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모바일기기 배터리용 초소형 파워 커넥터 해석
Anaysis of Small-sized Power Connectors for Mobile Device Batteries 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.19 no.1, 2015년, pp.101 - 109  

이근명 (Smart Device Center, CEWIT) ,  오웅 (Certificate & Test Center, CEWIT) ,  유성규 (Certificate & Test Center, CEWIT) ,  송병석 (Certificate & Test Center, CEWIT)

초록
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스마트폰과 같은 모바일기기가 경박단소화 되고 작은 공간에 보다 많은 기능을 넣기 위한 경쟁이 치열해 지면서 내부에 사용되는 부품의 소형화가 급속히 진행되고 있다. 모바일 기기에서 메인보드와 배터리를 연결하는 배터리 커넥터의 경우도 마찬가지로 소형화되고 있으나 타 부품과 달리 커넥터 상에 흐르는 전류의 용량에 따른 발열 문제로 인해 소형화에 어려움이 있다. 본 논문은 모바일 커넥터 시장을 리드하고 있는 국내 기업과의 연구 협력을 통해 진행되었으며 국내 최초로 개발된 모바일 배터리용 초소형 커넥터에 대한 전기/열해석을 바탕으로 초소형 파워커넥터 커넥터 설계 시 고려하여야 하는 부분과 이러한 요소들에 대한 설계 방향을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

As the number of smartphone users grows, number of applications and the expected overall functionality in a smartphone grow simultaneously. With ever-so increasing expectations comes intense competition to squeeze in myriads of functions in a limited space that is only getting 'slimmer' by the year....

주제어

#Mobile Device   #Battery   #High Power Connector   #Multi-physics   #Simulation  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 그러므로 고용량의 전류가 높은 전기저항을 갖는 커넥터 핀을 통과하면서 발생하게 되는 열은 모바일 디바이스의 특성상 밀폐된 좁은 공간 내에서는 강제대류 또는 자연대류에 의해 쉽게 방열되지 않으므로 발열 문제는 모바일용 초소형 파워커넥터 설계에서 가장 중요하게 다루어야 하는 문제가 된다. 본 논문에서는 이러한 발열 문제를 해결하기 위한 설계 방안을 제시한다.
  • 본 논문에서는 초소형 파워커넥터 설계 시 발생하는 문제점을 발열을 중심으로 분석하였다. 초고주파, 전력, 자동차 등과 같은 분야에 일반적으로 사용되는 대전력용 파워커넥터에 관한 연구는 국내외적으로 꾸준히 진행되어 왔으나 모바일 기기에 사용되는 초소형 파워커넥터의 경우 이와는 다른 접근 및 분석이 요구된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
배터리용 초소형 커넥터는 기존의 파워 커넥터와 달리 어떠한 문제를 갖는가? 배터리용 초소형 커넥터의 경우 작은 크기에 고용량의 전류를 흘려야 하므로 기존의 파워 커넥터와 달리 여러 가지 문제를 갖게 된다. 커넥터에 사용되는 핀의 경우 일정 수준 이상의 탄성을 가져야만 플러그와 소켓의 연결이 안정적으로 유지될 수 있으므로 전기저항이 낮다고 하여 사용할 수는 없고 Insertion Force, Withdrawal Force 등의 기계적 특성과, 진동, 충격과 같은 신뢰성을 만족시킬 수 있는 재질을 사용하여야 한다. 그러므로 고용량의 전류가 높은 전기저항을 갖는 커넥터 핀을 통과하면서 발생하게 되는 열은 모바일 디바이스의 특성상 밀폐된 좁은 공간 내에서는 강제대류 또는 자연대류에 의해 쉽게 방열되지 않으므로 발열 문제는 모바일용 초소형 파워커넥터 설계에서 가장 중요하게 다루어야 하는 문제가 된다. 본 논문에서는 이러한 발열 문제를 해결하기 위한 설계 방안을 제시한다.
커넥터의 열해석을 위해 어떠한 것이 요구되는가? 커넥터의 열해석을 수행하기 위해 커넥터와 PCB, 신호선의 패턴에 대한 모델링이 요구된다. PCB의 형상, 신호선 패턴에 따라 달라지는 방열 특성을 확인하고 이에 따라 커넥터 설계 및 적용에 필요한 요소들을 확인한다.
모바일용 초소형커넥터는 기존의 파워 커넥터와 다른 관점에서 연구되어야 하는 이유는 무엇인가? 그러나 차량용 커넥터의 연구는 차량이라는 사용 환경의 특성에 의해 주로 안정성, 전자파차폐, EMI 등에 집중되고 있으며 본 논문에서 주로 다루고자 하는 온도상승 문제의 경우는 깊이 다루어지지 않았다[8]. 모바일용 초소형커넥터의 경우 PCB에 실장되어 모바일 기기 내부에서 사용되어야 햐는 사용 환경의 특성에 따라 이러한 기존의 파워커넥터와는 다른 관점에서 연구 및 분석되어야 한다. 모바일기기의 경우 부품들이 소형화되고 있으나 초소형 파워커넥터의 경우 세계적으로 2개 업체만이 개발한 상태이며 관련 연구 또한 아직 부족한 상태로 국내에서는 본 연구결과를 기초로 개발이 진행 중에 있다.
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참고문헌 (9)

  1. Harold A. Wheeler, "Formulas for the Skin Effect", Proceedings of the I.R.E, pp.412-424, 1942 

  2. A. R. Susoeff, R. S. Hawke and K. S. Leighton, "A Mechanical Connector Design for High-Current, High-Coulomb Pulsed Power Systems", IEEE Transactions on Magnetics VOL. 29, NO. 1, JANUARY 1993, pp 1070-1075 

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  3. Rujian Fu, Song-Yul Choe, Robert L. Jackson, George T. Flowers, Michael J. Bozack, Liang Zhong, and Daegee Kim, "Vibration-Induced Changes in the Contact Resistance of High Power Electrical Connectors for Hybrid Vehicles", IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufactureing Technology, VOL. 2, NO. 2, FEBRUARY 2012, pp 185-193 

  4. Amine BELOUFA, "Numerical and experimental optimization of mechanical stress, contact temperature and electrical contact resistance of power automotive connector", International Journal of Mechanics, Issue 4, VOL 4, 2010, pp 94-104 

  5. Bokhee Youn, Seihoon Cho ,Yongjoon Nho, Youmin Kim, Daegee Kim, Wanki Park, "Development of High-voltage Connector Used for High Efficient Vehicles", Korea Society of Automotive Engineers, Spring & Fall Conference Proceeding, pp 2399-2404, 2007 

  6. S. W. Kim, J. W. Choi, H. L. Kim, N.J. Kang, K.S. Choi, H.P. Park, B.S. Cha, "A Study of Safety Evaluation for Automotive High-Voltage Connector Using FEM", Korean Society for Precision Engineering, Spring Conference Proceeding, pp 1261-1262, 2010.5 

  7. H. L. Kim, J. W. Choi, S. W. Kim, N.J. Kang, K.S. Choi, H.P. Park, B.S. Cha, " A Study of electro-magnetic shield effectiveness for Automotive High Voltage Connector", Korean Society for Precision Engineering, Spring Conference Proceeding, pp 1263-1264, 2010.5 

  8. Sung Woong Kim, Jung Wook Choi, Hyeung Rak Kim, Young Seok Kwon, Nam Jin Kang, Kyung Seok Choi, Hyung Pil Park, Baeg Soon Cha, "A Study on the Design of High-Voltage Connector for Green Car using FEM ", Journal of the Korean Society of Precision Engineering, pp.716-723 Vol.28 No.6, pp 716-723, 2011.6 

  9. June-Sang Lee, Jongmin Kim, Ki-Hoon Nam, Hyeonju Bae, Jin-Tae Sung, Wansoo Nah, "EM Analysis of High Voltage Connector for Hybrid/Electric Vehicle", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.1, pp 131-137, 2011.1 

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