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제조업을 넘어 도시의 미래를 바꾸는 디지털 트윈 기술의 지속가능한 진화!

영화 <아이언맨>의 주인공 토니 스타크와 인공지능 비서 자비스가 함께 허공에 가상 수트를 띄워놓고 부품을 붙이거나 떼어내는 시뮬레이션을 거쳐 최고 성능의 수트를 설계하던 장면을 기억하시나요? 놀라웠던 기술이 ‘디지털 트윈’이란 이름으로 현실세계에 점차 적용되고 있습니다. 4차 산업혁명 시대 속에서 가장 주목해야 할 핵심 산업 트렌드 중 하나로 손꼽히고 있는 디지털 트윈. 디지털 대전환 속 5G 시대의 걸작품이라 불리는 이 기술의 진화는 과연 어디까지 계속될까요?

왜 세계는 디지털 트윈에 주목할까?

우리가 자주 쓰는 지도 어플이나 차량에 장착된 네비게이션, 취미로 즐기는 스크린 골프까지 닮은 듯 다른 듯한 이 세 가지의 공통점이 하나 있는데요. 바로 디지털 트윈 기술을 활용하고 있다는 점입니다. 우리는 쉽게 인식하지 못하고 있을 만큼 디지털 트윈은 우리 생활 속 여러 분야에서 이미 많이 쓰이고 있습니다.

디지털 트윈은 현실세계의 사물, 시스템, 환경, 건축 등의 정밀 데이터를 수집해 가상공간에 3D 디지털로 형태와 기능을 똑같이 구현해내는 기술입니다. 가장 큰 특징은 단순히 현실의 사물을 그대로 복제하는 것이 아니라 가상세계에서도 현실세계에서 일어나는 일들이 똑같이 발생하게 만드는 것인데요. 즉, 단어 그대로 쌍둥이처럼 동기화가 이루어진다고 하여 디지털 트윈이라 불리는 것이죠. 디지털 트윈은 AI, 5G, XR 등의 다양한 기술들이 등장하고 융합되며 탄생하게 되었는데요. 첨단 기술들이 빠르게 발전함에 따라 이를 이용한 디지털 트윈 역시 활용에 가속도가 붙게 되며 항공, 자동차, 국방, 에너지 등 여러 분야에 적용되어 쓰이고 있습니다.

<디지털 트윈 요소기술 개념도> 출처: 과학기술정보통신부(디지털 트윈 활성화 전략)

그렇다면 전 세계가 디지털 트윈에 주목하고 열광하는 그 이유는 무엇일까요? 디지털 트윈은 코로나19로 인해 비대면 서비스가 확대되고 기존의 패러다임에 큰 변화가 생기면서 전 세계적으로 디지털 전환 경쟁이 가속화됨에 따라 디지털 전환을 실현하기 위해 꼭 필요한 주요 기술로서 뜨거운 주목을 받고 있습니다. 복제 대상에 제한이 없는 것도 그 이유 중 하나인데요. 도시나 산업, 안전 등 다양한 분야에 가상화 적용이 가능합니다. 우리나라 또한 한국판 뉴딜 2.0의 대표과제로 디지털 트윈을 포함한 프로젝트를 선정하며 ‘디지털 트윈’이 경제 위기 극복과 글로벌 주도권 확보를 위한 디지털 전환의 핵심 키워드라는 사실을 다시 한 번 상기시켜주었습니다.

디지털 트윈의 가장 큰 장점은 현실을 반영한 가상세계에서 다양한 시뮬레이션이 가능하다는 점입니다. 문제를 분석하고 미래를 예측할 수 있어 ‘문제해결 플랫폼’이라 불리기도 하죠. 이전의 전통적 시뮬레이션과 매우 비슷한 측면이 있긴 하지만, 설계자가 요소를 추가하지 않으면 변하지 않는 정적인 전통적 시뮬레이션과 달리 디지털 트윈은 실시간 데이터의 유입으로 능동적인 시뮬레이션을 제공하기 때문에 정밀한 예측과 최적의 대응책을 찾을 수 있습니다.

산업계의 일하는 방식을 완전히 바꾼 디지털 트윈

디지털 트윈의 활약이 가장 먼저 두드러진 분야는 바로 제조업입니다. 디지털 자동화 솔루션이 적용된 스마트팩토리를 디지털 트윈으로 구현함에 따라 제조공정의 모든 진행사항을 가상공장을 통해 확인하는 것이 한결 손쉽게 가능해졌기 때문입니다. 디지털 트윈은 제조업의 일하는 방식을 바꿨습니다. 시뮬레이션을 통해 제품 결함의 원인을 찾고, 문제점을 보완해 품질과 생산성을 높이며 모든 과정의 효율성을 향상하는데 큰 기여를 했습니다. 공장에 직접 가지 않아도 실시간 모니터링을 통해 시스템을 제어할 수 있게 되었고, 무엇보다 이로 인해 작업자가 현장에 위험한 일이 생기더라도 직접 가지 않고 신속한 대처가 가능해져 인명사고를 줄일 수 있게 되었습니다.

디지털 트윈 산업분야 적용에 가장 앞선 기업이라 평가를 받고 있는 곳은 바로 미국의 GE입니다. GE는 계열사인 GE항공의 제트엔진에 200개가 넘는 센서를 장착해 각종 데이터를 수집하고 이를 엔지니어에게 시각화된 형태로 제공하였으며, 엔진 고장 여부 및 교체시기를 예측해 엔진 고장 검출 정확도 10% 개선, 정비 불량으로 인한 결항 건수 또한 1,000건 이상 감소하는 효과를 얻었습니다.

이탈리아 자동차 제조업체인 마세라티는 디지털 트윈을 통해 판매량을 6배 이상(2012년 6288대->2016년 4만 2000대) 올린 것으로 유명합니다. 개발 초기 단계부터 실제 모델과 가상의 디지털 모델 데이터를 동시에 생산해 전체 공정을 최적화한 것인데요. 디지털 모델에서 시도한 다양한 테스트는 정확도 개선 및 생산기간 단축을 이끌어내며 마세라티의 재기에 큰 보탬이 되었습니다.

현대차그룹은 지난 2023년 11월 싱가포르에 HMGICS(현대차그룹 싱가포르 글로벌 혁신센터)를 구축했습니다. 축구장 6개 규모의 7층 높이로 지어진 거대한 공간을 효율적으로 운영하기 위해 디지털 트윈 기술로 가상공간에 현실과 똑같은 공장을 만들어 실시간으로 공장을 컨트롤하고 있는데요. 작업자가 4층에 위치한 디지털 커맨드 센터(공간 전체를 모니터링하고 제어하는 곳)에서 가상공간에 접속해 실시간으로 공장을 컨트롤하며 지시를 내리면, 각 공정에 배치된 로봇이 가상공간을 참고해 최적의 타이밍과 경로를 계산해 업무를 수행하게 됩니다. 3D 시각화를 통한 모니터링은 물론, 시뮬레이션으로 최적화된 가동률 산정 및 급작스러운 수요와 공급 문제 해결, 앞으로 발생할 오류를 예측해 선제적으로 대응하는 일까지 가능해 현장 작업자의 업무 부담은 줄어들었고, 한층 더 효율적인 공장운영으로 작업 환경이 개선되었습니다.

네이버는 국내 최초로 디지털 트윈을 활용한 첨단 사옥()을 개관했습니다. 6년이라는 완공기간을 거쳐 2022년에 탄생한 이 사옥은 ‘건물이 아닌 하나의 플랫폼을 짓고 싶었다’는 말 그대로 IT기업이라는 본질을 그대로 투영시켜 가상건물에서 현실건물을 제어하며 업무 효율을 극대화시킨 사례로 화제가 되기도 했습니다. 세계 최초 로봇 친화형 건물이라 불리는 이곳은 100여 대의 서비스 로봇들이 공간을 누비며 배달업무를 수행하고 있는데요. 이는 디지털 트윈으로 건물 전체를 복제하고, 로봇에 탑재된 카메라를 통해 들어오는 이미지 정보로 현재의 위치를 파악할 수 있는 인공지능 기반 측위 기술로 가능해졌습니다. 디지털트윈 기술 외에도 클라우드, 5G, 로봇, 자율주행, AI, 음성인식, 모바일, 빌딩 인프라 등 다양한 선행 기술이 융합되어 있는 이 공간은 건물 그 자체가 테스트베드가 되어 축적된 데이터를 통해 더 나은 서비스를 발전시킬 수 있는 테크 컨버전스 플랫폼으로 새로운 혁신을 만들어가고 있습니다.

<각 분야별 디지털 트윈 적용 사례>

미래를 읽는 기술로 도시의 지속가능성을 높이다

이처럼 시뮬레이션을 통해 사고나 재난을 예측해서 예방할 수 있다는 장점을 가진 디지털 트윈은 제조업을 넘어 도시 문제를 해결하는 플랫폼으로 떠오르고 있습니다. 현실과 똑같은 가상도시를 만들어 도시에 생기는 여러 문제들을 사전에 예방하고 해결해 시민들에게 안전하고 편리하고 효율적인 도시를 서비스한다는 것인데요. 이미 디지털 트윈기술을 통해 2015년부터 3년에 걸쳐 도시 전체를 3D 모형으로 그대로 복제해 가상공간에 옮겨놓은 싱가포르(버추얼 싱가포르)와, 정교하고 현실적으로 도시를 디지털화한 영국 VU.CITY는 도시계획 및 건축 설계, 환경 등 다양한 도시 문제를 안고 있는 여러 나라에 영감을 주고 있기도 합니다.

ABI 리서치따르면 2025년까지 전 세계 500개 이상의 도시가 디지털 트윈을 구축할 예정이며, 도시계획에 디지털 트윈을 사용하면 2030년까지 전 세계 도시에서 2,800억 달러의 비용을 절감할 수 있을 것으로 예상된다고 발표했습니다.

디지털 트윈의 예측에 따라 가로수 한 그루까지 신경 쓰며 도시의 변화를 꾀하는 이유는 도시의 오랜 골칫거리였던 교통 흐름 및 인구이동, 열섬, 미세먼지 저감, 건물 노후, 재난 안전, 기후위기로 인한 폭우 등에 이르기까지 다방면으로 국토 및 도시문제들을 해결할 수 있기 때문입니다. 예측 불가능한 재난과 재해도 공간 분석을 토대로 한 선제적 대응을 통해 안전한 도시를 만들 수 있는 것이죠.

탄소중립이나 교통문제에 대한 해답도 디지털 트윈으로 찾아볼 수 있는데요. 디지털 트윈을 이용하면 건물 에너지 최적화 및 배출량 분석, 도로교통 통합관제, 풍력발전기 유지 ·보수를 위한 디지털 플랫폼 구축 등이 가능해져 친환경 에너지 창출의 최적화를 통해 탄소배출의 주 원인인 건물 운영이나 도시 내 교통 및 운송 효율을 개선할 수 있게 됩니다.

더 편안하고 안전한 도시를 꿈꾸다! 디지털 트윈 대한민국 실현 추진

우리나라 또한 전 국토를 디지털 트윈으로 만드는 작업을 진행하고 있는데요. 한국국토정보공사는 2021년 국토교통부와 함께 10개 지역(인천, 제주, 전남 장성, 충남 아산, 경북 울진, 경남 남해, 충북 진천, 전남 곡성, 부산 기장, 전북 완주)을 선정해 디지털 트윈 국토 시범 사업*을 시작했습니다. 초기 계획에는 지도와 지하공간 기반 구축에 초점을 두었다가 시스템 범위를 넓혀 행정 모델까지 발굴하는 사업으로 확대되었고, 서울시와 전주시, 세종시 등 지자체에서도 디지털 트윈을 기반으로 한 스마트 시티 프로젝트를 운영하고 있죠.

정부는 디지털 트윈 기술이 시장에 빠르게 안착할 수 있도록 다양한 분야로의 접목을 수행하고 있습니다. 한국수자원공사에서는 수자원 인프라의 디지털 트윈 기반 안전관리를 위한 요소기술 개발 및 디지털 플랫폼을 시범 구축했고, 한국서부발전에서는 화순풍력단지의 풍력발전기에 진동·온도·속도 데이터를 분석하는 실시간 진단 및 고장예측 시스템을 구축하였습니다. 항공우주산업은 한국형 차세대 전투기 KF-21 개발을 위한 설계·엔지니어링·제조 과정에 디지털 트윈 플랫폼을 활용하고 있는 상황입니다. 정부는 오는 2025년까지 디지털 트윈 초혁신 프로젝트를 통해 오픈 플랫폼을 통한 3D 모델링 데이터 5만 건 개방과 요소기술·솔루션 기업 100개 육성, 선도국 대비 기술 수준 95% 상향 달성을 이뤄내기 위해 노력을 아끼지 않고 있습니다.

* 디지털 트윈 국토시범 사업: 한국판 뉴딜 10대 대표과제로, 국토와 동일한 가상세계를 3차원으로 구현하여 국토의 지능적 관리와 국민 삶의 맞춤형 문제해결을 위한 국가 위치기반 플랫폼

<우리나라 대기업 디지털 트윈 추진 현황>

가상 시뮬레이션을 통해 시간과 비용을 절약할 수 있고 안전과 모든 산업에 적용 가능한 확장성까지 보유한 디지털 트윈이지만 물론 단점도 가지고 있습니다. 먼저 구축을 위한 투입비용이 높다는 점입니다. 또한 디지털 특성 상 데이터 보안 및 정보 보호 노출의 위험성이 크다는 점도 간과해서는 안 됩니다. 보편적인 표준 정립과 법·제도적인 뒷받침이 시급한 것도 물론입니다.

그럼에도 디지털 시장은 무서운 성장세를 보이며 커나가고 있는데요. 전 세계 디지털 트윈 산업의 가치는 65억 달러(2021년 기준)로, 2022년부터 2030년까지 CAGR 39.48%로 성장해 2030년에는 1257억 달러(AMR, )에 이를 것으로 예상된다고 합니다. 우리나라 또한 디지털 트윈 시장 연평균 성장률 70%로 글로벌 평균에 비해 높은 수치를 기록하며 가파르게 성장 중에 있습니다.

미래를 읽고 예측을 가능하게 만들어주는 디지털 트윈. 디지털 트윈은 생산의 효율화를 목적으로 하는 제조, 건설을 넘어 도시, 안전, 에너지, 국방 등 생활밀착형 트윈으로 점차 확산되고 있습니다. 앞으로의 미래에 우리 생활 가장 가까이에서 새로운 경험을 제공하는 중요한 기술 중 하나가 될 디지털 트윈. 혁신적인 기술과 창의적인 접근의 융합을 통해 새로운 가치를 만들어내는 디지털 트윈이 그려나갈 지속가능한 진화와 미래를 기대해봅니다.

* 참고 자료: 과학기술정보통신부(디지털 트윈 활성화 전략), 2021