4차 산업혁명에 대응하는 스마트 팩토리와 IIoT 산업동향

[CCTV뉴스=박세환 전문연구위원] 4차 산업혁명의 핵심 산업으로 주목받고 있는 산업 자동화(Industrial automation)를 위한 스마트 팩토리(Smart factory) 기술이 빠르게 확산되고 있다. 스마트 팩토리를 구축하기 위해서는 생산 기획과 설계 단계에서 공중 인터넷(Public internet)과 연계된 빅 데이터 수집과 분석이 필요하다.

또한 제품의 유통과 판매 단계에서는 전국 또는 글로벌 커버리지를 갖는 셀룰러 기반의 통신 인프라(네트워크)와의 연계가 필수적이다. 아울러 생산 자동화를 위해서는 로봇을 이용한 생산라인 단위의 초정밀 모션제어, 공장단위의 다양한 센서를 이용한 생산공정 모니터링과 실시간 제어, 원격로봇을 이용한 탐지와 제어, 공장 내 장비와 제품의 트래킹 등이 필요하다.

셀룰러 기반의 자동화 시스템을 구축하기 위해서는 5G 이동통신 시스템에서 요구되는 저지연과 고신뢰성, 초연결 통신기술 기반의 산업용 사물인터넷(IIoT : Industrial IoT) 기술이 필수적이다. 이처럼 5G 시스템 수준의 고신뢰성 통신기술을 확보하기 위해서는 다음과 같은 기술개발이 필수적이다.

* 주파수효율을 향상시킬 수 있는 새로운 웨이브 폼(Wave form)과 프레임구조 설계기술
* 다이버시티/HARQ 기술/변조와 코딩기술 등을 통한 무선전송시스템의 신뢰성 향상기술
* M2M 통신기술 기반 근거리 자율 네트워킹 기술
* 네트워크 리소스 재사용을 통한 단위면적당 접속단말 수 확장기술 등

이런 기술개발 결과는 비욘드 5G(Beyond 5G) 시스템 기반의 저지연, 고신뢰, 초연결 통합 전송 및 접속기술에 대한 표준화로 이어질 수 있을 것이다. 이 글에서는 기존 생산자동화 솔루션의 문제점을 진단하고, 이를 토대로 스마트 팩토리와 5G 시스템을 접목할 수 있는 셀룰러 기반의 생산자동화 시스템 중심의 차세대 스마트 팩토리 구축 이슈, 스마트 팩토리 전방위 기술인 산업용 IoT의 국내외 기술과 시장동향에 대해 알아 보겠다. 아울러 셀룰러 기반의 통신 인프라와 연계된 스마트 팩토리 구축기술에 대한 시사점과 기대효과에 대해서도 알아보자.

기존 생산자동화 솔루션의 문제점
공장 내의 생산자동화 시스템을 효과적으로 구축하기 위해서는 단위 공정마다 다양한 센서와 센서 구동기(actuator)를 이용한 생산공정 모니터링과 실시간 제어, 로봇을 이용한 초정밀 모션제어/원격탐지, 공장 내 장비와 제품의 위치 트래킹(Position tracking) 기술 등이 필요하다.

그러나 현재 대부분의 공장에 설치된 자동화시스템은 필드 버스(Field bus)나 산업용 이더넷(Industrial ETHERNET)과 같은 유선 네트워크 솔루션을 기반으로 구축돼 있다. 이로 인해 ①설치와 유지보수 비용 증가 ②커버리지와 확장성의 한계 ③설치 유동성과 유용성의 한계 ④외부 네트워크와의 상호운용성 한계 ⑤이동성과 배선 노후 등 안정성 저하 등의 문제점이 있다. 아울러 비면허대역의 근거리 무선솔루션도 낮은 커버리지와 확장성, 전송데이터 충돌 등으로 인한 QoS 저하 등의 문제점이 나타나고 있다.

스마트 팩토리와 5G 시스템
5G 시스템은 초고속/대용량 전송뿐 아니라 저지연과 고신뢰, 초연결 통신이 가능한 기술을 목표로 하고 있다. 아울러 서비스대상을 사람과 다양한 사물(기계와 컴퓨팅기기 등)로 확대시켜 타 산업과의 연계를 통해 관련 시장을 확대해 나가는 점이 4G 시스템과의 획기적인 차이라고 볼 수 있다. 이런 5G 시스템의 수직 기술개발(Vertical technical development) 분야로 스마트 팩토리, 자동화, 스마트 에너지, 모바일 헬스, 미디어와 엔터테인먼트 등이 포지셔닝돼 있다.

특히 5G 이동통신 시스템과 스마트 팩토리 기술력을 결합해 생산제품의 기획과 설계 단계에서부터 유통이나 판매 단계까지 전 과정을 지원할 수 있는 셀룰러 기반 통신 인프라로 발전하고 있다. 공장 내의 생산자동화 시스템에 셀룰러 통신기술을 적용해 전체 공급망(Supply chain)을 대상으로 셀룰러 통신 인프라를 기반으로 하는 스마트 팩토리 구축이 가능할 것이다.

셀룰러 기반의 생산자동화 시스템
5G 이동통신 시스템에 적용 가능한 스마트 팩토리를 구축하기 위해서는 다음과 같은 핵심기술이 필요하다(표 1 참조).

* 셀룰러 기반의 다양한 센서와 초정밀 센싱 기술과 연계한 초정밀 실시간 원격제어 기술
* 공장 내의 장비와 제품의 위치 파악에 필수적인, 위치 트래킹을 위한 저지연/고신뢰성/초연결통신 인프라 기술
* P2P(Point-to-Point) 액세스 포인트(access point)에서의 지연을 최소화할 수 있는 사이클
* 1ms 이하의 응답시간을 보장할 수 있는 실시간성 원격제어기술 등

이를 통해 ①셀룰러 시스템이 갖는 넓은 커버리지 ⅱ)설치 및 운영의 용이성 ⅲ)자유로운 이동성 등을 확보해 유선 기반의 생산자동화 솔루션 수준의 높은 성능을 구현할 수 있을 것이다. 특히 생산 공정에 따라 평균 1㎡당 1개 이상의 장비를 접속/수용할 수 있는 장비수용 능력과 아울러 무선 구간에서 생산자동화 시스템의 신뢰도를 보장하기 위해서는 유선 시스템의 신뢰도인 1-10-9 이상의 블록전송 실패율을 수용할 수 있어야 한다.

국내외 IIoT 기술 동향
국내 IIoT 서비스는 초기 기술개발 단계로 물류추적, 원격검침, 공공서비스 등이 주를 이루고 있으며, 소비자 시장은 아직 크게 확산되지 못하고 있으며, 최근 들어 이동통신사들이 본격적으로 IIoT 서비스를 제공하기 시작했다. SK텔레콤과 LG유플러스는 자사의 스마트홈 플랫폼을 구축하고 시장선점과 확대에 주력하고 있다.

* SK텔레콤, 삼성전자: 5G 기반의 저지연 무선 액세스 기술개발 추진
* SK텔레콤: NB-IoT의 경쟁기술인 LoRa를 2016년에 전국 서비스 개시
* KT, LG유플러스: IoT의 글로벌 시장선점을 위해 NB-IoT 공동개발

2016년 현재 국내 스마트 팩토리 설비를 구축한 기업은 총 1240개사로 이를 통해 27.6%의 불량률 감소, 약 30%의 원가절감, 7%의 시제품 제작기간 단축 등을 통해 약 25%의 생산성을 향상시키고 있는 것으로 나타났다. [표 2]는 2016년 기준, 국내 스마트 팩토리 추진동향이다.

글로벌 통신업체/제조사/기관 등은 5G 시스템을 통해 100배 이상의 디바이스 연결을 지원하기 위한 대규모 디바이스 연결성 목표에 주력하고 있다. 이를 간단히 요약하면 다음과 같다.

* 에릭슨은 2020년까지 약 50조 개의 디바이스가 인터넷을 통해 서로 접속될 것으로 전망하고 있다.
* 시스코는 MWC 2014에서 IIoT가 향후 10년간 19조 달러의 거대산업이 될 것이라고 예측한바 있다.
* METIS는 2020년 10~100배 증가할 기기 간에 저전력/저비용/넓은 커버리지/낮은 시그널링 오버헤드 등을 지원할 수 있는 무선 인터페이스를 연구하고 있다.
* 5GNOW는 H2H(Human to Human)와 IIoT 기기 간 통신을 지원할 수 있는 FBMC, UFMC 등 새로운 웨이브폼을 추가하는 방식의 연구를 진행하고 있다.

독일, 미국, 중국, 일본 등 주요 선진국들은 미래 경쟁력 확보를 위해 ICT와 제조업이 융합되는 진화전략을 추진하고 있다. 대표적인 글로벌 민간단체와 장비/솔루션 및 제조업 관련 글로벌 기업의 개발 사례를 간단히 요약하면 다음과 같다.

* 세계경제포럼(World Economic Forum, WEF)은 IIoT 도입이 비용절감 등 단기적 성과뿐 아니라 산업구조 변화 등 거시적 변화까지 초래할 것으로 예상하고 있다.
* 시스코는 2014년에 개최된 IoT세계포럼을 통해 약 250건의 IIoT 도입사례를 소개한 바 있다.
* GE는 IIoT 서비스를 통해 고객들의 사업운영과 성과관리를 지원한 결과 2014년에 약 10억 달러의 매출을 기록한 바 있다.

국내외 IIoT 시장동향
4차 산업혁명의 목표인 유무선 통신기술이 융합된 글로벌 IIoT 관련 전후방 시장규모는 2013년 1812억 달러에서 연평균 8.4% 성장을 지속해 2020년에는 3196억 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다. IIoT는 운송업/제조업/에너지/오일&가스/헬스케어/소매 등 다양한 분야에 적용되면서 4차 산업혁명을 견인할 것으로 기대하고 있다. [표 3]은 2013~2020년 사이의 글로벌 IIoT 시장전망 추이다.

글로벌 제조업분야 IIoT 시장동향
제조업분야의 글로벌 IIoT 시장규모는 2013년 397억 달러에서 연평균 7.1%의 성장을 지속해 2020년에는 641억 달러의 대규모 시장을 형성할 것으로 예상하고 있다. [표 4]는 2013~2020년 사이의 글로벌 제조업분야 IIoT 시장전망 추이다.

시사점
셀룰러 기반의 통신 인프라와 연계된 스마트 팩토리 구축기술은 ①다양한 기술수요 기업을 통한 시스템 결과물 적용과 사업화 ②표준특허 발굴을 통한 정부R&D 사업의 ROI효과 증대 ③관련 기업의 기술이전(5G 단말과 기지국 MODEM, 프로토콜 설계와 구현기술 등) 추진 ④5G 이동통신 원천기술 선점을 통한 핵심특허 확보와 국제표준화 추진으로 이어지는 가치 사슬(Value chain)을 형성할 수 있다는 점을 보여주고 있다. 스마트 팩토리 구축을 통해 공정자동화, 생산성 향상, 신제품 출시기간 단축 등 제조업 분야의 생산비 절감에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

나아가 2020년 이후 1조 달러 이상의 대규모 시장형성이 예상되는 IIoT 분야의 글로벌 시장진출을 위한 기반을 마련할 수 있을 것이다. 제조업분야의 IIoT 확산은 각 기업의 사업성장 기회를 확대시킬 수 있으며, 해외 생산 공장을 다시 국내로 불러오기 위한 기반으로 활용할 수 있을 것이다. 아울러 정부의 ‘제조업혁신 3.0전략’을 통해 제조업 전반의 스마트 생산방식을 확산시켜 설치와 운영비용의 절감, 커버리지/유용성/유동성/이동성 확장 등 다양한 강점을 가진 셀룰러 기반의 생산자동화 기술을 확보하고 제조분야의 경쟁력을 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.

결언
4차 산업혁명의 페러다임을 주도하고 있는 스마트 팩토리를 구축하는 데 전세계적으로 관심이 집중되고 있다. 스마트 팩토리에 필수적인 셀룰러 기반의 자동화 시스템을 구축해 IIoT로 확장시켜가고 있다. 특히 5G 이동통신 시스템을 적용한 스마트 팩토리를 구축하기 위해, 셀룰러 기반의 생산자동화 시스템 개발이 빠르게 확산되고 있으며, 이를 위해 다양한 핵심기술이 개발되고 있다.

즉, 5G시스템의 성능 요구사항을 넘어서는 저지연/고신뢰성/초연결통신 기술 개발이 이뤄지고 있는 것이다. 궁극적으로는 이런 핵심기술을 이동통신 기지국과 제어시스템을 동시에 지원해 통합전송과 접속이 가능한 기술개발이 필요하다 이를 통해 유선 기반의 생산자동화 솔루션 수준의 높은 성능을 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이런 기술개발 결과를 5G시스템 표준화로 연결하기 위해서는 5G 선도기술 검증시스템 개발, 스마트 팩토리의 생산자동화를 위한 시제품 개발을 병행할 필요가 있다. 특히 3GPP나 5G포럼 등 국내외 주요 표준화단체 활동을 통해 국제표준화를 적극 추진할 필요가 있다. 아울러 성공적인 기술개발과 글로벌 시장진입을 위해 산·연 공동으로 요구사항 정의/설계/개발/시험/최적화 등을 수행할 필요가 있다. 

애프터마켓(After market)을 통해 스마트 팩토리 플랫폼 서비스를 활성화시키기 위해서는 이동통신업체, 관련 제조업체 등이 참가하는 협의체를 구성해 기술 검증시스템을 구성하고, 시제품을 통해 산업현장 적용에 대한 가능성을 진단해 산업 활성화에 주력할 필요가 있다.

[참고문헌]
* 민관합동 스마트공장추진단 자료종합.
* “산업자동화 보고서”, KDB연구소, 2016.
* 스마트 팩토리와 5G 시스템 자료종합.
* 국내 스마트 팩토리설비 관련 자료종합(산업통상자원부,2017).
* 5G백서(글로벌 통신업체/제조사/기관 등) 자료종합.
* “Industrial IoT Market”, Markets and Markets, 2015.
* Postscapes.com(2015) 자료종합.