교육부와 한국과학창의재단이 주최하는 고등학생 연구 활동 경연인 ‘2017 STEAM R&E 페스티벌’ 결과가 지난 12월 4일 발표됐다. 전국 과학영재학교, 과학고, 과학중점학교 등 전국 고교생 650여 명이 한자리에 모여 130개 연구과제로 과제별 성과를 전시·발표한 이번 대회에서 명덕고 FNE 팀과 마포고 MSG 팀이 교육부장관상을 수상했다. 교내 대회를 전국 대회인 연구 과제 성과발표회에서 좋은 성적을 거둔 명덕고, 마포고의 연구 내용을 소개한다.

명덕고 FNE팀
과피 추출물의 살충제 대체제로서의 가능성 탐구
정우진, 유준영, 이성준, 최우진 학생, 지도교사 이세연

명덕고 FNE팀은 과일 껍질에서 추출한 물질의 살균과 살충 효과를 연구했다. 작년 11월 교내 R&E 대회를 준비하면서 ‘여러 가지 조건에 따른 발전 효율성 탐구’라는 주제로 연구를 시작했다. 하지만 ‘실생활에서 주제를 찾으라’는 지도교사의 피드백에 따라 주제를 탐색하던 중 은행의 살충효과 뉴스를 접하고 살균과 살충에 대한 연관관계 논문을 찾았다. 그때 당시 제철 과일인 귤껍질에도 살충 효과를 얻을 수 있는지 호기심으로 탐구하다 올해 3월 열린 교내 대회에서 살균을 주제로 동상을 수상했다.
이후 STEAM R&E 페스티벌에 지원하면서 실험에 사용할 과일을 실생활이 주가 되어야 한다는 선생님의 의견을 참고해 가장 많이 버려지는 음식물 쓰레기인 사과, 배, 귤, 포도로 가짓수를 늘려 살균과 살충에 제일 좋은 과일 껍질을 연구로 최종 주제를 선정했다.
“살충제에 들어가는 성분 대신 과일 껍질 추출물을 사용하게 된다면 살충제의 분사로 인한 2차 피해 방지가 가능합니다. 일 년에 버려지는 전체 음식물 쓰레기 중 약 15%가량이 과일 껍질이 차지하고 있어 과일 껍질 추출물을 살충제의 대체물질로 개발해 사용한다면 음식물 쓰레기 배출 문제도 상당 부분 해결할 수 있을 것으로 예상합니다.”
팀원들은 3가지 가설을 설정했다. 과일 껍질에서 추출한 성분에서 살균작용이 두드러질 것, 밀폐공간에 과일 껍질 추출액을 배치할 때 모기가 과일 껍질 추출액을 기피할 것, 과일 껍질 추출액을 분사했을 경우 모기가 활동을 정지할 것이다.
과제를 수행하던 중 과일 껍질을 건조하다 기기를 잘못 조작해 홀라당 태워버리기도 하고, 모기 유충인 장구벌레를 잡으러 안양천으로 나갔다가 날씨가 추워져 채집할 수 없는 사태도 발생했다. 균 수를 측정하기 위해 위상차 현미경을 사용해 콜로니 수를 측정했지만 정확한 수치로 나타내기 어려운 부분이 있었다. 그럼에도 불구하고 과일 껍질 추출물의 살균 능력과 살충효과를 탐구하고, 벌레 기피효과를 도출해낼 수 있었다.
“연구 과정에서 시행착오가 많아 물건을 다시 사야 하는 일이 발생하고, 실험을 다시 해야 하는 상황이 일어나기도 했지만, 살충제의 심각성과 위험성에 대해 새롭게 인식하는 실험이었습니다. 이번 연구에서 과일 껍질의 살충 능력에 대해 효용성이 입증된다면 실생활에 사용할 수 있게 적용하는 방법에 대해 연구하고 싶습니다.”

미니 인터뷰

정우진 학생
“아쉬움도 있었지만 배움도 많은 연구였습니다”

분명 효과는 있었는데 수치로 나타내기 어려운 부분이 있었어요. 사전조사가 미리 이루어지고 경험이 많이 필요한 실험이었지만 시간과 비용 면에서 부족한 부분이 많아 아쉬움이 남는 연구였습니다. 이번 연구를 통해 장래 희망인 연구원이 되기 위해서 채워야 하는 부분을 발견하는 기회가 됐습니다.

이성준 학생
“진로의 방향성 잡게 해준 경험이었습니다”

조종사를 꿈꾸며 달려왔는데 스팀 R&E를 진행하면서 생명과학쪽으로 시선을 넓힐 수 있게 됐고 실생활에 필요한 연구를 하는 생명과학자가 되고 싶다는 다른 꿈이 생겼습니다. 장시간 팀원들과 연구하면서 협동심을 기를 수 있었고, 더 나아가 제게 방향성을 잡게 도와준 좋은 경험이 됐습니다.

유준영 학생
“자료조사 하는 법을 새롭게 배웠습니다”

어렸을 때부터 화학 이론과 실험을 자주 접하면서 자연스럽게 화학연구원이라는 꿈을 갖게 되었습니다. 장기간 연구를 팀원들과 수행하면서 인내심과 협동심을 기를 수 있었고 연구에 필요한 자료를 조사하는 방법이나 올바른 출처를 작성하는 방법 등을 새롭게 배울 수 있었습니다.

마포고 MSG 팀
다리환자 분석시스템에 관한 연구 및 기기 제작
이동건, 김완수, 박규영, 안중범, 오준화, 최선웅 학생, 지도교사 오지훈, 김명준

마포고등학교(교장 엄재중) MSG팀이 처음 생각한 주제는 ‘다리 골절환자를 위한 오토포이에시스형 사회 시스템 구축에 관한 연구’였다. 다리 골절환자의 유형별 회복 정도와 걸음걸이의 관계를 일반화해 실시간 골절환자의 회복정도를 측정·예측하는 신체 부착형 IOT 기기를 제작하고, IOT 기기, 환자, 담당 의사를 연결하는 시스템과 빅 데이터 분석을 기반으로 하는 인공지능형 서버 기반 사회시스템(오토포이에시스, Autopoiesis)을 구축하는 것이 목표였다.
이 계획을 세우고 중간발표를 하는 날 심사위원들은 취지는 좋으나 고교생들의 수준을 넘어서고 실현 가능성이 어려워 보인다는 것에 이어 준비도 미비하고 정리가 돼 있지 않다는 혹평을 받았다. 이후 포기할까 고민도 많았지만 ‘다리환자 분석시스템’으로 주제를 좁혀 연구를 다시 시작했다.
“오히려 중간 심사가 동기부여가 됐어요. 따끔한 충고에 감사하며 피드백을 해주신 교수님께 이메일을 보내 자문을 구하고 대학생들을 찾아가 물어보면서 주제를 수정해 다시 선정할 수 있었습니다.”
MSG팀이 연구하고 싶었던 것은 발목 파열 환자가 얼마만큼 기간이 지났을 때 회복되느냐를 환자들이 예측할 수 있게 하는 것이다. 이를 위해 다리 환자 실험 분석 키트를 제작했다. 키트는 물리 수업 시간에 배운 TRACKER 프로그램을 이용했다.
연구를 위해 정산인 5명(대조군)과 전거비인대(발목 인대 중 한 부위) 파열환자 5명을 모집해 LED를 각 다리 관절에 부착한 상태로 한국사람 표준보폭에 따라 6걸음을 걷게 하고 이를 영상으로 촬영했다. 촬영한 영상을 운동각, 가속도, 발의 위상, 무릎의 위상의 요소를 이용해 좌우편향 정도를 구했다. 하지만 TRACKER 프로그램을 이용한 측정은 직접 일정한 거리를 걸어가는 동영상을 촬영하고 LED 불빛을 일일이 프로그램에 입력해야하기 때문에 소비되는 시간적 공간적 문제가 많았다. 그래서 TRACKER의 문제점을 보완할 수 있는 실험분석키트를 직접 만들자는 의견이 나왔다.
관절이 돌아간 각도와 관절 사이의 거리를 이용해 좌표화 할 수 있는 코딩을 직접 설계하고 센서, 아두이도, 3D 프린터를 이용한 측정기기를 제작했다. 이 연구를 통해 팀원들은 STEAM R&E를 정말로 체험하는 기회가 됐다.
“역학, 의학, 산업디자인, IT공학 등 여러 분야에 관련된 연구를 통해 융합적 사고력을 향상시키고 현재의 진보된 기술에 대해 공부할 수 있었습니다. 이번 연구를 통해 처음에 계획했던 오토포이에시스형 의료시스템 치료도 가능해질 수 있으리라 생각합니다.”

미니 인터뷰


이동건 학생
“포기하지 않으니 수상하는 영광 얻었어요”

중간 주제 발표할 때 포기하고 싶었으나 끝까지 해보자며 팀원들이 힘을 모으니 시행착오를 거치긴 했지만 연구를 마무리할 수 있었고 교육부장관상을 수상하는 좋은 결과로 이어졌습니다. 전문가들의 평가로 좋은 방향으로 발전할 수 있었고 실험분석키트를 만들면서 STEAM을 경험할 수 있었습니다.

오준화 학생
“소프트웨어 페스티벌에서도 성과물 전시했어요”

코딩과 프로그램에 대해 깊이 있게 배운 적이 없어서 민폐가 되지 않을까 염려스러웠지만, 열심히 배우겠다는 마음으로 참여했습니다. 실험에 필요한 환자 모집과 트레커 프로그램을 이용한 동영상 촬영·분석하는 부분에 참여했고, 이 연구로 소프트웨어 페스티벌에서 성과물을 전시하기도 했습니다.