보라빛 소를 만나기 위한 도약

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1835호(2018. 2. 28. 발행)에 기고한 원고입니다.

▶ IITP에서 PDF 포맷으로 퍼블리싱한 파일을 첨부합니다. 가독성이 좋으니 참고하시기 바랍니다.

‘디지털 트윈’ 기능 강화하는 PLM(제품생명주기관리) 도구들.pdf

ž 4차 산업혁명의 핵심 개념인 ‘사이버-물리 시스템(CPS)’을 실현하기 위한 기술인 ‘디지털 트윈(Digital Twin)’의 실행은 크게 3단계로 이루어짐

Ø 4차 산업혁명이 전개되는 스마트 공장에서는 사이버 시뮬레이션 기술을 오프라인의 공장에 적용하는 CPS(Cyber-Physical System)를 통해 공장의 생산 라인을 수시로 교체할 수 있고, 각 부품 및 공정마다 센서들이 연결되어 제품의 완성도를 높일 수 있음

Ø CPS를 구현하는 것이 ‘디지털 트윈’ 기술인데, 실제 물리적 자산 대신 소프트웨어로 가상화한 자산의 쌍둥이를 가상으로 만들어 시뮬레이션 함으로써 실제 자산의 현재 상태, 생산성, 동작 시나리오 등에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있게 해 줌

Ø 디지털 트윈은 GE가 제창한 것으로 현재 에너지, 항공, 헬스케어, 자동차, 국방 등 여러 산업 분야에서 디지털 트윈을 이용하여 설계부터 제조, 서비스에 이르는 모든 과정의 효율성을 향상시켜 자산 최적화, 돌발 사고 최소화, 생산성 증가 등의 효과를 얻고 있음

Ø 디지털 트윈의 실행은 크게 세 단계로 구성되는데, 첫 번째 단계는 실제 정보를 수집하여 가상의 쌍둥이 모델에 반영하는 단계로 여기에서는 센서 및 센서 데이터를 수집하기 위한 IoT 기술이 사용됨

Ø 다음 두 번째 단계는 디지털 세계의 쌍둥이를 분석하는 단계로, 여기에서는 컴퓨터를 활용한 수치 시뮬레이션, 빅데이터 분석, AI(인공지능) 등의 기술이 중요함

Ø 마지막 세 번째 단계는 분석 결과를 장비와 생산 설비의 각종 매개 변수, 유지보수 일정 등을 결정하는 판단 자료로 생성하여 현실 세계에서 활용하는 것인데, 이 때 분석 결과를 사람에게 알기 쉬운 형태로 표시하는 AR(증강현실)/MR(복합현실) 기술이 사용되고 있음

ž 디지털 트윈의 3단계 중 첫 단계에서는 장착 센서가 공간의 제약을 받지 않도록 경량화하는 것이 좋은데, 최근에는 더 나아가 부품 자체를 센서로 만드는 흐름도 등장하고 있음

Ø 만일 첫 번째 단계에서 얻고 싶은 물리량을 기존 센서에서 얻을 수 없는 경우, 기존의 센서가 취득한 물리량에서 원하는 물리량을 유추하거나 센서를 새로 추가 설치하게 됨

Ø 이 때 새로 장착하는 센서는 공간의 제약을 받지 않도록 소형·경량화하는 것이 바람직하며 전원 및 통신 수단도 확보해야 하기 때문에, 최근에는 부품 자체를 센서로 만들어 버리는 움직임도 나타나고 있음

Ø 예를 들어 독일 쉐플러(Schaeffler)가 개발한 ‘센소텍트(Sensotect) 코팅 시스템’은 베어링과 브래킷 등의 부품 표면에 배선 패턴을 만들고 거기에 전류를 흘림

Ø 부품의 변형량에 따라 배선을 흐르는 회로의 저항값이 변화하기 때문에 이를 통해 부품에 가해지는 힘과 토크 등을 측정할 수 있게 되는데, 배선 패턴은 부품 표면에 특수 합금을 코팅하고 미리 정해 둔 패턴이 남도록 깎아 제작함

ž 한편 최근 주요 PLM(제품생명주기관리) 도구 공급업체들은 자사 제품이 디지털 트윈 활용의 세 단계를 모두 지원하도록 기능 확장을 추진하고 있음

Ø PLM(Product Lifecycle Management) 도구는 CAD 데이터 등의 제품 설계 정보와 BOM(Bill of Materials, 자재 명세서)를 관리하고 사용자에게 그 정보를 편집· 가공하는 기능을 제공하는데, PTC나 다쏘 시스템 (Dassault Systems) 등이 대표적 PLM 도구임

Ø PTC는 2013년에 ‘씽웍스(ThingWorx)’라는 솔루션 개발업체를 인수했는데, 씽웍스는 건설 기계와 공작 기계의 가동 정보를 실시간으로 획득하여, 분석 애플리케이션을 직관적으로 개발할 수 있게 해 주는 IoT 플랫폼임

Ø PTC는 씽웍스가 획득한 부품 정보와 PLM 도구의 3D 데이터를 연계시켜 실제 세계와 디지털 가상세계의 융합을 실현하겠다는 목표를 내걸고 있음

Ø 다쏘 시스템은 PLM 도구와 생산 라인을 감시·관리하는 MES(제조실행시스템)를 연계하여 PLM 데이터에 대한 시뮬레이션 결과에 따라 작업을 임기응변으로 변경하는 기능을 제공함으로써 생산 라인의 디지털 트윈 활용을 지원하고 있음

Ø 현재 기술 수준에서 실제 세계의 정보를 획득하여 디지털 트윈에 반영하기까지는 약간의 시간 지연이 발생하며, 수집된 정보 역시 ‘실제 그대로’라 말하기는 어려움

Ø 가령 자동차라면 수만 개에 달하는 부품 모두를 반영한 ​​디지털 트윈은 아직 구현이 어렵고, 현실적으로는 우선 타이어 등 소모율이 높고 안전성과 직결되는 부품을 중심으로 부분적인 디지털 트윈을 모델링 하여 유지 관리에 이용하는 수준이라 할 수 있음

Ø 그러나 IoT, AI, 시뮬레이션 분야는 계속 발전하고 있으며 앞으로도 다양한 기술 혁신이 기대되기 때문에, 디지털 트윈은 ‘현실 세계의 쌍둥이’에 대한 완전한 정보를 가지고 그것의 동작을 가상세계에서 충실하게 재현해 내는 이상적인 모습에 근접해 나갈 것임