제품이 고장나기 전에 어떻게 위험을 찾을까? FMEA와 고장모드 분석의 원리

제품이 실제로 고장난 뒤 원인을 찾는 것은 중요합니다.

하지만 더 좋은 방법은 고장이 발생하기 전에 어떤 문제가 생길 수 있는지를 미리 찾아내는 것입니다.

자동차가 출시된 뒤 브레이크 부품이 반복적으로 파손되는 문제를 발견하는 것과 설계 단계에서 해당 위험을 찾아 수정하는 것은 비용과 영향이 완전히 다릅니다.

전자제품도 마찬가지입니다.

제품을 수십만 대 생산한 뒤 특정 커넥터가 과열된다는 사실을 발견하면 이미 시장에 많은 제품이 판매된 뒤일 수 있습니다.

하지만 설계 단계에서

“이 접점이 느슨해지면 어떻게 될까?”

“팬이 멈추면 내부 온도는 얼마나 올라갈까?”

“이 O-ring이 경화되면 어디에서 누수가 발생할까?”

같은 질문을 미리 던진다면 문제가 실제 고장으로 이어지기 전에 대응할 수 있습니다.

이처럼 발생 가능한 고장 형태와 그 영향, 원인을 체계적으로 예상하고 위험도를 평가하는 방법 가운데 가장 널리 알려진 것이 FMEA입니다.

FMEA는 Failure Mode and Effects Analysis, 우리말로는 보통 고장형태 및 영향분석이라고 부릅니다.

이름만 보면 상당히 어려워 보이지만 기본적인 생각은 의외로 단순합니다.

“무엇이 어떻게 고장날 수 있고, 그렇게 고장나면 어떤 일이 생기며, 왜 그런 고장이 발생할 수 있는가?”

를 제품이 실제로 망가지기 전에 하나씩 질문해보는 것입니다.

FMEA에서 가장 먼저 등장하는 ‘Failure Mode’란 무엇일까요?

FMEA를 이해하려면 먼저 고장모드(Failure Mode)라는 개념을 알아야 합니다.

고장모드는 단순히

“제품이 고장났다.”

라는 결과보다 구체적인 표현입니다.

예를 들어 자동차 와이퍼가 작동하지 않는다고 생각해보겠습니다.

‘와이퍼 고장’만으로는 무엇이 실제로 잘못됐는지 알 수 없습니다.

가능한 고장모드는 여러 가지입니다.

• 모터가 회전하지 않음
• 기어가 마모됨
• 링크가 분리됨
• 전원 커넥터가 접촉불량
• 와이퍼 암이 느슨해짐
• 제어신호가 전달되지 않음

모두 사용자에게는 “와이퍼가 안 움직인다”는 하나의 증상으로 보일 수 있습니다.

하지만 실제 고장 형태는 전혀 다릅니다.

FMEA에서는 이런 고장모드를 가능한 한 구체적으로 정의합니다.

Failure Mode와 Failure Effect는 무엇이 다를까요?

두 개념은 자주 혼동됩니다.

Failure Mode는 무엇이 어떻게 잘못되었는지를 나타냅니다.

Failure Effect는 그 고장 때문에 제품이나 사용자가 어떤 영향을 받는지를 나타냅니다.

예를 들어 냉각팬을 생각해보겠습니다.

고장모드:

팬이 회전하지 않음

그 결과는 다음과 같을 수 있습니다.

1차 영향:

공기 흐름 감소

다음 영향:

내부 온도 상승

더 큰 시스템 영향:

전자부품 과열 및 성능 저하

최종 사용자 영향:

제품 정지 또는 수명 감소

즉, 하나의 고장모드에서 여러 단계의 영향이 이어질 수 있습니다.

Failure Cause는 또 무엇일까요?

고장모드가 발생한 원인입니다.

냉각팬이 회전하지 않는다는 고장모드에도 여러 원인이 있을 수 있습니다.

• 베어링 마모
• 모터 권선 단선
• 먼지 유입
• 커넥터 분리
• 제어회로 이상
• 외부 물체 걸림

따라서 FMEA에서는 보통 다음과 같은 관계를 정리합니다.

Cause → Failure Mode → Effect

예를 들어

먼지 축적 → 팬 회전수 저하 → 내부 온도 상승

과 같은 형태입니다.

이 구조는 실제 고장분석에서도 매우 중요합니다.

증상과 고장모드를 혼동하면 왜 문제가 될까요?

예를 들어 노트북이 갑자기 꺼진다고 생각해보겠습니다.

‘노트북이 꺼짐’은 사용자에게 보이는 증상 또는 시스템 영향입니다.

하지만 가능한 고장모드는 매우 많습니다.

• 배터리 전압 저하
• 전원회로 출력 불안정
• CPU 과열
• 커넥터 접촉불량
• 메모리 오류
• 보호회로 동작

따라서 FMEA를 제대로 하려면

사용자가 보는 현상

과

실제로 부품에서 발생하는 물리적 고장

을 구분해야 합니다.

FMEA는 왜 설계 단계에서 사용하면 효과적일까요?

제품을 설계하는 과정에서는 아직 실제 고장이 발생하지 않았습니다.

그래서 많은 문제가 눈에 보이지 않습니다.

하지만 설계도를 보면서 가능한 고장을 미리 상상할 수 있습니다.

예를 들어 플라스틱 하우징에 나사를 체결하는 구조가 있다고 생각해보겠습니다.

설계자는 다음과 같은 질문을 할 수 있습니다.

나사를 너무 강하게 조이면?

→ 플라스틱 보스에 높은 응력이 발생할 수 있습니다.

제품이 고온에 노출되면?

→ 플라스틱이 크리프 변형을 일으킬 수 있습니다.

장기간 반복적으로 분해하면?

→ 나사산이 마모될 수 있습니다.

충격이 가해지면?

→ 응력집중부에서 균열이 시작될 수 있습니다.

실제 제품이 깨지기 전에 이런 가능성을 찾는 것입니다.

DFMEA와 PFMEA는 무엇이 다를까요?

FMEA는 적용 대상에 따라 여러 형태로 나눌 수 있습니다.

대표적으로 많이 언급되는 것이 DFMEA와 PFMEA입니다.

DFMEA

Design Failure Mode and Effects Analysis

즉, 설계 FMEA입니다.

제품의 구조와 재료, 기능을 중심으로 어떤 고장이 발생할 수 있는지 분석합니다.

예를 들어

• 부품이 부러질 가능성
• 씰이 누수할 가능성
• PCB가 과열될 가능성
• 접착부가 박리될 가능성

등을 살펴봅니다.

PFMEA

Process Failure Mode and Effects Analysis

즉, 공정 FMEA입니다.

제품 설계 자체보다 제조 과정에서 어떤 문제가 생길 수 있는지를 분석합니다.

예를 들어

• 볼트 토크 부족
• 접착제 도포량 부족
• 부품 역조립
• 납땜 불량
• 코팅 두께 부족
• 세정 불충분

등입니다.

같은 최종 고장이라도 설계와 제조공정에서 원인이 다를 수 있습니다.

O-ring 누수를 DFMEA로 분석하면 어떻게 될까요?

간단한 예를 들어보겠습니다.

제품에 O-ring이 들어가 있고 내부 액체가 새면 안 된다고 가정하겠습니다.

가능한 고장모드는

밀봉 기능 상실

입니다.

영향은

액체 누출

입니다.

그 결과는 제품에 따라

• 기능 저하
• 주변 부품 부식
• 전자회로 손상
• 사용자 안전 문제

까지 이어질 수 있습니다.

가능한 원인은 다음과 같습니다.

• O-ring 경화
• 압축영구변형
• 잘못된 고무 재질
• 홈 치수 불량
• O-ring 손상
• 화학적 팽윤
• 조립 중 비틀림

한 가지 ‘누수’ 뒤에 여러 물리적 원인이 존재합니다.

같은 O-ring 문제를 PFMEA로 보면 질문이 달라집니다

설계 자체는 적절하다고 가정하겠습니다.

하지만 제조공정에서 문제가 생길 수 있습니다.

예를 들면

• O-ring 누락
• 잘못된 규격 장착
• 조립 중 절단
• 윤활 부족
• 이물질 끼임
• 비틀린 상태로 장착

등입니다.

즉, DFMEA에서는

설계가 잘못될 가능성

을 주로 보고,

PFMEA에서는

올바른 설계를 제대로 생산하지 못할 가능성

을 주로 봅니다.

고장 가능성을 어떻게 평가할까요?

FMEA에서는 모든 고장모드가 같은 위험을 가지는 것이 아니라고 봅니다.

예를 들어 두 가지 문제가 있다고 생각해보겠습니다.

A 문제:

제품 로고 색상이 조금 다름

B 문제:

과열로 화재 위험이 발생할 수 있음

발생 가능성이 비슷하더라도 중요도는 완전히 다릅니다.

그래서 전통적인 FMEA에서는 흔히 다음 세 가지 요소를 평가합니다.

• Severity
• Occurrence
• Detection

Severity는 무엇일까요?

Severity, 즉 심각도는 고장이 발생했을 때 영향이 얼마나 심각한지를 평가합니다.

예를 들어

• 외관상 작은 흠집
• 일시적인 성능 저하
• 제품 작동 중지
• 재산 피해
• 안전 문제

는 중요도가 다릅니다.

특히 안전과 관련된 고장은 발생 확률이 낮더라도 높은 심각도로 평가될 수 있습니다.

Occurrence는 무엇일까요?

Occurrence는 해당 고장원인이 얼마나 자주 발생할 가능성이 있는지를 평가합니다.

과거 제품 데이터가 있다면 실제 고장률을 참고할 수 있습니다.

새로운 설계라면 비슷한 제품의 경험과 시험자료, 엔지니어링 판단을 활용할 수 있습니다.

예를 들어 특정 접착제가 이미 여러 제품에서 박리 문제를 일으켰다면 발생 가능성을 높게 평가할 이유가 있습니다.

반대로 충분히 검증된 구조이고 발생사례가 거의 없다면 상대적으로 낮게 볼 수 있습니다.

Detection은 무엇일까요?

Detection, 즉 검출도는 제품이 고객에게 전달되기 전에 해당 문제를 얼마나 잘 발견할 수 있는지를 평가합니다.

예를 들어 제품 외관에 큰 균열이 있다면 출하검사에서 쉽게 발견할 수 있습니다.

하지만 PCB 내부 BGA 솔더볼에 아주 작은 균열이 있다면 일반 외관검사로 찾기 어렵습니다.

즉, 같은 고장이라도

검사에서 얼마나 쉽게 잡을 수 있는가

가 다릅니다.

눈에 잘 보이는 불량이 오히려 위험도가 낮을 수도 있습니다

예를 들어 조립불량이 발생해도 공정 마지막 단계에서 카메라 검사로 거의 모두 검출할 수 있다고 생각해보겠습니다.

고장 자체는 발생할 수 있지만 고객에게 전달될 가능성은 낮아집니다.

반대로 외관상 완벽해 보이지만 내부 접착력이 부족해 2년 뒤 박리되는 문제는 출하 당시 찾기 매우 어렵습니다.

따라서 제품 품질에서는 단순한 발생 가능성뿐 아니라 검출 가능성도 중요합니다.

RPN이란 무엇일까요?

전통적인 FMEA에서는 Severity, Occurrence, Detection의 점수를 이용해 RPN(Risk Priority Number)을 계산하기도 합니다.

일반적으로

RPN = S × O × D

형태입니다.

예를 들어

심각도 8

발생도 5

검출도 6

이라면 RPN은 240이 됩니다.

이 숫자를 이용해 개선이 필요한 항목의 우선순위를 정할 수 있습니다.

RPN이 높으면 무조건 가장 위험할까요?

여기에는 주의가 필요합니다.

RPN 하나만으로 모든 위험을 평가하는 데는 한계가 있습니다.

예를 들어 다음 두 고장을 생각해보겠습니다.

A:

심각도 10 × 발생도 2 × 검출도 2 = 40

B:

심각도 5 × 발생도 4 × 검출도 4 = 80

RPN만 보면 B가 더 높습니다.

하지만 A가 인명 안전과 관련된 고장이라면 단순히 RPN이 낮다는 이유로 우선순위를 낮추는 것은 적절하지 않을 수 있습니다.

그래서 실제 FMEA에서는 심각도가 높은 안전 관련 항목을 별도로 중요하게 관리할 수 있습니다.

최근에는 Action Priority라는 개념도 사용됩니다

자동차 산업의 AIAG & VDA 방식 등에서는 단순한 RPN 대신 Action Priority(AP)를 사용하기도 합니다.

Severity, Occurrence, Detection의 조합을 고려해 개선조치의 우선순위를 High, Medium, Low 등으로 판단하는 방식입니다.

핵심은 숫자 하나를 곱한 결과보다

어떤 종류의 위험이며 어떤 조치가 필요한가

에 더 집중하는 것입니다.

FMEA에서 숫자보다 중요한 것은 질문입니다

FMEA 표를 보면 수많은 숫자가 있기 때문에 점수 계산이 핵심처럼 느껴질 수 있습니다.

하지만 실제로 더 중요한 부분은 그 전에 있습니다.

• 무엇이 고장날 수 있는가?
• 왜 고장날 수 있는가?
• 고장나면 무엇이 영향을 받는가?
• 현재 설계가 이 문제를 어떻게 예방하고 있는가?
• 발생해도 어떻게 발견할 것인가?
• 위험을 더 줄이려면 무엇을 바꿔야 하는가?

이 질문 과정이 FMEA의 본질에 더 가깝습니다.

Control은 무엇을 의미할까요?

FMEA에서는 현재 제품이나 공정에 어떤 예방·검출 관리방법(Control)이 있는지도 확인합니다.

예를 들어 볼트 풀림이 위험한 고장이라고 생각해보겠습니다.

예방관리로는

• 적절한 체결 토크 설계
• 나사 고정제
• 풀림방지 와셔

등이 있을 수 있습니다.

검출관리로는

• 토크 모니터링
• 체결 높이 측정
• 비전 검사

등이 있을 수 있습니다.

즉, 고장 가능성을 낮추는 방법과 이미 발생한 불량을 찾아내는 방법을 구분해서 생각합니다.

예방이 검출보다 더 좋은 경우가 많은 이유

불량을 만든 뒤 검사에서 찾아내는 것보다 처음부터 불량이 발생하지 않도록 만드는 편이 일반적으로 더 효율적입니다.

예를 들어 부품을 거꾸로 조립할 수 있는 공정이 있다고 생각해보겠습니다.

방법 A:

조립 후 카메라로 방향을 검사합니다.

방법 B:

부품 구조 자체를 한 방향으로만 조립할 수 있게 변경합니다.

두 방식 모두 불량을 줄일 수 있습니다.

하지만 B는 잘못 조립될 가능성 자체를 없애거나 크게 줄입니다.

이런 개념은 Poka-Yoke, 즉 실수방지 설계와도 연결됩니다.

포카요케란 무엇일까요?

포카요케는 작업자가 실수해도 잘못된 조립이 발생하기 어렵도록 만드는 방법입니다.

예를 들어 특정 방향으로만 결합되도록 형상을 만드는 것을 생각할 수 있습니다.

또 두 부품의 색과 형상을 다르게 해 혼동을 줄일 수도 있습니다.

센서를 사용해 부품 누락을 자동 확인할 수도 있습니다.

즉, 사람에게

“실수하지 마세요.”

라고 반복해서 교육하는 것보다 실수해도 불량이 발생하기 어려운 구조를 만드는 것입니다.

사람의 실수를 원인으로 끝내면 왜 부족할까요?

고장분석에서

“작업자가 실수했습니다.”

라는 결론이 나오기도 합니다.

하지만 여기서 분석을 끝내면 같은 문제가 반복될 수 있습니다.

왜 실수할 수 있었을까요?

두 부품이 거의 똑같이 생겼을 수도 있습니다.

작업 지침이 불분명했을 수도 있습니다.

공정에서 잘못 조립해도 다음 단계로 넘어갈 수 있었을 수도 있습니다.

검사에서 발견되지 않았을 수도 있습니다.

따라서 더 좋은 질문은

“사람이 실수했을 때 왜 시스템이 그 실수를 막지 못했는가?”

입니다.

FMEA는 한 사람이 혼자 작성하면 부족할 수 있습니다

제품의 모든 고장을 한 사람이 알고 있기는 어렵습니다.

설계자는 구조를 잘 압니다.

재료 엔지니어는 재료 열화에 익숙합니다.

생산 엔지니어는 실제 조립공정을 압니다.

품질 담당자는 과거 고장 데이터를 알고 있습니다.

서비스 담당자는 고객 현장에서 어떤 문제가 발생하는지 알고 있습니다.

그래서 FMEA는 여러 기능의 사람이 참여하는 Cross-Functional Team 방식으로 진행하는 것이 중요한 경우가 많습니다.

현장 서비스 데이터가 FMEA에 중요한 이유

설계 단계에서는 엔지니어가 예상하지 못했던 고장이 실제 시장에서 나타날 수 있습니다.

예를 들어 설계자는 실내에서 사용할 것으로 예상했는데 고객이 습한 창고에서 사용하고 있을 수 있습니다.

사용자가 제품 위에 다른 장비를 쌓아 통풍구를 막을 수도 있습니다.

특정 세정제를 반복적으로 사용할 수도 있습니다.

이런 현장 정보가 FMEA에 반영되면 다음 제품의 위험분석이 훨씬 현실적으로 바뀔 수 있습니다.

FMEA는 한 번 만들고 끝나는 문서가 아닙니다

FMEA를 제품 개발 초기에 한 번 작성한 뒤 보관하는 서류처럼 사용하는 경우가 있을 수 있습니다.

하지만 그렇게 하면 가치가 크게 떨어집니다.

새로운 시험 결과가 나왔다면 업데이트해야 합니다.

설계가 변경되었다면 수정해야 합니다.

새로운 시장 고장이 발견됐다면 추가해야 합니다.

공급업체가 바뀌었다면 위험을 다시 검토할 수 있습니다.

즉, 좋은 FMEA는 제품과 함께 계속 발전하는 Living Document에 가깝습니다.

설계를 바꾸면 새로운 고장이 생길 수도 있습니다

특정 문제를 해결했다고 모든 위험이 감소하는 것은 아닙니다.

예를 들어 플라스틱 하우징이 잘 깨져 두께를 크게 늘렸다고 생각해보겠습니다.

충격강도는 좋아질 수 있습니다.

하지만 냉각을 위한 공간이 줄어 내부 온도가 높아질 수도 있습니다.

무게가 증가할 수도 있습니다.

사출성형 과정에서 수축과 뒤틀림 문제가 커질 수도 있습니다.

따라서 설계변경 후에는 새로운 Failure Mode가 만들어지지 않았는지 다시 검토해야 합니다.

더 강한 재료로 바꾸는 것이 항상 해결책은 아닙니다

금속 부품이 부러졌다고 더 강한 금속으로 바꾸면 문제를 해결할 수 있을 것처럼 보입니다.

하지만 원인이 응력집중에 있다면 다른 위치가 파손될 수 있습니다.

접착제를 더 강하게 바꾸면 이번에는 바탕재가 뜯길 수도 있습니다.

고무를 더 단단하게 바꾸면 마모는 줄지만 씰링 성능이 떨어질 수도 있습니다.

FMEA의 중요한 장점은 하나의 개선조치가 전체 시스템에 미치는 영향을 다시 생각하게 만든다는 점입니다.

FMEA와 고장분석은 서로 반대 방향으로 진행됩니다

실제 고장이 발생한 뒤 하는 Failure Analysis는 결과에서 시작해 원인을 찾습니다.

예를 들어

제품 정지

→ 커넥터 과열

→ 접촉저항 증가

→ 접점 부식

→ 수분 침투

와 같이 뒤로 추적합니다.

반면 FMEA는 가능한 원인에서 앞으로 진행합니다.

수분이 들어오면?

→ 커넥터가 부식될 수 있습니다.

→ 접촉저항이 올라갈 수 있습니다.

→ 발열이 증가할 수 있습니다.

→ 제품이 정지할 수 있습니다.

즉, Failure Analysis가 과거를 복원하는 작업이라면 FMEA는 미래의 고장을 예상하는 작업에 가깝습니다.

실제 고장분석 결과가 FMEA를 더 정확하게 만듭니다

FMEA에서 예상했던 고장모드가 실제 시장에서 발생했다면 발생도 평가를 수정할 수 있습니다.

반대로 전혀 예상하지 못한 고장이 반복된다면 새로운 항목으로 추가해야 합니다.

그래서

FMEA → 제품 시험 → 시장 사용 → 고장분석 → FMEA 개선

이라는 순환이 만들어질 수 있습니다.

이 과정을 반복할수록 제품에 대한 고장 지식이 축적됩니다.

FMEA와 Fault Tree Analysis는 무엇이 다를까요?

앞서 살펴본 FTA(Fault Tree Analysis)도 고장을 분석하는 방법입니다.

하지만 접근 방향에 차이가 있습니다.

FMEA는 보통 개별 부품이나 기능에서 시작합니다.

“이 부품이 이런 방식으로 고장나면 시스템에 어떤 영향을 줄까?”

를 살펴봅니다.

즉, 비교적 Bottom-Up 접근입니다.

반면 FTA는 특정 최종 고장에서 시작합니다.

“제품이 갑자기 꺼지려면 어떤 사건들이 발생해야 할까?”

를 아래 방향으로 분해합니다.

즉, 비교적 Top-Down 접근입니다.

두 방법은 서로 경쟁하는 방법이라기보다 목적에 따라 함께 사용할 수 있습니다.

자동차가 시동되지 않는 문제를 FTA로 보면

최상위 사건을

엔진 시동 불가

라고 정의할 수 있습니다.

그 아래 가능한 원인을 나눕니다.

• 배터리 전력 부족
• 스타터 시스템 문제
• 연료 공급 문제
• 제어 시스템 문제

각 항목을 다시 세부 원인으로 나눕니다.

FTA는 특정 시스템 고장이 만들어지는 논리적 경로를 확인하는 데 유용합니다.

같은 문제를 FMEA로 보면

스타터 모터라는 부품을 하나씩 살펴볼 수 있습니다.

가능한 고장모드:

• 회전하지 않음
• 토크 부족
• 간헐적 접촉
• 과열

각 고장모드의 원인과 시스템 영향을 분석합니다.

즉, 같은 제품이라도 분석 방향이 다릅니다.

FMEA와 5 Why는 어떻게 연결될까요?

FMEA에서 특정 고장원인을 발견했지만 원인이 너무 포괄적일 수 있습니다.

예를 들어

“볼트가 느슨해짐”

이라고 적혀 있다고 생각해보겠습니다.

왜 느슨해졌을까요?

체결력이 부족했습니다.

왜 부족했을까요?

토크가 낮았습니다.

왜 토크가 낮았을까요?

체결장비가 규정 토크를 내지 못했습니다.

왜 장비가 정상 작동하지 않았을까요?

정기적인 교정과 확인이 이루어지지 않았습니다.

이런 식으로 5 Why 같은 근본원인 분석을 활용해 FMEA의 원인을 더 깊게 이해할 수 있습니다.

모든 가능한 고장을 적으면 FMEA가 끝없이 커지지 않을까요?

맞습니다.

이론적으로 가능한 모든 사건을 적으려 하면 끝이 없습니다.

그래서 제품의 기능과 실제 사용환경, 과거 데이터 등을 기준으로 현실적으로 의미 있는 고장모드에 집중해야 합니다.

“운석이 공장에 떨어져 제품이 파손됨”

같은 극단적인 사건까지 일반적인 제품 FMEA에 모두 포함할 필요는 없습니다.

핵심은 합리적으로 예상할 수 있는 고장을 체계적으로 검토하는 것입니다.

제품 기능부터 정의해야 하는 이유

FMEA에서는 부품 이름부터 보는 것보다 해당 부품이 어떤 기능을 수행해야 하는지를 정의하는 것이 중요합니다.

예를 들어 O-ring의 기능은 단순히

‘고무 링’

이 아닙니다.

기능은

정해진 압력과 온도에서 유체 누출을 방지하는 것

입니다.

이렇게 기능을 정의하면 고장모드도 더 명확해집니다.

• 누설
• 과도한 변형
• 압력 유지 실패

제품을 기능 관점으로 보는 이유입니다.

기능이 명확하면 시험도 명확해집니다

접착부의 기능이

“두 부품을 붙인다.”

보다

“80℃ 환경에서 5년 동안 100N의 전단하중을 견딘다.”

라고 정의되어 있다면 어떤 시험이 필요한지 훨씬 명확합니다.

온도 조건을 고려해야 합니다.

시간 의존적인 크리프를 봐야 합니다.

전단하중 시험이 필요합니다.

이렇게 FMEA와 제품 요구사항, 신뢰성 시험이 서로 연결됩니다.

FMEA가 가속수명시험에도 영향을 줄 수 있습니다

가속수명시험을 설계할 때도 FMEA가 도움이 됩니다.

FMEA에서 가장 중요한 고장모드가 무엇인지 알고 있다면 해당 메커니즘을 가속할 수 있는 시험을 설계할 수 있기 때문입니다.

예를 들어 주요 위험이

솔더 열피로

라면 온도사이클 시험이 중요할 수 있습니다.

고무 경화

라면 고온노화시험을 고려할 수 있습니다.

UV에 의한 플라스틱 취화

라면 내후성 시험이 필요합니다.

PCB 전기화학적 이동

이라면 온습도와 전압, 오염조건을 고려할 수 있습니다.

즉, 좋은 신뢰성 시험은 위험분석과 따로 존재하지 않습니다.

시험에서 한 번도 고장나지 않은 항목은 FMEA에서 지워도 될까요?

그렇게 단순하지는 않습니다.

시험이 해당 고장조건을 제대로 재현하지 못했을 수도 있습니다.

표본 수가 적어 드문 고장을 발견하지 못했을 수도 있습니다.

실제 사용기간이 시험보다 훨씬 길 수도 있습니다.

특히 심각도가 높은 안전 관련 고장이라면 시험에서 발생하지 않았다는 이유만으로 위험이 완전히 제거됐다고 보기 어렵습니다.

심각도는 설계를 바꾸지 않으면 쉽게 낮아지지 않는 경우가 많습니다

예를 들어 배터리 단락이 발생하면 화재 위험이 있다고 생각해보겠습니다.

검사를 강화하면 불량제품이 출하될 가능성을 줄일 수 있습니다.

그러면 Detection 또는 Occurrence는 개선될 수 있습니다.

하지만 실제 단락이 발생했을 때 화재로 이어지는 구조가 그대로라면 Severity 자체는 변하지 않을 수 있습니다.

심각도를 낮추려면 보호회로나 열차단, 불연 구조처럼 고장 결과 자체를 완화하는 설계가 필요할 수 있습니다.

안전 설계에서는 ‘고장이 안 난다’만으로 부족합니다

완벽하게 고장나지 않는 제품을 만들 수 있다면 가장 좋겠지만 현실적으로 모든 고장 가능성을 0으로 만들기는 어렵습니다.

그래서 안전과 관련된 시스템에서는

고장이 발생해도 위험한 결과로 이어지지 않게 만드는 것

도 중요합니다.

예를 들어 온도센서가 고장났을 때 히터가 계속 최대출력으로 동작하는 것보다 시스템을 안전하게 정지하도록 만드는 편이 나을 수 있습니다.

이것이 Fail-Safe 설계와 연결됩니다.

센서를 두 개 넣으면 신뢰성이 무조건 좋아질까요?

중복설계는 특정 고장의 영향을 줄일 수 있습니다.

하지만 두 센서가 같은 위치에서 같은 원인으로 동시에 손상될 수 있다면 효과가 제한적일 수 있습니다.

예를 들어 화재로 배선 하나가 손상될 때 두 센서의 케이블이 모두 같은 경로에 있다면 동시에 기능을 잃을 수 있습니다.

이런 문제를 Common Cause Failure와 연결해 볼 수 있습니다.

따라서 FMEA에서는 중복부품의 개수뿐 아니라 독립성도 생각해야 합니다.

같은 커넥터를 두 개 병렬로 연결하면 정말 안전할까요?

전류를 분산해 접촉저항과 발열을 줄일 수 있는 경우가 있습니다.

하지만 두 커넥터가 같은 오염환경에 있고 동시에 부식된다면 공통원인이 존재합니다.

조립자가 두 개 모두 제대로 연결하지 않을 가능성도 있습니다.

즉, 단순히 부품을 더 많이 사용하는 것과 시스템 신뢰성을 높이는 것은 항상 같은 의미가 아닙니다.

FMEA는 재료 선택에도 사용할 수 있습니다

재료를 선택할 때 단순히 초기 강도와 가격만 비교하면 장기 고장을 놓칠 수 있습니다.

예를 들어 실외용 고무씰이라면 다음을 생각해야 합니다.

• 오존
• UV
• 온도
• 물
• 사용 유체
• 압축영구변형

NBR이 오일에 강하다는 이유만으로 야외 환경에도 항상 가장 좋은 선택은 아닐 수 있습니다.

EPDM은 오존과 날씨에 강점이 있지만 석유계 오일과의 호환성에서는 적합하지 않을 수 있습니다.

재료의 장단점을 Failure Mode와 연결하면 선택이 훨씬 명확해집니다.

금속 선택도 마찬가지입니다

강한 금속을 선택했는데 부식환경에 맞지 않을 수 있습니다.

스테인리스를 사용했지만 염화물이 많은 틈에서 공식부식이 발생할 수 있습니다.

서로 다른 금속을 접촉시켜 갈바닉 부식이 발생할 수도 있습니다.

즉, 재료 선택에서는

“어떤 재료가 더 강한가?”

보다

“이 환경에서 어떤 방식으로 고장날 가능성이 있는가?”

를 보는 것이 중요합니다.

FMEA를 잘하면 고장을 완전히 없앨 수 있을까요?

그렇지는 않습니다.

FMEA는 미래를 정확하게 예측하는 도구가 아닙니다.

사람이 예상하지 못한 새로운 고장이 발생할 수 있습니다.

실제 사용환경이 설계자가 예상한 것과 다를 수도 있습니다.

새로운 공급업체나 재료 변경으로 위험이 생길 수도 있습니다.

따라서 FMEA의 목적은 고장을 0으로 보장하는 것이 아니라 예측 가능한 위험을 체계적으로 찾아 우선순위를 정하고 줄이는 것에 가깝습니다.

좋은 FMEA와 형식적인 FMEA의 차이

표를 수십 페이지 작성했다고 좋은 FMEA가 되는 것은 아닙니다.

형식적인 FMEA에서는 흔히 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 과거 문서를 그대로 복사
• 모든 항목에 비슷한 점수 사용
• 실제 고장 데이터 미반영
• 개선조치 없이 점수만 낮춤
• 설계 변경 후 업데이트하지 않음
• 너무 포괄적인 고장모드 사용

반대로 좋은 FMEA에서는 실제 제품의 기능과 고장 메커니즘을 구체적으로 연결합니다.

‘부품 파손’이라고만 쓰면 부족한 이유

‘부품 파손’은 너무 넓은 표현입니다.

어떻게 파손되는지가 중요합니다.

• 피로균열
• 취성파괴
• 마모
• 부식
• 크리프
• 응력부식균열

은 원인도 다르고 예방방법도 다릅니다.

따라서 가능한 경우 Failure Mode를 물리적 고장 메커니즘과 연결해서 구체적으로 정의하는 것이 도움이 됩니다.

‘노화’도 원인으로는 너무 넓을 수 있습니다

고무가 오래되어 누수됐다는 설명도 마찬가지입니다.

왜 노화됐을까요?

열산화로 경화됐을 수 있습니다.

압축영구변형이 증가했을 수 있습니다.

오일에 의해 팽윤했을 수도 있습니다.

오존균열이 발생했을 수도 있습니다.

원인을 구체적으로 정의해야 적절한 개선조치를 선택할 수 있습니다.

개선조치는 구체적이어야 합니다

FMEA에서 위험을 발견한 뒤

“품질 강화”

“작업자 주의”

“검사 철저”

같은 표현만 적는다면 실제 개선으로 이어지기 어렵습니다.

보다 구체적인 조치가 필요합니다.

예를 들어

• 사용환경에 적합한 O-ring 재질로 변경
• 커넥터 실링 구조 추가
• 접착 전 플라즈마 처리 적용
• 체결 토크 모니터링 시스템 추가
• PCB 콘포멀 코팅 적용
• 히트싱크 면적 증가

처럼 무엇을 어떻게 바꿀 것인지 명확해야 합니다.

조치 후에는 실제 위험이 줄었는지 확인해야 합니다

FMEA에서 개선조치를 정했다고 문제가 해결된 것은 아닙니다.

변경된 설계와 공정이 실제로 효과가 있는지 검증해야 합니다.

예를 들어 접착 박리를 줄이기 위해 프라이머를 추가했다면 환경시험 후 접착력 개선 여부를 확인해야 합니다.

냉각팬을 키웠다면 실제 부품 온도가 얼마나 낮아졌는지 측정해야 합니다.

즉,

FMEA → 개선조치 → 검증시험

까지 이어져야 합니다.

개선조치 자체가 또 다른 Failure Mode를 만들 수 있습니다

예를 들어 제품 내부로 물이 들어오는 것을 막기 위해 하우징을 완전히 밀폐했다고 생각해보겠습니다.

방수 성능은 좋아질 수 있습니다.

하지만 내부 열이 빠져나가지 않아 전자부품 온도가 상승할 수 있습니다.

즉,

수분 위험은 줄었지만 열 위험이 증가했습니다.

그래서 설계변경 후에는 다시 FMEA를 검토해야 합니다.

시스템은 서로 연결되어 있기 때문입니다.

실제 제품은 하나의 고장모드만 갖지 않습니다

스마트폰 충전 커넥터 하나만 봐도 여러 고장이 가능합니다.

• 마모
• 부식
• 이물질 축적
• 기계적 변형
• 접촉저항 증가
• 과열
• 납땜 균열

이 가운데 일부는 서로 연결됩니다.

마모가 접촉상태를 나쁘게 만들 수 있습니다.

접촉저항이 증가하면 발열이 커질 수 있습니다.

열이 플라스틱을 변형시켜 접촉압력을 더 낮출 수도 있습니다.

따라서 FMEA는 단순한 고장 목록이 아니라 고장 사이의 관계를 이해하는 작업이기도 합니다.

고장모드는 다른 고장의 원인이 될 수도 있습니다

예를 들어 팬 회전수 저하는 하나의 Failure Mode입니다.

하지만 시스템 수준에서는 CPU 과열의 Cause가 될 수 있습니다.

CPU 과열은 다시 시스템 종료라는 Effect를 만듭니다.

즉, 같은 사건도 분석하는 시스템 수준에 따라

원인

이 되기도 하고

고장모드

가 되기도 하며

결과

가 되기도 합니다.

이 때문에 FMEA를 시작하기 전에 분석 범위를 명확히 정하는 것이 중요합니다.

부품 수준과 시스템 수준을 섞으면 왜 혼란스러울까요?

팬이라는 부품 수준에서는

Failure Mode: 회전하지 않음

Effect: 냉각 공기 흐름 없음

입니다.

노트북 전체 시스템 수준에서는

Failure Mode: 냉각기능 상실

Effect: CPU 과열 및 시스템 종료

로 볼 수 있습니다.

어느 수준을 분석하고 있는지 명확해야 Cause-Mode-Effect 관계가 일관됩니다.

FMEA는 결국 ‘상상력’이 아니라 지식의 축적입니다

처음 새로운 제품을 설계할 때는 예상 가능한 고장이 제한적일 수 있습니다.

하지만 제품을 시험하고 시장에서 사용하면서 실제 고장 데이터가 쌓입니다.

그 정보가 다음 FMEA에 들어갑니다.

어떤 재료가 어떤 환경에서 깨지는지 알게 됩니다.

어떤 커넥터가 습기에 취약한지 알게 됩니다.

어떤 접착제가 특정 플라스틱에서 떨어지는지 알게 됩니다.

어떤 설계에서 응력집중이 반복되는지 알게 됩니다.

그래서 좋은 FMEA는 단순한 브레인스토밍이 아니라 과거의 실패를 미래 제품에 반영하는 지식 시스템에 가깝습니다.

실패한 제품 하나가 다음 제품의 신뢰성을 높일 수 있습니다

고장은 제조사와 사용자 모두에게 좋지 않은 일입니다.

하지만 원인을 제대로 분석한다면 실패한 제품은 매우 중요한 정보를 제공합니다.

어디가 약했는지 알려줍니다.

어떤 환경을 예상하지 못했는지 보여줍니다.

어떤 검사에서 문제를 놓쳤는지 알려줍니다.

그리고 그 내용을 FMEA에 반영하면 같은 고장의 재발 가능성을 낮출 수 있습니다.

즉,

Failure Analysis는 과거의 고장을 설명하고, FMEA는 그 지식을 이용해 미래의 고장을 줄입니다.

좋은 제품은 고장이 없는 제품이라기보다 고장을 미리 생각한 제품에 가깝습니다

어떤 재료도 영원하지 않습니다.

금속은 피로와 부식을 경험할 수 있습니다.

플라스틱은 열과 자외선으로 열화됩니다.

고무는 경화되고 압축영구변형을 겪을 수 있습니다.

접착제는 박리될 수 있습니다.

전자부품은 온도와 습기, 전기적 스트레스를 받습니다.

따라서 제품 설계에서 중요한 것은

“절대로 고장나지 않게 만들자.”

라는 막연한 목표만 세우는 것이 아닙니다.

보다 현실적인 질문은 다음과 같습니다.

“이 제품은 어떤 방식으로 고장날 가능성이 있으며, 그중 어떤 고장이 가장 위험하고, 우리는 그 고장을 어떻게 예방하거나 발견할 것인가?”

FMEA는 바로 이 질문을 체계적으로 반복하는 방법입니다.

그리고 그 과정에서 가장 중요한 것은 점수표 자체가 아닙니다.

제품이 아직 멀쩡할 때부터 망가질 가능성을 구체적으로 상상하고, 그 가능성을 실제 재료와 물리적 메커니즘으로 설명하는 것입니다.

고장이 발생한 뒤

“왜 이런 일이 생겼을까?”

라고 묻는 것도 중요하지만,

그보다 한 단계 앞선 엔지니어링은 제품이 만들어지기 전에 먼저 질문합니다.

“만약 이 부분이 고장난다면, 그다음에는 어떤 일이 벌어질까?”