2018. 10. 31

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2018 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서

2018. 10. 31

【 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 결과보고서 】

과 제 개 요

과제명 2018년 융합인재교육(STEAM) 교사연구회 운영

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 과학탐구실험 (제3부)함께 행복한 과학기술 수업용 STEAM 프로그램

학교급 중학교 대상 학년(군) 3학년

중심과목 과학탐 구실험

중심과목

성취기준 영역 [과학탐구실험] (제3부) 함께 행복한 과학기술

연계과목 물리 화학 생물 지구과학

정보 공학

연계과목 성취기준 영역

[통합과학 1학년] (제1부) 신소재와 인류 문명의 발달 [통합과학 1학년] (제2부) 지구시스템 구성요소의 상호작용 [통합과학 1학년] (제3부) 생물다양의 보전

[통합과학 1학년] (제4부) 에너지 효율과 사회의 의미/에너지문제해결을 위한 인류의 오력

연구기간 2018.4.협약일 ~ 2018.11.23.

연 구 비 일금사백만원(￦4,000,000)

참여연구원 8명 (연구책임자: 1명, 공동연구원: 7명) 연구 수행자에 관한 사항

구분 소속 학교명 담당과목 직위 성명

연구책임자

세종과학예술영재학교

화학 부장 이희권

공동연구원

물리 부장 정윤화

공동연구원

화학 부장 하승현

공동연구원

정보 교사 전준호

공동연구원

수학 교사 임상연

공동연구원

생물 교사 김명희

공동연구원

지구과학 교사 곽승철

공동연구원

화학 교사 정송희

2018년도 정부의 R&D 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 융합인재교육(STEAM) 교사연구회를 운영한 중간 결과로써 본 보고서를 제출합니다.

2018년 10 월 31 일

연구책임자 : 이희권 (인)

한국과학창의재단 이사장 귀하

(2)

“이 보고서는 2018년도 정부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임 ”

목 차

1. 요약문

··· 1

2. 서론

··· 1

3. 연구 수행 내용

··· 2

4. 연구 수행 방법 및 전략

··· 3

5. 연구 수행 결과

··· 7

6. 결론 및 제언

··· 8

[부록]

부록1. STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물 ··· 9

부록2. 초등학교 STEAM 캠프 project ··· 65

부록3. 중학교 STEAM 캠프 project ··· 67

부록4. STEAM 행사 및 콜로키움 ··· 69

(3)

1. 요약문

2. 서론

과제 1 : ESD / 적정기술, STEAM(융합) 소양교육(Literacy) 과제 2 : (주변) 환경의 이해

과제 3 : 환경가치교육/기술가치 교육

과제 4 : 그들을 위한 지속가능발전교육과 적정기술의 STEAM에 적용

가치 분석 모형은 Cooms, Meux 등을 중심으로 개발된 가치 교육 모형으로, 인간은 감정보 다 이성과 논리를 중심으로 과학적 방법에 도달할 수 있는 합리적 존재라는 것을 전제로 한 다. 이 모형은 교육을 통해 사회적 쟁점과 관련된 가치 갈등 해결 능력을 키워주려는 목적을 가진다. 즉 학생들이 가치를 분석하는 학습 과정을 통해 가치 결정을 지지할 수 있는 합리적 이고 정당한 근거와 논리적 사고 과정을 배울 수 있도록 도와준다. 이 과정은 (1) 가치 문 제 확인하기 (2) 가치에 관련된 행위 묘사하기 (3) 가치를 명명하기 (4) 가치 갈등을 결정하 기 (5) 가치 자원에 대한 가설 설정하기 (6) 가치 대안을 명명하기 (7) 결과에 대한 가설 설 정하기 (8) 선택하기 (9) 이유와 선택의 결과를 언급하기 순으로 이루어진다.

Banks, Fraenkel, Taba 등이 이 가치 분석 과정을 변형하여 다음의 5가지 기능을 강조하였다.

(1) 가치 확인하기 : 문제 상황에 내포된 가치 결정

(2) 가치의 비교 ㆍ 대조 : 다른 사람들의 가치 선택과 비교 대조

(3) 감정 탐구 : 자신의 가치 및 다른 사람의 가치의 감정적 구성 요소 이해

(4) 가치 판단 분석 : 특정 가치 판단을 뒷받침하거나 거부하는 증거 제공

(5) 가치 갈등 분석 : 갈등, 대안, 대안의 결과 등 구분

본 연구회에서는 환경가치교육을 통한 고등학교 1학년 대상의 과학탐구실험 중 첨단과학탐 구에서 『함께하는 과학기술』 부분을 적정기술과 ESD교육의 체계적인 적용을 통해 학생들 에게 STEAM 교육과정의 일환으로 창의적인 산출물을 개발토록 하고 이를 작용하는데 목적 을 갖는다.

이를 통해 인류와 지구의 공동체적인 사고와 학교에서 진행되는 융합 교과 (물리, 화학, 생 물 지구과학, 정보, 수학) 과목간의 연계적인 사고를 신장 시키고 이를 통해 창의적인 사고 력을 증진시키고자 한다.

3. 연구 수행 내용

자료 1 태양광 발전을 이용한 장치 고안하기

과정 1 : 친환경 재생에너지 조사(국내외) 및 활용 알아보기 과정 2 : 태양광, 태양열 에너지 고안

과정 3 : 프로토타입 제작 (아두이노, 3D 활용) 과정 4 : 에너지 배틀

과정 5 : SWAT 분석을 통한 새로운 제안

자료 2 신소재 개발 사례 조사하기

과정 1 : 신소재 정의 및 활용에 따른 경제성 조사(국내외) 및 활용 알아보기 과정 2 : 우수 과학자 방문

과정 3 : 발상의 전환/과거에서 현재로 (과거의 신소재 탐구) 과정 4 : 새로운 소재 경매

과정 5 : SWAT 분석을 통한 새로운 제안

자료 3 생활 속 생체 모방 기술 조사하기 과정 1 : 동물과 식물에서 알아보기

과정 2 : 거미에 대한 다양한 접근 (수학, 물리, 화학, 정보 등) 과정 3 : 거미를 활용한 생체모방 기술

과정 4 : SWAT 분석을 통한 새로운 제안

자료 4 지속 가능한 친환경 에너지 도시 설계하기 과정 1 : ESD 입문, 지속가능발전교육 사례 알아보기 과정 2 : 지역 선택 및 지역의 이해

과정 3 : 문제를 문제로 인식 하기(몽골 등)

과정 4 : 지역민과 함께 발전하는 친환경에너지 대안 구상하기 과정 5 : SWAT 분석을 통한 새로운 제안

자료 4 적정기술을 활용한 장치 고안하기 과정 1 : 적정기술 입문, 적정기술 사례 알아보기 과정 2 : 지역 선택 및 지역의 이해 (탄자니아 등) 과정 3 : 문제를 문제로 인식 하기

과정 4 : 지역민과 함께하는 해결방법 구상

(4)

4. 연구 수행 방법 및 전략

가. 적정기술을 위한 문제해결 커리규럼

나. STEAM 교사연구회 [적정기술 응용 학교에서의 교수-학습 방법]

주변 환경의 이해 환경 가치 평가 그들을 위한

지속가능발전교육

가. 역사 환경 나. 문화 환경 다. 자연 환경 라. 인적 환경 마. 생활 환경

가. 가치란 무엇인가?

▪현존하는 가치 와 미래의 가치 ▪ 경제적인 가치 와 (경제적이지 않기만) 국민들을 위한 정의적인 가치

나. 가치 평가하는 방법

▪ 현재를 포함한 미래를 위한가 치, 경제적이지만 정의적인 가치를 추구하는 방법

다. 우선되는 가치를 선정하는 방법

가. 성공적인 경험을 제공 나. 세계적인 사례와 이들의 현 지화 방안

▪ 하이라인 프로젝트 다. 함께 하기에 가능한 일들 ▪ 국제기관과의 공조와 새로운 방향을 설정

라. 글로벌 네트워크를 통한 공 감대 형성

다. 적정기술 응용 학교에서의 교수-학습 방법

STEAM 프로그램

구분

프로그램명 과학탐구실험 (제3부)함께 행복한 과학기술 수업용 STEAM 프로그램

학교급

고등학교

대상 학년(군) 1학년

중심과목 과학탐구 실험

중심과목

성취기준 영역 [과학탐구실험] (제3부) 함께 행복한 과학기술

연계과목

물리 화학 생물 지구과학

정보 공학

연계과목 성취기준 영역

[통합과학 1학년] (제1부) 신소재와 인류 문명의 발달 [통합과학 1학년] (제2부) 지구시스템 구성요소의 상호작용 [통합과학 1학년] (제3부) 생물다양의 보전

[통합과학 1학년] (제4부) 에너지 효율과 사회의 의미/에너지문제해결을 위한 인류의 오력

개발계획

주제 연번 차시

(시수) 과목 연계(안)

1 4 물리(1) + 화학(1) + 수학(1) + 정보(1) 2 4 생물(1) + 화학(1) + 수학(1) + 정보(1) 3 4 공학(1) + 물리(1) + 수학(1) + 정보(1) 4 4 물리(1) + 지구과학(1) + 수학(1) + 정보(1)

라. STEAM 교수-학습 과정안 개발 양식

프로그램명 프로그램 이름 프로그램 이름 프로그램 이름

개요 및 활동목표

차시 시간 주제 주요 활동 내용 학습자료(◈)

융합요소(STEAM)

1

^, ^, ^,

,

2

☞

3

4

5

6

7

(5)

1차시 주제

대단원 차시 1/21

시간 소단원 01. 빛이 반사되는 원리는 무엇일까?

1. 빛의 반사

STEAM 요소

, , , ,

학습목표

▪ 물체를 보는 과정을 설명할 수 있다.

▪ 빛이 반사될 때 입사각과 반사각이 같음을 설명할 수 있다.

STEAM

단계요소

▪ 상황제시 : 낮에는 잘 보이던 주변 풍경이 밤이 되면 잘 보이지 않는다. 그 까닭은 무엇일까?

자료활용

▪ 영상자료, ppt자료, 탐구 활동지, 반사 실험장치(각도기 + 평면거울), 레이저 포인터

학습

단계 교수 ․ 학습 활동 학습자료

융합요소 시간

상황 제시

창의적 설계

감성적 체험

정리

1. 교사 학습 자료

제 목

* ppt자료

* 인터넷 자료(URL 등)

2. 학생 활동지(Work sheets)

제 목

학년 반 번 이름 :

2018년 월 일

▣ 생각열기

▣ 활동 1

▣ 활동 2

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5. 연구 수행 결과

구 분 성 과

교수학습지도안 개발 차시 총 4단위 블록타임 수업에 16차시

수혜학생 수 32명(고등학교 1학년 2개반)

* 방학 중 타 캠프 기간 적용 및 타 고등학교 의뢰

학생 태도검사

사전검사 4월, 2개 학급(32명) 예정 사후검사 10월, 2개 학급(32명) 예정

교사연구회 STEAM 행사 개최 초, 중등STEAM 캠프, 콜로키움 운영, 인문자연탐사

논문 또는 학술대회 논문 진행 중(현장과학교육학회)

특허출원(국외, 국내) -

6. 결론 및 제언 가. 성과

❍ 학교교육 내실화를 위한 학생 중심의 즐거운 수업 분위기 조성 ❍ 수업의 질 향상을 도모하기 위한 스마트 학습 환경 조성 및 운영 ❍ 지속가능발전에 대한 이해와 인식 제고 및 다양한 교육 활동 구현 ❍ 미래사회 지속 가능성에 관한 가치를 높이기 위한 실천 중심 수업 모델 개발

나. 활용방안

주변 환경 알기 환경/기술 가치평가 그들을 위한 지속가능발전교육/적 정기술의 STEAM 활용

- 주변 환경을 개선하고 이를 통해 부가가치를 청 출할 수 있는 교수-학습 프로그램 개발

- 선진국 사례연구 자료 집 구성

- 환경에 맞는 환경 가 치 프로그램 개발

- 전문가 관계자들과 함 께하는 환경가치 프로그 램 개발

- 지속가능한 발전을 위 한 적용

다. 제언

▪ 전공교과 기반의 교사로 구성된 개발진의 자료개발로 높은 전문성을 갖은 자료가 개발

▪ 학생들의 적극적인 참여로 학생들의 과학적인 태도 및 융합을 위한 태도가 고취되 었음

▪ 인근 초, 중학교 학생들에게, 고등학교 학생들이 융합캠프를 진행, 초, 중고학교에 까지 융합교육의 기회를 제공

▪ 융합교육과련 다양한 학교행사를 통해 학생들의 학생들의 적극적인 참여를 이끌어 냈으며, 다양하고 소중한 산출물을 개발 발표하는 장을 갖게 됨

▪ 수학, 물리, 화학, 생물, 지구과학, 정보의 교과를 프로젝트 베이스로 융합하여 새 로운 교과의 구성을 하는 게기를 만듬

▪ 지속가능 발전교육과, 적정기술을 활용한 교과의 구성으로 학생들에게 글로벌 문

제를 인식하는 계기를 마련해 줌

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[부록1] STEAM 프로그램 개발 내용 및 결과물

1~2차시 DIY 태양광 패널

대단원 1. 태양광 발전을 이용한 장치 고안하기 차시 1~2/2

시간 100분

소단원 DIY 태양광 패널 STEAM

요소

, , , ,

학습목표

▪ 태양광 패널의 구조를 이해한다.

▪ 태양광 패널을 이용하여 전기에너지를 모아 이용할 수 있다.

STEAM 단계요소

▪ 상황제시 – 대규모의 태양광 발전 시설을 우리 삶 가까이 가져와 사용하는 방법은 무엇일까?

▪ 창의적 설계 – 태양광 패널을 연결하여 장치 만들기

▪ 감성적 체험 – 장치 사용수기 작성 발표

자료활용

▪ 실험 준비물

- Bulk형 태양광 패널, 에폭시 수지(경화제 포함), 전선, 납땜기, 폼보드, 멀티미터

▪ 수업 자료

- 태양광 발전 시설 사진 자료, 검전기, 자외선램프, 아연판, 털가죽, 에보나이트

학습

상황 제시

▪ 검전기와 자외선 등을 이용한 광전효과 실험

▪ 대규모의 태양광 발전 시설을 소규모로 만들어 일상생활에 적용하는 방

법은 무엇일까? , 10

창의적 설계

[기본]

▪ 태양광 패널 구조 이해하기

- N형 반도체, P형 반도체, 순방향, 역방향

▪ Bulk 태양광 패널 판 만들기 - 전선의 연결

- 코팅 작업

▪ 태양광 패널 연결하고 전압 측정하기 - 직렬, 병렬연결

- 전압의 측정

,

35 [응용]

▪ 태양광 패널 연결 구조 도안하기

▪ 태양광 패널 적용한 장치 만들기

▪ 효율 측정, 장점 단점 파악하기

,

, 45

감성적 체험

▪ 장치 설치하고 홍보하기

▪ 장치 사용 평가하기

, 10

정리 ▪ 평가하기

1. 교사 학습 자료

DIY 태양광 패널

가. 광전효과

전자는 금속 내에서 원자핵의 (+)전하와 전기력에 의해 속박되어 있다. 여기에 빛을 쬐면 빛이 가진 이중 성, 즉 파동성과 입자성 중 입자 성질에 의해 빛의 알갱이 광자가 전자와 충돌하게 된다. 이후 전자는 광자 가 가진 에너지를 갖게 된다. 이때 에너지가 일함수(w)라고 하는 속박에너지 이상이 되면 전자는 금속 밖 으로 튀어나가게 된다. 금속 밖으로 나간 전자가 가진 에너지는 광자가 가진 에너지에 일함수를 뺀 값이 된다.



^    

여기서   는 광자의 에너지로  는 플랑크상수,  는 빛의 진동수이다. 

^은 금속 밖으로 나간 전자

의 고전적 운동에너지로서  은 전자의 질량,  는 속도이다.

광자의 에너지가 일함수보다 클 때 광전효과가 일어나는데, 이는 빛의 진동수  가 일정값(한계진동수) 이 상일 때 일어남을 의미한다. 다시 말해, 한계진동수 이상의 진동수를 가진 빛을 금속 물질에 쬐어주면, 광 자가 물질의 자유전자와 충돌하면서 물질의 표면에서 전자가 튀어나온다. 높은 한계진동수를 가진 물질의 전자를 분리하기 위해서는 높은 진동수를 가진 광자가 필요하다. 광자의 진동수는 광자의 에너지와 관련이 있으며 이는 빛의 색을 결정한다. 또한, 같은 물질에서의 방출되는 전자의 개수는 전자와 충돌하는 광자의 개수, 즉 빛의 세기(빛의 밝기)와 비례한다.

흡수체 및 방출된 전자의 상태에 의해서 광전효과는 다음과 같이 분류된다.

① 광이온화: X선·α선 등을 기체에 조사(照射)하면 기체의 분자·원자가 전자를 방출하여 양이온이 되는 현 상.

② 외부광전효과: 고체 표면에 적외선 부근에서 자외선 부근까지의 빛을 조사했을 때 외부에 자유전자를 방출하는 현상.

한계파장보다 짧은 파장의 빛은 입사광의 세기에 비례한 수의 광자를 발생시킨다. 이 사실은 아인슈타인의 광양자설을 증명하는 것으로서 양자론의 기초가 된다. 입사광 양자수에 대한 광전자수의 비율을 양자효율, 입사광 에너지에 대한 광전류의 비를 비광전능(比光電能)이라 한다. 단색광에 대한 양자효율, 또는 비광전 능을 파장에 대해서 그린 곡선을 분광감도곡선이라고 한다. 외부광전효과는 광전관에 응용되며, 빛의 검 출·측정에 널리 이용되고 있다.

③ 내부광전효과(광전도): 절연체·반도체에 빛을 조사하면 충만띠 또는 불순물준위에 있는 전자가 광에너지 를 흡수하여 전도대에 올라가 자유로이 움직일 수 있는 전자 또는 양공(陽孔)이 생겨 전도도가 증가하는 현상.

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직접 빛을 흡수하여 생긴 전자 또는 양공만이 전도에 관여하는 1차광전류와, 그 결과 결정 내부의 전기적 상태가 변화하여 흐르는 2차광전류가 있다. 후자는 보통 시간적으로 늦게 일어나며, 온도 의존성이 강하 고, 높은 양자효율을 나타내는 경우가 있다. 내부광전효과는 비금속고체원소·산화물·황화물·셀레늄화물·텔루 륨화물·할로젠화물, 어떤 종류의 유기물 등 많은 물질에서 볼 수 있다. 이 중 감도가 좋은 것으로서 CdS, CdSe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, Sb2S3, Tl2S, Se, Si, Ge 등이 있으며, 촬상관·복사측정장치 등에 이용 하고 있다.

④ 광기전력효과: 어떤 종류의 반도체에 빛을 조사하면, 조사된 부분과 조사되지 않은 부분 사이에 전위차 (광기전력)를 낳는 현상.

셀레늄의 엷은 층을 철판에 씌우고 그 위에 반투명의 금속막을 씌운 것(셀레늄 광전지), 아산화구리를 동 판 위에 씌워서 똑같이 처리한 것(아산화구리 광전지) 등, 이른바 언층광전지(堰層光電池)는 이들 반도체와 금속과의 접촉층의 내부에서의 광흡수에 의해서 생기는 이 효과를 이용한 것으로 양자효율은 50% 정도에 이르며, 사진기의 노출계 등 측광에 쓰인다. 이런 종류의 구조를 가진 광전지에서 빛이 조사하는 면이 마 이너스로 대전할 경우를 전면광기전력효과, 플러스로 대전하는 경우를 후면광기전력효과라고도 한다.

[네이버 지식백과]광전효과 [photoelectric effect, 光電效果] (두산백과)

나. 반도체

전기전도도에 따라 물질을 분류하면 크게 도체, 반도체, 부도체로 나뉜다. 반도체는 순수한 상태에서 부도 체와 비슷한 특성을 보이지만 불순물의 첨가에 의해 전기전도도가 늘어나기도 하고 빛이나 열에너지에 의 해 일시적으로 전기전도성을 갖기도 한다.

주기율표상에 14족에 위치하는 저머늄(Ge), 규소(Si) 등이 대표적인 반도체이다. 초창기에는 저머늄이 주로 사용되었지만 현재는 실리콘에 13족의 붕소(B)나 15족의 인(P)등을 첨가하여 사용한다. 최근에는 13족과 15족의 화합물반도체가 쓰이기도 하며 갈륨비소(GaAs;galliumarsenide) 나 인듐인(InP;indiumphospide) 등이 있다.

순수한 반도체는 14족 원소로 이루어져 모든 전자가 공유결합을 이룬다. 여기에 15족 원소를 첨가하면

잉여전자가 발생하여 n형 반도체가 되며 13족 원소를 첨가하면 반대로 전자가 부족하게 되어 정공으로 이 루어진 p형 반도체가 된다. n형반도체와 p형반도체를 붙여놓으면 p형반도체에서 n형반도체 방향으로는 전류가 잘 흐르며 반대방향으로는 거의 흐르지 않는 정류작용이 일어난다. 이러한 소자를 다이오드(diode) 라고 하며 이것이 반도체 소자의 기본이 된다.

반도체는 다이오드와 트랜지스터 등으로 이루어진 집적회로소자 이외에도 열전자방출소자, 전자식 카메라 의전하결합소자(CCD; chargecoupleddevice)등 첨단 전자산업 부문에 넓게 응용되고 있으며 태양전지나 발광소자에도 사용된다. 이처럼 우리 주변의 대부분의 전자제품에 들어있어 생활에 편리를 가져다 주기 때 문에 반도체를 ‘마법의 돌’이라 부르기도 한다.

[네이버 지식백과]반도체 [semiconductor, 半導體] (두산백과)

다. 태양광 패널

1) 태양광 패널 구조

Britannica Visual Dictionary © QA International 2012.

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2) 태양광 패널 제작 과정

https://www.youtube.com/watch?v=TqVRNupPmNI 3) 태양광 패널 전압 측정

전압계를 태양전지 패널의 양 단에 연결하여 전압을 측정한다. 전등을 켜지 않은 실내에서 약 3.7V, 가까 이에 전등을 켠 경우 6.16V 전압이 생성되고 있다.

라. DIY 태양광 패널 1) BULK 태양광 패널

- 50매 묶음으로 판매하여 저렴하고, 태양광 패널의 구조를 가까이 볼 수 있어 유용하다.

- 판매 사이트 예시

2) 제작과정

▪ Anode, Cathode 전선 연결하여 납땜하기

▪ 전압 측정

▪ 폼보드에 고정하기

▪ 에폭시 레진으로 도포하여 견고하게 하기

▪ 태양광 패널 직렬로 연결하기

▪ 제작과정 영상: https://www.youtube.com/watch?v=oyp98eYoaS4

2. 학생 활동지(Work sheets)

DIY 태양광 패널

2018년 월 일

▣ 생각열기

가. 검전기 금속판 위에 아연판을 놓고 털가죽에 문지른 에보나이트 막대를 아연판에 대어 (-)전하로 대전 시킨 후 자외선램프를 켜 보았더니 검전기의 금속박이 점점 오므라드는 것을 보았다. 왜 그럴까?

나. 우리 주변에서 광전효과를 이용한 도구를 찾아보자.

다. 다음은 대규모 태양광 발전인 Solar Farm을 나타낸 그림이다. 효율적인 태양광 발전을 위해 필요한 조건들을 생 각해보자.

Solar Farming

https://www.growingproduce.com/citrus/are-there-bright-futures-in-solar-farming/

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라. 우리 주변에 소규모의 태양광 발전을 이용하여 도움이 될 수 있는 장치를 찾아보자.

▣ 활동 1

가. 태양광 패널의 구조 이해하기 1) 반도체란 무엇인가?

2) P형 반도체와 N형 반도체는 어떻게 다른가?

3) 영상을 통해 태양광 전지의 제작과정을 감상하고, 태양광 전지의 구조를 그려보자.

https://www.youtube.com/watch?v=TqVRNupPmNI

▣ 활동 2

가. DIY 태양광 패널 만들기

▪ Anode, Cathode 전선 연결하여 납땜하기

▪ 전압 측정

▪ 폼보드에 고정하기

▪ 에폭시 레진으로 도포하여 견고하게 하기

▪ 태양광 패널 직렬로 연결하기

나. 태양광 패널을 이용한 발전

- 주변에서 태양광 패널을 이용한 발전이 필요한 곳을 찾아 자신만의 태양광 발전 장치를 만들어 보자.

제작과정:

완성 작품:

▣ 적용하기

가. 제작한 태양광 발전 장치 홍보하기

나. DIY 태양광 발전 평가하기

장점:

단점:

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▣ 더 생각하기

앞으로 태양광 발전은 어떤 방향으로 발전하게 될까? 다음 영상을 보고 생각해 보자.

옷감처럼 유연한 태양전지 세계 최초로 개발한 차승일 박사 / YTN 사이언스 https://www.youtube.com/watch?v=hklnZjuvhyI

프로그램명 신소재 개발 사례 조사하기 신소재 개발 사례 조사하기 신소재 개발 사례 조사하기

개요 및 활동목표

▪ 신소재 개발 사례를 조사하고, 신소재의 이용이 우리 생활에 미치는 영향을 설명할 수 있다.

▪ 첨단 과학 기술 및 과학 원리가 적용된 과학 탐구 활동의 산출물을 공유하고 발표할 수 있다.

차시 시간 주제 주요 활동 내용 학습자료(◈)

융합요소(STEAM)

1

40분 신소재 조사하기

신소재의 정의와 다양한 신소재 중 한 가지 를 선택하여 조사하고, 우리 생활에서 어떻 게 이용되는지 조사해 보자.

· 그래핀, 탄소 나노 튜브, 풀러렌, 초전도체, 형상 기억 합금, 유기 발광 다이오드(OLED), 그 외의 신소재 등

과학 원리 기술

☞ 활동지, 인터넷

40분

신소재의 특성을 이용해 새로운 아이템 제안하기

조사한 신소재의 특성을 이용하여, 현재 활 용되고 있지 않는 새로운 분야에서 신소재를 적용시키는 새로운 아이템을 제안해 보자.

· 학생들이 조사한 신소재의 특성을 정리하 고, 선택하게 한다.

· 학생들이 조사한 신소재의 활용분야를 분 석하고, 그 외에 활용될 수 있는 분야를 찾 아보게 한다.

· 팀 별 토의를 통해 새로운 아이템을 제안 하게 한다.

과학 원리 기술 공학 설계

디자인

2

50분

SWOT 분석을 통한 발전된 아이템

제안하기

각 팀의 새로운 아이템을 듣고 SWOT 분석 을 한다.

· 각 팀의 발표에 대해 팀 별로 장점, 약점, 기회, 위협 등 시장 전략 분석에 대한 의견 을 나누고, 더 발전적인 아이템이 될 수 있 도록 의견을 공유한다.

· 제안한 아이템을 수정 및 보완하여 새로 제안한다.

디자인 투자 전략 게임

30분 미래사회 그려보기각 팀의 발전된 아이템이 적용된 미래사회가 어떤 모습일지 팀 별로 그리고, 공유한다.

디자인

☞ 도화지, 필기도구

(12)

1차시 신소재 개발 사례 조사하기

대단원 신소재 개발 사례 조사하기 차시 1/2

시간 소단원 01. 신소재 정의 및 활용에 따른 경제성 조사(국내외)

및 활용 알아보기

STEAM 요소

, , , ,

학습목표

STEAM 단계요소

▪ 상황 제시 : 미래사회는 어떤 모습일까? 신소재란 무엇일까?

▪ 창의적 설계 : 신소재 조사 및 분석하기

▪ 감성적 체험 : 분석한 신소재를 새로운 생각과 융합하여 제안함으로써 과학기술 창조력과 인문학적 상 상력을 기를 수 있다.

자료활용

▪ 영상자료, ppt자료, 탐구 활동지, 노트북(인터넷)

학습

상황 제시

▣ MS에서 제시한 2019년 미래사회의 모습 동영상을 시청한다.

: https://www.youtube.com/watch?v=Wo7KbLgk9S4

▣ 동영상을 보고난 후 미래사회에 대한 개인적인 생각을 적어보게 한다.

▣ 동영상에 적용된 신소재가 무엇이 있을지 예상하여 적어보게 한다.

디자인

☞ 동영상

10분

창의적 설계

▣ 팀 별로 다음의 여러 가지 신소재 중 한 가지를 정하여 신소재의 특성, 개발 과정, 이용 사례, 전망 등을 조사한다.

· 그래핀 · 탄소나노튜브 · 풀러렌

· 초전도체 · 형상기억합금 · 유기발광 다이오드(OLED)

▣ 팀마다 서로 다른 신소재의 종류를 선택하게 하며, 그 외의 신소재를 선 택해도 됨을 안내한다.

▣ 조사가 완료된 후 팀 별로 발표를 진행한다.

▣ 다른 팀의 발표를 참고하여 자신들의 조사에서 부족한 부분을 추가 조 사하여 작성한다.

☞ 활동지, 인 터넷

40분

감성적 체험

▣ 정리된 신소재의 특성과 활용 분야를 연결지어본다.

▣ 팀 별로 조사한 신소재의 특성을 선정하여, 현재 활용되지 않고 있는 새 로운 분야에서 신소재를 어떻게 활용할 수 있을지 토의하여 새로운 아이템 을 제안한다.

디자인

☞ 활동지, 인 터넷

40분

정리 ▣ 학생들이 제안한 아이템을 교사가 긍정적으로 피드백 함으로써 마무리

한다. 10분

1. 교사 학습 자료

나는야, 신소재 전문가!

2019년 미래 사회의 모습(by MS)

https://www.youtube.com/watch?v=Wo7KbLgk9S4

그래핀

요약 : 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막.

연필심으로 쓰이는 흑연 즉 ‘그래파이트(graphite)’와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 ‘-ene’를 결합하여 만든 용어이다. 2004년 영국 맨체스터대학교 연구팀이 상온에 서 완벽한 2차원 구조의 그래핀을 만들어내는 데 성공하였는데, 당시 연구팀은 스카치테 이프의 접착력을 이용하여 흑연에서 간단하게 그래핀을 떼어냈다고 한다.

흑연은 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이루어져 있는데 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이라 보면 된다. 탄소동소체(同素體)인 그래핀은 탄 소나노튜브, 풀러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다.

2차원 평면형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다.

구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전 도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 ‘꿈의 나노물질’이라 불린다. 그래핀과 탄소나노튜브는 화학적 성질이 아주 비 슷하고, 후공정을 통해 금속성과 반도체성을 분리할 수 있다. 하지만 탄소나노튜브보다 균일한 금속성을 갖고 있기 때문에 산업적으로 응용할 가능성이 더 크다.

그래핀은 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터(wearable computer) 등을 만들 수 있는 전자정보 산업분야의 미래 신소재로 주목받고 있다.

[네이버 지식백과] 그래핀 [graphene] (두산백과)

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1352783&cid=40942&categoryId=32382

(13)

탄 소 나 노 튜 브

요약 : 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재.

1991년 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 이지마 스미오[飯島澄男] 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연의 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 발견하였다. 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있다. 관의 지름이 수∼수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 나노미터는 10억 분 의 1m로 보통 머리카락의 10만 분의 1 굵기이다.

탄소나노튜브 본문 이미지 1

전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으 며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄 소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다.

이 물질이 발견된 이후 과학자들은 합성과 응용에 심혈을 기울여왔는데, 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서, 텔레비전 브라운관 등 탄소나노튜브를 이용 한 장치가 수없이 개발되고 있으며, 나노 크기의 물질을 집어 옮길 수 있는 나노집게로도 활용되고 있다.

특성

단일벽 탄소나노튜브 S i n g l e - W a l l e d Carbon

Nanotube(SWNT)

다중벽 탄소나노튜브 M u l t i - W a l l e d Carbon

Nanotube(MWNT) 비고

지름(nm) 1.2~3 5~100 머리카락

(70~100)×10³

장력(GPa) ~45 <50~300

합금철 ~2 스테인리스강 ~ (0.65~1)

밀도(g/cc) 1.33~1.40 - 알루미늄(Al) ~2.7

전기저항(Ω·m) 10×10^-6 5.1×10^-8 구리(Cu) 1.7×10^-8

전류밀도(A/m²) ~109 - 구리(Cu) 106

열전도율(W/m·K) ~6000 ~3000

다이아몬드 2000~40000, 구리(Cu) 393.7

[네이버 지식백과] 탄소나노튜브 [Carbon nanotube, 炭素─] (두산백과)

풀러렌

요약 : 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이루어진 축구공 모양으로 연결된 분자를 통틀어 이르는 말이다.

흑연 조각에 레이저를 쏘았을 때 남아 있는 그을음에서 발견한 완전히 새로운 물질이다.

주로 탄소 원소 60개가 축구공 모양으로 결합하여 생긴 탄소의 크러스터 C60을 말한다.

12개의 5원환(員環)과 20개의 6원환으로 이루어져 있으며, 각각의 5원환에는 5개의 6원환 이 인접해 있다.

지름 약 1nm인 '나노의 축구공'을 형성하는데, 풀러렌이라는 명칭은 이 구조와 같은 모 양의 돔을 설계한 미국의 건축가 B. 풀러(B. Fuller:1895~1983)의 이름에서 유래한 것이 다. '버키 볼(Bucky ball)'이라는 별칭으로도 불리는데, 이것 역시 그의 이름에서 따온 것 이다.

1990년 W. 크래치머 등이 훗날 아크법으로 발전하는 풀러렌의 생성법을 발견한 이래 이 에 대한 연구가 활발해졌다. 압력 약 50~600토르의 헬륨 가스 안에서 흑연을 전극으로 하여 아크방전을 하여 생성한 주석의 유기용매(벤젠, 톨루엔 등) 추출로 얻어진다. 이 때 럭비공 모양의 C70이나, 소량이기는 하지만 보다 사이즈가 큰 C76, C78, C82, C90, C94, C96과 같은 고차(高次) 풀러렌도 생성된다.

풀러렌(C60)을 원료로 하여 2개가 연결된 모양의 2량체(量體:C120)나 풀러렌폴리머 ((-C60-)n)도 합성되고 있는데, 이것은 가열을 하면 원래의 C60으로 되돌아간다. 최근 알 칼리금속을 도입한 금속풀러렌이 종래의 유기물 초전도체보다 높은 온도에서 초전도성을 나타내서 주목을 받고 있다.

또한 C60에는 지름 0.4nm(0.4×10^-9m)의 공간이 있고, 고차 풀러렌에서는 보다 큰 공간 이 있기 때문에 금속내포 풀러렌도 만들 수 있다. 이것은 금속원자를 혼합한 흑연을 전극 으로 하여 아크방전했을 때에 생성되는 것이다.

기름에 녹는 성질을 이용하여 풀러렌을 수지에 첨가해서 내구성이나 내열성을 높이거나 정전기의 제거, 잡음 필터로의 응용이 시도되고 있다. 이것을 이용해서 단단하고 날카로 운 절삭 도구나 아주 단단한 플라스틱을 만드는 연구도 진행 중이다.

[네이버 지식백과] 풀러렌 [fullerene] (두산백과)

(14)

초전도체

요약 : 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 가까워지는 초전도현상이 나타나는 도체이다.

내부에는 자기장이 들어갈 수 없고 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질이 있어 자석 위에 떠오르는 자기부상현상을 나타낸다.

도체의 경우 온도가 증가하면 전기저항 역시 증가하여 전기가 잘 흐르지 않고, 온도를 감 소시키면 저항이 작아져 전도가 잘 일어난다. 특히 온도를 극저온으로 감소시킬 때 전기 저항이 0에 가까워지는 현상을 초전도현상이라 한다.

초전도체의 기원

1911년 네덜란드 레이던대학의 물리학교수 카멜린 온네스가 처음으로 초전도체를 발견하 였다. 그는 수은의 전기저항을 측정하는 실험을 하다가 절대온도 4.2K(영하 268.8℃)에서 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견했는데, 이를 초전도현상(superconductivity)이 라 이름 붙였다. 초전도현상이 나타나기 시작하는 온도를 임계온도라 하는데, 임계온도가 너무 낮으면 초전도체를 실용화하기 어려우므로 임계온도를 높이는 것이 중요한 문제로 다루어졌다. 카멜린 온네스 교수 이후 아칸소대학 헤르만 교수가 125K에서 초전도현상이 나타나는 초전도체를 발견하였으며, 1993년 초 스위스에서 임계온도 133K, 1993년 말 프 랑스에서 임계온도 250K의 초전도체 박막을 제작하였다.

초전도체의 종류

홑원소물질로 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 등 20여 종의 금속원소가 있으며 합금으로는 나이 오븀과 저마늄의 합금(Nb3Ge) 등이 있다. 그러나 이런 금속이나 합금 등이 초전도 상태 가 되는 온도는 가장 높은 경우 절대온도 23K으로 매우 낮다. 최근 네오디뮴(Nd), 란타넘 (La) 등의 원소를 포함하는 금속화합물이나 특수한 자기물질(세라믹스)에서는 극저온이 아 닌 비교적 고온에서 초전도현상이 일어난다는 사실이 발견되었다.

초전도체의 응용

고온에서 사용할 수 있는 초전도체가 실용화되면 전기·전자 분야에서 광범위하게 응용될 것이다. 초전도체 내부에는 자기장이 들어갈 수 없을 뿐 아니라 내부에 있던 자기장도 밖 으로 밀어내는 성질인 완전반자성도 있다. 이런 특성 때문에 자석 위에 떠오르는 자기부 상현상이 나타난다. 또한 완전한 전도체로서의 성질을 이용하여 전선을 만든다면 20% 이 상의 전력 손실이 거의 사라지게 되어 경제적으로 막대한 이익을 얻을 수 있다.

[네이버 지식백과] 초전도체 [superconductor, 超傳導體] (두산백과)

형 상 기 억 합 금

요약 : 가공된 어떤 물체가 망가지거나 변형되어도 끓는 물 등으로 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 합금을 말한다. 1960년대에 미국의 W.뷸러가 형상기억 반응을 나타 내는 합금(니켈＋티타늄:니티놀)을 발견, 연구가 진행되었고, 열탄성 마르텐사이트 변태를 나타내는 합금은 예외 없이 형상기억 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 니켈-티타늄 합 금, 구리-아연-알루미늄 합금이 실용화되었고, 전투기, 인공위성의 안테나, 의료용으로 사 용된다.

1960년대에 미국 해군연구소(海軍硏究所)의 W.뷸러가 형상기억 반응을 나타내는 합금(니 켈＋티타늄:니티놀)을 발견, 연구가 진행되었다. 형상기억효과(形狀記憶效果)의 메커니즘 은, 금속고상(金屬固相) 상태에서의 상변태(相變態)의 일종인 마르텐사이트 결정변태(結晶變態)와 동일한 현상이다. 열탄성(熱彈性) 마르텐사이트 변태를 나타내는 합금은 예외 없 이 형상기억 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 실용화된 합금으로서는 니켈-티타늄 합 금, 구리-아연-알루미늄 합금이 있다.

현재 실용화된 용도로는 F14 전투기의 파이프 이음쇠와 인공위성의 안테나, 온실 창의 개 폐장치 등이 있다. 또 연구개발 중인 것에 인공관절(人工關節)·심장펌프와 화재시의 방화 문(防火門), 온도 센서 등이 있다. 한국에서는 1983년 한국과학기술원(KAIST)의 재료실험 팀이 니켈-티타늄 50:50 비율의 합금에 처음으로 성공한 데 이어, 1986년 4월에는 정밀 금속재료연구실팀이 의료용(치열교정용 와이어)의 형상기억합금 개발에 성공하였다. 이것 은 늘어난 채로 입 안에 장치해도 체온에 의하여 줄어들면서 치아를 단단히 묶어 주게 되 어 있다.

[네이버 지식백과] 형상기억합금 [shape memory alloy, 形狀記憶合金] (두산백과) https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1163336&cid=40942&categoryId=32387

(15)

유기발광 다 이오드 (OLED)

요약 : 형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계발광현상을 이용하여 스스로 빛을 내는 자체발광형 유기물질을 말한다. LCD 이상의 화질과 단순한 제조공정으로 가격 경쟁에서 유리하다.

유기발광다이오드 또는 유기EL이라고도 한다. 형광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계 발광현상을 이용하여 스스로 빛을 내는 '자체발광형 유기물질'을 말한다. 낮은 전압에서 구동이 가능하고 얇은 박형으로 만들 수 있다. 넓은 시야각과 빠른 응답속도를 갖고 있어 일반 LCD와 달리 바로 옆에서 보아도 화질이 변하지 않으며 화면에 잔상이 남 지 않는다. 또한 소형 화면에서는 LCD 이상의 화질과 단순한 제조공정으로 인하여 유리 한 가격 경쟁력을 갖는다.

휴대전화나 카오디오, 디지털카메라와 같은 소형기기의 디스플레이에 주로 사용하고 있다.

2004년 현재 OLED의 기판 재질로는 유리를 사용하고 있으나 필름을 사용하면 구부려서 들고 다닐 수 있는 디스플레이장치를 만들 수 있다.

주요 컬러 구현 방식으로 3색(Red, Green, Blue) 독립화소방식, 색변환 방식(CCM), 컬러 필터 방식 등이 있다. 그리고 사용하는 발광재료에 포함된 유기물질의 양에 따라 저분자 OLED와 고분자 OLED로 구분하고, 구동방식에 따라 수동형 구동방식(passive matrix;

PM)과 능동형 구동방식(active matrix; AM)으로 구분한다.

한국은 2004년 현재 수동형 OLED 시장 점유율 세계 1위를 달성하였으며 삼성에서는 OLED를 초대형화할 수 있는 SGS(Super Grain Silicon) 기술을 적용한 17인치 능동형 OLED 개발에 성공하였다.

[네이버 지식백과] OLED [Organic Light Emitting Diodes] (두산백과)

2. 학생 활동지(Work sheets)

나는야, 신소재 전문가!

2018년 월 일

▣ 생각열기

○ 동영상을 시청한 후, 자신이 생각하는 미래 사회에 대하여 말해보자.

○ 동영상에서 적용된 신소재가 무엇이 있을지 예상하여 적어보자.

(16)

▣ 활동 1

○ 다음의 여러 가지 신소재 중 한 가지를 정하여 신소재의 특성, 개발 과정, 이용 사례, 전망 등을 조사해 보자.

· 그래핀 · 탄소나노튜브 · 풀러렌

· 초전도체 · 형상기억합금 · 유기발광 다이오드(OLED)

※ 제시된 신소재 외의 신소재를 정하여 조사해도 좋습니다.

신소재 특성

개발 과정

이용 사례

전망

▣ 활동 2

○ 팀 별로 조사한 신소재의 특성을 이용 사례와 연결지어보자.

특성 이용 사례

○ 토의를 통해 조사한 신소재의 특성을 선정하고, 이를 현재 이용되지 않고 있는 새로운 분야에서 신소재를 적용하여 새로운 아이템을 만들어 보자.

적용한 특성 아이템 구상

(17)

2차시 신소재 개발 사례 조사하기

대단원 신소재 개발 사례 조사하기 차시 2/2

시간 소단원 01. 신소재 정의 및 활용에 따른 경제성 조사(국내외)

및 활용 알아보기

STEAM 요소

, , , ,

학습목표

STEAM 단계요소

▪ 상황 제시 : SWOT 분석이란 무엇일까? SWOT 분석으로 무엇을 할까?

▪ 창의적 설계 : SWOT 분석하기

▪ 감성적 체험 : 스스로 아이템과 미래사회를 제안하고 공유함으로써 과학기술 창조력과 인문학적 상상 력을 기를 수 있다.

자료활용

▪ 영상자료, ppt자료, 탐구 활동지, 노트북(인터넷)

학습

상황 제시

▣ 학생들에게 SWOT 분석의 필요성과 방법 등에 대해 자세히 안내한다.

▣ 전 시간 서로 공유한 아이템을 다시 한 번 간략하게 정리하여 발표한다.

☞ SWOT 안내

자료 제시 10분

창의적 설계

▣ 각 팀의 새로운 아이템을 듣고 SWOT 분석을 한다.

: https://brunch.co.kr/@choihs0228/35

▶ 장점, 약점, 기회, 위협 등을 분석한다.

▶ S/O, S/T, W/O, W/T 전략을 세워, 제안한 아이템을 수정 및 보완하여 발전된 아이템을 제안한다.

디자인 투자 전략 게임

☞ 활동지, 인터 넷

50분

감성적 체험

▣ 각 팀의 발전된 아이템이 적용된 미래사회가 어떤 모습을 지닐지 예상 하여 팀 별로 그려본다.

▣ 발표를 통해 자신들이 그리는 미래사회를 공유한다.

디자인

☞ 도화지, 필기 도구

20분

정리 ▣ 학생들이 제안한 아이템과 미래사회를 교사가 긍정적으로 피드백 함으

로써 마무리 한다. 10분

1. 교사 학습 자료

우리가 만드는 미래 사회

SWOT 분석

https://brunch.co.kr/@choihs0228/35

요약 : 기업의 환경분석을 통해 강점(strength)과 약점(weakness), 기회(opportunity)와 위협(threat) 요인을 규정하 고 이를 토대로 마케팅 전략을 수립하는 기법.

어떤 기업의 내부환경을 분석하여 강점과 약점을 발견하고, 외부환경을 분석하여 기회와 위협을 찾아내어 이를 토대로 강점은 살리고 약점은 죽이고, 기회는 활용하고 위협은 억제하는 마케팅 전략을 수립하는 것을 말한다.

이때 사용되는 4요소를 강점·약점·기회·위협(SWOT)이라고 하는데, 강점은 경쟁기업과 비교하여 소비자로부터 강 점으로 인식되는 것은 무엇인지, 약점은 경쟁기업과 비교하여 소비자로부터 약점으로 인식되는 것은 무엇인지, 기회는 외부환경에서 유리한 기회요인은 무엇인지, 위협은 외부환경에서 불리한 위협요인은 무엇인지를 찾아낸 다. 기업 내부의 강점과 약점을, 기업 외부의 기회와 위협을 대응시켜 기업의 목표를 달성하려는 SWOT분석에 의한 마케팅 전략의 특성은 다음과 같다.

① SO전략(강점-기회전략): 시장의 기회를 활용하기 위해 강점을 사용하는 전략을 선택한다.

② ST전략(강점-위협전략): 시장의 위협을 회피하기 위해 강점을 사용하는 전략을 선택한다.

③ WO전략(약점-기회전략): 약점을 극복함으로써 시장의 기회를 활용하는 전략을 선택한다.

④ WT전략(약점-위협전략): 시장의 위협을 회피하고 약점을 최소화하는 전략을 선택한다.

학자에 따라서는 기업 자체보다는 기업을 둘러싸고 있는 외부환경을 강조한다는 점에서 위협·기회·약점·강점 (TOWS)으로 부르기도 한다.

[네이버 지식백과] SWOT분석 [SWOT analysis] (두산백과)

(18)

2. 학생 활동지(Work sheets)

우리가 만드는 미래 사회

2018년 월 일

▣ 생각열기

○ 팀 별로 제안한 아이템의 마케팅 전략을 수립하고, 더 나은 아이템을 제안하기 위하여 SWOT 분석이 무엇인지 알

아 보 자 .

SWOT 분석

요약 : 기업의 환경분석을 통해 강점(strength)과 약점(weakness), 기회(opportunity)와 위협(threat) 요인을 규정하 고 이를 토대로 마케팅 전략을 수립하는 기법.

어떤 기업의 내부환경을 분석하여 강점과 약점을 발견하고, 외부환경을 분석하여 기회와 위협을 찾아내어 이를 토대로 강점은 살리고 약점은 죽이고, 기회는 활용하고 위협은 억제하는 마케팅 전략을 수립하는 것을 말한다.

이때 사용되는 4요소를 강점·약점·기회·위협(SWOT)이라고 하는데, 강점은 경쟁기업과 비교하여 소비자로부터 강 점으로 인식되는 것은 무엇인지, 약점은 경쟁기업과 비교하여 소비자로부터 약점으로 인식되는 것은 무엇인지, 기회는 외부환경에서 유리한 기회요인은 무엇인지, 위협은 외부환경에서 불리한 위협요인은 무엇인지를 찾아낸 다. 기업 내부의 강점과 약점을, 기업 외부의 기회와 위협을 대응시켜 기업의 목표를 달성하려는 SWOT분석에 의한 마케팅 전략의 특성은 다음과 같다.

① SO전략(강점-기회전략): 시장의 기회를 활용하기 위해 강점을 사용하는 전략을 선택한다.

② ST전략(강점-위협전략): 시장의 위협을 회피하기 위해 강점을 사용하는 전략을 선택한다.

③ WO전략(약점-기회전략): 약점을 극복함으로써 시장의 기회를 활용하는 전략을 선택한다.

④ WT전략(약점-위협전략): 시장의 위협을 회피하고 약점을 최소화하는 전략을 선택한다.

학자에 따라서는 기업 자체보다는 기업을 둘러싸고 있는 외부환경을 강조한다는 점에서 위협·기회·약점·강점 (TOWS)으로 부르기도 한다.

▣ 활동 1

○ 다른 팀의 새로운 아이템을 간단히 정리해보자.

팀명 아이템

○ 다른 팀의 아이템을 참고하여, 자신의 아이템을 SWOT 분석 해보자.

SWOT 아이템

강점

약점

기회

위협

(19)

○ 분석한 내용을 이용해 S/O, S/T, W/O, W/T 전략을 세워보자.

SWOT 기회 위협

강점

S/O S/T

약점

W/O W/T

○ SWOT 분석을 통해 발전된 아이템을 구상해보자.

적용한 특성 아이템 구상

▣ 활동 2

○ 우리가 만든 아이템들이 적용된 미래 사회를 그려보자.

제목 :

(20)

3. 읽을거리

[진로 찾기] 신소재 공학과

생활에 혁신 부르는 신소재 공학자

2004년도에 영국 맨체스터 대학에서 스카치테이프에 흑연을 붙였다 떼는 방법으로 그 래핀이라는 물질을 발견하였다.

이 그래핀이라는 물질은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체로 많이 쓰이는 실리콘보다 140배 이상 빠르게 전자를 이동시킬 수 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다는 2배 이상 열전도성이 높다. 또 한 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

그래서 그래핀을 꿈의 물질이라고 부르며 그래핀을 발견한 맨체스터 대학의 안드레 가 임(Andre Geim) 교수와 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 박사는 2010년 노벨 물리학상을 수상하였다.

꿈의 물질 그래핀과 신소재 공학자가 하는 일

이 그래핀 덕분에 머지않아 휘어지는 디스플레이 제품을 우리는 만날 볼 수 있게 된다. 휘어지는 디스플레이가 등장하 면 우리는 더 이상 아이패드, 캘럭시탭 같은 휴대용 디스플레이를 들고 다니지 않아도 된다.

손목에 감고 다닐 수도 있고 종이처럼 말아서 바지주머니에 넣어서 다닐 수도 있기 때문이다. 애플과 삼성 등의 글로 벌 기업에서 이미 상용화에 접어들었고 시제품 출시를 앞두고 있다.

그래핀처럼 그동안의 물질과 다른 새로운 특성을 지닌 물질을 신소재라고 한다. 이 신소재와 관련된 직업으로 신소재 공학자가 있으며 지금부터 신소재 공학자에 대해 알아보자.

2004년도에 그래핀이 발견된 후 그래핀이 산업 전반에 엄청난 영향을 미칠 것 같았지만 아직까지 우리는 그래핀과 관 련된 얘기를 뉴스나 신문기사를 통해서만 접할 뿐 실생활에서 그래핀과 관련된 제품을 만나보기는 힘들다. 그 이유는 꿈의 물질인 그래핀에도 단점이 있기 때문이다.

그래핀의 양산과정에서 화학처리를 하는데 이 과정에서 불순물이 남아 그래핀의 품질이 떨어진다는 단점이 있다. 이런 단점을 해결하고 품질 좋은 그래핀을 대량으로 양산하는 일을 연구하고 양산된 그래핀을 산업에 활용할 수 있도록 하 는 일을 신소재 공학자가 한다. 그 밖에 새로운 특성의 소재를 개발하는 일과 신소재의 기계적, 전기적, 광학적 특성 을 분석하는 일을 한다.

신소재공학자가 되는 방법과 자질

과거에는 어떤 소재와 재료를 이용하느냐에 따라 재료공학, 금속공학 등으로 구분하였다. 재료공학은 세라믹, 복합재 료 등의 비금속 재료를 연구하는 것이며, 금속공학은 금속과 합금을 연구하는 것이다.

그러나 최근에는 시대적인 상황에 맞춰 금속공학, 재료공학을 합쳐 신소재공학이라고 부르고 대학들도 금속공학과와 재료공학과를 통합하여 신소재공학과로 학과 명칭을 변경하는 추세이므로 신소재공학자가 되기 위해서는 신소재공학을 전공하면 된다.

신소재 공학을 전공하게 되면 반도체재료, 금속재료, 고분자 재료, 세라믹 재료, 전자 재료, 바이오 재료 등의 학문을 배울 수 있는데 신소재공학자로서 연구개발을 하기 위해서는 이 중에서 세부전공을 하나 정해서 석사이상의 학위를 따는 것이 좋다. 반도체분야는 학사과정에서부터 신소재공학이 아니라 반도체공학을 전공하는 것도 좋은 방법이다.

신소재공학자에게 요구되는 자질은 신소재공학이 학문의 특성상 공학적 측면과 과학적 측면을 함께 강조하는 만큼 수 학, 물리, 화학 등의 기초과학에 대한 흥미와 배경지식이 있어야 하며 신소재를 분석하고 합성하는 과정에서 많은 실 험을 해야 하므로 탐구심과 인내력이 필요하다.

신소재공학자의 진출분야와 미래 전망

신소재공학은 디스플레이, 반도체, 자동차, 배터리, 의공학 분야 등 거의 모든 공학 분야와 관련이 있어 진출분야가 매우 다양하고 넓다.

최근에는 그래핀, 탄소나노튜브 분야 등에서 연구개발 관련 수요가 많아 이쪽 분야에서 국공립 및 기업연구소 등의 연구직으로 진출하기가 매우 용이하다. 또 신소재공학이 첨단산업인 만큼 특허와 관련이 많아 변리사 쪽으로도 진출할 수 있다.

그래핀은 휘어지는 디스플레이 분야 뿐만 아니라 초고성능 반도체, 휘어 지는 고성능 배터리, 수소 자동차용 에너지 저장 물질, 투명 전극 등 용도 가 무궁무진할 것으로 기대되며 산업 전반에 미치는 파급력도 엄청날 것 으로 예상된다.

이에 따라 산업통상자원부는 6년간 470억 원을 투자해 그래핀의 상업화 기술을 개발하기로 하고 총 41개의 산․학․연 이 참여하는 6개 컨소시엄을 신규사업자로 선정하였다. 이번 투자를 통해 32개의 핵심 상업화 기술 확보는 물론 17조 원의 매출과 3만 4000명의 일자리 창출, 25개 글로벌 기업육성을 산업통상자원부는 기대한다고 한다.

삼성전자는 노벨상 수상급 연구자 육성을 목표로 2017년까지 7천 500억 원을 연구개발에 투자하기로 했는데 이 때 기초과학분야 뿐만 아니라 기존 산업소재를 뛰어넘는 신소재 개발도 포함시켜 지원하기로 하였다.

또한 전 세계 그래핀 분야 특허 출원 건수에서 기업으로는 삼성이 연구기관으로는 성균관대가 각각 세계 1위이므로 우리나라에서 신소재 공학자의 전망은 매우 밝다고 할 수 있다.

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4. 참고 사이트

1) 진로정보망 커리어넷 : http://www.career.go.kr/cnet/front/base/major/FunivMajorView.do?SEQ=324#tab1 2) 2017 전공체험 강의실 – 신소재공학부 : https://www.youtube.com/watch?v=XnqPWOxMtI8

(고려대학교 인재발굴처, 서지훈 고려대학교 신소재공학부 교수)

3) 세바시 746회 낯익은 생활소재의 재발견 : https://www.youtube.com/watch?v=iZyvkkdcu74 (심우영 연세대학교 신소재공학과 교수)

5. 참고 문헌

1) https://www.youtube.com/watch?v=Wo7KbLgk9S4 2) [네이버 지식백과] (두산백과)

3) https://brunch.co.kr/@choihs0228/35 4) https://www.sciencetimes.co.kr/?news=

5) http://www.career.go.kr/cnet/front/base/major/FunivMajorView.do?SEQ=324#tab1 6) https://www.youtube.com/watch?v=XnqPWOxMtI8

7) https://www.youtube.com/watch?v=iZyvkkdcu74

대단원 III. 첨단과학탐구 차시 1/1

시간 50분

소단원 3. 생활 속 생체 모방 기술 조사하기 STEAM 요소

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학습목표

▪ 생활 속에 적용된 생체 모방 기술을 조사하여 특징을 설명할 수 있다.

▪ 첨단 과학 기술 속의 과학 원리를 찾아내는 탐구 활동을 통해 과학 지식이 활용된 사례를 추론할 수 있다.

STEAM

단계요소

▪ 상황제시 : 자동차 표면에 흙탕물이 잘 묻지 않는다. 그 까닭은 무엇일까?

자료활용

▪ 영상자료, ppt자료, 탐구 활동지, 연잎, 유리판, 스포이드, 수조, 메스실린더 학습

상황 제시

비오는 날 비포장도로를 달리던 차의 앞 유리와 본네트 표면에 흙탕물이 생각보다 적게 묻거나 묻지 않았다. 어떤 처리를 한 것일까? 이와 같은 현 상을 자연에서 관찰할 수 있을지 찾아보고, 과학의 원리를 탐구해보자.

3분

창의적 설계

1. 자연에서 연잎 등 잎이 넓은 식물의 잎을 몇 종류 채취한다.

2. 각 잎에 스포이드로 물을 흘리고 아래로 떨어지는 물의 양을 측정한다

3. 유리판을 준비하고 2와 같이 실험한다.

4. 결과를 표로 작성하고 분석한다.

5. 연잎의 효과를 토론한다.

이러한 울퉁불퉁한 독특한 구조 덕택에 연잎 위에 떨어진 물방울은 잎 속으로 스 며들지 못하고 흘러내리게 된다. 즉 연꽃잎 위의 물방울은 돌기 위에 떠 있기 때 문에 표면에 접촉하는 면적이 크게 줄어들어 표면장력이 떨어진다. 실제로 연꽃잎 과 물방울의 접촉 면적은 덮고 있는 표면의 2-3%밖에 되지 않는다. 물방울이 공 기 위에 떠있는 모양이라고 보면 된다. 이렇게 불안한 상황이다 보니 물방울이 모 이고 합쳐져서 무거워질 때 땅으로 미끄러져 떨어지게 된다. 이때 잎에 앉은 먼지 들도 물에 씻겨서 덩달아 떨어지면서 스스로 깨끗하게 씻어내는 것이다.

이런 특징을 학술적으로 ‘연꽃잎 효과(lotus effect)’라 한다. 이를 처음으로 명쾌하 게 설명한 사람은 독일의 본대학교의 식물학자 빌헬름 바르트로트(Wilhelm Barthlott) 교수

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감성적 체험

1. 연잎의 원리를 이용한 생활용품을 찾아보자.

2. 우의(비옷)에 적용해 보자.

연잎 수중 부양 빨래가 필요 없는 옷감

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정리 생체모방 기술을 더 찾아보자. , , ,

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