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산업 강도 케이블로 효율성, 신뢰성, 총소유비용 절감


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글/Bill Giovino, Digi-Key 북미 편집자 제공


부품과 장비는 가혹한 산업 환경에 노출되는 경우가 많다. 설계자는 부품과 전자 시스템의 견고성 확보에는 신경을 많이 쓰지만 케이블과 배선의 선택에는 다소 소홀한 경우가 있다. 하지만 똑같아 보이는 두 케이블이라도 열악한 산업 환경에서는 매우 다른 성능을 보일 수 있다.
이 기사에서는 잘못된 케이블 선택이 미치는 영향을 간략하게 살펴본 다음 산업 응용 분야를 위한 케이블의 구성에 대해 설명한다. 그런 다음 열악한 환경에서 신호 전송의 문제를 신뢰할 수 있고 비용 효율적으로 해결하는 혁신적 케이블 솔루션의 예를 소개한다.

케이블 선택이 중요한 이유

케이블을 잘못 선택하면 처음에는 정상 작동하는 것처럼 보여도 실제로는 초기 단계부터 신호 열화와 전력 손실의 원인이 될 수 있다. 또한 시간이 갈수록 문제 해결이 까다로운 간헐적 연결 문제로 이어져서 고비용의 시스템 다운타임으로 이어질 수도 있다. 진동이 심한 환경에서는 더욱 까다로운 문제일 수 있다. 또한 케이블의 외부 재킷 소재가 적절하지 않을 경우, 배선이 화학 물질이나 극한 온도 및 물리적 혹사에 노출되어 단락과 스파크를 초래할 수 있다.
더 나은 솔루션은 응용 분야에 적합한 IP67 또는 IP68 등급의 산업 등급 케이블을 선택하는 것이다. 대부분의 경우 산업용 케이블은 구조가 더 견고한 고품질 케이블이며 일반적으로 가정용으로 설계되는 상용 제품보다 높은 품질의 소재를 사용한다. 두 유형의 케이블은 얼핏 보면 비슷한 모양일 수 있지만, 산업용 품질의 케이블은 더 견고하고 열, 솔벤트 및 액체에 견디는 특성이 상용 제품보다 훨씬 우수하다. 또한 견고함이 떨어지는 케이블의 손상 원인이 되는 구부러짐, 꼬임 및 늘림에 훨씬 더 강하다.
전자적 관점에서 볼 때 적합한 산업용 케이블을 선택하면 케이블 길이에 상관없이 전력과 신호 손실이 최소화된다. 전자파 장해(EMI)에도 훨씬 높은 내성을 가진다. 고품질 산업용 등급 케이블을 선택할 때는 케이블의 구성을 이해하는 것이 도움이 된다.

중앙 컨덕터 와이어

중앙 컨덕터의 소재와 지름부터 시작하겠다. 와이어의 지름이 클수록 거리에 따른 신호 손실이 최소화되고 더 많은 전류를 운반할 수 있다. 최고의 와이어 도체 소재는 구리이다. 더 낮은 품질의 케이블은 구리에 비해 아래 등급의 컨덕터인 알루미늄을 사용할 수 있다. 브랜드 케이블과 모양이 비슷하더라도 실제로는 구리 코팅이 된 알루미늄 컨덕터를 사용할 수 있으므로 Digi-Key와 같은 인증된 유통업체에서 브랜드 케이블을 구입해야 한다. 단선은 연선에 비해 우수한 컨덕터이긴 하지만 구부리기가 쉽지 않아서 상황에 따라 적합하지 않을 수도 있다. 연선은 더 유연하기 때문에 배치와 배선이 더 쉽다.

외부 재킷

외부 재킷 소재와 두께는 산업용 케이블의 수명에 큰 영향을 미친다. 외부 재킷이 두꺼울수록 케이블이 더 잘 보호된다.
산업 환경에서는 케이블의 외부 재킷이 케이블 성능 저하를 초래할 수 있는 다양한 형태의 열악한 환경에 견딜 수 있어야 한다. 직사광선, 특히 자외선(UV)은 외부 재킷의 변색이나 균열을 초래할 수 있다. 오일, 가솔린 및 세정용 화학 물질을 포함한 용제 역시 외부 재킷을 용해시켜 문제를 초래할 수 있다. 고온은 케이블 수명을 단축시키며 케이블 길이가 길수록 더 영향이 크다. 온도가 매우 낮을 경우 외부 재킷이 약해져서 시각적 균열이 발생하고 이로 인해 외부 재킷이 벗겨지고 파손될 수 있다.
외부 재킷은 케이블을 날카로운 모서리 주변으로 잡아당길 때 발생하는 연마 효과와 같은 물리적 혹사에도 견딜 수 있어야 한다. 외부 재킷이 적합하지 않으면 케이블에 구멍이 생겨 차폐 또는 컨덕터 와이어가 노출될 수 있다. 두꺼운 폴리우레탄은 마모에 강하기 때문에 고품질 케이블의 외부 재킷으로 신뢰할 수 있다. 또한 폴리우레탄은 용제, 온도, 빛 노출 및 모든 종류의 혹사에도 내성을 가진다.
방수 성능도 고려해야 한다. 대부분 케이블이 방수인 것처럼 보일 수 있지만, 실제로는 습기에 장시간 노출되면 케이블 수명이 단축될 수 있다. 이 문제는 특히 기술자가 오류를 인지하지 못하고 케이블을 동일한 상용 케이블로 계속 교체할 경우 진단이 어려울 수 있다. 이를 방지하기 위해 습기가 존재하는 환경 대부분에는 IP67 산업 등급의 케이블이 권장된다.
아무리 견고한 산업용 케이블의 경우라도 배선을 할 때 날카로운 모서리와는 떨어뜨려 배선해야 한다. 케이블의 신장을 방지하기 위해 배선 길이 이상의 충분한 케이블링을 적용하는 것이 좋다. 공장 및 사무 건물에서 케이블링의 변경 및 재배선을 요구하는 경우가 늘고 있다.
케이블이 물에 잠길 수 있는 환경에서는 Amphenol Sine Systems의 CA0162C22315012 4-컨덕터 원형 케이블과 같은 IP68 등급의 케이블을 선택해야 한다(그림 1). 이 케이블 및 커넥터 시스템은 산업 온도 범위 대부분을 포괄하는 -25에서 +100℃의 온도를 견딜 수 있다. 케이블은 4개의 컨덕터에 연선 14AWG 와이어를 사용한다.

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[그림 1] Amphenol Sine Systems CA0162C22315012 원형 커넥터 케이블은 우수한 전도성을 위해 두꺼운 24AWG 와이어를 사용한다. 커넥터 스트레인 완화 장치가 케이블 외부 재킷에 열 몰딩되어 보호 능력이 극대화된다. (이미지 출처: Amphenol Sine Systems)

케이블 커넥터 및 접점

케이블과 커넥터의 연결부는 조립에서 가장 혹사 받는 부분일 수 있다. 소켓에서 케이블 커넥터를 분리할 때는 항상 스트레일 릴리프가 아니라 커넥터 셀을 잡고 당겨야 한다. 하지만 기술자가 급하게 스트레인 릴리프를 잡아 당기는 경우가 있다. 경우에 따라 케이블 커넥터가 좁은 공간에 있어서 커넥터 분리 시 스트레인 릴리프를 잡고 당겨야 할 때도 있다. 상용 케이블의 경우 이러한 상황이 반복되면 와이어가 커넥터 접점에서 분리되어 간헐적 연결 불량 또는 완전 불량으로 이어질 수 있다.
이러한 상황에서는 열로 몰딩된 스트레인 릴리프와 같은 튼튼한 케이블 - 커넥터 하우징을 사용하는 것이 좋다. 케이블 커넥터를 삽입하고 제거할 때 스트레인 보호가 우수하며 열악한 환경에서 습기 차단도 탁월하기 때문이다.
동일한 리셉터클에 수개월 또는 수년 동안 고정되는 커넥터의 경우라면 일반적으로 커넥터 결합 주기 횟수가 중요하지 않다. 하지만 산업 테스트 장비 등에 사용되는 케이블은 하루에도 수십번의 결합 주기를 가질 수 있다. 따라서 결합 주기 횟수를 최소 50% 이상 초과하는 커넥터가 채용된 케이블을 선택하는 것이 중요하다.
극단적 상황의 경우라면 고유한 솔루션을 가진 혁신적 제품이 필요하다. Rosenberger는 결합 주기 횟수가 거의 무한대인 마그네틱 셀프 로케이팅 커넥터 계열을 제공한다(그림 2). Rosenberger 케이블 조립품의 한쪽 끝에 있는 셀프 로케이팅 마그네틱 커넥터는 제로 삽입력으로 소켓에 손쉽게 넣을 수 있다. 마그네틱 커넥터 시스템은 수동 작업 없이 케이블 커넥터를 소켓으로 자체 유도하며 소리로 결합을 확인할 수 있다.
Rosenberger의 L99-838-1500 산업용 USB 케이블 조립품은 지속적으로 사용하는 진단 장비를 위해 설계되었다. 양쪽 끝에 간단한 마그네틱 잠금 메커니즘이 채용되어, 호환 소켓에 빠르고 쉽게 결합하고 분리할 수 있다. 사무용 건물, 산업 제어 및 자동화 시스템 및 결합 주기가 매우 높은 기타 환경에서 사용되는 진단 장비의 유지 관리에 특히 유용하다.

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[그림 2] Rosenberger 케이블 조립품의 한쪽 끝에 있는 셀프 로케이팅 마그네틱 커넥터는 제로 삽입력으로 소켓에 손쉽게 넣을 수 있다. (이미지 출처: Rosenberger)

금, 니켈 및 주석: 접점의 선택

케이블 커넥터 접점은 전류 용량 및 케이블 신뢰성에 직결된다. 상용 케이블에는 주석 도금 커넥터가 꽤 널리 사용된다. 고신뢰성 산업용 케이블 커넥터의 경우에는 금이 최상의 선택이다. 금은 우수한 컨덕터이며 은이나 구리와 달리 산화 또는 부식이 없기 때문이다. 하지만 순금은 비용이 너무 많이 든다. 따라서 더 나은 솔루션은 Molex의 1203410303 M12 CAT6A 산업용 이더넷 케이블처럼 도금된 니켈 접점을 사용하는 것이다(그림 3).

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[그림 3] 1203410303 Molex M12 CAT6A 산업용 이더넷 케이블의 도금 접점은 산업 환경에서 높은 신뢰성과 낮은 저항을 제공할 수 있다. (이미지 출처: Molex)

산업 표준 M12 커넥터는 니켈 도금된 금 접점을 사용하는데, 내구성, 소재 안정성 및 내부식성이 순금 접점에 비해 우수하다.
구리와 은은 금보다 약간 나은 컨덕터지만 열악한 환경에서 변색 및 부식될 가능성이 더 높다. 금은 여러 용제에 내성이 강하고 높은 온도에서 전도율이 유지되므로 산업 환경에서 우수한 컨덕터이다. 이외의 여러 이유로 고신뢰 산업 응용 분야에는 금이 권장된다.
대개 금-금 접점 연결부는 신뢰성이 높고 저항이 낮다. 프레팅(Fretting) 부식이라고 하는 작용이 발생할 수 있으므로 주석과 같은 더 연질의 접점에는 금이 권장되지 않는다. 프레팅은 두 개의 서로 다른 금속이 접촉하여 화학적 반응이 일어나고 이로 인해 연결부의 저항을 높이는 다른 물질이 생성되는 현상을 의미한다.
프레팅의 다른 형태는 금과 같은 매우 강한 금속이 주석과 같은 매우 무른 금속과 마찰하면서, 주석 일부가 떨어져 나와 금에 고착되어 동일한 화학 반응을 초래하는 현상이다.

케이블 차폐

공장 및 사무용 건물과 같은 잡음이 심한 환경에는 전기 잡음이 매우 강하다. 전자파 장해(EMI)는 전자 장비의 작동과 효율성에 심각한 영향을 미친다. 케이블링은 EMI를 생성하거나 EMI의 영향을 받을 수 있다. 올바른 케이블 차폐로 대부분의 EMI를 억제하거나 제거할 수 있다. EMI 잡음으로 인해 발생하는 장비 문제는 차후에 진단하기가 매우 까다롭기 때문에 산업용 환경에는 적절한 차폐가 적용된 케이블을 선택하는 것이 중요하다.
케이블 차폐에는 두 가지 종류가 있다. 알루미늄 호일 차폐는 산업용 케이블과 상용 케이블 모두에 일반적이며 100% 적용 범위를 가진다. 산업 응용 분야의 경우 와이어를 두른 포일의 끝 부분이 얇은 비전동성 표면에 부착되어 전도성 와이어와의 절연을 높인다. 충분한 차폐를 제공하기 위해 두꺼운 알루미늄 호일을 사용하면 케이블이 딱딱해져서 취급이 어려워질 수 있다. 일부 상용 케이블은 얇은 알루미늄 호일이 사용되기도 하는데, 이는 가정용으로는 충분하지만, 공장에 필요한 충분한 EMI 보호는 제공하지 못한다.
편복선 구리 와이어 메시 차폐는 작업이 쉽고 호일 차폐보다 유연하다. 하지만 편복선 차폐는 일반적으로 70%~95%의 포괄 범위만 적용한다. 이러한 이유로 여러 고품질 산업용 케이블은 얇은 알루미늄 호일 차폐를 구리 편복선과 조합하여 사용함으로써 유연성을 유지하는 동시에 우수한 EMI 보호를 제공한다.
케이블 커넥터에는 각 커넥터에 접지된 차폐가 있다. 최대의 잡음 내성을 위해 두 차폐 접지 모두를 이용하는 것이 중요하다.
결론
프로젝트 초기 단계에 적절한 케이블링을 선택해야 차후 문제를 예방할 수 있다. 산업용 케이블은 신호 품질도 좋고 수명도 길며 상용 케이블에 비해 품질도 우수하다. 엔지니어 및 기술자는 산업용 응용 분야에 고려 중인 케이블의 사양을 신중하게 검토하여 신뢰성, 수명 및 총 소유비용의 측면에서 적합한 케이블을 선택해야 한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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