산업 자동화를 이끄는 특화된 산업 기술 머신 비전과 산업용 로봇

최근 KDB대우증권 리서치센터의 보고서 <‘산업자동화’, 거스를 수 없는 대세>에 따르면 국내 산업자동화 시장에서 머신 비전은 큰 비중을 차지하고 있고 산업용 로봇은 전 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 분야라고 보고했다.
산업 자동화란 개념이 광범위하여 부문별로 명확하게 분류하거나 시장규모를 파악하기 어려운 것이 사실이다. 산업통상자원부에서 제시하는 기준에 따르면 크게 산업용 로봇, 머신 비전, 공장자동화용 센서, 산업용PC, PLC 등 다섯 가지로 시장을 분류했다.

이 가운데 머신 비전은 사람 눈의 인식기능을 카메라와 컴퓨터를 통하여 구현하는 기술로, 제조현장에서 필요한 검사 및 측정과 같은 공업적인 활용분야를 지칭한다. 사람이 인지하고 판단하는 기능을 시스템이 대신 처리하는 기술로, 제품에 대한 검사 혹은 측정을 카메라, 광학기기, 영상처리 소프트웨어 등을 이용하여 수행한다.
또한 산업용 로봇은 자동제어에 의한 매니퓰레이터 조작 또는 이동기능을 갖고 각종 작업을 프로그램에 의하여 실행할 수 있고, 산업에 사용되는 기계로 정의된다. 특히, 제조용 로봇(산업용 매니퓰레이션 로봇)이란 3개 이상의 축이 있고, 자동제어에 의해 동작하며 재 프로그램이 가능하며 다목적 매니퓰레이션 기능을 갖는 기계를 가리킨다. 산업용 로봇은 기계와 전자 기술이 연동된 고부가가치 시스템 산업으로 하드웨어와 소프트웨어 중심 연구가 공동으로 요구되는 기술개발형 산업에 해당된다. 서보모터, 감속기의 구동부, 인공지능제어, 센서기술 등 컴퓨터 H/W 및 S/W 등 혁신적인 정보통신기술 등의 복합기술로서 이종산업 간의 시너지효과를 창출한다.
이번 호 Market Trend 코너에서는 이 보고서 가운데 국내 산업 자동화 현황과 제조업의 해외 흐름에 대해 조망한 내용을 발췌하여 게재한다.

산업 자동화, 기계나 컴퓨터에 의해 자동화한 일괄 생산 시스템
산업 자동화(Industrial Automation)란 제품을 제조하는데 있어서 설계에서부터 생산의 제어시스템, 로봇이나 컴퓨터를 이용한 생산 설비 등을 조화롭게 사용해 사람이 직접 힘쓸 필요성을 줄여 기계나 컴퓨터에 의해 자동화한 일괄 생산 시스템을 말한다. 광의로는 컨베이어, 산업용 로봇, 품질검사 장치, 자동 창고, 무인 운송차, 수치 측정 및 제어 공작기계 등과 같이 공정의 일부분이 생산 자동화를 목적으로 사용되기 위해 구성되는 제어 시스템들도 모두 포함된다. 또한 공장자동화(Factory Automation), 무인 공장(Unmanned Factory), 생산자동화(Production Automation) 등으로 다르게 표현되기도 한다.

산업 자동화의 초기 사례,  헨리 포드의 컨베이어 시스템
1908년 10월 미국 디트로이트의 포드자동차 공장에서 컨베이어 벨트 조립 라인을 도입한 자동차 ‘모델T’가 최초로 생산되었다. 포드 자동차의 창설자인 헨리 포드는 2대 원칙인 ‘1초 이상 걷지 않는다’, ‘결코 몸을 구부리지 않는다’를 채택한 컨베이어 시스템이 처음으로 적용된 것이다. 자동차를 구성하는 여러 부품들이 컨베이어 벨트를 따라 물 흐르듯이 이동하며 쉽고 간편하게 조립되었다. 단순하면서도 높은 생산성으로 대량생산 시대를 열었던 것이다.
포드의 ‘모델T’ 이전까지의 자동차는 장인들에 의해 수공 생산되던 ‘핸드메이드 고가품’이었다면 포드는 대량 생산과 생산기술 혁신을 통해 자동차를 공산품으로 생산해냈다. 컨베이어 시스템이 적용된 자동차 대량생산 체제가 산업 자동화 시장의 본격적인 시작을 알린 후 자동차를 비롯해 일반기계 산업의 용접 등 다양한 분야에서 활용되는 산업용 외팔로봇이 대표적인 공장자동화 시스템으로 점차 확대되었다.
또한, 깨지기 쉽고 무거운 LCD 기판과 수많은 공정이 요구되는 반도체 생산에 필요한 운반로봇, 제조 과정에서 인간의 눈을 대신해 기계에 시각을 부여하여 다양한 분야에서 정밀한 측정과 결함 검사에 활용되는 머신 비전, 산업 현장의 온도, 충격 등의 환경에 맞게 설계된 맞춤형 컴퓨터인 산업용 PC도 산업 자동화 시스템의 한 분야이다.
그 외에 온도, 습도, 속도, 각도, 조도 등 해당 정보를 측정해 해독 가능한 신호로 변환하는 역할을 해주는 센서, 디지털 또는 아날로그 입출력 모듈을 통해 연산과 같은 특수한 기능 수행을 위해 프로그램 가능한 메모리를 사용하여 여러 종류의 기계나 프로세서를 제어하는 디지털 전자 장치인 PLC(Programmable Logic Controller)도 산업자동화 시스템에 포함된다.

제조 업계의 핵심 화두, 산업 자동화
2008년 글로벌 ‘전환형 복합불황’ 이후 지금까지 미국을 비롯한 글로벌 경제 시스템은 완화 되었으나 수요 회복은 아직 뚜렷하지 않은 모습이기에 일본이 겪었던 ‘잃어버린 10년’을 되풀이하게 되지 않을지에 대한 우려의 목소리가 높아지고 있다. 일본 장기복합불황의 주원인은 엔고에 따른 수출 경쟁력 악화와 내수 불황의 이중고, 고령화, 기업들의 혁신 부족 등이 한꺼번에 작용한 결과로 볼 수 있다.
현재 전 세계 수요는 여전히 정체되고 있는 가운데 특히 제조업체들의 가격 경쟁이 심화되고 있다. 비용절감을 위해 중국을 비롯한 신흥국으로의 진출도 계속된 임금 상승으로 인하여 채산성 마저 악화되고 있는 상황이다. 저성장 시대에 접어드는 국면에서 일본형 장기복합불황의 전철을 밟지 않으려면 이제는 기업들의 혁신만이 살길이다.
이러한 저성장 국면에서의 어려움을 극복하기 위한 대안으로 ‘산업 자동화’가 전세계 제조업계의 핵심 화두로 대두되고 있다. 사실 한국은 이미 일본에서 진행되었던 고령화와 저성장 등 많은 부분이 비슷하게 나타나고 있다. 그러나 제조업 경쟁력을 제대로 갖춘다면 GDP 대비 수출 비중이 50% 이상인 한국은 15% 수준인 일본 보다 오히려 독일형 경제에 가까워질 수 있는 가능성도 기대해 봄직하다. 이를 위해서는 4차 산업혁명, 즉 ‘Industry 4.0’ 또한 절실히 필요한 시점이라고 판단된다.

제조업계 생존을 위한 ‘중국 Exodus’
‘세계의 공장’으로 불리는 중국에서 탈출을 위해 빠져 나오는 기업들이 늘어나고 있다. 비용 절감을 위해 생산시설을 앞 다퉈 중국으로 옮겨갔으나 과거와 달리 저비용 생산기지로써의 매력을 상실하기 시작한 것이다. 한국 기업들을 포함해 진출해 있던 많은 기업들이 인건비가 더 저렴한 동남아시아로 이탈하거나 미국을 비롯한 선진국들은 자국으로 돌아가는 ‘리쇼어링(Reshoring) 현상’이 나타나고 있다.
실제로 KOTRA에 따르면 중국에 신규 현지법인을 설립한 한국 기업은 2006년 2,300여개에서 2013년 800여개로 급감했다. 특히 한국 기업들이 주로 진출해 있는 산둥성 지역은 과거 1만개 이상의 기업들이 사업을 하고 있었으나 최근에는 4,800개로 절반 이상 감소했으며 매년 평균 500개씩 줄어들고 있는 것으로 파악된다.
이는 국내 기업에 국한된 문제가 아니라 해외 기업들도 해당된다. 산둥성 지역에 많이 모여 있는 일본 기업들도 2005년 2,000여개의 기업들이 진출해 있었으나 파나소닉, 후지 제록스, 유니끌로가 빠져나가는 등 최근 1000여개로 줄어 들었다. 그 외 미국의 나이키, GE, 월풀, 베스트바이, 독일의 아디다스, 메디아막트 등 글로벌 대기업들도 중국에서 철수했거나 앞으로 할 계획이다.
중국에 유입된 외국인직접투자(FDI) 추이에서도 이러한 이탈현상을 확인할 수 있다. 글로벌 복합불황 이래 2012년 처음으로 중국 FDI가 감소세를 보인 후 계속해서 하락세를 보이고 있다. 중국의 외국기업에 대한 정책 변화 문제도 기여했다고 할 수 있다. 2010년 세제, 고용, 입지 혜택을 없애더니 뒤이어 2011년엔 근로자 사회보장 면제 혜택도 없애며 외자 기업들이 사업하기 쉽지 않은 환경이 된 것이다.
‘중국 엑소더스’ 현상은 임금 상승으로 인해 생산비용이 꾸준히 증가하면서 중국이 더 이상 ‘세계의 공장’, 저비용 생산기지로써의 매력이 떨어졌다는 점이 주요인 중 하나일 것이다. 실제로 중국의 최저 임금은 베이징 시 기준(전일제 근로자 월별 최저임금) 2009년의 800위안에서 2014년 1,560위안으로 불과 5년 만에 두 배 가까이 급증했다.
당분간 중국 정부는 정치개혁보다 민생개선을 위한 정책에 따라 임금은 앞으로도 매년 평균 13%이상 인상할 계획인 것으로 파악된다. 이에 따라 중국 보다 아직 임금 수준이 낮다고 알려져 있는 베트남, 필리핀, 말레이시아 등의 신흥국으로 이동하는 경우가 많아졌다. 그러나 중국 뿐만 아니라 ‘제2의 세계 공장’으로 떠오르는 동남아 지역의 인건비 또한 가파르게 상승하고 있으므로 제조업체들의 신흥국으로 공장 진출을 가까운 미래에 더 이상 해결책이 되기 어려운 상황에 봉착하게 될 것이다.
미국과 독일을 비롯한 선진국들은 소위 ‘리쇼어링(Reshoring) 현상’이 발생하고 있는 바 중국에 나가있던 기업들이 비용, 정책 등을 이유로 다시 본국으로 돌아가는 현상을 말한다. 미국의 스마트폰 업체 애플은 1억 달러를 투자해 생산기지 일부를 다시 미국으로 가져올 계획이고, 가전업체 월풀은 소형믹서기 생산라인은 중국 광저우에서 미국 오하이오로 이전하는 것이 대표적인 리쇼어링 사례로 꼽힌다.
다만, 성공적인 리쇼어링이 되려면 생산시설의 자동화 즉 공장자동화가 먼저 이루어져야 가능한 것으로 판단된다. 선진국의 여전히 높은 임금 수준과 낮은 유연성을 고려해 볼 때 값비싼 노동력 보다는 로봇이나 기계와 같은 자동화 설비의 채택을 늘려나갈 것으로 예상된다. 이에 따라 선진국을 중심으로 4차 산업혁명이라고 할 수 있는 ‘인더스트리 4.0’이 필요한 시점이라는 공감대가 형성되고 있다.

‘인더스트리 4.0’시대의 도래

1) ‘인더스트리 4.0’이란
제조업 강국인 독일에서 차세대 기술전략 ‘하이테크 비전 2020’의 액션플랜 중 하나로 추진하고 있는 대규모 국가 프로젝트 중 하나이다. 독일은 세계 2위 수출국이고, 전세계 1위 위치를 차지하고 있는 제조업체가 1300여개에 달하는 등 최고 수준의 제조업 기술과 역량을 보유하고 있는 국가이다.
그러나 최근 주요 신흥국들의 빠른 성장세를 신시장 개척의 기회인 동시에 강력한 경쟁상대로 인식하게 되었다. 단순 생산기술 혁신만 추구하는 전통적인 접근방식으로는 현재의 제조업 리더 위치 유지가 불가한 것으로 판단하여 ICT를 기반으로 한 혁신 및 도약의 필요성을 실감하고 진행하게 된 것이다.
과거 제조업의 혁신 단계를 살펴보면 1차 산업혁명은 증기기관을 이용한 기계식 설비화, 2차 산업혁명은 전기에 의한 대량생산, 3차 산업혁명은 전자기술과 IT를 통한 부분적인 자동화를 이루었다. 이제는 ICT와 기계의 융합을 통해 제조업의 완전한 자동 생산 체계를 구축하고 모든 생산 과정이 최적화 되는 4차 산업혁명인 ‘인더스트리 4.0’이 본격화되고 있다.
2008년 글로벌 전환형 복합불황 이후 제조업이 강한 선진국들의 경기가 빠른 속도로 회복되어 제조업이 강한 나라가 위기에도 강한 모습을 보여주었다. 제조업 강국 독일도 이를 견지하여 곧 다가오게 될 4차 산업혁명을 주도하고, 미래 제조업의 경쟁력을 선점하기 위해 인더스트리 4.0 프로젝트에 2억 유로에 달하는 규모의 투자를 장기간에 걸쳐서 진행할 계획인 것이다.

산업 자동화 시장 규모
산업 자동화란 개념이 광범위하여 부문별로 명확하게 분류하거나 시장규모를 파악하기 어려운 것이 사실이나 산업통상자원부에서 제시하는 기준에 따르면 크게 산업용 로봇, 머신 비전, 센서, 산업용 PC, PLC 다섯 가지로 시장을 분류했다.
전 세계 산업 자동화 시장 규모는 2000년 817억 달러에서 연평균 7% 성장해 2015년 2,352억 달러에 이를 것으로 추정되고 있다. 특히 산업용 로봇 분야가 2000년 63억 달러에서 2015년 551억 달러에 도달하면서 연평균 16%로 가장 빠르게 성장하고 있는 것으로 파악된다.
국내 산업 자동화 관련 시장 규모는 2000년 1.2조원에서 연평균 10% 증가하여 2015년 5.3조원에 이를 것으로 추정된다. 국내 시장도 역시 산업용 로봇 분야가 가장 빠르게 성장하고 있으며 2000년 1,200억원 규모에서 2015년 1.9조원에 이르러 연평균 20% 성장할 것으로 전망된다.
위에 분류된 다섯 가지 분야 중에서 대부분이 이제 시작하는 걸음마 단계인데다 자동화가 적용 및 확산되어야 할 분야는 셀 수 없이 다양하다. 특히 국내 시장에서 큰 비중을 차지하는 머신비전과 최근 전 세계적으로 가장 빠르게 성장하고 있는 산업용로봇 분야에 주목해야 한다.
최근 산업자동화의 트렌드는 산업통상자원부에서 제시하는 바에 의하면 1) IT기술과의 융복합화(Convergence with IT Technology), 2) 산업설비의 로봇화(Robotization), 3) 생산 유연화(Production Flexibilization), 4) 센싱과 정밀생산(Sensing)의 크게 네 가지로 요약된다. 여기에서도 주로 IT와 산업용 로봇 분야의 자동화로 전환 및 확산을 기대해 볼 수 있는 힌트를 얻을 수 있다.<박스 기사 참조>

머신 비전 자동화 전환으로 급속 확산
머신 비전은 사람 대신 인지하고 판단해서 처리하는 기술로 각종 산업분야가 자동화로 전환되면서 급속도로 확산되고 있다. 업계 전체의 생산공정 중 검사공정에 반드시 사용하게 된다. 반도체, 전기부품, 제약, 화학, 자동차 등의 산업에 적용되고 있고, LCD, OLED, 태양광 등의 산업으로 확대되고 있다. ‘인간 눈’의 한계를 극복한 이 머신 비전 기술은 한국경제의 핵심으로 꼽히는 산업현장에서 빼놓을 수 없는 장비이다. 고성능 카메라, 이미지 프로세서, 소프트웨어 등을 통해서 일련의 검수작업에서 사람이 눈으로 보고 판단하는 과정을 기계가 대체한 시스템을 통해 품질향상을 통한 고객만족, 공정관리를 통한 생산성 향상, 그리고 생산 안정화 요구를 모두 충족하고 있다.
머신 비전의 세계 시장 규모는 2013년 현재 49억 달러 규모로, 향후 3%이상의 성장률을 나타낼 전망이다.
따라서 2015년 국내 머신비전 시장은 50억 달러의 시장규모가 예상되고 지난해에 이어 약 4%에 달하는 성장세를 이어나갈 것으로 예상된다. 머신비전 제조 기업들은 COGNEX, Vieworks, CYLOD 등으로 각사는 차별화된 기술을 다양한 산업으로 확대하고 있다.

산업용 로봇 시장 성장 지속 기대
세계로봇연맹(International Federation of Robotics)에 따르면 지난해 전 세계 산업용 로봇의 연간출하량이 17만대를 넘어서며 사상 최대치를 기록했다. 전 세계 누적 로봇 출하량은 2008년에 백만 대를 이미 넘어섰고 2012년 124만 대를 기록했으며 지난해 146만대 이상, 2017년에는 195만대로 2012년부터 연평균 약 10%의 성장을 보일 것으로 전망된다.
전 세계 산업 자동화 관련 시장 내에서 가장 빠르게 성장하고 있는 부문이 산업용 로봇인데 향후 중장기적으로도 견고한 성장이 지속적으로 기대된다. 산업용 로봇이 가장 많이 활용되고 있는 산업은 자동차 부문이고 앞으로는 IT 산업에서도 공장 자동화를 위한 적극적인 설비 투자를 위해 로봇 설치 대수가 늘어날 것으로 예상이 된다. 또한 철강, 화학, 음식료 등의 산업군은 자동화가 아직도 많이 확산되지 못한 것으로 파악되어 로봇이 적용될 부분은 여전히 많이 있을 것으로 판단된다.
국가별, 지역별로 자세히 살펴보면 지난해 전 세계 로봇 출하량에서 미국, 중국, 일본, 한국, 독일 5개 국가가 전체의 약 70%를 차지했다. 누적 로봇 공급량 기준으로는 일본이 30만대 이상으로 가장 많은 로봇이 공급되었고 그 다음으로 미국, 독일, 한국, 중국 순으로 많은 공급량을 기록하고 있다.
2014년부터 2017년까지 미국, 독일, 일본, 한국은 연평균 약 5% 정도의 성장이 예상되는 반면 중국은 연평균 26%에 달하는 큰 폭의 성장이 가능할 것으로 전망된다. 이에 따라 중국은 2017년에는 누적 공급량 기준으로 약 40만대 이상의 산업용 로봇이 설치되어 있을 것으로 예상된다.

자료제공 | KDB대우증권 리서치센터

최근 산업 자동화 트렌드의 4가지 유형

1)IT기술과의 융복합화(Convergence with IT Technology)
산업자동화 시스템은 네트워크, 인터넷, 모바일 기술 등의 IT 기술이 생산설비와 융합되면서 요소부품의 통합적 관리가 가능해지고 있다. 제어기, 센서, 구동기 등을 독립적으로 사용하는 것이 아니라 종합적인 시스템으로 통합하여 관리하고자 하는 노력이 진행되어 왔다. HMI(Human Machine Interface)는 각종 장비와 제어기를 연결하여 감시기능을 수행하는 소프트웨어로서 원격 제어가 가능하고, 장비 활용성을 극대화시켰다. 특히 모바일 네트워크 인프라가 빠르게 확산되면서 이동기기에 대한 통합 제어 부문이 급속도로 발전하게 되었다.

2)산업설비의 로봇화(Robotization)
산업용 로봇(Industrial Robot)은 위험한 작업을 대체하고, 시각·역각 센서를 통해 3차원 환경인식이 가능해지면서 산업자동화의 주역이 되고 있다. 최근에는 센서를 통해 외부 환경의 변화를 인식하고, 스스로 판단하며, 이에 대응하여 움직이는 지능형 산업용 로봇으로 진화하고 있다. 산업용 로봇은 TV제조 공정에서 민감하고 무거운 LCD 기판 이송에 운반로봇시스템이 이용되고 있고, 자동차와 일반기계 산업의 용접 및 부품 핸들링을 위한 시리얼 링크 구조, 외팔 로봇 등은 주요 공정에 필수가 되고 있다.

3)생산 유연화(Production Flexibilization)
생산 유연화는 생산성을 극대화 시키는 산업자동화의 주요 트렌드로 부상하였다. 소비자 기호의 다양화에 따라 소품종 대량생산의 일괄수송 체제에서 생산자동화를 통한 다품종 소량 다빈도화가 가능해진 것이다. 시장 환경의 변화에 더욱 빠르고 유연하게 대처하기 위한 노력의 일환으로 산업자동화 시스템 역시 유연성 확보가 중요한 과제로 대두되었다. 컴퓨터 통합시스템(CIM), 유연생산시스템(FMS), 컴퓨터 지원생산시스템(CAM) 등의 컴퓨터 제어기술이 적용됨에 따라 동일공장에서 다품종 소량생산이 가능하게 되었다.

4)센싱과 정밀생산(Sensing and Refinement)
산업자동화 시스템이 점차 센싱과 정밀 생산으로 고정밀 생산능력이 높아졌다. 센서기술이 발달하고 생산 공정에 적용되면서, 인간의 감각을 대신하고 보다 일괄적이고 정밀한 제품 생산이 가능해졌다. 물체와의 거리를 판단하고, 색을 구분하며, 물질의 종류를 감지하면서 생산 공정에 폭넓게 적용이 가능해졌다. 외부 환경을 감지하는 센서 기술은 지능형 로봇의 필수적 부품으로 향후 산업자동화 시스템의 경쟁력을 좌우할 전망이다.