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제조에 있어서 설계가 중요한 이유

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글/앤드류 윌리엄스(Andrew Williams, Berken Energy 전기공학자), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

위대한 아이디어를 위대한 제품으로 구현해내기 위해서는 두 가지의 공학적 작업을 수행해야 한다. 하나는 모든 장치의 기능에 대한 요구 사항을 충족하는 작업 모델을 작성하는 데 중점을 둔 개발을 위한 설계다. 또 하나는 대량 생산이 가능한 작업 모델을 만드는 데 중점을 둔 제조를 위한 설계(DFM)다. 성공적인 제품을 만들려면 두 가지 유형의 공학적 작업이 모두 필요하다. 이 둘의 차이점은 실제로 해결하려는 문제의 차이점이다.
개발을 위해 설계를 한다는 것은 아이디어가 실제로 구현이 가능한 일이라는 것을 증명하고, 이를 어떻게 구현할지 그 방법을 찾는 과정이다(그림 1). 필요한 기능을 제공하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어가 수행해야 할 작업은 물론, 사용자들이 이 장치를 이용해 어떻게 상호작용할 것인지에 대해서도 생각해야 한다. 설계를 개선할수록 점점 더 시제품과 모양과 기능이 흡사한 작품을 만들어 나갈 수 있을 것이다. 아마 처음에는 익숙한 부품이나 수중에 있는 물품들을 사용해 작업을 시작하게 될 것이다.

[그림 1] 첫 번째 설계는 실제로는 제조 가능하지 않은 최선의 설계가 아닐 수 있다.

“제조를 시작하게 되면 생산 라인에서 나오는 제품을 테스트할 수 있어야 한다.”

제조를 위한 설계(DFM)는 다양한 엔지니어링 문제를 고려해야 한다. Berken Energy의 전기공학자 앤드류 윌리엄스(Andrew Williams)는 DFM을 “제작이 용이하고 조립이 간단하여 지그 테스트에 적합하고, 비용과 성능을 고려한 소자들을 선택하여 공급 관리의 답을 찾는 것이다. 비용 절감과 시장 출시 시간 단축을 목표로 하는 설계에 대한 프로젝트 관리 접근 방식이라고 볼 수 있다”라고 설명한다. 잘못된 DFM을 사용할 경우 최종 단계에서 설계를 변경해야 하거나, 필요한 부품을 구하지 못하거나, 부품이나 하위 부품들의 리드 타임, 생산 라인에서 발생할 수 있는 제품의 고장률이 높아지는 등 생산에 방해가 되는 많은 문제가 발생할 수 있다. 윌리엄스는 “일어날 수 있는 모든 일에 대비하고 있다”며 “문제가 발생할 경우 아직 준비된 상태가 아니라면 프로젝트 타임라인이 늘어나는 것은 당연한 일”이라고 전했다.
제조를 위한 설계(DFM)는 다음을 포함한 몇 가지 주요 영역에 중점을 두고 있다:
• 부품 선택 - 초기 개발 작업에 사용되는 많은 부품은 제조 제품에 최적화되어 있지 않거나 적합하지 않을 가능성이 매우 높기 때문에, DFM 과정에서 제조에 사용될 정확한 부품을 선택하는 것은 중요한 일이다(그림 2). 부품을 선택할 때 비용이나 가용성, 품질 및 완성된 설계 제품과의 호환성 등 부품 선택에 영향을 미치는 요인들이 다수 있다. 이러한 요인의 중요성은 설계 중인 제품의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 윌리엄스의 회사 Berken Energy는 산업공정에서 배출되는 폐열로 전력을 생산하는 제품을 설계하고 있다. 그는 “우리에게는 비용과 산업 환경에서 작동할 수 있는 기능이 중요하다. 우리 장비는 고온에 노출될 것이며, 기름이나 물과 같은 액체에도 닿을 수 있다. 때문에 이러한 조건에서 안정적으로 작동할 수 있는 부품들이 필요하다”라고 설명한다. 가용성 또한 중요한 요인이며, 핵심 부품이 제조사에 의해 단계적으로 생산 중단된다면 어떻게 할 것인지 비상 계획을 세우는 것이 좋다. 공급업체 한 곳에서 제품이 품절될 경우를 대비해 다른 공급업체를 확보하는 세컨드소싱 또한 부품 가용성을 보장하는 하나의 방법이다.
윌리엄스는 “나는 각기 다른 판매업체로부터 적어도 3개의 견적을 받으려 한다”며, “부품의 2차 공급자, 비용, 리드 타임을 파악하는 것은 DFM에 있어서 매우 큰 부분이다”라고 설명했다.

[그림 2] DFM 프로세스의 일부는 제조 공정을 최적화할 부품을 선택하는 것이다.

• 테스트 절차 개발 - 제조가 시작되면 생산 라인에서 나오는 제품을 테스트할 수 있어야 한다. 여기에는 완제품과 함께 작동하는 테스트 절차와 테스트용 지그 제작이 포함된다. 윌리엄스는 “QA(품질검사)는 DFM에 있어서 중요한 부분”이라고 말한다. “제품을 테스트할 수 있을 뿐만 아니라, 무엇이 작동하고 있고, 어떤 부분이 고장이 났으며, 공정이 어떻게 진행되고 있는지에 대한 통계적 분석을 수행할 수 있다. 이러한 가능성을 제품과 제조 공정에 넣어 설계하는 것이 DMF의 핵심이다.”
• 인증 계획 - 대부분의 기기는 기본 UL(Underwriter Laboratories, 美 규격인증기관)이나 무선 장치에 대한 미국연방통신위원회(FCC)의 인증, 제품의 판매를 계획하는 국가에서 요구하는 특별 인증 등 어떠한 절차의 인증 절차를 밟아야 한다. 인증 절차는 비용이 많이 들 수 있고 수개월이 걸릴 수도 있지만 제조를 시작하기 전에 반드시 끝내야 한다. 인증 절차를 밟기 위한 계획 수립은 DFM의 중요한 부분이다. 부품 선택에도 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 이를 테면, 사전에 인증된 부품을 선택하는 경우 인증에 필요한 시간과 비용을 줄일 수 있는 식이다.
• 제조업체 선택 - DFM의 핵심은 제조업체를 선택하는 것인데, 제품에 적합한 제조업체를 선택해야 함은 물론, 제조업체 측에서 종종 공정을 간소화할 수 있는 부품 구매나 설계 고려사항에 대해 제안하는 경우도 있기 때문이다. 가장 기본적인 고려사항은 당신이 해외에서 생산해야 할지 아니면 국내에서 생산해야 할지에 대한 것이다. 해외 제조업체들은 상당한 비용상의 이점을 제공하지만 물류의 어려움이 따른다. 이는 어느 정도 당신이 생산하고 있는 제품의 종류와 수량에 달려있다. 윌리엄스는 “Berken Energy와 같이 발전사업에 종사하는 경우, 완제품의 허용 오차를 보다 쉽게 예의주시할 수 있기 때문에 국내에서 최대한 생산하는 것을 선호한다. 또한 이로 하여금 선적과 관세 관리가 간소화된다”고 말한다. 다른 고려사항들도 있다. 예를 들어, 당신의 시장에 익숙한 제조업체를 선택하는 것이 좋으며, 윌리엄스는 미래에 필요할 수 있는 부가적인 능력을 갖춘 제조업체를 선호한다고 한다. 그는 “가능한 한 모든 것을 한 곳에서 처리하는 것이 좋다”고 말한다. “이상적으로는 필요할 경우 여러 가지 업무를 처리할 수 있는 곳을 찾고 싶다”고도 한다. 특히 초기 단계의 생산 운영에서 유연성을 발휘할 수 있는 능력과 제조 의사결정에 협력하려는 의지도 중요한 고려사항이다.

“DFM은 제품 개발에 있어서 설계 못지않게 중요한 부분이다.”

DFM은 설계와 동시에 진행되지만, 시제품이 완성되고 초기 생산에 가까워질수록 점점 그 중요성이 커진다(그림 3). 윌리엄스는 프로젝트 컨셉이 구체화되고 나면 생산 시 고려사항에 대해 진지하게 생각하기 시작한다. 그는 “DFM은 제품의 수명 주기가 진행되는 동안 계속 진화하는 아이디어” 라고 말한다. 제품의 개념에 대한 정의가 끝나는 순간, 그는 어떤 자본 설비가 필요한지, 아니면 그것을 구축하기 위해 어떤 프로세스가 필요한지, 노동 집약적이 될지, 아니면 자동화할 수 있는지 등을 살펴보기 시작한다. 부품 선택이라는 맥락에서 그러한 과정들을 살펴본다는 것이다. 그는 “너무 이른 단계에서는 모든 것을 다 확정할 수가 없다”며, “가능한 모듈형으로 유지하려고 하는 것이 좋다. 설계 변경이 필요할 경우 처음부터 다시 시작하지 않아도 되기 때문이다”라고 설명한다.
DFM은 제품 개발에 있어서 설계 못지않게 중요한 부분이다. 제조 전략이 서툴러 좋은 제품 설계가 실패하지 않도록 확실히 하는 것은 필수다. 그러나 DFM은 까다로울 수 있다. 제품 설계의 많은 측면을 검토해야 하며, 절충안을 찾아야 할 때도 종종 있다.

[그림 3] 프로토 타입 디자인이 성숙 해짐에 따라 제조성이 중요해직 있다.

앞날을 기대하며

DFM에 들어가는 많은 고려 사항의 균형을 맞추는 것은 제품 성공의 열쇠다. 다음 기사에서는 인증 요건 충족, 부품 선택, 제조업체 선택, 제품 출시 등 DFM의 보다 흥미로운 측면들에 대해 알아보겠다.