[논문]휴대폰 충전기 내 트래킹 발생 원인 분석 및 대책

박진영; 김재현; 박광묵; 방선배

doi:10.7731/kifse.2016.30.6.071

[국내논문] 휴대폰 충전기 내 트래킹 발생 원인 분석 및 대책
Cause Analysis and Countermeasure of Tracking in Mobile Phone Charger 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.6, 2016년, pp.71 - 77

박진영 (한국전기안전공사) , 김재현 (한국전기안전공사) , 박광묵 (한국전기안전공사) , 방선배 (한국전기안전공사)

초록
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핸드폰 충전기 내 커패시터의 전해액이 전원 입력단자로 누출되고 PCB 기판에 트래킹이 발생하여 탄화도전로가 형성되는 것을 확인하였다. 트래킹이 발생하는 원인을 구조적으로 분석한 결과, 전원 입력단자와 PCB 기판이 커넥터를 이용하여 직결되는 경우에 발생하였다. 커패시터에서 누출된 전해액이 전원입력단자로 흘러 들어가는 양이 많을수록, 전원입력단자의 플러그 핀 사이에 설치된 격벽의 높이가 낮을수록 트래킹 발생율이 높았다. 이에 따라 충전기 내 트래킹 발생율을 낮추기 위해서는 누출된 전해액이 전원입력단자로 흘러 들어가지 않도록 커패시터에 격벽을 설치하거나, 전원입력단자에 설치된 격벽의 높이를 높일 필요가 있다. 또한, 전원 연결단자와 맞닿아 있는 PCB기판의 형태를 ${\Pi}$로 변경한다면 트래킹 발생율이 더욱 줄어들 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electrolyte of the capacitor in mobile phone chargers leaks to the power input terminal resulting in tracking on the PCB board to form a carbonized conductive path. As a result of structural analysis of the cause of the tracking, It occurred when the power input terminal and the PCB board were connected directly using the connector. The larger the amount of electrolyte leaked from the capacitor into the power input terminal, or the lower the height of the partition provided between the plug pins of the power input terminal, the higher the tracking occurrence rate. Accordingly, to lower the occurrence rate of tracking in the charger, it is necessary to provide a partition on the capacitor or increase the height of the partition provided on the power input terminal so that the leaked electrolyte does not flow to the power input terminal. In addition, the tracking occurrence rate will be reduced further if the shape of the PCB board touching ther power connection terminal is changed to ${\Pi}$.

주제어

표/그림 (24)

그림 Figure 1. Trends in safety-related accidents of mobile phone charger by year.
그림 Figure 2. Outlet where the fire occurred.
그림 Figure 3. Appearance of a charger for a mobile phone.
그림 Figure 4. Resistance measurement of PCB.
그림 Figure 5. The Charger's internal state analysis by 3D CT.
그림 Figure 6. Analysis of damage in the charger.
그림 Figure 7. Structure of phone charger.
표 Table 1. The Specifications of the Phone Charger
그림 Figure 8. Electric circuit of phone charger.
그림 Figure 9. Appearance of phone chargers.
그림 Figure 10. Mounting positions of the capacitor.
그림 Figure 11. Power connection between PCB board and power input terminal.
그림 Figure 12. Measure height of partition.
그림 Figure 13. Fire process of phone charger F.
그림 Figure 14. Electrolyte leakage between the plug.
그림 Figure 15. Comparison of fire case (a, b) and experimental result (c, d).
표 Table 2. Height of Partition
그림 Figure 16. Resistance measurement of PCB.
그림 Figure 17. Comparison of tracking with or without PCB board.
그림 Figure 18. Installed direction of capacitors by product.
그림 Figure 19. Schematization of fire generation of phone charger F.
표 Table 3. Amount of Solution Dropped when Pyrolysis Occurred
그림 Figure 20. Tracking prevention of phone charger.
그림 Figure 21. Tracking prevention method of phone charger.

AI 본문요약
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문제 정의

이와 관련하여 본 논문에서는 화재 사례를 통해 밀폐 구조의 충전기에서 트래킹이 발생하는 원인을 조사하고, 시중에 유통 중인 충전기 제품별로 PCB 기판의 설치 형태, 커패시터의 설치 방향, 플러그 핀 사이의 격벽의 높이 등 구조적인 측면에서 트래킹을 발생시키는 취약점을 확인하고 재현실험을 통해 이를 검증하였다. 또한, 재발을 방지하기 위한 구조적인 대안을 제시하고자 한다.
이와 관련하여 핸드폰 충전기의 트래킹 화재사고 예방을 위한 구조적 개선안을 도출하였다.

가설 설정

과전압 인가는 전압 조정기(품명: Transformer, 제조사: 고려전기, 제조국: Korea)를이용하여 220 [V](실효값)부터 10 [V/s]로 상승시켰으며,커패시터의 안전변이 개변된 후에는 다시 전압을 220 [V]로 낮추어 충전기의 상태 변화를 분석하였다. 또한, 핸드폰 충전기는 평평한 지면에 놓인 콘센트에 꽂혀 있는 상태로 가정 하였다.
실험은 외부 서지의 유입으로 과전압이 발생하여 커패시터가 소손된 것으로 가정하고, 실험장비로 과전압을 인가하여 커패시터를 소손시켰다. 과전압 인가는 전압 조정기(품명: Transformer, 제조사: 고려전기, 제조국: Korea)를이용하여 220 [V](실효값)부터 10 [V/s]로 상승시켰으며,커패시터의 안전변이 개변된 후에는 다시 전압을 220 [V]로 낮추어 충전기의 상태 변화를 분석하였다.

제안 방법

첫 번째 실험은 각 제품별 격벽의 높이에 따른 트래킹 발생 정도를 확인하였다. 220 V의 전원을 인가한 상태에서 NaCl 1% 용액을격벽 사이에 일정하게 떨어트려 열분해가 시작할 때에 떨어진 용액의 양을 측정하였다. 격벽이 가장 높은 A 제품(5 mm)은 열분해가 발생하지 않았고, 격벽의 높이가 가장낮은 F 제품(0.
F 제품이 트래킹이 발생한 원인을 구체적으로 분석하기위해 세 가지 실험을 추가적으로 실시하였다. 첫 번째 실험은 각 제품별 격벽의 높이에 따른 트래킹 발생 정도를 확인하였다.
두 번째 실험은 전원 입력단자에 PCB 기판이 연결된 상태와 연결되지 않은 상태로 나누어 트래킹 발생 여부를 확인하였다. 각각에 대하여 NaCl 1% 수용액을 플러그 핀사이에 일정하게 떨어트리고 변화를 관찰하였다. 실험결과는 Figure 17(a)과 같이 PCB 기판을 연결하지 않은 상태에서는 플러그 핀 사이에 탄화도전로가 형성되지 않았으나, Figure 17(b)처럼 PCB 기판을 연결한 상태에서는PCB기판을 통해 트래킹이 형성되어 화염이 발생하였다.
실험은 외부 서지의 유입으로 과전압이 발생하여 커패시터가 소손된 것으로 가정하고, 실험장비로 과전압을 인가하여 커패시터를 소손시켰다. 과전압 인가는 전압 조정기(품명: Transformer, 제조사: 고려전기, 제조국: Korea)를이용하여 220 [V](실효값)부터 10 [V/s]로 상승시켰으며,커패시터의 안전변이 개변된 후에는 다시 전압을 220 [V]로 낮추어 충전기의 상태 변화를 분석하였다. 또한, 핸드폰 충전기는 평평한 지면에 놓인 콘센트에 꽂혀 있는 상태로 가정 하였다.
두 번째 실험은 전원 입력단자에 PCB 기판이 연결된 상태와 연결되지 않은 상태로 나누어 트래킹 발생 여부를 확인하였다. 각각에 대하여 NaCl 1% 수용액을 플러그 핀사이에 일정하게 떨어트리고 변화를 관찰하였다.
본 논문에서는 핸드폰 충전기 내 커패시터에서 전해액이 누출되었을 때 트래킹 발생 위험성을 분석하기 위해 6종류의 충전기에 대해 PCB 기판의 형태, 커패시터의 설치위치, 커패시터 안전변의 방향, 플러그 핀 사이의 격벽의높이 등 구조적인 부분을 분석하였다. 재현실험을 통해 전해액이 누출되어 기판이나 케이스 벽면을 따라 전원 입력단자로 흘러내려 PCB 기판의 절연성능을 저하시켜 트래킹이 발생하는 것을 확인하였다.
세 번째는 격벽의 높이가 같은 상태에서 커패시터 안전변의 방향에 따라 트래킹 발생 여부를 확인하였다. 실험은격벽 높이가 0.
실험에 사용된 6개 제품에 대해 내 · 외부 구조를 분석하였다.
세 번째는 격벽의 높이가 같은 상태에서 커패시터 안전변의 방향에 따라 트래킹 발생 여부를 확인하였다. 실험은격벽 높이가 0.5 mm 인 F 제품의 외장 케이스에 C, D, E제품의 PCB 기판을 실장하고 트래킹 위험성 실험과 동일하게 실시하였고, 재현성 확보를 위해 3회 반복하였다. 실험 결과, C, D, E 제품의 PCB 기판을 연결한 경우에는 트래킹이 발생하지 않았다.
위의 화재 사례를 토대로 커패시터의 전해액이 분출되었을 때 미치는 영향이 무엇이고, 시중에 유통되는 제품별로 트래킹을 발생시키는 취약점이 무엇인지 실험을 통해 분석하였다.
이와 관련하여 본 논문에서는 화재 사례를 통해 밀폐 구조의 충전기에서 트래킹이 발생하는 원인을 조사하고, 시중에 유통 중인 충전기 제품별로 PCB 기판의 설치 형태, 커패시터의 설치 방향, 플러그 핀 사이의 격벽의 높이 등 구조적인 측면에서 트래킹을 발생시키는 취약점을 확인하고 재현실험을 통해 이를 검증하였다. 또한, 재발을 방지하기 위한 구조적인 대안을 제시하고자 한다.
F 제품이 트래킹이 발생한 원인을 구체적으로 분석하기위해 세 가지 실험을 추가적으로 실시하였다. 첫 번째 실험은 각 제품별 격벽의 높이에 따른 트래킹 발생 정도를 확인하였다. 220 V의 전원을 인가한 상태에서 NaCl 1% 용액을격벽 사이에 일정하게 떨어트려 열분해가 시작할 때에 떨어진 용액의 양을 측정하였다.

대상 데이터

2015년 1월 콘센트와 벽면이 검게 그을리는 화재가 발생하여 현장조사를 실시하였다. Figure 2과 같이 콘센트 상단에서만 V패턴의 그을음이 나타나는 것으로 보아, 콘센트에 꽂혀 있던 핸드폰 충전기가 소손되어 화재가 발생한 것으로 추정되었다.
전해액 누출에 의한 트래킹 위험성 실험을 위하여 6종류 충전기에 사용되는 알루미늄 전해 커패시터의 정격 전압 이상 과전압을 인가하였다.

성능/효과

위의 실험결과를 종합하면 전원 입력단자와 PCB 기판을 커넥터를 이용하여 연결한 경우에 트래킹이 발생하는것을 알 수 있었다. 또한, 격벽의 높이가 낮고, 안전변의방향에 따라 전해액이 전원 입력단자로 흘러내리기 용이할 때 트래킹의 발생 확률이 높다는 것을 알 수 있다.
5 mm 인 F 제품의 외장 케이스에 C, D, E제품의 PCB 기판을 실장하고 트래킹 위험성 실험과 동일하게 실시하였고, 재현성 확보를 위해 3회 반복하였다. 실험 결과, C, D, E 제품의 PCB 기판을 연결한 경우에는 트래킹이 발생하지 않았다. C, D, E 제품의 커패시터의 설치방향과 외장 케이스에 묻은 전해액의 양을 Figure 18에 나타내었다.
실험결과 입력전압(실효값)이 380 V~400 V 사이에서커패시터의 안전변이 개변되어 전해액이 분출되었다.
외형을 분석한 결과를 종합하면, 플러그 핀에서 열에 의해 녹은 점이 식별되고, PCB 기판의 표면에 탄화도전로가 형성되어 있었다. 또한 커패시터의 안전변이 전원 입력단자 측으로 설계되어 있고 소손된 것을 확인할 수 있었다.
위의 실험결과를 종합하면 전원 입력단자와 PCB 기판을 커넥터를 이용하여 연결한 경우에 트래킹이 발생하는것을 알 수 있었다. 또한, 격벽의 높이가 낮고, 안전변의방향에 따라 전해액이 전원 입력단자로 흘러내리기 용이할 때 트래킹의 발생 확률이 높다는 것을 알 수 있다.
최근 핸드폰 보급이 증가함에 따라 핸드폰 충전기의 화재가 증가하고 있으며 지난 2011년부터 2014년까지 한국소비자원 소비자위해감시시스템(CISS)에 접수된 휴대폰 충전기 폭발/화재/감전 사고는 Figure 1처럼 총 263건이 발생하였으며 매년 증가 추세이다. 위해 경위별로는, 제품이 폭발하거나 화재가 발생한 사례가 196건(74.5%), 과열 등으로 인해 제품이 녹은 경우가 37건(14.1%), 누전 현상으로 정전 등의 피해를 입은 사고가 30건(11.4%)으로 나타났다(1).
본 논문에서는 핸드폰 충전기 내 커패시터에서 전해액이 누출되었을 때 트래킹 발생 위험성을 분석하기 위해 6종류의 충전기에 대해 PCB 기판의 형태, 커패시터의 설치위치, 커패시터 안전변의 방향, 플러그 핀 사이의 격벽의높이 등 구조적인 부분을 분석하였다. 재현실험을 통해 전해액이 누출되어 기판이나 케이스 벽면을 따라 전원 입력단자로 흘러내려 PCB 기판의 절연성능을 저하시켜 트래킹이 발생하는 것을 확인하였다.
제품별 구조를 분석한 결과, 커패시터의 안전변의 방향과 플러그 핀 사이의 격벽의 높이를 고려해 볼 때, F 제품이 트래킹에 가장 취약할 것으로 추정된다.
트래킹 발생은 전원입력부에 누출되는 전해액 양의 정도와 전원 입력단자 격벽의 높이에 따라 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핸드폰 충전기 내에 있는 PCB 기판에 트래킹 현상을 방지하기 위해 어떻게 해야하는가?	커패시터에서 누출된 전해액이 전원입력단자로 흘러 들어가는 양이 많을수록, 전원입력단자의 플러그 핀 사이에 설치된 격벽의 높이가 낮을수록 트래킹 발생율이 높았다. 이에 따라 충전기 내 트래킹 발생율을 낮추기 위해서는 누출된 전해액이 전원입력단자로 흘러 들어가지 않도록 커패시터에 격벽을 설치하거나, 전원입력단자에 설치된 격벽의 높이를 높일 필요가 있다. 또한, 전원 연결단자와 맞닿아 있는 PCB기판의 형태를 ${\Pi}$로 변경한다면 트래킹 발생율이 더욱 줄어들 것으로 판단된다.
	트래킹이란?	화재원인 중 충전기 내부에서 트래킹이 발생한 사례가 있었다. 트래킹은 전극 사이의 절연물 표면에 먼지, 분진 등이 주변의 습기와 결합하여 절연물 표면에 누설전류가 흘러 절연물 표면을 탄화시키는 현상으로 전기화재를 발생시키는 원인 중 하나이다.
	트래킹이 발생하는 원인은 무엇인가?	핸드폰 충전기 내 커패시터의 전해액이 전원 입력단자로 누출되고 PCB 기판에 트래킹이 발생하여 탄화도전로가 형성되는 것을 확인하였다. 트래킹이 발생하는 원인을 구조적으로 분석한 결과, 전원 입력단자와 PCB 기판이 커넥터를 이용하여 직결되는 경우에 발생하였다. 커패시터에서 누출된 전해액이 전원입력단자로 흘러 들어가는 양이 많을수록, 전원입력단자의 플러그 핀 사이에 설치된 격벽의 높이가 낮을수록 트래킹 발생율이 높았다.

참고문헌 (9)

S. L. Ry, "Safety Survey of Mobile Phone Charger", Korea Consumer Agency, pp. 1-6 (2014).
J. C. Park, "Characteristic Investigation of External Parameters for Fault Diagnosis Reference Model Input of DC Electrolytic Capacitor", Transactions of the Korean Linstitute of Electrical Engineers, Vol. 61P, No. 4, pp. 186-191, DEC (2012).

원문보기 상세보기
Ch. S. Choi and H. K. Park, "A Study on the Heat Mechanism of Electrolytic Capacitor and Burnout Pattern Analysis", Proceedings of 2011 autumn Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 40-43 (2011).
Ch. H. Lee, "A Study on the Tracking Characteristics of Contaminated Insulating Materials of RCD", Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 22, No. 5 (2008).
Ch. H. Lee, "A Study on the Damage by Burning Characteristics of Insulating Materials of RCD", Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 23, No. 2, pp. 62-66 (2009).
L. J. Kim, "Characteristics Analysis of Reactor and Capacitor for Passive Filter", Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 23, No. 2, pp. 82-88 (2009).

원문보기 상세보기
Thomas M. Blooming, "Capacitor Application Issues", IEEE Trans on IAS, Jul-Aug, pp. 1013-1026 (2008).
M. L. Gasperi, "Life Prediction Modeling of Bus Capacitor in AC Variable-Frequency Drives", IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 41, No. 6, pp. 1430-1435 (2005).

상세보기
P. Venet, F. Perisse, M. H. El-Husseini and G. Rojat, "Realization of a Smart Electrolytic Capacitor Circuit", IEEE of Industry Applications Magazine, No. 1, pp. 16-20 (2002).

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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