2.1 전장 케이스 설계 및 제작

전장 보호 설계 기법의 첫 번째 방법은 전장품을 담을 전장 케이스를 설계 및 제작하는 것이다.

전장품이란 위에서 언급한 바와 같이 전자제어 장치를 뜻하는 의미로 일반적으로 PCB 기판인 보드(board)에 수많은 전자부품들이 숄더링 되어 있는 것을 의미한다.

기존의 전장 케이스들은 일명 컨트롤 박스 또는 제어 박스로 불리며, PC나 ABS 재질의 플라스틱 관련 소재를 주로 사용하여 제작되었고, 최근에는 3D프린터 기술의 발달로 사용자가 직접 플라스틱 소재를 이용하여 원하는 디자인대로 전장 케이스를 만들기도 한다.

하지만 플라스틱 재질의 전장 케이스는 비용이 적게 들고 형태를 쉽게 다듬을 수 있는 장점이 있지만 금속 재질에 비해 외부 충격 등에 대한 단단함의 강도가 떨어지고 온도와 습기 등의 환경 변화로 인한 형상 변형의 정도가 크다.

현재 기존 전장 케이스 중 금속 재질의 전장 케이스들이 있지만 사이즈와 형태가 일반적으로 정형화되어 있고, 방수와 방진 등 외부 환경 요소들에 대응하는 기능이 떨어진다.

2.2 몰딩 기법 적용

전장 보호 설계 기법의 두 번째 방법은 전장품인 PCB 기판에 부착된 MCU 및 전선류와 같은 전자부품들이 전장 케이스 내에서 흔들리지 않고 고정시키는 몰딩 기법을 적용하는 것으로 현재 세탁기, 식기세척기, 냉장고 등 일부 백색 가전제품의 전장품에 사용되고 있다.

본 연구 초기에 진동과 충격을 저감시키기 위해 케이스 내에 댐퍼나 스프링을 장착하는 방법 등의 기구적인 설계를 통해 외란을 저감시키는 방안들을 고려했으나 케이스 설계 자체가 너무 무겁고 복잡해지며, 심미적인 디자인 측면에서도 좋지 않았다.

또한 기구적인 설계를 통한 접근 방법은 방수, 방진, 진동, 충격 등의 외란에 개별적으로 각각 대응하며 설계 보완해야 되므로 매우 비효율적이다.

하지만 몰딩 기법은 문제가 되었던 방수, 방진, 진동, 충격 등의 여러 외란 문제를 상대적으로 쉽게 해결할 수 있는 아주 효율적인 방안이었으므로 본 방법을 선택하게 되었다.

몰딩이란 일종의 코팅과 유사한 방식으로 전자기기에서 일정한 공간에 전자부품이나 제품을 삽입 후 기능성 수지로 빈 공간을 공극 없이 채우는 것으로 대표적인 기능성 수지로는 에폭시와 실리콘 등이 있다.

몰딩 기법의 장점으로는 방수, 방진, 충격, 진동 등 외부 환경 요소로부터의 보호, PCBA 발화 시 불꽃 번짐 방지, 추가 절연 등의 효과가 있으며, 단점으로는 PCBA 내부 온도 상승, 전장품 무게 및 재료비 상승, 추가 장비 필요 등이 있다.

하지만 실외의 오프로드 환경에서 다양한 외부 환경 요소로부터 전장품을 안전하게 보호하기 위해서는 몰딩 기법이 필수적이다.

그러므로 본 기법을 적용하여 전장 케이스 내부로 유입되는 먼지나 수분의 침투를 막고, 외부 충격이나 진동으로부터 전장품을 보호하며 파손되지 않도록 내구성과 신뢰성을 향상시키도록 설계하였다.

몰딩을 하는 과정은 주제(A액)와 경화제(B액)의 두 가지 액체를 정해진 비율로 혼합하면 화학반응이 일어나면서 일정 시간 동안 외부로 열을 발산하고 굳어버리는 경화 방식으로 혼합비율의 오차가 있거나 착색제 등의 이물질 등이 섞이면 경화 불량을 일으킬 수도 있으므로, 디지털 저울 등을 사용하여 정확히 계량하고 두 액체를 잘 섞어야 된다.

그리고 몰딩 시 점도도 중요한데, 점도란 액체가 흘러내리는 정도를 표현한 것으로 점도를 좋게 하기 위해서는 경화 시간의 조절이 중요하다.

혼합된 액체의 경화 시간이 짧으면 내부에 기포가 발생하고 경화 시 기포가 있는 상태로 굳어버리기 때문에 1일~3일 정도로 경화 시간을 충분히 갖는 것이 좋다⁽⁶⁾.

에폭시 몰딩의 특성은 비용이 저렴하고 경화 시 단단함의 강도가 높아지며 고정력이 좋아지는 장점이 있지만, 반대로 충격을 흡수하지 못하고 투명도가 낮은 단점이 있다.

실리콘 몰딩의 특성은 일반적으로 에폭시 몰딩에 비해 비용이 비싸며 단단함의 강도가 낮고 고정력이 떨어지는 단점이 있지만, 충격이나 진동을 흡수하기에 좋고 투명도가 높은 장점이 있다.

본 연구에서는 그림 5에서와 같이 에폭시 몰딩과 실리콘 몰딩을 각각의 전장 케이스 내부에서 모두 실험해보았다.

그 결과, 방수와 방진에는 두 가지 몰딩 모두 좋지만, 자주식 수확기와 같이 밭 환경에서 사용하는 농기계에서는 운행 중 발생하는 충격과 진동을 저감하기 위해 에폭시 몰딩과 같이 단단히 굳는 방식보다는 단단함의 강도는 낮지만 충격과 진동을 흡수시키며 저감시키고, 더 나아가 PCBA 기판 내부의 동작 상태도 육안으로 확인할 수 있도록 투명도가 높은 실리콘 몰딩 기법이 더 좋음을 확인하였다.

그리고 만약 몰딩한 전장품의 수리가 필요한 경우, 에폭시 몰딩은 경화 이후에 단단하게 굳어버려 고장 발생 시 PCBA와 케이스를 통째로 폐기하고 새 것으로 교체해야 되지만, 실리콘 몰딩은 경화 이후에도 에폭시 몰딩에 비해 상대적으로 질감이 소프트한 타입이므로 고장 발생 시 PCBA 부분만 파내고 교체 후 재몰딩이 가능하고 케이스를 재활용할 수 있는 장점이 있다.

이에 방수와 방진 기능이 있고, 오동작 및 고장 시 육안으로 확인도 가능하며 잦은 충격과 진동에 대한 흡수도 가능한 실리콘 몰딩을 선택하여 적용하였다.

3.1 염수분무 시험

염수분무 시험은 금속 재료 또는 도금, 무기피막, 유기피막 등을 입힌 금속 재료의 내식성 및 표면 부식 상태를 실험하고 평가하는 것으로 염수분무 시험 챔버의 일반적인 모습은 아래 그림 6과 같다⁽⁷⁾.

본 연구에서 진행한 염수분무 시험 조건은 KS C IEC 60068-2-11 표준 규격을 근거로 하였으며, 상세한 시험 방법은 다음과 같다.

1) 시험 대상을 염수 분무 시험 챔버에 투입함

2) 시험 시간은 시험하는 재료 또는 제품 규격 등으로 지정하고 본 시험에서는 24hr을 기준으로 함

3) 시험 시간 완료 후, 챔버에서 시험 대상을 꺼내어 내식성 및 표면 부식 상태를 측정 및 평가함

전장 보호 설계 기법이 적용된 자주식 수확기용 전장 케이스의 염수분무 시험 장면 및 결과는 아래 그림 7과 같다.

염수분무 시험 결과, 시험품의 외관 및 내부 부품의 부식 유무에서 이상 없음을 검증 받았다.

3.2 진동 시험

진동 시험은 부품 또는 시스템의 외부진동 또는 2차 진동(공진 포함)에 대한 내구성을 시험하고 평가하는 것으로 진동 시험기의 일반적인 모습은 아래 그림 8과 같다⁽⁸⁾.

본 연구에서 진행한 진동 시험 조건은 ISO 16750-3 표준 규격을 근거로 하였으며, 상세한 시험 방법은 다음과 같다.

1) 시험할 대상의 시험 방향을 통상적으로 서로 직각인 3축(X, Y, Z)으로 설정함

2) 진동 Source 및 진동 주파수를 시험 대상에 가함

3) 정해진 시험 강도 및 시험 방향으로 반복함

4) 시험 완료 후 시험 대상의 내구성을 평가함

참고로 진동 시험에는 시험 대상을 고정하기 위해 Jig가 필요하며, 본 시험을 진행하기 위해 제작한 진동 시험용 Jig를 설치한 전장 케이스의 모습은 아래 그림 9와 같다.

전장 보호 설계 기법이 적용된 자주식 수확기용 전장 케이스의 진동 시험 장면 및 결과는 아래 그림 10과 같다.

진동 시험 결과, 시험품의 외관 변형 및 부품 탈거 유무에서 이상 없음을 검증 받았다.

3.3 충격 시험

충격 시험은 부품 및 기기에 대한 이동(수송) 및 사용 중 발생하는 충격에 대한 내구성을 시험하고 평가하는 것으로 충격 시험기의 일반적인 모습은 아래 그림 11과 같다⁽⁹⁾.

본 연구에서 진행한 충격 시험 조건은 KS C IEC 60068- 2-27 표준 규격을 근거로 하였으며, 상세한 시험 방법은 다음과 같다.

1) 시험할 대상의 시험 방향을 통상적으로 서로 직각인 3면과 반대면(X, Y, Z, X’, Y’, Z’)으로 설정함

2) 충격 Source 및 충격 주파수를 시험 대상에 가함

3) 정해진 시험 강도 및 시험 방향으로 타격함

4) 시험 완료 후 시험 대상의 내구성을 평가함

참고로 충격 시험에는 시험 대상을 고정하기 위해 Jig가 필요하며, 본 시험을 진행하기 위해 제작한 충격 시험용 Jig를 설치한 전장 케이스의 모습은 아래 그림 12와 같다.

전장 보호 설계 기법이 적용된 자주식 수확기용 전장 케이스의 충격 시험 장면 및 결과는 그림 13과 같다.

충격 시험 결과, 시험품의 외관 파손 및 PCB 기판 크랙 유무에서 이상 없음을 검증 받았다.

3.4 항온항습 시험

항온항습 시험은 일명 THB(Temperature-Humidity Bias Test) 시험으로도 불리는 가속 고온 시험(85℃/85%)으로 전자 부품과 전자 장치의 온도와 습도에 대한 특성 저하를 실험하고 측정하여 제품의 내구성 및 전기를 인가한 후 동작 여부까지 함께 확인하고 평가하는 것으로 항온항습 시험 챔버의 일반적인 모습은 아래 그림 14와 같다⁽¹⁰⁾.

본 연구에서 진행한 항온항습 시험 조건은 KS C 6049 B-5 표준 규격을 근거로 하였으며, 상세한 시험 방법은 다음과 같다.

1) 시험 대상을 85℃ 온도와 85% 습도를 지닌 항온항습 시험 챔버에 투입함 (단, LCD 모듈이 들어가는 제품은 65℃/85% 환경에서 시험함)

2) 시험 시간은 시험하는 재료 또는 제품 규격 등으로 지정하고 본 시험에서는 24hr 이상을 기준으로 함

3) 시험 시간 완료 후, 챔버에서 시험 대상을 꺼내어 전자 제품의 동작 여부를 측정 및 평가함

전장 보호 설계 기법이 적용된 자주식 수확기용 전장 케이스의 항온항습 시험 장면 및 결과는 아래 그림 15와 같다.

항온항습 시험 결과, 시험품의 내구성 및 전기 인가 후 정상적 동작 유무에서 이상 없음을 검증 받았다.