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[추억의팁] 7편 동압유체베어링(HDB)에 대해..
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승인 2003.03.19  09:00:50
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추억의 팁....

 디지털 커뮤니티 테크노아가 하드웨어 벤치마크사이트로 여러유저들과 만난지도 어언 3년이 되고 있습니다. 그동안 테크노아도 내외부적으로 많은 변화가 있었고 힘들고 어려운 일도 많았지만 다재다능한 여러 기자들이 테크노아에서 열정을 쏟았기에 지금 보이는 모습을 갖출 수 있다고 생각합니다.

 '추억의 팁'란은 테크노아를 거쳐갔던 필자들의 노고를 기리고자 과거 그들의 글속에 숨겨져 있는 알찬 지식을 간단히 정리해 선보이려고 합니다.

 이글은 그 7번째 시간으로 Muphy님의 "FireballPlus AS" 리뷰 속에 있는 '동압유체베어링' 에 대한 내용입니다.

 - 동압유체베어링(HydroDynamic Bearing)에 대해..

참고 : 퀀텀사의 HDB에 대한 화이트페이퍼

 하드디스크 내부에 들어갈 수 있는 플래터의 장 수에는 제한이 있기 때문에 하드디스크 드라이브의 용량이 증가하기 위해서는 무엇보다도 플래터상의 기록밀도가 증가해야 한다. 그러나 기록밀도가 증가하면 증가할수록 하드디스크는 진동에 대단히 만감해진다. 기존에 사용되던 볼베어링 타입의 스핀들모터들은 고속, 고밀도의 하드디스크 드라이브에서는 진동과 소음이라는 측면에서 대단히 불리한 점을 가진다.

볼베어링의 단점


볼베어링의 구조

 일반적으로 금속제의 볼과 그리스로 이루어진 볼베어링은 아래와 같은 단점을 가지고 있다.

1. 소음

 볼베어링 모터에서 소음은 대단히 신경쓰이는 문제이다. 이러한 소음은 볼이 굴러가면서 다른 부분과 마찰하면서 일어난다. 물론 볼베어링이라는 구조의 특성상 슬리브베어링이나 롤러 베어링보다 접촉면적이 작기 때문에 소음 역시 작기는 하지만, 금속과 금속이 물리적인 접촉을 하는 이상 소음이 생기지 않을수가 없다. 특히, 이는 하드디스크 드라이브의 동작속도가 빨라질수록 증가하며, 또한 사용기간이 오래되면 취급시의 부주의 등으로 인해 베어링에 손상이 가고, 이것이 소음을 더욱 증가시킨다. 이러한 효과는 특히 오래된 7,200RPM 대의 하드디스크 드라이브들의 소음이 대단히 심해지는 경향에서 살펴볼 수 있다.

2. 일회성 헤드 이탈(Nonrepeatable Runout - NRRO)

 NRRO는 헤드의 트랙 이탈로 인해 생기는 오류의 가장 주요한 원인이다. 트랙 밀도가 증가하면 허용할 수 있는 범위의 헤드의 이탈이 줄어든다. 볼베어링에 쓰이는 각각의 볼이 완벽한 구가 아니며, 볼과 볼이 지나가는 면에 미세한 결함이 존재할 수 있기 때문에 NRRO를 유발시킬 수 있는 헤드의 이탈이 비주기적으로 발생하게 된다. 또한, 디스크 자체가 완벽한 원을 형성하고 있지 않다는 것도 회전축과의 불균형을 이루는 원인이다. 이것은 흔히 락킹(rocking), 혹은 자이로 모드라고 알려진 회전축의 비동기적이고 지속적인 세차운동을 만듦으로써 NRRO를 유발하는 또다른 요소를 제공한다. 자이로 모드와 베어링의 결함이 겹칠 경우 NRRO가 발생할 확률은 더욱 늘어난다.

HDB(HydroDynamic Bearing) 모터가 가지는 잇점


유체베어링의 구조
볼 대신에 점성을 가진 액상의 물질이 그 자리를 메꾸고 있다.

 HDB에는 통상적인 볼베어링에서 사용되는 금속 구 대신에 점성을 가지는 기름이 베어링으로 사용된다. 이들은 일반적인 볼베어링에 비해서 아래와 같은 점에서 큰 잇점을 가진다.

높은 정숙성

 볼베어링 모터의 경우 볼과 다른 부분의 직접 접촉하므로, 이 부분의 마찰에 의한 소음이 발생하며, 이것은 모터의 회전속도가 증가할수록 같이 증가한다. 반면에, HDB는 금속-금속의 접점이 존재하지 않기 때문에 베어링 자체로는 소음을 거의 발생시키지 않는다. 마찬가지 이유로, RPM의 증가로 인한 소음증가도 없다.

강한 내충격성

 HDB에서는 동작하는 부분 사이에 유막이 형성되어 있어서 이들을 분리한다. 이 유막은 외부에서 충격이 가해졌을 경우 충격을 흡수하여 베어링의 표면을 보호하는 역할도 수행한다. 통상적인 볼베어링 모터의 경우 200G까지의 충격에 견딜 수 있었지만, HDB를 사용한 모터는 이 2배인 약 400G까지의 충격에 견뎌낼 수 있다.

진동의 감소

 내/외부적인 진동들이 HDB에 의해 흡수된다. 진동의 흡수는 하드디스크의 성능에 대단히 중요한 역할을 하는데, 디스크의 표면에 데이터를 정확하게 읽고 쓸 수 있도록 한다.

낮은 NRRO

 볼베어링 모터에는 다수의 금속 구가 사용된다. 만약, 이들 구의 형태가 조금이라도 불완전하거나 볼이 지나가는 자리에 결함이 있을 경우, 모터가 구동될 때 NRRO를 유발시킬 확률이 높아진다. NRRO는 디스크 표면의 트랙밀도를 현저히 감소시키는 주원인이며, 이는 하드디스크 드라이브의 용량을 제한한다. HDB는 금속 구를 가지고 있지 않으며, 접촉면이 유막으로 되어 있기 때문에 이러한 이유와는 무관하다. 따라서 낮은 NRRO를 보인다.

피로수명의 증가

 볼베어링 내의 금속구는 하드디스크 내에서 모터가 회전하는동안 지속적으로 다른 금속면 위에서 굴러간다. 이는 금속구의 '금속 피로'를 일으키며, 금속 구의 피로도가 한계에 달할 경우 베어링은 기능을 상실한다. 피로수명은 이러한 금속피로에 의한 수명을 계산한 것인데, HDB의 경우 금속과 금속이 맞닿지 않기 때문에 이론상의 피로수명이 볼베어링에 비해서 월등히 증가한다.

 

(

 깁플의 소감.

 동압유체베어링(하이드로다이나믹 베어링..영어로 해도 길군요.--;)을 채용함으로써 소음, 충격,진동,오류의 감소와 함게 피로수명면에서 많은 장점을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었습니다.
 그나저나 글을 다 읽고 나니 볼베어링의 장점과 유체베어링의 단점이 궁금해집니다.^^

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이 기사에 대한 댓글 이야기 (13)
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김정헌
내용이 약간 벗어났는데요 바로 이런 소음이 외부로 전달되는 부분이 매우 큽니다. 우리가 듣는 주된 소음의 원인은 제가 판단하기엔 베어링에서 나는 부분보다는 바로 소리의 근원인 모터라 할수있습니다. 단 유체 베어링이 소음이 적은 이유는 근원지의 소음이 베어링 사이의 유체가 흡수제 역할을해서 다른 부분으로 퍼지는 것을 줄여주는 것도 있습니다. 유체 베어링과 볼 베어링의 회전시 나는 소음은 하드 전원이 나가는 순간을 들어보면 비교할 수 있습니다.
진동학이라는게 워낙 어려운 학문이라 저도 잘 모르지만 단단한 강체일수록 진동(즉 소음)발생이 어렵습니다. 유체 베어링이 마찰 소음은 적지만 모터에서 발생하는 소음을 잡아주는데는 더 불리할 듯 합니다. 소음이나 진동이 나는 물건(예-스피커)에 손을 대면 진동이 줄어들지요. 마찬가지로 볼 베어링이 소음을 잡아주는 역할도 할 수 있습니다.

이야기가 두서없이 진행되었는데요 제가 보기엔 앞으로 가공기술의 발달로 유체 베어링으로 전환이 될 것으로 보이긴 합니다. 하지만 하드의 소음을 더 줄일려면 모터의 동작 주파수를 높이던가 아니면 스텝모터가 아닌 서보모터로의 전환이 가능하다면 소음은 더욱 낮아질 듯 합니다.

(2004-09-28 05:46:56)
김정헌
먼저 이 이야기는 제가 배운 지식과 경험을 토대로 쓰는것입니다.
일단 소음은 발원지 부터 그 매개체를 통해 우리의 귀에 전달 되지요. 매개체는 바로 (하드디스크-문제의 쟁점)하드디스크의 플래터와 각종 기구 부품입니다.
우리가 소음을 느끼는 이유는 플래터가 회전할때의 공기와의 마찰에서 생기는 공명으로 인한 진동과 바로 회전 시키는 모터에서 주로 생깁니다. 어떤 분은 드르륵 하는 소리에 유체베어링과 볼 베어링을 연관시키시는데요 드르륵 소리는 바로 헤드를 구동시키는 부분에서 나는것입니다.(모터의 소리) 일반적으로 위치를 정하는 부분은 스텝모터라는 것을 쓰는데 이것은 동작시 특유의 소음이 있습니다.
그리고 일단 예를 하나 들겠습니다. 선풍기의 경우 전원을 넣을경우 처음에 윙윙윙~ 하는 소리가 들립니다. 나중에는 날개의 소리가 크지만 처음의 소리도 무시 못하지요. 이소리는 바로 전원을 끄면 갑자기 없어집니다. 바로 우리가 쓰는 전기 60Hz 의 교류전원이 모터의 코일(전기자)와 회전자와의 공명에서 나는소리입니다. 물론 120Hz의 전기를 우리가 쓴다면 더 높은 소리를 냅니다.(모기의 경우 소리가 높지요? 날개짓을 일초에 약 1700번 한답니다-잘 기억은 안남)

(2004-09-28 05:45:34)
kim0ki
컴퓨터 구입한지 1년 정도 됐는데...
그때는 베어링에 대해서 생각을 못해서 지금 후회중입니다. 쩝...
그 전부터 써 보던 하드중에 IBM하드 디스크가 좋다는 인식이 있어서 베어링 소음 문제 같은것 고려하지도 않고, 다른 시게이트나 웬디보다 약간더 비싼데도 불구하고 IBM을 샀거든요.
구형 하드보단 조용하긴 하지만 시게이트와 비교해서 무척 시끄러운 편이더군요. 그 이유를 이제서야 알다니... ㅡㅡ;;
볼 베어링을 쓰면 하루종일 컴터 켜 놓는것도 나쁘겠네요? 이룬... 후회 막심이네.


(2003-04-27 00:13:26)
haisne
유체 베어링의 단점은 유체의 특성상..
압력에 취약하다는 것입니다. 즉 회전축(샤프트)와
외부 베어링 사이의 간극이 존재하는데 이곳을 유체가 메우고 있습니다. 그렇지만 힘이 쏠리거나 할때 축이 중심에서 치우친다는 단점이 있습니다. 이것은 결국 마모가 일어나게 되면 더욱 심해지고 결과적으로
축의 흔들림이 일어나게 됩니다..
볼베어링은 제작과정에서 볼과 외륜 내륜(회전하는 통)이 약간의 끼임을 형성하기 때문에 일정 마모후까지 흔들림을 잡아줄수 있다는 장점이있습니다.
그러므로 꼭 유체 베어링이 좋을순 없습니다..이런 문제 때문에 하드디스크 같은 곳에 쉽게 유체 베어링을 선택할수 없는것이구요..물로 값은 더 싸지요..비싼 유체 베어링은 정압유체 베어링이라는게 있는데 이건 구조도 복잡하답니다..

(2003-04-22 23:41:11)
yans95
감사합니다.
무소음 시스템을 구축하기 위해 노심초사했는데,,

정말 감사합니다.

(2003-04-22 22:16:59)
zcool
그런데 예전의 쿼텀하드의 소리가 대단하지요.
(2003-03-19 17:01:59)
khinchin
유체라면 수평을 유지해야 되는거 아닌가...
읽어보고도 잘 이해가 안되네..
공부 좀 더 해야 겠다..

(2003-04-02 20:46:29)
ihb1009
ADDA인가?
잘만하고 지엠코퍼에 OEM하는 업체가?

거기는 유체베어링을 이용한 펜으로 유명하더군요

하드에는 많이 쓰이지만 케이스팬에서는 드물죠

(2003-03-25 13:49:43)
blade3a
유체베어링......
그냥 볼베어링 대신 기름같은걸 쓴거 라는 정도만 알고있었는데, 덕분에 자세히 알게 되었네요.
감사합니다^^

(2003-03-23 09:43:13)
saintip
하드가 지면과 평행하지 않을 경우 작동을 시키면 회전력으로 평행을 유지할 때 까지 떨림이 발생하지 않나요? 볼베어링은 단단하게 베어링이 잡고 있어서 약간 기울어도 웬만큼은 작동이 될것 같습니다.
단. 장시간 하드가 기울어진 채로 작동할 경우 볼베어링이 마모될 우려가 있겠죠.
마모가 되는 시각부터 급속도로 소음이 발생할 것으로
추정됩니다.
유체베어링은 기울어 질 경우 계속적인 떨림을 발생하거나 고속의 회전력으로 평행선을 유지할 때 까지 진동으로 인한 소음을 발생하겠죠?
하드제조업체에서는 약간의 기울임은 하드디스크 내부에서 자동으로 수평을 유지하게끔 하면 좋으련만...
그러면 바로 소음의 감소로 이어질텐데.
중력으로 인해 발생되는 인력을 알구 있으면 되는데... 플래터와 지면과의 평행을 유지하여 작동이 된다...? 뭐 이런 것이죠.
이 부분도 유체로 가능할 것 같기도 한데...
허접 아이디어 였습니다.

(2003-03-21 02:30:01)
saintip
볼베어링의 경우 온도가 올라가면 온도로 인해서 볼의 부피가 커진다거나 약해진다거나 할텐데...
고속동작시 볼들의 마찰로 인하여 소음이 발생하겠죠.
장시간 이용시 한계이상이 열이 발생하면 자칫 볼베어링이 망가질 수도 있겠죠.
아마 이런점 때문에 아범하드는 오랫동안 돌리지 말라구 하였던 것이 아닌지...
볼베어링의 장점이라면 고속의 회전이 가능한 것이겠죠. 튼튼한 볼이 플래터의 회전의 안정성을 보장해 주
니까요.
볼베어링이 열을 받아 팽창하게 될텐데... 각각의 볼들이 열팽창계수(?)가 다를경우 플래터의 회전이 불안정해지거나 볼베어링이 파손될 수도 있겠죠?
그래서 열팽창계수가 같은 금속(?)을 사용해서 볼베어링을 만들어야 하는데...
아마도 재료비가 비싸겠죠? 하드가 비싸지는 원인이 아닌가 생각됩니다.
유체베어링의 경우는... 볼베어링보다는 단가가 싸겠죠?
그리구 고속회전이 힘들다고 하였는데... 플래터를 구성하는 금속물질의 상태가 좋고 좌우가 정확이 대칭되면 고속회전시에도 원심력에 의한 회전이 안정적이 되겠죠. 이것은 플래터당 용량이 증가될수록 좋은 점으로 작용할 것으로 판단됩니다. 맞는지...?
플래터가 좋지 않으면 회전중 부르르 떨린다거나 하지요. 밀도의 평행(?)이 이루어지지 않아서 그런 것이겠죠?
플래터의 저장기술이 발달될 수록 대부분의 하드제조사들이 유체베어링으로 이전할 것 같습니다.
유체베어링의 또다른 단점(?)이라면 회전중의 충격의
문제점인데... 아마 볼베어링보다 고정하는 힘이 적기에 약간의 충격에도 읽기나 쓰기에 않좋은 현상이 발생할 수 있겠지요. 하지만 충격으로 인해서 볼이 망가지거나 하는 일은 발생하지 않으니 단점이라고 볼수도 없구요. 유체베어링에 사용되는 유체를 개발하여
볼 베어링에 가까운 고정력을 얻을 수도 있겠지요.
유체베어링 하드 디스크의 소음을 듣고 싶을 경우에는 스펀지에 하드를 올려놓구 하드안에 파일을 가득 담구 장시간을 사용하면 볼베어링과 유체베어링의 차이점을 느낄 수 있습니다.
유체베어링 하드를 사용하는데 소음이 심한 이유의 대부분은 하드에서 발생하는 진동이 케이스전체로 울리기 때문입니다. 가격이 싼 얇은 금속을 사용한 케이스에서 많이 발생합니다.
케이스가 진동하는 현상은 별루 좋지 않습니다. 하드의 엑세스에 안좋은 현상을 끼칩니다.
예로 책을 읽는데 흔드림이 있으면 불편하듯이 진동은 볼베어링이나 유체베어링 둘다 않좋습니다.
유체베어링의 경우 진동에서는 볼베어링보다 고정력이
떨어지기 때문이지요.
만일 유제베어링 하드를 사용하는데 시끄럽다면 스펀지 위에 하드를 올려놓구 사용하여도 꽤 괜찮을 것 같습니다. 아마 거의 소리가 들리지 않을 것이라는...

(2003-03-21 02:21:11)
sagitari
예전에 제가 쓰던 6.4GB 짜리 퀀텀 하드...

큭~! 그 소음과 드르륵~! 거림에

잠못 이루던(?) 밤이 많았죠.. ^^;

이런 기능으로 소음을 감소시키는군요..

잘 봤습니다.

(2003-03-21 12:50:52)
hellgate
제어가 어렵게 되죠.

특히 고속도로 회전할 경우에 평형유지문제라던지..

플래터가 정지되어야 할 부분에 서지 않고,
약간 더 나간다던지...

이런 문제점이 있긴 합니다...

뭐 대신에 단점보다 장점이 더 많아서...

(2003-03-19 22:34:39)
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