【에너지 현장】 스마트 팩토리 최상위 단계, 메타버스 팩토리
2022-07-12

스마트 팩토리 최상위 단계, 메타버스 팩토리
자동화에서 정보화로, 그리고 지능화를 거쳐 가상화까지
제조 분야에서 가상 시뮬레이션 도구를 활용한 메타버스 팩토리는 운영의 최적화와 품질향상에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 최근 중소벤처기업부와 함께 한국 기업과 교육기관이 하노버 산업박람회에서 선보인 ‘제조AI 메타버스 팩토리’가 큰 호응을 받았다. 그러는 가운데, LG CNS가 버추얼 팩토리를 적극적으로 추진하고 있어 눈길을 끌고 있다. 서울대학교는 메타버스 플랫폼을 교육에 적용하고 있고, KAIST 연구진은 가상물질의 움직임과 형태를 표현할 수 있는 컨트롤러를 개발해 가상현실과의 상호작용의 범위를 넓혔다.
 
정리 강창대 기자 
자료 중소벤처기업부, KAIST, 서울대학교, LG CNS
국내 중소기업 및 대학 얼라이언스는 독일 하노버 산업박람회에서‘제조 AI 메타버스 팩토리’를 선보여 큰 호응을 받았다. (자료: 중소벤처기업부)

중소벤처기업부는 지난 5월 30일부터 6월 2일까지 나흘간 개최된 독일 하노버 산업박람회(Hannover Messe)에서 국내 중소기업 및 대학과 함께 참가해 ‘메타버스 팩토리’기술을 선보였다. 중기부와 함께 박람회에 참석한 기업 및 단체는 KAIST ‘제조AI빅데이터센터’를 중심으로 국내 중소기업 디지포레, ABH, KEMP와 UNIST, 한양대 등이다.

이번 행사에 참여한 중소기업은 중기부의 ‘AI 컨설팅·실증 사업’을 통해 AI 솔루션 개발에 참여했던 공급 및 도입기업들인 것으로 전해진다. 해당 사업에는 메타버스 기술을 적용할 경우 기초가 될 수 있는 AI 솔루션의 실증 자금과 데이터셋, 컴퓨팅 자원 등이 지원됐다. 이를 바탕으로, 박람회 참가 단체들은 지능화된 메타버스 시스템을 구축할 수 있었다.

이번 하노버 산업박람회 체험관에서는 ‘메타버스 팩토리’에 관심을 가진 참관객들의 시선을 끌었다고 한다. 체험관은 증강현실(AR)과 가상현실(VR), 확장현실(XR) 장비와 메타버스 솔루션을 활용해 참여자들이 가상의 도금공장에 방문할 수 있도록 구성됐다. 메타버스 상에서 한국의 현장과 연결되어있는 도금 공정을 직접 가동해보고, 제조 AI 분석 결과에 따라 도금조 운영을 최적화하는 과정을 체험할 수도 있었다고 한다.

이처럼 중소 제조기업의 스마트혁신과 제조데이터의 활용, AI 기술의 적용 등의 사례가 점점 확대되고 있다.
 LG CNS 스마트FC사업부장 조형철 전무가 한국공학한림원 스마트디지털포럼에서‘버추얼 팩토리’를 소개하고 있다.
LG CNS, 가상 공장 만든다
LG CNS는 최근 신물질을 개발하는 연구전용 공장을 대상으로 버추얼 팩토리를 활용한 가상공장 대체 기술검증(PoC, Proof of Concept)을 성공적으로 마쳤다고 전하며, ‘버추얼 팩토리’(Virtual Factory)와 ‘버추얼 랩’(Virtual Lab) 사업을 본격적으로 추진하겠다고 밝혔다.

버추얼 팩토리는 공장과 설비 등을 가상으로 구현하고, 공장에서 발생하는 모든 데이터를 분석해 최적의 공장 운영안을 가상환경에 적용하는 것을 말한다. 공장 전체를 가상환경에서 실제와 똑같이 운영할 수 있으며, 한 단계 더 나아가 생산 과정 전체를 제어할 수 있다. 예를 들어, 버추얼 팩토리에 접속하면 한국에 있는 엔지니어가 미국에 있는 공장 설비를 원격으로 조종할 수 있다. 물리적인 제약 없이 여러 명의 전문가가 실시간으로 가상 공장 안에 모여 가상 설비를 살펴보며 문제를 논의할 수도 있다. 또한, 가상 설비에서 발생하는 수 억 개의 데이터를 분석해 설비 고장을 예측하고, 공정 순서를 자동으로 최적화하는 등 원격 제품을 생산할 수 있다.

버추얼 랩은 가상 환경에서 △ 제품 설계, △ 가상 제품을 통한 품질 테스트, △ 원격 실제 제품 테스트, △ 신물질 개발 등 각종 연구를 수행하는 가상 디지털 실험실을 말한다. 현실 속에서 안전, 비용 등의 문제로 시도하기 어려웠던 연구도 버추얼 랩에서는 얼마든지 할 수 있다. 신물질을 개발할 때 재료 배합이나 온도 조절에 따른 다양한 화학 반응을 버추얼 랩에서는 안전하게 테스트할 수 있다. 고가의 가전제품을 여러 높낮이에서 떨어뜨려 품질을 테스트하는 낙하 실험도 버추얼 랩에서는 실제 제품을 훼손하지 않고, 수 천 가지의 다양한 조건 속에서 반복할 수 있다.
한국원자력연구원 첨단방사선연구소에서 구축한‘아티월드’전경 및 접속 QR코드

버추얼 팩토리, 버추얼 랩은 데이터를 확보하는 것이 핵심이다. LG CNS는 빅데이터 기술을 활용해 설비, 로봇, 설계, 시험, 작업자, 공정, 물류, 안전 등 생산의 모든 영역에서 생성되는 데이터를 확보해 나가고 있다. LG CNS는 버추얼 팩토리, 버추얼 랩 구축을 위해 △ 디지털 트윈, △ AI, △ 에지컴퓨팅 기술을 결합했다. 디지털트윈은 현실 속 물리적 사물을 디지털 환경에 시각적으로 똑같이 복제하는 기술이다. AI는 생산 데이터를 분석해 설비 고장 시기를 예측하거나 자동으로 제품 불량을 판정하는 등 가상 환경 기반의 공장 자율 운영을 가능케 한다. 엣지컴퓨팅 기술은 생산 설비, 측정 설비에 탑재돼 데이터 분석과 실행 명령을 중앙 서버에 거치지 않고 빠르게 수행한다.

LG CNS는 고객이 직접 DX를 체험할 수 있는 ‘이노베이션 스튜디오’도 운영 중이다. 이곳에서는 버츄얼 팩토리와 버추얼 랩의 기반이 되는 메타버스, 증강현실(AR), 가상현실(VR) 등 최신 디지털전환(DX) 기술을 직접 체험하고 사업 아이템을 구체화할 수 있다.

메타버스 첨단방사선연구소
한국원자력연구원 첨단방사선연구소는 전 세계 400만 명 이상이 사용 중인 메타버스 플랫폼 ‘게더타운’(Gather Town) 내에 ‘아티월드’(ARTI World)를 구축했다. 아티(ARTI)는 첨단방사선연구소의 영문명인 ‘Advanced Radiation Technology Institute’의 약칭이다. 한국원자력연구원이 온라인 가상공간을 구축하게 된 것은 현실에서의 시·공간 제약 없이 원자력과 과학에 관심 있는 젊은 세대에게 친근하게 다가기 위해서라고 한다.

아티월드는 실제 첨단방사선연구소 주요 시설 5곳의 외관을 그대로 구현했다. 메타버스 전용 공간으로는 아트리움, 아티시네마, 진로체험관, 체험존이 있다. 특히 아티시네마는 ▲ 방사선연구조사시설, ▲ 사이클로트론, ▲ RI-Biomics, ▲ 방사선육종연구동, ▲ 방사선기기팹 각각에 대한 상영관으로 구성돼, 시설 관련 홍보 영상을 자유롭게 시청할 수 있다. 연구원 첨단방사선연구소는 상시 운영 외에도 올해 ‘아티월드’에서 방사선 기술 특강, 청소년 대상 진로설계 행사 등 다양한 서비스를 제공할 계획이다. 
‘아티월드’접속 방법은 연구원 홈페이지 (www.kaeri.re.kr/arti ) 공지사항에서 확인할 수 있다.
가상현실과의 상호작용 기술
KAIST 산업디자인학과 안드리아 비앙키(Andrea Bianchi) 교수 연구팀이 회전하는 원판을 활용해 ‘6-자유도 햅틱 컨트롤러’를 개발했다.1) 연구팀은 마이크로소프트(Microsoft Research)와 협업해 움직이는 물체의 이동 속도와 방향, 두께를 표현하는 스피노키오(SpinOchhio) 컨트롤러를 개발했다. 이 컨트롤러는 한 쌍의 회전 원판과 피버팅(2차적 축 회전) 메커니즘을 활용해 가상 환경(VR Environment)에서 사용자가 엄지와 검지로 쥐고 있는 물체가 손가락 사이를 지나가는 속도, 방향과 두께의 감촉을 사실적으로 체험할 수 있게 한다.

기존의 가상현실(VR) 컨트롤러는 가상 물체와의 상호작용을 표현하는 방법으로 진동 피드백만을 활용해, 손에 쥔 물체의 움직이는 속도, 방향, 또는 두께감에 대한 촉감 피드백을 표현하는 데에 한계가 있었다.

연구팀은 한 쌍의 피버팅 하는 회전 원판을 엄지와 검지 각 손가락 끝에 접촉하게 함으로써, 손가락 사이에 있는 물체가 다양한 방향으로 미끄러지거나 회전하는 감각을 재현한다. 또한 연구팀은 두 원판 간의 거리를 조절함으로 가상 환경에서 실시간으로 다양한 물체의 두께와 형태의 촉감을 구현했다. 엄지와 검지 각 손가락 끝에 접촉한 표면의 움직이는 방향(1), 속도(2)와 폭(3)을 개별적으로 제어하여 스피노키오는 총 6-자유도 햅틱 피드백을 구현한다.

또한, 연구팀은 스피노키오를 활용해 표면의 움직임의 방향 변화에 대한 사용자들의 인지능력을 측정했고, 가상 물체를 재현했을 때 가상현실의 시각적 피드백이 촉각 피드백 인지에 큰 영향을 끼치는 것을 실험적으로 확인했다.
 
서울대, 메타버스 활용 시범수업
 
서울대학교 스마트시티 글로벌 융합 혁신인재양성 교육연구단‘은 메타버스 플랫폼을 활용해 시범수업을 지난 6월 1일 서울대학교 39동 G-스페이스(Space)에서 성공적으로 마쳤다고 밝혔다. 스마트시티 글로벌 융합전공과 글로벌 R&DB 센터(이하 GRC) 연구팀은 융합기술분야의 학제간 교류 활성화, 교육 패러다임 전환을 위해 지난 3월부터 젭(ZEP), 아트스텝스(Artsteps) 등의 메타버스 플랫폼을 활용해 교육 컨텐츠를 개발하고, 자체 플랫폼 구현을 위해 연구하고 있다.

글로벌 인재양성을 위해 GRC는 세계은행(World Bank)에 ‘스마트시티 오픈 러닝코스’(Smart City Open Learning Course)를 개설해 운영하고 있으며, 6개 모듈을 기반으로 온라인 학습 콘텐츠를 개발했다. 또한, 2022년 세계스마트시티기구 위고(WeGO)와 협력해 온라인 기반의 국제 스마트시티 프로젝트 경연대회(WeGo Smart City Champions)를 통해 학생들에게 물리적인 장소에 구속 받지 않는 스마트시티 교육과 국제경연대회 경험을 제공했다. 서울대 ‘디지털로지 인스티튜트’(DIGITALOGY Institute) 글로벌 창업 연구팀은 메타버스와 혁신성과를 연결하고, 실효성 있는 교육 콘텐츠를 개발하기 위해 미국 플로리다 대학교, 에티오피아 아다마 과학기술 대학교 등과 메타버스 글로벌 융합교육 공동 플랫폼 및 글로벌 조인트 랩 구축 분야 등에서 협력할 예정이다.
1) KAIST 산업디자인학과 김명진 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 5월 4일 ‘ACM CHI 2022’(2022 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems) 국제학회에서 “SpinOcchio: Understanding Haptic-Visual Congruency of Skin-Slip in VR with a Dynamic Grip Controller”라는 제목으로 발표됐다. 한편 이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

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