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신재생 에너지 가운데 가장 각광받는 것이 태양광과 풍력이다. 우리나라에서는 태양광에 대한 관심들이 더 많은 듯 하지만, 실제로는 풍력의 가능성을 더 높게 점치는 전문가들도 많다. 미국처럼 땅이 넓은 경우에는 바람이 많은 지역에 거대한 풍차들의 농장(Wind Farm)을 만들어서 대규모 발전을 유도하기도 하는데, 우리나라와 같이 지형이 험한 경우에는 대규모 농장의 형태와는 다른 접근방법이 필요할 것이다. 관련하여 재미있는 기술을 개발한 기업이 있어서 하나 소개하고자 한다.

미국의 Altaeros Energies는 MIT에서 기술을 개발해서 법인화가 된 기업으로 350피트(약 100미터) 상공에 공중풍력터빈(airborne wind turbine, AWT)을 띄워서 발전하는 기술을 가지고 있다. 공중으로 올라갈수록 바람의 세기가 세지고 일정하기 때문에, 향후 상용화를 할 때에는 상공 1,000 피트까지 높이를 올린다고 한다. 일반적으로 산이나 들판에 타워 형식으로 만든 풍력 터빈에 비해 이렇게 상공에 연을 띄우는 방식으로 발전을 할 경우 2배 이상의 전력생산이 가능하다고 한다.

현재 이 기술은 미국 메인 주의 라임스톤시의 Loring Commerce Center 상공에 실제로 띄워서 테스트가 되고 있는데, 일반적인 타워 터빈에 비해 5배 이상의 바람이 불고 있어서 에너지 효율이 매우 높다. 경제적인 효과로 환산할 경우 비용을 65% 감소시킬 수 있으며, 설치하는 시간도 타워형의 경우 수 주일이 걸리지만 AWT는 며칠 만에 띄워서 에너지 생산이 가능하다는 장점도 있다. 또한, 상공에 띄워지기 때문에 소음도 적고, 환경적인 측면에서도 장점이 많은데다가, 관리비용도 거의 들지 않기 때문에 앞으로의 발전이 기대되는 기술이다. 다만 비행기들의 항로에 있으면 곤란하기 때문에 입지선정에는 다소의 제약이 있을 수 밖에 없다.

향후 바닷가에 대규모로 연결한 풍력발전 플랜트 기술로도 발전시키려고 준비 중이라고 하는데, 개인적으로는 간단히 확보할 수 있는 분산에너지 인프라로 발전되는 것이 더 좋을 것 같다는 생각이다. 풍력 발전이 간단해 보여도 아직은 크레인을 통해서 터빈과 날개를 설치해야 하고, 타워를 짓는 등의 대규모 공사가 필요하기 때문에 경제성이나 접근성에 문제가 많았다. 최근 규모가 작으면서도 간단한 풍력 발전 기술들이 등장하고는 있지만, AWT 역시도 간단하면서도 에너지 효율의 측면에서의 강점도 많아서 향후 많은 관심을 가질 필요가 있는 기술로 보인다. 물론 강풍에 견디고, 풍선이 터지거나, 안전성에 대한 문제를 해결해야 하는 숙제가 있겠지만, 우리나라에도 지형적인 문제를 넘어설 수 있다는 장점이 있어서 이와 유사한 기술에 관심을 가질 필요가 있다.


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필리핀의 전형적인 소수력 발전 시설


새로운 기술의 탄생에 있어서 가장 중요한 것이 무엇일까? 물론 다양한 경험과 축적된 지식이 중요한 역할을 한다는 것을 부정할 수는 없지만, 뭐니뭐니해도 "필요성"보다 중요한 것은 없을 것이다. 더구나 최근처럼 지식에 대한 접근성이 과거 어느 때보다 쉬워진 시대에는 필요성에 의해 새로운 기술들이 탄생하는 사이클이 점점 빨라진다. 그런 면에서, 아무래도 개발도상국에는 부족한 것들이 많다보니, 그들의 사정에 적합한 새로운 신기술들이 탄생하는 경우도 많은데, 오늘은 그 중에 재미있고 대표적인 것 몇 가지를 소개하고자 한다.


케냐의 마이크로 풍력발전 기술

케냐의 2명의 토착주민들이 설립한 Craftskills Enterprise라는 회사에서는 저렴하면서도 매우 작은 마이크로 풍력발전 터빈을 만든다. 재료도 매우 저렴해서 버려진 나무나 고철, 플라스틱 등을 이용하는데, 각각의 터빈들은 약 10가구 정도의 전력을 충당할 수 있을 정도의 배터리를 충전한다. 현재 케냐, 탄자니아, 르완다 등 아프리카 80군데 정도에 설치되었으며, 지역사회 기반으로 전력이 필요한 곳에서 없어서는 안될 발전기술로 각광받고 있다. 마이크로 풍력발전 기술은 최근 미국의 네이티브 인디언들도 이용을 하고 있다. 노스다코다 주의 대평원에 사는 인디언들은 이 지역이 바람이 많은 것을 이용해서 총 80MW 규모의 풍력발전 플랜트를 짓고 지역사회 기반의 발전시스템을 완비했는데, 이를 통해 가정과 각종 공공기관과 학교는 물론 지역의 경제를 위해 건립한 카지노의 전력도 감당할 수 있게 되었다고 한다.


몰디브의 태양광 담수화 기술

몰디브는 200여 개의 섬으로 이루어진 남태평양의 보석으로 불리는 나라이지만, 식수 문제로 항상 어려움을 겪고 있는 곳이다. 그런데, 이 곳에서 그 어느 나라보다도 강렬한 태양광을 활용할 수 있다는 점에 착안하여 세계적인 태양광 정수 기술들이 발전하게 되었다. 보통 100와트 정도의 발전이 가능한 태양광 패널 하나 당 하루에 132 갤런 정도의 바닷물을 담수화해서 식수로 이용할 수 있다. 


필리핀의 소수력 발전 기술

섬나라인 필리핀에는 아직도 국가의 전력시스템이 닿지 않는 마을이 1만여 개에 이른다고 한다. 그렇다고, 이들 마을에서 완전히 전기를 포기하고 살 수는 없는 법. 이들이 선택한 방법은 소수력 발전 기술이다. 마을마다 다르지만 이들은 지역사회 기반으로 7.5~35KW 정도의 용량을 가진 수력발전 플랜트를 짓는다. 필리핀에는 비가 많이 오기 때문에, 커다란 강은 아니어도 작은 냇물은 많다. 여기에 지형적인 특징을 감안하여 약간의 낙차를 가진 물의 흐름을 만들고, 이를 물레방아처럼 생긴 터빈을 돌리도록 하면 발전이 가능하다. 그다지 커다란 공사비용이 들지 않고도 지역의 전력을 감당할 수 있어서 필리핀 전역으로 보급되고 있는 기술이다.


인도의 쌀겨 발전

인도는 주식이 쌀이기 때문에, 많은 양의 쌀겨가 정미과정을 통해서 나오게 된다. 인도의 지역사회 어디에서든 쉽게 구할 수 있는 다량의 쌀겨를 이용한 발전시스템은 그런 측면에서 해당 지역사회의 지속가능한 전력을 공급할 수 있다. 이를 위해서 설립된 Husk Power Systems라는 회사에서 개발한 기술은 쌀겨를 가스로 만들어서 발전을 한다. 2008년 부터 이 회사의 플랜트는 이미 인도의 80군데가 넘는 지역에 설치가 되었고, 300개가 넘는 마을에서 20만 명이 넘는 사람들에게 전력을 공급하고 있다. 이제는 인도를 넘어서 세계로 수출을 추진하고 있는데, 네팔에 첫 번째로 설치가 되었으며, 향후 동남아시아와 중국, 아프리카 등지에도 널리 보급될 수 있을 것으로 보인다.


참고자료


Leapfrog Technology: Cleaner Tech in Developing Nations

Husk Power Systems 홈페이지


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지구온난화를 억제하고, 지구의 지속가능성을 위해서는 여러 가지 기술들이 접목될 수 있는데, 보통은 신재생에너지를 중심으로 하는 탄소발생 억제에 초점을 많이 맞추고 있지만, 대기 중으로 방출된 탄소를 붙잡아서 지구로 다시 끄집어내리는 것과 관련한 정책도 중요하다. 가장 흔히 생각할 수 있는 것은 이런 역할을 하고 있는 나무들이 지구 곳곳에 자리잡도록 확산하는 것과 지구 최대의 삼림을 가지고 있는 아마존과 같은 곳들을 보호하는 정책이다.  

그런데, 최근 아이슬란드에서 재미있는 실험을 바탕으로 독특한 시도가 진행되고 있어 이를 소개하고자 한다. 보통 탄소는 이산화탄소의 형태로 토양에 잠재되어 있다가 밭을 갈거나, 이것을 태우는 과정을 통해 대기로 방출되며, 이들이 온실효과를 가지게 된다. 그렇다면, 이렇게 잠재된 이산화탄소를 안정화시켜서 대기로 방출되지 않도록 한다면 어떨까? 이런 연구의 결과로 등장한 것이 이산화탄소를 바위로 만드는 연구이다. 이 기술이 저렴하게 이용될 수 있게 된다면, 탄소를 배출하는 발전소나 공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 모아서 돌을 만들어내면서 탄소발생을 극적으로 줄일 수 있을 것이다. 아무리 신재생에너지를 적극적으로 활용한다고 해도, 화석연료는 아직도 수십 년 이상 지구의 가장 중요한 에너지원으로 이용될 수 밖에 없다. 그렇다면, 이렇게 적극적으로 이산화탄소를 제거하거나 안정화시키는 기술에 대한 중요성도 과소평가해서는 안된다.

아이슬란드에서 시작한 프로그램은 CarbFix라는 이름을 가지고 있는데, 세계에서 2번째로 크고, 아이슬란드에서 가장 큰 지열에너지 발전소인 Hellisheiði Power Station에서 발생하는 이산화탄소를 돌로 바꾸는 것이다. 이 발전소는 지표면에서 2km 지하에서의 발생하는 고열의 가스를 이용해서 7개의 터빈을 돌려서 발전을 한다. 이 과정에서 증기를 많이 발생시키게 되는데, 대부분인 99.5%는 수증기이지만 나머지 0.5%는 대부분 이산화탄소라고 한다. 여기에 함유된 이산화탄소를 현무암(basalt) 형성지역에 흘려서 돌을 만드는 것이 프로젝트의 내용이다. 일단 증기에서 이산화탄소를 물을 이용해서 분리하면 탄산이 나오게 되는데, 이를 다시 현무암이 형성되는 500미터 지하에 흘리게 되면 주변에 있는 바위들의 칼슘이나 마그네슘 등과 반응하여 시간이 지나면서 석회암 등이 만들어진다고 한다. 아이슬란드는 화산활동에 의해 국토의 90%가 지하에서 현무암이 생성되는 곳이고, 거의 모든 에너지를 지열로 확보하고 있기 때문에 이런 실험을 하는데 최적의 나라라고 할 수 있겠다. 

현재의 단계는 증기에서 탄산을 분리해 주입이 이루어지고 있는데, 돌이 생성되는지 여부를 확인하기 위해서는 앞으로도 많은 시간이 걸릴 것으로 보인다. 또한, 이산화탄소를 탄산으로 만들어내는 과정에도 현재는 예상보다 많은 어려움과 자원들이 소모되는 것으로 알려져 있어, 아직 갈길은 멀다고 하겠다. 그렇지만, 일단 프로세스가 확립되고 유용성이 입증된다면 앞으로 지구온난화 문제를 해결하는데 있어서 커다란 힘이 될 수 있는 연구임에는 분명하다.


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기술의 역사를 볼 때, 가장 흥미로운 전쟁 중의 하나가 바로 전기의 표준을 놓고 세기의 대결을 벌였던 에디슨과 테슬라의 직류와 교류 전쟁이라는 것을 부인하는 사람은 없을 것이다. 원래 에디슨은 안전성을 가장 큰 이유로 직류(DC)가 표준이 되어야 한다고 주장했고, 테슬라는 보다 원거리로 전력을 전송하는데 유리한 교류(AC)가 표준이 되어야 한다고 주장했다. 테슬라는 원래 에디슨과 함께 일하기도 했었는데, 그의 그림자에서 벗어나 든든한 후원자들을 만나서 독자적인 사업을 벌렸는데, 경쟁심이 심했던 에디슨은 테슬라를 물리치기 위해서 수단과 방법을 가리지 않았던 것으로도 유명하다. 심지어는 전기를 흘려서 코끼리를 죽게 만들어 교류의 위험성을 강조하고, 사형집행도구로 교류를 이용한 전기의자를 제안하기도 하였다. 이 전쟁의 결과는 교류전기가 전기를 전송하는 주요 시스템으로 전 세계에 공인을 받으면서 테슬라의 완승으로 끝이 났다. 대부분의 전기는 터빈을 돌려서 교류로 생산이 된 이후에 다양한 중개시스템을 거쳐서 각 가정의 전기소켓으로 전달이 된다. 

그런데, 최근 신재생에너지가 각광을 받고, 분산에너지 생산과 활용과 관련한 패러다임이 급부상하면서 직류가 100년이 넘는 변방에서의 와신상담의 시기를 넘어서 중원을 차지하기 위해 크게 입지를 넓히고 있다. 앞으로는 점점 직류의 쓰임새가 교류보다 넓어질 가능성이 많다고 많은 기술자들이 전망하고 있다. 이런 변화가 나타나는 가장 큰 이유는 신재생에너지의 전력생산 방식이 기존의 방식과 다르기 때문이다. 일반적으로 화력이나 원자력, 수력발전은 모두 회전을 중심으로 하는 터빈에 의해서 전력이 생산되므로 처음부터 교류전력이 만들어진다. 그에 비해 태양광 패널이 중심이 되는 태양광 발전은 직류전력이 만들어진다. 풍력발전도 상당수가 직류전력을 생산한다. 이렇게 만들어진 전기를 가정에서 쓰려면 현재는 교류로 변환을 해야 한다. 여기에서 상당한 비효율이 발생한다. 문제는 여기에서 그치지 않는다. 대부분의 반도체가 이용되는 전기기기들의 경우 직류전기를 필요로 한다. 그래서 많은 수의 가정용 전기/전자기기들이 직류전기를 공급받기 위해 교류에서 직류로 변환하는 장치를 필요로 한다. 여기에도 상당한 비효율이 발생하며, 이 과정에서 발열도 많이 생긴다.

특히 클라우드 컴퓨팅의 중심이 되고 있는 데이터 센터의 경우 이런 비효율이 굉장히 심각하다. 가뜩이나 에너지 효율이 중시되고 있는데, 직류로 생산된 전력을 교류로 공급받아서 이를 다시 직류로 사용하는 현실은 누구라도 개선하고 싶을 것이다. 또한, 이런 변환때문에 나타나는 발열문제를 해결하기 위해 지리적으로도 차가운 지역에 데이터 센터를 위치시키거나, 다양한 방식의 냉각기법을 적용하는 것이 또 하나의 중요한 노하우가 되기도 한다. 그렇다면, 태양광을 이용해서 직접 직류전력을 생산해서 이를 바로 데이터 센터의 운용에 이용하면 어떨까? 아마도 전기효율과 발열문제를 모두 해결하는데 큰 도움이 될 것이디. 실제로 IBM은 인도의 방갈로(Bangalore)에 설립한 데이터 센터에서 이런 기술을 테스트하고 있으며, 마이크로소프트는 풍력발전을 통해 직류전력을 생산해서 바로 데이터 센터에 이용하는 기술에 대해 특허를 출원하기도 하였다. 

이미 엄청난 양의 전력을 전 세계의 데이터 센터들이 소비하고 있다고 하며, 이들이 뿜어내는 탄소배출이 전 세계 탄소배출의 2%를 넘기 시작했다. 자체적으로 신재생에너지를 이용하여 전력을 생산해서 효율적으로 바로 데이터 센터를 가동할 수 있는 기술은 그래서 앞으로 더욱 중요한 기술로 자리를 잡을지도 모르겠다. 또한, 이렇게 된다면 굳이 전력을 끌어들이지 않고도 데이터 센터의 가동이 가능하므로, 에너지 독립을 이룰 수 있다는 점에서도 중요한 의미를 가진다. 

더 나아가서는 신재생에너지 발전을 통해 빌딩의 전력을 완전히 충당하는 넷제로(Net-Zero) 빌딩이나 생산하는 전력이 소비하는 전력보다 많아서 주변에 전력을 공급할 수 있는 넷플러스(Net-Plus) 빌딩이 많아진다면 직류전기의 시대는 더욱 앞당겨질 것이다. 이들을 엮어서 전력의 생산과 소비를 효과적으로 관리하는 스마트 그리드(smart grid) 기술은 원자력을 비롯한 일부 대형 발전소의 전력공급에 과도하게 의존하는 현재의 중앙집중형 전력공급 및 소비 시스템도 크게 변화시킬 수 있을 것이다. 최근에는 고전압직류(high voltage direct current,  HVDC) 기술도 많이 성숙되어 과거 교류와 비교해도 30~40% 정도 더 나은 효율의 원거리 전송도 가능해지고 있으며, 이를 바탕으로 스마트 그리드를 구성하는 연구개발도 활발하기 때문에 직류전기의 쓰임새는 점점 더 늘어날 것으로 전망된다. 아래 임베딩한 동영상은 넥스텍 파워시스템이란 회사에서 만든 동영상으로 자사의 기술이 중요하다는 의미에서 만들기는 했지만, 이런 문제를 매우 잘 표현한 동영상이다.



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미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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기술이 세상에 역할을 하기 위해서는 무엇보다 사람과 문화, 그리고 해당 지역사회의 다양한 상황에 대한 이해가 선해되어야 한다. 우리는 너무나 당연하게 생각하고 있는 인간 분변의 처리에 대한 방법도 상황에 따라서는 완전히 다른 접근방법을 이용해야 할 수도 있다. 진지한 고민을 하지 않고, 그냥 우리의 방식만을 알려준다고 해서 문제가 해결되지는 않는다.

사하라 이남의 아프리카에서 가장 큰 문제 중의 하나는 바로 인간의 분변의 처리와 관련한 부분이다. WWAP(World Water Assessment Program)에 따르면 현재 85% 정도의 분변이 아무런 처리도 없이 분변트럭에 의해 수집이 되어 바닷가를 비롯한 다양한 지역에 그냥 버려지고 있다. 이것이 문제가 되는 것은 콜래라 등의 각종 수인성 전염병을 일으키기 때문이다. 이 질병으로 죽는 사람이 매년 180만 명에 이르며, 수년 전 대지진으로 대규모 이재민이 발생한 아이티에서도 가장 큰 문제가 되었던 것이 바로 이 문제이다. 아이티에서도 결국 해결책은 미국의 간단한 변기기술을 가진 회사에서 분변을 분리수집하고 여기에 사탕수수 줄기를 섞어서 퇴비를 만드는 방법이었다.


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2011/02/01 - 콜레라를 막고, 비료도 얻을 수 있는 화장실


선진국들의 경우 이 문제는 간단히 해결할 수 있다. 수세식 화장실을 설치하거나 배관 등을 이용해서 분변을 처리할 수 있는 정화조로 모이게 한 뒤에 여기에서 처리를 하면 된다. 그런데, 문제는 대부분의 아프리카 나라에서는 이 방식이 먹히지 않는다. 전 세계의 다양한 기금들이 이 문제를 해결하기 위해 집행이 되었고, 실제로 이런 기금을 이용해서 이미 아프리카 곳곳에 정화조와 여기에 모인 분변을 처리할 수 있는 플랜트들이 건설되었다. 그런데, 문제는 이것이 동작하지 않는다는 거다. 펀드가 일단 끊기면, 운영에 들어가는 비용을 댈 수 없다. 선진국들은 이것이 일종의 공유재이자 사회간접자본이므로 처리비용을 세금과 유사한 형식으로 각각의 가구에서 걷어서 해결할 수 있다. 그렇지만, 당장의 생계가 어려운 아프리카의 가구에서 이를 처리할 비용을 세금과 유사한 형태로 걷는 것에는 무리가 있다. 이들은 아직도 땅을 판 변소에 분변이 가득찰 때까지 기다렸다가 사설 분변트럭을 불러서 수십 달러 정도의 비용을 주고 거두어 가도록 하는 방법을 택한다. 그리고, 분변트럭들은 이렇게 모은 분변들을 특정 지역에 가서 쏟아놓고 오는 방식이 여전히 지속되고 있는 것이다. 결국 대부분의 현대적인 분변처리 플랜트들은 제대로 쓰여지지 않고 버려지고 마는 신세가 되었다.

그렇다면 해결책은 무엇일까? Waste Enterprisers 라는 회사는 완전히 다른 접근방법을 들고 나왔다. 인간의 분변의 가치를 재발견하자는 것이다. 적극적으로 분변을 모으고, 여기에서 수익을 낼 수 있는 방법을 찾는다면 현재의 문제는 대부분 해결할 수 있다는 것이 이들의 발상이다. 아프리카에서는 선진국에서의 시스템을 적용하기 어렵고, 현재의 시스템을 뒤엎는 것이 불가능하다면 이 시스템을 유지하면서도 문제를 해결하겠다는 것이다. 

이 회사는 미국 컬럼비아 대학의 연구진들과 게이츠 재단, 그리고 스위스연방 해양과학기술연구소(Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology)와 함께 다양한 방법들을 연구했는데, 현재 높은 가능성을 보여주고 있는 방법들은 크게 3가지이다. 연구에 필요한 자금은 게이츠 재단에서 지원을 하고 있다.

첫 번째 방법은 컬럼비아 대학과 콰미음크루마과학기술대(Kwame Nkrumah University of Science and Technology)에서 개발한 분변 슬러지에서 바이오 디젤을 만들어내는 기술이다. 일반적으로 선진국의 정화조의 분변들에 비해 이곳의 분변은 물과 함께 수집되지 않고, 변소에서 수집되고 버려진 지역에서 증발 등이 일어나기 때문에 전반적으로 농도가 높은 특징이 있다. 이런 특징은 연료로 이용되는데 큰 장점이 된다. 문제는 경제성이다. 현재 놀랍게도 이 기술로 뽑아내는 바이오 디젤은 갤런 당 $3.5 달러 정도의 비용으로 생산이 되는데, 이는 가나에서 판매되는 일반 디젤의 가격보다 약간 낮기 때문에 충분한 경제성이 있는 것으로 판단되며, 기름 값이 현재와 같이 증가한다면 더욱 좋은 대안이 될 것으로 기대된다.

두 번째 방법은 석탄과 유사하게 산업용으로 열을 내는 원료로 만드는 방법이다. 이 방법은 이미 일본이나 중국, 유럽의 일부 국가에서 아프리카의 분변 슬러지보다 수분이 많은 분변을 가지고도 시멘트 공장에서 시멘트로(cement kiln)의 원료로 이용하고 있기 때문에 충분한 상용화 가능성을 가지고 있다. 분변의 특성이 더욱 쉽게 연료화가 될 수 있고, 현재 마른 장작과 석탄 중간 수준의 열을 낼 수 있다고 한다. 

세 번째 방법은 어장을 만드는 것이다. 놀랍게도 이 방법은 이미 수익을 내기 시작했다. 제대로 동작하지 않는 정화조를 이용하는 방식인데, 정화조의 상층부의 물을 연달아서 희석하면 수질이 메기가 살 수 있을 정도로 옅어지게 되는데, 여기에 메기를 기른다. 분변의 독이 물고기를 죽인다면 이미 연속된 정화조의 자연희석 기능이 떨어진다는 것을 의미하며, 되려 물고기가 살아있다는 것은 그만큼 물이 많이 정화가 되었다는 것을 의미한다. 이렇게 자연적으로 양식된 물고기를 판매할 수 있다면 또다른 수익이 될 수 있다. 

이처럼 과학과 기술의 역할은 지역과 시간에 따라 다르다. 과학과 기술을 연구하는 사람들이라면 보다 사회에 대한 이해도를 높이고, 사람들이 보다 행복하고 나은 삶을 누릴 수 있는 방법을 보다 열린 마음으로 추구할 필요가 있다.


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