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- 스마트한 자동화 시스템 설계 및 제어기술 연구
- 박홍석 교수(울산대학교 기계공학부)
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ulsan.ac.kr - : 울산대학교 기계항공관 2-508호
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안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!
자동차 부품 중 폴리(pulley) 생산 라인은 생산 공정들이 동적으로 변하는 제조환경에 적응하지 못해 많은 불량을 발생하고 있는 실정입니다. 오늘 인터뷰에서 만나보실 분은 이런 동적 환경변화에 공정변수들을 실시간으로 제어하는 방법으로 품질의 균일화를 기하는 자율대응 시스템을 개발하신 울산대학교 기계공학부 박홍석 교수님이십니다. 교수님께서는 최근에 국제학술대회(ICMTE 2014: International Conference of Manufacturing Technology Engineers)에서 최우수 논문상(Best Paper Award)을 수상하기도 했다는데요. 그럼 교수님을 직접 만나 뵙고 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.
1. 지금 교수님께서 하시고 계시는 연구에 대한 설명 부탁드립니다.
저는 생산 공학(production engineering, 生産工學)을 연구합니다. 생산 공학은 기업의 생산성 및 품질관리를 향상시키기 위해서 적용시키는 아주 폭넓은 기술이라고 할 수 있습니다. 사람들이 일반적으로 순수하게 생산 현장에서 장비 오퍼레이션을 하고 물건을 생산하는 것이라고 생각하는데요. 좀 더 넓게 보면 고객의 주문에 의해 제품을 생산하는 전 공정입니다. 제품에 고객의 요구사항과 설계사양을 도출해서, 설계사양에 의해 자기가 원하는 것을 설계도 하고, 어떻게생산할 것인가 하는 전략도 세워, 공장에서 생산과 조립하고 품질검사 및 출하를 하는 전 과정이 생산 공정입니다. 저도 설계를 통해 필요한 생산 장비라든지, 또는 사용되는 툴을 설계 및 개발을 하고 있습니다. 또 공정 설계도 하고, 공장에서 품질과 생산성을 높이기 위한 자동화 분야로 생산에 대한 전 공정을 연구하고 있습니다.
2. 지금까지 많은 논문 중을 쓰셨다고 들었는데요. 작년 국제학술대회(ICMTE 2014: International Conference of Manufacturing Technology Engineers)에서 ‘폴리 제조를 위한 자율제어 시스템(A self-Adjusting system for forming pulleys)’으로 최우수 논문상도 수상하신 것으로 알고 있는데요. 논문 내용에 대해서 궁금합니다.
논문은 작년에 최우수 논문상을 받았는데요. 대구에 있는 중소업체와 같이 공동연구를 한 겁니다. 지원은 정부에서 받았습니다. 폴리는 자동차 부품인데요. 생산하는 공정에 있어서 불량이 상당히 많았습니다. 기존에는 주어지는 공정 파라미터에 의해서만 생산했는데, 공장의 환경이라는 게 수시로 변합니다. 그래서 원래 처음 계획했을 때 내렸던 데이터가 아침 10시의 상황과 오후 4시의 상황이 다릅니다. 그럼에도 불구하고 규정된 대로만 작업하라고 하니 불량이 날 수 밖에 없죠. 결국 변하는 상황에 적응하여 인지 설계 및 공정변수들도 그 상황에 맞게끔 자율적으로 바꿔 적용을 시켜 품질불량을 없도록 하는 스마트 시스템, 스마트 공정을 개발한 거라고 볼 수 있습니다.
3. 교수님께서 방금 말씀하셨는데요. 교수님께서는 스마트한 제조기술에 대해서 어떻게 생각하시나요?
독일에서 “인더스트리 4.0 (Industry 4.0)”이라고 하여 그것을 토대로 국내에서도 전부 스마트 시스템으로 만들자고 합니다. 스마트 시스템은 기존에 주어진 또는 정해진 파리미터만 가지고 작업을 하기보다는 외부에서 들어오는 환경을 스스로 인지해서 환경변화를 감지하고 적절한 조치를 스스로 내릴 수 있게끔 하는, 기존의 자동화하고는 다른 시스템이라고 볼 수 있습니다. 우리나라에서도 “제조업 혁신 3.0”이라 하여 상당히 그 분야로 진출하고 있는데요. 독일의 인더스트리 4.0 을 목표로 하여 많이 따라가고 있습니다. 현재 국내에서도 그 분야로 R&D를 지향하려고 많은 분들이 노력하고 있습니다.
4. 자동차 부품 풀리(pulley) 생산라인에서의 문제점이 무엇이며 불량을 최소화 하는 방법에는 어떤 것들이 있는지 궁금합니다.
기존의 방식은 2시간 생산하고 품질검사를 해서 불량이 생각했던 것 보다 많이 나왔다면 그 라인을 전부를 멈춥니다. 그 후 조사와 분석을 하니, 품질이 불량이 난 걸 어떻게 할 수는 없고, 나중에 재가공을 한다든지 해야 하는데 생산라인은 멈추었고, 전체적으로 전수검사를 하게 되니 품질불량 뿐만 아니라 생산성도 굉장히 큰 손실을 받고 있었습니다. 자율시스템은 공정이 흘러가면서 변하는 사항을 스스로 인지하여 바로바로 대응을 하니 2시간마다 서야할 이유도 없고. 지속적으로 생산을 하면서도 품질도 원하는 일정한 범위 안에서 생산할 수 있어, 기업의 생산성과 품질향상에 상당히 공헌 하는 것은 사실입니다.
5. 교수님께서 관심을 가지고 있는 분야가 생산 공정 및 공법개발(사출, 소성 및 절삭, 용접 등), Digital Manufacturing, 지능 및 자동화 시스템 설계 및 제어기술, 생산 장비 및 도구개발 등인 것으로 들었습니다. 최근 관심 있게 보고 계시는 분야가 어떤 것인지 궁금 하구요. 현재 어떤 프로젝트를 수행하고 계시는지 궁금합니다.
우리가 가공을 할 때, 예전에는 주어진 가공대로 하기에 이송속도가 균일하게 갔는데, 지금은 부하가 많이 걸리면 스스로 속도를 줄이고, 힘이 적게 걸린다면 속도를 올려 생산성을 높이게 됩니다. 어떻게 보면 기존 가공시간을 대폭 단축시킬 수 있는, 자율적인 전략시스템이 개발되는 거죠. 이게 바로 스마트 시스템입니다.
그리고, 요즘에는 융합연구로 의과대학 교수님하고 같이 바이오 공동 연구 중인데요. 줄기세포를 어떻게 하면 품질이 좋고, 불량 안 나게 배양할 수 있는지에 대해 연구하고 있습니다. 줄기세포도 얘 같더라고요. 줄기세포는 현재 의과대학에선 완전히 수동으로 하고 있는데, 줄기세포 배양을 자동으로 하는 그런 시스템을 융합연구로 진행 해보려고 합니다.
다른 또 하나는 3D 프린팅으로 하지의 보조부나 지지부에 들어가는 의료부품을 개발하는 "3D 프린팅 공정 개발 및 프로세서를 수행하는 전략개발" 등의 연구를 하고 있습니다.
6. 최근 산업계는 그린 에너지가 이슈 되면서 에너지 절약을 할 수 있는 장비에 대해 관심이 높아지고 있습니다. 가령 애플리케이션을 통해 장비의 이상 유무를 점검하고 의사를 결정해서, 커뮤니케이션을 할 수 있다고 하는데요. 그게 가능한 일인지 궁금하구요. 또 그렇게 했을 때 문제점은 없는 건지?
그린에너지가 오늘 날 이슈가 되면서, 가능한 적은 에너지를 가지고 장비를 운용한다든지, 생산을 하자는 쪽으로 초점을 맞추고 있습니다. 작년에 3년짜리 과제가 끝나기도 했는데, 자동차 부품인 크랭크 샤프트의 전 공정에 대한 상관관계를 분석해서 - 예를 들면 단조에서부터 절삭가공까지 다 분석이 들어가는데, 공정이 서로 연관이 되어있습니다. 우리가 궁극적으로 원하는 건 최종 완성이 다 된 다음에 에너지가 가장 적게 들어가는 것이죠. 단조에 에너지를 적게 들어갔지만 절삭에서 에너지가 많이 들어가 전체적으로 보면 에너지가 더 많이 들어갔다면 의미가 없는 것입니다. - 최종적으로 제품이 나왔을 때에 에너지가 가장 적게 각각의 공정 변수들을 최적화하는 방향으로 연구를 했습니다.
예전에도 장비가 스스로 자기의 상태를 진단하는 모니터링 시스템이 있어 상태는 알 수 있지만 액션은 못 취했습니다. 그러나 오늘 날에는 장비가 스마트하게 되어, 센서를 통해서 자기 몸의 상태를 알고, 상태에 따라서 액션을 취할 수 있는 그러한 알고리즘, 즉 자기 두뇌를 개발하는 방법이 있습니다. 자기의 속성도 알아야 하고, 그 속성을 바탕으로 환경에 가장 적합한 결정을 내려야 합니다. 그러려면 여러가지 해석을 통해, 자기가 어떤능력이 있고, 어떤 걸 할 수 있는지 가능성을 알아내고, 몸에 맞는 액션을 취해야 하는 알고리즘을 개발해야합니다. 즉, 자기 몸의 상태를 파악할 수 있는 공학적인 모델을 정확하게 만들어 내고, 액션을 취할 수 있는 알고리즘을 개발을 해야 되는데, 이 두가지가 그렇게 쉬운 일은 아닙니다. 실제 상황을 적용할 수 있는 모델을 개발해야하고, 그 다음에 소프트웨어로 적합한 액션을 취할 수 있는 전략 알고리즘을 개발해야 됩니다. 그 두 가지를 많은 연구자들이 연구를 하고 있을 겁니다.
7. 교수님께서는 독일에서 생산 공학을 전공하셨다고 들었는데요. 독일의 경우 어떤 제조환경을 가지고 있는지 궁금합니다. 우리나라와 비교한다면?
독일 사람들이 정의한 것에 의하면 인더스트리 1.0은 제임스 와트의 증기엔진을 이용한 산업혁명으로, 새로운 동력을 산업에 운용할 수 있게 되면서 인간의 작업 노드를 굉장히 줄여준 거죠. 인더스트리 2.0은 그 전에는 가내 수공업으로 하나하나씩 만들어내서 가격도 비싸고 그랬는데, 미국의 포드 자동차가 대량 생산 체계인 트랜스퍼 라인(Transpor Line)를 만들어서 생산성을 높이고, 가격을 많이 다운을 시켰죠. (물론 같은 모델이 계속 생산이 되지만) 인더스트리 3.0의 세대는 지금의 생산로봇에 의한 자동화들이고, 인더스트리 4.0세대는 ICT기반에 의해한 스마트화입니다. 인더스트리 4.0에서는 두가지 중요한 점은 “사물인터넷(Internet of Tings (IoT)”하고 Cyber Physical System.(CPS)입니다.
궁극적으로는 설비를 구축하고 하는 것은 외국 엔지니어 회사에서 받아서 하고 있습니다. 차이점은 똑같은 시스템인데 그걸 어떻게 운영을 하는가 입니다. 외국의 현장에서는 일어나는 문제점을 파악해서, 그걸 지식화하고 피드백 되어 기존의 문제가 나오면 바로바로 대응을 할 수 있는 반면, 우리는 아직 어렵다는 것입니다. 물론 안 하는 건 아니지만, 그래도 이런 문제점으로부터 지식을 도출하고, 그 지식을 바로 현장에 활용하여, 같은 문제 또는 유사한 문제가 발생했을 때, 바로 즉각적인 대응을 할 수 있고 없고가 선진국과 우리와의 차이지 않은가 싶네요. 지식의 바탕 위에서 같은 시스템과 장비더라도 효율적으로 움직이려고 하는 점이 독일과의 차이라면 차이인 것 같습니다.
8. 독일교육에 대하여..
독일에서는 구구단을 안 가르쳐요. 우리는 의미도 모르고 삼삼은 구, 삼오 십오하면서 벌써 계산이 나오고 이러잖아요. 근데 독일 애들은 구구단이 없어요. 걔네들은 가르치면 세 개짜리가 세 번이 반복되면 몇 개냐. 이렇게 한다는 거죠. 이렇게 가르치지, 우리처럼 아무 의미도 없이 암기를 안한다는 거죠. 우리는 의미도 모르고 암기해버리니까 이게 벌써 그때서부터 차이가 나는 거예요. 우리는 점수기준이고 독일은 어렸을 때부터 원리개념적으로 교육시킵니다. 독일 가서 저도 처음에 가서 이 사람들 계산하는 게 굉장히 갑갑했어요. 아까 말처럼 내가 100원을 주고 95원을 샀으면 우리는 당연히 5원을 딱 주는데, 그 사람들은 96, 97, 98, 99, 100 이렇게 해서 5개를 만들어서 주는 거예요. 계산기 없으면 계산하는데 시간이 오래 걸립니다. 답답할 지경인데, 그게 처음에는 그렇게 답답해 보이지만 나중에 개념을 알면, 그 계산은 프로그램으로 만들어 버리면 된다는 거죠.
9. 앞으로도 연구를 계속 하실 거잖아요. 향 후 앞으로 어떤 연구를 하실 건지, 계획이 있다면 말씀 부탁드립니다.
제가 생산분야를 연구 하니깐, 지속적으로 가능하면 새로운 공법, 새로운 기술을 개발 해서 생산성 향상과 품질을 높일 수 있게 경쟁력을 키워야만 합니다. 지금 신흥국가들이 우리를 위협하고 있습니다. 대표적으로 시장이 크다고 하는 중국, 인도인데요. 요새 많은 사회적으로 이슈가 되고 있지만은, 우리는 포스트 팔로워하는 역할을 했습니다. 전체적인 기술 을 개발하기보다는 남이 잘하고 있는걸 가져다 썼죠. 신문에서도 많이 말하고 있지만, 중국과의 기술 격차가 굉장히 좁아지고 있다고 합니다. 한국의 기술력은 일본이나 독일이라든지 선진기술에는 따라가지 못하고, 우리가 가지고 있던 기술은 중국 같은 신흥 국가에 의해서 자꾸 격차가 줄어들고 있는 실정입니다.
우리가 차지했던 시장을 신흥산업국가인 중국이 더 싼 가격과 비슷한 품질로 뺏어 간다는 거죠. 그래서 우리는 더 고부가 가치인 선진 기술로 선진시장을 뺏어 와야 하는데, 그건 못 하고 있고, 우리 것은 빼앗기고 있습니다. 더 위험한건 중국은 시장이 있잖아요. 독일의 중소업체 사장들이 하는 이야기를 들어보면, 중국은 시장이 크니까 독일에서 자기네들이 중국 시장을 진출하기 위해 오히려 합작이라는 형식으로 기존 기술을 중국에게 주면서 중국시장에 진출을 하고 있다는 겁니다. 우리는 선진국의 기술격차는 줄이지는 못하고, 우리 기술 격차는 중국이 부분적으로는 더 빨리, 또는 앞으로 2~3년내에 우리보다 앞서 갈 거예요. 지속적으로 포스트 팔로워가 아니라 포스트 무브로 갈 수 있는 경쟁력 있는 첨단 기술을 개발해야 되는 게 우리 연구자들의 사명인 것 같습니다.
10. 현재 줄기세포 공동연구를 하고 계신다고 들어습니다만?
현재는 수동으로 하다보니 줄기세포를 만들면 한 두 개 밖에 추출을 못해요. 암세포와 싸우게 하려면 다양하고 건전한 줄기세포를 만들어야 합니다. 배양을 할 때 양도 많아야 하고, 아주 건강한 줄기세포를 만들어 내야 됩니다. 그런데 지금은 사람이 비이커를 흔들어주고 해서 만들다 보니 생존율도 낮고, 건전하지가 않습니다. 그래서 도중에 죽는 확률이 굉장히 많습니다. 줄기세포 키우는 게 얘 키우는 거랑 똑같아요. 줘야 할 시점에 영양분도 줘야 되고, 그 다음에 가만히 놔두면 비만해지니 적당하게 자극을 줘야 되요.. 자극을 줘야만 자기도 살아남으려고 스스로 활동을 합니다. 그러한 연구를 의사들과 같이 하고 있습니다. 줄기세포를 양이 많으면서 아주 건전한 세포로 만들려면 어떤 모션이 좋은지, 또 어떤 양분을 언제 어떻게 줘야 하는지-너무 심하게 모션을 준다든지 심한 자극을 주면 하다가 다 죽어버리니까- 그런 것들을 체크해서 모션과 양분들을 주는 배양 프로세스를 만드는 것은 의과선생님이 하고, 우리는 의과선생님이 요구하는 메커니즘, 즉 필요한 시점을 측정하고 있다가 자동화 제어로 그때 그때 양분을 주는 거예요. 그러면서 적당히 자극도 줘야 하는데 너무 빨리 움직여도 안 되니 처음에는 웨이브 파동만 줬었는데- 아기들이 흔들리는 요람에 타고 있으면 굉장히 좋아하고 자기만족을 하더라는 아이디어로-자이로스코프로 이용하여 요람처럼 움직임을 주게 하였습니다. 아직 장비는 구축이 안됐는데, 그러한 메커니즘으로 하니 살아나는 숫자가 더 많아졌습니다.
융합이 되는 게, 우리는 메커니즘이 어떤 게 좋을 거다라고 제안도 하고 실험도 하고, 어떤 컨셉이 나오면 어떻게 장비로 구현을 할것인지 연구합니다. 또한 위생도 굉장히 중요합니다. 부식 오염물이 들어가서도 안 되고, 자라는 것도 계속 모니터링을 해서 건강하게 자라는지, 아니면 다른 어떤 나쁜 세포가 들어왔는지를 모니터링 하고 있다가 빨리 제거한다든가 바꿔치기 해버려야 된다는 거죠. 그러한 것을 공동 연구하고 있습니다.
11. 같은 분야를 공부하는 후학들에게 한 말씀 부탁드립니다.
아까 말씀드렸던 두 가지가 선진 기술이 올라가는 키포인트라고 할 수 있습니다. 어떻게 하면 사물을 또는 실제 현상을 그대로 잘 기술할 수 있는 엔지니어링 모델을 만들어 낼 수 있느냐와 그 모델의 바탕 위에서 그 상황에 맞는 적합한 결정을 내리는 알고리즘. 그 두 개를 확보해야 되는 게 포스트 무브로 가기위해서 필요합니다. 엔지니어링 모델을 잘한다는 것은 기초 지식이 확실해야 됩니다. 국가에서도 창의성, 창의성 하는데, 기존의 시험보고 점수를 따는 방법을 배우는게 아니라, 자기가 문제의식을 가지고 이게 왜 이렇게 되느냐 또는 그걸 해석하려고 하는 개념위주로 가야된다는 거죠.
한 에피소드로 독일 교수가 와서 현대 자동차 설계실을 갔는데 연구원이 자기가 쓴 책을 보고 있더래요. 그래서 참 반갑기도 해서 거기 있는 예제 문제 하나를 풀어 보라고 했는데 책도 있고 수식을 암기한 것도 있어서 잘 풀어나가더래요. 그런데 그와 똑같은 문제에 나오는 핵심이 응용돼있는 제품이 바로 옆에 있어서, 이 제품은 어떻게 만들어졌고, 어떻게 치수가 결정됐냐고 물었더니 전혀 답을 못하더라고 하더군요. 그래서 자기가 굉장히 이상하다고 생각을 했던 게 왜 이런 문제는 풀면서 이 질문에는 답을 못하느냐?라고 생각했답니다. 그래서 제가 그 독일 교수에게 이게 실상 우리의 가장 근본적인 문제인 것 같다. 그러면 어떡해야 하냐고 물었더니, 독일처럼 진정한 산학협력을 통해 문제의 핵심을 풀려고 상호 노력하는 분위기를 지향해야, 현장위주의 산업 개념을 응용 할 수 있는 사고가 커진다고 얘기를 하더라고요.
* 참고자료:인더스트리 4.0 (Industry 4.0) : 인더스트리 4.0은 사물 인터넷(internet of things)을 통해 생산설비를 제품과 상황에 따라 능동적으로 작업 방식을 결정하게 하는 개념으로, 지금까지는 생산설비가 중앙집중화된 시스템의 통제를 받았지만 인더스트리 4.0에서는 각 기기가 개별 공정에 알맞은 것을 판단해 실행하게 된다.
* 인터뷰 진행: 장지현 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 (event1412@hanmail.net)
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