2005 년 9 월 3 일 강 민 구 한양대학교 정밀 기계공학과 PREM Lab.

1. 3.5인치 HDD용 FDB스핀들 시스템의 정전기 발생에 관한 연구Experimental Study on Electrostatics Generated in the FDB of a 3.5″HDD and ESD Control methods 2005년 9월 3일 강 민 구 한양대학교 정밀 기계공학과 PREM Lab.

2. Fig. Inside of the FDB HDD Magnetic head FDB spindle Actuator arm Disk Contents • 서 론 1.1 연구 배경 1.2 연구 목적 2. 실험 개요 2.1 FDB 스핀들 모터의 구조 2.2 FDB 스핀들 모터의 대전 3. 실험 방법 3.1 통전 및 충·방전 거동 측정 3.2 캐패시턴스 계산 3.3 전위차 측정 4. 실험 결과 및 토의 4.1 통전 및 충·방전 거동 측정 결과 4.2 캐패시턴스 계산 결과 4.3 전위차 측정 결과 4.4 ESD제어 방법 5. 결론 2

3. 1 서론 • 연구 배경 • HDD의 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 • TMR헤드의 물리적 파괴전압(1V or less) • 자기적 고장전압 물리적 파괴전압보다 훨씬 적음 • 헤드의 저항 파괴 전압은 0V가 되지 않겠지만 이 한계값에 점근선적으로 계속 접근함 • ※유체베어링의 커패시터 구조의 의한 마찰 전기의 생성,충전 및 방전 위험 • 연구 목적 • 유체베어링 시스템에서 실제 정전위차를 측정 후 충전된 정전하량을 계산 • 유체베어링을 장착한 스핀들 모터의 ESD 제어 방법 제안 3

4. 2. 실험 개요: FBD 스핀들 시스템 구조(1) Fig. Rotating-shaft type of a FDB spindle motor • 일반적인 유체베어링은 2개의 저널베어링, 2개의 스러스트 베어링으로 구성 • 베어링의 공차(유체 간격)는 저널베어링의 경우 수 ㎛(3.5 ㎛), 스러스트베어링의 경우 수십㎛(20 ㎛)- JVC모델 4

5. 2. 실험 개요: FBD 스핀들 시스템 구조(1) • Structure of a capacitor Rotating parts Oil Stationary parts <Schematic drawing of the structure of a 3.5" FDB spindle motor > • 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) 5

6. ++++++++++++++++++++ ++++++++++++++++++++ ++++++++++++++++++++ ++++++++++++++++++++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 2. 실험 개요: FDB 스핀들 모터의 대전(2) <Schematic drawing of the structure of a 3.5" HDD> • 접지가 없을 시 - 전위차 거의 발생 하지 않음 • 접지시 - 전위차 발생 • 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 • 마찰 전기 대전 미케니즘(유체와 베어링의 마찰) 6

7. Q0: 대전한 전하량 C : 대전 물체의 정전용량 R : 대전 물체와 대지와의 저항 : 시상수(완화시간) 2.2FDB 스핀들 모터의 대전(도체의 대전) • 대전한 도체는 등가적으로 정전 용량과 저항의 직렬회로 • 시상수 • 도체의 특성 • 도체의 정전 용량 수백 pF • 누설저항 <1MΩ 완화시간 1ms이하 ※슬리브에서 생성된 전하는 고정부에 축적되지 않음 ※샤프트에서 생성된 전하는 회전부에 축적됨 7

8. 2.2FDB 스핀들 모터의 대전 (부도체의 대전) • 절연물의 절연 특성 • 정전기 완화 Q0: 초기 대전량 ρ : 체적저항률Ω·m K : 도전율(S/m) t h :반감 시간 : 시상수(완화시간) • OIL • 저항률:1011~1013 Ω·m • 비유전율:2.1 (공기의 유전율:8.854*10-12) 완화시간 17초이상 ※절연물이라고 해도 저항률은 무한대가 아니기 때문에 접지된 용기등에 접한 상태로 두면 완화 8

9. DC powersupply Winbell driver osilloscope HDD without a disk 3. 실험 방법: 통전 및 충·방전 거동 측정(1) • 회전부의 절연성 • 충·방전 거동 측정 DC powersupply Winbell driver HDD without a disk 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 2.5초간 0.5V를 가한 후 충·방전 거동을 오실로스코프로 측정 • -> 커패시터와 볼베어링시스템의 충 ·방전거동과 비교 분석 9

10. 3. 실험 방법: 커패시턴스의 계산(2) • 시상수를 이용한 커패시턴스 계산 10MΩ 0.5V T Fig. equivalent circuit of experimental setup Fig. behavior of charge and discharge of a capacitor T=RC (Time constant) • 회전부의 회전 때문에 LCR미터로 커패시턴스 측정불가능 하므로 시상수를 이용하여 구함 • - 파워 서플라이로 2.5초간 0.5V를 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) 10

11. osilloscope 3. 실험 방법:전위차 측정(3) • 오실로스코프로 전위차 측정 DC POWER SUPPLY Winbell drive HDD A HEAD Fig. Schematic drawing of experimental setup Fig. picture of experimental setup • 회전부의 회전 때문에 측정이 곤란하므로 전압프로브에 가는 전선을 연결하여 측정 • - 접촉식으로 인한 서서히 전위량 감소 • 파워 서플라이에서 전압을 회전부에 가한 뒤 통전 여부 판단 11

12. Oscilloscope Hydro meter Silicagel HDD without a head DC powersupply 3. 실험 방법: 전위차 측정(3) • 열챔버 이용 전위차 측정 Winbell driver Fig. picture of experimental setup Fig. Schematic drawing of experimental setup • 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 12

13. 4. 실험결과 및 토의: 통전 및 충·방전 거동 측정(1) • 회전부의 절연성 측정 • -모터 정지 시 • 0.5V인가 시 0.18A, 1V인가 시 0.4A • - 모터 구동 시 • 0.5V, 1V인가 시 0A(통전 되지 않음) • 다시 정지 시 통전 되지 않음. • - 오일의 절연 측정 • 오일(VADEN 309 WC) 통전 되지 않음. ※구동시회전부는 절연상태 ※정지시 통전 13

14. 정지 시 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 • 정지 시 - 회전 시: 회전부의 절연으로 캐패시터 기능 - 정지 시: 회전부의 통전으로 캐패시터기능 불가 Fig. behavior of charge and discharge of a HDD 14

15. 4. 실험결과 및 토의: 볼베어링과 비교(1) 0.5V 인가 인가해제 모터구동 Fig. behavior of charge and discharge of a ball bearing Fig. behavior of charge and discharge of FBD system • 회전시: R= 130KΩ • 정지시: R= 113 kΩ ※ 허브와 샤프트 사이 저항값이 낮아 전하 충전 불가 Fig. Schematic drawing of ball bearing system 15

16. 4 실험 결과 및 토의: 커패시턴스 계산(2) 확대 0.14s T=RC (Time constant) • C: 유체베어링의 커패시턴스 • R: 오실로스코프 전압 프로브의 저항(10MΩ) • T: 시상수(0.14s) • 커패시턴스의 계산: • C=0.14/(10*106)=14*10-9 16

17. 4 실험 결과 및 토의: 전위차 측정 결과(3) • Table .Experimental cases • 상대 습도 • Table. Voltage difference Experimental Cases 17

18. 4 실험 결과 및 토의: 전위차 측정(3) • 부하 하중 • Table. The quantity of accumulated charges Experimental Cases • Case1-2에 비해 case2-2의 전위차가 높으므로 부하 하중에 비례해서 전하 발생 • - Case3-2에 경우는 불평형 질량의 의한 진동으로 샤프트와 허브의 접촉으로 전하가 충전되지 않음 18

19. ~2V break down Fig. Equivalent circuit of the FDB HDD Fig. Inside of the FDB HDD Magnetic head FDB spindle Actuator arm Disk 4 실험 결과 및 토의: Static Control (4) • 방법 3 • - 허브와 디스크 닿는 부분에 코팅 • 개방회로 구성 • 캐패시터 구조변화 없음. • 방법 1 - 모터 내부에 브러쉬를 붙여 허브와 플렌 지에 전하 패스 형성 • 캐패시터의 방전 • 파티클 발생 • 방법 2 • - Oil에 전도성 물질 첨가(Ferrofluid) • 단락회로 구성 • 유체의 특성 변화 가능성 19

20. Static Control (4): ferrofulid Rotationary parts • 자성나노입자란 강자성을 띠는 입자로서 일반적으로 크기는 약 10nm • 산화철 • ex: Fe2O3, Fe3O4 • Ferrite:Fe3O4에서 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 Ferrofluid Oil Stationary parts <Schematic drawing of the structure of a 3.5" FDB spindle motor > 20

21. 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 nanofarad의 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. • ESD제어 방법 제안 - Ferrofluid를 이용하여 유체 베어링의 캐패시터 구조를 단락 시킴 21