STEAM R&E 연구결과보고서
(생물체의 나노구조를 응용한 미세먼지 예방 제품 개발)
2017. 11. 30.
서강고등학교
< 연구 결과요약서 >
과 제 명 생물체의 나노구조를 응용한 미세먼지 예방 제품 개발
연구목표
현재 정부 차원에서 석탄 화력 발전소의 ‘셧다운’, 미세먼지가 심한 날에는 출퇴근 시간대 대중 교통 요금을 받지 않겠다는 정책과 차량 2부제 유도등 다양한 정책들을 내놓고 있으며, 미세 먼지의 주범이라고 할 수 있는 경유차를 줄이기 위한 다양한 방법들을 제시하고 있다. 하지만 미세먼지 농도에 대한 정확한 인식조차 부족한 상황이다. 학교 수업 시간 STEAM 프로그램 활동 중 우리 주변의 나노 구조를 찾아보는 시간을 가졌는데 나비의 날개 구조나, 연잎의 특성이 나노 구조에 의해 발생했음을 알게 되었고 어떻게 하면 나노기 술을 미세먼지 절감에 이용할 수 있을 것인가에 대해 고민을 하게 되었다.
연구개요 및 내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 이론적 배경
- 미세먼지는 천식과 같은 호흡기계 질병을 악화시키고, 폐 기능의 저하를 초래한다.
PM2.5는 입자가 미세하여 코점막을 통해 걸러지지 않고 흡입 시 폐포 까지 직접 침투하여 천식이나 폐 질환의 유병률과 조기 사망률을 증가시킨다. 또한, 미세먼지는 시정을 악화시키고, 식물의 잎 표면에 침적되어 신진대사를 방해하며, 건축물이나 유적물 및 동상 등에 퇴적되어 부식을 일으킨다.
- 나노 자연 모방기술을 활용한 미세 절감 기술은 필터 방식과 다르게 2차 오염에 대한 위험성을 줄이며, 자연 환경을 기능을 활용한 기술로서 기존의 기술에 비해 높은 효과와 오랜 수명을 기대할 수 있다.
○ 선행연구
- 교과서내의 미세 먼지(통합과학, 지구과학)에 관한 내용 정리 - 나노 기술 관련 서적 탐구 실시
(나노기술의 이해, 서갑양 저 / 나노기술의 세계, 이봉진 저 / 나노 혁신기술 300트랜드, 첨단신기술정보분석연구원 저)
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 학생의 주도적 노력
- 미세먼지 측정 및 관련 내용 학습 : 광주광역시 기상청 방문
- 교내 STEAM 동호회 활동 지도교사의 지도 자문 실시(지도교사 : 봉병탁) - 효과적인 R&E를 진행하기 위핸 온라인 소통 SNS 실시 : 네이버 밴드 개설
○ 전문가 자문
- 동신대학교 재료공학과 고태석 교수님, 서영대학교 자동차 학과 교수님의 자문 실시
□ 연구활동 및 과정
○ 가설 설정,
- 거미는 정전기를 이용한 거미줄로 먹이를 잡아 고정하고, 도마뱀은 발바닥의 섬모를
이용하여 벽에 붙을 수 있고, 물은 흡착력을 가지고 있다. 우리는 이러한 자연 모방 기술을 이용하여 생활속에서 미세먼지를 줄일 방안을 목표로 한다.
○ 실험 설계,
1) 나노 기술의 개념과, 우리 생활 속에 적용된 나노 기술에 대한 학습 - 고등학교 물리 및 생명 과학 교과서에서 관련 내용에 대한 심화 학습 실시한다.
- 연잎 및 도마뱀 발바닥 등 생물체에서 활용되고 있는 나노 기술 연구를 실시한다.
(실제 자연 모방 기술에 관련된 서적 탐구 및 관련 제품들의 기본 원리를 탐구 실시) 2) 미세먼지에 관한 탐구 및 미세먼지 예방 제품들의 분석 활동
- 미세먼지 관련 내용 탐구 및 미세 유발원을 찾아내고 직접 측정 실시한다.
(동신대학교 재료공학과, 서영대학교 자동차 학과의 지원을 받아 실시)
- 생활속에 다양한 미세 먼지 절감 제품들을 효과를 실험해 보고, 관련 제품들의 과학적 원리를 찾아본다.
(나노 정수 필터, 나노, 미세 방충망, 나노 먼지 제거기, 자동차 에어컨 필터 등) 3) 생활속에서 활용할 수 있는 미세 먼지 절감 기술 개발
- 자연 모방 기술(나노 기술)을 활용하여 환경 오염 없는 미세 먼지 절감 필터 개발 (정전기 발생을 통한 미세 먼지 수집 기능 추가)
- 미세먼지를 발생시키는 자동차 바퀴 및 친환경 운송수단인 자전거 바퀴에 부착 시킬 수 있는 장치 개발
- 실제 미세 먼지 절감 효과에 대한 실험 실시
○ 시행착오 극복
- 자연 모방 기술에 대한 개념 및 나노 기술에 대한 개념 부족으로 인하여 미세 절감 장치의 구현에 있어 많은 어려움이 있었음.
- 다양한 문헌연구 및 토론을 통하여 미세 먼지에 집진에 대한 방법을 연구하였 으며, 바퀴가 회전하였을 경우 생기는 원심력을 활용하여 정전기를 발생시키고 그것을 통해 미세 먼지를 집진 할 수 있는 방법에 대해 구상해 보았음.
연구성과
□ 연구 결과
○ 실험 결과
○ 실험에 사용된 생체 모방 기술
- 도마뱀 발바닥의 원리 : 도마뱀 발바닥의 접착력을 활용하여 집진된 미세먼지를 잡아두는 역할을 가짐.(게코 테이프를 사용)
- 거미줄의 원리 : 거미줄은 정전기가 발생시켜 공기 중의 미세 먼지를 정전기를 통해 집진 할 수 있는 역할을 가짐.(타조 깃털 사용+스타킹)
- 연잎 효과 : 집진된 전기는 미세한 물펌프를 활용하여 필터에 묻은 미세먼지를 물과 함께 쓸려 내려 갈 수 있도록 하여 반 영구적인 필터로서의 가능성을 확인
○ 연구 결론 제시
- 현재 미세 먼지를 제거하는 방식들은 대부분 필터를 통해 공기를 정화 시키는 방법들이 많은데, 이러한 필터들은 단순히 대기 중에 있는 미세먼지를 강제적 으로 집진 시키지 못하는 한계점이 있음.
- 이번 연구를 통해 자동차나, 자전거의 바퀴에 정전기 발생 장치를 부착하여 공기중의 미세 먼지를 강제적으로 집진하여, 필터를 통해 미세 먼지를 모을 수 있어 기존의 미세 먼지 제거 장치와의 차별성을 볼 수 있음.
- 특히 생체 모방기술(나노 기술)들을 활용하여 장치를 개발해 봄으로써 기존의 장비들과 다르게 친환경 필터로서 가능성을 보여 주고 있음.
□ 시사점
○ 지금까지는 미세 먼지를 단순히 발생을 줄이는 방법에 많이 연구되고 있었음. 하지만 산업이 발달되는 과정에서 미세 먼지의 발생은 어쩔 수 없는 상황인 관계로 공기중에 발생한 미세 먼지들을 어떻게 하면 쉽게 집진하고, 제거 할 수 있는 방법에 대해서 많은 연구가 필요하다고 생각됨.
○ 이번 연구는 실제 공기 중에 있는 미세 먼지들을 생체 모방기술(나노 기술)을 활용하여 어떻게 하면 친환경적으로 줄여 볼 수 있을 지에 대한 연구로서 향후 미세 먼지 절감 방법에 대한 많은 고민이 필요함.
□ 향후 계획
○ 교내 학회 발표대회에서 연구 성과 발표 및 관련 활동을 3학년이 되어 지속적으로 실시 예정
주요어
(Key words) 미세먼지, 생체 모방기술, 필터
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 연구를 착수하게 된 동기
- 미세먼지에 대한 개념과 위험성은 1950년대부터 꾸준히 역학조사를 통해 제기되어 왔지만, 국내에서는 중국의 사막화 및 공업화외 더불어 그 관심이 높아지는 추세이다. 학교에서는 미세 먼지 농도에 따라 야외 수업을 제한하는 경우도 있으며 호흡기 질환을 우려해 학생들에게 주의를 당부하는 상황이다.
이러한 우려에 걸맞게 우리 주변에는 미세먼지를 제품들이 출시되고 있는데, 그 효과에 대한 정확한 연구 결과를 찾아보기는 힘들었다.
- 학교 수업 시간 STEAM 프로그램 활동 중 우리 주변의 나노 구조를 찾아보는 시간을 가졌는데 나비의 날개 구조나, 연잎의 특성이 나노 구조에 의해 발생했음을 알게 되었고 어떻게 하면 나노기술을 미세먼지 절감에 이용할 수 있을 것인가에 대해 고민을 하게 되었다.
- 미세먼지 감소에 실내 식물을 이용한 녹화가 효과있다는 사실을 조사를 통해 알았으며, 기공을 통한 미세먼지 흡수, 음이온 방출, 습기를 통한 흡착효과가 원인이라는 점을 확인하였다. 또한 녹화 방식이 공기청정기의 단점을 극복하는 방식임을 알게 되어 자연 친화적인 소재 개발을 통해 제품 구상을 하고자 연구를 시작하게 되었다.
○ 연구의 필요성 및 목적
- 현재 정부 차원에서 석탄 화력 발전소의 ‘셧다운’, 미세먼지가 심한 날에는 출퇴근 시간대 대중 교통 요금을 받지 않겠다는 정책과 차량 2부제 유도등 다양한 정책들을 내놓고 있으며, 미세 먼지의 주범이라고 할 수 있는 경유차를 줄이기 위한 다양한 방법들을 제시하고 있다. 하지만 미세먼지 농도에 대한 정확한 인식조차 부족한 상황이다.
- 미세먼지를 예방하기 위해 미세먼지 측정 장비를 장착한 드론, 공중에 물을 뿌려 미세먼지 줄이는 청소차, 뿐만이 아니라 호흡기와 직접적으로 연관 있는 공기청정기는 물론이고 창틀에 부착하는 먼지 차단 필터와 오염에 민감한 피부 및 모발을 위한 각종 기능성 화장품도 인기를 끌고 있으며, 가구 등 집안 곳곳에 쌓인 미세먼지를 제거하는 홈케어 서비스, 미세먼지를 적게 배출하는 주방시스템도 출시되는 등 기존에 마스크를 쓰고 외출을 자제하라는 수준을 넘어서는 다양한 제품들이 출시되고 있다.
- 하지만 이러한 제품들의 특징은 바로 나노 기술을 활용한다는 점에서 공통점을 찾을 수 있다. 실제 10㎛의 미세먼지와 2.5㎛의 초미세먼지 같이 매우 작은 먼지들을 예방하기 위해서는 제품의 이루고 있는 구조들이 나노 크기정도가 필요하기 때문이다.
- 기존의 나노 제품들은 나노의 크기를 활용하여 단순히 미세 먼지를 막는 역할만 한다면, 교과서에서 소개되고 있는 연잎이나, 도마뱀 발바닥 등 생명체에서 활용되고 있는 나노기술을 활용하여 미세먼지를 문제를 해결 하고자 한다.
○ 지역의 특성 및 연구를 수행하기 위한 학교의 여건
- 우리 학교는 광주광역시에 소재하고 있으며 학교 반경 6km이내에 총 3개의 산업단지(본촌산업단지, 첨단산업단지, 하남산업단지)가 위치하고 있으며, 미세먼지가 심할 때 가끔씩 3개의 산업단지를 이동하 는 차량에서 배출하는 미세먼지의 문제점에 대해 언론에 기사가 나온 적이 있다.
학교 근처 공단 현황 (네이버 지도)
학교 소재지의 2017 3월∼4월 미세먼지양 (에어 코리아)
미세먼지 기준
- 연구를 수행하기 위해 R&E 팀은 교내 자율 동아리로 등록해 놓았으며, 미세먼지의 문제점에 대해 지도해 주실 생명과학 선생님과, 공학적 문제 해결을 위한 공학기술 선생님이 지도교사이십니다.
연구를 지도해 주시는 선생님께서는 미세먼지의 주범이라고 할 수 있는 경유차를 소유하고 계십니다.
- 교내 환경과학 동아리에서 보유하고 있는 미세 먼지 측정 장비 등을 활용하여 다양한 실험을 진행 할 수 있습니다.
○ 연구의 제한점
- 나노 기술은 매우 작은 구조이므로 고등학교 수준에서 실제로 나노크기 구축을 실제로 실시하지 못하는 문제점이 있다.
- 미세먼지 내의 중금속 비율, 공기 흐름에 대한 이동 특성이 기존의 거대먼지와는 다르다는 점을 감안해야 한다.
□ 연구범위
○ 나노 기술 및 미세 먼지에 대한 탐구 및 관련 제품 연구
- 나노 기술 및 미세 먼지에 대한 탐구를 실시한후, 시중에 나와 있는 나노 기술을 활용한 미세먼지 예방 제품들에 대한 실제 실험 실시
○ 나노 자연 모방기술을 활용한 제품 연구
- 거미는 정전기를 이용한 거미줄로 먹이를 잡아 고정하고, 도마뱀은 발바닥의 섬모를 이용하여 벽에 붙을 수 있고, 물은 흡착력을 가지고 있다. 우리는 이러한 자연 모방기술을 이용하여 미세먼지를 줄일 방안을 목표로 한다.
○
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구 ○ 이론적 배경
- 미세먼지
: 지름에 따라 PM10과 PM2.5 등으로 구분하며, PM10은 1000분의 10mm보다 작은 먼지이며, PM2.5는 1000분의 2.5mm보다 작은 먼지로, 머리카락 지름(약 60㎛)의 1/20~1/30 크기보다 작은 입자 이다.
- 미세먼지의 문제점
: 미세먼지는 천식과 같은 호흡기계 질병을 악화시키고, 폐 기능의 저하를 초래한다. PM2.5는 입자가 미세하여 코점막을 통해 걸러지지 않고 흡입 시 폐포 까지 직접 침투하여 천식이나 폐 질환의 유병률과 조기 사망률을 증가시킨다. 또한, 미세먼지는 시정을 악화시키고, 식물의 잎 표면에 침적되어 신진대사를 방해하며, 건축물이나 유적물 및 동상 등에 퇴적되어 부식을 일으킨다.
○ 나노기술
- 나노기술(Nano Technology; NT)
: 10억분의 1미터인 나노미터 단위에 근접한 원자, 분자 및 초분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다. 대부분 일반화된 나노기술의 정의는 ‘국가나노기술개발전략 (NNI: National Nanotechnology Initiative)’이 적어도 1~100 나노미터의 크기를 가진 물질을 다루는 기술이라 정의했으며 일반적으로는 크기가 1내지 100나노미터 범위인 재료나 대상에 대한 기술이 나노기술로 분류한다.
○ 선행연구
- 연잎 효과① 연잎은 연잎에 무수히 나있는 ‘나노돌기’ 와 돌기에 묻어있는 왁스 층이 있어서 표면장력이 매우 크다. 그렇기 때문에 연잎에 떨어진 물방울은 퍼지지 않고 자유롭게 구른다. 연잎효과의 또 다른
특징은 액체뿐만 아니라 표면의 먼지 등의 오염물질 또한 물과 함께 섞여서 굴러 떨어지기 때문에 항상 청결함을 유지할 수 있는데 이것을 ‘자가세정효과’라고 한다.
② 연잎에 맺힌 이슬이나 스포이드에서 떨어지는 물방울을 보면 둥근 모양을 하고 있다. 액체는 가능하면 표면력(물체의 겉넓이)을 작게 하려는 성질을 가지고 있는데 이것이 표면장력이다. 액체가 표면장력을 가지는 이유는 분자들은 서로 잡아당기는 성질이 있는데, 표면의 분자들은 바깥에 더 이상 분자가 없으므로 안쪽에서 당기는 힘만 받는다. 그래서 표면의 분자들은 최대한 안쪽으로 모이고, 표면에는 표면장력이 생긴다. 물방울이 둥근 모양인 것은 둥근모양일 때 표면적이 가장 작기 때문이다.
물은 다른 액체에 비해 표면장력이 크고 물방울이 둥글수록 표면장력도 크다.
- 거미줄 원리
① 포획용 거미줄 집을 짓는 데엔 정전기 현상이 활용됐다. 털실 옷을 부비면 정전기가 쉽게 생기듯이, 거미는 뒷다리 털을 이용해 거미줄 가닥을 빗질하며 잡아당기며 정전기를 일으키고, 이 덕분에 거미줄 가닥은 “규칙적인 거리를 유지하며 거미줄은 털실 옷처럼 부풀어 오른다”는 것이다.
② 매우 가는 거미줄, 그리고 빗질을 이용한 정전기 덕분에 나노 거미줄은 강도와 점성을 더 높일 수 있다
- 공기 청정기에서 활용되는 미세 먼지 저감 기술
① 공기청정기는 흔히 필터방식이 일반적으로 사용되고 있다. 공기 속의 불순물이 필터에 걸러지는 과정에는 크게 네 가지 원리가 적용된다. 입자가 공기의 흐름을 따라 가다가 필터를 구성하는 섬유를 만나면 관성에 의해 필터에 충돌하면서 잡히는 관성효과, 작은 입자들이 공기의 흐름과 관계없이 자유롭게 움직이다가 필터의 섬유에 충돌하며 잡히는 확산 효과, 크기가 비교적 큰 입자들이 필터와 섬유사이에 끼는 차단효과와 공기흐름에 접근한 입자가 섬유와의 인력에 의해 잡히는 인력효과 등을 복합적으로 이용하여 불순물을 잘 걸러낸다.
② 필터방식 공기청정기는 단 하나의 필터를 이용하는 것이 아닌 여러 개의 필터를 이용한다. 우선 가장 큰 불순물을 걸러주는 프리필터, 전체먼지의 60%~90%를 걸러내는 중간필터를 지난다. 그다음은 미세한 먼지까지 걸러내는 헤파 필터를 지난다. 0.3μ
m의 입자를 1회 통과시켰을 때 99.97% 이상 제거한 다고 알려져 있다. 헤파 필터는 미국에서 방사성 먼지 를 제거하기 위해 개발되었다. 헤파 필터는 합성섬유 나 유리섬유를 종이처럼 아주 얇게 만든 다음, 그것에 주름을 잡는다.(표면적을 넓히기 위해서 이다.) 다음 단계의 필터까지 갖춘 제품도 있는데, 향균성 있는 나노입자를 사용하여 살균력을 강화하기도 하고, 활 성탄을 사용하여 냄새 입자를 제거하기도 한다.
③ 다른 방식의 공기청정기도 간단히 설명을 하자면 전지집진식 공기청정기는 먼지를 모으기 위해 필터에 강한 전하를 걸어준다. 이는 미세 입자가 전기를 띤 물체에 쉽게 달라붙는 성질을 이용한 것이다.
습식 공기청정기는 흡입한 공기를 물에 접촉시켜 공기 속의 오염물질을 물에 가라앉히는 원리이다.
최근 가습기 살균제의 안전성 문제가 대두되면서 공기청정기능은 물론 가습기능을 함께 갖추고 있는 습식 공기청정기인 <에어워셔>타입이 두각을 나타내고 있다.
○ 나노 자연 모방 기술을 활용한 제품 개발의 중요성
- 기존의 필터방식이나, 전자집진방식을 통한 미세먼지 절감기술은 일정시간이 지나면 필터를 교환해 주어야 하는데, 그렇지 않으면 성능은 떨어지고 오히려 더 공기가 나빠지는 경우도 있을 수 있다. 이를 필터의 2차 오염이라고 한다. 또, 필터방식에서는 필터표면에 걸려 있는 먼지에서 세균은 증식을 하고 공기와 함께 배출되는 경우까지 있어 2차 오염으로 인한 질병이 유발 될 수 도 있다.
- 현존하는 공학기술의 개선이나 나아가 새롭고 창조적인 기술의 개발을 위해 자연으로부터 배워 문제 해결방식을 찾는 융합기술이다. 자연을 이용하고 소비하는데 중점을 뒀던 기존 기술에 비해 현재 인류가 직면한 에너지 고갈, 환경오염, 생물의 멸종, 물 부족, 인류의 기아 등의 문제를 해결하고자 하는 지속가능 지향 미래기술이다.
- 나노 자연 모방기술을 활용한 미세 절감 기술은 필터 방식과 다르게 2차 오염에 대한 위험성을 줄이며, 자연 환경을 기능을 활용한 기술로서 기존의 기술에 비해 높은 효과와 오랜 수명을 기대할 수 있다.
□ 연구주제의 선정
○ 자연 모방기술을 활용한 미세먼지 절감 기술
- 미세먼지의 발생원인 중 하나는 자동차의 배기가스를 자동차가 해결할 효과적인 방안을 생각해 보았다.
- 자동차 휠은 자동차 바퀴나 브레이크로 인한 열을 배출하는 역할을 하는데 여기에 나노 거미줄을 응용한 나노섬유 필터를 도마뱀 발바닥의 접착력을 이용하여 탈부착할 수 있도록 나노섬유 필터를 붙인다.
- 이 자동차가 달리게 되면, 휠 중앙을 통해 빠져나가는 공기로 인해 미세먼지와 각종 유해성분이 나노 거미줄 같은 나노섬유 필터의 정전기에 의해 걸러진다. 또한, 휠에 작은 분사기를 장착하여 물이 자동차 바퀴의 회전수에 따라 분사된 물의 흡착력을 이용하여 나노섬유 필터에 붙어있는 미세먼지가 떨어져 나가지 않도록 고정하는 것을 도와준다.
- 이러한 기능들이 미세먼지를 제거하여 공기 정화에 도움을 주는 효과적인 방안이라고 생각한다.
○ 학생의 주도적 노력
- 미세먼지 측정 및 관련 내용 학습 : 광주광역시 기상청 방문
연구과제 수행을 위한 스터디 동아리 광주 기상청 방문
- 교내 STEAM 동호회 활동 지도교사의 지도 자문 실시(지도교사 : 봉O탁) - 효과적인 R&E를 진행하기 위핸 온라인 소통 SNS 실시 : 네이버 밴드 개설
○ 전문가 자문
- 고O석 교수님 자문 실시- 주요 자문 내용 : 생체 모방 기술 재현을 위한 재료 선정 안내, 생체 모방 기술 재현시 유의할점 제품 제작시 주요 구현 사항
□ 연구 방법
○ 나노 기술의 개념과, 우리 생활 속에 적용된 나노 기술에 대한 학습
- 고등학교 물리 및 생명 과학 교과서에서 관련 내용에 대한 심화 학습 실시한다.- 연잎 및 도마뱀 발바닥 등 생물체에서 활용되고 있는 나노 기술 연구를 실시한다.
① 실제 자연 모방 기술에 관련된 서적 탐구 및 관련 제품들의 기본 원리를 탐구 실시한다.
② 관련 제품을 직접 사용해 봄으로써 기본 원리를 깨우쳐 보는 기회를 가진다.
○ 미세먼지에 관한 탐구 및 미세먼지 예방 제품들의 분석 활동
- 미세먼지 관련 내용 탐구 및 미세 유발원을 찾아내고 직접 측정 실시한다.① 전남대학교 환경연구원의 협조를 얻어 미세먼지에 대한 측정 및 미세먼지 분석 실시한다.
- 나노 기술을 활용한 미세 먼지 제품 효과 분석 실시한다.
: 공기청정기, 빨래건조기
○ 나노 자연 모방기술을 활용한 미세 먼지 예방 방법 탐구
- 거미는 정전기를 이용한 거미줄로 먹이를 잡아 고정하고, 도마뱀은 발바닥의 섬모를 이용하여 벽에 붙을 수 있고, 물은 흡착력을 가지고 있다. 우리는 이러한 자연 모방 기술을 이용하여 미세먼지를 줄일 방안을 목표로 한다.
※ 전문가 자문 사항 : 바퀴에 생체모방 필터 장착 시 미세 먼지가 응집되는 힘과, 바퀴가 회전하면서 미세먼지가 떨어지려는 힘 중 어떤 것이 큰지 생각해볼 필요가 있음.
□ 연구 활동 및 과정 ○ 가설 설정
- 기존의 산업체, 실내 공기 청정기 등에 사용되는 다공성 필라멘트를 이용한 미세먼지 포집(흡입) 방식 나노 자연 모방 기술을 활용한 미세먼지 제거 방식의 단위 부피 및 시간당 제거 성능 비교함.
- 정전기와 흡착방식을 이용한 모델이 필라멘트 이용방식보다 미세먼지 제거에 효과적일 것이다.
- 거미는 정전기를 이용한 거미줄로 먹이를 잡아 고정하고, 도마뱀은 발바닥의 섬모를 이용하여 벽에 붙을 수 있고, 물은 흡착력을 가지고 있다. 우리는 이러한 자연 모방 기술을 이용하여 생활속에서 미세먼지를 줄일 방안을 목표로 한다.
○ 실험 설계 및 과정
1) 나노 기술의 개념과, 우리 생활 속에 적용된 나노 기술에 대한 학습 - 고등학교 물리 및 생명 과학 교과서에서 관련 내용에 대한 심화 학습 실시 - 연잎 및 도마뱀 발바닥 등 생물체에서 활용되고 있는 나노 기술 연구를 실시
(실제 자연 모방 기술에 관련된 서적 탐구 및 관련 제품들의 기본 원리를 탐구 실시)
각종 생체 모방기술 자료 수집 마인드 맵을 통한 연구과제 탐구
2) 미세먼지에 관한 탐구 및 미세먼지 예방 제품들의 분석 활동 - 미세먼지 관련 내용 탐구 및 미세 유발원을 찾아내고 직접 측정 실시
(동신대학교 재료공학과, 서영대학교 자동차 학과의 지원을 받아 실시)
- 생활속에 다양한 미세 먼지 절감 제품들을 효과를 실험해 보고, 관련 제품들의 과학적 원리를 탐색해봄 (나노 정수 필터, 나노, 미세 방충망, 나노 먼지 제거기, 자동차 에어컨 필터 등)
실험 장비 설계 미세 먼지 채집 장비
실제 미세먼지 측정 장면 미세먼지 채집장비로 미세먼지 측정
3) 생활속에서 활용할 수 있는 미세 먼지 절감 기술 개발
- 자연 모방 기술(나노 기술)을 활용하여 환경 오염 없는 미세 먼지 절감 필터 개발 (정전기 발생을 통한 미세 먼지 수집 기능 추가)
- 바퀴에 제품을 부착시켜줄 벨크로 위로 스타킹을 보호해줄 방충망 필터, 정전기를 일으키는 스타킹과 타조털, 벨크로 위로 나노섬유부착 방충망 필터 순으로 구성
미세먼지 절감 필터 설계도 필터 단면도 필터 정면도
- 재료 선정 : 정전기의 강도를 높이기 위해 정전기가 잘 발생하는 물질인 스타킹, 방충망, 타조털, 양모를 다양한 조합으로 섞어 실험 실시, 스타킹과 방충망 사이에 타조털 먼지떨이의 깃털을 붙여 회전시켰을 때 가장 정전기가 잘 발생하여 재료 선정
- 착안 원리 : 나노섬유필터와 스타킹 사이에 깃털을 회전시켜 정전기를 발생시킨 후 정전기로 주변의 미세먼지를 포집, 그 후 물을 뿌려 먼지를 바닥으로 떨어뜨려 호흡기로 들어가는 미세먼지 의양을 줄일 수 있음. 연잎 효과를 통해 물방울이 떨어지듯이 정전기 힘에 의해 필터에 붙어 있는 먼지를 물을 이용해 정화작용 실시
- 미세먼지를 발생시키는 자동차 바퀴 및 친환경 운송수단인 자전거 바퀴에 부착 시킬 수 있는 장치 개발
(바퀴 크기에 맞춰 필터를 제작실시 깃털과 스타킹의 마찰로 정전기를 발생시켜 대기의 미세먼지를 포집하는 역할을 실시)
필터 부착 모습1 필터 부착 모습2 필터 부착 모습3 - 실제 미세 먼지 절감 효과에 대한 실험 실시(서영대학교 자동차 학과 협조)
필터 부착후 실험1 필터 부착후 실험2
○ 시행착오 극복
- 자연 모방 기술에 대한 개념 및 나노 기술에 대한 개념 부족으로 인하여 미세 절감 장치의 구현에 있어 많은 어려움이 있었음.
- 다양한 문헌연구 및 토론을 통하여 미세 먼지에 집진에 대한 방법을 연구하였으며, 바퀴가 회전하였을 경우 생기는 원심력을 활용하여 정전기를 발생시키고 그것을 통해 미세 먼지를 집진 할 수 있는 방법에 대해 구상해 보았음.
3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과
○ 실험 결과
○ 실험에 사용된 생체 모방 기술
- 도마뱀 발바닥의 원리 : 도마뱀 발바닥의 접착력을 활용하여 집진된 미세먼지를 잡아두는 역할을 가짐.(게코 테이프를 사용)
- 거미줄의 원리 : 거미줄은 정전기가 발생시켜 공기 중의 미세 먼지를 정전기를 통해 집진 할 수 있는 역할을 가짐. 깃털과 스타킹의 마찰로 정전기를 발생시켜 대기의 미세먼지를 포집하는 역할을 실시(타조 깃털 사용+스타킹)
- 연잎 효과 : 집진된 전기는 미세한 물펌프를 활용하여 필터에 묻은 미세먼지를 물과 함께 쓸려 내려 갈 수 있도록 하여 반 영구적인 필터로서의 가능성을 확인, 물 펌프에서 나오는 얇은 물줄기 의 물의 응집력을 이용하여 필터 표면에 집진된 미세먼지가 물과 함께 쓸려 내려갈 수 있도록 함
- 벨크로 : 도꼬마리라는 식물의 가시가 동물의 털에 잘 붙기 위해 끝이 굽어있는 모양을 본 뜬 것 벨크로를 이용해 편리하게 탈부착식 제작
○ 연구 결론 제시
- 현재 미세 먼지를 제거하는 방식들은 대부분 필터를 통해 공기를 정화 시키는 방법들이 많은 데, 이러한 필터들은 단순히 대기 중에 있는 미세먼지를 강제적으로 집진 시키지 못하는 한계점이 있음.
- 이번 연구를 통해 자동차나, 자전거의 바퀴에 정전기 발생 장치를 부착하여 공기중의 미세 먼지를 강제적으로 집진하여, 필터를 통해 미세 먼지를 모을 수 있어 기존의 미세 먼지 제거 장치와의 차별성을 볼 수 있음.
- 특히 생체 모방기술(나노 기술)들을 활용하여 장치를 개발해 봄으로써 기존의 장비들과 다르게 친환경 필터로서 가능성을 보여 주고 있음.
- 기존의 미세 먼지 제품들 보다 우수한 성능을 보여 줌으로써 발전 가능성을 보임
- 특히 자전거 바퀴에 탈 부착식으로 제작하여 실외 어디든지 사용할 수 있어 미세 먼지 제거에 큰 역할을 할 것이라 기대됨
- 제품을 가동시키기 위해 전기 에너지를 쓸 필요가 없기에 에너지 절약에 효과적이며 편리하다는 점이며, 무공해 교통수단인 자전거의 사용으로 대기 오염도가 감소하여 환경오염이 되지 않음.
□ 시사점
○ 지금까지는 미세 먼지를 단순히 발생을 줄이는 방법에 많이 연구되고 있었음. 하지만 산업이 발달되는 과정에서 미세 먼지의 발생은 어쩔 수 없는 상황인 관계로 공기중에 발생한 미세 먼지들을 어떻게 하면 쉽게 집진하고, 제거 할 수 있는 방법에 대해서 많은 연구가 필요하다고 생각됨.
○ 이번 연구는 실제 공기 중에 있는 미세 먼지들을 생체 모방기술(나노 기술)을 활용하여 어떻게 하면 친환경적으로 줄여 볼 수 있을 지에 대한 연구로서 향후 미세 먼지 절감 방법에 대한 많은 고민이 필요함.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 학교내 홍보 활동 실시
○ 교내 학회 발표대회에서 연구 성과 발표 및 관련 활동을 3학년이 되어 지속적으로 실시 예정
○ 학교 축제기간 제품 전시 실시
○ 교지에 연구 논문을 게재하여 연구 결과를 알리고 전교생과 사후 연구 필요성을 공유하게 됨.
5. 참고문헌
science.dongascience.com 필터방식 공기청정기의 원리 강소윤 외(2015) 정전기와 물이 나가신다, 미세먼지 길을 비켜라!
김현숙(2015) 2015-학생-환경-정전기와 물을 이용한 미세먼지 제거 탐구 미세먼지란? - 보건환경연구원 www.ulsan.go.kr
봄철 미세먼지,황사 주의보 발령! 기관지/폐에 좋은 한방차 blog.naver.com 정전기 이용해 '나노 거미줄' 짓는 거미 rarabobo66.blog.me
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