가정용 리클라이너 소파의 전기 및 기구부에 대한 신뢰성시험 설계
장 인 혁*, 형 재 필*, 임 홍 우*, 최 연 옥**†
*한국기계전기전자시험연구원, 융복합신뢰성센터
**†조선대학교, 전기공학과
Reliability test design for Electric and movement apparatus of recliner sofa for home use In-Hyeok Jang*, Jae-pil Hyung
*, Hong-Woo Lim
*, Youn-Ok Choi
**†
*Korea Testing Certification
†**
Chosun University
(Received : Aug. 17, 2018, Revised : Nov. 20, 2018, Accepted : Dec. 20, 2018)
Abstract : In this paper, we propose a test method to evaluate the reliability of the recliner sofa in the early stage of production. In order to develop the test method, we analyzed the failure mechanism occurring in the field and designed the performance test, environmental test, accelerated life test methods based on the analysis of failure mechanism. The failure mechanism is reproduced by applying the designed test. The reliability of the recliner sofa can be verified at the production stage through the proposed test method.
Keyword : Recliner sofa, Reliability test, Electric apparatus, Movement apparatus
1. 서 론
1)
최근 소비자들에게 다양한 기능과 편의성을 제공하 는 복합적 기능을 갖춘 전자제품들의 수요가 증가하는 추세이다[1]. 가정내 편안함을 제공하는 소파 역시 스 위치의 신호를 이용하여 각도를 체형에 맞게 조절이 가능한 리클라이너 소파 제품이 개발되었다. 리클라이 너 소파의 경우 단순한 소파의 기능뿐만 아닌 USB 충전 및 위치저장기능 등의 다양한 편의를 위한 전자 제품이 추가되는 추세를 보이고 있다. 하지만 다양한 기능을 접목시키다보니 기존에 없던 고장메커니즘이 발생하였으며, 이러한 고장에 대한 분석 자료가 부족 하다보니 AS의 어려움 및 제품의 품질 및 신뢰성이 낮게 평가되고 있다. 소비자들 역시 기능의 편리성을 위해 다양한 기능을 갖춘 리클라이너 소파를 선호하게
†Corresponding Author 성 명 : 최연옥
소 속 : 조선대학교 전기공학과
주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7175
E-mail : [email protected]
되었지만 빈번한 고장으로 인해 구입하기를 망설이고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 생산자들은 10년 무상 AS정책을 펼치고 있지만, 잦은 고장으로 발생하 는 기업의 이미지 타격 및 AS 비용 역시 무시할 수 없는 상황이다. 이를 해결하고자 기업은 제품의 신뢰 성을 높이는데 많은 노력을 기울이고 있지만, 현재 리 클라이너 소파의 신뢰성 및 고장분석에 대한 연구는 부품관리에 대한 기본적인 생산에 대한 기초 연구만이 진행되었을 뿐 별도의 시험법이 존재하지 않아 제품의 신뢰성 평가가 어려운 상황이다[2]. 따라서 본 논문에 서는 리클라이너 소파의 생산 초기에 신뢰성을 평가할 수 있는 시험법을 제안 하였다. 시험법 개발을 위해 실제 필드에서 발생하는 고장메커니즘을 분석하였고, 그에 따른 평가지표 및 성능시험과 열화 및 환경적 요 인에 의한 고장메커니즘 분석을 위한 환경시험방법과 기존의 수명시험의 문제점을 확인하여 이를 개선하여 가속수명시험법을 설계하였다. 또한 시험을 통해 실제 필드에서 발생하는 고장 메커니즘과의 유사성을 확인 하여 설계된 시험의 타당성을 검증하였다.
2. 제품구성 및 고장사례 2.1 제품구성
리클라이너 소파는 Figure 1의 (a)와 같이 발받침 부분 등이 스위치의 동작 신호에 따라 각도를 조절 가 능한 소파이다. 구성은 크게 Figure 1의 (b)와 같이 전원을 공급하는 전원부, 실제 모터를 동작시켜 소파 를 움직이는 기구부, 시스템을 제어하는 제어부로 구 성되어 있다. 최근에는 USB 충전단자가 추가되어 스 마트폰 및 기타 전자기기 등의 충전을 할 수 있는 기 능을 갖춘 제품이 출시되고 있다.
(a) Ricleliner sofa (b) Product configuration Figure 1 Composition of recliner sofa
2.2 고장사례
리클라이너 소파의 고장사례를 살펴보면 주로 Figure 2의 (a)와 같이 빈번한 반복동작으로 인해 발 생하는 모터부 릴레이 파손, Figure 2의 (b)와 같이 직접화 회로구성으로 인한 제어부의 휘스커 현상 발 생, 최근 USB 충전단자가 추가됨에 있어 Figure 2 의 (c)와 같이 부품열화로 인한 충전상태 불량 현상이 발생하고 있다.
(a) Relay breakage
(b) Whisker phenomenon
(c) USB charging failure Figure 2 Recliner sofa failure case
2.3 2단계 QFD(Quality Function Deployment)설계 리클라이너 소파의 주요 고장부위는 기구부, 제어부 및 USB 충전부로 나뉘며 주 고장모드 및 고장메커니 즘은 기구부의 연속동작에 의한 기구부 마모와 부품열 화에 의한 제어부 열화 및 충전지연현상이 주 고장모 드이다. 유형별 고장원인을 분석하기 위한 2단계 품질 기능 전개(Quality Function Deployment)가 있다.
QFD 1단계를 설계하기 위하여 고장의 원인 및 현상 을 모터 오동작, USB 충전 불량, 제어부 오동작으로 분류하였다. 모터 오동작의 주요 고장모드는 반복동작 에 의한 기구부 릴레이의 용융 및 모터고장이 있으며, USB 충전 불량의 경우 부품 열화에 의한 충전상태 불량, 제어부의 오동작은 휘스커 현상으로 인한 IC 칩 단락이 주요 고장의 원인으로 확인되었고, 고장의 주 요요인으로 온도, 습도, 열 충격, 진동, 과부하(전기 적, 하중), 연속동작으로 분류하였고 신뢰성에 관련된 중요도에 ◎ 가장 중요 ○ 중요 ◇ 보통으로 Table 1 과 같이 나타내었다. 1단계 결과를 바탕으로 설계한 2 단계 QFD는 고장기구 및 시험방법으로 Table 2와 같다.
Failure Mode/Mechanisms Stresses and Performance
Motor malfunction USB charging failure Control malfunction Relay melting and motor
failure due to repeated operation
Charging failure due to parts deterioration
IC chip short-circuit due to whisker phenomenon
Temperature ◇ ◎ ◎
Temperature and
Humidity ◇ ◎ ◎
Thermal shock - ○ ○
Vibration ◇ ○ ○
Overload (electrical) ◇ ◇ ◇
Overload (weight) ◎ - -
Repetitive operation ◎ ○ ○
Remarks 1. Indicated according to the importance of reliability : ◎ Most important ○ important ◇ Normal 2. Failure Mode / Mechanism indicates all types of failures that can occur in the part or material.
Table 1 Cause of Failure and Failure Mechanism
3. 시험설계 3.1 성능시험 설계
성능시험을 위한 시험품의 발췌는 “KS Q 1003 랜 덤 샘플링 방법(2014)”, “KS Q 2859-2(2014)” 고 립노트 한계품질(LQ)지표형 샘플링 검사방식을 참고 하였고, 품질에 적용되는 시험품수 및 최대허용고장 수는 기본적으로 최대허용불량율에서 실시한다[3,4].
품질시험에 적용되는 시험품수 및 최대허용고장 수는 기본적으로 최대허용고장율을 LTPD(Lot Tolerance Percent Defective)로 정의할 때 이를 보증하는 방 식을 적용하면 다음 관계식(1)을 따른다.
≥ (1)
여기서 n은 시험품수, p는 최대허용 불량률, CL은 신뢰수준, c는 허용불량수이다 p가 35 %이하로 관리 되고 있음을 CL 60 %로 보증하는 경우 c가 0일 때 n은 다음과 같다.
≥ × (2) 성능 시험 항목 중 소비전력, 전압변동시험, 내전 압, 출력 전압, 출력 전류의 경우 안전인증 기준 “IEC 60335-2-32(2002)”를 참고하여 Table 3과 같이 설 계하였고, 절연저항은 “KS C 1302(2014)”를 참고하 여 설계하였다[5, 6]. 단, 출력전압 및 출력전류시험 의 경우 USB 출력단자가 없는 제품의 경우 제외한다.
Test Methods FailureModes/Mechanisms
High temperatur
e test
High temperature
and high humidity test
Thermal shock test
Vibration test
Overload (electrical)
test
Overload (weight)
test
Repetitive operation
test
Relay melt Motor
malfunction ◇ ◇ - ◇ ◇ ◎ ◎
Parts deterioration
USB charging
failure ◎ ◎ ○ ○ ◇ - ○
Whisker phenomenon
Control
malfunction ◎ ◎ ○ ○ ◇ - ○
Table 2 Failure Mechanism and Test Method
Test Items Test conditions Criteria Number of samples
Number of allowable failure samples Consumption
power
Input : Rated input
Output : Maximum output Within ± 5% 3 0 Variable voltage
test Rated voltage +10 %, -1 5% Power consumption
Within ± 5% 3 0
Withstand voltage
Input voltage × 2 + 1,000 V For 1 minute
No dielectric breakdown
or flashover 3 0
Insulation
Resistance 500 V 10 ㏁ or more 3 0
Output voltage Input : Rated input
Output : Maximum output Within ± 10% 3 0 Output current Input : Rated input
Output : Maximum output Within ± 10% 3 0 Table 3 Performance test
3.2 환경시험 설계
환경시험의 경우 완제품 형태가 아닌 리클라이너 소 파의 기구부 및 제어부 만으로 Table 4의 시험 조건 으로 시험을 실시하며, 시험이 완료된 시험 품에 대하 여 성능시험에 적합한지 확인하여야 한다. 시험의 설 계는 고온시험은 “IEC 60068-2-2(2011)”에서 규정 하는 발열이 없는 시험 품에 대한 완만한 온도변화를 수반하는 고온시험방법, 고온고습시험 “IEC 60068- 2-78(2011)”에서 규정하는 안정상태의 내습성 시험 방법, 온도변화시험은 “IEC 60068-2-14(2009)”에서 규정하는 온도 급변 시험방법, 정현파 진동시험은
“IEC 60721-3-2(1996)”의 2M2 등급의 시험방법, 과부하시험의 경우 제조자가 보증하는 최대하중의 무 게를 별도의 추를 이용하여 반복 시험하도록 설계하였 다[7-10].
3.3 수명시험 설계
일반적인 리클라이너 제품의 수명 기준은 단순히 25,000 회 반복동작으로 10 년을 보장한다. 하지만 실제 가정 내 사용되는 리클라이너 제품의 동작은 인 체의 하중이 실린 상태에서 동작하기 때문에 단순히 무부하 상태로 25,000 회의 반복동작 시험은 적절하 지 않은 것으로 판단되었다. Table 5는 실제 10 명을 대상으로 하체의 하중을 측정한 결과를 나타낸 것으로 하중이 본인의 몸무게의 (16~21)%가량을 차지하는 확인되었다.
Test Items Test conditions Criteria Number of samples
Number of allowable failure samples High temperature
test
(1) Temperature : (70 ± 2) ℃ (2) Test time : 900 h
Pass the performance test
after test
3 0
High temperature and high humidity
test
(1) Temperature : (60 ± 2) ℃ (2) Humidity (90 ± 5) % R. H.
(3) Test time : 900 h
3 0
Thermal shock test
(1) (-40 ± 3) ℃ 30 min (2) (80 ± 2) ℃ 30 min (3) Test cycle : 100 Cycles
3 0
Vibration test
(1) Frequency : (9 ~ 200) ㎐ (2) Acceleration : 1 g (3) Frequency variable : 1 octave/min
(4) X, Y, Z Each axis 4 h
3 0
Overload test (weight)
(1) Maximum load guaranteed by the manufacturer
(2) Operation 250 times
Normal operation 3 0
Table 4 Environmental test
Body weight 61 kg 65 kg 68 kg 70 kg 72 kg 74 kg 75 kg 82 kg 92 kg 110 kg
Under load 10 kg 11 kg 13 kg 15 kg 14 kg 16 kg 15 kg 17 kg 19 kg 22 kg Table 5 The result of under load measurement according to body weight.
따라서 Figure 3과 같이 리클라이너 소파의 기구부 에 20 kg의 추를 장착한 뒤 25,000 회의 반복시험을 하는 것으로 수명시험을 설계하였다.
Figure 3 Jig for accelerated life test of Recliner Sofa
대상 부품의 수명분포는 고장형태의 고장을 모델링 할 수 있도록 와이블 분포를 가정하였다. 시료 수는 수명 분포로서 와이블 분포를 적용하여 다음과 같은 식(3)에 의하여 9 개로 결정하였다. 시료수를 결정할 때 수명 수준과 시험횟수를 동일하게 결정하였기 때문 에 형상모수에 영향을 받지 않으며 신뢰수준은 60 %, 허용 고장 수는 0으로 결정하였다. 단, n 은 시료 수,τ* 는 보증하고자 하는 B10수명,T 는 시험시 간, β는 와이블 분포의 형상모수이다.
≧ × × ln (3) 수명시험은 Table 6과 같이 기존의 25,000회의 반복시험에 20 kg의 무게 추를 부착한 상태로 진행하 며, 판정기준은 시험 후 성능시험에 만족하여야 하도 록 설계하였다.
Test Items Life time test
Test conditions
(1) Operation 25,000 times (2) Repeating operation (3) Weight : 20 kg
Criteria Pass the performance test after test
Number of samples 9 Number of allowable
failure samples 0 Table 6 Accelerated life test
4. 시험법 검증 4.1 환경시험 검증결과
설계된 시험법의 타당성을 검증하기 위해 기본적인 성능시험 진행 후, 고온시험, 고온고습시험, 열충격시 험, 진동시험, 과부하(하중)시험을 진행하였다. 시험결 과 열충격시험과 진동시험, 과부하(하중)시험의 경우 시험 후 판정기준을 통과하였다. 하지만 고온시험 및 고온고습시험에서 시험 후 USB 충전부 이상이 Figure 4와 같이 발생하였다. Figure 4의 (a)는 시 험 전 제품의 온도를 측정한 것으로 일반적으로 USB 출력 제어회로의 온도는 70℃이었다. 하지만 시험 후 Figure 4의 (b)와 같이 온도가 40℃로 오히려 감소 한 것으로 확인되었다.
(a) temperature measurement before test
(b) Temperature measurement after test Figure 4 Temperature measurement
온도의 감소 원인으로는 USB 출력전류가 감소하였 기 때문이다. Figure 5의 (a)는 시험 전 출력전류 파 형을 나타낸 것으로 정격 1 A의 정상적인 직류 파형 을 출력하였다. Figure 5의 (b)는 시험 후 출력전류 파형을 나타낸 것으로 약 0.3 A의 펄스 형태의 전류 를 출력하였다. 이와 같이 출력되는 전류량이 감소하 여 회로의 발열량이 감소하게 된 것이다. 이러한 고장 현상은 실제 필드에서 발생하는 충전지연의 현상과 동 일한 고장메커니즘으로 설계된 환경시험을 통해 이러 한 문제점을 재현 및 확인 할 수 있었다.
(a) Output current waveform before test
(b) Output current waveform after test Figure 5 Output current waveform before and
after test
4.2 가속수명시험 검증결과
설계된 가속수명시험의 타당성 검증을 위해 우선 3 개의 시료를 100,000회 진행하여 고장의 재현 여부를 확인하였다. 시험 결과 시료 1의 경우 시험 종료 후 Figure 6의 (a)와 같이 동작하지 않았다. 이는 빈번 한 연속동작 시 발생하는 역기전력에 의한 절연파괴로 Figure 6의 (b)와 같이 릴레이 전원부 단락으로 인해 파손된 것으로 추정하였다. 시료 2의 경우 75,000회 에서 큰 소음이 발생하였으며, 이는 기구부 마모로 인 한 마찰증가가 원인으로 추정되었다. 시료 3의 경우 시험이 종료 될 때까지 이상 없이 정상 동작하였다.
제품 모두 25,000회의 목표 수명시간은 만족하였으 나, 추가적인 시험 진행시 발생하는 고장 메커니즘이 실제 필드에서 발생하는 고장메커니즘과 유사하여 시 험설계의 적합함을 검증하였다.
(a) Operation after test
(b) Relay breakage Figure 6 Accelerated Life Test
5. 결 론
본 논문에서는 리클라이너 소파의 생산 초기에 신뢰 성을 평가할 수 있는 시험법을 제안 하였다. 시험법 개발을 위해 실제 필드에서 발생하는 고장메커니즘을 분석한 결과 연속동작, 온도, 습도, 과부하(무게) 등의 주요 스트레스 요인을 확인하였다. 이러한 결과를 바 탕으로 2단계 QFD를 설계하여 성능시험, 환경시험, 가속수명시험을 제안하였다. 먼저 성능시험을 위한 시 험품의 발췌는 KS Q 1003 랜덤 샘플링 방법, KS Q 2859-2 고립노트 한계품질(LQ)지표형 샘플링 검사 방식을 참고하였고, IEC 60335-2-32, KS C 1302 등을 참고하여 소비전력, 전압변동시험, 내전압, 절연 저항으로 설계하였고, USB출력단자가 있는 제품의 경 우는 추가로 출력전압, 출력전류 항목을 추가하였다.
환경시험의 설계는 고온시험은 IEC 60068-2-2에서 규정하는 발열이 없는 시험 품에 대한 완만한 온도변 화를 수반하는 고온시험방법, 고온고습시험 IEC 60068-2-78에서 규정하는 안정상태의 내습성 시험방 법, 온도변화시험은 IEC 60068-2-14 에서 규정하는 온도 급변 시험방법, 정현파 진동시험은 IEC 60721-3-2의 2M2 등급의 시험방법, 과부하시험의 경우 제조자가 보증하는 최대하중의 무게를 별도의 추 를 이용하여 반복 시험하도록 설계하였다. 마지막으로 수명시험의 경우 일반적인 리클라이너 제품의 수명 기 준인 무부하상태의 25,000 회 반복동작으로 10 년을 보장하는 기존의 시험법에 추가로 20 kg의 추를 부착 하여 진행하는 방식으로 수정하여 수명시험을 설계하 였으며, 시료 수는 수명 분포로서 와이블 분포를 적용 하여 9 개로 결정하였다. 시료수를 결정할 때 수명 수 준과 시험회수를 동일하게 결정하였기 때문에 형상모 수에 영향을 받지 않으며 신뢰수준은 60 %, 허용 고 장 수는 0으로 결정하였다. 그리고 설계된 시험법의 타당성검증을 위해 시험을 진행한 결과 환경시험 중 고온 및 고온고습시험 종료 후 USB 충전 불량 현상 이 발생하였고, 가속수명시험 진행 후 릴레이 파손 및 기구부 소음발생으로 실제 필드에서 발생하는 고장메 커니즘과 유사한 현상이 관측됨으로 설계된 시험의 타 당성을 검증하였다.
아직은 리클라이너 소파의 시장성에 비해 연구 및 자료가 부족한 상황이기에 초기 시험법 설계 단계이지 만 향후 제안된 시험법을 통한 검증 및 추가 필드 Data 등을 확보하여 전기적 및 환경시험을 추가 보완 한다면, 생산 초기단계에 제품의 신뢰성 평가 및 적용 가능할 것이다.
감 사
이 논문은 소재부품융합얼라이언스사업의 재원으로 학술연구비 지원을 받아 수행된 연구임
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