친환경 및 자동화 제조 기술 동향

금속 가공 분야 일본 기업 사례를 중심으로

건국대학교 산업공학과 

김형중 조교수

서론

사물인터넷(IoT), 생성형 인공지능(Artificial Intelligence, AI) 등 정보통신기술(Information and Communication Technology, ICT)의 발전은 최근 디지털 전환(Digital Transformation, DX)을 통해 확산되며 기업 활동에 새로운 기회를 제공하고 있다. 하지만, 다른 한편에서는 고객 수요의 급격한 변화, 환경 영향에 대한 전 세계적인 관심과 에너지 및 자원 비용의 급격한 증가로 기업이 활동하는데 있어 생산성 향상 외에 사회적 책임과 지속가능한 성장이 강력히 요구되고 있다.

이러한 패러다임의 변화와 함께, 빠르게 확산되고 있는 탄소발자국(carbon footprint), RE100, ESG 경영, UN SDGs(Sustainable Development Goals) 등의 환경 영향 저감과 지속가능한 성장에 관한 활동들은 이제 관심을 넘어서 평가지표와 규제로 강화되고 있다. 이제 제조업에서 생산성과 친환경을 모두 달성하기 위해서는 기존의 운영 방식과 다른 새로운 접근이 필요하다.

본 기고에서는 친환경 및 자동화 제조 환경 변화와 금속 가공 분야의 일본 기업 사례를 기반으로 제조 기술 동향을 살펴본다. 그리고 이를 통해 국내 제조 기업이 친환경 및 자동화를 통해 제조 혁신을 추구하기 위한 방안을 생각해보고자 한다.

친환경 및 자동화 제조 환경의 변화

우선, 친환경 제조와 관련된 환경 변화는 다양한 환경 영향 저감 활동을 요구하고 있다. 탄소발자국은 개인이나 기업, 국가 등의 집단이 어떤 제품이나 서비스를 사용하는 일련의 과정에서 배출되는 탄소의 양을 나타내는 지표이다. 최근 기업들은 제품 자체의 탄소배출량 뿐만 아니라 생산 전과정에서의 데이터를 제공하고 저감하도록 요구받고 있다. 다음으로 RE100은 기업 활동에 필요한 전력의 전부(100%)를 태양광과 풍력 등 재생에너지(renewable energy)를 이용해 생산된 전기로 사용하겠다는 자발적인 글로벌 캠페인이다. 기업이 RE100을 이행하기 위해서는 재생에너지 발전 시설을 구축하거나 구매하고, 에너지 효율을 높이기 위한 개선 활동을 수행해야 한다. ESG란 환경(Environmental), 사회(Social), 지배구조(Governance)를 뜻하며, 기업 경영에서 지속가능성을 달성하기 위한 핵심 요소이다. ESG의 중요성이 부각되면서, ESG 경영의 평가 결과가 기업 평가의 핵심으로 고려되며 투자 결정에도 큰 영향을 미치고 있다. 마지막으로 UN SDGs는 유엔에서 2015년에 합의된 달성과제로 2030년까지 도달해야 하는 17개 구성되어 있으며, 인류의 보편적 문제와 지구환경 문제, 경제사회 문제의 해결을 추구한다. 친환경과 관련된 목표로는 7. 깨끗한 에너지, 12. 책임 있는 소비와 생산, 13. 기후 변화 대응이 있다.

한편, 최근 발전된 ICT는 IoT, AI와 데이터 분석, 로봇과 같은 자동화 기술을 제시하고 있다. IoT의 발달로 제조업을 포함한 산업 현장은 DX를 통해 그 어느 때보다 다양한 데이터를 빠르게 축적하고 있다. 심층신경망(deep neural network)을 기반으로 하는 인공지능 알고리즘은 데이터의 분석, 분류, 예측, 최적화에 관한 도구들을 제시하고 있다. 특히, IoT와 AI를 산업 문제에 접목시키는 산업인공지능(Industrial AI)은 기존의 인공지능이 다루지 못했던 현장 이슈를 해결하면서 각광을 받고 있다. 그리고 협동로봇(collaborative robot)과 자율주행로봇(Autonomous Mobile Robot, AMR)을 비롯한 다양한 로봇 애플리케이션은 OT(Operational Technology)-IT(Information Technology) 통합 운영의 부족한 연결고리를 자동화로 대체하는 효과를 보여주고 있다.

친환경 제조 기술 동향

일본은 총리 및 각 부처 장관으로 구성된 UN SDGs 촉진본부를 통해 환경 영향 저감을 수행하는 대표적인 국가로 알려져 있다. 그래서 일본 기업은 SDGs를 기반으로 한 다양한 환경 영향 저감 방안을 개발하여 제시하고 있다. 그림 1은 산업 제어 시스템 기업인 FANUC과 자동차 제조사인 Toyota의 사례를 보여준다.

세계적인 금속 가공 장비 기업들을 다수 보유하고 있다. 금속 가공 분야의 주요 일본 제조 기업들은 에너지 및 부산물 저감 뿐만 아니라 더 높은 생산성을 추구하는 특징이 있다. 다음은 최근 활발히 사용되고 있는 친환경 제조 기술의 사례들을 보여준다. 

1) 진동 절삭(oscillation cutting)

터닝 가공에서 길고 얽힌 형태의 칩(chip)은 가공 중 부품 훼손 등으로 생산성을 낮출 뿐만 아니라 공구 수명을 단축시키고 부산물의 처리를 어렵게 한다. 진동 절삭은 가공 방향으로 공구를 진동 시킴으로써 칩이 짧게 부숴지도록 하여 가공 품질을 향상시키고, 비용과 자원을 절약할 수 있는 기술이다. 그림 2는 진동 절삭의 개념과 일본 공작기계 기업의 사례를 보여준다.

2) 마찰 교반 용접(friction stir welding)

마찰 교반 용접은 돌기를 가진 공구를 고속으로 회전시키며 발생하는 마찰열을 이용하여 접합면을 용접하는 기술이다. 일반적인 용융 용접에 비해 변형이 적어 기계적 성능이 우수하여 최근 발전하고 있는 친환경 전기차 부품 가공에 주로 사용되고 있다(그림 3).

3) 레이저 적층 하이브리드 제조 기술(laser additive hybrid manufacturing)

최근 금속 적층 기술의 발전되어 소량의 고성능 부품 제작을 위해 부산물 발생을 줄이고 가공 시간을 단출할 수 있는 레이저 적층 기반 하이브리드 제조 기술이 각광을 받고 있다. 그림 4는 글로벌 Top-tier 공작기계 제조사인 DMG MORI사와 MAZAK사의 하이브리드 제조 기술 사례를 보여준다.

이외에도 DMG MORI사의 가공 중 발생하는 오일 미스트 증기를 최소화는 ZeroFOG, OKUMA사의 운영 및 대기 상태의 에너지를 절감하는 Eco Suite Plus, THK사의 IoT 기반 유지 보수 시스템인 OMNI edge 등의 사례가 있다.?

자동화 제조 기술 동향

자동화 기술 분야에서는 인력 부족과 인건비 상승의 문제를 해결하기 위해 최근 관심을 받고 있는 협동로봇을 이용한 사례들이 다수 제안되고 있다.

금속 가공 산업에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 공작기계에서는 AMR에 산업용 로봇 또는 협동로봇을 탑재한 자동화 플랫폼이 눈에 띄게 증가하였다(그림 5). 이러한 구성은 모바일 매니퓰레이터라고 하며, 고정된 형식의 자동화 시스템과 달리 맞춤형 생산에 유리한 지능형 제조 환경의 구성이 가능한 장점이 있다.

또한, 대형 공작기계뿐만 아니라 기존에 작업자들의 수작업에 의존하던 여러 단위 공정 들에서도 협동로봇을 활용한 자동화 방안들이 제시되고 있다. 그림 6에 보여지는 사례들과 같이 숙련된 작업자의 작업 절차를 로봇으로 반복할 수 있게 구현하여 생산성과 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 비전 및 AI와 통합하여 솔루션을 구성할 경우, 우수한 성능과 다양한 작업에 대한 유연성을 확보할 수 있다.

맺음말

통신 및 운송 기술의 발달로 제조업의 글로벌 경쟁이 심화되고 있으며, 친환경 및 자동화는 더 이상 선택이 아닌 필수적인 요소이다. 일본 기업 사례를 통해 살펴 본 친환경 및 자동화 기술의 동향은 최신 기술을 적극 수용한 성공적인 결과들을 보여주고 있다. 수출 중심인 국내 제조업의 특징을 감안하면 국내 기업도 친환경 제조 및 자동화 기술을 보다 적극적으로 도입하여 글로벌 시장에서 생산성뿐만 아니라 평가지표와 규제 측면에서도 경쟁력을 확보해야 한다. 나아가 관련 분야에서 원천 및 우수 기술을 보유한다면 대한민국 제조업의 경쟁력을 한 단계 강화할 수 있을 것이다.