플라즈마 검의 비밀

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플라즈마 검의 비밀

2015 융합인재교육 (STEAM) 프로그램

플라즈마 검의

비밀

S T E A M

중 학 교 교 사 용

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2015 융합인재교육(STEAM ) 프로그램

_플라즈마 검의 비밀

플라즈마 검의 비밀

01_

주제 개요

중학교 2~3학년

플라즈마는고체,액체,기체라는물질의보편적인세가지상태를넘어서는네번째상태를일컫는말이다.기체에열을더가하면기 체를구성하고있던원자또는분자는일부전자를내놓으면서전기적성질을갖는이온과전자를만든다.이런상태를플라즈마라한 다.따로떨어진전자나이온(분자가전자를잃어버린상태)이존재하는플라즈마상태는지구상의자연환경에서오로라,번개등을통 해볼수있다.더나아가우주공간전체에서는물질의

99

^.

99

^%^이상이^{플라즈마로}^{이루어졌다고}^할^만큼^보편적인^물질의^존재^상태라 고알려져있다.

플라즈마가가진전기적특성이나빛을내는특성,운동하는특성을이용하여새로운발명품을만들거나산업적으로이용하는일은

20

^세기^{후반부부터}^활발하게^{진행되었다.}^그리고^지금은^우리의^생활을^편리하게^만드는^데^큰^역할을^하고^있다.^예를^들면^가정에서 는형광등을비롯하여텔레비전,공기청정기등의가전제품에플라즈마를이용한다.그리고우리눈에보이지는않지만전자기기속의 모든반도체를만드는제작과정에도플라즈마가필수적으로사용된다.플라즈마를다른물질에쬐어주면그표면성질을바꿀수있기 때문에칼날을강하게벼리거나,잉크가잘스며들게만들거나,물질의색상을바꿀때많이사용된다.요즘은상처소독,

^멸균,^박테리 아나바이러스제거,쓰레기소각,오폐수처리등에도플라즈마를많이사용하고있다.

이런플라즈마의성질을알아보고어떻게우리의일상을변화시키는지그원리와방법을이해하여플라즈마와좀더친밀해지는것 이이번교육의목적이다.

차시 단계 소주제 주요 내용 관련 교과

1 문제 상황 이해 플라즈마가 뭐야?

도입 영화 클립을 통한 플라즈마 맛보기

과학 학습활동 1. 문제해결을 위한 플라즈마 원리 지식 탐구

2. 플라즈마 볼 살펴보기

마무리 플라즈마에 대한 처음 생각 발표하기

2

문제 해결을 위한 활동

플라즈마 생성과정 이해하기

도입 플라즈마 상태 변화를 위한 방법에 대해 생각해보기

과학 학습활동 흰색 탁구공 구출하기 게임하기 수학

마무리 모둠별 게임 전략 발표, 게임전략과 이온화 원리 비교 설명

3 플라즈마 성질

체험하기

도입 플라즈마 볼 시연 관찰 후 특성 생각해보기

과학 기술・가정 학습활동 플라즈마볼을 가지고 플라즈마 성질 체험하기

마무리 플라즈마가 가지고 있는 전기적 성질에 대해 토의하기

4 광선검 만들기

도입 광선검 관련 영화 클립 시청 및 아이디어 모으기

과학 미술 기술・가정 학습활동 1. 설계도 그리기

2. 플라즈마볼과 네온전구를 이용하여 광선검 만들기

마무리 장점과 단점 생각해 보기

5

문제 해결

기술연구센터 견학플라즈마

도입 생활 속 플라즈마기술 알아보기

과학 창체 기술・가정

국어 학습활동 플라즈마 기술연구센터를 견학하면서 어떤 연구를 어떻

게 하고 있는지 살펴보기

마무리 자료 정리하기

6 플라즈마 적용

아이디어 경진대회

도입 모둠별로 플라즈마를 활용한 제품 아이디어 생각하기

과학 국어 기술・가정 학습활동 적용 제품에 대한 홍보자료 만들고 발표하기

마무리 진로 상담과 내용 정리

✚ 내용 목표

^•^{플라즈마의}^개념과^특성에^대해^설명할^수^있다.

•플라즈마가만들어지는원리를말할수있다.

•이온화를통해물질의상태가어떻게변화하는지설명할수있다.

•플라즈마볼체험을통해플라즈마의성질에대해이해하고,이를설명할수있다.

•플라즈마의특성을이용한기술이우리생활에어떤도움이될수있을지말할수있다.

•플라즈마의성질을이용하여광선검을설계하고,제작할수있다.

•플라즈마관련진로분야에관심을갖고연구자가하는일에대해설명할수있다.

•프로젝트수행과정에서결과물도출을위해모둠과협력한다.

✚ 과정 목표

02_

학습 목표

주제명

적용 학년 / 시기

적용 모형

• 플라즈마 검의 비밀

• 중학교 2~3학년 / 3월~12월

• 주제중심학습모형, 프로젝트 학습모형

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✚ 상황제시

^•^{스타워즈에}^나오는^광선검은^어떻게^{만들어졌을지}^상상하기

•

주위에있는물질의상태를알아보고,플라즈마상태로변화시키기위한방법생각 하기

•플라즈마볼시연모습관찰하기

•광선검에적용된플라즈마원리탐구하기

•

^우리^주위의^플라즈마^적용^제품의^원리를^찾아보기

•플라즈마생성게임을통한원리이해하기

•플라즈마볼체험을통해플라즈마원리이해하기

•플라즈마광선검설계및제작활동하기

•플라즈마적용제품의원리에숨은아이디어찾아발표하기

•모둠별게임성공전략발표,게임해결전략과이온화의원리비교설명하기

•플라즈마가가지고있는전기적성질에대한의견발표

•자신의플라즈마광선검의제작결과발표

•플라즈마기술적용아이디어경진대회발표및평가

04_

STEAM 단계 요소

✚ 창의적 설계

✚ 감성적 체험

03_

STEAM 과목 요소

S - 플라즈마의전기적성질,원자,이온의특성,대전원리

T - 플라즈마볼체험

STEAM

^E ^-^광선검^설계^및^제작

M - 에너지와온도의관계식,탁구공떨어뜨리기게임원리 A - 광선검,상품꾸미기

05_

차시별 계획 총괄표

06_

평가 계획

✚ 수행・관찰 평가 기준표

평가영역 평가영역 평가척도

상 중 하

융합적 사고 •물질의 상태의 변화에 대해 이해하고 있는가?

•플라즈마의 특성에 대하여 알고 있는가?

창의적 설계 •핵탁구공을 구출하기 위한 다양한 전략을 세울 수 있는가?

•플라즈마의 특징을 이용하여 모둠별 광선검을 설계할 수 있는가?

감성적 체험 •자신이 설계한 실험에 대해 자긍심을 갖고 있는가?

•경진대회 등 모둠활동에 적극적으로 참여하는가?

의사소통

•존중심, 배려심, 공유심, 개방심을 가지고 있는가?

•경청 및 발표 태도는 바람직한가?

✚ 학생 자기/동료 평가 계획

평가영역 평가영역 평 가

상 중 하

자기 평가

융합적 사고 •플라즈마의 특성에 대하여 알고 있는가?

창의적설계

• 탁구공을 구출하기 위한 다양한 전략을 세울 수 있는가?

• 플라즈마의 특징을 이용하여 모둠별 광선검을 설계할 수 있는가?

감성적체험 • 즐거운 마음으로 활동에 참여하였는가?

동료 평가 의사소통

• 경진대회 등 모둠활동에 적극적으로 참여하였 는가?

• 존중심, 배려심, 공유심, 개방심을 가지고 있는 가?

• 경청 및 발표 태도는 바람직한가?

TIP

플라즈마의 발생은 전자가 전기 에너지로부터 에너지를 얻어서 중 성 입자의 전자를 떼어내는 과정을 통해서 일어난다는 것을 플라즈 마 볼을 관찰하며 느낄 수 있게 한다.

TIP

감성적 체험은 다음 차시와 연계하여 지도한다.

과학, 기술

・ 가정 미술

분자의 운동과 상태변화, 물질의 구성,

전자기계 기술, 주제표현

1 (4/6) 광선검 만들기

A

S T E

광선검 만들기 상황제시

1. 스타워즈 영화 클립을 다시 보며 어떻게 하면 광선검을 만들 수 있 을지 생각한다.

2. 모둠별로 생각한 창의적인 아이디어를 모은다.

창의적설계

1. 구체적인 설계도를 작성한다.

2, 플라즈마 볼과 네온전구를 이용하여 광선검을 만들어 본다.

감성적체험

1. 자신이 만든 광선검을 작동시켜 보면서 플라즈마의 어떤 성질을 이용하였는지 발표한다.

2. 각 모델의 장단점을 함께 논해본다.

플라즈마 볼 네온전구 셀로판지 스카치테이프

색종이 가위

풀 클립 투명 필름지 등

과학 기술

・ 가정 국어 창체

1 (5/6) 플라즈마 연구센터 견학

A

S T E

플라즈마기술연구센터 견학

상황제시생활 속 플라즈마기술을 화면을 통해 알아본다.

창의적설계

견학하면서 가장 인상 깊은 연구 주제를 선정해 내용을 깊이 알아본다.

감성적체험

배운 내용과 수집한 자료를 정리한다.

과학 기술

・ 가정 미술

1 (6/6) 플라즈마 적용 아이디어 경진대회

A

S T E

플라즈마 적용 아이디어 경진대회 상황제시

모둠별로 플라즈마를 활용한 제품 아이디어 생각해 본다.

창의적설계

1. 홍보포스터에 들어갈 주 내용을 완성한다.

2. 추상적이 아니라 구체적 제품명, 특징, 가격, 용도 등을 생각한다.

3. 모둠별로 자료를 만들어 발표한다.

감성적체험

1. 다른 모둠의 발표를 보고 제품의 장단점에 대해 토론한다. 잘한 팀 에게 시상한다.

2. 진로 상담과 캠프 내용을 정리한다.

전지 필기도구 소품(필요 시) TIP

견학 전 안전지도를 한다.

TIP

모둠별로 주의 깊게 살펴보아야 할 부분을 미리 안내한다.

TIP

경진대회 자체로 목적이 전도되지 않도록 유의한다.

(6)

07_

차시별 교수·학습 과정

과목 과학, 국어

교육과정 과학 2-1-2 빛과 파동

국어 1-1-2 말과 글로 세상과 소통하기

차시 1/6

학습목표 1. 플라즈마의 개념과 특성에 대하여 알 수 있다.

2. 플라즈마의 특성을 활용하여 우리 생활에 도움을 주고 있는 물건을 탐색할 수 있다.

과목 과학, 수학

교육과정 과학 3-1-3 물질의 구성 ┃ 수학 2-2-1 확률 과학 3-2-6 전해질과 이온

차시 2/6

학습목표 1. 플라즈마가 만들어지는 원리를 말할 수 있다.

2. 이온화를 통해 물질의 상태가 어떻게 변화하는지 설명할 수 있다.

흐름 문제제시 & 제작활동 학생자료(*) 및 교사자료(#)

도입(8‘)

S T E

상황제시

1. 스타워즈 영화에서 관련 장면을 모아 보며 어떤 무기가 나오는지 확인한다.

2. 주인공이 사용하는 광선검은 어떻게 만들어 졌을지 상상해 본다.

3. 광선검을 만들 때 사용한 플라즈마의 원리를 이용하여 우리의 일상생활에 도움 을 줄 수 있는 제품을 만들어 낼 수 있다는 사실을 알게 한다.

Teacher : 영화에서 나온 광선검처럼 플라즈마를 활용하여 우리 생활 속에서 필요한 물건을 만들 수 있지 않을까요?

* ICT자료 (스타워즈 영화 클립)

학습활동(30‘)

S T E

문제 해결을 위한 원리 탐구 창의적 설계

1. 플라즈마란 무엇이라고 생각하는지 초기 생각을 적어본다.

Teacher : ‘플라즈마’란 무엇이라고 생각합니까? 자유롭게 적어봅시다.

Student : 빛과 에너지가 있는 어떤 물질 같습니다. 등 2. 강의를 들으며 중요 내용을 간추리고 생각의 변화를 확인한다.

# 플라즈마 볼 프레젠테이션

마무리(7‘)

S T E

문제 해결을 위한 원리 탐구 감성적 체험

플라즈마 하면 떠오르는 것을 적어본다.

플라즈마가 뭐야? 플라즈마 생성 과정 이해하기

TIP

목적이 전도되지 않도록 유의하며 지도한다.

TIP

영화를 통해 플라즈마에 대한 이야기를 쉽고 간단히 소개한다.

TIP

플라즈마 볼을 함께 보여주며 플라즈마를 설명한다.

TIP

초기 생각과 비교하여 학생들의 생각 변화를 확인한다.

도입(10‘)

S 상황제시

1. 주위에 있는 여러 물질들의 상태를 알아보고, 각 물질들을 플라즈마 상태로 변화 시키기 위해서는 어떤 방법을 이용해야 할지를 상상해 본다.

Teacher : 이 카드 안에 그려져 있는 물질들은 각각 어떤 상태인지 이야기 해 봅시다.

Student : 기체입니다. 고체입니다. 등

Teacher : 만약 액체상태의 물질을 기체 상태로 만들기 위해서는 어떻게 해야 하겠습니까?

Student : 가열해 줍니다. 압력을 낮추어 줍니다. 등

Teacher : 그렇다면, 기체 상태의 물질을 플라즈마로 바꾸기 위해서는 어떻게 해야 할지 생각하여 봅시다.

2. 흰 공을 떼어내는 방법을 다양하게 생각해 낸다.

# 물질카드

TIP

학생들의 확산적 사고를 조장하기 위한 발문을 활용하며, 다양한 답을 존중한다.

TIP

방법을 발표할 때는 그 근거를 같이 이야기하도록 한다.

학습활동(30‘)

창의적 설계

플라즈마를 생성하는 중요한 과정인 이온화를 게임을 통해 이해하도록 한다.

1. 게임의 규칙은 아래와 같다.

- 모든 공에 직접 손을 대어선 안 된다.

- 아래판을 흔들어서는 안 된다.

- 주어진 공을 이용하여 붙어 있는 흰색 공을 떼어야 한다.

- 주변에 다양한 도구를 사용할 수 있다.

- 3개 공을 서로 3가지 방법으로 흰 공을 떼어내야 한다.

* 하드보드지 자석이 달린 테니스공 자석이 달린 흰색 탁구공

주황색 탁구공 막대 수수깡 고무줄 등테이프

# HDMI 케이블 (학생자료공유용)

노트북 A

S T E

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2. 게임의 미션

- 두꺼운 도화지를 이용하여 공들을 가둘 수 있는 공간을 만든다.

- 테니스공에 붙어 있는 흰 색 탁구공을 손을 대지 않고 떼어낸다.

- 게임의 과정을 동영상으로 촬영한다.

TIP

흰 공을 떼어 내기 위해서는 같은 질량의 공을 쓰는 것이 효과적이다.

TIP

이 게임을 통해 플라즈마를 발생시키는 과정은 자유전자가 에너지를 가지고 중 성입자에 붙어있는 전자를 떼어내는 이온화 과정에서 시작함을 이해할 수 있다.

여기서 탁구공은 전자, 테니스공은 원자핵, 탁구공과 테니스공이 결합된 것은 중 성입자이다. 주황색 탁구공은 에너지를 가진 자유전자로 이온화 과정을 시작하 는 중요한 매체다.

마무리 (5‘)

S T E

문제 해결을 위한 원리 탐구 감성적 체험

1. 모둠별 게임 성공전략을 발표하고 게임 해결전략과 이온화 원리를 비교한다.

2. 이온화가 이루어지는 과정에 대하여 새롭게 알게 된 점을 적는다.

학습활동 (30‘)

S T E

창의적 설계

플라즈마 볼을 이용하여 플라즈마의 성질을 알아본다.

예) 플라즈마 볼 속의 빛의 흐름은 왜 생길까?

Teacher : 주변의 다양한 물체들을 플라즈마 볼에 가져가 보면서 플라즈마 볼 의 내부가 어떻게 바뀌는지 관찰하여 봅시다.

Student : 어떤 물체는 가져다 댄 쪽으로 빛의 흐름이 발생하는데, 다른 물체는 그렇지 않습니다.

Teacher : 결과를 활동지에 기록하여 봅시다.

TIP

플라즈마의 발생은 전자가 전기 에너지로부터 에너지를 얻어서 중성 입자의 전자 를 떼어내는 과정을 통해서 일어난다는 것을 플라즈마 볼을 관찰하며 느낄 수 있 게 한다.

TIP

실험 전 안전 유의사항을 충분히 숙지하도록 한다.

* 플라즈마 볼 다양한 물체 (나무 막대, 플라스틱 자,

고무 지우개, 전선, 동전, 알루미늄호일 등)상)

마무리(10‘)

S 감성적 체험

1. 네온전구나 형광등을 플라즈마 볼에 가까이 대었을 때 나타나는 현상을 관찰, 정 리한다.

2. 그러한 현상이 나타나는 까닭을 추측한다.

TIP

다음 차시와 연계하여 지도한다.

* 플라즈마 볼 네온전구

형광등

도입(5‘)

S 상황제시

전 차시 활동 내용을 바탕으로 플라즈마에 관련하여 생긴 의문점을 발표하고 가 설을 공유한다.

예) 플라즈마 볼 속의 빛의 흐름은 왜 생길까?

TIP

학생들이 발표한 의문점에 대해서 다 함께 생각해 보고 가설을 세워 친구에게 답 변해 보는 시간을 가지며 과학적 소양을 키운다.

# 플라즈마 볼

과목 과학, 기술・가정

교육과정 과학 2-1-2 빛과 파동 ┃ 기술・가정 1-통합-4 기술과 발명 과학 3-2-6 전해질과 이온

차시 3 / 6

학습목표 플라즈마 볼 체험을 통해 플라즈마의 성질에 대해 이해하고, 이를 설명할 수 있다.

플라즈마 성질 체험하기

(8)

과목 과학, 기술・가정, 미술

교육과정 과학 2-1-2 빛과 파동 ┃ 기술・가정 1-통합-4 기술과 발명 미술 통합-1-조형과 만나다

차시 4/6

학습목표 플라즈마의 성질을 이용하여 광선검을 설계, 제작할 수 있다.

과목 과학, 기술・가정, 국어, 창체

교육과정 과학 2-2-6 일과 에너지 전환 ┃ 기술・가정 2-공통-4 제조 기술과 자동화 국어 2-1-2 질문하며, 비교하며 ┃ 창체 공공기관 견학하기

차시 5/6

학습목표 플라즈마 관련 진로분야에 관심을 갖고 연구자가 하는 일에 대해 설명할 수 있다.

도입(10‘)

S 상황제시

1. 스타워즈 영화 클립을 다시 보며 어떻게 하면 광선검을 만들 수 있을지 생각한다.

Teacher : 어떻게 하면 광선검을 만들 수 있을지 생각하여 봅시다.

Student : 플라즈마를 발생시킵니다.

Teacher : 그렇다면, 플라즈마를 어떻게 발생시키고, 유지할 수 있을까요?

Teacher : 빛으로 물리적 힘을 내는 것을 제외하고, 제공된 플라즈마 볼을 활용 하여 광선검을 만드는 방법을 고안하여 봅시다.

2. 모둠별로 생각한 창의적인 아이디어를 모은다.

# ICT자료 (영화 클립)

학습활동(25‘)

S T E

창의적 설계

주어진 재료를 이용하여 자신만의 플라즈마 광선검을 설계하고 제작한다.

1. 주어진 재료를 확인하고, 주제가 있는 플라즈마 광선검을 설계한다.

2. 주어진 재료를 활용하여 플라즈마 광선검을 제작한다.

3. 제작한 광선검의 성능과 기능을 확인한다.

TIP

제한된 준비물로 다양한 설계를 할 수 있도록 유도한다.

플라즈마 볼 네온전구 셀로판지 종이클립 투명필름(OHP)

스카치테이프 색종이

가위 풀

마무리 (10‘)

A

S T E

감성적 체험

1. 자신이 만든 광선검을 작동시켜 보면서 플라즈마의 어떤 성질을 이용하였는지 발표한다.

2. 각 모델의 장단점을 함께 논해본다.

TIP

제한된 준비물로 다양한 설계를 할 수 있도록 유도한다.

* 광선검

도입(10‘)

A

S T E

상황제시

1. 생활 속 플라즈마기술을 화면을 통해 알아본다.

2. 견학 전 사전준비를 한다.

Teacher : 모둠 별로 한 가지 주제를 뽑아 봅시다. 견학 후 다음 시간에 플라즈 마 기술을 적용하는 새로운 아이디어 제품을 고안하고 홍보하는 포 스터를 만들도록 하겠습니다.

Teacher : 모둠별로 좀 더 주의 깊게 보아야 할 부분을 확인해 둡시다.

TIP

견학 전 안전지도가 필히 선행되어야 한다.

TIP

주의 깊게 살펴보아야 할 부분을 미리 안내한다.

생활 속 플라즈마 동영상

학습활동(27‘)

A

S T E

창의적 설계

1. 연구소를 견학하며 플라즈마 기술을 이해하고 과학자들은 어떤 일들을 하는지 알아보도록 한다.

2. 자유롭게 질문해가면서 모르는 사람들에게 잘 설명할 수 있도록 궁금한 내용에 대한 정보를 모은다.

3. 흥미 있고 인상 깊은 연구 주제는 질문을 통해 내용을 깊이 알아본다.

TIP

견학하는 과정에서 연구에 방해되지 않도록 지도한다.

마무리(8‘)

A S 감성적 체험

모르는 사람들에게 잘 설명할 수 있도록 견학으로 알게 된 내용을 수집, 정리한다.

광선검 만들기 플라즈마기술연구센터 견학

(9)

마무리(10‘)

3. 플라즈마 기술에 관심을 가지고 있는 학생들을 찾아 지속적인 진로 상담을 해줄 수 있는 멘토를 배정한다.

* 평가지 과목 과학, 기술・가정, 국어

교육과정

차시 6/6

학습목표 플라즈마 기술을 실생활에 응용하는 방법을 생각할 수 있다.

도입(10‘)

상황제시

1. 모둠 내에서 플라즈마기술연구센터에서 견학한 여러 연구 주제를 생각하면서 우리 생활에 적용할 새로운 아이디어를 구상해 본다.

TIP

어떤 특정한 제품을 선택하고 그 제품을 좀 더 깊이 이해하여 플라즈마 기술에 좀 더 친밀함을 느끼게 하는 활동임을 알게 한다.

TIP

상상한 제품이 우리 생활을 어떻게 변하게 할 수 있을지 함께 생각해보게 한다.

# ICT자료 (현재 사용되고 있는

플라즈마 기술)

학습활동 (25‘)

창의적 설계

1. 다음과 같은 순서로 아이디어를 구체화 시켜 본다.

- 우리 주위에 개선하거나 해결해야 할 문제들 모으기

- 모둠 구성원들과 함께 토의하여 플라즈마를 적용하여 해결 할 수 있는 하나 의 아이디어를 찾기

- 발굴한 아이디어를 구체화하여 작성하기

2. 모둠별로 아이디어 제품 홍보 포스터를 작성하여 발표한다.

*마이크 전지 필기도구 (필요 시)소품

마무리(10‘)

감성적 체험

1. 다른 모둠의 발표 시에 그 제품의 장단점을 적극적으로 토론하며 잘한 팀을 선정 하여 시상한다.

2. 배운 내용을 정리하며 모둠 친구들과 경험을 공유한다.

* 평가지

플라즈마 적용 아이디어 경진대회

TIP

가능하면 아이디어가 추상적으로 표현되지 않도록 구체적인 제품의 이름, 특징, 가격 등을 발표하고 광고하는 개념의 발표 자료를 만든다.

A

S T E

A

S T E

A S

TIP

・ 플라즈마가 무엇이고 어떤 성질을 가지고 있는지 교사와의 간단한 대담을 통 해 정리한다.

・ 플라즈마의 성질을 이용하여 우리들의 일상생활을 편리하고 풍요롭게 바꿀 수 있다는 것을 다시 한 번 강조한다.

・모든 학생들이 자유롭게 참여할 수 있도록 멘토링 프로그램을 준비한다.

(10)

1차시_

플라즈마가 뭐야?

학생용 활동지

1. 플라즈마는 ( 빛을 내는 기체 ) 입니다.

2. 플라즈마는 ( 빛을 이용 ) 할 수 있습니다.

3. 플라즈마는 우리 생활에 ( 조명, 소독 정수 등에 ) 도움을 줍니다.

4. 우리 주위에 플라즈마를 이용한 제품은 ( 전구, TV, 공기정화기 ) 들이 있습니다.

2. 플라즈마 이야기를 들은 후 ‘플라즈마’ 하면 떠오르는 것이 있습니까? 우리 주변의 플라즈마를 이용한 제품 을 찾아보고 각 제품에 플라즈마가 적용된 방법을 이야기 해 봅시다.

1. 광선검에 사용되는 ‘플라즈마’란 무엇이라고 생각합니까? 강의를 들으며 중요한 내용을 간추려 봅시다.

물체의 에너지와 속력의 관계 : 에너지 = 1/2 × 질량 × (속력)2

✚ 플라즈마가 뭐야?

스타워즈 시리즈에는 세대가 바뀌어도 빠질 수 없는 명장면이 있습니다. 바로 광선검 대결입니다. 주인공들이 꼭 쥐고 다니는 칼자루는 라이 트세이버라고 하는데, 여기에서 광선검이 뿜어져 나옵니다. 스타워즈의 세계관에서 라이트세이버는 에너지원과 크리스탈로 이루어진 것으로, 배터리에서 뿜어져 나온 에너지가 크리스탈을 거치며 정제되어 검의 형태로 방출되는 것이라고 합니다. 이 광선검을 실제로 만들 수 있을지, 만 든다면 어떤 원리를 이용해야 할지, 실제 생활에서 어떻게 쓰일지 상상하여 봅시다.

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2차시_

플라즈마 생성과정 이해하기

학생용 활동지

1. 주황색 공으로 흰 색공을 정확히 때리면 돼요.

1. 흰 공을 테니스공에서 뗄 수 있는 방법을 3가지 이상 생각하여 적어봅시다.

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▲기체

▲플라즈마 원자핵

전자

2.

3.

2. 기체상태와 플라즈마 상태의 차이점을 알아보고, 괄호안을 채워보세요.

(12)

3차시_

플라즈마 성질 체험하기

학생용 활동지

1. 플라즈마 볼에 주변에 있는 여러 가지 물질을 대어봅시다. 모둠별로 다섯 가지 이상위 물체를 대어보며 관찰 내용을 적어봅시다. 플라즈마 볼에서 어떤 변화가 관찰되며 그 이유가 무엇인지 생각하여 봅시다.

물 질 관찰내용

예) 손가락 손가락에 따뜻한 기운을 느껴지며 오래 대고 있으면 찌릿찌릿한 느낌이 든다.

전원을켜면전자가방출되어기체 를이온화시켜(플라즈마 )를발생 시킨다.

플라즈마는전기적인특성을지니 고있어도체를가져가면도체쪽으 로전자들이모이게되어빛이집중 되는것을볼수있다.

ON ON

OFF

✚

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✚

기체 플라즈마 플라즈마

플라즈마확대▶ 원자핵

전자

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✚ 플라즈마 볼의 원리

(13)

4차시_

광선검 만들기

학생용 활동지

✚ 형광등이나 네온전구, 그리고 플라즈마 볼 등의 재료로 광선검의 어떤 기능을 구현할 수 있을지 토의해 보고 그 기능을 가진 광선검을 만들어 봅시다

2. 여러분이 상상한 플라즈마 검의 설계도를 그려보세요.

3. 여러분이 설계한 플라즈마 검의 장점과 단점은 무엇인가요?

✚ ( ) 조의 장점과 단점

필수 기능 성능 구현 방법

빛 플라즈마 볼에 네온전구나 긴 형광등을 가까이 댄다.

에너지

멋

색종이 가위 테이프

네온전구 투명필름

형광등

셀로판지 클립

앞에서

본 모습

옆에서

본 모습

위에서

본 모습

빛이 밝다.

※ 가장 잘 만든 조의 광선검 모델 장점 찾기.

가장 길게 만들었다.

1. 광선검이 가지고 있어야 하는 성능은 어떤 것이 있는지 논의하고 그 성능을 어떻게 구현시킬 수 있을지 아이

디어 회의를 해 봅시다.

(14)

5차시_

플라즈마기술연구센터 견학

학생용 활동지

1. 플라즈마기술연구센터는 어떤 곳입니까?

2. 플라즈마기술연구센터에서 하는 연구 중 가장 기억에 남는 것은 무엇입니까?

3. 여러분이 친구들에게 가장 기억에 남는 연구를 소개한다면 어떤 내용을 포함시킬지 그 내용을 적어 봅시다.

연구의 주제(제목)는 무엇입니까?

무엇에 대한 연구입니까?

연구의 결과는 어떻게 활용될 수 있습니까?

다른 연구와 비교해 이 연구만의 특징은 무엇인가?

✚어떤연구가이루어지고있습니까? ✚연구원들에게하고싶은질문이있다면무엇을묻고싶은가요?

・살균장치

・폐수 정화 기술

・처음에 연구 주제를 어떻게 찾는가?

・대학에서 무엇을 전공 하셨어요?

여러가지 색을 만들어 내는 실험장치.

(15)

학생용 활동지

✚ 우리 생활에 적용될 수 있는 플라즈마 응용기술 예시

플라즈마를이용한재료의표면특성변화기술(친수성표면으로변화시켜프린트가잘되게함)

플라즈마를이용한식품저장기술(살균처리로보관성향상시킴)

아이디어명칭 용도 장점 가격

어떻게만들까?

-개략도,도면

이제품이생활을 어떻게바꿀까?

Control

Air packing

He Plarsma packing

4 days 8 days

6차시_

플라즈마 적용 아이디어 경진대회

여드름 치료기.

피부의 여드름이나 뾰루지 치료기.

시술이나 약으로 치료하지 않아도 됨.

299.000원

플라즈마를 통해 피부를 건강하게 하는 쉬운 장치를 만들어 피부관리나 화장품을 변화시킬 것임.

보호막 플라즈마 발생부

손잡이

전기 플러그

1. 플라즈마 응용기술을 적용 할 수 있는 아이디어를 떠올려 보세요.

(16)

교사용 참고자료

08

만능해결사 플라스마

✚자연에서볼수있는플라스마

플라스마는사실핵융합장치에서만볼수있는현상이아니다.

자연적인현상으로도나타나는데,그대표적인예가번개와오 로라이다.번개는자연에서볼수있는대표적인플라스마현상 으로,대기중에서발생하는방전현상의일종이다.공기중에는 우주선(宇宙線)의전리작용에의해원자로부터전자가튀어나 온하전입자들이포함되어있다.이와같은상태에서강한전압 이걸리면전자들이양극으로이동하면서공기중의기체를이 온화시킨다.이때전자들이급격하게만들어지면서실처럼가느 다란형태를띠게되는데,이부분이전자와이온이혼합되어있 는플라스마상태이다.

우주선(宇宙線):

^우주에서^지구로^쏟아지는^높은^에너지를 지닌각종입자와방사선등을말한다.

전리:

^외부의^에너지^등에^의해^원자^또는^분자가^전자를^잃 어양이온이되는현상.‘이온화’라고도한다.

하전입자:

^전하를^띠고^있는^입자를^말한다.^전자,^이온,^양 성자따위가있다.

오로라는플라스마상태의입자가지구자기장에이끌려대기 속으로흘러들어가는과정에서대기의원소와충돌했을때발생 하는에너지가빛으로전환되는현상이다.지구자기장의영향 으로발생하는현상이므로

1

년내내관측할수있지만낮에는태 양,밤에는구름때문에사람눈으로볼수있는시간은한정되어 있다.

전리층또한자연에서찾아볼수있는플라스마다.대기의상 층에는기체가이온과전자로나누어져플라스마상태로된곳 이있는데,이층을전리층이라고한다.전리층은태양으로부터 오는자외선에의하여상층대기의분자나원자가이온화되어 형성된다.

플라스마의개념을좀더이론적으로살펴보자.물은

0

℃이하 번개는 자연에서 볼 수 있는 대표적인 플라스마 현상으로, 대기 중에서 발생

하는 방전 현상의 일종이다.

오로라는 태양에서 날아온 하전입자가 지구 자기장과 상호작용하여 일어나 는 방전 현상으로, 주로 극지방 상층 대기에서 일어난다.

에서고체(얼음)상태로존재한다.그리고온도가올라가면서액 체(물)로상태가변했다가

100

^℃^{이상에서는}^{기체(수증기)}^상태 가된다.만약

100

^℃보다^훨씬^더^높은^온도로^수증기를^가열한 다면어떻게될까?기체상태를이루고있던기체분자들이하 나둘씩쪼개지고물질을이루고있는단위들인이온,전자,중성 입자등으로나누어져자유롭게움직이는상태가될것이다.

물질은내부온도가높아짐에따라고체(분자의위치가고정 됨)→액체(분자가모여이동)→기체(분자가독립적으로운동)

→플라스마(분자가이온과전자로분리)로상태가바뀌게된다.

이렇게분자가나누어지는현상을해리현상이라고한다.즉,하

전입자및중성입자의집단이바로플라스마이며전기적으로는 중성을띤다.

사실플라스마상태는지구상에서는흔하지않은현상이다.하 지만우주에서는거의모든물질이플라스마상태이며태양의 대기또한플라스마로이루어져있다.인도의천체물리학자메 그나드사하는“우주의

99

^%는^플라^스마^상태에^{있다”라고}^말하 기도했다.우주공간에서볼수있는플라스마로는하전입자들 의흐름인태양풍과,수소분자가해리되어플라스마로이루어 진성간물질등이있다.

✚플라스마의역사

물리학에서는플라스마를‘상호작용하는하전입자의집단’이 라고정의한다.플라스마가연구되기시작한것은

1808

년아크

등을개발한영국의화학자험프리데이비와

1830

년대전기아

크와직류방전을연구한영국의물리・화학자마이클패러데이 등에의해서이다.아크등은탄소전극사이에서방전을일으켜 주위의공기가이온과전자로분리되는플라스마상태의아크 방전을사용해빛을내는전등이다.아크방전은기체속에서생 기는방전의일종으로,전극사이에비교적낮은전압과큰전류 를내보낼때전극이가열되어전자를방출하며강렬한빛을내 는현상이다.음극과양극사이는고온의플라스마로연결되어 큰전류가흐르게된다.

19

세기동안아크방전이나직류전기방전플라스마는가스 램프를대체하기위해활발히연구되었다.

1879

년영국의물리 학자이자화학자인윌리엄크룩스는방전기체가아주두드러진 성질을지닌새로운상태인것을발견하고이러한기체를‘제

4

의 물질상태’라고표현했다.그는저온에있는고체물질에열을가 하면녹아서액체로변하고,열을더가하면증발하여기체로변 화되며,여기에열을더가하면각원자들이전자와양이온으로 분리되어‘제

4

의물질상태’가된다고보았다.

그러나

1928

년미국의물리학자이자화학자어빙랭뮤어는진

정한의미의플라스마란‘자유하전입자인전자,이온및중성입 자로구성되어있으며,전기적으로는중성인성질을갖고있는 상태’라고정의했다.

◀ 물질의 4가지 상태

물질은 내부 온도가 높아짐에 따라 고체(분자의 위치가 고정) → 액체(분자가 모여 이동) → 기체(분자가 독립적으로 운동) → 플라스마(분자가 이온과 전 자로 분리)로 상태가 바뀌게 된다.

기체

플라스마

액체

고체

마이클 패러데이는 방전관 내의 전리 기체(플라스마)가 보통의 기체와는 다른 성질을 가지고 있다는 사실을 발견했다.

(17)

✚‘플라스마’용어의등장

물리학에서‘플라스마’라는용어가처음등장한것은

1928

^년 랭뮤어에의해서이다.원래플라스마라는용어는생물학이나의 학에서먼저널리쓰이고있었다(생물학에서는원형질을,의학 에서는혈장이나림프액을뜻한다).랭뮤어는글로우방전으로 만들어지는이온화된기체가특이한성질을나타내는것에착안 하여플라스마라이름을붙였다.글로우방전이란매우낮은압 력에서기체를채운방전관에전극을놓고높은전압을가하면, 전류가흐름에따라희미한빛이발생하는상태를말한다.플라 스마는그리스어로‘틀에부어만들어지는상태’를뜻한다.당시 그리스어를잘알고있던랭뮤어가방전으로빛나는부분의모 양이방전관의형태에따라변하는것을파악하고,이를표현하 기위해플라스마라는용어를선택한것으로예측된다.

우주나자연에서만관찰되던플라스마를실생활에응용하기 시작한것은

19

^세기^전기^아크에서^발생하는^빛을^광원으로^사 용하는아크등이등장하면서부터라고할수있다.그러나효율

이좋고사용이간편한백열전구가등장하면서아크등은점점 사라지게되었다.아크방전에사용되는높은직류전류를수송 하는것이번거로웠기때문이다.하지만아크등과같은가스방 전플라스마는

100

^년^넘게^독보적인^{연구주제였다.}

방전을시작으로플라스마연구는

19

^세기^말^{원자물리학이}^발 전하면서탄력을받았는데,

1940

^년대^제

2

^차^{세계대전을}^계기로 레이더가개발되면서마이크로파를이용해플라스마를만들어

낼수있게되었다.

1950

^{년대부터는}^핵융합^연구에^{플라스마가}

이용되면서큰발전을이루게되었다.

산업계에서는

1960

^년까지^{플라스마에}^대한^대부분의^관심을

가스방전레이저와램프개발에두었다.그러다

1960

^년대^말부

터는반도체분야에서플라스마를응용하기시작했다.플라스마 는기체나액체상태보다훨씬활발한반응을갖는재료를기판 에공급할수있고,내부는항상높은전기에너지를유지하기때 문에기존의기체나액체로불가능했던여러가지공정을가능 하게한다.이때문에현재필수적인반도체공정으로널리쓰이

고있다.특히

1970

^년대^이후^{플라스마는}^{산업체에서}^중요한^몫

을하기시작했으며,최근에는반도체제조공정뿐아니라환경, 에너지,생명공학,재료,섬유,의학등다양한분야에적용되고 있다.

20

^세기^후반기에^{이르러서는}^{플라스마에}^관한^대부분의 연구가핵융합과우주플라스마분야로집중되었다.

20

^세기^초 전기방전현상을규명하기위해시작된플라스마연구는

20

^세 기중반이후고진공・초고온・초고주파기술등첨단극한기술 의눈부신발전을이루어냈다.또한플라스마관련연구결과들 이산업화로응용되면서

21

^세기^첨단^산업기술^중^가장^중요한 선도기술중하나로자리잡게되었다.

아크등은 아크 방전에 의한 발광 또는 전극의 발광을 이용하는 방전등이다.

◀ <그림>PDP(Plasma Display Panel)의 구조 텔레비전 화면에 사용되는 PDP는 플라스마 상태에 서 발생하는 빛을 이용한다. PDP 기판 내부에는 비활 성기체(네온이나 크세논)가 채워져 있는데 전극을 통 해 전기장을 가하면 내부 기체가 플라스마 상태가 된 다. 이때 발생하는 자외선이 기판에 칠해져 있는 형광 체와 충돌하여 가시광선을 방출하게 되는데, 이를 통 해 우리는 TV 화면을 보게 된다.

보호층(산화마그네슘으로 코팅) 후면 유리판

절연막

어드레스 전극 픽셀

전면 유리판 형광체 절연막

디스플레이 전극 (절연막 내부)

✚플라스마의활용분야

플라스마는우리생활의다양한분야에서응용되고있으며그 중요성이점점커지고있다.플라스마는전기적,광학적,열적, 화학적성질및역학적성질중에서주로어느것을기반으로적 용하느냐에따라다양한응용분야를가진다.

우선플라스마가빛을내는성질은형광등,네온사인등조명 용방전관에활용한다.이외에기체레이저,플라스마디스플레 이패널(

PDP

⁾^등에도^{플라스마가}^이용되고^있다.^특히

PDP

^는^화 면을더크게하고화소를더세밀하게하는연구가활발히진행 되고있다.

새로운물질을만들어내는재료공학분야에서는플라스마프

로세스(

plasma process

^),^또는^플라스마^{프로세싱(}

plasma

processing

^)이라^불리는^{공정기술이}^널리^{이용된다.}^플라스마

의화학반응성을이용하여증착이나에칭을하는기술은첨단 전자소자를제조하는데꼭필요한것이다.

플라스마화학증착(

PECVD

^,

Plasma Enhanced Chemical

Vapor De position

^)이라고^불리는^기술은^{사용하고자}^하는^기판

에다양한막을만드는기술로서태양전지와액정디스플레이에 응용되고있다.나아가여러종의막(폴리머막)을제작하거나다이 아몬드막,나노튜브등의신소재를제조하는데에도이용된다.

한편플라스마는기판의표면과반응하여기판표면이깎 여나가는식각현상을일으키기도한다.이는컴퓨터의두뇌 부분인

CPU

^를^구성하는^대규모^{집적회로(}

LSI

^,

Large

^-

Scale

Integration

^)나^{보조기억장치의}

DRAM

^등을^미세하게^가공하는

데반드시필요한기술이다.

증착:

은,알루미늄,금등의금속을고온으로가열하여증 기로만든뒤,다른물체표면에얇은막처럼부착시 키는방법을말한다.

에칭(

Etching

⁾^:

^부식^작용을^이용하여^가공하는^방법.^주로

반도체회로등을제조할때쓰인다.

기판:

^전하를^띠고^있는^입자를^말한다.^전자,^이온,^양성자 따위가있다.전기회로가편성되어있는판을말한다.

플라스마내의이온을높은에너지로가속하여고체재료에충 돌시키면,재료를구성하는원자가밖으로튕겨져나오는현상, 즉스퍼터링(

sputtering

^)이^{일어난다.}^이와^같은^방법으로^튀어 나온입자를따로기판상에퇴적시켜박막을만드는방법도널 리활용되고있다.

<그림> 험프리 데이비가 개발한 데이비 램프 험프리 데이비는 플라스마 상태의 아크 방전을 통해 높 은 열과 강렬한 빛을 내는 아크등을 발명 했다.

CNC(컴퓨터 수치 제어) 공작 기계가 플라스마 커팅을 하는 모습.

플라스마를이용하여고체표면에막을형성하는공정은보통

액체를이용하는습식화학반응공정(

wet process

^)에^비하여^여

러가지이점이있다.첫째,기체를이용하므로약품처리가필요 하지않고배기가스처리등의공해문제가적다.둘째,저온에서 도높은화학반응을얻을수있다.셋째,이온을쏘는방향에따 라원하는모양으로식각을할수있다.이는특히높은정밀도의 가공을필요로하는전자장치를제작하는데적합하다.

이렇게플라스마의독특한성질을잘조정해서반도체및디스 플레이분야뿐아니라나노기술,환경기술,에너지기술등매우 다양한분야에응용하고있다.예를들어플라스마를지구환경 보전에이용할수있지않을까하는기대가높아지고있다.도시 쓰레기처리,금속폐기물의불순물제거,연소후발생되는유해 가스나유기용매의처리등에플라스마를이용하는연구가진 행되고있다.

(18)

플라스마를 사용해 과일, 채소 등을 포장상태에서 멸 균하는 기술.

플라스마를 사용해 달걀 표면을 살균하는 모습.

watch?v=Q8uKblE9Nog

전극 비닐

특히최근들어서는농식품분야에서플라스마를활용하는연 구가매우활발히진행되고있다.‘번개가많이치면풍년이든 다’라는옛속담이있다.이속담은경험적으로만들어진속담이 겠지만,과학적인측면에서도일리가있는속담이다.

식물생장에필수적인성분으로질소가있는데,식물은공기 중의질소를그대로이용하지못한다.이때문에농사를짓는사 람들은식물에질소비료를뿌려서영양분을공급한다.그러나 하늘에서번개가칠때는플라스마상태인번개가공기중의산 소와질소를화합시켜식물이직접사용할수있는형태로질소 를공급하는역할을한다.결국번개가많이치면풍년이든다는 것은‘플라스마로질소를식물에게공급하여식물의생장을돕 는다’라고설명할수있다.

이러한과학적원리에착안하여질소고정비료를만드는기술, 식중독균을살균하는기술,달걀표면에플라스마를발생시켜 살모넬라균을

100

%살균하는기술등은이미국내외과학자들 에의해서많이연구되고있다.

한편플라스마기술을바탕으로한치아미백이나충치치료법 도연구되고있다.플라스마는불규칙한표면의살균이가능하 기때문에통증이나치아의손상을최소화시키면서충치를치 료할수있다.이외에도플라스마를이용한피부질환치료,재생 치료등여러가지용도로활용되고있으며,앞으로플라스마를 활용하는기술은더욱확대될전망이다.

✚실생활에서이용되는플라스마는어떤원리로작동할까요?

•형광등

형광등의양끝에는필라멘트가있습니다.이필라멘트에서열 전자가방출되고,방출된열전자는형광등내에있는기체와충 돌해플라스마를형성합니다.플라스마입자들은형광등표면에 있는형광물질과충돌하여형광물질들이여기상태(전자들이에 너지를흡수하여들뜬상태)로에너지전이를하게됩니다.여기 된형광물질들이다시바닥상태로되돌아오면서내는빛이우

리눈에보이는것입니다.

•공기청정기

우리생활에서사용되는플라스마는대부분직류방전을이용 해만들어져있습니다.이는양극과음극두판을만들고이사이 에전압을가해주어방전을일으켜플라스마를발생시키는방 식인데,전류와전압의관계에따라암방전(어두운방전),글로우 방전(밝은방전),아크(

arc

)방전으로나누어집니다.암방전중에 서상대적으로전류가높은영역을코로나방전이라부르는데, 공기청정기내부의집진장치(먼지를한곳에모으는장치)는이 를이용해공기를정화시킵니다.

✚플라즈마볼

플라즈마볼은진공상태의공모양의유리구안에수천볼트 의고주파고압전극을설치하여자유전자를발생시켜만든다.

유리구내에네온이나아르곤과같은기체를일정량넣어방전 이잘일어나도록환경을만들어주면전극에서발생된자유전 자가유리구표면을향해이동하다가유리구내부에넣어둔중 성기체와충돌하여기체원자또는분자에서전자를떼어내는 과정에서빛이생겨난다.플라즈마볼은이런현상을관찰할수 있게하는도구이다.

✚플라즈마볼활용방법

먼저플라즈마볼을켠후빛의흐름을잘관찰한다.손을비롯 한다양한물체를플라즈마볼에대어보며플라즈마볼내부의 빛의흐름을관찰한다.손을유리구에대고이리저리움직여보 면불꽃의흐름이생긴다.수도꼭지에서호스가연결된방향으 로물이흘러나가듯이플라즈마볼도손가락이전선의역할을 하여전기가흐른다.손주변으로이동된전자는주변가스의방 전을야기한다.다시말해,플라즈마볼에서만들어진전자는우 리몸을따라땅으로흘러가는전류길을따라움직인다.이는플 라즈마의전기적성질을잘보여주는예이다.

이와같이전기가잘흐르는물체를플라즈마볼에가까이하 면플라즈마볼내부빛의흐름이더욱강해짐을알수있다.이 렇듯주변의다양한물체들을플라즈마볼에가져가플라즈마 볼의내부가어떻게바뀌는지관찰한다.어떤물체가플라즈마 볼내부의흐름을강하게하는지찾아보고기록한다.

✚플라즈마볼내부빛의흐름관찰

•빛의흐름이강해번개처럼보이는경우:자석,손,전선,쇠자, 클립,가위,칼등전기가잘통하는물체(도체)

•빛의흐름변화가없는경우:플라스틱자,고무,나무,수수깡, 등전기가통하지않는물체(부도체)

•이런차이가나타나는까닭

전기가잘통하는물체를플라즈마볼에가까이가져가면중심 부의전자와물체사이에보이지않는길이생긴다.이길을따라 전자는물체쪽으로이동하게되고이동하는중간에있는공기들 과부딪치면서플라즈마상태를만드는데이때빛이나타난다.

플라즈마볼의작동원리:이장치는니콜라테슬라에의해 서발명이되었다.플라즈마볼은비활성기체가채워져있는투 명한구형태를갖고있고볼중앙에는고전압전극이위치하고

있다.약

35kHz

^,

2

^-

5kV

^에^해당하는^고주파^교류^전류에^의해^작

동하게된다.이고주파,고전압에너지는중앙에위치한전극으 로부터볼내에있는기체로전달이되게된다.이때플라즈마 현상이관찰되는데,화려한색을띄고있는플라즈마선은내부 전극으로부터부도체인외부유리로향하게된다.이플라즈마

볼은

1980

^년대부터^주로^과학적^호기심을^{자극하거나}^신기한

장난감으로사용되고있다.

주의사항:도전성물질이나전자기기를플라즈마볼에근 접시키게되면플라즈마볼이뜨거워지게되고무선통신을하

는컴퓨터,휴대전화,

Wi

^-

fi

^등과^간섭을^일으키게^된다.^플라즈 마볼작동시소량의오존이나오게되어장시간사용시주위 환기가필요하다.

[그림2] 플라즈마 볼에 손을 댄 모습

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▲ 플라스마 응용기술은 핵융합 분야 외에도 우리 실생활과 가까운 다양한 분야에서 활용되고 있다.

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