[칼럼] 박정수의 일자리와 4차 산업혁명 이야기

제조업의 디지털 트윈은 제조혁신이며 스마트팩토리다

↑ 박정수 성균관대학교 스마트팩토리 융합학과 겸임 교수

물리적 세계와 가상 세계의 융합을 통해 디지털화는 모든 분야에서 혁신의 주요 동인 중 하나가 되고 있다. 디지털화의 진화는 디지털 활성화, 디지털화 지원, 디지털 제어 및 링크, 사이버-물리적 통합의 네 가지 진보적 단계를 거쳤으며, 제 4차 산업혁명의 물결이 독일에서는 인더스트리 4.0, 미국에서는 스마트 제조(Smart Manufacturing) 혹은 산업 인터넷(Industrial Internet)이 국가 및 기업의 중요한 경영의 화두가 되고 있다.
한국에서는 4차 산업 혁명, 디지털 혁신(Digital Transformation), 스마트팩토리, 스마트시티, 스마트팜 등의 용어가 이들 나라들과 유사한 의미로 사용되고 있다. 최초에는 제조 기업의 혁신 과제로 출발하였으나, 4차 산업혁명, 디지털 혁신, 인공지능 등이 강조되면서, 최근에는 기업뿐만 아니라 국가적인 의제가 되고 있으며, 용어에 따라 약간의 차이가 있을 수 있지만, 4차 산업혁명과 스마트 제조의 핵심 개념은 사물 인터넷(IoT), 행동 인터넷(IoB), 5G, 빅데이터, 인공지능(AI) 등 혁신적으로 진화 발전하고 있는 정보통신기술(ICT)을 수단매체(手段媒體)로 활용해 제품과 서비스 혁신, 비즈니스 모델 혁신, 프로세스와 행동 혁신를 근원적으로 바꾸고자 하는 목적함수(目的函數)을 갖고 있는 이미 온 미래의 경영전략이다.
전통적인 제조 기업에서도 기존 하드웨어와 유연성이 미흡하고 귀속성이 강한 시스템 중심의 '제품혁신 중심'에서 인공지능 기반 소프트웨어 및 서비스 중심의 과거와 전혀 다른 '비즈니스 모델'로 전환하는 것이 핵심 과제이며, 산업간 융합 및 경쟁이 일반화되고 있으며, 근본적으로 제조업과 서비스업의 경계를 넘나드는 메뉴비스(Manuvice=Manufacturing+service)처럼 흐릿(Blur)해지고 있다.
스마트팩토리의 근간을 형성하고 있는 것은 제조현장의 정형과 비정형 데이터 관리이다. 사이버 피지컬 시스템(CPS)은 사물 인터넷(IoT), 빅데이터 등의 관리기술을 활용해 사이버 세상과 물리적인 세상을 연계하고, 동기화하는 스마트팩토리의 핵심적인 요소이다. 사물 인터넷(IoT)이나 빅데이터 등이 기술적인 요소라고 한다면, 사이버 물리 시스템(CPS)은 이러한 요소들을 활용해 물리적인 세상을 사이버 세상에 반영하고, 사이버 세상의 기술을 활용해 실제의 물리적인 세상을 통제하고 제어하는 시스템이다. 더 나아가 제조현장의 경영활동을 강화하기 위한 데이터 기반 행동 인터넷(Internet of Behaviors)의 플랫폼(Platform)이자 맞춤형 생산 활동의 경험 디자인(UX-Design)이다. 그 까닭은 행동 인터넷(IoB)이 데이터에 근간을 두고 있기 때문이다.
스마트팩토리의 또 다른 특징은 로트 크기(Lot Size)를 최소화해 다양한 제품들을 가지고 고객들의 개인적인 요구사항을 충족시킨다는 점이다. 이러한 특징들이 가능하기 위해서는 현장에서 발생하는 모든 데이터가 실시간으로 적절하게 디지털 트윈(Digital Twin)기술이 내장된 인공지능 기반 제조운용(製造運用)시스템(MOS, Manufacturing Operation System)에 제공돼야 하고, 제조운용 시스템은 이를 적시에 반영해 물리적인 라인의 변경이나, 대기 없이 생산 변경이 가능하도록 최적화된 운영(Optimized Control)이 실현돼야 한다. 디지털 트윈은 연결의 기술, 가시성, 정밀성, 분석 가능성에 의해서 완성도가 결정되기 때문이다. 아래 그림은 디지털 트윈에 의한 패러다임(Paradigm) 전환을 보여주고 있다.

↑ 출처: Journal of Manufacturing Systems, 2019 Enabling technologies and tools for digital twin. 성균관 대학교 스마트팩토리 융합학과 스마트팩토리 컨설팅 박정수 교수 재인용.

스마트팩토리는 스마트한 맞춤형 제품, 서비스, 프로세스에 집중해야 한다. 왜냐하면 스마트팩토리는 제품을 보다 효율적으로 생산할 수 있도록 복잡성을 관리하고, 장애나 중단(Disruption)에 잘 대응할 수 있어야 하기 때문이다. 주변 상황이 동적이고 급속하게 변화하는 생산 시설로부터 발생하는 다양한 문제들을 해결할 수 있는 "유연성·대응성"이 높은 프로세스들을 제공하는 제조 솔루션이여야 한다. 스마트팩토리는 자동화와 관련이 있고, 불필요한 인력과 자원의 낭비를 최소화해 생산 최적화를 달성할 수 있는 소프트웨어와 하드웨어의 조합이지만, 한편으로는 서로 다른 기업이나 파트너들 간의 협업을 통해 스마트함을 달성하는 것도 중요한 요소이다. 그러므로 스마트팩토리는 약 30년 전부터 적용해 온 린생산(Lean Production)이나 식스시그마(Six Sigma) 등 제조혁신의 방법들과 상호작용해야 하며 더 나아가 그러한 혁신방법들을 획기적으로 진화 발전시키는 제조산업의 새로운 무기이다. 아래 그림은 인공지능 기반 스마트팩토리의 플랫폼 개념도이다.

위에서 논의한 바와 같이 사이버 물리 시스템(CPS)은 스마트팩토리의 기본 인프라이며 빅 데이터 관리기술은 사이버 물리 시스템에서 생성된 데이터를 효율적이고 효과적으로 처리하는 데 중요한 구성 요소이자 핵심 기술이다. 스마트팩토리는 "로봇을 통한 자동화, ERP·MES 등 정보시스템의 활용에 기반을 둔 기존의 자동화 (Automated) 제조"에서 "사이버 물리 시스템(CPS)을 토대로 인공지능 기반 지능형(Intelligent) 제조"로의 패러다임 전환(Paradigm Shift)을 의미한다. 지능형 제조는 기존과는 달리 전체 가치체인(Value Chain)에서 사람의 개입을 최소화한 상태로 운영이 가능해야 하며, 이를 가능하게 하기 위해서는 IoT, IoB, 빅데이터, AI 등의 요소 기술이 뒷받침돼야 할 것이다. 이러한 현상은 4차 산업혁명에 대한 시대적 요구가 커지면서 다양한 산업군으로 빠르게 퍼져나가고 있으며 기존 산업의 경계를 넘나드는 현상이 생성되고 있다. 자동차와 정보통신기술(ICT)이 결합하고, 의료장비와 의료서비스가 통합되고, 통신장비들이 센서와 초연결되는 이른바 '융합 산업'의 시대가 펼쳐지고 있다.
이는 제조업도 마찬가지다. 제조업의 핵심이라고 할 수 있는 생산 공장에도 '스마트'가 붙는 것이 요즘 추세다. '스마트 팩토리'라 불리는 이러한 공장은 비용 낭비를 최소화하는 것은 물론, 예전보다 훨씬 빠르게 변화에 대응하면서도 품질을 획기적으로 높이고 불량률은 줄일 수 있는 것으로 알려졌다. 이러한 장점 때문에 최근에는 제약 및 의료기기 회사들도 '스마트 팩토리' 도입에 적극적으로 나서고 있다. 아래 그림은 cGMP이다.

제약 산업은 생명·보건 등과 관련한 '의약품'을 생산하는 정밀 화학 산업으로, 의약품 등의 제조나 품질 관리에 관한 규칙인 GMP(Good Manufacturing Practice)를 준수해야 하며 자재 입고 단계부터 제품 출고까지 전 공정의 생산 물류 추적 등이 가능해야 한다. 정해진 기준치를 벗어난 의약품이 유통될 경우, 그 피해는 고스란히 제약업체뿐만 아니라 사용자, 즉 환자들에게 돌아간다. 환자의 상태에 따라서는 불량 의약품으로 인해 목숨을 잃는 경우가 생길 수도 있다. 따라서, 제약사들은 기 설정된 규격과 품질 요소들을 만족하는 의약품이 지속·반복해서 생산되고 있다는 사실을 증명하는 '밸리데이션'(Validation, 법적 유효성 인정) 작업을 의약품 생산의 최우선 과제로 꼽는다.
스마트 팩토리는 이처럼 까다로운 의약품 생산공정을 유기적으로 관리할 수 있는 최적의 방안으로 떠오르고 있다. 생산 설비에 접목된 사물인터넷(IoT)·인공지능·빅데이터 등 첨단 ICT를 통해 의약품 품질관리를 더욱 강화할 수 있는 것은 물론, 생산성 향상·원가절감 효과까지 기대할 수 있다.
스마트팩토리는 제약산업의 글로벌화에 필수적인 생산전략이며, CDMO(Contract Development and Manufacturing Organization, 위수탁 개발·생산)까지 사업 영역을 확대하기 위해서는 필수다. CDMO는 단순히 주문을 받아 생산을 대행하는 CMO(Contract Manufacturing Organization, 의약품 위탁생산)와 달리 발주 기업이 요구하는 의약품의 기획 및 연구·개발·상용화에 따른 생산 및 품질 이력추적 등 전 과정을 수행하는 포괄적 사업 영역이기 때문이다. 스마트팩토리를 활용해 생산라인 모듈화를 구축하고 생산 대응력을 향상시키고 있다. 기존처럼 고정된 생산라인을 운영하면 다양한 제품 생산을 위해 새로운 라인을 구축해야 하는 등 생산 비용이 높아질 수밖에 없지만, 모듈 조립이 가능해지면 생산 모듈의 순서 및 다른 제품 생산 모듈로 교체를 통해 생산량과 효율성을 높일 수 있다. 바로 그것이 스마트팩토리 구축의 목적이다.
COVID 19 여파로 점점 더 강화되고 있는 의약품 제조 및 품질관리기준(cGMP)을 준수하기 위해서는 지금까지 관습처럼 수행해 온 제출을 위한 자료(Document)와 유연성이 미흡한 시스템으로는 "생산 현장관리의 한계성"을 드러내고 있다. 그러므로 위에서 언급한 사이버 피지컬 시스템(CPS)을 구현해야 한다. 다시 말해 과거에는 보이지 않았던 영역까지 스마트팩토리를 통해 보이게 해야 한다(Make Invisible visible). 각 제조공정마다 인위적 오류를 원천적으로 방지하는 인공지능 기반의 개방형 시스템과 제품의 주요공정 데이터가 실시간 자동 저장되고 운용될 수 있는 인공지능 기반의 생산 운용 시스템(MOS), 그리고 공정내 품질 이력추적과 공급망의 이력추적시스템을 병행시켜 반제품과 완제품을 분류해 CPS 기반으로 물류를 합리화해야 한다. 또한 cGMP 품질관리와 환경 관리를 위한 제조운용시스템(MOS), 품질보증시스템, 환경관리시스템과 24시간 365일 사물이동을 감시하기 위해서 사물 인터넷(IoT) 기술을 활용해 인공지능 기반의 엣지 컴퓨팅을 활용해야 한다. 그 중심에 빅데이터 관리기술이 있다. 물론 CPS와 디지털 트윈은 사이버-물리적 통합에 대한 설명이 비슷하다. 둘 다 물리적 및 사이버 / 디지털 부분으로도 구성돼 있기 때문이다. CPS와 디지털 트윈은 유사점을 공유하지만 차이점도 존재한다. 연구(Lee,2015)에 따르면 CPS는 구현 전략이나 특정 응용 프로그램을 직접 참조하지 않기 때문에 더 기초적이다. 따라서 CPS는 과학적 범주 (Monostori et al. 2016; Tao et al. 2019)와 관련이있는 반면, 디지털 트윈은 엔지니어링 범주와 관련된다 (Tao et al. 2019).
또한 물리적 프로세스의 변화가 실시간 임베디드 액추에이터 및 센서의 피드백을 통해 디지털 세계에 영향을 미칠 것이라고 언급되고 있다. 따라서 CPS의 핵심 요소는 센서와 액추에이터로 간주된다. 더 나아가 센서 내에서 자체적으로 정보를 수집하고 연산할 수 있는 On-device센서 및 액추에이터의 데이터 피드백을 통해 디지털 모델을 사용해 기계 또는 시스템의 동작을 해석하고 실시간 및 과거 데이터는 물론 경험과 지식을 통해 미래 상태를 예측할 수 있을 것이다. 디지털 트윈의 핵심 요소는 모델과 데이터로 간주된다. CPS 및 CPS 개발에 필요한 기술은 디지털 트윈 구현에 필요한 기술이다. 그러므로 CPS와 디지털 트윈의 목적함수(目的函數)는 스마트팩토리의 목적함수와 일치한다.
CPS와 디지털 트윈 기술을 활용한 스마트팩토리 구축 목적은 "의약품 제조 혁신 모델"이자 인공지능 기반 스마트팩토리이기 때문이다. 새로운 혁신은 없는 것을 찾아내는 것이 아니며, 혁신의 속성은 과거에 성공가도를 달려왔던 경험과 기존 기술이 앞에 가로막혀 원하는 것을 제공하지 못하였을 때 나타나는 법이다. 따라서 행동 인터넷(IoB)은 핵 연쇄반응이 일어나듯 폭발적으로 다른 혁신을 불러올 것이며, 스마트팩토리의 가속 패달이다.
끝으로 디지털 트윈은 산업을 혁신하고 있다. 센서 업데이트 및 히스토리 데이터로 시작되는 정교한 모델은 제품, 프로세스 또는 서비스의 거의 모든 측면을 적용 할 수 있다. 미래에는 디지털 트윈 기술을 통해 물리적 세계의 모든 것이 디지털 공간에 복제 될 것이다. 그러므로 스마트팩토리는 디지털 트윈으로 시작해야 한다.