앞으로 환경과 인간 그리고 기술은 어떻게 바뀌어야 할까? 프라운호퍼 연구소의 인더스트리 4.0에 대한 고민은 이 물음에서부터 시작된다.

그림 1. 무선 네트워크 활용 (출처 : 프라운호퍼 연구소)

사회학자들은 2050년 전 세계 인구가 95억 명을 넘을 것으로 예상하고 있으며, 극심한 사회 고령화를 걱정하고 있다. 늘어나는 인구와 심화되는 사회 고령화! 문제는 한정된 자원과 늘어나는 부양인구 비중에 있다.

독일의 경우 현재 1인당 부양인구 비중이 0.3명에서 2050년에는 0.7명으로 늘어날 것으로 내다보고 있다. 결국, 독일 정부는 사회 구조 변화에 따른 문제들을 해결하기 위해서 기술의 효율화, 생명과학의 발전, 그리고 디지털화가 필요하다고 판단하고 있으며, 이를 문제 해결의 방법이 아닌 국가 발전의 기회로 삼고 있다. 

제4차 산업혁명

과거 경제를 움직이는 패러다임은 최소의 투자를 통한 이익의 극대화였으나, 미래 경제의 패러다임은 최소의 자원을 통한 가치의 극대화가 될 것이다. 이를 위해 등장한 것이 인더스트리 4.0이다. 그리고 그 중심에는 사이버 물리시스템(CPS : Cyber Physical System)을 기반으로 한 스마트공장이 있다. 

프라운호퍼 연구소에서 생각하는 스마트공장의 핵심은 자원의 최적화, 지능적이고 효율적인 기계 조작, 그리고 폐쇄루프⁽¹⁾와 지속 가능한 생산방식이다. 이를 위해 연구소는 다양한 응용과학 연구를 진행 중이다.

프라운호퍼의 인더스트리 4.0 연구

인더스트리 4.0의 기술 구현을 위해서는 초고속 인터넷 기반 서비스가 필수적이다. 그러나 현재 상용화되어 있는 LTE/4G 기술로는 턱없이 부족하다. 통상 LTE/4G의 반응·지연 시간은 25msec에서 45msec인데, 이것으로는 방대한 양의 데이터를 주고받는 데 한계가 있기 때문이다. 그래서 촉감인터넷(Tactile Internet)(2)이 필요하다. 촉감인터넷의 반응·지연 시간은 1msec에서 10msec로 단순 속도 비교를 하자면 LTE/4G보다 약 1,000배 빠르다. 

인더스트리 4.0에서 인터넷의 속도만큼 중요한 것이 바로 안정성이다. 현재는 긴 반응·지연 시간과 신호의 불안정성으로 높은 에러 비율을 나타낸다. 이를 극복하기 위해 반응·지연 시간과 전달 시간 변위는 50μsec보다 짧아야 하며, 데이터 오류는 10보다 적어야 한다. 

그림 2. 정보의 안전성을 위해 정보 분산화 연구가 활발히 진행 중이다.

프라운호퍼 연구소에서는 초고속 데이터 송·수신을 위해 무선전송의 경우 1km 내에서 240GHz 대역을 사용해 40Gbit/sec 속도를 구현하기 위해 연구 중인데, 이는 광케이블을 설치했을 때와 같은 속도이다. 또한, 독일 국가 전역에 광대역 무선 링크 시스템을 구축 중인데 여기에 사용되는 고주파수 칩의 크기는 4×1.5mm2밖에 되지 않는다. 또한, 근접거리 데이터 송·수신에서는 적외선을 이용한 전송방법을 연구 중인데 현재 최대 10Gbit/sec의 속도를 목표로 하고 있으며, 무선 데이터와 에너지를 같이 전송할 수 있는 도킹 스테이션 기술도 연구 중이다. 

프라운호퍼 연구소에서는 인터넷 속도와 관련된 연구를 많이 진행 중이다. 그러나 속도만을 높이는 것은 아무 의미가 없다고 강조한다. 인더스트리 4.0에서 속도만 빠르다는 것은 기존의 생산라인에서 똑같은 제품을 더 빨리, 더 많이 만든다는 의미밖에 되지 않기 때문이다.

앞서 언급했듯 사회구조의 변화로 인해 다양한 요구가 생기고 그 요구를 충족시키기 위해서는 다품종 소량생산 또는 개별 맞춤 생산을 할 수 있는 기반이 마련되어야 한다. 그러므로 지금부터 속도의 개념은 물리적 시간의 길이로만 생각하기보다는 얼마나 지능적으로 다양한 일을 할 수 있느냐에 둬야 할 것이다. 그러기 위해서 소프트웨어가 제조업 속으로 들어가야 한다. 결국, 센서가 데이터를 받아 미들웨어로 전송하고 이를 수집, 분석 다시 활용할 수 있는 데이터로 가공한 뒤 이를 생산공정에 적용해 사용할 수 있는 시스템이 갖추어져야 한다는 것이다. 

프라운호퍼 연구소는 인더스트리 4.0 기술이 산업 현장에만 국한되어 사용되지는 않을 것이라고 힘주어 말한다. 인더스트리 4.0의 스마트 기술들은 ‘스마트 환경’을 조성해 나갈 것인데, 이는 무엇이든(Anything), 누구나(Anyone), 언제나(Anytime), 어디서나(Anywhere), 항상(Always) 연결되어 커뮤니케이션을 할 수 있는 환경을 만든다는 의미이다. 그리고 연구소는 이를 위한 기초 연구부터 진행 중이다. 

‘스마트 환경’을 이루기 위해서는 몇 가지 선행되어야 할 조건이 있다. 그중 하나가 ‘센서 환경’ 조성이다. ‘스마트 환경’이 조성된다면 셀 수도 없을 만큼의 센서들이 세상에 존재하게 될 것이다. 그런데 이렇게 많은 센서들을 어떻게 유지·관리 할 것인가? 유지를 위해서는 동력 전달이 필수인데, 어떻게 일일이 공급할 수 있을까? 여러 방법이 있을 수 있지만, 결국 센서 자체가 독자적으로 동력을 생산해 내야 할 것이다. 프라운호퍼 연구소에서는 이를 위해 태양열 전지판을 이용한 ‘Energy harvesting Project’를 진행 중이다. 

다음으로 ‘스마트 환경’ 조성을 위해 필요한 것은 정보의 안전성이다. ‘스마트 환경’ 속에서 데이터 수집 량은 이전 시대와는 차원이 다를 정도로 빠르게 늘어날 것이다. 그리고 수집된 방대한 양의 데이터는 분석, 가공을 통해 가치를 높인 새로운 데이터로 생성될 것이다. 이런 가치 있는 데이터를 외부로부터 지켜내는 것이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 사실 이는 이미 심각한 사회문제이다.

그림 3. 인더스트리 4.0 시대의 사람과 기계의 역할

실제로 2014년 독일기업의 3분의 1이 IT 시스템 공격을 받았고, 그 피해 규모는 42억 5000만 유로에 이른다. 제조업만 놓고 보자면 2014년 독일 제조업체 71%가 데이터 서버 공격으로 저작권 침해를 받았으며 그 피해 규모도 7억 9,000만 유로에 다다르는 것으로 집계되었다. 

이런 사이버범죄에 대응하기 위해 프라운호퍼 연구소는 독일 정부의 지원을 받아 정보의 안전성을 연구 중이며, 이는 크게 정보의 분산화, 지능형 정보 그리고 보안 시스템 중심으로 이루어지고 있다. 연구의 궁극적 목표는 기업 스스로가 정보를 지켜낼 수 있도록 솔루션을 제공하기 위함이다. 

이중 현재 가장 활발히 연구 중인 부분은 정보의 분산화이다. 기존 중앙 관리시스템은 서버 공격을 받게 되면 모든 데이터의 안전을 보장할 수가 없었다. 하지만 연구소에서 진행 중인 정보 분산시스템은 각각의 데이터를 소유자가 직접 관리를 하고 ‘정보 요구 연결선’을 구축해 필요로 하는 곳의 요청이 있을 때만 정보를 제공하는 시스템으로 데이터의 안전성을 한층 높이고 있다. 현재 정보 분산화 연구에는 지멘스, 보쉬, 알리안츠, 폭스바겐, 다이머 등 다양한 업종에 있는 독일 기업들이 참여하고 있다.

사람과 기계, 그리고 협업

인더스트리 4.0에 대해 많은 사람들이 오해하고 있는 것이 하나 있다. 많은 사람이 생산 현장이 스마트화되면서 사람이 불필요해 질 것으로 생각한다. 그러나 과연 그럴까? 스마트화를 진행하는 이유는 무엇인가? 모든 것은 사람의 존재를 위해서 하는 것이지, 사람을 불필요한 존재로 만들기 위해 하는 것이 아니다. 

사람이 전구를 켜는 행위를 이용해 설명해 보겠다. 2차 산업혁명 시기에는 사람(노동자)이 직접 스위치를 조작(기계조작)함으로써 전구를 켰다(결과물 생산). 3차 산업혁명 시기에는 사람(노동자)의 열을 센서가 감지해 사람 대신(프로그래밍) 전구가 켜지도록(결과물 생산) 했다. 다가올 4차 산업혁명 시기에는 사람(노동자)의 움직임, 표정, 몸 상태 등 여러 가지 데이터를 다양한 센서가 수집하고 분석해서(빅 데이터 분석) 그 상황에 맞는(커뮤니케이션) 전구 빛의 세기, 지속시간 등 다양한 빛을 연출 할 것이다(다양한 결과물 생산). 

즉, 인더스트리 4.0 생산현장에서 기계는 센서를 통해 노동자의 움직임을 파악하고 사이버 물리시스템(CPS)을 통해 사람과 직접 커뮤니케이션을 함으로써 더 높은 생산성을 나타낼 것이다. 사이버 물리시스템이나 IoT는 결국 사람과 기계 간 소통을 하기 위해 계발 중인 것이고 이를 사용하는 주체인 사람과 기계는 이전 산업시대보다 긴밀하게 산업현장에서 더 활발한 상호작용을 하게 될 것이다.

(注 1) 컴퓨터가 사람의 개입 없이 외계의 프로세스를 직접 제어하는 상태
(注 2) 5G 이동통신의 핵심적인 기능으로 주목을 받고 있는 Tactile Internet은 촉감 정보가 전달될 만큼의 저지연 무선통신 서비스를 제공해 줄 수 있는 인터넷을 말하며, 사용자의 요청에 대해 극단적으로 짧은 반응 지연시간을 필요로 한다(출처 : [Mobile] 5G 이동통신 시스템의 개념 및 특징, 작성자 넷매니아즈).

박대희 _ IMD CENTER 선임연구원