On the Use of TRIZ Inventive Principles by Industries: Focusing on the Awarded Patents at the Korea Invention Patent Exhibition

트리즈 발명원리의 산업 분야별 활용도 분석: 대한민국 발명특허대전 수상작 중심으로

Abstract

TRIZ has been widely promoted as an effective methodology to solve engineering problems. Many people wonder if the methodology based on the solutions which resolved technological contradictions more than a half-century ago still works well. To answer the question, the usage of TRIZ 40 inventive principles for the awarded patents of the Korea Invention Patent Exhibition from 2011 to 2017 is analyzed. The result shows that the inventive principles can be applied to a variety of engineering problems in different industries. In addition, there are crucial inventive principles which applied frequently regardless of industry categories.

I. 서론

TRIZ(발명적 문제해결론)는 기술적 난제를 해결한 특허들에서 관찰되는 공통적 문제해결 원리들을 체계화한 것으로서(Altshuller & Shapiro, 1956), 오늘날 삼성전자, 포스코, Intel, P&G 등과 같은 우수한 기업들이 공학적 문제해결을 위해 활용하고 있다.

TRIZ 연구가 시작된 1940년대에는 기계, 전기, 화학, 철강 등과 같이 현대 산업사회의 기반이 되는 기간산업들이 뿌리를 내리고 있었다. Altshuller는 이러한 산업발전을 견인한 다양한 기술적 문제해결 과정에서 기계적 원리와 물리적 현상들이 어떤 방식으로 적용되고 있는지 세심히 관찰한 결과 동일한 문제해결 원리들이 서로 상이한 기술 분야에서 반복적으로 적용되는 것을 발견하였다. 이러한 통찰을 바탕으로 앞서 간 현인(賢人)들의 지혜를 추출하고 이를 체계적으로 정리해 놓으면 누구든지 자신의 당면 과제 해결에 이를 활용할 수 있을 것이라고 생각하였다.

Altshuller와 조력자들의 끈질긴 노력 끝에 발명원리, 분리원리, 기술진화의 법칙, 표준해, 물질-장 모델, SLP(Smart Little People), Trimming, ARIZ, Effects 등과 같은 다양한 방법론들이 개발되었다.

이러한 이론적 다양화는 역설적으로 TRIZ의 보급과 활용을 가로막는 장애요인이 되고 있다(Ilevbare et al., 2013). 다양한 방법론들 중 상황에 맞는 도구를 선택하고 그것을 올바르게 활용하기 위해서는 상당한 전문성이 요구되며(Ezickson, 2005), 적절하지 못한 방법론을 적용할 경우 시간만 허비하게 되는 경우가 많다(Rutisky, 2010).

TRIZ 적용과는 별개로 그것이 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있는지에 대한 연구들이 있었지만 대다수가 단편적 사례 중심으로 진행되었기 때문에 TRIZ가 범용적 사고도구로서 여러 산업 분야에서 활용될 수 있다는 것을 주장하기에는 논리적 근거가 부족하였다(Pokhrel et. al., 2015; Beckmann, 2015; Labuda, 2015).

본 연구에서는 2011년부터 2017년까지 대한민국 발명특허대전에서 수상한 다양한 산업 분야의 특허들은 대상으로 TRIZ의 가장 보편적 사고도구인 40가지 발명원리의 활용도를 분석하였다. 이러한 분석을 통해 다음과 같이 현실적으로 중요한 두 가지 질문에 대한 답을 찾고자 하였다.

첫째, 지금부터 50여 년 전에 개발된 기술적 문제해결 원리가 인터넷을 포함한 정보통신 분야와 같이 예전에 없던 신기술과 신산업이 태동한 현대 산업사회에서도 여전히 활용될 수 있을까?

둘째, (잘 알려진 ‘20:80의 법칙’처럼) 40가지 발명원리 중 산업 분야를 막론하고 자주 활용되는 핵심적 발명원리를 선별할 수 있을까?

이러한 두 가지 질문에 대한 답은 TRIZ 활용과 보급을 위한 중요한 논리적 토대가 될 수 있을 것이다.

II. 이론적 배경

1. TRIZ와 발명원리

발명적 문제해결론(Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch)이란 뜻의 러시아어 머리글자를 모은 TRIZ는 Altshuller가 20만 건의 특허 중에서도 기술적 모순을 해결한 특허 4만 건을 분석한 뒤 문제해결에 사용되는 공통적 규칙성을 확인하고 이를 체계화한 것이다(Terninko et al., 1998). 해결해야 할 문제를 추상화하여 일반적 문제로 변환한 후, 이미 알려진 보편적 해결책을 통해 당면 문제의 해결책을 유추할 수 있다.

TRIZ는 다양한 방법론들로 구성되어 있지만, 그중에서도 개발 초기에 확립된 40가지 발명원리가 가장 널리 활용되고 있다. Cavallucci(2009)는 설문조사를 통해 발명원리가 문제분석 및 아이디어 창출에 유용하게 활용되고 있다는 점을 확인하였다. Spreafico and Russo(2016)는 TRIZ 저널과 TRIZ Future Conference에서 수집한 200건의 논문에서 발명원리가 아이디어 발상에 가장 많이 사용된다고 보고하였다. 또한 김중현 외(2017)는 삼성전자에서 수행된 TRIZ 적용사례 2,513건을 분석한 연구에서도 발명원리의 활용률이 가장 높은 것으로 나타났다.

발명원리는 하나의 시스템에 두 가지 특성 또는 변수가 서로 상충되는 ‘기술적 모순’을 해결하는데 활용된 공통적 사고원리다.

기술적 모순은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 특성 A가 좋아지면 특성 B가 나빠지고, 반대로 특성 B가 좋아지면 특성 A가 나빠지는 상황을 나타낸다.

 

Fig. 1 Schematic representation of technical contradiction

이것은 공학적 문제해결에서 빈번하게 마주치는 어려움이다. 따라서 기술적 모순의 해결에 유용한 발명원리의 활용률이 높을 것이라는 점은 쉽게 짐작할 수 있다.

기술적 모순의 간단한 예로서 컵의 무게와 열전달 속도를 들 수 있다. 컵이 두꺼워질수록 열전달 속도가 느려지므로 보온이 잘 되지만 두꺼우면 무거워서 사용이 불편하다. 이와 반대로 컵의 무게를 줄이기 위해 얇게 만들면 사용이 편리하지만 열전달률이 높아져 보온이 잘 안 된다. 이와 같이 두 가지 특성이 상충되면 통상적으로 Fig. 2에 나타낸 것처럼 이들의 최적 절충점을 찾는다.

 

Fig. 2 Optimal trade-off in conventional approach

이러한 전통적 접근법과는 달리 TRIZ에서는 기술적 변수가 상충되는 모순적 상황을 근원적으로 해소하는 이상해(IFR, Ideal Final Result)를 추구한다. 즉, 가벼우면서도 보온이 잘 되는 설계 방안을 찾으려 한다.

일례로 발명원리 중 ‘분리’를 활용하면 Fig. 3(Thermos, 2018)과 같은 이중구조를 생각해낼 수 있다. 이중구조의 컵은 냉/온 음료가 접하는 내면과 컵의 외면을 분리한 뒤, 그 사이를 열전달률이 낮은 진공으로 만든 것이다(Burger, 1907). 이처럼 TRIZ 발명원리를 활용하면 전통적 접근 방식으로는 얻기 어려운 모순 해결책을 상대적으로 쉽게 찾을 수 있다.

 

Fig. 3 Vacuum insulated cup

2. 산업 분야의 확장과 TRIZ

18세기 중반부터 19세기까지 이어진 1차 산업혁명을 통해 자본주의와 공업사회의 토대가 마련되었다. 또한 20세기 전후에 일어난 2차 산업혁명 시기에는 생산성의 비약적 성장을 견인한 대량생산시스템이 본격적으로 출현하였다(Hughes, 1987). Altshuller가 TRIZ 연구를 시작한 1940년대에는 기계, 금속, 철강, 전력, 정유 등의 기간산업이 광범위하게 정착되었다.

기술적 모순, 발명원리, 이상해 등의 고전적 TRIZ 이론이 확립된 1960년대 이후 이전에 볼 수 없었던 새로운 유형의 기술들이 등장하였다. 인터넷을 포함한 정보통신기술의 보급을 지칭하는 3차 산업혁명과 인공지능이나 사물인터넷(IoT)의 활용이 본격화되는 4차 산업혁명은 전통적 기간산업과 거리가 멀다.

1990년대 TRIZ가 서방사회로 전파된 이후 TRIZ의 적용성 확대에 대한 논의들이 있었다. 먼저 화학, 건축, 정보 등의 기술 분야에서 기존의 TRIZ 발명원리들을 재해석하려는 연구들이 진행되었으며(Pokhrel et al., 2015; Beckmann, 2015; Labuda, 2015), 서비스나 과제관리 등과 같은 비공학적 분야의 적용 가능성에 대한 논의로 확대되었다(Mann & Domb, 1999; Zhang et al., 2003; Reusch & Zadnepryanets, 2015). 이와 관련된 연구나 논의는 모두 단편적 예시를 토대로 TRIZ 방법론과 연결될 수 있는지 살펴보는 수준에 머무르고 있다. 이 때문에 TRIZ의 범용성에 대한 의문은 해소되지 않고 있다(Sohn & Jung, 2010).

따라서 TRIZ의 기본 이론이 정립된 이후 출현한 신산업 분야를 포함하여 분야를 막론하고 TRIZ가 범용적으로 적용될 수 있는지 확인하는 것은 현실적으로 중요한 연구과제다.

3. TRIZ의 효율적 활용

Ilevbare et al.(2013)은 TRIZ가 많은 문제해결 도구들을 포함하고 있기 때문에 제대로 활용하기 어렵다는 점을 지적하였다. 이러한 문제를 극복하기 위해 Mann(2002)은 40가지 발명원리를 5가지 전략과 공간-시간-연결의 3가지 항목을 기준으로 간략히 그룹화하여 제시하였다. 또한 SIT(Systematic Inventive Thinking, 체계적 발명사고)에서는 TRIZ 40가지 발명원리들 중 사용빈도가 낮은 것들을 배제하고 유사한 것끼리 묶어서 5가지 사고도구로 집약하였다(Horowitz, 2001; Goldenberg et al., 2003). 그러나 이러한 그룹화 연구들에서는 저자들의 주장을 뒷받침할 만한 객관적 자료들이 미비하며, 그들의 이론이 TRIZ 활용에 대한 문턱을 낮추었다는 후속 연구도 찾아보기 힘들다.

TRIZ의 활용성을 높이기 위한 다른 방안으로 사용빈도가 높은 도구들을 우선적으로 사용할 것을 제안하는 연구들이 있다. Spreafico & Russo(2016)는 200건의 TRIZ 사례 분석을 통해 활발하게 활용되는 방법론들을 제시하였다. Dave(2017)는 Altshuller의 모순행렬을 바탕으로 활용도가 높은 발명원리를 제시하였다. 그러나 이러한 연구에서는 자신들의 주장을 객관적으로 뒷받침할 수 있는 수준의 자료 분석이 수반되지 않았다.

김중현 외(2017)는 삼성전자에서 10년간 수행된 2,513건의 TRIZ 적용사례 중 40가지 발명원리가 적용된 2,395건을 분석하였다는데, 상대적 활용도가 높은 상위 10개의 발명원리 적용사례가 전체의 63.5%를 점유하는 것으로 나타났다. 이 연구는 다량의 실제 TRIZ 적용사례를 분석한 최초의 연구로서 상당한 의미를 갖지만 전자산업만을 대상으로 했다는 한계가 있다.

적용빈도가 상대적으로 높은 발명원리들을 중점적으로 활용하는 것이 타당성을 가지려면 산업 분야에 상관없이 자주 활용되는 발명원리들이 따로 있는지 아니면 산업별로 활용도가 높은 발명원리들이 따로 있는지 알아야 하나 이에 대한 연구는 지금까지 진행된 바 없다.

III. 연구 방법

1. 분석 대상

본 연구에서는 대한민국 발명특허대전 수상작들을 대상으로 해당 특허에 적용된 발명원리를 비교 분석하였다.

발명특허대전은 전 산업 분야에 걸쳐 특허/실용신안/디자인을 대상으로 특허청 주관하에 실시되며, 우수 특허기술과 우수 특허제품의 산업화 촉진을 위해 매년 개최되고 있다. 따라서 발명특허대전 수상작들은 우리나라 산업계의 기술적 동향을 살펴보는데 도움이 된다.

발명특허대전 수상작은 기술성, 경제적 효과, 사업성을 기준으로 선정되는데(Table 1), 이를 보면 기술성과 경제성이 우수한 특허가 높은 평가를 받는 것을 알 수 있다.

Table 1 Evaluation criteria of Korea invention patent exhibition

본 연구에서는 수상작이 상대적으로 매우 적은 농수산 분야와 2016년 이후 시상 이력이 없는 디자인 분야를 제외한 6개 산업분야(기계금속, 생활용품, 섬유화학, 전기전자, 정보통신, 토목건축)를 대상으로 하였다. 2011년부터 2017년까지 표집된 588건의 수상작 중 수치 한정과 같은 단순 특허와 출원이 취소된 34건을 제외한 544건을 분석하였다.

2. 분석 방법

가. 산업 분야별 발명원리 적용 현황 분석

문제해결 과정에 적용된 TRIZ 발명원리들의 분석은 다음과 같이 진행되었다. 먼저 특허 등록서에 기재되어 있는 기존 기술의 문제점과 해당 특허의 최상위 청구항에서 확인된 주요 해결안의 비교를 통해 어떤 기술적 모순이 극복되었는지 확인하였다. 이후 이러한 기술적 모순을 극복하기 위해 문제해결 과정에 적용된 TRIZ 발명원리들을 Altshuller가 제시한 기준에 따라 분류하였다(Altshuller, 2007). 발명원리의 분류는 TRIZ를 활용하여 기술개발 업무를 5년 이상 수행한 전문가 3인의 합의를 통해 진행하였다.

산업별 비교 시 집단 간 적용도 평균에 유의한 차이가 있는지 확인하기 위해 ANOVA 일원분산분석을 실시하였다.

나. 효율적 TRIZ 활용 방안 분석

산업 분야에 상관없이 자주 활용되는 발명원리들이 따로 있는지 아니면 산업별로 활용도가 높은 발명원리들이 따로 있는지 확인하기 위해 발명원리별로 활용된 산업 분야의 수와 평균 활용률을 비교하였다.

k번째 발명원리의 산업별 평균 활용률은 다음의 (1)번 식과 같이 계산되었다.

\(\frac{\sum_{j=1}^{n} \frac{j \text { 산업에서 } k \text { 번째 발명원리활용특허수}}{j \text { 산업의수상특허수 } }}{n}\)       (1)

여기서,

n=6(; 분석대상이 된 전체 산업의 개수)

발명원리의 ‘산업별 평균 활용률’을 X축으로, 해당 발명원리가 사용된 ‘산업 분야의 수’를 Y축으로 정한 후 X축 평균값과 Y축 평균값을 기준으로 4가지 영역을 구분하였다(Fig. 4). 이렇게 나눈 4가지 영역의 의미는 Table 2에 정리되어 있다.

 Table 2 Characteristics of inventive principle groups

 

Fig. 4 Grouping method of inventive principles

다양한 산업 분야에서 활용되며 활용도도 높은 1사분면에 속한 발명원리들의 산업군별 활용도를 비교하기 위해 복수 표본의 경향 차를 확인할 수 있는 Friedman 순위검정을 진행하였다.

IV. 결과 및 해석

1. 산업 분야별 발명원리 적용 현황

분석 대상이 된 544건의 수상 특허 중 발명원리가 적용된 것들을 산업 분야별, 연도별로 구분하여 Table 3에 정리하였다. 이 표를 보면 발명원리의 평균 활용도가 93.9%로 매우 높으며 모든 산업 분야에서 90% 이상 활용되는 것을 알 수 있다.

Table 3 Usage of inventive principles

독립집단 간 평균 비교를 위한 ANOVA 분석을 통해서도 산업 분야에 따라 활용도에 유의미한 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다(p=.594).

이러한 결과는 두 가지 중요한 의미를 내포한다. 첫째는 기계적 작용 원리와 물리적 현상을 기반으로 50여 년 전에 도출된 TRIZ 발명원리가 예전에 없던 신기술과 신산업이 태동한 오늘날에도 여전히 활용될 수 있다는 것이다. 다음으로는 산업 분야를 막론하고 TRIZ 발명원리는 범용적으로 활용될 수 있다는 점이다.

2. 발명원리별 적용 현황

발명원리별 ‘활용한 산업 수’와 ‘산업별 평균 활용률’을 도표로 나타내면 Fig. 5와 같으며, 이를 Table 4에 세부적으로 정리하였다. X축은 40가지 발명원리가 전체적으로 균등하게 사용될 경우의 사용률인 2.5%를 기준으로 분류하였으며, Y축은 분석 대상이 된 산업 수 6개의 절반인 3개를 기준으로 분류하였다.

 Table 4 Analysis of inventive principle groups

Fig. 5에서 특별히 눈여겨볼 곳은 1사분면과 4사분면이다. 1사분면에는 다양한 산업에서 자주 활용되는 발명원리가 위치하는 반면 4사분면에는 특정 산업에서 자주 활용되는 발명원리가 위치한다. 이러한 관점에서 보면 다음과 같이 현실적으로 중요한 두 가지 시사점을 얻을 수 있다.

Fig. 5 Grouping of inventive principles

첫째, 1사분면에 위치하는 발명원리들은 다양한 산업 분야에서 자주 활용되는 것이므로 TRIZ 발명원리의 효율적 활용을 위해서는 이들을 중점적으로 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 통합(발명원리 5)과 분할(발명원리 1)을 비롯한 12가지 발명원리가 1사분면에 위치하였는데 이들의 활용률이 전체의 76.8%를 점유하였다. 참고로 기술하면 이 12가지 발명원리들의 산업 분야별 활용률 차이를 알아보기 위해 Friedman 순위검정을 실시한 결과에서도 유의미한 차이는 관찰되지 않았다(p=.672). 이것은 발명원리의 활용 빈도 순서가 산업별로 크게 다르지 않다는 것을 의미한다. 12가지 발명원리 중에서 통합(발명원리 5)이 특히 많이 활용된 것은 기술 간 융합이 중요한 시대적 특징이 반영된 것으로 보이며, 다음으로 분할(발명원리 1)이 많이 적용된 것은 40가지 발명원리 중 첫 번째로 나오는 것뿐 아니라 공간적, 시간적, 조건별 분리는 적용 결과에 대한 직관적 예상이 어느 정도 가능하기 때문인 것으로 생각된다.

둘째, 4사분면에 위치하는 발명원리들은 특정 산업 분야에서만 많이 활용되는 것들인데 본 연구에서는 나타나지 않았다. 이것은 특정 산업에 특화된 발명원리는 따로 존재하는 것이 아니며 발명적 사고원리가 보편성을 갖는다는 것을 시사한다.

본 연구에 대한 이해를 돕기 위해 Table 5에는 I사분면에 위치한 12가지 발명원리가 적용된 예를 하나씩 소개하였다.

Table 5 Typical application cases of widely used inventive principles

V. 결론 및 시사점

기술적 모순을 해결한 특허 4만 건에 나타난 공통적 문제해결 원리를 체계화한 TRIZ는 오래전에 개발되어 꾸준히 활용되고 있음에도 불구하고 그에 대한 이론적 연구는 많지 않다. 그 이유는 TRIZ 전문가들 대다수가 산업계에 종사하기 때문에 당면한 기술적 과제 해결이 그들의 주된 관심사이다. 또한 성공적으로 수행된 TRIZ 적용사례들은 기업이 기술적 자산 보호를 위해 공개하지 않는 경우가 많기 때문에 학계 전문가들이 연구에 필요한 만큼의 충분한 사례들을 접하기도 힘들다.

본 연구에서는 2011년부터 2017년까지 최근 7년간 대한민국 발명특허대전에서 수상한 특허들에 내재된 발명원리의 분석을 통해 다음과 같은 두 가지 사실을 밝혔다.

첫째, 50여 년 전에 개발된 TRIZ 40가지 발명원리가 현대 산업사회에서도 여전히 효과적으로 활용될 수 있다.

둘째, TRIZ 40가지 발명원리 중 사용빈도가 높은 원리들은 산업 분야에 상관없이 보편적으로 활용된다.

이러한 관찰은 산업계에서 TRIZ 활용에 적극적으로 나설 필요가 있다는 것을 시사한다.

본 연구는 TRIZ 40가지 발명원리의 활용빈도 측면에서 진행되었으나 발명원리별 적용성과에 대한 연구까지 이루어진다면 TRIZ의 효과적 활용을 위한 훌륭한 지침이 도출될 것으로 기대된다.