content 03 43

(1)

1

작고 아름다운 나노

03

04 작고 아름다운 나노

09 작은 것이 아름답다.

17 나노가 왜 좋을까?

25 얼마나 작아질 수 있을까?

나노입자 전기회로를 바꾸다

나노입자 전기회로를 바꾸다. 44 크기가 변해도 변하지 않는 것 49 나노(10^-9m)크기에서는 예상하지 못한 일들이 일어난다. 57

잉크에 전기가 흐른다고? 66

43

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융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램

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3 좋을까

작아질 수․얼마나 있을까

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작고 아름다운 나노

첨단 과학의 한 분야인 ‘나노’ 과학은 ‘작다’ 라는 말을 대표하는 말로 사용되면서 ‘나노 블록’, ‘나노 사이 즈 옷’ 등 주변에서 쉽게 들을 수 있는 말이 되었다. 하지만 과학적인 ‘나노’의 정의와 나노 과학의 의미, 나노 과학이 갖는 가치 등에 대한 논의는 쉽게 이루어지지 않고 있으며 이공계 학생들에게 조차 나노 과학의 극히 일부만 교과서에 소개되고 있을 뿐이다. 이 프로그램은 단순히 ‘작다’ 라는 대표성을 띤 낱 말에서 벗어나 나노 과학이 가지고 있는 진정한 가치를 학생들이 알고 나노 과학에 대한 관심을 이끌어 내기 위한 가장 기본적인 지식을 제공할 수 있으며 나노 과학이 미래 사회에서 어떤 역할을 할 수 있는 지, 미래 사회의 모습을 어떻게 이끌어갈 수 있는지를 엿보는 시간이 될 수 있을 것이다. 또한 나노 과 학의 발전에 당위성을 부여하여 나노 과학에 대한 학습의 동기화를 유발한다. 덧붙여 나노가 첨단 과학 에서 이용되는 가장 큰 특성이 크기에 따른 성질 변화에 대한 내용은 다른 프로그램을 통해 익히고 이 프로그램에서는 가장 기본적인 나노의 의미와 첨단 과학 발전 방향 수준에서 학생들의 흥미를 이끌어내 도록 한다.

* 내용목표

- 작은 것을 추구하는 현재의 발전 방향을 컴퓨터를 통해 확인해보고 작아지면 좋겠다고 생각한 물건 을 찾아봄으로서 작은 것을 추구하는 사회의 변화 방향을 느껴본다.

- 물체가 작아지면서 생기는 이로운 이유를 다각적인 방면에서 생각해보고 사회 현상과 연결 지어 설 명할 수 있다.

- 나노의 크기를 어림짐작해보고 얼마나 작아질 수 있는지 과학적으로 추측해보고 구체적으로 상상해 보면서 나노 과학이 적용되면 좋을 물건들을 상상해본다.

* 과정목표

- 나노 과학기술 개발의 필요성에 대해 깨닫고 기술 개발을 위해 함께 가져야 하는 삶의 태도에 대해

(5)

5 상황제시

2013년 신문기사를 보면 사용하고 있는 스마트폰의 크기가 커 서 손목 시계형 스마트폰이 나오게 될 것이라는 기사를 볼 수 있다. 그리고 2015년 지금 우리는 손목 시계형 컴퓨터를 시장 에서 구입할 수 있게 되었다. 이렇게 컴퓨터의 크기가 줄어들 수 있게 된 원인은 무엇일까? 그리고 얼마까지 줄어들 수 있 을까? 그리고 미래에는 어떤 물건이 작아져서 우리의 편리한 생활을 이끌 수 있을까?

교과목 STEAM 요소

과학

기가 S, T/E

창의적 설계

우리 생활 주변에서 작아지는 물건은 무엇이며 작아졌을 때 어떤 상황이 생길 수 있는지 4컷 만화로 표현해볼 수 있다. 또 한 작아지면 좋아지는 이유에 대해 여러 측면으로 생각해보고 그 이유를 접목하여 경차를 타야 하는 설득하는 글을 작성할 수 있다. 마지막으로 스마트폰처럼 여러 물건을 합쳐 다양한 기능을 갖는 작은 물건들을 각 상황에 맞게 상상해보고 디자 인할 수 있다.

교과목 STEAM 요소 과학

기가 화법과

작문

S, T/E, A

감성적 체험 (성공의

경험)

세계적으로 작아지는 추세에 대해 그 이유를 생각해보면서 어 떤 현상이 일어날 때 그 이면에 대해 폭넓은 사고 과정을 익 힐 수 있으며 빠르게 변화하는 첨단 과학기반 사회에서 어떤 태도로 적응해야 하는지 생각해볼 수 있다.

교과목 STEAM 요소 화법과

작문 A

과학

과학과 문명

(1) 정보 통신과 신소재

⑦ 고분자 물질의 구조와 특성을 바탕으로 합성섬유, 합성수지, 나노 물질 등 다양한 첨단 소재의 원리와 활용 방법을 이해한다.

화법과 작문 [자기 표현과 사회적 상호 작용]_(26) 의사소통에서 진정성이 중요함을 인식하고 진솔 한 마음이 드러나도록 표현한다.

기술가정

(4) 미래 기술과 사회

(다) 융합적 기술과 관련된 문제를 체험 활동을 통해 이해하고, 수학, 과학, 공학, 예 술 교과와의 연계를 통한 통합적 관접에서 융합적 기술 프로젝트를 창의적으로 해 결할 수 있다.

(6)

주제 내용 수업실행 과목

STEAM 요소

1차시 작은 것이 아름답다

손가라 두 개만한 컴퓨터의 실용화를 통해 우리 주변 의 물건이 점차 작아지는 것을 확인하고 작아지는데 가장 필요한 나노 과학의 의미를 동영상을 통해 확인 한다. 또한 어떤 물건이 작아지면 우리 생활이 편리 해질지 생각해본 후 4컷 만화로 그 상황을 표현해 본 다.

과학 또는 기가

S

2차시 왜 나노가 좋을까?

작아져서 좋아진 것들에 대한 여러 가지 동영상이나 기사, 글들을 보면서 작아져서 좋아지는 점을 환경적, 사회적, 경제적 관점에서 생각해본다.

그 후 경차를 타야 하는 이유를 ‘작아져야 좋은 것’

이라는 다양한 관점에서 설득하는 글쓰기를 해본다.

화법과 작문

S, T/E, A

3차시

얼마나 작아질 수

있을까?

무어의 법칙과 황의 법칙을 통해 반도체가 작아지는 속도를 체험해보고, 무한히 작아질 수 없음을 신문기 사를 통해 확인한다. 대신 스마트폰과 같이 미래에는 다양한 기능을 가진 물건들이 작은 사이즈로 출시되 어 우리의 생활을 편하게 해줄 것이란 가정하에 미래 에 나올 것 같은 물건을 디자인해본다.

과학 S, A

2013년 신문기사를 보면 사용하고 있는 스마트폰의 크기가 커서 손목 시계형 스마트폰이 나오게 될 것 이라는 기사를 볼 수 있다. 그리고 2015년 지금 우리는 손목 시계형 컴퓨터를 시장에서 구입할 수 있게 되었다. 이렇게 컴퓨터의 크기가 줄어들 수 있게 된 원인은 무엇일까? 그리고 얼마까지 줄어들 수 있을 까? 그리고 미래에는 어떤 물건이 작아져서 우리의 편리한 생활을 이끌 수 있을까?

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7

평가 목표 내용 평가요소 종류 차시

융합적 지식 및 개념

함양

나노의 의미를 알고 작아지는 이유를 다양한 측 면에서 생각해볼 수 있다.

나노의 정의 나노 과학이 발달 하는 이유

보고서평가 1,2

창의적 사고 능력 함양

다양한 기능을 합친 창의적인 물건을 디자인해보 고 그 물건의 장점과 사용 상황을 예상해볼 수 있다.

나노과학이 접합

되는 물건 보고서

평가 3 소통 능력

함양

작아지는 이유에 대해 다양한 측면으로 생각하는 중에 모둠원들과 의사소통을 통해 다양한 의견을

이야기한다. 활발한 의사교환 평 가

없음 2 배려의 태도

함양 경차를 사용해야 하는 이유에 대해 환경적, 경제

적 측면에서 생각해본다. 평 가

없음

(8)

차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3)

수업주제 작은 것이 아름답다. 대상 고1 차시 1/3

학습목표

작은 것을 추구하는 현재의 발전 방향을 컴퓨터를 통해 확인해보고 작아지면 좋겠 다고 생각한 물건을 찾아봄으로서 작은 것을 추구하는 사회의 변화 방향을 느껴본 다.

STEAM

단계 상황제시 STEAM

요소 S, T/E, A 연계과목 과학, 기가

준비물 PPT자료, 활동지 Nano

big idea 크기와 스케일

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동

STEAM 요소

도입 5

• 3년 전의 한 기사를 읽고 의미하는 것이 무엇인지 추측해본다.

• 지금과 같은 발전 속도일 때 얼마나 무엇이 작아질 수 있을 것 인지 생각해본다.

S, T/E

전개 35

• 동영상을 통해 현재의 컴퓨터 개발 상황을 알아본다.

• 컴퓨터가 작아지기 위해서는 컴퓨터 내부의 무엇이 작아지는 것이 중요한지 각자 편하게 이야기 나눈다.

• 우리 주변에 ‘나노’ 라는 말이 적힌 것들을 찾아보고 나노 관련 동영상을 통해 나노의 정확한 의미를 파악한다 .

• 내 주변에 컴퓨터와 같이 예전에 비해 작아지고 있는 물건들이 있는지 찾아 이야기 한다.

• 작아졌으면 하는 물건을 생각해보고 이것이 실제로 작아졌을 때 발생할 수 있는 재미있는 상황을 추측하여 4컷 만화로 표현해

S, T/E, A

(9)

9 출처: pixabay

작은 것이 아름답다.

작은 것이 아름답다. 작은 것이 아름답다.

학습 목표 작은 것을 추구하는 현재의 발전 방향을 컴퓨터를 통해 확인해보고 작아지면 좋겠 다고 생각한 물건을 찾아봄으로서 작은 것을 추구하는 사회의 변화 방향을 느껴본 다.

다음은 2013년 4월에 발표된 한 신문의 기사이다.

“마이크로소프트, 스마트 시계 개발 중”

마이크로소프트(MS)가 손목시계형 컴퓨터(스마트 시계) 개발을 준비하고 있다고 월스트리트저 널(WSJ)이 15일(현지시간) 보도했다. WSJ에 따르면 MS는 올해 초 아시아의 공급업체들에 손 목시계형 기기의 부품을 만들어달라고 요청했고 공급업체의 한 임원은 MS 본사에서 조사·개 발팀을 만나 이런 제안을 받았다고 전했다. MS가 스마트시계를 생산한다면 최근 시장의 주 목을 받는 착용형(wearable) 컴퓨터 시장은 세계 정보기술(IT) 업체의 새로운 격전장이 될 것 으로 예상된다. 뉴욕타임스(NYT) 등 미국 언론은 애플이 손목에 착용할 수 있는 스마트폰 장 치를 개발하고 있다고 보도했으며 구글은 스마트 안경으로 알려진 ‘구글 글라스’에 연동할 수 있는 손목시계 형태의 기기를 준비하는 것으로 알려졌다. 삼성전자도 손목시계형 제품을 개 발 중이다. 이영희 삼성전자 무선사업부 부사장은 지난달 19일 블룸버그와의 인터뷰에서 “오 랫동안 시계형 제품을 준비해왔다”고 밝혔다. 완리 왕 RBS 애널리스트는 “스마트폰의 크기가 커지면서 착용할 수 있는 기기에 대한 수요가 늘어날 것으로 예상한다”면서 “스마트폰이나 다른 전자 기기와 호환할 수 있는 스마트 시계는 소비자들에게 매력적이다”고 말했다. 최근 판매되고 있는 착용형 기기로는 신체 활동을 측정할 수 있는 나이키의 ‘퓨얼 밴드’(Fuel Band)와 스마트폰과 연동할 수 있는 페블테크놀로지의 시계형 제품 등이 있다.

컨슈머타임스, 2013.04.16 지금 우리는 손목 시계형 컴퓨터를 시장에서 구입할 수 있게 되었

다. 이렇게 컴퓨터의 크기가 줄어들 수 있게 된 원인은 무엇일까?

그리고 얼마까지 줄어들 수 있을까? 그리고 미래에는 어떤 물건이 작아져서 우리의 편리한 생활을 이끌 수 있을까?

(10)

활동1 작아지고 있을까?

1.

아래의 그림 속에 립스틱 옆에 있는 작은 사각형의 물건은 무엇일까? 추측해보고 영상을 본 후 느낌을 이야기해보자.

http://freegr.blogspot.kr/2015_03_01_archive.html

컴퓨터, 이렇게 작아져서 깜짝 놀랐다.

Tip

검색창에 손가락 pc, 투키, 등을 검색하면 쉽게 영상(소개 영상이나 손가락 pc 의 사용 방법 에 관련된 영상) 이나 사진자료를 구할 수 있다.

(11)

11

2.

다음은 한 노트북의 내부구조이다. 더 작아지기 위해서는 무엇이 가장 먼저 작아져야 할지 보기에서 골라 순서대로 적어보자. 그렇게 생각한 이유를 적어보자.

http://ugpapa.tistory.com/160

배터리, 가장 큰 부피를 차지하고 있으므로

Tip

이 문항은 특정한 답이 없이 학생들이 중요하다고 생각하는 이유를 자유롭게 이야기할 수 있 도록 한다. 결과적으로 컴퓨터가 작아지기 위해서는 컴퓨터를 구성하고 있는 내부 기기들이 모두 작아져야 한다는 것을 의미한다.

(12)

활동2 작은 것을 대표하는 말은?

1.

두 사진에서 공통적으로 들어가는 말은 무엇이며 그 단어가 뜻하는 의미는 무엇일까?

www.flickr.com commons.wikimedia.org

나노

2,

나노란 무엇일까? 동영상을 보고 물음에 답해보자.

https://youtu.be/bQzFpP4FSN4 * 손톱의 넓이는 몇 센티미터일까?

1cm

* 적혈구 하나의 크기는 얼마일까?

10 마이크로미터

* 세포막의 두께는 얼마일까?

10 나노미터

* 설탕 분자 하나의 크기는 얼마일까?

1 나노미터

* 이 동영상에서 ‘ten times’는 몇 번 나왔을

(13)

13

Tip

< 교사를 위한 수업 팁>

1. 본 차시 수업에서는 나노 입자의 크기를 계산하는 것보다 나노 입자가 일상적으로 접하는 사물의 크기보다 매우 작다는 것과 물질이 나노크기로 작아졌을 때 새로운 물성을 가지게 된다는 것에 주안점을 준다.

2. 활동하기 1]의 2번 활동은 나노 기술이 기존의 물건을 작아지게 만드는 것이 아니라 나노 크기의 부품을 이용해서 새롭게 만드는 것임을 강조해서 지도해야 한다. 실제 많은 학생들 이 해당 문항을 잘못 이해하고 ‘쓰레기의 크기를 줄이고 싶다.’ 내 얼굴 크기를 줄이고 싶 다‘ 등의 답을 하는 경우가 많았다.

< 동영상 출처>

1. How Big Is a Nanometer (재생시간 1분 28초) https://www.youtube.com/watch?v=IC3AcItKc3U

< 동영상 추가 자료 >

1. What is Nano? (재생시간 3분 28초)

https://www.youtube.com/watch?v=Dxq-ffp3jqA 2. How Small Is Nano? (재생시간 2분 51초)

https://www.youtube.com/watch?v=bQzFpP4FSN4 3. How Small is a Nanoparticle? (재생시간 33초)

https://www.youtube.com/watch?v=38Vi8Dm0kdY

3.

내 주변에서 점점 작아지고 있는 물건은 무엇인가?

핸드폰, 카메라

Tip

작아지고 있는 물건이나 현상등을 자유롭게 이야기하도록 한다. 크기가 작아지는 것도 있으 나 내복과 같이 두께가 얇아지면서 보온성을 유지하는 것들도 해당한다.

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4.

내 주변의 물건 중 무엇이 작아지면 좋겠는가? 그 이유는 무엇인가? 실제로 그것이 작아진다면 어떤 점 이 좋아지는지 생길 수 있는 상황을 짧게 만화로 그려보자.

<물건>

<이유>

① ②

③ ④

Tip

재미있는 상황에는 긍정적인 상황과 부정적인 상황이 모두 포함될 수 있다. 그러므로 다양한 상황이 나온다면 정리 시간을 이용하여 작아지는 것이 언제나 좋은 것일까라는 의문을 해결 할 수 있도록 다양한 의견 공유의 시간을 갖도록 할 수 있다.

(15)

15 학생 산출물 예시

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차시별 교수학습 지도안(2/3) 차시별 교수학습 지도안(2/3) 차시별 교수학습 지도안(2/3)

수업주제 나노가 왜 좋을까? 대상 고1 차시 2/3

학습목표 물체가 작아지면서 생기는 이로운 이유를 다각적인 방면에서 생각해보고 사회 현 상과 연결 지어 설명할 수 있다.

STEAM

단계 창의적 설계 STEAM

요소 S, T/E, A 연계과목 화법과 작문

big idea 크기와 스케일

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동 STEAM

요소

도입 5 • 쌀알 크기의 칩 사진을 보면서 무엇인지 추측해보고 저것을 만

든 이유를 자유롭게 이야기해본다. S

전개 40

• 제시된 상황 8가지를 모둠 활동이나 개별 활동을 통해 읽거나 시청한 후 작아져서 생길 수 있는 좋은 점, 작게 만드는 이유 등에 대한 고민을 나누어 본다. (8가지 상황에 관련된 영상을 모 두 시청하고 읽을 경우 약 15분-20분 정도의 시간이 소요됨)

• 이때 8가지 상황을 모두 하지 않을 수도 있으며 개인별로 2가 지, 또는 심화된 사고나 사고의 공유가 수업의 목표일 경우 모 둠별로 2-3가지 상황을 선택하게 하여 생각하고 결과를 나눌 수 있는 활동으로 변경 가능하다.

• 작아져야 하는 이유에 대해 다양한 관점에서 생각한 후 주어진

S, T/E, A

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17

나노가 왜 좋을까?

학습 목표 물체가 작아지면서 생기는 이로운 이유를 다각적인 방면에서 생각해보고 사회 현 상과 연결 지어 설명할 수 있다.

https://www.flickr.com/photos/intelphotos/2922847886

쌀알만한 전자 칩, 왜 이렇게 작게 만드는 것일까?

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[상황1] 반영구 심장박동기

https://youtu.be/BUh1WakS_LI

[상황2] 쌀알크기 심장박동기

https://youtu.be/YVX25tlriXE

[상황3] 3배 성능을 가진 나노 배터리

https://youtu.be/X9U1N52QB-g

[상황4] 손톱크기 칩 안에 백과사전이?

https://youtu.be/OEOxPNPTL18

[상황5] 작아진 스티로폼 박스

국내 한 기업에서 가전제품 포장에서 사용하는 스 티로폼의 부피를 축소하였다. 부피는 작아지면서 같은 성능을 가질 수 있도록 개발하여 연간 49억원 의 경제적 이득을 보았다고 한다.

출처: 디지털타임스

[상황6] 메모리 카드의 변화

10년 동안 변화된 컴퓨터 메모리 카드이다. 크기는 비슷하지만 용량은 128MB에서 128GB로 증가하였 다.

https://kr.pinterest.com/source/buzzfee d.com

활동1 왜 작아져야 할까?

다음 동영상을 보거나 글을 읽고 물음에 답하여보자.

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19 구글(Google)이 삼키면 몸속에서 암을 검사하고 추적하는 알약을 개발하고 있다. 작은 나노입자로 구성된 이 알약을 삼키면 입자들이 몸속 적혈구내에 퍼져 암이나 각종 질병을 탐지한다. 새로 개발된 나노 진단 기술은 적혈구의 2000분의 1 크기인 산화철 나노 입자를 사용한다. 캡슐 형태 알약으로 투여된 나노 입 자는 암 세포 등 특정 세포와 결합한다. 나노입자와 결합된 세포는 손목 안쪽 정맥에서 스마트워치 형태 의 웨어러블 기기를 이용해 측정할 수 있다.이렇게 입자들이 몸속을 돌아다니면서 암세포를 발견하게 되 면 세포에 매달린 뒤 이 정보를 웨어러블 기기에 전달해 기기를 통해 의사에게 직접 보고된다. 이와 같 은 암 탐지 나노입자를 무인자동차에 비유하면서 “우리는 원하는 곳에 그것을 주차시킬 수 있고 지금까 지의 진단법이 상공 1㎞ 높이에서 길을 바라보는 것이라면 나노 진단법은 직접 골목에 들어가 관찰하는 것만큼 몸 상태를 자세히 알 수 있다”고 설명했다.

매우 작은 나노 입자는 적혈구 내에 들어가고 피 속의 나노 입자는 암세 포와 같은 특별한 세포에 공격을 하고 손목에 찬 팔찌는 결합된 암세포

의 정보를 받아들인다. 사진출처: BBC

Tip

다양한 상황을 제시함으로서 작아지는 것에 대한 추구가 사회 각 분야에서 일어나는 현상이며 이는 편리성 증가, 환경오염의 감소, 원료비 감소 등 다각적 이유가 존재함을 알기 위해 제시된 내용이다.

따라서 수업시간 및 현장 상황에 따라 제시되는 상황의 개수를 적절히 조절하여 사례를 사용할 수 있다. 또는 조 별 수업으로 변형하여 조별로 2가지 상황을 다르게 제시하여 각 상황에서 생기는 이로운 점을 심도 있게 논의한 후 조별 결과물을 종이에 적어 공유하는 형태로 수업을 진행시킬 수 있다.

<상황1> 나노 전극을 이용한 플렉서블 전지 개발로 가능해진 심장박동기 관련 기사로 나노를 이용한 기능 향상 및 개선 기사

<상황2> 배터리를 몸 밖에서 무선 전송하여 심장박동기의 크기를 작게 한 기사로 나노와 직접 관련성을 가지기 보다는 크기가 작아져서 편리해지다는 의미를 부여하기 위해 포함

<상황3> 나노 구조를 이용한 배터리 개발로 같은 크기지만 3배 이상의 전력량을 가진 배터리로 나노 구조를 이용 한 기능의 향상을 위한 기사

<상황4> 나노 반도체 개발 기술로 작은 칩 안에 포함할 수 있는 정보의 양이 증가하였다는 기사로 기능 향상관련 기사

<상황5> 스티로폼 박스의 두께가 줄어들면서(크기가 작아지면서) 환경 오염 감소, 운송비 절감 및 이산화탄소 배출 감소, 원료비 감소(석유 사용량 감소) 등에 관련된 다각적 접근이 가능한 기사

<상황6> 메모리 칩의 용량 변화로 같은 크기지만 다룰 수 있는 용량의 크기가 급속도로 증가했음을 나타내는 사 진. 이로 인해 생길 수 있는 이로운 점은 매우 다양하게 도출될 수 있음

<상황7> 나노 로봇은 나노 기술의 다양한 분야가 접목하여 생긴 결과물로 나노 기술의 이점을 가장 드러나게 보 여줄 수 있음

<상황8> 나노 레이저의 개발로 다른 기술의 개발을 앞당길 수 있으며, 소비 전력까지 감소하는 두 가지 장점을 가 지고 있음.

(20)

1.

128MB 에서 128GB 가 되었다면 용량이 몇 배 증가한 것인가?

1024배

2.

크기가 작아지면서 어떤 점이 좋은지 여러 측면(경제, 환경, 사회적)에서 다양하고 구체적으로 생각해보자.

경제적 환경적 사회적

(예시) 스티로폼을 덜 써서 원 가가 절감된다.

포장 부피가 덜해져서 이동 교 통비가 적게 든다.

배달 후 다시 수거해야 하는 것에서도 비용을 줄일 수 있 다.

(예시) 스티로폼을 덜 쓰게 되 어 원료인 석유를 아낄 수 있 다.

스티로폼을 덜 쓰게 되므로 석 유의 소비가 줄고 그만큼 환경 이 보존된다.

스티로폼을 만들면서 나오는 유해물을 좀 더 줄일 수 있다.

한 번에 더 많은 제품을 배송 할 수 있게 되므로 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다.

(예시) 심장박동기의 크기가 줄 어들면서 환자들의 고통이 감 소하였다.

평균 수명이 증가하였다.

스마트폰 배터리 충전 서비스 가 감소되었다.

Tip

다양한 상황이 제시되므로 이것을 모두 시도하기보다 개인별 활동의 경우 몇 가지 상황을 제 한하여 수업을 진행하는 것이 심도 있는 사고를 할 수 있는 기회를 제공할 것이다. 모둠 수 업으로 진행할 경우 뒤의 활동하기 2의 설득하는 글쓰기 활동을 축소하고 모둠별로 1-2가지 정도의 상황만 제시하여 의견 교류하는 시간을 늘려 친구들의 다양한 생각을 들어보는 것도 의미 있을 것이다. 이때 모둠에게 제시되는 상황은 공통된 분야의 상황보다는 상이한 분야를 제시해주는 것이 좋고 뒤의 활동과 연관되기 위해서는 <상황5>는 반드시 포함될 수 있도록

(21)

21

활동2 작아지도록 설득하기

다음은 세계 주요 국가의 승용차 크기별 등록대수이다. 경차의 비율이 높아져야 하는 이유를 과학적 근거 또 는 수식을 사용하여 600자 내외의 글로 적어보자.

http://poscolove.co.kr/

(22)

학생 산출물 예시

(23)

23

Tip

제시된 상황 이외에 작아져야 좋은 것과 관련된 상황이 있다면 바꾸어서 제시할 수 있다. 예 를 들어 아래는 보청기의 역사로 작아지면서 청각장애인 및 주변 사람들에게 많은 도움을 주 었다. 따라서 작아지는 물건의 다양한 예나 사회현상을 제시하여 변형이 가능한 활동이다.

또는 남은 시간에 따라 글쓰기의 양을 조절하거나 표어 정도로 간단히 마무리할 수도 있다.

http://www.chickencowshearing.com/sites/default/files/evolutionposter.jpg

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차시별 교수학습 지도안(3/3) 차시별 교수학습 지도안(3/3) 차시별 교수학습 지도안(3/3)

수업주제 얼마나 작아질 수 있을까? 대상 고1 차시 3/3

학습목표 나노의 크기를 어림짐작해보고 얼마나 작아질 수 있는지 과학적으로 추측해보고 구체적으로 상상해보면서 나노 과학에 대해 이해하고 관심을 갖는다.

STEAM

단계 창의적 설계 STEAM

요소 S, T/E, A, M 연계과목 과학, 기가

big idea 나노 크기와 스케일

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동 STEAM

요소

도입 5 • 1nm 에 대한 대략적 설명이나 또는 영상 자료를 이용하여 나

노 크기에 대한 호기심을 이끌어낸다. S, T/E

전개 35

• 1nm 가 대략 얼마인지 가위로 종이를 오려보는 활동을 통해 어림 짐작해본다.

• 황의 법칙과 무어의 법칙을 통해 반도체의 크기 변화를 추측해 본다.

• 이때 완전히 정량적인 방법보다는 추세선을 활용한 방법으로 추측해보자.

• 제시된 기사를 통해 반도체가 한없이 작아질 수 없음을 깨닫고 새로운 개발 노력을 살펴본다.

• 여러 물건을 합쳐서 새로운 물건을 만드는 방법으로 (현재 스 마트폰과 같은) 새로운 물건을 상상해본다.

S, T/E, M, A

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25

얼마나 작아질 수 있을까?

얼마나 작아질 수 있을까? 얼마나 작아질 수 있을까?

학습 목표 나노의 크기를 어림짐작해보고 얼마나 작아질 수 있는지 과학적으로 추측해보고 구 체적으로 상상해보면서 나노 과학에 대해 이해하고 관심을 갖는다.

몸속에 들어가기 위해서 작아진 우주선 얼마나 작아져야 가능할가?

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활동1 1nm(나노미터)로 잘라보자.

나노 과학은 원자 몇 개 정도 크기의 작은 입자들을 이용하여 새로운 성질의 물질을 합성하고, 제 어하는 분야를 말한다. 보통 사람의 키를 이야기 할 때에는 m(미터), 거리를 나타낼 때에는 km(킬 로미터) 단위를 사용하는 듯이 나노 크기의 입자는 nm(나노미터)라는 단위로 표현한다.

엠파이어 스테이트 빌딩 적혈구 박테리아 나노입자 443m의 엠파이어 스테이트 빌딩만큼 확대한 머리카락 굵기

출처: world science festival

만약 0.1mm 두께의 머리카락을 세계에서 가장 높은 빌딩이었던 엠파이어스테이트 빌딩(443m) 만 큼 확대한다면, 적혈구는 빌딩의 10층, 박테리아(세균)는 3층 정도 크기가 된다는 것을 알 수 있다.

한편 크기가 1nm인 입자를 같은 비율로 확대한다면 그 크기가 겨우 1/4인치(=0.6cm) 정도밖에 되 지 않는다.

물체의 종류 크기 nm 크기로 바꿔보면?

엠파이어스테이트 빌딩 443m 

※ 머리카락 두께에 나노 입자가 100,000개 들어간다.

(27)

27

1.

나노 크기의 물질을 다룰 때 어떤 점이 어려울까?

나노 크기의 물질은 너무 작아서 우리 눈이나 일반 현미경으로 볼 수가 없고, 만지거나 잡을 수 없기 때문에 다루기 어려울 것 같다.

2.

물 분자 하나의 크기는 대략 몇 nm 일까?

대략 0.2 nm

3.

원자의 크기라는 EBS 클립뱅크 동영상을 시청한 후, 1nm의 크기를 우리가 주변에서 쉽게 접하 는 상황이나 물건으로 표현해보자.

4.

볼펜길이(15cm)의 종이를 반으로 잘라보자. 그리고 반으로 자른 종이 중 하나를 다시 반으로 잘라보자. 같은 방법으로 종이가 너무 작아서 자를 수 없을 때까지 자른다면 종이를 몇 번이나 자를 수 있을까? 직접 해 보기 전에 종이를 몇 번이나 자를 수 있을지 ( )에 적어보자.

시작

1회

2회

나는 종이를 ( )번 자를 수 있을 것 같다.

⇨ 나는 종이를 ( )번 자를 수 있었다.

15cm

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5.

2명이 1조가 되어 한명은 종이를 자르고, 나머지 한명은 종이길이를 측정하여 표에 기록해 보 자.

자른 회수 종이의 길이 자른 회수 종이의 길이 자른 회수 종이의 길이

시작 15cm 7회 14회

1회 8회 15회

2회 9회 16회

3회 10회 17회

4회 11회 18회

5회 12회 19회

6회 13회 20회

6.

여러분이 가장 마지막에 자른 종이의 길이는 얼마였는가?

내가 가장 마지막에 자른 종이 길이는 ( 약 1 ~ 2 )mm이다.

7.

15cm 길이의 종이를 몇 번 자르면 종이 길이가 1nm(나노미터)가 될까?

종이를 ( 27 )번 자르면, 종이 길이가 1nm 가 된다.

Tip

1. 종이 자르기 실험의 경우 많은 학생들이 10회 정도는 자를 수 있을 것이라고 생각한다.

하지만 실제 해 보면 대부분 6~8회 정도에서 실험을 멈추게 된다.

2. 종이를 자르다가 아주 얇아지면 종이를 90도 회전시켜 자르는 방향을 바꾸는 학생들도 있

(29)

29

활동2 얼마나 작아질 수 있을까?

다음은 컴퓨터와 그 안에 중요한 부품인 메모리에 대한 두 가지 종류의 법칙이다.

인텔의 창립자 고든 무어(Gorden Moor)가 자신의 경험으로 만든 법칙으로 18개월을 주기로 컴퓨 터의 성능은 2배로 향상되고 컴퓨터 가격에는 변함이 없다는 법칙

반도체 메모리의 용량은 1년마다 2배씩 증가한다’

는 법칙으로 우리나라 황창규 지식경제부 R&D전 략기획단장이 이야기한 ‘황의 법칙’

출처: 위키디피아 출처: 삼성전자

1.

이러한 그래프와 법칙들로 미루어보아 1nm 메모리가 가능할까?

가능하다.

2.

다음은 반도체 메모리에 관련된 기사이다. 기사를 읽고 무한히 작아질 수 있는지의 여부를 생 각해보고 그렇게 생각한 이유를 적어보자.

작게 더 작게, 반도체 한계를 깨다.

미세 공정은 반도체 업계의 영원한 숙제다. 회로 선폭을 축소해 셀 집적도를 놓이고 반도체 웨이퍼 한 장에서 얻을 수 있는 칩 숫자를 늘리는 미세공정은 반도체 생산 기술력을 판단하 는 척도다. 메모리 반도체 업계에서 D램은 20nm 공정, 낸드 플래시는 10nm 공정 수준으로 발전하였다. 문제는 이 미세 공정 기술이 차츰 한계에 이르고 있다는 것이다. 회로 선폭이 줄 어들면서 셀간격이 좁다지다 보니 셀 사이에 간섭 현상이 심해져 데이터 안정성이 낮아지는 한계가 노출되었다. 예를 들어 1번방 데이터를 불렀는데 셀 간격이 너무 좁다보니 오류가 생 겨 2번방에서 응답하는 사례가 발생하는 것이다.

(30)

또한 미세 공정이 점점 진행될수록 셀 내부 전하 저장공간 역시 더욱 가늘고 높게 만들어야 하는 등 구조적 불안정성이 발생하는 문제도 생겨났다. 그래서 최근에는 반도체 미세 공정의 한계를 극복하기 위해 반도체 구조 자체를 삼차원으로 변화시키는 기술을 개발하였다. ‘줄이 고(미세공정) 쌓는(3차원 기술) 각종 신기술을 앞세워 메모리 반도체의 한계에 도전하고 있다.

쉽게 설명해 이 기술은 그동안 1층집만 짓던 장소에 고층 아파트를 짓는 것과 비슷하다. 3D 기술이 있다면 얼마나 높은 층수로 아파트를 짓느냐가 관건으로 쌓아 올리는 만큼 칩 단위 용량을 더욱 높일 수 있다.

출처: 한국일경제, 2015년 5월 22일

사이 간격이 좁아지면 아무리 3차원으로 쌓는다 하더라도 무한히 작아지는 것은 한계가 있을 것 같다.

Tip

(31)

31 출처: pixabay.com

3.

아래 두 그림을 보면 스마트폰은 여러 가지 물건이 합쳐지면서 크기가 작아지고 다양한 기능이 포함되었 음을 확인할 수 있다.

http://ritholtz.com/2013/05/1993-vs-2013/ www.marcustrotta.com 이렇듯 우리 주변의 물건들은 크기는 작아지면서 기능은 향상되고 있다. 우리가 생활하는 다양한 공간에서 사용되는 여러 전자기기의 기능이 합쳐지면서 크기가 작아지면 좋은 것들은 무엇이 있을까? 아래 장소에서 한 군데를 골라 어떤 기기들이 작은 형태로 합쳐져야 좋을지 생각해보고 그 이유를 함께 적어보자.

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정한 장소 거실 합친

기기들 에어컨, 청소기

합친 이유 청소를 할 때 생기는 바람을 난방에 활용하면 전기를 아낄 수 있을 것 같다.

새로운

기계 이름 진공 에어컨

새로운 기기 디자인

(33)

33 성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. ‘작아지는 것’ 에 대한 사회 현상이나 우리 주변의 물건들에

대한 의사소통을 적극적으로 참여하는가? V V V V V

2. 나노 관련 동영상을 통해 나노의 의미를 파악하였는가? V V V V V

3. 작아졌으면 하는 물건을 찾아 재미있는 상상력을 발휘하여 4

컷 만화를 작성하였는가? V V V V V

● 1차시: 작은 것이 아름답다.

가. 교사 평가지

◎ 평가목표

- 작은 것을 추구하는 현재의 발전 방향을 이해하고 나노의 의미를 안다.

- 작아지면 좋은 물건을 창의적으로 상상해봄으로서 나노 과학에 대한 긍정적 태도를 갖는다.

나. 동료평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 종이 자르기 활동을 할 때 모둠원이 협동하여 활동하였는가? V V V V V 2. 모둠 토의를 통해 새로운 나노 기술 제품을 상상하였는가? V V V V V 3. 학습 활동에 참여하기 어려운 친구가 수업 활동에 소외되지

않도록 배려했는가? V V V V V

다. 자기평가지

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점

1. 개인 학습 활동지를 열심히 작성했는가? V V V V V

2. 모둠 토의 시 자신의 의견을 표현하고, 모둠 친구의 의견을

경청하여 들었는가? V V V V V

3. 4컷 만화를 그리기 위해 창의적으로 생각하였는가? V V V V V

(34)

● 2차시: 나노가 왜 좋을까?

가. 교사 평가지

◎ 평가목표

- 물체가 작아지면서 생기는 이로운 이유를 다각적인 방면에서 생각해보고 사회 현상과 연결 지 어 설명할 수 있다.

- 미래 자동차의 각 부분에 적용할 수 있는 나노 기술 및 나노 소재를 찾고, 그 이유를 설명할 수 있다.

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 동영상을 바르게 시청하면서 다양한 의견을 도출하기 위해 모

둠원과 적극적으로 의사소통을 하였는가? V V V V V

2. 나노가 좋은 이유를 다양한 측면에서 여러 가지 이유를 생각

하였는가? V V V V V

3. 경차를 타야하는 이유를 다양한 측면에서 끌어내어 논리적으

로 글을 작성하였는가? V V V V V

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 작은 것이 좋은 이유를 찾기 위해 다양하게 의견을 제시하였

는가? V V V V V

2. 동영상을 보거나 글을 읽을 때 소외되는 모둠원 없이 진지하

게 참여하였는가? V V V V V

3. 설득하는 글쓰기에 성실하게 참여하였는가? V V V V V

성 취 수 준

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35 가. 교사 평가지

◎ 평가목표

- 나노의 크기를 어림짐작해보고 얼마나 작아질 수 있는지 과학적으로 추측할 수 있다.

- 나노 과학이 필요한 물건을 생각해보고 창의적으로 물건을 디자인할 수 있다.

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 나노 크기를 어림짐작하는 활동에 적극적으로 참여하였는가? V V V V V

2. 황의 법칙과 무어의 법칙을 이해하고 미래의 나노칩의 크기를

바르게 예측하였는가? V V V V V

3. 나노 과학이 필요한 물건을 창의적으로 생각하고 성실하게 사

용설명서를 작성하였는가? V V V V V

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점 1. 종이 자르기 활동을 할 때 모둠원이 협동하여 활동하였는가? V V V V V 2. 모둠 토의를 통해 새로운 나노 기술 제품을 상상하였는가? V V V V V 3. 학습 활동에 참여하기 어려운 친구가 수업 활동에 소외되지

않도록 배려했는가? V V V V V

성 취 수 준

1점 2점 3점 4점 5점

1. 개인 학습 활동지를 열심히 작성했는가? V V V V V

2. 모둠 토의 시 자신의 의견을 표현하고, 모둠 친구의 의견을

경청하여 들었는가? V V V V V

3. 모둠에서 맡은 역할에 충실하게 참여하였는가? V V V V V

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나노 입자 사이즈에 따른 색의 변화

읽 을 거 리 1

나노 과학이란 무엇일까?

나노스케일 과학과 공학(nanoscale science & engineering, NSE)은 새로 생기는 학문영역이다. , 나 노스케일(nanoscale)은 일반적으로 적어도 한 개의 차원 치수가 1~100 나노미터인 물질을 포함하 는 것으로 정의된다. 나노기술은 원자, 분자 및 초분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하 고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다. 나노는 난쟁이를 뜻하는 그리 스어 나노스에서 유래하였다. 1나노초(㎱)는 10억 분의 1초를 뜻한다. 1나노미터(㎚)는 10억 분의 1m로서 사람 머리카락 굵기의 10만 분의 1, 대략 원자 3~4개의 크기에 해당한다.

나노과학과 나노기술에 관한 신생 분야는 나노스케일(예: 10^-9 – 10^-7 미터 또는 1 – 100 나노미 터) 물질의 고유한 성질을 이용하여 새로운 제품과 기술을 창조하여 모든 사회에 광범위한 영향을 끼칠 것이 예상되고 있다. 전자, 제약, 미용, 섬유를 포함한 많은 산업에서 나노기술을 도입하여 제품을 향상시키고 있다. 시장

에 나와있는 이런 제품의 예 로는 투명한 아연산화물 기반 의 썬스크린, 긁힘에 강한 자 동차 페인트, 때 묻지 않는 의 류 등을 들 수 있다. 나노의학 품의 가치에 대해서는 논쟁이 거의 없지만, 암 환자, 과학자, 자연보호주의자들은 어떤 나 노스케일 물질들은 환경과 개

인의 건강에 심각한 부장용이 있을 수 있다고 경고하고 있다. 나노스케일의 object는 매우 작아서 생물학적 장벽을 넘어갈 수 있다. 그래서 썬스크린에 사용되는 아연산화물과 치아보철물로 사용되 어 온 금과 같이 익숙한 물질들이 나노스케일로 있을 때는 덩어리진 형태일 때와는 다르게 생명 체에 영향을 미칠 수 있다. 달리 말하자면, NSE로 인한 혜택에도 불구하고 적절한 보건과 환경에 대한 우려가 존재한다. 이는 한 때 기적의 광물로 불렸던 석면이 폐에 흡입이 되면 폐암 및 각종 질병을 유발하는 것으로 알려지면서 최근에 크게 문제가 되는 것과 비슷할 수 있다. 또한 나노입 자도 호흡이나 피부를 통해 체내로 유입이 가능하다. 그리고 입자가 매우 작기 때문에 세포막을 자유자재로 투과할 수 있다. 따라서 폐나 심장 등 여러 기관에 영향을 미칠 수 있고 심지어 뇌까

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37 전자, 통신

이크로프로세서 소자

10배 이상의 대역폭과 높은 전달속도를 갖는 통신 시스템

현재보다 용량은 크고 크기는 작은 대용량 정보저장장치(초고집적 반도체 소자) 대용량 정보를 수집 처리하는 집적화된 나노 센서 시스템

정보저장, 메모리반도체, 포켓사이즈 슈퍼 로봇

더 빠르고 더 작고 더 얇고 더 가벼운 스마트 인터페이스 전계 방출 디스플레이(FED)에의 응용

재료

기계가공하지 않고 정확한 모양을 갖는 나노 구조 금속 및 세라믹 원자단위에서 설계된 고강도의 소재, 고성능의 촉매

뛰어난 색감을 갖는 나노 입자를 이용한 인쇄 나노 크기를 측정할 수 있는 새로운 표준

절삭공구나 전기적, 화학적, 구조적 응용을 위한 나노코팅

나노입자인 이산화티타늄으로 코팅한 화장실 : 더러움이나 박테리아에 저항성

의료

진단학과 치료학의 혁명을 가능케 하는 빠르고 효과적인 염기서열 분석 원격진료 및 생체이식소자를 이용한 효과적이고 저렴한 보건치료

나노 구조물을 통한 새로운 약물전달 시스템(표적 지향성 약물 운반 시스템) : 암 세포만을 표적으로 하는 치료방법이다.

암 조직의 나노 스케일의 구멍을 통해 운반체를 이용하여 항암제를 운반하는 방 법

내구성 및 생체 친화력 있는 인공기관

인체의 질병을 진단, 예방할 수 있는 나노센싱 시스템

항원,항체가 결합하는 반응을 이용하는 방법 : 운반체로서 나노물질인 풀러렌 이 용

암세포와 바이러스 등을 분쇄하거나 손상된 세포를 복구할 수 있는 나노로봇 나노로 만든 주사기의 주사바늘 : 통점과 통점사이로 주사하여 무통임

생명공학

하이브리드 시스템의 합성피부, 유전자 분석/조작

분자공학으로 제작된 생화학적으로 분해 가능한 화학물질 동식물의 유전자 개선

나노 배열을 기반으로 한 분석기술을 이용한 DNA 분석

환경, 에너지

새로운 배터리, 청정연료의 광합성, 양자태양전지, 염료 감응 태양 전지 나노미터 크기의 다공질 촉매제

극미세 오염물질을 제거할 수 있는 다공질 물질 자동차산업에서 금속을 대체할 나노 입자 강화 폴리머

무기물질, 폴리머의 나노 입자를 이용한 내마모성, 친환경성 타이어

나노 센서를 이용한 배기가스 검사 및 공장 폐수 수질 검사, 식품 품질 검사 산소를 이용한 오염 물질 분해에 이용하는 전기 분해 촉매

탄소 나노튜브를 활용한 수질 환경 정화 시스템

항공우주

저전력, 항방사능을 갖는 고성능 컴퓨터 마이크로 우주선을 위한 나노기기

나노 구조 센서, 나노 전자공학을 이용한 항공 전자공학 내열, 내마모성을 갖는 나노 코팅

출처: 나노산업기술연구조합

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읽 을 거 리 2

나노크기 짐작하기

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39

읽 을 거 리 3

무어의 법칙

무어의 법칙 (영어: Moore's law)은 반도체 집적회로의 성능이 18개월마다 2배로 증가한다는 법칙 이다. 경험적인 관찰에 바탕을 두고 있다. 인텔의 공동 설립자인 고든 무어가 1965년에 내 놓은 것이다.

“ 부품 제조 비용이 최소가 되는 복잡함은 해마다 대략 2배의 비율로 증가해 왔다. 단기적으로는 이 증가율이 올라가지 않아도, 현상을 유지하는 것은 확실하다. 적어도 앞으로 10년 동안 거의 일 정한 비율을 유지할 수 없다고 믿을 이유는 없으나 보다 장기적으로는 증가율은 조금 불확실하다.

이 말은 1975년까지는 최소 비용으로 얻을 수 있는 집적회로의 부품 수는 65,000개에 이를 것이 다. 나는 그 만큼의 대규모 회로를 1 개의 회로판 위에 구축할 수 있을 거라고 믿는다.”

— 1965년 4월 19일, 일렉트로닉스 (잡지)에 실린 논문 "Cramming more components onto integrated circuits"

무어의 법칙의 세 가지 조건은 다음과 같다.

1. 반도체 메모리칩의 성능 즉, 메모리의 용량이나 CPU의 속도가 18개월에서 24개월마다 2배씩 향상된다는 '기술 개발 속도에 관한 법칙'이다.

2. 컴퓨팅 성능은 18개월마다 2배씩 향상된다.

3. 컴퓨팅 가격은 18개월마다 반으로 떨어진다.

http://in.renesas.com/products/common_info/relia bility/en/concept/totalquality/index.jsp

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볼 거 리

‘작아져서 좋은 것’에 관련된 영화 모음

마블의 만화영화가 영화로 탄생한 2015년 작품. 하나뿐 인 딸에게 멋진 아빠이고 싶지만, 현실은 생계형 도둑 인 스콧 랭(폴 러드). 어느 날 그에게 몸을 자유자재로 늘리거나 줄일 수 있는 핌 입자를 개발한 과학자 행크 핌(마이클 더글라스)이 찾아와 수트와 헬멧을 건네며

‘앤트맨’이 되어 줄 것을 요청한다. 어리둥절 하지만 일 단 한번 해보기로 결심한 스콧 랭은 행크 핌의 딸인 호프(에반젤린 릴리)의 도움을 받아 점차 히어로의 면 모를 갖추어가고, 그의 스승이자 멘토인 행크 핌 박사 를 도와 핌 입자를 악용하려는 세력을 막아야 한다. 작 은 고추가 맵다는 진실을 보여주는 영화

1987년 작품이지만 내용이 흥미롭고 ‘나노 의학’ 에 관 련된 이야기를 재미있게 풀어낸 작품. 공군 조종사 다 크 펜델톤(데니스 퀘이드 분) 중위는 눈에 보이지 않을 정도로 작아진 잠수정을 타고 사고로 잭이라는 사람의 몸속에 들어가게 된다. 최신 기술을 사고파는 첩보원으 로부터 정보를 지켜야하는 다크와 잭, 그리고 그의 여 자친구 리디아가 펼치는 모험 이야기, 인체 내부의 특 수효과가 재미있다.

1989년 작품으로 오래되었지만 작아진 사람들이 느끼 는 세상에 대한 색다른 시각을 보여줄 수 있는 영화.

극소로 줄어버린 아이들의 소동을 담은 이야기이다. 작 아져버린 사람에 비하여 엄청나게 큰 주위의 물건들을

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행 복 거 리

반도체 공학 기술자란?

10년후 상위20개 직업 중 하나로 꼽히는 반도체 공학 기술자는 냉장고, 텔레비전, 세탁기 등의 가 전제품과 의료기기, 컴퓨터, 휴대폰 등 전자제품에 사용되는 반도체의 기술적 성능을 개선하거나 새로운 기능과 성능을 가춘(갖춘) 반도체를 개발한다.

반도체에 대한 전반적인 기술적 지식을 활용하여 반도체의 제조,조립을 위한 공정별 최적조건(온 도, ,압력, 시간, 사용량, 처리방법 등)을 설정하기도 하며 반도체 제조에 필요한 설비와 장비를 시 운전하여 조작, 운영방법을 규정하고 작업자에게 지시하고, 불량제품의 원인을 분석하고 그 대책 을 수립한다.

또한 기술적 성능을 개선하고 부품, 제품 및 시스템에 사용되는 전자적 특성에 대한 변형과 응용 에 대해 계획하고 개발하고 새로운 장비나 설비에 대하여 실험가동하여 적정조건유지를 검토하고 제반공정조건을 규정하고 작업원들에게 장비조작방법 및 제반조건에 관한 교육을 한다.

반도체와 전기공학 등 반도체설계 및 제작과 관련된 학문에 대한 지식과 흥미를 가지고 있어야 하며, 수학, 물리, 화학 등 기초적 과학 분야에 대한 재능이 요구된다. 각종 컴퓨터 응용 프로그램 과 반도체 설계 장비 등을 능숙하게 활용할 수 있는 능력이 요구되며, 계속해서 발전하는 새로운 기술을 습득하려는 노력과 자기계발

자세가 필요하고 새로운 것에 호기 심이 많고, 전자제품이나 컴퓨터와 같은 전자기기를 다루기 좋아하는 사람에게 적합하다. 기본적으로 수 학과 물리학과 같은 이공계 과목을 좋아하고, 복잡한 수식을 잘 이해하 고 계산할 수 있는 사람에게 좋고 새로운 기술의 개발을 위한 창의력 과 문제해결을 위한 분석적 사고능 력, 판단력이 요구되며 전기전자와 관련된 이공계 관련 지식이 필요하 다. 마지막으로 다른 분야의 기술자 와 팀을 이루어 하는 일이 많으므로

리더십, 협동심, 원만한 인간관계가 요구된다.

관련 학과로는 반도체학과 , 신소재공학과 , 전기공학과 , 전기전자공학과 , 전자공학과 등에 진학 하여 공부할 수 있다.

참조: 커리어 넷

(42)

융 합 인 재 교 육 ( S T E A M ) 프 로 그 램

(43)

43 않는 것

․나노(10^-9m)크 예상하지 못한기에서는 일어난다일들이

․잉크에전기가 흐른다고

(44)

나노입자 전기회로를 바꾸다.

물질의 색깔, 밀도, 전도성 등의 성질들은 거시적인 세계에서는 물질의 크기에 따라 달라지지 않는 물질 고유의 성질들이다. 하지만 물질의 크기가 나노 단위로 작아지면 거시세계와 달리 물질의 성질이 새로운 양상을 띠게 된다. 원자나 분자 단위의 정밀한 조작과 분석이 가능한, 발전 가능성이 무궁무진한 첨단기 술로서 나노 기술이 세계적인 관심을 받고 있음에 따라 나노입자의 특징과 나노 기술의 발전 가능성에 대해 이해할 필요가 있다.

* 내용목표

- 금속의 크기에 따라 질량, 부피, 밀도, 저항, 전기전도도 등을 측정할 수 있고, 거시세계에서는 크기와 관계없이 일정한 물질의 성질이 있음을 이해할 수 있다.

- 입자 크기에 따라 금의 성질이 달라짐을 이해하고 나노 크기에서는 물질의 성질이 거시적인 세계와 다른 양상을 띰을 이해할 수 있다.

- 그래핀과 흑연은 같은 원자로 이루어졌음에도 전기전도성이 크게 다르다는 것을 알 수 있다.

- 나노입자를 이용한 전도성 잉크로 전류가 흐르는 회로를 만들 수 있다.

* 과정목표

- 목표에 맞는 실험 설계, 데이터 수집, 결과 분석, 결론 도출의 과정을 통해 과학적 탐구능력을 기를 수 있다.

- 거시세계와 다른 나노 세계의 특징을 이해하며 과학기술에 대한 흥미를 키울 수 있다.

- 과학적 상상력과 창의력을 발휘하여 나노입자의 활용 가능성에 대해 탐색할 수 있다.

(45)

45 과학

과학과 문명

(1) 정보 통신과 신소재

⑦ 고분자 물질의 구조와 특성을 바탕으로 합성섬유, 합성수지, 나노 물질 등 다양한 첨단 소재의 원리와 활용 방법을 이해한다.

물리I

(나) 물질의 구조와 성질

② 에너지띠 이론을 정성적으로 이해하고, 전도성을 기준으로 도체, 반도체, 절연체 등의 차이를 안다.

미술

미술의 확장_미술과 통합

① 미술과 그 밖의 예술, 과학, 기술, 환경 등 다양한 분야와의 통합을 이해한다.

② 다양한 분야의 지식과 기술을 마술에 창의적으로 적용한다.

기술가정

(4) 미래 기술과 사회

(다) 융합적 기술과 관련된 문제를 체험 활동을 통해 이해하고, 수학, 과학, 공학, 예 술 교과와의 연계를 통한 통합적 관접에서 융합적 기술 프로젝트를 창의적으로 해 결할 수 있다.

상황제시

해리포터 영화를 보면 신문 속 그림이 영상처럼 재생이 되는 것을 볼 수 있다. 3D프린터는 2D프린터가 글자나 그림을 인쇄 하듯이 입력된 도면을 바탕으로 3차원 입자 물품을 만들어내 는 장치이다. 3D프린터는 의류, 축구화, 인공관절, 공예품, 부품 등 다양한 분야에서 새로운 제작 방법으로 활용되고 있다. 우 리주변에 있는 전자기기 속의 전기회로는 딱딱한 보드에 납땜 된 소자들로 이루어져 있다. 전기회로도 프린터로 인쇄하여 옷, 유리창, 종이와 같이 구부러지거나 투명한 곳에 만들 수는 없 을까?

교과목 STEAM 요소

과학 S

창의적 설계

물질의 크기에 따라 달라지는 성질과 달라지지 않는 성질을 실험을 통해 확인해보자. 나노 크기에서는 물질의 성질이 새로 운 양상을 띤다는 것을 실험과 자료를 통해 알아보자. 나노입 자를 이용한 전도성 잉크로 전류가 흐르는 회로를 만들어 보 자. 전도성 잉크를 이용하여 만들 수 있는 창의적인 전기회로 를 설계해보자.

교과목 STEAM 요소 과학,

물리I, 미술, 기가

S, A, T/E

감성적 체험 (성공의

경험)

나노입자를 이용하여 전도성이 큰 전도성 잉크를 만들 수 있다 는 것을 이용하여 구부러지거나 투명한 전기회로를 만들 수 있 다.

전도성 잉크를 활용하여 만들 수 있는 창의적인 전기회로를 구 상해보자.

교과목 STEAM 요소 과학

미술 A

(46)

해리포터 영화를 보면 신문 속 그림이 영상처럼 재생이 되는 것을 볼 수 있다. 우리주변에 있는 전자기 기 속의 전기회로는 딱딱한 보드에 납땜 된 소자들로 이루어져 있는데, 전기회로도 프린터가 글자나 그 림을 인쇄하듯이 프린터로 인쇄하여 옷, 유리창, 종이와 같이 구부러지거나 투명한 곳에 만들 수는 없을 까?

나노입자를 이용한 전도성 잉크로 전기회로를 만들어보자. 전도성 잉크를 이용하여 만들 수 있는 창의적 인 전기회로를 구상해보자.

주제 내용 수업실행

과목

STEAM 요소

1차시

크기가 변해도 변하지 않는

것

물질의 여러 가지 성질 중에는 크기에 따라 변하는 성질과 크기에 따라 변하지 않는 성질이 있다. 금속 의 크기에 따라 질량, 부피, 밀도, 전류, 전기전도도 등을 측정하면서 거시세계에서는 크기와 관계없이 일 정한 물질의 성질이 있음을 이해할 수 있다.

과학 S

2차시

나노(10^-9m) 크기에서는 예상하지 못한 일들이

일어난다

거시세계와 달리 나노세계에서는 입자 크기에 따라 물질의 성질이 달라진다. 입자의 크기에 따른 금의 성질에 대한 글을 읽고 금 가루와 금 나노입자의 특 징을 비교할 수 있다. 또한 그래핀과 흑연은 같은 원 자로 이루어졌음에도 전기전도성이 다르다는 것을 알 수 있다.

기술가정 또는 과학

S, T/E, A

3차시

잉크에 전기가 흐른다고?

전도성 잉크는 전기전도성이 있는 잉크로, 전도성 잉 크를 이용하면 종이, 옷 등 다양한 물체 위에 전기회 로를 그릴 수 있다. 나노입자를 이용한 전도성 잉크 로 종이 위에 전류가 흐르는 전기회로를 만들어보자.

전도성 잉크를 이용하여 만들 수 있는 창의적인 전기 회로를 구상해보자.

과학 또는

미술 A

(47)

47

평가 목표 내용 평가요소 종류 차시

과학적 탐구능력

함양

* 금속의 크기에 따라 여러 성질들을 측정해보며 크기에 따라 변하는 성질과 변하지 않는 성질 구분하는 탐구능력 함양

* 거시적인 크기의 알갱이와 달리 나노입자일 때 달라지는 특성에 대한 이해

* 나노입자를 이용한 전도성 잉크로 종이 위에 전류가 흐르는 전기회로를 만드는 탐구능력 함 양

* 금속의 크기에 따른 성질 비교

* 거시적인 입자 와 나노 크기 입 자의 특성 이해

* 나노입자를 이 용한 전도성 잉크 를 이용한 전기회 로 구성

보고서 평가

1, 2, 3

창의적 사고 능력 함양

* 전도성 잉크를 이용하여 만들 수 있는 창의적 인 전기회로 구상

* 창의적인 전기 회로 구상

보고서 평가 3 소통 능력

함양

여러 실험을 모둠별로 수행하는 과정에서 과학적 의사소통 능력 향상, 자신이 구상한 창의적인 전 기회로를 발표하면서 발표능력 향상

평가 없음

1, 2, 3

(48)

차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3) 차시별 교수학습 지도안(1/3)

수업주제 크기가 변해도 변하지 않는 것 대상 고 차시 1/3

학습목표 금속의 크기에 따라 질량, 부피, 밀도, 전류, 전기전도도 등을 측정하면서 거시세계에서는 크기와 관계없이 일정한 물질의 성질이 있음을 이해할 수 있다.

STEAM

단계 상황 제시, 창의적 설계 연계과목 과학

연계과목 과학

준비물 활동지, 철판, 구리판, 알루미늄판, 가위, 자, 저울, 계산기 지도상의

유의점

금속의 크기에 따라 여러 가지 성질을 측정하면서 크기에 따라 달라지는 성질과 크기에 관계없이 달라지지 않는 성질이 있음을 구분하도록 지도한다. 특히, 크기에 따라 달라지지 않는 물질의 고유한 성질이 있음을 도출할 수 있도록 지도한다.

흐름 시간

(분) 교수-학생 활동 비고

도입 5

• [Solve the problem] 상황 제시

- 우리주변에 있는 전자기기 속의 전기회로는 딱딱한 보드에 납땜 된 소자들로 이루어져 있는데, 전기회로도 프린터로 인쇄하여 옷, 유리창, 종이와 같이 구부러지거나 투명한 곳에 만들 수는 없을까?

• 동기 유발

- 3D프린터, 나노입자를 활용한 기술 등을 소개하고 들어본 경험 이 있는 지 공유한다.

S, T

전개 40

• 동일한 크기의 철판, 구리판, 알루미늄판의 색깔, 질량, 부피를 측정해본다.

• 철판, 구리판, 알루미늄판을 각각 가로방향과 세로방향에서 절 반으로 자른 후, 색깔, 질량, 부피를 측정해본다.

• 금속판을 자르기 전과 후의 밀도를 계산해본다.

• 금속의 여러 가지 성질 중 크기가 달라질 때 달라지는 성질과 크기가 달라져도 변하지 않는 성질을 구분해본다.

S

(49)

49

크기가 변해도 변하지 않는 것 크기가 변해도 변하지 않는 것 크기가 변해도 변하지 않는 것

학습 목표 여러 가지 금속의 성질이 크기에 따라 어떻게 변화하는지 실험을 통해 확인할 수 있다.

거시세계에서는 크기에 따라 달라지지 않는 물질의 성질이 있음을 이해할 수 있다.

해리포터 영화를 보면 신문 속 그림이 영상처럼 재생이 되는 것을 볼 수 있다. 우리주변에 있는 전자기기 속 의 전기회로는 딱딱한 보드에 납땜 된 소자들로 이루어져 있는데, 전기회로도 프린터가 글자나 그림을 인쇄 하듯이 프린터로 인쇄하여 옷, 유리창, 종이와 같이 구부러지거나 투명한 곳에 만들 수는 없을까?

활동1 금속판의 크기에 따른 색깔, 질량, 부피, 밀도 측정하기

세 종류의 금속판(철판, 구리판, 알루미늄판)을 이용하여 두 가지 실험을 해보자.

(50)

[실험1]

① 동일한 크기의 세 종류의 금속판을 준비하고 금속판의 가로, 세로, 두께를 자와 버니어캘리퍼 스로 측정해보자.

철판 구리판 알루미늄판

가로(cm) 10 10 10

세로(cm) 10 10 10

두께(cm₎ 0.03 0.03 0.03

② 각 금속의 부피를 계산해보자. 몇 cm^_인가?

부피(cm^) 3 3 3

③ 각 금속의 색깔을 관찰하여 기록해보자.

색깔 회색 반짝이는 동색 반짝이는 은색

④ 각 금속의 질량을 측정해보자. 몇 g_인가?

질량(g) 23.63 26.59 8.24

⑤ 각 금속의 밀도를 계산해보자. 몇 g/cm^인가?

※ 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 물리량이다. 즉, 밀도  부피

질량로 구한다.

질량(g₎ 23.63 26.59 8.24



(51)

51 이번에는 세 종류의 금속판을 모두 가로 세로 방향으로 절반으로 잘라보자.

① 금속판의 가로, 세로, 두께를 자와 버니어캘리퍼스로 측정해보자.

가로(cm) 5 5 5

세로(cm) 5 5 5

두께(cm) 0.03 0.03 0.03

② 각 금속의 부피를 계산해보자. 몇 cm^인가?

부피(cm^) 0.75 0.75 0.75

③ 각 금속의 색깔을 관찰하여 기록해보자.

색깔 회색 반짝이는 동색 반짝이는 은색

④ 각 금속의 질량을 측정해보자. 몇 g인가?

질량(g) 5.85 6.65 2.05

(52)

⑤ 각 금속의 밀도를 계산해보자. 몇 g/cm^인가?

※ 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 물리량이다. 즉, 밀도  부피

질량로 구한다.

질량(g₎ 5.85 6.65 2.05

부피(cm^) 0.75 0.75 0.75

밀도(g/cm^) 7.80 8.87 2.73

1.

크기를 절반으로 줄이기 전과 후에 각 금속의 색깔, 질량, 부피, 밀도가 어떻게 달라졌는지 기 록해보자.

색깔 질량 부피 밀도

은판 변하지 않았다 감소했다 감소했다 거의 변하지

않았다

구리판 변하지 않았다 감소했다 감소했다 거의 변하지

않았다

알루미늄판 변하지 않았다 감소했다 감소했다 거의 변하지

않았다

2.

금속의 부피, 색깔, 질량, 밀도가 금속의 크기와 어떤 관련이 있는지 설명해보자.

부피, 질량은 금속의 크기에 따라 변하지만 색깔과 밀도는 크기와 관계없이 일정하다.

Tip

< 교사를 위한 수업팁 >

(53)

53

Tip

< 교사를 위한 수업팁 >

1. 버니어 캘리퍼스(사진 (가))는 길이를 정밀하게 측정하고자 할 때 사용한다.

사진 속의 망치처럼 생긴 두 개의 작은 막대를 jaw라고 부른다. 버니어캘리퍼스는 두 쌍의 jaw가 있는데 하나는 외경 측정용, 하나는 내경 측정용이다. 사진(나)와 같이 큰 jaw 사이에 길이를 재고자 하는 물체를 끼워넣어 물체의 외경을 측정하고, 사진(다)와 같이 물 체 사이에 작은 jaw를 벌려 넣어 내경을 측정한다.

(가) (나) (다)

2. 버니어 캘리퍼스 눈금 읽는 법

버니어 캘리퍼스는 두 종류의 눈금을 사용하여 길이를 측정한다. 먼저 아래쪽 눈금의

‘0’이 위쪽 눈금에서 어느 값 사이에 위치하는지 확인한다. 사진(라)와 같은 경우 아래쪽 눈금의 ‘0’이 위쪽 눈금의 4와 5 사이에 위치한다. 이것은 길이의 일의 자리 값을 알려준 다. 즉, 측정한 길이는 4.xx (mm)이다. 소숫점 아래의 숫자는 위쪽 눈금과 아래쪽 눈금이 완전히 일치하는 선을 아래쪽 눈금에서 읽어서 확인한다. 즉, 사진(라)의 굵은 화살표가 가 리키는 위치가 두 눈금이 일치하는 위치인데, 이것은 아래쪽 눈금에서 3.5에 해당한다. 즉, 소숫점 첫째자리가 3, 소숫점 둘째자리가 5가 된다. 결과적으로 측정한 길이는 mm이 다.

[사진 출처 및 내용 참고 : http://walkuere.tistory.com/40]

(54)

활동2 크기에 따라 변하는 성질과 변하지 않는 성질

다음은 물질의 성질에 관한 글이다.

에탄올의 양에 따른 가열곡선 [출처 : 눈높이대백과]

(가) 물질이 갖는 성질은 여러 가지 기준으로 나누어볼 수 있다. 그 중 한 가지 기준은 그 성 질의 크기가 물질의 양에 따라 변하는가, 그렇지 않는가이다. 물질의 양이 달라지면 그에 비 례하여 크기가 달라지는 성질을 크기 성질, 물질의 양이 달라져도 크기가 변하지 않는 성질 을 세기 성질이라고 한다. 예를 들어 질량은 ( A )이다. 왜냐하면 물질의 양이 두 배가 되면 질량이 두 배가 되기 때문이다. 부피는 ( B )이다. 일정한 온도에서 질량이 두 배 가 되면 부피도 두 배가 된다. 밀도는 질량이 달라지더라도 변하지 않는다. 같은 온도에서 금 1g의 밀도와 금 2g의 밀도는 같다. 따라서 밀도는 ( C )이다. 물질의 특성이 되기 위해 서는 성질이 물질의 양에 따라 변하지 않아야 한다. 물질의 특성이 될 수 있는 성질은 ( D )

(나) 고체가 액체로 되거나 액체가 고체로 되는 동안에는 온 도가 변하지 않는데, 이때의 온도를 각각 녹는점, 어는점이라 고 한다. 같은 물질인 경우 녹는점과 어는점은 같다. 예를 들 어 얼음은 0℃에서 녹고, 물은 0℃에서 언다. 끓는점은 액체 가 끓어 기체로 변하는 동안 일정하게 유지되는 온도이다.

일정한 압력에서 순수한 물질의 끓는점은 물질의 종류에 따 라 각각 일정한 값을 가진다. 녹는점과 어는점, 끓는점은 물 질의 양에 관계없이 물질에 따라 다르다. 아래 그래프와 같 이 에탄올의 양을 달리하면서 가열 곡선을 그려보면 끓는점

에 도달하는 시간은 다르지만, 끓는점은 액체의 양에 관계없이 일정하다.

(다) 물질의 저항은 그것이 만들어진 물질과 면적에 의존한다. 길이가 같은 물질에서 저항은 면적에 반비례한다. 예를 들어 두꺼운 구리 전선은 같은 종류의 얇은 구리전선 보다 저항값 이 더 작다. 또한 같은 면적의 물질에서 저항은 길이에 비례한다. 예를 들어 긴 구리전선은 같은 종류의 짧은 구리 전선보다 더 큰 저항을 가진다. 그러므로 어떤 물질의 길이가 _{, 단면}

(55)

55

1.

제시문 (가)를 읽고 빈칸 A ~ D에 들어갈 말을 적어보자.

A B C D

크기 성질 크기 성질 세기 성질 세기 성질

2.

제시문 (나)를 읽고 녹는점과 어는점, 끓는점은 크기 성질인지 세기 성질인지 판단해 보자.

녹는점 어는점 끓는점

세기 성질 세기 성질 세기 성질

3.

제시문 (다)를 읽고 저항(



_{)과 비저항(}), 전기전도도()는 크기 성질인지 세기 성질인지 판단해 보자.

저항(



₎ _비저항() 전기전도도()

크기 성질 세기 성질 세기 성질

4.

이외에도 물질의 성질 중 크기에 따라 달라지지 않는 것이 있을까? 있다면 어떤 성질이 있는지 적어보자.

표면장력, 굴절률, 점도, 용해도 등이 성질이 크기에 따라 변하지 않는 세기성질에 해당한다.