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고장 모드 및 영향 분석

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목차

1. 개요

고장 모드 및 영향 분석(FMEA)은 시스템, 설계 또는 프로세스에서 발생 가능한 고장 모드를 식별하고 그 영향을 평가하여 예방 및 완화 조치를 취하는 체계적인 방법이다. 1940년대 미국 군대에서 시작되어, 항공우주, 자동차, 의료 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 제품의 신뢰성, 안전성, 품질 향상에 기여한다. FMEA는 설계 FMEA, 기능 FMEA, 공정 FMEA 등으로 분류되며, 잠재적 고장 모드 식별, 영향 분석, 원인 분석, 검출 방법 분석, 위험 평가 등의 단계를 거쳐 수행된다. FMEA는 설계 개선, 문제 해결, 팀워크 촉진, 품질 및 안전성 향상, 비용 절감 등의 장점을 가지지만, 결과의 포괄성 부족, 순위 반전, 워크시트의 복잡성 등의 한계도 존재한다. 자동차, 항공우주, 의료 산업 등에서 FMEA는 잠재적 결함을 예방하고, 안전 및 품질을 확보하는 데 활용된다.

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고장 모드 및 영향 분석
개요
명칭고장 모드 및 영향 분석 (고장 형태 영향 분석)
영어 명칭Failure Mode and Effects Analysis (FMEA)
목적잠재적 고장 모드를 식별하고 그 영향 분석을 통해 시스템의 신뢰성과 안전성을 향상시키는 것
적용 분야제품 설계, 프로세스 개발, 서비스 운영 등 다양한 분야에서 활용
주요 단계시스템 정의
고장 모드 식별
영향 분석
위험 평가
개선 조치
상세 정보
고장 모드 (Failure Mode)시스템, 부품, 또는 공정에서 발생할 수 있는 고장의 형태 (예: 단락, 개방, 오작동 등)
영향 (Effect)고장 모드가 시스템 또는 사용자에게 미치는 결과 (예: 시스템 중단, 안전 위험, 품질 저하 등)
위험 우선 순위 (Risk Priority Number, RPN)고장의 발생 가능성, 심각도, 탐지 가능성을 고려하여 계산되는 값으로, 개선 조치의 우선 순위를 결정하는 데 사용
발생 가능성 (Occurrence)특정 고장 모드가 발생할 확률
심각도 (Severity)고장 모드가 발생했을 때의 잠재적 손실 규모
탐지 가능성 (Detection)고장 모드가 발생하기 전에 또는 발생 직후에 탐지할 수 있는 가능성
FMEA 종류
설계 FMEA (Design FMEA)제품 설계 단계에서 잠재적인 고장 모드를 분석
공정 FMEA (Process FMEA)제조 공정에서 잠재적인 고장 모드를 분석
시스템 FMEA (System FMEA)시스템 전체 수준에서 잠재적인 고장 모드를 분석
서비스 FMEA (Service FMEA)서비스 제공 과정에서 잠재적인 고장 모드를 분석
활용 방법
팀 구성다양한 분야의 전문가로 팀을 구성하여 FMEA 수행
브레인스토밍잠재적인 고장 모드를 식별하기 위해 브레인스토밍 기법 활용
체크리스트 활용과거의 고장 사례를 바탕으로 체크리스트를 작성하여 활용
소프트웨어 활용FMEA 분석을 지원하는 소프트웨어 활용
장점
시스템 신뢰성 향상잠재적인 고장 모드를 사전에 식별하고 예방하여 시스템의 신뢰성을 향상
안전성 향상안전 관련 고장 모드를 식별하고 개선하여 안전성을 향상
비용 절감고장으로 인한 비용을 절감
의사 결정 지원위험 우선 순위를 기반으로 의사 결정을 지원
단점
시간과 비용 소모FMEA 수행에 시간과 비용이 소모될 수 있음
주관성 개입분석가의 주관적인 판단이 결과에 영향을 미칠 수 있음
완벽성 보장 불가모든 잠재적인 고장 모드를 식별하는 것을 보장할 수 없음
참고 문헌

2. 역사

FMEA는 1940년대 미군에서 처음 개발되었으며, 군사 절차 문서 MIL-P-1629로 정식화되었다.[5] 1960년대에는 미국 항공우주국(NASA)이 아폴로 계획 등 우주 개발 프로그램에 FMEA를 적용하여 신뢰성과 안전성을 확보하는 데 기여하였다.[9][10][11]

1970년대에 포드 자동차 회사는 핀토 사건 이후 FMEA를 자동차 산업에 도입하여 안전 및 규제 준수를 강화하였다. 포드는 생산 시작 전에 잠재적인 공정 유발 실패를 고려하기 위해 동일한 접근 방식을 공정(PFMEA)에도 적용했다. 자동차 산업 행동 그룹(AIAG)은 1993년 자동차 산업을 위한 FMEA 표준을 처음 발행하였고,[17] 2019년에는 AIAG/VDA FMEA 핸드북으로 개정되었다.[21]

FMEA는 현재 다양한 산업 분야에서 활용되고 있으며, 특히 자동차 산업에서는 IATF 16949와 같은 국제 품질 표준에 따라 FMEA 적용이 요구된다. 일본에서는 1970년경부터 FMEA가 일반적으로 사용되기 시작했으며,[51] 토요타 자동차는 FMEA를 "고장 모드에 기초한 설계 리뷰(DRBFM)"로 발전시켜 활용하고 있다.[54]

2. 1. 한국에서의 FMEA 도입과 발전

한국에서는 1970년대경부터 FMEA가 일반적으로 사용되기 시작했다.[51] 1980년대 이후에는 제조업, 특히 자동차, 전자, 조선 등 주요 산업 분야에서 FMEA를 적극적으로 활용하여 제품의 신뢰성 및 안전성을 높이고 있다.

자동차 산업에서는 ISO TS 16949 표준에 따라 FTA, FMEA를 함께 적용하고 있다. 토요타 자동차는 FMEA를 "고장 모드에 기초한 설계 리뷰 (DRBFM)"로 발전시켜 GD3 (좋은 설계, 좋은 토론, 좋은 관찰)의 일부로 활용하고 있다.[54]

최근에는 산업 현장의 안전 문제가 중요해지면서 FMEA와 같은 체계적인 위험 관리 방법론이 더욱 강조되고 있다.

3. FMEA의 종류

FMEA는 적용 범위에 따라 크게 설계 FMEA, 기능 FMEA, 공정 FMEA로 나눌 수 있다.


  • '''기능 FMEA (Functional FMEA)''': 설계 솔루션이 제공되기 전, 잠재적인 기능적 고장 영향에 대해 평가할 수 있다. 시스템의 기능적 분석을 기반으로 하며, 소프트웨어 평가에도 사용될 수 있다.
  • '''개념 설계/하드웨어 FMEA (Concept design / hardware FMEA)''': 초기 설계 개념 단계에서 시스템 또는 하위 시스템을 분석하여 고장 메커니즘과 하위 수준의 기능적 고장을 분석하며, 특히 다양한 개념 솔루션에 대해 더 자세히 분석한다. 이는 트레이드오프 연구에 사용될 수 있다.
  • '''상세 설계/하드웨어 FMEA (Detailed design / hardware FMEA)''': 설계 FMEA 참조.
  • '''공정 FMEA (Process FMEA)''': 공정 FMEA 참조.

3. 1. 설계 FMEA (Design FMEA)

FME(C)A는 예상되는 구성 요소의 고장을 체계적으로 분석하고 시스템 작동에 미치는 결과를 식별하는 데 사용되는 설계 도구이다.[3] 설계와 동시에 계획하고 완료해야 하며, 적시에 완료되면 설계 결정을 안내하는 데 도움이 될 수 있다.[3] FMECA는 모든 부품 고장 모드를 식별하지만, 주요 이점은 개발 노력의 가장 초기 단계에서 설계 수정을 통해 제거하거나 최소화할 수 있도록 모든 중요하고 치명적인 서브시스템 또는 시스템 고장 모드를 조기에 식별하는 것이다.[3]

상세 설계/하드웨어(Detailed design / hardware) FMEA는 생산 전 제품을 분석한다. 이는 가장 상세한 FMEA이며, 최하위 부품 수준까지 가능한 모든 하드웨어(또는 기타) 고장 모드를 식별하는 데 사용된다. 이는 하드웨어 분석(예: BOM = 자재 명세서)을 기반으로 해야 한다. 모든 고장 영향 심각도, 고장 예방(완화), 고장 감지 및 진단을 이 FMEA에서 완전히 분석할 수 있다.[3]

고장 모드는 "고장 상태의 형식에 따른 분류. 예를 들어, 단선, 단락, 절손, 마모, 특성 저하 등"[46]이며, "고장 그 자체가 아니라, 고장을 야기하는 불량 현상의 양식 분류이다."[47] 다른 말로 표현하면, 제품 시스템을 구성하는 항목(item)의 구조적인 (근원적인) 파괴를 말한다.

FMEA는 다음과 같은 흐름으로 진행될 수 있다. 제품, 시장 규모, 상황, 단계, 중요도 등에 따라 방법을 맞춤 설정하는 것이 중요하다.

1. 요원 선정 및 소집: FMEA를 실시하기 위해 4명에서 6명의 임시 FMEA 팀을 조직한다. 요원은 다양한 분야에서 선발하며, 대상 제품(또는 공정)에 대한 이해도도 다양하게 갖는 것이 좋다.[55]

2. 시스템 구조 및 기능 파악: 팀이 다루는 대상이 무엇인지 확인하기 위해 이 작업을 수행한다. 도면이나 플로우차트 등의 설계 자료 및 제품 프로토타입, 공정을 팀원 전체가 검토하여 FMEA 대상(제품·공정)에 대해 공통의 정확한 이해를 갖도록 한다.[57]

3. 대상 부위 선정: 제품이나 공정 전체에 대해 한 번에 FMEA를 수행하는 것은 현실적이지 않으므로, 적절한 단위로 분할한다. FMEA 수행 중 탈선을 방지하기 위해 각 FMEA의 대상은 명확하고 구체적으로 결정해야 한다.[58]

4. 요구되는 기능 기술: 고장 모드를 열거할 때, 어떤 고장에 대해 그것을 일으키는 고장 모드를 생각하는[59] 경우도 있기 때문에,[60] 요구되는 기능을 고장 모드 앞에 쓰는 양식을 습관적으로 사용한다.[61]

3. 2. 기능 FMEA (Functional FMEA)

기능 FMEA는 시스템의 기능적 관점에서 잠재적인 고장 모드를 식별하고 그 영향을 평가하는 방법이다. 주로 하드웨어 및 소프트웨어의 기능 구성에 주목하여 분석하며, 시스템 수준의 고장 영향을 파악하는 데 유용하다.[3]

기능 FMEA는 기능을 기본적인 분석 단위로 사용한다. 먼저, 설계가 충족해야 하는 기능을 나열한다. 이 기능 목록은 잘 수행된 고장 모드 및 영향 분석(FMEA)의 시작점이 된다. 이러한 접근 방식은 개념 설계뿐만 아니라 상세 설계, 하드웨어 및 소프트웨어, 그리고 설계 복잡도와 관계없이 FMEA를 수행할 수 있게 한다.[3]

FMEA 수행 시, 인터페이스 하드웨어나 소프트웨어는 사양 내에서 작동한다고 가정한다. 이후, 인터페이스 하드웨어 기능의 가능한 고장 모드(예: 기능 없음, 과기능, 저기능, 간헐적 기능, 의도하지 않은 기능)를 검토하여 설계 요소의 고장 원인으로 확장한다. 이를 통해 시스템의 다른 부분에서 기능 고장에 대한 설계를 견고하게 만들 수 있다.[3]

FMEA는 일반적으로 다음과 같은 단계를 따른다.

1. 고장 모드 열거: 발생 가능성을 고려하지 않고 잠재적인 고장 모드를 모두 나열한다. 설계 FMEA의 경우 설계된 상태에 잠재된 고장 모드만, 공정 FMEA의 경우 설계는 옳다는 전제하에 고장 모드를 열거한다.[62]

2. 고장 모드의 영향: 각 고장 모드가 시스템에 미치는 영향을 고려한다. 하나의 고장 모드가 여러 영향을 미칠 수 있으며, 부품 내 고장 모드가 상위 장치에 미치는 영향도 고려해야 한다.[62]

3. 예상되는 고장 모드의 원인 기술: 각 고장 모드의 원인을 간략하게 기술하되, 대책에 직접 연결될 수 있도록 구체적으로 작성한다. (예: "진동에 의한 ○○과의 마모")[62]

4. 영향의 심각도·빈도·검출 가능성 평가: 각 고장 모드에 대해 심각도, 빈도, 검출 가능성의 세 가지 지표로 점수를 매긴다. 점수는 1부터 10까지(또는 4, 5단계)로 평가하며, 각 지표의 점수는 낮을수록 좋다. 평가 수준은 미리 정해두고 일관되게 사용한다.[64][65][66][67]

5. 위험 우선 지수(RPN) 계산 및 대책 요청: RPN은 세 지표의 평가 점수를 곱한 값이다. RPN이 높은 고장 모드를 우선적으로 대책 대상으로 선정한다. RPN 값과 관계없이 심각도가 높은 고장 모드는 반드시 대책 대상으로 한다.[64]

FMEA와 관련된 주요 용어는 다음과 같다.[29]

용어정의
고장명시된 조건에서 기능의 손실
고장 모드고장이 발생하는 특정 방식 (예: 단선, 단락, 파손, 마모)[46]
고장 원인/메커니즘고장 모드로 이어지는 근본적인 원인 또는 원인 시퀀스 (예: 구조 빔의 피로 또는 부식)
고장 영향고장의 직접적인 결과 (예: 작동 불능, 성능 저하)
심각도고장 모드의 결과로 인한 최악의 잠재적 결과
빈도고장 모드가 발생할 가능성
검출 가능성고장 모드를 발견할 수 있는 가능성
위험 우선 지수 (RPN)심각도 × 빈도 × 검출 가능성


3. 3. 공정 FMEA (Process FMEA)

공정 FMEA는 제조 및 조립 공정을 분석하여 품질과 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 잠재적 결함을 예방하거나 완화하기 위한 분석 방법이다. 작업, 관리, 인력, 재료, 설비, 방법, 환경 등 공정 요소를 분석하고, 제품에 미치는 영향을 예측한다.[3]

공정 FMEA에서는 부품을 장착하지 않거나, 올바른 순서로 장착하지 않는 등 해당 공정에서 정해진 작업을 위반하는 것을 고장 모드(failure mode)로 간주한다.[46][47] 이러한 고장 모드로 인해 발생하는 불량이나 문제는 "영향"으로 분류되며, 고장 모드 자체는 아니다.

FMEA는 제품, 시장 규모, 상황, 단계, 중요도 등에 따라 방법을 맞춤 설정(tailoring)하는 것이 중요하며, 일반적으로 다음과 같은 절차를 따른다.

  • 대책 실시: FMEA 결과를 바탕으로 문제 해결을 위한 대책을 실행한다.
  • 대책 실시 후 치명도 재평가: 대책 실행 후 치명도가 감소했는지, 새로운 문제가 발생하지 않았는지 검증한다.
  • 중요한 고장 모드 정보 공유: 대책 수립이 어려운 구성 요소나 고장 모드에 대한 정보를 공유하여 향후 활용한다.
  • 2차 FMEA 실시: 필요한 경우, 분석 범위를 좁혀 추가 FMEA를 실시한다.

4. FMEA 수행 절차

FMEA는 일반적으로 시스템, 서브시스템, 어셈블리, 서브어셈블리 또는 부품 수준에서 수행될 수 있으며, 설계와 동시에 계획되고 완료되어야 하는 살아있는 문서이다.[3] 이는 설계 결정을 안내하고, 설계 문제를 조기에 식별하여 개발 노력의 초기 단계에서 수정하거나 최소화할 수 있도록 돕는다.[3]

FMEA 수행 절차는 다음과 같다.


  • 기능 나열: 분석 대상 설계가 충족해야 하는 기능을 나열한다. 이는 잘 수행된 FMEA의 시작점이며, 최상의 결과를 얻기 위한 기본이 된다.
  • 단일 고장 분석: 각 부품 고장을 시스템에서 유일한 고장으로 간주한다 (단일 고장 분석).[3]
  • 인터페이스 FMEA: 시스템 간 인터페이스와 모든 기능 인터페이스에 주의를 기울여 FMEA를 수행한다. 이는 인터페이스 장치 중 하나의 고장으로 인해 돌이킬 수 없는 손상이 전파되지 않도록 보장하기 위함이다.[3]
  • FMECA: FMEA는 원인 분석(CA) 없이 수행할 수 있지만, CA를 위해서는 FMEA가 이전에 시스템 수준의 치명적인 고장을 식별해야 한다. 두 단계를 모두 수행하면 전체 프로세스를 FMECA라고 한다.[3]


FMEA는 다음과 같은 경우에 사용해야 한다.[26]

  • 제품 또는 공정을 설계(또는 재설계)할 때
  • 기존 제품 또는 공정이 새로운 방식으로 적용될 때
  • 신규 또는 재설계된 공정에 대한 관리 계획 또는 절차를 개발하기 전에
  • 기존 제품, 공정 또는 서비스를 개선하려는 경우
  • 기존 제품, 공정 또는 서비스의 고장을 분석할 때
  • 제품, 공정 또는 서비스의 수명 주기 전반에 걸쳐 주기적이고 정기적으로


FMEA는 다음과 같은 경우에 업데이트해야 한다.[26]

  • 새로운 사이클이 시작될 때(신제품/공정)
  • 작동 조건이 변경될 때
  • 설계 변경이 있을 때
  • 새로운 규정이 제정될 때
  • 고객 피드백에서 문제가 지적될 때


FMEA는 FTA와 함께 국제 전기 표준 회의(IEC)의 국제 표준(IEC 60812:2018)이 되었으며, 제2판인 IEC 60812:2006은 JIS C 5750-4-3:2011로 발행되었다.[45]

4. 1. 준비 단계

FMEA를 시작하기 전에, 프로젝트 절차, 분석의 기반이 되는 가정, 분석에 포함되거나 제외되는 하드웨어 및 그 이유 등 몇 가지 기본 규칙을 정의해야 한다. 또한 기본 규칙에는 분석의 계층 수준 (예: 부품, 하위 시스템, 시스템), 기본 하드웨어 상태, 시스템 및 임무 성공 기준 등이 포함된다.[45] 분석이 진행됨에 따라 기본 규칙을 확장하고 명확하게 할 수 있다. 일반적인 기본 규칙(가정)은 다음과 같다.

# 한 번에 하나의 고장 모드만 존재한다.

# 분석 대상 항목에 대한 모든 입력(소프트웨어 명령 포함)은 정해진 값으로 존재한다.

# 모든 소모품이 충분한 양으로 존재한다.

# 정상적인 전원을 사용할 수 있다.

최악의 부정적인 결과(상태)에 대한 심각도(Severity)를 결정한다. 이러한 영향은 사용자가 기능 고장의 관점에서 보거나 경험할 수 있는 내용으로 작성하는 것이 편리하다. 예를 들어, 기능의 완전한 손실, 성능 저하, 반전 모드에서의 기능, 너무 늦은 기능, 불규칙한 기능 등이 있다. 각 결과에는 비용, 생명 손실, 삶의 질 등을 기준으로 심각도(S) 숫자가 부여된다. (예: I(영향 없음)에서 V(치명적)까지). 이러한 숫자는 고장 모드의 우선 순위를 정하는 데 사용된다. 다음은 일반적인 심각도 분류이다.

등급의미
1신뢰성 또는 안전에 영향 없음
2매우 경미함, 손상 없음, 부상 없음, 유지 보수 조치만 발생 (구분력이 있는 고객만 인지)
3경미함, 낮은 손상, 경미한 부상 (시스템에 거의 영향을 미치지 않으며, 일반 고객이 인지)
4치명적 (주요 기능 손실 야기, 모든 안전 여유 손실, 재앙 직전의 1회 고장, 심각한 손상, 심각한 부상, 최대 1명의 사망 가능성)
5치명적 (제품 작동 불능, 고장으로 인해 완전히 안전하지 않은 작동 및 다수의 사망 가능성 발생)


4. 2. 분석 단계

FMEA(고장 모드 및 영향 분석)의 분석 단계는 시스템/프로세스에서 발생 가능한 잠재적 고장 모드를 식별하고, 각 고장이 시스템에 미치는 영향과 원인, 검출 가능성을 분석하여 위험 수준을 평가하는 과정이다.
1. 고장 모드 식별:시스템/프로세스에서 발생 가능한 모든 잠재적 고장 모드를 식별한다. 고장 모드는 부품, 구성 요소, 기능, 장비, 하위 시스템 또는 시스템의 고장 측면에서 고장이 발생하는 특정 방식 또는 방법이다.[29] 예를 들어, 부품 FMEA에서는 "완전히 파손된 차축", "변형된 차축", "열린 상태로 고착", "단락" 또는 "간헐적인 전기 접촉"과 같은 상세한 고장 모드를 식별한다.[29] 기능 FMEA에서는 "기능 없음", "과기능", "저기능", "간헐적 기능" 또는 "의도하지 않은 기능"과 같이 기능적 고장 모드를 식별한다.[29]
2. 영향 분석:각 고장 모드가 시스템/프로세스에 미치는 영향을 분석하고, 심각도(S)를 평가한다. 고장 영향은 기능에 의해 충족되어야 하지만 현재 충족되지 않거나 완전히 충족되지 않은, 작동 또는 고객/사용자의 요구 사항에 대한 고장의 직접적인 결과이다.[29] 심각도는 고장 모드의 결과로 발생할 수 있는 최악의 잠재적 결과를 고려하여 평가한다. 예를 들어, 다음과 같이 심각도 등급을 나눌 수 있다.[31]

등급의미
1신뢰성 또는 안전에 관련 영향 없음
2매우 경미함, 손상 없음, 부상 없음, 유지 보수 조치만 발생 (구분력이 있는 고객만 인지)
3경미함, 낮은 손상, 경미한 부상 (시스템에 거의 영향을 미치지 않으며, 일반 고객이 인지)
4치명적 (주요 기능 손실 야기, 모든 안전 여유 손실, 재앙 직전의 1회 고장, 심각한 손상, 심각한 부상, 최대 1명의 사망 가능성)
5치명적 (제품 작동 불능, 고장으로 인해 완전히 안전하지 않은 작동 및 다수의 사망 가능성 발생)


3. 원인 분석:각 고장 모드의 발생 원인을 분석하고, 발생 빈도(O)를 평가한다. 고장 원인은 요구 사항, 설계, 공정, 품질 관리, 취급 또는 부품 적용의 결함으로, 특정 시간 동안 고장 모드로 이어지는 프로세스(메커니즘)를 시작하는 근본적인 원인 또는 원인 시퀀스이다.[29] 고장 원인의 예로는 취급 시의 인적 오류, 제조 유발 결함, 피로, 크리프, 마모, 오류 알고리즘, 과도한 전압 또는 부적절한 작동 조건 등이 있다.[26] 발생 빈도는 고장이 발생할 가능성을 나타내며, 다음과 같이 등급을 나눌 수 있다.[26]

등급의미
1극히 드문 경우 (거의 불가능하거나 유사한 제품 또는 프로세스에서 알려진 발생 사례 없음, 많은 가동 시간)
2희귀 (상대적으로 적은 고장)
3가끔 (가끔 발생하는 고장)
4비교적 가능 (반복되는 고장)
5빈번 (고장은 거의 불가피함)


4. 검출 방법 분석:고장 모드를 검출할 수 있는 방법을 분석하고, 검출 가능성(D)을 평가한다. 검출은 유지 보수 담당자, 운영자 또는 내장된 감지 시스템에 의한 고장 모드의 감지 수단을 의미한다.[29] 검출 가능성은 고장 모드 또는 원인을 정상적인 시스템 작동 중 운영자가 어떻게 발견할 수 있는지, 또는 유지보수 작업자가 어떤 진단 조치나 자동 내장 시스템 테스트를 통해 발견할 수 있는지에 따라 평가된다.[29] 예를 들어, 다음과 같이 검출 가능성 등급을 나눌 수 있다.

평점의미
1확실함 - 고장이 테스트에서 감지됨
2거의 확실함
3높음
4보통
5낮음
6운영자 또는 유지보수 담당자가 고장을 감지하지 못함


5. 위험 평가:심각도(S), 발생 빈도(O), 검출 가능성(D)을 종합하여 위험 우선 순위(RPN) 또는 작업 우선 순위(AP)를 계산하고, 위험 수준을 평가한다. RPN은 심각도, 발생 빈도, 검출 가능성의 곱으로 계산된다.[29] AP는 AIAG / VDA FMEA 핸드북 2019에서 이전의 위험 매트릭스와 RPN을 대체하며, 추가적인 개선 조치의 필요성에 대한 진술을 한다.[29]

4. 3. 개선 단계

FMEA의 개선 단계는 다음과 같이 이루어진다.

1. 개선 대책 수립: 위험 수준이 높은 고장 모드에 대해 예방 또는 완화 대책을 수립한다.

2. 대책 실행 및 효과 검증: 수립된 대책을 실행하고, 그 효과를 검증하여 위험 수준이 감소했는지 확인한다.

3. 문서화 및 지속적 개선: FMEA 결과를 문서화하고, 지속적으로 업데이트하여 시스템/프로세스의 안전성 및 신뢰성을 개선한다.[69]

이시다의 의견처럼 "FMEA 실행 체계에 대한 개선을 거듭하는 것이 중요"하다.[69]

5. FMEA의 장점 및 한계

FMEA는 예상되는 구성 요소 고장을 체계적으로 분석하고 시스템 작동에 미치는 결과를 식별하는 데 사용되는 설계 도구이다.[3] FMEA는 고장 모드 및 영향 분석(FMEA)과 중요도 분석(CA)으로 구성될 수 있으며, 시스템, 서브시스템, 어셈블리, 서브어셈블리 또는 부품 수준에서 수행할 수 있다.

FMEA는 설계와 동시에 계획하고 완료해야 하는 살아있는 문서이다. 적시에 완료되면 설계 결정을 안내하는 데 도움이 될 수 있으며, 설계 문제를 식별하는 효율성과 적시성에 따라 그 유용성이 결정된다. FMEA의 주요 이점은 개발 초기 단계에서 설계 수정을 통해 중요하거나 치명적인 시스템 고장 모드를 조기에 식별하여 제거하거나 최소화하는 것이다.

FMEA는 다음과 같은 한계도 지니고 있다.


  • 분석 범위 및 가정에 따라 결과가 달라질 수 있으며, 모든 고장 모드를 완벽하게 예측하기는 어렵다. 복잡한 시스템의 경우 분석에 많은 시간과 노력이 소요될 수 있다.
  • RPN 또는 AP 계산 방식에 따라 결과가 달라질 수 있으며, 주관적인 판단이 개입될 여지가 있다.
  • FMEA 자체로는 문제 해결을 보장하지 않으며, 지속적인 관리와 개선 노력이 필요하다.

5. 1. 장점

FMECA는 시스템, 서브시스템, 어셈블리, 서브어셈블리 또는 부품 수준에서 수행할 수 있으며, 설계와 동시에 계획하고 완료해야 하는 살아있는 문서이다.[3] 적시에 완료되면 설계 결정을 안내하는 데 도움이 되며, 개발 노력의 초기 단계에서 설계 수정을 통해 중요하고 치명적인 고장 모드를 조기에 식별하는 것이 주요 이점이다.[3]

제대로 구현된 FMECA는 다음과 같은 주요 이점을 제공한다.[3]

  • 성공적인 작동과 안전을 보장하는 설계를 선택하기 위한 문서화된 방법을 제공한다.
  • 잠재적인 고장 메커니즘, 고장 모드 및 시스템 작동에 미치는 영향을 평가하는 문서화된 일관된 방법을 제공하며, 시스템 영향의 심각성과 발생 가능성에 따라 순위가 매겨진 고장 모드 목록을 생성한다.
  • 단일 고장 지점(SFPS)과 시스템 인터페이스 문제점을 조기에 식별하며, 이는 임무 성공 및/또는 안전에 중요할 수 있다. 또한, 중복 요소 간의 전환이 가정된 단일 고장으로 인해 위험에 처하지 않음을 확인하는 방법을 제공한다.
  • 설계 및/또는 운영 절차에 대한 제안된 변경 사항이 임무 성공 및 안전에 미치는 영향을 평가하는 효과적인 방법이다.
  • 비행 중 문제 해결 절차의 기반이 되며 성능 모니터링 및 고장 감지 장치를 찾는 데 도움이 된다.
  • 테스트 조기 계획을 위한 기준을 제시한다.


FMECA 절차는 설계에 대한 질서정연한 평가를 가능하게 하며, 특히 SFPS의 조기 식별, 문제 해결 절차에 대한 입력, 성능 모니터링/고장 감지 장치 위치 확인이 가장 중요한 이점이다.[3]

FMEA는 다음과 같은 경우에 사용해야 한다.[26]

  • 제품 또는 공정을 설계(또는 재설계)할 때
  • 기존 제품 또는 공정이 새로운 방식으로 적용될 때
  • 신규 또는 재설계된 공정에 대한 관리 계획 또는 절차를 개발하기 전에
  • 기존 제품, 공정 또는 서비스를 개선하려는 경우
  • 기존 제품, 공정 또는 서비스의 고장을 분석할 때
  • 제품, 공정 또는 서비스의 수명 주기 전반에 걸쳐 주기적이고 정기적으로


또한 FMEA는 다음과 같은 이점을 제공한다.

  • 문제 예방 강조
  • 법적 요구 사항(제품 책임) 충족
  • 기업 이미지 및 경쟁력 향상
  • 생산 수율 향상
  • 제품/프로세스의 품질, 신뢰성 및 안전성 향상
  • 사용자 만족도 증가
  • 이윤 극대화
  • 후기 변경 및 관련 비용 최소화
  • 회사 이익 마진에 미치는 영향 감소
  • 시스템 개발 시간 및 비용 절감
  • 향후 동일한 종류의 고장 발생 가능성 감소
  • 보증 문제 발생 가능성 감소

5. 2. 한계

FMEA는 시스템의 중요한 위험 요소를 식별하지만, 그 결과가 포괄적이지 않을 수 있으며 접근 방식에는 한계가 있다.[32][33][34]

  • 분석 범위 및 가정의 한계: 분석 범위 및 가정에 따라 결과가 달라질 수 있으며, 모든 고장 모드를 완벽하게 예측하기는 어렵다. 복잡한 시스템의 경우, 분석에 많은 시간과 노력이 소요될 수 있다.
  • RPN/AP 계산 방식의 한계: RPN 또는 AP 계산 방식에 따라 결과가 달라질 수 있으며, 주관적인 판단이 개입될 여지가 있다. 특히, 심각도, 발생 및 감지 순위의 곱셈은 순위 반전을 초래할 수 있다.[35] 이는 순위가 서수 척도 숫자이며 서수 숫자에는 곱셈이 정의되지 않기 때문이다. 새로운 AIAG / VDA FMEA 핸드북 (2019)에서는 RPN 접근 방식이 AP (작업 우선 순위)로 대체되었다.[39][40]
  • FMEA 자체의 한계: FMEA 자체로는 문제 해결을 보장하지 않으며, 지속적인 관리 및 개선 노력이 필요하다.
  • 하향식/상향식 분석의 한계: 하향식 도구로 사용되는 경우 FMEA는 시스템의 주요 고장 모드만 식별할 수 있다. 상향식 도구로 사용될 때 FMEA는 고장 트리 분석(FTA)를 보완하여 상위 수준 증상으로 이어지는 훨씬 더 많은 원인 및 고장 모드를 식별할 수 있지만, 하위 시스템 내의 여러 고장을 포함하는 복잡한 고장 모드를 발견하거나, 상위 수준 하위 시스템 또는 시스템까지 특정 고장 모드의 예상 고장 간격을 보고할 수 없다.


의료 환경에서 FMEA, SWIFT (구조적 What If 기법) 및 사후 평가 방식을 포함한 다른 위험 평가 방법은 단독으로 사용될 경우 유효성이 제한적인 것으로 나타났다. 범위 설정 및 조직 경계와 관련된 문제는 이러한 유효성 부족의 주요 요인으로 보인다.[32]

6. FMEA 활용 사례

FMEA는 체계적인 분석을 통해 시스템 작동에 미치는 결과를 파악하는 설계 도구이다.[3] FMEA는 시스템, 서브시스템, 어셈블리 등 다양한 수준에서 수행될 수 있으며, 설계와 동시에 진행되어야 설계 결정에 실질적인 도움을 줄 수 있다.

FMEA의 주요 이점은 다음과 같다.


  • 성공적인 작동과 안전을 보장하는 설계를 선택하기 위한 문서화된 방법을 제공한다.
  • 잠재적인 고장 메커니즘, 고장 모드 및 시스템 작동에 미치는 영향을 평가한다.
  • 단일 고장 지점(SFPS)과 시스템 인터페이스 문제점을 조기에 식별한다.
  • 설계 및 운영 절차 변경이 임무 성공 및 안전에 미치는 영향을 평가한다.
  • 문제 해결 절차의 기반을 마련하고, 성능 모니터링 및 고장 감지 장치를 찾는 데 도움을 준다.
  • 테스트 조기 계획을 위한 기준을 제시한다.


FMEA 절차는 1949년 미국 육군 군사 절차 문서 MIL-P-1629에 설명되었으며,[5] 1980년 MIL-STD-1629A로 개정되었다.[6]

FMEA는 본래 군사적 목적으로 개발되었으나, 현재는 여러 산업 분야에서 활용되고 있다. 대표적인 활용 사례는 다음과 같다.

  • 자동차 산업: 포드는 핀토 사건 이후 안전 및 규제 준수를 위해 FMEA를 도입했다.[16] 자동차 산업 행동 그룹(AIAG)은 자동차 산업을 위한 FMEA 표준을 발행했으며,[17] 2019년에는 AIAG, 자동차 산업 연합(VDA), SAE 등의 FMEA 표준을 통합한 AIAG / VDA FMEA 핸드북이 나왔다.[21][22][23]
  • 항공우주 산업: 1960년대 초, 미국 항공우주국(NASA)은 아폴로 계획 등 다양한 프로그램에 FMEA를 활용했다.[7][8][9][10][11] SAE International(SAE)는 1967년 항공우주 분야 FMEA 관련 문서인 ARP926을 발행했으며,[12] 현재는 ARP4761로 대체되었다.
  • 의료 산업: FMEA는 의료 기기 설계 및 제조 과정에서 환자 안전 확보 및 의료 사고 예방을 위해 활용된다.[25]


이 외에도 FMEA는 반도체 처리, 식품 서비스, 플라스틱, 소프트웨어 등 다양한 산업에서 활용된다.[25]

6. 1. 자동차 산업

포드는 핀토 사건 이후 안전 및 규제 준수를 위해 FMEA를 자동차 산업에 도입했다.[16] 포드는 생산 시작 전에 잠재적인 공정 유발 실패를 고려하기 위해 동일한 접근 방식을 공정(PFMEA)에 적용했다. 1993년 자동차 산업 행동 그룹(AIAG)은 자동차 산업을 위한 FMEA 표준을 처음 발행했다.[17] 2019년에는 AIAG, 자동차 산업 연합(VDA), SAE 및 기타 방법 설명의 이전 FMEA 표준을 통합한 새로운 AIAG / VDA FMEA 핸드북이 나왔다.[21][22][23] 2024년 현재, AIAG / VDA FMEA 핸드북은 제너럴 모터스(GM), 포드, 스텔란티스, 혼다(Honda NA), BMW, 폭스바겐 그룹, 메르세데스-벤츠 그룹(Mercedes-Benz Group AG)(구 다임러 AG) 및 다임러 트럭에서 허용된다.[24]

IATF 16949:2016 릴리스 이후, 기업이 조직별로 문서화된 FMEA 프로세스를 갖도록 요구하는 국제 품질 표준에 따라, 포드와 같은 많은 주문자 상표 부착 생산(OEM)은 특정 FMEA 소프트웨어 사용을 포함하도록 고객별 요구 사항(CSR)을 업데이트하고 있다.[27]

도요타는 고장 모드 기반 설계 검토(DRBFM) 접근 방식을 통해 FMEA를 한 단계 더 발전시켰다. 이 방법은 현재 미국 품질 학회에서 지원하며, 이 방법을 적용하는 방법에 대한 자세한 가이드를 제공한다.[26]

6. 2. 항공우주 산업

1960년대 초, 미국 항공우주국(NASA)의 계약업체들은 다양한 이름으로 FMEA 또는 FMECA의 변형된 형태를 사용하기 시작했다.[7][8] FMEA는 아폴로 계획, 바이킹 계획, 보이저 계획, 마젤란 탐사선, 갈릴레오, 스카이랩 등 NASA 프로그램에서 사용되었다.[9][10][11]

FMEA는 인간을 달에 보내고 안전하게 지구로 귀환시키는 방법을 개발하던 1960년대에 중요한 원동력이 되었다. 아폴로 계획에서 HACCP 프로세스에 적용되었으며, 이후 HACCP는 식품 업계 전체로 널리 퍼졌다.[50]

민간 항공 산업은 FMEA를 일찍 도입했으며, SAE International(SAE)는 1967년에 ARP926을 발행했다.[12] 두 번의 개정 이후, 항공우주 권장 실무 ARP926은 현재 민간 항공에서 널리 사용되는 ARP4761로 대체되었다.

6. 3. 의료 산업

고장 모드 및 영향 분석(FMEA)은 의료 기기 설계 및 제조 과정에서 환자 안전을 확보하고 의료 사고를 예방하기 위해 활용된다.[25] 새로운 의료 기술 개발 및 임상 시험에도 FMEA를 적용하여 위험을 최소화한다.[25]

7. 결론

FME(C)A는 예상되는 구성 요소 고장을 체계적으로 분석하고 시스템 작동에 미치는 결과를 식별하는 데 사용되는 설계 도구이다. 이 분석은 때때로 고장 모드 및 영향 분석(FMEA)과 중요도 분석(CA)의 두 가지 하위 분석으로 구성된다고 특징지어진다.[3] FMEA는 시스템, 서브시스템, 어셈블리, 서브어셈블리 또는 부품 수준에서 수행할 수 있다. FMECA는 하드웨어 설계 개발 중에 설계와 동시에 계획하고 완료해야 하는 살아있는 문서여야 한다. 적시에 완료되면 FMECA는 설계 결정을 안내하는 데 도움이 될 수 있다. 설계 도구로서 그리고 의사 결정 과정에서 FMECA의 유용성은 설계 문제를 식별하는 효율성과 적시성에 달려 있다. FMECA는 모든 부품 고장 모드를 식별하지만, 주요 이점은 개발 노력의 가장 초기 단계에서 설계 수정을 통해 제거하거나 최소화할 수 있도록 모든 중요하고 치명적인 서브시스템 또는 시스템 고장 모드를 조기에 식별하는 것이다. 따라서 FMECA는 예비 설계 정보가 제공되는 즉시 시스템 수준에서 수행되어야 하며, 상세 설계가 진행됨에 따라 하위 수준으로 확장되어야 한다.

더 완벽한 시나리오 모델링을 위해 고장 트리 분석(FTA)과 같은 다른 유형의 신뢰성 분석을 고려할 수 있다. FTA는 항목 내 및/또는 유지 관리 및 물류를 포함하는 항목 외부에 있는 여러 고장을 처리할 수 있는 '연역적'(역방향 논리) 고장 분석이다. FTA는 더 높은 기능적/시스템 수준에서 시작한다. FTA는 기본 고장 모드 FMEA 기록 또는 영향 요약을 입력 중 하나(기본 이벤트)로 사용할 수 있다. 시나리오 모델링을 완료하기 위해 인터페이스 위험 분석, 인적 오류 분석 등이 추가될 수 있다.

참조

[1] 서적 System Reliability Theory: Models, Statistical Methods, and Applications Wiley
[2] 논문 On the use of fuzzy inference techniques in assessment models: part II: industrial applications http://ir.unimas.my/[...]
[3] 서적 Jet Propulsion Laboratory Reliability Analysis Handbook http://www.everyspec[...] Jet Propulsion Laboratory 1990-07
[4] 서적 Performing a Failure Mode and Effects Analysis http://www.everyspec[...] Goddard Space Flight Center 1996-08-10
[5] 서적 MIL-P-1629 – Procedures for performing a failure mode effect and critical analysis http://www.assistdoc[...] Department of Defense (US) 1949-11-09
[6] 서적 MIL-STD-1629A – Procedures for performing a failure mode effect and criticality analysis https://assist.daps.[...] Department of Defense (USA) 1980-11-24
[7] 서적 Modes of Failure Analysis Summary for the Nerva B-2 Reactor Westinghouse Electric Corporation Astronuclear Laboratory
[8] 서적 State of the Art Reliability Estimate of Saturn V Propulsion Systems General Electric Company
[9] 서적 Procedure for Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (FMECA) National Aeronautics and Space Administration
[10] 서적 Failure Modes, Effects, and Criticality Analysis (FMECA) http://www.klabs.org[...] National Aeronautics and Space Administration JPL 2010-03-13
[11] 서적 Experimenters' Reference Based Upon Skylab Experiment Management https://ntrs.nasa.go[...] National Aeronautics and Space Administration George C. Marshall Space Flight Center 2011-08-16
[12] 서적 Design Analysis Procedure For Failure Modes, Effects and Criticality Analysis (FMECA) https://www.sae.org/[...] Society for Automotive Engineers
[13] 서적 Applicability of NASA Contract Quality Management and Failure Mode Effect Analysis Procedures to the USFS Outer Continental Shelf Oil and Gas Lease Management Program https://ntrs.nasa.go[...] National Aeronautics and Space Administration George C. Marshall Space Flight Center 2011-08-16
[14] 서적 Application of Selected Industrial Engineering Techniques to Wastewater Treatment Plants http://nepis.epa.gov[...] United States Environmental Protection Agency 2012-11-10
[15] 논문 Happy 50th Birthday to HACCP: Retrospective and Prospective http://www.foodsafet[...] 2009-12
[16] 논문 Reliability Analysis of Catalytic Converter as an Automotive Emission Control System
[17] 서적 Potential Failure Mode and Effect Analysis Automotive Industry Action Group
[18] 서적 Potential Failure Mode and Effect Analysis (FMEA), 4th Edition https://www.aiag.org[...] Automotive Industry Action Group
[19] 서적 Potential Failure Mode and Effects Analysis in Design (Design FMEA), Potential Failure Mode and Effects Analysis in Manufacturing and Assembly Processes (Process FMEA), and Potential Failure Mode and Effects Analysis for Machinery (Machinery FMEA) http://standards.sae[...] SAE International
[20] 서적 Potential Failure Mode and Effects Analysis in Design (Design FMEA) and Potential Failure Mode and Effects Analysis in Manufacturing and Assembly Processes (Process FMEA) and Effects Analysis for Machinery (Machinery FMEA) http://standards.sae[...] SAE International
[21] 웹사이트 AIAG / VDA FMEA handbook 2019 https://www.aiag.org[...] 2020-09-14
[22] 웹사이트 VDA: German automotive industry demands the highest quality from its products https://www.vda.de/e[...] 2020-09-14
[23] 웹사이트 Introducing the AIAG-VDA DFMEA https://www.qualityd[...] qualitydigest 2019-06-19
[24] 웹사이트 (FMEA/DFMEA/PFMEA) Failure Mode & Effects Analysis https://www.aiag.org[...] 2024-07-30
[25] 논문 Performing Failure Mode and Effect Analysis http://www.embeddedt[...] 2007-12-31
[26] 웹사이트 Failure Mode Effects Analysis (FMEA) http://www.asq.org/l[...] ASQ 2012-02-15
[27] 웹사이트 17 December 2021 – Ford CSRs for use with IATF 16949 – International Automotive Task Force https://www.iatfglob[...] 2024-07-30
[28] 논문 Ford Motor Company Customer-Specific Requirements For IATF-16949:2016 https://www.iatfglob[...] 2022-01-03
[29] 서적 Logistics: Principles and Applications McGraw Hill
[30] 간행물 Failure Mode/Mechanism Distributions http://infostore.sai[...] Reliability Analysis Center
[31] 웹사이트 MIL-STD-882 E SYSTEM SAFETY http://www.everyspec[...] 2017-01-04
[32] 논문 Assessing the validity of prospective hazard analysis methods: A comparison of two techniques
[33] 논문 Failure mode and effects analysis: too little for too much?
[34] 논문 Is failure mode and effect analysis reliable?
[35] 논문 Scenario-Based Failure Modes and Effects Analysis Using Expected Cost
[36] 논문 A new two-stage fuzzy inference system-based approach to prioritize failures in failure mode and effect analysis http://ir.unimas.my/[...]
[37] 논문 n Analytical Interval Fuzzy Inference System for Risk Evaluation and Prioritization in Failure Mode and Effect Analysis
[38] 논문 A perceptual computing-based method to prioritize failure modes in failure mode and effect analysis and its application to edible bird nest farming http://ir.unimas.my/[...]
[39] 웹사이트 AIAG / VDA FMEA handbook 2019 https://www.aiag.org[...] 2020-11-23
[40] 웹사이트 VDA: German automotive industry demands the highest quality from its products https://www.vda.de/e[...] 2020-11-23
[41] 논문 A clustering-based failure mode and effect analysis model and its application to the edible bird nest industry http://ir.unimas.my/[...] 2019-07-14
[42] 논문 Clustering and visualization of failure modes using an evolving tree http://ir.unimas.my/[...] 2015-11
[43] 논문 Application of Self-Organizing Map to Failure Modes and Effects Analysis Methodology http://ir.unimas.my/[...] 2017-03
[44] 웹사이트 Building a FMEA https://diametricsof[...] Diametric Software Ltd. 2020-03-13
[45] 문서 ここでは、簡潔に記述してある旧版（JIS Z 8115:1981）の定義を述べた。現在のJIS Z 8115：2000「ディペンダビリティ（信頼性）用語」では、「フォールトモード・影響解析」の中で、「あるアイテムにおいて，各下位アイテムに存在し得るフォールトモードの調査，並びにその他の下位のアイテム及び元のアイテム，さらに，上位のアイテムの要求機能に対するフォールトモードの影響度の決定を含む定性的な信頼性解析手法。FMEAは、設計の不具合及び潜在的な欠点を見出すために実施される。」と規定されている。
[46] 문서 JIS Z8115:1981。JIS Z8115:2000も参照のこと。
[47] 서적 設計開発の品質マネジメント 日科技連出版社
[48] 문서 この'''かもしれない'''(実際に起こるかどうかは問題ではない)を強調するため、故障モードは「'''潜在的'''故障モード(potential failure mode)」という言い方もされる。
[49] 간행물 Procedure for performing a failure mode effect and criticality analysis United States Military Procedure 1949-11-09
[50] 뉴스 Happy 50th Birthday to HACCP: Retrospective and Prospective FoodSafety magazine 2009-12
[51] 서적 FMEAとFTA 日本規格協会
[52] 웹사이트 Quality Associates International's History of FMEA http://www.quality-o[...]
[53] 웹사이트 E. Fadlovich, Performing Failure Mode and Effect Analysis http://www.embeddedt[...]
[54] 논문 Scenario-Based Failure Modes and Effects Analysis Using Expected Cost 2004-11
[55] 문서 Mcdermottほか、pp.28-29
[56] 서적 先端技術者のためのトラブルシューティング技術 日科技連出版社
[57] 문서 Mcdermottほか、pp.33-34
[58] 문서 Mcdermottほか、pp.26-27
[59] 서적 POTENTIAL FAILURE MODE AND EFFECTS ANALYSIS (Reference Manual 4th Edition) AIAG
[60] 문서 とにかく故障モードを漏れなく列挙することが大事なので、時には逆に見て見落としがないかどうか確かめることもよい場合があるかもしれない。ただし、ある故障を挙げ、その原因を数え上げていく手法はFTAと呼ばれる手法である。
[61] 문서 例えばAIAGのマニュアル(Chryslerほか、p74)を参照。そこには自動車のドアパネル内側へのワックス塗布工程に対する工程FMEAの例を掲載している。
[62] 문서 Mcdermottほか、pp.34-35
[63] 문서 安全分析において、HAZOP, FMEA, FTAの組み合わせによる リスクアセスメントの進め方 https://www.slidesha[...] 日本学術会議 2015-07
[64] 문서 久米、pp.145-147
[65] 문서 Mcdermottほか、pp.37-40
[66] 문서 石田、pp.78-81
[67] 문서 工程FMEAのIT展開に実施 日本科学技術連盟
[68] 문서 Chryslerほか、p.136
[69] 문서 石田、p.82
[70] 문서 JIS Z8115:2000「ディペンダビリティ（信頼性）用語」より。
[71] 서적 プロセスFMEAを実施する場合、プロセスの5大要素の観点から考察することは有用である。すなわち、人、材料、設備、方法及び環境である。
[72] 서적 System Reliability Theory: Models, Statistical Methods, and Applications https://archive.org/[...] Wiley
[73] 간행물 On the use of fuzzy inference techniques in assessment models: part II: industrial applications http://ir.unimas.my/[...]


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