The Creativity in My Hand

발명특허를 받는 노하우? TRIZ: 공통적 해결원리에 주목하라

189호 (2015년 11월 Issue 2)

Article at a Glance

 발명은 특별한 능력을 가진 사람들만 할 수 있는 것일까. 수많은 발명적 해결책의 공통적 패턴을 추출해 노하우를 학습할 수 있다면 어려운 일이 아닐 수도 있다. 이런 발명적 문제해결 이론을 ‘TRIZ’라고 한다. TRIZ는 절충점을 찾는 것이 아니라 모순을 근원적으로 해소하는 발명적 해결책을 추구한다. TRIZ를 활용한 발명적 문제인식과 발명적 해결책 도출 방법을 알아보자.

 

 

편집자주

대부분의 사람들에게 창의성은 손에 잡힐 듯하면서도 잡히지 않는 존재입니다. 무수히 많은 창의적 사례들을 분석해 보면 그 안에 뚜렷한 공통적 패턴이 나타납니다. 이러한 창의적 사고의 DNA를 사례 중심으로 체계화해 연재합니다.

 

우리는 보통 발명 특허의 핵심은 무언가 남다르고 독창적인 것이라고 생각한다. 그러나 학습을 통해 남다르고 독창적이면서도 현실적인 해결책을 발명한다는 것은 평범한 보통 사람들이 쉽게 할 수 있는 일은 아니다. 하지만 관점을 바꾼다면 가능할 수도 있다. 수많은 발명적 해결책에는 공통적 패턴이 존재하지 않을까? 만약 이러한 공통점들을 규명하고 추출할 수 있다면 발명 특허의 노하우를 누구라도 학습하고 적용할 수 있을 것이다. 이것이 ‘TRIZ’라고 알려진 발명적 문제해결 이론의 기본적 발상이다.

 

 

발명의 규칙성

 

‘발명적 문제해결 이론(Theory of Inventive Problem Solving)’이라는 말의 영문 머리글자를 모으면 ‘TIPS’가 되지만 이 이론이 러시아에서 개발됐기 때문에 이에 해당하는 러시아 말의 머리글자를 따서 ‘TRIZ’라고 한다. 유대계 러시아인인 겐리히 알트슐러(Genrich Altshuller) 150만 건이 넘는 특허를 면밀히 검토한 결과 동일한 해결원리들이 여러 분야를 넘나들며 반복적으로 사용되는 것을 발견했다.다음과 같은 예를 보자.1

 

① 피망의 씨앗 제거

 

피망을 통조림으로 만들려면 꼬투리와 씨를 제거해야 한다. 모양과 크기가 각양각색인 피망의 속을 제거하는 작업은 자동화가 어렵기 때문에 수작업에 의존해 왔다. 이 작업의 자동화를 위한 해결책은 다음과 같다.

 

밀폐된 용기에 피망을 넣고 압력을 점차 높인다. 그러면 피망이 쭈그러들면서 가장 약한 꼭지 부분에 균열이 생긴다. 압축된 공기가 이 균열을 통해 피망 속으로 들어가서 피망의 내부 압력과 외부 압력이 같아지게 된다. 이때 용기의 압력을 갑자기 낮추면 피망의 가장 약한 부분인 꼬투리가 터지면서 꼬투리에 달린 줄기와 씨가 함께 제거된다. 이 방법은 1945년에 특허를 받았다.

 

② 도토리 껍질 제거

 

도토리의 껍질을 제거하는 방법은 다음과 같다. 밀폐된 용기 안에 물과 함께 도토리를 넣고, 용기 내의 압력이 일정 수준에 도달할 때까지 열을 가한 후 갑자기 압력을 낮춘다. 이렇게 하면 높은 압력 때문에 열매 껍질 속에 스며들었던 물이 낮아진 압력으로 인해 껍질을 터뜨리면서 분출하기 때문에 껍질이 분리된다. 이 방법은 1950년에 특허를 받았다.

 

③ 해바라기 씨앗의 껍질 제거

 

해바라기 씨의 껍질을 제거하는 방법은 앞의 두 사례에서와 같이 밀폐된 용기 안에 씨앗을 넣고 내부 압력을 높인 다음 갑자기 압력을 낮추면 된다. 그러나 일정량씩 껍질을 벗기는 배치(Batch) 방식 대신 이를 연속공정으로 바꿀 수 없을까? 씨앗을 넣은 용기의 내부 압력을 높은 상태로 유지하다 라발 노즐(Laval Nozzle, 중간의 매우 좁은 부분을 통과하면 갑자기 넓어지는 관)을 통해 공기를 내보내면 노즐의 좁은 부분을 빠져나올 때 껍질과 씨앗이 분리된다. 껍질과 씨앗의 무게 차이 때문에 밖으로 나온 두 부분이 떨어지는 위치가 다르다. 이 방법은 1950년에 특허를 받았다.

 

 

④ 인조 다이아몬드 쪼개기

 

인조 다이아몬드로 공구를 만들 때 균열이 있는 결정체(結晶體)는 사용할 수 없다. 균열이 간 틈새를 따라 분리하면 사용 가능한 부분을 얻을 수 있지만 틈새를 분리하려고 힘을 가하면 새로운 균열이 발생한다. 어떻게 하면 새로운 균열을 발생시키지 않고 인조 다이아몬드를 쪼갤 수 있을까? 방법은 다음과 같다. 밀폐된 용기 속에 균열이 있는 인조 다이아몬드 결정체를 넣고 수천 기압이 되도록 가압한 다음 갑자기 기압을 낮춘다. 이렇게 하면 기존 균열 틈 속으로 스며들었던 공기가 팽창하면서 균열을 따라 결정체가 갈라진다. 이 방법은 1972년에 특허를 받았다.

 

대부분의 사람들은 당면 문제에 대한 해결책이 떠오르지 않으면 시행착오적인 방법으로 이렇게도 해보고 저렇게도 해본다. 그러나 앞의 4가지 예에서 살펴봤듯 서로 다른 문제에서 동일한 해결원리가 적용된다면 이러한 원리를 찾아서 자신의 문제에 적용해 볼 수는 없을까?그렇게 하려면 먼저 서로 다른 문제나 영역에서 작동되고 있는 공통의 해결원리를 알아야 한다. 또한 자신의 문제를 일반화하고 이에 대한 일반적 해결 원리를 찾아야 한다.

 

<그림 1>은 이러한 개념을 도식화한 것이다.

 

 

 

앞서 설명한 4가지 사례에 이러한 개념을 적용해 보자. 먼저 추상화를 통해 문제를 다음과 같이 일반화할 수 있을 것이다.

 

● 일반적 문제 - 어떻게 하면 전체에서 일부분을 분리할 수 있을까?

 

이와 마찬가지로 4가지 문제의 해결책도 다음과 같이 일반화할 수 있다.

 

● 일반적 해결책 - 서서히 압력을 높인 다음 어느 순간 갑자기 압력을 낮춘다. (좀 더 일반화하면 에너지를 축적한 다음 갑자기 그 에너지를 방출한다.)

 

<그림 2>는 이러한 TRIZ의 일반적 적용 절차를 예시한 것이다.

 

 

발명적 문제와 발명적 해결책

 

동일한 발명원리가 상이한 기술 분야에서 반복적으로 사용된다는 것은 발명적 해결책에는 공통적인 원리가 있다는 뜻이다. 이러한발명의 규칙성을 찾아내 활용한다면 당면한 문제들을 보다 쉽게 해결할 수 있을 것이다. “문제 해결을 위해 앞서 간 현인(賢人)들의 지혜를 빌릴 수는 없을까?”라는 생각하에 이에 필요한 정보를 추출해 이용하기 쉽도록 체계적으로 정리한 것이 TRIZ. TRIZ를 이해하기 위해서는 다음과 같은 용어들을 알아야 한다.

 

① 기술적 모순(Technical Contradictions)

 

하나의 특성을 개선하고자 하면 다른 특성이 악화되는 상황을 말한다.예를 들어 자동차의 안전성을 높이기 위해 두꺼운 강판을 쓰면 차체가 무거워져서 연비가 떨어지는 문제가 여기에 속한다.

 

② 발명적 문제(Inventive Problems)

 

해결되지 않은 기술적 모순이 포함된 문제를 말한다.예를 들어 배를 생각해 보자. 고속정과 같이 빠른 속도가 요구되는 배는 뾰족해야 하지만 날렵하게 생긴 배는 거센 풍랑에 전복되기 쉽다. 이에 반해 화물선과 같이 넓적하게 생긴 배는 안정성이 높지만 물의 저항 때문에 속도가 떨어진다. 이처럼 선체의 폭이라는 특성에는 속도와 안정성 사이의 기술적 모순이 존재하므로 선체의 폭을 결정하는 것은 발명적 문제가 된다.

 

 

 

 

③ 발명적 해결책(Inventive Solutions)

 

한 가지 특성을 개선하려면 다른 특성이 나빠지는 기술적 모순이 존재할 경우 전통적으로최적 절충점을 찾으려고 했다. 이를 테면속도와 안정성의 양면을 고려하면 선체의 폭이 어느 정도 되는 게 좋을까라는 생각이다. 그러나 발명적 해결책은 이러한 타협이 아니라 기술적 모순을 근원적으로 해소하는 해결책을 말한다.배의 경우 속도와 안정성 사이의 모순을 해소하기 위한 시도 중 하나가 쌍동선(雙胴船)이다. 쌍동선은 두 개의 선체를 하나의 갑판에 연결한 형태인데 선체가 넓기 때문에 안정성이 높고 수면 아래 잠기는 부분이 상대적으로 적기 때문에 물의 저항도 적게 받는다.

 

 

 

발명원리의 활용

 

TRIZ에서는 발명적 해결책을 찾는 데 도움이 되도록 발명의 규칙성을 다음과 같이 정리했다.

 

① 발명원리(Inventive Principles)

 

기술적 모순의 해소에 사용되는 공통적 원리를 말한다.알트슐러는 150만 건이 넘는 특허 분석을 통해 < 1>과 같은 40가지의 발명원리를 추출했다.

 

 

 

② 표준특성(Engineering Parameters)

 

기술적 모순을 일으키는 수많은 특성들을 일반화시킨 것으로써 < 2>에 나열한 바와 같이 모두 39가지로 정리됐다. 예를 들어 앞서 설명한 선체의 폭 결정 문제에는 9번 표준 특성(속도) 13번 표준 특성(물체의 안전성) 사이의 모순이 존재한다.

 

 

 

③ 모순행렬(Contraction Matrix)

 

기술적 모순의 해소를 위해 과거에 어떠한 발명원리들이 많이 활용됐는지 보여주는 행렬 형태의 도표를 말한다. 행렬의 행과 열은 모두 39가지 표준 특성을 나타내고, 행렬 내에는 해당 모순을 해결하는 데 많이 사용됐던 발명원리가 들어 있다.

 

TRIZ 활용 사례

 

TRIZ가 어떻게 활용되는지 보기 위해 피자 배달상자를 생각해 보자. 피자 상자는 일반적으로 두꺼운 종이로 만든다. 그런데 한 번에 피자 여러 판을 운반하려고 상자를 쌓으면 피자의 무게와 온도 때문에 상자의 아래 판이 처지면서 밑의 상자를 짓눌러 망가뜨린다. 더 두꺼운 종이를 사용하면 문제가 간단히 해결되겠지만 상자 재료비가 늘어난다.

 

 

 

 

전통적으로 이러한 문제에서는 <그림 6>에 나타낸 것과 같이 총 비용(, 상자의 재료비와 상자가 약해서 발생하는 피해액의 합)을 최소화하는 종이 두께를 구한다. 일반적으로 경영과학에서는 이러한 해결책을 찾는 것을최적해를 구한다고 이야기하지만 정확하게 표현하면최적 절충점을 찾는 것이다.

 

 

TRIZ에서는 절충점을 찾는 것이 아니라 모순을 근원적으로 해소하는 발명적 해결책을 추구한다. 피자 상자 문제에서는 13번째 표준 특성인물체의 안정성을 높이기 위해 상자 제작에 사용되는 종이의 두께를 두껍게 하면 재료비가 증가하므로 23번째 표준 특성인물질의 낭비가 늘어난다.

 

TRIZ의 모순행렬은 이러한 모순을 근원적으로 해소하기 위해 종래에 어떤 발명원리들이 많이 사용됐는지 보여준다. < 3>은 모순행렬의 13번째 행과 23번째 열이 마주치는 부분을 보여준다. 모순행렬의 세로축은 개선하고자 하는 특성을, 가로축은 그로 인해 악화되는 특성을 나타낸다. 따라서 < 3>의 의미는 다음과 같다.

 

 

13번째 특성인물체의 안정성을 개선하고자 하면 23번째 특성인물질의 낭비가 커지는 유형의 문제 해결을 위해 발명원리 2(추출), 14(타원체 형상), 30(유연한 필름이나 막), 40(복합재료)이 지금까지 자주 사용됐다.

 

제시된 네 가지 발명원리 중 14번째 원리인타원체 형상을 이용하면 <그림 7>에 나타낸 것처럼 상자 밑바닥을 돔 형태로 만드는 것을 생각할 수 있다. 이러한 방법은 종이 외에 다른 재료가 들어가지 않는다는 점과 추가 비용이 적다는 점에서 좋은 해결책이 될 수 있다. 이 아이디어는 1995년 미국에서 특허를 받았다.

 

 

 

 

사실 눈여겨보면 우리 주변에서 이러한 원리가 적용된 사례들을 쉽게 찾아볼 수 있다. 맥주 캔이나 음료수 병의 밑바닥이 오목하게 설계된 것도 이 때문이다.

 

박영택 성균관대 시스템경영공학과 교수 ytpark@skku.edu

 

필자는 서울대를 졸업하고 KAIST에서 공학박사 학위를 받았다. 한국품질경영학회 회장, 성균관대 산학협력단 단장, 영국 맨체스터경영대학원 명예 객원교수, 중국 칭화대 경제관리대학 객원교수 등을 역임했다. 성균관대에서비즈니스 창의성을 강의하고 있으며 온라인 대중 공개 강의인 K-MOOC창의적 발상을 담당하고 있다.

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