4차 산업과 학교 활동을 통한 STEAM R&E 활동 안내
일반분야 지도사례
명호고등학교(부산) 윤종철
학교 내 보유한 기자재
드론
3D 프린터
프로그래밍 자수기 레이저 커팅기
종이 커팅기
진공 성형기
재봉기 목공 장비
2019학년도 STEAM R&E
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
몰 농도 측정 학습 교구 제작을 통한 메이커 문화 확산, 학습 흥미 고양
2020학년도 STEAM R&E
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
폐 필라멘트를 재활용 하여 유연성을 증가한 생분해성 플라스틱의 개발
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
출처 : 교육부 고시 제2015-74호 [별책 9]
과학과 교육과정
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
(사진 출처 : Chemistry libretexts)
없음 큐벳
아두이노
UV센서 LCD 오존램프
DIY 랜턴
cience
echnology
ngineering
rt
athematics
: 비어-람버트 법칙, 몰 농도
: 3D 프린팅을 통한 틀 제작,
레이저 커팅을 이용한 큐벳 제작 농도 측정기 프로그래밍
: DIY 랜턴, 개별 부품(센서) 연결
: 사용하기 편리하고 미적으로 아름다운 틀
: 일차함수 관계를 이용한 미지의 용액의 몰 농도 계산
최소제곱법 7
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
• DIY 랜턴
• 파워 LED, 구동드라이버
• 가시광선 영역대(약 450nm에서 최대)
• 광량 매우 큼
• 오존 램프
• 10~12V
• UV-C 방출 (100~280nm)
• 광량 충분함
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
<석영 유리> <아크릴> <석영 유리>
• U자 형으로 커팅한 아크릴과 중국산 석영유리를 이용해 원가를 절감함.
• 빛이 지나가는 부분은 석영유리로 제작해 UV가 최대한 투과 되도록 함.
• 두께는 아크릴 2T, 석영 유리 각 2T
• 에폭시와 실리콘을 이용해 접착함.
• 플라스틱을 녹이는 유기용매 등에는 사용할 수 없음.
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
Arduino Caffeine Detector
Mode 1 인가?
Solvent 입력 할 것인가?
Stnadard Solution 입력 할 것인가?
(반복) Y
Y
Y
N
Mode 2 인가?
Solvent, Standard Solution 입력 되었는가?
검정곡선 계산 Y
Y N
Mode 3 인가?
검정곡선이 되었는가? 계산
UV 값 측정 후 몰 농도 계산
Y Y N
N
N
N N
N
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
<고카페인 음료(핫식스, 몬스터)> <Methylene Chloride을 이용한 카페인 추출> <무수𝑀𝑔𝑆𝑂 4 을 이용한 물 제거>
<회전농축기를 이용한 용매 제거> <감압 거름>
<카페인 추출물>
반복
용해도 : MC ≫ 물
밀도
: MC > 물
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
시약
시약 +추출물
추출물
시 1 2 3 4 5 6 7 8
검출되지 않음
반복
용해도 : MC ≫ 물
밀도
: MC > 물
y = 4919x + 0.0248 R² = 0.9958
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003
흡광도
몰 농도(M)
1st molarity-absorbance
y = 5311.6x - 0.0233 R² = 0.982
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035
흡광도
몰 농도(M)
2nd molarity-absorbance
y = 4022.6x + 0.038 R² = 0.9924
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035
흡광도
몰 농도(M)
3rd molarity-absorbance
흡 광 도 측 정
--사전실험—플래시— 카페인표준용액 —카페인추출물—나프탈렌표준용액--염화나트륨—식용색소—프로펠러--
<UV-Vis Spectrophotometer MBL 장치>
흡 광 도 측 정
1cm×1cm 큐벳 1st UV Value abs molarity
Solvent(water) 65
0.06mM 33 0.294400 0.09mM 23 0.451186 0.12mM 16 0.608793
핫식스1 18 0.557641 0.110mM 핫식스2 14 0.666785 0.131mM 핫식스3 15 0.636822 0.125mM 몬스터1 16 0.608793 0.120mM 몬스터2 15 0.636822 0.125mM 몬스터3 16 0.608793 0.120mM
y = 5239.9x - 0.0201 R² = 1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001 0.00012 0.00014
흡광도
몰 농도(M)
1st, 2nd, 3rd concentration-absorbance
DIY 큐벳 1st UV Value abs molarity
Solvent(water) 38
0.06mM 33 0.061270 0.09mM 30 0.102662 0.12mM 28 0.132626
핫식스1 29 0.117386 0.106mM 핫식스2 27 0.148420 0.132mM 핫식스3 28 0.132626 0.118mM 몬스터1 27 0.148420 0.132mM 몬스터2 28 0.132626 0.118mM 몬스터3 28 0.132626 0.118mM
y = 1189.3x - 0.0082 R² = 0.9915
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001 0.00012 0.00014
흡광도
몰 농도(M)
1st, 2nd, 3rd concentration-absorbance
<1cm×1cm 큐벳>
<DIY 큐벳>
--사전실험—플래시—카페인표준용액— 카페인추출물 —나프탈렌표준용액--염화나트륨—식용색소—프로펠러--
흡 광 도 측 정
증류수 홍색 색소 0.01g 수용액 50mL
홍색 색소 0.1g 수용액 50mL
프로펠러
15
--사전실험—플래시—카페인표준용액—카페인추출물—나프탈렌표준용액--염화나트륨—식용색소— 프로펠러 --
2019학년도 STEAM R&E
4차 산업 기술을 활용한 교육적, 경제적 몰 농도 측정 학습 교구 제작
몰 농도 측정 학습 교구 제작을 통한 메이커 문화 확산, 학습 흥미 고양
카페인 추출 학습지
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
바이오 플라스틱 + 탄산 칼슘
→ 성능 강화 논문 발견
4차 산업시대에 활용 ↑ 필라멘트 + 탄산 칼슘
→ 성능 강화
버려지는 필라멘트 재활용
→ 플라스틱으로 인한 환경오염↓
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
1. 탄산 칼슘 정제
2. 탄산 칼슘 적정 실험 3. Ball mill 대여
1. 필리봇으로 필라멘트 뽑음 2. 3D 프린터로 시편제작
3. 제작한 시편 인장 강도 측정
1. MC + 스핀코터 이용한 필름 제작 2. MC + 3D 프린터 틀 제작한 필름 제작 3. 제작한 필름 인장 강도 측정
탄산 칼슘 정제 필름 형태로 제작 후
인장 강도 측정 3D 프린터로 시편제작
후 인장 강도 측정 멀칭 실험
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
탄산 칼슘 정제 필름 형태로 제작 후
인장 강도 측정 3D 프린터로 시편제작
후 인장 강도 측정 멀칭 실험
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STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4
달걀 껍데기에 있는 각종 병원체나
먼지들을 없애기 위해 달걀 껍데기를 세척한다.
달걀 껍데기를 끓는 물에 15분간 끓인다.
달걀 껍데기를 건조기에 넣고 180℃에서 15분간 건조시켰다
.달걀 껍데기를 막자와 막자사발을 이용하여 가루형태로 간 후, 체를 이용해
균일화하였다.
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
탄산 칼슘 정제 필름 형태로 제작 후 인장 강도 측정
3D 프린터로 시편제작
후 인장 강도 측정 멀칭 실험
스핀코터와 회전판을 이용하여 얇은 필름 형태로 만든다.
스핀코터와 회전판에 캡톤 테이프를 붙인 다음 3D 프린터로 제작한 틀을 붙여 용액을 필름 형태로 제작한다.
→ 두께가 얇아 인장강도를 측정하기 어려워 3D프린터로 만든 틀에 용액을 부어 필름을 제작한다.
여러 용매를 사용하여 PLA를 녹인다.
→ 메틸렌클로라이드(MC), 벤젠, 부탄올, 에틸아세테이트, 에틸알코올, 헥세인,
사이클로헥세인, 글리세린 중 PLA가 MC에
가장 잘 녹아 MC를 이용한다.
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
용액의 양을 동일하게 하여 비커에 있는 용액을 전부 붓는 형식으로 필름을 제작한다.
3D프린터로 틀을 제작하여 용액을 틀에 부어 필름을 제작한다.
필름의 동일한 위치에 구멍을 뚫어 구멍에 고리를 연결해 일정한 속도로 필름을 당겨 힘 센서를 이용하여 인장 강도를 측정한다.
힘 센서를 이용해 인장 강도를 측정한다.
파스퇴르 피펫으로 동일한 양을 붓는 형식으로 하여 필름을 제작한다.
→ 용액을 부을 때 다 부어지지 않고 비커에 남는 용액이 있어 실제 필름을 만들 때 사용되는 용액의 양이 일정하지 않다.
→ 인장 강도의 측정 값이 일정하지 않아 소형 필라멘트 압출기인 필리봇을 이용해 필라멘트를 압출한 후
3D프린터로 시편을 제작한다.
탄산 칼슘 정제 필름 형태로 제작 후 인장 강도 측정
3D 프린터로 시편제작
후 인장 강도 측정 멀칭 실험
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
탄산 칼슘 정제 필름 형태로 제작 후
인장 강도 측정 3D 프린터로 시편제작
후 인장 강도 측정 멀칭 실험
A
필라멘트 압출기인 필리봇을 이용해 필라멘트를 압출한다.
대조군 → 신도리코 필라멘트, 필라멘트를 필리봇으로 압출
실험군 → 필라멘트 20g에 탄산 칼슘 시약과 달걀 껍데기에서 추출한 탄산 칼슘을 10%, 15%, 20%, 25% 비율로 첨가한 필라멘트를 제작
3D 프린터로 시편을
tensile bar 모양으로
제작한다.
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
탄산 칼슘 정제 필름 형태로 제작 후
인장 강도 측정 3D 프린터로 시편제작
후 인장 강도 측정 멀칭 실험
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STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4
캡톤 테이프를 책상에 붙여 MC를 용매로 이용한 용액을 부어 분해 필름을
제작한다.
→ 용액이 테이프 사이로 흘러 필름을 만들기 어려워
금속판에 용액을 부어 필름을 제작한다.
금속판에 용액을 부어 필름을 제작한다.
→ 필름이 너무 얇아 떼기에 어려움이 있어 3D 프린터로 시편을 제작한다.
시편을 땅에 묻어 멀칭 실험을 한다.
멀칭 전 시편과
멀칭 후 시편의
질량 변화를
측정한다.
3D 프린터 필라멘트의 성능 강화와 분해 기능 개선
연구 결과
0 10 20 30 40 50 60
신도리코
신도리코 +필리봇
탄산칼슘 시약+신도리코 10%
탄산칼슘 시약+신도리코 15%
탄산칼슘 시약+신도리코 20%
탄산칼슘 시약+신도리코 25%
시편의 종류 인장 강도[N]
종류 질량 변화의 평균 값[mg]
신도리코 필라멘트 -0.4 신도리코+필리봇 -2.8 탄산 칼슘 시약 10% +0.2 탄산 칼슘 시약 15% -0.6 탄산 칼슘 시약 20% -2.0 탄산 칼슘 시약 25% -3.5
