1. 개요
□ 연구목적
○ 현재 가정에서 사용하고 있는 전자제품 중에 냉장고는 거의 90%가 넘게 1~2대씩 보유하고 있으며, 김치냉장고 및 정수기는 가정마다 30~60%
정도가 사용되고 있다. 지난 1년간 배출한 폐 가전기기의 수를 조사해 본 결과 가구당 평균 1.5개로 나타났으며, 폐 가전기기를 배출하는 과정에 서 비효율과 많은 어려움이 있어 대부분 그냥 방치하고 있거나 무단으로 버려지는 경우가 많았다.
○ 무엇보다 폐 가전기기들을 중고품으로 재이용하거나, 재활용할 수 있는 방안을 마련하는 것이 절실히 요구된다. 이에 본 연구에서는 폐 가전 기기를 활용하여 생활 속의 방사선의 특성에 관한 연구가 이루어 질 수 있는 교육적 실험기기의 제작을 하고자 한다.
□ 연구범위
○ 폐 가전기기의 냉각기의 원리 탐구
○ 현대물리학 실험기기로의 응용 및 개발 연구 ○ 생활 속의 방사선의 특징에 대한 연구
선행
연구 ➜ 냉각기의
원리 탐구 ➜ 실험 기기
개발 연구 ➜ 시제품
제작 ➜ 실험 결과
정리 및 발표
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경
○ 안개상자(Cloud Chamber)
윌슨(1895)은 구름의 형성과정을 연구하다가 안개상자를 만들게 되었고, 랭스도르프(1936)에 의해 확산형 안개상자가 개발되었다. 확산형 안개상자 의 원리는 아래 그림과 같이 드라이아이스를 이용하여 상자 내부의 바닥을 차갑게 냉각시키고 상자 위쪽에는 스펀지에 알코올을 묻혀 상온의 알코올 증기를 만들어 낸다.
그림 1. 흔적의 발생 원리
그림 3. 확산형 안개상자의 모형
알코올 증기는 아래쪽으로 확산되어 내려오면서 과포화 상태가 된다.
하전 입자가 과포화된 증기 속을 지나가면서 여러 이온을 만들어 내고 이 이온들에 의해 과포화된 증기가 응결되어 하전 입자가 지나간 흔적을 볼 수 있게 된다.
○ 열전소자
열전소자는 아이스 쿨러(Ice Cooler)에 사용되는 핵심 부품으로 그림과 같이 소자의 양면은 세라믹으로 되어 있고, 중간 부분에는 샌드위치처럼 N형과 P형 반도체가 일렬로 배열되어 있다. 이 소자에 전압을 공급하면
양쪽 면에서 발열 및 냉각 현상이 발생하게 되며, 한쪽 면을 가열하거나 냉각시키면 열전소자에서는 전압이 발생하게 된다. 아이스 쿨러는 이와 같은 열전소자의 냉각효과를 이용한 것이다.
그림 3. 펠티어 소자의 내부 구조도
그림 4. TEM의 발열 및 흡열
제에백(Seebeck)효과는 1822년에 발견된 것으로, 온도차에 의해 폐회로 상에서 전위차가 발생되는 효과를 말한다. 1834년 발견된 펠티에(Peltier) 효과는 제에벡 효과와 반대의 효과로 전위차를 주었을 때 양쪽에서 발열, 흡열 현상이 동시에 일어나 온도차를 발생시킬 수 있는 효과이다. 톰슨 (Thomson)효과는 제에벡과 펠티어 효과가 서로 연관성이 있음을 밝혀 낸 것이다. 열전소자를 사용하면 냉매를 사용할 필요가 없어서 전체적인 기계 장치를 작고 간단하게 만들 수 있다.1)
□ 선행 연구
○ 편희철(2013). 펠티어 냉각 소자와 공랭식 열펌프를 이용한 소형 안개 상자 제작. 한국교원대학교 석사학위논문
○ 임용규(2009). 방사선측정기를 활용한 방사선 체험사업. 한국원자력 아카데미
○ 우종관(2009). 펠티에 소자를 이용한 안개상자 개발 및 교육적 활용.
공주대학교 석사학위논문
1) 출처 : http://blog.naver.com/elepartsblog?Redirect=Log&logNo=50107900494 조용한 김치냉장고, 펠티어 소자가 만들어요!
○ 이동렬(2006). 펠티어 소자 및 히트싱크를 이용한 최적 냉각성능에 관한 연구. 한국동력기계공학학회지
○ 동위원소회보 제17권 제1호. 손으로 만든「안개상자」에 의한 자연 방사선 관측
□ 본 연구과제와 선행연구와의 차이점
기존의 선행연구(동위원소회보 제17권 제1호)에서는 드라이아이스를 이 용하여 안개상자 실험을 하였다. 드라이아이스는 일회성이라 지속적인 실험이 어려울뿐더러, 바닥면의 온도를 일정하게 유지하기가 힘들다. 펠티 어 냉각소자를 이용하여 공랭식으로 안개상자를 제작(편희철, 2013)한 경 우 실험 장치가 너무 크고 전원공급장치의 경우 1000W급 이상의 대용량으 로 일반 실험실에서 구현하기에는 다소 부적합한 점이 있다. 또한 방열판이 나 냉각 모듈을 직접 제작하는 것은 어려운 점이 있으며, 본 연구에서는 폐 가전기기에 있는 냉각 모듈을 최대한 활용하여 제작하고자 하였다.
이는 자원을 재활용하는 측면도 있으며, 학생들로 하여금 우리가 일반적으 로 사용하는 전자기기에 대하여 좀 더 친숙하고 융합적인 교육이 이루어지 고자 하였다. 펠티에 소자를 이용한 안개상자 개발 및 교육적 활용(우종관, 2009)에서 온도를 일정하게 제어하는 장치가 필요하다고 밝힌 바 본 연구에 서는 위의 사항에 초점을 두어 연구를 진행하고자 한다.
□ 연구주제의 선정
○ 폐 가전기기 내부의 냉각 모듈 응용
우리 생활 주변에는 정수기, 화장품 냉장고 등 다양한 전자 제품이 많다.
이러한 제품 속에는 냉각장치가 들어 있다. 이러한 냉각의 원리를 이용하여 물리실험에 응용함으로써 폐 가전기기를 활용하여 방사선의 특성에 대하 여 탐구해 볼 수 있다. 우리 생활 속에서 방사선은 쉽게 접하고 있지만 눈으로 직접 보지 못하기에 인식을 잘 못한다. 이러한 냉각장치가 있는
월별 연구활동내용 연구활동 지도 내용 장소 비고
5월
◦선행연구 조사 ◦국내·외 선행연구 조사지도 및 발표 교내 물리실
◦세미나 ◦매주 1회씩 조사내용 발표 및 토론 교내 물리실
◦데이터 수집 ◦예비 실험을 위한 자료 수집 지도 학교 인근
6월
◦자료 수집 ◦폐가전기기에 대한 자료 수집 인근 고물상
◦예비 실험 ◦선행연구 관련 예비 실험 지도 교내 물리실
◦경북대 자문 ◦방사선 관련 경북대 김귀년교수 자문 경북대
폐가전기기를 활용하여 방사선을 육안으로 관할 할 수 있는 안개상자를 제작하여 물리실험에 활용하고자 한다.
○ 안개상자 제작 및 과학실험기기로의 응용
확산형 안개상자를 제작하여 생활 속의 방사선을 측정해 본다. 일반적으 로 안개상자는 드라이아이스를 사용하여 냉각을 유지하는데 이는 일회성 이며 소모성이라 매 번 실험하기 어려운 점이 많다. 냉각부의 온도를 일정 하게 유지하기가 힘들고 임의로 조절이 불가능하다. 이에 정수기, 화장품 냉장고에 들어 있는 냉각소자를 이용하여 원하는 만큼의 온도로 냉각시킬 수 있다면 교육실험기기로서의 역학을 충분히 하리라 생각이 된다.
○ 생활 속의 방사선 측정에 대한 연구
생활 속의 방사선은 무척 많지만 눈으로 볼 수 없는 제한점이 있다. 본 연구에서는 폐가전기기의 냉각모듈을 응용하여 방사선을 직접 육안으로 관찰 할 수 있는 실험기기를 제작하여 생활속의 방사선의 비적을 관찰하고 자 한다. 경북대학교 고에너지연구소 소장으로 재직 중이신 김귀년 교수님 의 자문을 받아 확산형 안개상자를 제작해 보고자 한다. 이로부터 생활속의 방사선의 발생 빈도, 장소에 따른 발생 빈도 등을 측정하고자 한다.
□ 월별 연구 추진 실적
월별 연구활동내용 연구활동 지도 내용 장소 비고
◦㈜엘제이텍 자문 ◦화장품 냉장고 부품관련 자문 경기도 평택
◦에이치엔씨(HNC) ◦냉각기 모듈 개발 및 자문 협조 경기도 수원
◦단열재 자문 ◦보온 단열재 관련 자문 대구 달서구
◦열전소자 탐구 ◦열전소자의 종류 및 성능에 대한 탐구 교내 물리실
7월
◦예비 실험 ◦드라이아이스를 이용한 안개상자 실험 교내 물리실
◦실험 수행 ◦알파입자의 궤적 관찰 교내 물리실
◦데이터 수집 ◦비적이 발생하는 조건에 대한 데이터 수집 교내 물리실
◦㈜엘제이텍 자문 ◦얼음정수기의 원리 경기도 평택
◦경북대 탐방 ◦경북대 고에너지 연구소 탐방 경북대
8월
◦냉각 플레이트 ◦크기, 모양, 재질별로 냉각 플레이트 제작 교내 물리실
◦㈜희성정밀 자문 ◦알루미늄 냉각 플레이트 제작 및 자문 대구 중구
◦㈜삼광정공 자문 ◦구리 냉각 플레이트 제작 및 자문 대구 달서구
◦착색관련 자문 ◦알루미늄 및 구리 착색 방법 자문 대구기계부품연구원
◦방열판 관련 자문 ◦금속가공 및 방열판 제작 관련 자문 대구기계부품연구원
◦실험 수행 ◦냉각 플레이트의 최적 조건 탐구 지도 교내 물리실
◦데이터 수집 ◦실험기기 사용에 대한 안전관리 교육 지도 교내 물리실
9월
◦방열판 재질 탐구 ◦알루미늄 방열판의 소재에 대한 자문 대구 중구
◦알루미늄 착색 ◦알루미늄 아노다이징 착색 방법 대구 달서구
◦온도조절장치 제작 ◦냉각 온도 조절용 장치 제작 자문 경기도 평택
◦2차 작품 제작 ◦안개상자 크기의 최적 조건 탐구 지도 교내 물리실
◦결과 분석 ◦안개상자 크기에 따른 온도차이 분석 지도 교내 물리실
◦결과 정리 ◦연구 결과 정리 지도 교내 물리실
10월
◦3차 작품 제작 ◦온도조절용 장치 회로 설계 및 제작 지도 교내 물리실
◦실험 수행 ◦온도조절장치의 성능 여부 점검 교내 물리실
◦결과 분석 정리 ◦실험 결과 분석 및 정리에 대한 지도 교내 물리실 11월
◦최종 작품 제작 ◦온도조절장치가 부착된 안개상자 제작 교내 물리실
◦실험 수행 ◦면적당 비적이 발생하는 횟수 수행 교내 물리실
월별 연구활동내용 연구활동 지도 내용 장소 비고
◦결과 분석 ◦비적이 발생되는 조건 및 횟수 탐구 교내 물리실
◦결과 정리 ◦연구 결과 정리 지도 교내 물리실
12월
◦최종 보고서 작성 ◦최종 보고서 작성 지도 교내 물리실
◦최종 보고서 제출 ◦최종 보고서 작성 및 제출 교내 물리실
◦발표 준비 ◦최종 PPT 발표 준비 교내 물리실 □ 연구 과정
○ 연구주제 1 : 폐 가전기기의 냉각기의 원리 및 신소재 연구 연구 방법
1) 폐 가전기기의 냉각 모듈에 대하여 알아본다.
2) 열전소자의 규격을 다르게 하였을 때 냉각효과를 알아본다.
3) 단열 효과를 높이기 위한 단열 재질 조사 및 분석한다.
다음은 폐 가전기기의 화장품 냉장의 내부의 모습을 나타낸 것이다.
그림 5. 화장품 냉장고 내부
그림 6. 열전소자 장착 부분
그림 7. 냉각부 모듈
화장품 냉장고의 냉각 원리는 열전소자를 이용한 것으로 냉매를 사용하지 않는다. 냉각 모듈은 냉각 플레이트, 방열판, 열전소자로 크게 가지로 이루어져 있다. 본 실험에서는 이러한 부품을 재 활용하고 냉각 효과를 극대화 시키는 열전소자의 가장 적합한 소재를 찾아보고자 한다. 열전소자
의 종류는 아래 그림과 같이 크기와 모양 등 다양하게 있다.
그림 8. TEC1-12704
그림 9. TEC1-12708
그림 10. TEC1-12710
그림 11. TEC1-12715
그림 12. TEC2-12704
그림 13. TEC2-25408
그림 14. TEC2-19008
또한 외부와의 단열 효과를 높이기 위해 단열 재질에 대하여 알아보고, 단열을 극대화 하기 위한 모양을 디자인 해본다.
연구 결과
1) 실험에 가장 적합한 열전소자는 2층 구조로 된 TEC2-25408T가
℃로 가장 높은 냉각효과를 보였으며, 본 실험으로 가장
적합한 것으로 보인다.
2) 단열 재질은 암스트롱사의 고무발포보온재를 사용하였으며, 낮은 온도에서 뛰어난 단열효과를 가지고 있었다.
다음 표는 열전소자의 사양을 바꾸어 실험하였을 때의 결과값을 나타낸 것이다. 아래 표에서 m은 열전소자의 허용 최대 전류를 나타내며, H는 방열판의 온도, C은 냉각 플레이트의 온도를 나타낸다. 는 방열판과 냉각플레이트의 온도차를 나타낸다. 온도 측정시 사용된 실험기기는 PASCO사의 750인터페이스 및 온도센서를 사용하였다. 실험 시 사용된 전원공급기는 SMPS CASE형W으로 입력부는 220V이며, 출력부는 직
류 12V이다. 아래의 결과값은 냉각모듈 가동 후 분 경과되었을 때의 결과표이다. 냉각 플레이트는 화장품 냉장고에 들어 있는 × × 의 알루미늄 재질을 사용하였다.
TYPE NUMBER COUPLES mA H℃ C℃ ℃ 비고 1 TEC1-12704
1층 구조 2 TEC1-12708
3 TEC1-12710
4 TEC1-12715
5 TEC2-12704
2층 구조 6 TEC2-25408
7 TEC2-19008
<표 1.> 열전소자의 사양을 바꾸어 실험하였을 때의 결과값
다음은 단열재를 다양한 모양으로 디자인 하였을 때의 모습이며, 실험 시 가장 적합한 디자인은 <그림 9.> 로 나타났다.
그림 15. 냉각부 모듈 그림 16. 냉각부 모듈 그림 17. 냉각부 모듈 자문 내역
1) 자문내역 : 보온단열재(유리솜, 퍼라이트, 시리카, 암면, 등)의 종류 에 따른 단열 효과 및 상기 제품에 가장 적합한 소재인 고무발포시트 를 추천받았으며, 아마플렉스(암스트롱사)의 재질로 단열효과를 증 가시킬 수 있었다.
2) 자문위원 : 보온재 및 단열재 시공 전문업체(대구시 달서구 갈 산동 소재)
○ 연구주제 2 : 현대물리학 실험기기로의 응용 및 개발 연구 가. 실험 내용 : 드라이아이스를 이용한 안개상자의 자체 제작
실험 방법
드라이아이스를 이용하여 안개상자의 냉각 플레이트를 냉각시 킨다. 드라이아이스의 온도는 ℃ 까지 내려가므로 냉각장치 로 사용하기에 매우 적합하다. <그림 1.>과 같이 예비실험을 위 한 안개상자 발생장치를 직접 아크릴로 만들어서 실험해 본다.
그림 18. 실험 장치 제작
그림 19. 알파 입자 궤적 관찰
실험 결과
1) 방사선의 비적은 냉각 플레이트의 표면 온도가 약 ℃일 때부 터 지속적으로 관찰되기 시작하였다. 안개상자의 위쪽 부분의 온도
는 약 ℃를 나타내었고, 안개상자의 상부와 하부의 온도차이는
약 ℃를 나타내었다.
2) 위 예비 실험의 결과로부터 열전소자를 이용한 안개상자 제작 시에 안개상자의 상부와 하부의 온도차이가 ℃이상이 되도록 제작하고 자 한다.
나. 실험 내용 : 안개 상자의 냉각 플레이트를 다양한 형태로 제작 실험 내용
안개상자의 냉각 플레이트를 아래 그림과 같이 다양한 크기(면 적), 재질, 모양을 다르게 하여 실험을 하였다. 예비실험에서 수 행한 안개상자의 상부와 하부의 온도차이를 ℃이상 만들기 위 해 열전소자의 규격에 적합한 냉각 플레이트를 찾고자 하였다.
다음은 냉각플레이트의 크기 및 모양, 재질을 다양하게 제작한 모습 을 나타낸 것이다. 냉각 플레이트는 크기와 모양을 다르게 하고, 재질 은 알루미늄과 구리를 사용하였다. 알루미늄의 열전도율WmK
에 비하여 구리의 열전도율WmK은 약 배 가량 높다.
그림 20. 윗면
그림 21. 윗면
그림 22. 윗면
그림 23. 아랫면
그림 24. 윗면
그림 25. 아랫면
그림 26. 윗면
그림 27. 아랫면
그림 28. 윗면
그림 29. 아랫면
그림 30. 아랫면
본 실험에서 사용된 열전소자는 2층 구조로 된 FALC2-25408T이며, 전원 공급기는 W V OUT PUT를 사용하였다.
실험 결과
1) 냉각 플레이트의 높이가 cm일 때, 플레이트의 면적은 작을 수록 주변온도와 냉각 플레이트의 온도차이가 크게 나타났다.
2) 냉각 플레이트의 재질을 구리로 하였을 때와 알루미늄으로 하 였을 때 온도 차이가 크게 나지 않았고, 최종 온도차에 도달하 는 시간은 구리를 사용하였을 때 배 단축되었다.
3) 열전소자를 개 사용 시 최종 온도에 도달하는 시간이 줄어들 었다. 하지만 최종 온도차이는 개를 사용했을 때와 큰 차이를 보이지 않았다.
4) 위 실험의 결과 1) ~ 3)으로부터 냉각 플레이트로 가장 적합한 그림 26.27.의 모양을 적용하기로 하였으며, 개의 열전소자를 사용하기로 하였다.
아래 <표 2.>에서 는 냉각 플레이트의 표면적, C는 냉각 플레이트의 표면 온도, 는 실험 시 주변 온도℃와 냉각 플레이트의 표면 온도와 의 차이를 나타낸 것이다.
규격cm
cm
재질 C℃ ℃ 참조 비고 1 × × Al 그림 20.높이를 다르게 2 × × Al 그림 20. 제작
3 × × Al 그림 20.
4 × × Al 그림 21.
5 × × Al 그림 22.23.
6 × × Al 그림 30. 열전소자 2개 부착 7 ∅, Al 그림 24,25 원형으로 제작 8 × × Al 그림 26.27. 알루미늄 재질 9 × × Cu 그림 28. 구리 재질 10 × × Cu 그림 29. 열전소자 2개 부착
<표 2.> 냉각 플레이트를 다양한 형태로 제작하였을 때의 실험 결과값
다. 실험내용 : 안개 상자의 케이스를 다양하게 제작한 모습 실험 장치 제작
안개상자의 케이스를 아래 그림과 같이 다양한 높이로 제작하 여 실험을 하였다. 본 실험에서는 안개상자의 상부와 하부의 온 도 차이를 가장 크게 낼 수 있는 안개상자의 가장 적합한 크기 를 찾아내기 위한 것이다.
그림 31. 여러 가지 모양 제작 그림 32. 사각형 모양 그림 33. 원통 모양 실험 결과
1) <그림 32.33.>와 같이 안개상자의 높이가 cm일 때 안개상자 의 상부와 하부의 온도차 ℃로 가장 크게 나타났다.
2) 안개상자의 높이가 너무 낮으면 열의 이동에 의해 온도차이가 크게 나지 않았다.
본 실험에 사용된 안개상자의 두께는 공통적으로 mm를 사용하였으며, 아래 표에서 는 안개상자의 높이, C는 안개상자의 하단부 온도, H는 안개상자의 상단부 온도를 나타낸다. 안개상자의 상단부와 하단부 사이의 온도차이는 로 나타내었다. 실험에 사용된 열전소자는 FALC2-25408T 이며, 실험 시 사용된 전원공급기는 SMPS CASE형W / 220V(IN) / 12V(OUT)이다. <표 3.>는 냉각 플레이트에 안개상자를 올리고 냉각모듈 가동 후 분이 지났을 때의 온도차이를 결과표로 나타낸 것이다.
규격cm cm H℃ C℃ ℃ 비고
1 × ×
사각기둥 모양
2 × ×
3 × ×
4 × ×
5 × ×
6 × ×
7 × ×
8 × ×
9 ∅,
원기둥 모양
10 ∅,
11 ∅,
12 ∅,
13 ∅,
<표 3.> 안개 상자의 크기를 다양한 크기로 제작하여 실험하였을 때의 결과값
마. 실험내용 : 온도 제어 장치를 부착한 안개상자 시제품 제작 실험 장치 제작
가. ~ 라.까지의 연구결과를 바탕으로 시제품으로 제작될 안개 상자의 도면을 완성하고 온도제어장치를 사용하여 비적을 관찰 하기에 가장 적합한 온도를 유지하는 안개상자를 제작한다.
본 연구에 사용된 멀티온도조절기는 TEMP-LJ303모델을 사용하였으 며, 원하는 온도만큼 자유롭게 설정하고 조절할 수 있는 장점을 지니 고 있다. 냉각 플레이트 쿨링시 켜짐 온도를 꺼짐 온도보다 높게 설 정한다. 예를 들어 켜짐온도를 ℃로 꺼짐온도를 ℃로 설정하면
℃이상에서 켜지고 ℃이하에서는 꺼진다. 본 멀티온도조절기의 장 점은 온도센서를 채널까지 설정할 수 있으며, 전원 VA이상 입
력으로 개 채널에서 VmA를 출력할 수 있다.
아크릴 상자
cm × cm
× cm
온도조절기 Cold Sink 온도 제어
Heat Sink
cm
cm
FALC2- 25408T
cm
cm Cold Sink
◦ Cold Sink 표면 온도 ⇨ 최대 ℃
◦ 냉각기 주변온도 ⇨ 약 ℃ ∼ ℃
cm
그림 34. 안개상자 옆면 그림 35. 안개상자 윗면
그림 36. 안개상자 제작도면
그림 37. 안개상자 외부 상자
열전소자를 이용하여 제작한 안개상자의 제작 사양은 아래 표와 같다.
사용 소자 FALC TEA
발열판 크기 cm × cm × cm 냉각판 크기 cm × cm × cm
FAN cm × cm × cmEA
SMPS WV
접점 방식 RELAY A이상 온도콘트롤 범위 ℃ ∼ ℃
온도표시범위 ℃ ∼ ℃
<표 4.> 열전소자를 이용한 안개상자 제작 사양
실험 결과
1) FALC2-25408T를 이용하여 실험용 시제품을 제작하였을 때 냉 각 플레이트와 실내온도와의 차이는 최대 ℃를 나타내었 다.
2) 안개상자 제작시 비적이 발생하기 시작하는 온도는 냉각 플레 이트의 온도가 ℃ 될 때부터 나타나기 시작하였다.
가. 냉각 플레이트의 시간별 온도 변화 추이
냉각 플레이트의 시간별 온도 변화 추이는 아래 <표 6.>과 같다. 실내 온도 대비 최대 ℃까지 나타내었다.
시간 냉각온도 실내온도 방열판온도 실내온도대비
분 경과 ℃ ℃ ℃ ℃
분경 ℃ 통과시 콘트롤러 한계 ℃에서 잠시 정지
→ 재설정 후 재가동 시킴. (분가량 정지)
분 경과 ℃ ℃ ℃ ℃
분 경과 ℃ ℃ ℃ ℃
분 경과 ℃ ℃ ℃ ℃
<표 5.> 시간별 온도 변화추이
그림 38. 시간별 온도 변화추이 결과표
나. 비적 발생 순간 안개상자 하부의 온도
비적이 발생하는 순간의 안개상자 하부의 온도는 회 측정결과 다음 과 같았다. 평균적으로 ℃에서 비적이 발생하였다.
실험 횟수 평균
비적발생온도℃
<표 6.> 비적 발생 순간의 안개상자 하부의 온도
비적 발생 순간의 온도 냉각 플레이트의 온도
방열판의 온도
그림 39. 시간별 온도 변화추이 결과표
그림 40. 테스트 장면 그림 41. 냉각 전 그림 42. 냉각 중(서리 발생) 위 <그림 44.>는 테스트 장면이며, 10분이 경과하였을 때 최초 비적이 나타나기 시작하였으며, 15분 경과한 이후부터는 냉각 플레이트의 표면에 서리가 발생하면서 뚜렷한 온도변화를 보이지 않았다.
○ 연구주제 3 : 생활 속의 방사선의 특징에 대한 연구 실험 방법
본 실험실에서 최종적으로 제작된 안개상자를 이용하여 생활 속에서 나타나는 여러 방사선의 특징에 대하여 알아보고, 물리실 험실과 지하 창고에서의 단위 시간당 발생하는 알파선의 개수를 측정 비교해 본다.
그림 43. 최종 작품
그림 44. 안개상자의 바닥면 실험 결과
1) 안개상자에서 관측된 비적은 굵고 짧은 형태의 알파선, 가늘 고 긴 형태의 감마선 등 다양한 형태로 관찰되었다.
2) 교실과 지하창고에서의 알파선의 빈도를 측정한 결과 지하 창 고에서 측정되는 빈도수는 약 배 높게 나타났다.
가. 안개상자에서 관측된 비적의 결과
그림 45. 비적사진 그림 46. 비적사진 그림 47. 비적사진
위의 그림에서와 같이 안개상자를 이용하여 다양한 모양의 비적을 관찰할 수 있었다. 짧고 두꺼운 형태로 직진하는 모양의 비적, 길고 가늘게 직진하 는 모양의 비적, 지그재그로 진행하는 비적, V자 형태로 진행하는 비적 등 다양한 모양을 볼 수 있었다. 짧고 두꺼운 형태의 비적은 상대적으로 전하량이 큰 알파입자로 인하여 나타나며, 이것은 짧은 거리를 진행하는 동안 기체분자를 많이 이온화시키면서 에너지를 매우 빨리 잃기 때문에 이러한 형태의 비적이 생기는 것이다. V자 형태로 진행하는 비적은 핵 분열 시 알파입자 개가 거의 동시에 방출되면서 V자 형태로 나타남을 알 수 있다.
나. 교내 실험실 내에서의 알파선 개수 측정 결과
다음은 실험실 내에서 분당 안개상자 내부를 지나는 알파선의 개수와 방향을 측정한 결과이다.
실험 횟수 평균
평균 비적수 / 분
<표 7.> 교내 실험실 내에서의 알파선의 개수 측정 결과
다. 지하 창고 내에서의 알파선 개수 측정 결과
다음은 교내 지하 창고 내에서 분당 측정되는 알파선의 개수를 나타낸 것이다.
실험 횟수 평균
평균 비적수 / 분
<표 8.> 지하 창고 내에서의 알파선의 개수 측정 결과
눈에는 보이지 않는 알파선의 비적을 직접 제작한 안개상자를 이용 하여 측정할 수 있었다. 실험실 내에서보다는 지하 창고 내에서 알파 선의 빈도가 약 배 더 많이 관찰되었다. 위 실험 결과는 온도와 습 도에 따른 관찰조건에 따라 다르게 나타났으며, 습도가 낮은 맑은 날 교실 내 및 지하 창고에서 측정한 결과이다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 폐 가전기기 속의 냉각 모듈을 사용하여 생활 속의 방사선을 관측하기 에 적합한 안개상자를 제작하였다. 가장 적합한 냉각 플레이트, 안개상자 의 크기를 찾아보고, 방사선의 비적이 가장 잘 관찰되는 플레이트의 온도를 측정하였다. 온도조절장치를 통하여 안개상자의 비적이 관찰되는 온도를 일정하게 유지할 수 있는 장치를 개발했다.
○ 연구 결과 냉각 플레이트는 cm × cm의 크기로 안개상자의 높이는
cm일 때 안개상자 내의 비적을 관찰하기에 적합하였다. 안개상자의 비적 이 나타나기 시작하는 냉각부의 온도는 ℃ 이하 였으며, 온도 조절기를 통해 냉각 플레이트의 표면 온도가 항상 ℃로 일정하게 유지될 수 있도록 하였으며, 지속적으로 알파선의 비적을 관찰할 수 있었다.
○ 물리 실험실 및 지하 창고에서 측정된 알파선의 개수는 각각 분당
, 개로 나타났으며, 지하 창고에서 실험하였을 때 알파선의 출현 빈도가 약 배 높게 나타났다.
□ 시사점
○ 본 실험을 통하여 중·고등학교 교사 및 학생들에게 방사선에 대하여 좀 더 쉽게 접근할 수 있는 기회를 제공하였으며, 폐 가전기기의 냉각 모듈로부터 물리실험기기로 제작할 수 있음을 보여 주었다. 또한 직접 제작한 안개상자를 통하여 시간당, 장소별로 관찰되는 방사선의 개수를 비교할 수 있었다. 앞으로 실험 내용을 더 발전시켜 방사선의 비적거리와 에너지와의 관계를 알아보는 것도 앞으로의 과제로 보인다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ STEAM 대구 교과교육연구회 홈페이지에 탑재함으로써 많은 학생
및 교사들로 하여금 본 자료를 공유하고 좋은 아이디어가 나올 수 있도록 하였으며, 본교 동아리 활동시간에 직접 제작해 보는 시간도 가지게 되었 다. 또한 연구회 공개 수업 등을 통해 여러 선생님들이 자료를 적극 활용할 수 있도록 활용할 방침이다.
○ 추후 새물리 학회지에 논문이 게재될 수 있도록 준비를 하고 있으며, 후속 연구로서 본 실험실에서 제작한 안개상자로 알파입자의 특징에 대하 여 다양한 실험이 이루어질수 있도록 한다.
○ 현재 냉각 플레이트의 표면적을 배 가량 넓힘으로서 자기장 속에서 방사선의 궤적이 어떻게 나타나는가 탐구를 하고 있는 중이며, 비적의 거리로부터 알파입자의 속도 및 운동에너지를 측정하고자 노력하고 있다.
현재 현대물리학 관련 실험 메뉴얼이 많이 부족한 부분을 인지하고 이러한 방면으로 많은 자료를 개발 중이다.
5. 참고문헌
○ 편희철(2013). 펠티어 냉각 소자와 공랭식 열펌프를 이용한 소형 안개 상자 제작. 한국교원대학교 석사학위논문.
○ 임용규(2009). 방사선측정기를 활용한 방사선 체험사업. 한국원자력 아카데미.
○ 우종관(2009). 펠티에 소자를 이용한 안개상자 개발 및 교육적 활용.
공주대학교 석사학위논문.
○ 이동렬(2006). 펠티어 소자 및 히트싱크를 이용한 최적 냉각성능에 관한 연구. 한국동력기계공학학회지.
○ 동위원소회보 제17권 제1호. 손으로 만든「안개상자」에 의한 자연 방사선 관측.
○ 임용규(2009). 방사선측정기를 활용한 방사선 체험사업. 한국원자력 아카데미.
○ 이동렬(2006). 펠티어 소자 및 히트싱크를 이용한 최적 냉각성능에 관한 연구. 한국동력기계공학학회지.
