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ICT/정보통신 스마트 제조ㆍ스마트 팩토리의 개념, 시장, 과제

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-09-13 12:21:00
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IoT나 AI와 같은 IT 기술을 사용하는 스마트 공장은 고장 예지 및 불량품 검출, 인재 육성, 에너지 절약과 같은 상황에서 활약하게 될 가능성이 높다. 스마트 공장은 제조업이 공장운영에 대해 가지고 있는 과제에 대한 효과적인 해결책 중 하나이다.

 

1. 스마트 공장(팩토리)이란?

 

스마트 공장(스마트 팩토리)이란 공작기계나 생산 라인과 같은 각종 설비를 네트워크에 접속시키고, 효율적인 정보 관리 및 최적의 운영을 모색하는 시스템이다.

 

<그림1> 스마트공장의 개념도

자료 : 대한민국제조혁신컨퍼런스(KMAC), 한국인더스트리4.0협회

 

기존의 공장 운영에서는 숙련공이나 고도의 기술을 가진 스태프, 경험이 풍부한 관리자 등 사람의 손에 의지하는 부분이 많았다. 하지만 제조업의 근간이며 중심인 공장에서는 항상 다양한 과제에 대응해야 한다. 고장을 감지하고 불량품을 검출하며, 생산성 향상 및 에너지 최적화와 같은 과제를 해결하려면, 사람의 손에만 의지하기에는 한계가 있다.

 

현재는 기기가 고도화되면서, 자동화를 뒷받침하는 FA 기기(팩토리 오토메이션 기기)의 도입 및 사물인터넷(IoT)의 보급, AI(인공지능)의 실용화와 같은 상황들이 시시각각 변화하고 있다. 공장 운영에 관한 모든 업무를 IT가 지원하고 있다고 해도 과언이 아니다. 제품의 품질이나 상태, 공장설비의 가동상황, 라인 정보의 바른 연계가 가능해져, 능력이 비약적으로 향상되고 있다.

 

그 결과, 기존에 문제시되던 에너지 절약 및 생산성 개선을 실현하기 위한 선택지가 증가하였다. 스마트 공장이 도입됨에 따라, 일손 부족에 대한 대응 및 에너지 절약과 같은 긴급한 과제에 대한 대처도 빨라지게 되었다.

 

2. 스마트공장 추진 현황과 시장전망

 

스마트 공장은 세계 각국에서도 추진되고 있다.

 

유럽의 제조대국인 독일의 정부는 ‘인더스트리 4.0’을 제창하고 있다. IoT와 같은 첨단 기술에 의한 제조업의 발전을 산업혁명에 해당하는 것으로 간주하고, 정부가 나서서 추진하고 있다. IoT가 발전하면 비용 절감 및 생산성 향상이 이루어져, 새로운 경제 발전 및 사회 구조 변혁이 일어날 수 있다는 생각이 바탕이 깔려 있다.

 

예를 들어, 스마트 공장이 더욱 고도화되면 기계가 사람의 명령을 실행하는 것뿐만 아니라, 공장 설비가 스스로 완성품을 만드는 과정을 도출해낼 수 있다. 사람의 지시가 없어도 제품을 완성하는 스마트 공장이 개발되고 있다.

 

중국에서는 국가지도부가 ‘중국제조 2025’라는 산업 정책을 제창하고 있다. 제조업의 고도화를 추진하기 위해, 차세대 정보 기술(반도체 및 5G) 및 신에너지 자동차 등의 10개 분야, 23개 품목이 선정되었다. 2025년까지 ‘세계적인 제조 강국으로 자리 매김한다’는 목표를 위하여, 제조업을 강화하는 데 힘쓰고 있다.

 

리먼쇼크 이후 2010년부터 서양 열강들이 제조업을 자국내로 회귀하면서, 중국에서는 국외 기업의 투자로 인해 기술을 획득할 수 있는 기회가 감소하였다. 또한 중국 국내가 풍요로워짐에 따라 국제 무역에서 비교 우위를 유지할 수 없게 되었다. 이러한 배경 속에서, 기존의 경제 성장 모델이 아직 제 기능을 하는 동안에 구조를 전환할 목적으로 입안된 것이 ‘중국 제조 2025’이다.

 

중국 제조 2025는 ‘5가지 기본 방침’과 ‘4가지 기본 원칙’을 내걸고, ‘3단계 전략’을 통해 제조 강국이 되기 위한 전략 목표를 실현하고자 하고 있다.

 

5가지 기본 방침은 ‘이노베이션 구동’, ‘품질 우선’, ‘그린(환경보전형) 발전’, ‘구조의 최적화’, ‘인재 중심’이며, 4가지 기본 원칙은 ‘시장 주도ㆍ정부 유도’, ‘현실 입각ㆍ장기적인 시야’, ‘전체 추진ㆍ중점 돌파’, ‘자주 발전ㆍ협력 개방’이다.

 

3단계 전략의 첫 번째 단계에서는 2025년까지 제조 강국이 되고, 두 번째 단계에서는 2035년까지 제조 강국의 중간 수준(평균)에 달하며, 세 번째 단계에서는 신 중국 성립 100주년(2049년)에 종합적으로 세계적인 제조 강국 자리에 달하는 것을 목적으로 한다. 아래 표에 구체적인 주요 지표가 기재되어 있다.

 

그리고 인도 역시 ‘메이크 인 인디아’를 내걸고, 해외에서 투자를 받아 제조업을 발전시킬 방침이다. 그 중에서도 제조 인프라의 정비가 중요시되고 있으며, 스마트 공장을 포함한 제조업의 포괄적인 고도화를 위한 시도가 이루어지고 있다.

 

MarketsandMarkets 자료에 따르면, 2020년 세계 스마트공장 시장 규모는 171.3억 달러로 전망되고 있으며, 지역별로는 아시아ㆍ태평양이 75.9억 달러로 전체 대비 44%의 압도적인 비중을 차지할 것으로 예상됐다.

 

<그림2> 스마트 공장 세계 지역별 시장점유율(2022전망 기준) (단위: 억 달러, %)

자료 : MarketsandMarkets 자료로 재작성

 

한편, 스마트공장의 한국의 기술 수준은 최고기술수준보유국(미국) 대비 72.3%였으며, 국가별 기술수준은 미국(100.0%) > 독일(93.4%) > 일본(79.9%) > EU(79.6%) > 한국(72.3%) > 중국(66.0%)의 순으로 나타났다.

 

<표1> 국가별 스마트공장 상대수준 및 기술 격차 (단위: %, 년)

자료 : 스마트제조기술수준조사(스마트공장추진단/한국스마트제조산업협회, 2018)

 

미국은 25개 기술 중 15개 기술에서 최고기술수준 보유국이고, 독일은 9개 기술에서 최고기술수준 보유국으로 나타났으며, 한국은 인터넷 통신에서 최고기술수준 보유국으로 선정되었다.

 

그 외에 한국은 산업용 통신, MES 등 5개 기술이 선도그룹(80% 이상)이며 3D프린팅, 로봇 등 16 개 기술이 추격그룹(60% 이상)으로 나타나고 있으며 3개 기술(PLM, DCS, CAx) 분야에서는 후발 그룹으로 분류되었다.

 

3. 스마트 공장으로 해결할 수 있는 과제

 

제조업을 뒷받침하는 공장은 다양한 과제에 직면해 있다. 예를 들어, 고장에 대한 대응ㆍ불량품에 대한 대책ㆍ숙련자의 부족ㆍ에너지 절약 대책은 모든 공장에서 충실하게 대처해 나가야 하는 과제이다.

 

비즈니스의 국제화 및 소비자 니즈의 다양화로 인해 고객의 요구는 납기ㆍ비용ㆍ품질 등 보다 다양해지고 있다. 또한 우수한 인재를 쟁탈하려는 경향이 업계의 장벽을 뛰어넘어 확대되고 있으며, 사업을 뒷받침하는 인재를 확보하기가 더욱 어려워지고 있다. 그러한 상황 속에서 종업원의 고령화라는 문제에도 대처해 나가야 한다. 기술을 안정적으로 계승하는 것 역시 중요한 과제 중 하나이다.

 

스마트 공장은 이러한 제조업이 가진 문제를 해결하는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

 

1) 고장 예지

 

고장 예지란, IoT를 활용하여 기기나 그 밖의 공장 시설의 상황을 감시하고, 사전에 고장이 일어날 확률을 예측하거나 현재 이상이 발생한 부분을 검출하는 기술이다.

 

공장 라인의 모니터링은 일반적인 공장에서는 이미 실시하고 있는 부분이다. 하지만 기기가 구형이라서 데이터를 계측할 수 없거나 데이터 계측 자체는 문제가 없지만 데이터의 형식이 달라 관리하는 데 시간이 걸리는 경우가 많다. 그러한 경우, 가동 상황을 정확하게 파악하거나 고장에 대비하려면 막대한 노동력이 필요하다.

 

공장을 스마트화하면 이러한 과제를 해결할 수 있다. 예를 들어, 기기에 IoT 기능을 갖춘 센서를 설치함으로써 신형ㆍ구형을 막론하고 데이터를 집계할 수 있다. 데이터를 한 군데에 집약시키면, 가동 상황을 일괄적으로 관리할 수 있다. 가동률 및 가동 상황을 파악하기 쉬워지면서 관리의 효율이 향상되고, 일원화된 데이터를 활용하여 고장 예지의 정밀도를 높일 수 있다.

 

2) 화상 인식으로 불량품을 발견

 

화상 인식 기술은 불량품을 발견하는 데에도 도움이 된다. 기존에는 사람이 직접 검사하여 불량품을 찾아냈다. 하지만 그러한 방식에는 막대한 노동력이 필요할 뿐 아니라, 검사할 수 있는 인재를 육성하거나 휴먼 에러가 발생할 수 있다는 리스크를 배제할 수 없다. 또한 불량품을 검출하기 위한 설비를 도입하려면, 거액의 비용도 필요하다. 불량품에 대한 대처는 공장을 운영하는 데 있어서 매우 큰 고민거리로 여겨져 왔다.

 

현재의 화상 인식 기술을 이용하면, 이러한 불량품에 관한 과제를 해결할 수 있는 가능성이 생긴다. AI의 심층학습(딥러닝)을 통해 대량의 화상 데이터를 읽어 들여 스스로 특정한 패턴을 검출해낸다. 이 과정을 반복하게 되면, 화상 데이터 속에서 패턴을 발견하는 정밀도가 비약적으로 향상된다.

 

이러한 기술은 공장에서 불량품을 검출하는 데에도 응용할 수 있다. 품질 검사를 디지털화하면 데이터를 통해 AI가 자동으로 학습할 수 있으며, 불량품이 발생하기 쉬운 상황의 데이터가 축적되어, 원인을 분석하는 데에도 도움이 된다.

 

3) VR을 통한 원격 지원으로 인재를 육성

 

원격 조작ㆍ관리가 가능한 VR(가상현실) 기술은 인재를 육성하는 데에도 도움이 된다.

 

제조업 전체 및 공장 운영에서는 인재 확보ㆍ육성이 시급한 과제이다. 상당한 선진국들이 저출산ㆍ고령화되어 가고 있는 상황에서, 노동인구 중에서 젊은이가 차지하는 비율은 줄어들고 있으며, 중년층 이상의 연령대의 수가 많아지고 있다. 따라서 인재 부족이 발생하고 있으며, 일하는 방식 개혁을 통해 노동 시간도 감소되고 있다. 공장은 베테랑 직원이 가진 기술을 어떻게 계승해 나갈지, 시간을 얼마나 효율적으로 활용하여 차세대 인재를 육성할지와 같은 과제를 갖고 있다.

 

VR은 ‘가상현실’이라 불리는 것처럼, 고글 형태의 디바이스나 카메라, 원격 시스템을 사용하여 실제로는 제자리에 있으면서도 마치 현장에 있는 것처럼 상황을 모니터링하거나, 체험할 수 있다. 그와 관련된 기술로서, 마찬가지로 고글 형태의 디바이스를 착용한 사람이 현재 보고 있는 현실에 더하여, 다른 영상을 동시에 보이도록 하는 ‘증강 현실’이라는 기술도 존재한다.

 

이로 인해 서로 떨어진 장소에 있는 베테랑 종업원이 신입사원에게 고글 너머로 작업을 지시하거나 매뉴얼을 제공할 수 있다. VR 기술을 이용함으로써 효율적으로 인재를 육성할 수 있게 되고 있다.

 

4) 공장의 에너지를 센서를 통해 최적화

 

스마트 공장은 공장 전체의 에너지를 절약하는 데에도 도움이 된다. 현재는 ‘SDGs’(지속 가능한 개발 목표)나 ‘ESG 경영’(환경ㆍ사회ㆍ경영를 고려한 경영)과 같은 말을 통해 알 수 있듯이, 세계적으로 환경에 대한 의식이 중요시되고 있다. 에너지를 이용하는 많은 제조업계 역시 명확한 대응을 요구받고 있다.

 

스마트 공장에서는 IoT화된 센서를 활용함으로써 공장의 가동 상황이나 에너지의 이용 상황을 가시화할 수 있다. 수치로 관리함으로써 효율적으로 에너지를 이용하고 에너지 절약을 실현한다.

 

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[2022 글로벌 스마트 제조 및 스마트 팩토리 기술개발 전략과 시장전망] 보고서 상세보기

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