A Study on the Development of H₂ Fuel Cell Education Platform: Meta-Fuelcell

연료전지 교육 플랫폼 Meta-Fuelcell 개발에 관한 연구

Abstract

This paper proposes a fuel cell education framework installed on a Metaverse environment, which is to reduce the burden of education costs and improve the effect of education or learning. This Meta-Fuel cell platform utilizes the Unity 3D Web and enables not only theoretical education but also hands-on training. The platform was designed and developed to accommodate a variety of unit education contents, such as ppt documents, videos, etc. The platform, therdore, integrates ppt and video demonstrations for theoretical education, as well as software content "STACK-Up" for hands-on training. Theoretical education section provides specialized liberal arts knowledge on hydrogen, including renewable energy, hydrogen economy, and fuel cells. The software "STACK-Up" provides a hands-on practice on assembling the stack parts. Stack is the very core component of fuel cells. The Meta-Fuelcell platform improves the limitations of face-to-face education. It provides educators with the opportunities of non-face-to-face education without restrictions such as educational place, time, and occupancy. On the other hand, learners can choose educational themes, order, etc. It provides educators and learners with interesting experiences to be active in the metaverse space. This platform is being applied experimentally to a education project which is to develop advanced manpower in the fuel cell industry. Its improvement is in progress.

본 논문에서는 신재생에너지 산업생태계의 한 영역을 담당하는 연료전지 산업에서 요구되는 인력을 양성함에 있어서, 기업의 교육비 부담 감축과 교육 효과 향상을 위하여 메타버스에 탑재한 연료전지 교육 프레임워크를 제안하였다. 본 Meta-Fuel cell 플랫폼은 Unity 3D 웹을 활용하여 1인칭 시점의 플랫폼을 구성하여 이론교육과 실습교육을 진행할 수 있도록 구성하였다. 이 플랫폼은 ppt 발표, 동영상 실행 등등 다양한 단위 교육 콘텐츠를 수용할 수 있도록 설계하였고 프로토타입을 구현하였다. 현재, 본 플랫폼에는 이론교육을 위한 ppt 및 동영상 시연 외에 실습을 위한 소프트웨어 콘텐츠 "STACK-Up"이 통합되어 있다. 이론교육 부문은 신재생에너지, 수소경제, 연료전지 등의 수소에 관한 교양지식 서비스를 제공한다. 소프트웨어 "STACK-Up"은 건물용 연료전지 핵심부품인 스택의 분해-조립 공정을 실습할 수 있는 서비스를 제공한다. Meta-Fuelcell 플랫폼은 교육자에게는 대면 교육의 한계점을 개선하여 교육 장소, 시간, 인원 등의 제약이 없는 비대면 교육의 기회를 제공하고, 학습자에게는 교육 주제, 순서 등을 선택권을 부여하며 메타버스 공간에서 학습할 수 있는 흥미로운 경험을 제공한다. 본 플랫폼은 연료전지 인력양성 사업에 실험적으로 적용하며 개선을 진행하고 있다.

Ⅰ. 서론

화석연료는 기후변화의 주원인으로서 사용량을 감축하여 탄소중립을 이루고자하는 전세계적인 노력이 경주되고 있다. 기후 변환에 관한 정부 협의체 (IPCC)의 “지구온난화 1.5도” 특별 보고서에 따르면, 현재의 지구온난화 속도가 지속된다면 지구 표면 온도는 2052년에 1.5도가 상승할 것이라고 밝혔다.^[1] 미국, 유럽, 일본, 중국, 한국 등과 같은 수소연구를 선도적으로 추진하는 국가에서는 수소경제 활성화 정책을 강력하게 추진하고 있다.^[2]

지난 2019년 한국정부는 “수소경제 활성화 로드맵”을 세우고, 이에 따라 수소생산량을 2022년에는 47만 톤, 2040년에는 526만 톤으로 3배를 증가시켜 에너지 자립에 기여하며, 점진적으로 에너지 의존국에서 주권국으로 발전하겠다고 밝히고 있다.^[3] 주요국 전문가 의견에 따르면 경제성 향상, 제도 정비와 전문인력 양성이 가장 큰 문제로 지적되고 있다.^[4]

그림 1. 수소경제 활성화 로드맵: 연간 수소공급량

Fig. 1. Annual Hydrogen Production Plan (자료: 산업통상자원부)^[5]

그림 2와 같이 국내 수소기업 장애요인 설문조사 결과에 따르면, 자금지원(42,8%), 기술지원(15,9%), 다음으로 전문 인력양성 (15,2%)이 시급한 문제로 나타났다.

그림 2. 수소 기업 장애요인 설문조사 결과

Fig. 2. Results from Survey on Hydrogen Company Obstacles (자료: 산업통상자원부)^[6]

본 논문은 연료전지 산업을 꾸려갈 전문인력의 양성에 기여하기 위하여, 판데믹 상황의 비대면 교육환경에서도 오프라인 교육 프레임워크를 개선하여 엔지니어를 양성할 수 있도록 개선하는 것이 목적이다. 이를 위하여 메타버스에 탑재한 연료전지 교육 프레임워크를 제안하였다. 제안하는 메타버스 교육 프레임워크인 Meta-Fuelcell은 Unity 3D 웹에 기반하여 “H2, 안녕!”인 이론교육 부문과 “STACK-Up”인 스택(Stack) 분해-조립 훈련 소프트웨어 콘텐츠 부문으로 구성된다.

Ⅱ. 이론적 배경

1. 메타버스 기반 교육 플랫폼 연구

메타버스는 닐 스티븐슨 (Niel Stephenson)의 소설 “스노우 크래시 (Snow Crash)”에서 최초로 소개하며 무엇인가를 초월한다는 메타(Meta)와 우주를 뜻인 유니버스(universe)를 합성한 용어로서 현실 세계를 초월한 세상을 의미한다. 메타버스 플랫폼은 최초로 게임과 게임 응용으로 언급하지만 최근에 엔터테인먼트, 애니메이션, 영화, 건설, 가상부동산 거래^[7] 등 다양한 산업에 응용으로 개발하였다. 특히 코로나로 인하여 원격학습을 하게 되며 메타버스 기술은 교육 분야로 활용 영역이 확산되고 있다.^[8]

엔지니어링에서 메타버스는 디지털트윈(digital twin)과도 밀접한 관계가 있지만, 본 논문에서는 연료전지 교육의 관점에서만 메타버스를 활용하고 있다.

2. Unity 3D 프레임워크

유니티 3D(Unity 3D)는 3D 게임을 개발할 수 있도록 지원하는 통합 그래픽 환경의 게임 저작도구이다. 이 도구는 안드로이드, iOS, 블랙베리, 웹 브라우저, 윈도우, 플레이 스테이션, Wii U, 리눅스 등 약 25개의 플랫폼을 지원하는 게임 개발 엔진과 에디터가 하나로 통합된 그림 3과 같은 세트로 구성된다.^[9]

그림 3. Unity 3D 배포 플랫폼

Fig. 3. Unity 3D Distribution Platform

Unity 3D를 활용하면, 게임적인 순수 가상현실뿐만 아니라, 건축물의 3D 시각화, 증간현실 등 인터랙티브 콘텐츠의 저작이 가능하다. 본 논문에서 설명하는 Meta-Fuelcell 플랫폼도 도구의 이러한 특징을 사용하여 개발하였다.

III. 연료전지 교육 프레임워크: Meta-Fuelcell

1. Meta-Fuelcell의 교육 프레임워크 개요

연료전지 교육과정은 이론교육-실습교육-훈련교육의 3단계 과정으로 구성된다. 이론교육 과정은 연료전지와 연계된 수소경제 생태계, 연료전지의 원리, 구조, 종류, 특징 등을 다루는 과정이다. 실습교육 과정은 건물형 연료전지 스택(stack)의 분해조립을 교육환경에서 실습하는 과정이다. 마지막으로, 훈련교육 과정은 현장에서 실물 장치를 다루어 숙련도를 높이는 교육의 마지막 과정이다. 물론 각 단계에서는 학습정도를 파악할 수 있도록 평가가 이루어질 수 있다.

이러한 교육과정을 지원하기 위해서는 대면과 비대면을 결합한 교육환경이 요구된다. Meta-Fuelcell은 비대면 교육환경을 지원하기 위한 플랫폼으로, Unity 3D를 활용한 웹기반으로 웹의 일반적인 특징과 같이 교육 인원, 장소, 시간, 공간 등의 제한이 없도록 구축된 교육 플랫폼이다. 따라서 누구나, 언제든, 어디서든 승인된 환경에 접속하여 교육을 받을 수 있는 구조이다.

본 Meta-Fuelcell 플랫폼은 3단계의 과정 중에서 두번째 실습교육까지를 비대면으로 지원한다. 본 플랫폼에 구성된 가상 교육환경에서는 교육자들이 교육을 제공할 수 있고, 학습자들이 모여서 또는 홀로 학습할 수 있는 공간이 제공된다. 이론교육은 슬라이드 또는 동영상을 활용하여 인터랙티브하게 진행할 수 있으며, 실습교육은 해당 콘텐츠에서 제공하는 절차에 따라 반복적으로 자율적으로 진행할 수 있다.

2. Unity 3D기반 Meta-Fuelcell 교육 플랫폼의 구성

Meta-Fuelcell은 연료전지 이론교육과 실습교육을 비대면으로 진행할 수 있도록 지원하는 플랫폼이다. 본 플랫폼은 그림4에서와 같이 웹 기반의 그래픽 라이브러리 (Web Graphics Library)의 렌더링 API을 활용하여 Unity 3D 콘텐츠를 웹 브라우저에서 실행하도록 구성되었다. Meta-Fuelcell 플랫폼의 엔진은 Unity 3D 엔진을 사용하고, 데이터는 데이터베이스를 활용하여 저장하고 관리된다.

그림 4. Unity 3D기반 Meta-Fuelcell 프레임워크

Fig. 4. Meta-Fuelcell framework based on Unity 3D

Meta-Fuelcell 플랫폼은 Unity 3D 엔진을 사용하여 6개의 컴포넌트로 구성된다(그림 4). 게임 오브젝트(Game Object)는 플랫폼에 등장하는 인물과 아이템 등의 객체를 설정 관리하고, HUD 디스플레이(HUD Display)는 HUD에 정보의 출력을 담당하며, 플레이어 입력 핸들러(Player Input Handler)는 사용자(user)의 명령을 실행시키고 관리하고, 플레이어 캐릭터 컨트롤러(Player Character Controller)는 사용자 캐릭터 출력을 관리한다. 강좌 관리기(Lesson Manager)는 교육과정과 평가^[10]를 관리하고, Web Request 시스템은 데이터베이스와 데이터의 교신을 담당한다.

3. Meta-Fuelcell 플랫폼의 화면 흐름도

Meta-Fuelcell 플랫폼은 그림5에서 보여주는 것과 같이 Login, Introduction Main, Finish, Result 등 다섯 개의 주요 컴포넌트로 구현된다. 프로그램을 시작하면 Login 과정을 진행하여 사용자 인증을 진행한다. 등록된 회원인 경우에는 Intro 과정으로 이동한다. Intro 과정에서는 과정을 설명한다. Intro 화면에서 사용자가 “시작” 버튼을 선택하면 Main 과정 화면으로 넘어가서 Meta-Fuelcell 플랫폼에 정식적으로 입실하게 되고, 일련의 교육과정을 밟을 수 있게 된다.

그림 5. Meta-Fuelcell 플랫폼의 화면 흐름도

Fig. 5. Flow diagram of Meta-Fuelcell platform

한편, Intro 화면에서는 “나가기” 버튼이 제공되어 Login 과정의 화면으로 되돌아가서 사용자 정보를 재입력 하여 다시 시작할 수 있다.

Main 과정의 화면은 가상현실인 3D 공간으로, Meta-Fuelcell 프레임워크의 전반적인 콘텐츠를 연결할 수 있도록 설계되었다. Main 화면에서는 플랫폼 전체 콘텐츠를 제공하여 사용자에게 생동감 있는 학습 환경을 제공한다. Main 화면에서는 “수업 중단” 버튼이 있어 교육을 종료할 수 있으며, Finish 과정의 화면으로 넘어간다. 반대로, Finish 화면에서 Main 화면으로 돌아가서 추가적으로 학습할 수도 있다. 또한 학습을 끝내고자 하는 경우에는, Result 화면으로 이동하여 학습 결과를 확인할 수 있도록 설계하였다.

IV. Meta-Fuelcell 플랫폼 구현

1. Meta-Fuelcell 연료전지 교육 시나리오

Meta-Fuelcell에서 교육은 이론교육이 우선적으로 진행되고, 이어서 실습교육을 진행할 수 있게 구성되어 있다. 이를 위해 연료전지 기초이론 교육을 위한 슬라이이드 콘텐츠인 “H2, 안녕!”과 스택 조립실습을 위한 소프트웨어인 “STACK-Up”이 등록되어 있다.

이론교육 “H2, 안녕!”은 수소경제, 수소연료전지, 고정형 연료전지 등, 3개의 교육 콘텐츠로 제작되었다. 분해조립 실습교육 소프트웨어인“STACK-Up”은 건물형 저온 연료전지 스택의 핵심 부품을 가상으로 조립하는 실습을 제공한다. 플랫폼 사용자는 플랫폼을 이용하여 연료전지에 대한 이론과 실습을 각 콘텐츠가 허용하는 범위에서 자신이 원하는 대로 주제를 선택할 수 있다. 모든 학습을 마치고, 본인인 학습한 결과를 문서화하고 싶으면 메일 주소를 등록하여 본인의 학습결과를 받을 수 있다. 그림 6은 이 과정을 도식적으로 보여준다.

그림 6. Meta-Fuelcell 연료전지 교육 프레임워크

Fig. 6. Meta-Fuelcell Learning Framework

2. Meta-Fuelcell 플랫폼 사용자 인터페이스

가. 플랫폼 접속

학습자는 플랫폼 웹을 접속하여 학습을 시작할 수 있다. 그림 7은 플랫폼에 정상적으로 접속하여 로그인을 성공한 화면이다.

그림 7. Meta-Fuelcell 플랫폼 접속 화면

Fig. 7. Meta-Fuelcell platform login UI

등록된 회원인 경우에는 바로 로그인 할 수 있는 반면에, 비회원인 경우에는 “사용자 계정이 등록되지 않았습니다!”라는 경고 메시지와 함께 회원가입이 요구된다(그림 8).

그림 8. 회원 로그인 및 등록 화면

Fig. 8. User login and registration UI

학습자는 메타버스 공간에 입실하면 그 안에서 자유롭게 이동할 수 있다. 그리고 입실 즉시 교육 시간으로 카운트되기 시작한다. (그림 9)

그림 9. Meta-Fuelcell 공간 내부 화면

Fig. 9. Meta-Fuelcell virtual hall

Meta-Fuelcell 플랫폼 가상공간에서는 게시판과 휴게공간 등 강의자 및 학습자가 연료전지와 관련된 소식을 접할 수 있다(그림 10). 또한 다른 사용자와 대화도 가능하도록 메시징 기능도 추가할 예정이다.

그림 10. 게시판과 휴게 공간 UI

Fig. 10. Bulletin board and lounge hall

나. 이론교육 공간: H2, 안녕

그림 11은 이론교육을 위한 가상강의실의 모습이며, 주제에 따라 세션 별로 제공된다.

그림 11. 이론교육 가상 강의실 UI

Fig. 11. Virtual classroom for theory

현재는 수소경제, 수소연료전지, 고정형 연료전지에 대한 콘텐츠가 등록되어 있으며, 추후에는 주기적으로 최신 자료로 콘텐츠를 업데이트할 수 있도록 설계하였다.

그림 12는 “수업시작”, “수업종료” 이론교육 관련 기능과 “동영상 재생”, “동영상 정지” 등의 동영상 관련 기능이 있다. 이론교육 콘텐츠 외에 연료전지 관련 홍보영상을 열람할 수 있다.

그림 12. 연료전지 홍보영상 상영 기능 UI

Fig. 12. Promotional video play for fuel cell

다. 실습교육 소프트웨어: STACK-Up

Stack-Up은 0.5kW급 저온스택의 조립공정을 가상으로 실습할 수 있도록 개발한 소프트웨어 이다. STACK-Up의 지원 교육과정은 연습단계와 실습단계로 구분되어 실습자에게 시공간의 제약이 없이 실습기회를 제공한다. (그림13)

그림 13. 실습단계 부품 조립 첫 단계 UI

Fig. 13. Initial UI of Stack-up

그림 14는 핵심부품 전극 방향을 선택하는 화면으로 실습단계의 화면이다. 저온 스택의 핵심부품인 MEA, 양극 분리판, 엔드 분리판 등의 전극 방향에 대해 학습하고, 구성부품의 전극 방향을 정렬하는 실습을 통하여 학습 효과를 향상시킬 수 있도록 지원한다.

그림 14 핵심부품 전극 방향 선택 UI

Fig. 14. UI for electrode direction selection of key component

엔드판은 고정된 상태에서 부품을 하나씩 순서대로 조립하는 연습과정을 위한 UI이다(그림15). 오른쪽에 저온 스택 구성부품의 수량이 표시되며, 조립이 완료되면 부품 수량이 0이 된다.

그림 15 실습단계 부품 조립 실습 UI

Fig. 15. Hands-on UI for assembly

조립 실습과정에서는 부품을 잘 못 선택한 경우에는, 음성으로 에러 메시지를 내고, 물리적으로 잘 못 된 부품을 조립 못하도록 저항하게 설계했다. 사용자가 실습을 완료하면 “조립과정 다시보기”, “조립연습 다시하기”, “메인으로 이동” 등에서 선택하여 학습을 반복할 수 있게 설계되었다.

V. 결론

본 논문에서는 신재생에너지 및 연료전지 산업의 전문 인력을 양성함에 있어서 , 기업의 교육비용 부담을 줄이고, 교육에 대한 접근성은 높이고, 교육 효과는 높일 수 있도록 메타버스에 연료전지 교육 프레임워크를 탑재한 플랫폼을 제안하고, 초기버전을 개발하여 활용해 보았다.

Unity 3D 웹을 기반으로 개발한 본 Meta-Fuelcell 플랫폼은 연료전지에 관한 이론교육과 실습교육을 진행할 수 있게 구성되었다. 이론교육 부문은 신재생에너지, 수소경제, 연료전지 등의 교양 지식을 학습하는 것이다. 소프트웨어 “STACK-Up”은 건물형 저온 연료전지 핵심 부품인 스택의 조립 공정을 실습한다.

Meta-Fuelcell 플랫폼을 통하여 대면 교육의 한계점을 개선하고, 비대면 교육의 장점을 극대화하고자 하였다. 결과적으로, 교육 장소, 시간, 인원 등의 제약 없이 교육 기회를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 학습자에게 학습의 주제, 순서 등을 선택할 수 있는 권한을 부여하며 메타버스 공간에서 학습하는 흥미로운 경험 제공이 가능하였다. 또한, 사용자의 편의를 위하여 학습과정과 학습 평가 결과와 참여수료증 등과 같은 서비스는 추가적으로 개발하여 사용자의 개인 메일로 발송할 수 있는 구조를 갖추었다.

Meta-fuelcell 플랫폼은 웹 브라우저로 구성되어 있기 때문에 접근성은 극대화 되어 있으나, Oculus 등과 같은 가상현실 기기를 적용한 체험에는 한계가 있다. HMD VR 기기의 경험을 추가하기 위하여 교육 콘텐츠를 추가적으로 개선할 계획이다. 한편으로는, 기존과 같이 가상현실이 아니더라도 생동감 넘치고 흥미로운 콘텐츠를 등록할 수 있도록 조성해 갈 계획이다.