[76]시스템반도체, 배터리 그리고 4차산업혁명

류성 기자I 2021.04.24 07:02:05

박정수 성균관대 교수의 현미경 '스마트팩토리'
제조업 부흥의 선봉장,'인공지능 기반 스마트팩토리'

박정수 성균관대 스마트팩토리 융합학과 겸임교수
[박정수 성균관대 스마트팩토리 융합학과 겸임교수] 시장과 고객의 새로운 경험에 의해서 제조산업의 미래는 결정될 것이다. 소비자 경험 디자인(CX-Design), 사용자 경험 디자인(UX-Design), 그리고 디지털 경험 디자인(digital experience design, DX-Design) 시대가 과거와 다르게 뉴노멀(new normal)로 이미 온 미래가 펼쳐지고 있다. 그것이 정보통신기술(ICT)이 주도하는 4차 산업혁명이며, 소재 부품 분야에서는 시스템 반도체와 배터리가 대표적이다. 왜냐하면 동력원의 대전환을 이끌고 있는 전기 기술의 발달로 이동형 배터리와 실감형 지능화를 실현시키기 위해서 빅데이터와 인공지능 기술이 모든 산업 분야에서 시스템 반도체의 수요를 요구하고 있기 때문이다.

스마트 팩토리 구축은 제조업을 스마트화시키는 것이며, 제조업의 운영 효율성(運營效率性)을 극대화시키기 위해서 “디지털 플랫폼 서비스”를 우선적으로 활용한다. 제조업의 스마트팩토리 플랫폼은 단순히 이용하는 디지털 플랫폼이 아니라 시장과 고객에게 특별한 경험을 제공하고, 생산 대응력을 향상시키는 고객과 제조업의 접점(encounter)이기 때문이다. 마케팅 측면에서는 이를 “브랜드 아이덴티티(brand identity)와 함께 브랜드 관리 차원에서 전달하기를 원한다. 그러나 어떤 방법으로 디자인해야 효과적인지에 대해서 소비자, 사용자, 그리고 디지털 경험 디자인(CX,UX,DX-Design) 측면을 반드시 활용해야 한다. 왜냐하면 그 다자인 속에 디지털 기반 “새로운 수익원”이 숨어있기 때문이다.

코로나19 확산이 지속되면서, 주로 집에서 경제활동을 하는 개인(홈코노미 족)들을 위한 디지털 플랫폼 서비스에 대한 전략적인 기획과 개선에 많은 관심이 집중되고 있다. 스마트 폰과 모바일 애플리케이션으로 경제활동을 하는 고객이 원하는 ‘세심한 경험 디자인 구현’이 서비스의 격차을 좌우하는 핵심 요소로 작용하고 있다. 이러한 시장과 고객의 추세 속에서 제조산업의 부흥과 지속 가능성을 극대화시키기 위해서는 디지털 플랫폼 서비스를 단계별, 컨텐츠별로 정리하고, 이를 구조적인 화면으로 설계하기 위해서 고객의 ”의식 흐름 구조화“, 다시 말해 디지털 플랫폼이 가지는 고유의 기능을 서비스로 제공할 수 있도록 디자인해야 한다. 또한 아날로그와 디지털를 포함한 정보 구조화의 시각적인 설계가 필수적이다. 즉 스마트 팩토리 프로젝트에서 구조화(디자인)해야 하는 정보들을 계층 구조로 설계하기 위해서는 서비스의 단계별 정보의 중요도를 파악하여 위계를 정하는 작업이 선행되어야 한다.

뉴노멀(new normal)의 시장과 산업 환경 차원에서 변화에 대한 사회적, 경제적 장벽을 극복 할 방법을 찾지 않고서는 과거와 다른 문제들을 해결할 수 없다. 탄소에 의존해 온 동력원이 전기, 즉 이동식 전기(자동차나 스마트폰 등 밧데리)에 의한 혁신이 가속화되고 있는 것이 대표적이다. 또한 정보통신기술 측면에서 사물 인터넷(IoT), 행동 인터넷(IoB), 기계학습 및 고급 컴퓨팅 파워와 같은 기술의 발전으로 인해 인간이 활동하고 있는 시장과 라이프스타일(lifestyle)은 더욱 포괄적으로 연결되어 생산성은 물론 고객 대응력이 지속적으로 향상되고 있다.

이와 같은 기술의 발전과 혁신에 의해서 제조업을 중심으로 고객과 시장의 요구가 자동으로 조절되어 반응하는(feed-back) 원리가 내장된 사이버 물리 시스템(cyber physical system) 기반 스마트팩토리 플랫폼 구축은 제조업 경영 측면에서 새로운 과제에 마주하고 있다. 그 대표적인 과제가 인적 자원 전환(human resources transformation)이다. 다시 말해 “인적 자원 전환”이 제조업의 뉴노멀(new normal)이자 스마트팩토리 구현의 핵심이 되고 있다. 즉 기술과 기능의 상호작용을 플랫폼에 담아내는 인적 자원이 절대적으로 필요하다는 것이다. 예를 들어, 커뮤니케이션 패턴(communication patterns)을 공개하고, 조직원들을 투명한 조직문화 속에서 유기적인 협업에 참여시키고, 업무 영역을 새롭게 구성하여 지식 전달과 공유를 늘리고, 특히 지식 사일로(silos)와 관계 사일로(relationship silos)를 방지하는 것이 인적 자원 전환의 목적이기 때문이다.

그러므로 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS: human-cyber-physical system)은 “사이버 뇌(cyber brain)”를 가진 물리적인 시스템으로서 스마트 팩토리의 뉴노멀 시스템이다. 시스템 작동에서 제품이나 서비스 제공에 이르기까지 다양한 측면에서 인간의 활동을 행동 인터넷(IoB: Internet of Behaviors)을 활용하여 지속적으로 결속시켜 나갈 것이기 때문이다.



아래 그림은 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS: human-cyber-physical system)에 인적 자원, 사이버 및 물리적 구성요소를 통합하고 조정하는 것은 계층 간 설계, 테스트, 인증, 운영, 유지보수, 리노베이션(renovation,혁신) 및 업그레이드의 핵심 사항을 도식한 것이다.

그림: 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS)은 인체 요소를 사이버-물리적인 인프라와 유기적으로 결합하여 제조업의 전사적인 차원에서 효율성, 탄력성, 민첩성, 보안 및 지속 가능성(sustainability)을 개선하기 위한 교차 계층 설계(cross-layer design) 및 운영 구현을 도식화 그림이다. (논문명: Data-efficient Analysis for Optimal Human-Cyber-Physical Systems, Ming Jin, University of California at Berkeley. 성균관 대학교 소프트웨어 대학 스마트팩토리 융합학과 박정수 교수 재인용)


그러므로 스마트 팩토리 구축은 기획력이 핵심이다. 가상현실(VR), 증강현실(AR)을 확장한 확장현실(XR), 가상과 현실을 연결하는 디지털 트윈(DT), 사물 인터넷(IoT), 행동 인터넷(IoB), 정형 데이터 관리기술을 포함한 빅데이터 활용기술, 인공지능의 기계학습, 제어 이론 및 최적화의 두 가지 독특한 측면, 즉 인적 요인 학습과 인간 중심 운영에 대한 집중, 그리고 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS)를 위한 데이터의 효율적인 활용을 위한 알고리즘 개발과 아이디어(기획)를 연결시키는 것이 매우 중요하다.

스마트팩토리를 운영할 때 뿐만 아니라 구축할 때도 기획 디자인 차원에서 인적 자원 요인이 제일 중요하다. 인적 요인에서 나타나는 비효율성의 근본 원인을 파악하여 “인간 중심 설계(human-centric-design)”를 채택해야 한다. 즉, 조직원들의 요구를 추론하고, 그들의 경험을 최적화하여 시스템이 그들의 피드백(feed-back:자동조절원리)에 대응할 수 있도록 접근 방식을 기획 디자인해야 한다.

또한 스마트 팩토리는 높은 유연성을 갖춘 조립 모드 및 적시에 맞춤형(FiT:Fit in Time) 재구성을 통한 응답성에 대한 통합 생산 기능 조정이 가능해야 한다. 다양한 맞춤형 요구에 동시에 대처할 수 있어야 하기 때문에 그러한 혁신적인 업무 실행 플랫폼을 운영하는 기본적인 시스템은 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS)이기 때문이다.

한편, 생산 현장의 근로자가 적응하여 업무를 지속적으로 강화할 수 있는 생산 능력 및 인간의 독창적인 이점을 누릴 수 있어야 한다. 컴퓨터 비전 기술이 적용되어 모니터링 및 분석 운영 과정 및 내부 작업자의 작업 측정 및 인체공학적 장치 평가 또한 실시간 정보 가시성 및 추적성을 통해 피드백 기반의 최적의 관리 지원 업무 영역 간의 조정을 강화할 수 있다. 운영 메커니즘은 리드 타임(lead time) 최소화를 목표로 제시되고, 동일한 주문의 서로 다른 작업을 완료하여, 각각의 고객을 동시에 이러한 메커니즘을 기반으로 최적화된 운영(optimized control)이 가능해야 하기 때문이다.

그러므로 스마트 팩토리 구축 목적은 데이터의 효율적인 분석을 통해 시장과 고객의 요구에 대한 대응 역량 강화이다. 제조업의 경쟁우위와 지속 가능성의 핵심은 인적 자원 요소를 이해하고, 모델링하고, 추론하여 전사적인 기획(디자인)력을 강화시키는 것이다. 따라서 사이버와 물리적인 연결을 통해 누적된 힘을 축적하는 상호작용과 시뮬레이션 성능 활동(simulated performance activities)을 결합하여 생산 현장과 시장을 연결하는 스마트팩토리 플랫폼을 사용하여 그에 상응하는 분석 및 제어 개발을 지속적으로 수행할 수 있어야 한다. 그 중심에 인간 중심의 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS)이 있으며 그것이 스마트 팩토리의 가늠자이다.

따라서 스마트팩토리는 자동화 및 지능화를 통해 다양한 환경 변화에 대응하여 안정적인 제품 생산을 위한 최적의 생산 스케쥴(scheduling) 및 공급망(supply cahun) 시스템을 개발, 구축, 운영 능력의 경쟁우위를 지속가능하도록 실현하는 것이다. 또한, 생산 현장의 각종 설비에서 나오는 데이터를 분석하여 공정 운영 및 이상 감지, 성능 극대화를 추진하고, 모니터링 및 모션 감지 등을 통해 안전한 작업환경 구축에도 기여할 수 있어야 한다.

궁극적으로 인적 자원 중심의 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS)이 제조산업 부흥을 위한 스마트팩토리의 핵심이다. 생산의 수율, 품질, 설비 업무 프로세스(process) 지능화와 품질, 불량분석, 판단, 분류, 예측 업무의 지능화, 그리고 분석 결과의 실행을 위한 생산 연동 제어 체계 구축이 스마트 팩토리의 목적이다. 이를 위해서 사물 인터넷(IoT)과 행동 인터넷(IoB) 기반 센싱 기술, 증강현실, 가상현실, 혼합현실, 확장현실(AR/VR/MR/XR) 등 실감형 기술 기반 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS)이 스마크 팩토리 구축 목적을 실현하기 위한 핵심 수단이다. 그래서 인적자원 기반 인간-사이버-물리적 시스템(h-CPS)이 내장된 플랫폼 구축이 스마트 팩토리 구축이며, “새로운 수익원”을 창출하는 것이 궁극적인 목적이다.

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