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정책자료집Ⅰ09-01

연구개발 생산성 혁신을 위한 과학적

연구방법론

정세호ㆍ김종민

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머 리 말

세계 각국은 자국의 국가경쟁력 확보와 지속가능한 성장을 위하여 기술 및 시장을

고려하여 전략적으로 R&D를 수행하고 있다. 우리나라 정부 역시 신성장 동력 창출

을 위하여 적극적인 R&D투자를 하고 있으나 그 성과는 미흡한 실정이다.

우리는 우수한 R&D ROI(Return On Investment)를 위하여 기술 및 시장에 대한 충

분한 분석을 통해 R&D 방향과 목표를 설정하고， 개발기간 단축을 통해 적시에 제

품을 출시하며， 창의적 아이디어를 통해 원가를 혁신적으로 절감하는 R&D 생산성

혁신이 중요하다는 것을 많은 신제품 개발의 실패 사례들을 통해 경험하였다.

이에 본 자료에서는 R&D 생산성 혁신을 위해 TRM(Technology Road Map)，

QFD(Quality Function Deployment), TRIZ(Theory of Inventive Problem Solvin

g)， 실험계획법 등 삼성이 지난 10년 동안 다양하게 전개해 온 과학적 연구방법론

을 통해 경험한 사례, 노하우 등을 자세히 소개하고 이를 공유하여 우리나라 R&D

방법론이 더욱 과학화되어 R&D 성과를 극대화 하는데 보템이 되고자 하였다.

갈수록 심화되는 글로벌 경쟁 하에서 R&D 투자의 절대규모가 주요국에 비해 낮은

우리나라는 R&D의 불확실성을 최소화하고 기대효과를 극대화 할 수 있는 과학화된

R&D 방법론의 적극적인 도입을 고려할 필요가 있다.

마지막으로 본 자료의 내용은 필자의 견해이면, 본 한국산업기술진흥원의 공식적인

의견이 아님을 밝힙니다.

2009. 8.

한국산업기술진흥원

원 장 김 용 근

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목 차

I. 서론

1. 연구개발 생산성혁신의 필요성

2. 연구방법론 도입의 필요성

3. 삼성의 연구방법론 적용 및 본 연구목적

II. 핵심연구방법론

1. 기술트리 (Technology Tree)

2. QFD (Quality Function Deployment,품질기능전개)

3. TRIZ

4. Scorecard

5. 실험계획법 (DOE, Design of Experiments)

6. KI

III. 연구방법론 활용 확대 제언

참고 문헌

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그림 목차

[그림 I-1] 연구개발 단계별 연구방법론의 활용 범위

[그림 II-1] 기술트리의 구성

[그림 II-2] 소리 이해의 메커니즘

[그림 II-3] 기능전개 - 소리 이해

[그림 II-4] 세부 기능 전개 - 소리이해

[그림 II-5] 요소 기술 도출 - 소리 이해

[그림 II-6] 기술 평가 분류

[그림 II-7] 기술트리와 기술전략과의 연계성

[그림 II-8] 기술트리와 특허의 연계

[그림 II-9] 기술트리 DB 사례 - DMFC 원리도

[그림 II-10] 기술트리 DB 시스템 화면 (1)

[그림 II-11] 기술트리 DB 시스템 화면 (2)

[그림 II-12] 기술트리 DB 시스템 화면 (3)

[그림 II-13] 고집적 NRAM 기술트리 Diagram 작성사례

[그림 II-14] 단계별 QFD 흐름도

[그림 II-15] Customer Requirements

[그림 II-16] 품질 기획

[그림 II-17] 품질 특성

[그림 II-18] 요구품질과 품질특성 관계 점수 부여

[그림 II-19] 품질특성 간의 상관관계

[그림 II-20] 설계품질 설정

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[그림 II-21] QFD 사례 - PDA개발

[그림 II-22] QFD 사례 - DNA Chip 개발

[그림 II-23] QFD 사례 - RFID 개발

[그림 II-24] 피망 씨 빼기 원리

[그림 II-25] 같은 원리를 이용한 문제 해결

[그림 II-26] 댐 하부 손상 방지 원리

[그림 II-27] 기술적 모순

[그림 II-28] 일반 해법과 TRIZ 해법 비교

[그림 II-29] TRIZ의 문제해결 접근방식

[그림 II-30] TRIZ를 통한 선박 전복 문제 해결

[그림 II-31] TRIZ를 통한 LCD 밝기 향상 문제

[그림 II-32] LCD 발광 문제의 모순 정의

[그림 II-33] TRIZ를 통한 LCD 발광 문제 해결

[그림 II-34] TRIZ를 통한 세탁조 린스 투입문제 해결

[그림 II-35] TRIZ를 통한 냉장고 홈바 문제 해결

[그림 II-36] Product Tree와 Critical Parameter

[그림 II-37] CPM Level

[그림 II-38] QFD를 통한 Critical Parameter 전개

[그림 II-39] Critical Path(핵심 경로) 매핑

[그림 II-40] Scorecard의 체계

[그림 II-41] Scorecard 형식 사례

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[그림 Il-42] Scorecard 사례 - 기관차

[그림 Il-43] Scorecard 사례 - micro PCR 사례

[그림 II-44] 프로세스, 인자, 입력, 그리고 출력의 관계

[그림 II-45] 실험계획법 적용 절차

[그림 II-46] 납땜온도와 납땜 깊이에 따른 결점률 실험계획

[그림 II-47] 보이는 계획의 시작 : 작업 / 문제 분해

[그림 II-48] 업무진행상 문제점을 드러내고, 부착해 공유

[그림 II-49] 보이는 계획

[그림 II-50] 문제를 명확히 드러내기

[그림 II-51] 목표를 가시화 / 형상화하여 공유

[그림 II-52] KI 활동 절차

[그림 II-53] 악마의 사이클 예

[그림 II-54] Output Image 예

[그림 II-55] 기술분해 / 문제분해 예

[그림 II-56] 작전스토리 구성 예

[그림 II-57] ワイガヤ미팅 중인 연구원들

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표 목차

기술트리 품질평가요소 10개 항목

Scorecard 작성시 점검사항

실험계획법 종류별 활용

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I. 서론

1. 연구개발 생산성 혁신의 필요성

Radical Innovation은 세계를 지배하는 패러다임을 바꾸고 있으며 그 영향력은 기

존 산업과 시장을 재 정의하고 판도를 뒤집어 놓을 정도로 엄청나다. 이러한 글로

벌 무한 경쟁 체제에서는 진정한 초일류(No.1, Only1)만이 생존할 수 있다.

초일류 인재ㆍ기술ㆍ제품을 통한 끝없는 ‘고객 가치혁신(Value Innovation)’ 이야말

로 생존의 유일한 조건이 되었으며, 이를 위해 우리의 연구개발도 모방ㆍ개량의 단

계에서 벗어나 혁신 역량을 갖추어야 한다.

연구개발에 있어 혁신 역량을 갖춘다는 것은 세상의 변화를 빠르게 읽어내고 남보

다 한 발 앞서 고객의 잠재적 니즈(Needs)를 현실화(現實化)시킬 수 있는 것을 말

한다. 21세기는 고객가치를 창출하는 기업만이 모든 것을 독점할 수 있는 시대이므

로, 혁신을 통해 이를 빠르고 효율적으로 수행할 수 있는 시스템을 갖추는 것이 생

존을 위한 불가피한 선택이다.

다윈이 『종(種)의 기원』에서 “지구상에서 살아남은 종족은 가장 강한 종족도 아

니고， 가장 지적인 종족도 아닌 가장 환경변화에 잘 적응한 종족이다.”라고 말했

듯이 생존의 문제는 ‘변화의 선두에서 어떻게 변화를 창조하고 활용하느냐’에 달려

있다.

연구개발의 생산성 혁신은 연구개발의 성공률을 높이는 것이다. 일반적으로 3,000

개의 아이디어가 제안되면 그 중 300개가 구체화되고， 마지막에 하나 정도가 신

제품으로 성공할 수 있다고 한다. 이런 생산성을 가지고 앞서 언급한 경쟁에서 생

존이 가능할 수 있을까?

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많은 신제품 개발 실패사례들을 통해 알 수 있듯이, 기술 및 시장에 대한 충분한

분석을 통해 연구개발 방향과 목표를 설정하고, 개발기간 단축을 통해 적시에 제품

을 출시하며, 창의적 아이디어를 통해 원가를 혁신적으로 절감하는 것이 신제품 개

발의 성공률을 높이는 핵심인 것이다. 이는 연구개발이 기술의 연구에 머무는 것이

아니라, 완전한 상품으로 탄생될 수 있어야 한다는 것을 의미한다.

2. 연구방법론 도입의 필요성

세계 최초ㆍ최고의 기술로 승부하고, 세계를 상대로 경쟁하여야 히는 우리나라로서

는 제품개발 스피드를 높여 조금이라도 빨리 시장에 제품을 내놓지 않으면 안 된

다. 이를 위해서 우리나라의 연구개발 체질을 수요자 중심으로 전환하고 주먹구구

식 연구개발에서 탈피하여 고객이 요구하는 품질에 집중해야 한다.

“연구개발 리드타임이 단축되고, 기업간 경쟁이 극렬해지면서, 보다 질적 수준의 연

구 성과 창출을 위해, 과학적이고 체계적인 연구개발이 필요하다.”

연구개발에 사용되는 유효한 지원 기법은 이미 다수 존재하고 있다. 선진 기업들은

자사에 적합한 연구방법론을 개발하여 현업에 적용하면서 효과적이고 효율적인 연

구개발 활동을 수행하고 있다. 이를 통해 경쟁사 대비 기술우위를 점하고 개발 납

기를 단축하며, 연구개발 비용을 절감하는 성과를 거두고 있다.

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아날로그 시대에서 디지털 시대로 진화하며 기술의 발전만큼이나 연구개발 방법의

발전도 병행되어야 한다. 삼성의 경우 총 매출액의 7~8%를 연구개발비로 사용한

다. 이 막대한 금액이 어떻게 사용되느냐가 삼성의 미래를 사실상 결정한다. 현재의

첨단기술을 개발하는 방법이 옛날 OEM방식에 따라 사업을 할 때와 같을 수는 없

다.

칼을 사용하는 집단이 총을 사용하는 집단을 이길 수 없다. 내연기관을 사용한 이

동수단은 자연현상을 이용한 이동수단을 월등히 능가한다. 효과적이고 효율적인 연

구개발 방식은 이전의 연구개발 방법 대비 월등한 연구개발 생산성을 가져다 줄 것

이다.

“과학적 연구방법론이 지향하는 방향은 『처음부터 올바른 것을 올바르게』 하는

것이다.”

처음부터 올바르게 설정된 전략 목표는 제품개발 속도에도 영향을 미친다. 하이테

크 제품의 경우 시장 출시가 6개월 지연되면 5년간 33%의 이윤을 놓치나, 개발 예

산이 50%를 초과하더라도 출시가 제대로 되면 고작 4%의 이윤만을 잃게 된다. 이

와 같이 전략 목표 설정의 정확성은 이윤과 곧바로 직결된다.

제한된 자원 하에서 R&D 프로젝트가 성공하기 위해서는 효과적으로 프로젝트를 선

정하고(Doing the right prject), 선정한 프로젝트를 효율적으로 수행해야 한대

Doing the project right). 즉, 제대로 발굴된 프로젝트를 제대로 수행하는 것

(Doing the Right projects Right)이 중요하다.

결국, 전략 목표 설정과 추진 방식 모두가 처음부터 올바르게 수행되어야 한다.

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3. 삼성의 연구방법론 적용 및 본 연구목적

삼성은 1999년부터 지금까지 이러한 연구방법론을 활용하면서 연구개발의 효과 및

효율성을 극대화 해 왔다. 지금도 기술 로드맵(Technology Roadmap)’，

‘QFD(Quality Function Deployment)’, ‘TRIZ(Theory of Inventive Problem

Solving)’, ‘실험계획법’, ‘품질공학(Robust Design)’등 여러 가지 방법론을 활용하

여 연구개발의 질과 성과를 높이는 노력을 계속하고 있다.

이 과정에서 연구방법론도 사내 실정에 맞게 구체화, 체계화 되었고, 많은 Best

Practice와 경영성과가 도출되었다. 삼성의 현재 연구방법론 적용 단계를 평가한다

면, 일부 연구방법론은 생활화되어 연구원들이 업무에 자연스럽게 사용하는 단계로

볼 수 있고, 일부 연구방법론은 확산 단계라고 볼 수 있다. 명확한 사실은 연구방법

론의 큰 성과가 사내에서 진행된 여러 프로젝트를 통하여 증명되었다는 것이다.

본 Report는 삼성이 지난 10년 동안 다양하게 전개해 온 과학적 연구방법론을 통

해 경험한 사례, 노하우를 집대성하고 널리 공유하여 국가의 연구개발이 좀 더 과

학적으로 추진되었으면 히는 바람에서 집필하게 되었다. 일부 기업이 연구개발 활

동에 연구방법론을 활용함으로써 연구개발 생과를 극대화 할 수 있었기에, 이를 국

가 차원에서 공유하고 발전시키면 더 나은 국가의 미래를 만들 수 있다고 보았다.

본 Report에서는 한국의 연구개발자에게 가장 추천해 줄 만한 6가지 과학적 연구방

법론을 기술하고 있다. 과제의 기획 및 도출 단계에서 유용하게 사용될 수 있는 기

술 로드맵(TRM)의 경우는 이미 국가과제 도출 시에도 많이 활용되고 있으므로 소

개를 생략하고, 전략적으로 도출된 과제를 연구자들이 실제로 착수해 수행하는데

있어서 유용한 방법론을 중심으로 기술하고 있다. 과제의 착수 단계에서 효과적으

로 사용되는 기술 Tree로부터, QFD(품질기능 전개), TRIZ(창조적 문제해결기법),

실험계획법(DOE), KI 등 다양한 연구방법론에 대한 개념과 사례를 소개하고 있다.

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연구개발 단계별 연구방법론의 활용 범위는 [그림 I-1]에 표시하였다.

[그림 I-1] 연구개발 단계별 연구방법론의 활용 범위

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ll. 핵심연구방법론

1. 기술트리 (Technology Tree)

가. 기술트리 개요

일반적으로 제안된 3,000개 Idea중 300개가 구체화되고, 착수된 10개과제 중 4개

의 과제가 제대로 개발 완료되며, 이 중 한 개만이 사업화에 성공한다고 한다.

기술개발에 있어, 방향 설정이나 Concept 구축 시 적절한 전략과 체계적인 지식은

프로젝트 성공 확률을 높이는데 매우 중요한 요소라고 할 수 있다.

기술트리는 과제계획 단계에서 경쟁사와 차별화된 기술 방향을 설정하기 위해 사용

되는 Tool로서, 고객의 Needs를 기능과 성능 특성으로 변환하는 논리 기법이며, 이

를 구체적으로 실현하기 위한 기술방식과 메커니즘을 보여주는 Tool이다.

즉 기술Tree는 우리가 무엇을 어떻게 차별화해서, 어느 방향, 어느 수준으로 갈지

를 제시하는 도구라고 할 수 있다.

또한 기술트리 작업을 통해 팀원들 간 서로 다른 시각에서 바라본 과제의 요구사항

을 전개할 수 있어 Consensus building이 가능하게 된다.

■ 기술트리는 주로 기술개발 분야에서 다음과 같이 활용된다.

- 개발 Theme의 Domain 확인

Key Issue에 대해 기술분석을 실시하여 문제 Targeting을 명확히 한다.

- 핵심기술의 선정과 기술 경쟁력 확인 및 기술 Gap 분석을 통해, 自社가 실현하

고자 하는 기술 방식이나 성능 목표의 수준이 세계에서 어떤 위치에 있는지 알 수

있게 된다.

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- 요소기술 Group 단위에서의 개발계획 수립 및 역할 분담 결정

- 기술 Data-Base 구축을 통해 사내에 개인 보유기술 공개 앞서 수행한 과제의

경험을 유사 과제에서 참조할 수 있게 한다.

- 自社 特許로 전략화 할 부문이 명확해지며, 기능 및 기술의 전개 과정을 통해 自

社의 기술 수준을 인식하고, 경쟁사와의 차이를 극복할 방법을 찾게 된다.

■ 기술트리를 간략히 정의하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

- 경쟁사와 차별화 된 기술방향을 제시하는 기술개발의 종합 작전 상황판이다.

- 어떻게 개발할 것인가? Approach 방법 및 계획 수립을 도와주는 Tool이다.

- 고객이 필요로 하는 기능을 요소기술 별로 구분, 정리하는 방법론이다.

- 기술분야, 연구범위， 목표수준, 경쟁사벤치마킹 내용 등을 명확히 분석하여 연

구할 분야의 기술을 체계적으로 정리하게 하는 도구이다.

나. 기술 Tree의 구성

기술트리의 구성을 살펴 보면 다음 그림과 같다.

[그림 II-1] 기술트리의 구성

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1) 목적기능과 기본기능

기술트리를 이해하기 위해서는 우선적으로 목적기능과 기본기능에 대한 이해가 우

선되어야 한다. 각 기능에 대한 설명은 다음과 같다.

- 목적기능 : 고객의Needs를 만족하기 위한 기능. 즉 문제해결의 목적임.

고객이 원하는 기대 특성을 반영하며, 이것에 의해 기술분야와 목표수준이 결정된

다.

- 기본기능 : 목적기능을 실현하기 위한 기술원리 방식임.

선택한 기술원리 방식을 실현하기 위한 해결방식을 그 다음 기능으로 표현하여 세

분화하게 된다.

좀 더 명확한 이해를 위해서 다음의 “구어(口語)이해기술” 사례를 살펴보자. 이 사

례는 음성인식 알고리듬을 개발하는 과제의 기술Tree이다.

구어이해 기술은 소리를 받아서 그 의미를 파악한다는 것으로서, 사람이 하는 말을

컴퓨터나 장비가 이해하도록 하는 기술개발이다.

여기서 목적기능은 ‘소리를 이해 한다’로 표현할 수 있다. 이와 같이 목적 기능은

과제목표 및 과제 Scope를 보여 준다. 소리 이해의 메커니즘을 기초로 하여 아래

그림과 같이 여러 가지 기본기능 들을 도출할 수 있다.

[그림 II-2] 소리 이해의 메커니즘

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원리메커니즘은 다양한 기능들로 구성되어 있다.

“소리를 이해한다”라는 목적기능을 만족시키기 위해 필요한 기본기능을 ‘소리를

Data로 변환하는 기능’, ‘소리를 인식하는 기능’, ‘소리를 학습하는 기능’으로 1차

전개 하였다. 이런 기능들을 기본기능으로 하여 2차 기능까지 전개하면 다음과 같

이 기술트리가 작성된다.

[그림 II-3] 기능전개 - 소리 이해

2) 기능의 전개

각각의 기본기능을 구현하기 위한 수단으로서 하위 기능을 전개해 나간다. 위의 사

례에 대한 하위 기능 전개는 다음과 같다.

각 기능마다 원리를 설명할 수 있는 그림, 식, Graph 등을 제시하면 더욱 좋다.

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[그림 II-4] 세부 기능 전개 - 소리이해

3) 요소기술의 도출

기능전개의 말단에는 하위 기능들을 구현하기 위한 요소기술들을 도출하게 되는데,

이때 한 가지 기능을 구현하기 위한 여러 가지 대안 기술들이 존재 할 수 있게 된

다. 그림의 구어이해기술 사례에서도 소리입력장치 제작기술이나 진폭정보처리 기

술 등의 요소기술들을 도출하였다. 이렇게 도출된 기술들이 바로 음성인식 알고리

즘 관련해 본 과제에서 해결해야 할 기술 들이다.

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[그림 II-5] 요소 기술 도출 - 소리 이해

4) 요소기술의 Grouping

이와 같이 도출된 요소기술들을 가지고 기술 전략과 개발 방향을 설정하기 위해서

우선 기술을 Grouping하고 분류한다. 동일한 기능을 구현하기 위한 복수의 기술들

간에는 평가를 실시하여 가장 적절한 기술을 선정하고, 이에 따른 개발 방향을 설

정한다.

이와 같이 기술Tree는, 체계적으로 기술을 분석한 후 어떻게 그 기술을 완성해 나

갈지 Planning을 구체화하는 방법이다.

이를 통하여 우리는 전체적 관점에서 과제를 조망할 수 있게 되고, 계획 단계에서

경쟁사와 차별화된 기술 방향을 가지고, 과제를 시작 할 수 있게 된다.

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[그림 II-6] 기술 평가 분류

[그림 II-7] 기술트리와 기술전략과의 연계성

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5) 기술Tree와 특허의 연계

위와 같은 기술트리가 완성되면 특허 전략 수립도 기능하다. 즉, 기술트리 작성 과

정에서 새로운 특허가 가능한 기술을 도출하게 된다.

아래 그림에서 하늘색 부문은 우리가 알고 있는 영역으로, 우리가 제품을 만드는데

활용할 수 있는 기술들이다.

고동색, 청색 영역은 문헌과 특허를 통해 조사된 경쟁사 A, B의 기술이다. 경쟁사

가 이런 특허를 내고 있다는 것을 알게 됨으로써, 경쟁사 특허와 겹치지 않는 차별

화 된 특허를 Targeting화 할 수 있다. 즉 타사 특허들 속에서 우리가 집중할 새로

운 영역, 틈새 특허를 찾아낼 수 있다.

[그림 II-8] 기술트리와 특허의 연계

6) 기술 Tree의 DB화

작성된 기술트리를 데이터베이스화 해두면, 기술의 보관 검색 활용이 용이해져, 연

구원들이 특허 및 문헌 조사에 사용하는 시간과 비용을 줄이는 등 연구개발의 효율

성을 높일 수 있다.

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아래 그림은 메탄올을 원료로 사용하는 Direct Methanol Fuel Cell(DMFC) 의 전기

발생 원리를 나타낸 것으로서, DMFC의 목적기능과 기본기능 그리고 원리도를 나

타내고 있다.

[그림 II-9] 기술트리 DB 사례 - DMFC 원리도

아래 그림은 특허 문헌 데이터베이스의 홈 페이지 화면으로서, 가운데 DMFC의 원

리가 있으며, 좌측에 목적기능과 기본기능이 나와 있다. 여기서 각 기본기능들을 선

택하면 해당 기본기능의 기술Tree 전개도가 나온다.

[그림 II-10] 기술트리 DB 시스템 화면 (1)

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기술 Tree상의 기능들을 선택하면 이 기능에 관련된 특허 및 문헌 List가 원리도와

함께 아래 그림과 같이 나타난다.

[그림 II-11] 기술트리 DB 시스템 화면 (2)

특허 및 문헌의 List 중에서 원하는 것을 선택하면 아래그림과 같이 Abstract가 나

오며, 화면 하단의 [원문보기]를 누르면 특허 원문이 나오게 Design 되었다.

[그림 II-12] 기술트리 DB 시스템 화면 (3)

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7) 기술트리Diagram 작성 / 활용

기술트리Diagram은 기술Tree 활동 결과를 종합적으로 정리한 그림으로서 프로젝트

시작이나 중간 시점에 과제계획을 점검하는 데 유용하게 사용된다.

특히 기술 관점에서 프로젝트의 Domain을 확인하고, 집중할 핵심기술의 도출, Pert

계획의 수립, Outsourcing 기술의 선별 등을 효과적으로 Check할 수 있다.

■ 기술Tree Diagram에 나타나는 항목

- 고객CTQ, 목적기능 설정, 기본기능 전개

- 핵심기술, 요소기술 Grouping

- Make or Buy(아웃소싱, 외부협력을 얻을 영역)

- 원천특허

- 개발계획(PERT. 기술을 개발 / 검증하는 순서)

- 원리도(원리를 설명하는 그림, 식, Graph)

- Parameter & Spec, Parameter 평가방법

- 경쟁사수준 비교

- 측정Parameter 및 평가방법

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[그림 II-13] 고집적 NRAM 기술트리 Diagram 작성 사례

다. 기술 Tree 평가 방안

자가 진단 Checklist로서 다음의 기술 Tree 평가 10개 항목을 활용하면 좋다. 기술

트리는 연역적으로 전개되는 가장 대표적인 방법론이다. 목적기능과 기본기능을 먼

저 정하고, 이러한 기능을 달성하기 위한 세부기능과 기술을 도출하는 방식을 취하

기 때문이다.

연역법에서는 대전제가 거짓이면 결론도 거짓이다. 따라서 제대로 된 목적 기능과

기본기능을 찾는 것이 기술트리 작성에 있어 가장 중요한 단계이다.

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기술트리 품질평가요소 10개 항목

평가항목 세부항목 정 의평 가

가중치 5 4 3 2 1 계

기능전개

1. 목적기능 설정

과제의 목적과 spec이 분명하게 정의되었는가?

5

2. 기본기능 전개

연구의 배경, 용도, 니즈가 충족되었는가? 원리 구조, 원리 프로세스가 기능으로 전개되었는가?

5

원리도3. 원리도 구성

기능/특성을 구체화시키는 원리와 메커니즘이 잘 나타나 있는가?

5

요소기능Grouping

4. 핵심기술 도출

적절한 요소기능 grouping으로 핵심기술이 모두 도출되었는가?

5

5. 원천특허

규명

요소기능 group이 원천특허와 연계되어 있는가?

5

핵심기술 평가표

6. Parameter & Spec 추출

성능 특성을 제어하는 parameter를 잘 추출하였는가? 4

7. Parameter 평가방법 설정

Parameter 평가기준 및 평가방법은 객관적인 자료로부터 설정하였는가? 3

8. 경쟁사 수준 비교

각 Parameter와 spec에 대한 선진사/경쟁사 수준은 분석되었는가? 3

과제수행 계획

9. PERT핵심기술이 과제 추진전략으로 잘 정리되었는가?

5

10. Make or Buy (outsourcing)

미 확보 핵심 기술에 대한

outsourcing전략은 정리되었는가?5

기술Tree Diagram

전체가 체계적으로 분석/정리 되었는가? 표현되어야 할 항목은 모두 정리되었는가?

5

계

2. QFD (Quality Function Deployment, 품질기능전개)

가. QFD 개요

QFD는 신상품개념 정립부터 생산계획까지 모든 단계에서 소비자의 요구가 최종 상

품(서비스)에 충실히 반영되도록 유도하는 도구로서, 1972년 일본 미쓰비시 중공업

의 고베 조선소에서 처음 개발되어 사용되었다.

엄격한 정부의 규제 조항과 소비자의 요구사항을 설계과정에서 동시에 고려하기 위

한 수단으로 미쓰비시 기술자들이 사용했던 행렬 형태의 도표가 QFD의 시초가 되

었다(이 도표는 House of Quality라고 불린다).

일본에서는 제품개발시간 단축을 위해 도요다와 혼다가 적극적으로 이용했다. 특히

도요다는 QFD를 시용해 1997년부터 1984년 사이에 생산 직전단계까지의 비용을

60% 가량 절감하였다. 이 기간 동안 제품 품질의 향상과 함께 시장 출고까지의 기

간도 1/3가량이 단축되었다.

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미국에서는 1986년 포드와 제록스가 처음 사용하였으며, 그 후 HP, Digital

Equipment, Eaton Controls, TI, 미 육군 등에서 널리 사용되었다.

QFD의 기본개념은 소비자의 요구사항을 우선 제품의 설계특성(품질특성) 으로 변

환하고, 이를 다시 부품특성, 공정특성, 그리고 결국 생산을 위한 구체적 사양으로

까지 변환하는 것이다.

도요다자동차에서 차체의 녹 방지를 위해 1970년대 중반에 실시했던 QFD 사례를

“예”로 들면 “차체에 녹이 잘 생기지 않아야 한다”는 추상적인 소비자들의 요구를

“적어도 3년간은 눈으로 식별 가능한 녹이 차체 외부에 생겨서는 안된다”는 비교적

구체적인 설계특성으로 변환한 다음, 이를 충족시키기 위한 부품특성(페인트의 밀

도, 입자 크기 등)을 정하고, 계속하여 이를 달성하기 위한 구체적인 공정방법과 생

산조건(온도, 시간 등)을 결정하게 된다. 이와 같은 일련의 과정을 통하여 소비자의

요구가 각 단계에서의 구체적인 목표로 변환되고 결과적으로 소비자가 원하는 기능

과 품질이 최종 제품에 정확히 구현되도록 하는 것이다.

이와 같이 QFD는 “Market-In”사상을 기본으로 하며, 소비자의 요구를 체계적으로

분석하여 잠재된 요구사항을 파악하고, 개발초기 단계에서 문제해결을 위해 접근함

으로써 소비자의 요구를 제품 / 마케팅/Service에 효과적으로 연결한다.

작업방법에 있어서도 QFD는 전통적인 순차적 방법과는 달리 판매, 설계, 생산 등

신상품 개발에 관련되는 모든 기능 부서들의 작업과정을 통합함으로써 제품 개발기

간을 단축하고, 시장에서의 성공 확률을 높일 수 있다.

주로 제조업계에서 수행되던 QFD가 1980년대 후반부터 서비스업계와 같은 비 제

조업 분야에서도 활발히 사용되고 있다. 국내에서는 KT사례가 좋은 ‘예’이다.

- 27 -

1) QFD의 효과

QFD의 전체적인 목적은 신상품의 개발기간을 단축하고 동시에 제품의 품질을 향상

시키는 것이다. 즉 QFD를 통하여 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.

- 프로젝트 팀원들의 관점을 고객 중심으로 변화시킨다.

즉 자신들이 주장하는 내부요구사항보다 고객 니즈에 집중하게 한다.

- 설계변경이 감소되고, 개발기간이 단축된다.

고객 요구사항에 대한 이해를 높여 설계 및 개발 실책을 최소화 한다.

QFD를 적용한 회사들의 통계로 볼 때, QFD 적용시, 제품개념정립과 기초설계 단

계에서 약간의 시간을 더 필요로 하나, 이후 단계에서 설계변경이 줄고 시생산시

문제점이 감소되어 전체 개발기간은 33~50% 단축 된다.

- 부서간의 Communication을 향상시키고 팀워크를 향상시킨다.

모든 팀원들이 포괄적인 시각을 갖게 한다.

목표와 상호 작용 및 업무를 시각적으로 보여 준다.

- 신상품 기획부터설계까지의 모든 과정에 대한 기록 문서를 제공한다.

QFD 문서는 핵심 양식 한 장에 여러 장의 서류 정보가 담기게 된다. 특히 설계 초

기 단계에 내린 결정 사항들이 기록되는 특징이 있다.

2) QFD의 종류

QFD는 개발 단계의 어느 시점에서 작성하는가에 따라 제품기획QFD, 제품 설계

QFD, 부품설계QFD,프로세스설계QFD 등 다양하게 적용될 수 있다.

제품기획QFD는 고객요구사항으로부터 제품의 핵심기능이나 성능을 도출하는 것을

목적으로 한다. 제품설계QFD는 제품의 핵심기능을 구현하기 위한 설계 스펙을 도

출하는데 활용하며, 그이후 부품과 공정을 도출하기 위해서 부품설계 QFD나 프로

세스설계 QFD를 작성할 수 있다. 그 흐름을 그림으로 보면 다음과 같다.

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[그림 II-14] 단계별 QFD 흐름도

나. QFD 작성절차

제품기획QFD의 작성 절차를 간단히 살펴보면 다음과 같다.

1) 고객 니즈를 파악하고 고객 니즈에 대해 우선순위(상대적 중요도)를 정한다.

2) 경쟁 제품을 파악한다.

3) 경쟁 제품이 고객의 니즈를 어느 정도 만족시키는 지 평가한다. 경쟁 제품들에

점수를 부가해 순위를 정한다.

4) 고객 니즈를 바탕으로 제품기능 요구사항을 파악한다.

5) 각각의 고객 니즈와 제품기능 요구사항 간 상관관계를 정한다 (점수 부여).

6) 중요도와 상관관계 점수를 곱하고 제품 기능 요구사항 별로 그 값을 합하여 제

품 기능 요구사항의 순위를 정한다.

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7) 주요 제품기능 요구사항을 위한 값을 최대화, 최소화 할 것인지 아니면, 특정 목

표를 정할 것인지 결정한다.

8) 각각의 주요 제품 기능 요구사항에 대한 목표 범위를 구체적으로 정한다.

9) 주요 제품 기능 요구사항을 제품 설계 QFD로 넘긴다.

위의 작성 절차를 간단한 사례를 가지고 구체적으로 살펴보자.

1단계 VOC(Voice of customer)로부터 Customer Requirement를 구체화한다.

- 설문조사 및 직접 인터뷰 조사, 인터넷 Site에 있는 고객불만사항 그리고 내부문

서를 통해 얻은 고객 Needs Data와 일상 업무를 통해 축적되어 있던 자료 등을 분

석하여 Customer Requirement를 추출하고, 이것을 정리(KJ Grouping법 등을 이

용)하여 고객이 원하는 요구사항을 도출한다.

[그림 II-15] Customer Requirements

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* KJ Grouping법

아이디어 창출과 정보의 구조적 조합을 위한 방법으로 일본 동경공대 교수

Kawakita Jiro가 19641년 Brainstorming 개선을 위해 개발

2단계. Customer Requirement (Customer 요구품질)의 중요도 산출, 경쟁사 분석,

기획품질 산출 및 Sales Point 설정

- 2차 고객조사를 통해 고객으로부터 요구품질간의 중요도를 평가 받는다.

(고객조사가 불가능한 경우 AHP법 등 간접평가)

- 요구품질에 대해 자사 및 경쟁사 제품이 얼마나 고객을 만족시키는지 조사한다.

이것 역시고객으로부터 직접 평가를 받는다.

- 요구품질 중요도와 경쟁사 분석결괴를 참고로 하여 차기 개발 제품의 품질수준을

전략적으로 설정한다.

- Sales Point 설정 (아래 사항을 고려해 3~5개 정도 설정한다)

: 어떤 요구품질을 만족시켰을 때 경쟁사와의 경쟁에서 이길 수 있는가?

: 고객이 중요하게 평가한 요구품질은 무엇인가?

: 자사의 수준이 타사에 비해 만족도가 높은 요구품질은 무엇인가?

[그림 II-16] 품질 기획

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3단계 품질특성(설계변수 = Engineering characteristic)을 추출한다.

- 추상적인 고객 요구를 기술적인 언어로 변환해가는 과정이며, 요구품질을 평가

계획할 수 있는 품질요소 즉, 품질특성을 추출한다.

- KJ Grouping법을 이용해 1,2,3차 Level로 품질특성을 Grouping정리한다.

- 품질특성에 대한 추진 방향을 결정한다(Maximize, Minimize, Target).

[그림 II-17] 품질 특성

4단계 Customer요구품질과 품질특성(설계변수= Engineering characteristic)間 관

련 정도를 분석(관계를 설정)한다.

- Cross function team을 구성하여 회사內 지혜가 통합될 수 있게 한다.

: 마케팅, 연구개발, 생산, 디자인, 기획 등 다양한 인력이 참여한다.

- “품질특성 ‘A’를 통해서 고객의 요구 ‘ㄱ’을 어느 정도 만족시킬 수 있는가?” 를

생각하여 하나하나의 관련 정도를 파악한다.

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- 관련 정도는 다음의4가지로 구분하여 표시한다.

절대적으로 관련 있음: 9점(●)

관련 있음: 3점 (O)

관련이 있으나 약함: 1점(△)

관련 없음: 0점

- ● O 의 개수가 많이 찍힌 것이 보통 중요하다.

[그림 II-18] 요구품질과 품질특성 관계 점수 부여

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5단계. 품질특성(설계변수= Engineering characteristic)間 상관관계검토

- 많은 Engineering characteristic중 핵심 설계변수에 집중 적용한다.

- 각 품질특성간 음의 관계(X), 양의 관계(⊙,○)를 규명한다.

- 어느 부문의 기술을 개선할지 기회를 찾을 수 있다.

- TRIZ를 적용할 영역, CTQ의 선정에 반영할 부문을 정할 수 있다.

[그림 II-19] 품질특성 간의 상관관계

(⊙ Strong Positive, ○ Positive, X Negative, # Strong Negative)

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6단계. 설계품질(Target Value)을 설정한다.

- 4단계에서 산출한 요구품질-품질특성의 관련 정도를 고려해서 품질특성의 중요

도를 산출한다.

- 경쟁사와 自社 間 기술수준(Technical Comparison)을 비교한다.

기존 Data를 참고 하거나, 경쟁사 제품을 직접 Test해서 한다.

- 상기 작업 결과를 참고해서 설계의 목표수준을 설정한다.

- 목표 level이 現 기술로 실현 불가능한 경우Neck기술로 선정 관리한다.

[그림 II-20] 설계품질 설정

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7단계. 결과분석 및 결론 도출

가장 높은 점수를 받은 제품 기능 요구사항은 긍정적이든 부정적이든 고객 만족에

가장 큰 영향을 미치는 것이다. 이러한 기능 요구사항은 의사 결정 시 우선 순위가

부여되어야 한다. 이러한 기능 요구사항은 제품 설계 QFD로 전달된다.

다. QFD 작성사례

1) PDA 개발사례

품질특성의 중요도, 경쟁사비교 등의 결과를 참고해서 설계의 목표수준을 설정하는

데 QFD를 활용한 사례이다. 설계품질의 목표가 현재의 기술수준으로 실현 불가능

한 경우는 Neck기술로 선정하여 관리하였다.

[그림 II-21] QFD 사례 - PDA개발

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요구품질 weight는 고객 중요도, Improvement ratio, Sales Point를 곱하여 백분율

로 표시한 것으로 품질에 대한 최종적인 가중치가 된다. 목표 사양치는 Spec이나

방식을 나타낸다. 고객을 다양하게 세분화하여 각 품질에 대해 평가를 다르게 하였

다.

2) DNA Chip 개발사례

고객의 소리(VOC)를통해 고객요구사항을 수집하고 이를 가장 잘 만족 시킬 수 있

는 핵심 품질특성을 QFD를 통해 도출하였다. QFD 전개 시에는 핵심기능 항목과

설계 품질지표를 도출하는데 기술트리 전개를 이용하여 효과적으로 수행하였으며,

문헌조사와 벤치마킹 등을 통해 목표를 설정하였다.

[그림 II-22] QFD 사례 - DNA Chip 개발

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QFD를 통해 개발 시 고객의 요구사항을 명확히 하여 개발 방향을 올바르게 설정할

수 있었고, 프로젝트 팀원들이 작업에 모두 참여하여 짧은 시간 내에 팀원들 間 합

의와 공감을 얻어낼 수 있었다.

또한, 객관적이고 합리적인 기준을 가지고 목표를 설정했기 때문에 프로젝트 진행

시 연구원들이 한 방향으로 매진할 수 있었다.

3) RFID 개발 사례

이 사례에서는 고객을 내부고객 및 외부고객으로 분류하고 각각 VOC(Voice of

Customer)와 VPB(Voice of Business)를 조사해서 반영하였으며, 기술트리로부터

도출된 후보 기술들을 QFD를 이용하여 핵심기술과 주변기술로 분류 하였다. 다양

한 후보 기술들 가운데 내부적으로 확보할 기술과 아웃소싱 해야 될 기술들을 정리

하고 전략을 수립하였다.

[그림 II-23] QFD 사례 - RFID 개발

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라. QFD 작성 시 유의할 사항

- QFD 작성 팀에는 제품과 관련이 있는 모든 기능부서가 포함되어야 한다.

: 제조, 마케팅, 영업, R&D, 소재, 품질부서 및 고객 대표를 참여시킨다.

- QFD 작성 팀원들은 프로젝트의 범위, 목표를 알아야 한다

- QFD를 사용한 경험을 가진 객관적 입장의 사람이 팀을 리드하면 성공 확률이

높다.

3. TRIZ

가. 트리즈 개요

트리즈(TRIZ)는 ‘창의적 문제해결을 위한 이론(Theory of Inventive Problem

Solving)’의 러시아어 약어이다. 현재 전 세계 주요 기업에서 아이디어 생성 기법과

문제해결기법으로 사용되면서 많은 기술자들에 의해 검증 받은 연구 개발방법론이

다.

1) 트리즈의 기원

구 소련의 겐리히 알츠슐러 (Genrich Saulovich Altshuller, 1924~1998)가 트리즈

를 개발하였다.

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2차 세계대전 직후, 1946년부터 알츠슐러는 카스피해 해군 특허파트에서 군복무를

시작하였다. 잠수함에 관계된 특허 업무 도중에 그는 잠수함에 관한 고질적인 문제

를 해결하였고, 3개월 후, 함포 포신의 제조과정의 문제를 유사한 방식으로 해결하

였다. 또 6 개월 후, 선박의 용접문제가 있었는데 이 문제 또한 잠수함과 함포포신

의 문제해결에 사용하였던 원리를 똑같이 적용하여 해결할 수 있었다. 이러한 우연

한 경험을 바탕으로 알츠슐러는 두 가지 의문을 가지 게 된다. 첫 번째 의문은 “발

명문제에 사용될 수 있는 공통된 원리가 없을까?” 두 번째 의문은 “도서관에 있는

지식 정보로도 문제를 해결할 수 없다면, 문제를 어떻게 해결할 수 있을까?” 였다.

얄츠슐러는 이러한 의문과 왕성한 지적 호기심을 바탕으로 200만건의 특허를 읽고

이를 바탕으로 발명 문제해결에 쓰이는 공통된 원리들을 추출해 내었다. 이것이

TRIZ이다.

알츠슐러는 수많은 특허를 분석하여 발명의 수준에 따라 분류한 결과, 공통적인 인

자가 반복되어지는 형태를 발견할 수 있었고, 그 이면에 숨겨져 있는 발명적인 생

각의 원리들을 연구하여 다음의 결론을 얻었다.

• 기술의 진화 유형은 산업과 과학의 경계를 뛰어 넘어 반복된다.

• 문제와 그것의 해결 안은 산업과 과학의 경계를 뛰어 넘어 반복된다.

• 혁신은 다른 분야의 과학 효과를 이용하여 일어난다.

알트슐러는 이러한 원리들을 찾아내어 성문화하고, 일반 사람들에게 가르쳐서 발명

의 프로세스가 보다 효율적으로 운영되도록 하는데 그의 일생을 바쳤다.

알트슐러는 그가 조사한 특허 중 2%만이 창조적인 발명이며 98%는 이미 알려진

아이디어와 개념을 활용한 결과라는 것을 규명하였다. 따라서, 일반적인 사람도 창

의적 방법론을 익힘으로써 훌륭한 발명이 가능함을 보여주었다.

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2) 발명의 패턴이 반복 되는 사례

위에서 언급한 문제와 그것의 해결 안이 산업의 경계를 뛰어넘어 반복된 사례를 보

자.

■ 피망 씨 빼는 방법 (1960년대 특허)

1. 공기가 밀폐된 용기에 피망을 넣고, 압력을 8기압까지 점차 증가시킨다.

꼬투리가 수축하고, 가장 약한 부분이 갈라진다.

2. 압축공기가 피망의 갈라진 틈으로 들어가, 피망의 내 / 외 압력을 같게 한다.

3. 이 때 용기의 압력을 빠르게 낮춘다.

꼬투리가 가장 약한 점에서 터지며, 꼬투리 끝이 씨와 함께 날라간다.

Slowly increase then abruptly drop pressure

[그림 II-24] 피망 씨 빼기 원리

■ 큰 다이아몬드를 작은 다이아몬드로 쪼개기 : 1980년대 특허

- 두꺼운 벽의 밀폐된 용기. 수천 기압으로 올린 다음, 빠르게 대기압으로 되돌린

다. 갈라진 금에 있는 공기가 결정을 자연스럽게 깨도록 해준다.

■ 필터 청소

- 필터를 시스템에서 분리하여 밀봉한 후, 5~10기압으로 올린 뒤 빠르게 대기압으

로 되돌린다.

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■ 해바라기 씨 빼기

▪ Splitting diamonds ▪ Cleaning filters ▪ Shelling sunflower seeds

[그림 II-25] 같은 원리를 이용한 문제 해결

위의 사례는 모두 같은 발명의 원리로 문제를 해결하고 있다 .

산업을 뛰어 넘어 발명의 원리가 존재하고 있음을 보여주는 사례이다.

3) TRIZ의 기본 개념은 아래의 다섯 항목으로 요약 정리할 수 있다.

- 모순 (Contradiction)을 정의하고, 모순 제거 원리를 활용한다.

- 문제정의 및 문제해결에 타 분야에서 사용된 방법을 응용한다.

- 심리적타성과 고정관념을 타파하고 Trade-off를 극복하도록 한다.

- 사용 가능한 자원(Resource)을 최대한 활용한다.

: 자원이란 문제해결(모순제거)에 활용될 수 있는 모든 것(사물, 에너지 등) 이다.

즉(주위의 자원을 잘 활용해야 이상시스템에 도달할수 있다.

- 이상성(Ideality) 즉 이상 시스템(모순의 근원적 해결)을 추구한다.

: 요구되는 기능이 유해한 영향을 만들어내지 않고 스스로 수행되는 가장 바람직한

상황을 추구한다.

[그림 II-26] 댐 하부 손상 방지 원리

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[그림 II-26]의 사례는 TRIZ를 통해 도출된 구소련의 특허이다.

댐 위에서 떨어지는 물이, 떨어지는 힘으로 인해 댐 아래 부분에 손상을 주고 있다.

이를 막기 위해 댐 밑 부분에 Slot(물 통로)을 만들어 문제를 해결하였다.

Slot을 통해 나온 물의 유속이 댐 위에서 떨어지는 물의 힘을 상쇄시키고 있다.

여기서 사용된 TRIZ 원리는 이상성 및 자원의 활용, 발명의 원리이다.

■ 5개의 TRIZ 기본 개념 중 모순 (Contradiction)이 가장 중요한 개념이다.

- TRIZ에서 볼 때 문제는 적어도 하나 이상의 모순을 포함하고 있으며, 문제를 해

결 한다는 것은 그 문제에 내포된 모순을 제거하는 것이다.

- 문제를 해결하기 위해서는 먼저 모순을 찾아내야 한다. 즉 문제의 핵심이 되는

모순을 드러나게 해 복잡한 문제를 단순화하는 게 먼저 할 일이다.

- 인간이 만든 기술시스템들은 이러한 모순 해결과정을 통해 발전되어 왔다.

[그림 II-27] 기술적 모순

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4) TRIZ의 구체적 내용

초기 20만건의 분석에서 알츠슐러는 앞서 설명한 모순Contradiction)의 개념을 도

출했다. 인간이 이룩한 혁신적인 발명이나 개선은 모두 모순을 극복했다는 공통점

이 있다. 예를 들어, 하드디스크의 기록용량을 늘리면 기록의 정확도가 떨어지고,

기록의 정확도를 증가시키면 기록용량이 감소하는 것이 일반적이다. 이때 대부분의

사람들은 최적화(Optimization) 혹은 적당한 타협 (Compromise)을 시도한다. 이러

한 상황에서 수직자기기록과 같은 획기적인 발명(개선)이 나타나, 기록용량을 증가

시키며 정확도도 함께 개선한 혁신 (Breakthrough)을 달성했다. 이와 같이 혁신적

(Breakthrough) 발명이란 수직 자기기록이 기록용량과 정확도間 모순을 극복한 것

처럼, 모순을 극복하였다는 특징을 가지고 있다.

전형적인 모순의 형태로 기술적 모순(Technical Contradiction)과 물리적 모순

(Physical Contradiction) 두 가지가 있다. 위에서 예로 든 것이 기술적 모순인데,

서로 다른 두 개의 기술 특성이 충돌하는 것이다. 이 경우 만약 누군가가 ‘용량을

증가시키면서 동시에 정확도도 증가시켜라’고 한다면, 그는 ‘현재 기술로는 불가능

합니다(Technical Impossible)’라는 답변을 듣게 될 것이다.

반면, 하나의 기술요소가 서로 다른 특성을 동시에 가져야 하는 모순이 있는데 이

를 물리적 모순(Physical Contradiction)이라 한다. 오토바이의 경우 동력전달로 체

인을 사용하는데, 엔진과 바퀴 사이를 회전하므로 유연해야 (flexible) 하지만, 강력

한 엔진의 힘을 전달하기 위해 동시에 단단해야(rigid) 한다. ‘유연하면서도 단단해

야 한다’는 것은 물리적으로 불가능한 것으로 물리적 모순이다.

물리적 모순에 대한 해결책은 ‘분리의 원리(Separation Principle)'라고 부른다. 모

터바이크 체인의 경우 ‘전체와 부분에 의한 분리’ 원리를 적용한 것인데 전체적으로

보면 유연하지만 부분적으로 살펴보면 단단한 것이 체인의 특징으로 이는 결과적으

로 물리적 모순을 극복한 발명(Invention)인 것이다.

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전투기의 경우 이ㆍ착륙 時에는 揚力을 받기에 효과적인 넓은 날개가 좋은 반면,

高速 飛行에는 항력을 감소시키기 위해 좁은 날개가 유리한 물리적 矛盾을 갖고 있

는데, 이를 동시에 해결하도록 개발된 것이 可變翼 전투기이다.

「TRIZ」는 發明의 原理를 적용해 予盾을 근본적으로 제거하는 것을 목표로 삼고

있는데, 그림 예에서 그것을 확인할 수 있다. 시베리아에서 한 겨울에 建築用 파일

을 잘 박기 위해서는 끝이 뾰족해야 하고 支持力을 높이기 위해서는 끝이 무디어야

하는데(矛盾), 그 일반적인 해결방법은 끝을 뭉툭하게 만드는 것이었다. 「TRIZ」에

의한 문제해결 방법은, 파일을 박을 때는 뾰족하게 하고 그 후 파일 기둥의 끝에

달린 소량의 폭탄을 폭발시켜 파일 끝을 확장(時間에 따른 分離의 原理)하는 방식

이다.

초기상황 일반적인 해법 TRIZ 가 제안하는 해법

[그림 II-28] 일반 해법과 TRIZ 해법 비교

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TRIZ를 활용할 경우 이와 같은 창의적인 Idea가 훨씬 쉽게 도출될 수 있다. TRIZ에

서는 문제를 표준화하고, 표준화된 문제에 해당되는 표준 해결책 (이미 발명에 사

용되었던 해결책들을 의미함)을 참조함으로써 현실의 문제를 더쉽게 해결할 수 있

도록 Guide하고 있다.

[그림 II-29] TRIZ의 문제해결 접근방식

알츠슐러는 또한 기술적 모순을 극복한 특허들을 분석하여, 공통적인 해결 방법을

추출하였는데 그는 이를 ‘40가지 발명원리(40 Inventive Principle)’라고 명명하였

다.

이후 알츠슐러는 자원의 활용과 기술시스템 진화법칙에 중점을 두고 ‘물질-장 분석

(Su-Field Analysis)’과 ‘76 표준해결책(76Standard Solution)’을 개발하였다.

나. TRIZ 적용절차

TRIZ를 적용하는 절차는 크게 문제 분석과정과 해결안 도출 과정으로 구분된다.

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문제분석 과정은 문제 상황을 정의하고, 문제 원인을 분석(Analyze)하는 과정이며,

해결안 도출 과정은 Idea를generate하고 이를 Hybrid화하여 Best concept을 만든

후 실험을 통해 검증하는 과정이다.

문제 분석에 사용되는 TRIZ Tool은 Root cause analysis, Function analysis, 모순

분석, 물질-장 분석 등이 있는데, 이러한 Tool은 주로 복잡한 문제형태를 단순한

문제유형으로 바꿔주고 문제원인을 밝히는 과정에 활용된다.

해결안 도출에 사용되는 Tool은 분리의 원리, 40가지 발명원리, Effects, ARIZ, 76

가지 표준해결책 등이 있는데, 이러한 Tool들은 문제해결에 필요한 연구원의 발산

적 사고를 체계적으로 지원한다.

본 보고서에서는 비교적 가장 많이 사용되고 있는 (1) 모순분석을 통한 문제분석

(2) 발명원리를 적용한 아이디어 도출과 실현 가능성 검증 및 선정 절차에 대해 좀

더 설명하고자 한다.

(1) 문제 분석

해결해야 할 문제를 명확히 파악하는 단계이다. 보통 해결해야 할 문제들은 불분명

하고 구체적이지 못한 경우가 많은데, 이 상태로는 좋은 해결책을 찾기가 어렵다.

TRIZ에서는 문제 모델(Problem Model)을 통해 문제를 기술적 모순 또는 물리적 모

순으로 단순화 시킴으로써 쉽게 해결책을 찾을 수 있도록 유도해 준다. 모순을 정

의할 때 39가지 parameter를 활용한다.

(2) 발명의 원리적용

물리적 모순에 대해서는 분리의 원리를 적용해 해결책을 창출할 수 있으며, 기술적

모순에 대해서는 40가지 발명원리를 적용해 보면 다양한 해결 아이디어를 도출할

수 있다. 발명의 원리는 앞서 정의한 기술적 모순의 종류에 따라 모순 테이블에서

해당 원리를 적용해 보는 것이 기본이지만 다양한 아이디어 창출을 위해서는 40가

지 발명 원리를 하나씩 적용해 보는 것도 아이디어의 양을 위해서 시도해 볼 만하

다.

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(3) 아이디어의 실현 가능성 검증 및 선정

도출된 다양한 아이디어의 실현 가능성을 점검하고 적용시 발생할 문제점들을 분석

하여 가장 최선의 해결책을 선정한다.

다. TRIZ 적용사례

1) 에스토니아선박 해난 사고

1994년 스웨덴에서 배가 전복되어 394명이 사망하는 사고가 발생하였다. 당시, 갑

판에는 많은 자동차들이 있었는데, 갑자기 높은 파도로 바닷물이 밀려 들어와, 바닷

물과 함께 자동차들이 미끄러지며 한 쪽으로 쏠려, 배가무게 중심을 잃고 전복된

것이다. 해당 선박회사는 이러한 상황을 가정하고 대비책을 연구해 오고 있었다.

첫 번째 Idea는 자동차를 싣는 갑판을 여러 부분으로 나누어 밀폐하여, 바닷물이

밀려들어오더라도, 부분적으로 만물이 차게 하는 아이디어다. 이 Idea 는 유조선

침몰 시, 해양 오염을 최소화하기 위하여 원유 탱크를 여러 개로 분리하는 Idea와

같다. 하지만 그림과 같이 격벽을 설치하는 경우, 자동차의 입고와 출고 시 효율이

급격히 저하 되는 문제로 실현되지 못했다. 이 후, 선박회사는 벽에서 문이 나오는

슬라이딩 도어의 개념으로 발전했다가, 다시천장에서 문이 내려오는 아이디어로 계

속 발전하였지만, 결국 비용의 문제로 인해, 채택이 되지 못하였다.

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[그림 II-30] TRIZ를 통한 선박 전복 문제 해결

사고가 난후, TRIZ 전문가가 아이디어를 제공하여 문제가 해결 되었다.

바닷물 때문에 배가 무게 중심을 잃고 전복되었는데, 오히려 바닷물 때문에 배의

무게 중심이 더 튼튼해지는 방법은 없을까? 고민하였다. 그래서 갑판에 배수구를

뚫어 배 밑바닥으로 바닷물을 유도해, 배가 전복되는 것을 막게 하는 아이디어다.

실제로 배의 밑바닥에는 Balanced Water가 이미 존재하고 있어, 배 밑바닥으로 물

을 유도하는 것이 다른 문제를 야기하지는 않는다. 여기에 활용된 TRIZ는 발명의

원리 22번 “해로운 것을 이롭게 사용”과 “자원의 활용”이다. 물론, 몇 개의 구멍을,

어떤 모양으로, 어느 위치에 뚫을 것인가는 실험계획법의 역할이다. 최적화 → 혁신

→ 최적화의 순환 고리가 이루어지는 것이다. 이와 같이 TRIZ는 혁신단계에서 개념

해결책을 제공하는 역할을 한다.

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2) PDP 밝기 향상

PDP는 LCD 에비해서 제조원가가 낮은 장점이 있지만, 높은 소비전력을 요구하는

단점도 있다. 그래서 발광효율이 매우 중요한 지표인데 시장에 나와있는 제품의 경

우 1.51m/w 정도가 일반적인 값이다(과제 수행 당시 기준임).

[그림 II-31] TRIZ를 통한 LCD 밝기 향상 문제

그림에서 윗면에 위치하는 유리전극(ITO 전극)사이에 200v 전압을 가하면, 번개 치

는 효과, 즉 방전이 발생한다. 아래 판과 위 판유리 사이에는 제논 가스(Xe)가 밀봉

되어 있는데, 이 때, 방전이 발생하면 제논가스가 에너지를 받아들이게 되고, 제논

원자 속에 있는 특정 전자의 에너지가 증가되었다 저절로 감소된다. 이 과정에서

자외선(UV광선)이 발생하는데, 이 UV광선을 빨강, 녹색, 파랑(R,G,B) 형광체가 흡

수하면 각각 빨강, 녹색, 파랑의 가시광선이 나오게 되고 이러한 빛이 모여서 하나

의 화면을 이루게 된다. 이것이 PDP의 원리로서, 방전이 잘 일어나서, 더 많은 자

외선이 제논가스(Xe)에서 나온다면 발광 효율이 증가하게 되는 것이다.

- 50 -

일반적으로 방전이 발생되는 전압이 낮다면, 낮은 전력으로도 PDP를 구동 할 수

있기에 결과적으로 발광효율이 좋아진다. 그러려면 왼쪽 그림과 같이 두개의 투명

전극 間 거리가 좁아져야 한다. 하지만, 두 전극 間 거리가 좁다면, 일단 방전이 발

생한 후, 방전으로부터 에너지를 얻게 되는 제논가스의 양이 적어진다.

두 전극 사이의 거리가 클 경우, 일단 방전이 일어나면, 더 많은 공간에 방전이 일

어나므로, 더 많은 제논가스가 방전에 노출되어 발광효율이 좋아지게 된다.

그래서, 전극 사이의 거리를 좁게 해서 방전전압을 낮추어 발광 효율을 증가시켜야

하지만, 동시에 전극 사이의 거리를 넓게 해서 더 많은 제논가스가 방전에 노출되

어 발광 효율을 올려야 한다.

일반적인 접근방법으로는 실험계획법이 적용되어, 교호작용으로 파악이 되고 표면

반응분석(Response Surface Analysis)등이 적용되어 80um란 최적값을 구하게 된

다.

[그림 II-32] LCD 발광 문제의 모순 정의

- 51 -

전극간 거리를 줄여 방전전압을 낮추어야만 하고, 동시에 전극간 거리를 늘려서 발

광 효율을 올려야만 하는 현상을 TRIZ에서는 물리적 모순이라고 한다.

물리적 모순의 경우 분리의 원리를 적용한다. PDP 문제에서는 시간에 의한 분리,

공간에 의한 분리를 사용하였다. 처음에는 전극간 거리가 좁았다가 나중에 전극간

거리가 늘어날 수는 없을까? 처음에는 좁은 공간에서 방전이 일어났다가 시간이 지

나면서 전체 면적으로 방전이 확산되면 어떨까? 라는 생각을 할 수 있다.

TRIZ에서는 유사한 해결책이 산업의 경계를 뛰어넘어 자주 사용된다. 그래서, PDP

의 전극문제와 유사한 해결책이 어느 산업분야에 있을지 고민한다. 이제까지 가장

발전된 방전 시스템은 자동차 엔진의 점화 플러그이다.

그래서 자동차 점화 플러그에서 기본 개념을 가져와 개념 해결책(Concept

Solution)을 제안했다.

해결책을 더 발전시켜 그림과 같은 이그나이트(Ignite) 전극구조를 완성하였다. 방전

이 시작되면, 우선 튀어나온 이그나이트 전극 間 거리가 좁기에 여기에서 방전이

시작되고, 시간이 지나면서 전체 전극 사이의 공간에서 방전이 일어나게 된다. 아래

그림은 방전이 일어나는 것을 아주 짧은 시간 간으로 사진 촬영한 것인데, 왼쪽의

그림이 이그나이트 전극 구조이다.

일반 구조의 전극보다 훨씬 앞서서 방전이 시작되는 것을 알 수 있다.

그래서 PDP의 전력소모가 줄고, 발광효율이 42% 증가하게 되었다.

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[그림 II-33] TRIZ를 통한 LCD 발광 문제 해결

3) TRIZ를 이용한 특허 강화

린스는 옷감을 부드럽게 하고 윤이 나게 한다. 세탁기에 린스를 투입하면 가장 적

절한 시기에 린스가 세탁조에 투입되어야 한다. 아래 왼쪽 그림은 일본 T사의 특허

이다. 3번의 행굼 과정에서 3번의 탈수가 이루어지는데, 탈수 시에는 고속의 회전

을 동반한다. T사는 이때의 원심력을 이용하는 특허이다. 그림의 아래 구간에 린스

가 투입되면, 이곳에 머물렀다가, 세탁조가 1번째 탈수 과정에서 린스는 2번 방으

로 옮겨지게 되고 곧 바로 3번 방으로 연결된 통로를 따라 이동한다. 2번째 탈수

과정에서 린스는 4번 방으로 옮겨지고, 탈수가 마친 후 세탁조에 린스가 투입 되

어, 마지막 행굼 과정에서 린스가 투입되는 원리이다.

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[그림 II-34] TRIZ를 통한 세탁조 린스 투입문제 해결

自社는 세탁기에 이 구조를 적용했는데, ’01년 T사가 특허 클레임을 제기 했다.

自社 연구원들은 기술진화법칙을 이용해 곧 오른쪽 그림과 같은 특허를 도출했고,

T사와 상호 라이선스를 맺을 수 있었다. 이때 T사는 “수평으로 동작하는 원리로 특

허를 냈는데, 왜 수직 동작 원리로는 특허를 내지 않았을까? 공간을 줄일 수 있는

Idea인데, 왜 이걸 생각 못했을까? 왜 원심력을 청구항에서 누락시켰을까?"라고 자

책했다. 대부분의 경우, 특허는 문제해결이나 개선 Idea로부터 특허를 도출하지만,

TRIZ는 문제와 해결책의 공통점인 개념으로부터 특허를 도출한다. 그래서 다양한

특허의 클레임을 생성하고, 강력한 특허를 도출한다.

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4) 기술진화법칙을 통한 제품 개발

다음은 기술진화법칙의 이상성 증가 법칙이 적용된 사례이다.

요즈음 시장에서 팔리고 있는 양문형 냉장고의 홈바에 관한 개선 사례이다. 원래,

삼성 냉장고는 그림의 D사 경우와 같이 양쪽에 각각 두개의 스테인레스 링크 막대

를 이용하였다. 그런데 L사는 양쪽에 각각 한 개의 스테인레스 막대를 사용하였다.

L사는 이를 통해 원가도 절감하였고, 부피가 작아진 링크 막대로 디자인 면에서도

장점을 갖게 되었다.

自社 연구원들은 TRIZ의 기술진화의 패턴과 경향들을 분석하여, 링크 막대가 가지

고 있던 기능을 이미 존재하는 다른 부분이 맡게 하고, 막대자체는 사라지는 디자

인을 개발하였다.

이 디자인은, 삼성 냉장고의 홈바에 모두 채택되었고, 중국, 일본, 유럽, 미국 등 전

세계에 핵심특허로 등록되었다.

[그림 II-35] TRIZ를 통한 냉장고 홈바 문제 해결

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라. TRIZ의 효과

TRIZ의 경우시스템/문제 분석과 idea 도출 과정에 강점이 있기 때문에 창조적인

idea가 요구되는 모든 과제에 적용될 수 있겠지만, 특히 과제 기획이나 과제 초반

부와 같이 올바른 방향성을 설정하는 단계에서 가장 효과적일 수 있다.

2000년 이후삼성에서 TRIZ를 운용한 결과가 이를 증명하고 있다.

TRIZ 방법론 도입 이전에는 특허가 도출되더라도 특허가 도출된 경위나 절차, 근거

에 대한 Documentation이 빈약하였으나, 이 방법론을 운용한 후, 특허의 도출 근

거를 명확하게 진술할 수 있어 관리적 측면의 장점도 확실히 부각되었다.

연구관리자의 반응

“ 연구원들이 Idea만 들고 오는 것에 불만을 느끼

고 있었는데, TRIZ를 한 연구원들은 idea를 많이

또 일관성 있게 내놓을 뿐 아니라, Idea 도출 경위

와 근거를 명확하게 제시하여 과제 전략 수립을 위

한 의사결정시 큰 도움이 된다.”

실제 방법론을 운용하여idea를 도출한 연구원들의 경우, “TRIZ 를 했더니 창의적

인 생각을 하고 싶지 않아도 하게 된다”며 지속적 Ideation 에 TRIZ가 큰 도움이

되었음을 말해 주고 있다.

연구원의 반응

“ TRIZ를 하면 창의적인 생각을 하고 싶지 않아도

하게 된다.”

“ TRIZ Consultant 지식과 Guide 덕분에 몇년간

해결 못한 우리 분야의 난제를 성공적으로 해결할

수 있었다.”

“TRIZ를 하면 특허가 쏟아진다.”

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TRIZ를 활용하여 몇 년간 해결 못한 난제를 해결한 경우가 적지 않았고, 그 결과물

이 특허와 아주 밀접하게 연계되어 있음이 여러 차례 확인되었다.

4. Scorecard

가. Scorecard 개요

Scorecard는 개발단계에서 제품이나 서비스의 품질 수준을 예측하고 관리하여 개

선 노력의 집중 Point를 찾기 위한 도구이다.

Scorecard는 프로젝트리더로 하여금 목표 관리 및 과제 전체의 상태를 파악 가능

하도록 하고 취약부문을 분명히 보여주어 자원 집중을 용이하게 해준다.

특히 많은 부품으로 구성되는 제품의 경우 다양한 레벨의 scorecard가 필요하다.

이 경우, 중요 요소의 품질특성과 그 측정치인 Y값을 해당 레벨의 scorecard로 관

리한다. 이러한 Product Tree가잘 구성되어 있을수록 하위 레벨의 품질을 통한 상

위 레벨의 품질예측이 더 정확하게 된다. 개발 초기단계에서는 scorecard가 개발자

의 추측/의지, 과거 기록, 벤치마킹 자료로 작성되지만, 개발이 진행됨에 따라 실제

데이터로 업데이트되어 불확실성이 감소하게 된다.

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[그림 Il-36] Product Tree와 Critical Parameter

1) Scorecard의 사용목적은 다음과 같다.

- 설계 단계에서 제품 및 서비스의 최종품질을 예측하고 개선하게 도와준다.

- 하위 시그마수준에 기여하는 설계요소가 무엇인지 파악할 수 있게 한다.

- 설계단계에서 교정활동의 필요성을 피드백해 주는 적극적 의사결정 기법이다.

- 품질에 차이가 존재하는 부분을 중심으로 Data 수집 활동을 추진할 수 있다.

2) Scorecard의 종류는 다음과 같다.

- Performance Scorecard

: System, Sub-system, Component, Software의 성과 기준을 나타내 준다.

- Project Monitoring Scorecard

: DFSS 각 단계의 수행 상태를 확인해 준다.

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- Evaluation Scorecard

: 회사 각사업장 및 조직에 대한 평가를 도와준다.

나. CPM(Critical Parameter Management)과 Scorecard

Scorecard는 CPM(Critical Parameter Management)와 연계되어 사용된다. CPM은

복잡한 시스템을 개발 관리하기 위한 방법으로, 핵심 성과지표를 이용하여 프로젝

트를 추진하고 관리하는 방법이다.

1) CPM의 용도

- 성능 변동을 제어하는 파라미터, 상호작용, 민감도에 중점을 두게 한다.

- 데이터에기 반한 의사결정 및 신속한 문제 해결을 기능하게 한다.

- 시스템의 인터페이스 간에 존재하는 복잡한 관계구조를 설명한다.

- 시장 요구사항, 제품 요구사항, 제품스펙(규격) 간의 연계성을 가져온다.

2) CPM을 이용하면 프로젝트 관리자는 다음과 같은 장점을 갖게 된다.

- 중요한 Output 변수의 성능을 쉽게 관리할 수 있다.

- Data base를 이용하여 위험을 관리할 수 있다.

- 정량적인 측정값으로 객관적인 의사 결정을 할 수 있다.

- 전략적인 자원 배분을 통해, 성능이 미진한 부분을 초기에 집중적으로 다룰 수

있다.

- 파라미터 간의 관계에 대해 쉽게 평가할 수 있다.

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[그림 II-37] CPM Level

3)CPM과 Scorecard의 관계

QFD를 통해 개발 단계별 주요 관리 지표나 파라미터를 도출하고 선정한다. 이런

과정을 통해 각 단계별 critical parameter와 그들 사이의 관계를 정립할 수 있다.

[그림 II-38] QFD를 통한 Critical Parameter 전개

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[그림 II-39] Critical Path(핵심 경로) 매핑

위와 같이 Critical Parameter가 도출되면 각 단계별로 Scorecard를 작성하여

Critical Parameter를 관리할 수 있다.

- System Requirements에서 System CFRs까지를 관리하는 Scorecard

- System CFRs 에서 Subsystem CFRs까지를 관리하는 Scorecard

- Subsystem CFRs에서 Component CTF Specifications까지 관리하는 Scorecard

- Component CTFs에서 Mfg. Process CFRs까지를 관리하는 Scorecard

[그림 II-40] Scorecard의 체계

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- Performance Scorecard : 고객 시각에서 본 중요 제품성능 평가 및 관리

- Part/ Input/ Raw Materials Scorecard : 부품/ 재료 평가 관리

- Process Scorecard : 제품/부품을 만들기 위한 내부 프로세스 평가 관리

- Software Scorecard : 소프트웨어내의 결함을 평가

- Top Level Scorecard : 위 4개의 Scorecard를 통해 종합 평가된 결과

현재 상태에서 생산되었을 때 발견될 결함을 종합 평가

다. Scorecard의 활용

Scorecard는 프로젝트의 진행 매 단계에서 활용되어야 한다. Scorecard에는 핵심

지표들의 현 수준과 목표 대비 차이를 명확히 보여주고 있기 때문에 부족한 부분에

쉽게 자원을 집중할 수 있도록 해준다. 따라서 프로젝트 초기핵심 지표를 도출하고

목표를 설정할 때부터 시작해서 성능 개선이나 변화가 있을 때 마다 매번 업데이트

를 하고 모니터링 해야 한다.

스코어카드 시스템을 구축하여 프로젝트 팀원들이 현재의 수준을 공유하고 개선에

집중할 영역을 쉽게 확인할 수 있도록 하는 것도 좋은 방법이다.

라. Scorecard의 형식 및 작성법

Scorecard에 포함되어 있어야 할 항목은 다음과 같다.

- 인자 특성치(CFR) : 각 수준에서의 CTQ 또는 프로세스/부품을 입력한다.

- Benchmarking 결과

- 규격(Specification) : 규격의 상한(USL), Target, 하한(LSL)을 입력한다.

- 측정 시스템의 정보 : 측정기기명, 측정 단위, 반복성 및 재현성을 입력한다.

- 샘플 수 및 Data의 특성 : Data가 단기(S) 또는 장기(L)인지 선택 입력한다.

- 측정결과: 연속형(평균, 표준편차), 이산형(양품수, 결함수)

- 시그마 수준 결과 예측 : 총 기회, 불량률, DPMO, Zs 등을 입력한다.

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[그림 II-41] Scorecard 형식 사례

* Data 입력 형태는 두 종류가 있다.

- 계량형 Data : 평균과 표준편차를 입력한다. (목표값, 실측값 또는 예측값)

- 계수형 Data : 계수형 불량률을 입력한다.

* 불량률 및 Zst 예측

- 계량형Data : 규격 밖으로 나간 장기 확률분포 곡선 아래의 면적이다.

- 계수형 Data : 계수형 불량률에 기록된 값이다.

- Zst : 1.5 shift 가 고려된 단기 시그마 수준 예측치이다.

마. Scorecard 작성 사례

1) System 전개를 통한 Scorecard 항목 도출 - 기관차 사례

- 기술 Tree를 이용해 System을 체계적으로 전개한 사례이다.

- 기본기능 목표치를 Performance Scorecard의 목표 Spec.으로 연결하였다.

- 원리도를 이용하여 System의 기본구조 및 Design Parameter를 도출하였다.

- 4차 기능전개와 문헌연구를 통해 Process Parameter를 도출하였다.

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[그림 II-42] Scorecard 사례 - 기관차

2) QFD를 통한 Scorecard 항목 도출 - micro PCR 사례

- QFD 전개를 통해 Performance Scorecard에 포함될 항목을 도출하였다.

- Process Map을 통해 핵심 관리항목을 도출하고 Scorecard를 작성하였다.

[그림 II-43] Scorecard 사례 - micro PCR 사례

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바. Scorecard 작성시 점검할 사항은 다음과 같다.

Scorecard 작성시 점검사항

No 단계 점검사항

1성능Scorecard

작성

￭ CTQ 및 Y항목 도출의 근거는 명확한가?￭ 목표 및 스펙 설정 근거는 제시되었는가?￭ 측정시스템 점검은 완료되었는가?￭ 샘플 사이즈는 충분한가?

2공정Scorecard

작성

￭ 공정의 핵심지표가 빠짐없이 도출되었는가?￭ 목표 및 스펙은 상위 CTQ 충족과 연계되어 있는가?￭ 측정시스템 분석은 완료되었는가?

3부품Scorecard

작성￭ 시스템 전개 상 중복이나 누락된 항목은 없는가?￭ 상위시스템 CTQ와 연계된 목표설정이 되어 있는가?

4상위Scorecard

작성￭ 하위 Scorecard 항목들의 상태를 명확히 파악할 수 있도록 작성되었는가?

5. 실험계획법 (DOE, Design of Experiments)

가. 실험계획법개요

프로젝트를 진행하면서 발생하는 복잡한 문제들을 해결하기 위해서는 많은 대안과

원인변수에 대해 검증하는 Test를 실행해 보아야 한다. 이때, 보다 적은 수의 실험

을 통해 믿을 수 있는 좋은 결과를 만들어낼 수 있다면 업무의 효율이 크게 향상될

수 있을 것이다. 이를 위해 필요한 것이 실험을 체계적으로 하는 실험계획법이다.

보다 효율적으로 빠른 시간 내에 과제를 성공하기 위해서는 “실험은 보다 적게，

예측은 보다 정확하게” 할 수 있어야 한다.

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1) 실험계획법의정의

실험이란 프로세스, 제품 또는 시스템에 일련의 조건변화를 가하여 그 출력을 관찰

함으로써 출력에 영향을 미치는 원인변수를 규명하고 그 영향도를 평가하는 것이

다. 즉, 제어할 수 있는 변수들에 변화를 가하여 출력이 어떻게 변하는지를 고찰함

으로써 Y와 X들의 관계를 밝히는 것이다. 결국 이를 통해 Y와 X의 함수관계를 파

악하여 우리가 원하는 대로 출력을 얻기 위해서 어떻게 제어 가능한 변수를 결정할

수 있는가를 알아내고자 하는 것이다.

[그림 II-44] 프로세스, 인자, 입력, 그리고 출력의 관계

그런데, 출력에 변화를 미치는 변수는 우리가 제어할 수 있는 변수들만이 아니라

제어할 수 없는 변수들도 출력에 영향을 미친다. 이러한 제어할 수 없는 변수들을

잡음변수라 하고 이들의 영향은 실험의 오차로 작용한다.

따라서, 보다 작은 수의 실험을 통해 좋은 실험결과를 얻기 위해서는 실험에 앞서

제어 불가능한 변수의 영향을 어떻게 최소화시킬 수 있는가를 파악하여 조치를 취

하는 것이 필요하다. 아무리 열심히 실험을 하더라도 이러한 잡음변수의 영향을 효

과적으로 줄여 놓지 못한다면 실험결과 파악에 지나친 오차가 개입되어 좋은 실험

결과를 얻지 못하게 된다.

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2) 실험계획법의 목적

실험을 하는 목적은 첫째, 출력변수에 영향을 미치는 많은 입력변수 들 중 어떤 변

수가 큰 영향을 미치고 어떤 변수가 작은 영향을 미치는지 밝혀 소수의 핵심변수를

찾아내는 것이다. 둘째로는 출력변수에 영향을 크게 미치는 소수의 핵심변수가 어

떤 조건일 때 우리가 바라는 출력변수가 이상적인 상태가 될 수 있는지 최적 조건

을 선정하는 것이다.

우리가 일반적으로 다루는 문제는 많은 변수들이 개업되므로 실험의 상황이 복잡한

경우가 대부분이다. 따라서 한번의 실험계획을 통해 목적하는 바를 달성하기가 어

렵다. 다시 말해, 여러 요인이 동시에 개입되는 복잡한 상황에서 몇 차례의 소수 실

험을 통해 각 실험변수의 영향이 어떤가를 파악하고 실험변수의 최적조건을 동시에

찾아내기는 어렵다는 것이다. 실험의 목적은 3단계 정도로 나누어 진행하는 것이

바람직하고 이 목적에 따라 적합한 실험 계획을 수립하는 것이 올바른 접근방법이

다.

그 첫번째 단계가 스크리닝 단계인데, 이는 보통 입력변수가 6개 이상으로 많은 경

우 우선 우리가 다루는 특성에 큰 영향을 미치는 소수의 핵심변수를 찾는 작업이

다. 사회현상에서와 마찬가지로 여기에 파레토의 원리가 적용되는데, 실험변수가 많

이 존재한다고 하더라도 그 변수들의 영향도가 같지 않다는 것이며 부분요인 실험

등의 스크리닝에 적합한 실험설계를 하면 소수의 핵심변수들을 쉽게 찾아 낼 수 있

다. 우리가 다루는 특성에 영향을 미치는 변수가 4개 이하로 압축되어 있는 경우라

면 이 스크리닝 단계의 실험은 이미 수행되어 있는 것으로 보아야 한다.

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실험계획법 종류별 활용

낮 음 현재 프로세스 지식 상태 높 음

DOE 종류스크리닝 특성화 최적화

부분 요인 실험 부분 요인 실험 완전 요인 실험 반응 표면 실험

인자(X)들의수

6 이상 4 ~ 10 2 ~ 5 2 ~ 3

목적 중요 인자의 식별 일부 교호 효과 인자들 간의 관계인자들의 최적

조건 설정

추정개선을 위한

대략적인 방향(선형 효과)

주효과와 일부교호 효과

모든 주효과와교호 효과

출력 변수의 예측모델 (곡률 효과)

이렇게 소수의 핵심변수가 찾아진 상황이라면 완전요인실험 또는 반응표면 실험을

통해 각 인자의 영향을 좀 더 정밀하게 평가하고 최적화를 시키는 특성화, 최적화

단계의 실험이 진행될 수 있다. 요컨데, 실험의 목적과 상황에 따라 선택되는 실험

설계가 달라져야 한다는 것이다.

실험을 할 때 계획적으로 접근하지 않으면 지나치게 많은 수의 실험을 할 수도 있

고, 원하는 결과를 쉽게 얻지 못하는 경우들도 종종 발생한다. 일반적으로 실행되는

시행착오적인 실험방법이 이 경우에 해당한다. 그러나, 우리가 처한 현실적인 상황

에서는 예산과 시간이 한정되어 있기 때문에 보다 적은 수의 실험을 통해 원하는

결과를 얻어내야 한다. “실험은 보다 적게, 예측은 보다 정확하게”라는 실험계획법

의 장점이 여기서 또 한번 강조될 수 있다.

우리가 다루는 문제가 단순하지 않은 것일 때는 보통한번의 실험으로 문제가 해결

되지 않는다. 문제의 원인이 되는 변수들이 많은 경우에 특히 이러한 문제가 심각

해지는데, 체계적으로 접근하지 못한다면 수많은 실험을 해야 하는 상황이 발생할

수도 있다. 따라서, 실험을 하기 전에 목적하는 바를 분명하게 정리해야 하며 이에

맞는 실험계획을 세워야 한다. 실험을 통해 얻고자 하는 결론이 많은 실험변수들의

영향도를 비교평가하고 영향도가 큰 변수를 선별하려는 것인가, 아니면 소수의 중

요한 변수를 이미 아는 상황에서 이들이 어떤 상태일 때 Y가 가장 이상적이 될 수

있는가를 찾고자 하는 것인가 하는 점을 먼저 결정해야 한다. 종종 한 세트로 구성

된 실험을 통해 이를 모두 해결하려고 하지만 복잡한 문제는 이러한 방식으로 쉽게

문제가 해결되지 않는 경우가 많다.

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3) 실험계획법의 장점

실험계획법은 연구개발형 과제에서 유용하게 활용될 수 있다. 새로운 프로세스를

개발할 때 프로세스 설계변수의 영향도를 파악하고 최적화를 시켜야 하는 경우, 신

제품을 개발할 때 설계를 최적화하는 경우 등 다양하게 활용될 수 있다. 요컨대,

Test를 통해 해결하고자 하는 문제를 풀거나 실험적인 사실을 바탕으로 해결책을

제시해야 하는 업무에는 실험계획법이 모두 활용될 수 있다는 것이며 실험계획법을

적용할 때 얻게 되는 이득이 생긴다는 점이다. 단순한 문제는 단순한 접근방법을

통해서도 해결될 수 있지만 복잡한 프로세스나 신제품 개발에서 접하게 되는 문제

는 대부분 간단한 형태가 아니다. 특성에 미치는 수많은 변수들에 대해 그 영향도

를 제대로 평가하기 위해서는 체계적인 접근방법인 실험계획법을 활용해야 적은 수

의 실험을 통해서 객관 적인 사실에 근거해서 좋은 결론을 이끌어 낼 수 있게 된

다.

실험계획법을 잘 활용한다고 해서 반드시 실험이 성공한다는 것은 아니다. 실험에

앞서 어떤 변수를 어떤 범위에서 실험하고자 하는가를 잘 결정하는 것이 중요하다.

실제로 실험의 성공 여부는 이러한 변수의 선택과 실험범위의 설정에서 그 성공의

여부가 이미 결정되어 있다고 볼 수 있다.

실험계획법을 활용하는 것은 실험변수에 대한 정리가 잘 되었을 때, 그 상황하에서

보다 적은 수의 실험으로 믿을 수 있는 예측을 할 수 있도록 도와주는 것으로 이해

해야 할 것이다.

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4) 실험계획법의 종류

실험의 유형은 계획 없이 문제가 해결될 때까지 실험적인 시도를 해 보는 시행착오

실험(Trial and Error)부터 다구찌 실험까지 매우 다양하다. 이 중 한번에 하나의 요

인실험(One-Factor-At-a Time:OFAT)이 현장에서 실행되는 가장 일반적인 실험의

형태인데, 이는 말 그대로 다른 인자들의 값은 고정한 채 한 요인의 수준을 바꾸어

보는 실험을 하는 것이다.

예를 들면, 반도체공정에서 수율에 온도가 어떤 영향을 미치고 어떤 온도 조건에서

수율이 가장 높은가를 파악하고자 한다면 온도를 일정 온도에서 일정한 온도씩 증

가시키며 실험을 실행한다. 이런 실험의 장점은 사실을 직관적으로 파악하기 쉽다

는 것인데, 이 실험의 문제점은 우리가 다루는 특성이 여러 인자의 영향을 복합적

으로 받는 특성이 있다면, 즉 교호작용이 존재한다면 파악하지 못할 가능성이 높다

는 것이다.

실험계획법이라 함은 부분 요인실험(Fractional Factorial Designs), 완전요인 실험

(Full Factorial Designs), 반응표면실험(Response Surface Methodology: RSM) 이

대표적으로 활용되는 것이다. 좀 더 특별한 상황에서 활용되는 방법으로 진화적 반

응 조업법, 혼합물 실험, 다구찌 실험이 있다.

기술적 연관성이 있는 여러 개 인자들의 영향도를 비교하여 핵심적인 인자를 찾고

자 하는 것이라면 부분요인실험(Fractional factorial design)을 활용하고, 소수의 변

수를 이용하여 목적하는 값을 얻을 수 있는 최적조건을 찾고자 하는 것이라면 완전

요인실험 (Full factorial design)을 활용한다. 곡선성이 발현되는 것으로 알고 있는

소수의 변수를 이용해 최적조건을 찾을 수 있는 예측방정식을 얻고자 할 때는 반응

표면실험(RSM)을 활용하는 것이 좋다. 또한, 실험의 변수가 서로 독립적인 공정변

수가 아니라 재료의 구성에 관련된 것으로 몇 개의 성분으로 구성된 혼합물의 특성

을 최적화시키고자 하는 것이라면 혼합물실험(Mixture design)을 활용한다. 실험변

수를 이용하여 특성의 평균을 이동시키는 문제가 아니라 산포의 원인이 되는 변수

를 찾아 관리하거나 잡음에 둔감한 설계조건을 찾아 산포를 안정화시키고자 하는

것이라면 다구찌실험 (Taguchi design)을 활용한다. 양산 현장에서 불량이 발생하

지 않을 정도의 작은 변수 변화를 주어 점진적인 최적화 조건을 찾고자 하는 것이

면 진화적 반응조업법 (EVOP)를 활용한다.

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실험의 유형

• 시행 착오 실험 (Trial and Error)

• 한 번에 하나의 요인 실험 (One-Factor-At-a Time: OFAT)

• 부분 요인 실험 (Fractional Factorial Designs)

• 완전 요인 실험 (Full Factorial Designs)

• 반응 표면 실험 (Response Surface Methodology: RSM)

• 진화적 반응 조업법, EVOP (EVolutionary OPeration)

• 혼합물 실험, Mixture Design (Optimal formulation)

• 다구찌 실험, 강건설계, Taguchi Design (Robust design)

나. 실험계획법 적용하여 문제를 해결하는 절차는 다음과 같다.

[그림 II-45] 실험계획법 적용 절차

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우선 해결하고자 하는 문제를 정의한다. 이 과정에서 중요한 점은 문제에 대한 결

과를 어떻게 측정할 것인가 하는 것이다. 실험계획법을 적용하여 문제를 해결하고

자 한다면 그 결과를 계량화된 형태로 측정할 수 있어야 한다. 그리고, 다루는 특성

이 어떤 속성을 가지며 목표가 무엇인지도 명확히 해 두어야 한다. 망대특성, 망소

특성, 망목특성에 대한 분류가 이루어져야 하며 각 특성별 구현하고자 하는 값이

얼마인지를 결정해 두어야 한다.

두번째 단계가 문제해결을 위한 입력변수를 선정한 것이다. 앞서 말한 바와 같이

실험의 성공과 실패는 어떤 변수를 선택하느냐에 달려 있는 경우가 대부분이므로

알고 있는 지식과 경험범위에서 최대한 좋은 변수를 선택할 수 있어야 한다. 실험

변수를 선택한 후에는 실험할 범위를 설�