1. 서론

FMEA는 기본 설계 단계에서부터 생산단계에 이르기까지 제품이 의도한 대로 기능을 발휘할 것인가를 평가하고, 만족하지 못할 때는 개선활동을 통해 고장을 사전에 예방하고자 하는 신뢰성 활동의 하나이다. 또한 FMEA는 정성적 신뢰성 예측 기법 또는 고장 해석 기법으로서 제품 설계나 공정 설계에 많이 사용되고 있다. 과거에는 FMEA 가 많은 활용을 보이고 있지 못하였

* 아주대학교 기계 및 산업공학부

지만, 최근에는 ISO 9000, QS 9000, 6 시그마운동 등에서의 활용 추천 및 품질보증의 일환으로 FMEA를 실시하거나 요구하는 기업이 늘어나고 있다.

이와 같은 추세에도 불구하고 기업에서의 FMEA 실시는 기대한 만큼의 효과를 거두지는 못하고 있는 실정이다. Jeong et al.(1995)은 기업에서의 사용현황을 조사하여 FMEA가 여러 가지 면에서 유용성을 지니고 있지만 다음과 같은 문제점을 가지고

있다고 지적하였다.

1) FMEA를 오랜 시간동안 실시하더라도

만족할 만한 결과들을 얻지 못할 수 있다.

2) 잠재고장모드의 확인을 경험에 의존함으

로써 고장모드의 누락이 발생한다.

3) 고장모드의 치명도를 평가하는데 어려움

이 있다.

4) FMEA의 경험을 재사용하기가 어렵다.

한편 Jang 과 Ahn (1997) 은 FMEA 실시에는 이러한 난점이외에도 다음과 같은 문제점들이 있다고 지적하였다.

1) 신제품이나 새로운 환경에 사용될 제품

의 잠재 고장모드 파악이 어렵다.

2) 고장발생의 원인이나 고장 메카니즘을

층별하기가 어렵다.

3) 제품의 환경/사용조건이나 물류조건을

참조하기가 어렵다.

4) 고장모드나 고장현상을 표현하기가 어렵

다.

5) 실시 대상을 상세히 알고 있어야 한다.

6) 고장모드에 대한 지식의 부족으로

FMEA 전개가 어렵다.

이와 같은 점들을 고려해 볼 때 보다 현실적으로 효과적인 FMEA의 실시 방안을 모색하는 것은 대단히 중요한 문제이다. 그 동안 FMEA의 실시가 효과적으로 수행될 수 있도록 하기 위해 여러 종류의 FMEA 양식을 비롯한 FMEA 방법들이 제안되었다. (Jang 과 Ahn (1997) 의 참고문헌 참조) Jang 과 Ahn (1997) 은 FMEA를 실시 목적에 따라 서로 다른 FMEA 양식을 사용하는 방안을 연구하였다. 또한 QS 9000 에서는 FMEA를 시스템 FMEA, 설계 FMEA, 공정 FMEA 등으로 분류하고, 개발설계과정에서 QFD 전개과정과 연계하여 FMEA를 실시할 것을 권장하고 있다.  (Stamatis (1995) 참조) 이러한 방식은 비단 자동차산업뿐 아니라 전 산업에서 표준적인 방법으로 자리매김할 것으로 예상된다.

본 연구에서는 QS 9000에서 제안하고 있는 설계 FMEA 양식을 중심으로 FMEA의 효과를 향상시킬 수 있도록 하는 방안을 제시하고자 한다. 2 장에서는 FMEA 의 목적을 살펴보고, 3 장에서는 QS 9000 의 설계 FMEA를 실시목적별로 전개할 수 있는 방안을 다룬다. 또한 4 장에서는 FMEA를 실시하기 위하여 필요한 정보들을 데이터베이스화하는 방안을 다룬다.

2. FMEA 의 전개와 실시목적

FMEA는 정성적 신뢰성 예측 기법 또는 고장 해석 기법으로서 제품 개발 또는 공정 설계시에 많이 사용되고 있으며, 설계된 제품에서 발생할 수 있는 잠재적 고장모드와 원인을 부품 수준으로부터 파악하여 그 영향을 알아내고, 시스템이나 기기의 가동에 치명적인 영향을 미치는 고장모드에 대하여 적절한 대책을 세움으로써 고장을 미연에 방지하고자하는 방법이다. FMEA는 통상 신뢰도 시험 이전에 수행되며 설계가 진행됨에 따라서 반복적으로 수정 보완되어야 한다. FMEA는 설계 변경과 더불어 라이프사이클 동안 지속적으로 갱신되어야 하며, 이에 대한 이력관리가 되도록 하여야 한다.

그림 1은 QS 9000에서의 설계 FMEA 양식을 나타낸 것이다.   FMEA 양식 작성 절차는 분류된 부품들을 기술하고 각 부품의 기능을 정의하는 데에서 출발한다. 이때 기능의 정의는 명확하여야 하며, 제품의 목표기능, 다른 부품들과의 연관관계가 거론되는 것이 바람직하다. 그리고 가능한 잠재고장모드들을 선정하고, 고장모드가 서브시스템이나 시스템에 미치는 영향을 기록한다. 필요에 따라 다른 부품에 대한 영향도 기록한다. 그리고 해당 고장모드에 대한 원인을 추정한 다음, 현재의 관리방법 또는 대처방법을 기술한다. 고장모드의 선정과 영향분석이 이루어지면, 영향의 심각도와 발생빈도, 검출가능성 등을 판단하여 위험우선순위 (Risk Priority Number : RPN)을 계산하고, 고장모드들에 대한 권고대책을 기술한다. 대책에는 설계변경이나 신뢰성 시험, 재질변경, 공정변경 등을 종합적으로 고려하여 경제적이고 실현가능한 것을 선정하여야 한다.  다음 RPN 의 값이 높은 고장모드부터 우선적으로 대책을 실시하며, 실시 결과에 따라 RPN을 재계산하여 FMEA의 양식을 작성할 수 있다.

기업에서 FMEA를 실시하는 목적을 분류하면 첫째는 제품의 고장모드의 평가를 통한 신뢰성 보증을 하는 것이고, 둘째는 새로운 설계대안에서 나타날 수 있는 가능한 고장모드를 조기에 발견하여 제거하는 신뢰성 개선에 있다고 할 수 있다.  FMEA를 효과적으로 실시하기 위하여는 이러한 목적을 명확하게 정의하여야 한다.  왜냐하면 FMEA 양식의 작성은 그 절차나 필요한  데이터, 정보 등이 실시 목적에 따라 달라져야만 하기 때문이다.  물론 FMEA 실시하는 경우 이러한 두 가지 목적을 모두 달성하고자 하는 것이 바람직할 것이지만, 현실적으로 FMEA를 실시하는데 가장 큰 장애요인 중에 하나가 개발기간이 짧아서 설계안을 검토할 시간이 충분히 주어지지 않는다는 것이라는 점을 감안하면, FMEA 를 효과적으로 실시하기 위하여는 이러한 목적이 명확하게 설정될 필요가 있다. 왜냐하면 FMEA 의 실시과정에서 가장 큰 관심은 결국 잠재고장모드들을 누락없이 열거하여야 하는 것인데, 후자의 경우에는 그림 1의 양식만으로는 새로운 고장모드를 발견하기가 매우 어렵기 때문이다. 사실 FMEA 양식은 많은 토의와 brainstorming의 결과를 정리한 표에 지나지 않기 때문에, 새로운 잠재 고장모드를 찾아내기 위하여는 사전에 많은 자료를 준비하여야 하고, 분석도 고장모드만이 아닌 고장원인, 고장유발인자, 고장메카니즘, 시험이나 점검절차 등 다양한 방면에서 이루어져야 하기 때문이다.

한편 전자의 경우에서는 새로운 고장모드의 발견보다는 과거에 동일 제품이나 유사 제품에서 경험하였던 고장모드나 관련 문헌이나 자료등에서 수집되어진 고장모드들을 열거하고, 현재의 관리방법이 적절한가를 판단하여 미흡한 경우에 대한 대책을 마련하는 것에 중점을 둘 필요가 있다.  산업계에서 나타나는 많은 고장모드가 과거에도 경험하였던 것이 재발되는 것이고, 그 원인이 사전에 충분한 검토를 거치지 않았기 때문이라는 점을 감안하면 이러한 접근의 유효성을 판단할 수 있다.

본 연구에서는 전자의 목적을 위한 FMEA를 '보증용 FMEA', 후자의 경우를 □문제해결용  FMEA' 로 명명하고자 한다.

3. 전개 목적에 따른 FMEA의 실시

3.1 보증용 FMEA의 실시

보증용 FMEA 는 기존에 생산하고 있던 제품이나 설계 변경된 제품에 대하여 고객이나 모기업에게 신뢰성을 보증하기 위하여 사용되는 FMEA이다.  따라서 이 경우에는 새로운 고장모드의 발견보다는 과거에 경험하였거나 문헌자료 등에서 나타난 고장모드들의 발생 가능성을 평가하여 현재의 관리방법을 인증하거나 개선하는 데에 중점을 두어야 한다.

FMEA를 실시하기 위하여는 해당 제품이나 유사제품에 대한 많은 지식을 갖고 있는 전문가들이 브레인스토밍을 실시하여야 한다. 참석자들은 부품의 결함이나 결점으로부터 발생할 수 있는 고장모드, 사용조건이나 환경조건 등에서 유발될 수 있는 고장모드, 재질의 특성상 발생할 수 있는 고장모드들을 종합적으로 열거하고, 그에 대한 원인과 영향을 분석한 다음, 현재 설계대안, 공정관리상태, 선정된 부품이나 재료 등을 분석하여 적합성을 평가하여야 한다.

이와 같은 FMEA를 실시하기 위하여는 고장이력, 검사이력, 시험이력, 클레임, 유사 제품의 FMEA 자료, 부품 특성, 재질 특성, 시정조치이력 등 많은 정보가 필요하다. 이를 해결하기 위하여는 고장과 그들의 발생한 조건은 물론 고장 메카니즘에 대한 정보나 지식, 그들에 대한 대책 등을 관리하기 위한 정보관리 체제 마련이 중요하다. 최근에는 컴퓨터 기술의 발전으로 이러한 정보관리체제를 구축하는 것이 매우 용이하게 되었으므로 각 기업에서는 이러한 신뢰성 정보관리 체제를 확립하여 설계나 제조, 판매, 설치 등 제반 활동에 활용하여야 한다.

보증용 FMEA 의 성공적인 실시를 위하여 필요한 사항중의 하나는 전기나 열, 부하 등에 대한 스트레스 분석을 실시하는 것이다. 스트레스 분석은 FMEA 실시 전에 할 것인가, FMEA 실시 후에 할 것인가에 대한 명확한 구분은 하기 어려우나 고장의 예방을 위하여 필요한 분석이다. 특히 전기 부품의 고장은 서지전압 등의 EOS 와 온도나 열에 의한 것이 대부분이라는 점을 감안하면, 고장모드의 평가를 위하여 FMEA 실시와 더불어 반드시 이루어져야 할 것이다. 스트레스 분석을 위하여는 FTA를 먼저 실시하여 고장 가능성이 있는 부위나 부품을 먼저 선정한 다음 분석을 실시할 수도 있으며, FMEA 분석 후에는 치명도가 높은 부품에 대하여 상세한 분석을 실시할 수도 있다. 또한 이러한 스트레스들에 노출되었을 때의 설계 파라미터들의 시간적 변화도 아울러 분석되어야 한다.

보증용 FMEA의 실시과정에서 자주 등장하는 현실적인 문제 중에 하나는 불량부품이나 재질로 인한 고장모드의 고려 여부이다. 제품 고장에 많은 부분을 차지하고 있는 것이 바로 부품의 결함이나 불량으로 인한 것이므로 이를 분석하는 것은 매우 중요하다. 그러나 모든 부품의 불량여부를 다 고려한다면 FMEA 실시에 걸리는 시간이 매우 증대될 것이기 때문에, 이는 공정 FMEA나 수입검사에 대한 검토에서 고려되는 것이 바람직하다. 그러나 과거에 특정 부품의 불량으로 인한 고장의 경험이 있었다면 FMEA 실시단계에서 고려하는 것이 좋다.

그러나 FMEA 에 특히 중점을 두고 고려할 것은 각 부품 규격의 적합성이다. 즉 현재 설정된 목표치나 허용차 등이 고장을 유발할 수 있는 것은 아닌가 하는 검토가 필요하며, 따라서 이를 위하여는 과거의 경험과 스트레스 분석 결과를 활용하는 것이 중요하다.

보증용 FMEA는 결국 잘 알려진 고장모드들의 발생 가능성을 분석하는 것이다. 여기서 잘 알려진 고장모드는 해당 부품의 경우만을 가르키는 것이 아니라 유사 부품이나 재료 등의 고장모드도 포함된 것이다. 그런데 기업에서 발생하고 있는 고장의 대부분은 과거의 것이 재발하고 있다는 점을 감안하면, 이러한 경험을 시스템 적으로 관리하여 보증용 FMEA를 실시한다면 많은 효과를 얻을 수 있을 것이다.

3.2. 문제해결용 FMEA의 실시

문제해결용 FMEA 는 과거에 경험하지 못하였던 새로운 잠재고장모드를 찾아내기 위한 것이다. 이를 위하여는 먼저 고장물리나 메카니즘 등 고장에 대한 이론적 뒷받침이 필요하게 된다. FMEA 실시과정에서 이러한 잠재고장모드를 모두 찾아내는 것은 사실상 매우 어렵다. 특히 이러한 고장모드는 결국 시험을 통하여 확인할 수 밖에 없으므로, FMEA는 문제점을 도출하는 분석방법으로 활용되어지는 것이 바람직하다.

고장의 분류는 여러 가지 유형으로 분류할 수 있지만, 그 중에서 대표적으로 내재적 고장(intrinsic failure)과 외재적 고장(extrinsic failure)으로 분류할 수 있다. 내재적 고장은 부품과 관련된 설계 미숙, 불량의 재료 사용, 제조결함, 조립미스, 포장이나 보관미스 등에 의해 발생한다. 외재적 고장은 환경이나 사용조건 등에서 유발되는  외부 스트레스들로 인한 고장을 말한다. [Jensen, 1995].

고장에 대한 또 다른 분류는 고장의 발생 시간별로 초기고장, 우발고장, 마모고장으로 고장유형으로 분류하는 것이다. 초기고장의 발생원인은 주로 제조불량, 부적절한 설치, 부적절한 시동, 저장 및 운반중의 부품고장, 부적절한 포장 및 수송문제로 볼 수 있으며, 매크로 결함 (부품단위의 결함) 에 의한 내재적 고장이 많은 부분을 차지하고 있다.  우발고장은 주로 과도한 외부 스트레스에 의한 외재적 고장이다. 한편 마모고장은 주로 수명이 짧은 부품의 사용이나 보전 등의 관리소홀로 야기된다. 이러한 고장들에는 내재적 고장과 외재적 고장이 혼합되어 있는데, 내재적 고장은 주로 분자나 그레인 단위의 결점인 마이크로 결함에 의한 것이다.

새로운 잠재 고장모드를 파악하기 위하여는 FMEA 실시를 통해 내재적 고장이나 외재적 고장에 해당하는 고장모드들을 모두 찾아내야 한다. 이를 위해서는 부품에 가해지는 부하나 발열 등과 같은 내부 스트레스와 환경 요소와 같은 외부 스트레스를 조사하는 것이 중요하기 때문에 사용조건, 환경조건, 물류조건 등에 관련된 스트레스를 우선 찾아내야 한다. 특히 최근에는 결함이 내재되어 있는 부품에 스트레스들이 복합적으로 작용할 때 고장이 많이 발생하므로, 설계단계에서 파악하지 못한 과도한 스트레스들이 발생할 수 있는 가를 먼저 분석하여야 한다. 이를 위하여는 Jang 과 Ahn (1997) 이 제안한 스트레스 분석표를 이용할 수도 있으며, 별도의 양식을 개발할 수도 있다. 이러한 과정을 통하여 고장을 유발할 수 있는 스트레스 인자를 찾은 다음에는 설계단계에서 선정된 부품이나 재질, 규격 등이 당해 스트레스에 대하여 적합한지를 분석하여 고장 메카니즘을 추론하여야 한다. 특히 당해 스트레스에 영향을 받을 수 있는 특성치를 고려하여 규격의 적합성을 분석하여야 한다. 예를 들어 접합부 크랰에 원인이 되는 열팽창계수의 상이함은 열충격에 영향을 받으므로 이를 고려하여야 한다. 또한 커넥터 리드의 경우 습기에 의해 표면에 산화피막이 발생하면 접촉저항이 매우 커지게 되는데, 어느 정도 이상의 전류가 흐르면 열이 발생하여 산화피막이 파괴되나, 매우 낮은 전류가 흐르면 통전이 불가능하게 된다. 이와 같은 새로운 잠재고장모드의 발생은 여러 요인이 조합되어 발생하므로, 고장발생에 대한 시나리오적인 분석이 필요하다. 여기서 시나리오적 분석이란 고장유발인자인 스트레스나 결함들이 나타나는 조건과 장소, 시간 등을 열거하는 것으로부터 출발하여 고장모드의 시작과 진행되는 메카니즘, 결과, 영향 등을 시간 순서적으로 기술하는 것을 말한다.

이와 같은 시나리오적인 분석을 통하여 어느 정도 발생가능성이 인정되는 고장메타니즘에 대하여는 FMEA 양식에 기록하고 현재의 관리방법을 평가한다. 많은 경우 이러한 고장은 시험을 통하여 확인되어져야 할 것인데, 만일 고장의 원인이 매크로 결함에 의한 것이라면 제조방법이나 관리방법을 변경하거나 설계를 변경하여야 한다. 또한 외재적인 고장의 경우에는 안전계수를 크게 하거나 재질 또는 형상의 변경을 고려하여야 한다. 마이크로 결함에 의한 고장은 재질의 변경 등을 고려하여야 하는데, 이는 주로 R&D 에 관련된 문제이므로 해결을 위한 연구가 필요하게 된다.

새로운 잠재 고장모드를 추론하기 위해서 가장 중요한 것은 고장발생의 원인과 고장메카니즘 등을 층별하는 것이다. NASA 에서는 고장메카니즘을 전기, 기계적 부하, 열과 온도, 화학, 방사선 등의 스트레스에 의한 고장으로 층별할 것을 제안하였는데, 이는 제품의 특성마다 다르게 되므로 해당 기업에서 별도의 규칙을 찾아낼 필요가 있다. 고장원인에 대한 층별 기준이 있어야 다각적인 검토가 가능하고, 고장모드의 누락가능성을 극소화 시킬 수 있다.

현재 제안되어 있는 QS 9000 에서의 FMEA 양식은 이와 같은 내용들을 모두 기록하기에는 미흡한 점이 있으므로, FMEA 양식을 개선하거나, 또는 새로운 분석양식을 개발하고 FMEA 양식은 결과만을 기록하는 것으로 활용하여야 할 것이다.

4. 고장 정보의 데이터베이스

FMEA 실시 과정에는 과거의 고장이력, 클레임 내역 및 조치사항, 시험 및 검사이력, 제조라인에서의 불량현황, 수입검사현황, 협력업체의 불량현황, 사용 및 환경조건, 물류 및 보관 조건, 소비자특성, 부품의 적용조건, 재질특성, 부품특성, 시험방법, 시정조치사항 등 많은 정보가 필요하다. 이를 위하여는 이들을 층별하여 관리하기 위한 정보관리 체제 마련이 중요하다.

그림 2 는 성공적인 FMEA 실시를 위하여 필요한 정보요소들을 나타낸 것이다.

그러나 이와 같은 많은 정보들을 FMEA 만을 위하여 관리한다는 것이 비효율적이다. 따라서 기업의 종합적인 품질정보시스템에서 이러한 정보들이 관리되고, FMEA 실시과정에서는 이들을 효과적으로 검색할 수 있도록 하여야 한다. 최근 제품의 관리를 위하여 도입되고 있는 PDM 시스템을 근간으로 제품의 도면정보와 더불어 품질정보, 신뢰성정보 등을 종합적으로 관리하는 방안이 가장 효율적일 것으로 판단된다.

한편 FMEA를 위하여는 다음과 같은 정보들에 대한 데이터베이스가 필요하다.

1) 고장정보 데이터베이스

부품별 고장모드, 원인, 메커니즘, 고장

유발인자, 결함 등

2) 클레임 데이터베이스

부품별 클레임, 고장현상, 원인, 장소,

조치방법 등

3) 시험 데이터베이스

고장모드별 시험방법, 조건, 부품별 시험

분석 결과 등

4) 시정조치 데이터베이스

부품별 고장모드별 가능한  시정조치 및

이력 등

5) 재질특성 및 부품특성 데이터베이스

재질특성, 부품특성, 제약조건 등

6) 사용환경조건 데이터베이스

사용조건, 환경조건, 스트레스 수준 등

이와 같은 데이터베이스들은 FMEA 실시과정에서 신속하게 또한 BOM 구조에 따라 수준별로도 검색될 수 있도록 하여야 하며, 공정에서의 불량 현상과 연계하여 관리되는 것이 바람직하다.

5. 결론

본 연구에서는 FMEA의 실시 목적을 보증용과 문제해결용으로 분류하고, 그 목적에 FMEA를 효과적으로 실시할 수 있도록 하는 절차를 제안하였다. 또한 효과적인 FMEA 실시에 필요한 정보요소들과 필요한 데이터베이스들을 제시하였다. 많은 기업에서 FMEA를 실시하고 있으나 기대한만큼의 성과를 거두고 있지 못한 것은 FMEA 의 실시가 적용 대상이나 목적에 따라 주안점을 다르게 두어야 하는 것을 고려하지 못하였기 때문인데, 본 연구에서 제안한 절차는 FMEA 의 효과를 제고하는데 크게 도움이 될 것으로 기대된다. 효과적인 FMEAd의 실시를 위하여는 관련된 많은 정보들이 필요한 만큼, 본 연구에서 제안한 절차에 따라 FMEA를 지원할 수 있는 소프트웨어의 개발이 필요하다고 판단된다.

참고문헌

[1 ]  Jang, J.S. and Ahn, D.G. (1997), "How to Perform FMEA Effectively," J. Korean Soc. of Quality Management, Vol. 25, No. 1, pp 156- 172.

[2] Jensen, F.(1995), Electronic

Component Reliability Fundamentals,

Modelling, Evaluation, and

Assurance, John Wiley & Sons.

[3] Jeong, K.H., Kume, H., and

Iizuka(1995), "Implementing FMEA

through Multiple Points of View,□

ASIA Quality Management

Symposium, pp. 85-90.

[4 ] Stamatis, D. H. (1995), Failure Mode and Effect Analysis - FMEA from Theory to Execution, ASQC Quality Press, Milwaukee.