1.서 론

고객이 제품을 평가하는 데는 외관의 미려함이나 성능의 우수함 등을 비롯한 다양한 요소가 감안된다. 전통적인 품질관리 활동인 TQC(total quality control)의 기반 사상이 되는 Feigenbaum이 주창한 “소비자 기대에의 충족”[6, 7] 여부를 품질이라고 할 때, 품질은 제조기업의 생존에 직 결된 가장 중요한 문제라고 해도 과언이 아닐 것이다. 실 제 대부분의 기업들은 소비자 중심 시장으로의 재편과 더불어 전사 역량을 품질 수준 개선에 쏟고 있다. 그러나 대개의 제조기업은 보유 역량에 한계가 있어, 다양한 품질 특성치들 중 상대적으로 중요하다고 판단되는 주요 품질 특성치(CTQ; critical-to-quality attributes)를 선정하고 이 에 역량을 집중하게 된다. 이는 한정된 보유 역량으로 모 든 품질특성치를 최고 수준으로 달성하도록 하는 것이 불가능하기 때문인데, 품질 개선에 요구되는 구현 기술 의 한계 때문이기도 하지만 많은 경우 높은 비용이 유발 되기 때문이다. 따라서 적정한 가격에서 목표한 수준의 품질을 획득하기 위하여 집중해야 할 CTQ를 선정하고, 이를 집중 관리하는 것이 현실적으로는 거의 유일한 대 안이 될 것이다[8, 9]. 품질특성치는 대체로 공정조건에 의해 결정되기 때문에 공정조건 관리를 통한 품질특성치 개선 노력은 통계적 공정관리(statistical process control; SPC) 등의 다양한 접근이 모색되어 왔다. 이에 본 연구에 서는 실제 중견 기업의 제조 현장을 대상으로 이전 연구 에서 도출된 CTQ 및 이의 발현에 영향을 미치는 공정 항목을 확인하고, 해당 CTQ의 실질적 개선을 모색하기 로 한다.

본 연구에서는 연포장(flexible packaging) 제품의 주원료 로 사용되는 이축연신(BOPP; biaxially oriented polypropylene) 필름을 생산하는 업체를 대상으로 한다. 대상 제 품은 주로 저가의 제품으로 대량 생산 및 납품되고 있으 며, 첨단 제품의 소재로 사용되는 필름 제품이 시트(sheet) 형태로 생산 및 유통되는 데 반해 롤(roll) 형태로 생산 및 유통된다는 특성이 있다. 이에 따라 롤 형태의 외형에 기인하는 고유의 품질특성치가 관리되어야 한다. 즉 일 반적인 개별생산 제품(discrete product)과는 달리 권취(卷 取, winding)된 상태로 생산 및 유통되어야 하는 외형적 특성에 따라 롤 형상 제품 고유의 품질특성치가 발현되 고, 이를 집중관리 해야한다.

본 연구의 제 2장에서는 롤 기반 필름제품 특성에 관 한 선행연구를 확인하고, 제 3장에서는 주요 연구 대상이 되는 품질특성치인 두께평활도의 측정모델 및 두께평활 도 문제의 핵심 요인이 되는 고정굴곡부 발현 유형을 살 펴본다. 제 4장에서는 고정굴곡부 발현을 해결하기 위한 개선 방안을 살펴보고, 제 5장에서는 본 연구의 결론 및 향후 연구 과제를 살펴보도록 한다. 본 연구에서는 다양 한 데이터의 분석을 위하여 통계 솔루션인 R[11]을 사용 하였으며, 이를 시각화하기 위하여 qcc 패키지[12]를 활 용하였다.

2.롤 기반 필름 제품 특성 및 선행 연구

본 연구의 대상이 되는 BOPP 필름은 길이 방향(MD; machine direction)과 폭 방향(TD; transverse direction)의 축차 이축연신공정을 거쳐 생산되며, 주로 포장재 등의 원료로 사용된다. 앞서 언급한 바와 같이 대상 제품은 주 로 대량으로 생산되고 납품되기 때문에 롤 형태로 권취 되어 취급되며, 압출(EXT; extrusion)-길이 방향(MD; machine direction) 연신-폭 방향(TD; transverse direction) 연 신-권취(MR; mill roll winding)의 공정을 거쳐 생산된다. 이후 물성 안정화를 위한 숙성과정과 표준 규격에 따른 단재(MA; main slitting 공정을 거치게 된다. 생산 제품의 화학적 특성은 압출 공정에서 외층과 내층의 구성을 통 해 대개 결정되며, 일부 특성은 코로나(corona) 처리나 열처리 등의 후처리 과정을 거쳐 결정된다.

2.1.롤 기반 필름 제품의 CTQ

일반 제조 현장에서와 마찬가지로 롤 기반 생산에서 공정관리 수준 제고를 통하여 품질특성치를 개선하고자 하는 노력은 지속적으로 이루어지고 있다[1]. 앞서 언급한 바와 같이 롤 기반 필름 제품의 경우는 권취라는 외형적 특성에 의해 일반적인 개별생산 제품과는 다른 고유의 품 질 특성치가 존재하며, 이는 특히 중요한 특성으로 관리 되어야 한다.

Choi and Bae[5]는 롤 형상 필름제품 생산라인의 KPIV (key process input variable)를 도출하는 과정에서 정지주 기와 두께불량의 관리가 가장 중요한 품질특성치 임을 확인하였다. 정지주기는 연속 생산 제품이라는 특성에 따라 설비의 가동 개시 시간(ramp-up time)에서 정상가동 되는 시점까지의 시간(warm-up time)이 상대적으로 많이 소요되며, 이 시간 동안의 품질 안정화가 어렵다는 생산 형태에 기인한 특성치이다. 반면 두께불량의 경우는 제 품의 외형에 기인한 특성치로 분류할 수 있다. 필름제품 은 기본적으로 다수의 층으로 구성되어 있는데, 주요 물 성은 주로 외층에 의해 결정되는 반면 두께 특성은 외층 과 내층이 결합되어 결정되는 대표적인 공정 품질특성치의 하나이다. 필름 제품의 생산에서 두께 불량의 문제는 크 게 두 가지로 구분할 수 있다. 하나는 특정 지점의 두께 가 제품 규격에 미달하거나 초과하는 경우이며, 다른 하 나는 필름 제품의 두께가 규격 이내이지만 권취로 인해 문제가 발생하는 경우이다. 전자와 관련된 두께불량은 본 연구에서는 비교적 심각한 문제가 아닌 것으로 취급 되는데, 이는 규격 범위가 대상 기업의 기술수준보다 넓 어 빈번히 발생하는 유형의 불량이 아니기 때문이다. 반 면 후자의 경우는 빈번히 발생하며 생산현장의 주요 관 리대상이 되고 있는데 이를 특히 두께평활도(thickness uniformity)의 문제로 정의한다. 이는 실제 고객의 요구사 항(VOC; voice of customer)의 분석을 통해서도 확인할 수 있다. Bae[2, 10]는 필름 제품을 사용하는 고객을 대 상으로 제품에 대한 요구사항을 수집하고, 이를 기반으 로 품질기능전개(QFD; quality function deployment)를 수 행하여 롤 기반 필름생산의 CTQ를 도출하는 연구를 수 행하였다. 이에 따르면 관리되고 있는 다양한 품질특성 치들 가운데 설계품질의 미충족으로 발생되는 품질 문제 보다는 제조 공정에 기인한 공정품질과 관련된 품질문제의 중요도가 매우 높게 분석되었으며, 공정품질 특성치들 중에서도 특히 필름 두께에 관련된 두께평활도(thickness uniformity)의 중요도가 가장 높은 것으로 분석되었다. 더 욱이 두께평활도는 주름불량이나 권취불량 등의 원인이 되기도 하기 때문에, 더욱 그 중요도가 높다고 판단되었다.

다음의 <Table 1>은 롤 기반 필름 제품의 CTQ 도출을 위하여 QFD를 수행한 결과를 정리한 것으로, 두께평활 도(thickness uniformity)가 가장 높은 중요도를 보였고 뒤 를 이어 주름(wrinkles)과 파단(fracture) 등이 중요한 요 인으로 평가되었다[10].

2.2.필름생산 공정 및 두께평활도 측정 모형

롤 기반 필름 제품은 대체로 다음의 <Figure 1>과 같은 공정을 거쳐 생산된다. 생산되는 제품의 두께 검사는 압출 (extrusion) 공정 이후 연신되기 전의 시트 상태의 두께를 측정하는 지점 ①과 길이 방향 및 폭 방향 연신을 거친 후의 제품 상태의 두께를 측정하는 지점 ②에서 차례로 2 회 측정된다. 생산되는 제품은 MR(mill roll) 상태로 대량 권 취를 위한 철제 축인 보빈(bobbin)에 권취되어, 일정 기간 동안 숙성을 통하여 물성을 안정화한 후 단재되어 출하된다.

필름제품은 연속생산방식으로 진행되므로, 고정된 프 레임에서 좌우로 이동하는 두께 검사장치가 지속적으로 검사정보를 취득해도, 실질적으로는 다음의 <Figure 2>와 같이 지그재그 형태로 검사 정보를 취득하게 된다. 본 사 례에서는 프레임과 제품 폭의 차이에 의해 실제 두께 정 보는 400점에서 취득되나, 제품의 두께를 측정하게 되는 유효정보는 322점이 된다.

앞서 언급한 바와 같이 필름제품의 생산에서의 두께 문제는 특정 지점의 두께가 규격상한/하한을 벗어나는 두께불량과 규격 이내의 두께가 얼마나 균일한 지에 관 한 두께평활도의 문제로 구분할 수 있다. 두께평활도의 문제는 다음의 <Figure 3>과 같이 특정 위치에서 두껍고 얇은 정도를 나타내는 후박(厚薄) 특성이 지속적으로 발 현되는 고정굴곡부(FBR; fixed bending region) 등이 가장 중요한 원인으로 언급된다. 고정굴곡부에서 유발되는 특 성인 두께평활도는 횡 방향(horizontal direction)과 종 방향 (vertical direction)이 모두 관리되어야 한다. 본 연구에서 는 특정 지점에서 규격 이내의 미세한 두께 편차가 지속 적으로 발현되어 고정굴곡부가 형성되고, 이로 인해 주름 및 권취 불량 등의 2차 불량을 유발하는 두께평활도 개 선을 주요 연구 대상으로 한다.

다음의 <Figure 3>은 롤 기반 필름 생산의 고정굴곡부 발현 단면을 모사한 것이다[3, 4, 10].

2.3.두께평활도 개선 모형

두께평활도 불량으로 인해 발생되는 주름이나 권취불량 등의 2차 불량을 완화하기 위해 취할 수 있는 가장 용이한 방법은 권취 시 좌우 진동(oscillation)을 통해 고정굴곡부 의 위치를 좌우로 흩어 놓는 방법이다. Bae[3]는 필름 제품 의 권취 시 최적 진동 폭을 시뮬레이션을 통하여 결정하는 방안을 제시하였다. 또한 권취 시 진동 폭이 증가할수록 두께편차는 대체로 감소하지만 단조 감소하는 것은 아니 기 때문에 권취 진폭을 결정하기 전에 시뮬레이션을 수행 하는 것이 적절함을 보였다. 그러나 제품별로 수용 가능한 권취 폭은 수율과 tension의 한계가 있어 권취 폭을 무한히 증가시킬 수 없다는 문제가 있음을 확인할 수 있었다. 이에 따라 Lee and Bae[10]는 결함목분석(FTA; fault tree analysis) 에 사용되는 부호를 활용하여 품질특성치에 영향을 미 치는 공정 요인을 체계적으로 도출하고자 하는 시도로 defects tree를 구축하였으며, MD 공정과 TD 공정에서의 온 도 조절이 두께평활도 결정의 중요한 요인임을 확인하였다. 이 연구는 Choi and Bae[5]가 분석한 롤 기반 필름 생산의 KPIV(key process input variable)와 QFD 수행의 결과를 결 함목(FT; fault tree) 형태의 연역적 기법으로 체계화하여 다양한 품질특성치에 영향을 미치는 요인을 보다 효과적 으로 관리할 수 있도록 제안하였다는 장점이 있다.

3.두께평활도의 측정

3.1.폭 방향 두께평활도 측정결과

본 연구에서는 40㎛ 규격의 제품 생산의 검사 정보를 활용하였다. 해당 제품의 생산을 위해서 1,610㎛ 두께의 시트를 생산하며, 해당 시트가 길이 방향 연신과 폭 방향 연신을 수행한 뒤 해당 규격의 제품이 생산된다. 따라서 본 연구에서 활용된 검사정보는 1,610㎛ 두께의 시트와 40㎛ 두께의 제품에서 취득한 것이다. 본 연구에서 사용 된 검사정보는 두께 검사장치에서 취득하는 400점의 정 보 중 유효정보 322점을 활용하였다. 길이 방향 정보의 경우 제품의 권취 단위인 하나의 MR에서 수집된 117회 의 검사정보를 활용하였으며, 시트의 경우는 같은 시간 동안 집계된 197회의 검사 정보가 활용되었다.

다음의 <Figure 4>는 시트에 대해 수행된 197회 검사정 보를 도시화 한 것(검정색 제외)으로, 1,610㎛을 중심으로 나타나고 있음을 확인 할 수 있다(좌측의 세로 축). 한편 측정된 두께에 목표값(일점쇄선)을 차감한 편차의 누적치 는 <Figure 4>에 굵은 검정색 선으로 도시화 하였다. 그림에 서 이점쇄선 밖의 영역은 정상적인 제품이 되지 못하는 영역으로 제품화 단계에서 스크랩 처리되는 영역이다.

해당 시트를 사용하여 생산된 제품의 두께는 다음의 <Figure 5>와 같은 검사결과를 보이고 있다. 해당 제품은 40㎛ 두께 규격으로, 실측값과 규격의 차이를 누적한 누 적치가 우측의 세로축을 중심으로 굵은 검정색 선으로 도시화하였다.

3.2.길이 방향 두께 측정결과

대상 제품의 경우 통상 규격 대비 1% 정도의 편차가 용인되고 있다. 따라서 39.6㎛~40.4㎛ 이내의 두께를 보이 는 경우, 해당 제품은 양품으로 판정된다. 다음의 <Figure 6>은 두께 검사장치가 1회 수집하는 322점의 측정값 평 균으로 작성한 x bar 관리도이다. 전체의 점이 규격 내에 위치하고 있으므로 불량으로 판정될 제품은 아니지만, 관 리범위 밖에 위치한 점이 매우 많은 것으로 판정되어 공 정이 관리 상태에 있다고 보기는 어려울 것으로 판단된 다. 이러한 특성은 322점들의 표준편차로 작도한 <Figure 7>의 s관리도에서도 확인할 수 있다. <Figure 6>의 x bar 관리도에서 76번째 검사 값과 83번째 검사 값 사이에 두 께의 급격한 하락을 확인할 수 있었으며, <Figure 7>의 s 관리도에서는 101번째 검사 값과 110번째 검사 값 사이 에서 분산이 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있었다. 결 과적으로 해당 제품의 경우 제품의 후미 부위로 갈수록 두께가 좋지 않아지고 있음을 확인할 수 있다.

3.3.고정굴곡부의 해석

길이 방향 검사결과 전반적인 두께 특성치의 안정화 가 이루어지고 있지 않음을 확인할 수 있었으나 규격 내 에 위치하고 있음을 감안할 때, 대상 기업의 경우 두께 규격 보다는 두께평활도의 문제가 심각한 것으로 판단된다. 두께평활도가 균일하게 제품이 생산되었다면, 폭 방향의 특정 검사 지점에서의 편차(실측값-목표값) 누적치는 0이 되어야 할 것이다. 그러나 <Figure 5>의 편차 누적치의 그래프에서 굴곡부가 발현되고 있음을 확인할 수 있다. 해당 굴곡부는 생산되는 제품에 관계없이 동일위치에서 발현되고 있었다. 다수의 고정굴곡부 가운데, 62번째 검 사위치와 87번째 검사위치에서 발생되고 있는 고정굴곡 부는 특히 그 편차가 심하여 대상 기업의 품질특성에 매 우 큰 영향을 미치고 있다. 따라서 대상기업의 경우 해당 고정굴곡부의 편차를 줄이는 것이 품질 수준 제고의 중 요한 과제가 된다. 해당 제품은 시트 상태의 원료가 연신 되어 제조 되는 것으로 해당 지점의 두께가 얇은 시트의 사용을 의심해 볼 수 있겠으나, <Figure 4>에서 확인하는 바와 같이 오히려 해당 지점의 시트 두께는 비교적 두꺼 운 편임을 알 수 있다. 따라서 해당 고정굴곡부의 발현은 시트 생산 이전 공정이 아닌, MD나 TD 공정에서 발생 하고 있다고 보는 것이 타당할 것이다.

한편 두께편차의 합이 가장 작은 지점과 큰 지점의 두 께측정값을 비교해 보는 것도 도움이 될 것이다. 다음의 <Figure 8>은 두께편차의 합이 가장 작은 것으로 판단된 87번째 검사 지점에서의 두께 측정값을 개별 x 관리도로 도시화 한 것이며, <Figure 9>는 두께편차의 합이 비교적 큰 지점들 중 87번째 검사지점과 비교적 먼 곳에 위치한 224번째 지점의 두께 검사 값을 개별 x 관리도로 도시화 한 것이다.

두께편차의 합이 가장 작은 <Figure 8>의 87번째 검사 지점의 관리도 Center 값은 39.22, 표준편차는 0.12이다. 또한 전체 117회의 검사결과 중 관리선 이탈은 22회, 이 상 런(run) 값은 12회 목격되었다.

두께편차의 합이 가장 큰 <Figure 9>의 224번째 검사지 점의 관리도 Center 값은 40.22, 표준편차는 0.098이다. 또 한 관리선 이탈은 35회, 이상 런 값은 15회 목격되었다.

결과적으로 두께편차의 합이 가장 작은 87번째 검사 지점의 두께에 대한 관리도 해석상의 문제점은 오히려 두께편차의 합이 큰 224번째 검사지점의 문제점 보다 적 은 것으로 판단된다. 반면, 87번째 검사지점의 두께 관리 도는 상대적으로 관리 한께선으로의 쏠림이 많은 형태를 보인다. 한편 <Figure 6>과 <Figure 7>에서 76번째 검사 값과 83번째 검사값에서 큰 폭으로 두께가 얇아지고, 101번째 검사값과 110번째 검사값 상이에서 표준편차가 크게 증가하였음을 보인바 있다. <Figure 9>의 경우 이러한 특성과 일치하는 결과를 확인할 수 있으나, <Figure 8>의 경우 이와 다른 결과를 보이고 있음이 확인된다. 즉 76 번째 검사값과 83번째 검사값의 사이에서 두께가 오히려 큰 폭으로 증가하고 있으며, 101번째 검사값과 110번째 검사값에서는 변동이 크지 않음을 확인할 수 있다.

4.두께평활도 개선 요인 도출

두께평활도 측정결과의 해석은 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 두께평활도 문제는 시트의 문제에서 기인하지 않을 것이다. 이는 시트 형상에서의 두께 패턴이 완제품 형상에 서의 두께 패턴과 관련이 없는 것으로 판단되기 때문이다.

둘째, 두께편차의 합이 가장 작은 지점에서의 두께 추 이는 전체 제품의 두께 변화와 관계없이 쏠림이 많은 형 태를 보인다.

고정굴곡부인 87번째 검사지점에서의 두께 수준을 향 상하는 것은 대상 제품의 두께평활도를 개선하는 중요한 시발점이 된다. 그러나 해당 지점의 경우 전반적인 두께 변화 추이와는 다르게 항상 일정한 형태의 추이를 보이고 있다. 이는 해당지점의 두께를 결정하는 주요 CTP(critical to process)가 의도대로 통제되고 있지 않음을 의미한다. 또한 압출 공정 이후의 연신 공정의 조건이 두께평활도 의 특성을 결정하게 됨을 알 수 있다. 따라서 두께평활도 를 개선하기 위해서는 길이 방향과 폭 방향의 이축연신 과정에서 고정굴곡부의 두께에 영향을 미치는 KPIVs(key process input variables)가 의도한 바대로 적절히 통제되 고 있는지 확인해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다.

두께평활도에 영향을 미치는 요인을 Lee and Bae[10] 에 따라 fault tree analysis의 표기법에 의해 정의하면, 다 음의 <Figure 10>과 같다. 언급한 바와 같이 두께평활도 문제는 시트 이후의 공정에 기인한다고 판단되므로, 해 당 CTQ에 영향을 미치는 공정은 TD로 압축된다. 본 연 구에서는 TD 공정의 key process operations 가운데 공정 시작 전 확인으로 충분한 요건(작업조건)이나 작업 진행 중 열화 여부만 확인하면 된다고 판단되는 항목을 제외 하고, 지속적 관리가 필요한 항목들 가운데 비교적 관리 가 용이한 TD 공정의 온도(temperature)를 우선 관리 대 상으로 선정하고, 이를 통제하여 두께평활도가 개선되는 지 여부를 확인하기로 한다.

TD 공정(TDO)은 라인 좌측과 우측에 온도 조절하는 장 치들이 부착되어 있는데, 해당 작업 중 특정 지점에서 지 속적인 온도 변화를 다음의 <Figure 11>과 같이 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서는 두께평활도 개선을 위하여, TD 공정에서의 온도 변화를 일정하게 통제하기로 하였다.

TD 공정의 온도 변화 통제 이후 생산된 제품의 결과 는 <Figure 5>에서 제시한 TD 공정 온도 통제 이전과 두 께평활도 후박 특성은 유사하나, 그 변화 폭은 상당히 줄 어들었음을 확인할 수 있었다. TD 공정에서의 온도 통제 이후 생산된 결과를 <Figure 5>의 결과와 동일한 scale로 비교하면, 다음의 <Figure 12>와 같다.

5.결론 및 향후 연구과제

본 연구에서는 연포장 필름 생산의 특징과 선행 연구 를 통하여, 가장 중요하게 관리되어야 할 CTQ가 두께평 활도 임을 확인하였다. 또한 실제 생산 데이터를 체계적 으로 분석하여 해당 CTQ에 영향을 미치는 주요 공정조 건 중 하나가 TD 공정의 온도 변화임을 확인하고, TD 공정의 온도 변화를 통제하고 생산을 수행한 결과 편차 폭이 매우 개선됨을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 두께평활도를 효과적으로 모니터링하 기 위한 수단으로, 폭 방향의 편차 누적합 그래프의 작도 와 길이 방향의 두께 평균 및 분산 관리도의 작도를 활 용하였다. 다양한 관리도를 통하여 두께 문제가 연신공 정에서 발생하고 있으며, 해당 지점의 CTQ가 전체 두께 추이와는 독립적인 특성을 보이고 있음을 확인하였다. 따라서 롤 기반 제조업에서 두께 평활도의 문제를 효과 적으로 분석하기 위해서는 편차 누적합 그래프와 두께 평균 및 분산관리도가 유효함을 확인할 수 있었다. 또한 이의 해석 과정에서 가능한 해결방법을 제시하였다.

한편 본 연구에서 TD 공정의 온도 통제를 통해 두께 평활도가 크게 개선되었으나, 후박 특성은 그대로 유지 되고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 TD 공정의 온도 통 제가 두께평활도의 중요한 요인이기는 하지만, 또 다른 중요한 요인이 존재하고 있음을 나타내는 것이다. 향후 해당 공정의 지속적 분석과 개선을 통하여 두께평활도의 후박특성이 random walk에 가까워지도록 지속적인 연구 가 필요할 것으로 사료된다.