1. 수행배경

• (1) 과제 개요

  현재 북태평양에는 일명 쓰레기섬(Great Pacific Garbage Patch)이라고 불리는 쓰레기더미들이 떠다니고 있다. 이는 인류가 플라스틱과 스티로폼, 비닐 등의 재료들을 무분별하게 제작 및 폐기한 결과이다. 현재 1조 8000억 개의 플라스틱과 8만톤의 플라스틱 쓰레기가 떠다니고 있으며 이 쓰레기더미의 규모는 10년에 10배씩 증가하고 있는 상황이다.

  오염의 문제도 심각하지만 이 쓰레기섬의 플라스틱을 먹이로 착각하고 먹게 되는 해양생물들의 피해가 막심한 수준이다. 쓰레기섬 주변지역에는 35%의 물고기 뱃속에는 플라스틱이 존재하며 이 플라스틱은 소화가 되지도, 배설되지도 않기 때문에 결국 죽게 되는 사태도 일어나고 있다. 비단 물고기들뿐만 아니라 상위 포식자인 새들에게도 피해가 가고 있다. 어떤 알바트로스의 시체에는 뱃속에 플라스틱 덩어리만 한가득 들어있었다는 일화도 있다.

  쓰레기 처리는 크게 세 단계로 진행된다. 먼저, 쓰레기가 버려지는 ‘배출’단계, 다음으로, 업체에서 쓰레기를 처리시설로 반입하는 ‘수거’단계, 마지막으로, 처리시설에서 소각, 매립, 압축포장 등을 하는 ‘처리’단계이다. 그러나 바다로 유입되거나 버려지는 쓰레기는 배출단계에서 무분별하게 분리되지 않은 상태로 넓은 바다를 부유한다. 따라서 단순히 배출된 쓰레기를 수거하는 게 아니라, 수거 과정에 있어서 수거할 수 있게 포집하는 단계가 필요하다. 일반적인 해상 부유 쓰레기의 처리단계는 크게 세 단계로 구성된다. 먼저, 바다 위의 쓰레기를 ‘포집’하고, 다음으로, 포집한 쓰레기를 처리할 수 있는 시설까지 ‘수거’하고, 마지막으로, 수거한 쓰레기를 ‘처리’하는 단계로 진행해왔다. 본 연구에서는 해상 부유 쓰레기의 처리단계 과정 중 쓰레기 포집과 그 이후 수거 과정의 체계화 및 자동화를 위한 장치를 설계하고 제작하고자 한다.

   

  (2) 과제수행의 필요성

  쓰레기섬을 쉽게 처리하지 못 하는 이유 중의 하나는 그 위치와 규모가 정확하지 않다는 데 있다. 쓰레기더미가 해류를 따라 뭉쳐서 떠다니고 있고, 길게 줄지어 다니는 모습까지 보이고 있다. 현재 하와이, 태국 등 태평양 근처에 위치한 국가들에서 출몰하고 있다. 대부분 플라스틱, 로프, 스티로폼으로 이루어져 있으며 넓게 퍼져서 분포해 있다. 따라서 손으로 하나하나 걷어내는 방법으로는 회수속도보다 투기속도가 빨라 쓰레기를 없애기 어려운 실정이다. 우리에게는 자동으로, 효율적으로 빠르게 걷어낼 방법이 필요하다.

   
  

2. 수행기간

• 추진일정표	일련번호	주요내용	추진일정			기간 (주)
  			9월	10월	11월
  	1	제작 기획 및 모델링				2주
  	2	부품 구매 및 실험				1주
  	3	프로토타입 제작				2주
  	4	완제품 제작 완성				2주
  	5	완제품 보완				2주
  	6	성과물	(중간)		(최종)

3. 개발작품 설명

(1) 1차 프로토타입(타겟 아이디어) : 태평양의 해상 부유 쓰레기섬

첫 연구 목표는 태평양의 해상 부유 쓰레기를 수거 및 제거하는 것으로 정하였다. 보트 형태의 무인수거장치를 제작하여 자동으로 쓰레기를 수거, 분쇄, 압축하기 위해서는 다음과 같은 네 단계의 메커니즘이 필요하다.

단계 1. 보트를 조종해 채가 설치되어 있는 컨베이어벨트를 이용하여 부유하고 있는 쓰레기를 퍼올린다. 퍼올리는 과정에서 작은 쓰레기들도 남김 없이 수거할 수 있도록 컨베이어 벨트의 RPM을 조절하는 연구를 진행한다. 쓰레기들은 바닷물이 섞여 있기 때문에 적재하게 되면 부력조절에 문제가 생길 수 있으므로 컨베이어벨트를 매쉬망으로 설계해 바닷물이 빠질 수 있도록 한다. 이 때, 컨베이어벨트의 형태는 매쉬형을 유지하되 소재를 다양하게 변경시켜 연구한다.

단계 2. 수거한 쓰레기는 일차적으로 부피를 줄이기 위해 돌기가 달린 롤러에 통과시킨다. 용기 내의 공기 및 내부의 액체를 제거하는 1차 압축을 실시하여 전체적인 부피를 줄인다.

단계 3. 롤러를 통과한 1차 압축쓰레기를 통에 넣고 압축기가 달려있는 후미의 트레일러로 운송해 압축기로 압축 및 적재한다. 이 때, 압축기의 형태를 유압식, 전자식 등 다양하게 변경시켜 연구한다.

이 보트는 비교적 많은 부피의 쓰레기를 담을 수 없으므로 그 외의 해결책이 더 필요하다. 그래서 도입한 시스템이 단계 4이다. 넓은 바다에서는 시간당 회수하는 양이 적고 다시 뭍으로 와서 내려놓는 데에 시간이 오래 걸릴 것으로 판단하여 다른 방법을 고안했다.

보트는 모선과 함께 바다에 나가게 되고, 모선 주위를 보트가 순찰하며 담당된 구역에서 쓰레기를 수거하도록 한다. 그리고 쓰레기통이 가득 차거나, 배터리가 부족할 경우 또는 오류사항이 있을 경우 모선으로 돌아와 정비를 받을 수 있도록 한다. 본 과정은 단계 4로 정리된다.

단계 4. 압축통이 가득 찰 경우 모선으로 돌아와 적재함을 비워낸다. 보트 자체의 배터리 및 결함 등 오류가 발생했을 경우, 즉, 배터리가 부족하거나 시스템에 문제가 생겼을 경우, 보트는 모선으로 돌아와 정비를 받은 후 다시 작업에 투입된다.

현재 태평양의 쓰레기들을 회수하는 장치는 그림 6과 같은 울타리 형태를 가지고 있다. 이 울타리는 해류의 소용돌이를 활용한 것이다. 해류가 소용돌이를 일으키며 쓰레기가 특정 소용돌이에 모이는 현상을 이용하여 울타리로 부유하는 쓰레기를 막아 자연스럽게 모으는 메커니즘을 가지고 있다. 넓게 퍼진 쓰레기들은 인력을 동원해 일일이 수작업으로 건져내거나, 가운데 보이는 타워로 회수된다. 두 방법은 운용에 있어서 비효율적이다. 타워의 경우 설치하는 데에 많은 제약이 있으며 많은 비용이 들기 때문이다.

본 연구의 바다쓰레기 회수기가 기존의 제품들과 차별화된 점은 다음과 같다.

첫째, 기존 제품들에서는 바다에 모아놓은 쓰레기, 혹은 모여 있는 쓰레기를 그대로 뭍으로 가져오겠다는 디자인들이 있었으나 이는 그 사이에 쓰레기를 유실할 위험도 있고, 멀리 있는 바다에서 가져오기에는 그 한계가 있다. 반면, 바다쓰레기 회수기는 물 위에 떠 있는 상태로 옮긴다는 개념이 아닌, 쓰레기를 컨베이어 벨트로 완전히 수거할 수 있다.

둘째, 보통 보트는 앞부분이 뾰족해서 물살을 쉽게 뚫을 수 있게 디자인 되었다. 하지만 이런 구조의 쓰레기 수거기는 쓰레기를 퍼올리는 단계 1에서 애로사항이 발생할 것으로 보인다. 따라서 보트의 안정성을 높이기 위한 ‘쌍동형 구조’를 사용하였다. 이 쌍동형 구조의 사이 공간은 쓰레기를 더 효율적으로 모을 수 있게 한다. 또한 컨베이어 벨트를 벗어날 수도 있는 쓰레기를 놓치지 않고 확실하게 수거할 수 있다. 이 형태에서의 적합한 부력재의 재질과 모형을 바꾸어 쓰레기 회수를 효율적으로 한다.

셋째, 일반적으로 플라스틱 쓰레기가 떠 있을 수 있는 이유는 밀도가 작고 용기 내부에 공기가 차 있는 경우가 있기 때문이다. 이 쓰레기를 압축하지 않고 바로 쓰레기통에 넣어서 운반해 온다면 제한된 공간에 있어서 비효율적일 수 있다. 따라서 본 기구의 경우 롤러를 이용해 1, 2차적으로 공기를 빼고 압축기를 이용해 압축시킨다는 점에서 공간적인 효율을 높일 수 있다.

넷째, 쓰레기 섬이 뭍 근처에 없을 경우 쓰레기 수거기는 임무 수행을 위해 장시간동안 뭍을 떠나야 할 상황이 발생할 수 있다. 따라서 쓰레기 수거기는 주기적인 관리가 필요하며 대량의 쓰레기를 보관할 수 있는 넓은 공간이 필요할 것으로 보인다. 또한 모선과 드론의 개념 도입은 시간적 효율을 높일 수 있을 것으로 보인다.

다섯째, 쓰레기가 보트의 뒷부분에 일정량 이상 적재가 되면, 보트의 전체적인 무게중심이 뒤로 쏠리거나, 바다의 파도에 의해서 중심을 잃을 가능성이 있다. 본 문제점은 십자구조의 환봉으로 해결하고자 한다. 각각의 환봉은 좌우 또는 앞뒤로 움직여 보트의 전체 무게중심을 잡아주는 역할을 해준다.

여섯째, 두 부력을 담당하는 보트 사이의 너비보다 큰 쓰레기는 그림 7과 같은 절단기로 절단할 수 있다. 절단된 쓰레기는 보트 사이로 들어와 퍼올리기 쉽다.

(2) 2차 프로토 타입(수거 목표 변경) : 육지 인근, 저수지, 강 등의 수상 부유 쓰레기

초기 연구 방향은 태평양에 부유해 있는 쓰레기 섬의 수거 및 제거를 목적으로 개발 계획을 세웠다. 하지만 현재 개발단계의 순서에 의해 바다에서 직접 테스트를 해볼 수 있는 상황이 아니므로 먼저 강과 하천에서 제작한 장비를 테스트함으로써 그 실용성과 효율성에 대해 확인해볼 필요가 있다고 판단하였다. 따라서 연안, 하천, 저수지 등에 있는 부유물(쓰레기, 녹조, 나뭇가지 등)을 제거하는 것을 목적으로 연구 방향을 변경하였다.

위의 드론들을 싣고 태평양으로 모선을 운용하여 왕복하는 비용이나 배터리, 적재 용양, 바다위에서의 파고에 능동적으로 반응하는 시스템 등등 많은 문제점에 직면하였다. 위의 문제와 관련해서 해상 기름회수기 제작을 하고 있는 쉐코 기업과 회의를 진행하였다. 회의 결과 방향을 틀어 조금 더 근본적으로 문제를 해결하고자 강과 하천, 댐의 부유하는 수상쓰레기에 초점을 맞춰보고자 하였다. 이는 운용시간 자체가 길지 않아 배터리 문제가 해결되었고, 상자에 적재하지 않고 그물처럼 부유하는 쓰레기를 끌어 모으기 때문에 적재 용량에도 문제가 없을뿐더러, 강과 하천 댐의 경우 파고가 높지 않아 불안정성도 해결될 수 있다. 개선하여 만든 모델은 다음과 같다.

기존의 쌍동형 구조를 유지하고 수상 위에서 부유하는 쓰레기들을 긁어모으는 형식이다. 컨베이어 벨트를 양쪽 벽면에 달아 안쪽의 그물에서 긁어모은 쓰레기들을 육지에 도착하였을 때 밀어줄 수 있게 한다. 강과 하천이나 댐에서는 쓰레기뿐만 아니라 녹조에 대한 오염도 존재한다. 이러한 긁어모으는 방식은 쓰레기와 부유하는 녹조 두 가지 전부 제거할 수 있는 효과가 있다. 또한 사용자가 직접 조종하는 것이 아닌 라즈베리 파이를 이용하여 이미지 영상을 조종기로 넘기므로 먼 구간에서도 조종하는 사람이 영상을 확인하며 운용할 수 있다.

4. 활용방안

• (1) 기대 효과

  기존 바다쓰레기 회수 방법은 해류가 일으키는 소용돌이 효과로 모아지는 쓰레기들을 울타리로 끌어 모아 직접 배로 회수하는 방식으로 진행되어 왔다. 이는 쓰레기 자체의 부피가 크기 때문에 한 번에 적재할 수 있는 양이 적다는 한계가 존재한다. 반면, 본 연구의 쓰레기 회수기는 회수 및 압축공정을 통해 한 번에 많은 양의 쓰레기를 적재하므로 여러 번 회수해야할 과정을 단순화시킬 수 있다. 따라서 본 쓰레기 처리 방법은 운용에서의 비용절감이 가능하고, 시간 또한 절약되기 때문에 시간당 회수량이 많아질 것으로 기대한다.

  기업과의 협업을 통해서 작품의 구조, 여러 가지 재료, 메커니즘에 대해서 가장 효율적인 모델을 고안한다. 또한 소프트웨어적으로 안정적인 제어, 통신을 꾀하고 더 나아가 센서 데이터 구조화를 도전하도록 한다. 이를 통해서 교내 경진대회 이상의 공모전에 출품하고 이를 기반으로 작품 내부의 기술들에 대한 논문, 작품에 대한 특허를 목표로 한다.

   

  (2) 향후 활용 방안

  - 시장조사 결과

  전 세계적으로 플라스틱의 생산량은 꾸준히 증가추세이며, 2015년을 기준으로 그 생산량은 약 3억 2천만 톤으로 추정 된다(Plastics Europe, 2016). 해양으로 배출되는 플라스틱의 양 또한 생산량의 증가와 함께 증가할 것으로 사료되며, 해양쓰레기 중 플라스틱류가 60~80%로 매우 높은 비율을 보인다(Derraik, 2002). 지난해 부산 연안에서 수거된 수중 침적쓰레기는 2만 5000톤이지만 근해에서 수거한 쓰레기는 통계도 없는 상태다. 대형 기저 수협은 먼 바다 해양쓰레기 수거를 위해 부산공동어시장 안에 해양쓰레기 집하장소를 마련하고, 수거전용 마대자루를 제작해 조합원 선박에 제공하여 인력을 투입하고 있는 실정이다. 또한 충남도의회 전익현 위원은 "최근 4년간 서해 연안환경 개선을 위해 수거해 처리한 해양쓰레기가 2만 2139 톤으로 108억 8200만원의 비용이 소요된 것으로 나타났다"며 "어장환경 개선과 갯벌 생태계 복원 노력도 해양쓰레기가 처리되지 않으면 이뤄질 수 없다"며 근본적 대책 마련을 주문했다. 한편, 국내 연·근해에 발생하는 해양쓰레기 양은 한 해 18만 톤으로 추정된다. 폐그물이나 폐어구 등은 해양환경을 오염시킬 뿐만 아니라 유령어업(물고기 등이 폐그물이나 어구에 걸리거나 갇혀 죽는 것)이나 선박 안전사고의 원인도 된다. 2015년 해양 쓰레기를 처리하는 데 드는 비용이 512억원이었지만 지난해에는 762억원으로 50%가량 늘었고 지속적으로 증가할 전망이다. 해양수산부에 따르면 해양쓰레기로 인해 연간 어획량의 약 10%가 줄어 들고 있다. 이를 돈으로 환산하면 연 3천 800억원 이상의 손해를 보고 있다. 또한 이러한 해양쓰레기 중 대부분이 플라스틱인데 이는 미세 플라스틱으로 분해되어 해양 생물에게 흡수된다. 결국 해양쓰레기의 문제가 단순한 바다환경의 문제가 아니라 국민의 식습관까지 큰 영향을 미치고 있다.

   

  - 해상 부유 쓰레기 수거기의 필요성

  위 그림 10의 Table2는 낙동강에서 버려지는 쓰레기의 양과 종류에 대해서 조사된 자료이고 Table3은 2007년 낙동강에 버려진 쓰레기의 양과 종류의 1년간 추이에 대한 자료이다. 이는 현재 국내에서 강과 하천에 버려지는 쓰레기의 양을 유추할 수 있는 자료가 되고, 그와 동시에 강을 따라 바다로 유입되는 쓰레기의 양을 유추할 수 있는 자료가 되기도 한다. 위의 자료에 의하면 해안가에 버려져 있는 쓰레기는 대략 50톤가량으로 수거가 시급한 상황이다. 이는 단순 해안가에 위치한 쓰레기의 양을 나타낸 것이기 때문에 강에 부유한 상태에서 해안가에 안착되는 양과 바다로 유입되는 양을 모두 합한다면 위의 통계보다 훨씬 많은 양의 쓰레기가 버려지는 것을 유추할 수 있을 것이다. 따라서 현재 해상 부유 쓰레기를 처리하는 것은 시급한 일이며, 그 1차적인 원인인 육지로부터의 유입을 막아야 한다는 개념에서 보았을 때에는 해양 쓰레기 수거장치의 필요성은 명확하다.

   

  - 경쟁 업체의 유사 제품과 비교 시 이점

  에이스마린텍 – 해양쓰레기 청소로봇

  크기 : L = 70cm, l = 70cm, h = 50cm

  무게 : 17 kg

  전기 엔진 3 개 (90 ° 중 하나)

  2 개의 배터리 (각각 22Ah)가 7 일 동안 지속적으로 작동.

  1 노트 평균 속도로 시간당 1000 를 청소 가능.

  1~ 8 시간

  원격 제어 범위 : 400m

  최대 속도 : 최대 2 노트

  그물에 저장할 수 있는 용량 : 80L

   

  에이스 마린텍의 경우 1노트 평균 속도로 시간당 1000 작동 가능하고, 2개의 배터리를 7일 동안 사용 가능하다는 면에서 확실히 우수성을 보이지만 그 크기가 70*70*50으로 상당히 작음을 보여준다. 따라서 그 크기가 증가하게 되면 그에 맞게 출력도 커져야 할 것이고, 한 번의 충전으로 오래 이동이 가능하다는 이점은 변할 수 있을 것이다. 또한 80L의 제한적인 그물의 양은 공기가 찬 플라스틱이나 캔의 경우 무게대비 부피를 많이 차지하기 때문에 비교적 적은 양의 쓰레기 수거 후 복귀해야 한다는 단점이 있다. 현재 우리가 제작하고 있는 제품은 그 부피를 줄여서 더 높아진 효율성을 통해 한번에 많은 쓰레기의 양을 수거하는 것을 목표로 두고 있기 때문에 작은 호수나 저수지에서 사용 가능한 에이스마린텍의 제품과는 그 이점이 명확히 보인다.

   

  -수상에스티 – 씨크린 호

  무인운용

  수상ST 박태근 대표는 "이번에 세계 처음으로 개발한 무인 청항선은 연근해 반경 약 15㎞이내 해역에서 한번에 약 12시간 동안 각종 부유 쓰레기를 500㎏까지 청소할 수 있는 능력을 갖췄다"고 말했다.

  수상에스티의 경우 앞서 비교한 에이스마린텍의 제품과 반대로 큰 크기로 많은 양을 수거하는 장치이다. 그러나 그 규모가 사람이 탑승이 가능한 것으로 보아 크기도 크고 동력원으로 전기가 아닌 내연기관을 사용하는 것으로 보인다. 이 역시도 앞서 말한 에이스마린텍과 같이 수상 부유 쓰레기를 수거하지만 그 뒤의 적재함이 존재하여도 그 적재함 자체가 부피에 대해서 취약점을 보인다. 따라서 현재 우리가 만드는 제품은 부피 자체를 줄여줄 수 있다는 부분에서 이점을 가진다.

   

  -오션클린업

  오션클린업은 앞서 연구내용의 첨부자료로 사용된 바가 있는 제품이다. 바다에서 직접적인 수거를 진행하는 것이 아니라, 해류를 이용하여 쓰레기를 모아 육지로 가져오는 방식을 이용한다. 그러나 실제로 작동할 때에는 여러 문제가 만들어지고 있다고 한다. 그린피스와 함께 전 세계 천일염 속에 담긴 미세플라스틱 측정 연구를 했던 인천대 김승규 교수는 오션클린업의 프로젝트에 대해 "(오션 클린업은 U자 튜브에) 여과막을 쓰면서 거르는 것인데 여과막이 막히면 효율성이 떨어질 수 있다"고 지적했다. 또한 동시에, 김 교수는 "미세플라스틱을 어느 정도 효율로 제거하느냐가 중요한데 (지금 오션 클린업의 방식은)큰 의미가 없을 것 같다"고 말했다. 실제 오션 클린업의 제품은 바다에서 이동 속도가 너무 느려 플라스틱 쓰레기가 여과망을 빠져 나오는 문제가 발생했다. 또한 국내에서 바다 쓰레기 문제를 전문으로 하는 민간 연구단체 '오션'의 대표로 있는 홍선욱 박사는 "배를 타고 나가서 다시 수거해오는데 수거되는 양은 많지 않다"며 "배보다 배꼽이 더 크다(수거로 얻어지는 효과보다 수거 장치를 운영하는 데 들어가는 비용이)"고 설명했다.이는 우리가 제품을 만들 때에도 같은 실수를 반복하지 않게 주의하는 것이 핵심이다. 여태까지의 제품들은 위와 같은 단점들로 인해 사회적으로 빛을 발하고 있지 않지만 직접적으로 환경오염에 눈에 띄는 효과를 보여주는 장치를 개발한다면 그것이야말로 사회적으로 각광받을 수 있는 제품이 되는 방법일 것이다. 여태까지의 모든 제품들은 쓰레기 자체를 수거하여 뭍으로 가져와 폐기를 하는 방식이었지만, 우리의 제품을 통해서라면 사람이 뭍에서 처리하는 과정을 최소화할 수 있고 효율성이 높은 정말 ‘환경을 효율적으로 지키는’ 제품이 될 수 있을 것이다.