HDD용 스핀들 모터에 사용되는 유체동압베어링의 유체 누설과 기포 저감을 위한 공기-윤활유체 이상 유동 해석

Abstract

유체동압베어링 (fluid dynamic bearing, FDB)은 볼베어링에 비해 저소음, 저진동 특성을 갖기 때문에 컴퓨터 하드디스크드라이브 (HDD)와 같은 초소형 정밀회전기기에 널리 이용된다. 그러나, 유체동압베어링의 약점 중 하나로, 유체동압베어링의 윤활유체의 누설에 의해 HDD의 신뢰성이 저하될 수 있다. 외부 가진 또는 작동 조건에 의해 유체 누설에 발생될 수 있으며, 누설된 유체 입자가 정보가 쓰여있는 디스크 위에 놓이게 되면 정보를 읽을 수 없게 되는 치명적인 문제가 발생된다.

또한 유체동압베어링의 다른 약점으로는 유체동압베어링의 윤활유체 안에 발생된 기포로 인한 불안정성이 발생될 수 있다. 불완전한 유체 주입 또는 외부 가진에 의해 유체동압베어링의 내부 윤활 유체 안에 기포가 발생될 수 있으며, 작동하는 유체동압베어링 안의 기포는 비반복적인 진동성분 (non repearable runout, NRRO)과 유체동압베어링의 강성계수를 감소를 일으킬 수 있다. 따라서, 유체동압베어링의 유체 누설과 내부 기포 저감을 위한 유체동압베어링의 설계에 대한 연구는 중요하다.

본 논문에서는 유체동압베어링의 유체 누설과 내부 기포 거동을 묘사할 수 있는 공기-윤활유체의 이상 유동 해석방법을 제안하였다. 유체동압베어링의 내부 유동장은 Navier-Stokes 방정식과 연속방정식을 통하여 계산된다. 공기-윤활유체의 이상 유동은 VOF 방법을 통해 구현한다. 이상 유동 해석의 수치해석을 위해서는 유한체적법이 사용된다.

제안된 해석방법을 이용하여 HDD용 유체동압베어링의 비작동시 충격에 의한 유체 누설과 작동시 원심력에 의한 유체 누설을 해석하였다. 해석결과는 실험과 다른 연구자들의 결과와 비교를 통해 검증되였다. 그리고 유체동압베어링의 작동 조건 및 실 설계변수가 유체 누설에 미치는 영향에 대해 고찰하였으며, 유체 누설 저감을 위한 유체동압베어링의 설계에 대해 토의하였다.

또한 제안된 해석방법을 이용하여 유체동압베어링의 내부 기포 거동을 해석하였다. 유체동압베어링의 설계변수와 작동 속도가 내부 기포 거동 및 배출에 주는 영향에 대해 연구하였으며, 그 결과를 토대로 내부 기포 저감을 위한 유체동압베어링의 설계안을 제시하였다.