STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(씨앗의 구조 및 성분을 통한 단열 효율 확인 및 친환경 단열재로서 활용 탐구)

2015. 11.

세종과학예술영재학교

< 연구결과 요약 >

과 제 명 씨앗의 구조 및 성분을 통한 단열 효율 확인 및 친환경 단열재로서 활 용 탐구

연구목표

현재의 단열재들의 단점들을 보완하여 씨앗의 성질을 이용하여 단열 효과를 유지하면서도 화학성분을 많이 낮추어 몸에 좋은 친환경적 천연 단열재를 만드는 것을 목적으로 함과 동시에 단지 단열의 효과뿐만 아니라 이를 넘어 서 열을 흡수 저장하고 필요할 때 방출하거나 열을 흡수하여 보관 유지하면 서 단열의 성질을 유도하는 업그레이드 된 개념의 단열재를 만들어 미래의 단열재의 새로운 패러다임을 만드는 것을 목표로 한다.

연구방법

단열재의 재료로 사용할 씨앗을 선별하기 위하여 씨앗과 단열재에 대한 사전조사를 진행한다. 그 후 현미경과 아이오딘, 수단3, 뷰렛 용액을 이용하 여 씨앗의 구조와 성분에 따라 씨앗을 분류하였고, 씨앗이 단열재로서의 성능을 보유하고 있는지, 단열재로 사용할 수 있을지를 알아보기 위하여 열 전도성 실험을 진행 할 실험 키트를 제작하였다. 실험 키트는 3구역으로 나눠져 있어 1구역에 가열기구를 놓고, 2구역에 기존의 단열재 또는 단열재 로 활용할 씨앗들을 배치하여 가열을 진행하면서 1구역과 3구역의 온도 변화를 비교하여 열 전도성을 측정하였다. 이 실험에 사용된 씨앗들은 주변 에서 쉽게, 다량 구할 수 있으며 가격이 저렴한 가용성을 위주로 고려하였다.

이 실험의 결과를 통해 어떠한 씨앗이 기본의 단열재와 비교해 보았을 때 단열의 효과가 좋은지를 확인해보고, 효과가 좋은 씨앗의 구조를 파괴하여 같은 실험을 진행하여 씨앗의 단열효능이 구조에 의한 것인지, 혹은 성분에 의한 것인지를 검토한 뒤, 단열재로서의 성능이 가장 뛰어난 씨앗들로 친환 경 씨앗 단열재를 제작해본다.

연구 성과

우리 주변에서 쉽게 다량 구할 수 있는 씨앗들인 쌀, 보리, 밀, 옥수수, 수수, 소나무, 잔디, 완두콩, 강낭콩의 단열성능을 기존의 단열재인 스티로폼 과 열반사단열재와 비교해 본 결과 옥수수, 완두콩, 그리고 잔디씨앗이 단열 효과가 뛰어남을 알 수 있었다. 이 단열효과가 성분에 의한 것인지, 구조에 의한 것인지를 확인해 보기 위하여 가루로 만들어 구조를 파괴하여 비교해 보았는데, 그 결과 구조가 파괴되기 전의 단열효과가 더 뛰어남을 확인해 볼 수 있어 이 씨앗들의 구조가 단열효과를 올리는데 영향을 준다는 것을 알 수 있었고, 구조가 파괴된 상태에서도 기존의 단열재만큼의 성능을 보여 줌으로서 성분 또한 단열효과에 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 마지막으 로 옥수수, 완두콩, 잔디씨앗울 통해 직접 만들어본 씨앗단열재의 효과 또한 기존의 단열재 이상으로 좋은 것을 확인해 볼 수 있었다.

주요어 (Key words)

씨앗, 친환경단열재, 열전도성, 구조, 성분, 씨앗단열재

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

○바다는 태양에너지의 거대한 저장고이다. 만약 지구에 빙하기가 온다 면 바다가 최초로 저장된 태양에너지를 내놓아 지구 보온의 임무를 수행할 것이다. 이는 엄청나게 큰 비열을 자랑하는 물의 성질이 있기에 가능한 일이다. 평소 이러한 물의 성질이 굉장히 흥미로웠는데, 어느 날 부모님이 어깨가 아프시다고 찜질을 하시는 모습을 보게 되었다.

가만히 찜질팩의 내용물을 살펴보니 대부분이 물 또는 허브씨앗으로 구성되어 있었다. 이는 바로 찜질팩의 내용물이 비열이 높아 열을 많이 저장하여 찜질의 효과를 낼 수 있는 성질을 이용한 것인데, 그렇 다면 이 과정에서 열을 많이 저장할 수 있고 필요할 때 서서히 방출하 여 보온 효과를 주거나, 열을 흡수하여 보관 유지하면서 열의 양방향 전달을 차단하여 단열의 성질을 유도하는 이러한 물질들을 새로운 개념의 단열재로 쓰면 어떨까하는 아이디어가 떠올랐다.

일반적인 찜질팩의 내용물로 사용되는 물질을 단열재로 활용할 수 있지 않을까? 라는 생각을 가지게 되면서 나아가 다른 찜질팩의 내용 물로 사용되는 허브씨앗과 다양한 식물들의 씨앗 - 콩, 쌀, 보리, 팥 등 또한 역시 단열재로서의 기능을 할 수 있지 않을까? 라는 생각이 들었다. 이에 이러한 식물의 씨앗들이 열을 오랫동안 보관하거나 차단 할 수 있어 단열재로서의 역할을 제대로 수행할 수 있을지, 그리고 만약 단열재로서 사용할 수 있다면 그러한 효과를 내는 원리가 무엇인 지, 식물 씨앗의 구조 또는 식물 씨앗이 함유하고 있는 어떠한 성분 때문인지에 대해 알아보고 이것을 어떻게 하면 실제로 단열재로서의 기능을 하도록 적용을 시킬 수 있을지에 대하여 연구하고자 하였다.

□ 연구범위

○현재의 단열재들은 열전도성이 낮은 물질을 주로 사용한다. 가장 흔한 스티로폼부터 우레탄, 유리섬유, 코르크 등 여러 종류의 단열재가 있지 만 주로 화학성분들이 다량 함유되어있고, 합성물질도 많이 들어가 있다.

이를 보완하여 씨앗이 가지는 높은 비열성과 열을 보존하는 성질을 이용하여 단열 효과를 유지하면서도 화학성분을 많이 낮추어 몸에 좋은 친환경적 천연 단열재를 만드는 것을 목적으로 함과 동시에 단지 단열의 효과뿐만 아니라 이를 넘어서 열을 흡수 저장하고 필요할 때 방출하거나 열을 흡수하여 보관 유지하면서 단열의 성질을 유도하는 업그레이드 된 개념의 단열재를 만들어 미래의 단열재의 새로운 패러 다임을 만드는 것을 목적으로 한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○열의 이동 – 전도, 대류, 복사 가. 전도

전도는 열이 고온부분에서 저온부분으로, 중간물질을 통해서 이동하 는 것을 말한다. 전도는 단열에 있어서 가장 핵심적인 부분을 차지한 다. 여러 단열재들이 이 부분에 집중하여 개발되고 있는 실정이다.

이에 씨앗의 열전도도는 대부분 매우 낮은 편으로 단열효과를 내기에 적합하다고 사료된다.

나. 대류

액체와 기체를 가열하면, 가열된 물질은 가벼워져 위로 올라가고, 차가운 물질은 아래로 내려오면서 전체의 온도가 올라가게 된다.

이와 같이 물질이 직접 이동하면서 열이 이동하는 것을 대류라고 한다.

씨앗으로 단열재를 만들 때 씨앗은 대류의 특성을 이용하여 단열의 효과를 극대화 시킬 수 있다. 이는 몇몇 씨앗이 내부공간이 존재하여 대류에 의한 단열 효과를 극대화시킬 수 있음에 주목해야한다.

다. 복사

복사열 난로나 용광로와 같이 뜨거운 열원에 가까이 다가가면 주위 공기가 따뜻하지 않아도 뜨거움을 느낄 수 있다. 이것은 열복사를 통해 열에너지가 전해오는 것이다. 열복사는 열원과 직접 접촉하거 나 매개물질을 거치지 않는 열전달 방법이다. 복사는 열전달의 3가지 방법(전도·대류·복사) 중에서 가장 전달속도가 빠르다.

실험을 할 때 사용한 유리 상자에서 복사열이 빠져나가는 것을 막기 위하여 우리는 유리 상자 벽에 거울을 설치하여 열이 빠져나가 는 것을 방지하여 복사에 의해 발생하는 실험오차를 최소화하고자 하였다.

○단열재 관련지식 가. 열전도성

열전도성이란 열이 물체 속을 이동하는 성질이다. 단열의 효과를 높이기 위해서는 중간에 열이 이동하는 중간물질의 열전도성이 낮은 물질을 이동하여야 한다.

나. 비열/열용량

비열은 어떤 물질 1g를 1도 올리는데 필요한 열량으로 물질에 따라 모두 다르므로 물질의 고유한 특성 중 하나이다. 그에 비해 열용량은 질량에 관계없이 어떤 물질의 온도를 1도 올리는데 필요한 열량으로 열을 가하거나 빼앗을 때 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지 알려 주는 값이다. 비열과 열용량과 단열재와의 연관성이라고 한다면 비 열과 열용량이 클수록 온도가 잘 변하지 않아 단열이 잘 될 것이다.

다. 단열재

1) 단열재 정의

단열재랑 일정한 온도가 유지되도록 하려는 부분의 바깥쪽을 피복 하여 외부로의 열손실이나 열의 유입을 적게 하기 위한 재료로, 사용 온도에 따라 보냉재, 보온재, 내화 단열제 등으로 나눌 수 있으 며 앞에서 말했듯이 열전도성이 낮아야 효과가 좋기 때문에 다공질 이 되도록 만들어야 한다.

라. 잠열과 기름지방과의 연관성

잠열이란 간단하게 말하자면 물질의 상 전환에 소비되는 열량이라 고 할 수 있다. 물질을 가열(냉각)하면 온도가 상승(저하)하지만 물질 이 상 전환하는 경우에는 가해진(제거되는) 열량은 온도의 변화로서 는 나타나지 않고 물질의 상태변화에 만 소비된다. 씨앗 내부에 있는 지방은 잠열과 비슷한 효과를 낼 수 있다고 생각했고, 이에 씨앗이 단열에 효과적일 것으로 추측한다. (출처: 두산백과)

□ 연구주제의 선정

○연구주제의 착안 : 허브씨앗을 활용해 만든 허브찜질팩을 보고선 찜질 팩으로 사용할 수 있다면 열을 보존하는 능력이 있다는 것이니 단열제 로도 이용할 수 있지 않을까 하는 생각이 떠오르게 되었고 이에 단열재 에 대하여 조사를 시작하였다.

○다양한 단열재 및 문제점 조사 : 현재까지 다양한 단열재들이 개발되었 는데 많은 문제점들이 있다. 대표적인 문제점으로 단열재를 사용한 건축물을 철거할 때 환경에 영향을 주기도 하고, 버려진 단열재가 분해되지 않아 근처 지역, 지형의 온도에 영향을 주기도 한다. 또한 제작과정에서 발생하는 산업폐기물 또한 환경에 큰 피해를 준다. 따라 서 이러한 문제점을 보완할 수 있는 방법 중 하나인 친환경단열재에 대해 조사해보았다.

○친환경 단열재 조사 : 친환경단열재에도 여러 종류의 친환경 단열재가 있는데, 만드는 과정에 있어서 환경에 피해를 주지 않는 단열재들과 후에 건물 철거 등의 상황에 있어 환경에 피해를 주지 않는 단열재가 있다. 그러나 이러한 친환경 단열재들 또한 문제점을 지니고 있는데, 유리섬유단열재의 경우 인체에 직접 닿으면 피부에 유해하고 암 유발 의 가능성이 있는 등의 문제를 지니고 있다. 우리는 이러한 문제들을 해결할 수 있는 새로운 친환경단열재를 우리가 착안한 씨앗이라는 것으로부터 만들어보고자 하여 그 방법을 생각해보게 되었다.

○씨앗을 활용한 친환경 단열재 : 씨앗의 구조 혹은 성분이 단열효과를 일으킬 수 있는지 확인해 보고 이를 통해 새로운 친환경단열재인 ‘씨 앗단열재’를 제작해보도록 한다.

□ 연구 방법

사전조사

⇨

를 기반으로 분류

⇨

1) 구조 및 성분을 확인해볼 실험군 선별 및 실험준비물 준비.

가) 실험군으로 사용될 씨앗- 다양한 종류의 꽃씨들, 추위에 강한 씨앗, 주변에서 쉽게 볼 수 있는 씨앗(잎삼채, 강낭콩, 순무, 그 라비올라, 금낭화, 금잔화, 꽃호박, 리치니스동자꽃, 만추백근 대, 부추, 무, 마디호박, 시금치, 아라모네 애나벨라딜로즈, 알 타리무, 여주, 완두콩, 열무, 들깨, 케일, 타레붓꽃)

나) 실험준비물(칼, 패트리접시, 핀셋, usb현미경, 아이오딘 용액, 수단3 용액, 뷰렛 용액)

2) 선별된 씨앗들의 구조관찰 및 성분확인.

가) 씨앗들을 각각 가로, 세로 방향으로 칼을 이용해 자른다.

나) 잘라낸 후 씨앗들의 가로, 세로 방향 단면들을 각각 USB현미 경을 통해 관찰하고, 사진을 촬영한다.

다) 자른 씨앗들을 각각 3조각씩 페트리접시에 분류하여 놓는다.

라) 페트리접시 위의 씨앗 3조각에 각각 아이오딘 용액, 뷰렛 용 액, 수단3 용액을 투하하여 성분에 단백질, 지방 탄수화물이 함유되어있는지를 확인한다.

나. 실험 2. (씨앗의 단열재로서의 성능 확인실험) 1) 1차 실험군 선별 및 실험준비물 제작

가) 실험군으로 사용될 씨앗: 가격이 저렴하고, 대량구매가 가능한 씨앗(쌀, 완두콩, 강낭콩, 잔디, 소나무, 보리, 밀, 수수, 옥수수 ) 나) 대조군: 기존의 단열재(발포지, 에어캡, 압축 스티로폼, 발포합

성고무 등)

다) 실험준비물: 아크릴 필름, 씨앗, 단열재, 온도측정센서, 가열기 구, 수조, 글루건

2) 1차 실험군으로 상대적 열전도성 실험 가) 변인

- 통제변인 : 가해주는 열의 양, 각 공간의 부피, 초기온도, 단열 재의 부피,

- 독립변인 : 단열효과를 확인해 볼 씨앗의 종류 - 종속변인 : 온도

나) 유의사항

- 단열재의 총부피를 일치하도록 한다.

- 공간 내에 일정하게 열을 가한다.

- 공간의 밀폐를 확실하게 한다.

다) 실험방법

가) 수조를 두 부분으로 나누어 가운데에 단열재를 넣을 공간을 확보한다(장치제작)

- 공간사이의 밀폐가 제대로 이루어졌는지 확인해본다

- 이 때 수조 내부의 열은 보존하기 위해 단열재를 수조에 두 르도록 한다.

나) 씨앗들과 기존의 단열재로 각각 단열효과를 확인해 볼 샘플 을 제작한다.

다) 열을 가하는 부분의 온도를 100도, 받는 부분의 온도는 약 25도가 되도록 설정한 뒤 온도측정기를 각각의 공간에 설치 한다.

다) 한쪽에 가열을 하며 온도가 약 200도에 이르기까지의 시간을 측정한다.

다) 4의 측정된 시간으로 단열재샘플을 바꾸어가며 각각 2~3회 반복 실험하여 그래프를 얻는다.

3) 데이터분석

열을 가한 쪽과 가하지 않은 쪽의 온도변화를 시간별로 측정, 그 래프를 비교하여 단열 효과를 비교해본다.

4) 2차 실험군 선별 및 실험

앞의 1차실험에서 단열효과가 좋다고 판단된 씨앗 약 3여종을 선별하여, 그 씨앗들의 단열효과가 구조에 의한 효과인지, 성분에 의한 효과인지를 확인해보기 위해 1차 실험과 같은 방법으로 반복 실험을 한다

5) 구조, 성분의 열전도성에 대한 연관성 찾기

6) 연관성이 규명되었을 경우 이를 활용하여 시험용 단열재 제작 7) 제작된 단열재의 열전도성을 의뢰하여 기존의 단열제와 비교

□ 연구 활동 및 과정

○연구 과정

월 활동 과정

6월 - 실험방향 설정 및 실험을 위한 사전조사 진행 7월 - 선행 연구 및 자료 조사

8월 - 씨앗을 구매 - 실험<1> 진행 10월 - 실험물품 구입 - 1차 실험키트제작

11월 - 2차 실험키트 제작 실험 진행 - 데이터분석 및 단열재 제작

○ 세부 연구 활동

가. 실험 방향 설정 및 실험을 위한 사전조사 진행

씨앗을 성분과 구조 2가지에 대해 확인해보도록 결정하였고, 이 에 어떤 씨앗을 실험에 사용할지 확인을 위한 사전조사를 진행하 였다. 그 결과, 다양한 씨앗들의 성분을 조사할 수 있었다.

∘ 수박씨 - 쿠쿠르비틴 - 구충작용, 동맥경화 예방 불포화 지방산(리놀렌산), 단백질, 비타민 B, E

∘ 참외씨 - 칼륨, 인, 칼슘(무기질들), 비타민E의 함유가 높음. 참기름의 26 배, 토코페롤(비타민E의 성분 중하나)

∘ 포도씨 - 폴리페놀 성분

∘ 탄수화물 : 쌀, 보리

∘ 지방 : 땅콩

∘ 단백질 : 콩

∘ 호두나무, 땅콩, 콩 - 떡잎에 많은 기름(지방)을 포함

나. 선행 연구 및 자료 조사

- 토의 : 씨앗을 구조적으로 어떻게 분류할 것인가?

- 토의 결과: 크기별, 내부의 구조, 속씨/겉씨식물 등의 기준을 통 해 여러 그룹으로 분류

∘ 크기

- 왕버찌 씨, 복숭아 씨, 매실 씨 등은 씨앗의 크기가 크고 아마씨, 밀, 수수, 허브들의 크기는 작다.

∘ 내부 구조(지방)

- 왕버찌 씨, 복숭아 씨, 살구 씨 등의 씨앗들은 배아를 감싸는 표피 층이 두꺼워 건조된 경우 열 함유율이 매우 우수

∘ 겉씨 속씨

- 속씨식물 : 조, 밀, 수수, 왕버찌 씨, 복숭아 씨, 살구 씨, 매실 씨, 아마씨, 펜넬, 오레가노, 로즈마리, 라벤더, 쑥

- 겉씨식물 : 소철류, 은행나무류, 침엽수류

다. 씨앗을 구매한 후, 실험을 진행<실험1>

1) 실험내용 : 주변에서 쉽게 볼 수 있는 다양한 종류의 꽃씨들의 구조 및 성분을 USB현미경과 뷰렛, 아이오딘, 수단3 용액을 통해 확인해보았다.

여주단면 만추백근대 단면 완두콩 아이오딘반응

2) 결과 : 성분에 따른 씨앗 분류가 불가능하였고, 현미경과 육안으로 만 확인한 구조에 따라 씨앗을 분류하기가 힘들었다.

3) 실험 방향 수정 : 처음의 계획대로 씨앗들의 단열재로써의 가능성 확인 후 성분과 구조에 의한 것인지를 판별하기 로 하였다.-기존의 단열재와 씨앗들의 상대적 열전도성을 실험을 통해 확인해보도록 하였다..

라. 실험물품 구입 및 1차실험 키트 제작

* 실험물품 :

실리콘, 세라믹 열선 히터, 아크릴거울, 세라믹페이퍼, 열화상온도계, 온도기록계, 스티로폼, 단열에어캡, 수조, 아크릴, 열선, 그라스울, 열 반사단열재, 씨앗(옥수수외 8종)

상대적인 열전도율 실험을 진행하기 전에 2가지 고민이 있었다. 첫 번째는 발열장치를 가열시키고 다시 식히기까지의 시간이 오래 걸려 서 실험과 실험사이의 텀이 길어지는 문제였고, 두 번째는 씨앗의 열용량을 어떻게 측정할지에 대한 문제였다. 첫 번째 문제를 해결하 기 위해서는 가열한 것을 다시 냉각시키기 위한 방법이 필요했다.

액체를 통해 냉각하는 방법은 쓸 수 없어서 우리는 바람을 이용해서 식히기로 했다. 그래서 선풍기와 헤어드라이기를 준비했다. 타당한 실험 방법이 되려면 온도를 재는 위치가 중요했다. 두 곳의 온도 차 이를 통해 열용량을 구하기 때문에 그 위치에 따라서 실험결과가 달 라질 것이다. 우리는 물리 선생님의 조언을 구하여 씨앗을 채우는 공간 바로 양옆 면 부근의 위치에서 온도 차이를 측정하였다. 실험 을 위한 실험장치의 제작 과정에서도 여러 문제들이 많았다. 실험 중에 발생하는 열의 복사로 인한 손실을 막기 위해 우리는 그 안쪽 벽면에 거울을 설치했다. 그 양 옆면에는 전도로 인한 열의 손실을 막기 위해 여러 종류의 단열재들을 같이 붙였다. 또한 모든 면들을 연결하고 붙이는 과정에서 높은 온도에서도 녹지 않는 실리콘을 사 용했다. 그러나 실리콘이 굳는데 시간이 오래 걸려서 그 위에 빨리 굳는 글루건을 칠했다. 뚜껑은 씨앗을 넣는 곳을 중심으로 하여 양 옆에 조그맣게 유리로 덮어 양쪽의 온도를 재는 장치의 위치를 각각 볼 수 있게 하여 실험 결과의 오차를 줄일 수 있게 하였다. 실험장 비를 다 제작하고 준비하고 나서 예비 실험을 몇 번 해보았다. 그 때 실리콘이 타면서 작은 불꽃이 생겼고 그 뒤에 또 몇 번의 실험 뒤에 불이 또 발생하여 새로운 실험키트제작에 착수하기로 하였다.

(전문가조언 참조)

1) 실험키트 1 제작

1. 난로를 분해 2. 수조를 준비 3. 수조벽면에 열선 부착 4. 아크릴&거울 가공

5.거울과 아크릴 부착 6. 4종의 단열재 준비 7. 단열재로 벽채우기 8. 뚜껑덮은 후 완성

2) 실험과정

1. 열로 인한 뚜껑깨짐을

막기위한 실리콘테이프 2. 시험가동 3. 시험가동 중 온도측정 4. 실험키트의 열 식히기

3) 실험과정 중 시행착오

1. 동작실험 중 2. 실리콘,글루건으로

인한 연기발생 3. 실리콘에 불이붙어

1차화재 발생 4. 2차화재 발생 후 실험 키트 내부의 그을린 모습

마. 2차 실험키트제작 및 실험진행, 데이터분석 및 단열재 제작

1차 실험키트에 다양한 문제가 있어 전문가의 조언을 받아 그 문제 점들을 보완한 새로운 2차 실험키트를 만들었다. 우선, 400도이상으 로 올라가는 고온의 열선을 제어하기 위해 전압조절기를 달아 원하 는 온도를 지정할 수 있게 하였고, 열을 받으면 팽창하거나 녹아버

리는 아크릴과 잘 꺠지는 유리 대신 유리속에 철심을 박은 유리를 사용하여 깨지더라도 영향이 없도록 하였다. 또한 아크릴 거울이 녹 는 것을 대체하여 철판을 사용하였다. 뚜껑 또한 깨지는 것을 막기 위해 동판을 사용하였고 내부를 들여다볼 수 있도록 구멍을 뚫어 그 위를 작은 유리판으로 막을 수 있는 구조로 만들었다. 만들어진 실 험키트를 이용하여 실험을 진행하였는데, 쌀, 밀, 완두콩, 옥수수, 수 수, 소나무, 보리, 강낭콩, 잔디, 기존의 단열재 순서로 진행하였다.

씨앗의 초기 온도와 실험 후 온도를 측정하였고, 실험키트에서 두 구획의 시간당 온도변화 또한 측정하였다. 이후 측정한 데이터를 분 석하여 가장 효능이 좋은 씨앗을 선별해내어, 앞의 실험에서 보여준 단열효과가 그 씨앗의 구조적 능력인지, 혹은 그 씨앗의 성분에 의 한 것인지를 확인해보기 위해 가루로 만들어 구조를 파괴하여 같은 실험을 진행한 뒤 결론을 도출해내었다. 이후 앞의 실험 결과들을 토대로 하여 가장 효과가 좋을 친환경 씨앗단열재를 제작해보았다.

1) 실험키트 2 제작

열선온도조절을 위한 전압조절기

아크릴과 거울 대신 철판을 사용

깨지기 쉬운 유리뚜껑 대 신 동판을 뚜껑으로 사용

동판에 구멍을 뚫어 속 을 볼 수 있도록 함

2) 실험과정

쌀 완두콩 옥수수 소나무

3) 데이터 해석 및 단열재 제작

시간, 온도 기록 소나무씨앗 그래프 온도측정용 전자온도계 제작한 임시단열재

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○실험1.

가. 구조확인실험 결과

강낭콩 순무 그라비올라 금낭화

금잔화 꽃호박 리치니스동자꽃 만추백근대

부추 타래붓꽃 서울마디호박 시금치

아네모네애나벨딥로즈 여주 들깨 게일

나. 성분 확인 실험 결과

빨간강낭콩-수단3 빨간강낭콩-아이오딘 빨간강낭콩-뷰렛

순무-수단3 순무-아이오딘 순무-뷰렛

완두콩-수단3 완두콩-아이오딘 완두콩-뷰렛

다. 연구의 의의 및 결론

구조는 현미경만을 이용한 관찰로는 정확히 분류하기가 힘들었고, 성분은 단순히 단백질, 지방, 탄수화물의 유무만을 확인하는 것으로 는 성분을 분석하였다고 할 수 없고, 또한 뷰렛, 수단3, 아이오딘 용 액에 대해 반응이 제대로 일어나지 않아 이조차도 정확히 확인하기 가 힘들었다. 이를 통해 성분, 구조를 우선적으로 분석한 뒤 단열재 로서의 가능성, 성능을 확인해보는 것은 어렵다는 것을 알 수 있었 다. 따라서 실험 2를 통해 새롭게 시작해보도록 결정하였다.

○실험2.

가. 씨앗 및 단열재의 공간별 온도변화(1차실험) (공간1:가열공간, 공간2:효과 확인 공간)

1차실험 : 쌀의온도 35->51.7 공간1의온도 99.5->206 공간2의온도 21.7->30.3 2차실험 : 쌀의온도 29.1->42.5

공간1의온도 96.3->223.2 공간2의온도 21.7->29.9

쌀1 쌀2

기계오작동으로 인한 데이터추출 불가

1차실험 : 밀의온도 29.1->42.5 공간1의온도 98.2->227.6

공간2의온도 20.5->32.7 2차실험 : 밀의온도 37.3->42.6

공간1의온도 X 공간2의온도 X

밀1 밀2

1차실험 : 완두콩의온도 21->61.2 공간1의온도 102.7->192.2

공간2의온도 23.9->25.7 2차실험 : 완두콩의온도 38.6->50.5

공간1의온도 97.5->177 공간2의온도 25.5->26.8

완두콩1 완두콩2

1차실험 : 옥수수의온도 27.4->47.4 공간1의온도 96.4->176.6

공간2의온도 27.2->27.7 2차실험 : 옥수수의온도 40.3->50.7

공간1의온도 95.0->180.7 공간2의온도 27.5->28.7

옥수수1 옥수수2

1차실험 : 수수의온도 42->49.8 공간1의온도 97.6->235.8

공간2의온도 26.0->27.9 2차실험 : 수수의온도 29.6->34.9

공간1의온도 99.7->172.1 공간2의온도 32.9->35.3

수수1 수수2

1차실험 : 소나무씨의온도 25.4->40.7 공간1의온도 99.1->145.5

공간2의온도 31.0->32.0 2차실험 : 소나무씨의온도 37.8->46.5

공간1의온도 101.2->151.3 공간2의온도 29.4->32.9

소나무1 소나무2

1차실험 : 보리의온도 19.0->43.1 공간1의온도 101.9->147.8

공간2의온도 17.0->17.8 2차실험 : 보리의온도 25.1->48.3

공간1의온도 99.9->153.6 공간2의온도 21.5->22.1

보리1 보리2

1차실험 : 강낭콩의온도 26.1->38.6 공간1의온도 98.7->167.8

공간2의온도 16.5->17.4 2차실험 : 강낭콩의온도 23.1->36.0

공간1의온도 101.2->203.0 공간2의온도 23.1->25.6

강낭콩1 강낭콩2

1차실험 : 잔디의온도 17.8->44.8 공간1의온도 100.5->183.3

공간2의온도 16.1->16.5 2차실험 : 잔디의온도 38.2->59.5

공간1의온도 95.4->198.1 공간2의온도 26.3->27.5

잔디1 잔디2

기계오작동으로 인한 데이터추출 불가

1차실험 : 스티로폼의온도 공간1의온도 102.4->218.4 공간2의온도 26.0->30.3 2차실험 : 스티로폼의온도 X

공간1의온도 X 공간2의온도 X

스티로폼1 스티로폼2

1차실험 : 열반사단열재의온도 공간1의온도 100.0->251.0

공간2의온도 31.6->32.9 2차실험 : 열반사단열재의온도

공간1의온도 101.1->297.2 공간2의온도 33.2->34.6

열반사단열재1 열반사단열재2

나. 1차 실험-공간 1의 온도가 50도 증가할 때 공간 2의 온도변화 ^(단위:℃)

구 분 실험1 실험2

쌀 4.038 3.231

밀 4.714 X

완두콩 1.006 0.314

옥수수 0.312 0.700

수수 0.687 1.657

소나무 1.077 3.493

보리 0.871 0.559

강낭콩 0.651 1.277

잔디 0.242 0.584

스티로폼 1.853 X

열반사단열재 0.430 0.357

0 1 2 3 4 5

쌀 밀 완두콩 옥수수 수수 소나무 보리 강낭콩 잔디 스티로폼 열반사

쌀, 밀, 옥수수, 수수, 소나무, 보리, 강낭콩, 잔디 이 8가지 씨앗들 중에서 기존의 단열재인 스티로폼과 열반사단열재와 비교해보았을 때 단열재로 서 사용 가능할만한 씨앗은 완두콩, 옥수수, 잔디였다.

다. 가루상태의 씨앗의 공간별 온도변화(2차실험)

1차실험 : 옥수수가루의온도 24.1->62.2 공간1의온도 106.3->201.9

공간2의온도 30.5->32.5

2차실험 : 옥수수가루의온도 33.5->72.2 공간1의온도 86.1->160.0

공간2의온도 24.7->25.9

옥수수가루1 옥수수가루2

1차실험 : 완두콩가루의온도 22.5->45.5 공간1의온도 100.7->162.8

공간2의온도 30.4->32.1

2차실험 : 완두콩가루의온도 35.2->56.3 공간1의온도 102.0->175.4

공간2의온도 28.2->31.5

완두콩가루1 완두콩가루2

라. 2차 실험 : 공간 1의 온도가 50도 증가할 때 공간 2의 온도변화 ^(단위:℃)

실험1 실험2

옥수수가루 1.046 0.812

완두콩가루 1.369 2.248

마. 1차, 2차 실험 결과 비교

^(단위:℃)

기본상태 가루상태

옥수수 0.506 0.929

완두콩 0.660 0.808

0 0.5 1 1.5 2 2.5

옥수수 완두콩 옥수수가루 완두콩가루

옥수수, 완두콩 두 씨앗 모두 기본상태일 때가 가루상태일 때보다 단열의 효과가 더 좋 았다.

바. 보완 실험해야 할 사항

- 반복 실험의 횟수가 부족하다.

- 공간의 밀폐가 완벽하지 않았을 수 있다.

- 시작할 때의 씨앗의 온도 및 공간의 온도를 완전히 같게하지 못하였다.

사. 1,2차 실험 결론

1차 실험 결과 옥수수, 완두콩, 잔디 씨앗이 기존의 단열재들과 비 교해보았을 때에도 가장 단열 효과가 좋다고 판별되어 씨앗의 크기 가 너무 작아 구조를 파괴하기 힘든 잔디를 제외한 옥수수와 완두콩 을 가루 상태로 만들어 2차 실험을 진행하였고, 2차 실험의 결과와 앞 실험의 결과를 비교해 보니 옥수수와 완두콩 둘 다 가루상태의 단열능력이 더 좋지않았다. 그러나 가루 상태의 실험 결과도 일반적 으로 단열재로 사용되는 스티로폼과 열반사단열재보다 더 좋은 효능

을 보였으므로 이들 씨앗의 단열능력은 성분적인 요소에 기반을 두 고 구조적인 요소가 복합적으로 작용하여 발생하는 것이라고 생각된 다. 이로서 우리는 주변의 구하기 쉬운 씨앗들 중 완두콩과 옥수수, 그리고 잔디씨앗이 단열재로서 활용될 수 있다는 것을 알게 되었고, 이를 응용하여 시범적인 단열재를 제작해보았다.

아. 실험 제작한 씨앗단열재의 공간별 온도 변화

1차실험

공간1의온도 99.4->191.4 공간2의온도 16.4->17.1

2차실험

공간1의온도 99.2->140.3 공간2의온도 33.6->34.0

씨앗단열재1 씨앗단열재2

자. 씨앗단열재 : 공간 1의 온도가 50도 증가할 때 공간 2의 온도변화

(단위:℃)

실험1 실험2 평균

0.380 0.487 0.434

옥수수가루, 완두콩, 그리고 잔디씨앗을 혼합하여 만든 씨앗단열재 의 단열효과는 앞의 그 어떤 실험재료보다 더 뛰어났고, 100%씨앗으 로 이루어져 있어 친환경적이다.

□ 시사점

○기존의 단열재들과 다양한 종류의 씨앗들을 비교해봄으로써 어떠한 씨앗들이 단열재로써 활용이 가능한지 알 수 있게 되었고, 시범적으로 만들어본 옥수수-완두콩-잔디 씨앗단열재와 같이 100% 환경친화적 이고 철거 시 폐기물이 발생하지 않으며 단열 효과 또한 일반 단열재만 큼 뛰어난 친환경단열재들을 만들어 낼 수 있을 것이다. 또한 씨앗의

단열 효과는 성분을 기반으로 하여 구조적인 요인이 복합적으로 작용 하는 것으로 보이므로 정확히 어떤 성분, 구조가 이러한 효과를 내는지 를 검증하여 더 싸고, 효과가 뛰어난 단열재를 만들어 낼 수 있을 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

- 미처 하지 못한 정확한 성분 및 구조분석을 의뢰하여 씨앗의 단 열효과의 원리를 명확히 밝혀낸다.

- steam R&E 연구과제 성과자료집에 게시하여 교수님들. 선생님 들에게 발송하여 참고자료 또는 수업자료로 활용한다.

- 인터넷 논문 게시 홈페이지와 학교 홈페이지에 게재하여 연구 아이디어와 결과를 알림으로써 새로운 가능성에 대하여 알리고 다른 아이디어 또는 연구방법을 모색한다.

- 새로운 단열재의 재료를 제시하고 단열재로서의 가능성 실험 방 법을 제안하여 다른 이에게 창의적인 아이디어를 낼 수 있는 기 회를 제공하고 단열재 연구의 새로운 방향을 제시한다.

- 씨앗을 교반기로 교반한 다음 성형 틀에 넣어 단열재를 제조하 여 실험하는 등의 다른 연구 방법으로 접근하여 새로운 결과물 을 제시할 수 있다.

5. 참고문헌

□ 섬유소재분석론 - 아크릴 섬유의 단면구조 : 강낭콩 구조

□ "단열효과 극대화를 위한 원리 탐구" 제29회 서울특별시학생탐구 발표대회 탐구보고서