◆현상과 원리 / 광디스크의 원리◆
◆돋보기로 먹지 태우기
= 어릴 적 돋보기를 이용해 태양빛을 작은 초점으로 만들어 먹지를 태워본 경험이 있을 것이다. 볼록렌즈의 초점 부위에 태양빛을 모아 작은 점(spot)을 만들면 단위 면적당 빛의 강도가 매우 커지게 된다. 상대적으로 빛을 잘 흡수하는 검정색 먹지에 이 집속된 빛을 잘 맞추면 큰 열에너지로 전환돼 먹지가 타게 된다. 광디스크가 이러한 원리를 응용한 대표적인 사례다.
◆유한한 크기의 초점
= 광디스크에서 사용하는 빛은 단일 파장에서 높은 파워를 내는 레이저다. 레이저 빔은 집속렌즈를 통해 집속이 되며 이 집속된 초점(beam spot)의 크기에 따라 데이터 저장 용량이 달라진다. 그렇다면 이상적으로 아주 우수한 렌즈를 이용해 빛을 집속시키면 초점의 크기는 무한히 작은 점이 될 수 있을까? 빛의 파동성 때문에 무한히 작은 점은 만들 수 없다. 양자물리의 관점에서 보면 빛은 입자의 성질과 파동의 성질을 모두 가지고 있다. 이 중 파동의 성질을 잘 설명할 수 있는 현상이 빛의 회절이다. 이러한 회절 현상이 없다면 초점의 중앙부 주변에서 무한히 작은 크기의 초점 크기를 가지게 될 것이다. 하지만 회절현상에 의해서 회절된 빛이 초점 중앙부 주변에서 서로 간섭을 일으키기 때문에 유한한 크기 초점을 가지게 된다.
제한된 공간에 많은 데이터를 저장하기 위해서는 이 초점의 크기가 작아져야 한다. 초점의 크기는 레이저 파장(λ)에 비례하고 렌즈의 집속도를 나타내는 개구수(NAㆍNumerical Aperture)에 반비례한다. ＜그림 1＞에서 파장이 긴 적외선을 사용한 CD부터 파장이 짧은 청색광을 이용한 BD(Blue laser disc)까지 저장 용량의 변화를 살펴볼 수 있다.
◆데이터의 기록 및 재생
= CD나 DVD의 종류에는 읽기 전용인 ROM(Read only Memory)과 한 번 쓰고 여러 번 읽을 수 있는 R(Recording), 여러 번 쓰고 지우고 읽을 수 있는 RW(Rewritable)가 있다.
ROM의 경우 ＜그림 1＞과 같이 플라스틱 재질의 기판에 미세한 홈(pit)을 파서 데이터를 새긴다. 이 홈에 빛이 입사되었다 반사될 때 홈의 깊이 차이에 따라 보강간섭 혹은 상쇄간섭이 생겨서 반사된 빛에 반사도 차가 생기는데 이를 활용하는 것이다.
R의 경우는 먹지를 태우는 것과 마찬가지로 레이저 빔의 열을 받아 물질이 영구적으로 변하면 변하지 않은 부분과 반사도 차이가 생겨 신호가 생기게 된다.
RW는 레이저 가열 효과를 이용해 결정질(crystal)과 비정질(amorphous) 간의 상변화(phase change)를 일으키는 물질을 이용해 데이터를 읽고 지울 수 있다. 결정질은 일반적인 금속이나 다이아몬드 같이 3차원적으로 규칙적인 원자배열을 이룬 구조를 말하며 비정질은 플라스틱이나 폴리머(polymer) 재료와 같이 3차원적으로 규칙적인 배열 없이 비규칙적인 원자배열을 한 구조를 말한다.
[정재원 대성논술아카데미 수석연구원]
[ⓒ 매일경제 & mk.co.kr
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| 그림 1. CD, DVD, BD의 파장과 개구수 변화에 의한 레이저 초점크기 변화 및 저장용량 변화와의 관계를 나타낸 모식도 |
= 어릴 적 돋보기를 이용해 태양빛을 작은 초점으로 만들어 먹지를 태워본 경험이 있을 것이다. 볼록렌즈의 초점 부위에 태양빛을 모아 작은 점(spot)을 만들면 단위 면적당 빛의 강도가 매우 커지게 된다. 상대적으로 빛을 잘 흡수하는 검정색 먹지에 이 집속된 빛을 잘 맞추면 큰 열에너지로 전환돼 먹지가 타게 된다. 광디스크가 이러한 원리를 응용한 대표적인 사례다.
◆유한한 크기의 초점
= 광디스크에서 사용하는 빛은 단일 파장에서 높은 파워를 내는 레이저다. 레이저 빔은 집속렌즈를 통해 집속이 되며 이 집속된 초점(beam spot)의 크기에 따라 데이터 저장 용량이 달라진다. 그렇다면 이상적으로 아주 우수한 렌즈를 이용해 빛을 집속시키면 초점의 크기는 무한히 작은 점이 될 수 있을까? 빛의 파동성 때문에 무한히 작은 점은 만들 수 없다. 양자물리의 관점에서 보면 빛은 입자의 성질과 파동의 성질을 모두 가지고 있다. 이 중 파동의 성질을 잘 설명할 수 있는 현상이 빛의 회절이다. 이러한 회절 현상이 없다면 초점의 중앙부 주변에서 무한히 작은 크기의 초점 크기를 가지게 될 것이다. 하지만 회절현상에 의해서 회절된 빛이 초점 중앙부 주변에서 서로 간섭을 일으키기 때문에 유한한 크기 초점을 가지게 된다.
제한된 공간에 많은 데이터를 저장하기 위해서는 이 초점의 크기가 작아져야 한다. 초점의 크기는 레이저 파장(λ)에 비례하고 렌즈의 집속도를 나타내는 개구수(NAㆍNumerical Aperture)에 반비례한다. ＜그림 1＞에서 파장이 긴 적외선을 사용한 CD부터 파장이 짧은 청색광을 이용한 BD(Blue laser disc)까지 저장 용량의 변화를 살펴볼 수 있다.
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= CD나 DVD의 종류에는 읽기 전용인 ROM(Read only Memory)과 한 번 쓰고 여러 번 읽을 수 있는 R(Recording), 여러 번 쓰고 지우고 읽을 수 있는 RW(Rewritable)가 있다.
ROM의 경우 ＜그림 1＞과 같이 플라스틱 재질의 기판에 미세한 홈(pit)을 파서 데이터를 새긴다. 이 홈에 빛이 입사되었다 반사될 때 홈의 깊이 차이에 따라 보강간섭 혹은 상쇄간섭이 생겨서 반사된 빛에 반사도 차가 생기는데 이를 활용하는 것이다.
R의 경우는 먹지를 태우는 것과 마찬가지로 레이저 빔의 열을 받아 물질이 영구적으로 변하면 변하지 않은 부분과 반사도 차이가 생겨 신호가 생기게 된다.
RW는 레이저 가열 효과를 이용해 결정질(crystal)과 비정질(amorphous) 간의 상변화(phase change)를 일으키는 물질을 이용해 데이터를 읽고 지울 수 있다. 결정질은 일반적인 금속이나 다이아몬드 같이 3차원적으로 규칙적인 원자배열을 이룬 구조를 말하며 비정질은 플라스틱이나 폴리머(polymer) 재료와 같이 3차원적으로 규칙적인 배열 없이 비규칙적인 원자배열을 한 구조를 말한다.
[정재원 대성논술아카데미 수석연구원]
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