Power the Future 보고서: 새로운 기술과 미래의 공장

2015 2월 04, 09:00 CEST

작성자: Peter J Dobson OBE 교수, The Queen’s College, 옥스포드 및 워릭 제조업 그룹, 워릭대학교.

지난 20년간 제조업계에는 많은 변화가 있었습니다. 낡은 툴과 업무 관행에 의존했던 시끄럽고 지저분한 공장은 이제 역사 속의 일이 되었습니다. 대규모 엔지니어링 제조에서 조차 공장 현장은 눈에 띄게 깨끗하고 질서 정연해졌습니다. 이러한 변화가 가능했던 주된 요인은 효율성 개선, 고품질 상품, 비용 절감입니다.

이제는 새로운 기술의 등장과 기존 기술의 발전으로 공장의 미래가 어떻게 달라질 것인지 궁금할 것입니다. 정보통신기술(ICT)이 널리 사용되고 다양한 기술과 적용분야가 혼합되면서 미래의 인력 개발과 교육 방식을 포함하여 제조에 대한 태도도 달라지고 있습니다.

새로운 기술:

ICT의 중요성 대두와 발전은 누구나 알 수 있는 사실입니다. 공정을 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 제조 공정의 입력과 출력에서 재고를 모두 추적할 수 있고 데이터를 활용하여 효율을 극대화할 수 있습니다. 공장에서 사용되는 기계는 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있으며 유지보수 비용과 작업정지 시간 감소에 큰 도움을 줄 수 있습니다. 또한, 인적 오류 가능성도 줄어듭니다(Dhillon 2014).

설계 공정 자체가 달라졌고 설계 인원이 크게 감축되었으며 그에 따라 인프라도 달라졌습니다. 따라서 재택 근무가 증가하고 전문화된 설계 팀 또는 업체가 여러 제조 유닛을 담당하게 될 수 있습니다. 엔지니어가 '설계'를 더 자주 접하게 될 것입니다. 설계는 엔지니어링에서 더 많은 부분과 연결될 것이며 모든 수준에서 교육에도 상당한 영향을 줄 것이 자명합니다.

새로운 기술 중 바이오테크는 시스템 및 합성생물학의 발전으로 개선되었고 이어 나노기술이 등장하며 원료, 의료, 에너지, 기타 부문에 적용되었습니다. 이제는 인체 세포를 만들고 조작할 수 있는 새로운 공장이 필요함을 예측할 수 있습니다.

바이오테크는 많은 면에서 이미 공장 환경에 적용되고 있지만, 규모와 범위 면에서 훨씬 다양합니다. 이미 바이오 작물을 비식품 생산품과 에너지로 바꾸는 대규모 작업도 진행 중이며 비록 아직 규모는 작지만, 의료 및 기타 목적으로 순수 효소, 단백질, 생체 분자를 만드는 고도 기술 공장도 존재합니다. 이러한 활동은 유전자 조작에 대한 세간의 우려에도 불구하고 꾸준히 증가할 것입니다. 이와 같은 활동에서 공통적인 현상은 여러 분야에 걸친 활동의 중요성과 화학 및 공정 엔지니어의 필요성 증가입니다.

새롭게 개발될 가능성이 높은 것 중 하나는 ‘줄기세포 공장’과 이후에 ‘대체 장기 공장’입니다. 하지만 이를 위한 비즈니스 모델과 조직 및 구축 방식은 아직 결정되지 않았습니다. 바이오 테크 환경은 원치 않는 미생물, 바이러스, 균으로 오염되기 쉽습니다. 따라서 관리와 청결이 매우 중요하며 대부분의 바이오 테크 공장은 신중한 폐기물 보관과 함께 매우 깨끗한 무균 운영 조건이 특징이 될 것입니다.

다른 화학 공정과 마찬가지로 이러한 공장은 열 및 이산화탄소를 공장 내 다른 공정에 사용하는 것을 포함하여 폐기물 활용을 위해 노력할 것입니다. 이러한 폐기물 재활용, 열효율 최대화를 위한 노력은 공정 엔지니어의 업무에 깊숙이 자리 잡고 있습니다. 새로운 기술의 좋은 예는 폐기물 열, 유체 흐름, 진동에서 에너지를 확보하여 공장에 통합된 센서에 전력을 공급함으로써 케이블 없이 원격 측정을 이용하는 것입니다. 

나노기술은 증분적인 방식으로 재료를 획기적으로 개선할 가능성뿐만 아니라 저전력 조명, 새로운 에너지 보관 및 에너지 전환, 나노 의료 개발과 같은 영역에서 혁신을 제공할 수도 있습니다. 엄격한 통제 조건에서 나노입자와 기타 나노 구조물을 대량 생산하고 재료와 제품에 통합할 수 있도록 규모의 확장이 필요할 것입니다. 이 여정은 이제 막 시작되었을 뿐입니다. 우리는 이미 나노입자가 밖으로 방출되었을 때의 위험성을 알고 있기에 나노입자 사용은 엄격한 통제에 따를 것이며 그 자체가 향후 공장에서 방출되는 폐기물을 관리하는 새로운 방법에 도움을 주도록 할 것입니다. 또한, 점진적인 개선을 목표로 한다고 해도 새로운 나노복합재료 도입의 경제성을 다루어야 합니다. 대부분 업계에서는 비용이 가장 중요하며 시장에 의해 소폭의 성능 향상이 제조 비용 증가를 합리화할 수 있는지 결정됩니다. 앞으로는 제조에 대한 훨씬 자세한 수명 주기 분석이 이루어질 것입니다. 이는 이미 합성물 분야에서는 두드러지고 있는 추세입니다. 이런 물질은 재활용을 위해 원자재를 복구하는 것이 매우 어렵기 때문입니다. 자원이 고갈되면서 새로운 개념의 재활용 공장 개념이 등장할 수도 있습니다.

새로운 공장 개념은 다음과 같은 부문에 필요할 수 있습니다.

제약 부문은 곧 급격한 변화를 겪을 가능성이 높습니다. 새로운 약을 만드는 기존 방식의 대부분은 유지되나 품질 보장과 비용 억제를 위해 공정 자동화와 기기 통합이 심화될 것입니다. 새로운 약물 합성과 진단을 위한 나노기술의 도입은 특히 제품 제조에서 중요한 변화를 일으킬 것입니다. 이런 변화는 초기에 나노입자나 나노 캡슐을 통한 약물 제공을 통해 기존 조제법의 ‘수명 연장’에서 시작하여 점진적으로 이루어질 수 있습니다. 특히 들이마시는 약물에서 가능성이 높습니다. 모든 나노입자는 체내에서 정확한 목표에 도달할 수 있도록 상당히 정교한 '목표 인식' 표층을 갖게 될 것입니다. 이를 반복할 수 있고 규제 기관을 충족하는 방식으로 수행하는 공정을 만드는 것이 과제가 될 것입니다.

에너지 부문은 새로운 제조 방식이 필요할 것입니다. 나노입자를 비롯한 여러 바이오 테크의 측면은 새로운 에너지 저장 및 생성 방식의 중심이 되고 있습니다. 새로운 배터리 발전은 충전된 전화를 저장하고 방출하는 새로운 재료의 개발에 크게 의존합니다. 그러려면 큰 내부 표면을 갖도록 설계할 수 있는 탄소 기반 재료를 배터리에 통합할 수 있어야 합니다. 이를 위한 동인은 하이브리드 및 전기 자동차 업계로 제한되지 않고 일반적인 에너지 저장 분야 전체, 특히 풍력 발전이나 태양광 발전과 같은 간헐적인 재생 에너지 소스에서도 마찬가지일 것입니다. 더욱 정교한 형태의 촉매 작용을 위한 나노입자가 필요할 것입니다. '예비 전력'을 전기분해 또는 광분해를 통해 기체로 만들고 이산화탄소와 물에서 메탄을 생산할 수 있는 촉매와 리액터를 만든다면 훌륭한 잠재력을 가질 수 있습니다. 기체-액체 변환을 위한 촉매와 새로운 전문 리액터도 필요할 것입니다. 좋든 싫든 탄화수소는 에너지를 운반하는 매우 효율적인 수단이기 때문입니다.



운송 및 자동차 업계는 무게를 줄이면서 강도를 유지하기 위해 새로운 자재에 대한 까다로운 요구 사항을 두고 있습니다. 이미 경량화를 위해 강철 대신 알루미늄을 사용하고 있고 이러한 추세는 계속될 것입니다. 강철 대체를 위한 합성물이 특히 까다로운 것은 앞서 언급한 재활용 문제 때문입니다. 자동차와 건설 부문의 폐열에서 에너지를 복구하면 새로운 열펌프와 기타 에너지 컨버터가 탄생할 수 있습니다.

교육:

미래의 공장을 위한 직원 교육은 매우 시급하고 현실적인 문제입니다. 유럽에서는 ‘Manufuture’와 같은 이니셔티브가 다수 있었지만, 미국과 일본의 대조적인 상황은 Mavrikios et al(2013)에 잘 요약되어 있습니다. 이 분야의 세계적인 동향은 Secundo et al의 보고서에서 정리 및 분석되어 있습니다(2013). 여기서는 특히 기후 변화와 빈곤 완화를 고려한 희소 자원 보존의 사회적 필요성을 지적했습니다. 또한 이러한 문제와 함께 표준화, 혁신, 역량 개발 및 교육의 모든 중요 요소를 다루는 유럽, 일본, 한국, 미국, 스위스의 Manufuture 프로그램과 IMS2020 프로그램도 다룹니다.

예를 들어 영국은 몇 가지 수준으로 교육을 실시하고 있습니다. 기술 견습 기간을 통해 초기 단계 기술 교육을 확대하고 새로운 특수 기술 대학을 설치하여 Colleges of Further Education을 보완하고 있습니다. 졸업생 차원에서는 박사 학위 교육을 위한 전문 센터를 운영 중입니다. 영국과 다른 지역의 차이는 경험 이후 단계와 지속적인 직업 개발을 위한 강좌 제공에 있을 것입니다. 실제로 이것은 관리가 필요한 부분입니다.

EPSRC는 최근 제조 분야에서 교육과 지식 전달을 개선하기 위한 매우 집중적인 이니셔티브를 도입하고 혁신적인 제조를 위한 센터를 새로 16개 설치했습니다. 이와 같이 Technology Readiness Levels 1-3의 초기 단계에서 연구 및 개발 제공은 더 높은 TRL 수준을 다루는 새로운 InnovateUK Catapult 이니셔티브에 추가됩니다. 현재 6년에 걸쳐 1억 4천만 파운드의 투자로 전국에 7개가 설치되어 있습니다.

아직 다루지 않은 한 가지 측면은 미래의 공장 운영을 유지하는 문제입니다. 지난 몇 년에 걸쳐 특히 항공우주와 자동차 업계에는 특정 형태의 상태 모니터링이나 예방적 유지보수가 도입되었습니다. 제조 공정의 다양화와 자동화가 심화되면서 공장 장애와 특히 인적 오류 방지가 필요할 것입니다. 이 문제는 Dhillon의 보고서에 잘 설명되어 있습니다(2014).

미래의 공장 개발에 도움이 될 지역 및 국가 정책은 무엇입니까?

이 질문에 대한 대답은 널리 합의되어 있고 공통된 목적의 개발이 진행 중인 것으로 보입니다.

유럽 위원회는 미래 연구 협회의 유럽 공장에서 위탁한 문서인 ‘Factories of the Future’를 발행하여 Horizon 2020 프로그램을 위한 상세한 로드맵을 밝혔습니다. 이 문서는 기술, 사회 및 조직적 측면을 광범위하게 다루고 있습니다.

영국 정부는 미래의 제조 프로젝트 전망, 미래의 공장(Ridgeway et al (2013)의 일부로서 위탁한 문서를 발표했습니다. 이 문서는 다음을 권장합니다.
  • 더 많은 공급망 통합
  • 업계와 영국 대학 간 협업 강화
  • 조직 및 기술 혁신에 집중
  • '시스템 통합' 관점
  • 재구성 가능한 공장 및 운영 설계
  • 특히 생명 공학 분야에서 새로운 공장에 대한 우호적인 규제 프레임워크
  • 혁신을 촉진하고 인재 네트워크를 장려하는 영국의 비전
  • 문화의 변화가 필요하다는 인식

미래의 공장 건설을 위한 지역 정책의 중요성이 대두되고 있다는 증거가 확실히 있습니다. 예를 들어 모듈형 “플러그 앤 플레이” 방식의 개념이 EU 펀딩 지원으로 독일의 Bayer Technology Services 현장에서 화학 제조에 적용되고 있습니다. 루트비히스하펜의 대형 BASF 화학 제조 현장은 이미 폐기물과 에너지 사용이 최소화된 완전히 통합된 제조의 예를 보여주고 있습니다.

이러한 미래의 공장을 구축하기 위한 임무가 진행 중이며 우리 역시 이를 구현해야 하는 흥미로운 과제에 직면한 것이 분명합니다.

참고 자료:
Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis, D 및 Chryssolouris G.(2013). On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014). Human error in maintenance: An investigative study for factories of the future. Materials Science and Engineering. 65, 012031.

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G, Passiante G, Romano A and Moliterni P (2013) Developing the next generation of engineers for intelligent and sustainable manufacturing: A case study. International Journal of Engineering Education 29, 248.

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Peter Dobson bio

Peter는 제조, 고급 재료 및 나노기술 분야의 선도적인 전문가입니다. 그는 현재 Warwick University의 Warwick Manufacturing Group에서 Principal Fellow를 맡고 있으며 몇몇 EPSRC 패널 및 위원회와 업계 컨설팅에 참여 중입니다. 2002년부터 2013년까지는 Oxford University에서 Begbroke Science Park를 담당하고 여러 분할회사를 만들기도 했습니다. Peter는 2013년에 과학과 공학에 대한 공로로 OBE를 수상했고 같은 해 영국 연구재단에 대한 나노기술 전략 고문을 지냈던 Oxford University에서 퇴직했습니다(2009-2013).

P J Dobson, BSc, MA (Oxon), PhD, C Phys, F Inst P, Member of the ACS, FRCS.

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