증강 현실(AR)과 3D 프린팅, 스마트 팩토리 기술을 중심으로 한 4차 산업혁명의 제조 및 서비스 혁신 doc_id PCY_201903280541026221_12

증강 현실 기술은 의료, 의류, 게임, 스포츠 등 거의 모든 분야에 활용 가능하다. 대표적인 예로서 가상의류 피팅 시스템을 들 수 있다. 예전에는 소비자들이 옷을 사기 위해서는 직접 매장을 방문하여 옷을 고르고 탈의실에 들어가 입어본 후 구매하였다. 마음에 드는 옷을 찾을 때까지 옷을 고르고 입어보는 과정을 반복 하였다. 마음에 드는 옷을 구매하기 위해 여러 매장을 돌아 다녀야 하고 옷을 직접 입어 보아야 하는 불편함이 있었다. 이러한 불편함을 해소하기 위해 등장한 것이 가상의류 시스템이다. 가상 의류 피팅 시스템을 이용할 경우, 고객이 매장을 직접 방문할 필요가 없다. 먼저, 고객이 인터넷을 통해, 온라인 의류점을 방문하고 원하는 색깔과 의상을 고른다. 의상 선택 후, 스마트폰 카메라를 이용하여 자신의 영상을 촬영하면, 해당 의상이 자신의 상체 또는 하체에 자동으로 입혀져서 보이게 된다. 여러 의상을 사전에 가상으로 입어봄으로써, 매장을 직접 방문하여 옷을 여러 번 갈아입어 보는 불편함을 해소할 수 있다. 최근에는 AR기능을 결합한 스마트폰 영상통화도 등장 하였다. 이 기법에서는 상대방과 영상 통화를 할 때, 증강 현실 기법을 이용하는 것이다. 예를 들어서, 어떤 사람이 아들의 휴대폰을 사기 위해 매장을 방문하였다. 넓은 매장에 직원은 한 명 뿐 이다. 아들의 휴대폰을 고르기 위해, 돌아다니다가 마음에 드는 게 있어서, 영상 전화를 연결하고 아들에게 여러 개의 휴대폰 디자인을 보여준다. 아들은 그중에서 디자인을 선택한 후 CPU 성능, 메모리 용량, LCD 크기 등의 휴대폰에 대한 구체적인 사양을 물어본다. 하지만, 해당 정보는 휴대폰이 포장이 안 되었을 경우 알 수가 없다. 결국은 직원에게 물어봐야 하는데 직원도 매우 바쁜 상태이다. 이때 증강 현실 기능 스위치를 켠 후, 휴대폰으로 해당 제품 비춘다. 그러면 휴대폰은 해당 제품의 이름과 고유번호를 알아내고 무선망에 접속하여 스펙 정보가 저장되어 있는 서버에 접속한 후, 해당 정보를 알아낸다. 알아낸 스펙은, 부모의 휴대폰에 입력되는 제품영상과 겹쳐진 후(overlay), 아들의 휴대폰으로 전송 된다. 아들은 자기가 고른 휴대폰 제품과 스펙을 자동으로 받아볼 수 있다. 아래 그림은 제안된 기술의 기본 개념을 보여주고 있다. 3D프린터는 설계도에 따라 자동으로 제품을 만들어가기 때문에 조립 과정이 불필요하여, 제품 생산 시간이 대폭 감소하였다. MIT에서는 3D프린터를 이용해 조립이 필요 없는 로봇을 생산하여, 배터리와 모터만 장착한 후 완성 하였다. EDAS는 3D 프린터로 바퀴와 페달, 안장, 몸체를 따로 만들어 제작하지 않고 자전거를 통째로 생산해 내기도 하였다. 생산된 자전거는 기존의 자전거 보다 약 40 퍼센트 이상 가볍고 소비자의 체형과 기호에 따라 안장 높이, 색깔, 디자인을 쉽게 바꿀 수 있다. 3D프린터로 제품을 만드는 과정은 모형화, 프린팅, 마감의 3단계로 이루어진다. 모형화는 3D CAD, 3D 스캐너, 별도의 모형화 프로그램을 사용하여 3D설계도를 제작하는 단계다. 제작된 설계도는 별도의 파일로 컴퓨터에 저장이 된다. 프린팅은 저장된 설계도 파일을 읽어서 실제 제품을 만드는 단계이다. 마감은 제작된 제품에 보완 작업을 하는 단계로, 색을 칠하거나 표면 연마 등의 작업을 가한다. 이러한 제조 공정은 기존에 제품을 생산하던 제조공정을 대폭 감소시켰다. 공장에서 하나의 제품을 생산하기 위해서는 제품에 대한 설계도를 만들고 재료를 모아서, 시제품을 만든 후, 장시간의 성능 실험을 거쳐야 한다. 보통, 설계자의 아이디어가 곧바로 바로 제품으로 만들어져 나오는 경우는 극히 드물다. 최종 제품이 나오기까지 수많은 시행착오를 거치며, 때로는 불량으로 인해 폐기되는 시제품도 부지기수다. 시제품을 만들 때마다 설계, 목업, 금형, 사출 등의 과정을 매번 거쳐야 하며, 설계가 변경되면 시장에 적기에 출시하기가 더 힘들어진다. 3D프린팅은 바로 시제품 제작 기간을 효율적으로 단축할 수 있는 기술이다. 만약 시제품 제작 시 설계 변경이 일어나는 경우, 3D 프린터로 시제품을 만든 뒤 설계 도면에 반영하여 다시 출력 버튼만 누르면 기계가 알아서 제품을 찍어 낸다. 산업계에서는 3D프린터를 이용한 시제품 제작이 23%가 넘어가는 것으로 추산하고 있다. 이런 장점으로 인해, 3D 프린터는 4차 산업혁명에서 빼놓을 수 없는 중요한 기술로 인식되고 있다. 3D프린터의 기본 원리는 제품을 생산할 때, 3차원 설계도에 따라 한 층씩 소재를 쌓아 올려 3차원 입체형상을 만들어 나가는 적층 가공 방식을 사용하는 것이다. 따라서 시제품 제작 과정에서 주물이나 기계를 깎는 기구는 필요가 없어지게 된다. 3D프린터는 설계도에 따라 소재를 한 층씩 추가하는 적층형 방식과 큰 덩어리를 조금씩 깎아 나가면서 제품을 만드는 절삭형으로 구분할 수 있다. 적층형에서는 석고를 액체 가루로 만들어 분무 형태로 조금씩 뿌리거나 아주 얇은 플라스틱 실(0.01~0.08mm)을 층층이 쌓아 올려 입체 형상을 만들어 낸다. 적층형 방식은 다시 SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이져 소결 조형), SLA, FDM방식으로 나눈다. SLA방식은 액체 원료에 레이저를 분사해 원하는 형상으로 고체화시키는 방식으로 헐 박사가 고안한 방식이다. SLS 방식에서는 소재를 고운 가루로 만들어서 이를 뿌린 후, 모양을 만들 지점을 고체화시키는 방식이다. 레이저가 닿는 부분에 열이 가해지면 가루가 굳어지는 원리이다 플라스틱에서 금속에 이르기까지 레이저로 소결할 수 있는 소재라면 무엇이든 활용할 수 있고, 다른 방식 보다 제품을 만드는데 걸리는 시간이 훨씬 적다는 장점이 있다. FDM방식은 현재 가장 널리 사용되는 방법으로 압출기가 원료를 얇게 짜내면서 겹겹이 쌓아 올리는 적층 방식이다. 원료가 나오는 노즐과 플랫폼이 함께 움직이면서 입체 모양이 만들어진다. 지금까지 자본주의를 지탱했던 생산 시스템은 대량 생산 대량 소비였다. 하지만, 제4차 산업혁명 이후에는 다품종 소량 생산의 개인 맞춤형 생산으로 바뀔 것으로 예상 된다. 개인 맞춤형 생산이란 소비자가 필요한 물건을 생산자에게 요청하면 생산자는 설계도만 제작하고 3D프린터가 설계도에 따라 제품을 자동으로 만들어 낸 후, 드론이나 정보통신기술이 융합된 배달 시스템을 통해 소비자에게 바로 배달되는 것을 말한다. 즉, 생산자 중심의 자본주의에서 소비자 중심의 자본주의로 전환되는 것이다. 이를 가능하게 하는 두 가지 중요한 기술이 스마트팩토리와 3D 프린팅 기술이다. 3D프린팅 기술은 짧은 시간 내에 소비자가 원하는 제품을 원하는 형태로 만들 수 있는 기술로서 저비용의 다품종 소량 생산 체제를 더욱 확대할 것으로 예측된다. 스마트팩토리는 제품의 설계, 생산, 판매, 배달의 전 과정에 사물 인터넷을 비롯한 정보통신기술을 융합해 생산성을 획기적으로 개선하는 공장 혁신 시스템이다. 스마트 팩토리는 공장 자동화와 비슷한 개념이기는 하지만 차이점이 존재한다. 공통점은 둘 다 생산 시설에 사람이 별로 없으며, 대부분의 관리는 자동화되어 있고, 생산은 로봇이 한다는 것이다. 스마트 팩토리에 대한 적용 범위는 매우 광범위 하다. 제조 공정에만 적용할 수도 있고 공장 간의 연결, 판매망 관리, 사후 서비스까지 적용할 수도 있다. 스마트 공장은 수준별로 기초수준에서 사물인터넷기술까지 적용된 고도화 수준까지 매우 다양하다. 스마트 공장의 수준별 정의는 위의 그림과 같다. 이러한 스마트 공장을 도입한 사례로는 GE(General Eletric)를 들 수 있다. GE는 오래전부터 스마트 팩토리와 비슷한 개념인 ‘총명한 공장’(Brilliant Factory)을 설립하는데 노력을 기울여 왔다. 이 공장은 제품 생산과 정보통신기술을 접목하여 GE의 주력 산업 분야인 발전, 항공, 철도 등에 적용하여 생산성 효율과 품질을 향상하고자 하는 데 그 목적이 있었다. 현재까지 전 세계에 500개 이상의 ‘총명한 공장’을 설립하였다. 최근에는 클라우드 기반의 개방형 소프트웨어 플랫폼인 ‘프레딕스’를 출시하여, GE의 스마트 팩토리를 한 단계 업그레이드하였다.