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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 가전제품의 PCB에 주로 사용되는 릴레이를 대상으로 가속수명시험을 실시하여 릴레이의 고장모드 및 고장메커니즘을 규명하고, 가속수명시험에서 측정된 고장 데이터를 이용하여 릴레이의 수명-스트레스 관계식, 가속계 수 및 B10 수명을 추정하여 실제 부하에 맞는 릴레이 선정에 도움을 주고자 한다.
제안 방법
- 가속수명시험에서 관측된 고장시간을 시험조건 별로 Table 3에 나타냈으며, 고장이 발생한 릴레이에 대하여 CT촬영을 통한 비파괴 검사를 실시하였다. 비파괴 검사결과, 관측된 고장메커니즘은 예비 실험과 동일하게 접점의 융착인 것으로 확인되었으며, 광학현미경으로 분석한 고장시료의 접점사진을 Fig.
- 그림의 (a)에서는 요구환경 및 조건과 고장메커니즘의 관계를 분석하였고, (b)에서는 고장모드 및 메커니즘과 시험방법과의 관계에 대하여 분석하였다. 그리고 각 항목에 대한 점수를 계산하여 효과적인 가속수명시험 방법을 결정하였다. QFD 분석결과에 따라 Electrical Test에 의한 가속수명시험이 릴레이의 수명시험에 가장 적합하다고 판단하였다.
- 7에 나타내었다. 그림에서 1번 릴레이는 1,800회, 2번 릴레이는 15,000회까지 166.4A의 돌입전류 하에서 실험을 실시하였다. 두 개의 릴레이를 비교해보면 접점이 닿는 부분을 중심으로 전이와 소모가 접점 전체로 퍼져 가는 것을 알 수 있다.
- 본 가속수명시험 방법의 적정성을 확인하기 위해 예비 가속시험을 실시하였다. 예비 시험에서 고장이 발생한 시료에 대하여 CT(Computerized Tomography)촬영을 통한 비파괴 검사를 하였다.
- 그림에서 보듯이 Power supply는 릴레이의 동작전압인 12VDC로, Timer & Counter 는 2초의 On, 180초의 Off동작을 하고 On/Off, 1 cycle마다 카운트 할 수 있도록 구성되어 있다. 본 연구에서는 가속인자인 돌입전류를 만들기 위해 램프부하를 사용하여 실온에서 실험을 수행하였다. 램프부하의 특징은 램프의 필라멘트가 차가운 온도에서는 저항이 낮고 정상상태의 전류에 10배∼20배에 이르는 돌입전류를 만든다고 이미 알려져 있다.
- 본 연구에서는 접점부를 가지는 스위치류에서 주로 발생하는 융착 고장에 대하여 고찰하였으며, 특히 가전제품의 전자기판에 사용되는 릴레이를 대상으로 가속수명시험을 실시하였다.
- 본 가속수명시험 방법의 적정성을 확인하기 위해 예비 가속시험을 실시하였다. 예비 시험에서 고장이 발생한 시료에 대하여 CT(Computerized Tomography)촬영을 통한 비파괴 검사를 하였다. 관측된 고장메커니즘은 접점의 융착인 것을 확인 할 수 있었다.
- 32A의 돌입전류를 발생시키는 것을 알 수 있다. 이를 토대로 램프 의 수에 따른 돌입전류의 세기를 추정하였다.
- 이를 토대로 릴레이의 수명을 추정하기 위해 Table 2와 같은 돌입전류를 스트레스 인자로, 3수준의 시험조건으로 가속수명시험을 실시하였다. 표에서 각 수준별 시료수는 10개씩이며, 램프 25개일 경우는 돌입전류가 208A이며, 35개일 경우 는 돌입전류가 291A이다.
- 가속수명시험에 사용 할 시료의 동작 및 접점에서의 물성데이터 및 고장판단기준을 Table 1에 나타내었다. 표에서 보듯이 연구대상 릴레이는 동작전류, 최대 돌입전류 및 전기적 동작수명이 각각 25A, 70A 및 100,000회이며, 고장판단기준은 릴레이가 올바른 스위치 동작을 할 수 없는 Short, Loose Contact 및 Open이 발생했을 경우로 결정하였다.
- 회로설계자들이 릴레이 선정시, 적용될 기기의 실제부하에서 돌입전류를 측정 후 본 연구에서 제안된 B10 수명식을 활용하여 수명 예측을 할 수 있다. 또한, 본 연구에서 제시된 가속수명시험 절차는 릴레이 이외에도 여러 전자부품의 신뢰도를 평가하는데 이용될 수 있다.
대상 데이터
- 전자 회로 내부 또는 외부에 연결되어 있는 압축기나 모터 등의 전자기기를 구동 할 경우, 가장 많이 사용되는 인터페이스는 릴레이이며, 가전제품에 주로 사용되는 릴레이는 파워용 전자릴레이이다. 파워용 릴레이에는 플런저 릴레이 방식의 수십 암페어를 개폐하는 대형릴레이도 있지만, 본 연구에서는 PCB(프린터기판)에 실장할 수 있는 약 25A 이하의 릴레이를 대상으로 선정하였으며, 이를 Fig. 1에 나타내었다. 그림에서 릴레이는 DC 전압에 의해 작동되는 코일단을 가지고 있으며, 일정한 값(동작 전압)이상의 전압이 공급되면 코일은 아마츄어(접점을 열거나 개폐 시키는 부분)를 움직이게 한다.
- 이를 토대로 릴레이의 수명을 추정하기 위해 Table 2와 같은 돌입전류를 스트레스 인자로, 3수준의 시험조건으로 가속수명시험을 실시하였다. 표에서 각 수준별 시료수는 10개씩이며, 램프 25개일 경우는 돌입전류가 208A이며, 35개일 경우 는 돌입전류가 291A이다.
이론/모형
- 릴레이의 수명추정에 적합한 모델은 스트레스가 1개일 때 적용되는 모델인 역승모델(Inverse Power Law)(8)이 적합하며, 본 연구에서는 아래의 식 (1)과 같이 척도모수(n), 돌입전류(I) 사이의 관계식을 역승모델에 적용하였다.
성능/효과
- 그리고 각 항목에 대한 점수를 계산하여 효과적인 가속수명시험 방법을 결정하였다. QFD 분석결과에 따라 Electrical Test에 의한 가속수명시험이 릴레이의 수명시험에 가장 적합하다고 판단하였다.
- 융착 메카니즘은 접점에서 고전류로 인하여 물질의 전이, 소모 등으로 인해 양쪽 접점이 접착되는 현상이며, 본 연구에서는 융착 고장메커니즘을 재현하기 위해 가속시험에서 램프장치를 이용하였다. 가속시험에서 고장이 발생한 시료를 수거하여 CT분석결과, 접점에서 융착 고장이 발생했음을 확인 할 수 있었다.
- 두 개의 릴레이를 비교해보면 접점이 닿는 부분을 중심으로 전이와 소모가 접점 전체로 퍼져 가는 것을 알 수 있다.
- 그림에서 보듯 이 접점에서 전이와 소모가 발생한 것을 알 수 있었다. 또한, 돌입전류의 세기가 강할수록 융착이 빨리 발생하는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 수행한 가속시험이 릴레이의 단선고장을 재현하는 적합한 시험임을 확인 할 수 있었다.
- 또한, 돌입전류의 세기가 강할수록 융착이 빨리 발생하는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 수행한 가속시험이 릴레이의 단선고장을 재현하는 적합한 시험임을 확인 할 수 있었다.
- 일반 가전제품의 PCB에 사용되는 릴레이를 조사하여 사용 중에 고장이 발생한 시료를 수거하여 고장분석을 실시한 결과, 릴레이의 고장은 크게 점점부와 코일에서 발생하였다. 접점부에서 발생하는 주요 고장은 접촉불량 및 Fig.
- 가속수명시험을 통하여 얻은 결과에 적합한 수명분포를 가정하기 위하여 와이블, 지수, 대수정 규분포의 우도함수(Likelihood Function)값을 비교하여 Table 4에 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 우도함수 값이 가장 큰 와이블 분포가 가장 적합하다는 것을 알 수 있다. 가속수명시험결과를 와이블 확률용지에 타점하여 Fig.
후속연구
- 수명식을 활용하여 수명 예측을 할 수 있다. 또한, 본 연구에서 제시된 가속수명시험 절차는 릴레이 이외에도 여러 전자부품의 신뢰도를 평가하는데 이용될 수 있다.
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