Undergraduate Research Program

- 기계공학과 08학번 한승욱

 

가. 참가 동기

2011년 군대 전역을 한 후, 새로이 복학을 하였을 때 주위에서는 친구들이 좋은 학점을 위해 많은 걱정을 하고 있었고, 학점이 좋지 않은 친구들은 어학연수를 떠나거나 각종 시험 준비를 위해 휴학을 하고 있었다. 그 결과 기계공학부의 취업률은 93% (대기업 취업률 86.6%)로 취업 호황기를 맞이할 수 있었다. 나도 어느 샌가 소위 말하는 스펙 때문에 목을 매고 있었다. 하지만 그렇게 학교를 계속 다니면서 문득 느낀 점이 있었다. ‘내가 왜 기계 공학부를 자청해서 입학을 하였는가? 취업을 하기 위해 선택한 길이었나?’ 내가 기계 공학부를 오게 된 이유는 취업 보다는 단지 기계를 다루는 것이 좋았고, 미래의 엔지니어가 되기 위해서 기계공학에 대한 심층적인 지식을 이용하여 졸업하기 전 내가 만족할 만한 결과물을 하나 만들어 보기 위해서였다. 그러나 지금 나의 현실은 대학원을 진학할 것이라는 초심과는 달리 대기업 취직에만 목매달고 있었고, 내가 배우고 싶은 과목보다는 학점을 잘 주는, 학점을 따기 쉬운 과목을 따라 수강을 하고 있었다. 이러한 회의감을 느끼고 있을 찰나에 학부생 연구사업(Undergraduate Research Program)에 대해 알게 되었다. 기계공학에 대한 꿈을 실현하기 위한 나로써 이 프로그램은 나에게 완벽한 기회였다. 처음으로 내가 스스로 나서서 하고 싶은 일이었고 학부생 연구 사업에 대한 욕심이 커져서 다른 어느 때보다 더 간절했다. 그래서 열 유동 제어 실험실의 김동권 교수님을 필두로 이충환 학생과 같이 지원을 하게 되었고 약 4개월간의 학부생 연구 사업을 시작하게 되었다.

 

 

나. 교육 내용(활동 내역)

근래에 국제 고유가가 시대가 오면서 석유의 가채년수가 200년 이하로 예상되는 등 화석 연료의 고갈문제가 세계적 이슈로 떠오르고 있다. 또한 화석 연료를 연소 시킬 때 나오는 오염 물질들에 의해, 1970년 이래에 홍수와 가뭄 등의 자연재해가 심화되고 있고, 지구 온난화로 인하여 10% 이상의 동・식물종이 멸종 위기에 처하게 되었다 . 따라서 생산량에 한계가 있고 환경오염을 유발하는 화석 연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지 자원에 대한 관심이 급증하고 있다. 현재, 태양광, 풍력, 조력, 수력, 지열 및 Biomass 등을 이용하여 재생 에너지를 얻어 내는 연구들이 활발히 진행되고 있다.

이러한 재생에너지에 대한 조사를 하던 중 태양광이나 풍력에 비해 비교적으로 적은 주목을 받고 있지만, 해수와 담수(강물)의 염도차이를 이용하여 많은 양의 재생에너지를 얻을 수 있다는 것을 알게 되었다. 해수와 담수의 염도차를 이용한 발전은 무한하고 자연적인 에너지 자원인 강물과 바닷물을 활용하므로, 많은 양의 전력을 이산화탄소 및 오염물질 발생 없이 환경 친화적으로 생성 할 수 있었다. 또한 태양광, 풍력, 조력 등과는 달리 에너지 생산이 시간에 따라 변하지 않고 예측 가능하며, 작동 원리도 단순했다. 하지만 현재 발전단가가 높아 상용화되지 못하고 있고, 특히 역전기투석방식(해수와 담수의 염도차이를 이용한 발전 방식)의 경우 발전기에 들어가는 이온교환막의 성능이 낮아 발전 단가가 높다는 한계가 있었다. 하지만 나노 채널을 이용하여 이온 교환막을 만들면 기존의 이온 교환막 보다 성능이 10배가량 좋아서 효율적이고 값싸게 전력을 생산할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그래서 학부생 연구사업에서는 최적의 발전 성능을 위한 나노 채널 배열 형상을 결정하기 위해 제작 및 실험을 하여 해수와 담수의 염도차를 이용한 발전의 이론적, 기술적인 기반을 마련해 보고자 하였다.

위의 그림은 역전기 투석 발전기의 개념도이다. 여기서 A는 음이온 교환막이고 C는 양이온 교환막이다. 해수와 담수가 흐르게 되면 해수에서 Na이온과 Cl이온은 각각 양이온 교환막과 음이온 교환막을 통하여 담수로 이동하게 되는데 Na이온과 Cl이온은 반대방향으로 움직이게 된다. 하지만 전류는 전자의 흐름과 반대방향인 Na이온이 움직이는 방향으로 흐르게 된다. 즉, 해수와 담수와의 농도차이에 의해 전류가 발생하는 원리를 이용하는 것이다. 이 발전방법에서 가장 중요한 것은 음이온 및 양이온 교환막인데 해수의 양이온이 담수로 이동하면서 전류가 흐르게 되는 것이다. 즉, 쉽게 얘기하면 이번 프로젝트에서는 전류의 방향과 반대 방향의 전압을 걸어주어, 전류가 0이 되는 시점을 찾는 것이다. 그래서 어떠한 조건 일 때 전압을 최대로 얻을 수 있고, Power를 얻을 수 있는지에 대해 알아보았다.

 

 

다. 주요 성과

다음 실험 결과를 통해 Net Power Generation은 유동속도와 유동 채널의 너비와 관련이 깊음을 알 수 있었다.

(그림1)

Concentrate channel같은 경우에는 the boundary layer의 두께 가 채널의 너비보다 작다. 그리고 concentration field가 증가한 다.그리고 short circuit current의 밀도 같은 경우에는 concentrate channel이 거의 일정하기 때문에 거의 y축에 따라 서 일정하다.

 

(그림2) short circuit current의 밀도는 boundary layer의 두께에 따라 변한다. 그래서 유동속도가 증가하면 boundary layer의 두께가 감소함을 알 수 있다.

(그림3)

두개의 대조적인 부분은 채널에 동시에 생기는 부분이다. A developing 부분은 concentration boundary layers 가 중가하는 부분이고 a developed 부분은 concentration boundary layers로 채워져있다.

 

(그림4)

중간 속도에서는 short circuit current 밀도는 희석된 채널 의 전도도와 관련이 있다. 그래서 유동속도가 증가하면 희석된 채널의 전도도도 증가 하고, short circuit current 는 감소한다고 볼 수있다.

(그림5)

이 부분은 채널의 끝부분을 측정한 것이다. 수용액과 concentrate channels 이 완전히 섞인 부분에서 는 투과확산이 거의 없기 때문에 short circuit current 밀 도는 거의 0이 된다. 그리고 여기서는 파워를 얻을 수 없다.

 

(그림6)

낮은 속도장에서 유동속도가 점점 증가하면서 수용액과 concentrate channels 이 완전히 섞이게 되면 short circuit current 밀도는 0이되고 속도장은 감소한다. 그래서 , short circuit current 는 유동속도가 증가하면 함께 증가한다고 볼 수 있다.

(그림7)

모든 유동속도를 합하게 되면 유동속도에 따른 short circuit current를 얻을 수 있다. 그림을 보게 되면 short circuit current는 유동속도가 빨라 짐에 따라 증가했다가 감소하고 다시 증가함을 알 수 있 다.

(그림8)

이번 그림에서는 속도에 따른 open circuit voltage를 확인 할 수 있다. Open circuit voltage는 유동속도와 관계가 없음을 알 수 있다.

 

(그림9)

이번 그림에서는 유동속도에 따른 gross power generation을 볼 수 있다. open circuit voltage Gross power generation은 open circuit voltage와 short circuit current을 곱한다음 4로 나누면 구할 수 있다. 그러므로 gross power generation의 경향은 short circuit current 의 경향에 따른다고 할 수 있다. 왜냐하면 open circuit voltage는 유동속도에 관계없이 일 정했기 때문이다.

 

(그림10)

위의 그림은 유동속도에 대한 net power generation을 나 타낸 것이다. 위의 시스템이 연속적으로 이루어 지기 위해 서는 pumping power가 필요하다. 그래서 net power generation은 gross power 에서 pumping power를 뺀것과 같다. 그림에서 보다시피 pumping power는 높은 유동속 도에서 빠르게 증가하고 있다. 즉 이는 빠른 유동속도에서 net power가 빠르게 감소한다고 할 수 있다. 결국, 두개의 local optimal points가 존재하는 것이다. 하나는 낮은 유 동속도장에서 볼 수 있고, 다른 하나는 빠른 유동속도장에 서 볼 수 있다. 그리고 일반적으로 높은 유동속도장에서 보다는 낮은 유동속도장에서 local optimum 값이 크게 나타난다.

(그림11)

이 그림은 유동 채널 높이에 대한 power generation이다. net power는 유동 채널 너비가 감소할수록 증가한다. 즉 반비례한다고 볼 수 있다. 왜냐하면 유동 채널 너비가 감 소하면 cell resistance가 감소하기 때문이다. 그리고 위와 같은 경우에는 pumging power의 증가가 gross power의 증가보다 더 크키 때문에 높은 유동 속도에서 local optimal point는 사라진다. (높은 유동 속도에서의 pumping power의 증가량보다 gross power generation의 증가량 보다 더 크기 때문)

결과적으로 이 결과들을 정리해보면 net power generation은 유동 속도와 많은 연관이 있음을 알 수 있고, 두개의 local optimal points는 net power generation에서 생길 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 net power generation은 유동 채널 너비가 감소할수록 증가한다고 볼 수 있다. 즉 역전기투석을 위한 이온교환막을 만들시 두 개의 local optimal points와 유동속도의 관계(위의 실험 결과에서 도출할 수 있었다.)를 최적화 하여 net power generation를 극대화 시킬 수 있어야 하고 유동 채널 너비를 최소화 시켜야 한다는 것을 알 수 있었다.

 

 

라. 프로그램 참가 전후의 전반적인 비교(before/after 변화 중심)및 후기

처음 학부생 연구사업을 시작하게 됐을 때, 3개월 간 내가 하게 될 계획도 함께 결정 했었다. 아주 구체적이고 체계적인 계획이었기 때문에 학부생 연구사업에 대해 더욱 기대를 했었고 3개월이란 기간동안의 경험이 나의 이제껏 3년 대학생활 보다는 훨씬 많은 것을 얻을 수 있을 것 같아 들떠있었다. 하지만 예상과 달리 나의 3개월의 학부생 연구사업은 애초의 계획과는 많이 달라졌다. 아래 그림1의 맴브레인 교환막의 specification을 알기 위한 실험장치를 이해하고 만드는 것만 해도 많은 시간을 요했다.

그 후 Reverse Electrodialysis 방식을 이용한 전력을 생산하는 장치를 이용하여 실험하였다. 이 작업 Voltage 측정값을 계속해서 관찰해야 했기 때문에 가장 쉬운 작업이긴 했지만 이것 또한 너무나 많은 시간이 걸렸다. 공대에서 이러한 실험을 가지고 학부생 연구사업을 하기에는 3개월이 너무나 짧은 기간이었다. 좀 더 본격적인 실험을 하거나 논문까지 작성하기에는 한 학기라는 기간이 무리라는 생각이 든다. Reverse Electrodialysis 자체 제작하기 위해서는 최소한 6개월 정도는 되야 되지 않나 싶다. 혹은 학부생 연구사업에서 특정한 연구과제를 주어 한 주제에 대한 여러 결과를 도출하는 것도 좋은 방법이라고 생각한다. 그렇다면 학부생 연구사업의 주제를 정하지 못해 참여하지 못했던 학생들에게 좋은 기회가 될 수도 있고 3개월에 적합한 연구주제에 대해 연구를 할 수 있을 것이다. 특히, 특정 기업과 연관된 연구라면 취업의 측면에서도 많은 이득이 있을 것이라고 본다. 그리고 이번 작업은 비교적 쉽긴 하였으나 Syringe pump나 Source meter등 실험 장비에 대한 지식이 너무도 많이 부족하였다. 이렇게 실제 학부에서 배운 내용과는 별개로 실무적인 실험을 하기 위해서는 또 다른 많은 지식들을 알고 있어야 했다. 그래서 이번 기회를 통해 실험 계획은 유동적이고 융통성이 있어야 된다는 것을 알 수 있었고, 또한 실험 장비 및 실험에 대한 많은 지식을 얻을 수 있었다.

이러한 학부생 연구사업은 나의 대학생활에 대해 성찰 할 수 있는 기회를 주었다. 학부생 연구사업에 참가하기 전에는 나 또한 남들과 같이 취업을 하기 위해 전전긍긍 하고 있었다. 또한 남들보다 앞서 가기 위해, 더 좋은 스펙을 가지기 위해 맹목적으로 영어공부를 하고 전공공부를 하고 있었다. 가끔씩 주위사람들이 요즘 대학을 ‘심화교육의 장’이 아닌, ‘취업을 위한 하나의 단계’라고 비판하는 목소리를 듣고, 난 그저 이러한 문제는 대학의 시스템이 문제가 있다고만 생각했다. 그러나 이는 바로 내 자신 스스로가 만들어낸 결과물이었다. 남들과 같이, 혹은 더 좋은 곳에 취직을 하기 위해서 학점 따기 좋은 과목을 수강하고, 영어공부도 오직 토익, 오픽에 한정된 공부만 했을 뿐, 자아실현을 위한 공부는 등한시 하였다. 하지만 학부생 연구사업을 통해 일류대학의 학생, 혹은 나보다 스펙이 많은 사람을 따라가려고만 했던 나 자신에 대한 비전과 철학을 재정립 할 수 있었다. 잠시 잊고 있었던 나의 꿈을 실현 하는 방법을 알 수 있게 되었고 내가 앞으로 어떠한 일을 해야 행복한지, 그 일을 위해 어떠한 일을 해야 하는지 가이드라인을 찾을 수 있게 되었다. 그리고 내가 기계공학부에 입학한 것에 대한 자부심을 느낀다. ‘취직이 잘되는 학부’라서가 아니라 ‘나의 꿈을 실현 시킬 수 있는 학부’이기 때문이다. 취직을 위해서라면 좋은 학점을 위한 과목이 우선이겠지만 이제는 내가 필요한 과목, 결과보다는 과정, 양보다는 질의 과목을 우선적으로 선택할 것이다. 이렇게 나에게 많은 변화를 가져다 준 기회를 주신 것에 대해 많은 감사함을 느낀다.