목 차

(1)

(2)

목 차

0. 프로그램 요약 ··· 1

1. 주제 개요 ··· 2

2. 학습 목표 ··· 2

3. STEAM 과목 및 학습 준거 ··· 3

4. 차시별 수업 계획 총괄표 ··· 6

5. 평가 계획 ··· 8

6. 차시별 교수학습과정 ··· 10

7. 기타 자료 ··· 15

(3)

0. 프로그램 요약

주 제 명 빛과 함께하는 DYNAMIC LED 적용 학년 중학교 2-3 학년

적용 모형 교과 통합 학습

차시 단계 소주제 주요 내용 관련

교과

1-2 주제

확인 LED 개요

도 입 ⦁ 건물의 파사드, LED TV, LED Yo-Yo 공통점 찾기

과학 기술 예술 학 습

활 동

⦁ 생활 속 LED 찾아보기(팀별 생각 나누기)

⦁ LED 기호 그리기

⦁ LED 동작전압 확인(그래프그리기) 마 무 리 LED 특징 및 탄생배경, 에너지와 환경

3-4

탐색 및 탐구 활동

빛의 합성

도 입 빛과 색상의 차이

과학 기술 예술 학 습

활 동

⦁ 파장에 따른 빛의 분류

⦁ 상자 안에서 LED 빛의 합성

⦁ LED 전구로 빛의 궤적 촬영(팀별) 마 무 리 움직이는 빛의 합성 (지하철 광고에 이용)

5-6

LED 요요 작동원리

⦁ 설계하기

도 입 대회 영상자료 시청 후 - 불빛 요요 원리 찾기 과학 기술 공학 학 습

활 동

⦁ 팀 별 생각 나누기(원리 찾기)

⦁ 원심력, 회전관성, 역학 에너지 학습

⦁ 학습한 내용이 적용되는 예(팀별) 마 무 리 LED 요요 설계하기(예상 구조 그리기)

7-9

회로이해와 LED 파트 제작,

결합, 완성

도 입 LED 파트 제작 영상 시청

기술 공학 예술 학 습

활 동

⦁ LED 개발 역사 및 동향, 전망

⦁ 특허와 관련된 LED 기술

⦁ 기초 전기 회로 이해(설계도 그리기, 측정하기)

⦁ LED 파트 제작⦁완성

마 무 리 ⦁LED 파트와 Yo-Yo의 결합, 수정, 완성

10 탐구 결과 적용

평가하기

도 입 요요 종류 및 기술 소개

기술 예술 학 습

활 동

⦁게임 방식을 적용한 동작 평가

⦁포트폴리오 마무리 및 후기 발표 마 무 리 (수행) 평가 결과 발표

❖ 차시별 내용에 해당하는 학습지를 작성하고 이를 포트폴리오 평가에 자동 반영한다.

1. 주제 개요

시대의 흐름에 부합하는 LED에 대해 왜 필요하게 되었는지 살펴보고, 이용 현 황과 미래의 모습을 알아보도록 한다. 이 과정에서 중학교 교육과정에서 배우는 다양한 학습 내용을 포함 시켰다. LED Yo-Yo 만들기 체험 학습을 통해 수리 과 학적, 예술적, 기술 공학적 내용을 단계별로 배울 수 있게 된다. 프로그램 전 과 정에서 LED에 대해 학습하며, 차시별로 조금씩 결과물을 만들어가는 방향으로 구성되었다. 학생들은 이 과정에서 빛과 관련된 학습, 생활 속에서 활용되는 LED, LED 개발의 역사와 미래, 신 성장 동력으로서의 가치와 특허에 대해 이해 할 수 있도록 했다. 최종 목표는 LED를 부착시킨 요요를 만들어 동작을 확인하 는 것으로 학문적인 내용 학습 뿐 아니라 프로그램을 운영하면서 학생과 교사가 간단한 실험실습, 팀별 학습을 통해 감성적 체험의 기회를 갖도록 구성하였다.

2. 학습 목표

중학교 2-3 학년을 위한 ‘LED Yo-Yo’를 주제로 한 프로그램의 학습 목표는 다음과 같다.

구 분 학습 목표 관련차시

내용 목표

LED의 기본적인 특징과 활용에 대해 알 수 있다. 1-2 빛의 합성 체험을 통해 조명에 대해 이해한다. 3-4 요요에 담겨있는 과학적 원리를 학습할 수 있다. 5-6 LED 역사와 미래, 관련된 기술을 이해할 수 있다.

LED 파트를 이해하고 설계⦁제작⦁완성할 수 있다. 7-9 LED 요요의 동작을 확인하고 평가할 수 있다. 10

과정 목표

LED의 성장 배경과 사회적 흐름을 인식한다. 1-2 현대 사회에서 조명의 중요성을 알 수 있다. 3-4 LED 요요에 적용되는 원리를 그림으로 표현한다. 5-6 LED의 발전 과정과 지적 재산권을 이해한다.

기초적인 전기회로를 이해하고 표현할 수 있다. 7-9 노작활동을 통해 감성적 재미와 결과물을 얻는다. 10

(4)

교과 별 영역

2007 개정 교육과정 2009 개정 교육과정 학

년 영역 성취 기준 학년

군 영역 성취 기준

S 8

(6) 빛과 파동

(라) 빛의 분산과 합성을 안다.

중학교 1~3 학년군

(9) 빛과 파동

(나) 빛의 삼원색으로 다양한 색상의 빛을 합성할 수 있 음을 이해한다.

9 (3) 일과 에너지

(라) 운동 에너지, 위치 에너지를

이해한다.

(마) 역학적 에너지 보존 법칙을 설명할

수 있다.

(13) 일과 에너지

전환

(다) 운동에너지와 위치에너 지를 알고 역학적 에너지 보존법칙을 이해한다.

9 ⁽⁵⁾ 전기

(다) 폐회로에서 저항, 저항에 흐르는

전류, 저항에 걸린 전압 사이의 관계를

설명할 수 있다.

(라) 저항의 직렬 연결과 병렬 연결에 옴의 법칙을 적용할

수 있다.

(15) 전기와

자기

(나) 저항, 전류, 전압 사이의 관계를 알고, 이를 적용하여 저항의 직렬 연결과 병렬 연결의 특징을 이해한다.

T 8 (4) 기술과

발명

(가) 발명의 가치를 이해하고, 일상생활의 기술적

문제를 해결하기 위하여 창의적인

아이디어를 구상한다.

(1) 기술과

발명

(나) 아이디어 창출과 구체화, 실행, 평가의 기술적 문제 해결 활동의 과정을 알고, 기본적인 아이디어 구상, 확산적 사고 기법, 수렴적 기법을 활용하여 생활 속의 문제를 창의적으로 해결할 수 있다.

3. STEAM 과목 및 학습 준거

STEAM 과목 요소

9 (5) 제조 기술

㈏ 생활 주변에서 쉽 게 접할 수 있는 재 료의 특성을 이해하 고, 제품 설계 및 제 작에 표준화 및 법정 계량 단위를 적용하 여 간단한 제품을 구 상하고 설계한다.

(4) 제조 기술과 자동화

(나) 기초 전기·전자 기술을 이해하고, 기계를 구성하는 요소와 동력 전달 장치 원리 를 이해하며, 생활 속에 제조 기술과 관련된 직업 세계를 설명할 수 있다.

(3) 전자 기계 기술

㈐ 전기ㆍ전자 기기 의 원리 및 용도, 기계의 원리를 이 용하여 간단한 운 동 장치를 만든다.

E

고 등 학 교 [선택]

(4) 전기·

전자와 정보통신

공학

(가) 전기·전자 부품과 회로에 대한 기초 지식을 알고, 관련 공학 기술에 관한 특징 및 주요 개념 또는 발전 방향을 이해한다.

A 공

통 (1) 미적 체험

(나) 시각 문화 환경 시각 문화 환경의 기능과 역할을 이 해한다.

체험 (소통)

시각 문화의 사회적 가치를 이해하고 참여 방안을 모색 한다.

(2) 표현

(나) 표현 방법 여러 가지 재료와 용구, 표현 방법을 사용하여 주제를 효 과적으로 표현한다.

표현 (주제 표현)

창의적인 발상을 통해 주제 의 특징과 목적을 표현한다.

(다) 조형 요소와

원리

조형 요소와 원리를 활용하여 주제의 특 징과 목적을 효과적 으로 표현한다.

표현 (조형 요소와

원리)

조형요소와 원리의 시각적 효과를 이해하고 창의적으로 표현한다.

(5)

STEAM 학습 준거

단계 STEAM 학습 준거

상황제시

길거리의 많은 조명, 최신형 TV에 사용되는 불빛의 특징은?

Yo-Yo 회사의 디자이너가 되었을 때 내가 만들고 싶은 제품은?

요요가 동작할 때만 LED 불빛이 나려면 어떻게 만들어야 할까?

특허가 얼마나 중요한 것일까?

미래를 선도할 차세대 융합기술은 어떤 것이 있을까?

창의적 설계

요요 작동 원리를 학습하고 운동 물체의 회전관성과 형태를 고려하 여 내가 생각하는 LED 요요 구조를 그림을 통해 구현해보기

빛의 합성과 색상별 LED 동작 전압의 차이를 이해하고 다양한 LED 응용 분야 탐구하기

내가 생각하는 돈이 되는 LED 특허를 찾아보기

감성적 체험

LED Yo-Yo 만들기 과정을 통해 노작의 가치 일깨우기 카메라 촬영 기법을 활용해 LED 빛의 궤적을 추적해보기 여러 가지 기술을 이용하여 체험적인 시간(퍼포먼스 타임) 갖기

4. 차시별 수업 계획 총괄표

5. 평가 계획

평가 내용

방 법 참여도

학생 평가

결과물 평가 포트폴리오 평가 자기

평가

동료 평가

비율 20 (%) 5 (%) 5 (%) 30 (%) 40 (%)

평가 내용

평가 영역 평가 내용 평가 방법

지식과 내용

- 관련된 분야의 사회적 이슈를 알고 있는가?

- 제품의 동작원리와 관련된 내용을 알고 있는가?

- 팀별 퀴즈 대회에서 몇 문제를 풀었는가?

수행평가 (포트폴리오 및

구술)

기능 및 기술 - 만들어진 제품이 원활하게 동작 하는가?

- 좌우의 균형 문제로 인해 치우침은 없는가? 산출물 평가

정의적 측면

- 규칙에 따라 공정하게 진행 하였는가?

- 학습에 충분히 주의를 기울이고 참여하는가?

- 실험실습 진행을 하면서 안전에 주의하는가?

관찰 평가

의사소통

-팀별 학습을 진행하면서 개인 의견 뿐 아니라 타인의 의견을 존중하며 토의에 참여하는가?

-자신의 팀이 보았을 때 다른 팀에 대한 평가는?

관찰평가 / 동료평가

(7)

인지적 영역에 대한 바람직한 변화와 기획 의도

(교사용) 프로그램의 기획 의도는 학생이 체험 활동을 통해 LED 분야에 관심을 갖고 교육적 차원에서 활용할 수 있도록 구성하고자 하였다. 따라서 LED와 관련한 기초 전자 회로, 빛의 합성, 물체의 원운동에서 나타나는 원심력 등 생활에서 찾을 수 있는 융합적인 지식을 이해 하고 적용한 DYNAMIC LED Yo-Yo 만들기 과정을 설계한 것이다. 특히 체험활동 과정에서 나타나는 질문을 통해 학생의 추상적인 생각을 좀 더 구체화하여 동작 원리를 분석할 수 있 도록 하였고 이는 학생에게 창의적 문제 해결력을 기를 수 있도록 도움을 줄 것이다. 또한 광범위한 LED 산업에서 등장하는 특허 및 미래 직업 찾기를 통해 학생에게 진로 탐색 과정 을 제시 하였다. 완성단계와 종합적인 평가에서는 동료 평가 및 개인 평가를 동시에 반영하 여 학습 활동에 참여한 정도를 알 수 있도록 하였다.

6. 차시별 교수학습과정

1-2 차시

학습과제 LED 무엇인가 차시 1-2/10 대상 중학생

학습 문제 (학습목표)

1. 생활 속에서 이용되는 LED를 찾고, 특징을 알 수 있다.

2. 파장에 따른 빛의 색상, 색상에 따른 LED 동작전압의 차이를 알 수 있다.

STEAM 교과 연계

교과 단원명 핵심 개념

과학 빛과 파동 파장에 따른 스펙트럼

기술 미래의 기술, 기술과 발명 차세대 조명 LED 미술 소통, 조형 요소와 원리 시각 문화의 사회적 가치 교사준비

물 PPT, 동영상, 실습 준비 학생준비

물 학생용 워크북

평가 방법 설계

학습과정, 학습결과물 포트폴리오 형태로 평가하며, 수행과정에서 행동을 관 찰, 인터뷰 등을 통해 평가

학습 단계

학습 과정

교수·학습 활동

시간 유의점

교사활동 학생활동

도 입

시 작 동 기 유 발

LED가 이용된 사진자료 제시

공 통 점 찾 아 보 기 ,

L E D 이 용 되 는 영 역 찾 기 2 0 분 흥 미 유 발

전 개

학 습 내 용 및 체 험 활 동

LED 성장 배경 알기 기사를 읽고 LED

산업성장 배경 이해 1 5 분 LE D 필 요 성 에 대 한 이 해

LED 특징, 반도체 기사를 읽고 LED

특징과 반도체 이해 1 5 분 특 징 정 리

회로기호 표현하기 기호로 나타내고

용어 이해하기 1 5 분 극 성 (A ,K ) 구 별 에 주 의

LED 동작 조건 동작전압, 전류 확인 그래프로 밝기표현 1 5 분

전 압 , 전 류 값 과 LE D 수 명 관 계

정 리

마 무 리 차 시 예 고

LE D 특 징 정 리 LE D 특 징 확 인

발 광 원 리 이 해 하 기 1 0 분 학 생 과 함 께

(8)

3-4 차시

학습과제 LED와 빛의 합성 차시 3-4/10 대상 중학생

1. 빛과 색상의 차이를 알고 빛의 합성을 체험할 수 있다.

2. LED 빛의 궤적 촬영을 통해 진자의 움직임 궤적을 파악할 수 있다.

과학 물질과 에너지 빛과 파동

기술 미래의 기술 LED

미술 표현 조형 요소와 원리

교사 준비물

PPT, 동영상, 빛의 합성도구, 카 메라

학생

준비물 스마트폰(어플 포함, 팀별 1개) 평가 방법

설계

학습과정, 학습결과물 포트폴리오 형태로 평가하며, 수행과정에서 행동을 관 찰, 영상 촬영 등을 통해 평가

학습 단계

학습 과정

도 입

빛 과 색 상 의 3 원 색 , 합 성 시 나 타 나 는 색

질 문 과 대 답 을 통 해 내 용 복 습 및 궁 금 증

유 발

1 0 분 흥 미 유 발

전 개

파장에 따른 빛의 분류

자 외 선 , 적 외 선 등

용 어 의 이 해 1 0 분 개 념 이 해

빛을 이용한 치유효과 색 상 에 따 른 라 이 트 테 라 피 효 과 이 해 1 0 분

빛 합 성 실 험 소 개 팀 별 로 3 가 지 색 상 의

빛 을 만 들 고 합 성 체 험 2 0 분 팀 별 체 험 학 습

빛 궤 적 추 적 하 는 방 법 소 개

팀 별 로 실 험 실 내 에 서 LE D 빛 의 궤 적 촬 영 ,

잔 상 효 과 이 해 하 기

2 5 분

촬 영 을 위 해 디 지 털 카 메 라 o r 스 마 트 폰

정 리

움 직 이 는 빛 의 합 성 광 고 에 이 용 되 는 합 성 1 5 분 생 활 속 예 시

5-6 차시

학습과제 요요의 원리 차시 5-6/10 대상 중학생

1. 움직이는 요요에 숨겨진 과학기술적 요소를 찾을 수 있다.

2. LED 요요의 동작 설계를 어떻게 해야 하는지 고민해보고 그림으로 표현할 수 있다.

중 과학 힘과 운동 회전관성, 원심력

중 기술 에너지와 동력 적정기술

공학 환경과 건설공학 신재생 에너지

교사

준비물 PPT, 동영상, 팀별 퀴즈 학생

준비물 학생용 워크북

학습과정, 학습결과물 포트폴리오 형태로 평가하며, 수행과정에서 팀 별 학습 (토의,퀴즈)을 통해 역동성 강조된 수업 평가 실시

학습 단계

학습 과정

도 입

팽 이 회 전 , 자 이 로 스 코 프 를 통 해

회 전 관 성 에 대 한 동 기 유 발 과

학 습 주 제 전 달

제 품 에 공 통 적 으 로 나 타 나 는 회 전 관 성 에 대 한

이 해

1 0 분

비 슷 한 원 리 제 품 의 공 통 점 발 견 과 의 견 나 누 기

전 개

회 전 관 성 과 원 심 력 일 상 에 서 활 용 되 는 예 시 찾 기 (브 레 인 스 토 밍 ) 2 0 분

공 통 점 발 견 과 의 견 나 누 기 역 학 적 에 너 지 과 학 적 문 제 풀 이 2 0 분 개 념 설 명 및

문 제 풀 이

L E D 요 요 원 리 발 문

LE D 요 요 설 계 하 기 (내 가 생 각 하 는 회 로

그 리 기 )

1 0 분 개 별 회 로 그 리 기

적 정 기 술 시 사 관 련 용 어 이 해 와

착 한 기 술 의 활 용 이 해 1 0 분 활 용 예 시 찾 기

정 리

팀 별 퀴 즈 와 평 가 반 영 순 차 적 으 로 진 행 되 는

퀴 즈 활 동 을 통 해 평 가 2 0 분 팀 별 학 습

(9)

7-9 차시

학습과제 LED 파트 제작하기 차시 7-9/10 대상 중학생

1. LED 개발 과정을 알아보고, 현재 동향 및 전망을 알 수 있다.

2. 특허와 관련한 LED 산업의 쟁점을 살펴보고 자신의 의견을 말할 수 있다.

3. LED 파트 설계에 대해 충분히 이해하고 제작·결합·완성할 수 있다.

4. 전기와 관련하여 회로에 흐르는 전류, 전압을 측정할 수 있다.

기술 제조기술, 기술과 발명 설계

공학 전기전자 공학 원심력과 LED

미술 표현 표현방법

교사

준비물 PPT, 동영상, 실습 재료 학생

준비물 학생용 워크북, 테스터기 평가 방법

설계

학습과정, 학습결과물을 포트폴리오 형태로 제작·평가하며, 수행 과정에서 행 동 관찰, 토의, 인터뷰 등을 통해 평가

학습 단계

학습 과정

도 입

LED 파트 제작영상 소개

제 작 과 정 이 해 하 고 , 구 상 하 기 1 0 분

정 확 한 제 작 과 정 이 해 ,

의 사 소 통

전 개

LED 개발 역사 및 OLED 소개

L E D 산 업 의 흐 름 을 살 펴 보 고 과 거 , 현 재 , 미 래

표 현 하 기

3 0 분

산 업 흐 름 을 이 해 하 고 시 사 내 용 을 파 악 할

줄 아 는 기 초 소 양 함 양 특허권 소개

현 재 LE D 산 업 계 의 동 향 및 특 허 와 관 련 된 문 제

파 악 하 기

전기 회로이해

⦁회 전 을 고 려 한 설 계 (전 기 회 로 도 그 리 기 )

⦁전 기 회 로 측 정 하 기 (테 스 터 기 이 용 한 측 정 )

2 0 분

창 의 적 인 아 이 디 어 유 도 , 테 스 터 기 이 해 LED 파트 제작

설명 및 질의응답

파 트 제 작 완 성

6 0 분

접 점 의 거 리 조 절 , 도 구 , 공 구 사 용 에 있 어

안 전 주 의 결합하기 요 요 와 L E D 결 합

정 리 마 무 리

차 시 예 고 수정 · 완성 동 작 확 인 , 수 정 , 정 리 1 5 분

10 차시

학습과제 LED Yo-Yo 완성

평가하기 차시 10/10 대상 중학생

1. DYNAMIC LED Yo-Yo를 완성하여 동작 상태를 확인해 볼 수 있다.

2. 포트폴리오 평가를 통해 학습의 전체 과정을 평가할 수 있다.

기술 제조기술, 기술과 발명 설계

미술 표현 표현방법

교사

준비물 PPT, 동영상, 실습 재료 학생

준비물 학생용 워크북

학습과정, 학습결과물 포트폴리오 형태로 평가하며, 수행 결과를 퍼포먼스를 통해 보여준다. 프로그램의 마지막 단계로 제작 후기도 평가에 포함한다.

학습 단계

학습 과정

도 입

시 작 동 기 유

발

Yo-Yo의 기원과 발전 과정

요 요 에 대 한 이 해

퍼 포 먼 스 기 술 이 해 1 0 분

전 개

학 습 내 용 및 체 험 활

동

동작평가 요 요 퍼 포 먼 스 1 0 분

제 품 의 동 작 여 부 에

중 점

전체적 평가

포 트 폴 리 오 제 출 , 자 기 평 가 및 동 료 평 가

전 체 과 정 후 기 발 표 1 5 분

자 기 평 가 는 가 능 한 한 솔 직 할 수 있 도 록 한 다 .

정 리

평 가 결 과 발 표 프 로 그 램 마 무 리 1 0 분 학 생 과 함 께

(10)

공통적으로 이용된 광원은 LED이다.

7. 기타 자료

L E D 개 요

LED Yo-Yo ^[1-2/

10차시]

1. LED란 무엇인가?

❖ 발광다이오드(Light Emitting Diode)

발광다이오드(LED)란 갈륨비소 등의 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소 자이다. LED는 컴퓨터 본체에서 하드디스크가 돌아갈 때 깜빡이는 작은 불빛, 도심 의 빌딩위에 설치된 대형 전광판, TV 리모컨 버튼을 누를 때마다 TV본체에 신호를 보내는 눈에 보이지 않는 광선 등을 만들 때 필요한 것이다.

2. LED 산업이 성장하게 된 배경은 무엇인가?

전 세계적으로 LED 조명에 대한 관심이 높아졌다. 우 리나라도 최근 정부와 기업, 가정 할 것 없이 고유가와 여름 전력난에 대비한 에너지 절감 운동이 확산되면서 LED 조명을 찾는 사람들이 늘고 있다.

첫 번째 이유. 에너지 수요 증가에 대비한 에너지 절감 차원

과거 에너지 파동을 겪으면서 다양한 에너지 절약 대책이 발표되고 실행되었다.

‘한 등 끄기’ ‘심야 사무실 조명 소등’ 과 같은 조명 부문에서의 에너지 절약 활동이 다. 이 같은 에너지 절약은 확실한 효과를 가지며 지금도 일부 지역에서는 실행하 고 있다. 그러나 소등에만 의존한 에너지 절약 방법은 사무실이나 공장의 작업능률 저하, 기기의 오작동 및 불량률 증가 등의 현상, 건물에 대한 인지도 저하, 광고효과 저하, 도로에서의 가로등 소등으로 인한 교통사고 증가, 강력 범죄의 증가 등의 직 접적인 원인이 된다. 즉, 소등에 의한 에너지 절감은 당장의 전기료 절감과 발전소 의 부하용량 저감에는 효과가 있겠으나 이로 인하여 발생하는 사회적 경제적 손실 도 크다는 것을 감안하여야 할 것이다. 따라서 조명 부문의 에너지 절감과 부작용 을 최소화하는 방법으로 고효율 조명기기의 사용이 대안으로 떠오르면서 LED 조명 이 부각된 것이다.

두 번째 이유. 환경 보호 및 규제 차원

최근 유럽을 중심으로 큰 관심이 되는 것이 친환경 제품 개발이다. 유럽연합은 강력한 환경규제를 실시하고 있으며 2006년 7월부터는 지침에 발표된 사항을 이행 하는 것으로 되어있다. 이 중에서 조명부문에 직접적 영향을 주는 것이 RoHS(Restriction fo Hazardous Substances) 지침이다. 여기서는 환경에 직접적 영 향을 주는 6개 물질의 사용을 금지하는 것을 핵심으로 하고 있다. 수은 사용을 하 지 않는 대체 광원 중 LED 광원이 가장 현실적으로 접근 가능한 친환경 광원으로 떠오르고 있다.

[ 참고 ] 6개 금지 물질 : 납, 수은, 카드뮴, 6가 크롬, PBB(Polybrominated Biphenyles), PBDE(Polybrominated diphenyl ethers)

3. LED 특징과 분류

✐ 기존 백열전구와 비교 [그림1]

(11)

백열등 'OFF'… LED 'ON'LED 소비전력 백열등의 5분의1 불과 평균수명 길고 '친환경 제품' 장점

전력 소모가 적은 발광다이오드(LED) 조명이 절전 바람과 함께 빛을 보고 있 다.

최근 정부와 기업, 가정 할 것 없이 고유가와 여름 전력난에 대비한 에너지절 감 운동이 확산되면서 LED 조명을 찾는 사람들이 늘고 있다. LED 조명이란 반 도체를 이용한 조명이어서 형광등이나 백열등과 달리 열로 손실되는 에너지가 적다.

특히 지식경제부와 한국전력은 전기요금을 산업용 6~7%, 일반 주택용 2~3%

인상하는 방안을 추진하고 있어 LED 조명이 더욱 관심을 끌고 있다. 여기에 조 명 업체들은 일반 가정용 LED 조명 가격을 2010년 대비 3분의 1 수준까지 낮 춰 LED 바람을 부채질 하고 있다.

4일 이마트와 하이마트 등 국내 대형 유통매장에 따르면 LED 조명이 판매가 부쩍 늘었다. 이마트는 1~4월 LED 조명 판매량이 전년동기 대비 30% 이상 증 가했고, 하이마트도 지난달 LED 조명 판매량이 처음 도입한 지난해 7월보다 두 배 이상 늘었다. 유통업체 관계자는 "정부의 전기료 인상 언급과 고유가 때문에 일반 가정에서도 절전에 대한 관심이 높다"며 "형광등이나 백열등보다 상대적 으로 전기요금이 저렴한 LED 전구를 찾는 소비자들이 늘고 있다"고 말했다.

LED 전구가 인기를 끄는 이유는 에너지 효율이 높기 때문. 실제 LED 전구의 소비 전력은 기존 백열등의 5분의 1수준에 불과하다. LED 전구는 수명도 길다.

백열전구의 평균 수명은 1,000시간인 반면 LED 전구는 최대 3만 시간까지 쓸 수 있다. LED 전구는 백열등이나 형광등에 들어가는 필라멘트 대신 반도체를 사용하기 때문에 납(백열등)과 수은(형광등) 등 독성물질이 없는 친환경 제품이 란 것도 장점이다.

문제는 아직까지 백열등 대체용만 나와 있다는 점이다. 국내 가정에서 많이 사 용하는 형광등은 아직까지 LED 조명으로 대체할 경우 백열등을 대체하는 만큼 절전효과가 크지 않아 업체들이 내놓지 않고 있다. 업체 관계자는 "국내는 형광 등을 많이 쓰지만 전 세계적으로 백열등을 많이 사용하기 때문에 LED 조명업체 들이 백열등에 집중하고 있다"며 "제조 기술이 개선돼 형광등 대체용 LED 조명 도 절전 효과가 커지면 널리 보급될 것"이라고 말했다.

- 한국일보. 2012. 6. 5 -

<알아두면 좋아요>

기본요금(원/호) 전력량 요금(원/kwh)

100kwh 이하 사용 390 처음 100kwh 까지 57.90

101 ~ 200kwh 사용 870 다음 100kwh 까지 120.20 201 ~ 300kwh 사용 1,530 다음 100kwh 까지 179.40 301 ~ 400kwh 사용 3,680 다음 100kwh 까지 267.80 401 ~ 500kwh 사용 6,970 다음 100kwh 까지 398.70

500kwh 초과 사용 12,350 500kwh 초과 677.30

적용일자 : 2012년 8월 6일 [ 전력 사용량에 따른 전기 요금 알아보기 ]

다음은 주택용 전력(저압) 전기 요금표이다. 이는 계약전력 3kw 이하의 가정용(아 파트 포함) 고객을 대상으로 적용되는 표이며, 사용하는 전기의 양에 따라 단계별로 요금이 부과된다.

예시. 준혁이네 집에서 지난 한 달 기준(30일)으로 사용한 총 전력 사용량은 462kwh 이다. 위의 표를 참고하여 전기 요금을 산출해 보자.

답안 작성.

➀ 기본 요금 : 6970원

➁ 사용 요금(구간별 사용요금 계산)

: 100x57.9 + 100x120.2 + 100x179.4 + 100x267.8 +62x398.7 = 87249원

➂ 요금 합계(➀+➁) : 6970+87249= 94219원

➃ 부가가치세(요금 합계의 10%, 원 미만 4사 5입) : 9421.9 → 9422원

➄ 청구금액(➂+➃ 합산 후 10원 미만 절사) : 94219원 + 9422원= 103641→ 103640원

Q&A :

(전력량요금) : 전력량공급의 대가로서 전력량 생산에 소요된 연료비원가와 한전의 급전요청에 따라 발전설비를 정지한 후 다시 기동하는데 소요되는 연료비원가를 반 영하여 이 계약에 따라 산정한 요금을 말한다.

( 전력량계, Watt-Hour Meter ) : 일정 기간 동안 사용한 전력의 총량을 측정·기록 하는 계기

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LED 장점 LED 단점 내가 바라는 점

[ LED 소자의 회로기호 ] LED는 한 쪽 방향으로만 전류가 흐른다.

보통 kWh (킬로와트시)로 기록된다. 적산전력계는 전력회사가 관리하므로 개인이 교환할 수 없도록 봉인되어 있다.

(절사,切捨) : 잘라서 없앰. 또는 그런 것. "원 단위 {절사}/소수점 이하 {절사}."

요금 고지서의 ‘절사 금액’을 이를 때의 ‘절사’를 이르는 말이다.

< self-coaching > [그림1]과 위의 신문 내용을 읽고 LED의 특징을 정리해 보자.

[ 그림으로 나타내기. 전기 회로 기호로 나타내 보자 ]

회로에 LED 소자를 연결함에 있어 극성이 매우 중요하다. (+), (-)극에 해당하는 애 노드(A), 캐소드(K)라는 용어를 기억하면서 회로기호를 어떻게 나타내는지 각자 그 려보도록 한다.

[ 심화학습 - 반도체란 무엇인가? ]

반도체(semi-conductor) : 도체와 부도체의 중간특성을 가진 물질이다.

실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등이 여기에 속한다. 반도체에 불순물(즉, 다른 원소)을 넣을 경우 불순물의 농도가 아주 작아도 이 불순물 반도체는 순수한 반도체에 비해서 전 기적인 성질이 완전히 틀려지게 된다. 이렇게 일부러 불순물을 첨가하는 것을 도핑이 라고 한다. 불순물로서 사용하는 것은 3족원소(p형 불순물)나 5족 원소 (n형 불순물) 을 사용하며, 어떤 불순물을 넣었는가에 따라서 p형 반도체와 n형 반도체로 나눈다.

< 궁금해요?? > LED도 반도체일까요?

p형 반도체와 n형 반도체가 결합된 형태를 p-n접합이라 하고, 전극을 붙인 p-n접 합을 p-n접합 다이오드라고 한다. 발광 다이오드는 빛을 방출하는 p-n접합 구조의 반도체이다.

< 다이오드에 전류가 흐를 때 동작원리 >

p-n접합 다이오드의 p형 반도체 쪽에 (＋) 전원을, n형 반도체 쪽에 (－) 전원을 연결할 때 순방향 전압이 걸렸다고 말하고, 이때 다이오드를 통하여 큰 전류가 흐 른다.

이는 p형 반도체 내의 홀(hole)이 n형 반도체 쪽으로, n형 반도체 내의 전자가 p 형 반도체 쪽으로 활발히 이동함으로써 p형 반도체에서 n형 반도체 쪽으로 큰 전 류가 흐른다. 반면 p-n접합 다이오드의 n형 반도체 쪽에 (＋) 전원을, p형 반도체 쪽에 (－) 전원을 연결할 때 역방향 전압이 걸렸다고 말하고, 이 때는 전류가 거의 흐르지 않는다. 따라서 LED에는 전류가 한쪽 방향으로만 흐르는 특성(정류작용)이 있음을 알 수 있다.

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< LED　제조방법 >

LED 제조공정 : Epi 웨이퍼 제조 → 칩 생 산 → 패키징 → 모듈

➀ 먼저 기초소재인 단결정 웨이퍼에 단결 정 박막을 형성시켜 에피웨이퍼 제조

➁ 칩 생산 공정은 전극을 형성하고 개별 칩으로 절단

➂ 패키징 공정은 제조된 칩과 리드(Lead) 를 연결하고 빛이 최대한 방출되도록 함

➃ 모듈 공정은 패키징 완료된 LED를 이용해 일정한 프레임에 LED 부착시킴

4. 기초전기

➀ 전압, 전류, 저항과 옴의 법칙 학습

➁ V=IR, 옴의 법칙을 학습하면서 각 각의 단위와 적용되는 예를 학습한다.

[ 색상별 LED 동작 전압과 전류 ]

LED 는 다양한 색상을 가지고 있다. 색상마다 고유의 특징을 갖고 있는 LED인 만 큼 불이 켜지는 동작 범위 역시 각기 다르다. 일정한 전압 범위, 전류 범위를 벗어 나면 사양만큼 동작하지 않기에 이점에 유의하면서 회로를 구성해야 한다. LED를 저항 성분 없이 전원과 직접 연결하면 LED의 수명이 급격하게 줄어든다.

[그림6] 색상별 LED 동작전압

Q&A :

적색 LED 1개에 전압 12V, 전류 1A를 저항 없이 연결하면 과전압과 과전류로 인해 LED 전구가 즉시 수명을 다한다. 전압 3V, 전류 500mA를 연결해도 일시적으로는 동작을 하지만 이 역시 과전압, 과전류로 인해 수명이 급격히 감소되기에 정해진 범위 내에서 사용하자.

[ 팀별 학습 ] 색상별(기본색 R, G, B 이용) LED와 건전지를 연결하여 동작전압을 확인하고 다음 차시 빛의 합성에서도 이용할 수 있도록 한다.

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[ 그림 7 ] LED 회로가 동작하기 위해서는 최소한 전원, LED 소자가 있어야 한다.

전류의 제어를 위해서는 저항성분도 필요하다.

: 옴의 법칙에 기초하여 V=I x R이며, LED에 흐르는 전류의 크기( I )값을 조절하려 면 저항성분을 연결하여야 한다.

< LED 동작전압 확인하기 >

1단계. 다음과 같이 LED와 전원을 연결한 후 빛의 밝기를 비교해 보자. [ 그림8 ]

2단계. 동작전압이 빛의 밝기에 어떤 영향을 주는가 ?

1.5V 전원 연결 빛의 밝기

1개 2개 3개

3단계. 빛의 밝기를 그래프로 나타내보자.

<조건> 전압을 높였을 때 LED 빛의 밝기를 그래프로 나타내보자

<조건>동일 전압에서 저항성분만 증가 시켰을 때 밝기를 그래프로 그려보자

(비례) 관계 (반비례) 관계

< self-coaching > [ 그림6 ]에서 살펴보면 초록색 LED의 경우 동작 전압범위가 3.0-3.6V이고, 이때 동작 전류의 범위는 20-50mA가 됨을 알 수 있다. 따라서 1.5V 전원을 2개 연결한 경우가 초록색 LED의 성능을 최대로 나타내 줌을 알 수 있다.

✐ 발광원리 비교하기

발광원리에 따른 광원의 분류

➀ 온도방사 : 전류에 의한 발열의 온도방사를 이용하는 백열전구가 대표적이다.

➁ 루미네슨스(luminescence) : 고온 이외의 원인으로 물체에서 빛을 발하는 현상.

물질이 전자파나 열, 마찰에 의하여 에너지를 받아 특정 파장의 빛을 방출하는 현 상을 말한다.

발광원리 대표 광원

➀ 온도방사 백열, 할로겐, 크립톤 전구

➁ 루미네슨스

기체방전

저압 네온사인, 형광램프 등

고압 고압 수은램프, 메탈 할라이드 램프

기타 LED, EL

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< 궁금해요?? >

⦁ 왜 백열전구가 효율상의 문제로 인해 역사 속으로 사라지게 되었을까?

⦁ 빛의 발광원리가 에너지 절감과 무슨 관련이 있는 것일까?

이와 관련하여 Planck 곡선을 살펴보겠다. Planck는 흑체(black body)가 내는 복 사가 파장에 따라 어떤 분포를 보이는지, 그 모양은 온도에 따라 결정된다는 것을 밝혀냈다. 흑체가 내는 복사가 만드는 스펙트럼 곡선을 흔히 Planck curve라고 한 다.

[ 그림2 ] <Planck's curve>

그래프의 특징은 플랑크 곡선의 peak(그래프의 최고점)는 온도가 높을수록 큰 주파수(짧은 파장) 쪽으로 움직인다는 것이다. 백열전구의 경우 필 라멘트의 재질 특성상 3200K 이하에서 점등되며 이는 파장 특성상 적외선 부분에 치우치게 된다.

따라서 백열전구를 점등시키기 위한 전기 에너지 의 대부분은 열에너지로 변환되며 투입된 에너지 의 10% 이상을 빛으로 변환시키지 못한다. 이 점 이 효율 저하의 근본 원인이 됨을 알 수 있다.

⦁ 여기서 알 수 있는 적외선의 특징은 무엇인가? 적외선은 열에너지를 방출한다.

✐ LED 분류

방출하는 빛의 종류에 따라 가시광선, 적외선, 자외선 LED로 구분될 수 있다.

가시광선 LED는 전체 시장의 90%이상을 차지하고 있다. 적외선 LED는 리모컨, 적 외선통신(IrDA) 등에 사용되고 있다. 자외선 LED는 살균, 피부치료 등 생물·보건 분 야에서 이용되고 있다.

자동차 전조등 가정용 전등 식물공장에서 이용

도로에 있는 신호등 비상 유도등 적색 LED

4. LED 영역 (생활 속 이용. 팀별 토의)

우리가 생활하는 영역에서 LED는 얼마나 이용되고 있을까? 팀별로 5분 동안 자 신의 아이디어를 친구들과 공유하고 발전시켜보자.

일상에서 이용되는 LED 활용예시. [ 그림3 ]

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내용 정리 및 준비사항

L E D 와 빛 의 합 성

LED Yo-Yo ^[3-4/

10차시]

1. 빛과 스펙트럼

다음 그림은 다양한 색상의 빛이 어우러져 아름다운 장관을 만들어낸 자연의 모 습이다. 우리가 알고 있는 빛. 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌고 초속 30만km의 엄청난 속도를 가진 빛의 또 다른 모습을 살펴보자.

스피처 망원경으로 본 우주 무지개

[ 용어 ] 스펙트럼 : 백색광인 햇빛을 프리즘에 통과시켰을 때, 빛의 굴절에 의해 여 러 가지 색깔의 빛으로 나누어져 나타나는 색깔 띠.

✐ 파장에 따른 빛의 분류

빛은 파장에 따라 눈에 보이기도 하 고, 보이지 않기도 한다. 그림에서 보는 바와 같이 파장에 따라 자외선, 가시광선, 적외선으로 분류된다. 가 시광선을 기준으로 적색 바깥쪽의 빛을 적외선, 자색 바깥쪽의 빛을 자 외선이라 한다.

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자외선(UV)

파장이 가장 짧다. 파장이 짧으면 많은 에너지를 갖게 되고 투과력도 강해진다. 체내에서 비타민D를 합성하고 살균작용을 하는 등 이로운 역할을 하는 동시에 과도하게 노출되면 피부에 해롭다.

가시광선

흔히 말하는 무지개빛 색상처럼 다양한 빛의 스펙트럼으로 구성되어 있다. 우리가 보는 사물의 색은 가시광선 영역의 빛이 반사되기 때문 이다.

적외선(IR) 파장이 가장 길다. 사람의 몸에서 방출되는 것이 바로 적외선이다. 영 화에서 나오는 열감지 카메라 및 의료기기에서 이용한다.

[ 용어 ] 파장(波長, wavelength)이란 무엇인가?

시간의 흐름이 정지된 상태에서 반 복되는 모양을 주기적으로 보이는 파동을 관찰했을 때 마루와 마루 사이의 거리, 혹은 골과 골 사이의 거리. 음파나 전자파와 같은 파동 이 1주기 동안에 진행하는 길이를 파장이라 한다. 아래 그림에서는 A 에서 E까지의 거리를 나타낸다.

2. 빛의 합성

⦁ 빛이 물체에 닿았을 때 빛을 모두 반사시킨다면 무슨 색으로 보일까 ? 흰색

⦁ 빛이 물체에 닿았을 때 빛을 모두 흡수시킨다면 무슨 색으로 보일까 ? 검은색

➀ 유치원, 초등학교를 지나면서 색상에 대한 기초적인 지 식을 배웠다. 누군가 나에게 색의 3원색? 빛의 3원색이 무 엇인가? 라는 질문을 했을 때 망설임없이 대답할 수 있어 야 하지 않을까.

빛의 삼원색은 ( R ), ( G ), ( B )이다.

➁ 빛 합성상자를 만들어 서로 다른 색상의 빛이 합성되었을 때 나타나는 빛깔을 찾아보자.

( 3색 LED를 암막 상자에 넣고 하나씩 점등하면서 빛의 합성을 체험 해본다. 암막 상자가 없다면 흰색 종이컵, 반투명 플라스틱 상자, 흰색 탁구공을 이용해도 된다.)

➀ 빨강+파랑 = ? ➁ 빨강+초록 = ?

➂ 파랑+초록 = ? ➃ 빨강+파랑+초록 = ?

➂ 무지개 빛을 합성하면 어떤 색의 빛이 될까?

✐ 3색 LED를 이용하여 여러 가지 빛을 합성해보고 빛의 성질과 합성에 대해 알아 봅시다.

준비 : 3색 LED, 전지홀더, 건전지, 종이컵, 누름스위치, 커넥터

3개의 스위치를 각각 눌러보아 불이 들어오는지 확인 한다. 각 스위치를 눌러 빨, 초, 파의 빛이 어떤 스위 치에 나오는지 확인해보자. 마지막으로 조립한 회로 를 하나의 컵 속에 넣는다.

▷ 스위치를 눌러 빛을 합성해보고 그 색을 기록해 보자.

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[ 생각해 봅시다. 조명 빛의 색에 따라 다르게 보이는 물체의 색 ]

백색광을 비추면 흰 종이는 모든 색의 빛 을 반사시키기 때문에 흰색으로 보인다. 빨 간 사과는 백색광 중 빨간 빛만 반사시키 기 때문에 빨강, 나뭇잎은 녹색 빛만 반사 시키기 때문에 녹색으로 보이는 것이다.

Quiz. 위와 같은 물체를 놓아두고 빨간색 조명과 녹색 조명을 비출 때 어떤 색으로 보여질까?

바탕이 되는 흰 종이의 경우는 조명 색상의 빛을 반사하기에 조명과 같은 색상으로 보 이지만, 물체에 해당하는 사과와 나뭇잎의 경우에는 빛을 흡수하기에 검은 색으로 보이 게 된다.

3. 테라피(color therapy)

색채의 전달을 통해 정서적 안정을 얻는 방법으로 컬러 테라피, 빛의 치유능력을 이용한 라이트 테라피가 있다. 빛의 스펙트럼을 이용해 다양한 빛을 사람들에게 노 출하여 일상에서 나타나는 다양한 증상 완화 및 치료에 이용된다.

✐ 색상별 느낌

학생들에게 특정 색을 떠올리면 어떤 느낌이 드는지 질문을 통해 알아봅시다.

➀ 빨강 :

➁ 주황 :

➂ 노랑 :

➃ 파랑 :

➄ 보라 :

➅ 녹색 :

✐ 색상별 효과

➀ 빨강 : 자율신경을 자극하기 쉽고 근육을 흥분시키거나 긴장을 촉진시켜 능 동적으로 바꿀 수 있다. 소화 및 흡수에도 활발해 장 운동에 효과적이 며 기분이 우울할 때도 효과적인 색상이다.

➁ 주황 : 쾌활함이나 활발함을 표현하는 색으로 음식이 맛있게 느껴지게 하 며, 뇌를 적당히 자극시켜 건강을 유지시켜 주는 색상이다.

➂ 노랑 : 성장이 활발한 시기의 아이들을 위한 색으로 자율신경을 자극해 성 장 호르몬 분비를 재촉하고 기분을 좋게 한다. 장 운동에 도움을 주는 색상이다.

➃ 파랑 : 마음을 침착하게 하고 온화한 정신 상태를 유지할 때 도움을 주는 색상이다.

➄ 보라 : 불면증 치료에 사용되기도 하며 흥분된 신경을 진정시키는데 효과적 인 색상이다.

➅ 녹색 : 눈의 피로를 풀어주고 심신을 안정시키는데 도움을 주는 색상이다.

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4. LED 이용하여 빛의 궤적 촬영하기

LED 램프를 천장에 매달고 진자운동을 시킨 후 장 노출로 불빛의 궤적을 촬영하 는 것이다. LED 진자가 움직이는 방향에 따라 다양한 모양이 생겨나 흥미롭다. 선명 한 화질의 촬영을 원한다면 DSLR 카메라를 수동 모드로 조작해야 하지만 여기서는 야간 촬영에 적합한 스마트폰 무료 어플리케이션을 이용해 비슷한 효과를 낼 수 있 는 방법을 소개 한다.

➀ 카메라 이용해서 촬영할 경우 ( 전등은 소등하고 어두운 상태에서의 촬영 ) 노출은 램프의 밝기에 따라 다르겠지만 촬영에서 ISO 100에 조리개는 F22, 셔 터는 B, 수십 초에서 2분 가까이 열었다. 삼각대와 릴리즈 셔터는 필수로 준비 한다.

M모드 ISO 200조리개 3.2 셔터속도 1/10

M모드 ISO 200조리개 3.2 셔터속도 1/4

➁ 스마트 폰을 이용한 촬영할 경우(무료 어플리케이션을 다운받아 실행한다.)

모바일 어플리케이션 명 : Night Shooting 촬영모드 : 벌브(bulb) 모드

빛의 궤적 촬영 기법의 원리는 다음과 같다. 어두운 곳에서 설 정된 시간(약 30초-2분 정도)동안 진자에 매달린 LED 불빛이 이동하는 궤적을 누적 촬영하여 한 장의 사진에 나타내는 기법이다. 주의할 점은 이 때 스마트폰은 흔들림없이 고정되어야 한다. 일반적으로 불꽃놀이 장면, 별의 일 주운동 촬영 등에서 이용되는 기법이다.

별의 일주 운동 촬영 LED 불빛 궤적 촬영

<자세히 알아보기> B(Bulb) 셔터

셔터를 누르고 있는 동안 셔터막이 열려 노출이 지속되는 방식이다. 카메라에는 Bulb 또는 앞 글자를 따서 B로 표기된다. B셔터는 노출시간을 임의로 조절해야 하 는 상황이 빈번할 때 효과적이다. 예를 들어 불꽃놀이 촬영 시 수동모드에서 셔터 속도를 3초에 설정했다면 불꽃 전개와 관계없이 3초 후엔 셔터가 무조건 닫힌다.

그러나 B셔터에서는 셔터를 누른 뒤에도 불꽃 전개 과정을 관찰하며 노출시간을 맘 대로 늘리거나 줄일 수 있는 장점이 있다. 때문에 10분, 20분, 30분 등 장시간 노출 이 필요할 때도 B셔터를 활용하여 움직임의 경로를 촬영할 수 있다.

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위의 결과를 바탕으로 팀 별 활동을 해 보자.

LED 진자 LED 진자의 운동 궤적 추적하기. 촬영조건

촬영모드 : 노출시간 : 타이머 설정 : sharpen level :

촬영자 :

5. 잔상효과와 파이현상

이것은 일련의 정지 영상을 고속으로 움직일 때 하나의 움직이는 영상으로 간주하는 눈의 능력으 로 잔상효과(Persistence of vision)라고 한다. 어 릴 적 연필을 흔들면 흔들리는 듯한 착시 현상이 대표적인 예이다. 파이현상이란 실제로 움직이지 않는데 움직이는 것처럼 보이는 현상이다. 어떤 두 그림을 아주 짧은 순간 연속적으로 보여주면 첫 번째 그림이 두 번째 그림으로 움직였다고 느 끼는 것으로 움직이는 그림(활동사진)은 이 원리를 이용한 것이다.

▷ 생활 속에서 찾아보기.

운동에서도 잔상효과가 나타난다. 일정한 패턴으로 움직이는 물체를 바라보다가 어느 순간 정지된 물체를 보면 이 물체가 거꾸로 움직이는 것처럼 보인다. 예를 들 어 폭포처럼 떨어지는 물을 오래 보다가 주변에 있는 바위를 보면 바위가 위로 올 라가는 것처럼 보이게 된다.

생활 속 응용하기 [ 잔상효과를 이용한 광고 ]

지하철 내에서 승객들이 보게 되는 광고 화면

이런 광고 방식을 TAS (Tunnel Advertisement system) 이라고 부른다. 현재 국내에 서는 서울과 부산, 대구 지하철에서 시범적으로 운영 되고 있다. 액정 없이 화면을 구 현 할 수 있는 기술의 장점은 화면을 사용하지 않을 때도 공간을 줄일 수 있다는 점 과 휴대가 가능해 진다는 점을 들 수 있다. 과연 어떤 식으로 만들어 지는 것일까?

실제 터널 내부에는 LED 막대가 설치되어 있다.

(21)

광화문∼종로 3가역 구간에 설치된 TAS 시스템에는 약 400여개의 LED 막대가 이용됐다

얼마 전 회사원 김모씨는 퇴근길 서울 지하철 5호선에서 달리는 지하철 창문 너머 로 반짝 등장한 축구 스타 베컴의 모습을 봤다. 평소 같으면 깜깜하기만 했을 지하철 터널이라 잘못 봤나 싶었다. 하지만 다시 이어지는 베컴의 얼굴과 모토로라의 휴대폰 광고. 달리는 지하철속에서 우두커니 바라보기만 했던 어두운 터널에 선명하게 등장 하는 동영상 광고라… 그저 신기할 따름이다.

녹색 성장의 상징인 발광다이오드(LED) 산업이 이색적인 지하철 터널광고시스템 (TAS) 시장을 열고 있다. 최근 국내 전문업체인 LED웍스(대표 채균)가 LED를 이용한 TAS 시스템을 개발해 서울 지하철 5호선 광화문∼종로3가 구간에 설치, 동영상 광고 를 시작한 것이다. 이 구간을 이용하는 승객들은 달리는 차창 밖으로 47인치 TV화면 크기의 광고 영상을 15초간 볼 수 있다.

LED웍스가 개발한 LED TAS의 원리는 이렇다. 시범 설치한 지하철 구간의 터널 내 부 300m 거리에 일정한 간격으로 수백개의 LED 막대를 구축, 차량의 운행 속도와 시각적 잔상효과에 따라 동영상을 보여준다. 불규칙한 속도로 달리는 지하철 내부에 서 안정된 화면을 구현할 수 있는 것은 독자적인 속도감응 기술을 적용한 덕분이다.

이 회사가 개발한 속도감응 시스템은 열차 속도를 1초마다 측정, 화면의 크기와 위 치가 일정하게 유리창에 영상을 보여줄 수 있도록 했다. 열차의 속도에 따라 화면의 크기와 위치가 바뀌는 난제를 해결한 것이다.

특히 LED를 이용한 TAS는 기존 인쇄 필름이나 LCD 디스플레이의 한계를 극복했 다는 점에서 주목된다. 지난 2001년부터 유럽·중국 등에 앞서 보급됐던 필름 방식은 영상 콘텐츠를 바꿀 때마다 터널 속 필름을 바꿔야 해 비용 부담이 컸다. 낮은 선명 도와 속도에 따른 화면 흔들림 현상 등 기술적 문제도 적지 않았다. 지난 2006년 일 본에서 도입된 LCD 광고 시스템은 패널 가격과 초기 설치 비용이 비싼데다 정지 상 태에만 영상을 볼 수 있다는 게 단점이었다. 또 지하철 터널 내부의 방수·방진에도 어려움이 있었다.

반면 LED TAS는 이같은 문제점을 한꺼번에 해결할 수 있는 ‘솔루션’이라는 평가다.

광고를 교체할 때 터널 외부에서 원격 조작이 가능한데다 교체 비용도 거의 들지 않 는다. LED 특유의 장점인 오랜 수명과 낮은 전력 소비도 매력이다. 채균 사장은

“TAS가 국내 지하철에 확산될 경우, 새로운 LED 응용 시장이 창출되는 것은 물론 해 외 시장에도 내놓을 수 있는 효자가 될 것”이라고 말했다.

최근 미국 서브미디어의 조사에 따르면 TAS 광고는 그 효과가 TV 광고 대비 7배, 지하철역 포스터 대비 3.5배, 전동차 내 광고대비 7.5배에 달하는 것으로 나타났다.

현재 세계적으로 TAS가 유발하는 시장 규모는 6억 달러로 추산되며, 미국·일본·중국·

유럽을 중심으로 빠르게 성장할 것이라는 관측이다.

< etnews.com 2009. 7 >

Y o - Y o 원 리

LED Yo-Yo ^[5-6/

10차시]

1. 요요 퍼포먼스 영상

(22)

▷ 요요에 숨어있는 과학기술에는 무엇이 있을까?

: 역학적 에너지, 회전관성 에너지, 원심력, 자이로스코프 등

✐ 회전하는 팽이는 회전 관성 때문에 회전축을 유지하려고 하기 때문에 쓰러지지 않는다. 이러한 팽이 원리는 자전거 두 바퀴에도 적용된다. 자전거가 빠르게 달릴수 록 수평인 회전축을 지닌 두 개 바퀴가 큰 회전 관성을 지니게 되어 중심을 유지하 기가 쉬워진다. 그리고 이는 자이로스코프(gyroscope)의 원리를 이용한 것이다. 원 래 자이로스코프는 회전체의 역학적인 운동을 관찰하기 위한 실험기구이지만 현대 에는 미사일 유도 장치, 선박의 자이로 안정기, 스마트폰에 있는 자이로 센서 등에 이용된다. 자이로스코프는 스마트폰에 이용되면서 게임을 할 때 증강 현실을 체험 할 수 있게 되었고, 운동기구로 파워볼을 등장 시켰다.

자이로스코프 파워볼 스마트폰 센서

요요에 실을 감고 실의 끝을 잡은 뒤에 놓으면, 요요는 중력에 의해서 아래로 떨어지려고 하지만 축을 감고 있는 실의 장력에 방해를 받게 된다. 이 결과 요요 는 아래로 떨어지면서 회전을 하게 된다. 실이 다 풀렸을 때 요요는 상당한 양의 회전운동에너지를 갖게 된다.

운동을 하는 물체가 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 계속 같은 운동을 하려 는 것처럼 회전 운동을 하는 물체도 마찬가지로 외부 힘이 없는 한, 계속 회전을 하려고 한다. 아래로 떨어진 요요는 회전을 계속하려는 관성으로 인해 헛돌게 된 다. 그러나 축과 줄 사이의 마찰로 인해 회전하는 속도는 점점 작아지게 되고, 관성력이 마찰력보다 작아지면 요요는 줄을 감게 되어 다시 위로 올라온다. 요요 가 줄 끝에서 계속 돌아가는 원리는 바로 이러한 성질 때문이다. 축에 줄을 맨 요요보다 베어링이 있는 요요가 더 오랫동안 공회전을 할 수 있는 이유도 베어 링이 있는 요요가 마찰이 훨씬 작기 때문이다.

요요 중에는 클러치라고 하는 것이 안에 있는 것들이 있다. 이러한 요요는 우 리가 주위에서 쉽게 보는 것들로 요요의 내부에 쇠구슬이 들어 있는 막대가 있 어 회전축을 고정하거나 분리시키는 역할을 하게 된다. 요요 몸체가 강하게 회전 을 하면 원심력에 의해 쇠구슬이 들어 있는 막대가 회전축과 분리되어 공회전하 게 되고, 속도가 줄어들면 쇠구슬이 들어 있는 막대는 스프링에 의해 다시 제자 리로 돌아오게 되어, 회전축을 붙잡아 끈과 함께 다시 감기게 것이다.

1. 회전관성

관성이란 용어는 많이 들어보았을 것이다. 뉴턴은 1687년 <프린키피아>에서 고 전역학을 집대성하며 첫 번째 법칙으로 관성의 법칙을 제시하였다.

“외부에서 힘이 작용하지 않으면 운동하는 물체는 계속 그 상태로 운동하려고 하 고, 정지한 물체는 계속 정지해 있으려고 한다.”

무엇인가 움직이고 있을 때, 예를 들어 빠르게 움직이는 지하철, 버스에서 급정거 를 하면 사람이 균형을 잃게 되는 경우가 생긴다는 사실은 잘 알 것이다. 요요를 동작함에 있어서도 관성에너지가 등장하게 되는데 여기서는 회전 관성이라는 이름 으로 나타난다.

✐ 회전관성(관성모멘트)의 의미 이해

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움직이는 물체는 계속 움직이려고 하는 관성이 있다. 회전하는 물체도 관성이 있 어 더 빠른 속도로 회전시키거나, 회전속도를 줄이기 위해서는 힘이 필요하다. 관성 모멘트가 크다는 것은 물체의 회전상태를 변화시키기가 어렵다는 것을 뜻한다. 즉, 회전관성이 크다는 것은 회전시키는데 힘이 많이 든다는 말이고, 회전관성이 작다 는 것은 힘이 덜 든다는 뜻이다.

✐ 회전관성을 크게 하면 어떤 변화가 있을까

회전하는 물체가 회전을 계속하려는 성질인 회전 관성은 물체의 전체 질량과 질 량 분포 상태에 따라 달라진다. 관성모멘트는 축 둘레의 질량 분포에 따라 정해지 는데, 강체의 질량이 회전축으로부터 떨어져서 분포하고 있을수록 크다. 예를 들어, 질량이 같다고 하고, 반지름이 같은 속이 찬 구, 속이 찬 원통, 껍데기에만 질량이 분포하는 구, 뚜껑이 없는 비어있는 원통 순으로 관성모멘트가 커진다. 자동차에서 플라이휠의 주변부를 크게 하는 것은 이 관성모멘트를 크게 하기 위한 것이다.

< 팀별 학습 >

회전 관성을 실험을 통해 알아보자. 경사면에 같은 질량과 반지름을 갖는 2가지 물체를 올려 놓아 속력을 비교해 보는 실험을 한다. 속이 비 어있는 원통(도넛 모양), 속이 차있는 원통(원기 둥 모양)을 경사면 위에서 굴렸을 때 어느 쪽이 먼저 지면에 도착할까?

결과 : 회전관성이 작은, 즉 회전축에 질량이 모여 있는 속이 차있는 원통(원기둥 모양)이 더 빨리 지면에 도착한다.

[앵커멘트] 다이빙하면 점프대에 올라 수면으로 떨어지는 낙하운동이라고 생각하 기 쉬운데요, 중요한 것은 회전입니다. 낙하운동과 회전운동의 조화, 다이빙 속 숨은 과학을 이성규 기자가 알려드립니다.

[리포트] 다이빙 선수가 스프링보드를 박차고 공중으로 치솟아 오릅니다. 한 바 퀴, 두 바퀴 회전하더니 이내 물 속으로 들어갑니다. 공중 회전과 입수 자세가 중요한 다이빙은 대표적인 회전운동입니다. 회전을 많이 할수록 난이도가 높아 메달의 색깔을 좌우합니다.

회전에서 중요한 것이 관성모멘트. 관성모멘트는 회전 운동에서 물체가 회전에 저항하려는 성질의 크기를 말합니다.

회전축을 중심으로 물체의 질량이 회전축에서 멀리 분포할수록 관성모멘트가 커져 회전하기가 어렵습니다. 다이빙 공중회전처럼 머리부터 발끝까지 몸 전체를 한바퀴 회전하면 허리를 중심으로 회전축이 생깁니다.

몸을 곧게 펴면 회전축을 중심으로 질량이 멀리 분포해 관성모멘트가 커집니 다. 반대로 몸을 접으면 상대적으로 질량이 가까이 분포해 관성모멘트가 작아집 니다.

[인터뷰 : 최규정, 체육과학연구원 스포츠과학연구실장]

"다이빙 선수들이 처음 몇m 걸어와서 위로 점프하고 밑으로 뛰어 내릴 때 몸을 접는 것은 회전축 주변으로 질량들이 가까이 모일 수 있도록, 그래서 관성모멘트 가 작아지도록 만들어서 여러 번 회전하고 물 속에 입수할 수 있도록..."

입수하기 직전에 몸을 곧게 펴면 관성모멘트가 커져 회전운동 속도가 작아집 니다. 이렇게 하면 반듯하게 입수할 수 있고 물보라를 적게 만들어 좋은 점수를 얻을 수 있는 것입니다.

YTN 사이언스 이성규. 2012. 8

✐ 운동으로 알아보는 회전관성 (학생 3명을 선정하여 역할극)