디지털 트윈의 미래[139]

박정수 성균관대 교수의 현미경 '스마트팩토리'
제조업 부흥의 선봉장,'인공지능 기반 스마트팩토리'
  • 등록 2022-07-09 오전 9:26:35

    수정 2022-07-09 오전 9:26:35

박정수 성균관대 스마트팩토리 융합학과 겸임교수
[박정수 성균관대 스마트팩토리 융합학과 겸임교수] 제4차 산업혁명은 경험을 사고파는 경제활동을 바탕으로 전개되는 문명사적 대전환이다. 제1차 산업혁명인 기계 혁명이 제조 산업을, 제2차 산업혁명인 전기 혁명은 서비스산업을 만들어 물질의 공급을 확대하여 각각 인간의 생리와 안정 욕구를 충족하였다. 제3차 산업혁명은 연결 혁명으로 사회적 연결 욕구를 충족시켰다. 특히 제4차 산업혁명은 제1·2차 산업혁명이 만든 물리적인 현실 세계와 제3차 산업혁명인 인터넷혁명이 만든 사이버 가상 세계를 다시 융합할 수 있는 기술 혁명으로 현실에서 가상으로 가는 디지털 전환(O2O)과 가상에서 현실로 오는 아날로그 전환(O4O)으로 구성되어 있다.

이는 아날로그와 디지털 기술을 접목시켜 과거와 다른 뉴 노멀(new normal) 경험을 창출하기 위해 인공지능과 빅데이터, 증강현실(AR), 증강 휴먼(augmented human), 사람중심 사이버 물리 시스템(H-CPS), 그리고 피지털과 디지로그(phygital & digilog) 개념이 활용될 뿐만 아니라 지속 가능한 경쟁우위 핵심 기술로 자리매김하고 있다.

스마트 팩토리(smart factory)의 본질은 제조업의 디지털화로 사람·사물·공간이 인터넷으로 연결되고, 거기서 생성되는 빅 데이터를 기반으로 사이버와 물리적 체제가 연동된 사람중심 사이버 물리 체제 시스템(H-CPS)으로 재편되는 융복합 체제가 인공지능(AI) 기술에 의해 전사적(全社的)으로 최적화되는 “스마트 엔터프라이즈(smart enterprise)”를 실현시켜는 것이 제조 지능화의 목적이다.

산업혁명은 언제나 시대의 담론이자 큰 결이다. 더 나은 세상을 만들기 위한 끊임없는 노력은 기술의 차원을 높여왔으며, 혁신을 가져왔다. 사물 인터넷(IoT)과 행동 인터넷(IoB), 인공지능(AI), 빅데이터 등 지능정보통신기술(IICT, Intelligence Information Communication Technology)의 발달로 구축되고 있는 스마트 팩토리는 기존의 제조 산업의 운영방식과 서비스 등을 혁신하며 제조 지능화를 실현시켜 ESG 경영 기반 스마트 엔터프라이즈(smart enterprise)로 가속화를 촉진시키고 있다. 이는 첨단 기술들이 아날로그 기술과 결합 및 접목되어 새로운 기능을 창출하여 경험하기 때문이다.

예를 들어, 디지털 트윈은 현실에 존재하는 사물의 정보를 디지털 세계에 그대로 구현하는 기술이다. 이는 물리적 세계와 동일한 디지털 세계를 만들어 물리적 세계와 연계되어 실제 세계의 현상 및 문제를 시뮬레이션하고 예측하여 실제 세계를 보다 효율적으로 만들거나 문제점을 검증하고 해결하는 것을 목적으로 하는 기술이다. 디지털(Digital) 세계에서 실제 사물의 물리적 특징을 동일하게 반영한 쌍둥이(Twin)를 3D 모델로 구현한 다음 실제 사물과 동기화해 시뮬레이션 과정을 거친다. 현장의 아날로그 전문가들이 시뮬레이션 과정에서 실제 사물에 대한 정확한 정보와 일어날 수 있는 문제점을 예측해 실제 사물에 적용시킴으로 기술이 아닌 기능을 통해 여러 가지 이점을 얻는다. 즉 기술에 아날로그적인 사용자 디자인(UX-Design)을 접목시켜 인공지능을 활용하기 위한 알고리즘을 만드는 작업은 현장 전문가의 몫이 되어야 기술이 기능으로 변환되어 제조업의 새로운 수익원을 창출할 수 있다.

디지털 트윈의 구현을 위해서는 3D 스캔과 VR(가상현실), IoT(사물인터넷) 등의 기술이 사용되는데, 3D 스캔은 사물을 스캔해 구성과 성분, 재료 등의 정보를 수집 및 조합해 이를 디지털 세계에 3D 형태로 복제하는 것을 말한다. 사물이나 배경을 그대로 구현하는 VR(가상현실) 기술은 시공 간의 제약 없이 사물의 정보를 확인할 수 있게 한다. IoT(사물인터넷)를 활용하면 각종 센서 데이터를 통해 실시간으로 사물의 정보를 수집해 현실과 흡사한 조건에서 다양한 시뮬레이션이 가능해진다. 이러한 기술을 바탕으로 디지털 트윈을 실현하면 제조 현장의 기기나 시스템을 디지털로 표현해 정교한 아날로그와 비즈니스 프로세스를 행동(IoB) 관점에서 모델링하거나 예측할 수 있게 된다.

아래 그림은 제조 지능화와 가상화를 위한 가상 증강현실(VR AR) 시장 규모 전망과 스마트 팩토리(smart factory)와 스마트 엔터프라이즈(smart enterprise)를 구현하기 위한 디지털 트윈과 메타버스의 주요 요소 기술들이다.


제조 현장의 이슈도 진화한다. 과거와 다르게 고객 주문 예측이 너무 힘들고, 원자재 부자재 가격 변동성이 예측하기 어렵고, 기계 고장으로 인해 늘 문제 발생 등 불확실성이 높으며 갈수록 의사결정이 어렵다.

그 와중에 최근 관심을 끌고 있는 것이 행동 인터넷이다. 행동 인터넷(IoB : Internet of Behaviors)은 가트너(Gartner)에서 기술을 예측하면서 사용하기 시작한 단어다. 사물 인터넷(Internet of Things)이 확대된 개념으로 생각할 수 있는데, 사물 인터넷(IoT)이 생산현장의 각종 사물과 일상생활의 각종 사물을 연결했다면, 행동 인터넷(IoB)은 생산 현장과 일상생활에서 일어나는 사람들의 여러 가지 행동을 디지털 데이터와 연결하는 다소 섬뜩한 디지털 환경을 뜻한다. 어떤 기술이 사람들의 뇌에 더 잘 각인되기 위해서는 혀에 착 감기는 용어가 필요한데 사물 인터넷(IoT)이 충분히 유명해졌으니 이와 유사하게 행동 인터넷(IoB)이라는 용어를 만든 것으로 보인다. 인터넷 기술들이 가상이든 증강이든 진화하고 있지만 이를 기술적인 범주에서 벗어나 기능적인 영역으로 확장되어야 수익원이 될 수 있을 것이다. 사물 인터넷이 연결의 힘을 실현시키는 기술이라면 행동 인터넷은 이를 활용하는 기능적인 영역이다.

다른 한 편으로는 사물 중심의 인터넷 시대에서 인간 중심, 그중에서 인간의 행동을 디지털 데이터와 연결하여 차별화된 디지털 경험 디자인(DX-design : digital experience design)을 설계하기 위한 목적도 있어 보인다. 왜냐하면, 제조산업의 스마트 팩토리는 인간 행동 중심의 인간-사이버-물리적인 체제 시스템(HCPS), 빅데이터와 인공지능 기술, 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합 현실(MR), 확장 현실(XR) 등 단순 경험을 넘어 실감형 체험화 기능이 행동 인터넷(IoB)의 핵심이자 지속 가능성을 강조하는 기능이기 때문이다.

손목과 다리에 장착한 트래커를 통해 사용자의 움직임을 가상현실(VR) 내 아바타와 실시간으로 상호작용하고 반응하는 기술을 발표한 “바이브 트래커”가 좋은 예다. 또한 페이스북은 VR(가상현실) 기기 ’오큘러스 퀘스트 2‘를 출시했다. 제품 사양은 “스노우 크래쉬”에 나온 것과 비슷하며, 무선 VR 기기 분야에 거대한 혁신을 가져온 제품이다. 기존 VR 기술 팬들에게는 신선하고 색다른 경험을 선사했고, 개발자들에게는 새로운 기회를 안겨주고 있다. 그리고 전 세계 신규 이용자들에게는 몰입감 넘치는 게임 환경을 제공한다. 차세대 올인원 VR 기기인 ’오큘러스 퀘스트 2‘를 통해 30년 전 상상은 현실이 되고 있으며, 현실 같은 몰입감이 현존 VR 기기 중 최고라는 평가를 받는다. 세계 메타버스 업계에선 VR 기기를 안경 크기로 줄이는 기술, 가상세계 경험을 오감으로 느낄 수 있는 기술, 생각만으로 아바타(분신)를 움직일 수 있는 기술까지 선보이기 시작했다. ’진정한 메타버스 시대‘가 가까워지고 있다. 페이스북 ’오큘러스 퀘스트 2‘ ’리얼 VR 피싱‘ 게임을 구동한 모습. 실제 낚시터에서 고기를 잡는 듯한 경험을 할 수 있다. 이처럼 미래 수익원을 창출하기 위한 뉴 노멀(new normal) 기능들이 출현하고 있다.

모든 산업 분야에 진화는 시작됐다. 바이오 메디컬 분야에서는 환자 수술에도 AR 기술이 활용되고 있다. 마이크로소프트 ’홀로렌즈 2‘은 수술 중인 의사 앞에 환자 데이터를 띄우는 등 현실 위에 홀로그램을 구현하는 AR 기기. 증강현실(AR) 분야에선 MS의 활약이 두드러진다. 가상현실(VR) 기술이 현실을 완전히 차단한 가상세계를 보여준다면, 증강형실(AR) 기술은 현실 위에 홀로그램 같은 디지털 정보를 띄우는 방식이다. ’포켓몬 고‘를 떠올리면 된다. AR은 제조 현장에서 일의 능률을 높이는 용도로 활용되고 있다. 벤츠, 벤틀리, 록히드 마틴 등 제조업들이 홀로렌즈 2를 활용하고 있다. 현장 직원이 눈으로 보는 장면을 홀로그램으로 사무실 직원과 공유해 원격으로 지시를 주고받는 식이다. 의료 현장에선 수술 중인 의사 눈앞에 환자 데이터를 홀로그램으로 띄우는 등 수술 도우미 역할을 한다.

행동 인터넷(IoB)의 기능을 통해 “가상세계(VR)”를 오감으로 느껴야 한다. 가상세계를 만드는 것은 디지털 기술이지만 오감은 기능이다. 게임에서 총을 맞으면 촉각 슈트를 통해 아픔이 전해진다. 현실과 같은 가상세계를 구현하려면 ’상호작용‘ 기능도 발전해야 한다. 몸을 움직이면 가상세계의 ’나‘도 같이 움직이고, 가상세계에서 느끼는 감각을 현실에서도 그대로 느껴야 한다. 핵심 기술은 실시간으로 반응하는 트래킹과 트래싱(tracking & tracing) 기술이다. 지금은 눈과 손 정도의 움직임만 감지하는데, 이를 온몸으로 넓히려는 시도가 활발하다.

스마트 팩토리(smart factory)는 제조업의 디지털화로 사람·사물·공간이 산업용 사물 인터넷(IIoT)으로 연결되고, 거기서 생성되는 빅 데이터를 기반으로 사이버와 물리적 체제가 연동된 사람중심 사이버 물리 체제 시스템(H-CPS, Human Cyber Physical System)로 재편되는 융복합 체제가 인공지능(AI) 기술에 의해 전사적(全社的)으로 최적화되는 스마트 엔터프라이즈(smart enterprise)를 구현해야 한다. 수단 함수의 기술과 목적 함수의 기능을 구분하여 아날로그 기술을 인공지능 알고리즘에 담아내는 미래 핵심역량(core competencies)을 직시(直視)해야 한다. 그 속에 제조 지능화의 본질이 존재하는 까닭은 기술에 의한 기능이 가치를 제공하기 때문이다.

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