고장메커니즘 시각화기반 신뢰성보증시험설계

Abstract

신뢰성 시험은 제조업이라면 제품의 품질과 신뢰성을 확인하기 위하여 어떠한 형태로든 수행하고 있다. 다만 현재까지는 고객 또는 수요처의 요구사항, 국제규격 또는 사내 규격 등 기준을 만족시키기 위한 수동적인 시험이 대부분이었다. 이러한 기준을 만족시키기 위한 시험은 신뢰성인증시험(Reliability Qualification Test)이라고 한다. 한편으로는 기술이 급속도로 발전하여 제품이 점점 복잡해지고 새로운 기술이 적용되면서 요구사항이나 규격과 같은 기준이 검증하지 못하는, 상호작용으로 인한 예상치 못한 고장들이 계속해서 발생하고 있다. 이러한 예상치 못한 고장은 4차 산업혁명으로 인해 초개인화시대의 제품으로 전환이 이루어질 경우에는 더욱 빈번해질 것으로 예상된다. 이러한 환경에서는 제조자 스스로 제품의 신뢰성을 능동적으로 보증하려는 노력인 신뢰성보증시험(Reliability Demonstration Test)이 중요할 것으로 예상된다.

그러나 기존에 제안된 신뢰성보증시험방법은 상호작용을 고려하지 못하거나, 물리적인 시험외의 가상테스트(Virtual Test/Simulation) 또는 강건설계(Derating)과 같은 요소를 고려하지 못하는 한계가 존재하였다. 이러한 한계를 극복하고 기술과 제품의 디자인, 소재의 변화에 유연하게 대처하려면 고장메커니즘에 대해서 직관적으로 이해하는 것이 필요하다. 또한 이러한 이해를 기반으로 상호작용을 확인하고, 신뢰성보증방법에 대한 적절한 선택이 이루어져야 한다.

본 논문에서는 고장메커니즘의 직관적인 이해를 위하여, 고장메커니즘의 표현을 표준화하고 고장메커니즘의 요소간의 상호관계를 표현하는 문법을 제시한다. 고장메커니즘은 요인과 상태 그리고 사건으로 분해될 수 있으며, 이러한 구성요소들의 인과관계로 고장메커니즘을 표현하게 하였다. 이어서 이렇게 표준화하여 표현한 고장메커니즘을 UML(Unified Modeling Language)이라는 모델링언어의 기능을 일부 활용하고 PlantUML이라는 오픈소스 도구를 통하여 손쉽게 시각화하는 방안을 제시한다.

사례연구를 통하여 이와 같은 시각화를 살펴본 결과, 추상적인 데이터인 고장메커니즘을 직관적으로 이해할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 정량적인 데이터가 테이블 형태보다 수학적인 도표로 표현될 시에 직관적으로 이해가 되는 것과 마찬가지 원리이다. 또한 고장메커니즘 표현의 표준화를 통하여, 작성자에 따른 편차를 줄이고 추후 디자인변경, 재료변경 등에 따라서도 고장메커니즘에 대한 기존데이터를 빠르고 유연하게 수정하고 변경할 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 본 논문에서는 시각화된 고장메커니즘을 기반으로 신뢰성보증방법을 선택할 수 있는 프로세스를 제안한다. 고장메커니즘 분석에서 확인된 근본원인을 잠재적인 시험항목으로 두고 컴퓨터시뮬레이션, 디레이팅, 쿠폰시험 등 물리적인 시험 외에 신뢰성을 보증할 수 있는 방법을 논리적으로 선택할 수 있는 프로세스를 제안한다. 또한 제안된 신뢰성보증시험 프로세스의 효과를 확인하기 위하여 고분자전해커패시터에 대한 사례연구를 실시하였다.

사례연구를 살펴본 결과 기존에 주로 수행하던 국제규격을 통한 신뢰성인증시험에 비교하여 시험항목이 절반으로 줄어들어 효율적인 시험이 가능했으며, 상호작용과 연관된 새로운 고장메커니즘을 확인할 수 있었으므로 효과적임을 확인하였다. 또한 기존의 신뢰성인증시험의 경우 왜 특정한 시험을 수행하여야 하는지에 대한 설명이 없거나 부족하여 비판 없이 의미 없는 시험을 수행하는 경우가 많았다면, 본 연구의 시험설계방법은 왜 특정한 시험항목이 선정되었고, 배제되었는지에 대한 설명이 가능하다. 따라서 추후 디자인 변경이나 소재변경과 같은 변경사항이 있을 때에도 유연하게 시험항목을 선택하고 피드백을 통하여 지속적으로 신뢰성시험을 개선하는 활동을 할 수 있을 것으로 기대된다.