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전기 접점은 전기 회로의 필수 요소로 전기 접점의 신뢰성은 전기 회로의 정상 작동을 위하여 필수적이나 보통 문제가 발생되기 전까지 큰 관심을 받지 못하는 부분이다. 자동차의 여러 전기부품을 구동시키기 위하여 다양한 전기접점이 활용되고 있다. 이 연구에서는 그 중 접점의 이동이 접점면의 수직방향으로 발생하여 전류를 온/오프 시키는 대항식 스위치의 전기 접점에 대하여 다룬다. 대항식 스위치의 전기 접점에 의한 고장사례로 파워릴레이 작동 불량, 파워릴레이 언락 불능으로 인한 배터리 ...

전기 접점은 전기 회로의 필수 요소로 전기 접점의 신뢰성은 전기 회로의 정상 작동을 위하여 필수적이나 보통 문제가 발생되기 전까지 큰 관심을 받지 못하는 부분이다. 자동차의 여러 전기부품을 구동시키기 위하여 다양한 전기접점이 활용되고 있다. 이 연구에서는 그 중 접점의 이동이 접점면의 수직방향으로 발생하여 전류를 온/오프 시키는 대항식 스위치의 전기 접점에 대하여 다룬다. 대항식 스위치의 전기 접점에 의한 고장사례로 파워릴레이 작동 불량, 파워릴레이 언락 불능으로 인한 배터리 방전, 냉각팬 작동 불량으로 인한 냉각수 과열, 그리고 혼다 CR-V 자동차의 리콜이 실시된 바 있는 운전석 파워윈도우 스위치 접점 불량에 의한 발열과 연소 위험 등이 있다. 이러한 고장은 전기 접점의 융착 또는 단선에 의한 것으로 그 근본 원인은 전기 접점 사이에 발생하는 아크와 접점 표면의 국부적 용융 발생으로 인한 전기접점의 표면 손상이다. 따라서 대항식 전기접점 신뢰성 향상 방안으로 부하 (모터, 램프, 열저항 등) 종류에 따른 접점 소재의 내구성을 파악하고 스위치 설계인자의 영향성을 검토하여 고장예방을 위한 설계에 활용하는 것이다.
이 연구에서는 아크가 필히 발생할 수밖에 없는 대항식 스위치의 전기 접점 손상에 미치는 스위치 운동에 대한 영향을 평가하였다. 대항식 스위치의 개폐 시 접점 간의 거리가 일정 거리가 되면 아크가 발생한다. 아크가 발생하게 되면 다음의 현상이 발생한다.
1) 접점 간 Metal transfer 현상이 발생하여 접점의 침식과 침착이 일어난다. 양극과 음극 사이의 물질 이동 방향, 즉 침식과 침착 양상은 아크 지속 시간에 따라 결정 된다. 접점 표면의 침식/침착에 의해 접점의 표면이 거칠어지고 실제 접촉 면적의 감소로 접촉저항의 상승과 언락 불능을 일으켜 과도한 발열을 일으킬 수 있다.
2) 아크는 공기 내 산소를 이온화 시켜 접점 표면에 산화물을 형성 시킬 뿐만 아니라, 접점 주위 플라스틱 사출물에 영향을 주어 접점에 탄화물이 형성된다. 이러한 접점 표면의 산화물과 탄화물은 부도체로 접촉저항의 상승을 발생시킨다.
이와 같이 접점 표면의 손상에 의해 접점 표면의 국부적 용융과 융착 또는 단락 현상이 일어난다. 이는 스위치의 간헐적인 고장과 영구적 고장의 원인이다. 따라서 아크는 스위치의 수명과 안정성에 영향을 주는 중요한 요인이 된다.
아크발생 지속시간과 아크전압/전류은 스위치 운동, 즉 접점이 닫히는 속도, 열리는 속도, 채터링 뿐만 아니라 접점 소재의 물성 (접점표면경도, 표면 형상, 전기적 성질 등)과 전기회로의 전류/전압 조건에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 1960년 중반 이후 이와 관련한 연구가 많이 진행되어 왔지만 106A 이상의 전류가 흐르는 고전력 회로와 10-6A 이하의 전류가 흐르는 전자 회로 등 여전히 전기 접점 분야 연구는 그 영역을 확장하고 있다.
이 연구에서는 자동차의 부품이 점점 소형화되는 추세에 맞춰 회로에 추가적 장치 설치, 새로운 소결로 얻은 전극재료의 변경이 아닌 접점의 운동에 영향을 미치는 판스프링의 재료를 변경하였다. 현재 자동차에 사용되고 있는 12VDC 9A 정상 조건과 12VDC 20A의 과부하 조건에서 자체 개발한 캠 구동방식의 자동 스위치 장치를 이용하여 3만회 스위칭 시험을 하면서, 스위칭 횟수에 따른 전기 접점의 손상과 간헐적 고장 빈도에 미치는 판스프링 재료의 영향을 평가하였다. 접점의 손상은 접점 표면의 조도 및 화학적 성분 측정을 통해 분석하였다. 또한 전압 측정 통해 아크 특성을 관찰하여 판스프링 재료의 변화가 아크 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 연구 결과, 판스프링 재료의 비저항, 열전도율 특성이 접점의 온도상승과 연관이 있는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 아크 분석 시 판스프링 재료의 탄성계수가 Contact bounce의 시간에 영향을 주는 요인임을 확인 할 수 있었다. 또한 판스프링의 특성이 접점의 침식과 침착 형상에도 영향을 미침을 확인 하였다. 이를 통해서 아크 영향을 줄이기 위한 최적의 판스프링 재료를 찾는데 이바지 할 수 있을 것으로 기대된다.

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