[논문]주석 도금한 커넥터의 접촉 하중의 변화에 의한 전기 접촉저항 변화에 관한 연구

유환신; 오만진; 박형배

doi:10.12673/jant.2014.18.4.381

주석 도금한 커넥터의 접촉 하중의 변화에 의한 전기 접촉저항 변화에 관한 연구
A Study on the Variation of Electric Contact Resistance Due to Change in Contact Force in a Tin-plated Connector 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.18 no.4 = no.67, 2014년, pp.381 - 386

유환신 (호원대학교 자동차기계공학과) , 오만진 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 박형배 (경기과학기술대학교 자동차과)

초록
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전기 커넥터에 영향을 주는 프레팅 부식 요인 중 하나인 접촉 부하의 영향을 조사하기 위하여, 프레팅 부식 표본 쌍을 두께 $3{\mu}m$의 두께를 갖는 주석으로 도금된 황동 표본을 사용하여 제조하였다. 접점의 전기저항은 프레팅 부식 시험 기간 동안 측정되었다. 프레팅 주기에서 저항은 증가하였다. 저항의 변화는 3단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 미미하고 안정적인 저항을 나타내었다. 두 번째 단계는 저항이 꾸준한 증가를 보여 주었다. 그리고 세 번째 단계는 매우 높고 간헐적인 저항을 보여주었다. 실패주기(Nf)와 접촉력(P) 사이의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다. 각각의 하중, 변위, 온도 등 다양한 조건에서 프레팅 테스트를 통해 다양한 환경 조건 하에서 매우 높고 간헐적인 저항에 대응 전기 커넥터의 실패주기 예측공식의 표현이 가능할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to investigate the effect of contact load, which is one of the fretting corrosion factors affecting the electric connector, a coupled fretting corrosion specimens were prepared using a tin-plated brass coupon with a thickness of $3{\mu}m$. Electric resistance of the contact was measured during the fretting corrosion test period. There was increase in resistance with fretting cycles. The change in resistance can be classified by 3 stages. The first stage exhibited low and stable resistance. Second stage showed steady increment of the resistance and third stage showed very high and intermittent resistance. The relationship between the failure cycle (Nf) and contact force (P) can be drawn as; It is possible to draw the prediction equation for the failure cycle of the electric connector corresponding to the very high and intermittent resistance under various environment conditions through the fretting tests under various conditions such as load, displacement, temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 자동차에서 일반적으로 많이 사용하는 주석으로 도금된 황동 커넥터에 일정한 변위를 갖는 미세 진동을 유발시키는 시험 장치를 개발하여 접촉하중을 변화시키며 저항수명을 예측하는 관계식을 도출하고자 한다. 또한 미동마멸부식의 거동에서의 접촉압력의 영향과 접촉저항의 변화에 대하여 고찰하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 자동차에서 일반적으로 많이 사용하는 주석으로 도금된 황동 커넥터에 일정한 변위를 갖는 미세 진동을 유발시키는 시험 장치를 개발하여 접촉하중을 변화시키며 저항수명을 예측하는 관계식을 도출하고자 한다. 또한 미동마멸부식의 거동에서의 접촉압력의 영향과 접촉저항의 변화에 대하여 고찰하고자 한다. 이를 통하여 급격히 전기저항이 증가하는 수명측면에서의 커넥터의 설계 시에 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.
기존의 정밀한 변위 및 속도 제어를 위하여 피에조 액추에이터가 사용되고 있으나 통상적으로 작동 범위가 피에조 적층 길이의 1/1000에 해당하여 매우 작다. 본 미동마멸 부식 실험 시스템에서는 피에조 액추에이터를 사용하여 작동 범위가 1 mm 이상이며 작용하중이 최대 수십 N에 해당하는 고하중으로 하중 속도가 최대 400 mm/s인 하중을 가하는 정교하게 변위제어가 가능한 시스템을 구현하고자 하였다. 이를 이용하여 전기 접촉부의 미동마멸 시험이 가능도록 설계하였다.
전기접촉저항의 증가와 관련된 실험적 인자로는 윤활, 미동변위, 온도 등이 있다. 본 연구에서는 이들 인자들의 영향을 비교하기에 앞서 선행연구로서 기본실험조건으로 하중을 변화시키면서 전기접촉저항의 변화를 관찰하였다. 미동마멸부식이 진행됨에 따라 접촉저항의 변화를 관찰하였다.
또한 미동마멸부식의 거동에서의 접촉압력의 영향과 접촉저항의 변화에 대하여 고찰하고자 한다. 이를 통하여 급격히 전기저항이 증가하는 수명측면에서의 커넥터의 설계 시에 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 시험편인 주석 도금 커넥터를 신호용 접점에 적용한다고 가정하여 파손기준을 0.1 Ω으로 설정하였다.

제안 방법

DTCCD 정전류 모듈은 100 mA부터 제어가 가능하도록 설계되어 있다. DTCCD 모듈에서 나온 0.1 A의 정전류를 곧 바로 시편에 보내고 커넥터에서 300 mm 떨어진 곳에서 측정하였다. 시편은 주석을 도금한 황동으로 제작된 것으로 실제 커넥터에서 일어나는 현상을 관찰하기 위하여 수직하중을 변화시켜 실험을 하였다.
3 mm 구리합금판에 주석을 3 μm로 도금한 시험편에 돌기와 평판의 접촉점에 상대적 변위를 발생하도록 미동마멸부식실험을 수행하였다. 도금된 평판을 고정한 상태에서 돌기에 일정한 반복변위를 가한 상태에서 전기저항의 변화를 측정하였다. 실험결과는 다음과 같다.
012Volt로 확인되었다. 또한 피에조 액추에이터에 가한 전압에 대하여 최종적으로 하중 발생장치의 플런저의 출력 변위와의 관계를 확인하였다.
시편에 가해진 미동거리는 ±25 μm로 수행하였다. 미동거리는 일정한 상태에서 접촉 하중을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 환경조건으로 온도 25℃, 45%습도의 상온/상습 조건에서 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 이들 인자들의 영향을 비교하기에 앞서 선행연구로서 기본실험조건으로 하중을 변화시키면서 전기접촉저항의 변화를 관찰하였다. 미동마멸부식이 진행됨에 따라 접촉저항의 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 그림 1과 같이 시험편의 하중을 발생시키는 하중 발생 시스템(loading device), 작용 하중 및 변형량을 측정하는 하중 및 변위 측정시스템, 시험편에 하중을 전달하는 하중 전달 시스템(load train system), 시험편을 고정하고 지지하는 그립 및 지그, 시스템 기반(base)으로 구성하였다. 또한 시험편이 초소형인 관계로 시편의 위치를 조정하는 X-Y-Z 스테이지를 설치하였다.
그림 3과 같이 단일 접촉점을 구형하기 위하여 시편은 상부 시편은 볼록 시편으로 제작되었으며 하부 시편은 평판으로 제작하였다. 볼록 시편의 곡률반경을 1 mm로 제작하기 위하여 직경 2mm의 볼 베어링을 압입자로 사용하여 직경 2 mm 구멍으로 제작된 하부 금형을 사용하여 수직으로 변위 1 mm를 가하여 제작하였다. 반구형 시편의 표면 반지름은 1.
상온 293±5 K에서 마찰시 일어나는 열에 의한 영향을 최소화하기 위해 진동수는 가능한 작게 할 필요가 있으므로 이 실험에서는 0.1 Hz의 진동수로 마찰과정을 진행했다.
시간에 대한 변위계 및 로드셀로부터의 신호는 데이터 획득 장치(national instrument, DAQ Card – 6024)를 이용하여 기록 및 저장하였다.
1 A의 정전류를 곧 바로 시편에 보내고 커넥터에서 300 mm 떨어진 곳에서 측정하였다. 시편은 주석을 도금한 황동으로 제작된 것으로 실제 커넥터에서 일어나는 현상을 관찰하기 위하여 수직하중을 변화시켜 실험을 하였다. 일정한 변위를 제어하기 위하여 피에조를 이용하였다.
환경조건으로 온도 25℃, 45%습도의 상온/상습 조건에서 실험을 수행하였다. 시험은 저항이 10Ω이 될 때 까지 수행하였으며 미동마멸에 의한 표면의 손상정도를 분석하기 위해 시편을 채취하여 SEM 분석을 수행하였다. 상온 293±5 K에서 마찰시 일어나는 열에 의한 영향을 최소화하기 위해 진동수는 가능한 작게 할 필요가 있으므로 이 실험에서는 0.
본 미동마멸 부식 실험 시스템에서는 피에조 액추에이터를 사용하여 작동 범위가 1 mm 이상이며 작용하중이 최대 수십 N에 해당하는 고하중으로 하중 속도가 최대 400 mm/s인 하중을 가하는 정교하게 변위제어가 가능한 시스템을 구현하고자 하였다. 이를 이용하여 전기 접촉부의 미동마멸 시험이 가능도록 설계하였다.
시편은 주석을 도금한 황동으로 제작된 것으로 실제 커넥터에서 일어나는 현상을 관찰하기 위하여 수직하중을 변화시켜 실험을 하였다. 일정한 변위를 제어하기 위하여 피에조를 이용하였다. 마찰계수를 측정하기 위하여 수평 및 수직방향으로 작용하는 힘을 동시에 측정하기 위하여 2개의 로드셀을 사용하였다
전기적 커넥터의 미동마멸부식 현상에 있어서 영향을 끼치는 주요 인자중 하나인 접촉하중의 효과를 분석하기 위하여 두께 0.3 mm 구리합금판에 주석을 3 μm로 도금한 시험편에 돌기와 평판의 접촉점에 상대적 변위를 발생하도록 미동마멸부식실험을 수행하였다.
미동거리는 일정한 상태에서 접촉 하중을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 환경조건으로 온도 25℃, 45%습도의 상온/상습 조건에서 실험을 수행하였다. 시험은 저항이 10Ω이 될 때 까지 수행하였으며 미동마멸에 의한 표면의 손상정도를 분석하기 위해 시편을 채취하여 SEM 분석을 수행하였다.

대상 데이터

또한 시험편이 초소형인 관계로 시편의 위치를 조정하는 X-Y-Z 스테이지를 설치하였다. 100 N용량의 로드셀 및 폭 12 mm, 두께 0.2 mm의 스테인리스 스틸 판재로 제작된 외팔보에 스트레인 게이지가 부착된 변위계로부터 검출된 신호는 다이내믹 앰프 (Vishay Micro-Measurements, 2300 signal conditioning amplifier)를 통하여 증폭하였다. 시간에 대한 변위계 및 로드셀로부터의 신호는 데이터 획득 장치(national instrument, DAQ Card – 6024)를 이용하여 기록 및 저장하였다.
실험에 사용된 전기접촉시편은 전력공급 및 신호전달용 커넥터로 널리 사용하는 주석 도금된 구리합금 (Ni: 1.82%, Si: 0,75%, Zn: 0.01%, Sn 0.37%, Cu: balance)으로 시편의 두께는 0.3 mm이며 주석 도금층의 두께는 3 μm이다.
그림 2는 전체적인 실험장치의 구성도이다. 한편 하중 발생 장치의 경우 피에조는 PI사의 P-225.8S를 사용하였으며 피에조에 전원을 공급하는 앰프는 PI사의 E-508.OE 그리고 피에조의 변위를 모니터링하고 제어하기 위하여 센서 앰프로 E-5009.

이론/모형

1 Hz의 진동수로 마찰과정을 진행했다. 미동 마멸 시 변화하는 저항을 관찰하기 위해 커넥터 양단에 0.1A의 정전류를 흐르게 하고 대각선 방향에서는 멀티미터기를 이용하여 전압강하를 측정하여 식 (1)의 옴의 법칙을 이용하였다.
시편의 접촉저항을 측정하기위해 정전류-저항측정법을 사용하였다. power supply에서 정전류를 공급하기 어렵기 때문에 DTCCD 정전류 모듈을 사용하였다.

성능/효과

1. 전기적 접촉단자용 재료를 대상으로 고정된 시험조건에서 미동마멸 부식시험을 수행한 결과 전기저항의 증가가 발견되었다. 증가경향에 따라 저항이 매우 낮은 1단계, 지속적으로 저항이 증가하는 2단계, 간헐적으로 저항이 급격히 증가하는 3단계로 구분됨을 확인하였다.
3. 주사형 전자현미경 관찰을 통하여 미동접촉마모가 발생한 마멸접촉면에 많은 산화물 덩어리들이 산재함을 알 수 있으며 이들로 인하여 전기저항이 증가하였음을 확인하였다.
여기서 a, b는 각각 평편한 측과 반구형의 돌기가 있는 측에 해당한다. 본 사진을 통하여 마멸접촉면에 많은 산화물 덩어리들이 산재함을 알 수 있으며 이들로 인하여 전기저항이 증가하였음을 알 수 있다. 사진에서 수직축(y축)은 미소운동 운동방향에 해당한다.
본 실험에서는 변위는 ±25 μm로 제어하여 실험을 수행하였으나 실제 관찰된 손상변위는 이보다 8배 이상 큰 400 μm이상으로 발생하여 정확히 변위제어가 이루어지지 않았음을 알 수 있다.
주사형 전자현미경(SEM)으로 촬영한 결과 미동접촉마모가 발생하기 전의 주석 도금막의 표면은 압연방향으로 추측되는 흠집들이 사진의 수평방향으로 존재하나 전반적으로 깨끗하고 매끄러운 것으로 나타났다. Fig.
전기적 접촉단자용 재료를 대상으로 고정된 시험조건에서 미동마멸 부식시험을 수행한 결과 전기저항의 증가가 발견되었다. 증가경향에 따라 저항이 매우 낮은 1단계, 지속적으로 저항이 증가하는 2단계, 간헐적으로 저항이 급격히 증가하는 3단계로 구분됨을 확인하였다.
피에조 액추에이터의 경우 변위 제어를 위한 스트레인 게이지가 자체적으로 장착되어 있다. 피에조에 입력되는 전압에 따라 피에조의 변위 발생량을 측정 결과 선형으로 정확히 변위가 전압에 비례함을 확인하였다.
표 2는 SEM으로 관찰한 마모되는 접촉면의 미동마모 진행방향과 평행한 방향을 그림의 수직축에 해당하며 이를 y축으로 표기하였으며 수직인 방향(x)로 표기하였으며 접촉면의 평평한 측 시편은 a로 반구형 돌기 시편은 b로 표기하여 정리하였다. 하중이 증가하면서 미동접촉으로 손상된 길이가 증가함을 알 수 있으며, 반구형 돌기보다 평편한 측의 손상길이도 상대적으로 증가함을 알 수 있다. 본 실험에서는 변위는 ±25 μm로 제어하여 실험을 수행하였으나 실제 관찰된 손상변위는 이보다 8배 이상 큰 400 μm이상으로 발생하여 정확히 변위제어가 이루어지지 않았음을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 미동마멸 이동거리가 긴 gross sliding조건에서 실험을 수행한 관계로 실험 결과에는 무관하다. 다만 추후 정교한 변위제어에 의한 변위를 변수로 수행되는 partial sliding 조건에서의 미동마멸 연구를 위하여 실험 장치를 보완하는 것이 바람직하다.
차량의 전기 커넥터 설계 시 미세 마찰이 발생하지 않도록 설계하는 방안이 필요하며 전기 접촉부의 하중크기, 변위, 온도 등과 같은 다양한 변수 하에서 실험을 함으로써 여러 변화 조건의 사용 시에 전기 접촉부의 전기저항 증가시기를 예측할 수 있는 기술이 가능하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량에서 커넥터의 역할은 무엇인가?	전기적 고장에 대하여 현장에서의 통계를 보면 30% 이상이 커넥터의 문제이며, 이러한 전기적 고장문제는 높은 접촉저항이나 접촉저항의 단락 문제로 알려져 있다. 특히 차량의 전장 및 전자부품을 연결해주는 커넥터는 인간의 신경망과 같아서 신뢰성 측면에서는 가장 취약한 연결부의 하나이며 조그마한 접촉 불량도 차량의 운영에 심각한 영향을 미칠 수도 있다.
	커넥터 단자의 미동 마멸부식이란 무엇인가?	커넥터의 접촉 불량을 일으키는 주요 원인중의 하나인 커넥터 단자의 미동 마멸부식은 자동차의 환경적인 요소로 진동 및 온도 변화에 따른 열팽창에 의한 커넥터 접촉 점 이동에 따른 미세한 마모 현상에 따른 부식현상을 말한다. 하나의 예로 엔진센서의 커넥터의 경우 차량 본네트 하부의 분위기에서 가혹하게 작동하고 있다[2].
	자동차의 전기적 고장에 대해 커넥터의 문제의 비율은 얼마나 차지하는가?	자동차의 경우 500개 이상의 커넥터가 사용되고 있으며 그 수는 지속적으로 증가 추세이다 [1]. 전기적 고장에 대하여 현장에서의 통계를 보면 30% 이상이 커넥터의 문제이며, 이러한 전기적 고장문제는 높은 접촉저항이나 접촉저항의 단락 문제로 알려져 있다. 특히 차량의 전장 및 전자부품을 연결해주는 커넥터는 인간의 신경망과 같아서 신뢰성 측면에서는 가장 취약한 연결부의 하나이며 조그마한 접촉 불량도 차량의 운영에 심각한 영향을 미칠 수도 있다.

참고문헌 (7)

J. Swingler and J. W. McBride, "The synergistic relationship of stresses in the automotive connector," in Proceedings of the 9th International Conference Electric Contact Phenomena, Nuremburg: Germany, 1998, pp. 141-145, 1998.
E. J. Jung, C. S. Kim, M. Y. Jeong "Optimal connection condition study of the palstic optical fiber connector for automobiles," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 23, No. 3, March 2006
N. Andreas, W. Bjorn, and J. Matthias, "Plastic- Optical-Fiber-Based Parallel Optical Interconnects," IEEE Journal of the Selected Topics Quantum Electronics, Vol. 5, No. 2, pp. 193-200, 1999.

상세보기
S. Narayanan, Y. W. Park and K. Y. Lee, "Fretting-corrosion mapping of tin-plated copper alloy contacts," Wear, Vol. 262, pp. 228-233, 2007.

상세보기
M. Antler, N. R. Aukland, H. Hardee and W. Aukland, "Recovery of severely degraded tin-lead plated connector contacts due to fretting corrosion," IEEE Transactions on Components and Packaging Technology, Vol. 22, No. 1, pp. 61-71. 1999.
J. H. Whitley and R. D. Malucci "Contact resistance failure criteria," in Proceedings of the 9th International Conference on Electric Contact Phenomena and 24th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, Nuremburg: Germany, pp 111-116, 1978.
R. S. Mroczkowski, Electronic Connector Handbook, New York, NY: McGraw-Hill, 1998.

저자의 다른 논문 :

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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