전동공구와 2차 보호 소자(표면실장형 퓨즈)의 역사

도구의 발전은 인류 역사와 함께 존재해 왔습니다.

「ドリルを買いにきた人が欲しいのはドリルではなく『穴』である」というのは大変有名な言葉ですが、人類の歴史において、人々は常に何かしらの道具や工具を使って、身の回りのものを作ってきました。のこぎりで木を切ったり、ドリルで穴を開けたり、釘で板を打ち付けたり……、家や家具など、さまざまな暮らしに役立つ製品を作るのに欠かせなかったのが、「工具」です。人類が産業を大きく発展させてきた背景には、工具の大きな進化がありました。

"사람은 드릴을 사는 게 아니라 구멍을 산다"라는 유명한 속담은 도구 개발의 본질을 상징합니다. 인류 역사를 통틀어 인간은 다양한 도구를 사용하여 주변 환경을 만들고 형상화해 왔습니다. 톱으로 나무를 자르고, 구멍을 뚫고, 판자에 못을 박아 집과 가구, 그리고 기타 생활 필수품을 만들어 왔습니다. 문명과 산업의 발전은 항상 도구의 진화와 함께해 왔습니다. 일상생활과 산업 발전을 뒷받침하는 핵심 기술로서 도구는 시대와 함께 끊임없이 발전해 왔습니다.

전동 드릴의 역사

처음 발명되었을 당시 전기 드릴은 목재나 금속에 구멍을 뚫는 전용 공구였습니다. 시간이 지남에 따라 새로운 기능과 교체 가능한 공구 비트가 추가되면서 드릴링, 조임, 연마 등 다양한 작업이 가능해졌습니다.

1916년, 미국의 한 주요 전동 공구 제조업체가 "피스톨 그립" 디자인을 도입하면서 중요한 전환점이 찾아왔습니다. 이 혁신은 공구를 더 작고 휴대하기 편리하며 한 손으로 조작할 수 있게 만들었습니다. 트리거 스위치의 도입은 현대 전동 공구 디자인의 토대를 마련했습니다. 이후 1946년에는 세계 최초의 가정용 전기 드릴이 출시되어 DIY(Do It Yourself) 문화 확산에 기여했습니다. 오늘날 전동 공구가 공유하는 기본적인 구조와 사용 편의성은 이러한 초기 개발에서 한 세기 이상 거슬러 올라갑니다.

무선 드릴의 발명과 리튬 이온 배터리가 장착된 도구의 도입

1961년, 미국의 한 제조업체가 세계 최초로 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리로 구동되는 무선 드릴을 개발하여 사용자들이 전선의 제약에서 벗어나 작업 유연성을 크게 향상시켰습니다. 2005년에는 리튬 이온 배터리가 장착된 최초의 전동 공구가 출시되어 높은 출력과 긴 작동 시간을 모두 실현했습니다. 그 결과, 전 세계 주요 제조업체들은 고정형 유선 모델에서 충전식 리튬 이온 배터리 구동 공구로 전환하며 제품 라인업을 완전히 재편했습니다.

전압 레벨 또한 12V에서 14.4V, 18V, 심지어 36V까지 지속적으로 상승하여 더 높은 전류와 더 무거운 부하를 견딜 수 있는 설계가 필요해졌습니다. 무선 및 리튬 이온 배터리 기술의 도입으로 전동 공구는 더 높은 출력과 더 긴 작동 시간을 제공하도록 발전했습니다.

고전압 전동 공구 및 설계 과제

최근 몇 년 동안 전동 공구 배터리의 전압은 더욱 높아지고 있습니다. 특히 유럽과 미국의 제조업체들은 더 많은 셀을 포함하는 배터리 팩을 사용하여 더 큰 배터리 용량과 더 높은 출력을 추구하고 있습니다.

대부분의 전동 공구는 "18650"이라고 하는 원통형 리튬 이온 셀을 사용하며, 각 셀의 공칭 전압은 약 3.6V입니다. 이 셀들은 필요한 출력 전압을 얻기 위해 직렬로 연결됩니다. 셀 4개는 14.4V, 셀 5개는 18V, 셀 10개는 36V 등 항상 3.6V의 배수로 출력됩니다. 전압이 높을수록 모터 출력 효율이 높아져 전문가급 전동 공구에 고전압 설계가 점점 더 많이 도입되고 있습니다.

또한, CO₂ 배출 감축을 위한 배출 규제로 인해 많은 국가에서 가솔린 엔진으로 구동되는 공구의 사용이 제한되었습니다. 따라서 고용량 배터리 구동 공구가 이러한 엔진 구동 장비를 대체할 것으로 예상됩니다. 하지만 이것이 배터리 용량, 즉 충전당 작업량이 향상되었음을 의미하지는 않습니다.

또한 유럽과 미국 등지에서는 블루투스 무선 통신 기능을 탑재한 "스마트 전동 공구"가 점점 보편화되고 있습니다. 이러한 공구는 원격 토크 조정, 공구 식별, 사용 기록 기록 등의 기능을 제공합니다. 그러나 이러한 기능 추가는 회로 제어 시스템을 더욱 복잡하게 만듭니다. 결과적으로 안정적인 회로 보호 및 고장 격리의 중요성이 더욱 커졌습니다. 고전압 및 스마트 기능의 추세에 따라 안정적인 회로 보호 설계는 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

배터리 용량 증가에 따라 안전 기준 더욱 엄격해져

전동 공구의 리튬 이온 배터리 용량이 증가함에 따라 안전 요건 또한 그에 비례하여 더욱 엄격해졌습니다. 이는 단순히 개별 회사 정책 때문만이 아니라, 점점 더 엄격해지는 국제 안전 기준 및 규정에 따른 것입니다.

특히, 전동 공구에 대한 요건을 정의하는 국제 안전 표준 UL 62841-1은 2015년에 개정되어 리튬 이온 셀 및 배터리 시스템에 대한 새로운 기준을 포함했습니다. 따라서 이제 공구 구조뿐만 아니라 비정상적인 정지 동작 및 배터리 팩 내 셀 제어에 대한 준수도 요구됩니다.

또한, 전동 공구에 사용되는 리튬 이온 전지는 이제 UL 62133 또는 IEC 62133을 준수해야 합니다. 이러한 표준은 과충전 및 열 폭주와 같은 이상을 방지하기 위해 전압, 전류 및 전지 동작에 대한 엄격한 요구 사항을 명시합니다.

이러한 기준에 따라 배터리 시스템은 정상 충전 시 모든 셀을 지정된 작동 영역(SOR) 내로 유지해야 합니다. 평가 조건은 다음과 같습니다.

a) 개방 회로 전압은 시험 전 값의 최소 90%를 유지해야 합니다.

b) 셀은 정상적인 충전 및 재충전 테스트의 요구 사항을 충족해야 합니다.

c) 각 셀의 통풍구는 손상되지 않아야 합니다.

SOR은 셀 제조업체에서 정의하며, 전압과 충전 전류는 모두 이 영역 내에 있어야 합니다. 이는 충전기나 도구가 고장난 경우에도 비정상 조건에서 안전을 보장하기 위해 필요합니다.

또한 UL 62841-1은 배터리가 가스를 배출하더라도 폭발하지 않는다는 것을 확인하기 위한 밀폐형 압력 시험과 낙하 등의 충격 후 안전성을 검증하기 위한 기계적 강도 시험을 요구합니다.

특히 중요한 요건 중 하나는 충전 회로 부품에 고장이 발생하더라도 셀 전압이 상한값을 150mV 이상 초과해서는 안 된다는 것입니다. 이 상한값을 초과하면 배터리 시스템은 더 이상 충전을 영구적으로 중단해야 하며, 이를 영구 차단 상태라고 합니다.

안전 기준이 강화됨에 따라 회로 보호 구성 요소는 오류 조건에서도 안정적인 절연을 보장해야 합니다.

Dexerials의 표면실장형 퓨즈 전동 공구 회로 보호에 선택된 이유

위에서 살펴본 바와 같이 전동 공구의 전압과 용량이 증가하고 안전 기준이 강화됨에 따라 회로 보호 장치의 성능 요구 사항이 크게 높아졌습니다.

이러한 설계 과제를 해결하기 위해 Dexerials는 리튬 이온 배터리 보호를 위해 특별히 설계된 표면 실장 퓨즈인 Self Control Protector(SCP)를 제공합니다. SCP는 과충전 또는 과전류 발생 시 회로를 안정적으로 차단하여 배터리가 위험한 상태에 도달하는 것을 방지합니다.

1. 향상된 안전성 -SCP 비정상 이벤트 후 재사용을 방지하는 방법

SCP는 이상 상태가 감지되면 회로를 물리적으로 차단하는 영구 차단형 퓨즈입니다. 이를 통해 이상 현상이 발생한 배터리 팩은 재사용할 수 없게 되어 연기 발생이나 화재와 같은 위험을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

2. 빠른 충전 호환성 -SCP 빠른 충전을 지원하는 방식

급속 충전이 필요한 전동 공구의 경우, 전체 회로 저항을 최소화하는 것이 필수적입니다. SCP는 저저항 설계를 통해 충전 중 전력 손실을 줄여줍니다. 이를 통해 사용자는 충전 대기 시간을 단축하고 작업 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 제어된 퓨즈 특성 -SCP 셀 성능 한계까지 안전하게 사용할 수 있는 이유

SCP 이상 발생 시 내부 히터를 사용하여 퓨즈 소자를 빠르게 녹입니다. 이러한 설계는 퓨즈 사양에 관계없이 안정적인 퓨즈 동작을 보장하여 배터리 셀을 성능 한계까지 안전하게 사용할 수 있도록 합니다.

안전성을 유지하면서 배터리 성능을 극대화하고자 하는 설계 엔지니어에게 표면실장형 퓨즈는 설계 유연성과 높은 신뢰성을 모두 제공합니다. 이러한 장점을 바탕으로 덱세리얼즈의 Self Control Protector(표면실장형 퓨즈)는 전동 공구와 같은 고부하 환경에서도 안정적이고 신뢰할 수 있는 회로 보호 기능을 제공합니다. SCP는 확장되는 전동 공구 시장에서 안전성과 신뢰성 향상에 지속적으로 기여할 것입니다.

참고문헌: Japan on the Mark UL Japan