산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2018.7 특집 요약 (p31-51)

독일 프라운호퍼의 연구력
72개의 연구소로 구성된 응용 연구기관
|
독일의 프라운호퍼(Fraunhofer)연구기구(이하, 프라운호퍼)는 72개의 연구소로 구성된 응용 연구기관이다. 최대 특징은 기업이나 사회의 요구에 맞는 응용 지향의 연구 개발을 하고 있다는 것이다. 일본에서의 주목도 높아 오픈 이노베이션을 배우기 위해 미국 실리콘밸리와 나란히 정기적으로 방문하는 기업도 있을 정도다. 기초연구와 응용 이노베이션의 갭을 메운다는 프라운호퍼연구기구에 대해 살펴 본다.

Part 1. 총론
기본 룰은 산업 니즈 주도

유럽 최대의 응용 연구기관으로 평가받는 독일의 프라운호퍼. 연간 예산 23억 유로, 약 2만 5,000명의 스태프를 보유한 거대 조직이다. 그 최대 특징은 산업계의 구체적인 니즈에 부응할 수 있는 연구 능력에 있다. 민간기업의 위탁 연구, 산업 니즈를 주도하는 연구에 주력한다. ‘반관반민(半官半民)’의 운용으로 독일 산업계의 일익을 담당하고 있다.

-- 오픈이노베이션 허브 --
기업의 기초연구에 대한 투자는 감소하고 있다. 또한 IoT나 AI 등 기술의 진화가 빠른 영역에서는 한 회사만의 국한된 예산과 인재로 최첨단 연구를 쫓는 것은 불가능하다. 그러한 환경에서 혁신적인 제품을 창출하기 위해서는 외부 지식을 활용하는 ‘오픈 이노베이션’이 일본에서도 중요시되고 있다. 그러나 지금까지 자전주의(개발부터 생산까지 자체적으로 수행)가 강했던 일본의 제조업은 사외의 지식을 활용하는데 익숙하지 못하다.

단기적인 사업화나 이익만이 아니라 장기적인 시점에서 보지 않으면 혁신적 기술 창출은 불가능하다. 장기적 시점으로 기초연구를 담당하는 기관의 존재는 이노베이션에 필수다.

프라운호퍼는 기초연구와 응용을 능숙하게 결합시키고 있다. 대학 등의 연구기관에서 이루어지고 있는 기초연구와 민간기업이 제품에 이용하는 응용 기술을 연결하는 ‘가교’ 역할을 담당하고 있다.

예를 들면 총 72곳에 있는 프라운호퍼의 연구소는 모두 독일 각지의 대학과 연계하며 대학에 인접하여 입지해 있다. 또한 모든 연구소장은 대학 교수를 겸무하고 있으며 연구자들도 교수를 겸무하고 있는 경우가 많다. 대학과의 인재 교류, 연구 교류를 활성화하여 각 연구소의 기초연구 능력을 향상시키고, 필요하다면 대학의 연구 능력을 활용할 수 있는 체제가 마련되어 있다.

-- 연구 자금의 1/3을 민간에서 조달 --
-- 독립과 협력의 밸런스 --

Part 2. 산학 협력
기초연구와 응용과의 갭을 메운다

독일 아헨에서 2018년 5월 초순, 레이저기술에 관한 국제회의 ‘AKL’18’이 열렸다. 최첨단 레이저기술과 시장 동향에 관한 연구 발표를 듣기 위해 독일을 중심으로 세계 각국에서 661명의 참가자가 모였다. 스폰서 기업 등 56개의 전시 부스도 설치되어 있어 대학의 연구자와 기업의 기술자들의 교류가 이루어졌다. 이 국제회의를 주최한 것인 프라운호퍼의 레이저기술연구소(ILT)다.

-- 레이저기술의 산학커뮤니티를 형성 --
프라운호퍼의 특징 중 하나는 대학과의 밀접한 관계다. ILT의 시설은 아헨공과대학 캠퍼스에 인접해 있으며 ILT의 소장은 아헨공과대학의 교수다. ILT의 연구 프로젝트는 대학 연구실과 공동으로 실시하는 경우도 있으며, 아헨공과대학의 연구자와 학생이 많이 참가하고 있다. 지리적으로 가깝고 밀접한 인적 교류가 있기 때문에 연구 테마 선정이나 연구 방향성에 대한 의견 교환 등도 활발하다.

기업으로부터의 위탁 연구 프로젝트도 많이 전개하는 ILT는 산업계(민간기업)와 깊은 관계를 맺고 있다. 산업용 레이저에 대한 산업계의 니즈를 파악하고 있는 이유다.

AKL과 같은 이벤트는 이러한 프라운호퍼의 독특한 배경에서 실현되고 있다. 실제로 AKL에는 ILT나 세계 각국의 대학 등의 연구기관의 성과만이 아니라 민간기업의 레이저 기술 연구나 활용 사례 등도 다수 발표되었다.

실제로 국제회의 개최 자체가 다른 나라나 대학 등의 연구자나 프라운호퍼와 관계가 없었던 민간기업의 기술자가 정보나 교류를 위해 모일 수 있는 장소를 제공하는 것이다. 프라운호퍼를 중심으로 한 연구자와 기술자의 네트워크를 활성화하여 산학커뮤니티를 더욱 확대하는 선순환을 만들고자 하는 목적도 있다.

-- ILT의 최신 성과를 참가자에게 공개 --
AKL 기간 중에 ILT는 연구소 시설을 참가자에게 공개. 100개가 넘는 연구 성과나 실험 설비의 데모 등을 소개하였다. 참가자는 연구소 안을 자유롭게 이동하고 흥미가 있는 연구에 대해서는 담당자에게 직접 설명을 듣거나 의견 교환을 할 수 있었다. 방문한 타 대학의 연구자나 민간 기업의 기술자에게는 귀중한 기회가 되었다.

예를 들면, 레이저로 복합재를 절단하는 기술의 데모. 워크는 유리섬유강화수지(GFRP)와 탄소섬유강화수지(CFRP)를 붙인 띠 모양의 부품 양 끝에 다른 부품과 접합하기 위한 금속 부품을 장착한 부품이다. 자동차의 루프를 횡단하듯이 장착하여 차제 강성을 높이는 루프 크로스 멤버로서 사용한다. 데모에서는 이 부품의 측면 부분을 레이저로 트리밍 가공하는 모습을 공개. 이 기술은 실제로 독일의 자동차기업의 요구를 바탕으로 개발한 것이다.

자동차의 멀티 머티어리얼화가 진행되는 가운데 CFRP 등의 복합재를 효율적∙저비용으로 가공하려는 니즈가 많다. 기존에는 CFRP를 절단할 때 워터젯을 사용하는 경우가 많았다. 레이저 가공도 사용하기는 하지만 금속용 기존품에서는 CFRP를 절단했을 때에 수지가 녹아버려 단면 품질이 나빠지는 과제가 있었다. 이번에 개발한 기술은 레이저를 여러 번 왕복하면서 조금씩 절단하여 온도 상승을 억제하는 방법을 채용함으로써 과제를 극복하였다.

-- 3D프린터를 더욱 혁신 --
-- 스핀오프 프로그램으로 연구성과를 사업화 --

Part 3. 첨단기술
유일무이의 기술력으로 세계로부터 의뢰

전세계에서 프라운호퍼에 공동연구나 위탁 연구 의뢰가 몰리는 것은 각 연구소가 최첨단 기술력을 갖고 있기 때문이다. 여러 연구기관을 찾다가 결국은 프라운호퍼로 왔다는 말을 많이 듣는다. 아래에서는 특징적인 기술 몇 개를 소개한다.

-- 자동차 1대를 통째로 CT스캔 --
프라운호퍼의 집적회로연구소(IIS)의 하나인 IIS-EZRT에는 세계적으로 유명한 장치가 있다. 자동차 1대를 통째로 측정할 수 있는 X선 CT스캐너다. 입체 모델의 외형 모양을 측정하는 3D스캐너와 달리 CT스캐너는 내부 구조를 조사할 수 있다. X선 투과량의 차이로 강철이나 알루미늄 합금, 고무와 같은 소재의 차이까지 알 수 있다.

산업용 X선 CT스캐너의 활용은 일본에서도 점점 확산되고 있다. 엔진의 실린더 블록을 측정하여, 주조 시 동공의 상태를 체크하는 용도로 실용화된 사례도 있다. 산업용 장치의 시판 제품도 증가하고 있지만 자동차 1대 정도의 크기를 측정할 수 있는 장치는 없다.

프라운호퍼에서는 현재 2종류의 X선 CT스캐너를 갖고 있다. 하나는 앞에서 말한 자동차 1대를 측정할 수 있는 ‘XXL-CT’. 9MeV의 출력을 갖는 X선원과 폭 4m의 검출기를 조합한 것이다. 측정 대상물은 직경 3m의 턴테이블 위에 올린다. 자동차 1대를 통째로 스캔할 때는 턴 테이블 위에서 자동차를 세로로 늘어뜨리는 형태로 고정한다. 측정 대상물의 최대 질량은 10t이다.

그 상태에서 X선원과 검출기의 높이를 조합하여 턴 테이블을 회전시키면 1층분의 단면 데이터를 얻을 수 있다. 1층분의 측정이 완료되면 X선원과 검출기의 양쪽 높이를 바꿔서 다음 층의 데이터를 취득한다. 이를 반복하면서 전체 데이터를 얻는다. 높이 방향은 약 5m의 스트로크가 있다. “자동차 1대를 측정하는데 적어도 2일, 경우에 따라서는 8일 걸리는 경우도 있다”(IIS-EZRT의 관계자).

이와 같은 대형 CT스캐너의 구상은 10년 이상 전에 시작되었다. 처음부터 자동차 1대의 스캐너를 목표로 2010년에 장치를 제작하기 시작, 13년부터 가동을 시작하였다. 강력한 X선을 사용하기 때문에 건물도 전용 설계. 두꺼운 콘크리트로 벽을 구성하여 X선이 외부에 새지 않도록 하고 있다.

-- 올려진 자동차를 그대로 스캔 --
IIS-EZRT가 보유하고 있는 또 하나의 산업용 X선 CT스캐너는 ‘High Energy CT’다. XXL-CT보다는 작은 장치나 부품 내부를 고해상도로 해석하는 장치다. 직경 1m의 턴 테이블에 최대 500kg의 측정 대상물을 올릴 수 있다. 1년에 자동차는 5~10대, 작은 측정 대상물은 100건 정도 측정하고 있다.

IIS-EZRT는 현재 새로운 대형 X선 CT스캐너를 개발하고 있다. 자동차를 타고 와서 측정 위치에 주차하기만 하면 측정이 가능한 장치다.

현재의 XXL-CT는 자동차 1대를 스캔하기 위해서는 차체를 세로로 늘어뜨려야 한다. 프레임에 차체를 고정시킨 후에 그것을 크레인으로 들어 올려 90도로 기울이는 등 세팅 작업에 많은 노력이 필요하다. 실은 현재의 XXL-CT의 건물은 새로운 방식을 전제로 만들었으며, 바닥 밑에는 새로운 장치를 넣을 공간이 마련되어 있다. 지금의 장치는 새롭게 건설하는 건물로 이동시킬 예정이다.

-- 알루미늄은 두께 약 600mm까지 측정 가능 --
-- 충돌한 자동차부터 공룡까지 무엇이든 측정 --
-- 주조로 CFRP와 알루미늄 합금을 접합 --
-- Palette용 저소비전력 IoT 모듈 --

Part 4. 지역 진흥
산업 클러스터로 중소기업을 강화

프라운호퍼의 옵토일렉트로닉스∙시스템기술∙이미지처리연구소(IOSB)는 여러 곳에 거점이 있다. 공업 오토메이션을 담당하는 곳은 독일 서부 도시 렘고에 거점을 두고 있는 IOSB-INA다. 렘고는 통칭 ‘OWL(Ostwestfalen-Lippe)’ 지역에 있다. OWL은 인더스트리 4.0의 중심지로 알려져 있다.

-- 인더스트리 4.0을 중소기업으로 --
IOSB-INA도 이 지역에서 인더스트리 4.0에 초점을 맞춘 연구를 하고 있다. 6개의 연구 그룹이 있으며 50명이 근무한다. 인접하는 OWL대학과 협력 관계에 있으며, 3명의 교수가 IOSB-INA와 겸무하고 있다.

IOSB-INA가 입주하는 CIIT(인더스트리얼 IT센터)라고 부르는 산학연계 시설에는 약 10개의 스타트업 등도 사무실을 두고 있다. OWL대학의 연구소 ‘inIT’도 들어와 있다. CIIT와 도로를 사이에 둔 맞은편에는 IOSB-INA와 OWL대학의 ‘SmartFactory OWL’이 있다. 2016년에 개설된 ‘인더스트리 4.0’의 보급 지원을 담당하는 시설이다.

IOSB-INA의 Carsten Rocker 씨에 따르면 “독일 제조업의 70~80%는 중소기업이며, 렘고 주변에도 기계나 설비를 전개하는 중소업체가 많다”. SmartFactory OWL은 이러한 기업이 인더스트리 4.0을 도입하기 쉬운 장치나 기술을 연구 개발하여 실증 실험할 목적으로 설립되었다. 벤더 중립의 입장에서 인더스트리 4.0에 관련된 다양한 어플리케이션을 실제로 만지는 형태로 데먼스트레이션을 한다. 또한 중소기업용 테스트베드로서의 기능을 담당한다.

SmartFactory OWL을 무대로 IOSB-INA는 OWL 지역 6개의 대학교 180개의 파트너가 참가하는 산업 클러스터를 조성, 1억유로의 예산으로 인더스트리 4.0의 보급에 착수한다. 47개의 프로젝트가 만들어졌다. 2018년 여름에는 예산 2억유로로 200사가 참가하는 프로젝트도 시작한다. 프로젝트 예산은 공적 자금과 기업 출자로 구성된다.

이처럼 대학과 프라운호퍼의 연구소가 중심이 되어 그 지역의 중소기업 진흥을 노리는 공동 프로젝트는 프라운호퍼의 다른 연구소에서도 폭넓게 실시되고 있다. 산학협동에서 지역 밀착형 운영 체제를 취하는 프라운호퍼 특유의 방식이다.

-- RFID를 다시 써서 가공 이력을 기록 --

Part 5. 경계 영역
경제나 노동환경도 연구 테마

프라운호퍼의 노동경제∙조직연구소(IAO)는 사람에 관한 테마 연구에 주력하는 연구소다. 슈트트가르트대학의 직업과학기술관리연구소(IAT)와 협력관계에 있으며, ‘사람과 작업 환경’ ‘사람과 조직’ ‘사람과 이노베이션’과 같은 경계 영역의 연구 테마를 다룬다. 슈트트가르트의 프라운호퍼 생산기술∙오토메이션연구소(IPA)가 모체가 되어 1981년에 설립되었다.

-- 기술자의 작업 환경을 기술로 개선 --
IAO에서는 제조업에 국한하지 않고 도시계획, 교통시스템과 같은 인프라 분야에 관한 연구도 하고 있다. 예를 들면 도시계획을 할 때 VR(가상현실)을 활용하면서 건물이나 설비의 배치∙구조를 사전 검증한다. 시설이나 인프라를 실제로 이용하는 사람의 의견을 폭넓게 빠르게 반영하기 위해서다.

기술자의 작업 환경 개선을 연구 테마로 하는 조직도 있다. ‘Virtual Technology Lab’이다. 시스템(컴퓨터)과 인간의 커뮤니케이션을 테마로 2D/3D기술이나 조명 기술을 활용한 인터랙티브한 작업 환경을 연구하고 있다.

예를 들면 ‘ProTable’이나 ‘Extended Workdesk’라는 연구는 책상 위에 프로젝터로 컴퓨터 화면을 표시하거나 손 위치를 인식하여 입력할 수 있는 시스템을 개발. 개인 작업뿐 아니라 회의장에서의 대화도 포함하여 어떠한 표시 방법과 기능이 필요한지를 찾는다. “독일의 자동차기업이 설계자의 작업 환경으로서 채용하는 것을 검토하고 있다”(IAO의 관계자).

-- 사람의 퍼포먼스를 최대로 끌어낸다 --
-- 장기적인 시점에서 이노베이션 연구 --

  -- 끝 --