월간 "전자공업"01월호

홀로그래픽 데이터 저장 시스템의 기술 개요 및 특허동향

홀로그래픽 데이터 저장 시스템(Holographic Data Storage System)의 기술개요 및 특허동향

이 영 욱

한국특허정보원 조사분석 4팀

전 세계적으로 산업재산권 보호 노력이 급속히 강화되고 있는 가운데 국제 경쟁력을 갖추기 위해 필수적으로 요구되는 것 중 하나가 특허기술의 효율적인 활용이라고 할 수 있다. 이에 본지에서는 관련산업에 도움이 되고자 특허청 산하의 특허기술정보서비스 전문기관인 한국특허정보원 (www.kipi.or.kr) 내 선행기술조사본부에서 전문조사원들이 각 분야별로 작성하는 기술 리포트 자료를 소개하고 있다.

홀로그래픽 데이터 저장 시스템(HDDS: holographic data storage system)는 디지털 정보를 페이지 단위로 홀로그램에 다중기록한 것으로 5㎜두께의 홀로그램인 경우 DVD와 비교하여 단위면적당 250배 이상의 고밀도 저장용량을 갖고 있으며, 또한 짧은 데이터 접근시간과 고속데이터 전송률 구현이 가능하여 가장 경쟁력 높은 차세대 정보저장매체로 각광받고 있는 홀로그래픽 데이터 저장 시스템(HDDS)에 대해 소개한다.

Ⅰ. 서론

21세기 멀티미디어 시대의 도래에 따른 텍스트, 음성, 영상, 동영상 등의 대용량 멀티미디어 정보를 처리하고 저장할 수 있는 초고속, 초대용량, 초소형 그리고 영구적인 데이터 저장 시스템이 필수적이다. 현재 초대용량 메모리를 실현하기 위한 접근방법으로는, 하드디스크의 경우 자기저장 판수를 늘리는 것이고, DVD를 포함한 CD 계열 메모리의 경우 짧은 파장의 레이저를 사용하여 빔을 매우 작게 집속시키고 이에 따라 피트(pit)의 크기를 줄이는 것이다. 이러한 메모리는 2차원 평면에서의 정보저장이 기본구조이므로 기술적으로 극복할 수 없는 한계가 있으며, 데이터를 1 비트(bit)씩 또는 몇 비트씩 직렬로 읽어내므로 저장된 메모리의 인출이나 검색에 많은 시간이 소요될 수밖에 없다는 점을 고려할 때 새로운 차원의 차세대 데이터 저장 매체에 대한 관심은 커질 수밖에 없을 것이다. 이러한 문제의 해결책으로 최근 가장 큰 주목을 받는 기술이 홀로그램을 이용한 광 저장장치인 홀로그래픽 데이터 저장 시스템(HDDS: holographic data storage system)이다.

기존의 주로 광굴절성 크리스탈(photore-fractive crystal) 또는 포토폴리머(photo poly mer)등이 사용되는 메모리장치의 2차원적, 직렬적인 정보저장과는 달리 3차원의 미디어 체적에 각/공간/위상/파장 다중화 방법, 혹은 혼합다중화 방법으로 저장 용량의 극대화를 이룰 수 있고, 2차원 정보를 병렬적으로 기록하고 재생할 수 있는 차세대 대용량 데이터 저장장치이다.

다시 말해서, HDDS는 디지털 정보를 페이지 단위로 홀로그램에 다중기록한 것으로 5㎜두께의 홀로그램인 경우 DVD와 비교하여 단위면적당 250배 이상의 고밀도 저장용량을 갖고 있으며 또한 짧은 데이터 접근시간과 고속데이터 전송률 구현이 가능하여 가장 경쟁력 높은 차세대 정보저장매체로 각광받고 있다.

Ⅱ. 본론

1. 홀로그래픽 데이터 저장장치의 기술개요

1-1. 홀로그램의 원리

레이저 광원에서 나온 간섭성 빛을 빔스플리터(beam splitter)로 둘로 나누어 그 중 한 광선은 피사체를 비추게 하면 피사체 표면에서 난반사(亂反射)된 빛이 홀로그래피 감광재료에 도달한다. 이 광선을 물체광(物體光)이라고 한다. 나머지 다른 한 광선은 렌즈로 확산시켜 직접 홀로그래피 감광재료 전면에 비추게 한다. 이 광선을 참조광(參照光)이라고 한다. 이렇게 되면 홀로그래피 감광재료 상에 물체광과 참조광이 서로 간섭(干涉:interference) 현상을 일으켜 1 mm당 500∼l,500개 정도의 매우 섬세하고 복잡한 간섭무늬를 만든다. 이 간섭무늬를 기록한 사진을 홀로그램이라고 한다.

이와 같이 하여 만든 홀로그램에 참조광과 같은 광선을 쬐면 간섭무늬가 회절격자(回折格子)의 역할을 해서 참조광이 입사한 방향과 다른 위치에서 빛이 회절되는데, 이 같은 회절광이 모인 것이 마치 처음 물체에서 반사해서 생긴 빛과 같이 된다. 이와 같이 하여 홀로그램에서 처음의 물체광이 재생된다. 그렇기 때문에 재생된 파면(波面) 안에서 들여다보면 처음 물체가 보이기는 하나 마치 물체가 저 안쪽에 있는 것처럼 보인다. 다시 보는 점을 옮기면 물체가 보이는 위치도 변하여 마치 입체사진을 보는 것처럼 보인다. 또 원래 물체의 파면(波面)이 재생되기 때문에 아주 약간 변형한 물체에서 나오는 파면과도 간섭시킬 수가 있다.

1-2. 홀로그래픽 데이터 저장장치의 원리

홀로그램 본연의 성질을 이용하면 각각 다른 참조광을 가지고 저장 매질의 같은 장소에 많은 홀로그램을 기록함으로써 작은 입방체 내부에 방대한 데이터를 저장하는 홀로그래픽 광메모리가 가능하다. 이러한 홀로그램을 이용한 광 저장장치를 홀로그래픽 데이터 저장장치(HDDS)라 부르고 수천억 byte의 용량을 저장할 수 있다.

빔스플리터(beam splitter)에 입사한 레이저는 참조광과 물체광으로 나뉘어지고 물체광은 입력된 데이터에 따라서 화소(Pixel)들이 이루는 명암의 2진 데이터의 한 페이지 단위로 공간 광변조기(SLM: Spatial Light Modlator)에 의해서 변조되고, 이때 각각의 페이지에는 회전 거울(rotating mirror)의 각도를 조금씩 달리하는 참조광이 상응하게 조사된다. 이후 물체광과 기준광은 홀로그램을 기록하기 위한 저장 매체 내부에서 간섭을 일으키고 이러한 과정을 통하여 간섭무늬가 기록된다. 저장 매체에 기록된 데이터를 읽어 내기 위해서는 참조광만을 저장 매체에 조사하면 간섭무늬는 참조광을 회절시켜 원래의 화소의 명암으로 구성되는 바둑판 무늬로 복원되고 이후 읽어진 상을 CCD(Charge Coupled Device)위에 비추어 원래의 데이터로 복원하게 된다. 이때 각각의 참조광은 기록 시와 동일하도록 회전 거울에 의해서 각도가 조절되어야 한다. 이와 같이 재생 시 참조광은 기록 시 사용된 참조광과 반드시 정확히 일치하도록 해야 하므로 회전거울을 회동시키는 기구의 각도 분해능에는 엄격한 정밀도가 요구된다.

1-3. 홀로그래픽 데이터 저장장치의 특징

가. 데이터를 bit의 2차원 배열인 페이지 단위로 기록/재생하므로 높은 데이터 전송률(Gbit/sec)과 짧은 접근속도(1ms 이하)의 실현이 가능하다.

나. 데이터가 기존의 광학 및 자기 기록 방법과 같은 얇은 film이나 disk의 면상에 저장되지 않고 저장 매체의 체적 속에 중첩되어 분포하게 되므로 매우 높은 기록 밀도를 구현 할 수 있다.

다. 기존의 tape나 disk의 경우 저장 매체 상에 결함이 발생할 경우 중요한 데이터의 복구할 수 없는 손실이 발생하나 홀로그래픽 데이터 저장장치에 결함이 발생하는 경우에는 데이터가 완전히 손실되지 않고 단지 홀로그램을 조금 어둡게 하므로 데이터의 복구가 가능하다. 즉, 높은 신뢰도의 구현이 가능하다.

2. 기술개발동향

2-1. 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.

2-2. 유 럽

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.

2-3. 일 본

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.

2-4. 국 내

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.

3. 시장동향

네트워크를 기반으로 한 서비스 수요가 급증하면서 대용량의 데이터를 저장, 관리할 수 있는 대용량 저장장치(예. 전자 도서관, VOD등)와 디지털방송의 등장과 더불어 HDTV 시대에 요구되는 100GB이상의 저장용량을 구현하기 위해서 새로운 방식의 대용량 저장장치가 절실히 필요하며 이에 대한 수요 또한 크게 증가할 것으로 전망된다.

시장조사기관인 IDC의 예측에 의하면 이러한 저장장치 가운데 30GB이상의 대용량 저장장치 분야만을 고려하더라도 네트웍, 인터넷 사용자의 폭발적인 수요증가에 힘입어 2010년경에는 약 1,000억 달러 이상의 규모로 시장이 확대되어 초거대 시장으로 지속적으로 성장할 것으로 전망하고 있다.

Ⅲ. 특허동향

1.한국

1-1.연도별

본 자료는 최근 6년간 국내에 출원된 홀로그래픽 데이터 저장장치 관련 출원수를 기준으로 산출하였음.

우선, 연도별 홀로그래픽 데이터 저장장치 관련 출원현황을 살펴보면 1997년 인터넷의 보편화와 대용량 장치들의 개발로 인하여 새로운 개념의 대용량 저장장치의 출현이 불가피하게 되었는데 이에 따라 새로운 대안으로 나타나기 시작한 것이 홀로그래픽 데이터 저장장치이고 국내에서 본격적으로 연구되기 시작한 시기 또한 이 때부터 인 것으로 사료된다. 이후 1998년까지 꾸준한 증가세를 기록하다 1998년 IMF환란의 영향으로 그 출원수가 현저히 감소하기 시작하여 1999년 출원수가 최저치를 기록하고 있다. 이는 IMF환란으로 인한 각 기업들의 연구개발에 대한 투자축소로 인한 영향인 것으로 사료된다.

IMF후 2000년도까지 출원수가 잠시 증가하다 2001년 이후 다시 감소하는 추세를 보여주고 있는데 이는 2001년과 2002년도의 출원수가 감소하였음을 보여주는 것이 아니고 우리나라는 공개주의를 채택하고 있으므로 아직 공개되지 않은 미공개건들의 데이터를 산출할 수 없어 본 통계에서 제외시켰기 때문인 것으로 사료된다.

1-2.출원인별

출원인별 출원현황을 살펴보면, 대우전자가 65건으로 홀로그래픽 데이터 저장장치 분야에서 가장 활발한 연구개발을 하고 있는 것으로 나타났다. 그 외 국내기업으로 엘지전자, 맥스소프트등의 대/중소기업들과 개인출원인들의 출원 또한 이루어지고 있는 것으로 나타났다.

1-3. IPC별

IPC별 출원현황을 살펴보면, 홀로그래픽 데이터 저장장치 분야 중 G11B(데이터의 기록/재생관련 및 기록매체등), G03H(홀로그래픽 데이터 저장장치의 구조등), H04N(데이터의 코딩/디코딩방법등)분야에서 연구개발이 활발히 이루어지고 있는 것으로 나타나고 있고, 응용분야에 관한 연구개발은 저조한 것으로 나타나고 있다.

2. 일본

2-1.연도별

연도별 출원현황을 살펴보면, 국내와 마찬가지로 1996년부터 새로운 개념의 대용량 저장장치에 관한 논의와 연구가 활발히 진행되기 시작하여 1999년까지 꾸준한 증가세를 보이다 1999년 이후부터 점차적인 감소세를 나타내고 있다. 이는 국내와 마찬가지로 공개주의를 택하고 있는 제도상의 문제로 아직 공개되지 않은 미공개건이 분석에서 제외되었기 때문에 나타난 현상이라 사료된다.

2-2.출원인별

출원인별 출원현황을 살펴보면, 국내 대비 많은 기업들이 홀로그래픽 데이터 저장장치의 각 분야에서 활발한 연구개발을 하고 있는 것으로 나타나고 있다. 그 중 LUCENT TECHNOLOGIES와 PIONEER ELECTRONIC가 홀로그래픽 데이터 저장장치 분야에서 가장 활발하게 연구개발을 진행하고 있는 것으로 나타났다.

2-3. IPC별

IPC별 출원현황을 살펴보면, G03H(홀로그래픽 데이터 저장장치의 구조등), G11B(데이터의 기록/재생관련 및 기록매체등), G11C(데이터 구동방법등)의 순으로 연구개발이 활발히 진행되고 있는 것으로 나타났고, 한국과 마찬가지로 응용분야에 대한 연구개발이 저조한 것으로 나타났다.

3. 미국

3-1.연도별

연도별 등록현황을 살펴보면, 한국과 일본대비 가장 많은 출원건수를 나타내고 있으며, 또한 가장 빠른 시기인 1992년부터 홀로그래픽 데이터 저장장치에 관한 연구가 본격적으로 진행되기 시작한 것으로 나타났다.

1992년 이후 활발한 연구개발의 영향으로 1998년까지 꾸준한 출원증가세를 보이다 1998년을 기점으로 출원수가 점차 감소하고 있는 것으로 나타나고 있는데, 이는 실제 출원건수가 감소하는 것처럼 보일 수도 있으나 각 국별 제도상의 문제로서 본 분석은 출원일을 기준으로 분석한 것이나 등록주의를 채택하고 있는 미국의 경우 등록건에 대해서만 공개가 이루어지므로 아직 심사중이거나 출원되었으나 등록되지 않은 건들이 많이 제외되었기 때문에 나타난 현상이라 보여진다. 실제 등록건수를 기준으로 분석해 본 결과, 그 출원수는 2003년까지 꾸준히 증가하고 있는 것으로 나타났다.

3-2. 출원인별

출원인별 등록현황을 살펴보면, 한국, 일본 대비 상당히 많은 기업들이 각 분야에서 고른 연구개발을 활발히 진행하고 있는 것으로 나타났다, 그 중 LUCENT TECHNOLOGIES와 IBM이 가장 활발히 연구개발을 하고 있는 것으로 나타났다.

3-3. IPC별

미국은 우리나라, 일본과 같은 체계의 IPC가 아닌 독자적인 UPC라는 특허분류를 사용하고 있어 분류의 유사도가 떨어지므로 본 분석에서는 미국의 IPC별 출원현황에 대한 분석을 제외 시켰음.

Ⅳ. 결론

오늘날 HDTV, 주문형비디오(VOD), 전자상거래, 네트워크 서버 등 정보에 대한 소비가 크게 확대되면서 자기기록, 광디스크 등 현재 저장매체로는 기술적, 경제적인 한계가 있어, 점점 새로운 차원의 차세대 초대용량 정보저장매체 및 원천기술개발의 필요성이 절실히 요구되고 있다. 이 시점에서 차세대 대용량 정보저장 장치로 가장 주목을 받고 있는 것이 홀로그래픽 데이터 저장장치이다. 그러나 우리나라를 비롯한 전세계적으로 이 분야에서 아직 핵심부품기술, 신호처리 기술 및 기록 매질 개발등에 있어서 해결해야 할 과제가 많이 남아 있다.

홀로그래픽 데이터 저장장치는 아직 세계적으로 실용화 단계에 이르지 못하고 있고 선진국과의 기술격차가 상대적으로 적은 상황이므로 기술개발 단계인 현시점에서 우리나라도 국가적인 연구자원을 결집하여 기술개발을 추진한다면 충분히 세계시장에서 경쟁할 수 있는 제품개발이 이루어 질 수 있을 것이다.

또한, 향후 수요가 급증 할 것이 확실시되고 있는 상황에서 범국가적인 연구개발사업으로 추진하여 기술적 경쟁력이 확보된다면 산업계 전반에 걸쳐 관련 기술을 활용하여 발생되는 수출 및 수입 대체효과 또한 클 것으로 사료된다.

참고자료

- KISTI, “홀로그래픽 광메모리 기술동향”, 나도백, 길상근, 2002. 11.

- 전자부품연구원 “차세대 대용량 정보저장장치 기술개발에 관한 연구” 1999.

- www.keti.re.kr, www.kipo.go.kr, http://osp. chungbuk.ac.kr,http://147.46.118.21/holotech/

Publications.htm

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