KR101682157B1 - 서지 방전에 대비하여 전기적 시스템을 보호하기 위한 플러그 커넥터, 이러한 플러그 커넥터의 사용, 그리고 이러한 플러그 커넥터를 생산하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과전압 방전에 대비해 전기적 시스템, 특히 전자 디바이스, 반도체 부품 혹은 케이블 하니스를 보호하기 위한 플러그 커넥터에 관한 것이며, 이러한 플러그 커넥터는 플라스틱의 몸체 내에 매립되는 콘택 핀들을 포함하고 있으며, 여기서 플라스틱은 콘택 핀들 사이에 영역을 가지며, 이 영역은, (a) 동작 범위 내에서 제한 전압까지는 본래의 전기 절연 특성을 갖는 전기 저항을 나타내고, 그리고 (b) 제한 전압 위에서는 감소된 전기 저항을 나타내어 콘택 핀들 사이에서 과전압들이 방전될 수 있게 한다. 추가적으로, 본 발명은 플러그 커넥터를 제조하기 위한 방법 및 플러그 커넥터의 사용에 관한 것이다.

Description

서지 방전에 대비하여 전기적 시스템을 보호하기 위한 플러그 커넥터, 이러한 플러그 커넥터의 사용, 그리고 이러한 플러그 커넥터를 생산하기 위한 방법{PLUG CONNECTOR, USE THEREOF FOR PROTECTING AN ELECTRICAL SYSTEM AGAINST SURGE DISCHARGE, AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}

본 발명은 과전압 방전(overvoltage discharge)에 대비하여 전기적 시스템(electrical system)을 보호하기 위한 플러그 커넥터(plug connector), 이러한 플러그 커넥터를 제조하기 위한 방법, 그리고 이러한 플러그 커넥터의 사용에 관한 것이다.

전기적 시스템들, 특히 종래의 전자기기, 전자 디바이스, 반도체 부품, 케이블 하니스(cable harness), 그리고 자동차용 제어 디바이스는 과전압 방전에 의해 손상을 입을 수 있거나 혹은 심지어 완전히 파괴될 수 있다. 과전압은 제조 혹은 제작, 저장, 패키징, 프로세싱 혹은 연결 동안 정전기 충전을 통해 일어날 수 있다. 방전은 결과적으로 손상 혹은 파괴를 일으킬 수 있다. 정전기 충전은 패키징을 목적으로 하는 핸들링 프로세스에서 혹은 제조하는 동안 마찰력을 통해 발생될 수 있고, 그리고 기계, 디바이스 및 개개의 기기로부터 전기적 시스템으로의 전하의 전도(유도)를 통해 발생될 수 있다.

이러한 민감한 전기적 시스템이 정전기 방전에 의해 손상을 입게 되는 것을 방지하기 위해, 설치 공간을 차지하는 상대적으로 비싼 부품(예를 들어, 커패시터, 코일 혹은 배리스터(varistors))이 플러그 커넥터의 각각의 콘택 핀(contact pin)에 대해 (특히, 전자 시스템의 인쇄 회로 기판 상에) 종종 제공된다.

공개된 특허 출원 DE 43 26 486 A1로부터 커넥터-스트립 몸체(connector-strip body)를 갖는 필터 플러그(filter plug)가 알려져 있는바, 이것은 고주파 교란(high-frequency disturbances)을 억제하기 위해 절연 물질(insulating material)과 페라이트 분말(ferrite powder)의 혼합물로부터 제조된다.

문헌("Elektrisch leitende Kunststoffe"("Electrically Conductive Plastics"), Carl Hanser Verlag Munchen Vienna, published by H.J. Mair and S. Roth, page 10)으로부터, 하우징(housings)의 정전기 충전을 피하기 위한 전기전도성 플라스틱의 응용이 알려져 있다. 이러한 하우징은 플라스틱-카본 블랙 혼합물(plastic-carbon black mixture)로 이루어져 있고, 10⁹ 오옴(ohm)보다 작은 표면 저항(surface resistivity)을 나타내야 한다.

유럽 특허 출원 EP 0 649 150 A1은 필터 및 이러한 필터가 매립된 매트릭스(matrix)를 보여주는 복합물에 관한 것이다. 필터는 코어-쉘 구조(core-shell structure)를 갖는 입자들을 구비한 하나의 성분을 주로 함유한다. 쉘 구조를 포함하는 입자들의 쉘들은 절연 물질로 이루어져 있고, 이러한 입자들의 코어들은 전기적으로 전도성인 혹은 전기적으로 반전도성인 물질로 만들어진다. 특정된 전제조건 하에서, 이러한 복합물의 전기적 전도성은 코어에 대한 물질이 적절히 선택되는 경우 전기장에 노출되는 동안 비선형 변화를 두 번 겪을 수 있다. 첫 번째 비선형 변화는 전압 제한을 일으키고, 두 번째는 전류 제한을 일으킨다.

공개된 특허 출원 DE 37 02 780 A1은 반도체 부품을 위한 캐리어를 설명하고 있는바, 이것은 전기자기장 혹은 정전기 충전의 영향에 대비해 배리스터를 보호하기 위한 디바이스를 통합하고 있다. 보호될 반도체 부품의 단자들은 샌드위치 구조로 서로 연결된다. 샌드위치 구조는, 배리스터 물질로 구성된 제 1 층, 소정의 전위에 연결된 제 1 전극, 그리고 접지된 제 2 전극이기도 한 배리스터 물질의 제 2 층을 포함한다.

특허 명세서 US 5 616 881로부터, 에어백(airbag)의 스퀴브(squib)용 리셉터클(receptacle)이 알려져 있는바, 이것은 두 개의 챔버(chamber)들을 보여준다. 첫 번째 챔버는 정전기 방전에 대비해 점화기를 보호하기 위해 메탈 옥사이드 배리스터(metal oxide varistor) 및 두 개의 핀들을 갖는 삽입물을 수용한다.

DE 199 45 426 C1은 콘택 핀들을 갖는 전기적 디바이스용 플러그 커넥터를 설명하고 있는바, 여기서 콘택 핀들은 플라스틱 몸체 내에 매립되며, 플라스틱 몸체는 동작 전압을 넘는 범위 내에서의 전압에서는 전도 특성을 나타내고 동작 전압 범위 내에서의 전압에서는 전기 절연 특성을 나타내는 물질을 포함한다. 탄소 분말을 갖는 프로필렌(propylene) 기반의 폴리머 혼합물(polymer mixture)은 항복 전압(breakdown voltage)에 도달시 양호한 전도도를 적합 물질로서 개시되어 있다. 이러한 플러그 커넥터는 생산하는 관점에서는 제조하기 용이하지만, 설치 공간을 차지할 수 있는 정전기 방전에 대비한 어떠한 보호책도 갖고 있지 않다.

그러나, 플라스틱과 탄소 분말의 혼합물로 이루어진 기술적으로 복잡한 물질이 사용돼야만 하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하는 것이다. 본 명세서에서 제공되는 것은, 제조하기 훨씬 더 용이함과 아울러 또한 정전기 방전에 대비해 보호를 제공하기 위한 (설치 공간을 차지할 수 있는) 추가적인 디바이스들을 필요로 하지 않는, 과전압 방전에 대비해 전기적 시스템을 보호하기 위한 플러그 커넥터, 이러한 플러그 커넥터를 제조하기 위한 더 간단한 방법, 뿐만 아니라 이러한 플러그 커넥터의 향상된 사용이다.

앞서의 목적은 과전압 방전에 대비하여 전기적 시스템을 보호하기 위한 청구항 제1항에 따른 플러그 커넥터에 의해 달성된다. 플러그 커넥터는 플라스틱의 몸체 내에 매립되는 콘택 핀들을 포함한다. 플라스틱은 콘택 핀들 사이에 영역을 가지며, 이 영역은,

(a) 동작 범위 내에서 제한 전압(limiting voltage)까지는 본래의 전기 절연 특성을 갖는 전기 저항을 나타내고, 그리고

(b) 제한 전압 위에서는 감소된 전기 저항을 나타내어 콘택 핀들 사이에서 과전압들이 방전될 수 있게 한다.

추가적인 이로운 실시예들이 청구항 제2항 내지 제7항에서 정의된다.

종래 기술과는 달리, 본 발명에 따른 플러그 커넥터는, 플라스틱 몸체 내에 매립되는 콘택 핀들을 포함하는 상업적으로 이용가능한 플러그 커넥터로부터 용이하게 제조될 수 있는바, 여기서, 상업적으로 이용가능한 플러그 커넥터의 플라스틱 몸체는 본질적으로 전기적 절연체를 나타내는바, 일반적으로 이것의 전기 저항의 크기는 본질적으로 적어도 2 GΩ이고, 바람직하게는 적어도 30 GΩ이며, 특히 바람직하게는 적어도 200 GΩ이다. 달리 말하면, 배리스터 물질의 사용(예를 들어, 종래 기술에서 요구되었던 바와 같은 플라스틱과 탄소 분말의 혼합물의 사용)이 필요 없다.

본 발명에 따른 플러그 커넥터는 적어도 두 개의 콘택 핀들 혹은 핀들을 갖지만, 최대 200개까지 훨씬 더 많은 개수를 또한 가질 수 있다.

본 발명에 따른 플러그 커넥터의 장점은, 동작 범위 내에서 제한 전압까지는 본래의 전기 절연 특성을 갖는 전기 저항을 나타내는 것으로, 이에 따라 향상된 신뢰도로 과전압 방전에 대비하여 전기적 시스템을 보호하게 된다. 예를 들어, 이러한 범위 내의 전기 저항의 크기는 적어도 2 GΩ일 수 있고, 바람직하게는 적어도 30 GΩ일 수 있으며, 특히 바람직하게는 적어도 200 GΩ일 수 있다.

제한 전압의 크기는 60 V 내지 1100 V일 수 있으며, 바람직하게는 250 V 내지 350 V일 수 있고, 특히 바람직하게는 270 V 내지 310 V일 수 있으며, 더욱더 특히 매우 바람직하게는 275 V일 수 있다.

제한 전압 위에서, 본 발명에 따른 플러그 커넥터의 플라스틱은 적어도 두 개의 콘택 핀들 사이에 감소된 전기 저항을 갖는 영역을 갖는바, 이것은 콘택 핀들 사이에서 과전압들이 방전될 수 있게 한다. 제한 전압 위에서 이 영역의 감소된 전기 저항의 크기는 20 GΩ보다 작을 수 있고, 바람직하게는 200 GΩ보다 작을 수 있으며, 특히 바람직하게는 60 GΩ보다 작을 수 있다.

본 발명에 따른 플러그 커넥터의 플라스틱은 듀로플라스틱(duroplastic) 혹은 서모플라스틱(thermoplastic)일 수 있는데, 이것은 바람직하게는 강화 플라스틱인바, 특히 바람직하게는 유리-섬유 강화 플라스틱이다.

바람직한 실시예에서, 플러그 커넥터의 플라스틱은 폴리에틸렌(polyethylene) 혹은 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함한다. 특히 바람직한 것으로, 플라스틱은 중량(weight)에 있어 바람직하게는 최대 50%까지, 특히 바람직하게는 최대 30%까지 유리 섬유들로 강화된 유리 섬유 강화 플라스틱이다.

본 발명의 청구항 제1항에서 설명되는 영역의 층 두께는 0.05 mm 내지 0.2 mm일 수 있으며, 바람직하게는 0.1 mm를 나타낼 수 있다. 이러한 두께는 본 발명에 따른 제조 방법에서 공급되는 에너지의 양에 의해 제어될 수 있는바, 즉, 전압, 전류 세기 및 전류 노출 지속시간에 의해 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 플러그 커넥터를 제조하기 위한 청구항 제1항에서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 방법은 특히 다음의 단계들을 포함하는바, 플라스틱의 몸체 내에 매립되는 콘택 핀들을 구비한 플러그 커넥터에서, 플라스틱은 본래의 전기 절연 특성을 나타내며 시간에 따라 변하는 전압원(예를 들어, 함수 발생기 혹은 임의의 발전기)을 통해 두 개의 콘택 핀들 사이의 영역인 콘택 핀들 사이의 영역에 전류 제한 소자(current-limiting element)(예를 들어, 옴 저항기(ohmic resistor) 혹은 커패시터)를 경유해 전류가 인가되어 이러한 영역에서의 전기 저항이 감소되도록 하는 단계들을 포함한다. 이로 인해 플라스틱 몸체 내에서 두 개의 콘택 핀들 사이에 전류가 주입된다.

사용되는 전압원은 DC 서플라이(supply), AC 서플라이, 혹은 시변 전원(time-variable power source), 예를 들어, 임의의 파형 발생기일 수 있다. DC 서플라이가 사용되는 경우, 전류 서플라이는 되풀이해서 단속(interrupt)돼야 한다. 따라서, AC 서플라이가 바람직한바, 이는 전압 진행이 제로(zero)와 교차할 때 전류 흐름이 멈추기 때문이다.

바람직한 실시예에서, 교류 전류가 사용되는바, 이러한 교류 전류는 1 kV 내지 10 kV의 전압을 통해 인가되고, 바람직하게는 5 kV 내지 6 kV의 전압을 통해 인가되며, 전류 세기는 5 mA 내지 50 mA이고, 바람직하게는 10 mA 내지 20 mA이며, 그리고 주파수는 50 Hz 내지 200 kHz이고, 바람직하게는 1 kHz 내지 5 kHz이며, 특히 바람직하게는 100 Hz 내지 150 Hz이다.

본 발명에 따른 플러그 커넥터의 또 다른 장점은 좋지 않은 공간 조건 하에서도 취약한 부품들 상에서의 정전기 방전이 직접적으로 방지될 수 있다는 것인바, 이는 해당 부품들을 위한 추가적인 공간이 필요 없기 때문이다. 부품들, 배치, 인쇄 회로 기판 표면, 레이아웃 혹은 다른 구조적인 설계-관련 지출에 대한 추가적인 비용이 부가되지 않는다.

본 발명에 따른 플러그 커넥터는 과전압 방전에 대비해 전기적 시스템들, 특히 전자 디바이스들, 반도체 소자들 및 케이블 하니스들을 보호하기에 적합하다.

본 발명에 따른 플러그 커넥터는 또한, 자동차에서 에어백 혹은 좌석 벨트 조임 시스템을 촉발시키는 전기적 스퀴브들에 적합하다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예들이 이제 사례에 근거하여 설명된다.

사례 1(Example 1)

플라스틱의 몸체 내에 매립되는 100개의 콘택 핀들을 갖는 플러그 커넥터로서, 여기서 폴리프로필렌-기반의 플라스틱이 유리 섬유들로 중량에 있어 30%만큼 강화됨과 아울러 200 GΩ의 전기 저항을 갖고, 그리고 5 kV의 전압, 100 kHz의 주파수, 10 mA의 전류 세기를 갖는 전기적 정현파 교류 전류가 시변 전원을 통해 600 kΩ을 갖는 직렬 저항을 경유해 두 개의 콘택 핀들 사이의 영역인 콘택 핀들 사이의 영역에 인가되어, 이 영역에서의 전기 저항이 약 30 V에서 28 MΩ으로 줄어들게 되며, 본 발명에 따른 플러그 커넥터가 획득되게 된다. 30 V를 넘는 전압에서, 저항은 약 27.5 kΩ으로 감소한다(제너 효과(Zener effect)).

사례 2(Example 2)

플러그 커넥터가 사례 1에서와 같이 제조되지만, 사례 1과는 대조적으로 6 kV의 전압이 인가된다. 콘택 핀들 사이에서 발생되는 영역은 0.1 mm의 층 두께를 갖는다. 이 영역에서의 감소된 전기 저항의 크기는 28 kΩ이다.

Claims (10)

1. 과전압 방전(overvoltage discharge)에 대비하여 전기적 시스템(electrical system)을 보호하도록 되어 있는 플러그 커넥터(plug connector)로서, 상기 플러그 커넥터는 플라스틱 물질로 된 몸체 내에 매립되는 콘택 핀(contact pin)들을 포함하고 있으며,
   상기 콘택 핀들 사이에서 상기 플라스틱 물질은,
   (a) 동작 범위 내에서 제한 전압(limiting voltage)까지는 전기 절연 특성을 갖는 전기 저항을 갖고,
   (b) 상기 제한 전압을 초과하는 범위에서는 상기 콘택 핀들 사이에서 과전압이 방전될 수 있게 감소된 전기 저항을 가지며,
   (c) 상기 플러그 커넥터의 제조를 위해 배리스터 물질(varistor material)은 사용되지 않고,
   (d) 상기 플라스틱 물질은 폴리프로필렌(polypropylene)을 포함하며 중량(weight)에 있어 30%까지 유리 섬유들로 강화된 유리 섬유 강화 플라스틱(glass-fibre reinforced plastic) 물질이며 전기 절연 특성을 가지고 있고,
   (e) 시간에 따라 변하는 전압원을 통해 상기 콘택 핀들 사이의 영역에 직렬 저항을 경유해 전류가 인가되어 상기 영역에서의 전기 저항이 감소하게 되는 것을 특징으로 하는 플러그 커넥터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전류는 1 내지 10 kV의 전압 또는 5 내지 6 kV의 전압을 통해 인가되고, 전류 세기는 5 내지 50 mA 또는 10 내지 20 mA이며, 주파수는 50 Hz 내지 200 kHz 또는 1 내지 5 kHz인 것을 특징으로 하는 플러그 커넥터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 유리 섬유 강화 플라스틱 물질은 듀로플라스틱(duroplastic) 혹은 서모플라스틱(thermoplastic) 물질인 것을 특징으로 하는 플러그 커넥터.
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