[논문]온도변화에 따른 주석 도금한 전기 커넥터의 미동마멸 부식 거동

오만진; 강세형; 이만석; 김호경

doi:10.9725/kstle.2014.30.3.146

[국내논문] 온도변화에 따른 주석 도금한 전기 커넥터의 미동마멸 부식 거동
Fretting Corrosion Behavior of Tin-plated Electric Connectors with Variation in Temperature 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.3, 2014년, pp.146 - 155

오만진 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) , 강세형 (서울과학기술대학교 자동차공학과 대학원) , 이만석 (서울과학기술대학교 자동차공학과 대학원) , 김호경 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we conduct fretting corrosion tests on tin-plated brass coupons to investigate the effect of temperature on fretting corrosion for various span amplitudes. We prepare a coupled fretting corrosion specimens using a tin-plated brass coupon with a thickness of $10{\mu}m$. One specimen is a flat coupon and the other specimen is a coupon with a protuberance in 1 mm radius, which is produced using 2 mm diameter steel ball. We conduct fretting corrosion tests at $25^{\circ}C$, $50^{\circ}C$, $75^{\circ}C$, $100^{\circ}C$ by rubbing the coupled coupons together at the contact between the flat and protuberance coupons. We measure electric resistance of the contact during the fretting corrosion test period. There is increase in resistance with fretting cycles. It is found that rate of increase in electric resistance becomes faster with increase in testing temperature. Magnitude of friction coefficient increases with fretting span amplitudes. And, change in friction coefficient becomes desensitized to the increment in span amplitude. Assuming that failure cycle is the cycle with an electric resistance of $0.01{\Omega}$, we find that failure lifetime ($N_f$) decreases with increase in testing temperature. Furthermore, based on the assumption that the damage rate of the connector is inversely related to the failure cycle, we calculate the activation energy for fretting damage to be 13.6 kJ/mole by using the Arrhenius equation. We propose a method to predict failure cycle at different temperatures for span amplitudes below $30{\mu}m$. Friction coefficients generally increase with increase in span amplitude and decrease in testing temperature.

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문제 정의

본 연구에서는 자동차에서 일반적으로 많이 사용하는 주석으로 도금된 구리합금 커넥터 단자와 유사한 시험편에 일정한 접촉하중하에서 다양한 온도에서 접촉변위진폭을 변화시키며 저항수명과 마찰계수 변화 등을 분석하고자 한다. 또한 다양한 온도에서의 접촉 변위 진폭에 대하여 저항수명을 예측하는 관계식을 도출하고자 한다.
본 연구에서는 자동차에서 일반적으로 많이 사용하는 주석으로 도금된 구리합금 커넥터 단자와 유사한 시험편에 일정한 접촉하중하에서 다양한 온도에서 접촉변위진폭을 변화시키며 저항수명과 마찰계수 변화 등을 분석하고자 한다. 또한 다양한 온도에서의 접촉 변위 진폭에 대하여 저항수명을 예측하는 관계식을 도출하고자 한다. 이를 통하여 전기저항이 급격히 증가하는 파손수명측면에서의 커넥터 단자의 설계시 필요한 기초 자료로 제공하고자 한다.
또한 다양한 온도에서의 접촉 변위 진폭에 대하여 저항수명을 예측하는 관계식을 도출하고자 한다. 이를 통하여 전기저항이 급격히 증가하는 파손수명측면에서의 커넥터 단자의 설계시 필요한 기초 자료로 제공하고자 한다.
본 연구에서는 미동마멸 시험을 위하여 스텝핑 모터를 적용하여 정교한 이동변위를 제어하는 시스템을 설계 및 제작하였다. 시험편에 추를 적용하여 일정한 하중을 작용시키는 시스템으로 설계하였다.
따라서 30 µm이전과 이후를 두 구간으로 구분하여 변위와 수명과의 선도를 통하여 변위와 수명과의 관계식을 도출하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 시험편인 주석 도금 커넥터를 신호용 접점에 적용한다고 가정하여 파손기준을 0.01Ω으로 설정하였다. Fig.
따라서 다음과 같이 가정하여 관계식을 도출하였다. 첫째, 커넥터의 열화에 의한 손상도 (Ḋ)는 사이클수에 선형으로 반비례하여 수명(N_f)의 역수로 가정한다. 둘째, 온도가 증가하면서 커넥터의 프레팅에 의한 손상도(dF/dN)가 증가하여 온도에 관련된 아레니우스 식을 적용이 가능하다.
둘째, 온도가 증가하면서 커넥터의 프레팅에 의한 손상도(dF/dN)가 증가하여 온도에 관련된 아레니우스 식을 적용이 가능하다. 셋째, 커넥터의 열화에 의한 손상도는 직접적으로 프레팅에 의한 손상도(dF/dN)로 가정한다. 넷째, 커넥터의 열화에 의한 손상도는 Fig.
3. 변위진폭이 약 30 µm이하 구간에서 커넥터의 열화에 의한 손상도(Ḋ)는 사이클수에 선형으로 반비례하여 수명(Nf)의 역수로 가정하여 아레니우스 식을 적용시 활성화에너지는 13.6 kJ/mole이며 수명식은 다음과 같이 도출되었다.

제안 방법

두 접점의 상대 이동변위를 측정하기 위하여 비접촉식인 해상도 0.5 µm의 고해상도 CCD 카메라를 적용하였다.
Jedrzejczyk 등[5]은 부분적인 미끄럼과 전반적인 미끄럼의 전이구간에 대한 온도, 수직하중의 영향에 대하여 연구를 수행하였다. 반복적인 변위 폭이 접촉시의 실제 변위를 특성화하는 매개변수이며 수직하중이 증가하면서 부분적 미끄럼의 적용범위가 확장되며 온도가 증가하면서 부분적 미끄럼이 주도하는 범위가 확장되는 모델을 제안하였다.
본 연구에서는 미동마멸 시험을 위하여 스텝핑 모터를 적용하여 정교한 이동변위를 제어하는 시스템을 설계 및 제작하였다. 시험편에 추를 적용하여 일정한 하중을 작용시키는 시스템으로 설계하였다. 실험장치 개념도는 Fig.
3 mm의 황동(JIS C2600)판재에 주석을 10 µm 도금한 판재이다. 주석도금의 접착력 향상을 위하여 우선 구리로 매우 얇게 도금 후에 주석을 전기 도금을 하였다. 단일 접촉점을 구현하기 위하여 시편은 상부 시편은 곡률반경 1.
시험편에 소형의 챔버를 장착하여 시험편 온도를 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 수행하였다. 또한 시험기의 주변온도에 의한 온도차이로 발생하는 변위제어의 오차를 제거하기 위하여 시험기 전체를 외부 챔버 안에서 장착하여 시험을 수행하였다.
시험편에 소형의 챔버를 장착하여 시험편 온도를 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 수행하였다. 또한 시험기의 주변온도에 의한 온도차이로 발생하는 변위제어의 오차를 제거하기 위하여 시험기 전체를 외부 챔버 안에서 장착하여 시험을 수행하였다. 시편에 가해진 미동 변위진폭을 ±25, 28.
시편에 가해진 미동 변위진폭을 ±25, 28.5, 30, 32, 34, 50, 77 µm로 수행하였다.
5, 30, 32, 34, 50, 77 µm로 수행하였다. 마찰로 인한 발열에 의한 영향을 최소화하기 위하여 약 0.003 Hz의 주파수로 실험을 수행하였다. 상세한 시험기의 원리와 실험방법은 이전의 은도금한 커넥터의 미동마멸부식에 관한 연구[4]와 유사하다.
전기접촉저항의 증가와 관련된 실험적 인자로는 윤활, 접촉하중, 미동변위진폭, 온도 등이 있다. 본 연구에서는 접촉하중을 0.85N으로 고정하고 온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 미동변위진폭을 변화시키면서 전기접촉저항의 변화를 관찰하였다. 실험 결과 온도가 증가하면서 저항이 증가되는 속도가 빠르며 대부분의 조건에서 저항 변화 양상이 유사한 것으로 나타났다.
미동변위 32 µm에서 시험한 평편한 시험편의 미동마멸이 발생한 부분을 SEM으로 관찰하였다.
두께 0.3 mm 황동판에 주석을 10 µm로 도금한 시험편을 적용하여 평판을 고정한 상태에서 반경 1.04 mm의 돌기에 일정한 반복변위를 가한 상태에서 전기저항과 마찰계수의 변화를 측정하였다.
전기적 커넥터의 미동마멸부식 현상에 있어서 접촉 변위의 효과를 분석하기 위하여 온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 하중을 0.85 N으로 고정하고 실험을 수행하였다. 두께 0.
미동마멸로 인한 표면 손상을 SEM에 설치된 에너지분산분석기(EDS, energy dispersive spectro-scopy)를 이용하여 손상된 부분의 성분을 분석하였다. Fig.

대상 데이터

실험에 사용된 시편은 두께 0.3 mm의 황동(JIS C2600)판재에 주석을 10 µm 도금한 판재이다.
주석도금의 접착력 향상을 위하여 우선 구리로 매우 얇게 도금 후에 주석을 전기 도금을 하였다. 단일 접촉점을 구현하기 위하여 시편은 상부 시편은 곡률반경 1.04 mm의 볼록 시편으로 제작되었으며 하부 시편은 평판으로 제작하였다.

이론/모형

SnO₂의 전기저항계수 [7]을 적용하여 산화막 두께를 결정하였다. 주석 도금층을 고려하여 탄소성 상태로 가정하여 하중 P=0.

성능/효과

85N으로 고정하고 온도 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 미동변위진폭을 변화시키면서 전기접촉저항의 변화를 관찰하였다. 실험 결과 온도가 증가하면서 저항이 증가되는 속도가 빠르며 대부분의 조건에서 저항 변화 양상이 유사한 것으로 나타났다. Fig.
주석 도금층을 고려하여 탄소성 상태로 가정하여 하중 P=0.85 N에 대한 구조해석 결과 접촉면의 반경은 67 µm로 나타났으며 최대 접촉압력은 89.5 MPa로 나타났다.
이와 같은 이유는 단일접점이 아닌 다접점으로 접촉되어 실제 유효 접촉면적은 겉보기 접촉면적인 πx(67 μm)²보다 훨씬 작다고 판단된다. 결론적으로 초기에 전기저항이 증가하는 것은 시험을 시작할 때 하중을 가하자마자 SnO₂이 파손되어 주석 대 주석의 접촉이 부분적으로 이루어지고 있다고 추정된다. 그 이후로 미동마멸이 발생하면서 주석 대 주석의 다접점 접촉이 형성되어 저항이 감소된다.
본 사진을 통하여 수 µm ~100 µm 이상의 크기의 산화물이 퇴적된 것을 확인할 수 있다.
5(a), (b), (c), (d)는 미동변위 50 µm일 때의 25℃, 50℃, 75℃, 100℃에서 마찰계수의 변화를 나타내고 있다. 온도가 증가할수록 평균 마찰계수가 감소함을 알 수 있다.
첫째, 커넥터의 열화에 의한 손상도 (Ḋ)는 사이클수에 선형으로 반비례하여 수명(N_f)의 역수로 가정한다. 둘째, 온도가 증가하면서 커넥터의 프레팅에 의한 손상도(dF/dN)가 증가하여 온도에 관련된 아레니우스 식을 적용이 가능하다. 셋째, 커넥터의 열화에 의한 손상도는 직접적으로 프레팅에 의한 손상도(dF/dN)로 가정한다.
1. 미동마멸 부식시험을 수행한 결과 사이클이 증가하면서 전기저항의 증가하였다. 증가경향에 따라 저항이 매우 낮은 단계를 거쳐 최종적으로 간헐적으로 저항이 급격히 증가하는 거동을 확인하였다.
미동마멸 부식시험을 수행한 결과 사이클이 증가하면서 전기저항의 증가하였다. 증가경향에 따라 저항이 매우 낮은 단계를 거쳐 최종적으로 간헐적으로 저항이 급격히 증가하는 거동을 확인하였다.
2. 전기저항이 0.01Ω이 발생하는 반복수를 파손기준으로 가정시, 온도가 증가하면서 수명이 저하되었다. 또한 변위진폭이 약 30 µm 근처에서 서로 기울기가 다른 양상을 보여주고 있다.
4. 미동변위가 증가하면서 전반적으로 마찰계수의 크기도 같이 증가하며, 사이클당 마찰계수의 변화가 둔감함을 나타내고 있다. 또한 온도가 증가할 수록 평균 마찰계수가 감소하였다.
미동변위가 증가하면서 전반적으로 마찰계수의 크기도 같이 증가하며, 사이클당 마찰계수의 변화가 둔감함을 나타내고 있다. 또한 온도가 증가할 수록 평균 마찰계수가 감소하였다.
아연과 구리는 매우 소량이 검출되었다. 그러나 미동마멸이 발생한 부분에서는 주석 성분의 비율은 35% 정도로 감소하고 산소 성분이 약 55%로 증가하는 것으로 확인되었다. 이와 같은 사실은 절연체 역할을 하는 주석 산화물이 시편의 전기접촉부 사이에 유입되어 접촉저항을 증가시킨 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 정확한 기구의 차이는 현재로서는 불분명하다. 추후 이에 관련된 상세한 연구를 진행할 예정이다. 따라서 30 µm이전과 이후를 두 구간으로 구분하여 변위와 수명과의 선도를 통하여 변위와 수명과의 관계식을 도출하고자 한다.
12를 통하여 30 µm이하의 변위 구간에 대하여 25-100℃ 온도 구간에서 4배 이내에서 수명 예측이 가능함을 나타내고 있다. 추후 다양한 온도와 변위진폭에 대하여 추가적인 데이터를 확보하여 좀 더 정확한 수명 예측식의 도출에 관한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미동마멸부식에 영향을 미치는 주요인자는 무엇인가?	미동마멸부식에 영향을 미치는 주요인자로는 전류크기, 접촉하중, 상대습도, 미동마멸 주기, 미동마멸 변위진폭, 온도, 접촉변위, 분위기 가스 등으로 알려져 있다. 커넥터 단자의 미동마멸부식에 영향을 미치는 인자들에 대하여 국내외적으로 많은 연구가 진행되어 왔다[3-5].
	커넥터 단자의 미동 마멸부식이란 무엇인가?	커넥터의 접촉 불량을 일으키는 주요 원인중의 하나인 커넥터 단자의 미동 마멸부식은 커넥터 단자 접촉부의 상대적 이동으로 인한 미세한 마모 현상을 동반한 부식현상을 말한다. 예로 엔진 센서 커넥터 단자의 경우 차량의 진동과 엔진의 정지 및 재가동으로 인한 온도 차이로 단자 접촉점의 미세한 이동 및 마모를 유발한다.
	커넥터 단자의 미동 마멸부식은 어떤 문제를 유발하는가?	커넥터의 접촉 불량을 일으키는 주요 원인중의 하나인 커넥터 단자의 미동 마멸부식은 커넥터 단자 접촉부의 상대적 이동으로 인한 미세한 마모 현상을 동반한 부식현상을 말한다. 예로 엔진 센서 커넥터 단자의 경우 차량의 진동과 엔진의 정지 및 재가동으로 인한 온도 차이로 단자 접촉점의 미세한 이동 및 마모를 유발한다. 또한 엔진 주변의 고온 효과로 접촉점의 산화막이 생성되는 현상을 촉진하여 전기 접촉저항의 증가를 유발하게 된다. 최종적으로 센서에서 출력하는 신호의 값을 왜곡하여 차량 ECU에서 잘못된 출력 신호를 보내어 관련 엑츄에이터 동작의 오류를 초래할 수 있다.

참고문헌 (11)

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Cho, S., Yu, J., Kang, S., Shin, D., "Oxidation study of pure tin and its alloys via electrochemical reduction analysis", J. Electr. Mater., Vol. 34, No. 5, pp. 635-642, 2005.

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Mroczkowski, R. S., "Electronic connector handbook", New York, McGraw-Hill, 1998.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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