21세기 들어서면서 자동차산업은 제조업을 뛰어넘어 국가경쟁력을 좌우하는 척도로서 자리를 잡아가고 있다. 자동차산업은 종합산업의 기반과 미래산업을 주도할 수 있는 에너지원도 함께 개척하고 개발과 더불어 창조에까지 다다르고 있다.
각국의 자동차 회사들은 자국 시장의 틀을 벗어나 세계화에 문을 두드리게 되었으며 국내의 자동차 회사도 바야흐로 자동차 종주국인 미국시장과 유럽시장, 그리고 BRIC’s(브라질, 러시아, 인도, 차이나) 지역까지 시장을 확대해 나가고 있다.
과거와 달리 고객의 자동차 선호 수준은 평가 단체와 매스컴의 영향에 힘입어 나날이 발전하여 고객만족에 해당하는 품질수준을 넘어서 인간의 감성까지 만족시켜 달라는 수준에 이르고 있다. 이에 따라 자동차 및 관련 부품회사의 개발자들을 더욱 고민에 빠뜨리고 있다. 예를 들어 차량 가격을 막론하고 차량 부품에 대한 수명 보증 및 그 이상의 소음, 진동 등에 대한 감성 즉, 필링까지 만족해야 가격 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 현실에 발맞춰 각사마다 신뢰성 평가 부문에 대한 중요성을 인식하게 되어 국가적으로 노하우 전수가 펼쳐지게 되었다.

신뢰성 확보를 위한 문제점 분석 흐름도

신뢰성의 정의
어떤 대상물 즉, 부품이든 완성품이든 시스템이든 사용자 측면에서 믿을 수 있는 정도를 수치로 측정할 수 있는 예측치를 흔히들 ‘신뢰도’라고 한다. 이것은 평가하기 위한 방법이 객관적인 인자인 규정된 사용 또는 환경 조건에서 만족할 수 있는 시간까지 전기, 기계, 화학적인 고장 반응 하에서도 만족할만한 기능을 수행할 확률을 정량적으로 표현하는 척도이다. 따라서 각 부품의 품질관리가 잘 되었다 하더라도 완성품에서의 내구 성능을 만족시키지 못하면 평가 인자 중 한 부분 이상의 결함이 발생할 수 있다는 예시이고, 개선해야 할 필요성이 있다고 판단되면 즉시 시행하여 사전 예방 조치를 취할 수 있는 기준이 되기도 한다.

문제점 분석 흐름도

WHEN: 언제 고장이 발생할 것인가?
어떤 설계자가 경험과 노하우를 바탕으로 적정 설계를 하였다 하더라도 과거 유사한 부품 및 제품을 기준으로 필드 상에서 발생했던 시험 데이터를 통계적인 방법을 이용하여 분석하고 고장률/MTBF 계산법을 이용하여 신뢰도를 예측해야 한다.

WHAT: 무슨 고장이 발생하는가?
사용 중인 제품에 고장(failure) 위치나 모드가 발생했을 때 제품 특성에 따라서 FMEA/FTA/FEM 기법을 사용하거나 Worst Circuit Analysis 법을 이용하여 원인을 인지해야한다.

WHY: 왜 고장이 발생하는가?
사용 시 환경적인 요소에 의해 물리적인 고장이 발생하는 고장 원인과 메커니즘을 이해하고, 분석법을 적극 활용해야 한다.

WHERE: 고장의 원인 제공?
설계 시-환경조건에 대한 이해가 부족하고 부품에 대한 규격 허용치 또한 부적절한 시험 등으로 인한 부품 신뢰성이 미비할 수 있음
제조 시- 4M 및 주위 환경에 대한 보정치 계산이 미흡하여 공정 산포의 발생 가능
운영 시- 인간공학에 대한 고려가 부족하거나 새로운 환경에 대한 과부하가 발생

HOW: 어떻게 개선할 수 있는가?
4W를 기준으로 고장 모드를 제거하기 위해 설계 개선을 실시하고 중요 부품에 대해서는 초가속수명시험(Highly Accelerated Life Testing, HALT) 등을 이용하여 시험 데이터의 추이를 분석, FRACAS(Failure Reporting Analysis and Corrective Action System) 법을 이용하여 신규 설계 시 피드백 할 수 있도록 시스템을 구축해야 한다.

신뢰성 해석 연구의 전략
설계 측면: 실용적이고 효율적인 검증요건과 소프트웨어 디자인 기법을 적용
시험 측면: 가속시험이 가능하고 품질보증이 요구됨
원인분석 측면: 고장 메커니즘과 재료 변형도 이해하여 분석도를 작성해야 함
인프라: 협력사 관리 및 검증을 통해 기술, 정보 공유가 요구됨
경제성: 라이프사이클과 비용분석을 정기적으로 실시하여 원가절감 요소의 파악이 필요
모니터링과 완화: 건강조건 등을 모니터링 하고 기술적으로 위험을 줄일 수 있는 지 검토
측량적: 위험 수치 검증 및 신뢰도 예측 분석
등을 통하여 신뢰성 확보가 가능하며 필드 상에서도 고장을 감소시킬 수 있는 전략을 수립할 수 있다.

가속시험의 설계 절차
목표(target) 고장 결정: 가속시험의 대상물은 제품이 아니라 고장 모드이므로 고장이 명확하게 재현되어야 하며 정확한 데이터가 검출될 수 있도록 진행시켜야 한다.

특성 측정 항목 결정: 특성 항목을 선정 시 목표 고장과 밀접한 관련이 있어야 하며 열화의 폭이 큰 항목을 선정하고 측정이 용이한 항목을 측정해야 한다. 예를 들어 커패시터의 경우 정전용량, 누설전류, 절연저항, 유전손실률 등이다.

고장 판정 기준: 측정 파라미터 값이 기준치에 들어야 할 절대적인 범위를 지정하는 방법으로, 초기 측정치를 기준으로 변화량의 폭을 산정하여 고장으로 진단하는 방법이다. 초기 측정 시 기준치가 20%, 10%, 5% 이하의 수준으로 급격히 떨어질 경우에 고장으로 판단한다.

가속 스트레스 결정: 대상물에 따라 고장 메커니즘과 연관을 지어 효과적인 가속 스트레스를 결정하는 방법으로, 특정 온도에서 발생할 수 있는 화학적인 반응을 측정하는 방법이나 또는 저·고온 온도 사이클로서 상대물의 열팽창계수 차이에 의한 열응력 차이에 대한 변형을 측정하거나 온·습도 사이클로서 수분 침투를 유도하여 제품의 영향도를 측정하는 방법이나 과전압 또는 정전기를 유도화 하여 손상이 발생하는가를 측정할 수 있다. 그러나 최근 들어 세계시장에 대응하기 위해 상이한 환경조건을 감안하여 염기에 의한 가속부식시험 또는 3차원 진동시험을 추가로 실시하고 있으며 특수산업의 경우에는 이보다 더 엄격하게 고지대 감압시험이나 유독가스시험 등도 추가로 진행해야 한다.

스트레스 한계 수준 결정: 재료 특성에 따라 시료의 시험 온도는 변할 수 있지만 일반적으로 수지가 함유된 제품이나 납땜을 한 제품의 경우 150℃ 이하에서 시험 온도를 결정하고, 시료에 대한 정보가 없는 경우에는 단계적인 스트레스(step stress) 시험을 통해 한계 수준을 결정할 수 있다.

시료 수와 시험시간 결정: 시료 수는 시험 상황에 따라 다소(多少)가 발생할 수 있다. 시험하고자 하는 시료 수가 많으면 시험조건 설정이 낮은 곳에서부터 시험 시간을 장기적으로 가져가는 방법을 택할 수 있지만, 시료 수가 적은 경우 시험조건 설정을 높은 곳에서부터 실시하여 짧은 시간 동안 시험 결과를 측정해야 한다.

스트레스 수준 수 결정: 일반적으로 단일 스트레스의 경우 3단계 수준법을 활용하여 가속성을 확인할 필요가 있다.

스트레스 수준 결정: 스트레스 한계 수준을 결정할 때는 정상조건과 한계 수준 사이에서 결정하는 방법이 좋은 데, 고장 발생 가능성을 고려하여 2단계 수준을 기준으로 실시하는 것이 좋다.

각 스트레스의 시료 수 결정: 낮은 스트레스일수록 시료 수를 많이 배정하는 데, 낮은 수준에서는 최저 4개이상을 기준으로 50%씩 줄여서 실시하는 것이 좋다(저:중:고=4:2:1).

관측방법 결정: 일반적으로 부품인 경우에는 단속적인 관측방법 즉, 여러 가지 시험 종류 및 조건을 분류해서 시험하고 시스템인 경우에는 시험 제품을 시험조건에 따라 연속적으로 실시하여 스트레스를 관측하는 방법을 채택해야 한다.

관측시간 결정: 특성치 변화가 많은 곳은 시간 간격을 빈번하게 설정하고 변화가 둔한 곳은 시간 간격을 길게 설정함으로써 관측의 효율성을 높일 수 있다.

가속수명시험방법과 가속계수산정법
스트레스 인가방법에 따른 분류를 그림 1에 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 일정 스트레스 시험은 시료에 가해지는 스트레스(단일, 복합)의 종류와 강도를 일정하게 하여 고장시간의 분포를 관측하는 방법이다. 스트레스 연속증가시험은 연속적으로 스트레스를 증가시키면서 수명의 스트레스 분포를 관찰하는 시험이다. 스텝 스트레스 시험은 스트레스를 계단 형태로 상승시켜 어느 정도의 스트레스에서 고장이 발생하는 지를 측정하는 일종의 한계시험으로 일정 스트레스 시험의 보조 수단으로 많이 사용된다.

  [그림 1] 가속수명시험의 스트레스 인가 방법

기준조건에서 실시한 시험과 가속시험을 실시함에 있어서 같은 누적고장 백분비에 달할 때까지의 시간 비율을 가지고 그림 2와 같이 가속 계수를 구할 수 있다.


  [그림 2] 가속계수 산정법

가속시험 및 신뢰성 시험의 오류
일반적으로 설정된 시험조건은 2단계 수준을 기준으로 제품에 대한 합부 판정을 품질 부문에서 실시하지만, 개발 설계 시 전혀 문제없음을 전제로 할 수는 없다. 이는 대부분 전 제품과 비교 시 동등 수준의 단계에서 내구 신뢰성이 인정되는 것이고 시험조건에 대한 평가가 이론상 일치한다면 문제는 발생하지 않지만 사용자의 최악 환경조건을 모두 감안하여 시험하는 악의시험의 경우에 인자를 추정하는 복합 시험조건이 시험설비의 부족 또는 미비로 인해 대체 조건 등을 설정 시험한 결과로서 빚어낸 평가 판정의 오류가 빈번하게 발생할 수 있다. 또한 가속시험에 의한 신뢰성 시험 결과가 반드시 고장 형태 및 수명과 일치하지 않을 수 있다. 이는 제 3의 인자에 의한 고장을 유발할 수 있으므로 이론 검증과 참값 검증을 위해 재현시험(reproductibility)을 통해 검증하거나 안전율을 산정하여 판정함을 원칙으로 해야 한다.

가속시험 설계 및 시험실시 프로세스
개발된 제품에 대한 가속시험 설계를 계획할 때 앞서 설명한 절차를 기준으로 시행하되 제일 먼저 이론적인 데이터를 수집해야 한다. 제품 특성을 정확히 파악하여 고장 메커니즘에 영향을 주는 파라미터, 사용조건과 가속조건이 근사한 고장 시간의 필드 고장 정보를 수집하여 고장 물리 분석을 실시하고 중요 고장 메커니즘을 3~5개 선정한다. 이어 제품에 가해지는 스트레스가 1차원인지 3차원인지 스트레스 범위에 대한 연구가 필요하고 스트레스의 크기를 결정해야하는 데, 전장품의 경우에는 국제 규격을 제정하는 빅3나 독일, 일본의 유명 회사들이 선두주자로서 열변형(thermal transform), 소음진동(NVH), 전자파(EMC) 등의 가속 스트레스 크기를 결정하고 시험자들은 가속수명시험의 형태를 결정하기 위해 스트레스 인가방법 및 샘플의 크기 등을 배분하여 근본 원인을 분석하기 위해 시험을 실시해야 한다. 그렇게 함으로써 시험에 대한 데이터가 정확히 분석되고 가속시험에 대한 평가 및 모형을 개발할 수 있다. 또한 제품설계 단계에서 정의하고 분석되었던 FMEA나 FTA 모듈을 응용하여 그림 3과 같이 기술적 검증을 위한 시험실시 프로세스를 운영할 수 있다.


  [그림 3] 가속시험 설계 및 시험실시 프로세스

설계 가이드라인의 도출
설계자가 목표로 설정한 요구 수명까지 제품이 견딜 수 있는 지를 해석하기 위해 구조설계자와 하드웨어 엔지니어들을 지원하기 위한 설계 룰(rule)을 수집하고 기계적인 스트레스, 부식, 온도 사이클, 고습 등에 대한 설계 가이드라인을 그룹화 하며 신뢰성(reliability, dependability)과 활성화(robustness, activeness) 한 공동체를 만들어 소재부터 단품, 완제품까지의 노하우 데이터베이스를 구축해야 한다. 따라서 설계 단계에서의 시험법 개발과 검증도를 그림 4로서 정의한다.


  [그림 4] 설계 단계에서의 시험법 개발과 검증 흐름도

전장품의 환경 스트레스와 동작 스트레스 조건
고성능, 초경량, 초편의 시스템 통합화를 추구하는 자동차산업 부품의 환경 스트레스에 대한 내구성을 향상시키기 위해서는 제품을 구성하고 있는 원재료 성분을 정확히 이해하고 있어야 한다. 또한 외부 요인에 따라 특성이 변할 수 있음을 인식하고 사전에 부품별 예비지식을 학습해야 하며 그림 5와 같은 프로세스로 시행해야 한다. 아울러 전장품의 신뢰성 수명 결정을 위해서는 온도 영향도에 따른 신뢰도는 아레니우스법칙을 적용하고 작동 내구나 전기적인 영향도는 역누승법칙을 적용, 그리고 수동부품의 경우 아레니우스나 수명반감법칙을 적용하여 연산 가능하다.


  [그림 5] 전자부품의 환경 스트레스와 동작 스트레스 조건

초가속수명시험(HALT)의 필요성
이미 개발 양산중인 모델에 대해 고장 모드(failure mode)를 파악하고, 설계상의 Weak Point를 검출하고, Field 고장과의 비교 검토를 통해 신제품 개발 시 양산 전 초도품의 신뢰성을 평가하여 어떤 인자에 가장 영향을 받는 지에 대한 DB 구축이 우선적으로 중요하다. 일반적으로는 고장발생률이 진동시험(45%), 열충격시험(20%), 고온시험(17%), 저온시험(14%), 고저온시험(4%) 순으로 발생되기는 하나 제품 특성에 따라 사용자의 환경요소를 정확히 인지하지 못한다면 결정적인 문제점을 해결하기가 어려울 뿐만 아니라 초가속수명시험계획법을 세우기가 어려워진다. 따라서 그림 6과 같이 기존 제품에 대한 DB를 충분히 검토, 분석 후 실시함으로써 자사의 독창적인 시험법을 정립할 수 있다.


  [그림 6] 초가속수명시험 준비작업 계획도

신뢰성 평가기술 방향
지구온난화 억제와 대체에너지 개발이 국제적으로 최대 이슈가 되면서 제 3의 ‘경제전쟁’이 시작된 지 오래다. 이제는 자국의 경제를 보호할 수 있는 지구첨단(남북극, 해저) 및 우주자원 개발 역량이 국가경쟁력의 척도가 되고 있다. 각국은 이 분야에 최상의 과학도를 투입하고 있다. 이것은 단순히 자동차산업만을 목적으로 하지는 않는다.
각국은 세계시장을 상대로 항공산업에 버금가는 전장품을 기준으로 선진화된 첨단 안전장치가 부착된 극저공해 자동차 및 지능형 자동차 시스템 개발에 촉각을 세우고 있다. 신뢰성평가 측면에서는 미 항공우주국(NASA)의 주요 시험기준인 GE 사의 시험규격을 기반으로 실시되어야 하며 특화된 환경기준인 경우에 연료, 공업 기후, 자계, 환경(진동, 소음, 압력, 수분, 온도 등)에 따라 단품 또는 완성품까지의 한계 내구시험 규격과 파괴수준 조건별 시험까지 데이터를 검증하면서 신뢰성 평가기준을 제정해야 한다. 자사의 기술 수준을 보다 더 높이고 경쟁력을 강화하기 위해서는 현재 국내에서 활동 중인 컨설턴트와 협업하여 프로세스를 정립해 나간다면 시간적으로나 경제적으로 효과적인 접근법이 될 것으로 판단된다.

약어집
MTBF : Mean Time Between Failure
FMEA : Failure Mode Error Analysis
FTA : Failure Tree Analysis
FEM : Finite Element Method
4M : Man , Machine , Material , Method
FRACAS : Failure Report And Corrective Action Screen
NVH : Noise , Vibration , Harshness
EMC : Electro Magnetic Compatibility
HALT : Highly Accelerated Life Test
HASS : Highly Analysis Stress Screen