[논문]자동차 PCSV (Purge Control Solenoid Valve) 제조공정의 누적수율 개선을 위한 6시그마 적용연구

양성남; 노성호; 서종현

doi:10.12812/ksms.2012.14.1.179

문제 정의

본 연구는 6시그마 방법론을 국내 I사에 적용하여 전사적 품질경영혁신 활동을 수행하고 그 성과를 제시한 연구이다. 특히 누적수율을 개념을 도입하여 정량적인 측정 지표를 제시하고 6시그마 방법론을 도입하여 객관적인 성과의 개선 결과를 실제 사례를 기반으로 제시하고자 한다.
본 연구는 한 기업에서 6시그마 개선활동의 로드맵인 DMIAC 절차를 따라 수행한 프로젝트 과정을 소개하였다. 프로젝트 대상기업은 자동차용 PCSV의 부품을 생산하는 라인의 생산성 저조와 불량발생으로 인한 실패비용이 발생하는 문제가 있었다.
본 연구에서 전체 제조라인에 걸쳐 시범 적용하기 위하여 총 10일 간의 파일럿을 실시하고 적용한 개선 결과물에서 확인하였다. 이 때 생산된 제품은 총 24,596개이며 불량율 72% 감소, 생산성 향상 24.
본 연구에서는 누적 수율을 정량적인 성과지표로 설정하여 자동차 부품으로 활용되는 PCSV의 개선 효과를 제시하고자 하며 이를 통해 기업에서 달성할 수 있었던 재무적 효과 또한 제시하였다.
본 제품은 차량의 엔진룸에 장착되므로 진동 및 온도를 고려하여 설계되어야 하므로 높은 기술적인 고려사항을 바탕으로 개발된 제품이다. 가솔린을 연료로 사용하는 자동차에서는 주유 중 또는 운행 중에 연료탱크에서 일산화탄소(Hydro Carbon)가 발생되며, 일산화탄소는 대기로 방출되면 환경오염을 유발하므로 법규로 허용치 이하로 방출되도록 규제하고 있는 물질이므로 이를 예방하기 위하여 차콜 캐니스터(Charcoal Canister) 를 설치하여 주유중에는 일산화탄소를 필터링하고 대기유출을 방지하는 시스템으로 구성되어 있다.
아울러, 이와는 별도로 초기불량 대응방법, 작업 관심도, 제품에 대한 지식을 높이기 위한 직무교육을 별도로 실시하여 작업자 간 차이를 해소하기로 하였다.
본 연구는 6시그마 방법론을 국내 I사에 적용하여 전사적 품질경영혁신 활동을 수행하고 그 성과를 제시한 연구이다. 특히 누적수율을 개념을 도입하여 정량적인 측정 지표를 제시하고 6시그마 방법론을 도입하여 객관적인 성과의 개선 결과를 실제 사례를 기반으로 제시하고자 한다.

제안 방법

검사공정은 첫째로는 Coil의 특성이 올바른지 검사하는 저항검사와 절연특성검사를 실시하고, 둘째로는 Plunger가 유량통로를 Sealing하는 성능을 측정하는 1차 부압기밀검사를 실시하고, 셋째로는 유량값이 과 같이 설정된 값을 만족하는지 검사하는 유량검사를 실시하고, 넷째로는 부품의 연결부 사이에 삽입한 O-ring Rubber가 Sealing을 유지하고 있는지 평가하는 정압기 밀검사 공정을 실시하고 제조일자 식별을 위한 LOT No.
그러나 사출압력과 사출거리를 분석하여 1차 적용을 하여 넘침 불량은 80% 가량 감소되었으나 미성형은 개선의 여지가 보이지 않아 3번째 잠재인자인 계량거리에 따른 제품 중량의 차이가 발생하는지를 분석 하게 되었다.
핵심제어인자로 규명된 인자들이 생산성 및 불량발생에 미치는 영향을 분석한 후, 이를 통해 최적의 개선안을 도출하였다. 도출된 개선안을 생산라인에 적용한 후 공정의 관리 상태를 체크하였다. 또한 작업방법과 사람의 실수로 발생하는 불량을 제거하기 위해 실수를 방지할 수 있는 체계를 마련하였으며 새로 바뀐 설비 및 공정에 대하여 표준화를 실시하여 작업관계자들의 편리성과 생산의 효율성을 도모하였다.
9%의 평균 직행율을 확인 하였다. 따라서 재현성이 확보되었다고 판단하고 해당 최적조건을 표준화하여 양산에 적용하기로 하였다.
즉, 개선 단계에서 도출된 개선안의 효과가 현장에서도 충분히 발휘됨을 입증할 수 있었다. 따라서 지속적으로 개선 성과를 유지하기 위해 주요 개선사항을 설계 및 작업 표준에 반영하고, 필요한 관리항목과 관리 기준에 관한 양식을 만들어 담당자로 하여금 일정 주기마다 점검하도록 하였다.
도출된 개선안을 생산라인에 적용한 후 공정의 관리 상태를 체크하였다. 또한 작업방법과 사람의 실수로 발생하는 불량을 제거하기 위해 실수를 방지할 수 있는 체계를 마련하였으며 새로 바뀐 설비 및 공정에 대하여 표준화를 실시하여 작업관계자들의 편리성과 생산의 효율성을 도모하였다. 이러한 일련의 활동을 통해서 불량률 72%감소, 생산성 향상 24.
본 연구에서는 6시그마 방법을 이용하여 자동차용 PCSV 제조공정의 비부가가치 요소인 숨겨진 요소(Hidden Factor)를 제거함으로써 누적수율을 향상시켰다.
본 연구의 내용을 6시그마의 대표적인 문제해결 절차인 DMAIC의 각 단계별로 정리하였다.
분석 단계에서 도출된 미성형 불량 및, 넘침 직행율에 영향을 미치는 핵심인자는 〈그림 10>에 나타난 바와 같이 사출압력, 사출거리, 계량거리의 3가지를 제어 인자(Control Factor)로 삼았다.
분석 단계에서는 4M1E를 통하여 잠재인자를 찾는 과정을 설명하였고, 핵심인자를 사출압력, 사출거리, 계량거리로 정의 하였다.
뿐만 아니라 6시그마 방법론을 게이트 도장 공정에 적용하여 정량적인 개선 효과를 도출하였으며[7], 이외에도 다수의 연구에서 실제 공정에 6시그마 방법론을 적용하여 공정을 개선하였다. [1][2][4][5][6]
사출공정의 CTQ(Critical To Quality)를 미성형과 넘침으로 정하고 주요 불량형태에 대하여 원인파악을 위해 금형업체, 사출기 제조업체와 기술적 미팅을 실시하여 4M1E(Man, Machine, Material, Method, Environment) 를 각 항목별로 특성요인도와 FDM(Functional Deployment Matrix)을 통하여 주요 X’s인자를 도출하였다.
프로젝트 대상기업은 자동차용 PCSV의 부품을 생산하는 라인의 생산성 저조와 불량발생으로 인한 실패비용이 발생하는 문제가 있었다. 생산성 저조 및 불량발생 방지를 기업과 고객이 원하는 CTQ로 정하여 프로세스 맵을 통해 주요 제어인자로 선정하였고, 이를 대상으로 분석과정을 거쳐 핵심제어인자를 도출하였다. 핵심제어인자로 규명된 인자들이 생산성 및 불량발생에 미치는 영향을 분석한 후, 이를 통해 최적의 개선안을 도출하였다.
전체 실험계획은 <그림 11>과 같이 나타낼 수 있으며 총 실험 횟수는 8회가 소요된다. 실험은 개선 대상의 제품 모델 중 특정 모델 1개를 택하여 한 명의 작업자가 동일한 설비를 이용하여 실시하였으며, 제품의 불량 유형은 미성형과 넘침으로 국한하였다.
이들 인자들을 대상으로 완전요인 실험(Full Factor Experiment)으로 최적화 실험을 실시하였으며 각 인자의 수준 간격은 작업성이 보장될 수 있는 범위 안에서 직행율의 차이를 최대한 검출할 수 있도록 작업표준 범위 내에서 가능한 넓게 설정하였다.
한편, 작업자 인터뷰를 실시하고, 작업조건을 세밀하게 모니터링 한 결과, 동일한 작업 표준을 사용하더라도 작업자 간에 심각한 차이가 발생할 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 차이는 3가지의 인자가 서로 상호작용을 하고 있다고 판단되었고, 이상과 같이 과거의 데이터와 현장 실무자들의 의견으로부터 나온 이러한 잠재인자들의 영향 정도를 객관적으로 판단하고 최적 조건을 구하기 위한 별도의 실험을 계획하였다.
이전 단계에서 파악된 잠재적 인자에 대한 세부 원인을 심층 분석한 결과，7가지의 잠재적 인자를 도출하였고 4가지의 인자에 대해서는 이상현상이라 판단되어 개선 조치를 하였으며 3가지 잠재인자에 대하여 데이터 수집 및 통계적 기법과 미니탭을 이용하여 분석을 실시하였다.
자동차 Steering Wheel 제조공정의 누적수율 개선을 위한 6시그마 방법론을 적용하여 그 개선의 효과를 정량적으로 측정한 연구에서는 전통적인 DMAIC 과정을 거쳐 의미 있는 개선 효과를 도출하였다.[3]
현장 연구를 통한 즉 개선(Quick Fix)의 방법과 결과는 측정 단계에서 제시하였다. 작업자마다의 작업조건에 따라 수율 저하의 직접적인 원인이었음을 밝히고, 작업 조건 재설정 등을 통해 수율을 획기적으로 개선하였다.
당 제조라인의 실패비용은 재료비, 노무비를 포함하여 연간 총 1,300만원에 이르는 것으로 산출되었다. 참고로 전체 손실금액에는 각 공정별 직행율 저하로 인한 원재료 손실, 완제품 폐기 및 반환, 기타 부자재 손실 등의 재료비 손실 외에, 공정효율 저하에 따른 직접 인건비 손실 등을 함께 계산하였다.
생산성 저조 및 불량발생 방지를 기업과 고객이 원하는 CTQ로 정하여 프로세스 맵을 통해 주요 제어인자로 선정하였고, 이를 대상으로 분석과정을 거쳐 핵심제어인자를 도출하였다. 핵심제어인자로 규명된 인자들이 생산성 및 불량발생에 미치는 영향을 분석한 후, 이를 통해 최적의 개선안을 도출하였다. 도출된 개선안을 생산라인에 적용한 후 공정의 관리 상태를 체크하였다.
현장 연구를 통한 즉 개선(Quick Fix)의 방법과 결과는 측정 단계에서 제시하였다. 작업자마다의 작업조건에 따라 수율 저하의 직접적인 원인이었음을 밝히고, 작업 조건 재설정 등을 통해 수율을 획기적으로 개선하였다.

대상 데이터

본 연구에서 다루고 있는 제품은 〈그림 1>과 같은 자동차 부품 및 모듈을 생산하는 I사의 Purge Control Solenoid Valve이다.
자동차용 PCSV의 품질 수준은 본 6시그마 프로젝트를 시작할 당시 약 25,000PPM으로서 타 제품의100PPM수준 보다 훨씬 저조하여 시급히 개선이 필요 하였다. 아울러, 본 제품은 타 제품에 비해 제품 구조가 단순하여 단기간 내에 성공 가능성과 공유 사례로서의 전파 가능성이 매우 높아 성형 개선 및 누적수율 개선의 대상으로 선정하였다.
<그림 4>에 표시한 바와 같이, 4개 주요 공정 중 손실 규모가 가장 큰 성형 시 발생하는 불량유형을 개선 대상 공정으로 선정하였으며 넘침 불량은 성형 공정의 숨겨진 공정으로, 궁극적으로 100% 제거되어야 할 비부가가치적 요소이다.

데이터처리

일반적으로 사출시 발생하는 미성형 또는 넘침의 잠재인자인 사출압력에 대한 평가를 실시하기 위하여 표준 압력 범위로 시험하여 데이터를 수집하였고 수집된 데이터를 분석하기 위하여 이산형 데이터에 맞는 가설 검정(Hypothesis Test)을 실시한 결과 P-Value가 0.005로 유의수준 0.05보다 작으므로 사출 압력 변화에 따라 불량에 차이가 있다고 분석 되었다.

성능/효과

개선 및 관리 단계에서 실험계획법을 통해 최적조건을 찾고 이를 공정에 적용함으로써 불량율 72% 감소, 생산성 향상 24.2%를 달성하였고 유사라인에 수평전개를 통하여 I주식회사는 연간 1억 상당의 실패비용을 절감할 수 있었으며, 국내외 자동차업계를 감안 시 I주식회사의 절감금액보다는 더 많은 절감효과가 있을 것으로 예상된다.
계량거리의 영향을 평가하기 위해 표준 내의 범위로 시험하여 데이터를 수집하였고 수집된 데이터를 분석하기 위하여 계량형 데이터에 맞는 가설 검정(Hypothesis Test)을 실시한 결과 P-Value가 0.033으로 유의수준 0.05보다 작아 계량거리가 사출무게변화에 차이가 있다고 분석 되었다.
노즐의 막힘은 사출 후 노즐에 잔류하고 있는 수지가 외부온도의 영향으로 고체화되는 것으로, 잔류량을 최소화하고, 외부온도 영향을 제거하기 위하여 즉 개선(Quick Fix)을 위해 노즐의 형상 길이를 축소하고 체적을 줄여 실험한 결과, 노즐 막힘이 1일 15~20회가 발생하던 현상이 완전히 해결 되었다.
<그림 12>는 실험 데이터를 이용하여 핵심인자의 효과를 도시한 결과인데, 사출압력과 사출거리에 교호작용이 있으며, 사출압력과 사출거리는 높은 수준, 계량거리는 낮은 수준에서 양품율이 높게 나타남을 알 수 있다.
당 제조라인의 실패비용은 재료비, 노무비를 포함하여 연간 총 1,300만원에 이르는 것으로 산출되었다. 참고로 전체 손실금액에는 각 공정별 직행율 저하로 인한 원재료 손실, 완제품 폐기 및 반환, 기타 부자재 손실 등의 재료비 손실 외에, 공정효율 저하에 따른 직접 인건비 손실 등을 함께 계산하였다.
두 번째로 성형상태를 결정하는 사출거리에 대하여 동일한 방법인 가설 검정(Hypothesis Test)을 실시한 결과 P-Value가 0.000으로 사출거리 또한 불량에 차이가 있다고 분석되었다.
이 공정의 직행율은 사출된 제품 중 넘침 불량 없이 재작업을 거치지 않고 조립 공정으로 바로 직행하는 제품의 비율로 계산되었다. 따라서 전체 공정에 걸친 누적수율은 각 공정별 직행율을 곱한 값인 96.8%로, 기존 수율 개념으로 계산된 98.6%와 비교하면 낮음을 알 수 있다.
먼저, 정의 단계에서는 직행율을 이용하여 전체 공정의 누적수율을 산출하고, 숨겨진 공정으로 인해 발생되는 손실을 체계적인 과정을 통해 연간 실패 비용으로 환산함으로써 이후 개선활동을 구체적인 경영성과로 쉽게 연계할 수 있었다.
그러므로 6시그마 수준의 제품품질을 강조하기 보다는 그 방법론이 강조되어야 할 것이며, 이러한 방법론의 수행이 전사적으로 수평 전개하였다. 본 연구에서도 각 단계별(DMAIC) 과정을 수행하였으며, 통계적 TOOL(미니탭) 사용하여 객관적인 DATA로 결과를 도출할 수 있었으며, 체계적인 개선 진행에 의해 의외의 효과를 얻을 수 있었다.
아울러, 전체 과정을 통해 축적된 Best Practice를 유사 제품을 성형하는 공정에 반영 하여 누적수율 및 공정효율 개선을 통해 전체 성과금액으로 연간 약 1억원의 실패 비용을 절감할 수 있었으며, 지속적인 표준 관리 모니터링을 위해 와 같이 사출 조건표를 표준화하였다.
본 연구에서 전체 제조라인에 걸쳐 시범 적용하기 위하여 총 10일 간의 파일럿을 실시하고 적용한 개선 결과물에서 확인하였다. 이 때 생산된 제품은 총 24,596개이며 불량율 72% 감소, 생산성 향상 24.2%를 달성하여 약 2,000만원의 실패비용이 절감되었다.
이 항목들을 수학적 모델을 바탕으로 최적조건 을 설정하여 적용한 결과, 99.9%의 평균 직행율을 확인 하였다.
또한 작업방법과 사람의 실수로 발생하는 불량을 제거하기 위해 실수를 방지할 수 있는 체계를 마련하였으며 새로 바뀐 설비 및 공정에 대하여 표준화를 실시하여 작업관계자들의 편리성과 생산의 효율성을 도모하였다. 이러한 일련의 활동을 통해서 불량률 72%감소, 생산성 향상 24.2%를 달성하였고, I주식회사는 연간 1억 상당의 실패비용을 절감할 수 있었다.
자동차용 PCSV의 품질 수준은 본 6시그마 프로젝트를 시작할 당시 약 25,000PPM으로서 타 제품의100PPM수준 보다 훨씬 저조하여 시급히 개선이 필요 하였다. 아울러, 본 제품은 타 제품에 비해 제품 구조가 단순하여 단기간 내에 성공 가능성과 공유 사례로서의 전파 가능성이 매우 높아 성형 개선 및 누적수율 개선의 대상으로 선정하였다.
즉, 개선 단계에서 도출된 개선안의 효과가 현장에서도 충분히 발휘됨을 입증할 수 있었다. 따라서 지속적으로 개선 성과를 유지하기 위해 주요 개선사항을 설계 및 작업 표준에 반영하고, 필요한 관리항목과 관리 기준에 관한 양식을 만들어 담당자로 하여금 일정 주기마다 점검하도록 하였다.
효과의 노말 플로트(Normal Plot)와 파렛토 챠트(Pareto Chart)를 이용하여 유의 수준을 확인 한 결과 알파(Alpha)=0.2에서 계량거리, 사출압력과 사출거리, 사출거리와 계량거리 순으로 유의한 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구 사례를 바탕으로 품질혁신과 고객만족을 달성하고자 하는 업무 프로세스 혁신 전략으로서 제조공정의 결함 발생률을 6시그마 수준으로 줄이고자 하는 공정 엔지니어에게 도움이 될 것으로 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	6시그마은 무엇인가?	6시그마는 고객의 관점에서 사고하여 고객의 핵심요구 사항(Critical to Quality)의 결함발생 가능성을 사전에 제거함으로써 프로세스의 획기적인 향상과 함께 새로운 사업 기회를 창출하고, 고객이 만족하는 제품과 서비스를 제공하여 기업의 수익성을 극대화하는 전사적 경영 혁신 활동이며 성장 전략이다.
	6시그마 개선활동의 로드맵인 DMIAC 절차를 따라 수행한 프로젝트 대상 기업은 어떤 문제가 있었나?	본 연구는 한 기업에서 6시그마 개선활동의 로드맵인 DMIAC 절차를 따라 수행한 프로젝트 과정을 소개하였다. 프로젝트 대상기업은 자동차용 PCSV의 부품을 생산하는 라인의 생산성 저조와 불량발생으로 인한 실패비용이 발생하는 문제가 있었다. 생산성 저조 및 불량발생 방지를 기업과 고객이 원하는 CTQ로 정하여 프로세스 맵을 통해 주요 제어인자로 선정하였고, 이를 대상으로 분석과정을 거쳐 핵심제어인자를 도출하였다.
	6시그마은 무엇을 수행하는가?	6시그마는 모든 프로세스를 정량적으로 평가하여 품질 개선 활동의 우선 순위를 설정하고 이에 따라 효율적으로 프로세스 관리를 수행한다. 여기서 ‘효율적’이라는 의미는 무조건 열심히 일하는 것(working harder) 이 아니라, 주어진 여건 아래서 객관적 통계 데이터에 근거하여 효과를 최대로 올릴 수 있도록 지혜롭게 일하는 것(working smarter)을 뜻한다.

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