커넥터 도체 및 절연체

타이틀의 취지에 따른 설명은, 당 WEB 사이트의 「커넥터란」에서도 게재하고 있습니다. (커넥터의 성립으로부터 그 진화, 또 커넥터의 Feature에 관한 해설을 수시로 추가 공개하고 있으므로 꼭 봐 주세요.)

이 칼럼에서는 「커넥터란」의 기사에서는 사랏과 흐르고 있는 탄생에 이르기까지의 주변의 트리비아적인 이야기로부터, 커넥터 재료인 플라스틱과 금속에 대해 설명해 가고 싶습니다.

전기는 자연계에 있는 것

겨울철의 삐릿과 오는 정전기에 "고로고로삐캇!"의 번개. 덴키 뱀장어, 덴키나 마즈와 시빌레에이 등 체내에서 발전을하는 어류도 있습니다. 전기는 인류의 탄생 이전부터 지구상에 있는 것입니다. 이 이유를 모르는 것 = 현상들을 자신들의 삶의 도움이 되도록 어떻게든 이용할 수 없는가 하고 노력해 온 것이 인류의 영지입니다.

인류에서 최초로 전기에 관심을 가진 것은 고대 그리스의 현자들이라고 합니다. 아마도 더 전에도 "재미있다"고 느낀 사람은 있었을 것입니다 만, 기록에 남아있는 것은 호박에 먼지가 붙기 쉬운 것에 주목한 것이 시작이라고. 당시에는 정전기가 아닌 같은 무렵에 발견된 자석과의 혼동이 있었던 것 같습니다. 그것이 BC입니다.

전선 발명

거기에서 지적 호기심에 의한 실험과 검증, 응용에 대한 집념으로 16세기 마지막 해에는 전기의 존재가 정의 되었습니다. 17세기에는 마찰로 전기를 일으켜 모아두는 장치가 발명되었고, 번개와 정전기가 같은 전기임을 알게 된 것은 18세기와 같습니다. 마찬가지로 18세기에 피뢰침이 발명되거나 히라가 근원이 일렉테르를 만들거나 합니다. 18세기 종반에는 볼타 전지가 발명되어 19세기에는 전기로 움직이는 모터나 전기를 낳는 발전기, 전기를 신호로 보내는 전신기, 그리고 등을 받는 전구 등이 발명되어 갑니다.

여기서 이러한 기술을 확립해 나가는 과정에서 절대로 필요했던 적이 있습니다. 그것은 "전기를 연결", 즉 "전기를 보내고받는 것"입니다. 여기서 중요하게 되는 것은 커넥터에 있어서는 대선배에 해당하는 전선의 발명입니다. 스티븐 그레이라고 하는 쪽이 1670~1730년경까지 수많은 실험을 거듭해, 도통에 의한 송전이나 절연의 필요성까지 명확하게 한 것 같습니다. 본업은 염물가게의 아마추어 학자인 것 같네요. 이렇게 굉장한 일을 이룬 사람인데, 별로 알려지지 않은 안락함도 인연 아래의 힘이 있는 전선인 것 같습니다. 전구(토마스·에디슨 발명)나 모터(마이클·패러디 발명) 쪽이 “유익하고 있어요!”라고 하는 느낌을 알기 쉽습니다만, 전선이나 커넥터는 겸손한 것입니다····. 물론 전구와 모터는 매우 중요합니다! 단지, 전구도 모터도 전기가 연결되어 처음으로 살 수 있는군요.

그런데 「커넥터란」에서도 설명하고 있습니다만, 커넥터가 발명된 것은 제2차 세계 대전중이라고 말하고 있습니다.

즉 전선은 전기를 연결한다는 것에 있어서, 200년 이상의 역시 대선배라는 것이 됩니다. 거기서 「도통시켜, 절연한다」라고 하는 역사를 알기 위해서, 우선은 전선의 발명의 이야기로부터 시작해, 커넥터의 탄생까지 설명해 갑니다.

도체와 절연체라는 생각

여기에서 송전에는 전기를 통하는 것 = 젖은 마끈 = 도체와 전기를 놓치지 않는 것 = 마른 실크 = 절연체를 조합하는 것이 필요하다고 발견된 것 같습니다.

이러한 현재는 당연한 것도 발견되기 위해서는 선인들의 큰 노력이 있었군요.

구리 활용 및 플라스틱 발명

전항에 기재한 실험의 과정에서, 아무래도 젖은 마끈보다 금속이 송전 거리를 늘린다는 것은 곧 판명되어, 19세기 중반까지는 철제의 도체가 사용되고 있었던 것 같습니다. 제조 프로세스에서의 미끄러짐 때문에, 황화동 도포하여 사용되기도 했던 것도 있어, 철보다 구리 쪽이 성능이 좋다고 판명해, 그 이후 구리가 도체의 원료의 주류가 되어 갔다고 하네요.

한편 절연은, 실크나 종이를 감아, 파라핀유나 콜타르를 거기에 묻힌 것으로부터 스타트해, 고무 인천의 활용도 된 것 같습니다. 계속해서, 타이어로 친숙한 굿이어에 의한 가황 고무의 발명(1843년)으로부터 전선에의 피복 설비도 1860년에 발명되어, 고무 절연의 전선이 등장합니다.

한층 더 1835년의 셀룰로이드의 발명으로부터 20세기에 들어가자마자는 최초의 합성 수지(베이크라이트)의 발명(1907년)이 되어, 플라스틱의 시대의 개막이 됩니다.

전선의 활용에는, 부드러운 플라스틱인 가소화 프리염화비닐의 등장(1926년)을 기다릴 필요가 있었습니다만, 전선의 절연 재료의 주류는 점점 플라스틱으로 이행해 가게 됩니다.

이 도체로서의 구리, 그리고 절연체로서의 플라스틱은 나중에 커넥터의 기술을 지원합니다. 커넥터에 사용할 때의 2종의 재료에 대해서는 나중에 또 설명하기로 하고, 다음에 전선을 연결하는 기술에 접해 보고 싶습니다.

전선을 연결하는 방법과 커넥터의 탄생

전기를 연결하기 위해서는 도체 = 금속끼리를 접촉시켜야 합니다. 여명기의 이 수법에 관한 정보는 명확하게는 없습니다만, 아마 단지 붙이거나, 얽히고 결합하거나, 납땜·납땜 등에 의해 접속하고 있었을 것입니다. 덧붙여 금속을 접속하는 기술인 땜납의 역사는 전기의 발견보다 훨씬 낡아, 기원전 3000년경에는 이미 메소포타미아당에 청동기의 접속으로 사용되고 있었다고 합니다. 또, 그리스 로마 시대에는 수도관의 접속에 사용되고 있었던 것 같습니다.

「커넥터란」에서는, 커넥터의 시작은 제2차 세계 대전중이라고 기재하고 있습니다만, 콘센트도 포함하면 그것보다 옛날, 에디슨 일렉트릭 컴퍼니 전구를 각 가정에 묶기 위해 전력 공급을 시작한 19세기 말에 거슬러 올라갑니다. 통전한 상태에서도 금속끼리를 밀어, 반복 접속시키자는 커넥터의 전신과 같은 존재군요. 커넥터의 오빠라고도 할 수 있는 스위치도, 동시기에 에디슨이 드디어와 같이 개발하고 있습니다.

전구의 발명, 실용화~보급의 이 시기에 단번에 커넥터의 기본 컨셉은 완성되어 갔던 것 같습니다. 그렇다고 해서 「전구를 보급시키기 위해서는 무엇이 필요한가?」라고 하는 곳을 철저하게 추출해 실행에 옮겨 가는 분은, 단순히 우수한 발명가라고 하는 것보다 비즈니스맨으로서의 굉장함도 느끼게 됩니다.
그 후, 전선끼리의 중계에 솔더를 사용하지 않아도 되는 압착 단자가 발명된 것이, 제2차 세계 대전보다 조금 전인 1925년경이라고 합니다.

이 기술도 전선을 연결하는 커넥터의 요소 기술로서 중요한 것이군요. 그리고 만을 갖고 전선과 전선을 연결하는 커넥터가 사용되기 시작합니다.

전선과 커넥터의 대략적인 차이

함께 전기를 연결하는 것을 목적으로 발명된 전선과 커넥터. 전선을 연결하는 것으로 시작된 커넥터로 해 보면, 전선은 대선배나 낳은 부모와 같은 존재일지도 모릅니다. 주요 소재가 절연체인 플라스틱, 도체인 구리나 구리 합금인 것도 공통점으로 들 수 있습니다. 다만, 목적이 다르기 때문에, 이들 소재에 요구하는 특성에 차이를 가져오고 있습니다. 그 목적의 차이점은 여러가지 있습니다만, 큰 것을 3개 들었다고 하면 아래가 아닐까요.

개요	전선	커넥터
전기를	멀리 보내기	그 자리에서 릴레이
모양과 경도는	구부리기 위해 자유도와 유연성을 가진다	그 자리에서 제대로 유지
통전·절연 이외의 기구는	특별히	연결하는 기구가 필요하다

이 차이가 사용 소재에 대한 요구의 차이로 이어집니다.

그러면 도체(구리·구리 합금)와 절연(플라스틱)에 대해 각각 설명하겠습니다.

커넥터 도체: 전선과의 차이

커넥터와 전선의 목적의 차이를 3개 들었습니다만, 그것이 구조나 형상에 어떤 관계가 있는지를 생각해 봅시다. 우선 크기나 길이 등의 형상의 차이. 전선은 "멀리 보내기" 때문에 길어집니다. 한쪽 커넥터는 기능조차 완수하면 크기는 묻지 않는다고 할 수 있습니다. (대개 "보다 작은"편이 선호됩니다)

또, 멀리 날아가는 전선에서는 도체의 저항값은 가능한 한 낮게 하고 싶네요. 물론 커넥터에서도 전기 저항은 낮은 것이 좋지만, 전선과는 그 우선도가 달라집니다.

한편 커넥터에서 전선과 가장 다른 것은 접촉하기 위한 「스프링」을 가지는 것이 아닐까요.

커넥터는 원칙적으로 암컷 2개의 부품으로 나뉩니다. 서로의 도체의 접촉→연결→감합이라고 하는 「연결하기 위한 기구」를 가지기 위해서, 금속의 스프링성을 이용해 가압하는 것입니다.

또, 전선에서는 방향성에 얽매이지 않는 굽힘의 자유도가 필요했습니다만, 커넥터에서는 스프링에 의한 형상의 복원(형상의 유지라고 해도 좋을지도 모릅니다)과, 끼워맞춤을 실현하기 위해서 스프링력을 향하는 방향성이 중요하게 됩니다.

이와 같이 같은 전기를 연결하는 전선과 커넥터이지만, 도체의 형상도 재질도 만드는 방법도 완전히 다른 것이되어 왔습니다. 덧붙여 이번은 접하고 있지 않습니다만, 전선도 커넥터도 도체에 도금을 실시합니다. 그 근처에 대해서는, 칼럼내의 다른 기사 「커넥터의 단자에 도금을 하는 것은 왜인가?」로, 여러가지 설명하겠습니다 때문에, 아울러 들여다 주시면 다행입니다.

그럼 다음은, 절연체/플라스틱의 사용법에 대해서 전선과 커넥터의 차이의 이야기를 하고 싶습니다.

커넥터에 사용되는 플라스틱: 전선과의 차이

자, 플라스틱에 관해서는 사실 각 차이의 중요한 점은 금속 = 도체에서의 이야기와 비슷합니다. 전항과는 조금 다른 표현을 하면 「가소성」과 「탄성」 어느 쪽이 필요한가 하는 점이 될까 생각합니다.

열화나 수명의 지침으로도 이 부드러움이 가장 중요합니다. 물론 그 밖에도 절연 성능이나 강도적인 지침도 다양하게 포함되어 있습니다만, 「굽힘시에 찢어지지 않는 부드러움」은 열화에 의해 잃어버리기 쉽기 때문에 중시되는 것입니다. 여러분 중에도 굳어져 구부리면 포키와 깨지게 되어 버린 전선을 본 적이 있는 사람도 있잖아요?

하나의 커넥터는 끼워맞춤이라는 기능을 갖기 위해 제대로 형상을 유지해야 합니다. 항상 딱딱한 재료를 사용해야합니다. 열화나 수명에 대한 지침도 마찬가지이며, 어떻게 형상을 유지하는가 하는 것이 중요합니다. 장기간 사용뿐만 아니라 납땜 실장 프로세스 등 단기 내열성도 중요합니다. 전선에서도 납땜에 대응한 단기 내열성은 편리성을 가져오기 때문에, 고융점의 소재나 가교(플라스틱의 분자의 결합을 복잡하게 해 녹기 어렵게 한다)라고 하는 기술이 응용되는 일도 있습니다만, 어디까지나 녹아 흐르지 않기 때문에, 또는 극단적으로 줄어들지 않게 하는 취지의 대응입니다. 특히 고온하에서의 커넥터에 사용되는 수지의 형상 유지에 관해서는, 칼럼내의 다른 기사 「고내열 커넥터란 무엇일까?」에서도 접하고 있으므로, 그쪽도 참조해 주시면 좋겠습니다.

그 밖에도 락이나 부품의 고정 기구 등, 커넥터에 있어서는 플라스틱에 스프링 탄성을 요구하는 케이스는 많이 있습니다. 전선과의 차이는 역시 도체의 경우와 비슷합니다. 이러한 차이가 있기 때문에, 제조 방법이나 사용되는 재질은 당연히 달라집니다.

장물을 만드는 전선의 절연에서는 「압출 성형」이라고 하는 제법이 취해집니다.

녹은 수지를 크로스헤드라고 하는 장치로 도체에 씌워 적절한 크기의 구멍이 있는 다이스에서 짜냅니다. 이것을 부여한 수지의 양과 원하는 전선의 굵기의 매칭을 취할 수 있는 스피드로 당겨, 수조에서 식히고 오로지 긴 전선을 만들어 갑니다. 하나의 커넥터의 수지 부품은 거의 "사출 성형"이라는 방법으로 제조됩니다. (드물게 절삭 등의 다른 제법으로 만들어지는 것도 있습니다만)

필요한 형상의 「네거티브」형상의 금형에 수지를 주입해, 식히고 굳힙니다. 그것을 꺼낸 후, 러너라고 불리는 수지 경로에 할 수있는 불필요한 부분을 잘라 (플라 모델과 같은 요령입니다) 마무리합니다.

심플한 형상으로 긴 전선, 작고 조금 복잡한 형상을 가지는 커넥터, 각각에 적합한 성형 수법이군요.

그림 10 압출 성형과 사출 성형

전선과 커넥터에서는 사용되는 재료도 달라집니다.

전선의 경우 크게 나누어 PVC계, 폴리올레핀계, 불소수지계의 것이 주류입니다. 그 밖에도 각종 우레탄 베이스의 것이나 나일론 / 폴리아미드 계의 것 등 여러가지 있습니다만, 앞서 올린 3분류가 주류인가라고 생각합니다. 특징적인 것은 불소 수지 외에도 다양한 레시피로 배합한 재료를 사용하는 것입니다. 배합되는 것은 석화의 수지계의 재료에만 머물지 않고, 금속계(금속 산화물이나 수산화물 등), 광물계 등 다방면에 걸쳐 있습니다. 또한 각 전선 제조업체가 독자적인 배합으로 절연 재료를 개발하는 경우가 드물지 않으며, 특히 큰 회사에서는 대부분이 실시하고 있습니다.

커넥터에서는 역사가 오래된 나일론 외에도 소위 엔프라(엔지니어링 플라스틱)나 슈퍼 엔프라라고 불리는 것에서 커넥터에 적합한 것이 사용되는 경우가 많습니다. 주로 사용되는 것은 나일론계를 제외하면 PBT, LCP 및 PPS의 3종이 메인인가라고 생각합니다(나일론계도 그레이드에 의해 엔프라/슈퍼 엔프라로 분류됩니다).

당사에서는 어느 타입도 사용하고 있습니다만, 최근에는 리플로우 대응의 커넥터가 늘어나고 있어, LCP의 비율이 높아지고 있습니다. 이 커넥터 용 플라스틱은 각 수지 제조업체와 다양한 등급의 제품이 출시되었습니다. 전선의 소재와 같이 커넥터 메이커가 독자적으로 개발하거나 배합하거나 하는 예는, 실은 과문으로 해 들은 적이 없습니다. 인상론입니다만, 전선 메이커와 비교해 커넥터 메이커 쪽이 보다 「익숙해지는 생산 기술의 확립」에 특화하고 있어, 성능 뿐만 아니라 부품의 만들기 쉬움이나 안정성으로부터 재료를 선택하고 있을지도 모릅니다. 신기한 것으로, 정확히 같은 그레이드의 소재를 사용해도 완성의 품질이나 치수 정밀도는 메이커에 의해 크게 바뀌고 있습니다.

그림 11 전선과 커넥터에서 사용되는 플라스틱 재료의 비교

덧붙여 각 재료의 특징은, 재료 메이커님의 사이트등을 참고해 주신 (분)편이 확실하므로, 여기서의 설명은 생략하겠습니다. (또 다른 기회에 설명할 수도 있지만)

마지막으로

이번은 전기를 연결한다는 행위의 탄생의 이야기로부터, 그 길의 대선배인 전선을 비교 대상으로서 커넥터에 사용되는 도체 = 금속과 절연체 = 플라스틱에 관해서 간단한 경향의 설명을 했습니다.

재료에 대한 설명은 이번에 정말로 만연하기 때문에 더 자세히 설명할 기회가 또 있을지도 모릅니다.

혹은, 이번 칼럼을 읽어 주셔서, 신경이 쓰여 여러가지 재료에 대해서 조사할 수 있는 분이 있으시면, 그것은 매우 기쁜 일이라고 생각합니다. 호기심을 가지고 나날을 보내 봅시다.