나노 공학 – Magnetic Tape Korea University Mar. 16, 2004 정 영 채

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1 나노 공학 – Magnetic Tape Korea University Mar. 16, 2004 정 영 채
정 영 채 Nano Electronics Lab Korea University

2 Contents - Introduction - 자기 Tape 의 역사 - 자기 Tape 의 종류
- 녹음 / 재생 / 소거의 원리 - Data 기록 / 판독의 원리 - Application DAT LTO 자기카드 도난 방지기

3 주변에서 볼 수 있는 magnetic tape
Introduction 지갑을 한번 열어보자. 신용카드, 전화카드, 전철 승차권, 신분증 등이 빼곡이 들어 있을 것이다. 그런데 카드의 뒷면을 보면 검은 띠가 붙어 있을 것이다. 이것이 바로 자기 테이프이다. 자기테이프에는 카드나 신분증 등 용도에 따른 정보가 저장되어 있다. 일종의 자기 기록 장치라 할 수 있다. 자기테이프는 자석을 움직이면 전류가 흐르고, 반대로 전류의 방향을 바꿔주면 자기장의 변화가 생기는 전자기 유도를 이용한 것이다. 집에서 흔히 볼 수 있는 오디오 테이프나 비디오 테이프도 위와 같은 자기 기록 매체의 일종이다. 주변에서 볼 수 있는 magnetic tape

4 자기 테이프의 역사 자기 테이프장치는 1950년 초에 데이터를 저장하기 위해 처음으로 사용되었는데, 자기테이프는 유연성이 있는 금속으로 만들어져 릴(reel)위에 놓여졌다. 그 금속은 얇은 철판으로 도금되었으며, 데이터가 연속적으로 작은 자화점들로서 저장되도록 하였다. 자기테이프는 데이터 저장의 밀도가 높았지만, 금속으로 되어 있어 무거운 탓에 보편화되지 못했다. 이 금속 테이프의 초창기 릴(reel)들이 대량의 데이터를 저장할 수 있었지만 자기테이프를 이용한 처리가 널리 받아들여진 것은 과학자들이 매우 얇고 유연성 있는 플라스틱 테이프를 만든 이후부터이다. 산화물로 칠해진 자기테이프는 성공적인 것으로 판명되어 곧 컴퓨터산업에서 보편적으로 받아들여졌다. 왼쪽 그림과 같은 초창기 자기테이프 드라이브(tape drive)가 자기테이프의 데이터를 읽고 쓰기 위해 많이 개발되었는데, 1950년대와 1960년대 초 자기테이프는 대량의 데이터를 저장하는 주요한 방법이었다. 자기테이프는 여전히 중요한 보조기억장치로서 크게 릴 테이프와 카트리지 테이프로 구분된다. 그러나 오늘날에는 부피가 작으면서 많은 양의 데이터를 저장할 수 있는 다양한 형태의 카트리지 테이프 드라이브들로 대치되고 있다. 이 중 가장 널리 사용되고 있는 소형 카트리지 테이프 드라이브에는 테이프 1개당 10GB까지 저장할 수 있는 DAT(Digital Audio Tape) 드라이브가 널리 사용되고 있다<그림 우 상단> 우 하단의 그림은 국내 모 대학에 설치된 IBM의 테이프 라이브러리 데이터서버를 보여주고 있다. 이는 신뢰성이 있고 비용 및 공간 활용에서 효율적인 시스템으로 1개당 10GB 용량의 카트리지 테이프를 240개에서 3,040개까지 장착할 수 있다.

5 자기 Tape 의 종류 구조상 분류 재료상 분류 외형상 분류 증착형 : 플라스틱 테이프에 자성체 증착
세라믹스 자기테이프 : 산화철 메탈 자기테이프 : 순철 외형상 분류 Reel tape Catrige tape 테이프는 플라스틱(폴리에스테르) 베이스에 자성체 ( 자석 속에 놓으면 자석의 성질을 띄는 물질 ) 분말이 칠해져 있다. 이 분말을 칠하는 방법에 따라 도포형(塗布形)과 증착형(蒸着形)으로 나뉜다. 도포형은플라스틱 테이프에 자성체를 얇게 바른 것이고 증착형은 플라스틱 테이프에 금속의 자성체를 증착 시킨 것인데, 일반적으로 도포형이 많이 쓰인다. 또한 재료에 따라 세라믹스 자기테이프와 메탈 자기테이프로 나눌 수 있다. 세라믹스 자기테이프는 얇은 합성수지 필름(주로 강화 polyester) 위에 산화철(γ-Fe2O3, Bias 1)이나 이산화크롬(CrO2, Bias 1.5) 등의 자성 세라믹스 분말을 코팅한 것이다. 메탈 자기테이프는 산화하지 않는 순철을 주성분으로 만들기 때문에 입자가 더 미세하여 세라믹스 자기테이프보다 성능이 우수하다. 외형상으로는 Reel 형과 Catrige 형으로 나눌 수 있다.

6 자기 Tape 의 장 단점 장점 단점 자기디스크 파손 등 사용 불가능 시 자료 백업용
통신망으로 연결되지 않은 다른 컴퓨터로 자료 이동 높은 신뢰성, 대용량 저장가능 단점 순차적 접근이므로 처리시간 느림 순차적으로 정리되지 않은 자료 사용 어려움 자료 추가나 삭제 시 기존 자료 읽으면서 처리 자기 테이프는 자기디스크를 사용할 수 없거나 파손될 경우를 대비해 중요한 자료를 복사하여 저장할 수 있기 때문에 자료의 백업(backup)이나 통신망으로 연결되지 않은 다른 컴퓨터로 자료를 옮길 경우에 많이 쓰인다 또한 신뢰성이 높으며 대량의 데이터를 저장할 수 있는 장점이 있다. 자기 테이프는 자료 처리가 순차적으로만 이루어져 처리시간이 느리고, 순차적으로 구성되어 있지 않은 자료를 처리하는 데는 실용적이지 못한 단점이 있다. 또 자료를 추가하기 위해서는 기존의 자료가 들어 있는 자기테이프의 내용을 읽으면서 별도의 자기테이프에 자료를 추가해야 하므로, 자주 추가되거나 삭제되는 자료를 보관하는 매체로서는 부적합하다. 그러나 최근 LIO 등의 기술 개발로 접근 속도의 상당한 향상을 가져왔다..

7 녹음 재생 소거의 원리 그림과 같이 도넛 모양의 코일이 잠긴 전자석에는 좁고 긴 틈이 있고, 이것이 녹음용 헤드로 사용된다. 마이크에서 보내진 소리는 전류로 변환되고, 이 전류가 녹음 헤드의 코일에 흐르면 음성 전류의 강약에 따라서 전자석의 자기장이 변하게 된다. 이 자기장의 변화가 자기 테이프를 자화 시켜 음성 정보를 저장한다. 그러나 자화된 음을 계속 남기기 위해서는 자장이 없어져도 테이프에 자기가 그 상태 그대로 남아있어야 한다. 따라 서 자성체는 일단 자화되면 그 상태가 잘 변화되지 않는 재료로 되어있어야 하며 자성체에는 각종 첨가물 등이 고르게 입혀져야 양질의 제품으로 평가 된다. 자성체의 자기적인 성질을 나타낸 것이 자화 곡선(히스테리시스 루프)이다. 녹음의 원리

8 녹음 재생 소거의 원리 재생헤드는 녹음 헤드와 비슷하다. 정보가 기록된 테이프가 재생 헤드를 지나갈 때 테이프의 자기장 변화가 헤드의 코일을 지나는 자속의 변화를 가져오게 한다. 이 자속의 변화가 전자기 유도에 의하여 의해 원래 테이프에 녹음할 때 녹음용 헤드에 흘렀던 전류에 해당하는 전류를 코일에 유도한다. 이렇게 유도된 변화하는 전류가 증폭되어 스피커를 작동시켜 소리를 재생한다. 재생이란 테이프에 녹음된 자기의 변화를 전기 변화로 변환하는 것이고, 이를 수행하는 것이 재생 헤드이다. 재생 헤드는 녹음 헤드와 같이 갭이 있는 코어와 코일로 이루어졌다. 녹음(자화)된 테이프를 이 갭에 접촉시키면 테이프에 기록된 자기의 세기에 비례한 자장에 의해 코어에 자속이 생긴다. 그래서 테이프를 녹음할때와 같은 속도로 갭에 접촉시키면서 이동하면 코어에 발생하는 자속도 그 자장의 변화에 따라 변하며 자장에 비례한 전기가 코일에 발생한다. 이렇게 자기 변화를 전기 변화로 바꾸는 것이 재생이다. 마지막으로 테이프에 녹음된 소리(자기 변화)를 지우는 것을 소거라 하는 것인데 이것을 담당 하는 것이 소거 헤드이다. 소거 헤드는 테이프에 기록된 자기 변화 보다 강한 자장으로 음악 신호의 자기 변화를 흐트려 놓는 것이다. 소거할 때는 직류 또는 교류를 사용하지만 교류가 직류보다 소거하는 효과가 크기때문에 최근에는 교류에 따른 소거법을 채용하는 데크가 대부분이다. 재생의 원리

9 녹음 재생 소거의 원리 위 그림에서 횡축은 자성체에 덧붙여지는 자장의 세기, 종축은 자성체가 자화되는 세기이다. 자장이 없을 때 자성체는 자화되지 않는다. 자장을 세게 만들어가면 자성체는 그림의 o - a - b와 같은 커브에서 자화되어 간다. 그러나 b점을 넘으면 자장을 아무리 세게 해도 그 이상은 자화되지 않고 포화 되어 버린다. 따라서 b점이 자화의 세기 가 최대가 되는 점이다.(최대 자속 밀도:Hm) 이번에는 역으로 자장을 약하게 만들어가면 자성체에 자화된 자기의 세기는 원래 왔던 길을 통하지 않고 b - c의 경로를 거쳐 약간씩 작아진다. 그래서 자장이 없어져도 o-c라는 자기의 세기가 남는다. 이것이 자성체에 남겨진 최대의 세기로, 최대 잔류 자속 밀도(Br) 라고 부른다. 이어서 자장의 방향을 반대 방향으로 하여 자장을 점점 세게 해가면 자성체에 남아있던 자기의 세기는 점점 작아져서 d점에서 자기의 세기는 결국 Zero가 된다. 이 o-d는 최대 잔류 자속 밀도를 제로로 만들기 위해 필요한 반대 방향의 자장의 세기로 보자력(Hc) 이라고 한다. 또한 자장을 반대 방향으로 강하게 해가면 자성체는 반대 방향으로 자화 되어 e점에서 최대가 된다. 이번에는 역으로 자장의 세기를 반대 방향에서 0, 그리고 원래 방향으로 변화시키면 자성체의 자기의 세기는 e - f - g - b로 변화한다. 또한 자장의 세기를 그다지 크게 변화시키지 않을 경우에는 o - a - h - i - j - a와 같이 변화한 다. 이 경우 테이프에 남는 자화의 세기는 o-h 또는 o-j가 된다. 자기 테이프의 자성체로서 필요한 것은 최대 잔류 자속 밀도가 커야 한다는 것이다. 이것이 커야 한번 기록된 정보가 쉽게 지워지지 않는다. 그리고 테이프에 녹음된 자기의 변화를 전기 변화로 변환하는 것이 재생 헤드이다. 재생 헤드는 녹음 헤드와 같이 갭이 있는 코어와 코일로 이루어졌다. 녹음(자화)된 테이프를 이 갭에 접촉시키면 테이프에 기록된 자기의 세기에 비례한 자장에 의해 코어에 자속이 생긴 다. 그래서 테이프를 녹음할 때와 같은 속도로 갭에 접촉시키면서 이동하면 코어에 발생하는 자속도 그 자장의 변화에 따라 변하며 자장에 비례한 전기가 코일에 발생한다. 이렇게 자기 변화를 전기 변화로 바꾸는 것이 재생이다. 테이프에 녹음된 소리(자기 변화)를 지우는 것을 소거라 하는 것인데 이것을 담당 하는 것이 소거 헤드이다. 소거 헤드는 테이프에 기록된 자기 변화 보다 강한 자장으로 음악 신호의 자기 변화를 흐트려 놓는 것이다. 소거할 때는 직류 또는 교류를 사용하지만 교류가 직류보다 소거하는 효과가 크기때문에 최근에는 교류에 따른 소거법을 채용하는 데크가 대부분이다. 따라서 강자성체를 포함한 잉크로서 형성되는 자성막을 자계 안에 두게 되면 그 부분이 자화되어 이것으로 인하여 생기는 잔류자화는 필요 시에 전기적 신호로써 판독할 수 있다. 히스테리시스 곡선

10 Data 기록 / 판독 모식도 이제 음성이 아닌 data ( 0 , 1 ) 를 기록하는 방식에 대해 알아보자. 이것 역시 오디오 테이프의 방법과 그 원리는 같다. 테이프에 내용을 기록하기 위해서 헤드에 전류를 흘러준다. 그러면 헤드는 전자석이 된다 .테이프 위에는 산화철이 있어서 자석이 지나가면 자성을 띄게 된다. 이때 전류가 흐르는 방향에 따라서 NS순으로 기록되거나 SN순으로 기록된다. 즉 북극(North)남극(South) 방향이나 남극북극 방향으로 기록된다. 북극남극 방향을 다른 말로 하면 양극음극 방향이라고 한다. 일정 영역을 기록하고 이렇게 기록된 부분 2개를 합치면 0과 1이 구별된다. 판독 시에는 연속적으로 기록된 자기매체의 자성이 같은 방향이면 0으로 인식하고, 자성체의 배열 방향이 서로 반대면 1로 구별한다. 그러니까 NS-NS(양극음극-양극음극)의 순서로 기록되었다면 0이 되고, NS-SN(양극음극-음극양극)으로 기록되었다면 1이 되는 것이다. 이런 식으로 헤드에 흐르는 전류 순서를 조절하여 자기테이프에 기록되는 자성체의 배열 순서를 조절한다. 그리고 판독장치를 이용하여 이번에는 배열 순서가 어떻게 기록되었나 판독한다. 이를 통해서 기록된 내용이 0인지 1인지 판독하는 것이다.

11 DAT ( Digital Audio Tape )
특징 디지털화하여 잡음 없음 CD 음질로 저장 / 재생 가능 회전식 헤드 고속 주행 / 대용량 저장 음악용으로 개발 현재는 데이터 저장용으로 전환 CD 와의 대결에서 패한 이유는? CD와 마찬가지로 음성신호를 디지털화 시켜 '펄스'로 변환, 이것을 다시 음성신호로 바꾸어 주는 방식이기 때문에 재생된 음질에 잡음이 전혀 없다. 오히려 디지털 오디오 테이프는 사용되는 재료가 테이프이기 때문에 녹음과 재생이 둘 다 가능하여 CD 보다 사용하기에 편리한 장점이 있다. 이 방식의 가장 큰 특징은 헤드가 회전한다는 것이다. 디지털 신호 기록은 아날로그 신호에 비해 고기록 밀도가 필요한데 이를 위해서는 테이프의 주행속도를 빨리 해 주어도 되지만 그렇게 하면 녹음시간이 짧아지므로, 테이프의 주행속도는 그대로 놔두고 대신 헤드를 매우 빠르게 회전 시켜 테이프의 상대속도를 빠르게 해준 것이다. DAT의 테이프 주행속도를 보면 일반 카세트 보다 약 6분의 1에 해당되는 8.15mm/s 이지만 헤드쪽이 매분 약 2,000회로 회전하기 때문에 상대속도는 이에 편승 되어 3.133m/s로 카세트보다 약 66배 정도 고속이 된다. 원래는 음악용으로 개발되었으나 점차로 data 용으로도 바뀌어 지금은 data 저장용으로 더 많이 쓰이고 있다.

12 LTO ( Linear Tape-Open )
위의 그림은 IBM LTO 울트리움 2 로서 카트리지당 용량이 기본 200GB 에서 압축시 400GB까지 가능하고 크기는 (가로 X 세로 X 높이) 17.1cm X 33.3cm X 14.6cm 이며 중량 6.6kg 이다. 4 개의 data band 에 각 band 당 96 개의 track 에 정보를 저장한다. 100MB/inch2 까지 저장 가능하다.

13 LTO ( Linear Tape-Open )
위의 그림은 IBM LTO 울트리움 2 로서 카트리지당 용량이 기본 200GB 에서 압축시 400GB까지 가능하고 크기는 (가로 X 세로 X 높이) 17.1cm X 33.3cm X 14.6cm 이며 중량 6.6kg 이다. 4 개의 data band 에 각 band 당 96 개의 track 에 정보를 저장한다. 100MB/inch2 까지 저장 가능하다.

14 자기 카드의 기록과 재생 특징 MICR 재생전압 판독 자기 테이프와 동일하게 자기헤드 사용 기록 전류를 따라 헤드가 자계 형성
자성막 위로 자기 정보 저장 판독시 발생하는 자계에 의해 생기는 재생전압 판독 MICR Magnetic Ink Character Recognttion 수표 정보, 지로 정보 기록 특수한 서체를 자기 잉크로 인쇄 문자가 방출하는 자계 판독 은행 통장, 지하철 통행권, 고속도로 통행권, 주차권, 신용카드, 전화카드 등의 자기카드 종류의 기록과 재생은 오디오 테이프와 동일하게 자기헤드를 써서 실시한다. 기록전류를 따라서 자기 헤드가 만드는 자계는 자성막 안의 자성체를 자호하며, 이것으로 기록정보는 자성막 위에 미소한 자석이 연속적으로 정렬한 상태로서 저장된다. 재생시에는 미소자석이 만드는 자계에 의해 헤드에서 생기는 재생전압을 판독한다. MICR(Magnetic Ink Character Recognttion)의 자기기록의 원리 MICR은 미국에서 증가하는 수표의 분류, 기록처리를 전산화하기 위하여 개발된 것으로서, 이것은 E13B라고 부르는 특수한 서체를 자기잉크로써 인쇄하여 기계적인 판독이 가능하게 한 것이다. 한국이나 일본에서도 이것이 이용되고 있으며 아래 그림과 같이 14종류로 상세하게 정해져 있다. 수표에 자기잉크로서 인쇄한 E13B서체는 일정한 자계를 만들고 있는 자화헤드를 일정속도로서 통과하여 자화를 한다. 그리고 계속하여 판독 헤드를 통과할 때에 인쇄된 문자가 방출하는 자속은 헤드에 기전력을 부여하고 서체에 따르는 아래와 같은 모양의 파형을 발생시켜 그 파형으로 각각의 문자가 인지된다.

15 도난 방지기 선물 가게나 대형 할인점 등의 출입구에는 문 모양의 도난 방지기가 설치되어 있다. 이 기기는 계산을 하지 않은 물건을 가지고 나갈 때 경고음이 울리도록 되어 잇다. 이 곳에서는 상품에 상표 외에 무언가 붙어 있는 것을 볼 수 있다. 옷 가게에서도 계산을 하면 동시에 어떤 장치에 대어 본다든가, 제품에 붙어 있는 단추 같은 것을 제거하여 도난방지 장치에 걸리지 않게 한다. 또 개가식 도서관의 책에도 도난 방지 장치가 되어 있다. 그 원리는 무엇인가 ? 그것은  제품에 붙어 있는 자성을 띤 감지 장치가 도난 방지 장치 사이를 통과할 때 양쪽 기둥에 유도 전류가 흘러 물체를 감지하게 되기 때문이다.   그러면 계산이 끝난 상품과 그렇지 않은 상품을 어떻게 구별할 수 있는가 ? 상품을 진열할 때 상품에 붙어 있는 얇은 형태의 자기 테이프나 자성체가 들어 있는 버튼에 자성을 띠게 해 두었다가 계산이 끝난 후 제거하거나 자성을 띠지 않게 함으로서 그 구별이 가능하다.  도서관의 책은 자기 테이프를 책 안쪽에 붙여서 자기장의 영향을 받게 한다. 즉, 대출할 때에는 자기장을 없애고 반납할 때에는 일정한 자기장을 책에 걸어 주어 자성을 띠게 한다.