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 제39회 전국학생과학발명품경진대회 | 국무총리상 
“고민 해결 과정에서 실패는 발상의 전환을 이끌죠”

세종과학고등학교 2학년에 재학 중인 김성윤 학생은 ‘제39회 전국학생과학발명품경진대회’에서 ‘물 쏟음 방지 병 내부마개’로 국무총리상을 수상하는 영광을 안았다. 발명으로는 첫 출전한 전국대회에서 좋은 성과를 거둔 김 군은 “전혀 예상하지 않았는데 노력과 고민에 대한 결과가 좋게 나와 기쁘다”며 “언제나 저를 믿고 지지해주시는 부모님과 시제품으로 만든 내부마개가 실제로도 제작 가능한지 확인하고 추가 연구할 수 있도록 적극 지원하고 지도해주신 신광식 지도 선생님께 감사드린다”고 밝혔다.

병 넘어져도 물 안 쏟게 해주는 마개 발명

김성윤 군의 발명품은 뚜껑 열린 페트병이 넘어져도 내용물이 왈칵 쏟아지는 것을 방지하는 ‘물 쏟음 방지 병 내부마개’다. 내부마개는 고정부와 이동부로 구성돼 있으며 병에 장착하면 병 내외부 압력 차이로 이동부가 움직일 때만 내용물이 병 밖으로 나오는 원리를 이용했다. 만약 병이 넘어지면 강한 응집력을 지닌 물이 고정부 밑면의 작은 구멍을 통과하지 못해 병 내외부 압력의 같아지므로 이동부가 움직이지 않아 내용물이 쏟아지지 않는다.

내용물을 꺼낼 때는 병을 살짝 눌러주면 페트병 내부 압력이 커져 이동부가 밀려올라가므로 고정부와 이동부의 구멍(토출구)이 겹쳐져 내용물이 나온다. 초기에는 탈부착형 마개만 만들었으나 단점을 보완해 용기 일체형 마개를 만드는 것도 성공했다. 김 군은 해당 발명품에 대해 “간단한 구조면서도 실용성과 편리성을 지니고 있는 것이 장점”이라고 소개했다.
대부분의 발명이 그렇듯 김 군 역시 일상의 경험에서 느끼는 문제점이 발명의 동기가 됐다.

“TV에서 프로그램 진행자가 실수로 생수병을 넘어뜨려 대본 위로 물을 쏟는 바람에 난감해하는 장면을 봤어요. 저 역시 뚜껑을 열어놓은 페트병을 쓰러뜨려 내용물을 쏟는 경우가 많았기에 내용물이 쏟아지는 현상을 해결할 수 있는 방법을 고민하기 시작했죠.”

생각과 달리 페트병 용기의 용도에 알맞은 마개를 구상하는 것은 쉽지 않았다. 페트병처럼 원가가 낮은 재료를 사용해야 했고 용기를 입에 대고 음용하는 만큼 삼킬 위험이 있는 부속품을 쓸 수 없었다. 또한 페트병의 짧은 목 부분에 적합한 디자인도 고려해야 했다.

수월한 작업을 위해 손으로도 정교한 제작이 가능한 원통형 아크릴을 재료로 택했다. 하지만 사포질이 서툴고 강약 조절이 안 돼 두께가 달라지는 게 문제였다. 드릴 핀에 사포를 장착해 일정한 힘으로 아크릴을 갈아낸 끝에야 마개를 정밀 제작할 수 있었다.

김 군은 “고민을 해결하는 과정에서 원리를 해석하고 적용하는 반복 실험에 실패가 뒤따라 자신감을 잃기도 하지만 축적된 고민 속에서 발상의 전환을 경험한다”며 “열 번 찍어 안 넘어가는 나무가 없다는 말이 있듯이 대회를 준비하는 학생들이 흥미를 갖고 계속 도전했으면 좋겠다”고 말했다.

김 군을 지도한 신광식 교사는 “너무 거창하거나 복잡하게 만들려고 하기 보다는 실용성이나 경제성에 초점을 맞추고 학생 수준에 맞는 과학 원리를 적용해 만드는 것이 중요하다”며 “창의적인 아이디어로 만든 학생다운 발명품이면 좋은 성과를 거둘 것”이라고 밝혔다.

발명교실 통해 과학적 호기심 키워

김 군은 초등학교 4학년 때 교내 방과후 과학실험교실에서 로켓과학에 대해 배우며 물로켓을 만들어 전국 대회까지 참여했지만 이 때만해도 과학이 무엇인지 잘 몰랐다고 한다. 과학 활동을 통해 다양한 상을 받았지만 단지 운이 좋았을 뿐이라고 생각했다.

그러다 5학년 때 학교 추천으로 강남교육지원청 발명교실에 참여해 물리적 현상을 장치에 적용하는 것을 경험하면서 과학 세계에 궁금증을 갖기 시작했다. 사물을 보며 항상 ‘왜’라는 궁금증을 가졌고 자료를 찾아 정리하면서 과학 분야에 대한 관심을 키워나갔다.

각종 과학대회에도 꾸준히 참여해 30여 개에 이르는 교내외 수상실적을 쌓았다. 강남교육지원청 자체발명품경진대회 금상, 교육과학기술부장관상 등 학생과학발명품경진대회를 비롯해 학생탐구발표대회, 청소년과학탐구대회 등에 참여해 교내뿐 아니라 서울 및 전국 단위 대회서도 좋은 결실을 거뒀다. 출품작 가운데 신발방향전환장치를 특허 등록했으며 이번에 발명한 액체 쏟음 방지용 액체 용기 내부마개는 특허 심사 중에 있다.

무엇이든 분석하고 원리를 찾는 것에 흥미를 느끼며 특히 물리적 현상에 관심이 많은 김 군의 장래희망은 기계 또는 전기전자 공학계열에서 연구하는 것이다. 김 군은 “중학교 때 드론처럼 날아다니는 퍼스널 모빌리티를 만들고 싶다는 상상을 했다”며 “제 상상을 지금의 누군가가 연구하고 현실화하고 있는 것처럼 저도 카이스트 같은 연구중심 대학에서 기초과학을 충실히 학습하며 전공 방향을 모색하고 싶다”는 바람을 전했다.