최근 사물에 센서와 통신 기능을 부여하여 정보를 수집 및 공유하는 사물인터넷 기술이 핫이슈로 떠오르고 있다. 공장자동화 분야도 이러한 트렌드를 비켜갈 수 없다. 전자부품연구원 이대성 수석연구원은 IoT와 센서가 융합되어 공장자동화에 적용됐을 때 스마트 팩토리로 거듭날 수 있다고 강조했다. 3월 18일부터 3일간 개최된 오토메이션 월드 2015의 스마트 공장 국제 컨퍼런스에서 자세한 내용을 들었다.

공장자동화에는 수많은 센서들이 사용되고 있다. 다양한 방식의 근접 센서, 제품의 이동 속도를 측정하는 가속도 센서, 기울기를 감시하는 경사각 센서, 제품 유무와 거리를 측정하는 초음파 센서, 포토 센서, 자동 도어 센서, 로터리 인코더, 안전 센서 외에도 많은 센서들이 있다.

이들은 모두 독일 페펄앤드푹스(PEPPERL＋FUCHS)라는 회사에서 생산하는 공장자동화 관련 제품들이다. 오토닉스를 비롯한 국내 센서 관련 회사들도 다양한 센서들을 제작하고는 있지만, 해외 업체들에 비해 생산 규모가 작다.

▲ 전자부품연구원 이대성 수석연구원

공장자동화, 스마트 팩토리로 진화하다

모든 산업 분야가 스마트해지고 있는 요즘, 공장자동화도 예외는 아니다. 스마트 팩토리로 거듭나는 데에는 다종다양한 센서들이 필요하며, 이러한 니즈에 따라 국내외 센서 제조사들이 공장자동화 센서를 라인업하고 개발에 박차를 가하고 있다.
인터넷 종합 쇼핑몰인 아마존에서에서는 자동 이송 로봇을 사용하여 창고의 물건을 받아 신속하게 배송할 수 있는 자동 시스템을 구축했다. 

이 로봇은 바닥에 있는 마크를 보고 이동하는, 어떻게 보면 단순하다고도 할 수 있는 시스템이다. 이 로봇이 물류 이송 작업을 하기 위해서는 데이터가 필요한데, 이것은 수많은 센서로부터 제공받는다. 그뿐 아니라 많은 센서들을 취합하기 위해서는 무선 센서 네트워크도 구축되어 있어야 한다.

우리 정부는 최근 독일의 Industry 4.0을 벤치마킹한 제조업 혁신 3.0 전략 중 하나로 스마트 공장 확산을 발표했다. 민관 공동으로 1조원을 투입, 2020년까지 스마트 공장을 1만개로 늘린다는 계획이다.

여기서 Industry 3.0과 Industry 4.0의 차이에 대해 간략히 살펴보자. Industry 3.0이 중앙제어기로 컨베이어 벨트 등 일련의 과정을 제어하며 제조하는 이미지라면, Industry 4.0은 각 생산 단위가 모듈화되어 가볍고 유연한 구조로 생산할 수 있으며, 필요에 따라 생산 공정도 변경할 수 있는 이미지다. 물론 그렇게 되기 위해서는 각 공정이 독립적으로 기능화되어 있으며, 이것을 연결하는 라인 시스템도 이루어져 있어야 한다. 즉, Industry 3.0은 소품종 대량 생산에, Industry 4.0은 다품종 대량 생산이나 다품종 소량 생산에 적합한 생산 체계라는 것이 가장 큰 차이라고 할 수 있다.

일반적으로 스마트 팩토리를 실현하기 위해서는 무선 기술과 센서, 종합적인 관리 시스템이 융합돼야 한다. 센서와 무선의 스마트한 기능이 결합된 일례로 공장에서 활용되는 구글 글래스를 들 수 있다. 작업자가 구글 글래스를 장착한 상태로 작업할 경우 화면에 나타난 작업 지시를 쉽게 따라할 수 있고, 매뉴얼을 미리 숙지할 필요도 없어 생산성이 높아진다.

지금도 많은 수의 공장에서 다양한 자동화 로봇들이 활용되고 있지만, 앞으로는 훨씬 더 많은 로봇이 사용될 것으로 예상된다. 이 경우 로봇에 센서들을 장착하면 어떻게 될까. 간단한 예로, 지금은 빠르게 움직이는 제조용 로봇 근처에 사람이 접근할 수 없지만, 로봇에 센서가 부착되면 사람이나 물건과 충돌할 우려가 없어지므로 사람이 근처에 접근해 안전하게 작업할 수 있게 된다.

제조 산업 분야에 적용되는 IoT

IoT는 사람, 사물, 공간, 데이터 등 모든 사물이 서로 연결되어 정보를 생성, 수집, 공유, 활용하는 초연결 사물 인터넷 패러다임으로 변화하고 있다. 적용 분야는 크게 나눠 공공·산업·개인 등 세 부분이다. 현재 스마트 팩토리는 산업분야에 해당된다. 정부에서도 IoT 관련 정책들을 쏟아내고 있으며, 시장에서도 장밋빛 전망을 내놓고 있다. 전문 시장 조사 기관들은, 세계 IoT 시장이 연평균 26% 고도 성장함에 따라 2020년에는 1조 달러 규모에 달할 것으로 내다보고 있다. 국내는 32% 성장을 점치고 있다.

IoT는 보통 디바이스, 네트워크, 플랫폼, 서비스 분야로 구분되는데, 이중에서 데이터를 측정하고 수집하는 가장 기본적인 디바이스가 바로 센서다. 대부분의 센서는 사물에 내장되므로 소형, 경량, 무선, 저전력, 저가 등이 요구되며 종류도 매우 다양하다. 이와 같이 수많은 센서들 중 가장 많이 활용되는 센서로 MEMS 센서가 있다. 이 센서는 반도체 공정과 같은 일괄 공정을 통해 초소형, 고강도, 고성능으로 제작할 수 있으며, SoC와 같이 집적화하면 IoT 애플리케이션에 적합한 칩 형태로도 개발 가능하다. MEMS 가속도 센서의 경우, 예전 항공기나 우주선에 들어갔던 자이로 센서와 기능이 비슷하지만 부피는 0.01%, 무게는 0.6%에 불과하다. 지금은 거의 대부분의 스마트폰에서 사용되고 있다.

스마트 팩토리에 필요한 센서 애플리케이션

스마트 팩토리에서는 스마트 센서를 통한 설비 제어, 에너지 효율 및 환경 감시, 물류 효율화가 요구되고 있다. 설비 제어의 경우 현재 공장자동화 시스템이 발전하여 지능화되면 가까운 미래에 대응할 수 있을 것으로 보이지만, 에너지나 환경 관련 센서는 아직 공장에서 큰 비중을 차지하고 있지 않다. 그러므로 국내 센서 제조 업체들이 이와 같은 새로운 분야를 선점할 경우, 메이저 업체로 도약하는 발판을 마련할 수 있을 것으로 보인다. 물류의 경우 스마트 팩토리를 구현하는 데 가장 먼저 적용할 수 있는 분야라고 생각되므로 관련 센서가 많이 개발될 것으로 예상된다.

스마트 팩토리라는 용어가 나오기 전부터 에너지를 절약하고, 공장 에너지를 효율화하기 위해 다양한 시스템들이 활용되었다. 여기에는 제어 알고리즘, 제어 시스템 등을 비롯하여, 시스템 하부에 있는 전력 미터링 센서, 설비 제어 센서, 유량 센서 등 다양한 센서와 계측기들이 필요하다. 현재 스마트 미터링과 관련된 전력량 센서들은 상당히 발전된 상태이며 지원도 적극적으로 이루어지고 있지만, 액체나 기체의 흐름을 측정하는 유량 센서의 경우 국내 개발이 취약한 편이다. 현재 공장에서는 고가의 수입 유량 센서가 사용되고 있는데, 이를 국내 기술로 제작하여 가격을 낮춘다면 공장의 에너지 관리 시스템 및 제어 시스템에 많은 수를 활용할 수 있어 효율성이 높아질 것으로 보인다.

이밖에도 IoT 가스 센서 단말을 제작하여 공장 곳곳에 설치한 후 네트워크를 통해 가스 모니터링 시스템을 구축하거나, 넓은 영역을 동시에 측정할 수 있는 가스 누출 감지 센서 등도 고기능화된 센서라고 할 수 있다. 또한 반도체 내부나 비파괴 검사 또는 식품 내부의 이물질 검출에 활용할 수 있는 THz 대역 카메라 센서도 스마트 팩토리에서 활용할 수 있는 센서이다. 

지금도 공장자동화에 많은 센서가 활용되고 있지만, 향후 본격적인 스마트 팩토리 시대에 접어들면 더욱 더 지능적이고 고기능화된 센서들이 IoT 기술과 결합되어 사용될 것으로 전망된다.

정리 : 김희성 기자(eled@hellot.net)