1. 서 론
국내 화장품 산업은 동남아, 유럽 등 수출시장 다변화 및 기능성 화장품의 꾸준한 성장 등으로 지속적으로 발 전해 왔다. 그러나 최근에는 중국수출규제와 코로나19 만연, 주 52시간 근무제 도입 등 대내외여건의 악화로 인해 국내 화장품 제조 중소기업들은 경영상 많은 어려 움을 겪고 있다.
이러한 경영위기를 극복하기 위해서는 무엇보다도 작업 의 낭비를 줄이고 공정효율을 극대화하여 기업의 순이익을 제고해 나갈 필요가 있다[3]. 컨베이어 라인과 U-라인 수 작업의 기존 소품종 대량생산방식으로는 라인밸런스(LOB : Line Of Balance) 효율저하, 품절발생, 재고부담 증가, 잦은 제품변경에 의한 생산성효율 저하로 기업의 수익증 대를 기대하기 어렵다.
이에 본 연구에서는 화장품 생산라인의 공정별 작업 시간을 측정하여 애로공정을 도출하고 별도의 설비증설 이나 인원증원 없이 공정통합 및 작업자의 유연배치 등 을 통해 애로공정의 작업시간 단축 및 라인밸런싱 효율 제고 방안을 강구하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1 화장품 제조업의 현황
화장품 제조업은 현행 「화장품법」 및 「동법 시행규칙」 에 의하면 인체를 청결, 미화하여 매력을 더하고 용모를 밝게 변화시키거나 피부, 모발의 건강을 유지 또는 증진 하기 위하여 인체에 바르고 문지르거나 뿌리는 등 이와 유사한 방법으로 사용되는 물품으로서 인체에 대한 작용 이 경미한 화장품의 전부 또는 일부(포장 또는 표시만의 공정을 포함)를 제조하는 것을 말한다[6].
식품의약품안전처의 식품의약품 산업동향통계[3]에 의 하면 2018년 화장품 생산실적은 <Table 1>에서 보는 바 와 같이 15조 5천억 원으로 2017년(13조 5천억 원) 대비 약 15% 증가한 것으로 나타났다. 2018년 화장품 시장의 주요 특징은 화장품 생산업체들 생산실적이 10%이상 수 직 성장, 무역흑자 증가세 지속, 동남아시아, 유럽 등 수 출시장 다변화, 기능성 화장품의 지속적인 성장 등을 들 수 있다[2].
2.2 기존 연구고찰
목학수 등[7]은 생산성 향상을 위한 공정라인 구축 및 라인밸런싱에서 전체 공정을 각각의 단위공정으로 분류 하였다. 각 단위공정별 자동화 가능 여부를 판단하여 자동 조립의 경우 조립 메커니즘(mechanism)에 따라서 설비를 선택하였다. 조립라인의 라인밸런싱을 극대화하여 목표 생산량을 달성할 수 있도록 작업자의 수를 결정하였다.
반력[9]은 동작 및 작업 분석(요소작업, 단위작업, 동 작), 시간측정, 작업편차 도출을 통한 라인밸런스 개선모 델을 제시하였다. 그리고 작업편차를 줄이기 위한 방안 과 애로공정뿐만 아니라 애로공정에 영향을 미칠 수 있 는 공정을 대상으로 라인편성효율 극대화방안을 제시하 였다.
노인호[11]는 Fume Hood의 생산성 향상을 도모하고자 작업 데이터 분석과 스톱워치법에 의해 애로공정을 도출 한 뒤 ARENA Simulation Tool을 활용하여 대안모델을 설정하고 그 기대효과를 분석했다.
박기학 등[10]은 환경적인 문제점이 많은 염료생산업 체에 대하여 환경성 및 경제성 평가를 통하여 공정 및 생산시스템의 개선방향을 제시하였다.
이정노[4]는 주형제조기업인 W사의 경영개선을 위해 고가의 설비투자 없이 공정개선을 통한 생산성 향상 및 기업의 이익증대 방안을 모색하였다. 브레인스토밍과 아 레나 시뮬레이션을 통해 애로공정을 도출하고 전체 Loss 시간 및 불량률 감소를 위한 공정개선방안을 제시하였다.
문정수[8]는 증가하는 수요대비 수익 창출의 어려움을 겪고 있는 다이싱 블레이드 제조공정의 병목공정을 찾아 라인밸런스의 효율을 높이는 연구를 하였다. 즉, ARENA 시뮬레이션을 활용하여 생산성 향상을 위한 개선방안을 찾고 개선된 공정과 비교, 기대효과를 분석하였다.
지금까지 살펴본 바와 같이 다양한 제조기업에서 공 정개선을 실시해 왔다. 그러나 본 연구에서는 처음으로 화장품 포장공정을 대상으로 스톱워치를 이용하여 애로 공정을 파악하고 ARENA Simulation Tool을 통하여 개선 방안을 강구한다.
3. 화장품 포장공정의 현황 및 문제점
3.1 화장품 포장공정 현황
3.1.1 C사의 현황
2000년 설립된 C사는 고객사의 만족을 극대화하는 OEM (주문자위탁생산, Original Equipment Manufacturing), ODM (제조업자개발생산, Original Development & Design Manufacturing) 및 OGM(Original Global Standard Manufacture) 을 통한 화장품 연구개발 및 제조 포장생산 기업이다.
C사는 화장품 충전, 포장을 하는 업체로서 스킨케어, 메이크업, 튜브, 마스크팩 제품과 스프레이, 파우치제품을 생산하고 있다. 주요 생산제품으로는 의약품의 효능을 화 장품으로 재현한 저자극, 더마톨로지, 코스메슈티컬 시장 의 선두주자로서 우수한 효과와 사용감으로 탈모제품의 대중화를 이끈 국내 최고히트 탈모샴푸를 개발하였다. 또 한 국내 최초 스킨케어 개념의 3중 기능성 BB크림 및 제품 형태와 융복합 기술실현으로 도시공해와 미세먼지로부터 피부를 지켜주는 미세먼지차단지수측정 DPF(Dust Protection Factor) 기술도 개발하였다.
C사는 현재 충청북도 음성군 대소면에 소재하고 있고, 직원 관련 현황은 다음과 같다[1]. 전체직원 수는 749명이 며 생산직이 317명으로 42%를 차지하고 있다. 2020년 현 재 생산직 317명은 3개월 미만 신입사원 52명, 6개월 미만 실무자 132명, 1년 미만 중견직원 87명, 3년 미만 숙련자 31명, 고도 숙련자 5년 미만 15명으로 구성되어 있다.
3.1.2 C사의 주요설비
C사의 보유설비로는 <Figure 1>과 같은 멀티쿠션충전 기, 크림자동충전기, 튜브실링충전기, 마스크팩 충전기가 있다. 또한 색조 스월충전기, 기초 로터리충전기, 마스카 라자동충전기, 립스틱자동충전기, 샤쉐기, 샴푸충전기, 타 정기 등의 충전설비와 카톤포머, 자동라벨부착기, 소형캡 핑기, 자동프레스기, 스팀수축기, 아웃박스 테이핑기 등의 포장 설비를 갖추고 있다.
3.1.3 C사의 생산 공정
화장품 생산라인의 생산 공정은 <Figure 2>와 같이 빈 용기를 세척하고 내용물을 충전한 다음 충전된 용기에 라벨부착, 개별상자 포장 및 박스포장을 하는 공정이다. 포장공정 이전단계의 작업은 설비에서 자동으로 이루어 지나 포장공정은 현재 80%가 수작업으로 이루어져 생산 성향상 및 원가 절감을 위해 개선이 요구되고 있다.
3.2 화장품 포장공정의 문제점
C사의 화장품 생산량은 2018년 완제품 기준 6,400만 개였 으며, 2019년 9월 기준 7,100만 개 생산이 예상되어 2018 년 대비 10% 이상의 생산성 향상이 필요하다. 이에 2018 년 화장품 실제생산 데이터를 분석하여 작업시간과 비작 업시간을 산출하고 생산이 실제로 진행될 때 스톱워치를 활용하여 포장작업공정과 Loss시간을 파악 하였다. 포장 공정은 특히 수작업이 많은 부분으로 화장품 포장작업 간 작업자의 작업방법 및 속도에 따라 병목공정이 발생하는 것으로 분석되었다. 그 원인은 먼저 작업자별 숙련도 차이 가 발생하고 작업의 표준이 명확하지 않기 때문에 작업자 가 변경될 때 마다 병목공정이 발생하였다. 그리고 부자재 BOM의 다양화와 까다롭게 바뀌는 공정으로 라인밸런싱 효율이 점점 감소되었다. 또한 제품이 변경될 때 설비개선 및 교체 사전준비 미흡, 원터치교체 불가, 설비 Operator 숙련도 저하 등의 이유로 충전설비 준비교체시간의 Loss 가 과다하게 발생하였다.
3.2.1 포장 공정 Loss시간 관리 미흡
(1) 다품종 소량생산으로 준비교체 로스 시간 발생
화장품 포장품목을 교체하는 과정에서 로스시간이 많 이 발생하였다. 이전 작업의 충전설비 부품을 분리해서 세척실로 이동하고 세척이 완료된 충전설비의 부품을 다 시 이동시켜 다음 작업 제품의 용량, 사이즈, 속도 등을 교체 및 조정하고 포장라인은 BOM에 따라 부자재와 작 업자를 배치한다. 그러나 충전설비를 교체하는 과정에서 부품을 제거하고 세척하는 작업적 로스가 발생하고 있었 다. 평균적 부품교체 로스시간은 5분에서 20분, 부품의 세척로스시간은 평균 1시간인 것으로 확인되었다.
(2) 작업방법 표준화 미흡으로 라인밸런싱 저하
화장품 포장공정의 경우 정해진 작업방법, 속도 등의 표준이 정해져 있지 않으며 작업자 숙련도에 따라서 생 산속도 및 라인밸런싱 저하가 발생하였다. 2017년 평균 라인밸런싱은 70% 정도 수준이었으며 작업장, 작업품목, 설비, 작업자 등에 따라 라인밸런싱의 차이가 많이 났다.
(3) 특정 설비의 가동율 저하 및 납기지연 발생
고객사의 요청에 따라 동일 품목의 수주량이 많아도 생산 이 가능한 설비가 제한적이고 납기일정까지 짧을 경우 충전 생산능력을 최대로 가동하고 포장공정의 작업자도 가세하 다보니 자연스럽게 다른 설비라인의 가동율이 저하되었다.
3.2.2 수작업에 의한 효율성 저하
(1) 수동 충전으로 생산성 저하
작업자가 손으로 직접 용기를 들고 충전을 하는 수동라 인은 충전생산능력이 작업자에 의해 결정되고 생산능력향 상에 한계와 작업자 피로도 증가로 이어진다. 자동충전설 비와 비교하였을 때 수동충전 생산능력은 1분에 12~15개 를 생산한 반면 자동충전설비는 1분에 22~40개까지 생산 이 가능하였다. 수동충전 생산하는 제품을 자동충전설비 에 적용하기 위해 개선이 꼭 필요한 것으로 확인되었다.
(2) 라벨부착 작업의 병목공정 발생
화장품 포장의 BOM수가 늘어나고 종류 또한 까다롭 고 다양하게 변화됨에 따라 모양, 크기, 방향 등 다양한 라벨이 늘어 작업은 어려워지고 작업의 속도는 느려져서 병목공정이 증가하다보니 자연스럽게 작업자가 추가 배 치되어 공수의 증가, 생산성 및 라인밸런싱 저하가 생기 는 것으로 확인되었다.
(3) 캡핑, 외캡 프레스 수작업으로 작업자 피로증대
용기에 캡을 닫아 주는 캡핑 작업과 박킹이나 외캡을 눌러서 끼워주는 작업을 작업자가 직접 손으로 작업을 할 경우 생산량이 많으면 작업자의 피로도가 쉽게 누적된다. 캡핑공정 또는 프레스공정에 작업자가 한 명씩 추가 배치 되었을 경우 생산성은 12%가 감소하는 것으로 나타났다.
(4) 용기 LOT번호 착인, 용기 정렬 및 개별상자의 접지와 같은 추가 공수 발생
4개의 노즐로 구성된 자동충전설비에서 충전완료 후 포장라인으로 배출하는 과정에서 용기의 하단 지정부위 에 LOT번호를 착인하고 용기를 세워주는 작업자가 추가로 배치되어야 한다. 배출전이나 배출하는 과정에서 용기의 움직임으로 인한 LOT번호 착인불량으로 클레임 발생과 재작업 실시 등 공수LOSS가 발생되었다. 또한 개별상자 접지의 경우 간이자동화 설비는 상자의 스크래치 불량발생 가능성으로 활용할 수 없기 때문에 작업자가 직접 수행해 야만 하는데 충전생산능력이 올라가면 추가 작업자가 투입 되는 등 공수의 지속적인 증가가능성을 내포하고 있다.
4. 시뮬레이션을 활용한 포장공정 개선
C사의 화장품 제조공정은 생산품목에 따라 설비 및 작업자 배치가 다르고 품목별 주문시기가 일정치 않으며 생산주기가 짧아 개별적인 시뮬레이션이 필요한 실정이 다. 이에 주력품목인 M, C, A품목의 포장공정 개선을 위 한 시뮬레이션을 수행하고 시뮬레이션 결과의 유효성을 검증하기 위해 장기생산 가능한 D품목의 현 공정데이터 와 시뮬레이션 데이터를 비교하였다.
4.1 공정 데이터 수집
포장공정의 작업자 간 포장편차를 줄이기 위해 시뮬 레이션을 이용하여 라인밸런싱 분석과 모델링을 실시하 고 실제현장 포장라인에 적용하였다.
본 시뮬레이션을 위한 D공정 데이터는 스톱워치기법을 통해 <Table 2>와 같이 수집하였다. 특히, 포장공정의 라 인이 불합리하게 나타나는 구간은 6~7번 포장구간으로 6 공정에서는 1.4초가 소요되나 7공정에서는 0.9초만 소요 되어 0.5초간의 비작업시간 발생된다.
이를 개선하기 위한 시뮬레이션 모델은 용기를 수작업 으로 세우는 7공정을 자동화하여 6~7번 공정을 통합하는 1안과 11~14번 공정을 통합하여 대기시간(wait time)과 비 작업시간을 감소시키는 2안으로 설계하였다.
4.2 시뮬레이션 유효성 검증
공정 시뮬레이션의 유효성을 검증하기 위해 현재의 화 장품 D 포장공정 자료와 시뮬레이션 자료가 일치하는지 를 확인하기 위해 2019년 03월부터 05월까지 동일한 품 목의 생산실적 30개의 데이터를 발췌하고 다음과 같이 조 건 하에서 시뮬레이션을 실행하였다.
첫째, 포장작업은 충전설비의 고장 및 정지로 인해 영 향 받지 않는다. 둘째, 작업자가 공정 및 설비 준비, 세팅 을 위해 사용되는 작업시간은 제외한다. 셋째, 8시간을 작 업시간으로 하여 시뮬레이션을 실시하되 휴식시간은 고 려하지 않는다. 넷째, 한 달 작업일수는 21일로 한다. 다 섯째, 포장작업자의 작업시간은 정규분포를 따른다.
현 포장공정은 1~14단계의 공정으로 분할되어 있으며 9명의 작업자가 담당하고 있다. 각 공정에 작업자 1명씩 이 배정되어 제품의 사이클 타임은 16.4초이며 전체 공정 의 라인밸런스 효율은 84%이다. 공정개선을 위해 6~7공 정, 11~12공정을 통합하고 2인의 작업인원을 감축한 시뮬 레이션 결과는 <Table 3>과 같다. 개선공정의 라인밸런스 효율은 84%로 현 공정과 동일하여 시뮬레이션의 유효성 이 입증되었다. 만약 작업자가 필요한 공정만을 대상으로 라인밸런스 효율을 비교하면 현재 79%에서 82%로 향상 되는 효과를 거두는 것으로 나타났다. 또한 결과의 차이 가 통계적으로 유의한 지 알아보기 위하여 현공정과 개선 공정의 사이클 타임을 통계패키지 SPSS 21을 이용하여 비교분석해 보니 <Table 4>에서 보는 바와 같이 분산이 동일하며 평균에 유의미한 차이가 없었다. 따서 작업자 2 명이 감축된 개선공정의 사이클 타임은 14.69로 1.71초가 단축되고 작업자 수는 2명이 줄어 인건비 절감의 효과도 거둘 수 있는 것으로 보인다.
4.3 시뮬레이션 모델 설계
본 연구에서는 주력상품인 M품목, C품목, A품목과 유 효성 검증을 위한 장기 대로트 상품인 D품목에 대하여 시뮬레이션 모델을 설계하였다.
4.3.1 M품목의 경우
M품목은 총 10개의 공정으로 화장품 포장작업이 진행 된다. 화장품 1개가 포장이 완료될 때까지 시간은 충전 및 포장 설비의 작동시간을 포함하여 15.3초로 측정되었다. 시뮬레이션 결과, 현재 불필요하게 공정에 작업자가 많이 배치되어 있어 라인밸런싱 효율이 저하되는 것으로 나타 났다. 이에 ARENA를 활용하여 <Figure 3>과 같이 AS-IS 공정을 모델링하였으며, TO-BE모델의 경우 라인밸런싱 효율개선을 위해 <Figure 4>와 같이 작업자의 공정통합을 실시하여 작업자를 감소시키는 모델로 설계하였다.
4.3.2 C품목의 경우
C품목은 화장품 포장작업이 총 11개의 공정으로 이루어 졌다. 화장품 1개가 포장이 완료될 때까지의 시간은 충전 및 포장 설비의 작동시간을 포함하여 16.3초로 측정되었다. AS-IS 모델은 제품이 공정에 들어올 때 흔들림으로 인한 실링 및 접착불량을 해소하기 위하여 2명의 검사원을 배치 하였으나 TO-BE 모델은 흔들림 방지 가이드를 설치하여 검사원을 한 명으로 줄인 모델로 재설계하였다(그림 생략).
4.3.3 A품목의 경우
A품목은 총 13개의 공정으로 이루어졌으며, 화장품 1개 가 포장이 완료될 때까지의 시간은 충전 및 포장 설비의 작동시간을 포함하여 20.2초로 측정되었다. AS-IS 모델은 제품포장지 및 용기 투입, 방향전환 및 개별상자 닫기 등에 3명의 작업자를 배치하였으나 TO-BE 모델은 낭비개선을 집중 추진한 라인으로 제품투입과 개별상자 닫기공정을 통 합하여 한명의 작업자를 감축하였다. 이로 인해 병목현상 이 발생할 경우에는 작업시간의 여유가 있는 검사공정 작 업자가 필요에 따라 개별상자 접기공정에 투입될 수 있도 록 하였다. 또한 기존 라벨작업자의 위치를 개별상자 정렬 작업자와 동일한 방향으로 배치하여 다음 공정의 작업자에 게 도움을 받기 편리한 구조로 재설계하였다(그림 생략).
4.4 시뮬레이션 결과
D공정의 시뮬레이션 결과, <Figure 5>와 같이 작업량은 8시간에 14,375개의 생산이 가능한 것으로 나타났다. 이 값은 1일 8시간 기준 13,800개 포장이 가능한 것으로 나타 난 실제 2017년도의 포장작업일지와 거의 일치한다고 볼 수 있다.
ARENA 시뮬레이션 실행결과, <Figure 6>과 같이 개별 상자를 닫는 공정에 2명의 작업자 배치는 다른 공정의 작 업시간 대비 불합리해보였다. 특히 카톤포머의 작동시간은 병목공정으로 보여 이 부분들을 집중 개선하기로 하였다.
그리고 6~7공정 통합, 11~14번 공정의 통합 및 포장공정 작업방법 개선으로 작업자의 편차가 줄어드는 것을 확인 하기 위하여 ARENA 시뮬레이션의 Scheduled Utilization 수치를 활용하여 리포트를 실행하였다. 그 결과, 전체 포 장라인의 라인밸런싱이 향상된 것으로 나타났다.
4.5 기대효과
C사의 화장품 포장공정 개선결과, <Table 5>와 같이 모 든 지표들이 크게 상승하였다. 즉, 월 생산량은 130만 개에 서 178만 개로 37% 증가, 총인시 생산성은 시간당 112개 에서 25개 증가된 137개로 23% 향상, 라인밸런싱 효율은 12%P나 상승된 82%로 17% 향상되었다. 또한 2018년 총 인건비는 전년도 1억 8,800만 원 대비 12% 감소한 1억 6,900만 원으로 나타났고 포장제품 개당노무비는 145원에 서 95원으로 50원이 감소하였다. 따라서 향후에는 연간 89,000,000원/년(개당 노무비 절감 50원×생산량 1,780천 개)의 인건비 절감을 기대할 수 있다.
5. 결 론
최근 화장품 산업분야는 동남아, 유럽 등 수출시장 다 변화 및 기능성 화장품의 꾸준한 성장 등 급속히 발전해 왔으나 중국수출규제와 코로나19 만연, 주 52시간 근무제 도입 등 대내외여건의 악화로 생존에 많은 어려움과 고충 을 겪고 있다. 이러한 상황 속에서 화장품 OEM 제조포장 업체인 C사는 화장품 포장 생산성을 향상시키고자 2017~ 2018년도의 화장품 포장공정의 데이터를 수집, 분석하고 스톱워치를 이용하여 애로공정과 불합리한 부분을 찾아 내고 ARENA 시뮬레이션기법을 활용하여 개선방안을 도 출한 결과, 다음과 같은 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
첫째, 현재의 화장품 포장공정에 대해 스톱워치를 이용 하여 애로공정과 포장작업의 Loss를 도출하고 개선방안 을 적용하여 준비교체시간을 4분 단축시켰으며 수동 충 전라인 개선을 통한 작업인력 감소로 총인시(human hour) 생산성을 12% 향상시켰다.
둘째, 포장공정 Line Balance 효율 제고를 위해 작업자 간 포장시간 편차를 줄이기 위한 2가지 대안을 선정, ARENA Simulation Tool을 사용하여 분석하였다. 그 결과, 현재 9 명이 작업을 하던 공정을 7명으로 감소시키고 동시에 간 이자동화를 진행하여 총인시생산성을 257개/시에서 356 개/시로 39% 향상시키는 성과를 거두었다.
셋째, Loss시간, 작업방법, 간이자동화 등의 개선을 진 행함으로써 작업장 전체의 LOB 평균은 전년대비 70%에 서 82%로 12%p 향상되었다. 이 결과 작업장 전체적으로 9명의 작업자를 감소시켜 총인시생산성이 112개/시에서 137개/시 23%의 생산성향상 효과를 거두었다.
향후 연구방향으로는 시뮬레이션을 추가 진행할 부분 에 대해 실제 정부의 R&D 사업인 스마트 팩토리 추진사 업과 연계할 필요가 있다고 본다.
