4차 산업혁명과 비슷한 시기에 등장한 말이 있다. 독일에서 기원한 인더스트리 4.0으로, 사이버 물리 시스템(Cyber Physical System; CPS) 기반의 유연하고 효율적인 생산 체계를 의미한다.


독일 정부가 독일 제조업의 부흥을 위해 정의한 인더스트리 4.0은 모듈 공정, 가변·유연 설비, 자율·분산 제어, 무선 통신, 실시간 위치 추적을 통해 무겁고 경직된 인더스트리 3.0과 달리 다품종 대량생산을 추구한다.

제 50회 한국전자전에 열렸던 지난 10일, 한국반도체산업협회와 마이스포럼이 주관하는 ‘4차 산업대응 첨단센서 기술세미나 2019’가 부대행사로 개최되었다.

이날 전자부품연구원(KETI) 이대성 스마트센서연구센터장은 ‘스마트팩토리에 적용 가능한 스마트센서 기술’이라는 주제로 세미나 한 꼭지를 진행했다.


스마트팩토리에서 활용되는 센서의 분류
스마트팩토리 각 장비에 탑재되는 센서들은 인더스트리 4.0 실현을 위해 보드 형태에서 센싱 소자와 지능형 알고리즘을 탑재한 센서 SoC를 통합한 초소형 전자 기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS)으로 변모하는 추세다.

크기가 mm 단위를 넘지 않는 압력 센서, 가속도 센서, 9축 모션 센서, 마이크로폰, 적외선 이미지 센서, 자기 센서 등이 현재 상용화되어 스마트팩토리 뿐만 아니라 스마트폰 같이 다양한 분야에서 적극적으로 활용되고 있다.

스마트팩토리에서 센서가 활용되는 영역은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 먼저 ▲설비제어로, 실시간으로 설비를 모니터링하고 장비를 원격으로 제어한다. 제조일정 지연 및 이상 징후 통보와 대응도 한다.

다음으로는 ▲에너지·환경 효율화로, 에너지 소비량, 환경오염도 등을 파악하고 관리자의 원격검침을 돕는다. 공장 환경이 제조 과정에 끼치는 영향을 평가하거나 환경 이상의 원인을 분석할 수 있으며 에너지 사용집계도 가능하다.

마지막으로 ▲물류 효율화다. 로봇이나 RFID를 기반으로 수집한 재고 수량정보를 자동으로 전송하거나, 공정별 재고품 진행을 추적하고, 적정 재고량을 분석하며, 3D 디지털 맵 기반 최적 이동 경로 안내 등을 수행한다.

공장자동화 제품은 다양하다. 근접 센서, 정전용량 센서, 경사각 및 가속도 센서, 초음파 센서, 포토 센서, 자동문 센서, 비전 센서, 안전 센서와 같은 센서는 물론, 로터리 인코더, RFID 및 바코드 이미지 솔루션, WCS·PCV 위치 제어 시스템처럼 센서를 포함한 제품도 있다.


사물을 3D 이미지화하는 광학식 센싱 기술
스마트팩토리에서 물체 인식 용도로 널리 활용되고 있는 광학식 센싱 기술은 액티브 방식과 패시브 방식으로 나눌 수 있다.

액티브 방식은 빛 등을 쏜 다음, 돌아온 시간차, 각도차 등을 계산해 사물을 감지한다. 패시브 방식은 쏘는 것이 없지만 센서를 2개 이상 활용해 삼각법 등으로 사물을 감지한다.

대표적인 3D 이미지 센서로는 스테레오 카메라, ToF 카메라, 구조광 카메라가 있다. 스테레오 카메라는 앞서 언급한 것처럼 카메라 2대를 활용해 사물을 감지하고 삼각법을 활용해 3D 이미지화한다.

ToF 카메라는 쏜 빛이 돌아온 시간을 계산해 거리 데이터를 산출, 3D 이미지화한다. 구조광 카메라는 카메라와 프로젝터를 활용한다. 카메라 영상과 프로젝터 영상에서 구조광 코드의 일치점을 탐색하고 그 점의 3차원 좌표를 획득한다.

이외에도 펄스 레이저를 목표물에 방출하고 빛이 돌아오기까지 걸리는 시간 및 강도를 측정해 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성을 감지하는 라이다(LiDAR)는 그동안 자율주행차량에서 활용되어 왔다.

그러나 스마트팩토리 내의 무인이송로봇에도 충돌 방지 용도로 사용되고 있으며 가격이 하락하면서 8채널로만 쓰이다가 16채널, 32채널로 정확도가 향상되고 있다.


전자기 스펙트럼의 블랙홀, THz파 활용한 카메라
비파괴검사는 제품 완전성이나 표면상태를 변형하지 않고 검사하는 방법으로, 최근에는 테라헤르츠(THz)파를 활용하려는 움직임도 보이고 있다. THz파는 마이크로파와 적외선 사이의 전자기 스펙트럼으로, 대역은 0.1~10Hz, 파장은 3mm(밀리미터)~30μm(마이크로미터)다. 이대성 센터장은 다른 전자기 스펙트럼과 달리 연구가 덜 된 블랙홀 같은 스펙트럼이라고 설명했다.

그럼에도 이 THz파를 이미지화 할 수 있는 카메라가 최근 발매되고 있다. 일본의 NEC, 미국의 애질트론, 프랑스의 LETI 등이 제품을 출시했거나 시제품을 개발한 상태다. 우리나라에선 소모에너지앤테크놀로지에서 안테나 결합형 나노 볼로미터 방식의 카메라를 개발 중에 있다.

THz 카메라는 식품 내 이물질 검사에서 유용성을 입증한 바 있다. 2014년에 한국식품연구원과 한국전기연구원은 밀가루 분말 속 벌레 이물 검출, 홍삼 품질 검사 등에서 사진, X-레이보다 효용적임을 증명했다.


설비 진단 분야에서 활용되는 센서
스마트팩토리의 수명과 연결되는 설비 진단(Prognostics and Health Management, PHM) 기능에는 센서가 큰 역할을 한다. 설비에 탑재된 각종 IoT 센서는 장비의 진동, 속도, 모터 전류, 온도, 압력 등의 변화를 감지한다.

스마트팩토리의 설비 진단 기능 구축은 3단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 설비 모니터링으로, 설비 데이터를 시각화하는 수준이다. 두 번째 단계는 설비진단 모니터링으로, 설비 데이터를 처리하고 분석한 것을 시각화하는 수준이다. 세 번째 단계는 설비 예지 진단 모니터링으로, 데이터를 수집하고 통합하여 처리하고 분석하고 머신러닝을 통해 학습하고 시각화한다.

독일 SnK의 설비 진단 솔루션은 제품 제작 과정 중 시간 흐름에 따른 정상적인 센서 강도를 저장한다. 그리고 허용 가능한 범위를 설정한다. 제품을 반복 생산하면서 이 범위를 벗어나면 설비 이상으로 감지한다. 설비는 설비마다 감지 기능을 가지며, 각 설비별 데이터를 생산 관리 시스템(Manufacturing Execution System; MES)로 연결하여 공장 내 모든 설비의 상태를 종합적으로 관리한다.

위의 설비 진단 솔루션을 단조(forming) 분야에 적용할 시 센서는 어떻게 활용될까? 압력·충격·온도 센서는 프레스 기계의 프레스 접촉부, 회전축 등 물리량 감지 부위에 탑재된다. 센서는 압력, 충격 진동 및 음향, 온도 변화, 토크 등의 데이터를 수집하고 무선으로 MES에 전달할 수 있다.

이대성 센터장은 세미나를 마치면서 “스마트팩토리에 들어가는 센서들이 스마트화, IoT화 되고 있다”라며, “지능적이고 무선으로 통신하는 센서를 만들기 위해선 반도체, MEMS 기술 등을 적극적으로 연구해야 할 것”이라고 밝혔다.