이 글은 장치 연결 장치(즉, 커넥터)를 찾고 있는 기술자를 위한 안내문이다. 여기서 연결 장치란, 전기 접속뿐 아니라 밀봉·환경·기능·케이블 조립에 필요한 것까지 포괄한다. 또한 장치 소형화 및 공급업체 엔지니어링 팀과의 작업에 대한 짧은 논의를 포함하고 있다. 기술자들이 장치의 세부적인 사양을 판단하는 적절한 질문을 던질 수 있도록 단계적인 가이드를 제공한다.
목차
1. 전력 요구사항
2. 기능 추가하기
3. 종료단자 유형
4. 환경적 밀봉
5. 소재
6. 신뢰 관련 요구사항
7. 소형화
8. 케이블 및 조립
9. 서비스 및 배송 관련 문의
10. 시간을 절약하는 엔지니어링 지원
올바른 커넥터를 고르는 것이야말로 신뢰성 있는 시스템 운영을 위한 열쇠다. 적합한 커넥터는 시스템을 더 작고, 가볍고, 사용하기 편하게 만든다. 적절한 커넥터 시스템을 사용하면 제품의 회수 및 수리, 그리고 이로 인한 고객 상실 등에 따른 높은 비용 지불을 피할 수 있다. 하지만 커넥터 시스템을 선정하는 데에는 어떠한 요령을 피울 여지도, 지름길도 없다.
커넥터와 케이블에 대한 적절한 조사는 최적의 설계를 위한 시스템 설계 공정을 시작하기 전에 이뤄져야 한다.
이상적인 커넥터를 찾기 위해 초기 설계 단계에서 수행할 열 가지 단계를 소개한다. 각 단계는 장치 설계·유용성·그리고 장비 전체의 비용 구조에 대한 긍정적인 효과를 제공한다.
1. 전력 요구사항
전기적 접속(Contact)에 대한 전기 전압과 전류 조건을 정의하는 것은 장비에 이상적인 커넥터를 선택하기 위한 첫 단계다. 자신이 갖고 있는 정확한 전기 접속장치의 개수는 물론, 각 연결을 통해 응용사례에 필요한 전력을 공급할 수 있는지를 확실히 알아야 한다. 전기 접점의 크기(Size of Contact) 및 와이어의 크기는 전기적 접속장치의 전류 운반 능력에 영향을 준다. 전압 정격(Voltage Rating)에 영향을 미치는 요소로는 접속 단자 사이의 거리(Contact Spacing), 절연체 여부, 접속을 분리하기 위한 절연장치의 기하학적 구조 등이 있다.
적절한 커넥터를 설계하기 위해서는 제조업체가 각 커넥터의 정격 전류(Current Rating) 및 동작 전압(Operating Voltage)을 어떻게 명시하는지 깊게 분석하여 이해하는 것이 중요하다.
제조업체는 시험 규격을 기반으로 실험 데이터를 작성함으로써 어떤 방식으로 실험을 실시했는지 정확히 명기해야 한다. 이때 모든 사람이 똑같은 실험 분류를 쓰는 것은 아니므로 특정 기준들이 어떻게 파생되었는지 잘 이해하고 넘어가는 것이 중요하다. 정격 전류에 대해 검토할 때는 온도 상승 관련 사양에 주의해야 한다. 온도 상승 사양은 특정 전류 값에서 얼마나 많은 열을 방산할지 알려준다.
커넥터를 통해 전기 접속을 실현했을 때에는 선택한 전도체의 크기를 충분히 지지할 수 있는지 확인해야 한다. 호환 불가능한 전도체는 과열 문제를 야기해, 이른 커넥터 고장으로 이어질 수 있다(표 1 및 2 참조).
2. 기능 추가하기
전기적 요건을 정의했다면, 커넥터에 다른 기능을 더할 수 있는지, 혹은 반드시 더해야 하는지 판단할 차례다.
오늘날 하이브리드 커넥터들은 대개 주문 제작되고 있다. 사용자의 필요에 꼭 맞는 특정한 하이브리드 커넥터를 개발하고자 한다면, 시간이 좀 걸리더라도 제조업체에 의뢰해 협업하는 것이 바람직하다. 특정 기능을 더한 커넥터를 통해 더 적은 장치 연결 및 배선으로도 장치를 관리할 수 있게 되기 때문이다.
커넥터가 다음 중 하나 이상의 기능을 가지고 있는지 알아보자. 전력·신호·고주파 전송용 동축 케이블(Coax)·섬유(Fiber)·액체 및 기체 수송 등이 그것이다.
오늘날 가장 일반적인 하이브리드 커넥터로는 원활한 신호를 위한 고밀도의 작은 핀 및 전력공급을 위한 큰 핀을 동시에 제공하는 전(全) 전기적 제품이 있다. 현재 시장은 더 작고, 밀도가 높으며, 견고한 다용도 커넥터를 요구하고, 또 이것을 추구하고 있다. 이는 우리에게 보다 편리하고 비용 효율적인 장치를 제공한다.
3. 종료단자 유형
종료단자(Termination)의 유형은 조립 공정 및 커넥터 밀봉(Sealing)에 직접적으로 관계된다.
납땜 접속 커넥터(Solder Contacts Connector)는 특히 수분 침투를 막는 데에 적합하며, 밀봉하기 쉽다. 그런가하면 주름 접속 커넥터(Crimp Contacts Connector)는 현장에서 수리 및 유지·보수하기가 용이하다. 두 유형은 각기 장단점이 다르므로, 최종적으로 어떤 종류의 종료단자를 사용할지는 제조 부서와 설계 부서의 논의 후 결정하는 것이 일반적이다.
종료단자 유형은 제조 작업에서 쓰이는 장비 및 공정에 중요한 영향을 미친다. 따라서 커넥터가 어디서 어떻게 사용될 것이며, 현장 수리 가능 여부가 필수적인지 파악하는 것이 중요하다.
4. 환경적 밀봉
거친 환경에서 커넥터를 사용할 경우, 제조업체가 제공하는 수분 및 분진에 대한 IP(Ingres Protection) 등급을 확인해야 한다. 다양한 깊이·동작 시간에 따른 분진 및 수분에 대한 밀봉 등급을 확인하는 것.
작업에 필요한 IP 등급을 파악하기 위해서는 커넥터를 사용할 환경에 대해 확실히 이해하고, 제조업자의 IP 등급 및 이에 따른 세부사항들과 제조 시나리오를 비교하는 것이 바람직하다.
IP 등급은 특정한 조건을 명시하고 있는 것이 대부분이다.
하지만 예외적으로 IP68 등급은 제조업체마다 그 정의가 다르다. IP68 밀봉 등급을 지닌 커넥터를 찾고 있다면, 각 제조업체가 IP68 등급을 어떻게 판단 및 평가하고 있는지 문의하는 것이 바람직하다. 24시간 동안 2m 수심에서 작업하는 것과 120m 수심에서 작업하는 것은 커넥터에 다른 영향을 미치지만, 두 상황 모두 IP68 등급으로 정의할 수 있다. 따라서 정확한 확인이 필요하다.
진공 응용사례의 경우, 전통적인 IP 등급보다 높은 수준의 밀봉이 필요할 수도 있다. 이들은 밀폐형(Hermetic 혹은 Airtight) 밀봉 제품이라고 정의한다.
5. 소재
커넥터 하우징은 어떤 소재여야 할까? 플라스틱 혹은 금속으로 만들 수 있을까? 소재에 따라 제품의 신뢰도과 무게 그리고 비용이 달라지므로 소재 선정에도 신중을 기해야 한다.
니켈·크롬 도금 황동 커넥터는 전통적으로 다른 소재보다 마모에 강하고 수명이 길다. 무게가 중요한 고려사항이라면 알루미늄 커넥터도 선택지 중 하나다.
사용 횟수에 제약이 있거나 일회용 용도라면 플라스틱도 고려해봄직하다. 플라스틱 커넥터를 고려하고 있다면, 최종적으로 사용할 환경에서 견뎌낼 수 있는지 확인하기 위해 적절한 실험을 수반해야 한다. 의료용으로 사용하는 경우 커넥터가 멸균 처리를 견딜 수 있는지 확인한다. 부식의 위험이 높은 환경 혹은 일부 식품 산업의 경우 스테인리스강 재질이 필요할 수도 있다.
여기서 중요한 것은, 어떤 소재를 선택하든 비용 때문에 신뢰도를 희생시키면 안 된다는 점이다.
이 시점에서 평가하고자 하는 커넥터에 사용된 절연 소재의 작동 온도 또한 검토해야 한다. 여기에는 접속 절연체(Contact Insulator)와 도자기 소재(Potting Material) 그리고 오 링(O-Ring)을 포함한다. 표 3과 표 4는 선택 과정에서 지침으로 활용할 수 있는 자료들이다.
6. 신뢰성 관련 요구사항
지금까지 커넥터의 전력 요구사항 부터 종료단자, 밀봉, 소재 조건에 대해 조사했다. 이제는 사용자가 장치 수명주기에 걸쳐 얼마나 잦은 빈도로 장치를 연결하고 접속을 끊는지를 살펴보아야 할 차례다.
만약 당신이 잦은 장치 결합 및 많은 결합 횟수(Mating Cycle)을 필요로 한다면, 5천 내지 1만 번 이상 결합할 수 있는(즉, 결합 횟수가 5천 내지 1만인) 커넥터를 고려한다. 의료 관련 응용사례나 군 관련 환경에서 잘못된 전기 연결이 여러 목숨을 위험하게 만들 수 있다는 것을 생각한다면 이는 특히 중요한 요소다.
다른 검토사항으로는 커넥터가 거친 환경에서도 안정적으로 작동하는지의 여부가 있다. 많은 커넥터들은 실내를 비롯한 안정적 환경에서는 원활하게 작동하지만, 극단적인 외부 환경에 노출되었을 경우 성능이 떨어지곤 한다. 그러므로 커넥터가 필요한 경우 거칠고 극단적인 환경에서도 사용할 수 있는지 확인하는 것이 중요하다.
7. 소형화
오늘날 소형화와 관련해 중요한 일들이 진행되고 있다. 소형화된 커넥터를이용하길 권하는 이유이다.
한 해 전만 해도 2개 내지 3개의 커넥터가 필요했던 응용사례는 이제 하나의 장치로도 구축할 수 있게 되었다.
하지만 전류와 전압이 증가함에 따라 각 커넥터의 세부 사항이 더욱 중요해지고 있으므로, 이러한 세부 사항들을 자세히 살펴보는 것이 중요하다. 제품 간 핀의 크기와 개수, 그리고 기능을 비교하자. 소형 커넥터는 작은 공간에도 잘 들어맞는 멋진 장치지만, 적은 수의 전력과 신호만 전달할 수 있다. 소형 커넥터는 연결을 종료(Terminate)하기 매우 힘들다. 이로 인해 제품 신뢰도를 유지하기 위해 소형 플러그와 소켓(Receptacle)이 연결된 상태로 판매되는 경우도 종종 있다.
8. 케이블 및 조립
커넥터에 대해 살펴보고 자신에게 적합한 커넥터가 무엇인지 파악했다면, 가공되지 않은 케이블(Raw Cable) 및 케이블 조립에 대해 정의할 차례다.
커넥터는 계속해서 소형화되고 있고, 이에 따라 의도치 않게 (사용자가 사용하고자 했던)큰 케이블과 호환되지도 않는 소형 커넥터를 연결하는 실수가 흔히 일어나고 있다.
커넥터와 케이블을 상호 호환할 수 있는지 확실히 하기 위해서는 케이블과 커넥터를 함께 살펴야 한다.
일부 제조업체는 사용자가 직접 특성을 정의할 수 있는(따라서 사용자의 요구사항을 충족시킬 수 있는) 가공되지 않은 케이블(Raw Cable)을 창고에 보유하고 있다. 이러한 케이블을 처음부터 만드는 데는 보통 4주 내지 6주가 걸린다. 시간이 촉박하다면, 업체가 보유하고 있는 케이블을 이용할 수 있는지 확인하는 것이 바람직하다.
대개의 커넥터 제조업체는 사용자가 여타 업체와 협업하는 수고를 덜기 위해 직접 커넥터를 조립하고 있다. 제조업체의 시설을 확인함으로써 업체가 단지 연결 종료(Terminate)만을 제공하는지, 아니면 주형(Molding)과 밀봉 그리고 실험까지 포괄적으로 제공하는지 확인하는 것이 바람직하다. 엔지니어링 설계 서비스, 소요시간, 장비 비용 등의 가격을 파악한다. 또한 품질 보증에 대해 문의한다.
제조업체는 자사 커넥터를 다루는 데 있어서는 전문가이다. 케이블 조립이 가능한지 항상 고려해야 하는 이유다.
9. 서비스 및 배송 관련 문의
업체가 제시하는 실제 배송 날짜를 확인한다. 어떤 공급업체든 주문 제작한 커넥터의 배송은 기성품 배송보다 더 오래 걸리기 마련이다. 반면 이미 설계되어있는 커넥터를 사용한다면, 배송 기간은 보다 짧아진다.
기존 디자인을 수정함으로써 리드 타임(상품 생산 시작부터 완성까지 걸리는 시간)을 단축할 수도 있다.
만약 주문제작한 커넥터를 필요로 한다면, 공급업체가 장치 사용기간 전반적으로 프로젝트에 최선을 다할 수 있는 업체인지 확인해야 한다. 물론 일반 규격의 기성품을 구매하는 것도 가능하다. 그러나 주문제작 커넥터를 설계 및 제작하는 데 12주 정도의 리드 타임(주문부터 배송 완료까지 걸리는 시간. 편집자 주)은 드문 일이 아니다.
10. 시간을 절약하는 엔지니어링 지원
공급업체에게 자사의 엔지니어링 부서 및 제품개발 부서로부터 당신이 어떤 종류의 지원을 받을 수 있는지 문의하라. 가능하다면 세부적인 설계 및 서비스에 대해서도 확인한다. 초기 설계 단계에서 타인의 시선으로 장치를 보면, 개발 시간을 줄이고 비용을 절약하는 아이디어가 생겨날 수도 있다.
