유리창 청소부의 추락사를 막아라
03
04 유리창 청소부의 추락사를 막아라!09 젖지 않고 스스로 깨끗해지는 17 얼마나 작아야 하는 걸까?
27 마법의 유리창 만들기
은나노를 활용한 의류 디자인 하기
은나노를 활용한 의류 디자인하기 44 패션에도 새로운 바람이 분다 48 은은 은색일까? 56
우리만의 나노 의류 만들기 66
43
나노 기술과 함께 더불어 사는 삶
81
82 나노 기술과 함께 더불어 사는 삶87 나노 기술이 만드는 세상 94 첨단 기술, 언제나 맑음?
100 한 발자국 나아진 세상을 위해
미래의 나노 직업 구인광고는
미래의 나노 직업 구입광고는? 119
117
융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램
․젖지 않고 스스로 깨끗해지는 작아야 하는․얼마나
․마법의걸까 유리창 만들기
유리창 청소부의 추락사를 막아라!
인류는 지구상에 출현한 이래 다른 생물들의 모습과 생활을 관찰하여 이를 모방하면서 인류의 과제를 해결해왔다. 이러한 생체 모방이 가속화된 것은 과학 기술의 발달과 밀접한 관계가 있다. 나노 과학 기 술의 발달은 나노 수준에서 생물체를 관찰하고, 이를 바탕으로 나노 크기의 입자를 조작하여 보다 정밀 하게 자연을 모방할 수 있게 해 주었다.
다양한 생체 모방 기술 중 대표적인 것으로 연잎 효과를 꼽을 수 있다. 이미 여러 산업 분야에서 연잎의 초발수 특성을 적용한 생활용품의 개발이 이루어지고 있으며, 이는 우리 생활의 변화를 촉진한다. 우산 이나 등산복과 같이 기존 제품의 기능을 강화한 생활용품은 물론, 비를 맞거나 물을 뿌려주는 것만으로 먼지가 깨끗하게 떨어지는 페인트나 자동차와 같이 제품 자체의 자정작용으로 인해 인간 삶의 방식을 바꾸는 형태의 제품 또한 등장하고 있기 때문이다. 이러한 첨단 기술은 개개인의 삶을 변화시킬 뿐 아니 라 사회적 차원의 변화를 가져오므로, 이에 대한 이해와 대처는 변화하는 세계를 살아가는 데 필요한 자 질이라 할 수 있다.
이에 학생들이 일상생활 깊숙이 들어와 있는 나노 기술 중 연잎 효과를 경험하고 적용 원리를 이해하며, 이를 이용하여 유리창 청소부의 추락사와 같은 사회 문제를 해결하는 방안을 모색해보고자 한다.
* 내용목표
- 연잎 효과의 의미를 이해하고 이런 연잎 효과가 나타나기 위한 물체의 표면 구조를 말할 수 있다.
- 연잎 효과를 적용한 제품에 대한 아이디어를 말할 수 있다.
- 초미세 물질을 활용할 때의 유용성에 대해 말할 수 있다.
- 나노 수준의 세계에 대해 생각해보고, 그 크기를 다른 물체와 비교하여 말할 수 있다.
- 나노 분말을 이용하여 연잎 효과를 나타내는 초발수 코팅 유리를 제작할 수 있다.
* 과정목표
- 나노 과학 기술 개발의 필요성에 대해 깨닫고, 과학 기술이 사회 문제를 해결하는 방안이 될 수 있음 을 생각해 볼 수 있다.
- 사회 문제에 관심을 가지고 이를 해결하기 위한 태도를 함양할 수 있다.
- 의사소통의 중요성을 알고 협력을 통해 문제를 해결해가는 과정을 경험할 수 있다.
과학 (1) 과학이란?_(가) 관심과 흥미 있는 사례를 통하여 과학의 유용성을 이해한다.
(1) 과학이란?_(나) 과학이 우리 생활에 많은 영향을 미치고 있음을 안다.
수학 수와 연산_② 정수와 유리수의 개념, 대소 관계, 사칙계산의 원리를 이해하고 그 계 산을 할 수 있다.
사회 (14) 현대 사회와 사회 문제_(나) 현대 사회의 주요한 사회문제에 대한 해결 방안을 탐구하고, 현대의 사회 문제 해결을 위해 적극적으로 참여하는 태도를 가진다.
기술가정 (1) 기술과 발명_ ㈎ 기술의 개념 및 특성, 시스템의 의미를 파악하고, 기술의 각 영 역별 활용 방법을 예를 들어 설명할 수 있다.
상황제시
고층 빌딩의 유리창을 닦다가 추락하여 사망하는 사고가 잇따 르고 있다. 첨단 과학 기술을 이용하여 이런 사고를 방지할 수 는 없을까?
교과목 STEAM 요소 과학,
사회 S, T/E
창의적 설계
비가 와도 젖지 않고, 표면이 더러워지지 않는 연잎 효과. 연 잎 효과를 직접 체험해보고, 표면 구조의 특징을 이용한 제품 아이디어를 이야기해본다. 또한 나노 크기를 기존의 사물과 비 교하기 위해 어떤 과정을 거쳐야 할지 생각해본다.
교과목 STEAM 요소 과학,
수학 S, M 감성적 체험
(성공의 경험)
고층 빌딩 유리창 청소부의 추락 사고와 같은 사회 문제를 해 결하기 위해, 연잎 효과를 적용한 초발수 코팅 유리를 직접 만 들어보는 과정을 경험하고 이를 적용함으로써 그 해결 방안을 제시해 볼 수 있다.
교과목 STEAM 요소 과학,
기가 S, A
다음은 고층 건물의 유리창 청소와 관련된 신문기사이다.
출처: www.flickr.com
(가) 최근 싱가포르에서 고층 건물의 유리창을 닦다가 추락하여 여성 청소부 7명이 사망하 는 사고가 발생하였다. 이들은 건물 내부에서 밖으로 몸을 기울여 청소를 하던 중 추락한 것으로 나타났다. 이는 건물주들이 무리하게 건물 내부를 청소하는 직원에게 외부 유리창 청소를 요구하면서 벌어진 사고다. 이에 싱가포르 정부는 건물 내부 청소 직원에게 유리 창 외부 청소를 금지시키는 긴급 명령을 발령하면서 대책 마련에 나섰다.
참조: 한국일보(www.hankooki.com) 2012.04.24 기사
- ‘‘안전이 우선’ 싱가포르 고층건물 유리창 청소 금지’
(나) 지난 19일, 서울 세종로에 위치한 대한 민국 역사박물관에서 유리창 청소부 김모 (42)씨가 8층 건물 옥상에서 떨어져 숨지는 일이 발생했다. 경찰은 동료의 진술과 CCTV 등을 토대로 김씨가 작업을 위해 옥 상에 있는 좁은 난간에서 밧줄을 건물 밑 으로 늘어뜨리던 중 무게중심을 잃고 추락 한 것으로 보고 정확한 사건 경위를 조사 중이다. 이 사고로 김씨처럼 높은 상공에서
일하는 노동자들의 안전 문제에 대한 지적이 나오고 있다.
참조: SBS뉴스(www.news.sbs.co.kr) 2014.03.19 기사 - ‘역사박물관 옥상서 유리창 청소부 추락해 숨져’
위의 기사에서와 같이 고층 건물의 유리창 청소는 안전사고의 위험이 크다. 적절한 안전 장비와 수칙을 적용하여 사고를 예방하는 것이 필수이나, 이 또한 추락사에 대한 근본적인 대책은 될 수 없다. 이 문제 의 근본적인 해결 방안은 없을까? 연잎의 표면 구조를 모방한 첨단 과학 기술을 통해 자연의 지혜를 배 워 보자.
주제 내용 수업실행 과목
STEAM 요소
1차시
젖지 않고 스스로 깨끗해지는
일반적인 식물의 잎과 연잎에 떨어진 물방울의 모습 을 비교해보고, 연잎 표면의 특징에 대해 알아본다.
연잎 효과를 적용한 물체를 제작하기 위해 필요한 과 학 기술에 대해 생각해보고, 이를 적용한 제품에 대 한 아이디어를 구상해 본다.
과학 S, T/E
2차시
얼마나 작아야 하는
걸까?
연잎 표면의 돌기 크기는 얼마나 작아야할지 생각해 보고, 이를 통해 나노 기술의 필요성을 이해한다. 활 동을 통해 나노 단위가 얼마나 작은 크기인지를 경험 하고, 이러한 과학 기술이 어떻게 이용되고 있는지 알아본다.
수학, 기가 S, M
3차시
마법의 유리창 만들기
고층 빌딩의 유리창 청소부가 추락하여 사망한 사고 의 신문기사를 읽고, 나노 기술을 이용한 사고 방지 대책에 대해 생각해본다. 나노 분말을 이용한 초발수 코팅 유리를 만들어 봄으로써 사회 문제 해결에 과학 기술을 적용하는 사례에 대해 생각해 본다.
사회, 과학 S, A
평가 목표 내용 평가요소 종류 차시
융합적 지식 및 개념 함양
연잎 표면의 물방울 관찰 및 원리를 소개한 글을 통해 연잎 효과의 개념을 이해하며 나노 크기의 체험 활동에서 크기를 비교해보면서 수리 개념을 함양
* 연잎 효과의 개 념 이해
* 나노 크기 비교 의 정확성
보고서 평가 1,2
창의적 사고 능력
함양
유리창 청소부의 추락사를 막기 위한 다양한 방 안을 고민하는 과정과 연잎 효과를 적용한 제품 의 아이디어를 생각해보는 과정을 통해 창의적 사고를 자극
* 유리창 청소부 의 추락사를 막기 위한 창의적 방 안 고안
* 제품 아이디어 의 창의성
보고서 평가 1,3
소통 능력 함양
나노 크기를 체험하는 활동, 초발수 코팅 유리를 만드는 과정에서 모둠 친구들과 의견을 나누며 원리를 탐색하고 이를 적용한 제품의 아이디어를 공유하면서 소통
* 경청 태도
* 정확한 의사전 달 능력
자기 평가 2,3
배려의 태도 함양
유리창 청소부의 추락사라는 사회 문제에 대해 고민해보고 초발수 코팅 유리를 제작, 적용하여 이를 해결하는 방안을 제시하는 과정에서 사회 구성원으로서의 소양 함양
* 사회 문제 해결
에 참여하는 태도 자기 평가 1,3
차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3)
수업주제 젖지 않고 스스로 깨끗해지는 대상 중1 차시 1/3
학습목표 연잎에 액체를 떨어뜨렸을 때의 특징을 살펴보고, 연잎 효과가 나타나기 위한 물체의 표 면 구조를 이해하여 이를 적용한 제품 아이디어를 낼 수 있다.
STEAM
요소 S, T/E 연계과목 과학
교육과정 (1) 과학이란?_(가) 관심과 흥미 있는 사례를 통하여 과학의 유용성을 이해한다.
준비물 PPT자료, 활동지, 연잎, 양상추 잎, 물, 꿀, 스포이트 Nano
big idea 과학, 기술, 사회
흐름 시간
(분) 교수-학생 활동 비고
도입 5
• [Solve the problem]에 대한 설명을 한다.
- 고층빌딩 유리창 청소부의 추락사와 관련한 사회 문제를 간단 히 제시하면서 이러한 문제를 해결 해결을 위한 다양한 방안을 생각해보게 한다.
- 과학 기술은 자연을 모방하면서 발달해 왔으며, 이러한 첨단 과학 기술을 사회 문제 해결에 어떻게 적용할 수 있을지 알아 보기 위한 수업이 진행됨을 안내한다.
전개 35
• 양상추 잎과 연잎에 떨어진 물방울의 모습을 비교해보고, 관찰 결과를 적어본다.
• 제시된 글을 통해 연잎 표면의 특징에 대해 알아보고, 연잎 효 과의 개념을 익힌다.
- 나노 크기에 대한 이야기는 2차시에 포함되어 있으므로 미세 돌기 수준으로만 설명한다.
• 초소수성 표면의 특징을 이해하고, 연잎 효과를 적용한 물체를 제작하기 위해 필요한 과학 기술에 대해 생각해본다.
• 연잎 효과를 적용한 제품 아이디어에 대해 구상해본다.
[준비물]
연잎, 양상추 잎, 물,
꿀, 스포이드
정리 5 • 친구들의 생각을 듣고 아이디어를 확장시켜 보면서, 첨단 과학 기술의 유용성에 대해 생각해본다.
젖지 않고 스스로 깨끗해지는 젖지 않고 스스로 깨끗해지는 젖지 않고 스스로 깨끗해지는
학습 목표 연잎에 액체를 떨어뜨렸을 때의 특징을 살펴보고, 연잎 효과가 나타나기 위한 물 체의 표면 구조를 이해하여 이를 적용한 제품 아이디어를 낼 수 있다.
다음은 고층 건물의 유리창 청소와 관련된 신문기사이다.
출처: www.flickr.com
(가) 최근 싱가포르에서 고층 건물의 유리창을 닦다가 추락하여 여성 청소부 7명이 사망하는 사고가 발생하였다. 이들은 건물 내부에서 밖으로 몸을 기울여 청소를 하던 중 추락한 것으 로 나타났다. 이는 건물주들이 무리하게 건물 내부를 청소하는 직원에게 외부 유리창 청소를 요구하면서 벌어진 사고다. 이에 싱가포르 정부는 건물 내부 청소 직원에게 유리창 외부 청 소를 금지시키는 긴급 명령을 발령하면서 대책 마련에 나섰다.
참조: 한국일보(www.hankooki.com) 2012.04.24 기사
- ‘‘안전이 우선’ 싱가포르 고층건물 유리창 청소 금지’
(나) 지난 19일, 서울 세종로에 위치한 대한민국 역사박물관에서 유리창 청소부 김모(42)씨가 8층 건물 옥상에서 떨어져 숨지는 일이 발생
했다. 경찰은 동료의 진술과 CCTV 등을 토 대로 김씨가 작업을 위해 옥상에 있는 좁은 난간에서 밧줄을 건물 밑으로 늘어뜨리던 중 무게중심을 잃고 추락한 것으로 보고 정확한 사건 경위를 조사 중이다. 이 사고로 김씨처 럼 높은 상공에서 일하는 노동자들의 안전 문제에 대한 지적이 나오고 있다.
참조: SBS뉴스(www.news.sbs.co.kr) 2014.03.19 기사 - ‘역사박물관 옥상서 유리창 청소부 추락해 숨져’
위의 기사에서와 같이 고층 건물의 유리창 청소는 안전사고의 위험이 크다. 적절한 안전 장비와 수칙을 적용 하여 사고를 예방하는 것이 필수이나, 이 또한 추락사에 대한 근본적인 대책은 될 수 없다. 이 문제의 근본 적인 해결 방안은 없을까? 연잎의 표면 구조를 모방한 첨단 과학 기술을 통해 자연의 지혜를 배워 보자.
활동1 잎에 떨어진 물방울
서로 다른 두 식물의 잎의 표면을 살펴보고, 액체를 떨어뜨렸을 때의 특징을 관찰해 보자.
1.
양상추 잎과 연잎의 표면을 만져보고 어떤 차이가 있는지 이야기해 보자.양상추 잎은 매끈매끈하고 연잎은 보들보들하다.
양상추 잎은 코팅이 되어 있는 것 같고, 연잎에는 털이 있는 것처럼 느껴진다.
2.
두 식물의 잎에 각각 물을 몇 방울씩 떨어뜨려 보고, 물방울의 모습을 관찰하여 비교해보자.양상추 잎에 떨어뜨린 물방울은 퍼지지만 연잎 위에 떨어뜨린 물방울은 동그랗게 맺혀 있다.
연잎 위에 떨어뜨린 물방울은 통통 튕기면서 서로 뭉쳐서 큰 물방울이 되어 출렁이듯 흐른 다.
3.
만약, 꿀과 같이 끈적끈적한 액체를 떨어뜨리면 어떤 결과가 나올까? 결과를 예상해본 후, 실험을 통해 결 과를 비교해보자.꿀은 끈적거리니까 달라붙을 줄 알았는데, 연잎에서는 물방울처럼 동그란 모양이거나 흐르면 서 서로 뭉치고 표면에도 달라붙지 않는다.
4.
두 식물의 잎에서 이런 차이가 나타나는 까닭은 무엇일까? 자신의 생각을 적어보자.양상추 잎은 물이 잘 달라붙지만, 연잎은 물을 밀어내는 성질을 가지고 있다.
연잎의 표면에 보송보송한 털 같은 것이 있어서 젖지 않는다.
Tip
연잎 표면에 꿀을 떨어뜨렸을 때의 모습 1. 연잎을 구하기 어려운 경우, 연잎 대신 토란
잎이나 케일 잎을 대신 사용할 수 있다.
2. 액체를 사용한 실험이므로 걸레를 미리 준비 해두고, 책상 위에 신문지 등을 깔아놓고 실 험하면 정리할 때 수월하다.
3. 꿀처럼 점성이 높은 액체는 잎을 기울이거나 톡톡 치면서 흘러내리도록 하면 관찰이 보다 용이하다. 꿀이 지나간 자리를 만져보면서 관찰하도록 한다.
활동2 연잎의 표면은 어떤 특징이 있을까?
다음 글을 읽고, 연잎과 같은 표면 구조의 특징에 대해 생각해보자.
연잎 표면의 물방울 출처: https://pixabay.com
연은 연못의 진흙 속에 뿌리를 박고 자라면서도 항 상 깨끗한 표면을 유지한다. 연잎 위에 떨어진 물방 울은 잎을 적시지 않고 주르르 흘러내린다. 연 잎사 귀에 떨어진 작은 물방울은 점점 커다란 물방울이 되어 바람과 물결에 따라 멈추었다 흐르며 잎에 묻 어 있는 먼지를 털어낸다. 이처럼 물체의 표면이 물 방울에 젖지 않고 더러워지지 않는 현상을 ‘연잎 효 과’라고 부른다.
다른 풀잎은 다 젖는데 왜 연잎은 물에 젖지 않 을까? 이것은 연잎 표면에 있는 수백만 개의 미세 돌기 때문이다. 연잎 표면에는 아주 작은 크기의 돌 기가 있고, 돌기 하나하나는 다시 물을 밀어내는 수 백 개의 왁스 크리스털로 덮여 있다. 물방울이 돌기 사이로 스며들지 않기 때문에 작은 이슬이나 빗방 울은 돌기 위에서 더 큰 물방울로 뭉쳐지고, 뭉쳐진 물방울은 돌기 끝에 동그랗게 맺혀 있다가 굴러 떨 어진다. 이 과정에서 물방울은 연잎에 묻은 먼지를 안고 떨어지게 되므로 연잎은 항상 깨끗한 상태를 유지한다.
[ 참고 : 「재미있는 나노과학기술 여행」, 강찬형 외, 양문 ] 연잎 표면의 미세 돌기
출처: http://wthielicke.gmxhome.de
1.
연잎에 떨어진 물방울의 특징을 2가지 찾아보자.- 작은 물방울이 점점 큰 물방울이 되어 흐른다.
- 잎을 적시지 않고 흘러내리면서 잎에 있는 먼지를 털어낸다.
2.
연잎 효과란 무엇인가?물체의 표면이 물방울에 젖지 않고 더러워지지 않는 현상
3.
연잎 표면이 물에 젖지 않는 이유는?표면에 수백만 개의 미세 돌기가 있고, 돌기에는 물을 밀어내는 왁스 크리스털이 덮여 있어서
4.
연잎 효과를 물건에 적용할 수 있다면, 그 물건은 어떤 특징을 가지게 될까?비가 와도 젖지 않는다. 물방울을 튕겨 낸다.
물방울이 흐르면서 먼지를 안고 떨어져 저절로 깨끗해진다.
활동3 과학 기술이 만드는 연잎 효과
글을 읽고 물음에 답해보자.
(가) 물이 닿는 물체 표면 의 성질은 물방울의 모양 을 결정한다. 물과 친한
‘친수성’ 표면에서는 물이 표면에 넓게 퍼지지만, 물 을 밀어내는 ‘소수성’ 표 면에서는 둥근 모양을 비
교적 잘 유지한다. 그런데 소수성 표면에 작은 아주 작은 크기의 돌기가 나 있으면, 하나하나 의 돌기가 물을 밀어내면서 물방울은 더욱 동그란 모양을 띠게 되고, 물이 물체에 스며들지 않는다. 연잎과 같은 미세 돌기 표면에서 물이 동그랗게 유지되는 현상은 이런 구조 때문이 다. 연잎의 이런 성질을 ‘초소수성’이라고 한다.
(나) 물체의 표면에 연잎의 표면처럼 아주 작은 크기의 거칠기를 만들어내면 물에 젖지 않고, 물방울이 자유롭게 움직이면서 물체 표면의 먼지나 때를 없애는 연잎 효과가 생기게 된다.
아주 미세한 크기의 물질을 만들고, 조작하는 첨단 과학 기술은 이러한 연잎 효과를 적용한 물체를 만들 수 있게 하였다.
1.
소수성 표면과 초소수성 표면의 공통점과 차이점을 찾아 적어보자.- 공통점 : 물을 밀어내는 성질
- 차이점 : 소수성 표면은 평평하고 초소수성 표면에는 작은 돌기가 나 있다.
2.
연잎 효과를 적용한 물체를 만들려면 어떤 기술이 필요할까?아주 작은 크기의 물질을 만들어내고 조작할 수 있는 첨단 과학 기술
3.
연잎 효과를 적용한 물건을 만든다면 여러분은 어떤 물건을 제작해보고 싶은가? 제작해보고 싶은 물건과 이유를 간단히 적어보자.- 물건 : 모자
- 이유 : 이 모자를 쓰면 비가 와도 물방울을 튕겨 내어서 젖지 않는다.
4.
자신의 아이디어를 발표해보고, 친구들의 생각을 참고하여 새롭게 떠오르는 아이디어가 있다면 적어보자.젖지 않는 종이, 흙탕물에도 더러워지지 않는 신발, 청소하지 않아도 비가 오면 깨끗해지는 유리창, 국물을 흘려도 더러워지지 않는 옷 등
Tip
1. 연잎 효과와 자정 작용의 원리를 알 수 있도록 제작된 동영상을 활용하여, 연잎의 표면 구조와 자정 효과에 대해 좀 더 자세히 살펴볼 수 있다.
<참고 영상>
https://www.youtube.com/watch?v=VHcd_4ftsNY (재생시간 2분 47초)
2. 시간적 여유가 있다면 초소수성 코팅을 적용한 여러 가지 사물의 모습을 통해, 학생들이 제안한 아 이디어가 실현 가능한 것임을 보여주면서 과학 기술의 유용성에 대해 느껴볼 수 있는 기회를 제공 할 수 있다.
<참고 영상>
https://www.youtube.com/watch?v=XZVH7CASrBk (재생시간 8분 08초)
차시별 교수학습 지도안(2/3) 차시별 교수학습 지도안(2/3) 차시별 교수학습 지도안(2/3)
수업주제 얼마나 작아야 하는 걸까? 대상 중1 차시 2/3
학습목표 초미세 크기인 나노 수준의 세계에 대해 생각해보고, 활동을 통해 나노 단위의 크기를 경 험할 수 있다.
STEAM
요소 S, M 연계과목 수학
교육과정 수와 연산
② 정수와 유리수의 개념, 대소 관계, 사칙계산의 원리를 이해하고 그 계산을 할 수 있다.
준비물 PPT자료, 나노 크기 소개 동영상, 나노 기술 소개 뉴스 동영상, 활동지, 초시계 Nano
big idea 크기와 스케일
흐름 시간
(분) 교수-학생 활동 비고
도입 3
• 도입 사진을 통해 많은 양의 정보를 담은 메모리 카드에 쓰이 는 기술과 미세 돌기 제작 기술의 유사성에 대해 생각해보게 한 다
.• 지난 시간에 학습했던 연잎 효과에 대해 떠올려보게 한다.
- 연잎 표면의 특성을 돌기 구조와 연결 짓도록 한다.
전개 35
• 글을 통해 연잎 표면의 돌기는 얼마나 작아야 할지 생각해보 고, 작은 크기가 가지는 효율성을 인식한다.
• 초미세 크기인 나노 수준의 크기를 소개한 동영상을 보고, 질 문에 답해본다.
- 동영상은 영어로 제작되어 있으나, 직관적으로 크기를 비교하 는 선에서 이해할 수 있도록 안내한다.
- 나노 크기를 이해하기 위해, 몇 번 축소했는지 살펴보는 과정 은 질문이 제시된 후 다시 한 번 동영상을 시청하면서 천천히 함께 세어보도록 한다.
• 나노 크기 체험 활동을 하면서, 나노 크기와 머리카락의 굵기 를 비교해본다.
- 학생들이 완벽하게 나노 크기를 계산하는 과정에 초점을 맞추 기보다는 비유를 통해 친숙하면서도 구체적으로 그 크기에 대해 상상해볼 수 있도록 안내한다.
[준비물]
초시계
동영상 준비 또는 인터넷 여부 확인
정리 7 • 나노 기술을 소개한 뉴스 영상을 통해 나노 과학 기술의 발전 에 대해 생각해보는 시간을 갖는다.
인터넷 여부 확인
얼마나 작아야 하는 걸까?
얼마나 작아야 하는 걸까?
얼마나 작아야 하는 걸까?
학습 목표 초미세 크기인 나노 수준의 세계에 대해 생각해보고, 활동을 통해 나노 단위의 크 기를 경험할 수 있다.
(출처: www.flickr.com)
이렇게 작은 메모리 카드에 어떻게 그 많은 정보를 담을 수 있을까?
활동1 작게, 더 작게
1.
물체의 표면으로 아주 작은 물방울도 스며들지 않으려면, 물체의 표면 돌기는 얼마나 작아야 할까? 글을 읽고 답해보자.구름 속 작은 물방울들이 서로 부딪치면서 합쳐지면서 더 큰 물방울이 되고, 이 물방울이 땅으로 떨어질 때 비 나 눈이 내린다. 그럼 빗방울의 크기는 어느 정도일까?
구름 입자의 크기는 보통 0.01mm 정도이다. 지상에 생 기는 안개나 이슬 입자의 크기는 이보다 조금 더 큰 0.1mm 정도 크기이고, 빗방울이 되려면 100만개 이상의 구름 입자가 모여야 한다. 빗방울의 크기는 보통 1~2mm 정도 크기로 알려져 있다.
작은 이슬 방울도 스며들지 않으려면 돌기 사이의 간격이 0.1mm보다 좁아야 한다. 그러므로 돌기의 크기는 0.1mm보다 작아야 한다.
2.
일정한 양의 왁스 성분으로 물체 표면에 연잎 표면과 같은 미세 돌기를 만들려고 한다. 하지만 얼마나 작 은지 상대적인 차이가 있을 수 있다. 상대적으로 클 때와 작을 때를 비교하여 그림으로 나타내고, 어떤 경우에 더 효율적이라고 생각하는지 이유를 설명해보자.▶ 그림 ▶ 설명
- 돌기의 크기가 작아질수록 더 넓은 면적에 더 많은 수의 돌기를 만들 수 있으므로, 크기가 작을수록 효율적이다.
- 돌기가 크면 촘촘하게 세울 수 없기 때문에 물방울이 스며들 수 있으므로, 작아야 한다.
Tip
지난 차시에 학습했던 내용을 상기시켜 보면서, 미세 돌기의 크기가 클 때와 작을 때로 나누어 그림을 그려보도록 지도한다. 학생들은 질문의 의도를 정확히 파악하는 일을 매우 어려워하므로, 상황을 정확 하게 제시하여 설명해 줄 필요가 있다.
활동2 초미세 크기의 세계
아주 작은 크기의 세계를 소개한 동영상을 보고 물음에 답해보자.
https://www.youtube.com/watch?v=EFQW3XASD bk (02:22)
https://www.youtube.com/watch?v=38Vi8Dm0kdY(
00:33)
1.
영상에서 가장 작은 크기로 줄어들었을 때의 단위는 무엇일까?nm(나노 미터)
2.
나노 크기의 입자가 얼마나 작은지 알아보기 위해, 1m의 사람을 1/10배씩 축소하면서 크기를 살펴보았다.1나노미터(=1nm) 크기가 되기 위해, 1/10배씩 축소하는 과정을 몇 번이나 거쳤을까? 이 때 1m 크기는 1nm의 몇 배만큼 큰 것일까?
9번,
10×10×10×10×10×10×10×10×10 = 1,000,000,000 = 109배
Tip
1. 동영상은 영어로 제작되어 있으나, 내용을 이해하는 것에 초점을 두지 않고 직관적으로 크기를 비교 하는 선에서 접근한다. 각각의 동영상 재생시간은 2분 22초, 0분 33초이다.
2. 나노 크기를 이해하기 위해, 몇 번 축소했는지 살펴보는 과정은 질문이 제시된 후 다시 한 번 동영 상을 시청하면서 천천히 함께 세어보도록 한다. 이 때, 지수 개념은 도입하지 않는다.
1.
아래의 빈 공간에 30초 동안 최대한 많은 수의 점을 찍어보자.2.
얼마나 많은 수의 점을 찍을 수 있었는지 점의 개수를 세어보고, 머리카락의 단면 위에 나노미터 크기의 점을 찍는다면 몇 시간이나 걸릴지 예상해보자.- 점의 개수 : 약 150~250 개 - 예상 시간 : 1,000시간
3.
머리카락의 굵기는 0.1mm(밀리미터)이다. 사람이 1nm(나노미터) 크기만큼 작아진다면, 머리카락의 단면 위 에 몇 명이나 올라갈 수 있을까? 선생님께서 보여주시는 <나노 크기 탐험> 자료를 통해 크기를 비교해보 자.0.1mm = 100,000nm 이므로, 100,000명의 사람이 한 줄로 설 수 있다.
머리카락의 단면은 길이가 아닌 면적이므로, 단면을 모두 채운다고 생각하면 약 100억 명의 사람이 들어갈 수 있다.
Tip
1. 다음 단계에서 점의 개수를 세어봄을 밝히지 않고, 우선 30초간 최대한 많은 수의 점을 찍어보도록 하면 즐겁게 경쟁적으로 활동에 참여할 수 있다.
2. 정확한 계산을 하는 것에 목표를 두지 않고, 크기의 대소 관계를 가늠하는 정도 선에서 접근한다.
30초에 250개의 점을 찍는다고 가정할 때, 대략적인 값을 계산한 결과는 다음과 같다.
500개 - 1분 30,000개 - 1시간
10,000,000,000개 - 300,000시간 (약 30년)
3. 현재 지구상의 인구는 약 70억 명이므로 사람이 1nm 크기만큼 작아진다면 머리카락의 단면 위에 전 세계 사람들이 모두 올라갈 수 있을 만큼 작은 크기임을 언급하면 크기의 차이를 느끼는데 도움이 된다. 전 세계 인구수를 실시간으로 업데이트해주는 사이트를 활용할 수 있다.
활동4 나노 기술의 현재
우리나라의 나노 기술을 소개한 뉴스 동영상보고, 나노 기술의 발전에 대해 알아보자.
(뉴스를 들어보면서 빈칸에 알맞은 말을 넣거나, 옳은 말을 찾아보자.)
1.
“정부, 정밀 나노기술 산업화로 ...” - KBS 서병립 기자스마트폰 뒷면에 장착된 센서에 손가락을 가져다 대자 휴대전화가 자동으로 작동됩니다. 여 기에 사용된 지문센서는 두께가 1.1밀리미터에 불과한데 7개 이상의 층을 쌓아 만들었습니 다. 바로 ( 나노 ) 기술 덕분에 가능했습니다.
휘어지는 디스플레이에도 눈에 ( 보이지 않는 ) 작은 소자가 필요하기 때문에 나노 융합기 술이 필수적입니다.
[ 박종구(나노 2020 산업단장) 인터뷰 ]
"나노 기술이 다른 산업하고 ( 융합 ) 되면 기존 산업이 생각하지 못했던 굉장히 큰 파급효 과가 생긴다는 거죠."
2.
“첨단 나노기술 한 자리에...” - YTN 사이언스 이성규 기자머리카락 굵기의 만분의 1 수준인 ( 나노 ), 이 초미세 나노기술을 이용하는 과학과 산업 분야가 빠르게 성장하고 있습니다. 최첨단 나노기술을 한눈에 볼 수 있는 전시회에 이성규 기자가 다녀왔습니다.
드론에 달아 항공 촬영에 쓰는 카메라. 나노 칩을 만들어 부착하여 ( 흔들림 )을 잡아주는 가 하면, 가짜 휘발유 한 방울로도 ( 나노 센서 )가 반응합니다.
( 은 나노 ) 와이어가 적용된 발열 필름은 자동차 와이퍼의 겨울철 성에 방지를 위해 와 이퍼에 필름을 부착하는 것처럼 자동차 곳곳에도 나노 기술이 사용되고 있습니다.
Tip
나노 물질과 관련한 과학적 원리는 중학교 학생들에게 무척 어렵다. 때문에 과학적 원리보다 는 나노 물질의 특성과 이용에 대해 알려주는 내용의 동영상을 선택하여 과학 기술의 응용과 산업 분야의 융합, 현재 사용되고 있는 나노 기술에 대해 느껴볼 수 있게 하였다.
< 동영상 출처>
1. 정부, 정밀 나노기술 산업화로 미래 성장 창출 (재생시간 1분 29초) http://news.kbs.co.kr/news/view.do?ref=A&ncd=3067577
2. 첨단 나노기술 한 자리에...나노코리아 2015 개막 (재생시간 2분 4초)
http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=052&aid=0000696756
< 동영상 추가 자료 >
1. 물 위를 걷게 하는 '연잎구조 나노입자’ (재생시간 1분 50초)
http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=055&aid=0000179112 2. ‘나노 미사일’로 간암 세포 잡는다 (재생시간 1분 37초)
http://news.kbs.co.kr/news/view.do?ref=A&ncd=2916329 3. 피부세포 구조 변화로 카멜레온 색 변화 (재생시간 33초)
https://www.youtube.com/watch?v=vqj680jXsXw
4. 담배 연기 걱정 ‘뚝’…나노 촉매 기술로 잡는다. (재생시간 1분 38초)
http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LPOD&mid=tvh&oid=056&aid=0010159628 5. 국가나노기술홍보센터 나노 기술 홍보 동영상 (재생시간 5분 55초)
http://www.nnpc.re.kr/edu/multimedia/35/view
차시별 교수학습 지도안(3/3) 차시별 교수학습 지도안(3/3) 차시별 교수학습 지도안(3/3)
수업주제 마법의 유리창 만들기 대상 중1 차시 3/3
학습목표 나노 분말을 이용하여 연잎 효과를 적용한 초발수 코팅 유리를 제작해 보고, 나노 기술의 필요성을 사회 문제와 연결 지어 설명할 수 있다.
STEAM
요소 S, A 연계과목 과학, 사회
교육과정
과학_(1) 과학이란?_(나) 과학이 우리 생활에 많은 영향을 미치고 있음을 안다.
사회_(14) 현대 사회와 사회 문제_(나) 현대 사회의 주요한 사회문제에 대한 해결 방안을 탐구하고, 현대의 사회 문제 해결을 위해 적극적으로 참여하는 태도를 가진다.
준비물 PPT자료, 활동지, 산화 아연 나노 분말 에탄올 분산액, 스테아르 산 에탄올 용액, 물, 스포이드, 유리판, 핫플레이트, 비커
Nano
big idea 과학, 기술, 사회
흐름 시간
(분) 교수-학생 활동 비고
도입 3
• 도입 사진을 통해 고층 빌딩의 유리창 청소부가 추락하여 사망 한 사고와 관련하여, 나노 기술을 이용한 사고 방지 대책에 대 해 생각해본다.
전개 37
• 나노 분말을 이용한 초발수 코팅 유리를 만들어 본다.
- 초발수 특성에 대한 간단한 개념 설명을 제시한 후 실험 과정을 안내한다.
- 교사는 사전에 산화 아연 나노 분말을 에탄올에 분산시켜 두고, 스테아르 산 에탄올 용액을 제작하여 준비한다.
- 개별 실험으로 진행하되, 실험 도구 및 재료는 모둠별로 공유하 여 사용한다.
• 스테아르 산에 유리를 담가놓고 기다리는 동안 초발수 성질을 이용한 다양한 물질에 대한 동영상을 시청한다.
- 초발수 코팅 기술의 활용 사례와 삶의 변화를 생각해 보고, 사 회 문제와 연결 지어 생각해 볼 수 있는 기회를 가진다.
• 초발수 코팅 유리가 완성되면 코팅된 부분과 그렇지 않은 부분 에 각각 스포이트로 물방울을 떨어뜨려 관찰한다.
[준비물]
산화 아연 나노 분말 에탄올 분산액, 스테아르 산 에탄올
용액, 물, 스포이드, 유리판, 핫플레이
트, 비커
정리 5
• 나노 기술과 생활의 변화, 사회 문제 해결과의 연결고리에 대 해 생각해볼 수 있게 한다.
• 수업 소감을 나누며 마무리한다.
마법의 유리창 만들기 마법의 유리창 만들기 마법의 유리창 만들기
학습 목표 나노 분말을 이용하여 연잎 효과를 적용한 초발수 코팅 유리를 제작해 보고, 나노 기술의 필요성을 사회 문제와 연결 지어 설명할 수 있다.
(출처: https://pixabay.com)
고층 건물의 유리창을 연잎의 표면처럼 만들 수 있다면 세상에는 어떤 변화가 생길까?
1. 유리판의 한쪽 끝을 핫플레이트 위에 올리 고, 가장 낮은 온도로 맞추어 놓는다.
2. 표면 코팅 효과를 비교하기 위해 유리판의 1/2 면적에 산화 아연 혼합액을 떨어트린다.
3. 산화 아연 분말이 유리판 표면에 돌기처럼 자랄 수 있도록 15~20회 충분히 떨어뜨린다.
4. 산화 아연 분말을 떨어뜨린 쪽의 유리판이 스테아르 산 용액에 잠기도록 세워 넣는다.
5. 산화 아연 나노 분말이 달라붙어 있는 유 리판을 스테아릭 산 용액에 10분간 담근다.
6. 실온에서 완전히 말리고, 스포이트로 코팅면과 그렇지 않은 면에 각각 물방울을 떨어뜨려본다.
활동1 초발수 코팅 유리 만들기 실험
1.
연잎의 표면에서처럼 물방울을 튕겨내어 물체 표면에 물이 스며들지 못하도록 하는 것을 ‘초발수’라고 한 다. 나노 크기의 입자로 유리 표면에 초발수 코팅을 입혀보자.2.
초발수 코팅이 되어 있는 부분과 코팅되지 않은 부분의 물방울 모양은 어떻게 다른가? 관찰 결과를 적어 보자.초발수 코팅이 되어 있는 부분은 물방울을 떨어뜨렸을 때 동그란 모 양이 유지되지만, 코팅되지 않은 부분은 넓게 퍼져 흐른다.
3.
실험에서 연잎 표면과 같은 성질을 만들기 위해 어떤 과정을 거쳤는지 생각해보자.연잎 표면처럼 돌기를 만들어 주기 위해 ( 산화 아연 ) 나노 분말을 사용하였고, 물을 밀어내는 성질의 물질로 코팅할 수 있도록 ( 스테아르 산 ) 용액에 담가 두었다.
Tip
1. 교사는 사전에 산화 아연 나노 분말을 에탄올에 분산시킨 혼합액과 스테아르 산 에탄올 용액을 제작하여 준비한다. 준비 과정은 다음과 같다.
1. 산화 아연 나노 분말 0.07g을 에탄올 50mL에 혼합한다.
2. 산화 아연 분말 혼합액을 초음파 세척기 에 30분간 분산한다.
3. 스테아르 산 0.07g을 에탄올 50mL에 녹 인다.
4. 학생들이 액체에 따라 다른 스포이트를 사용할 수 있도록 구분해둔다.
Tip
2. 사전 실험 준비를 위한 과정2에서 50mL 에탄올에 녹인 산화 아연 나노 분말 혼합액을 분 산시키기 위해 초음파 세척기를 사용하였다. 초음파 세척기가 없다면 마그네틱바와 교반기 를 이용하여 3-4시간 동안 실온에서 저어준다. 스테아르 산 에탄올 용액의 경우에도 초음 파 세척기를 이용하면 보다 빠르게 용액을 만들 수 있다.
3. 초발수 코팅 유리를 만들어 보는 과정은 슬라이드 글라스를 사용하여 개별 학생이 실험해 보도록 하는 것이 좋다.
4. 학생 실험 과정5에서 스테아르 산에 유리판을 담가 놓고 기다리는 동안 다음 활동의 동영 상을 시청한다. 10분 정도 시간이 흘러 코팅이 된 후, 비커 위에 올려놓아 실온에서 말린 다음, 물을 떨어뜨려 관찰 결과를 기록하도록 한다.
활동2 초발수 코팅의 세계
1.
초발수 코팅이 활용된 사례와 관련한 동영상을 보면서, 이러한 제품의 등장이 개인의 삶과 사회에 어떤 변화를 가져올지 생각해보자.https://www.youtube.com/watch?v=BvTkefJHfC0 (재생시간 4분 44초)
물속에서도 자유롭게 전자 제품을 사용할 수 있게 된다.
옷을 세탁하지 않아도 된다.
세탁을 위해 세제를 사용하지 않게 되어 환경을 보호할 수 있다.
2.
나노 과학 기술은 어떤 사회 문제 해결에 도움이 될 수 있을까? 지금까지 학습한 내용을 떠올려 보면서 자유롭게 이야기해 보자.저절로 깨끗해지는 특성 때문에 세제 사용이 줄어들어 환경오염을 막을 수 있다.
고층 빌딩 유리창처럼 위험한 곳에 초발수 코팅 유리를 설치하면 추락사를 막을 수 있다.
3.
수업을 마친 소감을 자유롭게 이야기해 보자.나노가 얼마나 작은지 알 수 있었다.
나노 기술이 생활에 많이 쓰이고 있고, 앞으로도 발전 가능성이 크다는 것을 느꼈다.
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점
1. 관찰 과정에 성실하게 참여하였는가? V V V V V
2. 개인 학습 활동지의 작성은 충분하였는가? V V V V V 3. 아이디어를 제시하고 친구들과 공유하는 과정에서 적극적으로
의견을 냈는가? V V V V V
평 가 지 평 가 지 평 가 지
● 1차시: 젖지 않고 스스로 깨끗해지는
◎ 평가목표
- 연잎에 물을 떨어뜨렸을 때의 특징을 말할 수 있다.
- 연잎 표면의 구조를 이해하고 연잎 효과를 적용한 제품에 대한 아이디어를 낼 수 있다.
가. 교사 평가지
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점 1. 연잎에 물을 떨어뜨렸을 때의 특징을 말할 수 있는가? V V V V V 2. 연잎 표면의 구조를 이해하고 연잎 효과를 설명할 수 있는가? V V V V V 3. 연잎 효과를 적용한 제품에 대한 아이디어를 제시할 수 있는
가? V V V V V
나. 동료평가지
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점 1. 연잎 표면에 떨어뜨린 물방울의 모습을 성실하게 관찰하는가? V V V V V 2. 연잎의 표면 구조에 대한 글을 읽고 질문에 답할 수 있는가? V V V V V 3. 연잎 효과를 적용한 제품 아이디어에 대해 적극적으로 의견을
제시하는가? V V V V V
다. 자기평가지
● 2차시: 얼마나 작아야 하는 걸까?
◎ 평가목표
- 연잎 표면의 미세 돌기를 통해 초미세 크기에 대한 자신의 생각을 말할 수 있다.
- 나노의 의미를 알고, 활동을 통해 나노 단위의 크기를 비교할 수 있다.
가. 교사 평가지
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점 1. 연잎 표면의 미세 돌기가 가지는 크기의 효율성에 대해 바르
게 이해하고 있는가? V V V V V
2. 동영상을 통해 나노의 의미를 파악하여 활동지를 바르게 작성
하는가? V V V V V
3. 나노 단위의 크기를 비교하는 활동에 적극적으로 참여하는가? V V V V V
나. 동료평가지
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점 1. 연잎 표면의 미세 돌기에 대해 자신의 생각을 이유를 들어 설
명하는가? V V V V V
2. 동영상에서 나노 단위의 크기에 대해 정보를 올바르게 찾아내
는가? V V V V V
3. 나노 크기 체험 활동에 적극적으로 참여하는가? V V V V V 4. 나노 단위의 크기를 주변의 사물과 비교하여 말할 수 있는가? V V V V V
다. 자기평가지
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점 1. 개인 학습 활동지의 작성은 충분하였는가? V V V V V 2. 모둠 활동 시 자신의 의견을 친구들에게 적극적으로 표현하였
는가? V V V V V
3. 나노 크기 체험 활동에 적극적으로 참여하였는가? V V V V V 4. 나노 단위의 크기를 비교하기 위해 진지하게 고민하였는가? V V V V V
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점
1. 실험 활동에 적극적으로 참여하였는가? V V V V V
2. 개인 학습 활동지의 작성은 충분하였는가? V V V V V 3. 모둠 토의 시 적극적으로 의견을 냈는가? V V V V V
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점 1. 초발수 코팅 유리 제작에 성실하게 참여하는가? V V V V V 2. 제작한 초발수 코팅 유리에 물방울을 떨어뜨렸을 때의 특징을
바르게 비교하여 설명하는가? V V V V V
3. 초발수 코팅의 활용 사례와 관련하여 제시한 사회 문제는 적
절하게 연결 되어 있는가? V V V V V
4. 모둠 토의 활동에 적극적으로 참여하여 자신의 생각을 이야기
하는가? V V V V V
● 3차시: 마법의 유리창 만들기
◎ 평가목표
- 나노 분말을 이용하여 연잎 효과를 적용한 초발수 코팅 유리를 제작해 볼 수 있다.
- 나노 기술의 필요성을 사회 문제와 연결 지어 설명할 수 있다.
가. 교사 평가지
성 취 수 준
1점 2점 3점 4점 5점 1. 실험 과정에 따라 초발수 코팅 유리를 제작할 수 있는가? V V V V V 2. 나노 기술의 필요성을 사회 문제와 연결 지어 설명할 수 있는
가? V V V V V
3. 모둠 토의 활동에 적극적으로 참여하였는가? V V V V V
나. 동료평가지
다. 자기평가지
읽 을 거 리 1
자연에서 배우는 나노 기술
생물은 아주 단순한 재료로 여러 가지 물질을 만든다. 당분, 단백질, 무기염류, 물 등을 가지고 목 재, 뼈, 껍데기와 같은 다양한 물질을 만든다. 생물의 이런 능력이 과학자의 주목을 받는 이유는 두 가지다. 첫째, 생물은 크고 복잡한 공장 설비 없이도 인간이 만든 합성물질보다 훌륭한 물질을 만든다. 둘째, 생물은 공해 없이 물질을 생산하고, 생성된 물질 역시 공해를 일으키지 않는다.
자연 현상과 생태계, 생물에게서 영감을 얻어 기술에 응용하는 ‘자연모사’ 또는 ‘생체모방’ 기술은 오래전부터 찾아볼 수 있다. 세종대왕의 한글과 이순신 장군의 거북선은 우리나라의 대표적인 자 연모사 기술이다. 20세기 들어서는 자연에서 배운 아이디어로 상업적인 성공을 거둔 발명품이 대 거 등장했다. 떨어질 때 찍 소리가 나서 ‘찍찍이’라고도 부르는 벨크로가 대표적이다. 벨크로는 1940년대 초 도꼬마리 열매의 갈고리가 옷이나 동물의 털에 잘 붙는다는 사실에서 아이디어를 얻 어 만들었다.
1990년대 들어서는 마이크로·나노 기술이 발달하면서 자연모사 기술이 한층 더 발전했다. 어디에 나 몸을 붙이고 있을 수 있는 게코 도마뱀붙이의 발바닥, 표면을 항상 깨끗하게 유지하는 연잎, 물 위에서 떠다니며 살 수 있는 소금쟁이를 모방해 그 장점을 이용하려는 노력이 많이 이뤄지고 있다. 이들의 표면은 성질이 서로 반대이기 때문에 서로 다른 양상으로 적용되고 있다.
게코 도마뱀붙이가 벽이나 천장에 자유롭게 붙어 다닐 수 있는 건 발바닥에 ‘시태Setae’라는 아주 작은 마이크로·나노 구조물인 털이 있기 때문이다. 나무가 큰 기둥에서 줄기가 나와 작은 나뭇가 지로 뻗어나가는 것처럼 게코 도마뱀붙이의 발바닥에도 굵은 털에서 뻗어나간 미세한 털이 200nm 굵기의 가지로 갈라져 있다. 이런 나노 털 덕분에 부스러기나 화합물의 흔적을 남기지 않고 붙어 서 걸어 다닐 수 있다. 이처럼 계층 구조를 지니고 있기 때문에 울퉁불퉁한 표면에서도 부착력이 전혀 떨어지지 않고, 먼지도 잘 붙지 않는다. 게다가 물을 좋아하는 성질도 지니고 있다.
이런 특성을 흉내 내 만들어진 것이 ‘게켈Geckel’이라는 접착제다. 이 접착제는 게코 도마뱀붙이 의 발가락과 홍합의 접착 단백질의 특성을 융합해 만들었다. 1000번 이상 붙였다가 떼어도 접착 성능이 남아 있으며, 물속에서도 접착성이 사라지지 않는다.
연잎은 또 다른 특성을 보여준다. 연잎은 깨끗하지 않은 연못에 살면서도 항상 청결한 모습을 보 인다. 표면이 물에 젖지 않으며 먼지 하나 앉을 수 없기 때문이다. 연잎 표면을 전자현미경으로 확대해 보면 10~20μm의 돌기가 있고, 그 위는 100nm 정도의 돌기로 다시 덮여 있다. 그리고 표면 에 왁스 성분이 덮여 있어 물이 맺히면 그대로 굴려내려 먼지나 모래를 닦아 준다. 이런 성질을
‘초발수성’이라고 한다.
초발수성 표면은 어디에 쓸 수 있을까. 반영구적인 초발수성 투명 유리는 향후 자동차, 건설 산업 에 응용할 수 있다. 와이퍼가 필요 없는 자동차 유리나, 자기 세정이 가능한 태양전지 표면과 도 로 표지판을 만들 수 있는 것이다. 다양한 산업 분야에서 향후 10년 이내에 기술적 파급 효과가 크고 산업기술 경쟁력을 강화할 수 있다.
수십억 년 동안 진화하고 있는 생물 개개의 기능은 처한 환경에서 살아남기 위해 최소한의 에너 지를 이용하며 최고의 효율을 내고 있다. 최근 눈부시게 발달한 나노기술을 이용하면 우리는 자연 을 더욱 면밀히 관찰할 수 있으며, 관찰한 각각의 기능성 구조는 우리 생활에 직접적으로 활용할 수 있는 게 많다.
우리는 자연을 파괴하지 않으면서 풍요롭게 살고, 다시 모든 것을 자연으로 돌려보내는 자연친화 적이면서 지속 가능한 기술을 개발해야 한다.
미래와 현재를 모두 아우르는 창조적이면서 도전적인 기술을 개발하는 게 시대적인 요구다. 자연 모사 기술은 자연의 해결책을 과학기술의 해결책으로 만들기 위해 꼭 필요하다. 기초에서부터 상 용화 기술에 이르기까지 체계적이고 지속적으로 연구해야 한다.
출처: ‘자연에서 배우는 멋진 표면’, 윤의성, 문명운, KIST 과학기술 전망 2014
모기의 눈을 주사전자현미경으로 점차 확대한 이미지 (출처: rsta.royalsocietypublishing.org)
읽 을 거 리 2
자연 속 나노돌기 표면을 활용한 친환경 기능성 유리
자연의 연꽃잎이나 곤충 눈의 나노돌기를 유리에 적용한 간단하면서도 친환경적인 기능성 유리 제작 방법이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 자연의 를 기능성 유리에 적용하는 것인데, 수분을 튕겨내거나 어두운 곳에서 시각을 확보해주는 김서림 방지 유리나 안경, 후방 카메라 등 다양한 기능성 유리에 응용이 가능할 전망이다.
자연에 존재하는 연꽃잎이나 소금쟁이의 발, 건조한 사막에 서 물을 포집하여 수분을 섭취 하는 나미브 딱정벌레, 어두운 밤에 적은 빛으로 사물을 구별 할 수 있는 저반사 표면의 나 방 눈 등의 공통점은 표면에 나노 돌기들이 존재한다는 것 이다.
이런 나노돌기 표면을 활용하 면 김이 서리지 않는 안경이나 물이 묻지 않는 렌즈 등의 유 리를 만들 수 있다. 또한 강한 안개나 어두운 곳에서도 앞이 잘 보이는 자동차 유리도 제작 이 가능하다. 자동차용 백미러 에 나노돌기를 만들면 비오는 날에 거울을 닦을 필요가 없고 야간 운전시 헤드라이트 반사불빛에 도 시야 확보가 가능하다.
2015년 3월, 한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 문명운 박사 연구팀은 유리에 나노돌기 형상을 쉽고 간단한 방법으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구팀이 밝힌 기술은 기존 공정보다 효율성을 높인 친환경 초발수 저반사, 투명 유리 제조 기술 로, 스마트 폰, 자동차 유리, 카메라 렌즈 등 다양한 유리제품의 표면에 반사 방지, 김서림 방지 등 기능을 적용할 수 있으며, 또한 구면 카메라 렌즈, 곡면 TV, 곡면 모바일 기기 등 곡면 유리에 적용하는 것이 가능하다.
지금까지 유리 표면에 나노돌기를 제작하기 위해 사용된 방법들은 다양하다. 그러나 기존의 방법 은 공정이 복잡하거나 내구성이 낮거나, 유해한 물질을 사용하는 등의 단점이 있었다. 유리의 모 양을 만들고 강도를 향상시키기 위해 첨가하는 알칼리 금속들이 나노돌기가 형성되는 것을 방해 하기 때문이다. 연구팀은 유리 위에 투명한 막(SiO2)을 미리 코팅하여 플라즈마로 표면을 부식시키 는 공정 도중에 투명 막 위에 나노 점들이 자가 배열되도록 유도하였고, 이렇게 배열된 점들이 기 존 표면과의 부식속도 차이를 유발하여 유리 표면에 나노구조를 형성하게 만들었다.
이렇게 개발된 방법은 기존 마이크로 금속입자를 이용하는 유리 패턴 제작 방법 대비 공정 과정 을 몇단계 줄이고, 금속입자를 환경에 유해한 강산용액을 통해서 제거해야 하는 후처리 공정을 친 환경적인 수처리 공정만으로 가능하게 하였다.(하단 그림 자료 참고) 또한 이와 같이 제조된 나노 돌기들은 유리위에 첨가된 것이 아닌 유리 자체의 구조이므로 내구성이 뛰어나 오랫동안 기능성 을 유지할 수 있다.
연구를 주도한 문명운 박사는 “내구성이 높은 기능성 유리를 쉽게 만들 수 있게 되었다는데 본 연구의 의의가 있다”며, “기능성 유리제품에 대한 수요가 높은 만큼 활용도가 매우 높을 것으로 보인다”고 밝혔다. 또한 “이러한 나노 돌기 제작 공정은 평면 뿐아니라 곡면 유리나 렌즈에도 적 용 가능하기 때문에 비구면 렌즈나, 안경, 곡면 TV, 모바일용 등 3차원 구조의 유리에 활용할 수 있을 것이다”고 말했다.
KIST 문명운 박사 연구팀이 발표한 나노 돌기를 가진 유리의 제조방법과 그 구조
- 투명박막을 코팅한 후 CF4 플라즈마로 부식공정 진행 : 금속 나노점의 자가 배 열이 진행되고 부식이 동시 진행되어 나 노구조가 형성되는 모습. 금속 나노점은 공정이 끝난 후 물로 쉽게 제거하여 초 친수표면 제작. 그 후에 표면에너지가 낮 은 DLC 박막을 코팅 해주면 초소수 성 도 부여 가능하다.
안경에 초발수 초친수 기능성을 부과하 여 자가세척과 성에가 끼지 않는 기능성 을 부가한 모습
출처 : 한국과학기술연구원(http://www.kist.re.kr)
볼 거 리
자연에서 배우는 발명의 기술
(출처: 교보문고)
『자연에서 배우는 발명의 기술』, 지그리트 벨처 지음, 논 장
이 책은 자연을 모방하여 이루어지는 발명과 기술의 원리를 알고 싶은 사람들에게 생체 공학의 세계를 알기 쉽게 접근해 주는 생체 공학 입문서이다.
자연의 생존 기술은 인간의 꿈을 실현시켜 왔으며, 그 의미와 가치를 인정받아 현재까지 많은 성과를 내기에 이르렀다. 책 은 생체 모방 공학 분야의 성과와 앞으로의 과제, 일상에 담 긴 과학과 발명의 원리를 실제 연구 사례를 통해 제시한다.
또한 ‘되튐 원리를 이용한 풍선 로켓’, ‘헬리콥터 만들기’, ‘물 속에서 젖지 않기’ 등 매 주제에 맞는 어린이들이 해 볼 수 있는 다양한 실험들을 소개하고 있다.
(출처: 교보문고)
『나노에 둘러싸인 하루』, 김문제, 송선경 지음, 살림 FRIENDS
나노과학기술이 펼쳐질 미래의 일상은 어떤 모습일까? 나노 과학기술은 미래를 바꿀 신기술로 주목받고 있지만 정작 나 노과학기술이 무엇이고 그것이 어떻게 우리의 삶을 바꾸고 있는지를 설명해 주는 책을 찾기는 쉽지 않다.
이 책은 다음 세대의 주인공인 청소년들을 위해 쉽고 재미있 게 나노과학기술을 소개하는 책이다. 나노과학기술의 발전 과 정, 나노과학기술의 현황과 전망, 나노과학기술로 인해 변화 될 미래의 모습 등 나노과학기술의 모든 것을 다양한 사례를 곁들여 이해하기 쉽게 설명한다.
(출처: 위키백과)
행 복 거 리
화학물질의 안전을 지키는 파수꾼, 화학물질안전관리사
나노 과학 기술의 발달은 나노 단위의 크기로 인해 새로 운 성질을 가진, 지금까지와는 전혀 다른 새로운 화학물 질의 등장을 가져왔다. 나노 입자의 유용성에도 불구하고, 안전한 이용을 위해서는 이를 연구하고 관리하는 사람이 필요하다.
1991년 발생한 낙동강 페놀 누출사고, 2012년 경북 구미 화학공장의 불산 가스 누출사고와 같이 화학물질이 누출 되는 사고는 드문 일이 아니다. 그러나 사건으로 인해 주 변 농작물 피해나 근로자가 사망하기에 이르는 등 그 피 해는 엄청났고, 여러 사고들을 계기로 화학물질 사고의 심각성에 대한 대책 마련을 위한 노력이 계속되고 있다.
전면 개정되어 2015년 1월부터 시행된 새로운 「화학물질 관리법」은 이러한 정부의 노력을 대변하며, 화학물질 안
전을 지키는 ‘화학물질안전관리사’가 전문 인력으로 육성될 계획이다.
어떤 일을 하나요?
화학물질의 오염도를 측정하고 분석하며, 화학물질 취급시설의 안전 관리 및 화학물질의 영향을 조사하고 분석하는 등 화학물질의 위해성에 대해 평가한다. 또한, 화학물질로 인한 피해를 최소화 하고 이를 제거하여 화학사고 예방과 대응에 대한 업무를 수행한다. 이를 통해 화학물질의 위험으 로부터 국민의 건강과 환경을 보호하는 역할을 한다.
어떻게 준비하나요?
화학물안전관리사가 되려면 화학, 안전, 환경 관련 지식과 경험이 필요하다. 때문에 대학 및 대학 원에서 관련 전공을 하거나 유사 분야 자격증을 취득하는 것이 도움이 된다. 특히 향후 신설될‘화 학물질안전관리기사’자격증 취득을 목표로 하는 것이 좋다.
환경과 안전문제를 다룬다는 점에서 환경문제에 대한 관심과 세심함, 신중한 성격이 요구된다.
적합한 사람은?
화학, 안전, 환경 분야가 융합된 영역이라는 점에서 관련 전공자 또는 유사분야 경력자, 환경문제 에 관심이 많은 사람에게 적합하다.
필요한 공부는?
대학 및 대학원에서 화학, 안전, 환경 관련 전공을 하거나 양성기관에서 화학물질 취급, 관리, 복 구, 제거 등에 대한 지식, 화학사고 대응방법 등을 공부해야 한다. 현재 대학교 및 대학원에서 안 전 및 환경 관련 학과(환경안전공학과 등)가 신설되고 있다.
자료 출처 : 워크넷 (http://www.work.go.kr)
융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램
새로운 바람이 분다
․은은
․우리만의은색일까 나노 의류 만들기
은나노를 활용한 의류 디자인하기
중학교 학생들에게 ‘나노’라는 개념은 들어본 적은 있지만 무엇인지 모르는 과학자들의 세상에 서만 있는 개념이라고 생각되기 쉽다. 또한 단순히 아주 작은 것이라는 생각에 머무를 지도 모른다. 이 수업은 학생들에게 나노의 크기로 작아지면 달라지는 것들 중 은나노 입자의 색과 살균효과를 중심으로 나노기술이 우리 생활에서 활용가능하고, 단순히 작다는 것 이외에 여러 성질을 나타낼 수 있음을 경험시켜주기 위한 것이다.
그리고 최근에 환경오염, 감염병 유행이 대중들의 관심대상이 되고 있다. 그리고 이러한 관심 의 결과로 패션에서도 단순히 디자인만이 아닌 건강과 환경적 측면을 모두 고려한 의류의 생 산이 주목받고 있다. 그리고 이러한 흐름에 나노 기술이 좋은 대안 중 하나일 수 있다. 나노기 술을 활용한 의류를 디자인해 보는 과정을 진행하며 나노와 패션에 대한 새로운 경험을 시작 해보고자 한다.
* 내용목표
- 질산은 용액 속 은이온을 이용해 은거울을 만들 수 있음을 경험한다.
- 은 입자의 크기가 나노 단위로 작아지면 색이 달라질 수 있음을 경험한다.
- 나노입자의 크기가 달라짐에 따라 색이 달라질 수 있음을 안다.
- 우리 생활주변에 은나노 기술이 사용되고 있음을 안다.
- 나노기술을 활용해 현재 의류와 염색 산업의 문제점을 보완할 수 있는 아이디어를 ‘나노 의류 설명서 제작하기’ 활동으로 표현할 수 있다.
* 과정목표
- 미세먼지로 인한 대기오염 문제와 이에 대한 대비책이 필요함을 인식한다.
- 현재 우리가 사용하고 있는 의류와 염색 산업의 문제점을 알고, 우리가 앞으로 의류를 생 산할 때 고려해야 할 점을 생각할 수 있다.
- 의류 산업에서 단순하게 디자인과 가격뿐만이 아니라 건강과 환경을 고려해야 한다는 관점 을 경험한다.
- 나의 노력이 타인의 행복과 연관이 될 수 있음을 경험한다.
과학
(22) 과학과 인류 문명
(다) 과학의 발전 과정에 기초하여 미래 생활에 영향을 줄 기술이 무엇인를 말하고 그 근거를 제시한다.
미술
표현
② 표현 방법: 표현 방법과 매체를 창의적으로 활용하고 계획을 세워 표현한 다.
기술가정
(6) 생명 기술과 미래기술
(나) 미래 기술의 동향과 사례를 이해하고, 미래 사회에서 기술이 미치는 영 향과 올바른 미래 기술의 방향을 설명하며, 미래 기술과 관련된 문제를 교 과 간 통합적 지식을 활용하여 창의적으로 해결할 수 있다.
상황제시
최근에는 첨단 과학 기술을 이용해 상품들을 개선시키는 경우가 많다. 최신 기술 중 하나인 나노기술은 어떻게 활용될 수 있을까?
교과목 STEAM 요소
과학 S
창의적 설계
기존의 의류들이 가지는 문제점을 건강과 환경적 측면에 서 생각해보고 나노 기술을 활용하여 이를 극복할 수 있 는 제품 설명서를 제작한다.
교과목 STEAM 요소 기술가
정 S, T/E, A 감성적 체험
(성공의 경험)
나노 기술을 활용하여 기존의 의류들이 가지는 건강과 환경적 측면의 문제점을 극복할 수 있음을 경험하며, 나 노 기술이 반드시 첨단의 실험실에서만이 아닌 우리 주 변에서 체험하고 활용될 수 있음을 이해한다.
교과목 STEAM 요소
미술 A
최근 다양한 아이디어와 신기술을 활용한 의류들이 증 가하고 있다. 또한 기업이 아닌 개인이 자신의 아이디 어 제품들을 만들어 판매하는 경우도 늘어나고 있다.
우리도 여러 분야의 신기술 중 나노기술을 활용하여 기존 의류나 염색 산업들의 단점을 극복한 나노기술 활용 의류를 디자인하고 설명서를 제작해보자.
주제 내용 수업실행 과목
STEAM 요소
1차시
패션에도 새바람이 분다~!
패션쇼에 마스크나 방독면이 등장하는 이유에 대해 생각해본다. 우리가 입는 의류에 세균이 많다는 사실과 염색 산업이 환경에 미치는 영향 에 대해 생각해보면서 앞으로의 의류산업에서 건강과 환경을 고려해야 한다는 관점을 경험한 다.
기술가정 S, T/E, A
2차시 은은 은색일까?
생활 속에 다양하게 숨어있는 은을 찾아본다.
은거울 반응 실험과 은나노 입자 실험을 비교하 면서 나노입자가 되면 색이 달라짐을 경험한다.
과학 S, T/E
3차시
우리만의 나노의류 만들기
은나노 입자가 가지는 살균효과에 대해 알아본 다. 건강과 환경을 고려한 의류생산을 위해 나 노 기술이 사용될 수 있음을 알게 되고 이러한 아이디어를 적용한 의류를 디자인한다.
미술 S, T/E, A
평가 목표 내용 평가요소 종류 차시
융합적 지식 및 개념
함양
빛과 색에 대한 선개념을 확인한다. 나노입자의 크기에 따른 색의 변화를 경험한다. 나노기술이 우리의 생활 속 문제를 해결할 수 있는 하나의 방안임을 알 수 있다.
* 물체 속 은색 찾기
* 나노입자의 크 기와 색
* 은나노 입자의 성질
보고서 평가 2
창의적 사고 능력 함양
나노입자 활용 의류 설명서 제작하는 과정에서 창의적인 생각을 표현한다. 나노의류를 선물하는 편지쓰기에 편지의 내용과 디자인을 창의적으로 구성한다.
* 나노의류 설명 서의 창의성
* 의류에 나노기 술을 적용하는 창의적인 방안
보고서 평가 3
소통 능력 함양
활동들에서 조별 의견을 모으거나 다른 조의 의 견을 정리하고, 최종 산출물인 설명서를 제작하 는 과정을 통해 상대방의 의견을 듣고 자신의 생 각을 하는 능력을 함양한다.
* 타인의 발표 경 청
* 타인의 발표 내 용 정리
자기 평가
1,3 배려의 태도
함양
최종 산출물을 선물하는 활동을 통해 자신의 노 력들로 타인도 행복해질 수 있음을 생각할 수 있
* 타인의 불편함
에 대해 공감하 자기 평가
차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3)
수업주제 패션에도 새바람이 분다~! 대상 중1 차시 1/3
학습목표 의류 산업에서 건강과 환경적 측면을 고려할 필요성이 있음을 인식한다.
STEAM
요소 T/E, A 연계과목 기술가정
교육과정
(6) 생명 기술과 미래기술_(나) 미래 기술의 동향과 사례를 이해하고, 미래 사회에 서 기술이 미치는 영향과 올바른 미래 기술의 방향을 설명하며, 미래 기술과 관 련된 문제를 교과 간 통합적 지식을 활용하여 창의적으로 해결할 수 있다.
준비물 PPT자료, 활동지 Nano
big idea 과학, 기술, 사회
흐름 시간
(분) 교수-학생 활동 비고
도입 5
• [Solve the problem]에 대한 설명을 한다.
- 기능성 의류를 설명하는 다양한 예를 보여주면서 우리의 수업 을 마무리 할 때 최종적으로 만들게 될 결과물의 형태에 대해 안내한다.
• 활동하기1(작지만 강한 적~! 미세먼지~!)을 진행한다.
- 미세먼지로 인한 피해와 우리가 해야할 노력이 무엇인지를 생 각해본다.
전개 30
• 활동하기2(패션쇼의 새로운 바람~!)를 진행한다.
- 패션쇼에 등장한 마스크와 방독면 사진을 보면서 이러한 소품 이 등장하게 된 이유를 생각해본다.
• 활동하기3(우리가 입는 옷의 비밀~!)을 진행한다.
- 겨울옷의 세균 오염에 대한 이야기와 염색산업단지 폐수 방류 현황에 대한 자료를 읽고 의류산업에서 고려해야할 사항들과 그 이유를 정리해 본다.
정리 10
• 활동하기4(우리들의 생각을 공유해보자~!)를 진행한다.
- 은나노 용액 속 은과 은거울 반응에 의한 은을 비교한다.
- 은나노 입자의 뭉침에 따라 은입자가 다양한 색을 나타낸다는 것을 확인한다.
• 차시예고를 실시한다.
- 이번 시간까지 진행한 내용들을 바탕으로 조별로 나노 의류 디 자인하기를 실시함을 안내한다.
패션에도 새로운 바람이 분다~!
패션에도 새로운 바람이 분다~! 패션에도 새로운 바람이 분다~!
학습 목표 의류 산업에서 건강과 환경적 측면을 고려할 필요성이 있음을 인식한다.
최근 다양한 아이디어와 신기술을 활용한 의류들이 증가하고 있다. 또한 기업이 아닌 개인이 자신 의 아이디어 제품들을 만들어 판매하는 경우도 늘어나고 있다. 우리도 여러 분야의 신기술 중 나 노기술을 활용하여 기존 의류들의 단점을 극복한 나노기술 활용 의류를 디자인하고 이를 설명하 는 설명서를 만들어보자.
출처 : http://pt.aliexpress.com/
< 생활용품 디자인 및 설명 예시 >
Tip
본 수업은 은나노 입자의 색에 관해 경험하는 실험이므로 활동지도 컬러로 인쇄하여 진행한 다. 만약 컬러 인쇄가 어려운 상황이라면 TV나 스크린을 통해 컬러 사진을 보여주며 진행한 다.
