    표면장력 (     접촉각 관의반지름 액체의밀도 중력가속도 )

1. 개요

□ 연구목적

○ 자연이 만들어 낸 표면 장력 현상을 초고속 카메라와 접촉각 측정기 등을 이용하여 관찰하고 이를 수학적으로 해석한다.

○ 표면 장력을 인위적으로 조절할 수 있는 과학적 접근 방법을 연구한다.

○ 표면 장력을 건축학, 공학, 예술, 인문학 등과 접목시켜 다양한 응용성 을 검증한다.

- 표면적을 줄인 건축물, 건축물을 지탱하는 내부 힘에 과한 연구, 표면 장력을 이용한 장난감 제작, 물방울을 이용한 예술 작품 제작, 표면 장력의 힘을 이해한 글 써보기 등

○ 표면 장력을 응용한 수질 측정기, 놀일 기구를 제작해 본다.

□ 연구범위

○ 선행 연구 조사

○ 자연계에 존재하는 표면 장력의 예 찾기

○ 초고속 카메라와 접촉각 측정기 등을 이용하여 다양한 조건에서 액체 의 표면 장력 측정하기

○ 표면 장력에 대한 수학적 해석

○ 표면 장력을 건축, 예술, 인문학 등의 다양한 분야에 적용하기

○ 전문가의 조언 구하기 2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 표면장력 : 액체분자 상호간에 서로 끄는 힘으로 단위 면적만큼 액체의 표면적을 증가시키는 데 필요한 에너지이고 액체의 자유표면

에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력이다. 표면장력이 생기는 이유는 액체의 분자 간 인력의 균형이 액면 부근에서 깨지고, 액면 부근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크고, 이 때문에 액체가 전체로서 표면적에 비례한 에너지를 가지기 때문이며, 이것을 될 수 있는 대로 작게 하려고 하는 작용에 의해 나타난다.

표면장력은 다음과 같은 수학적 공식에 의해 알 수 있다.

표면장력 공식(단, 링 법의경우)

    · cos

 _max ^  _

(

;

;

;

     

)

○ 모세관 현상 : 액체는 고체 표면 위에 위치되었을 때 응집력과 부착력 의 상대적 크기에 기인하는데, 여기서 물질 스스로가 스스로를 당기 는 인력을 응집력이라 하고, 서로 다른 물질 사이에서 작용하는 인력 을 부착력이라고 한다. 모세관 현상이 일어나기 위해서는 부착력이 응집력보다 커야 한다. 수은과 물에 유리관을 넣었을 때, 물은 응집력 보다 부착력이 더 강하기에 관을 타고 올라와 액면(메니스커스면)이 오목해지나, 수은은 관과의 부착력보다 스스로의 응집력이 더 강하기 때문에 관에서 미끄러지게 되어 액면(메니스커스면)이 볼록해지고, 관 안의 액면이 관 바깥 액면보다 내려가게 된다.

결국 모세관 현상도 액체의 표면장력특성에 의해 일어나는 것인 데, 이는 다음 식을 보면 알 수 있다.

  





(



  접촉각  관의 반지름  액체의 밀도  중력가속도)

○ 접촉각 : 접촉각이란 액체와 기체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각을 말한다. 접촉각은 고체표면의 젖음성을 나타내는 척도로서, 대부분 고착된 물방울에 의해 측정이 가능하다.

평평한 고체표면에 접촉한 액체의 접촉각은 액체 접합점에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉점에서 측정 가능하다. 접촉각의 종류에는 정접촉각과 동접촉각이 있다. 접촉각이 클수록 표면장력이 세다는 것을 의미 하고, 접촉각이 낮을수록 표면장력이 약하다는 것을 의미한다.

□ 연구주제의 선정

○ 융합과학의 대표적인 분야인 STEAM 연구를 시작하기 위해 무엇을 어떻게 연구할 것인지에 대해 고민하지 않을 수 없었다. 그동안 다양 한 주제로 R&E를 진행해 오면서 구지 지난 시간의 연구들에 과학과 수학 등을 기본적으로 접목시킬 수 있었고, 좀 더 무리수를 두자면 다양한 측정 기기도 다루게 되므로 기술과 공학 또한 없다고 할 수는 없었다. 그렇다면 그동안의 주제 역시 STEAM 연구와 무엇이 달랐던 가? 이러한 고민은 올해 처음으로 시작하게 된 이 연구에 많은 정신적 갈등을 겪게 하였다. ‘그렇다면 너무 학문적 욕구의 수준 높음을 버리 고 우리 생활에서 벌어지고 있는 다양한 현상 중 좀 더 STEAM적인 주제를 선정하여 학생들과 즐겨보자’라는 생각에 이르게 되었다. 관 심이 있는 1학년 학생 7명이 지원하게 되었고 이 중 3명만을 선별하여 본 연구를 진행하게 되었다. 문제는 주제 선정이었는데, 탄소나노튜 브, 그래핀 등과 같은 다양한 주제를 내놓았지만 STEAM 연구와의 연관성을 자연스럽게 얻을 수는 없었다. 토의 과정 중에서 ‘물’이라는 소재가 던져졌고, 지도 교사 또한 작년 디스커버리라는 케이블 채널 을 통하여 액체의 표면 장력에 대한 깊은 인상을 얻게 되어 자연스럽 게 액체의 표면 장력에 대한 연구를 진행하게 되었다. 연구는 처음부 터 마무리까지 학생 중심으로 진행되었고, 지도교사는 종종 세미나를 통하여 지도 조언하고 연구가 멈추지 않도록 안내하였다.

연구의 전문성을 높이기 위해 전북대학교 공과대학 화학공학과의 이대수 교수님을 찾아 뵈었고, 쾌히 자문을 승락하셔서 연구 중간 중간 많은 지도 조언을 받을 수 있었다.

□ 연구 방법

○ 본 연구에서는 주제가 많이 어렵지 않은 만큼 다양하고 흥미로운 접근을 시도하고자 하였다. 기자재 또한 본교에 구축되어져 있는 장비를 사용하였는데, 물리과의 초고속 카메라, 화학과의 접촉각 측 정기 뿐만 아니라 표면 장력 측정기와 핸디형 소형 현미경을 구매하 여 다양한 연구를 진행하였다.

○ 수학적 접근을 위해 시중에 판매되고 있는 수학 공간 모형 교구를 구매하여 비눗방울을 접목시켜 수업 시간에 이론적으로 배웠던 페르 마의 수학 이론을 표면 장력으로 해석해 보았다.

○ 모기 유충인 장구 벌레의 행동에 의한 표면 장력의 해석 등에서는 자문 교수님의 다양한 조언을 얻을 수 있었고, 놀이 기구의 제작 등에서도 학문적 지식을 전달 받을 수 있었다.

□ 연구 활동 및 과정

액체의 표면 장력을 이용하여 장난감과 간이 수질기를 제작해 보기 위해 서는 표면 장력을 이해하기 위한 몇 가지 지식과 관련 연구가 필요함을 인식하게 되었다. 이를 위해

○ 과학(Science) 분야에서 여러 가지 액체에 전해질을 가하거나 온도를 달리 하는 등의 조건에 따른 표면 장력의 변화, 접촉각의 변화 등을 관찰하였고, 또한 소금쟁이가 물 위에 떠 있는 모습을 관찰하고, 장구 벌레의 습성을 관찰하여 모기를 친환경적으로 퇴치할 수 있는 방법도 간구해 보았다.

○ 기술(Technology) 분야에서는 연구의 목적인 장난감 배를 제작 하여 표면 장력만으로 배가 움직일 수 있는 방법들을 생각해

보았다. 또한 모세관을 이용하여 간이 수질 측정기를 제작해 보기 위해 여러 실험을 진행하였다.

○ 공학(Engineering) 및 교육(Education)분야에서는 기술과 겹치는 부분인 장난감 배 제작 및 간이 수질 측정기 제작 외에 교육의 부분으로 학생들과 종종 세미나 시간을 가져 토의를 통하여 연 구 전반에 걸친 지식을 터득할 수 있었다. 또한 중학교 영재교 육원 소속 학생들과 학부모를 대상으로 ‘과학 축제’ 행사에 서 본 연구의 핵심 부분을 안내하고 직접 경험해 볼 수 있는 시간을 통하여 봉사활동을 통한 교육을 진행하였다.

○ 예술(Art) 분야에서 초고속 카메라를 이용하여 물방울의 움직임 을 예술적으로 접근해 보기도 하였고, 비눗방울을 이용하여 눈 사람, 리보솜 형태, 화난 모습의 형상 등을 구현해 보기도 하였 다. 또한 동전 위의 물방울의 모습과 거미줄에 맺힌 물방울의 모습을 촬영해 보도록 하여 표면 장력이 만들어내는 자연 현상 을 미적으로 접근해 보도록 하였다.

○ 수학(Mathematics) 분야에서는 연구 전반에 걸쳐 실험하였던 표 면 장력과 모세관 현상, 비눗 방울 등에 대한 수학적 접근을 진행하도록 하였다.

○ 주요 활동 일정

주요 활동 시기 비고

선행 연구 자료 탐색 2013. 05 선행 논문 조사 표면 장력에 관한 자연 현상 탐색 2013. 05 ～06

표면 장력에 대한 1차 실험

- 초고속 카메라 촬영, 접촉각 측정 등 2013. 06 ～07

표면 장력에 대한 1차 수학적 해석 2013. 06 ～07 전문가 조언 표면 장력에 대한 2차 실험 2013. 07 ～08

표면 장력에 대한 2차 수학적 해석 2013. 07 ～08 전문가 조언 표면 장력을 응용한 산출물 제작 2013. 09 ～11 전문가 조언 교내 발표 및 연구 보고서 작성 2013. 11 ～12

○ 연구비 활용 실적

비 목 세 목 산 출 내 역 금 액

직접비

연구장비재료비

․표면 장력 측정 장치 등 5종 500,000원×3회=1,500,000원

․분석 의뢰비 50,000원×3회=150,000원

․산출물 제작 재료비

200,000원×5회=1,000,000원

․문헌 조사비 100,000원×3회=300,000원 시작품 제작비

500,000원×2회=1,000,000원

3,950,000

연구활동비 ․전문가 자문수당 200,000원×2회=400,000원

․자료인쇄 10,000원×20부=200,000원 600,000

연구과제추진비 ․회의비 10명×10,000원×2회=200,000원

․국내여비 30,000원×5회=150,000원 350,000

연구수당

․책임지도교사 수당

200,000원×7개월=1,400,000원

․공동지도교사 수당

100,000원×7개월=700,000원

2,100,000

합 계 7,000,000

(단위 : 원)

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 과학 분야의 용액의 표면 장력 실험에서는 일반적으로 온도가 상승하 면 표면 장력이 감소하였지만, 농도 실험에서는 농도가 증가하면 표 면 장력이 증가하는 현상도 얻을 수 있었다. 또한 장구벌레의 수면 머무름 시간은 수용액의 표면 장력이 감소할수록 비례해서 감소하게 되어 친환경적인 모기 퇴치법에 대한 접근을 할 수 있을 것으로 생각 되어진다.

○ 기술 및 공학 분야에서 표면 장력만으로 구동되는 배와 프로펠러 등의 장난감을 제작하여 실험에 성공하였다. 모세관을 이용한 간이

수질 오염 측정기의 개발 실험에서는 연구의 시간이 짧아 결과에 대한 신뢰도가 낮았다.

○ 예술 분야에서는 초고속 카메라와 일반 카메라 등을 이용하여 다양한 표면 장력의 현상을 사진기에 담아 보았다.

○ 교육 분야에서는 여러 차례의 세미나와 과학 축제에서의 연구 성과 시연을 통하여 보다 적극적인 연구 참여 자세를 터득할 수 있었다.

○ 수학 분야에서는 수학 교구와 비눗방울을 이용하여 페르마의 점성질 중 ‘다각형의 꼭짓점의 꼭짓점 개수보다 2개 적게 생긴다.’라는 성질을 직접 증명해 보았다.

□ 시사점

○ 이번 연구로 얻은 가장 큰 점은 학생들의 자신감과 연구 능력의 향상 이라고 평가할 수 있다. 중학교 졸업 후 고등학교 1학년 전반부에 걸쳐 처음으로 깊이 있는 연구를 스스로 진행하면서 자신감과 희열을 종종 느끼고 있음을 관찰할 수 있었다. 밤 늦게까지, 그리고 시험 기간 직전까지 연구를 진행하는 모습에서 대견함과 고마움을 가질 수 있었다.

○ 또한 장구 벌레 실험을 통하여 자신들의 연구가 친환경적으로 모기를 퇴치할 수 있는 방안으로 사용될 수 있다는 점에서 향후 과학전람회 등과 같은 연구 대회에서 보다 더 깊이 있는 연구를 진행할 수 있을 것으로 생각된다.

○ 개선점으로는 연구의 기간이 너무 짧으며, 예산 또한 넉넉치 못한 편이다. 기구와 시약 등을 어느 정도 구매하고 나면 어쩔수 없이 과학 고 예산을 빌어 사용해야 했다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 연구의 지속과 발전

○ 친환경적인 모기의 퇴치법에 대한 연구 등 향후 과학전람회 등에서 보다 더 깊에 발전시켜갈 수 있을 것으로 생각된다.

5. 참고문헌

□ 문헌 및 논문

1) 일반화학 - 제 6판, John E. McMURRY, Robert C., 청문각(2012) 2) 화학의 원리 - 제 5판, Peter Atkins, Loretta Jones, 자유아카데미

(2012)

3) 일반화학 - 제 6판, Brady, 자유아카데미(2013)

4) Washington Univ. School of Medicine, "The Young Scientist Program Surface Tention"

5) VISUAL PHYSICS School of PhysicsUniversity of SydneyAustralia,

"Surface Tention"

6) C.W. Garland, J.W. Nibler, D.P. Shoemaker,

Experiments in Physical Chemistry, 7th ed., McGraw Hill (NewYork, 2003).

7)

Encyclopedia of Surface and Colloid Science,

8) Roger P. Woodward, "Surface Tension Measurements Using the Drop Shape Method"

□ 인터넷 사이트

10) 표면장력 값 : http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?

11) 링 메쏘드 : http://www.kruss.de/en/theory/measurements/

12) SEM 원리 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?

13) 비눗방울의 수학적 원리 : http://math.gnu.ac.kr/mathwiki/

액체의 표면장력을 이용한 수질 측정기 및 놀이기구 제작

전북과학고등학교 1학년 한융희, 맹대현, 하성범 지도교사: 윤대현

Ⅰ. 실험의 개요

1. 연구 동기 및 목적

우리의 일상생활 속에서 없어서는 안 될 물질을 고르라면 그것은 물 일 것이다. 생체 내에서도 70% 가까이의 함유량을 자랑하는 것이 물 이고, 식물체에서도 역시 80~95% 함유량을 지닌다. 이렇게 필수 불가 결하고, 주변에서 접하기 쉬운 물은 액체의 영역으로 확대되어 해석 된다. 이러한 액체의 큰 특성을 하나 고르라면 액체의 표면에서 일어 나는 표면장력 힘이 있는데, 우리는 생각보다 일상을 살아가며 표면 장력 현상에 대해 알게 모르게 많이 접하고 있다. 예를 들면 비눗방 울, 물위에서 계면활성제에 의해 앞으로 나아가는 배, 장구벌레들의 호흡 원리 등 수 없이 많이 있다. 우린 어째서 비눗방울은 네모 모양 세모 모양으로 형성되지 않고 구형으로만 형성되고, 물방울이 튀기면 항상 구형에 가까워지는지, 배가 앞으로 나아가는 원리는 무엇 인지, 그리고 모세관 현상은 어떻게 일어나는 것인지 등 표면장력 힘에 대 한 끊임없는 의혹과 탐구심이 우리를 한데 모아 놓게 되었고, 따라서 우리 팀은 이 신기한 힘에 대해서 집중적이며 포괄적으로 연구를 시 작하게 되었다.

Ⅱ. 이론적 배경

1. 표면장력

표면장력이란 액체분자 상호간에 서로 끄는 힘으로 단위 면적만큼 액체의 표면적을 증가시키는 데 필요한 에너지이고 액체의 자유표면 에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력이다. 표면장력이 생기는 이 유는 액체의 분자 간 인력의 균형이 액면 부근에서 깨지고, 액면 부 근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크고, 이 때문에 액체 가 전체로서 표면적에 비례한 에너지를 가지기 때문이며, 이것을 될 수 있는 대로 작게 하려고 하는 작용에 의해 나타난다.

표면장력은 다음과 같은 수학적 공식에 의해 알 수 있다.

표면장력 공식(단, 링 법의경우)

    · cos

 _max ^  _

(

;

;

;

     

)

그림 2. 표면장력 형성원인

2. 모세관 현상

액체는 고체 표면 위에 위치되었을 때 응집력과 부착력의 상대적 크 기에 기인하는데, 여기서 물질 스스로가 스스로를 당기는 인력을 응 집력이라 하고, 서로 다른 물질 사이에서 작용하는 인력을 부착력이

라고 한다.　

모세관 현상이 일어나기 위해서는 부착력이 응집력보다 커야 한다.

수은과 물에 유리관을 넣었을 때, 물은 응집력보다 부착력이 더 강하 기에 관을 타고 올라와 액면(메니스커스면)이 오목해지나, 수은은 관 과의 부착력보다 스스로의 응집력이 더 강하기 때문에 관에서 미끄러 지게 되어 액면(메니스커스면)이 볼록해지고, 관 안의 액면이 관 바깥 액면보다 내려가게 된다.

결국 모세관 현상도 액체의 표면장력특성에 의해 일어나는 것인데, 이는 다음 식을 보면 알 수 있다.

  





(



  접촉각   관의 반지름  액체의 밀도  중력가속도)

위 식에서 구하고자 하는 것은 모세관 벽을 타고 올라온 액체의 높이 h를 구하는 공식인데, h를 구하기 위해 조건중 하나가 바로, (T)표면 장력이다.

그림 3. 모세 관 현상(부착 력>응집력)

그림 4. 모세관 현 상 ( 부 착 력

<응집력)

3. 접촉각

접촉각이란 액체와 기체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 이루는 각을 말한다. 접촉각은 고체표면의 젖음성을 나타내 는 척도로서, 대부분 고착된 물방울에 의해 측정이 가능하다. 평평한 고체표면에 접촉한 액체의 접촉각은 액체 접합점에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉점에서 측정 가능하다. 접촉각의 종류에는 정접촉각과 동접촉각이 있다.

접촉각이 클수록 표면장력이 세다는 것을 의미 하고, 접촉각이 낮을 수록 표면장력이 약하다는 것을 의미한다.

그림 5. 접촉각의 측정

4. 장구벌레의 호흡

장구벌레의 꼬리 부에 있는 기관을 직접 물표면에 표착 시켜 그 숨 관을 통해 공기 호흡을 한다. 이때 기관을 물표면에 부착 시킬 때 표 면장력을 이용한다.

Ⅲ. 연구의 내용

가. 연구 개요

액체의 표면 장력을 이용하여 장난감과 간이 수질기를 제작해 보기 위해서는 표면 장력을 이해하기 위한 몇 가지 지식과 관련 연구가 필 요함을 인식하게 되었다. 이를 위해 과학(Science) 분야에서 여러 가 지 액체에 전해질을 가하거나 온도를 달리 하는 등의 조건에 따른 표 면 장력의 변화, 접촉각의 변화 등을 관찰하였고, 또한 소금쟁이가 물 위에 떠 있는 모습을 관찰하고, 장구 벌레의 습성을 관찰하여 모기를 친환경적으로 퇴치할 수 있는 방법도 간구해 보았다.

기술(Technology) 분야에서는 연구의 목적인 장난감 배를 제작하여 표면 장력만으로 배가 움직일 수 있는 방법들을 생각해 보았다. 또한 모세관을 이용하여 간이 수질 측정기를 제작해 보기 위해 여러 실험 을 진행하였다.

공학(Engineering) 및 교육(Education)분야에서는 기술과 겹치는 부분 인 장난감 배 제작 및 간이 수질 측정기 제작 외에 교육의 부분으로 학생들과 종종 세미나 시간을 가져 토의를 통하여 연구 전반에 걸친 지식을 터득할 수 있었다. 또한 중학교 영재교육원 소속 학생들과 학 부모를 대상으로 ‘과학 축제’ 행사에서 본 연구의 핵심 부분을 안 내하고 직접 경험해 볼 수 있는 시간을 통하여 봉사활동을 통한 교육 을 진행하였다.

예술(Art) 분야에서 초고속 카메라를 이용하여 물방울의 움직임을 예 술적으로 접근해 보기도 하였고, 비눗방울을 이용하여 눈사람, 리보솜 형태, 화난 모습의 형상 등을 구현해 보기도 하였다. 또한 동전 위의 물방울의 모습과 거미줄에 맺힌 물방울의 모습을 촬영해 보도록 하여 표면 장력이 만들어내는 자연 현상을 미적으로 접근해 보도록 하였 다.

마지막으로 수학(Mathematics) 분야에서는 연구 전반에 걸쳐 실험하 였던 표면 장력과 모세관 현상, 비눗 방울 등에 대한 수학적 접근을 진행하도록 하였다.

나. 연구 진행 내용

(Science)

1. 용액에 따른 표면장력 변화 실험 (1) 표면 장력 측정기를 이용한 실험

1) 실험 과정

① 증류수, 알코올류, 주방 세제를 준비하여 각 전해질 별로 0.1m, 0.2m, 0.4m, 0.5m의 농도로 용액을 준비한다.

② 표면장력 측정기계를 이용하여 각 물질의 표면장력을 측정하고 기 록한다.

(알콜류와 주방세제는 3차 까지 나머지 물질은 각 5차씩 반복 측정)

③ 온도 조건을 달리하여 실험을 반복한다.(전해질 수용액은 10℃간격 으로 20℃~60℃까지 측정하였고, 단, 알코올류는 50℃까지 측정하였 다. 증류수 경우 5℃ 간격으로 측정하였다.)

(2) 층을 이룬 액체의 표면 장력 측정 실험 1) 실험 과정

① 디클로로메탄, 식용유, 물, 헥세인 100mL씩을 500mL 메스실린더에 차례대로 천천히 부어 층을 만든다.

② 표면장력 측정 장치를 이용하여 각 계층이 변할 때마다의 표면장 력 변화를 측정하고 관찰한다.

2. 표면장력 변화 물질에 따른 장구벌레 주기변화

모기 유충인 장구벌레는 보통 고여 있는 물 속에서 생활하지만 호흡 을 위해서는 물의 표면까지 올라와야 한다. 이 때 물의 표면에 거꾸 로 매달려 있을 수 있는 것은 물의 표면 장력을 이용하기 때문인데, 이러한 물의 표면 장력을 감소시키면 장구 벌레의 표면 머무름 시간 도 줄어들 것으로 생각되어졌다.

1) 실험 과정

① 수조에 물을 담고 장구 벌레 3마리씩을 넣는다.

② 표면 장력을 줄일 수 있는 다양한 물질을 준비하여 수조에 정해진

양만큼 넣어가며 장구벌레의 수면 머무름 시간을 측정한다.

※ 넣어 준 물질 : 메탄올, 에탄올, 부탄올, 아세트산, 폴리에틸렌글 리콜, 과산화수소, 아세톤, 염화마그네슘, 원래 살던 물, 증류수, 주방 세제, 포도당, NaCl, KCl 각각 50mL(포도당, NaCl, KCl은 각 2g, 4g용해시킨 것; 주방세제는 2mL, 4mL용해시킨 것)

3. 용액의 접촉각 측정 실험

1) 용액의 오염도에 따른 접촉각 실험

① 여러 가지 액체와 유리판을 준비한다.

➁ 접촉각 실험 장치를 켠 다음, 유리판을 올려놓고 여러 가지 액체 들을 주사기로 떨어뜨린다.

➂ 접촉각 측정 후 값을 얻는다.

2) 용액, 밑판 종류에 따른 각종 접촉각 실험

① 포도당, 설탕, 염화나트륨, 염화칼륨, 그리고 모기가 살던 물을 준 비한다.

② 이들을 각각 농도를 다르게 하여 수용액을 만든다.

③ 유리판을 준비한 후 용액별로 떨어뜨린다.

④ 접촉각 측정 후 값을 얻는다.

3) 밑판의 종류에 따른 각종 접촉각 실험

① 증류수와 여러 가지 고체 물질들을 준비한다.

② 접촉각 실험 장치를 켠 다음, 물질들을 올려놓고 주사기로 물을 떨어뜨린다.

③ 접촉각 측정 후 값을 얻는다.

(Technology)

1. 표면장력을 이용한 장난감 만들기 실험

① 장난감 배 : 스티로폼과 두꺼운 종이를 이용하여 만들고 구상을 한 후에 모형을 만들고 결과 안 좋은 점을 자꾸 개선해 나간다.

② 바람개비 : 스티로폼과 두꺼운 종이를 이용하여 만든다. 처음에는 두꺼운 종이와 종이테이프를 이용하여 만들었었는데, 가라않는 단점을 보완하기 위해 스티로폼 이용하게 되었다.

2. 용액의 오염도에 따른 모세관 실험

㉠목표 : 음료수의 상한정도에 따라서 표면장력의 변화를 측정함으로 서 상한 음료수의 표면장력 크기를 일반화한다.

㉡실험 과정

①음료수(요구르트, 우유, 커피, 이온음료, 오렌지주스, 포도주스)를 상 온과 냉장상태로 나누어 보관한다.

②음료수를 50mL씩 비커에 담아 모세관(직경 1mm, 2mm, 3.5mm)을

꽂아서 올라온 높이를 3번씩 측정한다.

(Education, Engineering)

1. 세미나 활동

연구의 초기부터 수시로 세미나 시간을 가지게 되었고, 이는 학생들 의 적극적인 연구의 참여, 능동적인 자세의 함양 등 기대보다 더 큰 성과를 얻을 수 있었다.

2. 봉사 활동

2013년 6월 1일 전북과학고에서 중학교 영재교육원 1, 2, 3학년 학생 110명과 학부모 등을 대상으로 진행되었던 과학축제에서 표면장력으 로 움직이는 배’라는 주제로 부스를 운영하면서 본 연구의 내용을 직접 시연하고, 체험하게 함으로써 표면장력을 이해시킬 수 있는 시 간을 가지게 되었다. 이 시간을 통해 학생들은 자신의 능력을 많은 중학생들에게 봉사활동 형태로 보여 줄 수 있었다.

(Art)

1. 물방울 초고속 사진

㉠예술성 : 물방울이 튀기는 순간을 포착하여 그 순간 동그란 물방울 의 형태를 담아 보았다.

2. 비눗방울

㉠예술성 : 다양한 활동의 비눗방울을 포착하였다.

㉡종류 : 비눗방울을 이용한 스포츠 활동(야구), 눈사람, 이중 리포솜 형태, 비눗방울 속 비눗방울, 화난 모습 형상, 테니스 비눗방울 등

3. 물위에 떠올린 이쑤시개 및 클립

㉠예술성 : 물위에 올라 있는 클립을 관찰하며 그 주위부에 물이 움 푹 들어간 부분을 찍어 보았다. 이쑤시개 경우 우리 R&E 조의 명칭

‘STEAM R&E’를 자수 놓아 찍어 보았다.

4. 동전 위의 물

㉠예술성 : 동전이 표면장력에 의해 동전의 면적 이상을 차지하며 띄 는 아름다운 해파리 머리 같은 곡면을 사진으로 담아 보았다.

5. 물방울 달린 거미줄

(Mathematics)

1. 표면장력 구하는 공식

표면 장력이 작용하는 전체 길이 은 다음과 같다. _: 링의 바깥 반지 름, _ : 안쪽 반지름   ⋅_ _ , ∆ ·

∆는 물이 떨어지기 바로 전 최대 힘과 직후의 힘의 차이다. 는 단 위 길이 당 물의 표면장력이다.

따라서 _{  }

_ _



2. 모세관에서 표면장력 공식

  

 (h는 올라온 높이)

_{ }

 _ _

  

_ _

(_ 바깥반지름 _ 안쪽반지름) 3. 접촉각 공식 (액체 점성계수 따른)

_{  }



 (는 점성계수)

 _{ }





4. 비눗방울에서 표면장력 공식(완전 구형 경우)



^

  ^ 

Ⅳ. 연구의 결과

1. 과학(Science) 분야

(1) 용액에 따른 표면장력 변화 실험

그림 10. 온도에 따른 표면 장력의 변화 그래프

그림 11. 농도에 따른 표면 장력의 변화 그래프

온도와 농도에 의한 각 시료의 표면 장력 변화를 그림 10과 그림 11 에 나타내었다. 모든 시료에서 온도가 상승함에 따라 전반적으로 표 면 장력 값은 감소했으나, 농도의 영향에서는 농도가 증가함에 따라 표면 장력이 감소하기도 했지만 일부 시료에서는 오히려 표면장력이 증가하기도 하였다.

(2) 장구 벌레의 머무름 시간 변화 실험 1) 머무름 시간 측정 자료

각각의 용액을 50mL 비이커에 3개씩 준비하여 여기에 3마리씩의 장 구벌레를 넣고 실험함. 하나의 시료 당 5번의 관찰을 통하여 평균 값 을 구하였다.

※원수 : 원래 장구 벌레가 서식했었던 물

그림 12. 장구벌레의 머무름 시간 변화 그래프

원래 장구벌레가 서식했던 물을 기준으로 표면 장력이 감소하는 것으 로 생각되어지는 용액에서 장구벌레의 머무름 시간이 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그러나 각각의 용액 속에 넣어 주었던 장구벌레의 개 체수가 적어 동일한 실험을 반복할 필요가 있을 것으로 생각되어진 다. 실험을 진행하는 과정에서 계절이 바뀐 관계로 더 이상 장구벌레 를 얻을 수 없어 내년을 기약해야 했다.

2) 장구벌레의 관찰 1) 소형 현미경

- 일반적인 광학 현미경은 액체의 표면까지 올라온 장구벌레의 자연 스러운 모습을 관찰하기가 어려워 다루기 편한 소형 핸드형 현미경을 구매하여 관찰하였다.

그림 13. 소형 현미경으로 관찰한 장구벌레의 표면 머무름 2) 전자 현미경(SEM)

- 장구벌레의 꼬리 부분이 물에 거꾸로 메달릴 수 있도록 구조화 되어 있을 것으로 생각되어 전자 현미경으로 관찰하였다.

그림 14. 전자 현미경으로 관찰한 장구벌레의 꼬리 부분 이미지

(3) 층분리 용액의 표면장력 변화 실험

헥세인, 식용유, 물, 디클로로메테인을 조심스럽게 순서대로 부어 층 을 만든 뒤 가장 아래쪽에 위치에 있는 디클로로메테인부터 표면 장 력을 측정해보았다.

그림 15. 4개의 층으로 구분된 분리 용액에서의 표면 장력 변화 그래프

가장 아랫 부분의 디클로로메테인에서 물, 식용유, 헥세인을 거치는 동안 표면 장력 자체의 크기는 커지는 것을 알 수 있었다. 한 가지 특징적인 것은 식용유와 헥세인의 무극성 성질이 비슷하여 힘의 변화 가 거의 나타나지 않은 것을 알 수 있었다.

2. 기술(Technology) 및 공학(Engineering) 분야 (1) 표면 장력으로 구동되는 배 만들기

- 표면 장력을 이용하여 구동되는 장난감을 제작하기 위하여 스티로 폼과 두꺼운 종이 등을 이용하여 다양한 형태의 배 모형을 제작하여 보았다. 제작을 진행함에 따라 초기 단순한 형태를 벗어나 조금씩 모 양을 갖추기 시작했다.

그림 16. 모형 배의 변천 과정

(2) 모세관 현상을 이용한 간이 수질 측정기 만들기

- 용액의 변성 정도에 따라 부패 등의 원인에 따라 내부 물질의 조 성이 달라져 표면 장력이 변화할 것으로 생각하였다. 이러한 변화를 모세관 현상을 통하여 관찰하고자 하였다.

그림 17. 모세관 현상을 이용한 표면 장력의 변화 그래프

모세관을 이용하여 약 21일간 요구르트, 우유, 이온 음료, 오렌지 쥬 스, 포도 쥬스의 표면 장력 변화 실험을 한 결과 시간이 지남에 따라 요구르트와 우유의 표면 장력 값은 감소했지만 이온 음료와 두 쥬스 류는 반대로 소폭 상승하는 것을 알 수 있었다. 연구의 정확성을 위 해서는 좀 더 길고 많은 횟수의 실험이 요구될 것으로 생각된다.

3. 예술(Art) 분야

(1) 초고속 카메라를 이용한 물방울 모양 실험

그림 18. 초고속 카메라로 촬영한 물방울 점적 사진

이번 연구에서 초고속 카메라를 이용한 다양한 접근을 시도해보는 것 을 중요한 연구의 한 방향으로 했었지만 뜻하지 않게 장비가 화재로 전소되어 촬영을 하지 못해 많은 아쉬움을 남겼다.

(2) 다양한 표면 장력의 세계 관찰하기

그림 19. 일반 카메라로 촬영한 다양한 표면 장력 현상들

4. 수학(Mathmatics) 분야

그림 20. 수학 교구와 비눗방울을 이용한 수학적 접근

비눗방울 속 수학적 원리를 통하여 페르마의 점 성질 중 ‘다각형의 꼭짓점의 꼭짓점 개수보다 2개 적게 생긴다.’라는 성질을 직접 증명 하였다.

Ⅴ. 결 론

이번 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 과학 분야의 용액의 표면 장력 실험에서는 일반적으로 온도가 상 승하면 표면 장력이 감소하였지만, 농도 실험에서는 농도가 증가 하면 표면 장력이 증가하는 현상도 얻을 수 있었다. 또한 장구벌 레의 수면 머무름 시간은 수용액의 표면 장력이 감소할수록 비례

해서 감소하게 되어 친환경적인 모기 퇴치법에 대한 접근을 할 수 있을 것으로 생각되어진다.

2. 기술 및 공학 분야에서 표면 장력만으로 구동되는 배와 프로펠러 등의 장난감을 제작하여 실험에 성공하였다. 모세관을 이용한 간이 수질 오염 측정기의 개발 실험에서는 연구의 시간이 짧아 결과에 대한 신뢰도가 낮았다.

3. 예술 분야에서는 초고속 카메라와 일반 카메라 등을 이용하여 다 양한 표면 장력의 현상을 사진기에 담아 보았다.

4. 교육 분야에서는 여러 차례의 세미나와 과학 축제에서의 연구 성 과 시연을 통하여 보다 적극적인 연구 참여 자세를 터득할 수 있 었다.

5. 수학 분야에서는 수학 교구와 비눗방울을 이용하여 페르마의 점성 질 중 ‘다각형의 꼭짓점의 꼭짓점 개수보다 2개 적게 생긴다.’라 는 성질을 직접 증명해 보았다.

Ⅵ. 참고 문헌

1. 문헌 및 논문

1) 일반화학 - 제 6판, John E. McMURRY, Robert C., 청문각(2012) 2) 화학의 원리 - 제 5판, Peter Atkins, Loretta Jones, 자유아카데미

(2012)

3) 일반화학 - 제 6판, Brady, 자유아카데미(2013)

4) Washington Univ. School of Medicine, "The Young Scientist Program Surface Tention"

5) VISUAL PHYSICS School of PhysicsUniversity of SydneyAustralia,

"Surface Tention"

6) C.W. Garland, J.W. Nibler, D.P. Shoemaker,

Experiments in

Physical Chemistry, 7th ed., McGraw Hill (NewYork, 2003).

7)

Encyclopedia of Surface and Colloid Science,

8) Roger P. Woodward, "Surface Tension Measurements Using the Drop Shape Method"

2. 인터넷 사이트

10) 표면장력 값 : http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?

11) 링 메쏘드 : http://www.kruss.de/en/theory/measurements/

12) SEM 원리 : http://blog.naver.com/PostView.nhn?

13) 비눗방울의 수학적 원리 : http://math.gnu.ac.kr/mathwiki/