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4차 산업혁명의 IT - 스마트팩토리의 핵심 최창환 (buksamfight@naver.com) 1. 4차산업혁명의 미래 제조 패러다임 스마트팩토리 최근 글로벌적 경제 침체에 돌입한 상황에서, 우리나라 경제 발전을 견인해온 성장동력인 제조업은 국가경제에 미치는 영향이 매우 높아 경쟁력이 매우 중요하고, 한국 제조업의 GDP 대비 부가가치 비중이 31.1% 까지 확대 대면서 세계에서 국가경제에 차지하는 비중이 가장 높은 현실이다. 그러나 원가상승 및 대외환경의 변화로 기존의 대기업 및 수출 산업 중심의 제조업 성장방식은 한계에 다다르며 경영성과가 하락되고 있고, 실적하락에 따른 투자부진, 경쟁력약화, 경영실적의 악화라는 악순환에 빠질 가능성이 높은 상황이다. 또한, 최근 미래창조과학부에서 발간한 국내제조업 경쟁력 지수 분석 보고서를 보면, 2016년 현재, 중국이 정부의 지원과 원가의 강점을 토대로 제조업 경쟁력 1위를 차지하고 있으나, 우수한 인적자원, 사회기초시설, 혁신지원 정책, 기술혁신적 측면의 강점을 가진 미국이 1위를 탈환 할 것으로 전망했고, 한국은 중국,미국,독일,일본에 이어 전체 5위를 차지하고 있는 상황에서 2020년 인도(2016년 현재 11위)의 진입으로 6위로 밀릴 것으로 전망했다. 2. 스마트팩토리의 핵심 기반기술 스마트공장의 감지와 수행기능을 수행하는 기기들을 위한 센싱기술과 제어기술을 의미하며, 생산환경 변화, 제품 및 제고 현황 등 제조생산과 관련된 정보를 감지하여 애플리케이션에 전달하고 이로부터 분석되어 결정된 결과를 제조현장에 반영하여 수행 센서 디바이스, 정밀제어기기와 애플리케이션을 이어주는 역할로IoT, 빅데이터, 클라우드 플랫폼을 포함하며, 디바이스와 애플리케이션 간의 안전하고 효율적인 데이터 채널 제공 MES, ERP, PLM, SCM 등 IT 플랫폼을 기반으로 제조 실행에 직접적으로 관여하거나 현장 디바이스로부터 수집된 데이터를 분석하고 정해진 규칙에 따라 판단할 수 있는 시스템 3. 스마트팩토리의 핵심 생산제조기술 앞서, 스마트팩토리를 구성하는 기반기술에 대해 상세히 알아 보았다. 제조분야에는 프로세스와 공정을 효과,효율적으로 수행하기 위한 다양한 생산제조기술들이 존재하고 이러한 기술들은 현재도 지속적으로 개발/시뮬레이션/테스트를 통해 현장에 적용 되고 있다. 물론, 단시간에 이를 검증하고 효과를 거론하는 것은 한계가 있지만, 분명한 것은 이를 통해 생산성향상, 원가절감, 품질 관리의 유연성을 확보 할 수 있는 환경을 제공한다는 것이다. 제조현장에 적용 된 대표적인 스마트팩토리 생산제조 기술에 대해 언급하겠다. 각 산업분야에 시장 점유율을 높이기 위한 제조공정 단축과 비용 절감은 피할 수 없는 추세이고, 디지털 툴을 이용하여 공정수행의 효율성과 품질 측면에서 공정의 최적화를 추구 하고 있다. 최근 공작기계는 상당히 복잡한 매카트로닉스 시스템 이고, 기계의 효율적인 구조와 정/동적인 특성은 CNC 시스템에 의해 결정 된다. 기계의 정/동적인 운동 특성, 구동부의 제어특성 및 가공공정의 특성 해석에 의한 상관관계 묘사가 필수적이며 이의 특성 요소들의 통합에 의해 Multi body dynamics model이 생성 되고 이를 시뮬레이션 하여 공정의 최적화 및 가공품질의 사전평가를 수행 하게 된다. 고객의 다양한 요구와 짧아지는 제품의 수명주기에 따라 , 다양한 종류의 부품을 경제적으로 가공하는 것이 경쟁력 강화에 큰 도움이 되며, 생산성 측면에서 생산시스템이 가장 합리적으로 다양성에 적응하도록 강요하고 있다. 이를 위해 ‘복합생산시스템’(Hybrid Production System) 및 ‘복합생산공정’(Hybrid Production Process) 방식이 큰 성장 능력을 갖고 있다. 생산시스템에서 최근의 딜레마는 이적 요인들, 글로벌 경쟁력, 증가하는 복잡성(Increasing Complexity)등으로 제품 다양화 등에 영향을 받는 생산 프로세스를 어떻게 안정적으로 유지하면서 품질 및 생산성을 향상 시킬 방안을 강구하는 것이다. 이러한 상황을 해결 할 수 있는 ‘자율생산시스템’을 통해 민첩한 생산, 품질요구에 대한 동적 대응, 공정변화에 대한 실시간 대응, 자율 최적화 등을 가능하게 하는 첨단 지능화 지능 에이전트 기능을 구현 할 수 있다. 스마트팩토리의 핵심 기반기술은 IIOT와 CPS라 말 할 수 있고, SW와 물리세계의 인터렉션을 통해 품질과 신뢰성을 확보 할 수 있는 설계 기법으로 CPS가 조명되고 있다. CPS 기반 스마트팩토리를 적용 할 경우 분산된 지능은 시스템 네트워킹 안에서 가상 세계와 실 세계와의 상호 교류를 통해 객체 지능화 시켜 생산 프로세스가 스마트하게 진행 되도록 한다. 이를 기반으로 각 장비들과의 정보교류를 통해 무엇을 해야 할지를 스스로 결정하게 하는 것이 핵심이라 하겠다. 또한, 수많은 센서로부터 수집 된 데이터는 빅데이터의 기반에서 공정 파라미터들의 최적값을 선정하여 최상의 품질유지가 가능하다. 한국의 스마트팩토리 8대기술 중 하나로, 미국의 주도하에 추진하고 있는 적층 제조의 측정과학(Measurement Science For Additive Manufacturing) 프로그램이라고도 한다. 이 기술은 적층 가공 및 시스템을 위한 소재 특성화, 가공 중 측정/모니터링/최적화, 소재/가공/제품의 성능 검증, 디지털화를 통해 신속 설계 제품화하는 것으로 스마트팩토리와 그 방향성이 동일하다. 4. 스마트팩토리의 핵심기술 기반의 발전 전략 제언 최근 글로벌 사회는 노령화와 전문인력 부재, 양적 성장의 정점에서 더욱더 스마트팩토리의 요구와 필요성이 절실해 질것이고, 기술시장 선점을 위한 정부주도의 경쟁은 심해 질 것으로 보인다. 이에 대응하기 위한 대책이 아닌 1)스마트팩토리를 고부가가치를 위한 필수적 요소로 인지하여, 제조업의 체질개선에 박차를 가해야 할 것이다.
[ 참고 문헌 ]4차 산업혁명의 IT - 스마트팩토리의 핵심
現 아이리포 기술사회, 정보관리기술사 , PMP, SAP
- 국내/해외 ERP 구축 프로젝트, 개발/PL/PM 담당
- Global ITSM R&R수립, PI/BPR 등 다수프로젝트 (14년)
- ERP방법론, SAP, Oracle, QA/SA/감사, ERP개발/모듈 사내강사
- 석사 : 산업시스템공학, 논문(채권관리 체계화)
전 세계의 끊임없는 사회적 변화는 18세기 후반 1차산업혁명부터, 20세기 초 전력노동분업을 통한 대량생산을 이룩한 2차 산업혁명, 전자기기/ICT 혁명을 통한 3차혁명을 거쳐 ICT와 제조업이 완벽하게 상호작용 및 융합 하게 될 4차 산업혁명 시대에 진입하고 있는데, 이 같은 범세계적 패러다임의 변화에 대응하기 위해 양적 투입 위주의 제조업 성장방식의 한계를 극복하고 부가가치 증대를 위한 ICT(Information and Communication Technology)와 기존 제조업 기술인 생산제조 기술과 융합하여 사물인터넷, 빅데이터, 클라우드컴퓨팅, CPS(Cyber physical system)등의 기술들을 통해 공장내의 장비, 장치부품들이 연결되고 상호 소통하는 생산체계를 기반으로 제품의 기획,설계,제조,유통판매의 전 과정을 통합해 최소비용과 시간으로 고객 맞춤형 제품을 생산하는 지능형 공장인, 스마트팩토리가 반드시 필요한 현실이다.
한편, 독일과 미국은 스마트팩토리 선도국으로써, 제조장비의 자동화,지능화에서부터 제품 생산 및 설비의 유지/보수에 이르는 전주기적 혁신기술이 적용된 스마트팩토리를 추진 중이며 핵심기술을 중심으로 각 산업별 적용 시나리오를 통한 국가와 기업간의 시너지를 형성하고 있다. 특히, 미국은 ‘Advanced Manufacturing 2.0’ 을 통한 제조기술사업, 촉진인프라, 주요추진과제 등을 선정하여 공격적인 기술사업화 및 비즈니스 모델 발굴을 고려한 종합적 스마트팩토리 사업을 추진 하고 있다.
[그림1] 국가별 국제 제조업 경쟁력 지수 
<자료> [주요통계 69호][2016 국제 제조업 경쟁력 지수], 미래창조과학부
한국도 제조업 혁신전략3.0, K-ICT전략을 통해 제조업 스마트 공장화를 적극추진하고 있으며, 이를 위해 스마트팩토리의 핵심인, 제조기술과 IT을 접목한 스마트팩토리 기반기술과 이를 바탕으로 한 스마트팩토리 생산 제조기술을 확보하여 단기적으로는 리쇼어링에 대한 기반을 제공하고 장기적으로는 스마트팩토리 브랜드를 구축 할 수 있도록 공급/수요별로 지원하는 전략들이 필요할 것으로 보인다.
이러한 필수적 요건을 통해 핵심기술인 IIOT(Industrial IoT)와 CPS(Cyber Physical System) 기술을 기반으로 제조단계의 자동화,정보화, 실시간 처리와 설비,장치기기 등의 지능화, 모듈 단위의 유연 제조와 분산 자율제어를 통한 가변적 생산시스템의 연동체계 구축으로 요약된다. 이를 수행 하기 위해 기존제조기술에 IT를 접목하여 센서기술, 정밀제어 기술, 네트워크 기술 그리고 데이터 수집 및 분석 기술 등 다양한 기술이 융합되어 서비스를 구성하고 있다.
[그림3] 스마트팩토리 기술로드맵 
<자료> 스마트공장 기술로드맵, 산업통상자원부
(센서/제어 기기)
(네트워크 플랫폼)
(제조 애플리케이션)
[표1] 스마트팩토리 핵심 기반기술 
시장의 수요와 요구에 따라 다품종 대량생산이 가능한 유연 생산체계를 구축하기 위해서는 센서디바이스, 정밀제어기기 등을 통한 임베디드 기반기술 역할이 중요하고 이 기술간의 연계를 위한 네트워크플랫폼과 제조중심의 어플리케이션이 선행적으로 활용되어져야 한다. 이를 통하여 다양한 프로세스 및 공정을 모듈화를 통한 유기적 결합이 이루어지고, 시스템 설계 및 인터페이스를 통한 스마트팩토리 생산제조기술을 뒷 받침 할 수 있다.
(가상장비 모델링 및 시뮬레이션)
(하이브리드 복합생산기술 )
다양한 가공방법들이 하나의 장비안에서 복합적으로 융합을 이뤄, 한번의 셋업으로 서로 다른 가공방법들이 동시에 진행 될 수 있다. 
(유연 자율 생산 시스템)
(CPS 기반 생산 시스템)
(임의형상 적층생산기술)
적층 제조 공정의 실시간 제어(Real time control of AM processes)의 경우 적층 가공의 실시간 제어를 위해 필요한, 계측 센서 및 장비의 성능을 평가하기 위한 측정 지표 및 테스트 방법을 개발하고, 실시간 제어 알고리즘 개발하는 방향으로 진행되고 있으며 적층 제조용 소재/공정/부품 자격 검증(Qualification for AM materials, processes, and parts)을 위해서 적층 제조에 사용되는 소재, 공정 및 부품의 자격 검증을 실시하기 위하여 라운드 로빈 테스트(round robin test) 기반의 테스트 방법 및 프로토콜 개발하기 위해서 관련 연구들이 진행되고 있다.
앞서, 스마트팩토리의 기반기술과 이를 활용 및 응용한 스마트팩토리 생산제조기술에 대해서 살펴 보았다. 미국과 독일 주도의 이론적 개념을 채용하고 이를 통한 다양한 기술적 체계를 연구/구축하는 느낌을 지울 수 없는 것은 사실이나, 2)한국적 현실을 고려한 실질적 혁신방안을 모색하는 추가적인 조치는 필요 하겠다.
그리고 3)시장의 수요와 요구에 따라 다품종 대량생산이 가능한 유연한 생산체계를 구축 하기 위해 임베디드시스템 기업의 육성하고, 이를 통해 스마트팩토리의 필수 센서, 제어기기, IoT디바이스등의 원천 기술을 확보하고, 스마트팩토리의 철학에 맞는 안전성을 높이고 재활용, 상황에 맞는 재구성 , 그리고 이를 통한 융합이 중요한 요인으로 작용 할 것이다.
또한, 현재 육성 중인 스마트팩토리 관련 분야에 집중도 중요하지만, 4)미래 지향적 가치를 가져다 줄 핵심 기술인 인공지능/빅데이터 / VR/AR 등의 적극 채용을 통한 기술 검토도 필요 하겠다. 이를 위해서는 산업의 체계적인 육성과 스마트팩토리 테스트베드 구축을 통해 국가 경쟁력의 기반을 확보하고, 5)산/학/연/관 컨소시엄의 구성을 통한 체계적 로드맵 및 연구개발의 상세 계획, 연구컨트럴 타워 설립을 통한 지속적인 모니터링 및 개선사항 적용이 반드시 필요하다.
[1] 미래창조과학부, “주요통계 69호”, 2016 국제 제조업 경쟁력 지수, 2016
[2] 한국공작산업협회, 최신트랜드, 2016
[3] 한국통신학회, “중소제조업 스마트공장 기술 동향과 이슈”, 2016
[4] 한국통신학회, “스마트팩토리와 연관된 생산 제조기술 동향”, 2015
[5] KESSIA, KESSIA ISSUE REPORT,"T스마트공장 현황 및 시사점", 2015
[6] 산업통상자원부, “스마트공장 기술로드맵”, 2015