KR20060085870A - 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능평가장치 - Google Patents
하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능평가장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20060085870A KR20060085870A KR1020050006830A KR20050006830A KR20060085870A KR 20060085870 A KR20060085870 A KR 20060085870A KR 1020050006830 A KR1020050006830 A KR 1020050006830A KR 20050006830 A KR20050006830 A KR 20050006830A KR 20060085870 A KR20060085870 A KR 20060085870A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- particles
- electrode
- particle
- sampling
- body part
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 293
- 238000005070 sampling Methods 0.000 title claims abstract description 86
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 title abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 18
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 8
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 7
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 7
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 238000010291 electrical method Methods 0.000 claims description 3
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 abstract description 3
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 13
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 9
- MIMDHDXOBDPUQW-UHFFFAOYSA-N dioctyl decanedioate Chemical compound CCCCCCCCOC(=O)CCCCCCCCC(=O)OCCCCCCCC MIMDHDXOBDPUQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000001941 electron spectroscopy Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 8
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 2
- 239000012717 electrostatic precipitator Substances 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000682 scanning probe acoustic microscopy Methods 0.000 description 2
- APSBXTVYXVQYAB-UHFFFAOYSA-M sodium docusate Chemical group [Na+].CCCCC(CC)COC(=O)CC(S([O-])(=O)=O)C(=O)OCC(CC)CCCC APSBXTVYXVQYAB-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 1
- 230000002393 scratching effect Effects 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
- G01N15/0211—Investigating a scatter or diffraction pattern
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0266—Investigating particle size or size distribution with electrical classification
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/1031—Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
- G01N15/1404—Handling flow, e.g. hydrodynamic focusing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
- G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
- G01N23/227—Measuring photoelectric effect, e.g. photoelectron emission microscopy [PEEM]
- G01N23/2276—Measuring photoelectric effect, e.g. photoelectron emission microscopy [PEEM] using the Auger effect, e.g. Auger electron spectroscopy [AES]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
- G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Abstract
본 발명은 하드디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능 평가장치에 관한 것으로, 하드 디스크 드라이브내에서 발생하는 마이크로 및 서브 마이크로 크기의 입자상 물질들을 저 유량에서 손실 없이 포집하고 샘플링된 입자들을 추가적인 작업 없이 전자 현미경, 오제이 전자 분광기 등으로 분석할 수 있는 효과가 있다.
이를 위한 본 발명에 의한 입자 샘플러는 상하부가 관통된 원통 형상을 가지며 측면에 배출구가 형성되고 양전극을 형성하는 몸체부; 상기 몸체부 상부의 내경에 설치되는 노즐을 일측에 구비하며 하드 디스크 드라이브 내부의 샘플링 공기에 포함된 입자들을 유입하여 상기 노즐을 통해 상기 몸체부의 내부로 배출하는 유입관; 상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며, 상기 몸체부의 내부로 유입된 입자를 포집하는 탈부착이 가능한 샘플링 기판을 구비하고 상기 샘플링 기판으로 음전극을 전송하는 전극; 상기 몸체부의 배출구에 설치되며 상기 샘플링 기판에 포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하는 배출관; 상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 중앙에 형성된 구멍에 상기 전극을 일측 방향에서 끼워서 고정하도록 비전도성 물질로 구성된 바닥 커버; 및 상기 바닥 커버의 타측에 돌출된 상기 전극을 체결하여 고정하며 상기 전극으로 전원을 공급하는 나사;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
입자, 샘플러, 하드디스크 드라이브, 오염물질, 샘플링 기판
Description
도 1은 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러의 구성도
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러의 단면도 및 치수도
도 3은 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러의 성능평가를 위한 실험장치도
도 4a는 도 3의 성능평가를 위한 실험장치를 이용한 샘플링 유량이 0.3 lpm일때 본 발명에 의한 입자 샘플러의 성능평가 그래프도
도 4b는 도 3의 성능평가를 위한 실험장치를 이용한 샘플링 유량이 1.5 lpm일때 본 발명에 의한 입자 샘플러의 성능평가 그래프도
도 5는 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염 물질 포집을 위한 입자 샘플러의 실제 하드 디스크 드라이브내부에서 발생하는 입자의 포집 성능평가를 위한 실험장치도
도 6a는 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염 물질 포집을 위한 입자 샘플러를 이용해 실제 하드 디스크 드라이브내부에서 발생하는 입자들을 0.3 lpm으로 포집해 얻은 포집 효율 성능평가 결과 그래프도
도 6b는 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염 물질 포집을 위한 입자 샘플러를 이용해 실제 하드 디스크 드라이브내부에서 발생하는 입자들을 1.5 lpm으로 포집해 얻은 포집 효율 성능평가 결과 그래프도
도 7a는 전자 현미경을 이용해 하드 디스크 드라이브내 슬라이더 면에 부착된 오염물질을 찍은 확대사진도
도 7b는 오제이 전자 분광기를 이용해 도 7a에서의 오염물질의 성분을 분석한 결과 그래프도
도 8a는 전자 현미경을 이용해 하드 디스크 드라이브내 다른 슬라이더 면에 부착된 오염물질 찍은 확대사진도
도 8b는 오제이 전자 분광기를 이용해 도 8a에서의 오염물질의 성분을 분석한 결과 그래프도
도 9a는 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질을 포집한 확대사진도
도 9b는 본 발명의 샘플링 기판에 부착된 입자상 오염물질을 오제이 전자 분광기를 이용해 성분 분석 한 결과 그래프도
도 10은 본 발명을 이용해 하드 디스크 드라이브내부에서 디스크 회전수 변화에 의해 발생되는 입자상 오염물질의 크기 분석을 위한 실험장치도
도 11a 내지 도 11d는 하드 디스크 드라이브의 디스크 회전수가 각각 2700, 5400, 7200, 9600 rpm일 때 입자 샘플러의 샘플링 기판에 포집된 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생한 입자상 오염물질을 전자 현미경으로 측정한 확대사진도
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10 : 입자 샘플러(particle sampler) 11 : 몸체부
12 : 유입관 13 : 노즐(nozzle)
14 : 배출관 15 : 전극(electrode)
16 : 샘플링 기판(Sampling plate)
17 : 바닥 커버(Bottom cover)
18 : 나사 19 : 와셔
20 : 청정 공기 공급 시스템 21 : 분무 입자 발생기
22 : 수분 제거기 23 : 필터
24 : 확산 건조기 25 : 중화기
26 : 전기적 이동도 분석기(differential mobility analyzer: DMA)
27 : 희석관(dilution chamber)
28, 55 : 니들 밸브(needle valve)
29 : 유량계(rotameter)
30, 44 : 응축핵 계수기(condensation particle sizer: CPC)
31, 54 : 전원 공급기
41, 51 : 모터 제어용 컴퓨터 42, 52 : 필터
43, 53 : HDD(CSS-type) 45 : 전원 공급기
56 : 진공펌프
본 발명은 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러(particle sampler) 및 그 입자 샘플러의 성능 평가장치에 관한 것으로, 특히 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 물질의 크기에 관계없이 입자를 포집하고 샘플링된 입자들을 추가적인 작업 없이 전자 현미경, 오제이 전자 분광기 등으로 분석할 수 있는 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능 평가장치에 관한 것이다.
오늘날 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive: HDD)는 매년 저장용량과 저장밀도가 비약적으로 증가함에 따라 그 신뢰성에 대한 중요성이 부각되어 오는 추세이다. 하드 디스크 드라이브의 신뢰성에 결정적인 영향을 미치는 요소 중에 한가지가 바로 입자오염에 관한 사항이다. 하드 디스크의 저장용량을 증가시키기 위해서는 헤드-디스크 인터페이스(Head Disk Interface: HDI)에서의 슬라이더 부상 높이(flying height) 감소가 필수적인데, 최근에는 그 높이가 수 ㎚로 감소하게 되어 슬라이더와 디스크 사이에서의 긁힘 또는 표면 변형 등의 현상이 일어나며 입자가 발생되고 있다. 또한 입자들은 하드 디스크 드라이브의 조립과정에서도 내부로 유 입이 가능하다. 이러한 입자들은 공기의 흐름에 따라 움직이다가 디스크의 표면에 붙거나, 헤드에 충돌 또는 부착하게 되어, 순간적으로 슬라이더에 열을 발생시켜 자기 저항(magneto resistive) 센서의 데이터 손실을 일으키는 현상인 열점 현상(thermal asperity)을 발생시킨다. 따라서 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자들의 특성을 분석하는 것은 입자오염 저감에 꼭 필요한 부분이다.
입자를 분석하는 방법은 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy: SEM), 오제이 전자 분광기(Auger Electron Spectroscopy: AES)등 여러 장비들을 사용하게 되는데, 현재까지의 기술로는 입자 발생의 근원지에서 직접 실시간으로 입자를 분석하는 것은 불가능하다. 따라서 간접적인 방법인 샘플링 방법을 이용하여 시편을 만들고, 측정기기에 옮겨서 정성적 또는 정량적인 분석을 해야 한다.
입자를 샘플링하는 방법에는 몇 가지 종류의 방법이 있다. 우선 임팩터(impactor)를 사용하는 방법인데, 이 방법은 주로 대기중의 미세입자의 농도를 측정하는데 사용된다. 현재 임팩터를 이용한 샘플링 방법은 실시간으로 대기중 또는 매연중의 입자의 개수를 측정하는 데에 주로 목적을 두고 제작된다. 따라서 샘플링 유량이 많고, 기기 자체의 부피가 크다. 따라서 샘플링 한 입자를 분리하여 전자 현미경, 오제이 전자 분광기 등과 같은 정밀측정 기기를 이용해 포집된 입자상 물질을 분석할 경우 추가적인 작업이 필요해 용도에는 적합하지 않다. 또 다른 샘플링 방법으로는 필터를 이용한 입자 포집 방법이 있는데, 샘플링 특성에 따라 섬유필터(fabric filter) 또는 맴브레인 필터(membrane filter)등이 사용된다. 이 방법은 비교적 간단한 방법으로 입자들을 샘플링 할 수 있으나, 샘플링 시 압력강하 또 는 필터의 손상 가능성 등의 문제가 발생하고, 정밀분석기기에서 분석을 하고자 할 때, 정해진 시편의 크기로 맞춰주기 위해 절단 등의 추가적인 작업들이 필요해 작업 중에 샘플링 된 입자가 손실 되거나 손상되는 등의 단점이 있다.
이와 같은 점들을 보완하기 위하여 종래에는 전기집진 방식을 도입한 샘플러가 연구 제작된 바 있다. 하지만 샘플링 하고자 하는 입자들이 주로 대기중에 존재하는 입자였기 때문에 충분한 입자 농도를 기준으로 제작되고 하전기와 같은 추가적인 입자 대전 부분이 필요하다. 또한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 물질 샘플링을 위해서는 입자의 대상이 하드 디스크 드라이브 내부 발생 입자이기 때문에 발생 입자의 농도가 매우 적어 샘플링 시 입자 손실이 최소화 되어야 하고 오제이 전자 분광기나 전자 현미경 등의 분석을 위해 입자가 포집되는 부분을 최소화해야 한다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 하드 디스크 드라이브내에서 발생하는 마이크로 및 서브 마이크로 크기의 입자상 물질들을 저 유량에서 손실 없이 포집하고 샘플링된 입자들을 추가적인 작업 없이 전자 현미경, 오제이 전자 분광기 등으로 분석할 수 있는 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능 평가장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 입자 샘플러는 상하부가 관통된 원통 형상을 가지며 측면에 배출구가 형성되고 양전극을 형성하는 몸체부; 상기 몸체부 상부의 내경에 설치되는 노즐을 일측에 구비하며 하드 디스크 드라이브 내부의 샘플링 공기에 포함된 입자들을 유입하여 상기 노즐을 통해 상기 몸체부의 내부로 배출하는 유입관; 상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 상기 몸체부의 내부로 유입된 입자를 포집하는 샘플링 기판을 구비하고 음전극을 형성하는 전극; 상기 몸체부의 배출구에 설치되며 상기 샘플링 기판에 포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하는 배출관; 상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 중앙에 형성된 구멍에 상기 전극을 일측 방향에서 끼워서 고정하도록 비전도성 물질로 구성된 바닥 커버; 및 상기 바닥 커버의 타측에 돌출된 상기 전극을 체결하여 고정하며 상기 전극으로 전원을 공급하는 나사;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유입관, 상기 배출관, 상기 전극, 상기 몸체부는 전도성 물질로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샘플링 기판은 얇은 알루미늄, 구리 기판, 전도성 기판 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샘플링 기판은 그 직경이 상기 전극의 직경과 같거나 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 샘플링 기판은 상기 전극에서 탈부착이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유입관, 상기 배출관 및 상기 바닥 커버는 상기 몸체부와 탈부착이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 입자 샘플러는 상기 샘플링 기판에 포집되는 입자들 중 1㎛ 이하의 서브 마이크론 영역의 입자는 전기장에 의해 대부분 포집되며, 1㎛ 이상의 마이크론 영역의 입자는 입자의 관성력에 의해 대부분 포집되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 입자 샘플러의 성능 평가장치는 공기 중에 포함된 입자 및 수분을 여과하여 청정상태로 만든 후 압축공기로 배출하는 청정공기 공급 시스템; 상기 청정공기 공급 시스템으로 부터의 압축공기를 입자 상태로 만들어 고압 및 고속 상태로 배출하는 분무입자 발생기; 상기 분무입자 발생기로부터 배출된 입자에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기 및 확산건조기; 상기 확산건조기로부터 배출된 입자를 볼츠만 대전 평형의 상태로 만드는 중화기; 상기 중화기로부터 배출된 여러 입경의 입자들을 전기적인 방법에 의해 원하는 크기의 단일 입경의 입자들로 선택 발생시켜주는 전기적 이동도 분석기(DMA); 상기 DMA로부터 배출된 단일 입경의 입자들의 농도를 희석시키는 희석관; 상기 희석관으로부터 배출된 입자들을 주입하여 포집하되, 서브 마이크론 영역의 입자는 전기장에 의해 포집하고, 마이크론 영역의 입자는 입자의 관성력에 의해 포집하는 입자 샘플러; 상기 입자 샘플러에서 포집되지 않은 입자들을 주입하여 샘플링 효율을 측정하는 응축핵 계수기; 및 상기 입자 샘플러로 전기장을 공급하는 전원 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 입자 샘플러는 상하부가 관통된 원통 형상을 가지며 측면에 배출구가 형성되고 양전극을 형성하는 몸체부; 상기 몸체부 상부의 내경에 설치되는 노즐을 일측에 구비하며 하드 디스크 드라이브 내부의 샘플링 공기에 포함된 입자 들을 유입하여 상기 노즐을 통해 상기 몸체부의 내부로 배출하는 유입관; 상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 상기 몸체부의 내부로 유입된 입자를 포집하는 샘플링 기판을 구비하고 음전극을 형성하는 전극; 상기 몸체부의 배출구에 설치되며 상기 샘플링 기판에 포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하는 배출관; 상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 중앙에 형성된 구멍에 상기 전극을 일측 방향에서 끼워서 고정하도록 비전도성 물질로 구성된 바닥 커버; 및 상기 바닥 커버의 타측에 돌출된 상기 전극을 체결하여 고정하며 상기 전극으로 전원을 공급하는 나사;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러(10)의 구성도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러의 단면도 및 치수도이다.
상기 입자 샘플러(10)는 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 몸체부(11), 유입관(12), 노즐(13), 배출관(14), 전극(electrode)(15), 샘플링 기판(sampling plate)(16), 바닥 커버(bottom cover)(17), 나사(18), 와셔(19) 등으로 구성된다.
여기서, 상기 몸체부(11)는 상하부가 관통된 원통 형상의 도전성 물질로 구성되며 측면에 상기 배출관(14)을 설치하기 위한 배출구(11a)가 형성되어 있고 전 원 공급기(미도시)로부터 전원을 공급받아 양(+)전극을 형성한다.
그리고, 상기 유입관(12)은 일측에 노즐(13)을 구비하고 있으며, 상기 노즐(13)은 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 몸체부(11) 상부의 내경에 설치되도록 구성되어 있다. 따라서, 상기 유입관(12)은 하드 디스크 드라이브 내부의 샘플링 공기에 포함된 입자들을 유입하여 상기 노즐(13)을 통해 상기 몸체부의 내부로 배출한다.
또한, 상기 전극(15)은 상기 바닥 커버(17)에 의해 상기 몸체부(11) 하부의 내경에 설치되며, 상기 노즐(13)을 통해 상기 몸체부(11)의 내부로 유입된 입자를 포집하는 샘플링 기판(16)을 일측에 구비하고 있다. 여기서, 상기 전극(15)을 상기 바닥 커버(17)에 고정하는 방법은 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 바닥 커버(17)의 중앙에 형성된 구멍에 상기 전극(15)을 끼운 다음 상기 바닥 커버(17)의 반대편 방향에서 돌출되어 나온 상기 전극(15)에 와셔(19)를 끼운 다음 나사(18)로 체결하여 고정한다. 이때, 상기 바닥 커버(17)는 상기 몸체부(11) 하부의 내경에 설치되며 중앙에 형성된 구멍을 통해 상기 전극을 끼운 다음 나사로 상기 전극을 고정하도록 비전도성 물질로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극(15)은 전도성 물질로 구성되며 전원 공급기(미도시)로부터 전원을 공급받아 음(-)전극을 형성한다.
상기 배출관(14)은 상기 몸체부(11)의 배출구(11a)에 설치되며 상기 샘플링 기판(16)에 포집되지 않은 상기 몸체부(11) 내부의 입자들을 외부로 배출한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 샘플링 공기에 포함되어 있는 입자들이 상기 유 입관(12)을 지나 내부의 노즐(13)을 통해 상기 몸체부(11)의 내부로 유입된다. 이때, 유입된 입자들의 일부는 상기 샘플링 기판(16)에 포집되고, 나머지 포집이 되지 않은 입자들은 상기 배출관(14)을 통해 샘플러 외부로 배출되게 된다.
상기 입자 샘플러의 크기는 도 2b를 참조하여 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 즉, 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 몸체부(11)의 직경(DR)은 18mm, 상기 유입관(12) 및 배출관(14)의 직경(DO)은 6mm, 상기 전극(15)의 직경(DW)은 7.6mm, 상기 노즐(13)의 직경(W)은 0.49mm, 상기 전극(15)과 상기 노즐(13)과의 거리(S)는 0.8mm이다.
상기 샘플러의 각 부분의 재료를 살펴보면, 상기 유입관(12), 상기 배출관(14), 상기 전극(15)은 알루미늄(Al) 재질을 사용하며, 전원 공급기(미도시)로부터 (+) 또는 (-)의 전원이 공급되어 전기적인 힘에 의해 샘플링 기판(16)에 대전된 입자를 포집할 수 있게 하였다. 상기 샘플링 기판(16)은 얇은 알루미늄, 구리 기판 또는 전도성 기판을 사용할 수 있으며, 상기 몸체부(11), 상기 유입관(12), 상기 배출관(14), 상기 전극(15) 또한 전도성 재료를 사용할 수 있다.
상기 샘플러의 몸체부(11)는 상기 유입관(12), 상기 배출관(14) 및 상기 전극(15)과 동일한 알루미늄(Al) 또는 전도성 재질을 사용해 접지 역할을 한다. 그리고 상기 바닥 커버(17) 부분은 전기가 통하지 않도록 비전도성 플라스틱 재료를 선택하였으며, 상기 전극(15)과 상기 바닥 커버(17)를 고정하고 공급전원을 공급하기 위해 나사(18)로 체결하였다.
다음은 본 발명 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염 물질 포집을 위한 입자 샘플러의 성능 평가에 대한 설명이다.
본 실험을 위해 제작된 입자 샘플러의 포집 효율에 영향을 미치는 실험요소로써, 샘플링 유량과 입자의 크기, 외부에서 인가된 전기장의 세기, 그리고 입자의 대전량이 있다. 그런데 입자의 대전량의 경우, 하전기(charger)를 통해 대전시키게 되면 입자의 크기에 따라 대전량이 변하게 되므로, 본 실험에서는 동일한 대전량에 대해 성능평가를 실시하였다. 하지만 샘플링 유량과 입자의 크기는 변화를 주어, 샘플링 효율의 변화를 측정하였다.
상기 입자 샘플러(10)의 성능평가를 위한 실험장치는 도 3과 같다.
상기 실험장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 청정공기 공급 시스템(20), 분무입자 발생기(atomizer)(21), 수분 제거기(water trap)(22), 필터(23), 확산 건조기(diffusion dryer)(24), 중화기(neutralizer, Kr85)(25), 전기적 이동도 분석기(Differential Mobility Analyzer: DMA)(26), 희석관(dilution chamber)(27), 니들 밸브(needle valve)(28), 유량계(rotameter)(29), 응축핵 계수기(condensation particle sizer: CPC)(30), 전원 공급기(31) 등으로 구성되어 있다.
상기 청정공기 공급 시스템(20)을 통과한 압축공기는 공기 중에 포함된 입자 또는 수분 등이 여과되어 청정상태로 상기 분무입자 발생기(21)로 공급된다. 상기 분무입자 발생기(21)에는 염화 나트륨(NaCl)과 증류수의 혼합물 또는 다이옥틸 세바카트(dioctylsebacate: DOS) 입자와 알코올의 혼합물이 담겨있는데, 청정공기가 상기 분무입자 발생기(21) 내부의 오리피스(orifice)를 통과하면서 고압/고속 상태 로 내부 벽면으로 분사된다. 이때 분사된 혼합용액은 상기 분무입자 발생기(21)의 내부 벽면에 강하게 충돌하면서 매우 작은 입자상태로 깨어지고, 높은 압력에 의해 용기의 외부로 배출된다. 이와 같이 상기 분무입자 발생기(21)에서 발생된 입자들은 상기 수분제거기(22)와 상기 확산건조기(24)를 지나며 수분 등이 제거되고, 입자들은 다시 상기 중화기(25)를 통과하며 볼츠만 대전 평형(Boltzmann charge equilibrium)의 상태로 상기 전기적 이동도 분석기(DMA)(26)에 공급된다.
상기 전기적 이동도 분석기(DMA)(26)는 상기 분무입자 발생기(21)에서 발생된 여러 입경의 입자들을, 전기적인 방법에 의해 원하는 크기의 단일 입경의 입자들로 선택 발생시켜주는 역할을 하며, 장치의 외부로 방출시 대전량이 (+)1가의 동일한 상태로 만든다. 이처럼 선택 발생된 단일입경의 입자들은 상기 희석관(27)을 지나며 농도가 희석된 상태로 상기 입자 샘플러(10)로 주입된다. 이때, 상기 입자 샘플러(10)에서 포집되지 않은 입자들은 상기 입자 샘플러(10)의 외부로 배출되어 최종적으로 상기 응축핵 계수기(CPC)(30)로 주입되어 개수가 측정된다. 이때, 샘플링 효율 측정은 입자 샘플러를 통과하지 않고 직접 응축핵 계수기로 바이패스(bypass) 시켰을 때의 입자의 농도와 샘플러를 통과 시키고 난 후의 측정된 입자의 농도 데이터를 가지고 계산하였다.
상기 입자 샘플러(10)의 성능평가는 상기 응축핵 계수기(30)의 고유한 샘플링 유량인 0.3 lpm과 1.5 lpm의 두 가지 모드에서 실시하였으며, 결과는 도 4a 및 도 4b와 같다. 상기 두 가지 유량 모두에서 동일한 입자 크기 영역인 50 ㎚로부터 400 ㎚까지 측정하였는데, 50 ㎚ ~ 150 ㎚ 크기의 입자는 NaCl을 사용하였고 150 ㎚ ~ 400 ㎚의 입자는 다이옥틸 세바카트 입자를 사용하였다. 외부에서 인가해 준 전압 또한 0 kV로부터 0.5 kV까지 동일한 변화를 주었다.
우선 도 4a를 참조하여 설명하면, 입자의 크기와 샘플링 효율은 반비례의 관계에 있으며 외부 인가 전압과 샘플링 효율은 비례 관계가 있음을 알 수 있는데, 이 결과는 일반 전기집진기(electrostatic precipitator, ESP)의 집진 효율과 비슷한 경향을 보이는 것이다. 따라서 도 4b에서도 200 ㎚ 이하의 입경영역에서는 도 4a와 비슷한 결과를 보이지만, 전체적인 효율은 감소하였다. 이는 샘플러 내부에서의 유량의 증가로 인하여 입자의 체류시간이 짧아지기 때문에 발생하는 현상으로 판단된다. 하지만 입경이 200 ㎚ 이상의 영역에서는 감소하던 샘플링 효율이 급격히 증가하는 현상을 관찰할 수 있는데, 이러한 현상은 샘플러 내부에서의 유량 증가로 인해 노즐에서의 단면속도가 증가하였기 때문에 발생하는 현상이다. 여기서 입자 샘플러를 단일 입경의 임팩터로 가정하면, 50% 효율의 분리 입경(cut diameter, d50)에 대한 공식은 아래와 같다.
여기서, 
는 공기의 점성계수, W는 노즐직경, 
은 분리입경에서의 스톡스 수(Stoke’s number), 
는 입경에 대한 미끄럼 보정계수(Cunningham correction factor), 
는 입자의 밀도, 그리고 U는 노즐목에서의 평균유속이다. 이와 같이 정의된 수학식 1에 샘플러의 치수 및 실험조건에 해당하는 값들을 대입하여 계산한 결과를 표 1에 나타내었다.
| dA, 50 | dNacl, 50 | dDOS, 50 | |
| 1.3 lpm | 710 nm | 478 nm | 742 nm |
| 1.5 lpm | 300 nm | 202 nm | 313 nm |
우선 dA,50은 완전 구형으로 가정된 단위 밀도(unit density)를 지닌 입자의 공기역학 분리입경(aerodynamic)이며, dNaCl,50은 NaCl 입자(ρNaCl : 2.2 g/cm3
)에 대한 분리 입경, dDOS, 50은 다이옥틸 세바카트(DOS) 입자(ρDOS : 9.125 g/cm3
)에 대한 분리 입경이다. 여기서, 유량이 1.5 lpm 조건에서 DOS 입자의 분리입경을 보면 약 313 ㎚인데, 도 4b에서 300 ㎚ 입경일 때 약 48 %의 포집효율을 보인다. 결국 샘플러에서 DOS 입자 200 ㎚ 이상 크기는 임팩터와 마찬가지로 입자가 지닌 관성력(inertial force)에 의해 포집되며, 외부에서 인가한 전기장의 영향에는 거의 영향을 받지 않는다는 사실을 알 수 있다.
상기 입자 샘플러(10)는 샘플링되는 입자 중 대부분의 서브 마이크론 입자(< 1㎛)들은 샘플러 외부에서 인가된 전기장의 영향을 받아 포집되고, 또한 마이크론에 가까운 서브마이크론 입자들과 마이크론 영역의 입자(> 1㎛)들은 관성충돌 (inertial impaction)에 의해 포집되도록 되어있다.
상기 입자 샘플러(10)의 성능평가를 통해 알 수 있었던 사실을 요약하자면 다음과 같다. 샘플러 내부 노즐을 통과하는 유속이 비교적 적은 조건(0.3 lpm)의 나노입자는 대부분 외부에서 인가하는 전기장에 의해 입자가 포집되며 입자의 크기가 50 nm일 때 90 %이상의 포집 효율을 보였다. 그리고 유속이 증가(1.5 lpm)하게 되면 전기장에 의해 포집되는 입자 영역이 줄어들게 되고 관성에 의해 포집되는 영역이 증가하며 마이크론 영역의 입자들은 90 % 이상의 포집 효율을 보인다. 따라서 본 입자 샘플러를 사용할 경우 서브 마이크론 영역의 입자(< 1㎛)의 포집 시에는 전기장에 의해 입자가 포집되며 포집효율은 최대 90 %이상이다. 마이크론 영역의 입자(> 1㎛)포집 시에는 입자의 관성력에 의해 입자가 포집되며 포집 효율이 최대 90 %이상의 성능을 보였다.
실시예 1
본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염 물질 포집을 위한 입자 샘플러(10)를 이용해 실제 하드 디스크 드라이브내에서 발생하는 입자들을 포집하여 포집효율을 측정하고 상기 샘플링 기판(16)을 상기 입자 샘플러(10)에서 분리하여 표면에 부착된 입자를 오제이 전자 분광기를 이용해 성분 분석하는 실험을 하였다.
하드 디스크 드라이브내부에서 발생하는 입자의 특성 분석을 위한 입자 샘플러를 이용하는 실험은 대기와 실내중의 미세먼지로부터 오염되는 것을 방지하기 위 하여 클래스(class) 100의 클린부스에서 실시하였다. 하드 디스크 드라이브는 회전속도 5400 rpm용으로 제작된 접촉-부상-정지(contact start/stop, CSS) 방식의 2디스크 4헤드 타입을 사용하였으며, 슬라이더가 완전부상하지 않고 디스크와 접촉상태에서 회전하는 드래그(Drag)조건을 만들도록 슬라이더에 일정부하를 가하였다. 이는 하드 디스크 구동 시 발생하는 마멸입자의 수 농도를 높여주기 위함이다. 도 5는 본 실험을 위한 실험장치도인데, 크게 입자의 샘플링을 위한 장치와 샘플링 된 입자를 따로 분리하여 분석하는 장치의 두 부분으로 나뉜다.
우선 입자 샘플링을 위한 실험장치를 살펴보면, 청정공기공급기를 통해 주입되는 공기는 필터(42)를 통과함으로써 다시 한번 외부 입자를 제거한 후 하드 디스크 드라이브로 공급된다. 이 때 발생된 입자의 효율적인 샘플링을 위해 하드디스크 드라이브 커버부분에 2개의 제트 노즐을 설치하여 외부에서 주입되는 공기를 빠른 속도로 분사하였다. 이 때의 공급 유량은 2 lpm이며, 이 때 각각의 제트 노즐에서 분사되는 공기 제트의 속도는 약 16.7 ㎧이다. 여기서, 샘플링에 필요한 유량은 0.3 lpm 또는 1.5 lpm이며, 나머지 유량에 대해서는 하드 디스크 드라이브 커버에 과잉공기 배출구를 만들어 외부로 배출하였다. 여기서, 샘플링 튜브로 배출된 입자들이 입자 샘플러(10)로 이동하게 되고, 전원공급기(45)로부터 전압이 인가된 입자 샘플러(10)에 전기장이 형성되며, 전기적인 힘과 관성력에 의해 샘플링 기판(16)에서 입자가 포집되게 된다. 여기서 전기적인 힘에 의해 입자가 샘플링 되기 위해서는 입자 자체에서 일정 전하수를 지녀야 하는데 일반적으로 하드 디스크 드라이브내부에서 발생하는 입자상 물질들은 슬라이더-디스크의 마찰로 발생된 것으로 대전 (charging)되어 일정 전하수를 지니고 있으므로 추가적인 입자 하전기 부분이 불필요하다. 앞에서 언급하였듯이 포집된 입자들은 기판 위에 부착되지만, 포집이 안 된 입자들은 원래의 유동을 따라 샘플러 외부로 흐르게 되어 응축핵 계수기로 흡입된다.
위와 같은 방법으로 샘플링된 입자들은 샘플링 기판만 따로 분리되어 또 다른 분석 장치에서 사용 목적에 따른 분석이 이루어진다. 본 실험에서는 샘플링 실험을 마친 후의 슬라이더-디스크 인터페이스 마멸 부분 및 샘플링 된 입자들을 전자 현미경 이미지 촬영을 통해 대략적인 크기 및 형상을 관찰하고, 오제이 전자 분광기로 측정하여 성분분석을 실시하였다.
도 6a와 도 6b는 실제 하드 디스크 드라이브 구동 시 발생하는 입자를 샘플링하여 포집효율을 측정한 그래프이다. 샘플링 효율 측정에 있어서 유량의 변화에 따라 도 6a와 도6b로 분리하였고, 디스크 회전속도 및 인가전압의 변화를 주었다. 결과를 살펴보면, 디스크의 회전속도가 높아질수록, 또한 외부에서 인가된 전압의 크기가 클수록 샘플링 효율이 높아짐을 도 6a와 도 6b 모두에서 관찰할 수 있었다.
한편, 디스크의 회전속도가 높아지면 크기가 작은 입자들이 많이 발생하는데, 입자의 크기가 작아질수록 입자의 전기이동도 (electrical mobility)가 크므로 포집이 큰 입자에 비해 잘 된다. 또한, 전기적 샘플링효율은 외부 전기장의 강도와 비례하기 때문에, 전기장의 강도와 샘플링 효율이 비례하는 실험 결과는 예측된 결과라고 할 수 있다. 그런데도 6b에서 인가 전압이 0 kV일 때 샘플링 효율이 도 6a에 비해 높은 이유는, 앞의 성능평가에서 언급하였듯이 샘플링 유량이 커지면 샘플 러 노즐에서의 유동 속도가 커지므로 샘플링 기판에 입자가 전기력에 의해서가 아니라 관성충돌에 의해서 부착되는 확률이 높아지기 때문이다. 또한, 도 6b에서 유량이 커서 샘플러 내부에서 체류시간이 도 6a에 비해 짧으므로, 인가전압 증가에 따른 샘플링 효율 증가량이 도 6b의 결과가 도 6a보다 낮음을 알 수 있다.
결론적으로, 도 6a에서의 주요 포집방법은 전기력에 의해서이며, 도 6b에서의 주요 포집방법은 관성력이라 할 수 있다. 또한 본 입자 샘플러를 이용해 실제 하드 디스크 드라이브내 입자상 물질을 포집할 경우 포집 효율은 디스크 회전속도 5400 rpm이상에서 70 %이상의 포집 효율을 보였으며 본 입자 샘플러는 입자의 관성력과 전기적인 이동도 특성을 이용해 샘플링 할 수 있는 장비임을 확인할 수 있다.
본 실험에서 사용된 하드 디스크 드라이브내의 슬라이더 종류는 피코-슬라이더(30% slider)이며, 크기는 1 ㎜×1.235 ㎜×0.3 ㎜(shallow depth: 0.2 ㎛ , deep cavity: 2 ㎛) 이다. 또한 슬라이더의 공기베어링 표면(air bearing surface, ABS)은 Al2O3-TiC재질의 기판 위에 디엘씨 (diamond-like carbon, DLC)가 코팅되어 있다.
도 7a와 도 7b는 입자 샘플링 후의 슬라이더 표면에 대한 전자 현미경 이미지와 오제이 전자 분광기 분석 결과이다.
먼저 도 7a에서 보면, 슬라이더 표면(1지점)에 디스크의 성분(지점 2)이 덮여 있음을 볼 수 있다. 이는 실험 시 슬라이더에 강제 하중을 부가하여, 슬라이더가 부상하지 못하는 상태(drag)로 디스크를 회전 시켰기 때문에 슬라이더와 디스크 가 회전시 상호접촉에 의해 표면에 마멸현상이 발생하여, 서로간의 물질이 부착되었음을 알 수 있게 해준다.
도 7b는 도 7a에서의 두 지점에 대한 오제이 전자 분광기 스펙트럼인데, 지점 1에서는 추측대로 디스크의 구성 성분인 P, Ni등이 관찰되었으며, 지점 2에서는 슬라이더의 구성 성분인 C, Al등이 관찰되었다. 여기서 두 지점 모두 관찰 된 성분인 O의 경우 원래 구성성분이 관찰되었을 가능성도 있지만, 슬라이더 표면 가공 시 또는 실험 시에 외부공기와 접촉하여 산화반응이 일어나기 때문에 슬라이더 표면물질이 산화하여 관찰될 가능성이 더 크다. 이러한 O 성분의 관찰결과는 뒤에서 언급할 디스크 표면 및 샘플링 입자의 경우 모두 해당된다.
디스크의 경우 재질이 알루미늄(Al)-마그네슘(Mg)에 75Å DLC가 코팅되었으며, 범프(bump)의 높이는 165Å이고, 데이터 존에서의 표면 거칠기(Ra)는 8Å인 외지름이 3.5인치 디스크가 사용되었다.
도 8a는 슬라이더와 접촉한 디스크 표면에 대한 전자 현미경 측정 이미지인데, 슬라이더 표면과 마찬가지로 상호접촉에 의한 마멸흔적이 나타난다. 또한 마멸에 의한 표면 손상영역에서 미세 입자들이 부착되어 있는 것이 관찰되는데, 이는 디스크 표면에 코팅된 재료가 미세하게 분쇄(crash)되어, 일부는 슬라이더 표면에 부착되고, 또 다른 일부는 입자의 형상으로 디스크로부터 탈착 되었음을 보여주는 흔적이다.
도 8a에서 임의의 두 지점에 대한 오제이 전자 분광기 분석에 대한 결과가 도 8b에 나와있다. 여기서 두 지점 모두에서 도 7b의 지점 1과 동일하게 P, Ni의 성분이 관찰되었으며, 추가적으로 C, Al등의 성분도 관찰되었다.
도 9a와 도 9b는 입자 샘플러를 사용하여 하드 디스크 드라이브로부터 발생한 입자를 샘플링(flow rate: 1.5 lpm)하고 분석한 결과이다. 도 9a에는 슬라이더와 디스크의 상호접촉에 의한 마멸입자들이 관찰되는데, 그 크기가 크게는 수 ㎛로부터 작게는 수백 ㎚미만이다. 여기서, 나노미터 수준의 입자들은 외부에서 인가된 전기력이 포집되는데 가장 큰 영향을 주었으리라 판단되지만, 그보다 큰 입자들은 전기력이 아닌 관성(inertia)에 의한 충돌에 의해 포집 되었으리라 판단된다. 따라서, 입자 샘플러를 이용해 하드 디스크 드라이브내부에서 발생한 입자상 물질을 포집할 경우 마이크로 미터 크기의 입자부터 서브 마이크로 미터 크기의 입자에 이르기까지 다양한 크기의 입자상 물질을 포집할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 9a에서 두 개의 입자를 선정하여 오제이 전자 분광기 분석을 실시한 결과가 도 9b에 나와있다. 입자 1과 2 모두 동일한 P, C, Ni, Al등의 성분이 존재함을 확인할 수 있었으며, 이 성분들은 앞에서 분석되었던 디스크 표면의 성분과 동일한 것들이다. 따라서 본 실험에서 하드 디스크 드라이브로부터 샘플링 된 입자들은 슬라이더와 디스크의 상호접촉으로 인한 마멸 입자임으로 판단이 되며, 입자들이 주로 디스크 표면으로부터 분리된 것임을 추측할 수 있었다.
하드 디스크 드라이브의 안정성 및 신뢰성을 높이기 위해 내부에서 발생되는 입자 제거는 필수적이며, 이를 위해서는 발생된 입자에 대한 정확한 분석이 필요한데 분석을 위한 전단계의 한가지 방법으로 샘플링 방법을 사용한다. 이를 위해 입자 샘플러를 사용하여 하드 디스크 드라이브 내에서 발생하는 입자를 샘플링 할 경 우 인가되는 전기력과 입자의 관성력에 의해 미세 입자를 샘플링 하는데 용이하며, 샘플링 목적에 따라 유량 또는 인가되는 전압을 조절하여 다양한 크기의 입자들을 포집할 수 있다. 실험 결과 설계된 입자 샘플러를 사용하여 실제 하드 디스크 드라이브로부터 발생한 입자들을 샘플링 하였을 때 최대 70% 이상의 샘플링 효율을 보였으며, 샘플링 기판을 샘플러로부터 분리하여 전자 현미경 이미지 및 오제이 전자 분광기를 사용하여 포집된 입자들의 성분을 분석할 수 있었다.
실시예 2
현재 거의 모든 PC에서 주 정보 저장매체로 사용되고 있는 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive: HDD)는 보급이 활발했던 1980년대부터 지금까지 많은 기술적 진보를 거쳐왔다. 그 중 기록밀도의 향상은 매우 빠르게 진행 됐으며 현재까지도 기술 개발에 있어 매우 중요한 것으로 받아 들여지고 있다. 또한 최근 용량이 크고 다양한 소프트웨어가 일반적으로 사용되고, 방대한 용량을 갖는 음악 및 동영상 등의 멀티미디어를 구현하기 위해 높은 저장 밀도를 갖는 HDD가 요구되고 있어 HDD의 단위면적당 저장 밀도를 높이기 위한 연구가 앞으로도 계속될 전망이다.
높은 성능의 디스크 드라이브는 또한 높은 디스크 회전속도를 요구한다. 최근 일반적인 하드 디스크 드라이브의 회전속도는 5400 rpm에서 15000 rpm까지 증가하고 있으며 후에 더욱더 빠른 회전속도가 구현될 전망이다. 따라서 구동 속도 변화에 의한 입자 발생 특성을 분석하는 것은 향후 고용량 하드 디스크 드라이브내부의 입자상 물질 저감에 매우 중요한 정보가 될 것 이다.
본 실시 예에서는 하드 디스크 드라이브 내 헤드-디스크에서 발생하는 마멸 입자에 대해 실험을 수행하였다. 실험 시 디스크의 회전속도를 변화시켜 주어, 발생되는 입자를 입자 샘플러를 이용해 포집하여 입자들이 포집된 샘플링 기판을 전자 현미경을 이용해 분석하여 발생되는 입자들의 크기를 측정하였다.
도 10은 하드 디스크 드라이브에서 발생한 입자를 포집 하기 위해 제작한 입자 샘플러의 그림과 샘플링을 위한 실험장치도이다. 발생 입자를 포집하는 목적은 전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 사진을 통해 형상 또는 그 크기분포를 분석하기 위함이다. 샘플러 설계에 의하면, 포집판에 샘플링 되는 입자 중 대부분의 서브 마이크론 입자(< 1㎛)들은 샘플러 외부에서 인가된 전기장의 영향을 받아 포집되고, 또한 마이크론에 가까운 서브마이크론 입자들과 마이크론 영역의 입자(> 1㎛)들은 관성충돌(inertial impaction)에 의해 포집되도록 되어있다. 샘플링 전극은 알루미늄(Al) 재질을 사용하며 공급전원으로부터 (+) 또는 (-)의 전원이 공급되어 전기적인 힘에 의해 샘플링 기판(sampling plate)에 대전된 입자를 포집하는데, 이 때 입자 샘플러(10)의 벽면 또한 알루미늄(Al)의 같은 재질을 사용해 접지 역할을 한다. 상기 전극(15)과 접지(입자 샘플러의 벽면) 사이는 전류가 통하지 않도록 비전도성 플라스틱의 재료를 선택하였다.
실험장치도를 보면, 청정공기를 하드 디스크 드라이브로 공급하여 주었는데, 이 때의 공급 유량은 1 lpm(노즐단면속도 8.4 ㎧)이었다. 여기서 샘플링에 필요한 유량은 0.3 lpm이며, 나머지 유량은 외부로 배출된다. 이 때에, 1개의 샘플링 입자 시편을 얻기 위하여 하드 디스크 드라이브의 슬라이더를 2000초로 접촉과 부상 사 이클을 연속적으로 구동 시켰으며 인가 전압은 (-) 500V였다.
본 실험에서는 하드 디스크의 속도 변화를 통해서 발생하는 입자를 입자 샘플러를 통하여 샘플링하고, 입자 형상을 전자현미경을 통해 관찰하였다.
본 실험실에서 제작한 입자 샘플러를 통해, 구동 시 하드 디스크 드라이브로부터 발생하는 입자를 포집하여 전자현미경을 통해 촬영된 사진을 도 11a 내지 도 11d에 나타내었다.
도 11a 내지 도 11d의 전체적인 입자 크기를 비교해볼 때, 발생된 입자의 크기분포가 도 11d에서 가장 작은 크기임을 확인할 수 있다. 이는 입자 크기분포에 있어서 디스크의 회전속도가 높아질수록 입자의 크기가 작아진다라는 보여주는 것으로 향후 하드 디스크 드라이브내부 오염 입자 저감을 위해서는 나노 크기의 작은 입자를 중심으로 연구가 이루어져야 함을 보여 주고 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질 포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능 평가장치에 의하면, 하드 디스크 드라이브내에서 발생하는 마이크로 및 서브 마이크로 크기의 입자상 물질들을 저 유량에서 손실 없이 포집하고 샘플링된 입자들을 추가적인 작업 없이 전자 현미경, 오제이 전자 분광기 등으로 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 성능 평가 결과, 샘플러를 이용해 하드 디스크 드라이브에서 발생하는 입자상 오염물질을 포집할 경우 대부분의 서브 마이크론 입자(< 1㎛)들은 샘플러 외부에서 인가된 전기장의 영향을 받아 최대 90 %이상 포집되고, 또한 마이크론에 가까운 서브마이크론 입자들과 마이크론 영역의 입자(> 1㎛)들은 관성충돌(inertial impaction)에 의해 최대 90 %이상 포집되었다.
따라서, 본 발명의 입자 샘플러는 기존의 대기중에 존재하는 입자들을 샘플링하기 위한 샘플러에 비해 저 농도로 하드 디스크 드라이브내부에서 발생하는 입자들을 입자 크기에 관계없이 포집할 수 있는 효과가 있다.
또한, 샘플링 기판을 샘플러로부터 분리하여 기판 위에 포집된 입자상 오염물질들을 전자 현미경 이미지 및 오제이 전자 분광기를 사용하여 성분 및 크기를 분석할 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 입자 샘플러에 있어서,상하부가 관통된 원통 형상을 가지며 측면에 배출구가 형성되고 양전극을 형성하는 몸체부;상기 몸체부 상부의 내경에 설치되는 노즐을 일측에 구비하며 하드 디스크 드라이브 내부의 샘플링 공기에 포함된 입자들을 유입하여 상기 노즐을 통해 상기 몸체부의 내부로 배출하는 유입관;상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며, 상기 몸체부의 내부로 유입된 입자를 포집하는 탈부착이 가능한 샘플링 기판을 구비하고 상기 샘플링 기판으로 음전극을 전송하는 전극;상기 몸체부의 배출구에 설치되며 상기 샘플링 기판에 포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하는 배출관;상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 중앙에 형성된 구멍에 상기 전극을 일측 방향에서 끼워서 고정하도록 비전도성 물질로 구성된 바닥 커버; 및상기 바닥 커버의 타측에 돌출된 상기 전극을 체결하여 고정하며 상기 전극으로 전원을 공급하는 나사;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 샘플러.
- 제 1 항에 있어서,상기 샘플링 기판은 얇은 알루미늄, 구리 기판, 전도성 기판 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 입자 샘플러.
- 입자 샘플러의 성능 평가장치에 있어서,공기 중에 포함된 입자 및 수분을 여과하여 청정상태로 만든 후 압축공기로 배출하는 청정공기 공급 시스템;상기 청정공기 공급 시스템으로 부터의 압축공기를 입자 상태로 만들어 고압 및 고속 상태로 배출하는 분무입자 발생기;상기 분무입자 발생기로부터 배출된 입자에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기 및 확산건조기;상기 확산건조기로부터 배출된 입자를 볼츠만 대전 평형의 상태로 만드는 중화기;상기 중화기로부터 배출된 여러 입경의 입자들을 전기적인 방법에 의해 원하는 크기의 단일 입경의 입자들로 선택 발생시켜주는 전기적 이동도 분석기(DMA);상기 DMA로부터 배출된 단일 입경의 입자들의 농도를 희석시키는 희석관;상기 희석관으로부터 배출된 입자들을 주입하여 포집하되, 서브 마이크론 영역의 입자는 전기장에 의해 포집하고, 마이크론 영역의 입자는 입자의 관성력에 의해 포집하는 입자 샘플러;상기 입자 샘플러에서 포집되지 않은 입자들을 주입하여 샘플링 효율을 측정하는 응축핵 계수기; 및상기 입자 샘플러로 전기장을 공급하는 전원 공급기;를 포함하는 것을 특징 으로 하는 입자 샘플러의 성능 평가장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 입자 샘플러는:상하부가 관통된 원통 형상을 가지며 측면에 배출구가 형성되고 양전극을 형성하는 몸체부;상기 몸체부 상부의 내경에 설치되는 노즐을 일측에 구비하며 하드 디스크 드라이브 내부의 샘플링 공기에 포함된 입자들을 유입하여 상기 노즐을 통해 상기 몸체부의 내부로 배출하는 유입관;상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 상기 몸체부의 내부로 유입된 입자를 포집하는 샘플링 기판을 구비하고 음전극을 형성하는 전극;상기 몸체부의 배출구에 설치되며 상기 샘플링 기판에 포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하는 배출관;상기 몸체부 하부의 내경에 설치되며 중앙에 형성된 구멍에 상기 전극을 일측 방향에서 끼워서 고정하도록 비전도성 물질로 구성된 바닥 커버; 및상기 바닥 커버의 타측에 돌출된 상기 전극을 체결하여 고정하며 상기 전극으로 전원을 공급하는 나사;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 샘플러의 성능 평가장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050006830A KR100668787B1 (ko) | 2005-01-25 | 2005-01-25 | 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능평가장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050006830A KR100668787B1 (ko) | 2005-01-25 | 2005-01-25 | 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능평가장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20060085870A true KR20060085870A (ko) | 2006-07-28 |
| KR100668787B1 KR100668787B1 (ko) | 2007-01-12 |
Family
ID=37175383
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020050006830A KR100668787B1 (ko) | 2005-01-25 | 2005-01-25 | 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능평가장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100668787B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190027285A (ko) * | 2017-09-06 | 2019-03-14 | 영남대학교 산학협력단 | 에어로졸 샘플링 장치 및 그 방법 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63302342A (ja) | 1987-06-01 | 1988-12-09 | Agency Of Ind Science & Technol | 気体中の粒子の形状を測定する装置 |
| JPH06148059A (ja) * | 1992-10-30 | 1994-05-27 | Ushio Inc | 粒子検出方法 |
| KR100339787B1 (ko) * | 2000-01-06 | 2002-06-07 | 안강호 | 입자 샘플링 및 희석장치 |
| KR100475863B1 (ko) * | 2002-01-18 | 2005-03-15 | 학교법인연세대학교 | 고효율 집진장치 |
| KR100567788B1 (ko) * | 2004-02-13 | 2006-04-05 | 주식회사 현대교정인증기술원 | 입자측정기 및 입자측정방법 |
-
2005
- 2005-01-25 KR KR1020050006830A patent/KR100668787B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190027285A (ko) * | 2017-09-06 | 2019-03-14 | 영남대학교 산학협력단 | 에어로졸 샘플링 장치 및 그 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100668787B1 (ko) | 2007-01-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7041153B2 (en) | Method of measuring floating dusts | |
| Whitby et al. | Homogeneous aerosol generators | |
| US20030213366A1 (en) | Collecting device for suspended particles | |
| CN107921443B (zh) | 带纳米颗粒浓度和粒度测定器件的气溶胶中颗粒收集装置 | |
| D’Addio et al. | A lab-scale system to study submicron particles removal in wet electrostatic scrubbers | |
| CA2317830C (en) | Particle concentrator | |
| US10799883B2 (en) | Method for the selective purification of aerosols | |
| CN107921444A (zh) | 根据颗粒尺寸实现选择性气溶胶颗粒收集的方法和装置 | |
| WO2010003613A1 (en) | Electrostatic aerosol collector | |
| EP2449359B1 (en) | Particle classifier | |
| KR100668787B1 (ko) | 하드 디스크 드라이브 내부에서 발생하는 입자상 오염물질포집을 위한 입자 샘플러 및 그 입자 샘플러의 성능평가장치 | |
| Lear et al. | Charged droplet scrubbing for fine particle control | |
| Lee et al. | Effect of disk rotational speed on contamination particles generated in a hard disk drive | |
| US6269681B1 (en) | Group of particles for air filter test and method of air filter test | |
| Chen et al. | Size classification of carbon fiber aerosols | |
| JPWO2006098397A1 (ja) | 超微粒子用静電濃縮捕集装置及びそれに用いるサブミクロン粒子除去器 | |
| Raabe | Instruments and methods for characterizing radioactive aerosols | |
| JP2005147861A (ja) | 浮遊粒子状物質の捕集装置 | |
| Asbach et al. | Measurement methods for nanoparticles in indoor and outdoor air | |
| Lee et al. | Sampling and analysis of particles generated in contact start/stop-mode of a hard disk drive by using a particle sampler | |
| JP4655896B2 (ja) | ガスイオンモニタ装置を用いたエアロゾル測定装置 | |
| Loscertales et al. | Axisymmetric inertialess model for the capture of airborne microparticles using an electrospray | |
| KR102263099B1 (ko) | 입자 분석 장치, 분석 방법 및 제조 방법 | |
| Lee et al. | Measurements of particle size distribution and average particle charge in operating a hard disk drive | |
| EP3919888A2 (en) | Particle matter analysis device, analysis method and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20111216 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |