스마트 공장, 탄소, 스마트 팜
글 연재가 좀 늦었지 말입니다. ^^ 미래를 바꿀 요즘 뜨는 기술 <1화>와 <2화>에서는 스마트 카, 인공지능, 3D 프린터, 웨어러블, 그리고 신재생 에너지에 대해서 알아보았었지요. <3화>에서는 스마트 공장, 탄소, 그리고 스마트 팜에 대해서 이야기해 보려고 합니다.
요즘 신문이나 방송에서 '스마트 공장'은 많이 들어보셨지요? 인더스트리 4.0, 산업인터넷, 로봇신전략 등 다양한 이름으로 4차 산업혁명을 설명하고 있는데 이해가 잘 되시나요? 우리나라도 최근에 '제조업 혁신 3.0' 전략을 발표했는데, 이것도 역시 21세기형 제조 혁신이라는 의미에서 모두 같은 이야기라고 보시면 됩니다. 그러면 도대체 왜 사람들은 4차 산업혁명 스마트 공장에 이 난리를 피우고 있을까요? 그것은 바로 제조업이 모든 산업의 근간이기 때문입니다.
우리나라 국민 총 생산에서 제조업이 차지하는 부가가치 비율은 약 28%나 됩니다. 중국의 31% 다음이지요. 제조업이 흔들리면 우리나라 경제가 흔들리게 됩니다. 그것이 4차 산업혁명과 무슨 관계냐고요? 4차 산업혁명은 제조에도 사물인터넷(IoT), 네트워크, 센서, 소프트웨어 등의 기술을 접목시키겠다는 뜻이고, 제조에 이러한 기술이 접목될 경우 제조 공장의 경쟁력이 비교할 수 없을 만큼 높아질 수 있다는 뜻입니다. 독일을 시작으로 미국과 일본, 그리고 중국까지 4차 산업혁명에 막대한 돈을 투자하고 있거든요. 만약 우리도 4차 산업혁명을 준비하지 않는다면 우리나라 제조업은 경쟁력을 잃고 모두 도산하게 될 거예요. 모든 산업의 근간인 제조업이 무너지면 다른 산업까지도 그 여파가 미칠 것이고요. 곧 국가 경제의 위기로 연결될 수 있지요. 이제 스마트 공장이 왜 중요한지 이해가 가시지요?
먼저 4차 산업혁명의 정체부터 자세히 이야기해 볼게요. 아시다시피 1차 산업혁명은 18세기 후반에 증기기관이 등장하면서부터 시작되었어요. 증기기관을 이용하여 생산을 기계화할 수 있었지요. 19세기 말에는 컨베이어 벨트가 등장하고 증기기관 대신 전기가 등장하면서 분업 기반의 대량 생산 체제가 등장하게 되지요. 이것이 2차 산업혁명입니다. 20세기 후반부터는 로봇과 자동 제어 기술이 접목되면서 자동화 기반의 대량 생산 체제가 시작되었습니다. 이것이 3차 산업혁명이에요. 자동차 생산 공장에서 미완성된 자동차가 라인을 따라 흘러가고, 양쪽에 죽 줄 서있는 로봇들이 부품을 끼우고, 조이고, 용접하는 영상을 많이 보셨을 거예요. 이것이 현재까지의 3차 산업혁명 단계라고 보시면 됩니다. 그러면 3차 산업혁명을 통해 로봇으로 자동화도 다 되었는데 4차 산업혁명은 또 무엇인지 궁금하시지요? 4차 산업혁명을 이해하기 위해서는 우리 사회가 어떻게 변화되어가고 있고, 또 무엇을 요구하는지를 먼저 이해하는 것이 필요합니다.
기계화 생산이 가능해진 1차 산업혁명 이후부터 컨베이어 벨트 중심의 분업 기반 생산이 가능해진 2차 산업혁명까지 지속적으로 상품의 종류는 줄어들고 대량 생산을 하게 되었죠. 사실 사람들이 원하는 상품은 다양해도 대량 생산을 위해서는 상품의 종류를 줄여야 했어요. 사람들의 요구보다는 생산성이 더 중요시되었다고 보면 되겠지요. 1955년 경이 상품 종류는 가장 적고 상품당 생산량이 가장 많았던 시기라고 합니다. 개성이 전혀 없던 시기였을 것 같아요. 이후 3차 산업혁명을 거치면서 부분적으로 개인이 선택 가능한 옵션을 갖는 대량 생산을 하게 되었지요. 상품의 종류도 늘어나기 시작했어요. 21세기에 들어와서는 세상이 갑자기 확 바뀝니다. 나라별로 형성되어있던 시장이 세계화가 되면서 대량 생산이 다시 증가되고, 산업에 따라 지역화나 개인화가 되면서 다품종 소량 생산도 등장하기 시작한 거예요. 제조업의 입장에서는 복잡도가 크게 증가하기 시작한 겁니다. 이렇게 증가하는 복잡도를 기존의 3차 산업혁명 기반 제조업에서는 대응을 할 수 없는 상태가 된 거예요. 이를 해결하기 위해 2011년에 독일이 인더스트리 4.0을 발표하면서 4차 산업혁명이 가시화되기 시작한 겁니다.
국가별로 4차 산업혁명을 접근하는 전략이 조금씩 다르지만, 근본적으로 해결하고자 하는 문제는 두 가지 정도를 들 수 있을 것 같아요.
첫 번째는 어떻게 하면 다품종 대량 생산이 가능한 스마트 공장을 만들 수 있는가 입니다. 기존의 대량 생산 공장에서는 공장을 지을 때부터 생산할 제품이 결정됩니다. 예를 들면 소형차 공장을 지으면 소형차만 나오고, SUV 공장을 지으면 SUV만 나오지요. 그런데, 이제는 한 공장에서 소형차부터 중형, 대형, SUV, 밴 등 다양한 제품을 다 만들겠다는 겁니다. 이것이 어떻게 가능할까요? 사물인터넷, 센서, 네트워크, 로봇, 소프트웨어 등의 기술을 융합하면 가능하답니다. 가장 쉬운 예를 한 가지 들어 볼게요. 이제까지는 생산 라인에 있는 로봇은 정해진 한 가지 일만 했어요. 정확히 똑같은 작업의 반복이었죠. 그런데 이제는 작업할 대상물이 도착하면 대상물을 스스로 인식한 후 그에 맞는 작업을 하겠다는 거예요. 로봇 한 대가 대상물에 따라서 여러 가지 작업을 알아서 하는 것이지요. 여러 로봇들이 서로 대화하면서 최적의 조건으로 분업을 하기도 하고 또는 한 대의 로봇이 모두 처리하는 것도 가능하게 되는 겁니다. 품종이 너무 다양한 경우에는 제품마다 태그를 부착하고 태그 안에 공정 지시를 기록해 둘 수도 있어요. 로봇이 제품마다 태그의 공정 지시를 읽고 그대로 처리해주는 거지요. 이렇게 되면 범용 생산 공장을 구축할 수 있어요.
두 번째는 전체의 생산 사슬을 어떻게 하면 하나로 묶어 관리하고 제어할 수 있는가 입니다. 기획, 연구, 브랜딩, 디자인, 제조, 유통, 마케팅, 판매, 서비스의 전 단계를 한 눈에 볼 수 있게 묶는 겁니다. 과거에는 한 회사에서 전 단계를 모두 처리하는 경우가 많았지만, 이제는 세계화가 되면서 각 단계가 세계 곳곳에 흩어지게 되었어요. 이제는 전 단계를 묶어서 고려하지 않으면 제조업을 효율적이고 효과적으로 영위할 수 없게 된 거예요. 특히, 각 단계의 부가가치를 보면 제조 단계의 부가가치가 가장 낮습니다. 즉, 전 단계를 고려하지 않고 제조 단계를 분리하여 운영한다면 부가가치가 낮아 사업성을 확보할 수가 없답니다.
이제 4차 산업혁명이 어느 정도 윤곽이 보이시나요? 마지막으로 국가별 접근 전략의 차이를 간단히 짚어 볼게요. 가장 선두를 달리고 있는 독일은 자신의 강점인 제조 설비를 최대한 활용하고 있어요. 설비 및 기기를 중심으로 네트워크로 묶고 인더스트리 4.0이라는 이름으로 플랫폼화 시키고 있답니다. 그리고, 실제 공간을 컴퓨터에서도 똑같이 시뮬레이션할 수 있는 '사이버 물리 시스템'을 활용하고 있습니다. 미국은 산업인터넷이라는 이름으로 클라우드 중심의 플랫폼을 구축하고 있어요. 사물인터넷의 산업 버전이라고 생각하시면 됩니다. 인공지능과 빅데이터 해석 등을 접목시켜 공장의 지능을 높이고 있지요. 일본은 2015년 초에 로봇신전략을 발표하였습니다. 로봇 중심의 플랫폼을 구축하고 있어요. 전체적인 내용은 대동소이합니다. 중국은 최근에 중국 제조 2025 전략을 발표하고 기존의 노동 집약형 공장을 스마트 공장으로 전환하는데 막대한 투자를 하고 있어요. 중국은 주로 독일의 인더스트리 4.0을 기반으로 자국에 맞게 튜닝을 하는 것 같아요. 과거에 일본이 미국을 따라 했고, 우리나라가 일본을 따라 했고, 중국이 우리나라를 따라 하다가 이제는 바로 독일을 따라 하는 형국이에요. 중국이 우리를 크게 앞지를 가능성이 매우 높다는 뜻이지요.
우리나라는 최근 제조업 혁신 3.0을 발표하고 단계적 전략을 추진하고 있답니다. 단기적으로는 고도화 요소 기술 개발을 진행하고, 중장기적으로는 스마트 자동화 시스템을 구축하겠다는 계획입니다. 조금 늦은 감이 있지만 이제부터라도 제대로 전략을 수립하여 추진을 해야 하지 않으면 안 되는 상황이에요. 사실 걱정입니다.
4차 산업혁명을 통해서 우리의 생활은 무엇이 좋아지냐고요? 일단 나에게 딱 맞는 맞춤형 제품을 쉽게 구매할 수 있게 됩니다. 맞춤형 제품임에도 불구하고 가격은 대량 생산된 제품과 차이가 나질 않을 거예요. 시간도 오래 걸리지 않을 것이고요. 또한, 제조업은 모든 산업의 근간이기 때문에 모든 다른 산업에서도 유사한 혜택을 보게 될 거예요. 전체적으로 제품은 다양해지고 품질은 높아지고 가격은 오히려 저렴해진다고 보시면 될 것 같아요. 이 정도면 훌륭하지 않나요?
갑자기 웬 탄소냐고요? 미래에는 소재 산업이 중요하다는 이야기는 많이 들어보셨을 거예요. 기존 소재의 한계를 극복할 수 있는 신소재가 새롭게 개발되면 그 파급효과는 실로 엄청나답니다. <1부>에서도 잠깐 언급했듯이 CFRP(탄소섬유 강화 플라스틱)의 등장으로 자동차에서 철판이 사라지기 시작했고, 항공기에서도 이미 빠르게 CFRP로 대체되고 있는 상황이에요. 신소재의 등장으로 많은 산업의 생태계가 바뀌는 결과가 나오는 것이지요. 물론 소비자들은 기술의 혜택을 보게 되고 문명은 발전하게 되지요.
소재의 의미를 역사적으로 조금만 더 살펴보도록 할게요. 우리는 시대 구분 방법의 하나로 삼시대를 이야기합니다. 돌을 깨거나 갈아서 도구로 사용하던 석기시대, 청동을 녹여 원하는 모양으로 도구를 만들어서 사용하던 청동기시대, 그리고 철을 이용하여 도구로 사용하는 철기시대로 구분하지요. 우리는 아직도 철을 기본 소재로 사용하고 있어요. 이처럼 역사적 시대 구분 조차도 소재를 기준으로 나누고 있는 것을 보면, 소재가 우리의 문화에 미치는 영향이 얼마나 큰 지 이해하실 수 있을 거예요.
20세기에 들어서는 자연에 존재하지 않는 인공 신소재를 만들기 시작했어요. 자연에 대한 도전이죠. 최초의 인공 신소재가 바로 1909년에 개발된 베이클라이트라는 플라스틱이라고 합니다. 이후에 다양한 종류의 플라스틱이 개발되었어요. 우리 주변을 보면 플라스틱이 쓰이지 않는 곳이 없을 정도로 널리 사용되고 있어요. 1938년에는 듀퐁사의 연구원이 플라스틱을 가는 실로 길게 뽑는데 성공하여 최초의 인공 합성 섬유인 나일론을 개발했어요. 1940년에 최초의 나일론 스타킹을 미국에 출시했는데, 백화점이나 쇼핑몰마다 구입하려는 인파가 인산인해를 이루었고, 출시 첫해에만 6,400만 켤레가 팔렸다고 하니 그 위력이 얼마나 대단했는지 짐작이 가시지요? 나일론 이후 폴리에스터 섬유, 아크릴 섬유를 포함하여 3대 합성 섬유가 의류 산업을 완전히 바꾸어 놓았지요. 우리가 입고 있는 대부분의 옷은 합성 섬유로 만들어진다고 보시면 됩니다. 한 가지 예를 더 생각해보면, 실리콘으로 반도체를 만들면서 디지털 시대가 시작된 것을 들 수 있을 것 같아요. 이제 신소재가 우리의 문화를 좌지우지한다는 것은 쉽게 동의가 되시지요?
백화점과 쇼핑몰에서 나일론 스타킹을 사려는 줄이 끝이 보이질 않네요 (사진 출처: 듀퐁)
그러면 21세기에 주목해야 할 소재에는 어떤 것이 있을까요? 아마도 탄소 소재가 아닐까 합니다. 탄소가 지구 온난화의 주범 아니냐고요? 탄소 배출권이니 탄소 배출권 거래제니 하는 이야기를 들으면 탄소는 나쁜 물질인 것 같다고요? 탄소가 어떤 형태로 존재하느냐에 따라서 지구 온난화의 주범일 수도 있고 우리에게 아주 이로운 신소재가 될 수도 있답니다. 지구 온난화의 주범인 온실 가스 중에서 가장 비중이 큰 기체는 이산화탄소(CO2)와 매탄(CH4)입니다. 모두 탄소가 포함되어 있네요. 하지만 탄소 원소로만 이루어진 다양한 탄소 소재들은 우리에게 매우 유용한 소재로 사용된답니다. 그럼 우리의 문화를 바꾸어 놓을 탄소 소재에는 어떤 것들이 있는지 간단히 살펴볼게요.
먼저 탄소섬유부터 알아볼게요. 나일론이 끊어지지 않고 질겨서 인기가 있었던 이야기를 잠깐 했었지요? 탄소섬유는 나일론보다 열 배 이상 질기답니다. 가벼우면서도 강도가 매우 높기 때문에 철의 대체재로 사용하기에 안성맞춤이지요. 현재 철로 만들어지고 있는 많은 제품들을 탄소섬유로 대체할 수 있다는 뜻이에요. 그런데 섬유로 어떻게 철로 만든 제품을 대체하냐고요? 여러 가지 방법이 있을 수 있는데, 현재 가장 널리 사용되는 소재가 바로 CFRP(탄소섬유 강화 플라스틱)이에요. 쉽게 설명하면 만들고 싶은 모양을 먼저 옷감 짜듯이 탄소섬유로 짭니다. 그러고 나서는 수지를 옷감에 두툼하게 흡수시키고 원하는 모양으로 경화시키는 거예요. 수지가 굳고 나면 철판보다 기계적 성질이 우수한 CFRP가 되는 거지요. 탄성도 매우 뛰어나서 충격을 받아도 찌그러지지 않고 모양이 유지되지요. 무게가 얼마나 가벼운지 아세요? 같은 크기로 만들었을 경우 무게의 차이를 알기 위해서는 비중을 보면 됩니다. 철의 비중은 7.8이고 알루미늄의 비중은 2.7이에요. CFRP의 비중은 1.5 정도 됩니다. 철로 만든 제품보다는 무게가 1/5 수준이고, 알루미늄으로 만든 제품보다도 무게가 거의 절반 수준이지요. 탄소섬유의 우수성에 대해서는 더 이상 이야기하지 않아도 되겠지요?
두 번째는 활성탄소에 대해서 이야기해 볼게요. 활성탄소는 미세한 구멍을 어마어마하게 많이 가지고 있는 소재예요. 현미경으로 확대해보면 수많은 미세한 구멍의 다공질 표면이 보여요. 미세한 구멍으로 이물질, 세균 등이 들어와 모두 걸리지요. 흡착성이 매우 높아요. 이러한 흡착성 때문에 주로 필터로 많이 사용이 됩니다. 성능이 아주 좋은 필터이지요. 앞으로 환경이 오염되어 갈수록 필터의 중요성은 높아질 것이고, 활성탄소의 역할은 점차 커진다고 보시면 되겠지요. 우리 조상들이 숯을 된장, 간장 등에 띄워 두었던 것도 같은 필터의 원리를 이용한 거라고 보시면 됩니다. 숯이 엄청난 다공질의 탄소이거든요.
세 번째는 탄소나노튜브입니다. 탄소나노튜브는 인장강도는 강철보다 100배나 높고, 전기도 너무나 잘 통한답니다. 열전도율 또한 매우 높고요. 기계적 성질을 살려서 활용할 수도 있고, 전기적 성질을 살려서 전자나 반도체 분야에서 활용할 수도 있고, 열전도율에 대한 성질을 살려서 방열 소재로 활용할 수도 있답니다. 탄소나노튜브도 정말 멋진 소재이지요? 사실 이론적으로는 멋진 소재인데 1991년에 처음 등장한 이래 25년이 지나도록 아직도 헤매고 있는 소재이긴 합니다.
네 번째는 그래핀입니다. 그래핀은 2004년에 처음 발견이 되어 2010년에 노벨 물리학상까지 받은 따끈따끈한 신소재랍니다. 탄소나노튜브보다도 13년이나 늦게 발견이 되었음에도 불구하고 요즘은 그래핀이 더 각광을 받고 있지요. 그래핀의 가장 큰 특징은 전기적 특성이 너무나 훌륭하다는 거예요. 상온에서 구리보다 100배나 많은 전류를 흘러가게 할 수 있다고 하네요. 빛의 투과율도 98%가 나올 정도로 아주 투명하고요. 열전도율도 탁월하고 신축성도 좋다고 합니다. 강도는 당연히 강철보다도 100배 이상 강하고요. 놀랍지요? 그런데 사실 이런 숫자들은 사기성이 농후하다고 보아야 해요. 그래핀은 6각 탄소 고리가 단층으로 평면을 이루는 2차원 공유 결합의 구조를 갖는데, 이 구조를 갖는 그래핀을 만들어봐야 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 크기 밖에는 못 만든답니다. 노벨 물리학상 받은 물리학자도 흑연에 스카치테이프를 붙였다 뗐다를 반복하여 최초로 그래핀을 얻었는데, 그 크기는 무려 마이크로미터(0.0001cm) 수준이었답니다. 애걔걔, 너무 작지요? 그래서 사기성이 농후하다는 이야기랍니다. 하지만, 물성이 우수한 것은 사실이에요. 플라스틱을 만들 때 그래핀을 1%만 섞어서 만들어도 그래핀의 높은 전기 전도성 때문에 전기가 아주 잘 통하는 플라스틱이 된답니다. 뛰어난 전기전도성과 높은 투명도로 인해 구부러지는 플렉서블 디스플레이에도 이용할 수 있고, 터치스크린, 태양광 패널 등에도 적용이 가능하답니다.
이밖에도 발사된 로켓이 대기권으로 재진입하기 위해서는 3,000도 이상의 고온을 견뎌야 하는데, 이것이 가능한 소재는 탄소복합재 밖에는 없다고 하네요. 이외에도 카본블랙, 인조흑연 등 더 많은 탄소 소재가 있지만 너무 길어지니 여기서 마무리할게요.
이러다가 100년쯤 후의 교과서에서는 역사 구분을 석기시대, 청동기시대, 철기시대에 이어 탄소기시대가 추가되는 것이 아닐까 싶습니다.
스마트 팜(smart farm)은 이름만 들어도 어떤 기술인지 상상이 가시지요? 이제 농업에도 IT 기술이 접목되고 있어요. 왜 머리 아프게 이런 짓을 하냐고요? 갈수록 식량이 부족해질 예정이거든요. 전 세계 인구는 현재 72억 명인데, 유엔에 따르면 2050년이면 전 세계 인구가 90억 명까지 증가할 거라고 하네요. 식량 생산량은 한정되어 있는데 인구는 지속적으로 증가하고 있으니 식량난이 갈수록 심해질 것은 불 보듯 뻔한 이야기입니다. 그래서 적은 비용으로 최대의 수확량을 얻을 수 있는 스마트팜 기술이 중요해지게 될 거예요.
현재의 스마트 팜 기술은 농업에 IoT 기술을 접목하여 농작물의 상태를 실시간으로 센싱하고 원격지에서도 스마트폰으로 모니터링이 가능하도록 합니다. 참고로, 미국에서 스마트 팜 관련 회사를 운영하는 지인에게 오래전에 들은 이야기인데, 과수원에서는 과실의 수를 실시간으로 파악하는 것이 중요한데 미국의 과수원은 워낙 커서 정확하게 파악하는 것이 어려웠다고 합니다. 이제는 센서를 이용하여 실시간으로 과실 수를 파악할 수 있다고 하네요. 모니터링뿐만 아니라 스마트폰으로 온도, 습도, 채광 량, 물 주기 등을 자동 제어 또는 직접 제어할 수도 있고, 로봇이 있으면 로봇을 통해 일도 시킬 수 있지요. 실시간으로 수집된 농작물 상태 정보는 시간이 지나면서 빅데이터로 쌓이게 되고, 빅데이터를 분석하면 최적의 조건 및 기법들을 찾아낼 수 있게 됩니다. 새로운 기법을 적용하면 다시 생산성이 크게 향상되겠지요.
이제 스마트 팜 기술이 어떤 의미인지 이해가 되시지요? 사실 좁은 의미의 스마트 팜 기술만으로는 미래의 식량난을 해결하기에는 역부족입니다. 동시에 본질적인 문제를 해결하기 위한 노력이 필요하답니다. 농업의 생산성을 크게 향상시키기 위한 농화학 기술을 개발하고, BT 기술을 이용하여 식량의 대량 생산이 가능하도록 하고, 대안식품을 지속적으로 발굴하는 노력 등이 모두 필요하겠지요. 예를 들면 최근 대안 식품으로 고기를 배양하는 인공 고기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다고 하네요. 곤충도 대안 식품으로 점차 떠오르고 있나 봅니다. 미래에는 곤충 회도 나오려나요? 오 마이 갓!
이러한 모든 시도들을 포함하는 광의의 스마트 팜 기술을 미래를 바꿀 요즘 뜨는 기술 여덟 번째로 선정해 본 거예요. 미래의 식량난은 우리가 아무리 발버둥 쳐도 피해갈 수 없는 조만간 직면하게 될 문제예요. 지금부터 식량난에 대한 대비를 하지 않는다면 다시 보릿고개를 경험하게 될지도 모른답니다. 첨단 기술이 널려있는 21세기에 보릿고개가 상상이 되시나요? 그런 일이 벌어지면 절대로 안 되겠지요. 스마트 팜 기술의 중요성은 이제 느낌이 팍 오실 것 같지 말입니다.
이번에도 짧게 쓰겠다고 마음을 먹고 시작했는데 이미 너무 길어져 버렸지 말입니다. 조금은 길더라도 미래를 바꿀 기술에 대해서 이해하시는데 도움이 되셨으면 하는 바램입니다. <4화>에서는 마지막 남은 4가지 기술에 대해서 이어서 소개를 드리도록 하겠습니다.
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※ 더 자세한 내용은 2023년 출간된 <세상을 바꿀 미래기술 12가지> 책에서 참고하실 수 있습니다.
미래를 바꿀 요즘 뜨는 기술(1) - 스마트 카, 인공지능, 3D 프린터