[우수 연구자] 기계공학부 윤주성 교수

-간략한 소개 부탁드립니다.

  안녕하세요. 경남대학교 기계공학부 윤주성 교수입니다. 2020년 9월에 경남대학교에 임용되어 창원으로 오게 되었습니다. 그동안 한국생산기술연구원에서 10년간 연구 활동을 진행 했었습니다. 그 전에는 삼성전자에서 일을 했었고 회사와 연구소에 있다가 지금은 학교로 왔습니다.

<사진: 경남대학교 기계공학부 윤주성 교수>

-교수님께서는 어떤 연구 분야를 연구하시나요?

  사실 연구 분야 설명을 다양한 형태로 말씀을 드릴 수 있을 것 같습니다. 지금 가장 화두가 되고 있는 부분이 4차 산업혁명인데요, 4차 산업혁명에서 가장 중요한 테크놀로지나 툴이라고 할 수 있는 이네이블러(enabler, 조력자)가 스마트공장이라고 할 수 있습니다. 지금 계속 연구하고 프로젝트를 진행해 왔던 부분들은 스마트공장과 관련된 분야입니다.

-스마트공장 관련 분야는 어떤 연구인가요?

  대학원에서는 CAD/CAM(Computer Aided Design, Computer Aided Manufacturing) 분야를 공부했었습니다. 그래서 절삭 가공을 위해 공작기계를 사용할 수 있도록 형상을 모델링하고 프로세스 플래닝을 통해 기계가 제어 할 수 있는 언어로 변환해서 기계에 지령해 줄 수 있는 컴퓨터 지원 도구를 개발하는 일들을 해왔습니다.

  이러한 엔지니어링 소프트웨어의 연장선상에 있는 분야가 스마트공장으로 연결될 수 있습니다. 아무래도 제조업에 소프트웨어적인 테크놀로지(technology)를 적용하고 소프트웨어 응용이 ICT(Information and Communication Technologies) 분야로 점점 확대되면서 정보시스템 뿐만 아니라 센서 및 네트워크, 그리고 이를 응용한 인공지능적인 기술들이 접목되고 확장되는 추세입니다. 그래서 연구소에 있을 때는 큰 대형 과제들을 기획하거나 실제로 그 과제를 수주해서 제조현장에 구축하고 실제로 산업체에서 활용 할 수 있는 시스템을 만드는 데 관심을 가지고 계속적으로 수행을 했습니다.

<사진: 스마트공장 이미지=dreamstime>

-스마트공장 관련 분야는 많은 연구가 연계되어 있는 것 같습니다.

  제가 하는 연구들이 소프트웨어를 개발하는 것과 관계가 많은 편입니다. 특히 기계시스템과 연동되어서 같이 구동될 수 있는 소프트웨어를 연구했습니다. 제가 대학원에서 CAM 시스템을 개발했던 것들이 오프라인에서 작업을 해서 기계에게 전달해 주는 형태의 소프트웨어였다면 제가 최근까지 활발하게 연구하고 있는 부분들은 공작기계 자체에 탑재되는 소프트웨어와 관련된 것들입니다.

  기계시스템의 데이터를 받아서 그것을 가시화하고 이를 바탕으로 연산이나 학습, 또는 예측하고 최적화하는 알고리즘을 구동시키고 그 결과를 다시 기계에게 실시간으로 전달해서 기계가 더 나은 퍼포먼스로 수행될 수 있도록 관련 기술과 시스템 개발하는 것입니다. 특히 산업에서 요구사항이 많은 부분, 산업에서 사용할 수 있는 것, 산업에서 좀 선도해서 갈 수 있는 부분에 많은 관심을 가지고 있습니다.

-스마트공장과 관련해서 산업체가 요구하는 사항이 많을 것 같습니다. 공작기계의 스마트화를 지원하는 플랫폼을 만들었다고 들었습니다.

  공작기계를 보면 조작 버튼과 함께 지금 기계가 어떻게 작동되고 있는지 상태를 볼 수 있는 화면이 있습니다. HMI(Human Machine Interface)라고 하는 시스템인데, 장비와 사용자가 상호작용(interaction)을 하는 부분입니다. 예전에는 HMI 소프트웨어가 굉장히 단순한 형태, 최소화된 형태로 만들어져 있었는데, 최근에는 스마트폰이나 태블릿 PC와 같은 터치 기반의 시스템으로 변화되고 있는 추세입니다. 기존의 전통적인 공작기계의 HMI를 App 기반의 HMI 화면으로 만들고 기계 자체를 조작하거나 관리하는 기능 외에도 기계를 유지보수 및 운영하는데 필요한 추가적인 다양한 기능들을 스마트폰을 꾸미는 것처럼 사용자 맞춤형으로 개발할 수 있습니다. 이러한 것들을 만들기 위해서 플랫폼에 대한 연구 개발을 진행 했습니다. 플랫폼이 있어야 우리가 IOS(애플이 개발 및 제공하는 임베디드 운영체제)나 안드로이드(휴대폰용 운영체제·미들웨어·응용프로그램을 한데 묶은 소프트웨어 플랫폼)처럼 App이 돌아가니까요. 공작기계 사용 환경에 적합하게 안드로이드 플랫폼을 벤치마킹해서 공작기계용 HMI 플랫폼을 개발하고 그 플랫폼 위에서 구동되는 App을 제작하여 탑재하는 일들을 최근 5년 정도 수행해 오고 있습니다. 이를 바탕으로 국내 공작기계 제조사들과 같이 협업을 진행했습니다.

<사진: HMI 예시>

-4차 산업혁명시대에 스마트공장이 산업에 가시화되고 플랫폼까지 만들어 고도화되고 있는 것 같습니다. 큰 회사라고 하셨는데 같이 협력하고 플랫폼이 운영되고 있는 회사가 어디인가요?

  6년 전 2016년에 과제를 기획하고 시작했을 때 함께 했던 현대위아 공작기계가 있습니다. 현대위아 공작기계가 지금 본사는 창원에 있고 연구소는 의왕에 있습니다. 의왕연구소에 공작기계 솔루션 개발팀과 협업해서 요구사항들을 바탕으로 저희 연구팀이 아이디어를 발전시키고 해외 사례를 벤치마킹해서 독일이나 일본의 공작기계 시스템이나 플랫폼과 경쟁할 수 있는 형태로 만들기 위해 노력을 시작했습니다. 고가의 장비, 고가의 장비라는 것이 가격이 비싸다기보다 운영하기 좀 어려운 것, 고속으로 가공하는 장비, 아니면 작업을 준비하고 세팅하기에 어려운 장비 등 작업자의 시행착오가 있는 작업들이 많은 장비들은 소프트웨어적인 기능들을 추가함으로써 작업하는 시간과 셋업 하는 시간을 단축할 수 있기 때문에 현대위아 공작기계와 먼저 시도를 해 보았습니다.

-우리가 쉽게 접하는 스마트폰 및 태블릿 PC의 디스플레이와 App처럼 공작기계도 스마트해진다니 신기합니다. 다른 회사도 있을까요?

  앞서 1단계 과제가 끝나고 2단계 과제로 넘어가면서 국내의 공작기계 TOP 4 회사인 두산공작기계, 스맥, 화천, 현대위아와 함께 HMI 개발에 플랫폼을 적용하고 있습니다. 이 회사들이 국내 시장 점유율 대부분을 차지하고 있기 때문에 플랫폼 적용을 확대하고 검증하는 좋은 기회로 보고 있습니다. 지금 제가 학교에 있는 상황이어서 그 과정을 계속 모니터링 하고 있습니다. 자문과 연구해야 될 부분들은 용역과제를 받아서 저희 산학협력단을 통해 과제를 수행하고 있습니다. 플랫폼이기 때문에 사용하다보면 오류도 많이 나오고 버그도 많이 생기고 그리고 안정화하는 과정이 필요해서 버전이 계속 업그레이드되고 있습니다. 지금은 포털이 만들어져서 포털에 가입만 하면 다운을 받아 쓸 수 있습니다. 학교, 연구소, 공작기계 회사, 공작기계를 사용하는 제조기업 모두 다운로드를 받아서 사용할 수 있습니다. 공작기계에 붙여서 만들어 볼 수도 있고 아니면 공작기계를 처음 개발 할 때 공작기계에 탑재된 형태로 만들 수도 있습니다. 그런 형태로 쓸 수 있게 1년 전에 배포를 해둔 상태입니다. 지속적으로 모니터링하고 회의를 통해 다음 버전에서는 어떤 기능을 추가할지 계속해서 연구하고 있습니다.

-스마트공장 분야는 끊임없이 연구하고 업그레이드 해 나가야 하는 작업 같습니다. 다양한 콘텐츠도 필요하겠는데요?

  이러한 것들을 학교에서 학생들과 함께 해볼 수 있는 콘텐츠를 만들기 위해서 기계공학부 교수님들과 협업하여 시스템을 구축하고 있습니다. 5축 가공기와 장비의 공정 및 상태를 모니터링 할 수 있는 시스템과 데이터를 수집하고 가시화 할 수 있는 플랫폼을 탑재하고 거기에 기능을 추가 할 수 있는 환경도 만들어가고 있습니다. 지금 기계공학부 신입생들을 대상으로 파이선 프로그래밍을 강의하는 것도 있고 2학년 머신데이터 분석이나 3학년 머신러닝까지 활용할 수 있도록 구성하고 있습니다.

-만약 예를 들어 캡스톤디자인 교과목이라고 한다면 기업의 애로사항들을 해결 할 수 있는 하나의 시나리오 문제가 되겠네요. 그 문제를 학생들이 실질적으로 해결해 나가면서 이 해결 방법이 현장에서도 필요한 해결 방법이기 때문에 학생들이 배울 점이 많아 보입니다.

  학생들은 그것을 체감하기 전에도 이런 데이터들이 실제 현장에서 나온 데이터들이고 학생들이 ‘취업을 하게 되면 이러한 데이터를 만져볼 수 있고 이러한 문제들을 만나게 될 것이다’라고 하는 것만으로도 수업에서 활력이 생깁니다. 자신이 작은 문제라도 해결하고 성취하는 경험을 해보면서 ‘내가 이러한 시스템을 사용해서 산업현장의 문제를 해결해 볼 수 있겠구나’라는 생각을 해 볼 수 있기를 기대하고 있습니다.

<사진: MES 생산운영 시스템>

-지역에서도 큰 공장, 즉 자력이 있는 회사는 작은 회사들 보다 빠르게 스마트공장으로 전환이 되고 있습니다. 그러나 영세하거나 소규모의 중소기업들이 대한민국에 더 많습니다.

  제가 원래 한국생산기술연구원이라는 정부출연 연구기관에 있었습니다. 연구소의 미션, 지향성 및 정부에서 그 연구소를 만들었던 이유가 중소기업의 기술경쟁력 향상을 위한 것이었습니다. 그곳에서는 기업의 수요를 해결해 줄 수 있는 것 그리고 중소기업 지원 미션이 굉장히 크기 때문에 초기 2014년도 스마트공장 분분에 대해서 우리 정부에서 정책들을 만들고 사업을 구상하고 할 때에도 중소기업의 스마트공장을 활성화하기 위해서는 어떻게 해야 될 것인지에 대한 전략이나 과제, 어떤 기술을 개발을 해야 하는지 어떻게 개발된 시스템을 운영을 해야 할지에 대해서 굉장히 고민을 많이 했습니다.

-창원 산단 쪽 공장들이 스마트공장으로 전환하기 위해서 계획을 가지고 있습니다.

  ‘이 정도는 되어야 스마트공장이라고 할 수 있지’라는 이야기를 많이 들었습니다. 왜냐하면 독일에서 정의한 스마트공장의 모델이 있고 그것을 응용해서 각 기업이나 산업계에서 다양한 모델들을 가지고 있는데 스마트공장에 대한 이야기를 하면 ‘그게 무슨 스마트공장이냐 스마트공장에는 이러한 것이 있어야 하는데 이런 것이 없잖아’라는 식입니다. 스마트공장에 대해서 서로 다른 생각을 가지고 있는 부분들이 많이 있습니다.

  그런 상태에서 우리나라에서 굉장히 많은 비중을 차지하고 있는 중소기업들이 스마트공장을 도입한다는 것은 굉장히 장애요소로 작용할 수밖에 없었습니다. 지금은 보편화되어 있기는 하지만 2014년도 당시는 정책들이 ‘스마트공장을 어떻게 확산 시킬 것인가.’, ‘해야 되는 시대 흐름은 맞는데 우리나라 중소기업이 이렇게 많고 산업단지별로 전통산업들이 많은데 어떻게 할 것인가.’ 이런 부분이 많이 있어서 기초레벨, 중간1, 중간2 등으로 단계적 모델을 만들었습니다. 하나의 이상적인 스마트공장 모델을 제시하고 ‘이대로 구축해야 한다.’라고 한다면 ICT 적용이 부족한 기업들은 불가능하거나 너무 많은 비용이 필요하게 됩니다. ‘여기서부터 여기까지만 해도 스마트공장이야’, 그리고 ‘너는 여기 있으니까. 여기서 이렇게 올라오면 스마트공장이야’ 등과 같이 단계적으로 스마트화 해 나갈 수 있도록 계층화된 모델을 만든 것입니다. 스마트공장이라는 개념을 폭넓은 개념으로 수용하고 아주 작은 것 하나를 했다고 하더라도 ‘스마트공장 기초까지는 왔어, 그러니까 다음에 다음단계로 넘어가고 쉽게 이러한 기술을 적용을 하면 스마트공장이 더 고도화된 형태로 갈 거야.’하고 인정해 주는 것이지요. 그래서 스마트공장 수준, 스마트공장의 고도화 이러한 전략들이 적용되었습니다.

<사진: 창원 산단, 수출자유지역>

-창원 산단이나 수출자유지역 이쪽이 스마트공장화가 될 때 필요할 부분은 무엇일까요?

  스마트공장에서는 요구하는 주요한 기능들과 달성해야하는 미션들이 분명 존재합니다. 그런 요구사항들을 받았을 때 이걸 어떻게 스마트공장에 기능요소와 퍼포먼스로 원하는 기술들을 접목해서 만들 것인가를 고민하여 스마트공장을 구축해야 합니다. 또한 기업들이 실제로 수행하는 업무에서 활용될 수 있는 형태로 만드는 것을 고민해서 시스템 및 플랫폼이 개발 되어야 합니다. 현업의 요구사항기반으로 문제를 정의하고 해결하는 과정에서 그 문제를 푸는 도구가 스마트공장이 되어야 하는 것이지 ‘스마트 공장이 이런 거니까, 너는 이제 이걸 사용돼’라는 식으로 접근하게 되면 실제로 사용되지 않는 시스템이 될 수가 있습니다. 그렇기 때문에 실제로 스마트공장 사례들을 보면 중소기업 사례들이 굉장히 많지만 사례를 보면 ‘그냥 뭐 별로 한 것도 없네.’ 이런 비판이 많은 것도 사실이긴 합니다. 그렇지만 방법론 자체는 요구사항들을 잘 듣고 그 문제를 해결할 수 있는 시스템과 기술을 스마트공장에 맞는 형태로 사용할 수 있게 해 주는 것입니다.

-기업에서 이러한 애로사항을 교수님께서 어떻게 솔루션을 하셨는지 말씀 부탁드립니다.

  어떤 것이 있을까요. 주조업체에서 했던 프로젝트가 생각납니다. 그 기업에서는 ICT 관련 시스템이 전무하다시피 한 상태였고, 기업에서 MES(제조실행시스템, Manufacturing Execution System)를 도입하고 싶어 했습니다. 당시 기업들이 MES를 많이 도입하는 추세였고, 이 업체도 MES 도입을 생각을 하던 차에 과제와 연결되면서 연구 개발을 통해 그 업체에 맞는 기초에서 중간 정도 수준이 되는 스마트공장을 만드는 것을 목표로 하였습니다. 현업 요구사항을 조사하고 분석하여 요구사항을 기반으로 프로젝트를 진행을 했습니다.

<사진: MES 설비보전 시스템>

  문제 자체는 기존의 제조업에서 항상 발생하는 생산성에 대한 문제나 품질에 대한 문제, 설비 보전에 대한 전통적으로 있었던 문제였습니다. 예전에도 혁신 기법들이 많이 있었습니다만 이것을 ‘스마트공장으로 어떻게 소화할 것이냐’가 중요한 이슈였습니다. 그래서 MES를 하는데 기존에 있는 보다 더 스마트공장의 요소들을 더 MES 가미한 형태로 만들어야 했습니다. 이 기업에게 필요한 것은 MES와 같은 중간연결해주는 시스템이 없었기 때문에 현장에서 수기로 계수해서 리포트를 만들어 보고하고 있었습니다. 다른 방식을 적용해 보면 어떨까 하는 생각을 했겠지만 그럴만한 계기나 기회가 없었고 그럼에도 불구하고 시간이나 비용이 부족한 일들이 맞물리는 상황이라서 ‘스마트공장 프로젝트를 통해서 해결하면 좋겠다.’라는 요구사항이 있었습니다.

-수기로 작성하는 부분들을 시스템화 할 수 있었나요?

  일단 MES 있는 레벨 시스템을 만들되 스마트공장화시키는 것으로 방향을 잡았기 때문에 먼저 제조현장에서 어떤 데이터들을 관리하고 있는지 확인했습니다. 작업자가 직접 수행하는 것이 훨씬 더 효과적이고 정확도 높은 작업이 있기 때문에 이러한 작업들에 대해서는 결과를 바로바로 터치해서 입력할 수 있는 형태로 시스템을 만들어서 연결시키고, 장비의 컨트롤러나 부가 센서를 설치해서 자동으로 수집할 수 있는 데이터들은 센서와 네트워크를 연결하는 방식으로 시스템을 만들었습니다.

-실제로 활용이 많이 되었겠습니다.

  생산운영, 자재물류, 품질분석, 설비보전 등 다양한 제조 업무에 활용하였는데, 품질분석에 대한 활용도가 가장 중요한 부분이었습니다. 예를 들어 납품된 부품에 품질 문제가 발생했을 때 납품된 부품을 다 폐기하거나 몇 주치 물량을 폐기해야 하는 상황이 생길 수 있습니다. 이러한 상황이 발생했을 때 소요되는 연간 비용, 즉 품질실패 비용을 줄이고 싶어 했습니다. 품질실패 비용은 기업에서 매우 중요하게 관리하는 품질지표였습니다. 구축된 시스템을 통해 수집되고 관리되는 데이터는 언제부터 불량이 발생하기 시작했는지에 대한 추적과 분석을 할 수 있는 근거가 됩니다. 이 근거 데이터를 바탕으로 ‘우리 데이터가 이렇게 쭉 잘 나오다가 이 시점부터 문제가 생긴 것으로 보인다. 이 때 검사했던 수치들이라든지, 작동했던 기계들이 이러한 데이터를 나타내고 있는데 이 시점 이후의 부품들에 문제가 있을 가능성이 높다.’와 같은 분석과 이러한 분석을 의사결정에 활용할 수 있습니다. 이러한 부분에서 활용하는 것을 기업에서 희망했고, 이를 지원할 수 있는 데이터 수집 그리고 분석하는 시스템을 구축했습니다.

<사진: 윤주성 교수 인터뷰>

-마지막으로 앞으로의 연구 관련해서 목표는 무엇입니까?

  우리나라에서 2014년도에 스마트공장에 대한 연구를 시작될 때 마침 제가 스마트공장을 담당하는 연구소에 있었고 전공분야가 거기 와 맞는 부분이어서 그 일을 쭉 진행을 해왔습니다. 스마트공장이라고 얘기하면 사람들이 와서 ‘이게 무슨 스마트공장이야’ 이렇게 말하기도 합니다. 훨씬 더 고도화된 부분들이 나타나야 일반 사람들도 이런 게 스마트공장이구나라고 체감하는 것 같습니다. 산업현장의 관점에서는 새로운 것을 무리하게 적용하기 보다는 기존의 계속 해왔던 개선이나 혁신 기법들에 관심을 갖고 산업계에서 실현시킬 수 있는 훨씬 더 좋은 도구들이나 혁신적인 시스템 개발이 뒷받침되어야 합니다. 기계 자체에 대한 스마트화 뿐만 아니라 기계와 기계가 서로 네트워크로 연결되어 실시간으로 이상에 대처하고 조율되는 형태의 시스템을 만들고 산업체에 적용해 보고 싶습니다. 그리고 공작기계에 대한 공정?장비 상태를 바탕으로 디지털트윈 형태의 제조시스템을 구성하여 공정 실행단계 뿐 아니라 가공 전 설계?엔지니어링 단계와 가공 후 측정?검사 단계가 유기적으로 연동되는 디지털트윈형 공작기계 시스템을 산학연 협력을 통해 만들어 보고 싶습니다.

-4차 산업혁명시대입니다. 실질적으로 눈에는 잘 안보이지만 너무 많이 변화해가고 사람이 이러한 흐름을 어느 정도 따라갈 수 있을까라는 두려움도 조금 있는 것이 사실입니다.

  스마트공장으로 일자리가 줄어들 것이라는 생각이 굉장히 많이 이슈가 되어 있습니다. 그렇다고 일이 사라지는 것은 아닙니다. 사람들은 더 고도화된 일들을, 다양한 일들과 새로운 일들을 도전해보게 됩니다. 사람들이 했던 것을 더 잘하는 것과 일을 빨리 하고 효율적으로 하는 것도 굉장히 중요하긴 하지만 사람의 두뇌는 굉장히 풍부한 창의성을 가지고 있기 때문에 계속 개선해 나가는 것이 굉장히 중요한 일입니다. 머신들이 현장에 있는 일을 효율적이고 빠르게 진행해주는 것들을 하고 사람들은 새로운 것을 고민하고 문제들을 개선해 가는 데 집중하는 것이 필요합니다. 오히려 스마트공장을 통해서 고도화된 일자리를 만들고 제조업 일자리를 기피하는 사회 현상을 지속적으로 바꾸어 나갈 수 있는 계기가 되지 않을까 생각합니다.

-앞서서 말씀하신 한 것처럼 경남 창원은 기계 산업의 메카이고 스마트공장을 선도해가는 시스템이 있고 정책적으로나 기술적으로 가장 빠르고 활발한 진행이 되고 있습니다. 산학협력관 1층에 혁신이라는 말이 있습니다. 기존의 가죽에다가 새로운 것을 덧입혀서 새로운 것을 만든다는 뜻입니다. 스마트공장 분야를 선도하고 계신 윤주성 교수님, 오늘 말씀 감사합니다.