FMEA

왜 배우는가: FMEA는 설비·제품의 잠재적 고장을 체계적으로 찾아내고 위험을 줄이는 대표적인 신뢰성·안전 해석 기법이다. 기계안전 분야에서 설계 단계의 위험 저감 근거를 문서로 남기는 데 쓰이므로 실무 적용 범위가 넓다. 1교시 용어형과 4교시 논술형에 모두 출제되어 개요와 장·단점을 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제114회 1교시 1번, 제90회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

FMEA는 시스템을 구성하는 부품·기능의 잠재적 고장모드를 하나씩 찾아 그 원인과 영향을 평가하는 귀납적 분석 기법이다.

핵심 키워드

• 고장모드(Failure Mode): 부품이나 기능이 고장 나는 형태
• 고장영향(Effect): 고장이 상위 시스템에 미치는 결과
• 귀납적 분석(Bottom-up): 하위 요소의 고장에서 시스템 영향으로 올라가는 방식
• 단일 고장점(Single Point of Failure): 하나의 고장이 시스템 전체를 멈추게 하는 요소
• 위험우선순위수(RPN): 발생도·심각도·검출도를 곱해 조치 순서를 정하는 지표
• FMECA: FMEA에 치명도(criticality) 분석을 더한 확장 기법
• 설계 FMEA·공정 FMEA: 적용 대상에 따른 두 가지 주요 유형

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 FMEA는 "부품 하나가 고장 나면 어떻게 되는가"를 빠짐없이 적어 보는 표 작업이다. 각 구성요소마다 고장 형태를 적고, 그 고장이 옆 부품과 전체 시스템에 어떤 결과를 주는지 기록한다.

정식 정의는 다음과 같다. FMEA는 시스템의 잠재적 고장모드와 그 원인 및 영향을 식별하기 위해 가능한 한 많은 구성요소, 어셈블리, 하위 시스템을 검토하는 체계적 공정이다. 각 구성요소의 고장모드와 나머지 시스템에 대한 결과 영향을 정해진 FMEA 워크시트에 기록한다.

기능 FMEA는 시스템의 기능 블록도를 기준으로 기능마다 고장모드를 찾는다. 부품 FMEA는 밸브, 커넥터, 저항처럼 부품 단위로 고장모드를 찾는다. 두 방식 모두 고장모드, 고장영향, 원인, 현재 설계의 검출 방법을 한 행에 적는다.

FMEA는 정성적으로도 수행할 수 있다. 수학적 고장률 모델을 통계적 고장모드 비율 자료와 결합하면 정량적 분석으로 확장된다. 고장모드별 발생확률은 고장률과 고장모드 비율로 정해진다.

FMEA는 제품이든 공정이든 설계에 주안점을 둔 체계적 활동이다. 그 목적은 다음 세 가지다.

• 제품·공정의 잠재적 고장과 그 영향을 인식하고 평가한다.
• 잠재적 고장이 일어날 기회를 제거하거나 줄이는 조치를 찾는다.
• 전 과정을 문서로 남긴다.

FMECA는 FMEA를 먼저 수행한 뒤 치명도 분석(CA)을 더하는 방식이다. 고장의 발생확률과 심각도를 함께 고려해 고장을 순위로 나눈다. 문헌에 따라 FMEA를 FMECA의 동의어로 쓰기도 하므로 답안에서는 구분 기준을 밝힌다.

3. 등장 배경과 필요성

FMEA는 1950년대 후반 신뢰성 엔지니어들이 군용 시스템의 오작동으로 생길 수 있는 문제를 연구하기 위해 개발되었다. 고도로 구조화된 체계적 고장분석 기술로는 최초의 하나로 평가된다. 이후 항공, 자동차, 반도체, 의료기기 등으로 적용 분야가 넓어졌다.

개발 배경에는 복잡한 시스템에서 사고가 한 부품의 고장에서 시작된다는 인식이 있다. 설계 후반에 고장을 발견하면 설계 변경 비용이 크게 늘어난다. FMEA는 설계 단계에서 고장을 미리 찾아 비용과 위험을 함께 줄이는 수단이다.

기계안전 측면에서는 위험원을 제거하는 근원적 안전화와 연결된다. 제어 회로나 기계 부품의 고장이 작업자 위험으로 이어지는 경로를 미리 확인할 수 있다. 또한 신뢰성 연구의 첫 단계로 자주 쓰여, 이후 고장나무분석(FTA) 등 다른 해석과 함께 사용된다.

고장모드·고장영향·검출도를 한 행에 기록하는 워크시트 방식이 FMEA의 기본 틀이다.

4. 구성요소·원리·절차

FMEA는 시스템을 구성하는 부품이나 기능 하나하나를 기준으로 고장 모드를 찾고, 그 고장이 상위 시스템에 어떤 영향을 주는지 위쪽으로 추적하는 상향식(Bottom-up) 귀납적 분석법이다. 분석 단위는 기능 단위(Functional FMEA)와 부품 단위(Piece-part FMEA)로 나뉜다. 기능 단위는 기능 블록도를 바탕으로 각 기능의 고장 모드를 찾고, 부품 단위는 밸브·커넥터·저항 같은 개별 부품의 고장 모드를 찾는다.

분석 대상의 구성요소와 역할은 다음과 같다.

위험 우선 순위의 기준은 위험우선순위수(RPN, Risk Priority Number)다. RPN은 다음과 같이 구한다.

$RPN = S \times O \times D$

여기서 S는 심각도(severity), O는 발생도(occurrence), D는 검출도(detection)이며, 각 값은 보통 1~10 척도로 평가한다. 값이 클수록 우선 개선 대상이다. RPN은 평가자의 주관이 섞이기 쉬우므로, 심각도가 높은 항목은 RPN과 관계없이 먼저 다루는 방식을 함께 쓴다.

분석 절차는 다음과 같다.

• 분석 대상 시스템의 범위와 경계를 정하고 기능 블록도를 작성한다.
• 각 기능 또는 부품별로 가능한 고장 모드를 열거한다.
• 고장 모드마다 원인과 국소·상위·최종 영향을 기록한다.
• 현재의 예방 대책과 검출 수단을 확인한다.
• S, O, D를 평가하고 RPN을 계산해 우선순위를 정한다.
• 우선 대상에 개선 조치를 정하고, 조치 후 S, O, D를 다시 평가한다.
• 결과를 워크시트로 문서화하고 설계 변경에 반영한다.

FMEA는 부품 고장을 상위 시스템의 영향으로 연결하는 상향식 분석이다

분석 결과는 FMEA 워크시트에 기록한다. 워크시트 형식은 산업과 기관에 따라 다르지만 위 구성요소를 모두 담는다.

다음 도식은 기능 블록과 고장 전파 방향을 함께 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

FMEA는 특정 법령이 의무화한 기법이 아니다. 다만 기계·전기·소프트웨어 안전 분야에서 여러 표준이 절차와 척도를 정하고 있어 참고한다. 국내에서는 위험성평가 기법의 하나로 쓰이며, 「산업안전보건법」상 사업주의 위험성평가 의무 자체는 이 기법을 강제하지 않는다. 기계 분야에서는 기계 안전 설계 표준과 신뢰성 분석 표준이 FMEA 절차를 다룬다.

FMEA 기준 수치는 RPN 계산에 쓰는 척도다.

척도의 세부 판정 기준(예: 심각도 10점이 의미하는 사고 수준)은 적용하는 표준이나 사업장 기준에 따라 다르다. 시험 답안에는 척도의 방향과 RPN 곱셈 구조를 쓰면 충분하다.

그 밖에 정량 분석에서는 고장률과 고장 모드 비율을 곱해 고장 모드별 고장률을 구한다. 이 값은 FMECA의 중요도 분석에서 쓴다.

$\lambda_{mode} = \lambda \times \alpha$

여기서 \lambda는 부품의 전체 고장률, \alpha는 해당 고장 모드의 비율(0~1)이다.

6. 유형과 비교

FMEA는 분석 대상 수준에 따라 기능 FMEA(Functional FMEA), 설계 FMEA(Design FMEA), 공정 FMEA(Process FMEA)로 나뉜다. 기능 FMEA는 시스템의 기능마다 고장 모드를 찾고, 기계설비에서는 기능 블록 선도(Functional Block Diagram)를 보며 수행한다. 설계 FMEA는 부품과 구조의 설계 단계에서 설계 결함을 찾는다. 공정 FMEA는 제조·작업 공정에서 공정 조건과 작업 실수를 찾는다.