[기초 물리] 5-5 저장매체 원리

우리는 정보화 사회를 넘어 4차 산업혁명 시작으로 수많은 데이터를 효율적으로 저장, 관리, 처리하는 방법을 모색하고 있습니다. 이번 포스트는 정보를 저장하는 방법에 대해 알아보겠습니다. 우선 정보는 크게 아날로그와 디지털 정보로 나눕니다. 아날로그 정보는 자연에서 발생하는 빛, 소리 등과 같이 연속적으로 변하는 아날로그 신호를 그대로 받아들여 기록함으로써 만들어진 정보를 말하고 디지털 정보는 한 값에서 다른 값으로 불연속적으로 변하는 정보를 말합니다. 연속적인 아날로그 정보를 저장하기에는 양이 너무 많고 관리 및 가공이 힘들어 디지털화를 합니다. 자연스러운 곡선을 얇게 조각을 내어서 연결하면 비슷한 형태가 될 수 있어 관리하기가 편해집니다. 수학에서 미분과 같은 개념입니다.

초기 정보를 저장하는 방법으로 자기 테이프를 활용했습니다. 지금은 사용하지 않는 카세트테이프나 VOD 테이프입니다. 철가루 주위에 자석을 가까이 가져가면 철가루가 자화 되어 일정하게 배열이 됩니다. 잘게 부순 자석 가루를 얇은 플라스틱 판 위에 접착제와 함께 발라 놓으면, 제멋대로 배열된 자석 가루가 자석을 가까이할 때 자석에 의해 일정한 방향으로 배열하게 됩니다. 저장하고자 하는 정보에 대응하도록 자석 가루를 배열하는 것이 곧 자기적 성질을 이용한 정보 저장의 원리입니다. 자기 테이프는 강자성체인 산화철 가루를 접착체로 얇게 발라서 만듭니다. 입력된 정보에 대응하는 자기장을 만들어 자기 테이프를 자화 시키는 방식으로 정보를 기록하는 장치가 헤드입니다. 헤드에 입력 전류가 흐르면 헤드는 앙페르 법칙에 의해 주분에 자기장을 만듭니다. 이 자기장의 방향과 세기는 입력 전류에 따라 달라지게 됩니다. 자기 테이프가 헤드 아래를 일정한 속도로 지나면 헤드가 만드는 자기장과 같은 방향으로 산화철이 정렬되면서 정보가 저장됩니다. 헤드에 흐르는 입력 전류의 방향이 바뀌면 헤드의 자기장 방향이 바뀌면서 산화철의 정렬 방향도 바뀌게 됩니다. 자기 테이프에 배열된 산화철은 입력 전류의 방향에 따라 배열 방향이 바뀌면서 배열 상태가 남게 됩니다.

정보가 기록된 테이프를 헤드의 아래로 지나가게 되면 코일에는 패러데이 법칙에 따라서 자기장의 변화에 따른 전류가 발생합니다. 코일에 흐르는 이 전류를 통해 자기 테이프에 저장된 정보를 재생할 수 있습니다. 전류가 흐를 때에는 2진수 1로, 전류가 흐르지 않을 때에는 2진수 0으로 재생하는 디지털 방식입니다.

테이프보다 좀 더 진화된 형태가 하드 디스크입니다. 컴퓨터 초기에 사용한 보조 저장장치 플로핏 디스크 같은 것입니다. 자기 테이프의 저장 원리와 같이 저장하고자 하는 정보를 하드 디스크에 자화 시켜 배열하는 것이죠. 하드 디스크는 플래터와 헤드, 액추에이터, 스핀들 모터로 구성되어 있습니다. 플래터는 산화철로 얇은 막을 씌운 원판으로 정보가 저장되는 영역입니다. 헤드는 자기 테이프와 마찬가지 역할을 하고 스핀들 모터는 플래터를 회전시켜 액추에이터가 정보가 저장되어 있는 위치까지 헤드를 이동시키는 역할을 합니다. 헤드에 전류가 흐르면 자기장이 발생하고 헤드 아래 디스크가 통과하면 헤드가 만드는 장기장에 의해 플래터가 자화 됩니다. 자기 테이프와 같은 과정으로 앙페르 법칙과 패러데이 법칙에 다라 코일에 발생하는 전류에 의해 정보를 저장하고 재생할 수 있습니다.

전기적 성질을 이용한 정보의 저장 원리는 유전 분극에 있습니다. 전체적으로 중성인 절연체라도 강한 전기장에 가까이하면 절연체 내의 전하의 배열이 바뀌어 전기를 띠게 되는데 이를 유전 분극이라고 합니다. 전기장을 제거해도 유전 분극 된 상태가 그대로 유지되면서 원래 상태로 되돌아가지 않는 물질을 강유전체라고 하는데, 이러한 물질의 특성을 이용하여 정보를 저장합니다. 대표적으로 플래시 메모리 또는 비휘발성 메모리가 이와 같은 원리로 작동됩니다. 다른 방법으로 축전기에 전하가 저장된 경우와 저장되지 않은 경우를 인식하여 정보를 저장합니다. 전원이 거지면 축전기에 저장된 전하는 쉽게 방전되어서 저장되었던 정부가 사라집니다. 따라서 DRAM과 같은 휘발성 메모리에 적용됩니다.

요즘 우리는 스마트카드를 많이 사용하고 있습니다. 기존의 신용카드와 같은 마그네틱 카드보다 더 진보된 카드입니다. 카드 안에 집적 회로를 넣어 대용량의 메모리, 쌍방향 통신, 정보 보호 기능 등이 갖추어져 있습니다. 사람들이 많이 사용하는 교통 카드와 하이패스 카드가 대표적인 예입니다. 이는 RFID라고 기술로 가능합니다. RFID(Radio Frequency IDentification, 무선 인식) 시스템은 라디오파를 사용하여 물체의 정보를 비접촉 방식으로 수집, 판독한 후 저장, 처리하는 기술을 말합니다. 물체에 부착된 전자 태그로부터 정보를 송/수신하고, 이와 관련된 서비스를 제공하는 거죠. 전자 태그는 물체의 정보를 담고 있는 메모리와 정보를 보내는 안테나로 이루어져 있습니다.

RFID 시스템은 기본적으로 태그(tag), 리더(reader), 호스트(host)로 구성됩니다. 태그는 상품에 부착하여 전자기파 정보를 주고받을 때 사용하는 사각 코일과 정보를 저장하는 메모리가 내장되어 있습니다. 태그 내부에 있는 직접 회로 IC 칩에 물체의 정보를 저장합니다. 우리가 들고 다니는 카드가 태그에 해당합니다. 리더는 이름 그대로 안테나로 태그의 정보를 수집, 판독하는 역할을 합니다. 상품에 대한 정보를 무선으로 읽고 그 정보를 호스트에 보내 정보를 처리하고 저장해야 하므로 리더에도 사각형 코일로 된 안테나가 필요합니다. 호스트는 리더에서 수집 판독한 태그의 정보를 저장하고 처리합니다. 그럼 어떠한 원리로 작동을 하는지 알아보겠습니다.

앞서 파동을 배울 때 모든 물체는 각각의 고유한 진동수를 가지고 진동한다고 했습니다. 바로 고유 진동수입니다. 물체의 고유 진동수와 같은 진동수가 외부에서 전달되었을 때 진폭이 크게 증가하는 현상을 공명 또는 공진 현상이라고 했습니다. 따라서 공진 진동수는 고유 진동수와 같습니다. 공진 진동수일 때는 작은 힘으로도 큰 진폭 및 에너지를 전달할 수 있게 됩니다.

태그와 리더 사이 정보를 교환하기 위해서는 각 회로의 고유 진동수가 서로 같아 공명 현상이 일어나면서 이때 정보를 주고받게 하는 것입니다. 고유 진동수가 다른 태그는 다른 종류의 리더에서 발생시킨 라디오파에는 반응하지 않아 정보를 교환할 수 없는 것입니다. 태그에 전원을 공급해주면 주파수를 멀리 보낼 수 있기 때문에 감지거리가 늘어납니다. 자동차 하이패스 단말기가 전원을 공급받아 능동적으로 주파수를 보내주는 것입니다. 태그에 전원이 없어도 사용이 가능하지만 감지거리가 짧아 교통카드나 출입카드에 사용됩니다. 이밖에도 RFID가 활용되는 곳은 많이 있습니다. 선수들의 기록을 측정하는 데 사용되고, 농축산품의 생산 이력을 추적, 관리하는 곳에도 사용이 됩니다. 애완동물 피부에 태그를 이식하여 ID 정보를 확인하는 곳에도 활용됩니다.

마지막으로 빛을 이용해 저장하는 광 디스크입니다. CD라고 하죠. CD 표면에 홈을 만들어 홈이 파인 부분과 그렇지 않은 평평한 부분들의 조합을 통해 정보를 저장하고 인식합니다. CD는 라벨층, 보호막, 알루미늄 금속박, 플라스틱으로 이루어져 있는데 빛의 반사율 차이를 재생 원리로 합니다. 레이저 빛으로 CD 표면의 염료를 그을려서 어두운 표시를 만드는데 이 부분에 홈이 생깁니다. 어두워진 부분은 0, 밝은 부분은 1에 대응하는 정보를 저장합니다. 추가로 CD와 DVD의 차이는 크게 밀도차이라고 생각하면 됩니다. DVD는 홈의 길이와 간격을 CD보다 작게 해서 보다 많은 정보를 저장할 수 있는 것입니다.