제조산업의 패러다임 변화

스마트팩토리는 산업혁명의 흐름과 궤를 같이하며 발전해 옴
참고: 아래의 내용 중, 산업활동의 영역에 대한 설명은 학문적으로 증명된 내용이 아니라, 산업영역의 확장을 설명하기 위한 강사 개인의 의견임

1. 변화의 시작: 4차 산업혁명

1.1 산업혁명의 단계에 따른 산업 환경의 변화

  • 산업형명이 야기한 변화는 크게 산업활동의 기반 에너지의 변화와 산업활동의 대상 공간의 변화로 구분하여 생각할 수 있음

산업혁명 단계별 산업활동 영역의 변화


(그림출처: 아이다랩(AiDALab))
  • 1차 산업혁명 (18세기 후반): 증기기관과 기계화
    • 증기기관의 발명으로 기계가 사람과 동물을 대신하기 시작하며 생산성이 크게 향상된 시기
    • 산업활동의 영역이 동력이 전달되는 기계, 설비의 범위로 확장되는 시기
  • 2차 산업혁명 (19세기 말 ~ 20세기 초): 전기와 대량생산
    • 전기가 동력원으로 사용되고, 컨베이어 벨트와 분업 시스템을 통해 포드 시스템과 같은 대량생산이 가능해진 시기
    • 산업활동의 영역이 전기가 연결된 범위로 확장되는 시기
  • 3차 산업혁명 (20세기 후반): 컴퓨터와 자동화
    • 컴퓨터, 정보기술(IT), 로봇 등의 등장으로 생산 공정의 자동화가 시작됨(부분적인 자동화)
    • 산업활동의 영역이 네트워크로 연결되는 가상의 공간까지 확장되는 시기
    • Programmable Logic Controller(PLC)와 같은 자동화 기기들이 도입되며 효율성이 증대됨
    • 공장 자동화(Factory Automation, FA)의 시대라고 할 수 있으나 이 시기에도 공정 간의 정보 공유는 제한적임
  • 4차 산업혁명 (2010년대 이후): 스마트팩토리의 등장
    • 빅데이터, 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅 등의 정보기술을 기반으로 하는 초연결 혁명의 시기
    • 산업활동의 영역이 네트워크로 연결된 가상 공간을 기반으로 데이터가 연결되는 초 연결공간까지 확장되는 시기

    • 2011년 독일 하노버 산업박람회, Industry 4.0 용어 처음 사용 ➜ 본격적으로 스마트팩토리 개념에 주목하기 시작
    • 공장 내 모든 기계와 장비가 서로 통신하고 데이터를 주고받으며,
    • 스스로 학습하고 판단하여 생산 공정을 최적화하는 ‘지능형 공장’의 개념이 정립됨
    • 사람이 일일이 조립하고 검사할 필요 없이 모든 과정이 자동으로 이루어지는 ‘똑똑한 공장’을 지향함
    • 2016년 1월, 4차 산업혁명을 주제로 다보스 세계경제포럼(WEF) 개막 ➜ 4차 산업혁명 시대의 공식화

1.2 4차 산업혁명의 영향

  • 제조산업에 미치는 영향
    • 제조업은 4차 산업혁명의 가장 큰 영향을 받는 분야 중 하나
    • 과거의 생산 방식으로는 급변하는 시장 요구와 기술 발전을 따라갈 수 없게 되면서 근본적인 혁신을 강요받게 됨
    • 단순히 공장 자동화를 넘어선 ‘지능형 공장’의 필요성 대두
  • 4차 산업혁명의 특징
    • 초연결(Hyper-connectivity), 초지능(Hyper-intelligence), 그리고 모든 영역의 융합(Convergence)
    • 물리적 세계, 디지털 세계, 생물학적 세계의 경계가 모호해지는 기술 융합의 시대
  • 목표
    • 사물 인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능(AI), 클라우드 컴퓨팅 등의 정보통신기술(ICT)을 생산 시스템에 접목하는 것이 목표
      • 생산 공정 전체를 정보통신기술(ICT)로 연결하고 지능화하여 최적의 생산을 목표로 함
      • 생산성, 효율성, 품질을 획기적으로 향상시키고, 시장 변화에 대한 유연한 대응 능력 확보 추구
      • 궁극적으로 설계, 개발, 제조, 유통 물류 등 생산 전반의 혁신 추구
  • 확산
    • 글로벌 시장의 확산 가속화
    • 국내의 경우
      • 2014년부터 스마트팩토리 시범사업 시작
      • 2022년까지 약 3만 개의 중소기업을 스마트팩토리로 전환하는 사업 진행 등 활발히 확산 중

2. 제조업 혁신의 로드맵: Industry 4.0과 스마트팩토리의 등장

2.1 Industry 4.0

  • 4차 산업혁명이 제조업 분야에 적용되는 구체적인 전략적 비전
  • 생산 공정 전반을 정보통신기술(ICT)로 연결하고 지능화하여 효율성을 극대화하는 것을 목표로 함
  • Industry 4.0의 핵심은 스마트팩토리(Smart Factory)의 구현
  • 생산성 향상, 비용 절감, 품질 혁신, 맞춤형 생산 등 기업의 전반적인 경쟁력 강화에 초점

2.2 주요 기술과의 연관성

  • IoT/IIoT & 통신기술(5G/6G)
    • Industry 4.0은 공장 내 모든 설비, 제품, 시스템을 IoT(사물인터넷)로 연결하고,
    • 5G/6G와 같은 초고속, 초저지연 통신기술을 통해
    • 데이터를 실시간으로 주고받는 초연결성을 기반으로 함
    • 이는 데이터 수집의 근간을 이룸
  • 클라우드 컴퓨팅
    • 방대한 데이터를 저장하고 공유하며,
    • 다양한 응용 프로그램에 접근할 수 있는 유연한 환경 제공
  • 빅데이터 & AI
    • 수집된 방대한 데이터(빅데이터)는
    • AI(인공지능)의 학습 재료가 되어
    • 생산 최적화, 불량 예측, 설비 예지 보전 등 초지능적인 판단을 가능하게 함
    • AI는 스마트팩토리의 ‘두뇌’ 역할을 하며 지능형 의사결정 수행
  • CPS (사이버 물리 시스템) & 디지털 트윈
    • CPS(사이버 물리 시스템)
      • 물리적 생산 시스템(Physical System)과 컴퓨팅 시스템(Cyber System)이 긴밀하게 연결되어
      • 실시간으로 상호작용하며 자율적으로 제어되는 시스템
      • Industry 4.0의 핵심 아키텍처
    • 디지털 트윈
      • CPS의 구체적인 구현체
      • 현실 공장의 디지털 복제본을 만들어 가상 시뮬레이션과 최적화를 가능하게 함
  • 로봇 및 자동화
    • 사람의 개입 없이 물리적인 작업 수행
    • 전통적인 자동화를 넘어 AI와 연계
    • 생산의 유연성과 효율성을 극대화

스마트팩토리의 주요 기술 간의 연관성


(그림출처: 아이다랩(AiDALab))

3. 경영의 총체적 혁신: DX (디지털 전환)

3.1 DX(Digital Transformation, 디지털 전환)

  • Industry 4.0이 제조업의 ‘생산 시스템’에 대한 기술적 로드맵이라면
  • DX는 이를 통해 달성하고자 하는 기업의 ‘전사적인 비즈니스 모델 및 운영 방식 혁신’을 의미
  • 단순히 스마트팩토리를 구축하는 것을 넘어,
  • 기업의 가치 사슬 전반(연구개발, 생산, 물류, 마케팅, 영업, 서비스)과 조직 문화, 고객 경험까지
  • 디지털 기술을 활용하여 근본적으로 변화시키는 전략

3.2 Industry 4.0과의 관계

  • 스마트팩토리: 제조업 DX의 핵심적인 한 부분이자 가장 성공적인 구현 사례
  • Industry 4.0을 통해 구축된 스마트팩토리에서 생산되는 데이터와 효율성은 DX 전략의 중요한 자산
  • DX는 이 자산을 활용하여 새로운 비즈니스 모델을 창출하고, 고객에게 새로운 가치를 제공하는 데 집중

3.3 AI 및 관련 기술의 역할

  • 인공지능(AI)
    • 고객 데이터 분석을 통한
    • 맞춤형 마케팅, 공급망 예측 최적화, 신제품 개발 가속화 등
    • DX의 전 영역에서 의사결정과 자동화를 지원
  • 클라우드 컴퓨팅
    • DX를 위한 유연하고 확장 가능한 IT 인프라 제공
  • 메타버스, AR/VR/XR
    • 고객과의 새로운 상호작용 방식이나 몰입형 협업/교육 환경을 제공함으로써 DX를 확장

4. 미래 제조업의 지향점: Industry 5.0

4.1 Industry 5.0

  • 등장
    • 2015년, ‘Industry 5.0’의 개념 등장 (마이클 라다, Michael Rada)
      • 제4차 산업혁명의 자동화와 효율성 중심에서 벗어나 인간 중심적 가치, 지속가능성, 복원력을 핵심으로 하는 새로운 산업 혁명 패러다임
  • 개념
    • Industry 4.0의 효율성, 생산성 중심의 한계를 극복하고
    • 인간 중심(Human-Centric), 지속 가능성(Sustainability), 회복 탄력성(Resilience)의 가치를 제조업에 접목하려는 패러다임
    • 4차 산업혁명과 DX를 기반으로 하되, 인간과 AI/로봇이 협업하는 ‘휴먼-인더-루프(Human-in-the-Loop)’ 시스템을 강조
  • 지향점
    • 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 로봇공학 등의 첨단 기술을 활용하여
    • 인간과 기계가 협력하며,
    • 인간의 창의성과 문제 해결 능력을 강화하고
    • 환경적 책임을 다하는 산업 시스템

    • 기술 중심의 4차 산업혁명을 넘어 ‘인간 중심(Human-Centric)’의 가치를 더 중요하게 생각하는 방향으로 진화
    • 로봇이 단순히 인간을 대체하는 것이 아니라,
    • 인간의 역량을 강화하고, 지속 가능하며, 유연한 생산 환경을 구축하는 데 초점을 맞추고 있음
  • 주요 기술과의 연관성:
    • AI 및 로봇 공학
      • Industry 5.0에서는 AI와 로봇이 인간의 일을 대체하는 것이 아니라,
      • 인간의 역량을 강화하고 위험하고 반복적인 작업을 대신하며
      • 고부가가치 창출에 기여하는 방향으로 진화
      • 협동 로봇(Cobots)이 대표적인 예
    • DX의 확장
      • DX가 추구하는 가치(고객 경험, 조직 문화 등)를 생산 현장에도 더 깊이 적용
      • 작업자의 만족도와 안전을 높이고,
      • 나아가 환경 문제 해결과 같은 사회적 가치까지 고려하는 방향으로 DX를 확장
  • 목표
    • 생산성뿐만 아니라 작업자의 삶의 질 향상, 친환경 생산, 예측 불가능한 외부 충격에 강한 유연한 생산 시스템 구축
    • 이를 통해 더 나은 사회를 만들고 기업의 지속 가능한 성장을 도모함

제조산업의 패러다임 변화


(그림출처: 아이다랩(AiDALab))
  • 4차 산업혁명이 도래하면서 제조업은 DX라는 총체적인 혁신 전략을 통해 Industry 4.0을 구현하고 스마트팩토리를 건설하고 있음
  • 이 과정에서 AI와 빅데이터, IoT, 클라우드, CPS, 디지털 트윈 등 수많은 첨단 기술들이 유기적으로 결합되어 지능형 생산 환경을 만들고 있음
  • 이러한 기술적, 효율적 발전을 기반으로 인간의 가치를 최우선에 두는 Industry 5.0 시대로 진화하며 지속 가능한 미래 제조업을 향해 나아가고 있음




(자료출처: nickel vol.35 no.2 summer 2020 https://nickelinstitute.org/media/8d876bb19cf7012/nickelvol35no2summer2020_eng_fb-4.pdf)

4.2 스마트팩토리의 현재

  • AI 기반 자율 제조의 확산
    • 인공지능 기술은 현재의 스마트팩토리의 핵심 요소
    • 생산 공정을 최적화하고, 품질을 관리하며, 설비 고장을 예측하는 등 스스로 판단하고 제어하는 ‘지능화’ 단계에 도달함
    • 특히 머신러닝을 통한 불량 예측 및 자율 제어 시스템이 널리 도입되고 있음
  • 로봇 기술의 혁신과 상용화
    • 휴머노이드 로봇의 부상
      • 로봇은 인간의 행동을 모방하고 지도학습을 통해 작업 수행 능력을 스스로 향상시키며
      • 복잡한 작업도 90% 이상의 정확도로 수행 가능
    • 특히 로봇의 가격이 획기적으로 낮아지면서 상용화가 가속화되고 있음
  • 초연결성의 강화
    • 공장 내 모든 기기와 설비, 시스템이 네트워크로 연결되어 실시간으로 정보를 주고받는 ‘초연결성’의 강화가 진행 중
    • 사물인터넷(IoT)과 클라우드 컴퓨팅을 기반으로 한 데이터 수집 및 분석 고도화가 진행중
  • 지속가능성 중시
    • 단순한 생산성 향상을 넘어 에너지 효율 증대와 자원 낭비 최소화를 통한 지속 가능한 생산 체계 구축에 관심 집중
    • 특히 탄소중립형 스마트팩토리와 같은 환경 친화적 모델 주목
  • 정부 지원 확대
    • 정부는 스마트팩토리 확산을 위한 지원을 지속적으로 확대하고 있음
      • 2025년도 스마트제조혁신 지원사업 통합 공고 등 ➜ 다양한 기업들이 스마트팩토리 구축에 참여할 수 있는 기회 제공
      • 또한 탄소중립형 스마트팩토리와 같은 특화된 지원 사업도 진행 중