4차 산업혁명은 새로운 개념처럼 보이지만 그렇지 않아

4차 산업혁명은 새로운 기술을 활용, 설계 생산 판매에 이르는 기존 제조환경을 뿌리부터 바꾸고 있다. 특히 IOT, Big data, Cloud computing을 인프라 기반으로 AI, 3D 프린팅, 로봇, 드론 등 다양한 HW와 SW를 이용,  제조업의 기반(생산방식, 배송, 판매 등)을 바꾸고 있다. 이번 달은 4차 산업혁명이 제조업에 끼치는 다양한 변화 중 Mass customization(맞춤형 대량생산) 중심으로 설명하고 단계적으로 플랫폼, CPS(Cyber Physical System) 등의 새로운 개념과 함께 우리 제조업의 환경이 스마트 팩토리를 지향하고자 할 때 어떻게 바꾸어야 하는지 설명하고자 한다. 

4차 산업혁명은 새로운 개념처럼 보이지만 그렇지 않다. 그 개념은  1960~1970년대에 지능화된 유연 자동화 설비를 가지고 생산하는 시스템 즉 FMS(Flexible Manufacturing System), 제품의 기획과 설계, 생산 등 제품을 개발하는 데 필요한 모든 과정을 통합관리 하는 CIM(Computer Integrated Manufacturing)의 이 있었고 이 외에도 기반 기술인 클라우드, 빅데이터 등 현재 첨단 기술이라고 불리는 대부분의 개념 역시 데이터 마이닝(Data mining), 데이터 웨어하우싱(Data warehousing), Data Inelligence의 용어로 이전부터 존재해왔던 개념들이다.

과거의 산업혁명이 기계가 인간의 육체노동을 대체하는 과정과 인터넷을 통해 사람과 사람 간의 연결성이 강화되어왔다면, 현재 진행 중인 4차 산업혁명은 사람-사물 간, 사물-사물 간 연결성이 확대되어 인간의 지적능력까지 대체하고 실제현상이 가상공간과 결합하여 서로 정보를 공유하게 한다(그림1 참조).

▲ 그림 1. 4차 산업혁명의 구성 요소 (source from: Cisco consulting service 2014 & IOT in Logistics, DHL, 2015)

최근 4차 산업혁명은 Industry 4,0, 스마트 공장(smart factory), 미래공장(Factory of Future 또는 Future factory)과 함께 디지털 전환(Digital transformation), 디지털 혁신(Digital Innovation)과 디지털 기업이동(Digital Business Shift) 등의 다양한 명칭을 사용하지만 그 근본은 제조업의 혁신으로 이해하는 것이 좋다. 그러나 아직까지 4차 산업혁명의 정확한 내용이나 정의는 정해지지 않고 각 나라마다 추진하는 방향도 다르다.  

제4차 산업혁명을 간단히 설명하면 ‘모든 것이 연결되고 보다 지능적인 사회로의 변화’로 요약할 수 있다. IoT와 인공 지능을 기반으로 CPS(Cyber Physical Systems)를 구축, 사이버 공간과 현실 공간을 네트워크로 연결된 통합 시스템이 그 결과물이다. 

▲ 그림 2. 스마트 그리드 구성 요소 (source from: CPS/HuB)

1. 스마트팩토리 (Smart Factory)

스마트팩토리가 지니는 사전적 의미는‘영리한’+‘공장’이라 할 수 있으나, 생산 전략에 기반을 둔 제조 여건 변화에 유연하게 대응하고, 공급망 관리(Supply Chain Management, SCM)와 통합 관점의 QCD(Quality, Cost, Delivery) 및 제약 관리로 생산 운영을 신뢰성 있게 수행하는 공장’이라 할 수 있다. 

스마트팩토리의 궁극적인 목적은 제조 공정의 모든 단계를 수직적, 수평적으로 상호연결하여 여러 부문 계층, 지리적 경계, 가치사슬, 라이프 사이클 단계에 걸쳐, 이전과 비교할 수 없는 수준의 다차원적인 시스템 통합을 구현하는 것이다. 

▲ 그림 3. 제품 라이프 사이클 관리 (source from: Adapted from Product Lifecycle Management, Martin Eigner and Ralf Stelzer, 2009)

스마트 공장에서 사람, 기계 및 생산될 제품은 소셜네트워크와 서로 연결되어 있다. 소셜시스템은 서로 통신하고 공장의 지능형 객체와 통신한다. 이 네트워크을 통해  최적의 품질, 수행 시간 단축 등 생산 목표를 달성하는 것이다. 이를 위해 모든 데이터가 실시간으로 제공되어 지속적으로 업데이트되고 가상으로 표현한다는 것이다. 

스마트팩토리는 재료소싱, 공급망, 보관, 제품판매까지 전체 핵심 기능을 통합한다. 전체 비즈니스 프로세스에 걸쳐 높은 수준의 통합 및 가시성은 신기술과 연결, 높은 가동 효율, 반응성이 우수한 제조 및 제품 설계 개선을 가능하게 한다.

▲ 현재의 생산라인

▲ 미래의 생산라인 (Source from: Dream Car of the Dream Factory of the ICV, 2015)

스마트 기기는 많은 측면에서 제조 최적화에 기여하지만, 사실 제조를 훨씬 더 복잡하게 만들기도 한다. 이는 각각의 단독 스마트 기기뿐만 아니라, 다양한 여러 스마트 기기, 기계, IT 시스템과 같은 각 조직 간에 상호작용이 전체적인 제조환경과 관련있기 때문에, 그 복잡도의 수준은 매우 높다. 조립，이동，검사같은 다양한 제조공정에 자동화기기가 이용될 것이고 ICT의 활용도 역시 3차 산업혁명 시대보다 높아질 것이다. 수동적이고 단선인 컨베이어가 아니라 능동적이고 다선형의 컨베이어로 구성, 분산된 작업 유닛(unit)이 공정 진행의 핵심을 이루게 된다. 또한 통신도 단방향이 아닌 양방향 혹은 다방향의 정보교환 방식이다.

제품 설계 또한 Data 분석을 통해 PC에서 가상의 제품을 디자인한 후 Smart Factory에서 실제 제품을 제조하게 된다. 이 때 컨베이어 시스템 기반의 연속 일관 공정 대신 인공지능을 탑재한 각 제품 혹은 반제품이 스스로 판단해 최적화된 다음 공정 모듈(작업 유닛)을 찾아 이동하며 생산이 진행되는 구조이다. 동일 기능의 복수 모듈이 작동하고 있으며 실시간 정보 교환으로 대기 시간을 최소화하게 된다. 모듈별로 공정이 진행되므로 일부 설비에 이상이 발생해도 라인 전체가 중단되는 상황은 발생하지 않으며 최종 제품에 영향이 없는 경우에는 공정 순서를 바꿔 진행할 수 있다. 예를 들어 자동차를 조립함에 있어 컨베이어 시스템에서는 바퀴를 조립한 후에 전조등을 끼우도록 되어 있다면 바퀴 조립 설비에 이상이 발생할 경우 더 이상 진행이 되지 않고 해당 라인 전체가 대기 상태가 된다. 그러나 모듈형 공장에서는 또 다른 바퀴 모듈로 이동해 공정을 진행하거나 전조등 모듈로 이동해 전조등을 먼저 끼운 후 바퀴 공정을 진행할 수가 있다. 따라서 특정 공정에서 병목현상이 발생해 전체 공정이 지연되는 사태 역시 방지할 수 있게 된다.

뿐만 아니라 IoT와 3D Printing이 본격적으로 도입되어 서로 다른 디자인, 재질 및 기능의 제품을 혼합 생산하는 것이 가능하고 디자인 재질 형태로 갑자기 설계가 변경되더라도 이를 실시간으로 반영할 수 있다. 즉“한 라인에서 한 종류의 제품 생산’개념에서‘제품마다 고유한 설계’의 개념으로 진화하는 것이다.(Source from http://www.dfki.de/~wahlster)

Industry 3.0 시대의 생산은 소품종 대량생산이 주종을 이루고 있으나 Industry 4.0 시대에는 다품종 맞춤형 생산 체계로 전환되는 것이 큰 변화라 할 수 있다.

▲ 그림 4. 지능형 객체의 네트워크 (Source from http://www.dfki.de/~wahlster)

2. Mass customization (개별 맞춤형 다량생산)

Mass customization은 주관적 기준에 따라 개인별로 제품과 서비스를 선택하도록 하는 것으로 제조 환경은 소품종 다량 생산 체제에서 다품종 소량생산으로 그리고 최근에는 로트사이즈가 1인 맞춤형인 개인 맞춤형(mass customization)으로 발전하고 있는 것이다. 

과거에는 보통 사람들이 좋아할만한 무난한 제품이 대량으로 생산되었다. 자동차의 경우 주요 색상도 검정, 회색, 진한 곤색 등 주로 무난한 색상이 주류를 이루었고 옵션도 안전을 고려한 최소한의 옵션만 적용되었다. 그러나 1990년대 후반부터 어두운 색은 물론 밝은색 심지어 화려한 색상까지, 그리고 옵션도 안전은 물론 음악, 동영상, 에어콘 등 개인 성향에 따라 확대되고 있다. 

최근에는 구매자 선호도를 포함, 구매 이력, 생활 패턴, 주변인의 선호, 새로운 유행 등의 정보가 자동으로 수집, 분석되어 소비자마다 개성 있는 라이프 스타일을 추구하고 제품의 감성적 가치를 중시하게 되었다.  

즉 소비자 고유의 선호도가 빅데이터, 사물인터넷, 3D 프린팅 기술 등의 발달과 함께 제품주문 및 생산계획 단계에 반영, 고객의 선호도 변화에 따라 제조 방식 및 디자인이 실시간으로 반영될 수 있도록 개인 맞춤형 생산이 확대되는 계기를 마련해 주었다. 

또 고객별 맞춤형 설계를 위해 IoT 기능을 탑재한 제품들이 부착된 각종 센서를 통해 사용자의 취향과 특성 등 다양한 정보를 수집할 수 있으며 Big Data 분석을 통해 상품 설계 또한 가능하게 되었다. 

나이키와 아디다스는 세상에서 단 하나뿐인 운동화를 주문제작 해주고 있고 단 하나뿐인 초콜릿 제품을 만들어주는 회사(Chocomize)도 등장하고 약통에 스마트 메모리를 부착해 생산년도, 선적일 등을 저장 하고 개봉 후 주변 환경에 반응하여 경과시간 등 환자를 위한 맞춤정보 제공도 하는 제품도 출현하고 있다. 

다른 예로 미국의 스타트업(startup) 기업 솔스(SOLS)는 고객이 스마트폰 앱으로 전송한 발 사진을 받아 맞춤형 깔창을 3D 프린터로 제작하여 배송해 준다. 또 로컬모터스 (Local Motors)는 3D 프린터로 개인 맞춤형 전기자동차를 만들어주는 세계 최초의 기업으로, 고객의 주문을 받아 차량을 새로 디자인하고 제작하는 데 7일~14일 이내의 시간이 소요된다. 

과거에 개인 맞춤형 제품은 수작업으로 일일이 제작해야 하므로 큰 비용이 들었다. 하지만 설계와 생산시스템이 디지털화되고 서로가 연결되어 제품의 구조나 생산방식을 쉽게 변경할 수 있게 되며, 일반 소비자도 저렴한 가격에 개인 맞춤형 생산의 혜택을 누리기 시작하였다. 그 결과, 개인이나 소규모 단체가 3D 프린터나 제조 플랫폼을 활용해서 직접 제품을 생산하는 메이커 활동도 증가하고 있다.

결론적으로 제품이 경쟁력을 갖기 위해서는 결국, 소비자가 원하는 제품을 제때 생산에 반영하여 빠르게 출시할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 소품종 대량생산을 통한 생산성 강화보다는 고객 개개인의 니즈를 반영하여 제품을 맞춤화할 수 있는 맞춤형 대량생산(Mass Customization) 전략이 제조산업에 필요하게 되었다. 특히 이러한 제품을 구매하는 고객의 경우 개인화된 제품에 5~20%의 프리미엄을 지불할 의사가 있기 때문에 생산원가를 지금보다 낮출 경우, 이윤창출과 함께 고부가 시장 선점또한  가능할 것이다. 

이를 구현하기 위해서는 몇 가지 기술들이 필요한데, 대표적인 것이 CPS(Cyber Physical Systems)라고 불리는 가상 물리 시스템으로 IoT 기술을 활용, 사물들의 유기적인 결합과 상호 커뮤니케이션이 본격화된다는 것이다. 

즉 IoT(사물인터넷)가 CPS(사이버물리시스템)를 구축하는 핵심 기술인 것이다. CPS에 대해서는 다음 달 상세한 설명을 할 예정으로 여기서는 구체적인 설명을 약하기로 한다.

▲ 그림 5. 비자 요구에 따른 생산 방식의 변화 (Source from: Yoram Koren,

『Global Manufacturing Revolution』과 10년후 대한민국 4차 산업혁명

시대의 생산과 소비)

3. 결론

스마트팩토리에서 제조 현장의 정보뿐만 아니라 여러 공장에서 실시간으로 발생하고 입력되는 모든 정보에 따라 최적의 의사결정을 내리는 것이다. 

다만 아직까지 인력을 대체할 수 있는 수준이 아니고 현실적으로 스스로 정보를 판단하는 인공지능 수준의 시스템 구축은 쉽지 않은 상황이며 대부분 기계의 가동 상태, 기계의 파손 및 제품의 하자 발생 가능성 판단 및 예측, 원격 관리 등을 통한 장비의 효율 및 안정성 확대, 생산성 향상, 비용 절감에 초점을 두고 있다. 

이를 위해 제조공정에서 기계나 부품이 능동적인 동작을 수행하기 위해서는 스스로 인지하고 판단할 수 있는 능력이 요구되므로 고성능 센서류와 인공지능이 필수적이다. 

따라서 IoT의 핵심인 RFID, Bluetooth, Beacon, NFC 등 근거리 통신 부품들과 온도，지자기，고도，중력，가속도，습도，압력， 광, 근접， 기압， 자이로， 동작인식 등 각종 센서가 필요하다. 그리고 공정진행 및 부품이나 제품의 이동 시에는 자동제어 로봇(휴머노이드가 아닌 산업로봇)이 사용한다. 

이미 반도체， 디스플레이，자동차 등 다수의 산업에서 로봇이 사용되고 있다. 스마트팩토리에서 로봇의 기능과 용도가 훨씬 다양해질 것이고 인공지능을 탑재해 스스로 판단할 수 있는 능력을 구비한 로봇이 주축을 이룰 것이다.

제4차 산업혁명 시대의 스마트팩토리는 종전의 CIM이나 FMS 보다 진일보한 형태로서 컴퓨터와 IoT를 통해 전생산 공정에 대한 제어가 가능해지며 생산공정 전 과정에 대한 자동화 및 정보화를 통해 가치사슬 전체를 하나의 공장처럼 연동 및 통합하는 생산방식을 취하게 된다.

제품 패러다임의 변화와 컴퓨터 생산방식으로의 진화는 제품과 시스템, 공정과 공정 간의 유기적 연결이 핵심적 요소로 평가되며 이는 초연결생산화로 대변되는 제4차 산업혁명과 궤를 같이하고 있다. 

이석주 교수 고려대학교 컴퓨터공학과