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문제 정의
- 본 논문에서는 도어스위치의 가속 수명시험을 다루었다. 스위치의 고장분석 결과 주요 고장 메커니즘이 반복적인 스위치 작동에 따른 접접 탄화로 인한 접점 동작 불량으로 확인되었으며, 이러한 고장 메커니즘을 재현할 수 있도록 실사용 조건을 반영 온도, 습도, 부하를 동시에 적용시킨 가속 수명시험을 설계.
- 본 논문은 도어스위치에 대한 가속 수명시험에 관한 것이다. 도어스위치의 수명을 정상 사용조건에서 시험을 통하여 평가하려면 장기간의 시간이 필요하다.
- 이 시험에서는 본 가속 수명시험대상의 도어스위치 이외에 당사가 사용하는 3종의 스위치와 2곳의 경쟁사 각각 1종을 대상으로 시험하여 비교하도록 하였다. 이 시험을 통해서 현재 사용중인 당사제품의 PL대응 성능이 경쟁사와 비교할 수 있게 하였고, PL 발생모드와 발생 메커니즘을 규명하여 PL을 대응할 수 있는 해결방안을 마련하는데 그 목적이 있다.
가설 설정
- 결정하였다. 일반적인 도어 스위치의 사용환경은 평균온도 4℃, 습도 65%Rh, 그리고 220V에서 1개의 고내램프(25W)와 연결되어있고, 소비자들은 하루평균 30번의 도어 개폐를 한다는 가정아래 10년 동안 총 109, 500사이클의 On/Off 동작이 이루어 진다. 정상사용환경을 기준으로 가속 수명시험의 가속환경을, 온도 30℃, 습도 65%Rh, 그리고 245V에서 3개의 고내램프(81W)의가속시험환경을 정하였다.
제안 방법
- DLT에서의 주요 관찰요소는 첫째, 통전 초기부터 섬광발생시작까지의 시간을 관찰하고 둘째, 섬광(Tracking)의 발생 정도와 지속시간을 관찰하였다. 이 두 가지를 통하여서 PLO| 발생할 수 있는 시간, 발생 규모와 위험도를 유추해 볼 수 있다.
-
<표 7> 가속인자의 가속계수
가속인자의 가속계수의 검증 후 가속 수명시험의 시험시간 및 시험시료 수를 정하였다
. 총 19. - 관찰 주요 대상인 섬광발생시작까지의 시간(η:Eta)에 섬광 지속시간, 섬광 정도의 관찰자의 주관적인 의견으로 조합된 섬광대비 n값을 비교하였다. 비교 결과 2개의 시료에서 상대적인 비교에서 떨어지는 수치를 얻었고 고장분석결과, 도어스위치의 3가지 설계요소(접점 간 거리, 이동접점의 접촉면적, 습기침투가능 거리)에서 떨어짐을 보였다.
- 도어스위치의 고장모드와 메커니즘을 규명하기 우I하여, 실제 시장에서 사용된 샘플과 A/S에 의해 교환된 샘플을 수거, 고장분석을 실시하였다.
- 접점탄화이다. 도어스위치의 접점불량에 대한 수명을 평가하기 위해 수명가속시험을 실시하였다.
- 도어스위치의 접점탄화에 의한 접점 고장에 대한 수명가속시험을 하기 이전에, 가속시험의 신뢰성을 높이기 위해 파괴한계시험을 실시하였다. 파괴한계시험은 초가속 조건의 가속요소를 정하여 단기간에 고장을 발생 시켜 본 가속수명시험의 가속요소 한계치 검증과 대략적인 고장 발생 과정을 볼 수 있다.
- 도어스위치의 주요 고장모드가 접점 부분이라는 것을 정했기에 이번 시험의 주 부분인 접점부에 가속요건을 집중하였다.
- 판단돈(다. 따라서 도어 스위치의 PL 발생에 관한 분석을 실시하였다.
- 시험조건에서 보듯이 항온/항습 유지를 위해 항온항습기 안에 동작부가 들어갈 수 있게 설계하였고, 램프부하 각 도어 스위치에 1~3개까지 연결 가능하다. 모든 동작 부의 동작은 항온항습기 밖에 설치된 컨트롤 부에서 On/Off Timer, 동작 Counter, 그리고 전압 가변을 위한 SLIDACSB 장착, 제작하였다. 주요 고장모드인 탄화접점을 판단할 수 있는 기준으로 동작 시 부하로 사용된 램프의 점등 불량과, 접점부의 접촉저항의 기준(50mQ) 이상의 경우 고장의 판단으로 하였다.
- 기존의 도어스위치에 대한 연구는 스위치의 On/Off 반복작동에 대한 내구성만을 설정하고 있으며, 실제 도어 스위치의 사용 환경조건을 제대로 반영하지 못하는 문제점이 있다. 본 논문에서는 필드에서 고장 난 도어스위치의 고장분석을 통하여 확인된 주 고장 메커니즘인 스위치 접점의 탄화(Carbonization) 현상에 영향을 미칠 수 있는 실 시용조건의 온도, 습도, 전압, 부하 등의 인자를 동시에 고려하여 가속 수명시험을 설계하고, 시험을 통하여 측정된 고장 데이터를 분석하여 도어스위치의 PL수명과 사용수명을 예측할 수 있게 한다.
- 상기의 시험 데이터를 가지고 Weibull 분포도를 살펴보았다. 기존 가속 수명시험의 설계 시 추정되었던 형상모수 값이 실제 시험 에서도 유사한 2.
- 소비자의 정상 사용환경에 대비, 가속 정도를 결정하였다. 일반적인 도어 스위치의 사용환경은 평균온도 4℃, 습도 65%Rh, 그리고 220V에서 1개의 고내램프(25W)와 연결되어있고, 소비자들은 하루평균 30번의 도어 개폐를 한다는 가정아래 10년 동안 총 109, 500사이클의 On/Off 동작이 이루어 진다.
- 수명가속시험을 위한 시료와 시험환경을 가지고, 가속 식에 의한 가속횟수 50,000 cycles까지 시험을 진행하였다. 하지만, 램프 점등불량과 접촉저항의 기준치 이상 수치가 발견되지 않아, 기준된 가속시험 시간 이상의 시험을 진행하였다.
- 다루었다. 스위치의 고장분석 결과 주요 고장 메커니즘이 반복적인 스위치 작동에 따른 접접 탄화로 인한 접점 동작 불량으로 확인되었으며, 이러한 고장 메커니즘을 재현할 수 있도록 실사용 조건을 반영 온도, 습도, 부하를 동시에 적용시킨 가속 수명시험을 설계.진행하였다.
- 시험에 사용되는 도어스위치 6종 중 2 버튼 도어스위치가 실제 소손 발생으로 인한 PL건인 도어스위치와 동일 제품이기에 이 제품의 시험 데이터와 시장조건을 Weibull 분포도를 이용하여 가속계수를 검증하였다. Weibull 분포도에서 Beta 값 (Shape Parameter)값이 시장은 6.
- 동작부 에서는 시료 수 선정 식에서 얻은 20개의 시험 샘플을 장착할 수 있게 하고 Push S/W를 On/Off 할 수 있게 하였다. 시험조건에서 보듯이 항온/항습 유지를 위해 항온항습기 안에 동작부가 들어갈 수 있게 설계하였고, 램프부하 각 도어 스위치에 1~3개까지 연결 가능하다. 모든 동작 부의 동작은 항온항습기 밖에 설치된 컨트롤 부에서 On/Off Timer, 동작 Counter, 그리고 전압 가변을 위한 SLIDACSB 장착, 제작하였다.
- 또한 평균고장율 Eta값은 815,000cycles의 결과치가 나왔다. 이 결과치를 가지고 가속 수명시험을 통해 시험된 도어스위치의 수명을 계산하였다.
- 5개를 수거할 수 있었다. 이 샘플들을 가지고 PL대응을 위한 고장분석을 실시하였다.
- 파괴한계시험은 초가속 조건의 가속요소를 정하여 단기간에 고장을 발생 시켜 본 가속수명시험의 가속요소 한계치 검증과 대략적인 고장 발생 과정을 볼 수 있다. 이 시험에서는 본 가속 수명시험대상의 도어스위치 이외에 당사가 사용하는 3종의 스위치와 2곳의 경쟁사 각각 1종을 대상으로 시험하여 비교하도록 하였다. 이 시험을 통해서 현재 사용중인 당사제품의 PL대응 성능이 경쟁사와 비교할 수 있게 하였고, PL 발생모드와 발생 메커니즘을 규명하여 PL을 대응할 수 있는 해결방안을 마련하는데 그 목적이 있다.
- 그리고 접점부의 불꽃을 내기 위해 접점을 Disconnect되어있는 상태로 고정시켰다. 이러한 시험환경에서 전압인가 후 접점의 불꽃 생성까지의 시간을 기록, 6종의 도어 스위치를 비교하였다.
- 11 A(당사 사용)이다. 이러한 환경에 DLT시험의 가속인 자를 3개의 램프(0.34A)의 부하에 250V 인가, 접점부분에 5% NaCI 염수 0.1ml 투입시켰다. 그리고 접점부의 불꽃을 내기 위해 접점을 Disconnect되어있는 상태로 고정시켰다.
- 중요하다. 이번 가속수명시험의 주요 가속 요소인 온도, 습도, 그리고 전압에 의한 정확한 가속계수의 미지수 검증과 가속 수준을 검증하기 위하여 멀티테스트를 실시하였다.
- <표 8> 접점탄화 진행, 시장샘플과의 비교표.
- 일반적인 도어 스위치의 사용환경은 평균온도 4℃, 습도 65%Rh, 그리고 220V에서 1개의 고내램프(25W)와 연결되어있고, 소비자들은 하루평균 30번의 도어 개폐를 한다는 가정아래 10년 동안 총 109, 500사이클의 On/Off 동작이 이루어 진다. 정상사용환경을 기준으로 가속 수명시험의 가속환경을, 온도 30℃, 습도 65%Rh, 그리고 245V에서 3개의 고내램프(81W)의가속시험환경을 정하였다. 또한, On/Off 시간은 5초의 인터벌을 주어 주기를 주었다.
- 하지만, 램프 점등불량과 접촉저항의 기준치 이상 수치가 발견되지 않아, 기준된 가속시험 시간 이상의 시험을 진행하였다. 정확한 고장 판단을 위해, 2,000cycles마다 접촉저항 값을 기록했으며, 가속시험의 115,000cycles 이었을 때에 20개 중 1개의 샘플에서 접촉저항의 규격 이상을 발견, 고장으로 판단하였다. 다른 샘플의 고장발생 유무를 위해 추가 시험을 진행, 190, 000cycles까지 시험을 진행하였지만 추가적으로 나타난 램프 점등 불량이나 접촉저항의 규격이상의 데이터는 발견되지 않았다.
- 시험을 진행하였다. 하지만, 램프 점등불량과 접촉저항의 기준치 이상 수치가 발견되지 않아, 기준된 가속시험 시간 이상의 시험을 진행하였다. 정확한 고장 판단을 위해, 2,000cycles마다 접촉저항 값을 기록했으며, 가속시험의 115,000cycles 이었을 때에 20개 중 1개의 샘플에서 접촉저항의 규격 이상을 발견, 고장으로 판단하였다.
대상 데이터
- 이 곳에서 Field에서 사용된 자사 및 타사의 도어스위치의 고장 및 사용샘플을 수거할 수 있었다. 89년에서부터 99 년 사이에 제조된 폐 제품에서 자사제품 46 개, 타사제품 22개씩 총 68개를 수거하여 고장분석을 실시하였다.
- 도 어 스위치의 고장모드로 구조적인 스위치 복귀 불량 및 전기적인 접점 접촉 불량으로 선정하였다. 이 두 가지의 분석을 실시하였다.
이론/모형
- 도어스위치의 수명을 평가하기 위한 시험 방법 선정을 위해 4-Step Program을 실시하였다.
성능/효과
- 에서 보는 바와 같이 샘플 접점의 탄화의 흔적이 있었고, 접점 주변의 플라스틱에서도 열에 의해 그을린 흔적을 대부분 발견할 수 있었다. 따라서 시장수거 샘플을 통해 도어 스위치의 주요 고장모드는 전기적인 문제인 접점 탄화로 볼 수 있고, 탄화의 성장에 의해 PL 발생 가능성이 잠재할 수 있다는 것을 추측 할 수 있었다. 또한 도어스위치의 반복적 동작에 의한 마모로 인한 스위치 동작불량은 미비함으로 볼 수 있었다.
- 나타내었다. 또한 10년 경과시의 스위치 신뢰성 결의 고장율은 100PPM의 안정된 결과를 얻을 수 있었다.
- 따라서 시장수거 샘플을 통해 도어 스위치의 주요 고장모드는 전기적인 문제인 접점 탄화로 볼 수 있고, 탄화의 성장에 의해 PL 발생 가능성이 잠재할 수 있다는 것을 추측 할 수 있었다. 또한 도어스위치의 반복적 동작에 의한 마모로 인한 스위치 동작불량은 미비함으로 볼 수 있었다.
- 이 두 가지의 분석을 실시하였다. 먼저 시험 종료 때까지 Push 스위치의 복귀불량, 스위치의 동작불량은 나타나지 않았으며, 가속시험의 초기에 버튼의압출력과 시험 후의 동일한 조건으로 측정한 압출력 또한 크게 저하되지 않았다. 하지만, 가속수명시험의 주요관찰요소였던 접점접촉 불량은 직접적으로 관찰되지 않았지만, 1개의 샘플에서의 과도한 접점탄화 징후를 볼 수 있었다.
- 비교하였다. 비교 결과 2개의 시료에서 상대적인 비교에서 떨어지는 수치를 얻었고 고장분석결과, 도어스위치의 3가지 설계요소(접점 간 거리, 이동접점의 접촉면적, 습기침투가능 거리)에서 떨어짐을 보였다. 접점간의 거리가 가까울수록, Tracking 발생 가능성이 높고, 이동접점의 접촉면적이 작을수록 접점에 가중되는 전하량이 크고, 습기 침투거리가 짧을수록 불꽃의 가속 요소인 습기의 공급될 가능성이 크다.
- 진행하였다. 시험결과를 통해 시험대상 도어스위치는 수명과 성능에 안정적이었으며, DLT를 통한 결과에서도 스위치 소손에도 안정적인 결과를 보였다.
- 접점간의 거리가 가까울수록, Tracking 발생 가능성이 높고, 이동접점의 접촉면적이 작을수록 접점에 가중되는 전하량이 크고, 습기 침투거리가 짧을수록 불꽃의 가속 요소인 습기의 공급될 가능성이 크다. 육안관찰 결과 문제시되었던 도어스위치 2종 모두 이 세 가지 요소에 극히 떨어지는 성능을 보임을 알 수 있다.
- 그리고 Eta 값(평균수명: 고장율이 63%일 때의 수명)을 얻을 수 있다. 이 값을 통해 DLT 의 가속계수가 191608이라는 값을 얻을 수 있었고, 이 값은 가속수명시험의 가속계수의 값을 생각할 때에 신뢰성이 없다 하겠지만, DLT의 목적에는 적합한 값이라 하겠다.
- 이번 도어스위치는 당사의 해외 거점에서 적용 예정인 도어스위치 이다. 이번 가속 수명시험을 통해서 10년 이상 부품의 신뢰성을 만족시키는 결과를 얻어 제품적용이 가능하다 본다.
- 자사 4종, 경쟁사 2종의 DLT 결과, 자사 1 종과 경쟁사 1종에서 도어스위치 PL 발생 가능성이 있는 데이터를 도출할 수 있었다.
- 재활용센터에서 수거된 도어스위치를 분석한 결과 대부분의 스위치의 동작 상태는 양호함을 보였다. 하지만 그림 1.
- 하기의 각 가속계수 산출을 위한 식에서 미지수 n과 Ea값을 검증하기 위해서는 각 가속 요소의 차이를 가지고 시험을 실시, 결과값의 차이를 가지고 가속계수 미지수를 검증할 수 있었다.
후속연구
- 또한, 접점 주위의 사출물의 흔적에서도 그흘린 흔적이 발견, 도어스위치의 화재 발생 가능성이 잠재돼있다 볼 수 있었다. 이에 따라, DLT에서 검증, 만들었던, 설계기준을 기초와 사출 물의 난연 재질의 변경을 해서 도어 스위치의 향상 조치를 취해야 할 것으로 판단된다.
- 향후 도어스위치 설계 시 DLT의 결과로 알아낸 접점간 거리, 이동접점의 면적, 습기침투 가능 거리, 재질 등을 고려, 설계되어야 할 것이다.
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