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산업 4.0 시대를 이끄는 9가지 기술
산업 4.0 시대가 본격화되고 있는 오늘날, 9가지 원천 기술들로 인해 미국 내 제조업과 유통업이 거대한 기지개를 펴고 있다. 이 9가지 기술...

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산업 4.0 시대가 본격화되고 있는 오늘날, 9가지 원천 기술들로 인해 미국 내 제조업과 유통업이 거대한 기지개를 펴고 있다. 이 9가지 기술은 무엇일까? 미국에 다시 경제적 르네상스를 가져오는 힘은 무엇인가? 앞으로 우리는 어떤 혜택을 얻게 될 것인가?


기원전 1500년 즈음 물을 끌어 들이기 위한 도르래 장치의 개발부터 서기 1600년경 인쇄기술의 발달에 이르기까지, 인류가 고안해낸 새로운 기술들은 생산성의 극적인 성장을 가능하게 했다. 그러나 우리가 일하는 방식과 생산하는 결과물에 진정한 혁명을 일으켰다고 할 수 있는 기술들이 등장한 것은 지금으로부터 겨우 수백 년 전이다.


제임스 와트가 개량한 뉴커먼 증기 엔진은 19세기 산업혁명 기간 동안에 수많은 공장들을 증설하게 한 원동력이었다. 20세기 초에 토머스 에디슨이 발명한 전기 덕에 헨리 포드의 자동차 공장은 곧장 대량생산이 가능할 수 있었다. 1970년대 자동화 기술은 더 적은 인력으로도 더 많은 제품을 생산할 수 있는 체제를 열었다.


이러한 1차, 2차, 3차 산업혁명의 뒤를 이어, 인류는 현재 디지털 기술에 의해 가능해진 4차 산업혁명의 시대에 진입했고, 보스턴 컨설팅 그룹은 이 4차 산업혁명 시기를 ‘산업 4.0Industry 4.0’이라고 동명의 보고서를 통해 명명했다. 각 산업혁명은 이처럼 새로운 기술이 경제성장을 선도하는 기술-경제 혁명과 연관되어 있는데, 이제 우리는 막 제5차 기술-경제 혁명이 전개되는 시기로 진입하려 하고 있다.


보스턴 컨설팅 그룹의 보고서는 산업 4.0을 뒷받침하는 9가지 기술에 대해 설명한 바 있다. 이 기술들은 이제 대부분 각 산업 현장에서 사용되기 시작하고 있으며, 고립된 형태로 머무르지 않고 서로 융합되고 최적화, 자동화되는 생산 공정의 흐름에 맞춰 스스로를 변화시켜 나가고 있다. 우선 이 9가지 기술적 진보들이란 무엇인지 살펴보기로 하자.


첫째는 빅데이터 및 그 분석 기술이다. 빅데이터와 분석기술은 품질 최적화, 에너지 비용 감소, 설비 활용도 개선을 통해 제조공정의 효율성을 향상시킬 수 있다. 장비 및 고객관리시스템 등 다양한 곳에서 나오는 데이터를 수집하고 분석함으로써, 과거보다 적은 시간만 들이고도 더 효과적이고 탁월한 의사결정을 내리는 일이 가능해졌다.


두 번째로 자동화 로봇 기술을 들 수 있다. 자동화 로봇은 제조시설의 근간을 이룰 것이고, 인간으로부터 생산성과 효율성을 높이는 방법을 학습하게 될 것이다. 오늘날 활용되고 있는 제조업 분야의 로봇보다 생산 가격은 낮아지고 활용도는 더욱 높아질 것이다.


세 번째인 시뮬레이션 기술은 실제 공장에 거의 근접한 가상현실 속에서 기계와 인간 노동자, 생산제품이 어떻게 상호적으로 움직이는지를 경영자들에게 보여줌으로써 시간과 돈을 아낄 수 있도록 해 줄 것이다. 이 기술은 기계 설정과 공정 흐름 단계, 혹은 설비의 배치 등에 변경을 줄 경우 어떤 일이 일어나는지를 물리적인 실제 환경에 변화를 가하지 않고도 테스트하여 그 효과를 입증하는 일에 사용될 수 있다.


산업 4.0의 네 번째 기술은 수평·수직적 시스템통합Horizontal and Vertical System Integration이다. 이 기술은 제조자와 공급자, 소비자 들이 서로 제대로 소통할 수 없고 심지어 기업 내부의 기능과 부서도 완벽히 통합되지 않은 오늘날의 현실을 극복할 수 있게 해주는 비전이다. 산업 4.0 시대에는 기업들이 수평·수직적으로 통합되어, 기업 내외부의 장벽을 넘어 구성원들이 자유롭게 데이터를 교류할 수 있는 환경이 만들어질 것이다.


다음 다섯 번째로 산업적 사물인터넷을 들 수 있다. 사물인터넷 기술이 산업현장에 적용되면 기업 내의 모든 장비와 설비, 부품, 제품 등이 내장된 컴퓨터와 센서에 의해 연결될 것이다. 이로 인해 모든 개별적 요소들이 상호 간에 소통을 함으로써 통제의 집중화도 수월해질 것이다.


여섯 번째는 사이버보안 기술이다. 모든 것들이 인터넷에 연결될 때 일어날 수 있는 해커 공격이나 기타 사이버 상의 위협으로부터 제조자의 제품 라인과 산업 시스템을 보호해줄 수 있는 것이 바로 사이버보안 기술이다. 전자 도청으로부터 내부의 의사소통 상황과 내용을 보호하고, 시스템에 접근하려는 사람이 승인된 사용자임을 확인시켜주는 새로운 프로토콜이 필요해질 것이다.


일곱 번째 클라우드 기술은 지역의 한계를 넘어 데이터를 공유하고 기업과 그 외부 관계자들이 서로 소통하는 일에 점점 더 넓게 활용되고 있다. 클라우드 기술의 발전 속도는 더욱 빨라질 것으로 예측된다. 또한 경영자들은 이 기술을 이용해 장비 데이터를 축적하고 생산 공정을 모니터링하고 제어하기 위한 새로운 시스템을 개발할 수 있다.


여덟 번째, 적층가공 기술Additive Manufacturing은 제조자들이 더 저렴하게 제품의 원형을 제작하고 새로운 부품을 디자인하는 데 도움을 줄 것이다. 더불어 오늘날 소규모로 생산하기에는 너무 많은 비용이 드는 맞춤형 제품들이 세상에 쏟아져 나올 수 있도록 할 수 있다. 유명 컨설팅 업체인 프라이스워터하우스쿠퍼스에 따르면, 제조업체의 2/3가 현재 이미 이 적층가공 기술을 활용하고 있다고 한다.


마지막으로 아홉 번째, 증강현실 기술Augmented Reality은 필요할 때 적재적소의 정보를 제공하고 사용할 수 있도록 함으로써 노동자들의 업무 성과를 더 높여줄 것이다. 예를 들어 기계를 수리하는 과정에서 구글 글래스에 적용된 것과 유사한 기술을 사용한다면, 수리하는 사람이 웨어러블 컴퓨팅 장비를 통해 수리 과정의 각 단계를 눈으로 직접 확인할 수 있다.


미국, 아시아, 유럽 등의 수많은 기업들은 이미 산업 4.0을 현실화하고 있다. 보스턴 컨설팅 그룹의 애널리스트들은 특히 독일을 유심히 살펴보았는데, 독일의 공장들은 이미 매우 고도화된 자동화 기술을 활용하고 있기 때문이다. 하지만 다음의 전망은 미국에도 마찬가지로 적용할 수 있다.


보스턴 컨설팅 그룹은 더 많은 기업들이 산업 4.0 기술을 적용하게 될 2020년부터 2025년 사이, 원자재 비용을 제외한 가공비에서 15~25% 수준의 절감 효과가 발생할 것이라고 예측했다. 생산성 개선 수준은 기업마다 편차가 있을 수 있다. 자동차 산업의 생산성이 10∼20% 향상되는 반면, 기계공학, 식품, 음료 산업의 경우엔 20~30%까지 생산성 향상이 기대된다.


이상의 9가지 기술을 기반으로 우리는 향후 다음과 같이 예측해 본다.


첫째, 9가지 기술 진보가 수익과 고용 양 측면의 성장을 동시에 촉진시킬 것이다.


독일을 시험 사례로 본 보스턴 컨설팅 그룹은, 새로운 장비에 대한 제조업체들의 수요 증대와 고도로 맞춤화된 신규 상품을 향한 소비자들의 열광에 의해 증대될 수익이 연간 약 300억 유로에 달할 것이라고 전망했다. 향후 10년 동안 독일의 고용률은 제조업에서는 6%, 기계공학 산업에서는 10%까지 오를 것이다. 미국에서도 동일한 고용 증대 상황이 발생할 것으로 기대된다. 모든 선진국 경제에서 저숙련 노동자들은 자동화 기술로 대체될 것이고, 반면 소프트웨어의 분석과 활용에 능숙한 노동자들에 대한 수요가 고숙련 노동력에 대한 수요를 촉발시킬 것이다.


둘째, 산업 4.0은 자동화와 통합의 증대를 통해 비용 절감 효과를 창출할 것이다.


예를 들어, 설비 가동을 시뮬레이션할 때 물리적 설비에서 얻은 데이터를 이용하면 생산 공정을 준비하는 데 필요한 시간이 약 80%까지 단축될 수 있다. 2025년까지 노동비용, 운영비용, 경상비용이 30% 절감되고, 제품 생산 주기는 30% 빨라질 것이다. 이런 성과에 있어서 로봇공학기술의 발전이 큰 부분을 차지하리라 전망된다.


IT분야 전문매체인 지디넷ZDNet은 세계의 각 공장에서 활용될 새로운 자동화 솔루션 중에서, 상대적으로 비용이 저렴한 탁상형 로봇 3가지에 관심을 보였다.


▶ 소여Sawyer(리씽크 로보틱스Rethink Robotics 제작)
이 로봇은 디지털 화면을 얼굴처럼 사용하여 원자재 및 원료를 다루고 기계를 조종하며 회로판 테스트가 가능하다. 가격 2만 9,000달러.


▶ UR3(유니버셜 로봇Universal Robots 제작)
납땜, 나사 조립, 페인팅, 접착 업무를 수행하는 인공 팔이 부착되어 있다. 가격 2만 3,000달러.


▶ 유미Yumi(ABB 제작)
작은 부품들을 조립할 수 있도록 두 개의 팔, 적응형 손, 시각 조정 기능을 갖췄다. 가격 4만 달러.


셋째, 소비자들도 산업 4.0의 수혜를 입게 될 것이다.


제조업체가 소비자들의 수요에 더 빠르고 더 완전하게, 더 낮은 비용으로 응대할 수 있을 것이기 때문이다. 제품 프로세스는 더욱 유연해질 것이고, 속도와 품질, 생산성은 최고 수준까지 비약적으로 성장할 것이다. 제조업체들은 현재는 상상할 수도 없는 수준의 고객 맞춤형 제품을 내놓을 수 있다.


넷째, 산업 4.0은 모든 산업에서 혁신을 촉발시킬 것이다.


항공 산업의 기업들은 적층가공 기술을 활용하여 항공기의 무게를 줄이는 새로운 부품을 제작할 수 있고, 티타늄과 같은 값비싼 재료에 대한 수요를 줄일 수 있었다. 의료 산업에서는 환자의 신체 부위와 정확하게 일치하여 대체할 수 있는 보조 장치를 제작할 수 있다. 적층가공 산업은 3년 만에 41억 달러 시장(2015년 기준)으로 성장하여 연평균 성장률이 무려 34%에 육박하고 있으며, 3D 프린팅산업 분야에서 가장 공신력 있는 보고서로 평가받는 <올러스 리포트Wohlers Report 2015>에 따르면, 2020년에는 202억 달러 규모로 성장할 것이 예측되고 있다.


다섯째, 산업 4.0은 교육훈련 분야에서도 혁명적인 성과 개선을 이뤄낼 것이다.


이 새로운 모델을 이미 받아들이고 있는 회사가 바로 지멘스Siemens이다. 지멘스는 위기 상황에 반응하는 방법을 신입 직원들에게 교육시키는 일에 자사 공장의 가상 3D 기법을 활용하고 있다. 교육생들은 증강현실 안경을 착용하고 로봇과 함께 작업하는 경험을 시뮬레이션한다. 그 가상현실 속에서 교육생들은 기계와 상호작용할 수 있고 기계가 명령에 어떻게 반응하는지를 학습할 수 있다. 증강현실 안경을 개발하고 있는 기업에는 구글을 포함해, 스타트업 기업 매직리프Magic Leap, 홀로렌즈HoloLens로 불리는 착용형 장비를 개발한 마이크로소프트가 있다.

여섯째, 독일과 같이 숙련된 노동력을 가진 유럽 국가들에게 산업 4.0이 큰 이익을 제공할 것이며, 미국에게는 더욱 그럴 것이다.


미국은 현재 에너지 혁명이 진행 중이고, 세계에서 가장 큰 내수 소비 시장이 있으며, 새로운 기술로 무장한 더 젊은 노동인구가 제조업에 박차를 가하는 중이다. 미국이 풀어야 할 과제는 대학 외의 교육과정들을 보다 효과적으로 운영하여 노동력 간의 숙련도와 기술 격차를 줄이고, 다국적 기업들의 투자를 위축시키는 과도한 세금과 규제를 줄여나가는 일이다.


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References List :
1. To access The Boston Consulting Group's report "Industry 4.0: The Future of Productivity and Growth in Manufacturing Industries," visit their website at:
https://www.bcgperspectives.com/content/articles/engineered_products_project_business_industry_40_future_productivity_growth_manufacturing_industries/


2. Technological Revolutions and Financial Capital: The Dynamics of Bubbles and Golden Ages by Carlota Perez is published by Edward Elgar Publishing Limited. ⓒ 2003 Carlota Perez. All rights reserved.


3. To access The Boston Consulting Group's report "Industry 4.0: The Future of Productivity and Growth in Manufacturing Industries," visit their website at:
https://www.bcgperspectives.com/content/articles/engineered_products_project_business_industry_40_future_productivity_growth_manufacturing_industries/


4. iBASEt, April 28, 2015, "Predicting Industry 4.0's Impact on Manufacturing," by Louis Columbus.   ⓒ 2015 iBASEt. All rights reserved.
http://www.ibaset.com/blog/predicting-industry-4-0s-impact-manufacturing/


5. iBid.


6. ZDNet, April 2, 2015, "Inexpensive Table-Top Robots Will Disrupt Light Manufacturing," by Greg Nichols. ⓒ 2015 CBS Interactive. All rights reserved.
http://www.zdnet.com/article/inexpensive-table-top-robots-will-disrupt-light-manufacturing/


7. iBASEt, April 28, 2015, "Predicting Industry 4.0's Impact on Manufacturing," by Louis Columbus.   ⓒ 2015 iBASEt. All rights reserved.
http://www.ibaset.com/blog/predicting-industry-4-0s-impact-manufacturing/


8. com, April 7, 2015, "The 2015 Wohlers Report Is Out," by Andrew Wheeler. ⓒ 2015 Engineering.com Inc. All rights reserved.
http://www.engineering.com/3DPrinting/3DPrintingArticles/ArticleID/9908/The-2015-Wohlers-Report-Is-Out.aspx



Industry 4.0 and the U.S. Manufacturing Renaissance
 
Throughout history, new technologies have enabled dramatic advances in productivity, from the invention of the pulley to haul water around the fifteenth century B.C., to the development of the printing press to publish books in the fifteenth century A.D. But it has only been in the past few centuries that technologies have really revolutionized the way we work and the output we produce.


During the Industrial Revolution, James Watt's improvements to the Newcomen steam engine enabled the rise of factories in the nineteenth century. Early in the twentieth century, Thomas Edison's innovations in harnessing electricity enabled the mass production era exemplified by Henry Ford's automobile plants. In the 1970s, automation enabled factories to begin producing more goods with fewer human workers.


These first three eras are now giving way to a fourth era enabled by digital technology, an era that the Boston Consulting Group (BCG) calls "Industry 4.0" in a new report by that name.1
 
Note that these four eras are loosely equivalent to the various Techno-Economic Revolutions identified by economist Carlota Perez that have been highlighted in previous issues of Trends.2 Currently, we are about to enter the Deployment Phase of the Fifth Techno-Economic Revolution.
 
The BCG report identifies nine technology advances that are powering Industry 4.0.3 We've discussed most of these advances individually in Trends, and most of them are now starting to be used in factories. Now, however, they are converging to transform production from isolated cells into a fully integrated, optimized, and automated production flow. Let's look at each of the nine advances.


1. Big data and analytics will improve manufacturing efficiency by optimizing production quality, reducing energy costs, and improving equipment service. By collecting and analyzing data from a variety of sources, including equipment and customer management systems, managers can make better decisions in less time.


2. Autonomous robots will work on the factory floor next to humans and will learn from them how to be more productive and efficient. They will be cheaper and more useful than the manufacturing robots used today.


3. Simulation will save time and money by allowing managers to see how machines, human workers, and products will interact in a virtual world that closely parallels a real factory. They will be able to test the impact of changing machine settings, the steps in a workflow process, or the layout of a plant, all without having to make any changes in the physical world until they have been proven to be effective.


4. Horizontal and vertical system integration will finally become a reality rather than an unrealized vision in today's world where manufacturers, suppliers, and customers frequently use incompatible systems that can't communicate with each other, and where even a company's internal functions are not fully integrated. In Industry 4.0, companies will be integrated both horizontally and vertically so that data can be exchanged freely within the enterprise and beyond its walls.


5. The industrial "Internet of Things" will link all of the company's equipment, components, and products with embedded computing and sensors. This will allow all of these individual units to communicate with each other and with centralized controllers.


6. Cybersecurity will defend the manufacturer's production lines and industrial systems from hackers and other threats that can arise when everything is linked to the Internet and connected to everything else. New protocols will be needed to protect communications from electronic eavesdroppers and to verify that anyone who tries to access the system is an authorized user.


7. The cloud will increasingly be used to share data across locations and between the company and its external stakeholders. Cloud technologies will become faster. This will allow managers to use the cloud to store machine data and to implement new systems to monitor and control processes.


8. Additive manufacturing will enable manufacturers to make cheap prototypes of products, to design new components, and to crank out small batches of customized goods that would be too expensive to produce at a small scale today. According to PriceWaterhouseCoopers, today two-thirds of manufacturers are already using the technology.


9. Augmented reality will improve the performance of workers by giving them information when they need it, and where they can use it. For instance, using technology similar to Google Glass, employees could see the steps in a repair process displayed on a wearable computing device as they look at a machine that needs to be fixed.


Companies in the U.S., Asia, and Europe are already working to make Industry 4.0 a reality. For their study, the BCG analysts focused on Germany because its factories are already highly automated. However, the following conclusions apply to the U.S. as well.
 
Between 2020 and 2025, as more companies adopt Industry 4.0 technologies, BCG expects productivity gains on conversion costs (which exclude the cost of materials) of 15-25 percent, on average. Some industries are positioned for greater gains than others. While the productivity of the automotive industry will improve by 10 to 20 percent, industries such as mechanical engineering and food and beverage will improve by 20 to 30 percent.
 
Based on this analysis, we offer the following forecasts:


First, the nine technology advances will trigger growth in both revenues and employment.


Again, using Germany as a test case, BCG expects revenues to increase by about 30 billion euros per year due to manufacturers' increased demand for new equipment and consumers' fascination with new, highly customized products. Over the next ten years, German employment will grow by 6 percent in manufacturing and by 10 percent in mechanical engineering.4 Similar increases can be expected in the U.S. In all developed economies, low-skilled workers will be displaced by automation, while the demand for workers fluent in analytics and in using software on the shop floor will drive demand for high-skilled workers.


Second, Industry 4.0 will generate cost savings through increased automation and integration.


Using data from physical machines to simulate the machining of parts could lower production set-up times by as much as 80 percent. By 2025, labor costs, operating costs, and overhead are projected by drop by 30 percent. Cycle times will speed up by 30 percent. Advances in robotics will be responsible for a large proportion of these gains.5


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Among the new automation solutions that will soon be implemented in factories, according to a report on ZDNet,6 are three relatively cheap tabletop robots. They are:


- Sawyer (Rethink Robotics), which has a digital face and can handle materials, tend machines, and test circuit boards, at a price of $29,000.


- UR3 (Universal Robots), which is an articulated arm that can automate the tasks of soldering, setting screws, painting, and gluing, at a price of $23,000.


- Yumi (ABB), a robot with two arms, adaptable hands, and vision guidance for assembling small parts, at a price of about $40,000.


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Third, customers will benefit from Industry 4.0 because manufacturers will be able to respond to their needs more quickly, more completely, and at lower costs.


The production process will be more flexible, with higher levels of speed, quality, and productivity. Manufacturers will be able to offer a degree of customization that is unimaginable today.7


Fourth, Industry 4.0 will unleash innovations in every industry.


Consider how additive manufacturing is enabling aerospace firms to design new parts that lower the overall weight of an aircraft and reduce the need for expensive materials like titanium. Doctors can now design prosthetic devices that perfectly replace a patient's own body parts. The additive manufacturing industry grew to $4.1 billion last year after its third year at a compound annual growth rate of nearly 34 percent; by 2020, it is expected to be a $20.2 billion industry, according to the Wohlers Report 2015.8


Fifth, training is another area where Industry 4.0 will revolutionize performance.


One company that is already embracing this new model is Siemens, which uses a virtual 3D representation of its factories to train new employees in how to respond to emergencies. Trainees wear augmented-reality glasses that simulate the experience of working with robots; they can interact with the machine virtually and learn how it responds to their commands. Among businesses that are developing augmented-reality glasses, in addition to Google, are a startup called Magic Leap and Microsoft, with a wearable device called HoloLens.


Sixth, while Industry 4.0 will benefit European countries with skilled labor forces like Germany, it will mean even more for the United States.


In the U.S., the North American Energy Revolution, the world's largest domestic consumer market, and a younger workforce give manufacturing an added boost. America's big challenges are to "close the skills gap" with better non-college training, and to eliminate burdensome taxes and regulations that stifle investment by multinationals.


References


1. To access The Boston Consulting Group's report "Industry 4.0: The Future of Productivity and Growth in Manufacturing Industries," visit their website at:

https://www.bcgperspectives.com/content/articles/engineered_products_project_business_industry_40_future_productivity_growth_manufacturing_industries/


2. Technological Revolutions and Financial Capital: The Dynamics of Bubbles and Golden Ages by Carlota Perez is published by Edward Elgar Publishing Limited. ⓒ 2003 Carlota Perez. All rights reserved.


3. To access The Boston Consulting Group's report "Industry 4.0: The Future of Productivity and Growth in Manufacturing Industries," visit their website at:

https://www.bcgperspectives.com/content/articles/engineered_products_project_business_industry_40_future_productivity_growth_manufacturing_industries/


4. iBASEt, April 28, 2015, "Predicting Industry 4.0's Impact on Manufacturing," by Louis Columbus.   ⓒ 2015 iBASEt. All rights reserved.

http://www.ibaset.com/blog/predicting-industry-4-0s-impact-manufacturing/


5. iBid.


6. ZDNet, April 2, 2015, "Inexpensive Table-Top Robots Will Disrupt Light Manufacturing," by Greg Nichols. ⓒ 2015 CBS Interactive. All rights reserved.

http://www.zdnet.com/article/inexpensive-table-top-robots-will-disrupt-light-manufacturing/


7. iBASEt, April 28, 2015, "Predicting Industry 4.0's Impact on Manufacturing," by Louis Columbus.   ⓒ 2015 iBASEt. All rights reserved.

http://www.ibaset.com/blog/predicting-industry-4-0s-impact-manufacturing/


8. com, April 7, 2015, "The 2015 Wohlers Report Is Out," by Andrew Wheeler. ⓒ 2015 Engineering.com Inc. All rights reserved.

http://www.engineering.com/3DPrinting/3DPrintingArticles/ArticleID/9908/The-2015-Wohlers-Report-Is-Out.aspx