Ⅰ 철보다 강한 섬유, 케블라의 변신

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고등학교 신소재

철보다 강한 섬유, 케블라의 변신

Ⅰ.문제로의 초대 1 차 시 문 제 로 의 초 대 3

Ⅱ. 문제 해결을 위한 활동

2 차 시

제 품 의 손 상 을 줄 이 는 방 법 8 3 차 시

4 차 시 신 소 재 케 블 라 이 해 하 기 13 5 차 시

케블라 휴대폰 케이스 만들기 16 6 차 시

7 차 시

Ⅲ. 문제 해결 평가 및 성찰

8 차 시

케블라를 이용한 신제품 설계 21 9 차 시

Ⅳ. 진로 탐색 1 0 차 시 신 소 재 관 련 직 업 탐 색 26

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Ⅰ ^. ^{문제로의 초대} ^1차시

 주제의 이해

_{ 학습 목표} _{ 생각 열기} _{ 관련 단원}

실로 집 짓기, 섬유로 총알 막기, 부러지지 않는 비행기 날개 등은 실제 우리가 경험하고 있는 세상

의 일들이다. 이들을 모두 가능하게 하 는 것이 신소재 개발 때문이다.

나무, 돌, 철, 플라스틱으로 이어진 인 류의 역사에서 새롭게 등장한 소재들은 무엇이며, 어떻게 활용되고 있는지 알아 볼 필요가 있다.

 학습 목표

 주제의 이해  생각 열기  관련 단원

þ 제품을 보호하는 방법에 대해 설명할 수 있다.

þ 케블라의 구조와 특성에 대해 설명할 수 있다.

þ 케블라를 이용하여 휴대폰 케이스를 만들 수 있다.

þ 케블라를 이용한 창의적인 제품 케이스를 설계할 수 있다.

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 관련 단원

 주제의 이해  학습 목표  생각 열기

2007 교육과정

Ÿ 과학 「물질」

Ÿ 화학1 「현대화학과 우리생활」

Ÿ 공학기술 「제조기술」

Ÿ 미술 「표현」

2009 교육과정

Ÿ 과학 「과학과 문명」

Ÿ 화학1 「아름다운 분자세계」

Ÿ 기술∙가정 「기술혁신과 설계」, 「미래 기술과 사회」

Ÿ 미술 「미술의 기능」, 「미술의 확장」

 생각 열기

 주제의 이해  학습 목표  관련 단원

http://www.globalwindow.org/wps/editor/ALL/2121889/img0003.jpg 철을 대신할 수 있는 섬유는 없을까?

자동차에서 사용중인 철을 모두 섬유로 바꾸면 어떨까?

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1차시 문제 상황 □^S□^TE

창의는 부모님으로부터 고등학교 입학선물로 스마트폰을 선물 받았다. 부모님이 사준 것이라는 것도 중요하지만 가격이 워낙 비 싸고 친구들로부터 A/S비용이 많이 든다는 이야기를 자주 들었던 터라 귀중하게 보관하였다. 그러던 중 신문에 다음과 같은 기사를 읽게 되었다.

우리가 늘 휴대하는 소형기기는 늘 파손 위험에 노출되어 있 다. 작고 가벼워 가지고 다니기 쉽지만 그만큼 어딘가에 부딪히 거나 떨어드릴 확률이 높다. 게다가 사고에 대비해 충격에 강한 설계로 만들어진 제품은 손에 꼽을 정도로 적기 때문에 사고는 대부분 파손으로 직결된다. 특히 최근 사용자가 빠르게 늘어난 스마트폰은 파손에 의한 타격이 크다. 기본 가격 자체가 기존 소 형기기보다 비싸며, 부품 중 비싼 편에 속하는 액정 화면이 많이 파손되기 때문이다. 게다가 다른 소형기기는 파손되면 다른 제품 을 구해 대신 사용할 수도 있지만 스마트폰은 전화를 받아야 하 기 때문에 고치거나 아예 기기를 바꾸기 전에는 대안이 없다. 이 때문에 스마트폰 사용자 중 상당수가 제품을 보호할 케이스나 보호 필름을 사용한다. 최근 각 제조사는 휴대폰의 파손을 획기 적으로 줄일 수 있는 여러 신기술을 선보였다. (이하생략)

[○○신문 ○○기자]

문제 제시 관련 자료 :

http://review.chosun.com/site/data/html_dir/2012/04/12/20120 41201481.html

신문 기사를 읽고난 뒤 창의는 자신의 휴대폰을 보호할 수 있는 케이스를 만들어야겠다고 생각했다. 하지만 무엇을 어떻게 만들어 야 할지를 몰랐다. 그래서 선생님께 신소재에 대해 질문하였고, 그 결과 제작에 필요한 정보를 얻을 수 있었다.

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1차시 도전 과제 □^S □^TE□^A

케블라 소재를 이용하여 휴대폰 또는 자신의 귀중한 제품을 보 호할 수 있는 케이스를 만들어보자.

1. 주어진 케블라를 이용하여 휴대폰 케이스를 만들어보자. [5-7차시]

2. 케블라를 적용하여 창의적인 제품 케이스를 설계하여보자. [8-9차시]

[예시 작품 설계]

케블라 케이스

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1차시 모둠 만들기 □^S □^TE□^A

1) 모둠명 정하기

2) 모둠 과제 확인하기

3) 모둠 조직 및 역할 정하기

학번 이름 역 할 모둠원1

모둠원2 모둠원3 모둠원4

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Ⅱ ^. 문제 해결을 위한 활동 ^2-7차시

2-3차시 제품 손상을 줄이는 방법? □^S □^TE□M

1. 휴대폰을 손상시키는 힘

최신 휴대폰이라 불리는 스마트폰은 가격, 크기에 비해 안전장 치가 매우 부족하다. 오히려 액정과 크기가 모두 커 떨어뜨리기 쉽다. 가격이 보통 50만원에서 100여만 원까지 하는 휴대폰이 파 손되어 A/S를 받는 사람이 많아지고 있다고 한다. 어떻게 하면 휴 대폰의 파손을 줄이거나 막을 수 있을까? 정답은 케이스에 있지 않을까?

[활동] 인터넷에서 다음의 내용을 조사하여 발표해 보자.

1) 휴대폰에서 많이 파손되는 부분이 무엇인지 조사해보자.

2) 휴대폰 파손의 원인이 무엇인지 조사해보자.

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3) 휴대폰을 손상시키는 힘에는 어떠한 것들이 있을까?

4) 마찰력, 강도, 경도, 운동량과 충격량 등의 다양한 힘의 정의 에 대해 조사하고, 휴대폰 사용 시 일어날 수 있는 상황을 조사해 보자.

종류 정의 휴대폰 사용 시

일어날 수 있는 상황

마찰력

강도

경도

운동량

&

충격량

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2. 힘에 따라 휴대폰을 보호하려면?

- 휴대폰을 손상시킬 가능성을 줄이고, 제품을 보호하기 위

한 방법을 마인드맵으로 작성해보자.

보호 방법

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문제해결정보 힘과 관련된 정보

❒ 마찰력

마찰력은 물체의 무게가 무 거우면, 즉 중력이 크면 더 크 다. 그러나 같은 무게를 가지 고 있더라도 마찰력은 접촉한 면이 거친지 매끄러운지 하는 성질에 따라 크기가 달라진다.

이런 내용을 계산식에서 반영하는 것이 마찰계수 이다. 이 마 찰계수 는 오직 면의 성질하고만 관계있고, 접촉면의 넓이나 물 체의 무게와는 무관하다.

  

(  마찰력   마찰계수   질량   중력가속도)

자료도움 ☞ 마찰계수의 의미와 마찰력의 계산 http://lsgn.com.ne.kr/him/machal.htm

❒ 강도

재료에 하중이 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 한다. 인장강도·압축강도·굽힘강도·비틀림강도 등이 있다. 인장강도는 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정하며, 압축강도는 짧은 기둥모양의 시료에 축방향으로 압축하 중을 가하여 측정한다. 비틀림강도는 둥근 기둥모양의 시료가 비 틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산에 의해 구한다.

강도 | 두산백과

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❒ 경도

어떤 일정한 압입체를 일정한 하중으로 재료의 표면을 압입하였 을 때 그 재료가 나타내는 국부적인 저항이다.

<브리넬 경도 시험>

- 브리넬 경도 시험 -

강구(steel ball)를 사용하여 시험편에 구상의 압입 자국을 만들었을 때, 작용하중을 압입 자국의 직경으로부터 구한 압입 자국의 표면적으로 나눈 값을 산출하는 시험 방법이다.

브리넬 경도(_) = 작용하중( )/ 부표면적(^) = 

 ^

❒ 운동량과 충격량

충격량이란 물체의 어떤 시간 동안 운동량의 변화를 말하며 힘과 시간을 곱한 벡터양으로 나타내고, 운동량이란 물체의 질량과 속 도의 곱으로 정의되는 벡터양이다.

충격량과 운동량의 수학적 표현은 ․     _이고, ․ 항 을 충력량(Impulse)이라 하고,   _항을 운동량(Momentim) 이라 한다.

자료도움 ☞ 항공우주항공교육원

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4차시 케블라 이해하기 □^S□^TE

1. 케블라는?

일반적으로 섬유혁명이라고 하면 미국 듀폰사에서 개발한 나일 론 합성섬유에서 시작되었다고 하지만, 곧 이어 개발된 아라미드 라는 탄소섬유를 개발하여 케블라로 상용화시키면서 섬유혁명이 완성되었다고 하는 학자들이 많습니다. 5mm정도 굵기로 2톤의 물 건을 들어올릴 수 있을 정도의 막강한 힘을 가진 섬유, 바로 케블 라입니다. (내셔널지오그래픽 2003년 1월호 특집기사)

[활동] 인터넷에서 다음의 내용을 조사하여 발표해 보자.

1. 아라미드 섬유란?

2. 케블라의 화학구조는?

자료도움 ☞ 케블라의 분자구조.

http://www.kenima.co.kr/cgi-bin/technote6/board.php?board=tec

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3) 케블라의 특성을 조사하여 작성해보자.

자료도움 ☞ 케블라의 유래와 특성.

http://123rere.com/yulrinmadang/main5_read.asp?idx=40731&p age=0&group=&field=&words=

4) 케블라의 사용 예시를 조사하여 마인드맵으로 그려보자.

케블라 이용

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거미줄 실크의 단백질 구조

이미지출처

http://www.trendhunter.com/trends/

artificial-spider-silk-ultra-strong-fib ers-made-from-proteins-instead-of- sp

쉬어 가기

스파이더맨의 비밀

❒ 인공 거미줄의 탄생

스파이더맨에 등장하는 거 미줄은 인간의 체중에 몇십 배를 견딜 수 있도록 되어있 다. 실제로 그런 거미줄을 만드는 것은 불가능하였으 나, 최근 와이오밍 대학교 연구팀이 미공군 과학연구소 의 지원을 받아 바이오테크 를 이용하여 인공 거미줄을 만드는 방법을 개발하였다고 한다.

인공 거미줄을 만들기 위해 인공 거미줄 유전자를 박테 리아에 주입하였고, 박테리

아는 여기서 일종의 단백질을 만들어냈다. 이 단백질로 섬유 (fiber)를 만들면 최상의 실크가 만들어진다고 한다.

또한 염소젖에서 파생된 단백질을 이용하여 군용 경량 방탄조끼 를 만들 수 있으며, 이 단백질 섬유로 낙하산, 인공 인대 등을 만 드는 것이 가능하다고 하였다. 이 거미줄 실크가 케블라보다 질기 고 나일론보다 탄생이 높다고 한다.

출처 http://blog.naver.com/seonko?Redirect=Log&logNo=90028972684

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① 케블라섬유와 나무도막을 ② 케이스의 원형이 되는 휴대폰을

5-7차시 케블라로 핸드폰 케이스 만들기 □^S□^TE

1. 케블라로 제품을 어떻게 만들까?

케블라는 질기고 튼튼한 섬유이다. 하지만 매우 얇기 때문에 제품 으로 만들기에 어려움이 있다. 또한 화학적 구조가 매우 단단하기 때문에 결합하여 만들기가 쉽지 않다. 따라서 원하는 제품으로 만들 기 위해서는 가공 및 접착방법을 알아야 한다.

이 단원에서는 케블라를 이용하여 핸드폰 케이스를 직접 만들어봄 으로써 케블라의 특성을 이해하고 제품을 만들 수 있는 방법을 체 험할 수 있다.

[활동] 다음 사진을 보고 케블라 휴대폰 케이스를 만들어보자.

준비물 : 에폭시 20cm＊15m 2장, 에폭시(주제와 경화제 포 함) 50ml, 칼, 자, 가위, 나무도막(휴대폰 크기), 비닐 랩, 아이 스크림막대1개, 타이머, 종이호일, 전기테이프, 플라스틱 접시 1개 등

자료출처 :

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kwonjoon00&logNo=201 48981546

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③준비된 나무를 휴대폰 쪽에 붙이고 비닐로 씌운다.

④ 에폭시를 준비한다.

(주제와 경화제 2g : 0.8g의 비율로 혼합)

⑤접착제를 희석한다.

(시간에 따라 경화정도가 달라지기 때문에 유의해야한다.)

⑥나무도막을 덮고 남을 만큼 케블라를 잘라 준비해놓고, 케블라

천에 에폭시를 바른다.

⑦ 이때 두 장을 직각으로 겹치도록 바르고, 이때 기포가 생기지 않도록

유의한다.

⑧ 에폭시에 적신 케블라를 휴대폰에 감싼다. 이때 주름이지지

않도록 팽팽하게 잘 당긴다.

(20)

⑨휴대폰과 나무토막이 움직이지 않도록 꽁꽁 테이프로 고정한다.

이때 케블라에 직접 테이프를 붙이지 않고, 포장재와 같은 것으로

덧댄 다음 고정한다.

⑩ 케블라가 휴대폰 모양으로 구부러질 수 있도록 전면을 모두

감싸고 기다린다.

(최대강도 24시간, 최소 3-4시간)

⑪ 케이스를 분리하고, 테두리를 가위로 정리한다.

⑫원하는 부분을 표시하고, 칼로 잘라낸다.

⑬휴대폰에 케이스를 끼우고

문제점을 보완한다. ⑭최종 작품 완성

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2. 테스트 해보기

케블라 케이스에 흠집을 내어보자. 볼펜, 송곳, 못, 칼 등으로 긁어 보도록 한다. 그 결과를 정리해보자.

3. 만드는 과정에서 어려웠던 점과 유의해야할 사항

케블라의 특성을 직접 적용해보는 과정에서 시행착오를 통해 배운 내용을 정리해 본다.

① 어려웠던 부분

② 관련 제품을 만들 때 고려해야할 사항

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문제해결정보 케블라로 만들어진 배

❒ 가볍고 튼튼한 카누

목재로 만들어진 카누가 케블라로 대체된다면 어떨까? 실제로 많 은 카누가 케블라로 제작되고 있다. 또한 직접 카누를 제작하는 사람들이 많아지고 있다고 한다. 관련 동영상을 보면서 케블라의 적용방안과 이용 사례를 살펴보자.

☞ 동영상 출처 :

http://www.youtube.com/watch?v=_TWvxiu0SRU

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Ⅲ ^. 문제 해결 평가 및 성찰 ^8-9차시

8-9차시 케블라를 이용한 신제품 설계 □^S □^TE□^A

1. 케블라를 이용한 제품을 직접 디자인하여보자.

① 케블라의 특성에 부합하는 제품이 무엇이 있을지 적어보자.

② 제품을 선정하여보자. 제품을 선정한 다음 선정 이유를 간단히 작성해보자.

③ 제품 관련 정보를 수집하자.

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④ 제품에 케블라를 적용할 방안을 글이나 스케치로 표현해보자.

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⑤ 최적의 아이디어를 선정하여 보자.

⑥ 아이디어를 적용하여 최종적인 설계도를 그려보자.

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⑦ 설계도를 발표하여 보자.

- 발표시간은 3분이며, KISS(Keep It Simple & Short)의 원리 에 맞추어 핵심내용을 전달하도록 노력한다.

발표내용의 핵심 정리

⑧ 다른 팀의 의견을 정리해보고, 아이디어에서 보완해야할 점을 기록하자.

⑨ 프로그램 전체 과정에서 배운 점, 느낀 점 등을 서술하여보자.

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문제해결정보 케블라를 이용한 신제품 설계

[체계적설계과정(Brian S. Thompson, 1997)]

[종이비행기의 설계(Brian S. Thompson, 1997)]

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Ⅳ. 신소재 관련 직업탐색 ^10차시

자료도움 ☞ Career Net

섬유 공학 기술자

공학기술을 이용하여 식물섬 유, 동물섬유, 합성섬유 등의 성 질, 기원, 사용, 개량, 가공처리 방법 등을 설계, 연구한다.

재료 공학 기술자

산업에서 사용하고 있는 금속 및 비금속재료를 가공•처리하여 제조 하는 일련의 제조공정을 연구•개발 및 기술을 지휘•감독한다.

금속 공학 기술자

금속 재료를 연구하고 개발하 여 생산부터 활용에 이르기까지 공학적 원리를 적용한다. 특정 목적에 사용되는 합금 재료를 연구개발하기도 하며, 금속제조 업체에 종사하면서 특정 금속재 료나 금속제품을 생산하는 작업 을 담당하기도 한다.

금속 가공장치 조작원

광석의 불순물을 제거하고 제 련, 정련하여 제철, 제강 등의 생산하는 장치를 조작하는 일을 담당한다.

[케블라를 입힌 재규어]

☞ 그림 출처 [구글 이미지]

반도체공학기술자

냉장고, 텔레비전, 세탁기 등의 가전제품과 의료기기, 컴퓨터, 휴대폰 등 전자제품에 사용되는 반도체의 기술적 성능을 개선하 거나 새로운 기능과 성능을 갖 춘 반도체를 개발한다.

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★ 신소재와 관련된 분야의 직업을 하나 선택하고, 그 분야에서 종 사하고 계신 분들을 대상으로 다음 내용을 조사하여 발표해 보자.

(인터넷이나 신문, 서적을 참고하여 작성 가능)

선택 직업 :

1. 왜 이 직업을 선택하였나?

2. 구체적으로 하는 일은 무엇인가?

3. 일을 하면서 즐거웠거나 힘들었던 기억은?

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4. 앞으로의 전망은?

5. 같은 직업을 희망하는 학생은 무엇을 준비해야 하나?

6. 같은 직업을 희망하는 학생에게 하고 싶은 말은 무엇인가?