< 연구 결과요약서 >

< 연구 결과요약서 >

소속학 교 시흥 매화고 등학교 책임 지도교사 연O 흠 공 동 지 도 교 사 강O 화

참여학 생 함O주,이O 준,문O수 , 김O기

과 제 명 왁스웜(wax-worm)에 의한 폴리에틸렌 분해의 최적 환경 분석

연구목표

1. 왁스웜을 이용하여 비닐을 분해하는 최적의 환경을 조성할 수 있다.

2. 비닐을 분해한 왁스웜의 배설물이 생명체에 끼치는 영향을 파악할 수 있다.

3. 왁스웜의 현탁액으로 비닐, 스티로폼 등 폴리에틸렌을 분해할 수 있다.

연구내용

1. 왁스웜 사육장 제작

가. Fusion 360을 이용해 사육장 설계도를 제작 한다 나. 2t 아크릴 판을 레이저 커팅기로 자른 후 이어 붙인다.

다. 아크릴 상자에 펠티어 소자, 방열판, 팬, 가습기모듈, 릴레이모듈, Aduino uno 등을 부착한다.

2. 온도 및 습도에 따른 왁스웜의 비닐 분해량 관찰 가. 왁스웜 75마리를 3군으로 나눈다.

나. 각 군을 25℃, 29℃, 33℃인 공간에 나눠 담는다.

다. 일주일간 24시간 마다 왁스웜이 비닐을 얼마나 분해하였는지 관찰 기록한다.

3. 먹이에 따른 왁스웜의 증체량 및 폐사율 비교

가. 왁스웜 50마리를 2군으로 나눠 29℃인 공간에 둔다.

나. 한쪽 군에는 밀기울을 사료로 주고 나머지 한쪽 군에는 비닐을 사료로 준다.

다. 일주일간 24시간 마다 사료에 따른 왁스웜의 증체량 및 폐사율을 관찰 기록한다.

4. 먹이에 따른 왁스웜의 배설물이 식물의 생장에 미치는 영향 탐구

가. 밀기울을 먹은 왁스웜의 배설물 3g과 비닐을 먹은 왁스웜의 배설물 3g을 증류수에 희석 시킨다.

나. 두 페트리접시에 거름종이를 깔고 각각의 왁스웜 배설물 희석액을 부어준다.

다. 페트리접시 위에 강낭콩 10개를 올려두고 일주일간 24시간 마다 발아시기와 새싹의 길이를 관찰 기록한다.

5. 왁스웜 현탁액을 이용한 폴리에틸렌 분해

가. 왁스웜 장내 물질 현탁액을 원심분리기에 1100rpm으로 10분간 돌려 왁스웜 껍질이 가라앉게 한다.

나. 원심분리기에 돌린 현탁액의 중층액(상층액)을 뽑아낸다.

다. 침전물은 따로 빼내어 LB 배지에 희석한다.

라. 현탁액에 비닐, 스티로폼, 미세플라스틱을 각각 넣고 일주일후 비닐, 스티로폼, 미세플라스틱의 변화를 관찰 기록한다.

연구성과

왁스웜 사육장 제작 가. 기기 작동 확인

- 가습기 모듈, 펠티어 소자는 정상 작동하는 것을 확인하였으나, 팬은 아두이노

에서 흘리는 전류가 약해 작동하지 않았다. 때문에 외부 전원을 이용하여 제어하기 로 하였다. 펠티어 소자 또한 아두이노에서 작동하지 않았고 외부전압 사용 시 에도 온도 조절 속도가 늦고 효율이 떨어져 사육장에 사용하기엔 부적합하다는 것을 알았다. 때문에 방열판의 크기를 키우고 팬을 추가로 연결해 펠티어 소자의 효율을 높였다.

그림 1 펠티어 소자의 고온부 그림 2 펠티어 소자의 저온부 그림 3 . 제작품들

나. 사육장 몸체 설계 및 제작

- 처음에는 펠티어 소자의 위치가 사육장 옆면에 위치하게 설계하였지만, 펠티어 소자에 방열판과 팬을 추가로 부착함에 따라 위치를 사육장의 윗면으로 바꾸었다.

그림 4 구상한 사육장

그림 5 초기 사육장 설계도

그림 6 수정한 사육장 설계도

다. 사육장 환경 제어 1) 사육장 온도 제어

- 처음에는 On/Off식 제어를 시도하였다. 하지만 냉각 혹은 발열 중 한 가지만 가능하기 때문에 온도에 제어가 제대로 이루어지지 않았고, 이를 보완하기 위해 H-bridge 방식의 회로를 이용하였다.

그림 7 On/Off식 회로

그림 8 H-bridge 회로

- 점퍼 와이어의 저항이 커 외부전원에서 출력하는 전류로 인해 전선에서의 발열현상이 심해 저항이 적은 코팅을 벗긴 애나멜 동선과 집게전선으로 대체하여 H-bridge 회로를 다시 구성하였다.

- 사육장 온도가 목표치보다 낮으면, 사육장 쪽의 펠티어 소자를 뜨겁게 하고, 반대의 경우에는 펠티어 소자를 차갑게 하도록 제어했다. 그 결과 온도가 상승하는 폭이 너무 크다는 것을 알게 되었고, 이를 보완하기 위해서, 알고리즘을 수정하게

되었다.

- 목표치 온도의 ±0.5℃ 범위에서는 펠티어 소자를 작동시키지 않도록 했다.

작동결과 온도가 내려갈 때, 목표치에서 거의 벗어나지 않게 되었지만, 온도가 올라갈 때는 마찬가지로 많이 올라가 추가로 보완이 필요하다.

라. 사육장 시스템 제어

- Prota OS를 바탕으로 라즈베리파이3를 이용하여 실시간으로 사육장을 제어할 수 있는 방안을 만들었다.

그림 9 uno와 라즈베리파이를 장착한 사육장 모습

주요어

(Key words) 왁스웜, 폴리에틸렌, 비닐

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구동기

○ 쏟아져 나오는 비닐, 대책은?

- 비닐은 플라스틱 필름 포장재를 일컫는 말로 석유를 가공해서 만드는 플라스틱의 한 종류인 폴리에틸렌을 주성분으로 만들어진다. 비닐은 잘 찢어지지도 않고 물과 공기를 통과 시키지 않아 일상생활에서 유용하게 사용되고 있다. 비닐은 1977년 미국에서 샌드위치를 포장하기 위해 만들어 졌으며 값이 한매 당 1센트 정도로 싸고 나무 등을 사용하지 않고 만들 수 있어 친환경적이고 경제적인 물건으로 생각되었다. 하지만 오늘날 비닐은 환경오염 을 유발하는 공해성 물질로 여겨지고 있다. 여전히 경제적인 물건이기는 하지만, 비닐은 썩는데 약 500년이 넘게 걸린다는 것이 정설이며, 환경적으로도 악영향을 끼치고 있다. 비닐 을 처리하기 위해 불로 태우면 유전 가능한 1급 발암물질로 규정된 다이옥신을 만들어 내는데, 다이옥신이 공기 중에서 떠돌아다니다 수증기와 결합하여 비가 되면 강이나 바다, 땅으로 떨어져 수질과 토양을 오염시킨다. 이 다이옥신은 동물이나 식물에게 영향을 주게 되며 사람에게 까지도 영향을 미친다. 다이옥신은 물에 잘 녹지 않는 성질이 있어서 소변이나 배설물로는 잘 빠져나가지 않으며, 반면 지방에는 잘 녹기 때문에 사람이나 동물의 지방조직 에 쌓이게 된다. 비닐을 태우지 않고 처리하는 방법으로는 땅에 묻는 방법이 있다. 하지만 이 때 비닐은 500년이 넘는 썩는 기간 동안 환경호르몬을 배출시켜 토양을 오염시킬 수 있다. 또한 비닐의 문제점으로는 만들 때에도 석유가 많이 필요하다는 점이 있는데, 이는 석유고갈문제를 촉진시키고 있으며 만들어지는 과정에서 온실가스도 배출해 지구온난화를 심화시키기도 한다. 이런 문제를 해결하기 위해 사람들은 쌀이나 녹말로 비닐을 만들어 자연 속에서 세균의 먹이가 될 수 있게 하고 있지만 만들기 힘들고 비싸다는 경제적 문제에 부딪혀 사용률이 저조하다. 때문에 비닐봉지를 친환경적으로 만들거나 소거하는 방안 마련이 시급한 상황이다.

[그림 10] HD 비닐 그림 11 태평양 쓰레기섬

○ 왁스웜, 비닐을 분해하다!

- 왁스웜은 명나방과에 속하는 벌집 나방의 애벌레로 주로 먹이용으로 판매 된다. 미국에 서는 귀뚜라미, 밀웜 다음으로 흔하게 구할 수 있는 먹이용 곤충으로 그중 가장 높은 지방함량

을 가져 마른 개체를 살찌우는데 급여하는 경우가 많다. 왁스웜은 건조중량을 기준으로 지방함량이 46.4%, 그램당 열량은 약7kcal에 달하는데 모든 식용곤충 중 최고수준이다. 왁스 웜은 다른 식용곤충과는 다르게 왁스웜의 먹이 없이도 저온에서 상당한 기간을 버틸 수 있는 능력을 가지고 있다. 그래서 몇 주 이상을 냉장고 정도의 기온에서 아무것도 먹지 않고 버틸 수 있다. 최근 왁스웜의 폴리에틸렌 분해 능력을 가진 사실이 드러나면서 플라스틱 으로 인한 환경오염을 처리할 수 있다는 가능성을 가져 밀웜과 더불어 환경문제를 처리 할 수 있는 곤충으로 각광받고 있다. CSIC의 페데리카 베르토치니(Federica Bertocchini) 박사는 왁스웜 100마리가 12시간당 폴리에틸렌을 92mg을 분해하는 것을 확인하였다고도 한다. 폴리에틸렌은 왁스웜에 의해 알코올의 일종인 에틸렌글리콜로 변형된다고 한다.

그림 12 왁스웜 그림 13 벌집나방 그림 14 에틸렌글리콜

□ 연구목적

○ 왁스웜을 이용하여 비닐을 분해하는 최적의 환경을 조성할 수 있다.

○ 비닐을 분해한 왁스웜의 배설물이 생명체에 끼치는 영향을 파악할 수 있다.

○ 왁스웜의 현탁액으로 비닐, 스티로폼 등 폴리에틸렌을 분해할 수 있다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 비닐을 분해하는 벌레

- 비닐으로 인한 많은 피해에 대해 접하게 되고 비닐을 처리하는 방안을 모색하던 중, The Science Times에서 왁스웜이 비닐봉지를 먹는다는 기사를 접하게 되었다. 베르토 니치 박사는 부업으로 양봉업을 하던 도중 벌집에서 밀랍을 갉아먹는 왁스웜을 비닐봉지 에 담아두었더니 왁스웜이 비닐봉지를 갉아먹는 것을 관찰할 수 있었다. 베르토니치 박사는 이를 이상하게 여겨 왁스웜을 데려와 정밀하게 관찰하기 실험하였다. 그 결과 왁스웜100마리가 12시간동안 92mg을 분해하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 베르토니치 박사의 선행연구를 이어받아 후속연구 차원에서 실험을 진행하고자 한다.

그림 15 비닐을 분해하는 왁스웜

○ 생물 동아리 활동을 통한 웜(worm)에 대한 꾸준한 연구

- 생물 환경 동아리 활동을 통해서 선후배의 관계를 유지하며 3년 동안 밀웜, 슈퍼웜에 대한 연구를 꾸준히 수행한 결과 여름철 실내 온도가 30℃이상 상승할 경우 웜의 생체량 이 급격히 감소하고, 말라 죽거나 폐사하는 것을 볼 수 있었다. 특히 2016년에는 여름철 이상 고온 현상이 나타나는 날짜가 증가하고 습도가 높게 유지되어 더욱 큰 변화를 관찰할 수 있었다. 엄화선 등의 연구 결과를 보더라도 온도가 상승함에 따라 밀웜의 증체량이 감소하고 폐사율이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 동일한 습도의 상태에서 약 23℃가 밀웜의 사육 온도에 적합하다고 한다.

그래프 1 온도에 따른 증체량과 폐사율

- 따라서 자연스럽게 폴리에틸렌을 분해할 수 있다는 왁스웜에 대해서 관심을 갖게 되었 으며, 이러한 왁스웜의 폴리에틸렌 분해에서 최적의 환경을 찾아보는 연구가 미비한 것을 확인하고 이러한 환경을 제시하고 아두이노를 통해서 단열과 습도유지를 적절히 할 수 있는 환경을 조성해보고자 하였다.

○ 관련 선행연구 조사 순번 저자명 발표

년도 주제 내용

1 김서연 2017

밀웜의 스티로폼 분해 능력을 증가시키기 위한 밀기울(먹이) 혼합 스티로폼에 대한 탐구 및

효과연구

밀웜이나 곤충들이 좋아하는 먹이성분을 혼합한 새로운

스티로폼을 만든다면 자연환경에서 더 잘 분해되거나

○ 김서연의 연구에 따르면 밀웜이 스티로폼을 먹어도 성장에는 지장이 없었고 밀웜의 분해 능력을 증가시키기 위해 만든 밀기울 혼합스티로폼을 제작하여 곰팡이 생성과 보온 성 실험으로 기존의 스티로폼을 대체할 수 있는지 탐구했으며 밀웜이나 곤충에 의해 분해되어 실제 토양에서 식물생장에 도움이 되는지를 밀웜의 분변에서 추출한 미생물과 토양미생물을 배양한 것에 배추씨를 자라게 해 식물생장에 도움이 되는지를 탐구했다.

○ 임우열 등의 연구에 따르면 밀웜의 스티로폼 분해 사실 및 스티로폼 분해결과물인 배설물 이 무해하다는 연구결과를 직접 탐구하여 밀웜의 본 먹이인 밀기울과 스티로폼을 비교하 여 관찰해보고, 각각의 배설물을 실제 식물 재배 등에 적용하였을 때 어떤 변화가 있는지를 실험했다.

○ 아두이노(Arduino)

- 아두이노는 오픈 소스를 기반으로 하는 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 말한다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 외부환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 아두이노는 80286PC(16MHz) 정도의 속도로 동작하는 컴퓨터라 할 수 있다. 메모리나 저장공간, 입출력 장치가 매우 제 한적이거나 없는 대신 다른 LED, 모터, 입력장치, 출력장치 등등을 제어하는데 특 화되어 있다. 또한 아두이노는 자신의 설계도가 모든 공개되어 있는 오픈 하드웨어 이다. 아두이노는 크게 정식 아두이노 보드와 아두이노 호환 보드로 구분할 수 있 덜 유해한 것으로 만들 수 있음.

2 임우열 2016 밀웜의 스티로폼 분해과정에 관한 탐구

밀웜이 스티로폼을 분해시킬 수 있다는 연구결과를 발표했고

이를 토대로 연구함

3 . 2016 밀웜 장내 박테리아의 해양 쓰레기 분해 연구

밀웜 장내 박테리아의 스티로폼 분해 여부와 해양 환경에서의 적응 여부에 대해 연구하고, 전 세계의 해양 생태계와 안전성에

악영향을

끼치는 해양 쓰레기의 효과적인 처리 방안을 모색

4 . 2016 밀웜의 스티로폼 분해 작용의 최적조건 탐색

애벌레를 이용한 플라스틱 분해 세균 연구로 밀웜, 슈퍼 밀

웜등의 애벌레와 항생제들을 이용하여, 스티로폼 분해능의

변화를 관찰함

는데 정식 아두이노 보드는 공식 사이트인 arduino.cc 에 기술된 보드를 말한다. 아 두이노 보드의 설계도를 참조해서 똑같이 만든 보드 혹은 변형을 가해 특별한 기능 을 더한 보드이 존재하는데 이런 보드를 아두이노 호환 보드라고 한다. 아두이노와 100% 호환이 되는 보드의 경우 아두이노 개발환경을 그대로 사용할 수 있고, 변형 된 보드의 경우에는 몇 가지 우회적인 방법을 통해 사용이 가능하다. 현재는 아두 이노 uno보드가 가장 표준적이고 인터넷에 올라와있는 대부분의 강의들과 회로도, 설계도들은 uno보드를 기준으로 만들어져 있다

그림 17 아두이노 uno

○ 단열재

- 보온을 하거나 열을 차단하는 목적으로 쓰는 재료로 단열재에는 열전도 자체를 막는 저항형 단열재와 고체물질을 열전도율이 낮은 기체로 부풀려 작은 폼으로 고 정시켜 대류를 막는 기체 덩어리로 단열하는 세포형 단열재, 한여름 태양빛이 내리 쬐는 옥상에 거울을 가져다 놓아서 태양광이라는 열유입을 차단하는 반사형 단열 재, 일교차가 크게 나타나는 사막 등지의 지역에서 쓰는 것으로 건축재 자체가 열 용량이 커서 시간지연효과를 목표로 삼는 용량형 단열재, 심지를 넣고 공기를 뺀 다음 메탈이나 합성수지 시트로 보강한 판형태의 진공형 단열재로 나누어진다.

□ 연구주제의 선정

○ 지속가능발전 교육 중 확인한 화석연료 사용으로 인한 환경오염

- 지속가능발전 교육 중 화석연료를 사용함에 따라 발생하는 환경오염이 심각하다는 사실을 접하게 되었다. 화석연료를 사용하는 과정에서 심각한 대기오염이 발생하고 석유 를 이용해 다른 제품을 만들 때 에도 온실가스가 방출되며 만들어진 제품이 소각 시 발생하는 오염물질로 인해 소각에도 큰 어려움을 겪고 있다. 비닐을 불에 태워 소각하게 되면 다이옥신이라는 1급 발암물질이 발생되어 공기를 순환하며 생물체에 악영향을 끼치 게 된다. 그렇다고 땅에 묻게 되면 환경호르몬을 배출시켜 토양을 오염시키고 주변 생물체 에 영향을 끼치게 된다. 지속가능발전 교육을 통해 비닐을 친환경적으로 소각하는 방안에 대한 중요성을 인식하게 되었고 친환경적인 비닐봉지의 처리방안을 생각해보게 되었다.

그림 18 비닐 생산량 및 생산 시 배출·사용되는 석유와 CO2

-

□ 연구 방법

○ 시범 실험

가설 : 왁스웜이 29℃에서 비닐봉지를 가장 잘 분해할 것이다.

- 왁스웜이 먹이를 가장 잘 섭취하는 온도가 29℃라고 한다. 이는 왁스웜이 가장 살기 좋 은 환경이란 뜻으로 정의되며 이와 마찬가지로 29℃에서 비닐봉지를 가장 잘 분해할 것 이라 생각했다.

- 실험 설계

1) 온도를 조절할 수 있는 사육장을 아두이노를 이용하여 만든다.

2) 1)에서 제작한 상자에 HD비닐을 깔아준다.

3) 사육장 내부 온도를 26~28℃, 28~30℃, 30~31℃로 설정한다.

4) 사육장 내부 습도를 45~55%로 설정한다.

5) 사육장의 비닐 내부에 왁스웜을 각각 25마리씩 넣어준다.

6) 12시간동안 비닐을 얼마나 분해하는지 관찰 및 기록한다.

- 실험 내용

1) 온도를 조절할 수 있는 사육장을 아두이노를 이용하여 만든다.

가로세로높이 25cm인 아크릴 상자에 아두이노 보드를 기반으로 온습도 센서, LCD 디스플레이모듈, 릴레이모듈, DC모터, 면상발열체, 가습기를 이용하여 온도와 습도를 조절할 수 있도록 하는 장치를 제작하여 부착한다.

그림 19 아두이노 회로 연결

명칭 사진 역할 온습도 센서모듈

온도와 습도를 측정하여 메인보드로 보낸다. 이를 통해 온도가 올랐거나

내려갔을 경우를 판단한다.

LCD디스플레이 모듈 온습도센서 모듈이 메인보드로 보낸

값을 LED를 통하여 출력한다.

릴레이모듈

DC모터와 PTC발열체, 가습기를 온도의 변화와 습도의 변화를 판단하여 각

상황에 맞게 전류를 흘려보낸다.

DC모터 온도를 낮추는 용도로 릴레이 모듈이

흘리는 전류를 통해 동작한다.

ptc발열체 온도를 올리는 용도로 릴레이 모듈이

흘리는 전류를 통해 동작한다.

가습기 습도를 올리는 용도로 릴레이 모듈이

흘리는 전류를 통해 동작한다.

2) 1)에서 제작한 상자에 비닐을 깔고 사육장 내부 온도를 26~28℃, 28~30℃, 30~3 1℃로 설정한다.

그림 26 아두이노 코딩 값

3) 사육장 내부 온도를 45~55%로 설정한다.

그림 27 아두이노 코딩 값 입력과 그에 따른 각각의 온도와 습도

4) 상자의 비닐 내부에 왁스웜을 각각 25마리씩 넣어준다. 도중에 번데기가 된 개체 는 따로 분류하여 놓았고 남은 개체들로만 실험을 하였다.

그림 28 왁스웜 분류작업

5) 12시간동안 비닐을 얼마나 분해하였는지 관찰한다. 비닐이 줄어든 양은 mg단위로 미세하므로 학교에 있는 저울로는 측정할 수 없어 도화지로 무게를 측정하고 비닐과 의 비례식을 세워 측정하기로 하였다. 10*10cm의 종이와 동일한 면적의 비닐의 무 게를 재었다. 비례식은 1.58:0.093=종이무게:비닐무게 이다.

그림 29 10*10cm의 비닐 무게

그림 30 10*10cm의 비닐 무게

그림 31 왁스웜이 분해한 비닐면적 을 종이면적으로 옮기는 과정

그림 32 왁스웜이 플라스틱 용기를 분 해한 질량

- 실험 결과

1) 왁스웜이 분해한 플라스틱 용기의 양 : 왁스웜이 폴리에틸렌으로 이루어진 플라스 틱 용기를 0.1g을 분해한 것을 확인했다.

생체량(g) 온도(℃)

실험 전 실험 후 증가량

26∼28℃ 8.37 9.50 1.13 28∼30℃ 8.29 9.37 1.08 30∼31℃ 8.50 9.10 0.60

그림 33 온도에 따른 왁스웜이 분해한 비닐의 양

○ 연구에서의 시행착오

- 처음 진행하는 연구였던 만큼 연구를 진행하는 과정에서 많은 시행착오를 겪었다.

우리가 사용한 사육장의 크기는 25cm*25cm*25cm인 사육장을 사용했는데 왁스웜에

비해 크기가 매우 커서 비효율적이었고 내부 온도를 통제하기에도 힘들어 사육장 내부의 오차범위가 매우 컸을 것으로 생각된다. 실험에서 비닐봉지의 양을 재는데 사용한 저울은 1/100g까지 측정이 가능했지만 연구진행시 측정할 데이터의 범위는 그 아래의 값이라 분해한 비닐의 면적을 종이에 옮겨 종이의 무게를 측정하고 비례식을 이용해 다시 비닐의 무게로 돌리는 방법을 사용해 비닐의 무게를 측정하였다. 비닐의 면적을 종이로 옮기는 중 오차가 발생했을 것이고 실험 횟수가 적어 실험의 결과가 객관적인 결과가 아니라는 점이 큰 문제였다.

○ 연구범위의 확장 및 발전

- 앞선 시행착오를 토대로 객관적인 실험결과를 도출하기 위해서는 추가적으로 실험을 진행해야 한다고 생각하게 되었다. 그리고 기존 연구주제를 연구 범위를 발전시켜 실험의 종류와 개수를 늘려 보다 심화적인 연구를 하려한다. 따라서 본 연구에서는 기존에 진행 했던 온도에 따른 왁스웜의 비닐 분해량을 측정할 뿐 만 아니라 비닐을 먹었을 때의 왁스웜의 증체량 및 폐사율 측정, 비닐을 먹은 왁스웜의 배설물이 생물에 미치는 영향, 왁스웜의 장내 소화효소의 폴리에틸렌 분해능력 탐구 등의 실험을 추가해 왁스웜이 비닐 분해 능력을 확인하는 동시에 실제 비닐분해에 투입되기 적합한지 알 수 있을 것이다.

○ 온도에 따른 왁스웜의 비닐 분해량 관찰

가. 왁스웜 75마리를 25마리씩 A군, B군, C군으로 나누어 비커에 담는다.

나. HD 비닐 15cm²의 처음 무게를 소수 두 번째 자리까지 저울을 이용해 재고 왁스웜이 담긴 비커에 넣는다.

다. 각 군을 27℃, 29℃, 31℃로 맞춰놓은 사육장에 넣는다.

라. 일주일간 24시간 마다 왁스웜이 비닐을 얼마나 분해하였는지 소수 두 번째 자리까지 저울에서 잰다.

- 애벌레는 생활환경 변화에 민감하기 때문에 온도가 변함에 따라 왁스웜이 분해하는 비닐의 양에도 차이가 있을 것으로 예상되어 이 실험을 진행하려한다.

- 이때, 비닐을 넣고 24시간 후 무게를 잰 다음 새로운 비닐로 갈아준다. 이 과정을 일주일간 반복하고 평균값을 구한다.

○ 먹이에 따른 왁스웜의 증체량 및 폐사율 비교

가. 왁스웜 50마리를 25마리씩 C군, D군으로 나눠 29℃인 사육장에 둔다.

나. C군에는 밀기울을 사료로 주고 D군에는 비닐을 사료로 준다.

다. 일주일간 24시간 마다 사료에 따른 왁스웜의 증체량 및 폐사율을 관찰 기록한다.

- 왁스웜이 폴리에틸렌 분해 능력을 가지고 있다고 알려져 있지만 폴리에틸렌은 생명체에 악영향을 끼친다. 왁스웜이 폴리에틸렌에 영향을 받지 않고 분해를 할 수 있는지 탐구하 기 위해 왁스웜이 비닐을 먹었을 때의 증체량과 폐사율을 측정한다.

○ 먹이에 따른 왁스웜의 배설물이 식물의 생장에 미치는 영향 탐구

가. 밀기울을 먹은 왁스웜의 배설물3g과 비닐을 먹은 왁스웜의 배설물 3g을 증류수에 희석 시킨다.

나. 두 페트리접시에 거름종이를 깔고 각각의 왁스웜 배설물 희석액을 부어준다.

다. 페트리접시 위에 강낭콩 각각 5개씩 올려두고 일주일간 24시간 마다 발아시기와 새싹의 길이를 관찰 기록한다.

- 왁스웜이 폴리에틸렌을 섭취하고 제대로 분해하지 못하여 배설물에 폴리에틸렌이 남아 있을 경우 식물이 잘 자라지 못할 것이다. 그렇게 된다면 왁스웜이 비닐을 분해했더라도 100%분해하지 않은 것을 알 수 있으며 왁스웜의 배설물로 인해 환경오염이 발생할 수도 있기에 본 실험을 진행하여 왁스웜의 배설물이 식물의 생장에 미치는 영향을 알아본 다.

○ 왁스웜 현탁액을 이용한 폴리에틸렌 분해

가. 왁스웜 50마리를 증류수와 함께 믹서기를 이용해 갈아준다.

나. 왁스웜 현탁액을 원심분리기에 1100rpm으로 10분간 돌려 왁스웜 껍질과 소화효소를 분리해낸다.

다. 현탁액을 원심분리기에 돌린 후 중층액(상층액)을 뽑아낸다.

라. 침전물은 따로 빼내어 증류수에 희석한다.

마. 현탁액에 비닐, 스티로폼, 미세플라스틱을 각각 넣고 일주일후 비닐, 스티로폼, 미세플 라스틱의 변화를 관찰 기록한다.

- 왁스웜 장내 소화 효소가 직접 폴리에틸렌을 분해할 수 있는지를 알아보기 위해 본 실험을 진행한다. 현탁액이 비닐을 분해할 수 있는지를 알아보고, 현탁액으로 비닐을 분해할 수 있다면 왁스웜이 직접 비닐을 먹는 방법과 현탁액을 만들어 비닐을 분해하는 방법 중 어떤 방법이 더 효율적인지 비교한다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 사육장 몸체 제작

준비물: 2t 아크릴판, 열전소자(펠티어소자), DC모터(팬), 아두이노 uno, 릴레이 모듈, 방열 판

1. Fusion 360을 이용하여 사육장 몸체를 설계한다.

그림 34 1차로 제작한 사육장

- 가로, 세로, 높이 10cm인 정육면체 측면에 온도를 조절할 펠티어소자와 DC모터를 설치하고 아래 2cm를 분리해 왁스웜이 서식할 공간과 사육장 내 환경조절에 필요한 기기가 위치할 장소를 구분하였다. 각 공간은 나일론 섬유로 구별하였다.

2. 레이저 커팅기를 이용해 아크릴판을 자르고 이어 붙인다.

- 글루건을 이용해 각 판을 이어붙이고 펠티어소자에 방열판과 DC모터를 연결해 측면에 부착하였다.

○ 기기 작동 확인 1. DC모터

- DC모터는 크게 두 가지 역할을 하는데 첫 째는 외부 방열판의 온도를 내리는 역할, 두 번째는 사육장 내부에 대류를 일으켜 열전달을 고르게 하는 역할을 한다.

- 아두이노의 digital write함수를 이용하여 작동시키고자 하였으나 아두이노의 Io핀의 전류가 약해 모터를 작동시키기 부적합하였다. 때문에 외부전원을 이용하여 상시 작동시킬 수 있게 회로를 설계하였다.

그림 40 아두이노에 연결한 DC모터 그림 41 외부전원에 연결한 DC모터

2. 가습기 모듈

- 가습기 모듈에 케이블을 연결 해 작동하는 것을 확인하였으나 사육장 내부 크기에 비해 물이 많이 올라와 순간의 작동만으로도 습도가 너무 높아지거나 물이 맺힐 가능성 이 있어 보완이 필요하다.

3. 열전소자(펠티어소자)

- 펠티어소자의 온도 조절 범위를 늘리기 위해 양면에 구리스를 이용하여 방열판을 부착하였다. 처음에는 펠티어소자에 딱 맞는(4cm*4cm) 방열판을 사용하였지만 파워 서플라이를 이용해 전격전압인 12V를 걸어주었을 때 저온부의 온도가 생각보다 높아 펠티어소자의 고온부의 방열판과 DC모터의 크기를 키워 열 방출 효율을 높였다.

- 펠티어소자에 부착하는 방열판과 DC모터의 크기를 키움에 따라 사육장의 설계를 다시 하였다. 사육장에서 펠티어소자가 위치할 공간을 사육장의 측면에서 윗면으로 바꿨다.

4. 온습도 센서

- 사육장에서 온도와 습도를 측정할 온습도센서는 처음에 아두이노에서 가장 기본적인 온습도 센서인 dht11을 사용하려하였다. 하지만 1℃~2℃사이의 온도변화를 관찰하기 엔 센서의 오차범위가 ±2℃이고 분해능이 1℃라 정밀한 온도측정이 불가능하다 판단 하였다. 때문에 dht11의 상위센서인 dht22를 이용하였다. dht22는 오차범위가 ±0.5℃

이고 분해능이 0.1℃로 보다 정밀한 측정이 가능하게 하였다.

그래프 2 dht11센서(좌)와 dht22(우)의 측정값(타겟온도: 41℃)

○ 사육장 온도 제어 1. ON/OFF 제어

온도를 제어하기 위해서, 회로를 작동과 끔, 2가지 상태를 이용해서 제어한다. 사육장 의 내부온도가 목표 온도보다 낮을 경우 회로를 작동해, 펠티어 소자가 열을 방출해 사육장 내부 온도를 올리고, 회로를 멈춰서, 냉각시킨다. 회로를 켜고, 끄는데에는 릴레이 모듈을 이용한다. 아래는 아두이노의 코딩이다.

그림 43 사용한 회로도 그림 44 제작한 사육장 모습

//

#include "DHT.h"

#define DHTPIN 2 // SDA 핀의 설정

#define DHTTYPE DHT22 // DHT22 (AM2302) 센서종류 설정 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

float t=0;

int tsetpoint = 27; //목표 온도 void setup() {

Serial.begin(9600); //Serial 통신 속도 설정 dht.begin();

pinMode(8, OUTPUT); //8번 pin 릴레이 제어 준비 }

void loop() {

t = dht.readTemperature(); //DHT22 센서에서 온도값 가져오기 //Serial 창에 현재 온도 표시

Serial.print("Temperature: ");

Serial.print(t);

Serial.println(" *C");

//ON/OFF 제어부

if (t < tsetpoint) { //목표 온도보다 내부 온도가 낮으면 digitalWrite(8, 0); //회로 켬

} else {

digitalWrite(8, 1); //회로 끔

} } //

2. H-Bridge를 이용한 제어

ON/OFF 제어의 냉각 부실의 문제점을 해결하기 위해 H-Bridge 회로를 이용한다.

H-Bridge는 4개 부분의 전압을 선택적으로 걸어주어서, 중심에 있는 도선의 전류 방향을 제어할 수 있게 하는 회로이다. 이와 릴레이 모듈을 이용해서, 펠티어 소자에 흐르는 전류의 방향을 제어할 수 있다. 이 회로를 이용해 사육장의 내부온도가 목표 온도보다 낮을 경우 펠티어에서 사육장 내부로 열을 방출하게 하고, 사육장의 내부온도가 목표 온도보다 높을 경우 펠티어 소자에서 사육장 내부의 열을 흡수하여 내부 온도를 제어하는 방법을 이용했 다. 아래는 아두이노의 코딩이다.

그림 45 사용한 회로도 그림 46 제작한 사육장

//

#include "DHT.h"

#define DHTPIN 2 // SDA 핀의 설정

#define DHTTYPE DHT22 // DHT22 (AM2302) 센서종류 설정 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

int tsetpoint = 27; // 목표 온도 float t=0;

void setup() {

Serial.begin(9600); //Serial 통신 속도 설정 dht.begin(); // 온습도 센서 통신 시작

pinMode(8, OUTPUT); // 8,9번 pin을 릴레이 제어에 이용 pinMode(9, OUTPUT);

}

void loop() { // 무한 반복

t = dht.readTemperature(); //DHT22 센서에서 온도 값 가져옴 Serial.print("Temperature: "); //Serial 창에 온도 표시

Serial.print(t);

Serial.println(" *C");

if (t < tsetpoint) { //사육장 내부 온도가 목표 온도보다 낮을 때, digitalWrite(8, 0); //펠티어 소자에서 열 방출

digitalWrite(9, 1);

} else {

digitalWrite(9, 0); // 펠티어 소자에서 열 흡수 digitalWrite(8, 1);

} } //

3. 오차를 줄이기 위한 고안

H-Bridge를 이용한 제어 방식은 온도가 기준 값보다 너무 올라간다는 것이다. 이 문제점 은 펠티어 소자에서 열을 방출 한 후 센서에서 인식되는 데 까지 시간이 걸리기 때문이다.

이 문제는 온도 상승 중 펠티어 소자를 중간 중간 식혀서 열 방출 양을 감소시켜 해결하려 했다. 아래는 아두이노의 코딩이다.

//

#include "DHT.h"

#define DHTPIN 2 // SDA 핀의 설정

#define DHTTYPE DHT22 // DHT22 (AM2302) 센서종류 설정 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

int tsetpoint = 27; //목표 온도 float pret

float t

void setup() {

Serial.begin(9600); //Serial 통신 속도 설정 dht.begin(); //온습도 센서 통신 시작

pinMode(8, OUTPUT); // 8, 9번 핀을 릴레이 모듈 제어에 이용 pinMode(9, OUTPUT);

}

void loop() { //무한 반복 pret = t

t = dht.readTemperature(); //DHT22 모듈에서 온도값 가져오기 Serial.print("Temperature: "); //Serial 창에 온도 표시

Serial.print(t);

Serial.println(" *C");

if (t < tsetpoint) { //사육장 내부 온도가 목표 온도 보다 낮을 때 digitalWrite(8, 0); // 펠티어 소자에서 열 방출

digitalWrite(9, 1);

} else { //사육장 내부 온도가 목표 온도 보다 높을 때 digitalWrite(9, 0); // 펠티어 소자에서 열 흡수 digitalWrite(8, 1);

}

if ( t >= pret + 0.1) { // 사육장 내부 온도가 0.1 도 상승시 digitalWrite(8, 0); // 펠티어 소자 냉각

digitalWrite(9, 0);

delay(1000); // 1초 현재 상태 유지 }

} //

○ 온도에 따른 왁스웜의 비닐 분해량 관찰

가. 왁스웜 100 마리를 25마리씩 A군, B군, C군으로 나누어 각 사육장에 담는다.

나. HD 비닐 15cm²의 처음 무게를 소수 두 번째 자리까지 저울을 이용해 재고 왁스웜이 담긴 사육장에 넣는다.

다. 각 군을 27℃, 29℃, 31℃로 맞추어 사육을 실시한다.

라. 일주일간 24시간 마다 왁스웜이 비닐을 얼마나 분해하였는지 소수 두 번째 자리까지 저울에서 잰다.

그림 47 제작한 사육장 내에서 왁스웜의 생장 비교

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ On/Off제어 시 사육장 내 온도

그림 48 목표온도 21℃ (1차) 그림 49 목표온도 20℃ (2차)

- 하지만 온도를 내리는 것 혹은 올리는 것만 가능해 온도 통제를 원활히 하기 위해 H-Bridge식 회로를 구성하였다.

○ H-Bridge식 제어 시 사육장 내 온도

그림 50 목표온도 22℃ (1차) 그림 51 목표온도 23℃ (1차)

- 목표온도보다 온도가 많이 올라가는 오차가 생기는 것을 확인 할 수 있다.

○ H-Bridge 식 제어 2

그림 52 목표온도 27℃ 그림 53 목표온도 29℃

그림 54 목표온도 31℃

- 목표 온도 ^±1℃ 사이에서 제어가 되는 것을 확인 할 수 있다.

○ uno와 라즈베리파이3를 이용한 사육장 시스템 제어

그림 55 uno와 라즈베리파이를 장착한 사육장 모습

- 최종적으로 uno를 이용하여 온도를 제어할 수 있는 시스템을 완료하고 Prota OS를 적용한 라즈베리파이3을 이용하여 실시간 제어를 가능하게 하였다.

□ 시사점

○ 나는 생각한다, 고로 나는 존재한다. - 데카르트

- 우리는 이 STEAM RnE를 진행하며 왁스웜의 사육장을 재작할 때 많은 시행착오를 겪었다. 하지만 이 중 몇몇 시행착오는 이전에 미리 예방 할 수 있었다. 실험을 하기 전 어떤 결과가 나올지 예상하거나 다른 병행하는 요인을 좀 더 생각하였다면 자잘한 시행착오를 겪지 않았을 지도 모른다. 이번 연구에서 이러한 점을 염두에 두고 진행하였 다면 시간을 효율적으로 사용할 수 있어 연구를 더 많이 진행할 수 있었을 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 동아리 활동에 꾸준한 활용

○ 웜(worm)에 대한 꾸준한 연구

- 지난 몇 년간 생물·환경 동아리 활동을 진행하며 웜(worm)에 대한 연구를 진행하였는데 마땅한 사육장이 없어 여름에 되면 벌레들이 말라죽거나 폐사하는 일이 발생하였다.

앞으로도 생물·환경 동아리에서 웜(worm)들을 사육할 때 사육장을 이용하여 사육 효율 과 폐사도 줄일 것이다.

5. 참고문헌

○ 김서연(2017), 밀웜의 스티로폼 분해 능력을 증가시키기 위한 밀기울(먹이) 혼합 스티로 폼에 대한 탐구 및 효과연구, 국립중앙과학관, 전국과학전람회

○ 임우열 외2(2016), 밀웜의 스티로폼 분해과정에 관한 탐구, 국립중앙과학관, 전국과학전 람회

○ 밀웜 장내 박테리아의 해양 쓰레기 분해 연구, 2016 STEAM R&E 최종보고서

○ 밀웜의 스티로폼 분해 작용의 최적조건 탐색, 2016 STEAM R&E 최종보고서

○ 엄화선, 산업곤충 거저리의 현장 적용 기술 개발, 농업인기술개발사업 최종보고서, 농촌 진흥청

○ 벌집나방 애벌레, 비닐봉지 먹어치워 지구촌플라스틱쓰레기문제 해결책 제시, 사이언스 타임즈, 2017년 4월 26일,

http://www.sciencetimes.co.kr/?news=%EB%B2%8C%EC%A7%91%EB%82%98%EB%

B0%A9-%EC%95%A0%EB%B2%8C%EB%A0%88-%EB%B9%84%EB%8B%90%

EB%B4%89%EC%A7%80-%EB%A8%B9%EC%96%B4%EC%B9%98%EC%9B%8 C&s=%EC%99%81%EC%8A%A4%EC%9B%9C

2017년 8월 16일

○ 아두이노, 위키백과,

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EB%91%90%EC%9D%B4%EB%85%B8

○ 장유정, 재미있는 발명 이야기, 가나출판사, 2013, 7장 편리한 포장 vs 썩지 않는 쓰레기:

비닐

○ How to Breed Waxworms, wikiHOW, 2016.11.26.,

https://www.wikihow.com/Breed-Waxworms?printable=yes&images=1, 2017.10.25.