[논문]비용 효과도 최적화 기반 양산 무기체계 환경 부하 선별 시험 설계 방법

김장은

doi:10.33162/jar.2018.09.18.3.229

비용 효과도 최적화 기반 양산 무기체계 환경 부하 선별 시험 설계 방법
The Mass Production Weapon System Environmental Stress-Screening Test Design Method based on Cost-effective-Optimization 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.18 no.3, 2018년, pp.229 - 239

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Purpose: There is a difficulty in Environmental Stress Screening (ESS) test design for weapon system's electrical/electronic components/products in small and medium-sized enterprises. To overcome this difficulty, I propose an easy ESS test design approach algorithm that is optimized with only one environment tolerance design information parameter (${\Delta}T$). Methods: To propose the mass production weapon system ESS test design for cost-effective optimization, I define an optimum cost-effective mathematical model ESS test algorithm model based on modified MIL-HDBK-344, MIL-HDBK-2164 and DTIC Technical Report 2477. Results: I clearly confirmed and obtained the quantitative data of ESS effectiveness and cost optimization along our ESS test design algorithm through the practical case. I will expect that proposed ESS test method is used for ESS process improvement activity and cost cutting of mass production weapon system manufacturing cost in small and medium-sized enterprises. Conclusion: In order to compare the effectiveness of the proposed algorithm, I compared the effectiveness of the existing ESS test and the proposed algorithm ESS test based on the existing weapon system circuit card assembly for signal processing. As a result of the comparison, it was confirmed that the test time was reduced from 573.0 minutes to 517.2minutes (9.74% less than existing test time).

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문제 정의

본 논문은 인적자원이 제한된 중소기업에서 MIL-HDBK-344 기반 환경 부하 선별 시험 설계 복잡성 및 어려움을 최소화하기 위해 한 가지 무기체계 내 환경 설계 정보(ΔT : 온도범위)만으로 비용 대비 효과도 최적 설계 방법을 제안하였다.
제 2장에서는 MIL-HDBK-344 기반 환경 부하 선별 시험 정량적 모델, 환경 부하 선별 시험 비용 최소화 설계 방법에 대하여 기술한다. 이어서 본 논문에서 제안하고자 하는 비용 대비 효과도 최적 환경 부하 선별 시험 설계 방법 및 환경 부하 선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 유효성 확인한다. 마지막 제 3장에서는 결론 및 향후 연구방향을 제시하고자 한다.
이어서 온도범위(ΔTProduct)와 진동크기(GProduct)이 두 독립변수를 기반으로 신호처리용 회로카드조립체에 유입되는 입력결함밀도를 효과적으로 제거하기 위하여, 아래 등고선 그래프 결과와 같이 진동크기가 증가함에 따라 환경 부하 선별 시험 소요시간이 작아지기 때문에 허용 가능한 최대 진동부하(GProduct(Maximum) = 8 Grms)를 인가한다.

제안 방법

이어서 무기체계 제조 공정생산능력에 따라 무기체계에 허용 가능한 목표 잔류결함밀도(D_Remain(Goal)), 시간 온도 유지구간(t_Constant), 온도범위(ΔT), 온도변화율범위(ΔR), 진동크기범위(ΔG) 및 시험유형(F)를 정의한다. 두 번째 순서는 시험 대상 장비에 허용 가능한 최대 온도변화율/진동크기가 인가된 상태에서 허용 가능한 온도범위 내에서 본 논문에서 제안한 환경 부하 선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 식 (13)을 기반으로 이론적인 환경 부하 선별 최저 시험 소요시간을 산출한다. 이어서 산출된 이론적 최저 시험 소요시간과 주기 기반 최저 시험 소요시간에 대한 시간 차이 비교를 통해 차이가 없을 경우 다음 단계로 넘어가고, 차이가 있는 경우 이론적 최저 시험 소요시간과 주기 기반 최저 시험 소요시간 차이 비교를 통해 최소 잔차값(Minimum Residual value)을 가지는 주기 기반 시험시간을 선택한다.
[Table 7]과 같이 기존 무기체계 신호처리용 회로카드조립체 환경 부하 선별 시험 효과도 결과 대비 제안된 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 알고리즘 기반으로 산출된 환경 부하 선별 시험 효과도 분석 순서는 아래와 같다. 먼저 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 적용에 앞서 기존 무기체계 신호처리용 회로카드조립체 환경 부하 선별 시험과 비교하기 위해 동일한 입력결함밀도(D_In=0.15), 결함검출효율(DE_temp=DE_Vib=0.85), 온도부하와 진동부하 동시인가(F=1.18) 및 목표 잔류 결함밀도(D_Remain(Goal)=D_{Remain(Total)}=0.0344) 를 적용한다. 이어서 허용 가능 최대 부하 정보 기반으로 온도변화율(ΔR=ΔR_Product= 0 ∼ 5℃/min), 허용 온도범위(ΔT=ΔT_Product = 0 ∼ 130℃), 마지막으로 허용진동크기(ΔG=ΔG_Product = 0~8Grms)를 정의한다.
본 논문에서 제안된 환경 부하 선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 알고리즘에 대한 유효성 확인을 위해, 기존에 설계된(제조공정 경험 법칙에 따른 설계) 무기체계 신호처리용 회로카드조립체의 환경 부하선별 시험과 제안된 알고리즘을 통해 산출된 환경 부하 선별 시험의 비용 대비 효과도를 비교한다.
양산 무기체계 신뢰성을 보장하기 위해 무기체계 제조/양산시 적용되는 수많은 생산 기술과 다양한 공정 환경에서 유입되는 결함요소를 환경부하(온도, 진동)를 활용하여 결함검출, 제거, 개선하기 위한 환경 부하 선별 시험(Environmental Stress Screening, ESS)을 수행해야 한다. 그러나 현재 우리나라에서 제조되는 양산 무기체계 산업의 경우 하위 구성품은 중소기업(부체계업체)에서 제조되어 대기업(체계업체) 납품하거나, 정부에 직접 납품하는 구조로 이루어져 있다.
위 제안된 환경 부하 선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 방법 알고리즘에 대한 첫 번째 순서로 무기체계 개발 자료, 무기체계 제조업체 고장보고 분석 및 시정조치 시스템(Failure Reporting and Corrective Action System, FRACAS)을 기반으로 MIL-HDBK-344에서 정의한 입력결함밀도를 계산한다. 이어서 무기체계 제조 공정생산능력에 따라 무기체계에 허용 가능한 목표 잔류결함밀도(D_Remain(Goal)), 시간 온도 유지구간(t_Constant), 온도범위(ΔT), 온도변화율범위(ΔR), 진동크기범위(ΔG) 및 시험유형(F)를 정의한다.
8]과 같다. 이러한 주기 형태를 따르는 환경 부하 선별 시험 프로파일에 대한 비용 대비 효과도 최적 설계를 수행하기 위해 이론적 최소값 시험시간과 주기 기반 시험시간 사이에 최소 잔차값을 가지는 주기기반 시험시간(표시: □)(7주기/시험시간: 517.2분)을 선택한다. 본 과정을 통해 설계된 신호처리용 회로카드조립체 환경 부하 선별 시험 프로파일은 [Fig.
그러나 무기체계 구성품을 생산하는 중소기업의 경우 [Table 1]과 같이 환경 부하선별 시험 관련 자료가 공개되어있지만, 일반적인 표준/편람 기술 자료와 같이 방대한 품질/신뢰성 기술의 나열로 전문가가 아닌 경우 초기고장을 최소화하기 위해 정량화 기반 환경 부하 선별 시험 설계가 제한되는 실정이다[7]. 이러한 현실적 어려움을 고려하여 환경 부하 선별 시험 설계 복잡성 및 어려움을 최소화하기 위해 무기체계 내 환경 설계정보 중 온도 한 가지만으로 비용 대비 효과도 최적 설계 방법을 제안하였다.
두 번째 순서는 시험 대상 장비에 허용 가능한 최대 온도변화율/진동크기가 인가된 상태에서 허용 가능한 온도범위 내에서 본 논문에서 제안한 환경 부하 선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 식 (13)을 기반으로 이론적인 환경 부하 선별 최저 시험 소요시간을 산출한다. 이어서 산출된 이론적 최저 시험 소요시간과 주기 기반 최저 시험 소요시간에 대한 시간 차이 비교를 통해 차이가 없을 경우 다음 단계로 넘어가고, 차이가 있는 경우 이론적 최저 시험 소요시간과 주기 기반 최저 시험 소요시간 차이 비교를 통해 최소 잔차값(Minimum Residual value)을 가지는 주기 기반 시험시간을 선택한다. 마지막으로 앞서 산출된 값들을 기반으로 대상 장비에 대한 최적화된 환경 부하 선별 시험 프로파일 구조 연산/출력 후 종료된다.
제안된 환경 부하 선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 알고리즘에 대한 유효성 확인에 앞서 기존 무기체계 신호처리용 회로카드조립체의 환경 부하 선별 시험 효과도 분석을 위해 입력결함밀도를 산정한다. 제조공정 시 회로카드조립체에 유입되는 입력결함밀도는 약 10~20%의 결함밀도가 유입되며, 신호처리용 회로카드조립체의 경우 15%(일반제조공정)의 입력결함밀도가 유입되는 것으로 알려져 있다[8].
본 논문은 인적자원이 제한된 중소기업에서 MIL-HDBK-344 기반 환경 부하 선별 시험 설계 복잡성 및 어려움을 최소화하기 위해 한 가지 무기체계 내 환경 설계 정보(ΔT : 온도범위)만으로 비용 대비 효과도 최적 설계 방법을 제안하였다. 제안된 환경 부하선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 유효성 확인을 위해 기존에 설계된 무기체계 신호처리용 회로카드 조립체의 환경 부하 선별 시험과 제안된 환경 부하 선별 시험의 비용 대비 효과도 비교 하였다. 효과도 상호 비교를 위해 입력결함밀도(0.

성능/효과

여기서 LH는 하나의 대상 장비 세트를 시험장비에 설치 시 걸리는 시간, MH는 하나의 대상 장비 세트에 대한 환경 부하 선별 시험 동안 소요되는 감시 시간, UH는 하나의 대상 장비 세트를 시험장비에서 분리하는데 걸리는 시간, FH는 환경 부하 선별 시험 후 대상 장비 세트 기능 검사 시간, IPS는 대상 장비 세트 당 제품 수, LR은 시간당 환경 부하 선별 시험 기술자 인건비용 그리고 I는 조달 로트에 따른 제품 수로 정의된다[9]. 즉, 시험 소요비용 최소화를 위해 환경 부하 선별시험 소요시간을 최소화 하여야 하며, MIL-HDBK-344에서 제안하는 다양한 부하 인가 방법 중 온도 부하 유형(Temperature Cycling)과 진동 부하 유형(Random Vibration)을 적용 시 최소 시험 소요시간이 소요됨을 [Table 4] 및 [Fig. 2]를 통해 확인했다.
제안된 환경 부하선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 유효성 확인을 위해 기존에 설계된 무기체계 신호처리용 회로카드 조립체의 환경 부하 선별 시험과 제안된 환경 부하 선별 시험의 비용 대비 효과도 비교 하였다. 효과도 상호 비교를 위해 입력결함밀도(0.1200)에서 목표 잔류 결함밀도(0.0344) 도달을 위한 환경 부하 선별 시험시간 비교결과 제안된 환경 부하 선별 시험 시간(517.2분)이 기존 환경 부하 선별 시험 시간(573.0분)대비 시험 소요시간을 9.74% 감소시킴을 확인하였으며, 제안된 환경 부하 선별 시험 비용 대비 효과도 최적 설계 방법 기반으로 쉽게 최적화된 환경 부하 선별 시험을 설계를 할 수 있음을 확인했다. 이러한 장점을 활용하여 무기체계 환경 부하 선별 시험 개선 활동을 쉽게 접근할 수 있으며, 환경 부하 선별 시험에 소요되는 비용/시간을 최적 관리 할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

이러한 장점을 활용하여 무기체계 환경 부하 선별 시험 개선 활동을 쉽게 접근할 수 있으며, 환경 부하 선별 시험에 소요되는 비용/시간을 최적 관리 할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 연구방향은 환경 부하 선별 시험 효과도가 높다고 알려진 6-자유도 반복 충격(6-DOF Repetitive Shock)이 포함된 환경 부하 선별 시험 효과도 최적화 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RADC-TR-86-149이란 무엇인가?	환경 부하 선별 시험 기술에 대한 내용이 기술된 [Table 1]의 문서 내용을 요약하면, NAVMAT P-9492의 경우 현재 모든 환경 부하 선별 시험 표준/지침의 효시로 미 해군 무기체계에 적용하기 위해 환경 부하 선별 시험을 수행하기 위한 기준으로 사용된 문서이며, RADC-TR-86-149의 경우 미 Rome Laboratory에서 발생된 문서로 전자 장비를 위한 환경 부하 선별 시험의 계획, 감시/관찰, 통제, 비용 효과도 등 환경 부하 선별 시험에 관한 기술 전반의 내용을 포함하고 있다. 이를 기반으로 미 국방성에서 MIL-HDBK-781/MIL-HDBK344를 발행하여, 환경 부하 선별 시험 설계/개선을 위해 수식을 기반으로 접근한 문서로 현재 국방 분야에서 가장 많이 활용되는 문서이다[1-4].
	양산 무기체계 산업에서 하위 부속품을 중소기업이 제조하여 대기업 또는 정부에 납품하는 구조는 어떤 단점을 지니고 있는가?	그러나 현재 우리나라에서 제조되는 양산 무기체계 산업의 경우 하위 구성품은 중소기업(부체계업체)에서 제조되어 대기업(체계업체) 납품하거나, 정부에 직접 납품하는 구조로 이루어져 있다. 대기업에 비해 상대적으로 물적/인적자원이 제한된 중소기업에서 생산하는 양산 무기체계 구성품 신뢰성을 보장하고, 초기고장을 최소화하기 위한 정량화 기반 환경 부하 선별 시험 설계의 어려움과 높은 시험 소요비용으로 환경 부하 선별 시험 수행에 제한되고 있다. 본 논문은 인적자원이 제한된 중소기업에서 MIL-HDBK-344 기반 환경 부하 선별 시험 설계 복잡성 및 어려움을 최소화하기 위해 한 가지 무기체계 내 환경 설계 정보(ΔT : 온도범위)만으로 비용 대비 효과도 최적 설계 방법을 제안하였다.
	NAVMAT P-9492이란?	환경 부하 선별 시험 기술에 대한 내용이 기술된 [Table 1]의 문서 내용을 요약하면, NAVMAT P-9492의 경우 현재 모든 환경 부하 선별 시험 표준/지침의 효시로 미 해군 무기체계에 적용하기 위해 환경 부하 선별 시험을 수행하기 위한 기준으로 사용된 문서이며, RADC-TR-86-149의 경우 미 Rome Laboratory에서 발생된 문서로 전자 장비를 위한 환경 부하 선별 시험의 계획, 감시/관찰, 통제, 비용 효과도 등 환경 부하 선별 시험에 관한 기술 전반의 내용을 포함하고 있다. 이를 기반으로 미 국방성에서 MIL-HDBK-781/MIL-HDBK344를 발행하여, 환경 부하 선별 시험 설계/개선을 위해 수식을 기반으로 접근한 문서로 현재 국방 분야에서 가장 많이 활용되는 문서이다[1-4].

참고문헌 (10)

NAVMAT P-9492 (1979). "Navy manufacturing screening program". U.S Navy.
RADC-TR-86-149 (1986). "RADC guide to environmental stress screening". Rome Air Development Center U.S Air Force.
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O'Connor, P. and Kleyner, A. (2011). "Practical reliability engineering". John Wiley.
Ohring, M. (1998). "Reliability and failure of electronic materials and devices". Elsevier.
Kim, J. E. and Shim, B. H. (2015). "A study on mass production stage tank battle management system environmental stress screening test method and application improvement based on production process data". Journal of the Korean Society for Quality Management, Vol. 43, No. 3, pp. 273-288.

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Czerniel, S. and Gullo, L. (2015). "ESS/HASS effectiveness model for yield and screen profile optimization". IEEE Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), pp. 1-7.
DTIC Technical Report 2477 (1989). "Environmental stress screening (ESS) guide". Defense Technical Information Center.
MIL-HDBK-2164A. (1996). "Environmental stress screening process of electronic Equipment". U.S DoD.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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