특별기획 02 - 생산제조의 스마트화, 뿌리산업
국내 뿌리산업의 현실을 고려한 생산제조시스템의 스마트화를 고찰하고 스마트 공장구축의 핵심 사안과 보급 방안 등을 살펴보았다.
이를 위해 국내 뿌리산업의 생산제조 측면에서의 경쟁력에 영향을 주는 8대 요소를 나열하고, 경쟁력을 강화하는 방향을 제시하였다.
향후 인간중심형 생산제조 시스템의 모습을 조망한 후, 한국형 뿌리산업 스마트공장 구축 예 및 4단계 구축 방향을 제시하였다.
들어가며
뿌리산업은 주조, 금형, 소성가공, 용접, 표면처리, 열처리 등 ‘공정기술’을 활용하여 부품, 중간재, 완제품 등을 생산하는 산업
으로, 우리나라 주력 제조업 및 1등 제품 경쟁력의 근간이 되는 산업이다.
하지만, 중소기업이 99.6%의 비중을 차지하고 있으며, 일반 제조업의 절반수준인 5% 영업이익률을 시현하고 있어 다른 산업군에 비해 취약한 산업구조를 가지고 있다.
그럼에도 불구하고 뿌리산업은 자체산업 영역은 물론 전후방 산업군에 미치는 영향이 막대하기 때문에 국가 전략적으로 잘 보호·육성해야 할 산업군이기도 하다.
이러한 뿌리산업 경쟁력 강화를 위해서는 제조공정 혁신을 통한 원가절감, 생산성 향상, 납기 기술 확보를 통한 수익력 극대화 전략이 필요하다.
특히, 최근에는 기존 생산제조시스템에 사물인터넷, 빅데이터, 클라우딩 컴퓨팅과 같은 IT 요소기술들과 함께 센서 및 액튜에이터 기반 전주기 공정 제어 기술 등이 적용된 ‘스마트공장’ 개념이 확산되면서 뿌리산업의 제조공정 혁신을 위한 노력이 적극적으로 시도되고 있다.
스마트공장의 개념은 제품의 기획·설계, 생산, 유통·판매 등 제조업 가치사슬 전반을 ICT 융합기술을 기반으로 통합하여 생산성을 향상시키고, 제조업경쟁력 강화를 통한 고 부가가치 제조업 기반을 구축하는 것을 말한다.
이상적인 스마트공장의 모습은 ICT 기반 설비자동화, 생산정보화 및 생산공정 최적화가 함께 구현되는 것이지만, 뿌리산업의 현실적인 여건을 고려해 볼 때, 이러한 스마트공장을 구현하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다.
따라서 정부에서 현재 추진하고 있는 ‘제조업 혁신 3.0 전략’의 화두인 스마트공장의 보급·확산에 있어서 뿌리산업의 구조 및 특수성을 고려한 체계적 접근이 필요하다.
뿌리산업은 산업의 구조적인 측면에서 10인 미만 소공인 형태의 뿌리기업이 전체의 68.4%를 차지하고 있으며, 50인 이상 299인 미만 중기업 규모의 뿌리기업 수는 6.1%에 불과한 특성을 보인다.
이는 기업이 주도적으로 스마트공장을 추진하는데 있어 필요한 초기 시스템 구축, IT전담 인력 확보, 공정상의 프로세스 개선, 내부 교육 등을 실시하는데 있어 현실적 제약이 있을 수 있다는 것을 간접적으로 보여준다.
또한 뿌리산업은 업종, 생산방식, 제품형태 등이 매우 다양하고, 일부 수작업 공정도 포함될 수 있기 때문에 표준화보다는 맞춤화가 더욱 효과적인 정책이 될 수 있다.
본고에서는 뿌리산업 업체의 경쟁력에 영향을 미치는 요소들을 알아보고, 향후 인간중심관점으로 진화되는 제조업의 모습을 조망하고 뿌리산업의 실정을 감안한 현실적 스마트 공장 구축에 관한 내용을 살펴보고자 한다.
뿌리산업 업체의 생산제조 관점에서의 8대 경쟁력 요소
국내의 뿌리산업 업체들은 생산제조 측면에 있어서 기업의 경쟁력에 관한 8대 요소를 가지고 있다.
각각의 요소들을 강하게 관리하고 있는 기업은 향후 글로벌 경쟁력 확보 차원에서 기초 체력이 축적되어 있다고 볼 수 있다.
국내 뿌리산업의 경쟁력을 강화시키기 위한 제도권의 노력도 8대 경쟁력 요소에 초점을 맞추어서 중장기 시각으로 전개되는 것이 효과적, 효율적이라 판단된다.
(1) 품질
한국의 제조업 근대화가 이루어지는 약 50여 년 동안 QCD(Quality, Cost and Delivery) 라고 일컬어지는 품질, 가격, 납기 요소는 한국 생산제조업의 경쟁력을 뒷받침하는 가장 중요한 인자였고, 향후에도 매우 중요하게 인식된다.
그 중에서 품질은 기존에 이론적으로 알려진 동작특성의 한계를 뛰어넘는 임계성능 구현 기술, NDNS(No Defect Net-Shape) 제로 불량률 구현 등의 목표를 가지고 지속적으로 개발되고 있다.
전사적인 품질관리를 하기 위하여 QC(Quality), ERP-QRP(Enterprise Resource Planning-Quality Resource Planning) 기술도 도입되어 지속적인 품질향상을 위한 기술개발이 필요한 상황이다.
(2) 가격
최근 글로벌 완성차 업체 등에서는 World Best Product란 전략을 가지고 세계 각지의 부품소재 업체들을 무한 경쟁의 장으로 이
끌어 들이고 있다.
이는 가장 뛰어난 품질과 함께 가장 가격 경쟁력을 갖춘 제품을 구매한다는 전략으로, 예를 들어 자동차의 실린더 블록의 경우 WBB(World Best Block)란 개념으로 전 세계를 대상으로 최상의 실린더 블록을 거래해서 최고의 완성차를 조립하겠다는 전략이다.
최근 멕시코 등을 통하여 이러한 부품소재 글로벌 정책에 따른 구매 트렌드가 나타나고 있으며, 지금까지 틈새시장 전략이나 저가 전략에 많이 의존하던 한국으로서는 제품 전략이나 가격 전략에서 획기적인 변화가 있어야 할 시점이다.
즉, 한국도 최고의 품질과 최저 가격이란 모토를 가지고 다가오는 글로벌 제조업 경쟁 시대에 대응해야 할 것으로 사료된다.
(3) 납기
제조업 분야 고객관리의 핵심이라고 할 수 있는 납기 문제는 기존의 ‘납품일까지 제품을 납품한다’라고 하는 단순한 논리 및 정의에서 시급하게 벗어나야 한다.
독일의 경우 소위 JIT (Just-In-Time) 기술 개발을 20여 년간 진행하고 있으며, 이를 근간으로 Industry 4.0 이라는 고임금 국가형 제조업 혁신 개념을 내놓고 있는 상황이다.
고객에게 지속적인 신뢰성을 제공할 수 있는 JIT 납기 기술은 자사 제품의 납기 내 출하를 이루기 위해 생산제조공정의 전주기 라인에서 사용하는 각종 원소재 및 하부 협력업체의 물류를 통제하는 기술이다.
즉, 제품의 최종 납품의 시간적 안정성을 위해서는 더 많은 원소재나 물류를 제조라인 및 창고 등에 항상 적치해야 하고, 최적의 원가 생산성 및 공장 관리 등을 위해서는 최소의 물품만을 최소 기간 배치해야 한다는 두 가지 전제가 상호 모순적으로 충돌하고 있으나, 이들의 과학적이고 합리적인 최적화가 바로 납기 기술이란 개념이다.
따라서 하부 업체의 납품 관련 이력, 통제 가능 또한 불가능한 변수까지를 고려하여 항상 최적의 최소 물품만을 제조라인에 배치하고 제조 제품의 정확한 위치에 공급할 수 있는 조립 신뢰성 시스템(Reliability Check-Up System) 등이 빅데이터 등을 기반으로 확보되어야 한다.
한국도 이러한 최신 납기 기술의 도입이 하루 속히 필요한 상황이다.
(4) 에너지
1980년대 들어서면서 제조업 분야에 기존의 QCD 경쟁력 외에 사회생리학적인 요구가 점점 증가하는 추세인데, 특히, 에너지 사용량 저감과 환경부담 제한 노력이 대표적이다.
각 제조공정별로 제품 톤당 사용되는 에너지 소모량을 뜻하는 제품 원단위 등의 표준 에너지 사용량 지표가 있어서 지속적으로 원단위 감축에 대한 노력이 요구되고 있다.
따라서 저에너지 사용 기술, 제조 단계 축소형 기술, 폐열 활용기술, 대체 에너지 사용 기술, 에너지 전환·저장 기술 등이 지속적으로 개발되어 기존의 생산제조 기술과 결합되고 있는 추세이다.
(5) 환경
뿌리산업 생산제조 과정 중에서 문제가 되는 환경문제는 수질오염, 대기오염, 악취, 분진, 진동 등 5개 항목이 가장 중요하다.
따라서 생산제조 과정은 물론 제품 사용 후 폐기 과정, 리싸이클링 과정 등에서 환경 친화적 공법 개발 및 적용에 관한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
특히, CO2 감축 문제, 재활용 기술, 3R(Reuse, Replace, Recycle) 기술의 적용, 자원효율화, 재 제조 기술개발 등이 많이 이루어지고 있다. 점차적으로 환경 인증이나 안정성 인증이 대중화되고 있는 상황이다.
또한 자동차 산업이나 전기·전자산업에서의 환경 관련 기준도 점차 엄격해 지고 있는 추세이기 때문에 각 뿌리산업 제조현장에서는 환경문제를 더 이상 소홀히 할 수 없다.
이제 환경 문제는 규제에 대응하는 차원이 아니라 각 제조공장의 차별화되는 경쟁력으로서 인식되어야 하며, 다양한 뿌리산업 생산제조 공정 중에서 발생되는 환경문제를 해결할 수 있는 신기술로 새로운 산업분야 및 시장창출이 예측되는 시점이다.
(6) 소재
자원의 유한성을 바탕으로 최근에는 희소성과 전략성이 점차로 부각되는 상황에서 원소재 가격의 급등락이 예사로 발생함에 따라 각종 소재의 비축, 구매, 가공, 리사이클링 등 전 주기과정에 대한 활용 능력이 더욱 필요하게 되었다.
또한 최종 제품의 경쟁력에 결정적인 역할을 하는 소재 및 부품의 가공성, 동작특성, 가격경쟁력 등이 매우 중요한 화두가 됨에 따라 소재의 스마트화, 전략화가 진행되고 있고, 기존 소재를 신공법으로 가공하는 제조법과 신소재를 기존 공법으로 가공하는 제조법이 공히 발전하고 있는 추세이다.
(7) 생산성
각 생산제조 현장에서 노동 생산성 향상을 위한 다양한 시도와 노력이 전개되고 있다.
CTQ(Critical To Quality) 공정 관리에 입각한 공정단위별 불량율 최소화 기술, 실시간 공정 모니터링 기술, 단위시간당 생산 능력 고도화 기술, 회수율 향상 기술, 작업성 개선기술 등 생산성 향상에 관한 특화 기술들이 경쟁적으로 개발되어 적용되고 있는 상황이다.
따라서 지금까지의 소재, 기술 등의 요소투입 공정에서 창의성, 새로운 아이디어 등 혁신역량 투입 공정으로의 전환이 이루어지고 있다.
(8) 신뢰성
다양한 생산제조 공정에서 만들어지는 제품들의 동작특성은 물론, 신뢰성에 대한 고객의 요구도 꾸준히 증가하고 있다.
이러한 추세에 발맞추어 LCA(Life Cycle Assessment) 기법 등 다양한 생산 요소기술이 결합되어 전 주기 공정 라인의 신뢰성 확보는 물론 완성된 제품의 동작특성 및 수명에 대한 신뢰성 향상이 화두가 되고 있다.
또한 이러한 제조공정 및 가혹 환경하에서의 제품 사용 특성에 대한 신뢰성은 새로운 경쟁력의 요소로 간주되고 있다.
이상과 같이 살펴 본 뿌리산업 생산제조 관점에서의 경쟁력 8대 요소를 그림 1 에 간략히 나타내었다.
인간 중심형 생산제조업으로의 진화
생산제조업은 기존의 제품 제조 중심에서 인간 중심으로의 전환이 가속화될 것으로 예측되고 있다.
즉, 소비자가 원하는 물건을 작업자가 편리한 방식으로 생산하고, 생산된 제품의 판매 후에도 지속적으로 사후 서비스 기능과 연계되어 소비자들의 만족도를 극대화하는 생산제조의 기능이 부가될 것으로 여겨진다.
제품 사용 중에도 지속적으로 사용법에 대한 교육 및 각종 요구에 대한 능동적인 실시간 대처, LCA 기법 등에 의한 수명 예측 기술로 제품의 수명이 다하기 전에 교체까지 해주는 서비스 등이 융합되어 제조업·서비스업이 연계되는 미래 기술이 속속 선보여지고 있다.
이러한 인간 중심형 생산제조업의 단계별 전망을 간략히 해보면 다음과 같다.
(1) 제조 이전 단계: 스마트 생산기법 도입
소비자들의 다양한 요구를 SNS 등 사회 통합망을 통하여 획득하고 분석하여 요구 속에 숨어있는 욕구를 충족시켜 줄 수 있는 제품군을 선정하는 단계이다.
이를 위해 통섭을 통한 소비자 욕구 이해 기술, SNS 지능화, 플랫폼 전략 등이 구사되고 있다.
(2) 제조 단계: ACE(Automatic, Clean, Easy) 제조업 전환
현재의 뿌리산업은 3D(Dangerous, Dirty, Difficult) 속성의 한계를 가지고 있다.
향후 각각의 뿌리사업 공정은 ACE(Automatic, Clean, Easy) 공정으로의 체계적 전환을 필요로 한다.
즉, 위험한 공정은 자동화 공정으로, 지저분한 공정은 깨끗한 공정으로, 어려운 작업 공정은 작업하기 쉬운 공정으로 전환되어야 한다.
이를 위해 공정자동화, 공정청정화, 공정단순화 기술이 속속 개발되어 뿌리산업 생산제조 현장에 장착되고 있는 상황이고, 이러한 노력은 가속화될 전망이다.
(3) 공급/서비스 단계: 인간중심 서비스 차별화
제품을 제조해서 판매하는 것에 그치지 않고 판매된 제품이 고객에게 전달되어 각 기능이 모두 유용하게 쓰이고 제품 수명 전에 교체 주기까지 분석되어 교체 서비스까지 지원되는 제조업과 서비스업의 융합 분야까지 제조업의 범위가 넓어질 전망이다.
또한, 다양한 성향의 고객들에게 제품의 특성 및 사용법이 잘 활용되도록 고객친화형 교육 서비스까지 포함되어 다가오는 감성 시대의 제품 경쟁력에 중요한 역할을 할 전망이다.
이와 같은 인간친화형 생산제조업의 3단계 핵심내용을 그림 2 에 정리하였다.
뿌리산업의 스마트공장 구축
국가의 경쟁력 강화를 위해 제조업의 경쟁력 강화가 기본 요소인 것은 미국을 포함한 여러 국가에서도 이미 공감하고 있는 상황이고, 특히, 가공무역을 기반으로 지속 발전해 온 한국의 경우에는 더욱 중요한 사항이 되고 있다.
제조업 경쟁력 강화의 가장 기본적인 요건을 현 시점에서는 불량률 저감, 생산성 향상으로 삼고 있는 상황에서, 한국 정부는 스마트공장 10,000개를 구축하여 제조업의 경쟁력 강화를 이루고자 한다.
이러한 맥락에서 전체 제조업체 수의 약 7%를 뿌리산업에서 차지하고 있는 현실을 반영하여 뿌리산업 스마트공장을 1,000개 구축하려는 전략이 세워져 있는 상황이다.
그러면 과연 어떻게 다양한 수준과 형태를 지니고 있는 뿌리산업군에 대해서 정부 주도하의 스마트공장을 구현할까?
우선은 뿌리산업군에 대한 현실적 분석을 통해서 할 수 있는 것부터 차근차근해 나가는 전략적 당위성이 눈에 띈다.
따라서 스마트공장 구축 계획을 4단계로 구성한 한국형 스마트공장 구축 사업이 필요할 것이다.
1단계는 전자문서 기반의 뿌리산업체 공정라인에 대해서 실시간 공정변수 모니터링 및 데이터베이스화하는 단계이다.
이 과정을 통하여 주문 발주처의 수주 활동 및 감사 등에 효과적으로 대응할 수 있으며, 불량 등에 대한 클레임 타임을 획기적으로 감축할 수 있다.
2단계는 제품 제조공정 중간단계에서 공정장비의 공정변수는 물론이고, 관리 대상인 물성이나 특성값까지도 센서 등을 이용하여 분석값을 취득하고 실시간 모니터링, 기록하면서 불량 여부 등을 실시간으로 판단하고 공정에 반영하는 단계이다.
3단계는 불량 요인 분석 및 많은 양의 생산정보 데이터 및 물성 분석 데이터를 기반으로 제어 가능한 공정변수 및 제어 불가능한 공정변수 및 그에 따른 제품의 특성과의 인과관계를 이해하여 최적 공정변수를 강건설계형으로 교체해주는 단계이다.
즉, 공정변수의 허용 가능한 폭은 가능한 한 넓혀주되, 항상 일정한 목표 물성값을 구현할 수 있도록 공정변수를 재설정하는 단계이다.
마지막으로 4단계는 단위 공정의 각종 변수 및 물성 데이터들을 기반으로 특정시간의 제어 불가능한 변수들의 변화량을 감지하여 그에 맞는 공정변수 최적화를 자동적으로 이루도록 해주는 단계이다.
4단계 과정도 매우 복잡하고 어려운 과정임에 틀림없지만, 이러한 단계가 모두 이루어진다고 해도 진정한 스마트공장화가 이루어졌다고 말하기는 어려울 것이다.
하지만, 지속적 노력을 통해 뿌리산업의 스마트화를 단계별로 진행해야 할 시점이라고 판단된다.
그림 3 에는 전형적인 주조공장의 라인 배치도 및 공정 흐름도를 기반으로 한 핵심 관리공정 도출 예를 보여주고 있고, 그림 4 는 이러한 핵심 관리 공정을 위주로 한 실시간 공정변수 모니터링 시스템 구축 예를 나타내고 있다.
현재 국내 26,000여 개 뿌리산업체 중에서 이러한 수준의 스마트 공장화가 진행된 곳은 500여 곳으로 추산되고 있으며, 향후 지속적인 확산을 기대해 본다.
글을 마치며 - 뿌리산업 생산제조의 스마트화를 위해
뿌리기업들이 실제적인 생산성 향상을 바탕으로 한 지속가능한 경쟁력 강화를 달성하기 위해서는 현재 자생적으로 태동하고 있는 뿌리산업 스마트공장 수준을 진단하고, 기업의 현실에 맞게 적정한 목표 수준을 계획하여 추진하는 것이 바람직하다.
대부분의 뿌리기업들은 현재 제조공정 내 ICT 기반의 생산라인이 없거나, 일부 최소한의 자동화 설비만 구축되어 있다.
하지만, 앞서가는 일부 기업은 ICT 기반 공정 모니터링 시스템, ERP(QRP) 시스템, 로봇 시스템을 혁신적으로 구축하여 제조업 생태계를 발전적으로 이끌어 가고 있다.
따라서, 우선적으로 뿌리산업 및 뿌리기업의 현실을 반영한 스마트공장화 1단계 개념은 생산정보 시스템을 활용하여 라인별, 공정별 생산현황 정보를 실시간으로 수집하기 위한 모니터링 체계의 구축으로 정의해 볼 수 있다.
이러한 개념은 뿌리기업들로 하여금 스마트화에 대한 거부감을 최소화 하고, 적용 가능성을 인식시키기 위한 전략적이고 체계적인 접근이라 할 수 있다.
산업 단위 관점에서 일정 수준 이상의 스마트공장 보급이 이루어진 이후, 실시간 모니터링 결과를 기반으로 단위공정별 공정변수 재확립을 통한 생산성 향상 및 불량률 지속 감축 등의 단계로 스마트공장의 개념을 확장하는 정책의 유연성이 필요하다.
더불어 뿌리산업 내 스마트공장이 성공적으로 보급·확산되기 위해서는 뿌리기업들의 인식 개선을 위한 정부의 정책적 노력과 함께 기업의 자구적인 노력이 함께 수반되어야 한다.
스마트공장을 통해 제조공정 혁신의 내재화가 기업의 정량적·정성적 성과로 발현되기까지는 상당한 시간과 노력을 필요로 하기 때문에 스마트공장을 추진하는 뿌리기업의 입장에서는 단기보다는 중장기적 전략에서의 접근과 인내가 필요하다는 사실을 명심하도록 하자.