[논문]프린트 산업에서 부품 신뢰성 시험법 개선

김판수; 한기웅; 이지혜

프린트 산업에서 부품 신뢰성 시험법 개선
Case Study of Parts Reliability Improvement 원문보기

김판수 (경북대학교 경영학부) , 한기웅 (삼성전자(주)) , 이지혜 (경북대학교 경영학부)

Continuing and Developing the growth, the company should focus on 'time to market of high quality production' and 'cost down'. Due to the complexity of the production, reliability is being one of the important factor. In this study, in particular, focus on parts reliability test improvement about printer product and proceeded. Need test improvement for time to market that is developed, and reduce expense with test period that is required at Reliability Test time of new parts and should high quality level of product. Finally huge Failure Cost (F-COST) occurs because quality level of product drops if parts that accomplish product does not ensure reliability and this is associated by malfunction in marketplace.

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문제 정의

긴 수명시험은 개발 납기에 지대한 영향을 미치는 것이 현실적인 문제이며, 이를 개선하기 위해서는 시험시간의 단축이 요구된다. 기존의 가속 시험법을 모든 제품에 일괄적으로 적용하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 실제 시험에 의한 시험법 개선을 진행 하였다. 프린터에 사용되는 복잡하고 다양한 부품 중 대표적으로긴 수명시험을 요구하는 할로겐(Halogen) 램프에 대해 수명 시험 효율화를 진행하였다.
본 연구는 갈수록 시장 규모가 커지는 프린터 산업의 부품 신뢰성 시험법 개선에 대해 중심적으로 기술하였다. 신규 부품을 개발단계의 초기에 검증하게 되는 부품 신뢰성 시험의 경우 새로이 개발되는 신규 완성 제품의 첫 품질 단계라 볼 수 있다.
본 연구에서는 부품신뢰성에서의 시험법 개선이 프린터의 품질에 대하여 미치는 영항 특히 시장 및 공정 불량 개선에 어떤 영향을 미치는 지에 대해 연구하고, 실제 장수명 부품이 사용되어지는 프린터 부품의 신뢰성 시험법의 개선에 집중 하도록 한다.
연구에서는 신뢰성 시험 절차 개선으로 얻어지는 기업이미지 개선 등의 무형효과보다 실질적인 유형효과에 대해 논하고자 한다. 부품 신뢰성 시험 프로세스의 개선 중 완성 제품에서의 동작 환경을 고려한 시험법 적용의 주요 개선 항목으로는 다음을 들 수 있다.
실제 수명시험은 판매 대상이 되는 소비자의 실제 사용조건(스트레스 조건 및 환경조건) 중 최악의 상태에서 제품을 장시간 또는 다량으로 정상 가동시키는 시험이다. 이 시험의 목적은 주로 소비자에게 제품의 수명을 보증하고, 가속 또는 가혹시험으로 여과(Filtering)되지 않았지만 실제 사용 시에는 발생되는 고장의 모드이며 이 고장모드의 요인을 발견하여 개선 대책을 수립하기 위한 것이다.

제안 방법

기존의 부품 신뢰성 시험 절차는 시험 대상 항목의 선정에서부터 시험 진행까지 개발되어지는 프린터 완제품에서의 부품 동작 환경에 대한 고려 보다 부품 자체가 가지는 특성에 대한 검증이 이루어져 왔다. 개선된 부품 신뢰성 시험 절차는 실제 신규 부품이 개발되어지는 완성제품에서 어떤 환경에서 견디어야 하는지에 대해 분석하고 분석되어지는 환경을 기반으로 부품 신뢰성 시험 진행 시 신규 부품이 일반적인 신규 부품의 신뢰성 시험법이 아닌 실질적인 완성 제품의 동작 환경을 고려하도록 하였다.
다음은 프린터에서 구동에 관련된 전기 모터(Motor)에 대해 부품 제조사의 시험 조건과 실제 완성제품에서의 사용 조건에 대해 비교하였다. 완성 제품의 환경을 고려하지 않고 일반적인 부품 제조사 시험법으로 부품 신뢰성 시험이 진행되었고, 이러한 부품은 시장 환경에서 지속적인 기능 불량을 발생시켰다.
둘째, 완성 제품에서의 구동 부하가 적용되는 부품에 대해서는 와 같이 시험 장치를 제작 운영하도록 하였다.
<표 1>에서 보는 바와 같이 부품 제조사에서의 보증 규격은 해당 온도의 10 사이클만 보증하는 것으로 나타났으며, 실제 그 부품이 사용되어지는 완성 제품의 환경 조건은 약 1,800여 사이클 사용하는 것으로 조사 되었다. 시험을 진행하기 위해 문제 발생 부품과 같은 부품을 수배하여 재현시험을 실시하였다. 재현 시험에는 ‘Coffin-Manson’의 수정 법칙을 적용하였으며 계산식은 다음과 같다.
완성 제품의 환경을 고려하지 않고 일반적인 부품 제조사 시험법으로 부품 신뢰성 시험이 진행되었고, 이러한 부품은 시장 환경에서 지속적인 기능 불량을 발생시켰다. 위의 2가지 사례에 대해 시험법을 개선하기로 했다.
첫째, 온도조건에 대해서는 실제 부품 신뢰성 시험 시 완성제품에서 측정된 조건을 적용하여 시험 진행하도록 하였다. 둘째, 완성 제품에서의 구동 부하가 적용되는 부품에 대해서는 <그림 2>와 같이 시험 장치를 제작 운영하도록 하였다.
기존의 가속 시험법을 모든 제품에 일괄적으로 적용하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 실제 시험에 의한 시험법 개선을 진행 하였다. 프린터에 사용되는 복잡하고 다양한 부품 중 대표적으로긴 수명시험을 요구하는 할로겐(Halogen) 램프에 대해 수명 시험 효율화를 진행하였다.
할로겐(Halogen) 램프의 주요 고장현상은 흑화에 의한 필라멘트 단선으로 선정하였으며, 흑화의 정도는 업계마다 5단계, 7단계로 나뉘어 사용하고 있으나, 본 연구에서는 5단계로 적용하기로 한다. 흑화 발생의 정도를 5단계로 한 결과 <표 7>과 같은 시험 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

문제 부품은 프린터에서 인쇄되어진 용지가 바르고 정해진 시간에 정확하게 배출되었는지를 인식하는 ‘센서(Sensor)류’의 부품이었다.

이론/모형

재현 시험에는 ‘Coffin-Manson’의 수정 법칙을 적용하였으며 계산식은 다음과 같다.

성능/효과

신뢰성에 대한 이론적 개념과 가속 계수 등의 시험 효율화 방안에 대해서는 많은 연구가 있지만 동일 환경에 대한 시험법을 찾기 힘들다. <표 10>과 같이 실제 산업계 전반에서 운영 중인 부품 신뢰성 시험법에 대해 확인 결과 상당수가 프린터 제품에 적용될 수 있는 시험법이라는 것을 알 수 있었다.
두 번째, 새롭게 정의되어 적용된 열 충격시험에서도 주요 항목인 시험 사이클 수를 늘려 적용함으로서 실제 시험 기간 자체는 늘었지만, 신규 제품에 적용되어지기 전의 부품 신뢰성 시험에서 다량의 문제점이 검출되어 개선 조치됨으로서 품질 실패비용이 미연에 방지 되었다.
세 번째, 실제 완성제품의 온도 뿐 아니라 부하 조건에서의 시험법 개선 후 시장불량의 Data가 훨씬 좋아지는 것을 확인하였다.
둘째, 개발 납기 및 시장 선점에 필요한 시간을 확보하기 위해 장기간의 수명시험이 필요한 부품에 대해 품질 보증 관점에서 품질저하가 되지 않는 시험의 효율화를 개발하여야 한다. 셋째, 산업계에서 일반적으로 진행되는 부품 신뢰성 시험 및 선진사례를 통한 벤치마킹을 통해 새롭고 혁신적인 시험법 도출에 앞장서야 한다.
<표 8>의 가속 계수를 기준으로 수명 시험에 대한 시험 시간을 단축할 수 있었다. 시험 결과에 의하면 할로겐(Halogen) 램프의 정격 전압 대비 150%를 지속적으로 인가 시 일부 유리관의 변형이 생김으로 정격 전압의 130%의 수준인 약 120시간을 시험의 표준으로 진행토록 하였으며, 초기 적용 시 조건 적용의 실패를 대비하여 초기시험에는 약 1,000여 시간 시험법과 약 120시간 시험법을 동시 적용하도록 결정하였다.
위의 방법으로 불량 발생한 부품을 수배하여 시험한 결과 완성 제품의 수명 주기 내에서의 열 충격 시험에 대한 필요 보증 사이클은 약 700여 사이클인 것으로 나타났으나, 불량에 대한 재현 시험 결과 약 70~100사이클 사이에 불량이 재현되었다.
첫째, 부품의 사용 온도 조건을 개선한 시험법을 적용함으로서 ‘CIS(Contact Image Sensor)'의 시장에서의 주요 문제는 각 센서 칩(Sensor Chip)이 온도 조건에 변형되어 프린터에서 인쇄되어진 화상에 의도되지 않는 검은 띠를 발생시키는 불량 Data를 확인할 수 있었다.

후속연구

우선, 개발되어지는 완성제품의 동작 환경 및 내구성을 만족하는 부품의 품질 보증이 되어야 한다. 둘째, 개발 납기 및 시장 선점에 필요한 시간을 확보하기 위해 장기간의 수명시험이 필요한 부품에 대해 품질 보증 관점에서 품질저하가 되지 않는 시험의 효율화를 개발하여야 한다. 셋째, 산업계에서 일반적으로 진행되는 부품 신뢰성 시험 및 선진사례를 통한 벤치마킹을 통해 새롭고 혁신적인 시험법 도출에 앞장서야 한다.
본 연구는 연관성이 있는 부품의 신뢰성 시험법 약 60여 종을 새로이 개발 하였으며, 추가된 시험법이 프린터 신뢰성 시험에 적용될 경우 다음과 같은 효과가 발생 할 것으로 예상된다.
할로겐(Halogen) 램프에서의 부품 신뢰성 시험은 약 1,000여 시간 이상의 수명 시험을 요하고 있다. 이 입력 전압을 정격전압에 비해 높게 할 경우 새로운 가속 모델을 얻을 수 있을 것으로 기대되었다. 이를 재현하고자 <표 6>과 같은 시험 계획을 세웠다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

프린터란 무엇인가?

프린터는 컴퓨터나 디스플레이 되는 화상이나 문자를 휴대할 수 있는 용지, 보고서 형태로 출력할 수 있는 것으로 정의할 수 있다. 기존의 프린터는 개인 고객이 자택에서 간단한 문서 등을 출력하는 데 집중적으로 사용하고 있었으나, 최근에는 기업용 프린터 시장의 급속한 확대로 인해 長수명의 제품이 확대되고 있다.

제품의 신뢰도를 평가하기 위해 필요한 것은 무엇인가?

신뢰성이란 시간의 측면에서 본 품질로서 일정기간 동안 주어진 기능을 원활하게 수행할 수 있는 제품의 능력을 말한다. 제품의 신뢰도를 정확히 평가하기 위해서는, 첫째 제품의 요구 되는 기능이 명확히 정의되어야 하고, 둘째 제품의 사용 또는 환경조건이 규정되어야 하며, 셋째 제품의 사용기간을 측정할 수 있는 시간이나, 시간에 상응하는 척도가 마련되어야 한다[3],[4].

프린터 산업에서의 부품 신뢰성 시험은 어떠한 문제점을 가지고 있는가?

① 신뢰성 시험에 완성 제품의 환경 조건을 배제한 일반적인 시험법이 적용됨 ② 시험에 많은 시간이 소요되며, 이를 통해서 개발 납기가 늦어짐 ③ 신뢰성 시험법의 특화로 해외 선진사의 BM이 어렵고, 신규 시험법 개발이 어려움

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