[품질과 신뢰성] Part1 & 2 정리

Info) 아래 포스팅은 LGAimers에서 제공하는 AI 전문가 과정 중 한양대학교 배석주 교수님의 [품질과 신뢰성] 강의를 정리한 것입니다. 정리된 내용들은 강의를 토대로 작성되었으나 수강자인 저의 이해도에 따라 일부 틀린 부분이 있을 수 있다는 점 알려드립니다. 잘못된 점이 발견될 시에는 즉각 수정하도록 하겠습니다. 

1. 품질 및 품질 비용

1.1 품질의 개념

전통적 품질관리에서 품질은 '규격에 부합하는 것'이라고 정의할 수 있지만 관점에 따라서 품질에 대한 다양한 정의들이 존재한다. 품질이라는 것을 어느 하나의 요소로만 판단할 수 없다는 것을 보여준다. 아래는 학계의 여러 연구자들이 정의한 품질에 대한 개념을 5가지 관점에서 정리한 것이다.

선험적 관점 : 품질을 정의할 수 없더라도 무엇인지 고객이 인지할 수 있다는 관점

제품 관점 : 바람직한 성분이나 속성의 함량 차이가 곧 품질의 차이, 우리가 일반적으로 좋은 재료와 성분을 사용한 제품을 우수하다고 인식하는 것의 바탕이 되는 관점

사용자 관점 : 용도 적합성, 사람마다 다르게 느낄 수 있는 주관적인 영역

제조 관점 : 요구사항과의 일치성을 중심으로 한 품질 개념

가치 관점 : 품질은 실제 용도와 판매가격의 최적 상태

1.2 품질의 구성요소

품질은 크게 '제품특징', '무결함'으로 구성된다. '제품 특징'은 '설계품질'로서 원가 상승이 수반되지만 시장점유율을 확대하고 높은 가격을 책정하여 수익을 증대할 수 있는데 결정적으로 기여하는 요소이다. '무결함'은 '적합품질(제조품질)'이라고 하며 고객 클레임을 감소하여 재작업, 폐기처분 등으로 생기는 비용을 줄이는데 초점을 맞춘 품질 요소이다. 오늘날에는 생산자 입장에서 고객(소비자)의 입장으로 품질의 개념이 확대되었기 때문에 고객의 명시적, 묵시적 요구사항을 충족시킬 수 있는 능력이 매우 중요해졌다.

1.3 품질의 유형

제품 또는 서비스의 품질이 형성되는 과정에 따라 품질의 유형을 4가지로 나눌 수 있다. 제품 기획에서부터 개발, 제조, 판매, 사후서비스에 이르기까지 발생할 수 있는 품질의 모든 영역을 다루는 것이라 할 수 있다. 

첫 번째는 요구 품질(Requirement of Quality)로 제품/서비스를 이용하는 고객의 입장에서 생각할 수 있는 품질이다. 사람들의 생각 속에 자리한 품질 개념이기 때문에 추상적이지만 시장조사나 경쟁사 분석, 판매원의 의견 수렴 등 기업은 다양한 정보원천을 활용해 어느정도 파악할 수 있다.

두 번째는 설계 품질(Quality of Design)로서 고객이 요구하는 품질 수준을 기업의 제조역량을 고려하여 구체적으로 설계 도면등에 명문화한 품질을 말한다. 이때, 설계 품질을 결정하게 되는 주요 요인으로는 기업의 기술수준과 비용이다. 고객의 요구 품질을 구현할 수 있는 기술수준이 마련되어 있어야 하며 비용을 고려한 설계가 이루어져야 적절한 설계 품질을 유지할 수 있다.

세 번째는 제조 품질(적합품질, Quality of Manufacturing or Conformance)로서 제조 과정에서 발생하는 변동성과 불확실성에 영향을 받는 품질 영역이다. 앞서의 설계 품질과 비교하여 얼마나 완성도 있게 제조되었는지를 측정하면 제조품질의 수준을 판단할 수 있다.

네 번째는 사용 품질(시장품질, Quality of use or market)은 제품으로부터 얼마나 욕구를 충족할 수 있었는지, 사후 서비스는 얼마나 만족스러운지, 제품 또는 서비스를 신뢰할 만한지 등 고객이 제품/서비스를 실제로 사용한 후 느끼는 품질 수준이다. 

1.4 종합적 품질(Total Quality)

고객 지향적인 품질의 정의로서 제품과 서비스가 고객에게 수용되기 위해서 필요한 모든 품질 요소들을 포괄하는 개념이다. 고객을 만족시키기 위해 제조시스템의 가치사슬(value chain)을 고려할 필요가 있으며 value chain에 속한 모든 것들의 품질을 총체적으로 고려한 품질이다. 단순 제품/서비스의 품질(Q:quality) 뿐 아니라, 비용(C:cost)와 납기(D:deliver)등 실제 고객들의 품질 만족에 영향을 줄 수 있는 모든 요소들을 고려하고 있다.

1.5 저품질비용(COPQ: Cost of Poor Quality)

기업 내에서 불필요하게 발생하는 이익손실비용을 측정하는 재무적 척도로 기업의 이익에 기여하지 않는 모든 것을 포함한다. 하지만 실제로 표면상 드러나는 파악 가능한 품질 비용은 전체 품질 비용의 아주 일부만 차지하고 있고 나머지 품질 비용은 측정이 어렵고 잘 보이지 않지만 전체 매출의 상당한 비중을 차지하고 있다. 따라서 이를 개선하기 위한 노력이 반드시 수반되어야 한다. 특히, 품질 비용은 고객들에게 제품과 서비스가 도달하기 전에 사전에 미리 파악이 된다면 적은 비용으로도 충분히 개선이 가능하기 때문에 사전 품질 비용 관리가 중요해지고 있다. 

1.6 품질비용의 종류

품질 비용은 아래 그림과 같이 크게 '생산자 품질비용', '사용자 품질비용', '사회적 품질비용'으로 나눌 수 있으며 각 영역을 세부적으로도 구분할 수 있다. '생산자 품질비용'은 '예방비용', '평가비용', '실패비용'으로 구분이 되며 '예방비용'은 제조 초기부터 불량이 발생하지 않도록 하기 위한 각종 예방 활동에 소요되는 비용이다. '평가비용'은 제품/서비스 그리고 이를 생산, 판매하는데 필요한 모든 요소들에 대한 검사를 통해 일정 품질 수준을 유지하는데 사용되는 비용을 말한다. '실패비용'은 생산자 품질비용은 다수를 차지하는 비용으로서 기업 내부에서 발생하는 '내부실패비용'과 고객에게 인도된 후 발생하는 '외부실패비용'으로 구분할 수 있다. 

출처: 배석주 교수님 강의 자료

기존에는 품질이 개선되면 비용이 증가한다는 인식이 있었지만 최근에는 품질을 개선함으로서 생기는 다양한 비용들이 감소되어 품질총비용이 절감될 수 있다는 개념이 새로이 자리잡고 있다.

1.7 품질 변동의 원인

불완전한 원재료, 부적절한 제품 설계, 부적절한 공정능력으로 인해 품질 변동이 발생하게 된다. 품질 변동의 원인은 크게 이상원인과 우연원인으로 나뉘게 된다. '우연원인'은 정상적인 운전상태에서 존재하는 공정의 고유한 변동기기으로서 가령 재료나 계측기의 미약한 변동과 같이 많은 개별적인 요인에 의해 발생하게 된다. 반면, '이상원인'은 비정상적인 요인에 의해 발생하는 변동으로 각각의 개별적 요인에 의해 발생하고 큰 변동을 나타내게 된다. 가령, 재료의 불량, 작업자의 미숙련, 설비의 잘못된 설정 등으로 발생하는 변동들이 있다.

2. SPC의 필요성과 개념

2.1 SPC의 정의

공정에서 요구되는 품질이나 생산성 목표를 달성하기 위하여 '통계적 방법'으로 공정을 효율적으로 운영해 나가는 관리 방법을 말한다. SPC는 'Statistical Process Control'의 약자로 통계적인 기법을 통해 공정의 프로세스를 끊임없이 관리해나가는 활동으로 정리할 수 있다. 

제품 특성을 모니터하는 것은 공정 입력에 대한 특성 파악이 불분명할 시 출력에 대한 지속적인 모니터를 통해 입력에 대한 변동을 탐지해야 하며 제품 특성을 관리하는 것은 입력과 출력 간의 인과 관계를 이해하여 공정 입력에 대한 측정을 통해 제품의 출력 상태를 예측해내는 것이다. 이를 통해 품질 변동에 대응할 수 있고 품질 비용을 개선할 수 있다.

 이전 절에서 설명한 품질 변동은 SPC를 방해하는 핵심 요인이 라고 할 수 있다. 강의에서는 다시 한번 품질변동의 2가지 원인인 '우연원인'과 '이상원인'에 대해 설명하였는데 위에서 설명했던 것보다 더 명확하여 다시 인용해보도록 하겠다.

우연원인 chance cause	* 생산조건이 엄격히 관리된 상태 하에서도 어느 정도의 불가피한 품질변동을 발생시키는 원인 ex) 작업자의 미숙한 순련도 차이, 작업환경의 변화, 식별되지 않을 정도의 원자재 및 생산설비의 차이 * 현장에서 조치를 취해야 함
이상원인 assignable cause	* 만성적으로 존재하는 것이 아니고 산발적으로 발생하여 품질변동을 발생시키는 원인 ex) 작업자의 부주의, 불량자재의 사용, 생산 설비 상의 이상 * 현장에서 조치를 취해야 함

2.2 공정관리 및 공정 능력 향상 방법

출처: 배석주 교수님 강의자료

이상원인을 제거하여 우연원인만 존재하는 관리 상태로 만들어야 한다. 이후 시스템적 산포를 감소시킬 수 있도록 APC(advanced process control), Big data 등을 적용하여 실시간으로 공정을 능동적으로 조정하도록 한다. 아래 그림은 공정관리에서 발생하는 2가지 형태의 문제이다. 왼쪽의 경우 현수준이 규격 상한과 하한을 모두 만족하지 못하고 벗어나 있다. 이는 정확하지만 정밀하지 않은 공정이라고 볼 수 있으며 규격 안으로 들어올 수 있도록 해야한다. 오른쪽의 경우는 산포 수준이 적정 수준에 있지만 중심치가 목표치에 맞지 않은 상태로 정밀하지만 정확하지 않은 공정이다. 이는 공정 과정이나 목표치 조정을 통해 개선할 수 있다. 

출처: 배석주 교수님 강의자료

2.3 품질개선도구(QC 7 Tool)

파레토 차트(Stratification) : 데이터를 몇 개의 범주로 구분하여 문제의 원인을 파악하려는 기법, 경제학의 8:2 파레토 법칙을 품질관리에 적용한 도구

특성 요인도(Case-and-Effect Diagram) : 문제의 결과(특성)가 어떠한 원인으로 일어나는지 그 원인 관계를 살펴보고 도식화하여 문제점을 파악하는 기법, 생선뼈와 비슷한 그림으로 fishbone diagram이라고 함.

체크 시트(Check Sheet) : 부적합개수, 결점개수 등 공정 데이터를 수집하는데 사용할 수 있는 도구, 수집된 자료는 다른 유용한 정보로 변환 가능 

히스토그램(Histogram) : 어떤 조건하에서 취해진 데이터가 존재하는 범위를 몇 개의 구간으로 나누어 각 구간에 포함되는 데이터의 발생도수를 도수 표로 작성한 다음 이를 도형화한 것, 전체 데이터의 확률 분포를 파악할 수 있음. (규격에 대한 파악에 활용될 수 있음)

산점도 : 두 변수나 여러 변수의 상관관계를 그림으로 나타낸 것, 상관분석과 회귀분석에 기초로 활용됨.

그래프 : 데이터를 도형으로 나타내어 수량의 크기를 비교하거나 수량의 변화 형태를 알기 쉽게 나타낸 것 (막대그래프, 꺾은선 그래프, 레이더 차트, 상자그림 등)

관리도 : SPC에서 가장 많이 사용되는 툴로서 관리 하한선(LCL), 중심선(CL), 관리 상한선(UCL)으로 구성됨. 모든 데이터가 UCL, LCL 사이에 위치해 있으면 공정은 관리 하에 있으며 우연변동 원인만 포함되어 있다고 판단할 수 있음. 관리 상한과 하한은 평균에 +-3시그마를 한 값을 일반적으로 사용. 2개 이상의 변량에 대한 관리가 필요할 때에는 다변량 관리도를 사용할 수 있음(ex. Hoteling T2 관리도).

출처: 배석주 교수님 강의자료

2.4 관리도 분석

일반적으로 타점한 데이터들이 관리한계선 안에 분포하면 공정이 관리상태 하에 있다고 판단한다. 하지만 아래와 같이 관리 한계선 밖을 벗어나거나 일정한 모양이나 패턴을 보이면 공정에 이상이 있다고 판단한다. 

출처: 배석주 교수님 강의 자료

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