군사 및 항공우주 응용 분야에는 항공 전자 공학, 무인 항공기(UAV), 항공기, 레이더 및 위성이 포함되며 소비자, 의료 및 산업용 응용 분야보다 훨씬 더 엄격한 커넥터와 상호 연결 장치가 필요합니다. 이러한 유형의 군용/항공 커넥터는 다양한 전기적, 기계적 및 환경적 스트레스를 견뎌야 하며 항상 정격 성능 지표를 충족해야 하지만, 기존 장치의 성능은 동일한 조건에서 저하되거나 심지어 손상될 수도 있습니다.
군사/항공 애플리케이션을 위한 신뢰성이 높은 상호 연결 장치는 결코 견고한 인클로저에 캡슐화된 하나 또는 일련의 접점이 아닙니다. 상호 연결 장치 본체, 씰, 접촉력 및 접촉 재료는 지정된 조건에서 만족스러운 성능을 보장하기 위해 통합 시스템으로 작동해야 합니다.
이 문서에서는 설계자가 군사/항공 응용 분야용 상호 연결 장치를 선택하고 사용할 때 직면하는 과제에 대해 설명합니다. 그런 다음 세 가지 Molex 제품을 예로 들어 이러한 장치가 이러한 과제를 극복하는 데 도움이 되는 이유를 설명합니다.
견고한 커넥터에 대한 요구 사항
견고한 커넥터는 극심한 기계적, 환경적, 열적 스트레스 하에서도 사양을 일관되게 충족합니다. 이러한 스트레스 원인은 운영 환경에 따라 다르지만, 중복되는 부분도 많습니다. 예를 들어:
지상 기반 군사 시스템의 커넥터는 심한 진동, 두꺼운 퇴적물(먼지, 모래, 모래), 극심한 더위와 추위를 견딜 수 있어야 합니다.
해양 및 심해 커넥터는 부식성 해수 환경에 장기간 노출되고 높은 압착 압력을 견딜 수 있어야 합니다.
항공 커넥터는 매우 넓은 온도 범위에서 반복적인 이륙, 착륙 및 비행 장치의 진동을 견딜 수 있어야 합니다.
우주 커넥터는 발사 및 대기로 복귀하는 동안 더 심각한 온도 변동, 진공 노출, 환기 및 강한 기계적 응력을 경험합니다.
이러한 요구 사항에 대한 사양을 충족하려면 다음을 포함하여 다양한 기본 물리적 요소를 이해해야 합니다.
진동: 군용 차량 또는 전투기의 커넥터는 최대 20g의 가속도를 견딜 수 있도록 테스트되었습니다.
충격(Impact): 급가속 또는 감속 중에 발생하는 이러한 종류의 큰 충격력은 진동과 다릅니다. 표준 커넥터의 경우 최대 50g 충격, 나노 및 마이크로 설계의 경우 최대 100g 충격; 폭발 조건에 대한 특수 표준조차도 로켓 단 분리 또는 미사일 탑재체 방출에서 흔히 볼 수 있는 폭발 장치 폭발로 인한 높은 규모, 고주파 및 단기 구조적 진동을 다루고 있습니다.
극한 온도: 육상 기반 시스템은 -65°C ~ 125°C의 온도 변동을 경험할 수 있는 반면, 우주 시스템은 최대 200°C의 온도를 경험할 수 있습니다. 열과 냉기가 교대로 발생하면 재료가 팽창 및 수축되어 잠재적으로 재료가 약화되고 전기 전도도에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 커넥터 내 다양한 재료 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 재료 인터페이스에 기계적 응력이 발생하여 장기간 사용 시 정렬 불량이나 고장이 발생할 수 있습니다.
오염 물질 노출: 커넥터의 장기간 안정적인 작동을 보장하려면 O자형 링, 밀봉 개스킷 및 보호 와이어 슬리브와 같은 조치를 취하여 습기, 먼지 및 기타 오염 물질을 방지해야 합니다.
부식: 이는 염분무와 산화로 인해 계속해서 발생하는 문제입니다. 이러한 불가피한 상황이 커넥터의 무결성을 파괴하는 것을 방지하려면 커넥터 재료를 올바르게 선택하고 사용해야 합니다.
신뢰성이란 무엇입니까?
간단히 말해서, 장기적인 신뢰성은 반복적인 사용, 환경 노출 및 기계적 스트레스 하에서 안정적인 성능을 유지하는 능력을 의미합니다. 이 성능은 커넥터를 처음 사용하는 조건뿐만 아니라 반복된 결합을 견딜 수 있고 제대로 작동할 수 있는지 여부에 따라 달라집니다. 많은 커넥터, 특히 I/O 커넥터는 수백 또는 수천 번의 결합 작업을 경험합니다.
성공적인 견고한 설계에는 접점 자체와 고정 접점의 하우징(본체)이라는 두 가지 밀접하게 연결된 측면이 있습니다(그림 1).
접점 재료, 형상 및 도금이 핵심 요소입니다(확대하려면 클릭).
그림 1. 접점 재료, 형상 및 도금은 견고한 커넥터 설계의 핵심입니다. 이미지 출처: 몰렉스)
커넥터가 안정적인 연결을 달성하면서 낮은 삽입력을 유지하려면 접촉 표면의 설계가 필수적입니다. 접점 형상의 정밀 가공으로 연결부 마모가 줄어들고 접점 표면의 금도금(Au) 층이 산화를 방지합니다. 금 도금은 일반적으로 두께가 50마이크로인치(μin)이며 니켈(Ni) 베이스 코팅 위에 적용됩니다. 이는 도금 접착력을 강화하고 내식성을 더욱 향상시키는 데 사용됩니다.
이러한 코팅은 접점의 구리(Cu) 합금 기본 재료를 덮습니다. 금과 니켈 도금의 조합은 항공우주, 국방, 우주 응용 분야의 장기적인 신뢰성을 위해 필수적입니다. 베릴륨동(BeCu)은 중량 대비 강도가 우수하고 내피로성이 우수하여 모재로 널리 사용됩니다. 이 합금은 특히 장기 응력 후 탄성과 회복력이 필수적인 스프링 부재의 접점에 적합합니다.
인청동(CuSnP)은 비스프링 접점에 대한 적합한 대안으로 강도와 전도성 사이의 균형을 제공합니다. 이 재료는 내부식성이 있고 적당한 스프링 특성을 갖고 있으며 약간의 유연성이 필요하지만 지속적인 굽힘이 필요하지 않은 소형 및 미세 피치 커넥터에 일반적으로 사용됩니다.
견고한 커넥터를 설계하려면 여러 요소를 신중하게 고려해야 합니다(그림 2).
수직력을 유지하는 것이 신뢰성을 보장하는 열쇠입니다. 고성능 스프링 소재는 접촉 압력과 내구성을 유지합니다.
접촉력이 향상되면 에어 갭이 줄어들고 저항이 줄어들며 신호 무결성이 향상됩니다. 최적화된 형상으로 압력을 분산시켜 안정적인 전도성을 보장합니다.
접점 맞물림은 힘, 연속성 및 기계적 안정성이 결합된 핀과 리셉터클 사이의 축 방향 중첩입니다.
수직력을 유지하는 것이 신뢰성에 매우 중요합니다.
그림 2: 지속적인 수직항력은 신뢰성을 보장하는 핵심 요소(상단)이며, 더 큰 접촉력은 에어 갭(하단)을 줄여 저항을 줄이고 신호 무결성을 향상시킵니다. 이미지 출처: 몰렉스)
미세한 수준에서 결합 접촉 영역은 단순히 두 개의 매끄럽고 평평한 표면 사이에 단순히 끼워맞춤되는 것이 아닙니다. 반대로 오믹 접촉이 형성되거나 끊어지는 경우 접촉 경계면은 미세한 거칠기, 표면 피크 및 불규칙한 모양을 갖습니다. 접촉력이 높을수록 이러한 작은 돌출부를 평평하게 만들어 전기 전도도를 향상시키고 접촉 저항을 줄이며 일관된 성능을 보장합니다. 그러나 접촉력이 증가하면 삽입 및 제거력에도 영향을 미쳐 접촉 표면 마모가 증가합니다.
잘 설계된 접촉 시스템은 결합 길이와 수직력의 균형을 유지하여 느슨한 연결, 과도한 마모 및 기계적 응력을 방지합니다. 접촉력이 너무 작으면 접촉 저항이 증가하고 신호가 불안정해집니다. 반대로 과도한 접촉력은 도금 마모를 가속화하고 접촉 구조의 조기 피로를 초래합니다.
접점이 1개 또는 2개만 있는 시중에서 판매되는 커넥터와 달리 견고한 커넥터는 다중 접점 시스템을 사용하여 진동이나 충격으로 인한 기계적 부하를 분산합니다(그림 3). 이러한 접촉 시스템은 조깅으로 인한 아크 또는 신호 손실을 방지하고 중요한 시스템에 중복 접촉 경로를 제공합니다.
향상된 안정성과 신호 무결성을 위한 다중 접점 설계
그림 3: 향상된 안정성과 신호 무결성을 위한 다중 접점 설계. 이미지 출처: 몰렉스)
접촉 시스템은 또한 시간이 지나도 일관된 접촉력을 유지하기 위해 스프링 요소를 포함할 수 있습니다. 스프링 장착 접점은 접점 정렬 중 작은 변화를 보상하는 동시에 반복적인 연결 및 분리를 통해 안정적인 전도성을 보장합니다. 그러나 과도한 힘을 가하면 접점 도금이 과도하게 마모될 수 있습니다.
접점 그 이상: 커넥터 하우징 및 보호 하우징
견고한 커넥터의 핵심 성능은 접점에서 시작되지만 커넥터 하우징은 내부를 둘러싸는 전기 접점보다 훨씬 더 많은 역할을 합니다. 내구성과 무게 사이의 균형을 유지하면서 기계적 응력, 극한의 온도, 공격적인 매체 및 습기에 저항합니다. 설계자는 다양한 인클로저 재료를 사용할 수 있습니다.
폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리에테르이미드 이미드(PEI)와 같은 열가소성 폴리머는 우수한 기계적 강도, 내열성 및 화학적 안정성을 제공합니다. 이 소재는 경량 구조물의 진동과 충격을 효과적으로 흡수합니다.
유리 섬유 강화 폴리머 및 탄소 섬유 복합재와 같은 복합재는 중량 대비 강도 비율이 뛰어납니다. 이 설계를 통해 인장 강도, 충격 저항 또는 열 안정성을 비롯한 재료의 특정 특성을 최적화할 수 있습니다.
스테인레스강과 알루미늄 합금은 항공우주 및 방위 응용 분야에서 높은 충격, 높은 진동, 강한 전자기 간섭(EMI)으로 인해 커넥터 하우징에 선호되는 재료입니다.
스테인레스강 커넥터 하우징은 뛰어난 내식성과 기계적 강도를 제공하므로 습기, 화학 물질 또는 염분무에 노출되는 해양, 산업 및 항공우주 응용 분야에 이상적입니다. 알루미늄 합금은 강력한 EMI 차폐 기능을 제공할 뿐만 아니라 가볍고 가공이 용이하므로 군용 차량, 항공 전자 공학 및 우주 응용 분야의 커넥터 하우징에 선호되는 소재입니다.
일부 견고한 커넥터는 전체 크기를 줄이면서 안정성과 안전한 결합을 제공하는 플랫 래칭 시스템을 사용합니다. 예를 들어, 스프링 잠금 장치 또는 고정 장치는 전장 조건에서 커넥터의 기계적 신뢰성과 작동 용이성을 모두 제공합니다.