 있어 그 중요성이 강조되고 있다. 우선 초기록밀도 하는데 필수적이라고 할 것은 우수한 SNR특성과 높은 열안정성을 보이는 기록매체를 개발하는 것이고, 또 하나는 이러한 매체에 정확히 기록할 수 있게끔 높은 자계와 트랙을 따른 자계 변화의 빠른 기울기가 요구된다.
본 연구에서는, 기존의 수평기록매체에 대한 대체방안 중에서도, 반강자성 결합된 수평기록매체 (AFC media)와 이중층 수직기록매체에 대해 적절한 기록헤드를 사용하여 향상된 기록 및 재생 특성을 얻기위해 미소자기학 모뎅링을 통한 전산모사를 수행하였다. 특히 수직기록매체에 더 중점을 두어서 SNR향상과 노이즈 감소를 꾀할 수 있는 몇가지 주요 개선방안을 제시하였다.
우선, 이중층 수직기록매체에서는 기록층과 연자성 바닥층 사이의 정자기적 상호작용이 기록/재생특성에서 노이즈를 높이는 문제점이 대두되고 있다. 이를 해결하기 위하여, 연자성 바닥층 중간에 Ru 초박막층을 삽입함으로써 물리적으로 위아래 2개 층으로 분리된 연자성바닥층(SUL)이 자기특성적으로는 서로 반자성 결합되는 SAFC-SUL구조를 제안하였다. 이러한 SAFC-SUL을 도입한 수직기록매체는 기존의 매체에 비해서 훨씬 감소된 노이즈를 보임으로써 SNR의 향상을 보이는 것을 증명하였다. 이러한 노이즈 감소의 원인으로는 연자성바닥층에 나타나는 보텍스 자화(magnetic vortex)가 SAFC-SUL에서는 발생이 억제되며 또한 기록헤드의 edge 부분(특히 trailing edge)에서 자기헤드의 자계반전에 따른 연자성층의 자화반전 특성의 향상으로 기록비트(written bit)의 패턴의 향상된 transition을 유도한다는 것으로 설명하였다. 연자성층에 자기적 특성조절을 위한 또다른 방법은 연자성층에 높지않은 자기이방성을 가지는 수직 경자성층과 수평 경자성층을 얇게 삽입함으로써 연자성층을 분리시키는 것이다. 이 방법 또한 노이즈감소를 유도할 수 있었다.
다음으로, 단일자극(single pole)을 가진 기록헤드를 사용하는 이중층 수직기록시스템에서 기록헤드의 자화반전과 자계발생이 magneto-motive force (MMF)의 발생시간에 따른 변화를 조사하였다. 이때는 기록헤드의 단일자극의 Tip (SPT) 부분의 모델링에 중점을 두었고 아주 빠른 초기 자화반전은 전체적으로 단일자극의 자계의 불안정을 유도함을 확인할 수 있었다. 또한 자기 감쇠 상수(magnetic damping constant)가 자화반전 속도에 미치는 영향도 계산하였다.
또한 에디 전류가 SPT의 자화반전에 미치는 영향을 두가지의 다른 전기전도도를 가지는 연자성물질에 대해서 조사하였다. SPT와 SUL을 이루고 있는 연자성물질의 전도도가 충분히 큰 경우에는 에디 전류에 의해 발생하는 자계는 SPT의 자화반전을 방해하며 SPT와 SUL에 자기적 교란을 유도하는 것이 확인되었다. 또한 기록층(recording layer)에 인가되는 전체적인 기록자계를 확인해보면, SPT와 SUL에서 발생하는 기록자계를 분리해서 분석한 결과 자계발생 초기의 자기적 교란에 대한 기여분의 약 70%가 SUL에서 발생하였다. 그러나 앞에서 언급된 SAFC-SUL를 이용한 media에서는 이를 50% 정도로 줄일 수 있었고, 비트 전이 구간(transition region)에서의 보다 작은 자기교란으로 향상된 SNR을 얻을 수 있었다.
마지막으로 층내에서 결정grain사이에 아주 잘 자기적으로 분리된 준-경자성기록층을 도입한 “composite media”에 대해 연구하였다. 이 기록매체는 주기록층 바로 아래에 놓여진 준-경자성층이 먼저 자화반전을 함으로서 발생되는 정자기적 이득과 두 층사이의 상호교환결합(exchange coupling)에 의한 자장 이득을 얻고 있다. 이런 두가지 자계 이득을 통해서, 보다 효율적으로 주기록층의 자화반전을 꾀할 수 있고 보다 높은 자기이방성을 갖는 주기록층의 사용을 가능하게 한다. 이 기록매체의 기록특징 중의 하나는, 기록과정상에서 주기록층의 초기 자화반전이 결정grain마다 분리되어 일어나는 것이고 주기록층의 기록된 트랙폭이 감소한다는 것이다. 이는 주기록층과 교환결합하고 있는 준-경자성기록층 자체가 층내에서 자기적으로 잘 분리되어있기 때문으로 추론할 수 있다. 결론적으로 “composite media”는고밀도 기록에 요구되는 높은 결정이방상수를 갖는 기록층을 좁은 트랙폭으로 기록할수 있다는 강점을 가지고 있다.
