계장기술(PROCON)

특별기고 아즈빌 마더 팩토리의 생산 공정 혁신(Innovative production processes at Azbil's mother…

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 13회 작성일 20-09-11 14:10

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새로운 제품을 만들어내기 위한 선진적인 생산 기술 획득과 동시에 지속적인 제조 비용 절감 및 제조 품질의 향상 추구는 azbil그룹의 생산을 리드하는 마더 팩토리의 역할이다. 오랜 시간에 걸쳐 구축된 센서 패키징 기술을 활용한 고도의 생산 공정으로써 ‘AI 화상처리 기술’이나 ‘힘 제어 기술’을 활용한 부품의 정밀 장착, 미세 조립 사례를 서술한다. azbil그룹의 강점인 고객의 다양한 니즈에 대응하는 다품종 변량생산/커스터마이즈 생산은 혼류생산 방식을 기반으로 한다. 이를 글로벌화하기 위한 생산 시스템 구축, 휴먼 에러 배제 및 새로운 혼류생산 라인 구축의 대처 방안에 대해 소개한다.


1. 머리말

아즈빌㈜는 지금까지 일본의 이세하라공장(가나가와현 이세하라시)과 후지사와 테크노센터(가나가와현 후지사와시)로 생산 기능이 분산되어 있었다. 쇼난공장(가나가와현 사무카와쵸)을 azbil그룹의 마더 팩토리로 정하고 생산 기능을 집약시키며, 선진적인 생산 기술에 의한 실증의 장으로써 생산 혁신에 임하고 있다.

azbil그룹의 마더 팩토리는 크게 두 가지 기능을 강화하고 있다. 첫 번째는 기술 획득에 따른 생산 강화이다. 이는 기술 변혁의 큰 흐름에 대응할 신제품 생산을 위함이다. 타사가 쉽게 따라 할 수 없는 생산 공정으로 제품을 개발하면 아즈빌만이 제작할 수 있는 제품으로써 가치를 높이고 고객 만족을 얻을 수 있을 것이다. 다른 한 가지는 azbil그룹의 강점인 고객의 다양한 니즈에 대응할 수 있는 다품종 변량생산/커스터마이즈 생산 체제 유지와, 지속적인 가격 절감과 품질 향상으로 글로벌 생산화하는 것이다.
첫 번째 과제에 대해서는 오랜 시간에 걸친 각종 센서를 탑재한 제품 개발로 구축된 센서 패키징 기술로 새롭게 ‘AI 화상처리 기술’이나 미세 부품 조립에 활용할 수 있는 ‘힘 제어 기술’을 도입해 생산 공정을 고도화한다.

두 번째 과제에 대해서는 다품종 변량생산/커스터마이즈 생산을 지탱하는 혼류생산 방식의 생산 정보 일원 관리나 가공 조건의 자동 설정 등 ICT 측면에서의 강화나 생산 작업자 개인의 경험이나 기능에 의존한 생산 공정에서 탈피하고 있다. 또한, 휴먼 에러 배제를 목적으로 한 생산 공정 자동화에 임하는 초혼류생산 라인의 구축을 진행하고 있다.

본고에서는 두 가지 과제에 대해 기술적 접근에 의한 해결 방법을 서술하며, 구체적으로 얻은 성과를 보고한다.

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2. 생산 공정에 대한 과제

(1) 생산 기술에 의한 경쟁우위 제품의 개발
최근 IoT(Internet of Things), ICT(Information and Communications Technologies)에 대한 니즈가 높아지고 있다. 이를 뒷받침하는 계측기기 제품을 개발할 때 가장 중요한 기술 중 하나로 센서 패키징 기술이다. 센서 패키징이란 물리적, 전기적으로 센서나 마이크로 디바이스를 제품의 전기회로에 접속하기 위한 모듈을 생산하는 기술이다. 이 모듈을 안정적으로 생산하기 위해서는 취성 재료의 절삭·접합·접착, 또는 미세한 금속재료 가공이나 정밀 조립과 같은 요소기술의 축적과, 그것들을 생산 공정으로 실현하는 기계장치 개발 능력이 요구된다.
센서 패키징 기술의 고도화로 계측 성능, 품질을 높이면 타사에서 쉽게 따라할 수 없는 제품을 생산할 수 있다. 고도의 센서 패키징 기술을 기반으로 한 생산 공정을 보유하는 것이 azbil그룹의 마더 팩토리에 요구되는 첫 번째 과제이자 사명이다.

(2) 다품종 변량생산 / 커스터마이즈 생산의 글로벌 대응에 대해
고객의 다양한 니즈에 대응하기 위해 도입한 다품종 변량생산/커스터마이즈 생산은 azbil그룹의 강점이다. 한편, 이러한 대응을 하기 위해 생산 공정 설계나 설비설계는 개별 최적화되어 공장 전체적으로 봤을 때 가동 효율 및 공간 효율이 저하되는 경향이 있다. 해결책 중 한 가지로 여러 제품 또는 기종을 공통의 공정 및 설비에서 생산하는 혼류생산 라인 적용 확대이다.
최근에는 고객의 니즈가 더욱 다양해져 다품종 변량생산이 확대되고 있다. 생산 공정에서는 기종별 생산 수량의 평준화 등 운용면에서 효율을 꾀하며, 생산 기종의 빈번한 전환에 따른 부품·조립 순서 변경, 설비 교환(조건·설정 변경)을 피할 수 없었다.
여기에 고객별 맞춤 대응이 더해지면 특별 작업한 부품·조립 방법·설비 사양이 추가되므로, 혼류생산 라인은 더욱 복잡해지며, 생산 현장의 부담이 증대된다.
또한, 일본의 생산 환경에서 혼류생산은 생산 작업자의 높은 숙련도, 멀티테스킹화나 현장 관리자의 스킬에 따라 복잡한 생산 공정에도 유연하게 대응을 해왔다. 높은 현장 스킬에 의해 지탱된 생산체제라고 말할 수 있다.
혼류생산 라인의 적용 확대를 위해서는 (1) 디지털화된 생산 정보가 현장에서 활용할 수 있는 상태로 축적된 데이터베이스를 포함한 공장관리 시스템 구축, (2) 공정관리 시스템의 데이터베이스 정보를 사용한 작업자의 적절하고 정확한 작업 지시로 휴먼 에러 배제, 품질 안정을 위한 장치 도입, (3) 사람과 기계, 시스템의 협조로 새로운 혼류생산 라인 구축1)이 필요하다.
혼류생산을 글로벌 전개하기 위해 생산 설비나 공정관리 시스템을 표준화하여, 현장에서 일하는 사람의 부담이나 의존도를 더욱 낮춘, 스트레스 없는 초혼류생산 라인을 구축하는 것이 azbil그룹의 마더 팩토리에 요구되는 두 가지 사명이다.2)


3. 생산 공정의 혁신을 향한 작업

(1) 고도 센서 패키징 기술에 의한 생산

① 부품의 정밀 실장
소형화, 고정밀화가 요구되는 센서 패키징에서 미세부품의 정밀 위치를 결정하고 조립하는 기술은 필수 요소 기술이다. 예를 들면, 아즈빌의 범용 앰프 내장 광전센서 ‘Model HP7’은 빛을 집광하는 렌즈의 LED 탑재 상대 위치 정밀도가 광학 성능을 좌우하므로 수십 μm 오더의 위치 정밀도로 프린트 기판에 납땜해야 한다.
기존 기술로는 LED를 카메라로 촬상한 모니터에 확대 표시하여, 숙련 작업자가 수작업으로 위치를 설정하고, 지그로 고정 후 납땜했다.
최근에는 화상처리에 의한 정밀 위치 결정과 인두기를 사용한 자동 납땜 장치의 도입으로 공정 자동화를 해왔다. 그러나 납땜 시 인두기 산화나 인두기 끝의 도금 소모 등, 경시 변화로 인해 납땜 공정의 흐름을 제어하는 것은 어려우며, 결과물이 불안정함을 발견했다. 게다가 인두기 납땜 방식으로는 공급하는 납땜의 양도 많고, 납땜에 포함되는 플럭스가 프로세스 중 다량 비산한다. 이로 인해 LED를 파지하는 자동 납땜 장치 툴이 오염되면 정밀한 위치 결정에 방해되어 안정적인 생산이 어려웠다.
이러한 인두기 납땜 방식의 과제 해결을 위해, 비접촉식 레이저 가열에 의한 납땜 방식을 채용했다. 산화나 소모 등의 경시 변화에 영향받기 어려우므로 안정된 납땜 장치를 생산·도입할 수 있다. 비접촉식 레이저 가열에서는 인두기 측에 남은 납이 없어진다. 이로 인해 공급하는 납의 양, 즉 1회 프로세스에서 용융되는 납의 양을 줄일 수 있고, 플럭스 비산에 의한 툴 오염이 절감된다. 그러나 툴 표면이 플럭스로 오염되면 점성으로 인해 LED가 툴에 부착하는 현상을 완전히 방지할 수 없어, 위치 결정 후 LED 해방 시 돌발적인 위치 어긋남이 발생한다. 또한, 짧은 사이클에서의 연속 실장에 의해 툴 선단의 온도가 상승하므로 툴의 늘어남이 발생하며, 연속적으로 변화하는 위치의 어긋남으로 인해 장기적인 안정성 실현에는 이르지 못했다. 거기서 실장된 LED의 위치 어긋난 양을 계측하고, LED의 위치 결정 목표값을 피드백하여 실장 위치를 보정하는 제어 방식을 도입했다.
그림 2는 보정 제어의 유무에 의한 LED의 위치 어긋난 양을 비교한 결과다. 보정 제어를 하지 않은 기존의 실장방법으로는 LED 실장 위치는 목표값에 대해 가로 방향도 세로 방향도 생산 대수가 증가함과 함께 위치 어긋난 양의 변화도 발생하고 있음을 알 수 있다. 이에 대해 보정 제어를 한 이번 실장 방법으로는 목표값에 대해 일정하게 위치 어긋난 양이 안정되고 있음을 알 수 있다.
금번 도입한 제어로는 LED의 위치 어긋난 양을 통계적으로 처리하여, 경시적으로 발생하고 있는 위치 어긋남과 LED 툴에의 부착 등 돌발적으로 발생하는 위치의 어긋남을 분리시켜, 경시적인 변화만 보정한다.
또한 돌발적인 위치 어긋남의 발생 빈도로 툴 클리닝 시기를 판단하여, 작업자에게 알람을 준다. 이로써 위치 결정의 LED 실장을 높은 정밀도로 실현하고 있다.

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② 납땜 결과물 검사의 자동화
다음은 납땜 결과물 검사 공정에 대해 소개한다. 기존에는 숙련 작업자가 전부 육안으로 검사를 진행했는데, AI를 활용한 화상검사로 글로벌 생산을 할 수 있도록 자동 검사로의 생산 개혁을 진행하고 있다.
일반적인 AI 학습으로는 양품/불량품 화상의 양자를 교사 데이터로 학습시키거나 생산 현장에서 다량의 불량품 화상을 취득하기 어렵다. 미지의 불량이 발생하는 경우 불량과 양품 중 어느 쪽에 가까운지 판단을 하면 생산 공정에서는 허용되지 않는 불량품을 양품으로 판정할 가능성도 생긴다.3) 이것을 방지하기 위해 양품 화상만을 교사 데이터로 기계 학습시키고, 불량품을 다음 공정에 유출시키지 않는 검사 알고리즘을 탑재한 프로그램을 작성했다.
그러나 이런 방법의 최대 난점은 불량품의 과잉 판정에 의한 과검지이다. 지금까지 진행해온 인두를 사용한 자동 납땜장치로는 인두의 표면 상태, 온도 변화 등 여러 요인에 의해 납땜 결과물 형상은 다방면에 걸쳐 양부 판정 자체가 어려웠다. 실제 납땜 불량률은 수배에서 수십 배까지 과검지가 발생하며, 자동 검지 후에 불량 판정된 제품을 다시 육안으로 검사하는 불필요한 작업을 거쳐야 했다. 이번에 도입한 레이저 가열 방식으로는 요인 변화와 납땜 결과물 형상이 AI 화상검사 기술로 취급하기 쉬운 범위에 들어가, 자동 검사가 가능해졌다고 판단된다.

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 ③ 미세 조립
센서 패키징이란 취성 재료로 이루어진 센서칩을 접착·접합하는 등 조립하므로, 힘 제어가 가능한 부품 반송 기술도 중요한 요소 기술이다. 스마트 밸브 포지셔너 200 시리즈, 300 시리즈, 700 시리즈에 탑재된 자기저항 센서의 센서 패키지는 센서 홀더로 불리는 수지 부품에 대해 센서칩을 접착하는 다이 본딩(Die bonding) 구조이다. 자계를 인가하는 마그넷과 센서칩의 상대 위치 정밀도가 계측 성능을 결정한다. 이로 인해 센서칩의 탑재 높이, 회전 등 고정밀도의 위치 결정이 요구된다.
또한, 취성 재료인 센서 칩 반송 시 파손을 방지하기 위해 픽업 시나 센서 홀더에 탑재 시에도 힘 제어가 필요하다. 센서의 미세 조립은 위치 제어와 힘 제어를 동시에 진행할 수 있는 아즈빌의 독자 기술인 액티브 컴플라이언스 컨트롤을 활용하고 있다.4)

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생산 공정에 대해 구체적으로 설명하면 센서칩은 칩트레이에 들어간 상태로 다이본딩 장치에 공급된다. 처음에는 화상처리로 센서 칩의 좌표 위치, 회전 각도를 계측한 뒤 흡착식 노즐로 픽업되어 위치를 보정한다.
그 후 정밀 디스펜서로 다이본드제를 미리 도포한 센서 홀더에 붙인다. 센서칩 픽업 시에는 센서칩을 파손하지 않을 정도의 약한 힘으로 센서칩에 근접해, 픽업하는 흡착식 노즐의 이동량에 따라 센서칩 접촉을 검지하고 파지를 진행한다.
한편, 센서 홀더에 접착할 때에는 접착제의 점도에 따라 센서칩을 파손하지 않는 힘으로 소정의 탑재 높이까지 밀어넣어 위치 정밀도가 안정적인 다이 본딩 공정을 실현했다.

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이러한 힘 제어를 응용한 액티브 컴플라이언스 컨트롤을 적용하여 회전 각도뿐만 아니라 높이 방향의 제어도 안정적으로 접착할 수 있으므로 후공정에서의 실장검사도 생략할 수 있다.

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(2) 초혼류생산 라인 구축을 위한 구체적 방안

① 공정관리 시스템 구축
생산 현장으로의 Input 정보, 현장으로부터의 Output 정보를 디지털화하여 관리·활용하기 위해서는 전사의 기간 시스템과 생산 현장을 잇는 MES(Manufacturing Execution System)가 필요하다. 시장에는 각종 패키징 소프트웨어가 준비되어 있지만, 도입에 따른 비용 대비 효과나 아즈빌 생산 형태와 패키징 노하우 친화성 검증 등 선정은 쉽지 않았다. 또한, 검토 개시 시점에 초혼류생산 라인의 시스템 요건 정의도 어려웠으므로 azbil그룹의 생산 특성에 적합한 MES 기능의 일부를 완수하는 공정관리 시스템을 개발하는 것부터 시작했다.
이번에 개발한 공정관리 시스템은 전사의 기간 시스템과 MicrosoftⓇ SQL Server와 생산 설비를 네트워크로 연결한 시스템 구성이다. 제조 지시 정보(시리얼 번호· 기종 식별 정보), 생산 진척·이력 데이터, M-BOM(제조부품표), 기종별 설정 정보 등 생산 현장에서 활용하기 위한 각종 정보를 데이터베이스에 축적할 수 있다. 생산된 제품의 개체 인식에 따라 공정관리 시스템에서 사용하는 생산 설비를 특정 지어, 생산 설비의 가공 조건 등 필요한 정보를 자동으로 열람할 수 있다. 또한, 생산 공정의 검사 데이터나 부품 정보 등 이력 데이터의 Output 정보도 공정관리 시스템 데이터베이스에 제품의 제조 시리얼 번호를 키로 보관할 수 있다.
예를 들면 플랜트 공장 등에서 기체, 액체, 증기의 유량, 압력, 액위 등을 측정할 수 있는 차압·압력발신기 Advanced Transmitter Model GTX 등, 연간 7,8 00 종류가 넘는 형식을 생산하고 있어 개별 제품이 적절한 공정에서 생산된 것임을 보증하는 생산 트레이스 정보는 중요하다. 이번 도입한 공정관리 시스템에서는 실시간으로 열람할 수 있게 되었다.

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② 다품종, 커스터마이즈 생산에서의 휴먼 에러 배제
다품종, 커스터마이즈 생산에서 작업자의 진척도나 다능공화 상태 등 사람의 관리 스킬에 의존하는 영역이 대부분이므로 휴먼 에러에 대한 리스크가 증대된다. 다종류 부품 피킹, 작업 지시, 잦은 설비단 교체 시 사람의 관여를 줄이는 것이 휴먼 에러 리스크를 줄이고, 고품질·고효율 생산라인을 유지할 수 있다.
이번 도입한 공정관리 시스템으로 제품 시리얼 번호를 확인해 데이터베이스에 액세스하면 기종별 피킹 정보나 설비 조건 설정 정보를 조회할 수 있다. 부품 피킹 지원 장치 및 제품에 형번이나 기종별 고유 정보를 표식하는 마킹 장치 자동 설정 등에 적용했다. 이로써 생산 작업자의 스킬에 의존하지 않고, 차압·압력 발신기인 Advanced Trans mitter Model GTX와 같은 다품종 제품의 조립 공정에 휴먼 에러를 배제한 생산 공정의 확립이 가능해졌다.

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③ 새로운 혼류생산 라인의 구축
공정관리 시스템, 휴먼 에러 배제 작업 구축을 베이스로 혼류생산 라인을 재구축했다. 공통 기능 공정을 많이 보유한 생산라인(제품 시리즈)을 대상으로 정하고, 혼류로 효율화가 가능한 공정을 추렸다. 실제로는 기체유량계의 생산라인을 대상으로 한 아래 공정에 대해 혼류화를 계획했다.
• 납땜 공정
• 내압 Leak 검사 공정
• 전기 기능 검사 공정
• 유량 조정, 교정 공정
동일 제품 시리즈도 제품마다 개발 시기가 달라 같은 전기기판의 납땜 공정으로 제작해도 땜납 패드의 형상이나 레이아웃은 각기 달랐다. 자동 납땜 장치 1대로 대응하기 위해서는 전기기판의 공통화, 통일화도 병행할 필요가 있다. 마찬가지로 혼류화 공정 부품을 공통화하여, 결과적으로 부품 개수를 10% 절감할 수 있었다.
생산 영역에서는 기존 제품 시리즈별로 전용 라인, 전용 설비를 도입하는 경우보다 공간 효율, 설비 가동 효율을 향상시킬 수 있다는 점을 증명할 수 있었다.

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 4. 성 과

(1) 센서 패키징 기술로 제품 경쟁력 강화
센서 패키징에서는 센서칩 취급 등 힘의 미묘한 가감이 요구되므로, 조립 공정에서 자동화는 한정적이었지만 액티브 컴플라이언스 컨트롤의 적용으로 공정 자동화를 가속할 수 있었다. 액티브 컴플라이언스 컨트롤과 비접촉식 레이저 납땜 공법, 정밀 위치 결정 기술, 위치 제어를 조합하여 보다 소형의 센서 패키징 생산이 가능하다.
또한, AI 화상검사 도입으로 후공정에서 불량품 유출 배제를 실현했다. 트레이드 오프되는 과잉 판정률(과검지율)도 기존 화상검사의 1/10 이하로 검사 정밀도가 높아졌다. 현재 AI 화상검사는 납땜 검사와 더불어 관능검사의 영역인 다른 검사 공정으로 전개를 하고 있다.

(2) 초혼류생산을 목표로
• azbil그룹의 생산 특성에 적합한 공정관리
   시스템 구축
•공정관리 시스템으로 휴먼 에러를 배제하는
    장치 도입
•새로운 혼류생산 라인의 구축
이러한 작업으로 소규모 투자 효율이 높으며, 사람 의존도가 낮은 혼류생산 라인을 구축했다.
이번 기체유량계 생산라인에서 3시리즈 제품을 혼류화하여, 전용 라인을 설치하는 경우에 비해 전용면적은 약 50%로 구축할 수 있었다. 설비 택트의 긴 설비가동률은 17% 향상되었다.
자동화나 공정관리 시스템을 활용한 가이던스 장치에 의해 제조 불량 삭감에 일정 성과를 얻었고, 혼류생산을 계기로 개발 부문과 협업한 제품의 공통화 설계에 공헌했다.
앞으로는 생산 공정의 실시간 정보 파악을 보다 향상시켜 생산성이나 품질 향상을 계획하고 있다. 제품설계와의 정보 연계로 인해 생산 설비 설계·구축의 단축화로도 이어나갈 필요가 있다.


5. 맺음말

azbil그룹의 마더 팩토리의 센서 패키징 기술에 의한 생산 공정 고도화 및 다품종 변량생산/커스터마이즈 생산을 글로벌 생산으로 전개하기 위한 초혼류생산 작업에 대해 소개했다.

센서 패키징 기술에 대해서는 AI를 활용한 화상처리기술 등을 적극적으로 도입하여 아즈빌다운 계측기기를 고객에게 제공할 수 있도록 생산 기술개발을 앞으로도 강화해 나갈 것이다.

또한 초혼류생산에서는 철저한 표준화로 일본 내, 해외 등의 어떤 공장에서도 마찬가지로 고품질로 생산함과 동시에, 생산 공정에서 얻은 귀중한 데이터를 제품 개발에 피드백하여 보다 ‘고도’의 제품을 보다 ‘빠르게’ 개발해 나갈 것이다.


<참고문헌>

1) 北條良光, 경쟁력 있는 아즈빌만의 생산체제 구축을 위하여 - 사람과 기계·시스템과의 협조를 통한 생산 개혁-, azbil Technical Review, 2018년 4월 발행호, p.2
2) 경제산업성 중부경제산업국, 「2040년 모 노즈쿠리(물건 제조)의 미래 모습」〜시류를 앞선 전략입안을 위하여〜2040년의 모노즈쿠리 미래 통찰 조사(개요판)
3) 田中拓哉, 笠原亮介, 화상을 이용한 자동외관검사기술, 일본화상학회지, 2016년 제55권, 제3호, pp.348-354
4) 川瀬茂, 津村高志, 小黒直輝, 액티브 컴플라이언스 디바이스의 개발, azbil Technical Review,2009년 12월 발행호, pp.63-67


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※ 본고는 azbil그룹 기술연구보고서인 Azbil Technical Review 2020년 4월호에 게재되었다.