Bong-Kee LeeSchool of Mechanical Systems Engineering

Chonnam National University

창의적 공학설계 I

4. TRIZ – Contradiction

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TRIZ – Contradiction

겐리히 알츠슐러– 1926 15th October– 1940 First invention– 1946 Military serves in patent department– 1946 Start of TRIZ development (20 years)– 1949 Two grand prix inventors competition, Letter to

Stalin, Arrest– 1956 Freedom, First publication in journal– 1958 Journalist and science fiction– 1961 First book about TRIZ– 1971 Lecture at University in Baku

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TRIZ – Contradiction

겐리히 알츠슐러– 1974 Publication abroad (Japan)– 1981 More than 300 schools in USSR– 1998 Died– 1999 TRIZCON held & AI established in USA

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TRIZ – Contradiction

알츠슐러의 의문– 해군의 특허 부서에서 기술적 문제들을 해결하는 도중– “창의적 문제해결에 어떤 공통된 원리가 있지 않을까?”– 1946년부터 1963년까지 러시아의 특허 20만 건을 분석

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TRIZ – Contradiction

발명(특허)의 5가지 분류– 20만 건의 특허를 기술적 창조성 수준에 따라 5가지 수준

으로 분류– 수준 3과 수준 4의 특허(4만 건 정도)를 분석

수준 발명의 내용 비율 필요한 지식

Level 1 해당분야 전문가들이 익숙한 방법을 이용한 해결책 32% 개인적 지식

Level 2 현재의 시스템에 기능을 추가하여 얻어지는 개선 45% 협동적 지식

Level 3 현재 시스템의 획기적인 개선 18% 동일산업 내 지식

Level 4 신개념의 시스템 창조 4% 타산업 내 지식

Level 5 획기적 신개념의 선구자적 발견 1% 새로운 과학

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발명(특허)의 5가지 분류

Level 3- 모순이 해결됨- 기계문제면 기계분야에서 해결되고 광학의 문제이면광학의 분야에서 해결됨. 동일한 기술분야에서 모순이해결됨.- 시행착오의 방법으로 도전 시 100~1000회 정도 필요

Level 4- 새로운 디자인, 개념을 제시- 해당 산업분야 밖의 지식을 이용하여 모순을 해결- 예전에 해당 분야에서는 알려지지 않은 물리적 효과 사용- 시행착오의 방법으로 도전 시 1000~10000회 정도 필요

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모순의 극복(overcoming contradiction)– 수준 3과 수준 4의 특허들의 공통점– 창의적 문제 해결법 → 모순의 극복 → 혁신

ProblemSolutions

called “Inventive”(Level 3 and 4)

OvercomingContradiction

Breakthrough

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모순의 극복(overcoming contradiction)– 모순의 극복을 통한 혁신– 실험계획법 등의 최적화 노력은 모순에 직면하였을 때, 그

모순을 극복하지 않고 타협하고 있는 것으로 볼 수 있음

모순의 극복을 통한 혁신의 노력

최적화 노력

개선의 정도

지식의 수준

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모순의 극복(overcoming contradiction)– 임진왜란 당시 화승총의 모순– 총신의 길이

• 재장전의 시간을 줄이기 위해서 → 짧은 총신이 유리• 사격의 정확성 및 총검술의 효과 → 긴 총신이 유리

– 총알과 화약을 뒤에서 장전하는 방식

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모순의 종류– 창의적 문제 해결의 가장 중요한 공통점은 모순의 극복– 수준 3과 수준 4의 특허들을 모순의 극복이라는 관점에서

연구하여 모순을 두 가지 종류로 분류

– 기술적 모순(technical contradiction)– 물리적 모순(physical contradiction)

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기술적 모순– 서로 다른 두 가지 기술적 특성(변수)이 서로 충돌하는 경

우: 39가지 기술적 표준 용어

– 하드디스크의 ‘기록의 정확도’와 ‘기록의 용량’– 하나의 문제를 해결하였을 때, 다른 부분에서 또 다른 문

제가 발생하거나 부작용이 발생하는 경우

→ 40가지 발명 원리로 해결

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기술적 모순의 예(I)– 석유 회사의 생산량과 품질의 관계

• 석유 원유를 증류하고 재처리하여 휘발유를 생산하는 정유회사의경우

• 생산량 증가를 통한 매출 증가 → 휘발유의 품질 저하• 휘발유의 품질 증가를 통한 고가의 휘발유 생산 → 생산량 감소

• 모순을 일으키는 기술적 특성: 화학공정 반응 속도 ↔ 불순물의 양

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기술적 모순의 예(II)– 프로펠러 비행기의 엔진 무게와 비행 속도

• 1차 세계대전 당시 공중전의 승패를 결정하는 결정적 요인: 비행속도

• 마력이 높은 엔진 장착을 통한 속도 증가 → 비행기 무게 증가로인한 속도 저하

• 가벼운 엔진의 장착 → 엔진 마력의 한계로 인한 속도 증가 제한

• 모순을 일으키는 기술적 특성: 무게 ↔ 속도

• 당시 비행기 산업계의 접근법: 가볍고 힘센 엔진의 개발

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물리적 모순– 어느 하나의 기술적 특성(변수)가 서로 다른 값을 동시에

가져야 하는 경우

– 자전거 및 오토바이의 체인• 단단해야 함(rigid): 동력의 전달에 유리함• 유연해야 함(flexible): 페달과 뒷바퀴의 축 사이를 움직여야 함

– 비행기의 바퀴• 존재해야 함: 이착륙• 존재하지 않아야 함: 공기저항의 최소화

→ 분리 원리(separation principle)로 해결

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모순에 대한 해결책: 물리적 모순– 시간에 의한 분리(separation in time)

• 건물 기초공사의 말뚝• 비행기의 바퀴

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모순에 대한 해결책: 물리적 모순– 공간에 의한 분리(separation in space)

• 레이저 다이오드의 형상

Sanyo blue-violet laser diode for 4-layer blu-ray

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모순에 대한 해결책: 물리적 모순– 전체와 부분에 의한 분리(separation in scale)

• 동력 전달을 위한 체인

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모순에 대한 해결책: 기술적 모순– 40가지 발명 원리를 적용하여 기술적 모순 해결– 모순 테이블(contradiction matrix): 39가지 기술적 표준

용어(technical parameters)들이 서로 충돌하는 경우에 대한 해결책(40가지 발명 원리)을 제시

– 모순 테이블을 사용하는 방법• 기술적 모순을 발견• 서로 충돌하는 기술적 변수들을 정의• 각각의 변수들을 39가지의 표준 변수로 대입• 모순 테이블에서 문제의 기술적 모순에 대해 추천하는 40가지 원

리를 적용

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모순에 대한 해결책: 기술적 모순– 39가지 기술적 표준 용어(technical parameters) (I)

1. 움직이는 물체의 무게2. 움직이지 않는 물체의 무게3. 움직이는 물체의 길이4. 움직이지 않는 물체의 길이5. 움직이는 물체의 면적6. 움직이지 않는 물체의 면적7. 움직이는 물체의 부피8. 움직이지 않는 물체의 부피9. 속도10. 힘

11. 응력 또는 압력12. 모양13. 물체의 안정성14. 강도15. 움직이는 물체의 작용 지속 시간16. 움직이지 않는 물체의 작용 지속

시간17. 온도18. 밝기19. 움직이는 물체에 의해 사용된 에

너지20. 움직이지 않는 물체에 의해 사용

된 에너지

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모순에 대한 해결책: 기술적 모순– 39가지 기술적 표준 용어(technical parameters) (II)

21. 동력22. 에너지 손실23. 물질의 손실24. 정보의 손실25. 시간 손실26. 물질의 양27. 신뢰성, 내구성28. 측정의 정확도29. 제조의 정밀도30. 물체에 작용하는 유해 요소

31. 유해한 부작용32. 제조의 편이성33. 사용의 편이성34. 유지 보수의 편이성35. 적응성36. 장치의 복잡성37. 조종의 복잡성38. 자동화 정도39. 생산성

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모순에 대한 해결책: 기술적 모순– 모순 테이블(contradiction matrix)

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레이저 다이오드(laser diode)– CD 플레이어, DVD 플레이어 및 대형전광판 등에 사용되

는 레이저 빔을 만들어 내는 핵심 부품– 임계전류값: 어느 일정 전류값에서부터 레이저 빛이 발생

되기 시작하는 전류의 값 → 낮을수록 유리– 발진시간(수명) → 길수록 유리– 당시 개발팀의 기술 수준

• 임계전류값: 평균 200mA, 분산 100mA• 발진시간: 1.5시간• 업계 1위의 경우 40mA, 1만 시간 이상

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레이저 다이오드(laser diode)– 트리즈가 융합된 6시그마 기법의 적용(DMADV)

(I) 목표 정의(define)– 임계전류값 50mA 이하 분산 10mA 이하– 발진시간 1000시간 이상

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레이저 다이오드(laser diode)(II) 측정(measure)– 프로세스 매핑: 목표 정의에서 정한 목표를 달성하기 위하

여 어떤 공정 단계에서 개선이 이루어져야 하는지를 확인

(III) 분석(analyze)– 트리즈와 실험계획법을 사용하기로 결정

Reducing Ith → Ridge shape change → TRIZReducing the variance of Ith → p-metal process change → TRIZReducing the variance of Ith → optimization of oxide process → DOE

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레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (1)– 트리즈를 이용한 릿지(ridge) 구조의 설계

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레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (1)– 트리즈를 이용한 릿지(ridge) 구조의 설계: 물리적 모순→ 공간에 의한 분리 원리 적용: 상단과 하단을 분리하는 구

조

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레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (1)– 트리즈를 이용한 릿지(ridge) 구조의 설계: 임계전류값의

획기적인 감소(200mA→50mA)

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레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (2)– 트리즈를 이용한 p-금속 공정 설계

• 1.5μm 크기의 접촉홀의 제작 공정: 임계전류값의 분산에 영향

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레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (2)– 트리즈를 이용한 p-금속 공정 설계

• p-금속의 폭을 증가(열전달 증가)시켜 소자의 작동시간을 증가시키기 위한 새로운 공정의 제안 → p-금속을 통한 전류의 손실 발생

• 기술적 모순으로 인식

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레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (2)– 트리즈를 이용한 p-금속 공정 설계

• 기술적 모순 해결을 위한 모순테이블 이용

좋아지는 점p-금속의 증가된 넓이→ 정지물체의 길이(4)

나빠지는 점릿지 바깥 부분 p-금속에서의 전류 손실→ 에너지 손실(22)

(6) 다용도

(28) 기계시스템의 대체

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TRIZ – Contradiction

레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (2)– 트리즈를 이용한 p-금속 공정 설계

• 다용도: 한 부품을 여러 번, 여러 용도로 사용하기• 산포의 원인이었던 접촉홈 생성 공정 자체가 사라짐 → 임계전류

값의 분산이 10mA로 줄어듬

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레이저 다이오드(laser diode)(IV) 디자인(design) (3)– 실험계획법을 적용한 릿지부 폭의 최적화

(V) 검증(verify)– 반복 실험을 통한 결과의 검증