기계산업의 디지털 전환 동향과 전망 

디지털 전환, 미래 경쟁력을 위한 절대요소 등극

글로벌 주요국 중심 대규모 투자 및 연구개발 진행

정보통신기술을 필두로 한 4차 산업혁명 시대가 점차 꽃피고 있다. 모든 산업영역에서 디지털 기술의 도입이 가속화되고 있으며, 기계산업 분야에서도 중요한 변화가 요구되는 상황이다. 최근에는 4차 산업혁명을 대표하는 AI, 사물인터넷(IoT) 등의 주요 기술이 제조업 분야로 빠르게 확산되고 있다. 한국기계연구원 DX전략연구단 기계정책센터에서 발행한 ‘기계산업 디지털전환 기술 백서(’24.12)’를 통해 글로벌 기계산업의 디지털전환 기술에 대해 살펴봤다.

디지털 전환을 통한 제조산업의 패러다임 변화

디지털 전환(Digital Transformation)은 이미 경제, 사회, 그리고 일상생활 전반에 걸쳐 빠르게 스며들고 있으며, 앞으로 더욱 가속화될 것으로 예상된다. 4차 산업혁명의 진전과 함께 AI, 빅데이터와 같은 디지털 기술이 발전하면서, 유연한 생산 방식이 확산되고 기업 경쟁의 양상 또한 변화하고 있다. 이제 산업 데이터와 디지털 기술 활용에 기반한 산업 디지털 전환은 기업의 생존뿐만 아니라 산업 전반의 경쟁력 강화에 핵심 요소가 되고 있다.

제조산업에서 인공지능과 사물인터넷(IoT) 기술을 도입하면시 설비의 예측, 유지보수 및 스마트 팩토리/AI 자율제조 시스템 구축이 가능하다. 이를 통해 생산 라인의 중단을 최소화하고 효율적인 자원 관리가 가능할 뿐만이 아니라, 가까운 미래에는 AI가 전체 생산 시스템을 컨트롤하는 시대가 도래할 것으로 보인다. 특히, 제품-서비스 결합(PaaS) 모델인 경우 제품 수명 주기 동안 고객에게 가치를 제공하는 방식으로 산업 모델 재편이 기대된다. 

AI를 기반으로 한 디지털 전환은 기계 및 제조산업에 획기적인 구조적 변화를 일으킬 것으로 예상된다. 인건비 절감, 생산량 증대, 기업 이윤 창출 등 여러 가지 측면에서 긍정적 효과와 함께 산업 경쟁력 강화를 이끌 것으로 기대를 모은다.  

OECD에서도 이미 6년 전 상호의존적인 디지털 기술 생태계가 디지털 전환을 뒷받침하며, 생태계 간 서로를 보완해 새로운 가능성을 열어줄 것으로 전망하기도 했다. 디지털 기술과 기술 생태계의 융합을 통한 그 효과와 파급력은 시간이 지날수록 증대될 수 있을 것으로 예상된다. 산업의 패러다임 변화 속에서 유연성과 민첩성을 요구하는 산업 환경에 대응하기 위해서는 기업들의 디지털 전환이 필수 불가결한 상황이다. 

디지털 전환에 요구되는 연구개발 4가지 과제

기계산업의 디지털 전환(DX) 관련 연구·개발 분야는 크게  ▶디지털 데이터 ▶디지털트윈 ▶기계산업 AI ▶자율제조 등 4가지로 나눠 살펴볼 수 있다. 

기계산업에서 ‘디지털 데이터 활용’은 디지털 전환을 통해 산업 전반에 혁신을 가져오는 핵심 요소 기술이다. 이는 생산 공정의 효율성을 높이고, 데이터에 기반한 과학적인 의사결정을 가능하게 한다. 클라우드 제조 및 클라우드 컴퓨팅 제조, 예측 유지보수 및 예지보전, 제조 빅데이터와 산업 데이터 분석, 그리고 데이터 인텔리전스와 같은 기술들은 기계산업의 데이터 활용 수준을 한층 끌어올려 생산 및 품질 향상에 큰 기여를 하고 있다. 결국 디지털 데이터 기술은 기계산업의 지속적인 변화와 발전을 이끄는 중요한 토대가 되고 있다. 

디지털 트윈 기술은 물리적인 기계 장비와 가상 모델을 연결해 실시간 모니터링과 미래 예측 능력을 제공해주는 것으로, 미래 기계산업에서 빼놓을 수 없는 핵심 기술로 부상하고 있다. 사이버 물리 시스템(CPS), 디지털 스레드, 제조 및 공정 시뮬레이션, 엣지 컴퓨팅 및 산업용 엣지 기술, 스마트 팩토리 및 스마트 생산과 같은 요소들은 디지털 트윈을 현실화하는 데 필수적인 기반 기술들이다. 

인공지능(AI)은 기계산업의 자동화와 지능화를 더욱 빠르게 진전시킬 핵심 기술로 기대를 모은다. 예측 유지보수, 생산성 향상, 품질 관리 등 다양한 영역에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 제조업에 특화된 인공지능 및 머신러닝 기술, 증강현실(AR)과 가상현실(VR) 기술을 융합한 제조 혁신, 그리고 머신비전과 기계 시각 인식 기술은 AI를 활용해 기계산업의 경쟁력을 강화하는 데 중요한 역할을 하고 있다. 

자율 제조 기술은 기계 장비가 사람 개입을 최소화하면서 스스로 작동할 수 있도록 구현하여, 단순한 스마트 팩토리를 넘어 혁신적인 제조 패러다임을 제시한다. 자기 최적화 생산 시스템, 인더스트리 4.0, 공정 자동화, 첨단 제조 기술, 적층 제조 및 생산 최적화 기술 등이 자율 제조를 가능하게 하는 핵심 요소들이다. 이 같은 기술들은 기계산업에서 효율적이고 지속 가능한 생산 환경을 구축하며, 미래 제조업의 새로운 기준으로 자리매김할 것으로 전망된다. 

IT 기술 발달에 맞춰 거대해지는 디지털 전환 시장

세계 산업 디지털 전환(DX) 시장은 현재 약 8,000억달러 이상 규모로 추산되며, 향후 2033년에는 8조 5,674억달러에서 9조 1,494억 9천만달러에 달하는 거대한 시장규모로 성장이 예상된다. 이러한 시장 확대는 사물인터넷(IoT)의 보급 확대, 소셜 미디어 사용 증가, 제조업 분야에서의 디지털 기술 수요 증대, 비접촉 솔루션 및 디지털 결제 채택 증가 등과 같은 요인들이 주도할 것으로 보인다.

지역별로 살펴보면, 북미지역이 현재 글로벌 디지털 전환 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 정부의 적극적인 AI 및 디지털 전환 지원 정책에 따른 투자 활성화가 주요 성장 동력으로 작용하고 있다. 유럽의 경우, 소셜 미디어 확산, 5G 네트워크 확장, 스마트폰 보급률 증가 등 관련 기술의 발전에 힘입어 디지털 전환 솔루션 활용이 빠르게 증가하고 있다. 특히 아시아 지역은 디지털 전환 시장에서 가장 빠른 성장세를 보이는 곳이다. 중소기업들의 디지털 혁신 솔루션 도입이 증가하고 있으며, AI 기반 분석 도구의 활용이 확산되는 추세를 나타내고 있다. 

디지털 전환 시장의 성장을 이끄는 주요 동력은 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 분석, 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT)과 같은 핵심 기술들이다. 이러한 기술들은 다양한 산업 분야에서 혁신적인 적용 사례를 만들어내고 있다.

예를 든다면, 제조업에서는 스마트 팩토리 구축을 통해 생산 효율성을 극대화하고, 공급망 관리 프로세스를 최적화하는 데 활용된다. 금융 서비스 분야에서는 디지털 뱅킹, 모바일 결제 시스템 도입 등을 통해 고객 편의성을 높이는 서비스를 제공하고 있다. 헬스케어 분야에서는 원격 의료, 전자 건강 기록 시스템 등을 통해 환자 관리의 효율성을 높이고 진료 서비스를 개선하는 데 기여하고 있다.

디지털 전환의 시작을 알리는 필수요소 디지털 데이터 

IDC & Lisbon Council이 2023년 발표한 유럽 데이터 시장 연구 자료에 따르면 미국의 디지털 데이터 시장은 세계 최대 규모다. 이 자료에 따르면 미국 시장은 2020년부터 2023년까지 연평균 17.4%의 높은 성장률을 기록해 2023년에는 3,685억달러에 이를 것으로 추정하기도 했다. 

한편, 해당기간 유럽연합과 영국의 데이터 시장은 각각 10.7%와 10.9%의 연평균 성장률을 보였으며, 일본은 13.4%, 중국은 21.5%로 매우 빠른 속도로 디지털 데이터 시장이 확대되고 있다. 디지털 전환 과정에서 데이터 활용은 기업 경쟁력을 강화하고 혁신을 이루는 데 매우 중요한 역할을 한다. 아마존이나 넷플릭스와 같은 기업들은 데이터 중심의 디지털 전환 전략을 통해 성과를 거두고 있다. 

다른 글로벌 제조 기업들 역시 디지털 데이터를 적극적으로 활용해 생산 효율성 강화, 제품 품질 개선, 운영 비용 절감 등 다양한 혁신을 이뤄 나가고 있다. 

이처럼 빅데이터 분석은 고객 맞춤형 서비스 제공, 운영 효율성 증대, 그리고 새로운 비즈니스 모델 창출과 같은 다양한 영역에서 중요한 역할을 수행하고 있다. 

IT 기술의 고도화로 확장되는 스마트 제조 장비 시장

글로벌 스마트제조 시장은 2022년 2,263만달러를 기록했으며, 2023년에는 2,611만달러로 성장해 향후 더욱 확대될 것으로 예상된다. 프리시던스리서치(Precedence Research)의 자료에 따르면, 세계 스마트 제조 시장은 2033년까지 연평균 성장률 16%를 기록하며 약 9,855억달러까지 성장할 것으로 전망된다. 

스마트 제조 시장의 성장은 고도화된 모델링, 감지, 제어 및 시뮬레이션 기능을 갖춘 연결된 공급망과 스마트 제조 솔루션에 대한 수요 증가에 의해 주도될 것으로 보인다. 더불어 클라우드 기술과 산업용 사물인터넷(IIoT) 분야 역시 스마트 제조 성장에 중요한 촉매 역할을 할 것으로 예상된다. 

글로벌인포메이션(Global Information)가 조사한 글로벌 스마트공장 시장 규모를 살펴보면, 국가별 시장 규모 1위는 중국으로 나타났다. 중국의 시장규모는 229억 5,900만달러를 기록하며, 세계 전체 시장의 28.05% 비중을 나타냈다. 2위는 22억 6,900만달러로 27.21%의 시장 비율을 보인 북미 지역이며, 3위는 179억 8,400만달러를 기록하며 21.97%의 시장 점유율을 차지한 유럽으로 분석됐다.

세계 스마트 제조 장비 시장을 선도하는 중국 제조업계

중국의 스마트 제조 장비 시장 규모는 3조위안, 달로로는 약 4,200억달러에 달하며, 시스템 솔루션 제공 기업의 수는 6,000곳에 달한다. 중국 정부는 2025년까지 주요 제조 기업의 70%가 디지털화 및 네트워크화를 이루고, 업계를 선도하는 500곳 이상의 스마트 제조 시범 공장을 구축할 계획이다. 더 나아가, 일정 규모 이상의 모든 제조 기업에 대해 2035년까지 디지털화 및 네트워크화를 완료한다는 목표를 발표한 바 있다. 

북미 지역의 경우, 포춘 비즈니스 인사이트(Fortune Business Insights)에 따르면 미국의 스마트 제조 시장 규모는 2023년부터 2030년까지 연평균 11.0%의 성장률을 기록할 것으로 예상된다. 캐나다 역시 북미 스마트 제조 산업을 주도하는 중요한 국가로, 인공지능과 빅데이터 등 소프트웨어 기술을 보유한 다수 기업들이 존재해 스마트 제조 산업 발전에 유리한 고지를 점하고 있다.

유럽의 스마트 제조 시장 규모는 2030년까지 연평균 12.5%의 성장률을 기록할 것으로 전망된다. 제조업체들의 생산성 향상과 비용 절감에 대한 요구, 그리고 글로벌 시장에서의 경쟁력 유지 필요성이 커짐에 따라 유럽 내 스마트 제조 시장 역시 빠르게 성장할 것으로 전망된다. 

글로벌 시장을 선도하는 기술 기업들은 스마트 제조의 핵심 기술과 응용 분야 개발에 적극적으로 나서고 있다. 스마트 제조 분야의 대표 기업인 지멘스(Siemens)는 스마트 제조를 통해 생산 목표를 달성하고 있을  뿐만 아니라, 메타버스와 생성형 AI와 같은 새로운 기술 분야에서도 선두를 달리고 있다. 자동차 관련 부품 제조기업인 보쉬(Bosch)는 완전한 공장 자동화 기술을 선보인 바 있으며, 넥시드(NEXeed) 솔루션을 통해 생산 효율성 증대를 제안하고 있다. 클라우드 제조 시스템에서 선도 기업인 제너럴일렉트릭(General Electric Company)은 ‘Proficy Smart Factory’와 ‘Proficy Operations Hub’ 등을 선보이며 관련 업계를 선도하고 있으며, 아마존 웹 서비스(AWS) 마켓플레이스에 자사의 제품을 확장해 나가고 있다. 

제조업과 결합하며 빠르게 성장하는 디지털 트윈 시장 

글로벌 디지털 트윈 시장은 2021년 83억 2,000만달러 규모를 기록했으며, 2022년 115억 5,000만달러로 성장했다. 향후 2030년까지 연평균 38.87%의 높은 성장률을 이어가며 1,597억 7,000만달러에 이를 것으로 전망된다. 2021년과 2022년 사이 주요 성장 요인으로는 코로나 팬데믹으로 인한 바이러스 확산 추적과 자동차 및 운송 분야 등에서 디지털 트윈 기술 활용이 증대된 것으로 분석된다. 

특히 제조업은 디지털 트윈 시장 성장의 핵심 동력으로 작용하고 있으며, 2020년에는 5억 9,000만달러의 시장 규모로 전체 디지털 트윈 시장에서 가장 큰 비중을 차지했다. 

2025년에는 제조업에서의 디지털 트윈 기술 활용이 더욱 활발해져 시장 규모가 66억 9,000만달러에 이를 것으로 예상된다. 다른 산업 분야와 비교했을 때, 2025년 항공 분야가 50억 900만달러를 기록해 두 번째로 큰 시장을 형성할 것으로 보인다. 더불어 자동차, 에너지, 헬스케어 산업에서도 디지털 트윈 기술에 대한 수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 

디지털 트윈 기술은 이미 주요 유니콘 기업들 사이에서 활발하게 활용되고 있으며, 제조업이 안고 있는 다양한 문제점을 해결하는 동시에 수익성을 향상시키는 데 기여하고 있다.  

글로벌 대기업 중심의 활발한 디지털 트윈 활용 시도

디지털 트윈 기술의 활용 사례를 살펴보면 대표적으로 글로벌 유수 기업들이 활발한 기술개발 및 적용을 시도하고 있다.

마이크로소프트(Microsoft)는  산업용 메타버스와 디지털 트윈 기술을 제공하며, 현실 세계와 가상 세계를 융합한 솔루션을 제시하고 있으며, 보쉬(Bosch)는 양자 컴퓨팅 기반의 첨단 디지털 트윈 기술을 개발해 더욱 정밀하고 복잡한 시스템 분석을 가능하게 하고 있다. 

이 외에도 제너럴일렉트릭(GE Company)은 산업 현장에 특화된 디지털 트윈을 구축해 설비의 성능 예측 및 유지보수 효율성을 높이고 있으며, IBM은 자산 관리 분야에 디지털 트윈 기술을 적용해 설비의 수명 예측 및 효율적 운영을 지원하고 있다. 

지멘스(Siemens)도 다양한 산업 분야에 적용 가능한 산업용 디지털 트윈 기술을 제공하며, 제조 프로세스 혁신을 선도하고 있다.

실제 제조 현장에서 디지털 트윈 기술을 성공적으로 적용한 사례는 BMW, 롤스로이스, 지멘스 등에서 찾아볼 수 있다. 

BMW는 헝가리 자동차 공장 설계 단계에서 디지털 트윈을 활용해 작업자 동선, 움직임, 간섭, 로봇의 작동 범위 제약, 물류 흐름의 문제점 등을 사전에 가상 환경에서 파악하고 생산 공정을 최적화했다. 그 결과, 라인 설계 시간을 크게 단축했을 뿐만 아니라 생산 라인의 효율성 또한 향상시켰다.  

롤스로이스는 항공기 엔진 유지보수를 위해 각 제트 엔진에 200개 이상의 센서를 부착해 전체 엔진 상태를 실시간으로 모니터링하고 있다. 또한, 시뮬레이션을 통해 엔진 교체 시기와 상태를 정확히 예측해 유지보수 효율성을 극대화하고 있다.

지멘스의 경우 물류 시스템 최적화에 디지털 트윈 기술을 활용해 위탁물이나 소포 등의 이동을 수초 단위로 시뮬레이션함으로써 병목 현상을 효과적으로 해결한 바 있다. 

최적의 물류 흐름 시뮬레이션을 통해 처리량을 크게 개선했다. 그간 데이터만으로는 파악하기 어려웠던 현장의 문제점을 시뮬레이션을 통해 명확히 이해하고, 직접 실행이 힘들었던 업무를 가상 환경에서 진행해 시간, 비용, 안전 리스크를 줄였다. 

더 나아가, 복잡해지는 제조 현장을 통합적으로 이해하고 숙련된 작업자의 실제 노하우를 가상 공간에 축적하는 데에도 활용하고 있다.

글로벌 디지털 전환 트랜드에 대응하는 국내 산업계 동향 

글로벌 제조업 분야에서 인공지능은 예측 유지보수, 품질 검사, 생산 계획 최적화 등 광범위한 영역에서 주요 역할을 수행하며 급격한 성장세를 보이고 있다. 2023년 글로벌 제조업용 AI 시장 규모는 약 11억달러에 달했으며, 이를 통해 기업들은 유지보수 비용 절감, 생산성 향상, 제품 품질 개선 등의 실질적인 성과를 거두고 있다. 

국내 제조업에서도 AI 도입이 점차 확산되고 있는 추세다. 대기업뿐만 아니라 중소기업을 포함한 다양한 기업들 역시 AI 기반의 데이터 분석 및 예측 기술을 활용해 운영 효율성을 증대시키고 있다. 이는 향후 국내 제조업의 전반적인 경쟁력 강화에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 

글로벌 디지털 트윈 시장은 제조업, 항공, 에너지 산업을 중심으로 매우 빠른 성장세를 나타내고 있다. 디지털 트윈 기술은 실제 공정의 실시간 모니터링과 미래 예측을 가능하게 함으로써, 제조 과정의 불량률 감소와 설비 유지보수의 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 

국내에서도 대기업을 중심으로 디지털 트윈 기술 도입이 활발하게 이루어지고 있으며, 이는 스마트 팩토리 구축과 연계되어 생산 공정 전반의 최적화를 지원하고 있다. 점차 더 많은 국내 기업들이 다양한 산업 분야에서 디지털 트윈 도입을 확대하고 있으며, 공정 시뮬레이션을 통한 비용 절감과 운영 효율성 증대를 적극적으로 추구하는 추세다. 

글로벌 스마트 제조 시장은 AI, 로봇, 사물인터넷(IoT), 디지털 트윈과 같은 첨단 기술을 통해 자동화 수준을 높이고 생산성을 혁신하며 꾸준히 성장하고 있다. 

특히 북미와 유럽 지역에서는 스마트 제조 기술 도입이 활발하게 이뤄지고 있으며, 이러한 추세에 힘입어 상당한 시장 성장이 예측되고 있다.

국내 스마트 제조 분야는 아직 중소기업의 도입률이 상대적으로 낮은 편이다. 하지만 정부와 대기업의 적극적인 지원 정책 아래 중소기업의 스마트 제조 기술 도입이 점차 확대되고 있다. 

이를 통해 생산 효율성 증대, 비용 절감, 고객 맞춤형 생산 시스템 구축 등 다양한 긍정적인 효과를 창출할 수 있을 것으로 예상된다. 

다양한 IT 기술 활용한 디지털 전환으로 경쟁력 강화 기대

해외 주요 기업들은 디지털 전환을 통해 데이터 중심의 혁신을 적극적으로 추진하고 있다. 클라우드 컴퓨팅, 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능(AI) 등의 핵심 기술을 활용하면서 비용 절감, 운영 효율성 향상, 고객 맞춤형 서비스 제공을 주요 목표로 삼고 있다. 특히 미국과 유럽을 중심으로 많은 글로벌 기업들은 심층적인 데이터 분석을 통해 경쟁 우위를 확보하는 데 주력하는 상황이다.

특히 데이터와 인공지능(AI) 기반의 예측 분석과 자동화된 운영 시스템은 급변하는 시장 환경에 신속하게 대응 가능한 필수 지원을 제공할 수 있을 것으로 보인다. 

디지털 전환 기술 도입에는 초기 투자 비용이 크지만, 장기적 관점에서 볼 때 운영 비용 절감, 제품 및 서비스 품질 향상 등의 성과를 제공한다. 

따라서 국내 기업들도 끊임없는 기술 개발과 투자를 통해 디지털 전환을 지속적으로 추진해야만 글로벌 시장에서의 경쟁 우위를 지켜나갈 수 있을 것이다. 

다양한 IT기술들이 서로 유기적으로 연결된 디지털 전환 생태계를 구축하는 것은 매우 중요하다. 이러한 기술 생태계는 데이터의 원활한 흐름과 융합을 촉진하고, 혁신적 아이디어 발현과 신속한 상업화를 가능하게 한다. 

결과적으로, 기업들은 기존에 상상할 수 없었던 새로운 비즈니스 모델을 창출하고, 기존의 가치 사슬을 혁신하며, 궁극적으로 더 큰 가치를 만들어낼 수 있을 것으로 기대된다.