디지털 시대로의 변화에 따른 신발산업의 패러다임 변화

스마트 공장이란 어떻게 정의할 수 있는가?

몇 년 전부터인지 정확히 알 수는 없지만 우리는 여러 매체를 통해 4차 산업혁명이란 말을 많이 들어오고 있다. 4차 산업혁명이 오기까지 1, 2, 3차 산업혁명도 거쳐왔을 터이니 각 차수  산업혁명에 대한 주요 특징을 우선 간단히 정리하고자 한다.

1차 혁명은 이전까지 말을 이용하여 동력원으로 사용하던 것을 대신하는 증기기관이 나오면서 산업에 큰 변화를 주게 된 것이 주요 사항이라고 할 수 있다. 2차 산업혁명에서는 증기기관을 통해 얻어오던 동력을 전기에너지가 담당하게 되면서 또 한 번의 산업에 발전을 가져오게 되었다. 그리고 3차 산업혁명에서는 그동안 사람이 일일이 계산하던 것을 컴퓨터를 이용하여 연산하고 저장함으로써 훨씬 빠르고 정확한 의사결정이 가능하게 되어 산업에 또 한 번의 큰 발전을 이루게 되었다.

지금, 4차 산업혁명은 인공지능과 빅데이터, 초연결이란 개념이 적용되어 개개인의 의도를 파악하여 의도하였던 정보나 기술, 제품 등을 즉시 그리고 정확하게 제공해 주는 서비스가 가능한 산업으로 발전하고 있는 것 같다. 즉, 4차 산업혁명으로 사용자의 의도(Context)를 파악하고 반영하여 필요로 하는 서비스(정보, 제품 등)를 즉시 제공하기 위해 ICT 기술이 활용되는 시기가 도래하였다고 정리할 수 있다. 여기서 컨텍스트를 파악하여 서비스를 제공하는 의미는 누가 무엇을 어떤 의도를 가지고 언제 어떤 행위를 하였는지에 관한 빅데이터를 분석하여 가지고 있다가 나의 의도를 파악하여 내가 찾던 그것을 제안해 주는 것으로 이해하면 되겠다.

  <산업혁명의 주기 및 단계별 특징>

자료출처: 콘테타M 홈페이지

그럼, 왜 이와 같은 4차 산업혁명이 나타나게 되었는지 이야기해 보자. 스마트 공장의 출현을 설명하기 위한 내용으로, 여기서는 아주 간단하게만 이야기를 하고 넘어가겠다. 4차 산업혁명의 출발은 그동안 사용자들을 위해 사용되던 정보통신기술(ICT, Information and Communication Technology)을 산업에 사용함으로써 생산성 향상과 제품 경쟁력 강화를 기대하는 것에서 출발하였다고 생각해 볼 수 있다.

조금 더 풀어서 말하면, 우리가 지금 많이 이용하고 있는 유튜브나 인스타그램, 페이스북이 대표적인 예가 될 수 있겠다. 언제든 연결된 네트워크 망을 통해 서로의 정보를 볼 수 있고 글을 적어 내 생각을 교환할 수 있는 대표적인 ICT 서비스이다. 4차 산업혁명에서는 이렇게 사용되던 기존 기술을 산업에 활용함으로써 기계 간 또는 기업 간 서로 생산에 관련된 정보를 주고받음으로써 생산성을 높이는데 활용하자는 것이다. 또한, 제품의 기획 및 설계 단계에서부터 소비자의 요구를 빠르게 분석하고 생산 시 애로공정을 먼저 파악하고 고려함으로써 제품 경쟁력을 높일 수 있는 생산 체계의 변화를 추구하자는 것이다. 이러한 4차 산업혁명의 의도에 맞출 수 있는 공장이 스마트 공장이라고 할 수 있다. 그러면 이제 스마트 공장에 대한 정의부터 확인해 보자.

스마트 공장에 대한 정의를 여러 문헌에서 찾아보면 설계·개발, 제조, 유통·물류 등 생산 전체 과정에 정보 통신 기술(ICT)을 적용하여 생산성, 품질, 고객만족도 등이 개선된 공장으로 정의하고 있다. 조금 더 학문적인 느낌의 정의를 보면, “스마트공장은 공장의 생산 설비(시스템)를 기반으로 한 수직적 통합과 고객의 요구사항을 시작으로 하는 제품개발 가치사슬(value chain)을 기반으로 한 수평적 통합이 구현되는 공장”이라고 되어 있다. 정의 자체가 매우 이해하기 어렵게 되어 있다. 몇 번 반복해서 읽어 보아도 이해하기가 쉽지 않을 것이다. 따라서 본 내용에서는 해당 정의를 조금 쉽게 풀어 다음과 같이 정의하고자 한다.

생산 설비를 구성하는 단일 장치(기계, 사람)부터 생산관리(MES) 및 자재공급(ERP)까지의 생산을 관리하는 시스템(수직적 관계)과 제품기획부터 공정 설계를 거쳐 생산 후 제품출시까지의 가치 사슬 관계(수평적 관계)를 모두 통합하여 운영할 수 있는 공장으로 정의하고자 한다. 즉, 스마트 공장은 제품 기획 및 개발단계를 포함하여 제품을 생산하는 전 단계를 모두 통합하여 운영할 수 있는 공장으로 이해하면 좋을 것 같다.

스마트 공장의 수준은 어떻게 구분할 수 있는가?

앞에서의 스마트 공장에 대한 정의를 이용하면, 스마트 공장의 수준을 제품의 기획, 설계, 생산, 유통, 판매와 같이 전 생산과정에서 ICT 기술을 접목하여 적은 비용과 시간으로 고객의 요구에 맞춘 제품을 생산할 수 있는 공장의 상태라고 할 수 있겠다.

방금 정의한 스마트 공장의 수준 결정은 일반적으로 현장의 자동화 수준, 공장운영 수준, 기업의 자원관리 수준, 제품개발 수준, 공급사슬관리의 상태에 따라 정하고 있다. 특히, 5개의 세부 항목에 대해서도 각각의 수준을 정의하고 있어서 공장의 수준을 조금 더 객관적으로 정의할 수 있다. 각 수준은 기초수준, 중간수준1, 중간수준2, 고도화로 4개의 수준으로 나누고 이에 대한 기준을 두어 구분하고 있다. 각 수준에 대해서는 다음과 같이 정리할 수 있다.

기초수준 단계는 현장에서 기계 설비 또는 작업자에 의해 생산되는 실적이 자동으로 집계되는 정도이며, 생산을 위한 자재의 흐름은 실시간으로 파악이 가능한 수준이다. 즉, 기계, 설비, 작업자, 작업 등에서 시시각각 발생하는 생산과정 중의 여러 가지 정보를 실시간으로 직접 수집, 처리하여 현장 관리자에게 제공할 수 있는 수준으로 생각하면 되겠다.

다음으로, 중간수준은 세분화하여 1, 2단계로 나누어 구분하고 있다. 1단계는 현장에 있는 각 설비의 정보가 자동 집계되는 수준으로 실시간으로 공장 운영을 모니터링할 수 있는 정도이다. 공장 내 설비 데이터가 실시간으로 자동 집계되니 실시간 변화에 따라 공장운영을 위한 의사결정을 즉시 할 수 있는 정도이다.

중간수준 2단계는 각 설비에 대해 자동으로 집계되는 데이터를 분석하여 설비를 자동 제어할 수 있는 수준에서 1단계와 차이점이 있다. 분야별(개발, 생산, 자원관리) 관리 시스템이 실시간으로 연동되어 공장 내 설비를 자동 제어할 수 있는 단계에 해당한다. 즉, 실시간으로 수집되는 설비정보 분석을 통해 실시간으로 설비를 제어함으로써 현 상황에 맞추어 생산을 최적화할 수 있는 수준으로 볼 수 있다. 1단계와 2단계의 가장 큰 차이점은 실시간으로 설비정보를 수집하여 공장을 모니터링하는 단계인지 수집된 데이터 분석을 통해 실시간으로 설비를 제어하여 생산을 최적화할 수 있는 단계인지 구분하여 이해하면 된다.

<스마트공장의 수준>

출처 : 스마트제조혁신추진단 홈페이지

고도화 단계는 공장운영과 기업자원관리, 제품개발 및 공급사슬관리가 통합적으로 운영될 수 있는 단계로 공장의 모듈화 및 IOT(Internet Of Things)화가 전제로 이루어지는 형태이다.

공장에서 생산되는 제품(사물)과 소비자 또는 다음 단계의 생산자에게 제공되는 서비스를 IOT/IOS(Internet Of Services)화하여 실시간 정보를 교류할 수 있는 시스템을 구축하고 사이버 공간에서 비즈니스까지 실현할 수 있는 수준으로 정의할 수 있다. 이렇게 적고 보니 고도화 단계에 대한 수준이 무척 애매모호하다는 생각이 든다. 조금 더 쉽게 풀어 써 보자.

고도화된 생산 현장에서는 각 설비가 모두 고유식별자를 가지고 있어서 각 설비들의 활동을 식별할 수 있으며, 각 설비 간에 통신을 통해 즉시 제어가 가능하다. 또한, 실제 현장과 같은 가상 물리시스템(CPS)이 구축되어 있어 신제품 개발 단계(디자인, 기획)에서 생산 및 자재관리 등 가상화된 시뮬레이션을 통해 제조 최적화를 위한 제품 설계와 공정 설계를 통합 관리할 수 있는 수준이라고 할 수 있다. 이러한 고도화의 수준은 현재 진행 기술의 단계에 있다고 볼 수 있다.

신발산업에서도 패러다임에 대한 변화가 필요하다.

4차 산업혁명과 AI(인공지능), 빅데이터라는 용어가 일상 어디에서나 자주 등장하고 있으며, 각 산업에서는 AI나 빅데이터를 활용한 기술 접목을 통해 기존에 없던 서비스를 제공하고 있다. 최근에 나온 갤럭시 모델은 사진을 찍어 펜으로 검색 대상을 동그라미만 표시하면 알아서 검색해 준다는 것을 광고하고 있다. AI기술을 적용해 문자뿐 아니라 사진 일부도 기계가 인식하여 검색하게 된 것이다.

이러한 사회적 변화에 따라 신발 제조업에서도 패러다임의 변화가 필요하게 된 것이다. 단순히 생산가격을 낮추는 것이 아니라 기존 공장 내에서 ICT 기술의 발전에 따라 자동화 수준이 지능화 수준으로 발전하여 생산성을 극대화하는 방안이 마련되어야 할 것이다. 또한, 대량생산 방식이 아닌 다양한 시장 요구에 대응하는 다품종소량생산 형태의 개인화 생산(Personalization) 체계로 변화가 이루어져야 할 것이다.

지금까지 우리가 알고 있는 신발산업의 특성은 크게 노동집약적 산업이며 유행에 민감한 패션산업, 가격경쟁력 기반의 산업, 공급사슬에 기반하는 산업이라고 이야기할 수 있다. 신발산업은 가격경쟁 기반의 노동 집약 산업이기 때문에 기존 신발산업에서는 원가 우위 확보를 위해 대량생산 체계를 구축하는 것이 중요한 전략이었다. 따라서 신발 기업들이 경쟁우위를 가지기 위해서 해외로 이전하여 저가의 노동력을 확보할 수 있는 생산 체계를 구축하고 현지 노동력을 이용한 대량생산 시스템을 갖추게 되었다.

그러나 서서히 현지 생산기지에서의 인건비 상승과 후발 주자였던 현지 기업의 기술 발전에 따른 무한경쟁, 현지 고용 창출에 대한 요구, 4차 혁명에 따른 인식 전환으로 단순한 생산보다는 다양한 개개인의 요구를 위한 대량 맞춤 전략을 추구해야 할 시기가 된 것이다.

이를 위해 우리 신발산업에서도 ICT 기반의 신발 제조 공장을 구축하여 같은 설비에서도 생산효율을 극대화할 수 있는 생산 관리 시스템과 개인 수요 맞춤이 가능한 디지털 기반의 생산 설비, 비숙련자로 생산이 가능한 AI 생산 체계를 갖출 수 있도록 해야 할 것이다. 이렇게 함으로써 우리 신발 산업에서도 디지털 기반의 신발산업 혁신이 이루어지기를 희망한다.

<신발산업의 대내외 환경변화에 따른 패러다임 전환 필요>

지능형 신발공장과 구축 중인 신발 빅데이터 센터의 기능을 알고 활용해 보자.

한국소재융합연구원은 한국신발산업협회와 함께 국내 신발 기업들의 디지털 전환 준비 현황에 대한 조사를 실시하였다. 설문지 형태로 된 여러 가지 항목을 기업에 전달하여 조사하는 방법과 직접 전화 연락을 통해 조사한 것이다.

소공인과 중소기업 중견기업을 포함하여 200여개의 기업들을 대상으로 조사하였으며, 해당 결과를 요약하면 다음과 같다.

신발 소공인들의 경우는 디지털 전환에 대한 인프라(장비, 시스템)나 프로세스(인원, 절차)에 대한 준비가 전혀 없거나(50.5%) 매우 낮은 것(49.5%)으로 나타났다. 그리고 신발 중소기업도 매우 낮거나(66.5%)나 대체로 낮은(33.5%) 것으로 조사되었다. 즉, 신발기업은 디지털 전환에 대한 준비가 거의 되어있지 않다는 것으로 요약할 수 있다.

그러나 이와 같은 수치로 조사되었다고 하여 신발 소공인이나 중소기업이 디지털 전환에 대해 전혀 관심이 없거나 필요하지 않다고 생각하는 것은 아니었다. 2023년 9월과 12일에 실시한 신발기업의 디지털 역량강화를 위한 공청회 및 포럼에서 신발의 디지털 전환 전략을 토론하는 기회를 얻었으며, 이러한 과정에서 기업이 디지털 전환에 대한 의미와 필요성을 잘 인지하고 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 디지털 전환을 통해 기업에게 도움을 줄 수 있는 다양한 장점들에 대한 기대감도 높은 것으로 확인되었다.

지금, 신발 기업에 현재 구축되어 지능형 신발공장과 구축 중인 신발 빅데이터의 기능을 여기에 간단하게 소개함으로써 기업이 디지털 전환을 체험하고 디지털 역량을 강화하는 기회를 가질 수 있었으면 좋겠다.

현재, 한국소재융합연구원에서는 신발 기업이 개발과 생산, 판매 단계에서 단계별로 직면하는 어려움을 해소할 수 있는 지원과 디지털 전환 체험을 할 수 있는 방안을 마련하고자 지능형 신발공장을 구축하고 신발에 관련된 자료를 수집 및 정보를 제공하는 빅데이터 센터를 구축하고 있다.

우선 디지털화된 신발공장을 체험하고 시제품을 제작할 수 있는 지원이 가능한 지능형 공장을 소개하겠다. 지능형 신발공장은 디지털 전환 및 자동화를 위해 구축된 장비를 활용하여 교육 교재 및 교육과정을 개발해 인력양성을 위한 업무를 지원하고 있다. 또한, 설계 및 모델링 지원을 통해 신발 즉시 신발 시제품을 제작할 수 있는 지원을 통해 스타트업의 제품화에 도움을 주고 있다.

또한, 공정자동화와 소재 합성 등 신발 제조 관련 기술을 보유하고 있어 이를 활용한 국가연구개발을 공동 수행하는 업무도 추진하고 있다. 따라서 특별한 아이디어가 있거나 시제품 제작을 통해 창업을 준비하는 이들에게는 꼭 필요한 지원을 받을 수 있으니 지능형 신발공장의 기능을 잘 알아두길 바란다.

<지능형 신발공장의 지원 기능>

지능형 공장에 구축된 주요 설비 중 활용도가 높은 갑피 제조 설비와 3D 프린팅 창 제조설비에 대해 간단히 설명하고자 한다. 신발 갑피 제조 시 니트 편직기를 이용한 자동직조를 통해 다양한 디자인에 대한 제작과 생산율을 높이는 방법을 지원받을 수 있다. 또한, 원단 재단 시스템을 통해 갑피 구성 부품의 컷팅과 재봉기 및 자동 봉재 기술, 비전 시스템을 이용하여 작업자와 협업을 통한 신발 갑피 제조 자동화 시스템을 체험하고 시제품 제작을 지원받을 수 있다.

특히, 원단 재단 시스템은 제작 원단을 자동 재단하기 위한 컴퓨터 제어 재단이 가능하며, 패턴 파일을 기반으로 모양, 크기를 고려한 네스팅 시스템도 탑재되어 있어 최적의 패턴 배열을 통한 자재 절감 효과를 확인해 볼 수 있다. 또한 별도의 철형 없이 패턴 설계와 동시 커팅을 통해 생산성 극대화를 위한 방법도 확인해 볼 수 있다.

탄성체 계열 플라스틱 분말을 사용하는 성능 맞춤형 탄성 중창제조가 가능한 3D 프린팅 창 제조 설비를 통해 무형금으로 미드솔 제조가 가능하다. 기존의 발포금형이나 대형 사출기 또는 프레스 성형 공정을 3D 프린팅 기술을 사용함으로써 금형 없이 디자인 및 성능에 맞추어 시제품을 제작할 수 있다.

이외에도 지능형 공장에서는 무인 자동화 접착제 도포가 가능한 접착제 자동도포 라인과 조립공정 상태 모니터링 및 작업자 분석을 통한 공정 최적화 레이아웃에 관한 부분들도 확인해 볼 수 있다.

신발 빅데이터 센터는 먼저 신발 디자인 및 설계, 시제품 제작 시 필요로 하는 각종 정보를 검색 및 분석할 수 있는 디지털 플랫폼을 구축하고 있다. 이를 통해 기업에 맞는 디지털 전환을 체험하고 관련 교육을 지원받을 수 있는 각종 설비 및 교육프로그램을 개발하여 운영하고자 한다. 또한 기업이 디지털화해 가는 과정에서 필요한 컨설팅과 교육을 함께 함으로써 기업의 디지털 역량을 강화하는 것을 목적으로 현재 관련 기반을 구축하고 있다. 현재는 신발 기업에서 필요로 하는 디자인 및 설계 관련 프로그램을 구축하고 있으며 신발 관련 소공인과 중소기업 관련자를 대상으로 한 교육프로그램을 준비 중에 있으니 개설되면 꼭 참여해 보시길 바란다.

4차 산업혁명의 영향으로 신발 제조업에서의 지향점도 대량생산에서 다품종소량생산 나아가 개인화 생산 체계로 변화되고 있으며 패스트 패션의 영향으로 제품개발 빈도는 매우 빨라지고 있다. 제품 자체 보다는 제품에 서비스가 부가되어 제품의 가치를 극대화하는 제조업의 서비스화가 가속화되고 있다. 이러한 사회에 맞추어 대응하기 위해서는 ICT 기술을 기반으로 한 신발산업의 혁신이 이루어져야 할 것으로 생각한다. 끝으로, 연구원과 관련 기관들은 디지털 전환을 준비하는 신발 스타트업과 중소기업에 도움을 줄 수 있는 여러 방법을 찾기 위한 지속적인 노력을 해야 하겠다.

문광섭 단장

現) 한국소재융합연구원 생산기술연구단 단장

前) 영산대학교 경영학부 경영정보학과 조교수

ksmoon@kimco.re.kr