4차 산업혁명, 새로운 제조업의 시대

4차 산업혁명, 새로운 제조업의 시대

박한구 외 지음

호이테북스 / 2017년 7월 / 389쪽 / 20,000원





또 한 번의 격변기, 4차 산업혁명의 시대



4차 산업혁명이란 무엇인가?

삶과 비즈니스를 송두리째 변화시키는 4차 산업혁명: 4차 산업혁명이라는 용어는 2011년 독일의 ‘인더스트리 4.0’에서 기원한다. 독일은 제조업 기반의 경제 구조를 가지고 있는데, 1,600여 개의 글로벌 강소기업인 히든챔피언을 포함한 중소 제조업이 경제의 90% 이상을 담당한다. 그리고 미텔슈탄트(Mittelstand)라고 불리는 중소기업이 독일 기업의 약 90%를 차지하고 있다. 그런데 1990년대 이후 이 기업들은 일본, 한국, 중국 등 아시아 신흥국들의 도약으로 경쟁력을 잃어 갔고, 또한 내부적으로는 노동 인력의 고령화, 높은 임금, 높은 복지 지원금, 높은 전기 요금 등으로 제조원가가 상승해 독일 경제의 미래는 암울해 보였다.

이를 극복하기 위해 결국 독일의 생존을 위한 국가적 전략으로 주창한 것이 ‘인더스트리 4.0’, 즉 ‘제조업 혁신 4.0’이다. 독일이 경쟁력을 지닌 설비 제조, 공장 운영 기술에 가상 물리 시스템(CPS), 사물 인터넷(IoT), 인공 지능(AI), 빅데이터(Big Data) 등 정보 통신 기술을 통합하고, 융합해 제조업의 4차 산업혁명을 이루고자 한 것이 바로 ‘인더스트리 4.0’의 시작이었던 것이다. 이를 간략하게 다시 정리하면 인더스트리 4,0은 제조업의 모든 요소들이 디지털화되어 연결되고, 정보가 실시간으로 제공되어 가치망 전체가 비약적으로 발전하는 제조업 혁신이라고 할 수 있다.

자동화 공장과 스마트 공장은 어떻게 다른가?: 이 책에서는 4차 산업혁명을, 제조업의 경쟁력을 강화하고 이를 통해 국가 경제를 다시 살리려는 목적에서, 제조업 혁신에 초점을 맞추어 사용하고자 한다. 이런 이유로 ‘인더스트리 4.0’과 ‘4차 산업혁명’을 동일시하고, 제조업 혁신의 의미로 사용한다. 먼저 정확한 이해를 위해 자동화 공장과 스마트 공장의 차이를 알아보자.

첫째는 사전 프로그래밍과 실시간 자율화의 차이다. 자동화 공장은 사람이 이미 프로그램한 순서나 수식에 따라 기계가 작동하여 제품을 생산한다. 이에 반해 스마트 공장은 공급되는 소재, 설비, 에너지, 환경 등 주변 상태에 따라 서로 통신하여 소프트웨어가 자율적으로 판단하고, 프로그램이나 설비의 설정값을 변경하여 제품을 생산한다. 둘째, 수직적 연결과 초연결의 차이다. 자동화 공장은 기계 설비에 자동 제어, 생산 관리, 자원 관리 시스템을 통한 경영 정보의 자동화 시스템 등이 수직적으로 연결ㆍ통합ㆍ운영된다. 따라서 자동화 공장은 수직적 계층 간의 정보 소통과 연결에 한계가 있다.

스마트 공장은 제조 현장의 기계, 설비, 공정, 유통 등 모든 것이 연결되고, 데이터를 기반으로 스스로 판단하며, 공장을 최적으로 운영하여 제조원가를 이상원가로 낮추고, 고효율을 달성하는 생각하는 똑똑한 미래의 친환경적ㆍ친인간적 공장이다. 대표적인 스마트 공장으로는 지멘스의 암베르크 공장과 GE의 푸네 공장이 있다. 스마트 공장의 목표는 인력의 최소화가 아니라 제조 공정의 효율화와 운영의 최적화를 통해 이상 원가를 달성하고, 친환경을 추구하는 친인간형 공장이라고 할 수 있다.

4차 산업혁명, 제조업이 중요하다: 제조업은 공장에서 일하는 인력과 생산하는 제품으로 경제 발전에 기여하고, 가치 사슬망에 포진해 있는 서비스, 유통 등 여러 산업 분야를 이끌어 가는 기간산업으로서 국가 경제에 중요하다. 또 고용 창출과 기술 개발, 글로벌 경쟁력을 확보하는 데 근간이 되기 때문에 국가 경제에 미치는 영향도 지대하다. 제조업은 우리 경제에서도 차지하는 비중이 높다.

4차 산업혁명 시대의 주요 특징

앞으로 도래할 4차 산업혁명 시대는 어떤 모습, 어떤 특징을 가지게 될까? 다음과 같이 세 가지 특징으로 요약해 말할 수 있을 것이다. ① 모든 것이 서로 연결되는 초연결 시대 ? 4차 산업혁명 시대에는 사람과 기계, 기계와 기계, 사람과 제품, 제품과 제품, 사람과 자연, 자연과 자연 등 모든 것이 연결될 것이다. 그리고 또 제조 공정과 사람, 공장과 공장, 기업과 기업은 물론 온 세상이 연결될 것이다. 이것이 바로 초연결이다. 머지않아 세상은 모든 사물의 디지털 복제품들이 존재하고 실제 사물과 디지털 복제품은 물론 사람과 아바타 모두가 현실 세계와 가상공간에서 복잡하게 서로 연결되는 초연결 시대가 될 것이다.

② 데이터가 자산이 되는 데이터 자본주의 시대 ? 모든 사물과 디지털 복제품들이 연결되는 초연결 시대에는 이것들이 서로 소통하면서 엄청난 양의 데이터가 생성된다. 4차 산업혁명 시대에는 이렇게 생성된 데이터를 수집하고, 인공 지능 등 다양한 기술로 분석하게 될 것이다. 이렇게 모든 것이 연결되면 메트칼프의 법칙(네트워크에 연결된 사용자 수가 많으면 많을수록 네트워크의 가치가 기하급수적으로 증가한다는 법칙)으로 알려진 네트워크 효과가 세상을 지배하게 될 것이다.

한번 연결되어 소통하기 시작하면 다른 곳으로 떠나기가 쉽지 않아 사용자의 락인(lock-in)효과가 매우 커진다. 그리고 네트워크에 사용자뿐만 아니라 사물까지 연결된다면 그 가치는 엄청나게 커질 것이다. 여기서 네트워크의 가치란 네트워크에서 소통하는 어마어마한 데이터를 분석해서 찾아내는 것이라고 할 수 있다. 데이터를 수집ㆍ저장ㆍ분석하고 통찰하여 가치를 찾아내어 활용하거나 새로운 사업 기회를 만드는 것이 중요한 것이다. 이렇게 되면 데이터가 곧 자산이 되고 자본이 된다. 이를 가리켜 우리는 데이터 자본주의 시대라고 한다. 그러므로 초연결 시대에는 엄청나게 생성되는 데이터를 수집ㆍ저장ㆍ분석하여 다른 기업이나 개인보다 먼저 새로운 사업 기회나 비즈니스 모델을 만들어 내는 것이야말로 필요한 능력이라고 할 수 있다.

③ 고객의 개별적 요구를 충족하는 개인 맞춤형 가치 시대 ? 4차 산업혁명 시대에는 초연결로 사물에서 뿜어져 나오는 엄청난 양의 데이터를 분석하고 활용하여 개인의 취향이나 요구에 꼭 맞는 맞춤형 제품이나 서비스, 경험, 가치를 추천하거나 제공해야 살아남을 수 있다. 최근 포드 자동차의 조립 라인 이후 100여 년 만에 자동차 생산 방식을 송두리째 바꾼 회사가 있다. 미국의 로컬모터스가 그 주인공이다. 이 회사는 개인 맞춤형 자동차를 주문 생산하는 전기 자동차 기업으로, 고객이 원하는 디자인을 3D 프린팅 기술로 40여 시간 만에 프린트해 고객만의 전기 자동차를 제작해준다.



4차 산업혁명 시대의 제조업에 영향을 미칠 요소



4차 산업혁명을 이끄는 새로운 기술

일상의 모든 것을 연결하는 사물 인터넷 기술: ITU-T(국제전기통신연합전기통신표준화부문)는 사물 인터넷을 ‘이미 존재하는 혹은 향후 등장할 상호 운용 가능한 정보 기술과 통신 기술을 활용하여 다양한 물리 및 가상 사물 간의 상호 연결을 통해서, 진보된 서비스를 제공할 수 있게 하는 글로벌 인프라 스트럭처’라고 정의하였다. 즉, 사물 인터넷은 사람, 기기, 공간, 사물 등 모든 것이 네트워크로 연결되어 사람과 사물뿐만 아니라 사물과 사물 사이에서도 같은 언어로 언제 어디서나 양방향 소통할 수 있는 생태계를 의미하며, 기술과 서비스를 모두 포함한다.

모든 소통의 혈류가 되는 유무선 통신망 기술: 통신 기술은 휴대폰이나 태블릿, PC 등의 단말기가 통신 네트워크를 통하여 상대방의 단말기로 연결되어 서로 음성 통화나 데이터 서비스를 가능하게 한다. 여기서 단말기가 통신 네트워크에 연결될 때, 통신선의 유무에 따라 유선 통신 기술과 무선 통신 기술로 나뉜다. 참고로 기간 통신 네트워크는 대부분 유선망이고, 중간에 지리적 요건 등에 따라 마이크로웨이브나 위성 통신 등 무선망을 활용하기도 한다. 한편 우리가 매일 사용하는 휴대폰은 무선으로 통신을 한다. 그러면 공장 내의 기계들도 무선 통신을 할 수 있을까? 물론이다. 특히, 이동성이 요구되는 기계나 설비는 유선 통신보다는 무선 통신이 더 낫다. 참고로 무선 통신 기술은 정부로부터 사용 허가를 받은 후 사용료를 내고 면허 주파수를 사용하는 일명 3G, 4G, 5G로 불리는 일반 무선 통신 기술과 Wi-Fi와 같이 무료 주파수를 사용하는 무선 통신 기술로 나눌 수 있다.

데이터를 마음대로 관리할 수 있는 클라우드 컴퓨팅과 포그 컴퓨팅 기술: 클라우드 컴퓨팅은 한곳에 밀집된 컴퓨터들을 이용하여 멀리 있는 사용자들에게 필요한 서비스를 제공한다. 반면 사용자 가까이에서 드문드문 분산되어 있는 컴퓨터들을 활용하여 필요한 서비스를 빠르게 제공하고, 필요하면 클라우드로 넘겨 통합적인 서비스를 제공할 수 있도록 구축하는 환경을 포그 컴퓨팅이라고 한다.

클라우드 컴퓨팅은 모든 데이터를 중앙 집적형 클라우드에 집약하여 처리하는 일종의 중앙 집중형 컴퓨터로 이해하면 쉽다. 클라우드 컴퓨팅 서비스 사업자들은 대형 데이터 센터를 구축하고 수많은 컴퓨터를 포함한 인프라 스트럭처를 활용하여 클라우드 환경을 제공한다. 예를 들어 대표적인 클라우드 서비스인 아마존 웹 서비스의 경우, 전 세계 14개 지역에 38개의 가능지역(AZ)을 운영하고 있다.

이에 비해 포그 컴퓨팅은 데이터가 생성되는 곳 가까이에 설치한 엣지 장비들(엣지 서버나 게이트웨이 장비)을 통해 데이터를 빠르게 수집하고, 저장하며, 국지적 분석을 한다. 엣지 장비들은 공장 내 설비로부터 속도, 주파수, 전압, 진동값 등의 데이터를 실시간 수집하고 운전 상태나 모터의 미세한 상태 변화를 실시간으로 빅데이터 분석을 한 후, 고장 등을 예측하여 즉각적인 조치를 취하게 한다. 이러한 상태 변화나 조치 결과는 포그 또는 클라우드 컴퓨팅 시스템을 통해 실시간 공유가 가능하다. 시스코, 델, HP 등 네트워크 장비 회사들이 이러한 엣지 서버나 게이트웨이 장비를 제공한다.

대량의 데이터에서 가치를 찾아내는 빅데이터 기술: 빅데이터를 활용하기 위해서는 비즈니스 기획, 데이터 수집 및 처리 기술, 분석 및 시각화 기술이 필요하다. 먼저 비즈니스 기획은 분석 기회를 발굴하고, 분석 목표를 명확히 정의하며, 의사 결정 요소를 구체화하는 과정이다. 한편 빅데이터 수집과 처리를 위해서는 다양한 기술이 활용되는데, 이는 어떤 빅데이터 플랫폼을 도입할 것인가에 따라 적용되는 기술이 조금씩 다를 수 있기 때문이다. 그리고 분석은 기획 단계에서 정의한 분석 목표를 분석 기법을 적용하여 구체화하는 단계이며, 필요에 따라 기획 단계로 피드백을 하기도 한다. 그리고 시각화는 분석 결과를 잘 설명하기 위한 기술에 해당한다.

인간의 지능적인 행동을 모방한 인공 지능 기술: 인공 지능은 건강, 교육, 환경, 에너지, 자동차, 의료, 정부, 산업 등 다양한 분야에서 새로운 시장과 기회를 가져오는 동시에 그동안 풀지 못했던 난제들을 풀 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 가령 자율 주행 자동차는 교통사고로 인한 사망률을 낮추고 노인과 장애인 등의 이동을 수월하게 해줄 것이다. 또한 스마트 공장은 에너지 소비와 탄소 배출량을 감소시키고, 제품의 품질을 향상시키며, 실시간으로 주문과 생산으로 재고를 줄여줄 것이다. 이렇게 인공 지능 기술을 활용할 수 있는 것은 축적된 방대한 빅데이터가 있기 때문이다.

작업자와 함께 일하고 협업하는 로봇 기술: 그동안 공장 내 로봇은 프로그램에 짜이고 정해진 대로 맡은 일을 반복하는 기계였다. 지능도 없고 스스로 하는 일도 없었다. 가격도 고가이고, 크기도 크고 무거워 한번 설치하면 옮기기도 어려웠다. 그러나 최근 들어 전자통신 기술의 발달로 산업용 로봇이 다른 설비들과 네트워크로 통합되고, 작업 변경도 한층 쉬워졌으며, 가격도 하락하기 시작했다. 최근 로봇이 공장에 확산되는 이유가 바로 여기에 있다. 급기야 프로그램에 따라 작동하던 로봇이 작업자로부터 직접 작업을 배우기 시작했다. 작업자가 로봇의 팔을 붙들고 일을 가르치면, 로봇이 그대로 기억하여 작업하는 학습 능력을 가지게 된 것이다. 인공 지능 기술 덕분이다.

코봇(CoBot) 또는 코-로봇(Co-robot)은 협업 로봇을 줄인 말로 작업 공간에서 인간과 물리적으로 상호 협력할 수 있는 로봇을 의미한다. 코봇이 발전하는 또 다른 이유는 로봇의 뇌에 해당하는 인공 지능이 머신 러닝이나 딥 러닝에 의해 발전함에 따라 더 똑똑한 로봇이 속속 등장하고 있기 때문이다. 아무튼 4차 산업혁명 시대에는 사람과 기계가 협업하고, 사람과 시스템 간에 협업을 통해 수행하는 작업의 내용과 절차가 크게 달라질 것이다. 지금까지는 용접이나 도금 등 열악한 작업 환경에서 단순하고 반복적인 작업을 대체하는 데 활용했지만, 앞으로는 사람과 로봇의 협업시대가 도래할 것이다. 사람은 두뇌 역할만 하고 나머지는 모두 자동화된 기계, 시스템 그리고 로봇 등이 지원할 것이다.

모든 것을 만들어 낼 수 있는 3D 프린팅 기술: 4차 산업혁명 시대에는 3D 프린팅 기술 또한 제조 산업에 혁신적 변화를 불러일으킬 것으로 전망된다. 전통적인 제조는 ‘빼기’ 제조 방식으로, 복잡한 제품은 여러 부품으로 나누어 원료를 자르고 깎아 부품을 만들고 조립하거나 용접하여 최종 제품을 생산했는데, 이 과정에서 원료가 상당 부분 낭비되고 버려졌다. 항공산업에서는 이를 Buy-to Fly 비율(부품 생산에 필요한 총원료의 무게 대비 완성부품 총무게 비율)로 부르는데, 보통 6:1에서 33:1이라고 한다. 많게는 원료의 97% 가량이 버려진다는 의미이다.

그러나 3D 프린팅 기술은 ‘더하기’ 제조 방식을 따른다. 따라서 아무리 복잡한 제품이라도 원료를 한 층 한 층 쌓아 원하는 제품을 생산할 수 있다. Buy-to-Fly 비율도 거의 1:1이다. 이러한 3D 프린팅 기술의 도입은 공정들을 통합하거나 공정별 구분을 무의미하게 만들어 파괴적인 혁신을 불러일으킬 것으로 전망되고 있다. 3D 프린팅 공정은 다음과 같다. 먼저 디자인 SW 또는 3D 스캐너를 활용하여 3차원 디지털 도면을 설계하는 3D 모델링 단계를 거친다. 그러고 나서 프린팅 단계를 거쳐 후공정, 즉 서포터 제거, 연마, 염색, 표면 재료 증착 등 최종 상품화를 위한 마무리 공정 단계로 끝난다.

물리적 세계와 가상 세계가 공존하는 가상 물리 시스템 기술: 가상 물리 시스템(CPS)이란 물리적 프로세스와 디지털에 의한 가상 프로세스가 통합된 시스템, 즉 물리적 프로세스와 가상 프로세스가 교차하는 부분을 말한다. 물리적 사물과 가상공간에 존재하는 사물의 디지털 복제품이 서로 소통하는 시스템인 것이다. 이를 위해 물리적 사물과 디지털 복제품을 통신 네트워크로 연결하여 물리적 사물과 디지털 복제품에 상호 영향을 끼친다. 예를 들어 고객이 주문하면 이를 제조하여 배송할 모든 공정을 실제 생산하는 것과 똑같이 가상공간에서 미리 시뮬레이션하여 언제 제품을 생산하고, 언제 배송이 가능한지를 검토한다. 제품이 조립되기 전에 미리 제품 제조, 배송 등을 검토하기 때문에 부품이나 제조 공정의 기계나 설비가 제대로 작동할지, 배송까지 얼마나 걸리고 예상 배송일이 언제인지 알 수 있다. 만약에 문제가 생길 것으로 예상된다면 물리적 세계와 소통하여 문제를 미리 해결하도록 조치할 수 있다. 가상 물리 시스템으로 운영되는 대표적인 사례로는 인도에 있는 GE의 ‘생각하는 공장’, 암베르크와 청두에 있는 지멘스의 스마트 공장 등이 있다.

가상 세계와 현실 세계를 오버랩한 가상현실과 증강 현실 기술: 증강 현실(AR) 기술은 현실 세계에 실시간으로 가상 세계의 정보나 물체를 합쳐 하나의 영상으로 보여주는 기술을 말한다. 그리고 가상현실(VR) 기술은 현실과 유사한 상황이나 환경을 컴퓨터로 만든 가상의 공간에 가상 정보나 물체를 합쳐 하나의 영상으로 보여주는 기술을 말한다. 두 기술의 차이는 현실의 모습이 증강 현실은 실제이고, 가상현실은 허상이라는 점이다. 증강 현실 기술과 가상현실 기술은 최근 게임이나 영화, 음악 등의 분야를 넘어 제조업으로도 활용 영역을 넓혀가고 있다. 가상현실 기술을 활용하면 제조 현장을 컴퓨터의 가상 공장으로 만들어 작업자들이 VR 기기를 착용하고 가상 공장을 다니면서 가상 설비나 기계가 어떻게 작동하고 어떤 작업을 어떻게 해야 하는지 몰입감 높은 교육을 할 수 있다.