스마트폰 케이스의 유무에 따른 충격해석에 관한 융합 연구
최계광1, 조재웅2*
1공주대학교 금형설계공학과 교수, 2공주대학교 기계자동차공학부 교수
A Convergent Study on Impact Analysis due to Existence or Non-Existence of Smart-phone Case
Kye-Kwang Choi1, Jae-Ung Cho2*
1Professor, Department of Metal Mold Design Engineering, Kongju national University
2Professor, Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University
요 약 본 연구에서는 총 4가지 Model의 스마트폰들에 대하여 충격을 주었을 때, 각각의 모델들에 대한 변형량과 응력 들을 해석하여 그 강도를 서로 비교하였다. 케이스를 장착한 경우의 모델들인 Model B와 Model D는 장착하지 않은 모델들인 Model A와 Model C에 비하여 변형량과 응력이 적은 것을 볼 수 있다. 케이스를 포함한 Model들이 케이스 가 없는 Model들보다 질량이 더 많아지게 되어 충격력을 흡수함으로서 변형량과 응력을 감소시킬 수 있다. 또한 질량 이 Model C와 Model D가 Model A와 Model B에 비하여 작지만 응력과 변형량이 더 작아짐을 보이고 있다. 스마트 폰을 제작시에 무게가 적게 나가면서 충격을 흡수할 수 있도록 하기 위하여 모서리 보호에 특화되어 있는 케이스를 선택하여 설계한다면 스마트폰의 강도를 향상시켜 내구성을 증진할 수 있다고 사료된다. 또한 본 연구가 실제적으로 스마트폰 케이스의 내구성이 있는 효율적인 설계와 스마트 폰의 미적인 융합에 적합하여 보인다.
주제어 : 스마트폰, 케이스, 응력, 변형량, 강도, 융합
Abstract In this study, the deformation and stress on each model was analyzed and the strength was compared with each other when the impacts on a total of four smart phone models was given. Models B and D with cases can be seen to have less deformation and stress than models A and C without cases.
The models including the case have higher masses than the models without the case. So, the deformation and stress can be reduced by absorbing the impact force. In addition, the masses of models C and D are smaller than models A and B, but the stresses and deformations are seen to be smaller. If a case specialized for edge protection is chosen and designed when manufacturing a smart-phone in order to absorb the shock while weighing less, it is thought to improve the strength of the smart-phone and increase the durability. And it is seen that this study is adequate at the efficient design with durability of smart phone case practically and the aesthetic convergence of smart phone.
Key Words : Smart-phone, Case, Stress, Deformation, Strength, Convergence
*Corresponding Author : Jae-Ung Cho([email protected]) Received July 6, 2020
Accepted October 20, 2020 Revised August 28, 2020
Published October 28, 2020
1. 서론
최근에 스마트폰 사용률이 급격히 증가하면서 스마트 폰 파손에 대한 대비책들이 유행하고 있다. 예를 들면 통 신사 스마트폰 보험, 스마트폰 케이스 등등이 있다. 특히 요즘 SNS, 인터넷 광고를 보면 흔하게 케이스 광고에 대 한 내용을 쉽게 접할 수 있다. 스마트폰 케이스 업체는 너 높은 곳, 실생활보다 극한의 상황에서 스마트폰에 충 격을 주는 테스트를 영상으로 내보내어 광고를 하고 있 다. 본 연구에서는 대표적인 스마트폰 2가지 종류의 모델 Model A, Model C를 선정하고 그 각각의 모델에 케이 스를 장착한 모델 Model B, Model D를 선정하였다. 스 마톤의 모서리로 떨어지는 방향은 대각선 방향으로 충돌 하게 하였다. 본 연구에서는 4가지 스마트 폰 모델들에 대하여 그 강도를 비교하고[1-5], 스마트폰이 사용자의 실수로 인하여 떨어지는 충격으로 인하여 그 내구성을 얼마나 유지할 수 있는가를 구조 해석을 통하여 고찰하 였다[5-10]. 본 연구의 해석 결과를 이용하면 실제적으 로 스마트폰 케이스의 강도와 내구성을 실험하지 않고서 도 평가할 수 있다. 그리고 본 연구가 실제적으로 효율적 인 설계와 미적인 융합에 적합하다고 보인다[11-15].
2. 본론 2.1 연구 모델들 및 경계 조건들
본 연구에서는 대중화되어 있는 스마트폰의 4가지 모 델들의 형상들은 Fig. 1과 같다. 재질은 알루미늄으로 되 어 있고 그 물성치는 Table 1과 같다.
(a) Model A (b) Model B
(c) Model C (d) Model D
Fig. 1. Smart phone shapesTable 1. Aluminum alloy property
Young's Modulus 71 GPa
Poisson's Ratio 0.33
Density 2770 kg/m3
Tensile Yield Strength 280 MPa
Compressive Yield Strength 280 MPa
Tensile Ultimate Strength 310 MPa
Table 2. Mesh lists of models A, B, C
Nodes Elements
Model A 15087 8768
Model B 17897 10864
Model C 22006 13365
Model D 21422 13195
해석을 위한 Model A, B, C 및 D 각 모델들의 메시 에 대한 절점들과 요소수들은 Table 2와 같다.
2.2 모델에 대한 경계 조건
4개의 Model A, B, C 및 D들, 각각에 대해서는 동 일한 충격 속도 4 m/s를 가하고 충격시간은 0.001 초로 설정하였다. Model A, B, C 및 D의 질량(m)은 각각 0.21964 kg, 0.34199 kg, 0.17894 kg 및 0.20586 kg 이다. 충격력은 (1)식과 같다.
F= m×V/t ---(1) F=충격력(N)
V=충격 속도(m/s) t= 충격 시간(s)
이러한 충격력(F)은 Y축 방향과 Z방향으로 동일한 충 격력으로 작용한다고 가정하여 Y축 방향과 Z방향의 충 격력은 Table 3과 같다.
Table 3. Impact forces with the components of Y and Z directions due to model
Impact force Y direction Z direction
Model A 1185.6 N 838.35 N 838.35 N
Model B 1368 N 967.29 N 967.29 N
Model C 715.76 N 506.12 N 506.12 N
Model D 823.44 N 582.26 N 582.26 N
(a) Model A
(b) Model B
(c) Model C
(d) Model D
Fig. 2. Impact conditions of modelsFig. 2와 같이 4개의 각각의 모델에 대해서 경계조건 은 동일하게 주었다. Model A, B, C 및 D들에 대하여 각각 모델의 모서리 부분을 고정하였고, 충격력을 각각 모델의 그 반대 모서리에 Y축과 Z축에 가하였다.
3. 해석결과들 3.1 충격해석
각각의 4개의 모델들에 큰 충격이 가해지는 경우에 구 조해석으로 그 결과를 고찰한다. Fig. 3은 각 모델들에 대한 전변형량의 등고선들이다. 케이스를 장착한 경우의 모델들인 Model B와 Model D는 장착하지 않은 모델들 인 Model A와 Model C에 비하여 변형량이 적은 것을 볼 수 있다. 두 경우의 공통점은 케이스를 포함한 Model 들의 질량이 더 많아지게 되어 충격력을 흡수함으로서 변형량을 감소시키는 것으로 사료된다. 또한 질량이 Model C와 Model D가 Model A와 Model B에 비하 여 작지만 변형량이 더 작아짐을 보이고 있다.
(a) Model A
(b) Model B
(c) Model C
(d) Model D
Fig. 3. Contours of total deformations(a) Model A
(b) Model B
(c) Model C
(d) Model D
Fig. 4. Contours of equivalent stressesFig. 4는 각 모델들에 대한 등가응력의 등고선들이다.
케이스를 장착한 경우의 모델들인 Model B와 Model D 는 장착하지 않은 모델들인 Model A와 Model C에 비 하여 각각 최대 응력이 2.9배와 2.1배 더 적은 것을 볼 수 있다. 두 경우의 공통점은 케이스를 포함한 Model들 이 질량이 더 많아지게 되어 충격력을 흡수함으로서 응 력을 감소시키는 것으로 사료된다. 또한 질량이 Model C와 Model D가 Model A와 Model B에 비하여 작지만 응력이 더 작아짐을 보이고 있다.
4. 결론
본 연구에서는 총 4가지 Model의 스마트폰 형태에 대한 충격을 주었을 때, 각각의 모델들에 대한 변형량과 응력들을 고찰하여 그 강도를 고찰하였다. 연구 결과는 다음과 같다.
1. 케이스를 장착한 경우의 모델들인 Model B와 Model D는 장착하지 않은 모델들인 Model A와 Model C에 비하여 변형량과 응력이 적은 것을 볼 수 있다. 두 경우의 공통점은 케이스를 포함한 Model들의 질량이 더 많아지게 되어 충격력을 흡 수함으로서 변형량과 응력을 감소시키는 것으로 사료된다. 또한 질량이 Model C와 Model D가 Model A와 Model B에 비하여 작지만 응력과 변 형량이 더 작아짐을 보이고 있다.
2. 스마트폰을 사용시에 모서리 보호에 특화되어있는 케이스를 선택하고 무게가 적게 나가면서 충격을 흡수할 수 있도록 설계한다면 스마트폰의 강도를 향상시켜 내구성을 증진할 수 있다고 사료된다. 그 리고 본 연구가 실제적인 스마트 폰의 효율적인 설 계와 미적인 융합에 적합하다고 보인다.
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최 계 광(Kye-Kwang Choi) [정회원]
․ 1993년 2월 : Pusan University of Technology Metalmold Engineering (공학사)
․ 1995년 8월 : 국민대학교 대학원 기계 설계학과 (공학석사)
․ 2005년 2월 : 국민대학교 대학원 기계 설계학과 (공학박사)
․ 2005년 8월 : (주) 현대배관 기술부장
․ 2006년 5월 ~ 현재 : 공주대학교 금형설계공학과 교수
․ 2013년 1월 ~ 현재 : 공주대학교 글로벌 금형 기술 연구소 소장
․ 관심분야 : 3D CAD, CAM Programing
․ E-Mail : [email protected]
조 재 웅(Jae-Ung Cho) [종신회원]
