Industry 5.0 : 스마트 팩토리 주요 기술 동향

ITFIND 주간기술동향 2128호

 

본 내용의 경우 IITP의 주간기술동향에 대해서 요약한 내용으로 원문은 아래의 링크를 참고 부탁드립니다.

https://www.itfind.or.kr/streamdocs/view/sd;streamdocsId=a2TYKzpWei8hlIDA5sfBTLhqTQ2cgWg9DmuGq4SW3R8

 

발행일: 2024-04-03

 

 

 

서론

Industry 4.0이 스마트팩토리를 디지털 기술과 공장 자동화라는 기술적 관점에서 언급하였다면, Industry 5.0은 기술적 관점에서 더 나아가 인간과 기술의 협업을 강조하며 로봇, 디지털트윈 등의 기술을 강조하였다.

2020년 EU에서 Industry 5.0을 발표하였으며, 우리나라의 경우 인구 고령화와 생산 인구 감소로 인해 스마트팩토리가 다시 주목 받고 있으며, 본 내용에서는 스마트팩토리의 주요 기술과 적용 사례를 살펴보고 향후 기술발전 방향을 전망에 대하여 정리하였다.

 

 

스마트팩토리 주요기술

1. 스마트팩토리 정의

 

스마트팩토리란 정보통신 기술을 활용하여 제품의 설계, 개발 및 생산 과정에서의 데이터와 완성품 및 부품, 원자재 등에 대한 데이터를 수집한 뒤 이를 디지털화하고 모든 공정에서 데이터를 공유, 교환하며 유기적으로 연결하는 공장을 의미한다.

 

스마트팩토리는 공장 내 설비와 기계에 센서를 설치하여 데이터를 실시간으로 수집, 분석하며 공장 내 모든 상황들을 분석하여 목적에 맞게 스스로 자율적 제어가 가능한 공장을 의미한다.

 

클라우드, AI, AR/VR 기술이 종합적으로 적용되며, 제품 기획에서부터 설계, 생산, 유통, 서비스 등 제품수명 주기 전 과정을 ICT 기술로 통합하여 최적화된 생산 시스템으로 구현된다.

 

스마트팩토리 기술구조 / 삼정KPMG, 4차 산업혁명과 제조혁신, 208

 

 

2. 공장 자동화와의 차이점

 

스마트팩토리 기술과 기존 공장 자동화의 가장 큰 창점은 양방향 통신을 기반으로 작업 명령과 피드백이 가능하고, 스스로 생각하고 판단하는 공정이 적용된다는 점이다.

 

즉, 컨베이어 시스템 기반의 연속 일관된 공정이 아닌 인공지능이 탑재된 각 설비와 기기가 스스로 판단하여 최적화된 다음 공정 모듈을 찾아 제품을 이동시키며 생산이 진행되는 구조로 이루어 졌다는 것이다.

 

기존의 공장 자동화는 컨베이어 시스템을 기반으로 입력된 명령과 정해진 순서에 따라 반복되는 구조로 설계되었다면, 스마트팩토리는 인공지능 기술을 기반으로 제품 또는 반제품이 스스로 진행 상황을 파악해 최적화된 공정 모듈을 찾아 프로세싱하고, 생산이 진행되는 구조로 동일 기능의 복수 모듈이 작동하여 실시간으로 정보를 교환하며 공정 대기시간을 최소화 한다.

 

자동화 공장과 스마트팩토리 차이점 / 하나금융경영연구소, 스마트팩토리: 4차산업혁명의 아이콘, 2018,10,4

 

 

3. 스마트팩토리 기술발전 방향

 

스마트제조혁신추진단은 스마트팩토리의 기술 발전 수준을 5단계로 구분하고 있다.

 

레벨 1~2단계는 기초적인 기술수 수준으로, 공장 내 생산 정보가 디지털화된 단계이다. 바코드, RFID 등을 통해 생산 정보를 수집하고 제품생산단위별로 생산과정을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

 

레벨 3단계는 생산설비, 공정, 자재 및 제품정보가 실시간 수집 분석하고 제어할 수 있는 단계를 의미하며, 생산 정보를 통해 품질분석이 가능하며 분석된 정보를 기반으로 생산계획을 세울 수 있다.

 

레벨 4단계는 시스템을 통한 생산 공정 제어와 사전 대응이 가능한 단계로, 수집 분석된 정보를 기준으로 원인과 해결을 시스템이 스스로 판단 및 제어하여 생산이 최적화되는 단계이다. 이 단계에서는 분야별 관리시스템이 상호 실시간 연동될 뿐만 아니라 협력업체까지도 유기적인 정보 공유가 가능하다. 현재 대다수의 스마트팩토리의 기술 단계를 레벨 4 수준이다.

 

 레벨 5단계는 IoT (Internet of Things), CPS (Cyber Physical System)을 기반으로 모든 공정이 최적화되어 자율적으로 운영되며, 고객 요구에 즉시 생산, 배송되는 맞춤형 제조가 가능한 단계이다.

스마트 공장 수준별 5단계 / 스마트제조혁신추진단 홈페이지

 

 

4. 스마트팩토리 핵심기술

 

 가. 디지털트윈

• 도시, 제품, 공장, 인체 등 현실에서 존재하는 사물과 동일한 가상의 공간을 만들어 발생이 가능한 다양한 상황을 시뮬레이션하여 결과를 예측하는 기술이다. 신기술 개발이나 공장 내 새로운 설비를 도입하기 전 사용하여 투입 비용 및 시간 절감이 가능하며, 위험을 사전 탐지함으로서 시뮬레이션에 기반 한 자율화된 공장 구현을 가능하게 한다.

디지털트윈 요소기술 개념도 / 정보통신전략위원회, 디지털 트윈 활성화 전력, 2021. 9.

 

 나. 인공지능 (AI)

• 스마트팩토리는 공장에서 발생하는 데이터를 빅데이터 기술을 통해 수집, 분석하며 인공지능을 통해 최적화된 시스템을 구현한다
  • 나-1
    • 머신 비전 기술 (Machine Vision): 카메라를 이용하여 제조 과정에서의 결함 추적, 표면 마무리 검사, 부품들의 결함 검사 등에 사용되며, 공장 작업자들의 검사 작업을 대체하고 불량 검출율을 향상
  • 나-2
    • 지능형 설비 기술 (Intelligence Manufacturing Detection): 생산 현장에서 발생하는 상황 대처를 자동화하는 기술로, 공정 목적을 자율적으로 인지, 판단, 제어하는 협업 제조 기술
  • 나-3
    • 이상탐지 기술 (Anomaly Detection): 제품생산 과정에서 이상 작동과 이상 상황이 발생할 때 불량이나 품질 저하 요인을 자동으로 탐지
  • 나-4
    • 지능형 실감 인터렉션 가이드 기술 (Real Sense Interaction Guide): 작업자의 작업 숙련도 향상을 위하 AR, VR, XR 기술을 도입하여 학습시간을 단축시켜 주거나, 제품 수율 향상에 도움을 주는 기술
  • 나-5
    • 스마트 작업대 기술 (Smart Workbench): 안전한 작업환경과 작업자 역할에 맞는 맞춤형 작업을 할당하여 생산성 향상 및 노동 피로도를 감소 시켜주는 기술
  • 나-6
    • 제너레이티브 디자인 기술 (Generative Design): 고객 요구에 적합한 제품을 생성형 AI를 이용하여 자동으로 생성 및 추천하며, 제품설계 전체 프로세스에 적용하여 설계 비용을 절감하는 기술

 

 다. IoT

• 공장에서의 IoT 기술은 데이터 수집, 데이터 교환, 데이터 분석의 가장 근간이 되는 기술이다. 공장에서 사용되는 IoT는 산업용 IoT로 데이터 응답속도가 일반 소비자 IoT보다 상대적으로 빠르며 안정적이어야 한다. IoT 환경은 크게 생성 (센서), 전달 (네트워크), 통합 분석 및 제어 (플랫폼) 기술로 나뉜다.
  
  • 다-1
    • IoT 센서: 물리적인 측정 기기로, 생산환경의 변화, 제품 및 재고 현황, 생산과 관련된 상태 센서를 통해 감지하며, 측정된 데이터를 중앙의 서버나 컴퓨터로 전송한다. 최근에는 엣지 컴퓨팅 기술을 적용하여 센서 단계에서 분석과 제어등의 기능을 직접 수행하기도 한다.
  • 다-2
    • IoT 네트워크: 각 센서에서 수집된 데이터를 플랫폼으로 전송하는 역할을 한다. 최근에는 5G 기술을 적용하여 초저지연, 초고속, 초연결, 초저전력의 특징을 나타낸다
  • 다-3
    • IoT 플랫폼: 수집된 데이터를 통합-분석-처리-시각화하며 다양한 공장 내 서비스 애플리케이션과 연동하고, 디바이스와 작업자를 유기적으로 연결하는 역할을 한다
  • 다-4
    • OT 보안 (Operation Technology Security): 스마트팩토리의 보안 아키텍처는 총 5단계로 구분해 볼 수 있으며, OT 보안은 각 계층의 솔루션과 애플리케이션에 적용되어 데이터의 유출 및 불법적인 침입을 방지하는 기능을 한다. 스마트팩토리의 보안 아키텍처는 현장장치, 공정제어, 공정통제, 생산관리, 전사관리의 구조로 구분

 

 

5. Industry 5.0 유망기술 :  로봇

 

Industry 5.0 에서는 인간과 로봇이 협업하는 코봇을 Industry 4.0과의 차이점으로 강조한다. 이전의 공장 로봇이 높은 설비투자가 필요한 산업용 로봇에 한정되어 있었다면, AI, Mobile, 자율주행, 다관절 기술 발달로 사전 프로그래밍된 고정형 로봇에서 자유자재로 움직이며 능동적으로 협업하고 스스로 생각하여 자율적으로 작업하는 휴머노이드형 로봇으로 진화해 가고 있다.

 

스마트 공장에 도입될 수 있는 대표적인 로봇으로는 테슬라의 '옵티머스 젠2'와 구글 딥마인드-스탠포드 대학이 협력 개발한 '모바일 알로하'를 들수 있다.

테슬라 옵티머스 젠2: 테슬라가 자체 개발한 엑추에이터와 센서를 적용하여 공장 현장에 배치하여 자체 제조공정 과정에 활용할 예정이며, 옵티머스 젠2에 적용된 기술을 기반으로 테슬라 차량의 완전자율주행 및 딥러닝 기술을 고도해갈 예정

 

구글 딥마인드-스탠포드 모바일 알로하: 가사 도움용 로봇으로 이미테이션 알고리즘을 적용하여 인간을 관찰하여 데이터를 수집/학습하고 이를 기반으로 사람 없이도 가사를 수행하는 로봇. 특징으로는 대당 가격이 3만 2,000달러 수준으로 기존 원격조종 로봇대비 10분의 1 가격을 실현함

 

 

스마트팩토리 주요 적용 사례

1. 국내 사례

 

2023년 삼성전자는 온양, 천안공장에 체셰 최초 반도체 패키징 무인화 라인 가동 했으며, 무인화 비중은 20% 수준

기존 반도체 공정에서는 웨이퍼만 이동하는 방식이었고, 후 공정에서 기판, 트레이 등 여러 부품이 이동하는 방식으로 인력 투입율이 높았으나, 스마트팩토리 도입 후 웨이퍼 이송장치, 리프트, 컨베이어, 반송장비 등 설비 완전자동화를 실현하여 설비 고장률 90% 감소

 

2022년 LG전자는 스마트파크 창원 공장을 설립했으며, '디지털트윈' 기술과 생산시설 전반에 AI, 빅데이터 등 디지털 기술을 적용하였다. 수집된 대용량 데이터를 실시간 분석하여 제품의 불량률을 줄이고, 설비 고장을 사전 예방하는 시스템이 구현하였으며, 불량 원인 분석 시간을 50% 이상 단축 및 불량률은 이전 대비 30% 감소

 

 

2. 해외 사례

 

테슬라는 2010년 GM/도요타 생산공장을 인수하여 자동화 공장으로 개조하였지만, 완전 자동화 양산체계에는 실패하였다. 이후 테슬라는 더 거대한 기가팩토리를 건설하여 공장 규모 대비 생산성을 경쟁사인 도요타 대비 2배이상 향상 시켰다. 

 

지멘스의 암베르크 공장은 설비자동화, 디지털트윈 및 센서를 통해 데이터를 수집 활용하고 있으며, 이러한 기술을 통해 제조현장의 상황을 실시간으로 모니터링하며 제어하고 있다. 지멘스는 디지털트윈을 통해 가상의 제품 생산을 사전에 시뮬레이션 해 봄으로서 제품 개발 및 생산 시간을 획기적으로 절감하였다.

 

 

스마트팩토리 기술 공급기업

 

1. 국외

 

공장자동화 솔루션 및 IT 기업이 스마트팩토리 기술 공급자로 포진하고 있다. 대표적인 공장자동화 솔루션 기업으로는 지멘스, 로크웰, 허니웰, ABB이며, IT 기업으로는 SAP, ORACLE, CISCO 등이다.

 

 

2. 국내

 

국내의 경우 IT서비스 기업 중심으로 스마트팩토리 기술이 공급되고 있다. 대표적인 기업은 삼성SDS로 AI 기반의 인텔리전트팩토리 플랫폼을 표방하는 '넥스플랜트'를 개발하여 공급하고 있다. 넥스트 플랜트는 인텔리전트 플랫폼으로 제조 전 영역을 지능화시켜 주는 플랫폼이며 설계, 시공, 제조, 물류에 요구되는 기술을 플랫폼 기반으로 제공하고 있다.

 

LG CNS의 경우 버츄얼 팩토리를 표방하며 '팩토바'라는 스마트플랫폼을 공급하고 있다. 데이터와 가상화 DX 기술을 차이점으로 설명하고 있다.

 

SK C&C의 경우 스마트팩토리의 상위 개념으로 '디지털 팩토리'를 표방하며 스마트팩토리 기술을 제공하고 있다. 기존의 스마트팩토리가 생산 프로세스의 실시간 모니터링과 최적화에 초점을 두었다면, 디지털 팩토리는 제품설계 및 생산단계에서 디지털 기술을 활용하여 생산과정을 개선하는 것을 의미한다.

 

포스코DX는 이음 5G 사업자로 선정되며, 이음 5G를 운송 철도 및 차량 자율주행과 크레인 무인화, 산업용 로봇제어 등과 같은 대용량 통신과 실시간 응답속도를 요구하는 현장에 적용하여 고도화 하고 있다. 이음 5G는 특정 지역 또는 건물에서만 사용 가능한 5G 이동통신망으로, 이동통신 사업자가 아닌 일반기업이 5G 주파수를 받아 직접 맞춤형 네트워크를 구축하여 활용할 수 있는 기술이며 공용 5G 망을 사용하지 않아 상대적으로 보안에 유리한 기술이다.

 

 

 

추가 내용 및 요약

 

정리하자면...

 

 

1. 스마트팩토리 정의

• 스마트팩토리: 정보통신기술(ICT)을 활용하여 공장 내 모든 데이터를 디지털화하고, 이를 실시간으로 공유, 교환하며 자율적으로 제어하는 공장
• 기술적 요소: 클라우드, AI, AR/VR, 센서를 통한 실시간 데이터 수집 및 분석

 

2. 공장 자동화 vs 스마트팩토리

구분공장 자동화스마트팩토리

통신 방식	일방향 (명령 전달)	양방향 통신 기반 (피드백 가능)
생산 방식	정해진 순서로 반복	AI가 최적화된 공정 선택 및 자율적 제어
대기시간	고정된 공정 대기 시간	복수의 모듈이 실시간 정보 교환으로 대기 시간 최소화

 

3. 스마트팩토리 기술 발전 단계

1-2	바코드, RFID 등을 통한 기본적인 생산 정보 디지털화
3	생산설비와 공정 정보 실시간 수집, 품질 분석 및 생산 계획 수립
4	자동화된 원인 분석 및 해결, 협력업체와 정보 공유
5	IoT, CPS 기반으로 완전한 자율 운영 및 맞춤형 제조 가능

 

4. 스마트팩토리 핵심기술

디지털트윈	현실 사물의 가상화로 다양한 시뮬레이션을 통한 비용, 시간 절감 및 자율화된 공장 구현 가능
인공지능(AI)	데이터 분석을 통한 최적화된 시스템 구현, 머신 비전, 이상 탐지, 스마트 작업대 등 다양한 AI 적용
IoT	센서를 통해 데이터 수집, 5G 기반의 네트워크 전송, 실시간 분석 및 보안 강화

 

5. Industry 5.0의 로봇 기술

• 코봇(Co-bot): 인간과 협업하는 로봇으로, 기존 고정형 로봇에서 발전하여 자유롭게 움직이며 자율적으로 작업 수행
• 적용 사례: 테슬라 '옵티머스 젠2', 구글 딥마인드와 스탠포드 협력 개발 '모바일 알로하'

 

6. 스마트팩토리 주요 적용 사례

국내	삼성전자: 무인화 반도체 패키징 라인, 설비 고장률 90% 감소	테슬라: 기가팩토리 통해 생산성 2배 향상
	LG전자: 디지털트윈, AI 도입으로 불량률 30% 감소	지멘스: 디지털트윈을 통해 제품 개발 및 생산 시간 단축

 

7. 스마트팩토리 기술 공급 기업

국외	지멘스, 로크웰, 허니웰, ABB 등 공장자동화 솔루션 기업	삼성SDS: 넥스플랜트(인텔리전트팩토리 플랫폼)
	SAP, ORACLE, CISCO 등 IT 기업	LG CNS: '팩토바'(버츄얼 팩토리 플랫폼)
		SK C&C: 디지털 팩토리 제공
		포스코DX: 이음 5G 기술 적용