[제조 길잡이] 반도체와는 ‘실과 바늘’, PCB에 대해 알아봅시다

꽃가루(약 40μm) 크기의 4만분의 1, 모래(약 1mm)의 100만분의 1, 머리카락 굵기(약 100μm)의 10만분의 1. 1 나노미터(nm)가 감이 오시나요? 우리나라가 선도하는 ‘미시의 세계’가 있습니다. 바로 반도체입니다.

코로나19 바이러스가 등장한 2020년 이후 세계 경제 침체가 심화되는 가운데에서도 ‘역대 최대 매출’을 기록하고 있는 산업군이 있는데요. 바로 PCB 산업입니다. 최근 금융감독원 전자공시시스템에 따르면, 국내 주요 PCB 업체(심텍·코리아써키트·대덕전자 등)들이 2021년 1조원이 넘는매출을 올리면서 역대 최대 실적을 달성했습니다.

불경기에 악재가 겹친 시기에도 PCB 산업이 살아남을 수 있었던 이유는 뭘까요. 앞서 살펴본 반도체와 PCB가 떼려야 뗄 수 없는 사이기 때문입니다. 반도체는 크기가 너무 작고 온도, 습도 변화에 취약합니다. 이 때문에 반드시 반도체를 ‘패키징(packaging)’하는 작업이 필수입니다. 외부 환경으로부터 반도체를 보호하고, 반도체가 최적의 기능을 할 수 있도록 돕는 역할을 반도체용 PCB가 합니다. 최근 인공지능(AI)이나 빅데이터, 자율주행차 등 반도체 활용 분야가 확대되면서 PCB까지 긍정적인 외부효과를 받고 있는 것입니다.

반도체 패키징에 필수적이면서 동시에 전자부품을 실장(PCB 기판에 전자부품을 부착하는 작업)해 전기적으로 연결하고 전원을 공급해주는 부품인 PCB에 대해 알아보겠습니다.

PCB란?

PCB는 절연체(전기나 열을 거의 통하지 않는 물질)로 만든 판(Board)에 구리(Cu)와 같은 도체(전기를 잘 통하는 물질)를 가공하여 배선을 형성한 ‘회로기판’입니다. 초기의 PCB는 인쇄 기법을 많이 사용하여 만들었기 때문에 ‘인쇄하여 만든 회로기판’이라는 의미로 PCB, 즉 ‘Printed Circuit Board’라는 이름이 붙었습니다.

각종 전자부품과 반도체는 그 자체로는 작동하지 않습니다. 컴퓨터의 전원을 켜기 위해서는 전기 플러그를 콘센트에 꽂아 전력을 공급해줘야 하죠. 하지만 모든 부품들에 하나하나 직접 전력을 공급할 수는 없습니다. 부품의 수가 적다면 가능하겠지만, 제품의 크기가 크고 부속품의 갯수가 많아지면 전기 배선이 복잡해지게 됩니다.

<아래 사진>처럼 모든 부품들이 직접적으로 전기 배선으로 연결된다면 기기의 내부는 사진과 같이 복잡해질 수 있습니다. 복잡하게 얽히고설킨 전기 배선들이 끊어져 제품이 제대로 작동하지 못하게 되는 문제가 발생할 가능성도 높아집니다.

전기선이 너무 복잡하죠? (사진=CAPA)

PCB 기판이 있다면 복잡한 전기 배선으로 부품들을 하나하나 연결할 필요가 없습니다. 기다란 전선은 PCB 기판에 새겨진 ‘선 하나’로 대체할 수 있기 때문입니다.

(사진=셔터스톡)

위 사진에서 길(road)처럼 그려진 진한 초록색 선들이 보이시나요? 이 선들이 전선 역할을 대신합니다. 저 선들은 전기가 잘 흐르는 재료로 제조됩니다. PCB 기판 자체는 절연체이기 때문에, 진한 초록색 선들이 연결하는 길을 따라서 전류가 흐릅니다.

PCB 기판은 여러 전기 배선 구조를 층(layer)별로 짜서, 한 번에 압축한 결과물입니다. 복잡한 전기 배선 구조가 판 하나로 압축되니, 제품 내부도 훨씬 덜 복잡해지죠.

(사진=셔터스톡)

위 사진에는 굉장히 많은 부품들이 부착돼 있습니다. 반도체를 둘러싸고 있는 검정색 칩(실장 chip)과 그 주변에 배치된 조그마한 저항 부품(과도하게 전류가 흐르지 않도록 저항을 만들어 과열에 따른 화재나 부품의 파손을 막아주는 기능을 함) 등이 기판 위에 장착되어 있습니다. 이렇게 많은 부품들을 하나하나 전기선으로 연결할 필요성이 없어지니 PCB 기판이 얼마나 편리한지 아시겠죠?

복잡한 전기 배선 구조를 간편하게, 또 안전하게, 최적의 상태에서 사용할 수 있도록 도와주는 것이 바로 PCB 기판입니다. 완성된 PCB 기판을 외부 케이스로 덮고, 조절기 등을 조립하면 하나의 전자기기가 완성됩니다.

PCB의 종류

PCB의 종류는 보통 층(layer)수를 기준으로 나눕니다. PCB 기판의 크기는 제한돼 있는데, 연결해야 하는 전선이 너무 많다면 전기 배선이 서로 겹칠 수 있겠죠. 전기 배선이 교차하면 합선이 되는 등의 문제가 발생합니다. 이를 방지하기 위해 복잡한 전기 배선 구조도를 수평으로 쌓는 레이어를 만듭니다. 층 단위로 레이어를 쌓으면, 층을 달리해서 전기배선이 교차하는 구조로도 부품을 연결할 수 있지요.

단순한 기능의 제품에는 단면 PCB가 주로 쓰입니다. 기능이 복잡한 전자기기일수록 한정된 공간에 많은 배선을 배치하기 위해 PCB 층수가 많아집니다. 이때는 다면 PCB가 필요합니다.

단면 PCB
회로 패턴을 구성할 수 있는 면이 1개인 PCB를 말합니다. 전도성을 가지는 구리층(copper layer)이 한 면입니다. 하나의 표면에만 부품을 장착할 수 있습니다. 아래 사진에서 솔더 마스크(solder mask)는 PCB 기판 표면을 덮는 초록색 층을 말하는데, 산화를 방지하는 등 역할을 합니다. 단면 PCB는 배선을 배치하는 데에 층이 1개 층으로 한정되기 때문에, 복잡한 회로를 설계할 때보다는 단순한 회로 설계에 많이 사용됩니다.

(사진=devicemart.blogspot.com)

양면 PCB
회로 패턴을 구성할 수 있는 면이 양면으로 2개인 PCB를 말합니다. 구리층이 양면입니다. 두 표면에 부품을 장착할 수 있어 단면 PCB에 비해 고밀도 실장이 가능합니다.

(사진=devicemart.blogspot.com)

두 개의 구리층을 연결해주는 역할은 비아 홀(VIA hole)이 합니다. 비아 홀은 부품을 삽입하지 않고 회로를 구성하는 구멍을 말합니다 <아래 사진 참조>. 비아 홀은 금속(주로 구리(Cu))으로 도금되어 층과 층 사이를 전기적으로 연결합니다.

비아 홀. (사진=solder.tistory.com)

비아 홀을 사용하여 층이 추가되면, 전자 설계 기능이 확장되고 보드의 크기가 줄어들 수 있습니다. 하지만 단면 PCB에 비해 양면 PCB는 제조 시간이 다소 길어질 수 있고, 단가가 높아질 수 있습니다. TV나 냉장고 등 가전제품과 컴퓨터, 복사기, 팩시밀리 등 기계에는 양면 PCB와 단면 PCB가 모두 사용됩니다.

다층 PCB(MLB)
구리층을 여러개 연결한 4층 이상의 PCB를 말합니다. 고밀도 부품 실장이 가능합니다. 다층 PCB는 MLB(multi layer board)라고도 불립니다. MLB는 휴대폰이나 통신장비 반도체 관련 제품에 주로 들어갑니다. 다층 PCB는 단면일 수도 있고 양면일 수도 있습니다.

(사진=devicemart.blogspot.com)

PCB의 가격 결정 요인

PCB를 제조하는 데 드는 비용에 영향을 미치는 주요 요인은 크게 △재료 유형 △크기 △레이어 수로 구분할 수 있습니다. 각각의 요인을 살펴보겠습니다.

재료

회로 기판에 사용되는 재료는 항상 비용에 영향을 미칩니다. 일반적으로 PCB 기판은 FR-4로 만듭니다. FR-4는 에폭시수지와 유리 섬유 천으로 이루어진 복합 재료입니다.

하지만 일부 산업에서는 FR-4로 만든 PCB 기판을 사용하기에는 적절하지 않습니다. 항공 우주 산업, 연료 산업과 같이 고강도의 PCB가 요구되는 경우 다른 재료를 사용해야합니다. 이 경우 재료에 따라 PCB 가격이 달라지게 됩니다.

재료를 선택할 때 고려해야 하는 요인은 강도뿐만이 아닙니다. PCB가 작동하는 작업 환경이 고온일 경우 PCB가 해당 온도를 견딜 수 있어야겠지요. 또한 PCB가 전기 신호를 얼마나 잘 전달하는지(신호 성능), 외부 압력에 잘 견디는지(물리적 특성) 등 PCB 재료를 선택할 때 고려해야 하는 요인들은 다양합니다.

이러한 요인에 따라 적절한 재료를 선택해야 하고, 재료에 따라 PCB 가격 또한 달라지게 됩니다. 일례로 전자레인지와 계산기에 각각 사용되는 PCB는 많게는 10배까지 가격에서 차이가 난다고 합니다.

크기

장치에 필요한 회로 수가 많을수록 PCB의 크기는 커집니다. PCB 크기가 커지면 PCB 가격은 비싸집니다. 디지털 시계처럼 단순한 기기는 노트북처럼 복잡한 기기보다 회로 수가 적습니다. 단순한 기기를 만들 때는 더 작은 크기의 PCB를 사용할 수 있어 비용이 줄어듭니다. 산업용 기계처럼 대형 기기를 만드는 경우에는 노트북을 만들 때 사용했던 PCB보다 훨씬 큰 PCB가 필요하기 때문에 비용도 많이 들겠죠.

PCB에는 아래와 같이 일반적으로 통용되는 표준 사이즈가 있습니다.

18 X 24″ (457 x 610mm)
18 X 21″ (457 x 533mm)
21 X 24″ (533 x 610mm) …

특히 크기가 커질수록 PCB 가격은 크기에 비례하는 것 이상으로 비싸집니다. 즉, 소형 PCB를 대량 제조하는 것이 대형 PCB를 소량 제조하는 것보다 저렴할 수 있습니다.

레이어 수

앞서 레이어 수에 따른 PCB 종류를 살펴봤습니다. 단면 PCB, 양면 PCB보다 다면 PCB의 제조 비용이 훨씬 높습니다. 다면 PCB를 제조하는 데에 필요한 작업이 훨씬 복잡하기 때문입니다. 레이어 수가 많을수록 재료가 많이 투입되는 것은 물론, 완성된 제품의 결함률 또한 올라가기 때문에 고도의 기술이 요구됩니다.

레이어가 많아질수록 가격이 비싸집니다. 다만, 단순히 레이어가 많아질수록 그에 정비례해 비용이 늘어나는 것은 아닙니다. 처음엔 레이어가 한 층 추가될 때마다 늘어나는 비용이 커지다가 정점을 지나면 가격 상승률이 다소 완만해집니다.

지금까지 PCB에 대한 일반적인 내용을 알아봤습니다. 앞으로 PCB 설계부터 제조, 조립(SMT) 등 PCB와 관련한 세부 항목에 대해서도 순차적으로 살펴보겠습니다.

제조업체 매칭플랫폼 캐파(CAPA)에는 PCB 설계/제조를 비롯해 CNC, 금형사출, 판금, 3D 프린팅 등 각 분야 최고의 제조 전문가들이 포진하고 있습니다. 외주 제조가 필요하다면 지금 캐파에서 전문가들을 만나보세요!

01/06/202212/12/2022

[CAPA 스토리] CNC로 어디까지 만들어봤니?

‘딱딱한, 은빛의, 기계 부속품…’ CNC 공작기계를 이용해 만들 수 있는 제품을 머릿속에 떠올릴 때 연상되는 이미지들입니다. 비단 CNC뿐만 아니라 각각의 제조 방식마다 연상되는 정형화된 이미지들이 있습니다. 특히 CNC의 경우엔 상대적으로 크기가 작고 정교한 제품의 이미지가 떠오르곤 합니다.

하지만 실제로 CNC가 만들어내는 세상은 우리가 쉽게 떠올리는 이미지에 한정되지 않습니다. 특히 ‘크기’에 있어 CNC는 일반적인 생각보다 폭넓은 가능성을 가지고 있죠. CNC를 이용해서 만들 수 있는 제품의 크기는 어느 정도까지일까요. CNC가 만드는 크고 작은 세상 속으로 함께 떠나볼까요.

‘인셉션’의 멈추지 않는 팽이, 현실에서도 가능할까

영화 인셉션의 한 장면을 기억하시나요? 주인공이 밟고 있던 땅이 갑자기 하늘로 연결되면서 우리가 갖고 있던 3차원에 대한 상식이 깨집니다. 이 영화가 세상에 나온지 10여 년이 지났지만, 도로가 뒤집히던 당시의 충격이 생생합니다. 땅과 하늘이 연결되는 인셉션에 대한 ‘오마주’를 이후 헐리우드 영화에서 심심치 않게 찾아볼 수 있습니다.

땅과 맞닿은 하늘이 ‘강렬한’ 충격이었다면, 영화 속에서 잔잔한 충격을 안겨준 것은 단연 ‘팽이’입니다. 마지막 장면에 혼자 돌고 있던 팽이는 지금쯤 멈췄을까요? 흔들림 없이 쉴 새 없이 돌아가는 팽이를 만들기 위해서는 중심이 잘 잡혀 있어야 합니다. 한 쪽으로 넘어지지 않으려면 정확한 대칭을 이루는 것이 중요합니다. 이처럼 정교하게 팽이를 가공하려면 기계의 힘을 빌려야 할 것 같습니다. CNC를 떠올리지 않을 수 없는 이유입니다.

CNC는 ‘컴퓨터 수치제어(Computerized Numerical Control)’의 약자죠. 이름처럼 CNC 기계는 사람이 아니라 컴퓨터가 제어합니다. 컴퓨터가 입력한 위치대로 정확하게 움직이면서 재료를 깎아냅니다. 이처럼 정확한 대칭을 이루도록 설계한 특수한 목적의 팽이를 만든다면 그 방법은 CNC가 제격일 겁니다.

팽이가 멈추지 않게 하려면 정교하게 대칭을 이루는 팽이를 만들어야 합니다. (출처 : 셔터스톡)

허용공차 지키려면 피드값을 줄여라

소형 제품은 대형 제품보다 가공 시 더 많은 주의를 요합니다. 세밀한 가공일수록 더 많은 정확성이 요구되고, 이를 충족하기 위한 기준도 보다 엄격해 집니다. 캐파(CAPA) 파트너로서 CNC 가공 등에 특화된 티어원의 정상신 기술이사는 “소형 제품을 제작할 때에는 반드시 ‘허용 공차’를 표기해야 한다”고 말합니다.

특별히 정교함이 요구되는 제품이 아니라면 가공시 지켜야 오차범위인 공차(tolerance)를 별도로 표기하지 않습니다. 이때의 공차는 일반 공차라 하며, 보통 허용 범위는 0.05mm 정도입니다. 하지만 미세한 작업이 필요한 부분에는 별도로 ‘허용 공차’를 표시해 둡니다. 보통 일반 공차의 5분의 1 수준인 0.01mm 단위로 오차 범위를 기입합니다. 정상신 이사는 “허용 공차를 표기할 때 반드시 기준점을 잡아야 한다”며 기준점을 잡지 않으면 가공 작업 과정에서 임의로 기준점을 잡기 때문에 원하는 대로 제품이 안 나올 가능성도 있다”고 말했습니다.

3D 펜으로 무엇이든 만들어보세요! (사진은 내용과 직접적인 관련은 없습니다. 출처=셔터스톡)

티어원의 경우 3D 펜에 들어가는 크기 10mm 수준의 노즐 부품을 제작한 사례가 있습니다. 티어원에서 만든 제품 중 가장 작은 제품이라고 하는데요. 이 노즐은 3D 펜에서 필라멘트가 나오는 부분에 사용되는 부품이었습니다. 일반 볼펜으로 따지면 잉크를 가 나오기 위해 거쳐야하는 볼펜 끝 부분인 셈이죠. 노즐의 크기가 워낙 작아서 평소보다 더욱 세심한 주의를 기울여야 했고, 구체적으로 공구가 움직이는 속도(피드값)를 줄이고 선반의 회전수를 조정하며 미세한 가공 작업을 했습니다.

제품의 소재나 크기에 따라 공구가 움직이는 속도나 선반 회전수는 차이가 있지만, 일반적으로 알루미늄 제품을 가공할 때 피드값은 100~150 정도, 회전수는 2000~3000rpm 수준입니다. 3D펜 노즐의 소재는 황동이었는데, 선반의 회전수는 3000rpm 정도로 유지하되 피드값을 80 수준까지 낮춰 제작했다고 합니다. 알루미늄과 다른 소재를 사용하긴 했지만, 마찬가지로 노즐을 정밀하게 가공하기 위해 피드값을 낮춰 조심스럽게 가공한 것이죠.

이처럼 크기가 작은 미세한 제품을 CNC로 가공하려면 시간도 오래 걸리지 않을까요? 꼭 그렇지는 않다고 합니다. 정상신 이사는 “선반이 돌아가는 속도를 느리게 설정하더라도, 기본적으로 가공해야 할 제품 크기 자체가 작다면 제작 시간이 오래 걸리지는 않는다”며 “업체마다 (얼마나 정교한 가공이 가능한 지는) 차이가 있지만 티어원에서는 아무리 작은 제품이라도 만들 자신이 있다”고 자신감을 보였습니다.

CNC로 대형 선박을 만든다고?

‘Tamsen maritim’은 독일의 선박회사입니다. 회사의 기원을 따져보면 100년을 훌쩍 지난 지난 1850년까지 거슬러 올라갑니다. 기록적인 역사 외에도 이 회사는 여러 주목할 만한 기록을 가지고 있습니다. 대표적으로 CNC 가공으로 대형 고래의 크기에 버금가는 대형 선박 주형을 만든 것인데요. 아마도 CNC 가공으로 만든 제품 중에 크기로는 세계적인 순위에 들지 않을까 합니다.

대형 선박 주형을 만든 CNC 기계의 이름은 HSM-Modal입니다. 이 기계는 X축 80m, Y축 14m, Z축 9m에 달하는 범위에서 작업할 수 있다고 하니 그 규모가 엄청나지요. HSM-Modal을 활용하면 가로 축으로 최대 151미터 길이의 부품을 만들 수 있다고 합니다.

사람 키의 몇 배나 되는 CNC 기계, 보신 적 있나요? (출처 : eew-protec.de )

그렇다면 CNC 기계가 생산할 수 있는 최대 크기를 어떻게 알 수 있을까요. 제품의 최대 크기를 결정하는 것은 인클로저(enclosure)의 크기와 공구의 이동 거리입니다. 인클로저는 CNC 기계가 작동되는 동안 가공물과 기계를 외부로부터 보호하기 위해 작업 공간을 감싸는 공간을 말합니다.

위 사진에서 보면 커다란 만년필처럼 생긴 CNC 기계가 들어있는 대형 철제 구조물이 인클로저에 해당하겠죠. CNC 기계가 충분히 먼 거리까지 움직이면서 작업하려면 당연히 인클로저의 크기가 넉넉해야 할 겁니다. 저 정도 크기의 CNC 기계라면 사진 속 사람보다 큰 크기의 팽이도 쉽게 만들어낼 수 있을 것 같습니다.

이처럼 정교한 품질을 담보할 뿐 아니라, 다양한 크기의 제품 생산까지 가능한 CNC. 제조업체 매칭플랫폼 캐파(CAPA)에서는 고객의 세밀한 요구까지 충족시켜주는 약 600곳의 CNC 전문 파트너들을 만날 수 있습니다. 아래 캐파(CAPA) 배너를 클릭해보세요.

10/11/201801/21/2021

[제조 가이드] 후가공, CMF 디테일의 미학

0.1mm 엠보싱 차이로 완전히 달라보이네요.

지금까지 시제품 제작, 양산 준비를 위한 제작 방법 결정과 BOM을 알려드렸습니다. 이제 드디어 양산 단계네요. 사출 성형을 하고 나면, 후가공이 필요한 경우가 많습니다. 색을 입히기도 하고, 도금을 하기도 합니다. 바로 CMF 분야인데요.

CMF란 ‘색상(color), 소재(material), 마감(finishing)’의 약자입니다. CMF는 점점 더 중요해지고 있는데요. 바로 소비자의 선택에 큰 영향을 미치기 때문입니다.

에이팀벤처스의 온라인 제조 플랫폼, 카파 비교견적이 드리는 제조 팁!
이번 편에서는 CMF에 대해 알려드릴게요.

제품 사양과 기술 수준의 변별력이 점점 줄어들고 있기 때문에, 색상, 소재, 마감과 같은 후가공을 어떻게 하느냐가 중요합니다.

예를 들어, 냉장고를 살 때 어떤 기준으로 선택하시나요?

냉장 기술은 요즘 다 상향평준화 되어 있죠. 흔히 말하는 디자인을 보고 선택하게 되는데요. 제품의 외관, 즉 색깔, 소재, 마감과 같은 후가공을 어떻게 마무리 하느냐에 따라 소비자의 선택이 달라지고 매출이 달라지겠죠.

CMF는 소비자에게 바로 닿는 중요한 영역입니다.

제품을 개발하는 초기 기업이나, 하드웨어 스타트업에서 CMF의 모든 것을 다 알 필요는 없지만, CMF를 처음부터 고려해야 한다는 것만큼은 명심하셔야 합니다.

후가공인데, 처음부터 고려한다?!

색이나 소재, 마감을 왜 처음부터 생각해야 할까요?

마지막 단계에서 변경하면 계획에 없던 실패 비용이 발생하기 때문입니다.

예를 들어 무광으로 물건을 양산했는데, 후가공 단계에서 유광으로 바꾼다고 해봅시다.

원래부터 유광인 소재로 양산했다면 후가공 비용을 줄일 수 있었겠죠. 코팅비가 더 들어가고, 물성도 안 좋아질 것입니다.

또, 디자인 단계에서는 로고를 안 넣기로 했다가 사출을 다 하고 나서 로고를 넣는다고 하면 별도 스티커를 붙여야겠죠.

스티커 붙이는 작업 비용이 발생할 뿐만 아니라 소비자가 보기에도 완성도가 떨어질 것입니다. 금형 자체에 로고를 넣어 사출했다면 전체 일정과 비용이 다 줄어들었을 것입니다.

그리고 물건 표면에 인쇄를 하려면, 지그(jig)가 설계 단계에서부터 고려되어야 합니다.

지그는 양산시 가공 위치를 정하고 안내하는 공구인데요. 쉽게 이야기하면 물건에 회사 로고를 인쇄한다고 할 때, 늘 같은 자리에 로고가 정확히 찍혀야겠죠. 그러려면 인쇄되는 동안 물건이 움직이지 않고 같은 자리에 인쇄되도록 가이드가 있어야 할 것입니다.

아래 영상을 4분 15초부터 보시면 화장품 용기의 원통형 끝부분을 꽉 집어서 마무리하는 걸 볼 수 있는데요.

이 때 인쇄된 앞면과 뒷면이 확실히 반으로 나눠지게 해야 할 것입니다. 일정하게 앞면이 나올 수 있도록 통을 돌려주는 것을 볼 수 있는데요. 이런 것도 양산 전 설계 단계에서부터 고려해야겠죠.

이렇게 소재, 마감의 표현에 따라 조립 구조가 달라질 수도 있고, 사출 방향이나 방식을 다르게 할 수도 있습니다.

최종적으로 보이는 디자인이지만, 설계 전부터 최종 디자인을 고려해야 전체 일정과 비용을 낭비하지 않고 효과적으로 생산할 수 있는 것입니다.

CMF, 최선의 선택을 하려면?

첫 번째는 철저한 조사가 사전에 되어 있어야 합니다.

앞선 모든 단계에서도 반복된 이야기입니다만, 양산은 초기 비용이 크기 때문에 더 그렇습니다. 경쟁 제품 중 잘 만들어진 제품을 깊숙히 들여다보고 연구하는 것도 필요하고, CMF의 트렌드를 살피는 것도 중요합니다.

엘지하우시스에서는 디자인 트렌드를 매년 발표하고 있고, 삼성전자 디자인경영센터에도 CMF랩이 있습니다. KCC 컬러&디자인 블로그에서도 매년 CMF 트렌드를 잘 정리해서 보여줍니다.

두 번째는 디자인과 설계 사이의 합리적 조율이 필요합니다.

양산을 처음 경험하는 초기 기업이나, 하드웨어 스타트업에서는 제품 디자인을 외부에 맡기는 경우도 많습니다.

제품 디자인을 의도대로 완성했다고 하더라도 설계 단계로 가면 많은 게 바뀔 수 있습니다. 외관을 조금만 수정하면 생산 속도나 생산 단가가 낮아질 수도 있는데, 수정이 원활하지 않으면 전체 비용이 불합리하게 증가합니다.

하지만 아이덴티티가 되는 핵심 디자인을 무조건 수정할 수는 없죠. 디자인을 위해 배터리 탈착을 포기했던 아이폰처럼요. 이 제품의 디자인에서 어떤 것을 포기하고, 어떤 것을 끝까지 가져갈 것인지 충분히 고려해서 선택을 해야 합니다.

세 번째는 제품의 확장 로드맵을 고려한 생산입니다.

예를 들어 매년 외관의 색을 바꿔가며 제품을 출시할 경우 원재료를 살리는 디자인이 아니라면 비교적 적은 비용으로 색을 바꿀 수 있는 방법을 찾아야 합니다.

코팅을 하거나 필름을 입히는 것이 원재료 자체를 바꾸는 것보다 비용이 적게 들겠죠.

제품을 구매할 때 소비자에게 가장 매력적인 구매 요소로 다가오는 것은 제품의 외관입니다. 신선하고 다른 컨셉의 발상, 전략적인 시제품의 제작 그리고 양산 과정까지 CMF를 계속해서 고려해야 합니다.

양산 경험이 많지 않은 초기 기업, 하드웨어 스타트업이라면 제품 디자인부터 양산까지 경험을 갖고 있는 인더스트리얼 디자인 전문가의 도움을 받는 것도 좋을 것 같습니다.

이렇듯, 제조하기 위해서는 전문가들과의 소통이 필수입니다.
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07/11/201801/21/2021

[제조 가이드] BOM, 회사의 미래를 좌우한다?!

“제품 생산에서 제일 중요한 정보가 BOM이죠“

이제 양산 준비의 마지막 단계입니다. 양산 준비 과정에서 제작 방법을 검토했고, 대표적인 양산 방법인 사출에 대해 소개해드렸죠. 양산 전 제작 방법 결정 외에도 여러 가지를 준비해야 하는데요. 특히 BOM을 제대로 정비하는 것이 중요합니다.

에이팀벤처스의 온라인 제조 플랫폼, 카파 비교견적이 드리는 제조 팁! 이번 편에서는 회사의 미래를 좌우할 수도 있는 BOM에 대해 알려드릴게요.

1) BOM은 무엇인가?

BOM(Bill of Material)은 한국어로 ‘자재명세서’라고도 합니다.

제품을 생산하는데 소요되는 원재료 또는 부분품에 대한 상세내역입니다.

BOM은 한번 만들고 끝나는 것이 아니라 제품의 생성부터 폐기까지 제품정보와 속성을 공유하고 지속적으로 관리해야 하죠.

BOM은 제품 생산에서 가장 중요한 정보입니다.

어떤 물품을 생산하고자 할 때 어떠한 부품이 몇 개 소요되고, 조립과정을 통해 만들어진 주요 부분품들은 어떤 것이 있으며, 이러한 부분품을 어떻게 모아서 최종 완제품을 구성하게 되는지 일목요연하게 정리한 소요자재명세표이기 때문에 BOM만 있으면 그 제품을 그대로 베껴서 같은 가격으로 양산까지 할 수도 있습니다.

아이폰이나 갤럭시 스마트폰의 제조원가가 얼마라는 기사를 보신 적 있을 거예요. 이런 제조원가를 따질 때도 BOM이 필요합니다.

BOM은 제조업의 경쟁력을 좌우하는 핵심역량이어서, BOM을 관리하는 툴도 많고 개선 프로젝트를 대대적으로 진행하는 경우도 많습니다.

BOM을 제대로 만들고 관리하면, 기획ㆍ개발ㆍ양산에 이르기까지 원가ㆍ중량ㆍ투자비 변동과 추이 분석이 가능하고, 고객의 다양한 요구에 대응하기 쉬워집니다.

설계변경 관리 공수가 감소하고, 공정별로 부품 소요량을 실시간 산출할 수 있으며, 애프터서비스를 위한 재고를 줄일 수 있습니다.

BOM은 설계부터 생산, AS까지 약속된 코드 체계이지만, 다양한 버전이 존재합니다.

아래 그림을 보시면 설계 단계에서 쓰이는 EBOM, 제조 단계의 MBOM, 세일즈의 SBOM, 유통/재고 관리의 XBOM 등으로 나뉜 걸 아실 수 있을 거예요.

각 BOM에 포함된 정보의 종류가 다릅니다.

왜 BOM을 이렇게 나눌까요?

제품을 생산하는 각 단계에서 필요한 정보의 범위와 우선순위가 다르기 때문입니다.

EBOM과 MBOM을 보면, EBOM에는 설계/디자인/제품 개발 계획에서 파생된 정보가 담기고 MBOM에는 재료 수급, 공급 업체, 제품 생산 계획에서 파생된 정보가 담깁니다.

각 BOM 간에 업데이트 정보가 잘 유지되도록 하는 것도 매우 중요하겠죠.

2) 다양한 종류의 BOM이 꼭 필요할까?

BOM은 제품을 여러 사람이 지속적으로 업그레이드하거나, 다른 제품을 만들거나, AS를 관리할 때 필요합니다.

이를 반대로 생각하면 EBOM, MBOM, SBOM 등 다양한 종류의 BOM을 반드시 모두 다 작성해야 하는 것은 아닙니다.

다음과 같은 경우에는 다양한 BOM이 필요하지 않습니다.

설계부터 생산까지 모두 외주를 맡겼을 때
AS가 필요 없는 제품일 때
단일 제품을 생산할 때

(1) 설계부터 생산까지 모두 외주를 맡겼을 때

모든 것을 다 외부에서 한다면, 재고 대장만 갖고 있으면 됩니다. 재고 관리만 잘 하시면 되겠죠.

제품의 설계까지는 내부에서 하고, 양산은 외부에서 하는 경우도 있죠.

이럴 경우에는 내부에서 EBOM(Engineering BOM)을 갖고 계시고, 양산 업체가 MBOM(Manufacturing BOM)을 관리하면 됩니다.

제품 설계부터 양산까지 자체적으로 진행하면 설계/개발자는 EBOM을, 생산 파트에서는 MBOM을 관리하시면 됩니다.

(2) AS가 필요 없는 제품일 때

스마트폰을 생각해 볼까요. 스마트폰 기기가 고장나면 AS를 해주지만, 스마트폰 충전 케이블이 불량이면 완제품으로 교환해 줍니다. 스마트폰 케이스가 문제가 생기면 수리를 하기보다는 버리고 새로 사죠.

제품의 가격, 수리에 따른 기회 비용, 제품의 지속가능성, 소비자의 사용 행태 등을 생각해서 AS 정책을 정하시고 그에 따라 BOM의 관리도 달라져야합니다.

(3) 단일 제품을 생산할 때

페트병이나 볼펜만 만드는 곳이라면, 혹은 복잡한 시계이지만 한 종류만 만드는 곳이라면 BOM이 복잡하거나 계속 바뀔 일이 드물 것입니다.

수 만 개의 단일 제품은 발주서가 곧 BOM이 됩니다.

반대로 버전이 자주 바뀌는 제품이라면 BOM이 잘 만들어지고 업데이트가 꼼꼼할수록 좋습니다.

아이폰 7과 아이폰 8이 만약 같은 나사를 쓰지만 다른 렌즈를 쓴다면 관련 AS가 들어왔을 때 나사는 공통적으로 쓸 수 있지만, 렌즈는 다른 걸 써야겠죠.

이럴 때 MBOM이 이를 잘 지시해줄 수 있어야 부품 재고가 줄어들 것입니다.

또 나사를 구매할 때 더 많은 나사를 한 번에 구매해도 되니 바잉 파워(Buying Power)가 커져서 가격 협상이 수월해지겠죠.

3) BOM은 이래서 중요하다

BOM에는 부품의 품명과 품번이 들어갑니다. 하나의 제품에 품명이 겹치는 부품들이 많다면, 품번이 잘 구분되어 있어야 조립할 때 문제가 생기지 않고 생산 라인이 원활하게 돌아가겠죠.

예를 들어 품명이 나사라면, 자동차 안에 수많은 나사가 들어갈 것입니다. 1번 나사와 2번 나사가 있는데 구분을 못하고 발주를 내면 엉뚱한 재고가 쌓이는 동시에 부품이 없어서 생산이 늦어지겠죠.

도면 다음으로 제품의 정보를 가장 많이 담고 있는 문서가 BOM이기 때문에, 도면과 BOM 중 하나만 있어도 제품을 비슷하게 카피할 수 있습니다.

제품을 생산하기 위한 정보와 노하우, 어디에서 얼마에 어떻게 만들어지고 후처리 공정은 어떻게 하는지까지 다 명시되어 제품 그 자체라고 보셔도 됩니다.

그래서 외부 생산공장에 BOM을 넘길 때, 비밀유지각서를 받기도 하고 도면을 2D 도면으로 넘겨주기도 합니다.

BOM이 제대로 되어 있지 않다면 제조의 모든 과정이 삽질이 될 수 있습니다. 반대로 잘 정리된 BOM이 있으면 아무 것도 모르는 사람이 공장을 인수해도 제대로 만들 수 있고요.

BOM의 버전 관리는 매우 중요한데요.

제품명이 안 바뀌었더라도 제품 안의 부품이 달라질 수 있기 때문입니다. 자동차를 예로 든다면, 차의 이름은 바뀌지 않았어도 그 안에 들어가는 부품은 계속 바뀔 수 있습니다. 부품의 성능을 더 나은 것으로 개선했을 수도 있고, 안전을 위해 어떤 부품을 더 보강하기도 합니다.

만약 BOM 버전이 업데이트되지 않는다면 어떻게 될까요?

AS를 위해 부품을 주문해야 하는데, 지금 쓰이지 않는 이전 버전의 부품을 발주하면 쓸모없는 고철이 될 것입니다. 쓸데없이 창고도 차지하겠죠.

발주하는 사람이 부품을 하나하나 지금 쓰이는 것인지를 챙겨야 된다면? 시간이 무한대로 걸리고, 생산이 오래 걸리거나 제품 불량률이 증가합니다.

담당자가 바뀔 때마다 제품은 생산이 안 되고, 기업의 순이익은 감소할 것입니다.

본격적 양산에 들어가기 앞서 BOM을 제대로 정비하고, 체계를 잘 잡는 것은 매우 중요한 일입니다.

시제품 단계와 다르게 아주 작은 실수도 큰 손실로 이어질 수 있으니 철저하게 준비하는 게 필요합니다.

경험이 풍부한 제조 전문가가 양산 전 준비 단계에서 BOM까지 제대로 정비해야 지속적 품질 관리가 가능합니다.

이렇듯, 제조하기 위해서는 전문가들과의 소통이 필수입니다.
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03/08/201801/21/2021

[제조 가이드] 3D 프린터, CNC, 레이저 커터. 무엇으로 시제품을 만들면 좋을까?

시제품 만들어야 하는데, 3D 프린터랑 CNC 중에 뭐가 더 좋죠?

디지털 제작 장비들이 늘면서 시제품 제작이 빨라지고 쉬워졌습니다.
3D 프린터, CNC, 레이저 커터 등 다양한 장비들이 있는데요. 시제품의 목적과 성격, 제조 단계별로 사용해야 할 장비가 달라집니다.

에이팀벤처스의 온라인 제조 플랫폼, 카파 비교견적이 드리는 제조 팁!

최적화된 시제품 제작 방법을 알려드립니다.

지난 번까지 4편의 글을 통해 시제품 설계시 시간과 비용을 줄이는 방법, 시제품 제작의 중요한 두 가지 요소 일정 조정과 반복에 대한 설명을 드렸는데요.

오늘은 시제품 제작 툴에 대해 말씀드릴게요.
제작 장비는 굉장히 많은 것이 있지만, 디지털 제작 장비를 위주로 설명해드리려고 하는데요. 디지털 제작 장비(Digital Fabrication tools)란 컴퓨터에 의해 제어되는 제작 장비를 의미합니다.

위의 사진을 보시면 디지털 제작 장비와 기존 제조 장비와의 차이를 보실 수 있는데요.

기존 제조 장비는 사람이 몸을 움직여서 자르거나, 도구를 움직여야 했습니다. 목공에서 많이 사용되는 테이블 톱에 나무를 반듯하게 밀어넣어서 자르는 것을 많이 보셨을 거예요.

이렇게 디지털이 아닌 장비는 사람의 손을 타기 때문에 오차가 생기기 쉽습니다. 물론 숙련된 장인이라면 정밀하게 제작할 수 있겠지만, 그만큼 인건비가 올라갈 것이고 장인의 스케줄에 맞춰서 제작할 수 있게 기다려야 할 것입니다.

디지털 장비는 장인에게 맡기는 것보다 비용이 많이 낮아집니다.

여러 대의 기계에서 한번에 제작할 수도 있으니 빠르고 정밀하죠. 또한 사람에게 전달하는 것이 아니라 커뮤니케이션에서 문제가 발생하지 않습니다. 5cm가 5mm로 잘못 전달된다면, 비용과 시간 모두 낭비하게 됩니다.

디지털 제작 장비는 의사소통의 문제가 없는 대신 컴퓨터가 알아들을 수 있는 수치를 입력해야 합니다. 3D 프린터의 헤드와 CNC의 스핀들이 움직일 수 있는 G코드(Geometry Code)를 넣어줘야 하죠.

3D 모델 파일을 G코드로 변환할 수 있는 프로그램은 기기에 따라 여러 가지가 있는데요. 3D 프린팅과 CNC 밀링에 적합한 3D 모델을 만드는 것이 쉬운 일은 아닙니다.

모델링에서 시간을 많이 뺏기겠다 싶으면 전문가들에게 3D 모델링을 맡기는 방법도 있습니다. 제대로 제작할 수 있는 모델을 한번에 만들기 때문에 전체적인 시간과 비용이 오히려 줄어들 수 있죠.

대표적인 디지털 제작 장비는 3D 프린터, CNC 머신, 레이저 커터가 있습니다.
시제품을 만들 때 목적과 단계에 따라 어떤 장비를 사용하면 좋을지 알려드릴게요.

이럴 때 3D 프린터로 시제품을 만드세요!

복잡한 피규어 같은 유기적인 형태를 만들 때
속이 비어 있는 형상을 제작할 때
PCB, IoT 모듈이 포함되어 전선 등을 넣고 뺄 구멍이 안쪽에 여러 개 있을 경우
풀컬러 표현이 필요할 때

위의 사진은 크리에이터블이 3D 모델링, 3D 프린팅으로 시제품 제작, 후가공까지 진행했던 I3BEAM 제품인데요. 제품 성능 테스트용 시제품이었기 때문에 내부에 들어갈 카메라 및 센서 등이 실제로 작동하는 것까지 고려하면 3D 프린팅으로 제작하는 것이 가장 적합했습니다. CNC 밀링 머신으로 제작하게 되면 가격이 매우 비싸게 나왔을 것입니다.

이럴 때 CNC로 시제품을 만드세요!

초정밀 부품, 공차(기계 부품에서 기준 치수의 허용된 양)를 생각해야 하는 부품을 만들 때
강도가 높아야 하는(압력을 견뎌야 할 이유 등으로) 것을 만들 때
표면이 기계로 가공되는 것을 원할 때
금속, 나무, 대리석 등의 원재료를 살려서 만들 때

위의 사진은 CNC 밀링 머신으로 제작한 2.6m 크기의 조형물인데요. 크기가 매우 커서 3D 프린팅으로 제작하기에는 적합하지 않았고, 인조 대리석 원재료를 잘 살려서 만들기 위해 CNC로 진행했습니다.

위에 글씨를 새겨넣는 작업 또한 CNC로 깎아서 글자 획을 정확히 표현할 수 있었고요. 금속 부품을 제작할 때도 3D 금속 프린터가 있기는 하지만, 아직은 CNC 밀링 머신으로 깎아서 만드는 것이 좀 더 정밀합니다.

CNC 밀링 머신의 가장 큰 단점은 가격이죠. 제작 비용이 꽤 비쌉니다. 작업할 때 고려할 변수가 많아서 사람이 설계해줘야 하는 부분이 있고, 세팅 시간이 매우 오래 걸립니다.

깎아서 만들기 때문에 재료 낭비가 심하고 폐기물도 많이 생깁니다. 소음이 심해서 공장에서 제작해야 하죠. 데스크탑 3D 프린터처럼 집에서 사용하기는 어렵습니다.

이럴 때 레이저 커터로 시제품을 만드세요!

2차원 평면의 재료로 만들 때
판을 잘라서 조립하는 형태를 만들 때
특히 얇은 금속 판을 잘라서 만들 때
복잡한 형상을 평면에 표현하고 싶을 때

레이저 커터는 레이저로 재료를 녹이면서 자르게 됩니다. 따라서 녹는 점이 매우 높은 돌이나 유리는 자르지 못하는 것은 아니지만 굳이 레이저 커터로 자르지는 않죠.

위의 사진을 보시면 레이저 커터로 나무 판을 잘라서 소형냉방기의 박스 형태를 제작한 게 보이실 거예요. 자른 면이 까맣게 탄 것처럼 되어 있죠.

레이저 커터는 얇은 금속을 잘라서 무엇인가를 만들 때 가장 적합한 도구입니다.

굉장히 큰 판도 자를 수 있고, 제작 시간도 적게 걸리는 편입니다. 비용도 저렴하고요. 다만 평면 재료에 적합하기 때문에 한정된 분야에서 사용하고 있습니다.

프리미엄 가전 시장을 만든 발뮤다(Balmuda)를 아시나요?

죽은 빵도 살려내는 발뮤다 토스터로 유명해진 브랜드인데요.
발뮤다의 공기청정기 ‘에어엔진’은 3D 프린터로 시제품을 만들어 개발 기간이 10개월에 불과해 일본 산업계에서는 획기적인 일로 회자된다고 합니다.

벤처기업 지원을 위해 정부가 도쿄국립산업기술연구센터에 둔 3D 프린터를 적극 활용해 갖가지 시제품을 빠른 시간 내에 만들며 테스트해볼 수 있었던 덕분이라고 해요.

지금은 발뮤다 본사 연구센터에 대규모 3D 프린터를 대량 구축, 제품 설계, 시제품 개발 속도를 더욱 앞당기고 있다고 합니다.

시제품 단계에서는 빠르고 저렴하게 만들며 계속 테스트해볼 수 있어야 합니다.
디지털 제작 장비들이 시제품 단계의 시간과 비용을 절감해주고 있는데요. 여러분께서 준비하시는 시제품의 성격에 맞는 디지털 제작 장비를 잘 선택하실 수 있길 바랍니다.

다음 편은 드디어 양산 단계입니다. 양산을 준비하면서 고려해야 할 제작 방법에 대해 말씀드릴게요.