주사 탐침 현미경 기반 정보저장장치를 위한 위치오차신호 생성 및 제어기 설계

Abstract

최근 멀티미디어와 모바일기기 등의 발전은 적은 전력 소모와 빠른 데이터 전송속도를 갖는 대용량, 소형 저장장치들의 필요를 가져왔다. 이러한 필요에 대한 해법의 하나로 주사 탐침 현미경 기반 정보저장장치(scanning probe microscopy-based data storage system: SDSS)가 제안되었다. SDSS는 데이터의 기록과 재생을 위해 하드 디스크와 같이 위치 오차 신호(position error signal: PES)를 사용한다. 따라서 SDSS는 긴 서보정보 기록시간이 필요하고 서보정보 기록과정 중 발생하는 기록오차는 차후 트랙 추종시 데이터의 기록 재생 성능에 영향을 준다. 본 논문은 이러한 문제들의 해결을 위해 SDSS의 새로운 PES 생성방법을 제안한다. 제안된 방법을 바탕으로 새로운 SDSS의 형태인 read-only memory(ROM) SDSS을 제안 하고 이를 위한 효과적인 제어 방법을 연구한다. 기존의 SDSS는 PES 생성을 위해 내장된 일부 켄틸레버를 사용하여 서보정보를 기록한다. 이 과정에서 발생하는 기록오차는 트랙 추종시 반복적인 위치 오차로 나타난다. 이러한 문제는 하드 디스크의 written-in repeatable run-out(WRRO) 문제와 유사하며 하드 디스크 산업계에서는 이 문제를 해결하기 위한 여러 가지 방법이 제안되었고 연구 중이다. 또한 이러한 서보정보 기록과정은 많은 시간을 필요로 하며 이는 생산단가 상승의 요인이다. 본 논문에서는 기존 SDSS의 PES 생성에서 발생되는 문제들의 해결을 위해 패턴 미디어를 사용하는 새로운 PES 생성방법을 제안한다. 제안된 PES 생성방법은 두 개의 줄무늬 패턴의 조합을 이용한다. 생성된 PES는 선형성과 반복성이 있음을 모의실험과 실험을 통해 검증한다. 또한 조립 공정시 발생 가능한 문제들에 대해서도 강인성이 있음을 모의실험을 통하여 검증한다. 줄무늬 패턴을 이용한 PES 생성은 패턴 미디어를 이용할 수 있는 장점이 있다. 패턴 미디어는 nano-imprint와 같은 방법으로 제작할 수 있으며 이러한 제작 방법은 생산 시간의 단축뿐만 아니라 ROM SDSS의 구현이 가능하다. ROM SDSS는 패턴 미디어 제작시 데이터 패턴을 줄무늬 패턴에 의해 생성되는 트랙에 정렬되어 정보가 기록되도록 디자인하여 구현할 수 있다. 데이터가 기록된 패턴 미디어와 켄틸레버 배열 그리고 원자간력 현미경(atomic force microscopy: AFM) 시스템을 이용하여 ROM SDSS를 구현한다. 또한 줄무늬 패턴으로부터 생성된 PES는 SDSS에 적용하기에 충분한 선형성, 분해능 그리고 강인성을 갖고 있음을 ROM SDSS를 통하여 검증한다. 패턴 미디어를 사용하여 PES를 생성하는 경우 선형성, 반복성, 강인성과 같은 여러 가지 장점이 있으나 패턴 미디어와 구동기의 구동방향 사이의 조립 정렬오차에 의해 트랙이 구동기의 구동방향과 평행하지 않게 형성되는 단점이 있다. 이러한 단점은 기존에 연구되어온 위치 센서 신호와 PES에 대한 각각의 제어기를 주파수 영역에서 설계하는 다중입력 다중출력 제어방법으로는 극복하기가 어렵다. 본 논문에서는 구동기의 구동 축과 패턴 미디어 사이의 조립 정렬오차에 의해 기울어진 트랙이 발생하였을 때 데이터 재생 캔틸레버 팁이 효과적으로 트랙 중심선을 추종할 수 있는 스위칭 제어기와 이중 비율 주종 제어기를 설계 한다. 설계된 두 제어기는 ROM SDSS을 이용한 모의실험과 실험을 통해 성능을 검증한다 SDSS가 정보저장장치로써 빠르고 정확한 데이터의 기록과 재생을 수행하기 위해서는 트랙 추종과 탐색 및 정착의 성능이 보장되어야 한다. 이를 위하여 기존의 디스크를 사용하는 정보저장장치(하드 디스크, 광 디스크)들의 경우 트랙 추종과 탐색 및 정착을 위한 제어기를 따로 두고 필요에 따라 스위칭하여 사용한다. 본 논문에서는 빠른 탐색 및 정착을 위하여 가변 수렴 비율 이산시간 슬라이딩 모드 제어기를 제안한다. 제안된 제어기는 기존의 이산시간 슬라이딩 모드 제어기가 가지고 있는 특징인 탐색 초기에 큰 위치 오차 발생시 제어입력의 미분 값이 커지는 단점을 효과적으로 극복할 수 있다. 설계된 제어기는 소형 SDSS를 위해 제작된 MEMS 구동기를 이용하여 탐색 및 정착에 대한 성능을 검증한다. 이러한 일련의 제안된 방식은 하나의 ROM SDSS을 위한 것이다. 즉 본 논문은 PES 생성방법부터 트랙 추종과 탐색 및 정착 제어기까지 ROM SDSS의 구현을 위한 모든 요소를 새롭게 제안하고 모의실험과 실험을 통하여 검증한다.; Recent developments in multimedia and mobile device technology have necessitated devices that consume less power and that are equipped with large data storage capacity, small form factor, and high data transfer rates. A scanning probe microscopy-based data storage system (SDSS) was proposed to satisfy these requirements. The proposed SDSS uses a position error signal (PES) to read and write data, in a manner similar to a hard disk drive. Consequently, the SDSS requires a long period of time for the servo writing process; in addition, writing errors occur during the servo write process, affecting the performance during track-follow. In this paper, we resolve these problems by proposing a new PES generation method for the SDSS. On the basis of a previously suggested method, we propose a read-only memory (ROM) SDSS, which is a new type of SDSS, and develop an effective control method. A conventional SDSS carries out servo writing by using an embedded cantilever for PES generation. Writing errors that may occur during the servo writing process appear as repetitive errors. This problem is similar to the occurrence of written-in repeatable run-out (WRRO) in the case of a hard disk drive, and a variety of methods have been proposed and studied for resolving this problem in the hard disk drive industry. Furthermore, the unit cost of production is high because the servo writing process requires considerable time. We propose a new PES generation method using patterned media to solve the problems that occur during PES generation in SDSS. The proposed method uses two stripe patterns (servo and sync pattern). The performance of the generated PES in terms of linearity and repeatability is verified through simulation. Possible problems that may occur during the assembling process are also investigated by simulation. PES generation with the two stripe patterns has the advantage of using the patterned media. The patterned media can be produced using methods such as nano-imprinting, and it is possible to reduce the production time as well as to make ROM SDSS. In the case of the ROM SDSS, it is possible to design patterns such that the information aligned with the track generated by the stripe pattern can be written during the fabrication of the patterned media. The ROM SDSS is embodied using this patterned media, a cantilever array, and an atomic force microscopy (AFM) system. The ROM SDSS reveals that it is possible to acquire the required information from the patterned media. The PES generated by a stripe pattern possesses sufficient linearity, repeatability, and robustness for application to SDSS through ROM SDSS. With regard to PES generation using patterned media, while it offers the advantages of improved linearity, repeatability, and robustness, it also suffers from a disadvantage in that the track formed is not aligned with the scanner direction due to the misalignment between the patterned media and the scanning direction of the scanner. It is difficult to overcome this disadvantage as previous method which designs each controller of position sensor signal and PES in the frequency domain. In this study, we design a switching controller and a dual-rate master-slave controller to effectively follow the track center line when the track slides as a result of the misalignment between the scanning direction of the scanner and the patterned media. The two designed controllers examine the possibility of drive by applying to ROM SDSS through simulation and verify the track-follow performance through experiment. The performance of track-follow and seek-and-settle must be reliable to enable the SDSS to write and read quickly and accurately, as required for a data storage system. For this purpose, conventional data storage systems such as hard disk drives and optical disk drives are equipped with separate controllers for track-follow and seek-and-settle, and each function can be used separately by switching between the two controllers as required. We propose a variable-convergence-rate discrete-time sliding mode controller for fast seek-and-settle. The proposed controller can overcome the disadvantage effectively which the absolute value of derivative of control command is increased when a large position error of the conventional discrete-time sliding mode controller occurs during seek-and-settle. We experimentally confirmed that the designed controller performs effectively in terms of seek-and-settle by using a fabricated MEMS scanner for small-form-factor SDSS. The abovementioned proposed methods are applicable to ROM SDSS. The effectiveness of the proposed improvements was confirmed through simulation and experiment.