[리뷰] FireballPlus AS - 1. 동압유체베어링

FireballPlus AS 제품군이 채용하고 있는 정숙성을 높이기 위한 기술은 두가지로 요약된다. 하나는 퀀텀사 자체적으로 개발한 QDT(Quiet Drive Technology)라는 것이며, 또하나는 시게이트, 후지쯔 등의 회사에서 사용하고 있는 동압유체 베어링이다. 이들에 대해서 알아보도록 하자.

동압유체베어링(HydroDynamic Bearing - HDB)

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 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.