3.5인치 HDD용 FDB스핀들 시스템의 정전기 발생에 관한 연구

Experimental Study on Electrostatics Generated in the FDB of a 3.5″HDD and ESD Control methods

2005 년 9 월 3 일 강 민 구

한양대학교 정밀 기계공학과 PREM Lab.

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Contents

1. 서 론1.1 연구 배경1.2 연구 목적

2. 실험 개요2.1 FDB 스핀들 모터의 구조2.2 FDB 스핀들 모터의 대전

3. 실험 방법

3.1 통전 및 충 · 방전 거동 측정3.2 캐패시턴스 계산3.3 전위차 측정

4. 실험 결과 및 토의4.1 통전 및 충 · 방전 거동 측정 결과4.2 캐패시턴스 계산 결과4.3 전위차 측정 결과4.4 ESD 제어 방법

5. 결론

Disk

FDB spindle

Actuator arm

Magnetic head

Fig. Inside of the FDB HDD

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1 서론

연구 배경 HDD 의 고속화 , 고용량화 , 저소음화 -> 볼베어링 구조를 유체베어링 구조로 대체

• 유체베어링은 고체간 접촉 없어 저소음 구동이 가능하며 점성유체가 갖는 감쇄효과로 고유진동 및 강제진동특성이 향상

• 저널과 슬리브 사이의 유체 간극으로 인하여 RRO 증가하고 유체의 댐핑 효과로 NRRO 감소

자기 기억 장치의 연구 동향• 저장 밀도를 높이기 위해 저장 장치의 크기가 작아짐 (GMR -> TMR)• 헤드 및 디스크 저항 파괴 전압

- GMR 헤드의 저항 파괴 전압 디스크의 탄소막 (0.92V) 슬라이더의 탄소 막 (0.8 to 1.4V) 디스크와 슬라이더 (1.98V)

- TMR 헤드의 저항 파괴 전압 TMR 헤드의 물리적 파괴전압 (1V or less) 자기적 고장전압 물리적 파괴전압보다 훨씬 적음

• 헤드의 저항 파괴 전압은 0V 가 되지 않겠지만 이 한계값에 점근선적으로 계속 접근함

※ 유체베어링의 커패시터 구조의 의한 마찰 전기의 생성 , 충전 및 방전 위험연구 목적

– 유체베어링 시스템에서 실제 정전위차를 측정 후 충전된 정전하량을 계산 – 유체베어링을 장착한 스핀들 모터의 ESD 제어 방법 제안

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• 일반적인 유체베어링은 2 개의 저널베어링 , 2 개의 스러스트 베어링으로 구성

• 베어링의 공차 ( 유체 간격 ) 는 저널베어링의 경우 수 ㎛ (3.5 ㎛ ), 스러스트베어링의 경우 수십㎛ (20 ㎛ )- JVC 모델

Fig. Rotating-shaft type of a FDB spindle motor

2. 실험 개요 : FBD 스핀들 시스템 구조 (1)

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Two conductors separated by a non-conducting medium form a capacitor. - Two metallic plates separated by a very thin dielectric material form a capacitor.

Rotating and stationary parts : metallic plate Oil : dielectric material (insulator)

<Schematic drawing of the structure of a 3.5" FDB spindle motor ><Schematic drawing of the structure of a 3.5" FDB spindle motor >

Stationary parts

Rotating parts

Oil

Structure of a capacitor

2. 실험 개요 : FBD 스핀들 시스템 구조 (1)

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++ + + + +

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접지가 없을 시- 전위차 거의 발생 하지 않음

접지시

- 전위차 발생

※ 마찰 전기 대전 미케니즘 ( 유체와 베어링의 마찰 )

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2. 실험 개요 : FDB 스핀들 모터의 대전 (2)

정전기 : 물체와 물체의 접촉 및 분리과정 , 모든 물체에 발생

정전기 축적 ( 대전 ) = 발생 ( 마찰 )- 누설 ( 전기의 흐름 )

- 부도체 ( 절연물 ) 은 정전기의 대부분이 대전

- 도체 ( 금속 ) 은 발생 정전기의 대부분이 누설

대지와 절연되면 완화되지 않으면 대전됨

<Schematic drawing of the structure of a 3.5" HDD><Schematic drawing of the structure of a 3.5" HDD>

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대전한 도체는 등가적으로 정전 용량과 저항의 직렬회로 시상수

2.2 FDB 스핀들 모터의 대전 ( 도체의 대전 )

Q0: 대전한 전하량

C : 대전 물체의 정전용량

R : 대전 물체와 대지와의 저항

: 시상수 ( 완화시간 )

도체의 특성도체의 정전 용량 수백 pF

누설저항 <1MΩ

※ 슬리브에서 생성된 전하는 고정부에 축적되지 않음

※ 샤프트에서 생성된 전하는 회전부에 축적됨

완화시간 1ms 이하

(3)CR(sec)τ

(2)RC

texpQQ

)1(Vi(t)dtC

1Ri(t)

0

8

2.2 FDB 스핀들 모터의 대전 ( 부도체의 대전 )

(3)τ*0.693t

(2)ε/k(sec)ερτ

(1)τ

texpQQ

h

0

절연물의 절연 특성 정전기 완화

OIL 저항률 :1011~1013 Ω·m

비유전율 :2.1 ( 공기의 유전율 :8.854*10-12)

Q0: 초기 대전량

ρ : 체적저항률 Ω·m

K : 도전율 (S/m)

t h : 반감 시간

: 시상수 ( 완화시간 )τ

※ 절연물이라고 해도 저항률은 무한대가 아니기 때문에 접지된 용기등에 접한 상태로 두면 완화

완화시간 17초이상

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3. 실험 방법 : 통전 및 충 · 방전 거동 측정 (1)

회전부의 절연성

DC powersupply

Winbell driver

HDD without a disk

DC powersupply

Winbell driver

HDD without a disk

osilloscope

충 · 방전 거동 측정

Fig. Schematic drawing of experimental setup

• 회전부 절연성 : 회전 및 정지 시에 통전 여부 측정

• 충 · 방전 거동 측정 : 회전 및 정지 시에 충 · 방전 거동을 측정함

- 파워 서플라이로 2.5 초간 0.5V 를 가한 후 충 · 방전 거동을 오실로스코프로 측정

-> 커패시터와 볼베어링시스템의 충 · 방전거동과 비교 분석

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3. 실험 방법 : 커패시턴스의 계산 (2)

DC

회전부의 회전 때문에 LCR 미터로 커패시턴스 측정불가능 하므로 시상수를 이용하여 구함 - 파워 서플라이로 2.5 초간 0.5V 를 가한 후 충 · 방전 거동을 오실로스코프로 구한 뒤 시상수 및 프로브 저항값을 시상식에 대입해서 계산 .

C: 유체베어링의 커패시턴스 R: 오실로스코프 전압 프로브의 저항 DC 전압 : 파워서플라이에서의 공급 전압 (0.5V)

T

시상수를 이용한 커패시턴스 계산

10MΩ

0.5V

T=RC (Time constant)

Fig. equivalent circuit of experimental setup

Fig. behavior of charge and discharge of a capacitor

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3. 실험 방법 : 전위차 측정 (3)

DC POWER SUPPLY

Winbell drive

HDD A HEAD

osilloscope

Fig. picture of experimental setup Fig. Schematic drawing of experimental setup

오실로스코프로 전위차 측정

회전부의 회전 때문에 측정이 곤란하므로 전압프로브에 가는 전선을 연결하여 측정 - 접촉식으로 인한 서서히 전위량 감소

파워 서플라이에서 전압을 회전부에 가한 뒤 통전 여부 판단

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Winbell driver

HDD without a head

Oscilloscope

SilicagelHydro meter

DC powersupply

Fig. Schematic drawing of experimental setup

열챔버 이용 전위차 측정

대전에 영향을 주는 인자- 유동 속도

모터의 회전 속도가 커지면 유체와 베어링 사이의 접촉이나 충돌이 심해짐

- 부하 하중 디스크의 숫자를 변화시키거나 불평형 질량을 달면 유체에 압력이 증가

- 상대 습도 정전위는 상대 습도에 따라 급변함 높으면 물체 표면의 도전성이 증가하여 전하가 누설되기 쉬워짐

Fig. picture of experimental setup

3. 실험 방법 : 전위차 측정 (3)

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4. 실험결과 및 토의 : 통전 및 충 · 방전 거동 측정 (1) 회전부의 절연성 측정

- 모터 정지 시 0.5V 인가 시 0.18A, 1V 인가 시 0.4A

- 모터 구동 시 0.5V, 1V 인가 시 0A( 통전 되지 않음 ) 다시 정지 시 통전 되지 않음 .

- 오일의 절연 측정 오일 (VADEN 309 WC) 통전 되지 않음 .

※ 구동시 회전부는 절연상태※ 정지시 통전

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• 정지 시 - 회전 시 : 회전부의 절연으로 캐패시터 기능

- 정지 시 : 회전부의 통전으로 캐패시터 기능 불가

4 실험 결과 및 토의 : 통전 및 충 · 방전 거동 측정 (1)

회전 시

Fig. behavior of charge and discharge of a capacitor

Fig.. behavior of charge and discharge of a HDD

Fig. behavior of charge and discharge of a HDD

정지 시

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4. 실험결과 및 토의 : 볼베어링과 비교 (1)

모터구동

0.5V 인가 인가해제

회전시 : R= 130KΩ

정지시 : R= 113 kΩ

※ 허브와 샤프트 사이 저항값이 낮아 전하 충전 불가

Fig. behavior of charge and discharge of FBD system

Fig. behavior of charge and discharge of a ball bearing

Fig. Schematic drawing of ball bearing system

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4 실험 결과 및 토의 : 커패시턴스 계산 (2)

0.14s

T=RC (Time constant)

• 커패시턴스의 계산 : C=0.14/(10*106)=14*10-9

C: 유체베어링의 커패시턴스R: 오실로스코프 전압 프로브의 저항 (10MΩ)T: 시상수 (0.14s)

확대

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4 실험 결과 및 토의 : 전위차 측정 결과 (3)

• Table .Experimental cases

ExperimentalCases

Motor speed: 10,000 rpm

No disk Disk 2 Unbalance mass2

R.H.:10~20% Case1-1 Case2-1 Case3-1

R.H.:20~30% Case1-2 Case2-2 Case3-2

R.H.:50~60% Case1-3 Case2-3 Case3-3

Lapsed Time 1min 10mins 30mins 60mins 120mins 180mins

Case1-1(mv) 30 50 65 75 100 100

Case1-2(mv) 30 50 60 70 75 75

Case1-3(mv) 13 18 21 25 25 25

ExperimentalCases

• Table. Voltage difference

상대 습도

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4 실험 결과 및 토의 : 전위차 측정 (3)

Lapsed Time1min 10mins 30mins 60mins 120mins 180mins

전압

Case1-2(mv) 30 50 60 70 75 75

Case2-2(mv) 30 60 70 85 120 120

Case3-2(mv) 0 0 0 0 0 0

커패시턴스

Case1-2(nf) 14 14 14 14 14 14

Case2-2(nf) 14 14 14 14 14 14

Case3-2(nf) 14 14 14 14 14 14

전하량

Case1-2(C)Q=CV

4.2*10-10 7.0*10-

10 8.4*10-10 9.8*10-10 1.05*10-9 1.05*10-

9

Case2-2(C)Q=CV

4.2*10-10 7.2*10-

10 9.8*10-10 1.19*10-

9 1.68*10-9 1.68*10-

9

Case3-2(C) Q=CV

0 0 0 0 0 0

ExperimentalCases

• Table. The quantity of accumulated charges

- Case1-2 에 비해 case2-2 의 전위차가 높으므로 부하 하중에 비례해서 전하 발생- Case3-2 에 경우는 불평형 질량의 의한 진동으로 샤프트와 허브의 접촉으로 전하가 충전되지 않음

부하 하중

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4 실험 결과 및 토의 : Static Control (4)

방법 1

- 모터 내부에 브러쉬를 붙여 허브와 플렌 지에 전하 패스 형성

캐패시터의 방전

파티클 발생

방법 2

- Oil 에 전도성 물질 첨가 (Ferrofluid) 단락회로 구성

유체의 특성 변화 가능성

방법 3 - 허브와 디스크 닿는 부분에 코팅

개방회로 구성

캐패시터 구조변화 없음 .

Disk

FDB spindle

Actuator arm

Magnetic head

Fig. Inside of the FDB HDD

~2V break down

Fig. Equivalent circuit of the FDB HDD

DC

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Static Control (4): ferrofulid

자성나노입자란 강자성을 띠는 입자로서 일반적으로 크기는 약 10nm-산화철

ex: Fe2O3, Fe3O4-Ferrite:Fe3O4 에서 Fe 하나가 다른 자성관련 원자로 바뀐 형태

ex: CoFe2O4, MnFe2O4 -합금 : 자성원자들로 인해 나타나는 산화문제 , 전도성 및 안정성을 높이기 위해 귀금속과 합금 시킨 것

ex: FePt, CoPt 등

<Schematic drawing of the structure of a 3.5" FDB spindle motor ><Schematic drawing of the structure of a 3.5" FDB spindle motor >

Stationary parts

Rotationary parts

Oil

Ferrofluid

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5. 결론

통전 및 충 · 방전 거동– 통전 실험 결과 회전중에는 회전부가 고정부에 절연 상태이므로 캐패시터 구조– 스핀들 회전 시 충 · 방전 거동은 캐패시터와 같으므로 유체와 회전부의 마찰에 의해 발생된

전하가 충전

유체 베어링의 캐패시턴스 계산- 수십 nanofarad 의 값을 가짐- 주위환경 ( 회전 속도 , 상대 습도 , 부하 하중 ) 에 거의 영향을 받지 않음

전위차 측정– 속도 와 디스크 개수 ( 하중 ) 이 증가함에 따라 전위차가 증가함– 불평형 질량의 의해서 발생된 진동은 고정부와 회전부를 접촉시켜 전하가 축적이 안됨 .– 상대습도가 낮아 질수록 전위차 증가하고 50%이상에서는 거의 발생되지 않으며 가장 영향을

미치는 요소임 .

ESD 제어 방법 제안- Ferrofluid 를 이용하여 유체 베어링의 캐패시터 구조를 단락 시킴