2.1.1 문제점 분석

제품의 사용 안전성을 면밀하게 검토하기 위하여 가정이나 미용실에서 발생하는 제품의 문제점을 분석하였다. 제품을 생산하는 제조회사에서 조사한 결과 가장 많은 부분을 차지하는 것이 전열선 단선에 의한 인체 상해 및 재산상 손해가 95 %, 열선 단선에 의한 문제가 5 %를 차지하는 것으로 전원선의 단선으로 인해 대부분 문제가 발생되는 것으로 분석되었다 ^[4].

그림 1 단선에 의한 스파크 발생

Fig. 1 Sparks caused by disconnected wires

그림 1은 단선된 전선으로 인해 스파크 발생을 보이는 것으로 손으로 잡고 사용하는 헤어드라이기에 있어서 전원선간 단선에 의해서 아크 방전이 발생 하는 현상으로 아크 방전에 대한 에너지양이 인체에 상해를 입힐 수준 이상이라는 것을 확인 할 수 있었다.

그림 2 전원선 단락

Fig. 2 Power line short

그림 2는 전원선 단락으로 헤어드라이어 제품을 오랫동안 사용하면서 발생 한 전원선간 단락으로 불량제품을 살펴보면 제품 사용자가 잡고 사용 할 때 아크 방전에 의하여 손목이나 손바닥 근처에 화상을 입을 것으로 추정이 된다. 이런 불량 제품은 헤어드라이어를 보관 할 때 헤어드라이어 본체에 감아서 보관 하는 원인과 코드 부싱 걸이에 제품을 걸어서 보관 하고 사용을 할 때 과도하게 움직일 경우 전원선이 스트레스를 받아 전원선 단선이 발생 한다 ^[5].

따라서 안전성에 있어 가장 핵심적인 부분은 전원선간 단락을 근본적으로 방지하여 아크 방전이 발생 하지 않는 구조를 개발하는 것으로 단순히 전원선에 대한 내구성만 증가시키게 할 경우 시간의 차이는 존재 하겠지만 전원선간 단락에 의해서 아크 방전을 피할 수가 없기 때문에 근본적인 안전대책을 수립해야 할 것이다.

2.1.2 안전성 검증

전원선의 내구성 검증은 K60335-1 규격의 25절 전원접속 및 외부 유연성 코드를 기준으로 시험을 통해 확인하고 표 1에서는 25절의 내용을 요약하여 수록하였다 ^[6].

표 1 전원선 내구성 시험내용

Table 1 Test items for endurance of the supply cord

안전성 검증으로 사용 중에 움직일 수 있는 기기에 대한 코드 인입구에 대한 시험과 회전이음쇠는 고정하지 않고 규정된 조건하에서 시험을 하였으며, 규격은 90°의 굴곡 강도를 이용하여 매분 60회로 총 10 000회를 기준으로 설정하고 있으나, 본 연구에서는 180°에서 매분 60회, 총 200 000회 굴곡 강도 실험을 진행하였다.

2.1.3 전원선 코드 굴곡 시험

그림 3 전원선 코드 시험기

Fig. 3 Power line cord tester

그림 3은 전원선 코드 시험기로 전원선 코드 굴곡 강도 시험과 전원선 코드의 내구성을 분석하기 위한 실험을 실시하였다 ^[7].

전원선의 과도한 굴곡 시 끊어지는 정도를 확인하기 위하여 전원선의 외피복선을 탈피 하고 바이스에 고정을 시켜 놓은 상태에서 180°간격으로 1분에 60회를 반복적으로 전원선에 굴곡 스트레스를 주면서 전원선의 종류에 따라서 파단이 되는 강도를 확인하고자 실험을 진행하였다.

2.2.1 전원선 코드 굴곡 시험기

전원선 굴곡 시험은 굴곡 강도를 180°로 설정하고 기준보다 많은 1분에 60번, 200 000회의 코드 굴곡시험을 진행하여 전원선의 단선율이 20 % 미만일 경우를 적용하였다.

표 2는 코드 굴곡 시험으로 제품에 사용하는 코드 굴곡 횟수 200 000회, 굴곡각도 180°, 1분에 60번을 진행한 제품의 전원선에 대한 단선율을 나타낸 것이다.

전원선을 일반 형태로 사용 하였을 경우에 본 연구에서 목표로 설정 한 200 000회 보다 50 %를 추가 하였을 경우에도 32 %∼37 %로 단선율이 비교적 높은 것으로 분석되었다.

전원선 목표를 달성하기 위해 코드 부싱의 자외선 경시변화 특성을 개선하고자 하여, 전원선의 단선 방지를 위해 동선 13가닥씩 묶어서 2 cm마다 꼬아 다시 한 번 13가닥씩 묶어서 10 cm마다 꼬아서 시험을 진행 하였다.

또한 전원 플러그 부싱의 만곡점을 한 곳에 집중 시키지 않기 위하여 28 mm의 코드 부싱 길이를 60 mm로 증가 시켜 시험을 진행 하였다.

2.2.2 전원선 코드 굴곡 파단 시험

손으로 잡고 사용하는 제품의 전원선 안전대책을 위하여 다양한 구조의 전원선 보호 장치인 코드 부싱에 안전대책이 필요하여 대표적인 코드 부싱의 구조를 그림 4에 나타내었다.

그림 4 코드 부싱 구조

Fig. 4 Cord bushing structure

그림 4는 코드 부싱 구조로 전원선을 보호하기 위한 다양한 구조의 코드 부싱이 사용되고 있다. 그러나 코드 부싱의 구조는 근본적으로 전원선을 일정 시간은 보호를 할 수 있어도 근본적인 대책과 방법은 아니므로 코드 부싱의 형상과 구조에 따라서 시간적인 차이는 존재하나 모든 코드 부싱의 구조가 아크를 방지할 수 있는 구조의 연구가 필요하다.

전원선 코드 굴곡 파단 시험은 전원선의 과도한 굴곡 시 끊어지는 정도를 위하여 전원선의 외피복선을 탈피하고 바이스에 고정을 시켜 놓은 상태에서 180°간격으로 1분에 60회를 반복하여 전원선에 굴곡 스트레스를 주면서 전원선의 종류에 따라서 파단이 되는 강도를 확인하고자 실험을 진행 하였다.

다음의 표 3은 전원선 종류에 따른 파단 횟수를 분석한 결과이다. 결과를 살펴보면 선경이 0.1 mm 128심일 경우 35회 만에 전원선이 단선이 되었으며, 반면에 0.18 mm에 30심의 경우는 18회 만에 전원선이 단선이 된 것을 알 수 있었다. 선경이 두꺼운 전선에 비하여 얇은 전원선 일수록 연신 특성이 좋아서 전원선 단선에는 유리한 특성을 가지고 있는 것으로 분석되었다.

일반적으로 헤어드라이어를 보관 할 때 82.3 %가 본체에 감아서 보관을 하고 5.2 %가 걸이에 걸어서 보관을 한다 ^[1]. 보관 걸이에 걸어서 보관을 할 경우에는 코드 부싱과 전원선 경계점이 급격하게 꺾여서 만곡점이 발생하며, 또한 본체에 감아서 보관을 할 때는 코드 부싱 내부에 만곡점이 생기는 현상이 발생한다. 이러한 원인으로 전원선 반복적 피로특성이 발생하여 전원선 단선이 발생을 하게 되는 원인으로 분석되었다 ^[4].

2.2.3 전원선 규격

전원선에 대한 안전 규격인 K60227-5를 표 4에 나타내었다 ^[8]. 표 4에 절연체 두께 기준과 더블어 시스 두께 기준 그리고 평균 완성된 전선의 외경 두께가 기준으로 설정되어 있다. 이러한 외경 두께에 대한 기준치 규격이 전원선의 형태를 다양하게 변경 하는 부분에 있어서 가장 큰 문제점으로 작용을 하는 것으로 분석되었다.

즉, 단선이 된 전원선의 도체 단면적과 절연체 및 시스 두께로 전원선 단선을 근본적으로 방지하기는 어렵고 현재까지 검토된 내용은 전원선간에 격막 구조를 절연파괴 전압 이상으로 이격을 하는 것이 현실적으로 가장 적합한 구조적 개선 방법으로 분석되었다.

2.2.4 전원선 경시변화 특성

플러그 부싱으로 사용하는 PVC의 경우 자외선에 오랫동안 노출이 될 경우 경도가 높게 변화하는 특성이 있으며, 이를 방지하기 위하여 자외선 방지 경화제의 농도를 조정하여 자외선에 의해서 경도가 변화하는 것을 방지하고자 하였다. 실험을 위하여 경도 분석기(Elcometer 450)를 이용하였다. 측정은 기존 사용하는 전원선 코드로 중간 하부를 5회에 걸쳐 측정한 결과 중간 부분의 경우에는 9∼17 %의 경시 변화 특성이 존재하는 것으로 분석이 되었으며, 하부의 경우는 12∼16 %의 경시변화 특성이 존재하는 것으로 분석이 되었다.

3.2.1 전원선 코드

전원선의 단선을 방지하기 위하여 크게 두 가지로 실험을 하였다. 첫 번째 전원선을 보호하는 코드 부싱의 형상에 대한 연구 두 번째 전원선을 구성하는 전원선 내 동선의 형상을 차별화하는 방법을 변경하고자 하였다. 전원선의 일반적인 사양은 동선을 가늘게 압출을 하여서 전원선으로 사용하는 방법을 사용하지만 본 연구에서는 전원선의 단선을 최대한 줄이고자 압출로 만들어진 전원선을 13가닥씩을 묶어서 다시 전체적으로 묶는 방식을 취하여 사용하였다.

그림 6 개선 된 전원선

Fig. 6 Improved power line

그림 6은 개선된 전원선 형태로 종전 코드 부싱의 경우에는 코드 부싱의 길이가 짧아서 전원선이 자중에 의하여 휘어질 때 급격하게 휘어지는 특성이 존재하며, 이에 따라서 전원선의 한 부분이 연속적인 피로 특성을 받지 않게 코드 부싱의 길이를 종전 28 mm에서 60 mm로 증가를 시켜 구조적인 한계에 의하여 전원선 플러그가 급격하게 꺾이는 문제를 해결하였다.

첫 번째 연구에서 구상 한 부분은 사용 중 부싱이 과도하게 꺾이는 현상을 방지하여 만곡점을 여러 군데로 유도하여 전원선이 단선을 회피 하고자 구상을 하였다.

두 번째 연구로 현재 사용하고 있는 표 5 전원선 규격을 전장에서 설명한 표 4 전원선 안전 규격을 준수하여 전원선간 격막을 형성 할 수 있는 거리는 0.75 $\text{mm}^2$의 경우 1 mm, 1 $\text{mm}^2$의 경우는 0.45 mm 정도 밖에는 전원선간 이격을 시킬 수 있는 거리가 사실상 없는 것으로 교류 전압에서 공기의 절연파괴 전압은 3 kV/mm이며, PVC의 절연 파괴 강도는 14 kV/mm로 220 V를 사용하는 제품에서는 문제가 없는 것으로 분석 되었다.

표 5 전원선 규격

Table 5 Power line standards

본 연구에서는 근본적으로 현재의 구조로는 전원선간 쇼트에 의한 문제점을 현재의 전원선 구조로는 해결이 되지 않을 것으로 분석이 되어 새로운 구조를 개발하고자 하였다. 새로운 구조는 장기적으로 볼 때 전원선을 구성하고 있는 동선이 끊어지더라도 전원선간에 쇼트를 방지할 수 있는 구조로 개발을 제안하였다.

3.2.2 전원선 코드 굴곡시험 성적서

실험에 의해 개선된 전원선을 검증하기 위해 코드 굴곡 시험은 공인 기관에서 실험 진행을 하여 그림 7은 전원선 코드 굴곡 시험 결과(공인성적서)에 나타냈다.

그림 7 전원선 코드 굴곡시험 결과

Fig. 7 Power line cord bending test results

그림 7은 전원선 코드 굴곡시험 결과로 사용전압은 100 V, 120 V의 경우 전원선 단선이 0선으로 나타났으며, 220 V에서는 1.6 %∼1.96 %가 발생을 하여 본 연구에서 목표로 설정한 20 % 이내의 단선율을 만족하는 결과를 확인하였다.

또한 비정상 상태인 전원선의 한선을 인위적으로 단선을 하여 200 000회를 코드 굴곡 시험을 진행하여 아크가 코드 부싱을 뚫고 나오는 것을 기준으로 실험하여 코드가 단선이 되더라도 인체에 상해를 입히는 것을 방지하기 위한 것으로 공인 시험 기관에서 실험을 한 결과를 그림 8 이상상태 전원선 단선 실험(공인성적서)에 나타냈다.

그림 8 이상상태 전원선 단선 실험 결과

Fig. 8 Abnormal state power line disconnection results

그림 8은 이상상태 전원선 단선 실험 결과 부싱 밖으로 아크가 발생을 하는 현상은 발생하지 않은 것으로 결론을 도출 할 수 있었다.

3.2.3 전원선 코드 경시 변화 특성 성적서

제안한 전원선 코드 검증을 그림 9 전원선 코드 경도 변화 특성으로 공인시험기관인 LTA에서 실험한 실험 결과 성적서를 나타내고 있다.

그림 9 전원선 코드 경도 변화 특성

Fig. 9 Power line cord hardness change characteristics

그림 9는 개발 목표로 한 5 % 이내의 경시 변화 특성을 만족하는 1.51 %로 종전의 PVC 코드 부싱에 비하여 약 11배 이상 강화된 특성이 존재함을 실험을 통해서 알 수 있었다.