< 본교 주변 환경 >
1. 개요
□ 연구목적 가. 연구 동기
우리학교 뒷산에는 소나무가 많다. 뒷산을 올라가다 보면 많은 양의 솔방울들이 있는데 어떤 때는 실편이 활짝 열려 있고, 어떤 때는 완 전히 닫혀 있는 것을 보게 되었다.
이러한 솔방울의 모습에 대해 흠미 를 가지고 솔방울의 특징에 대하여 조사해 보던 중, 솔방울이 습도에 따 라 모양이 변하는 특징이 있다는 것 을 알게 되었다. 조사 결과에 따르면 솔방울은 수분을 많이 흡수하면 씨앗 을 보호하기 위해 실편이 오므라들 고, 수분이 없으면 다시 실편이 펴진 다고 한다. 우리는 이러한 특징을 이용하여 습도에 따라 개폐여부를 조절할 수 있는 기구를 만들어 생활에 사용할 수 없을까 하는데 까지 생각이 미치게 되었다.
여러 가지 도구 및 기기들을 생각해 보던 중, 가정에서 많이 사용하 고 있는 습기제거제 “물먹는 하마”는 한번 뜯으면 외부 습도의 변 화가 어떠하든지 항상 공기 중의 수분을 흡수하므로 외부 습도가 일 정 %이상이 될 때만 열리는 제습제를 담는 개폐장치가 있으면 좋겠 다는 생각을 하게 되었다. 설정한 습도 이상에서만 열리고 그 이하에 서는 스스로 닫히는 기기를 만든다면 제습제를 보다 효율적이고 경제 적으로 사용할 수 있을 것이다. 따라서 우리는 이러한 생각을 가지고 실편 개폐의 과학적 원리를 탐구하고, 설정한 습도 이상에서만 열리 는 습도변화에 따라 열리고 닫히는 기기를 설계하고 제작해 보고자 하였다.
[ 솔방울 ]
나. 연구주제의 선정
학교 뒷산 소나무 솔방울 실편이 때에 따라 열려있기도 하고 닫혀있기도 하는 것을 보고 흥미를 가졌으며, 한 기사에서 솔방울을 이용하여 습기조절 을 할 수 있다는 사실을 접하게 되었고 이에 대해 조사하던 중, 솔방울이 습도변화에 따라 벌어지고 닫힌다는 사실을 알게 되었다. 우리는 이 현상의 메커니즘을 규명하고 그 기능을 모방하여 습도조절기기를 제작해보고자 한다.
□ 연구 목적
1) 솔방울의 개폐와 수분 흡수량의 상관관계 조사
2) 솔방울 실편의 겉과 속 분리, 추출 및 성분물질 분석 3) 습도변화에 따라 개폐되는 습도조절기기 제작
2. 연구의 수행
□ 이론적 배경 및 선행 연구 가. 소나무
1) 소나무의 일반적인 특징
소나무는 씨방이 없이 씨가 겉으로 드러나는 겉씨식물이며, 암꽃과 수꽃은 새로 나온 가지 의 끝에서 핀다. 암꽃은 많은 꽃이 모여 만들 어진 구화이며, 자주색이고 길이 6mm의 달걀 모양이다. 열매도 마찬가지로 달걀 모양으로 지름 3cm, 길이는 약 4.5cm이다.
솔방울은 소나무의 암꽃이 수정 후 자라서 만들어지는 소나무의 열 매이다. 수분이 이루어지면 구화이던 암꽃은 구과가 되는데, 구화일 때 자주색을 띠던 어린 솔방울은 구과가 된 후 초록색이 되고, 이후 약 1년이 지나면 갈색의 솔방울이 된다. 열매 조각은 70에서 100개에
달한다. 성숙한 솔방울은 다수의 실편이 모여 있는데, 각각의 실편에 는 두 개의 배주가 붙어 있고 나중에는 두 개의 날이 달린 종자로 된 다.
[ 소나무의 꽃과 종자 ]
종자 날개
[솔방울의 씨앗]
나. 솔방울
솔방울의 실편은 솔방울을 보호하는 역할을 하기도 하는데, 우천시 에 종자를 보호하기 위해 오므라들고, 건조하고 맑은 날씨에는 종자 를 퍼뜨리기 위해 활짝 열리는 특성이 있다.
[습한 날씨에 닫힌 실편의 모습] [건조한 날씨에 열린 실편의 모습]
1) 솔방울의 외형적 특성
솔방울의 구조를 보면 바깥쪽은 검은 갈색 부분으로 윤기가 나고 볼 록하다. 마름모꼴 모양의 두꺼운 층이 있고, 높낮이가 다르고, 실편 받침이 있는 곳은 두껍다. 안쪽은 종자가 있던 자리에 반구형의 홈이 2개 있으며 오목하고 윤기가 강하다. 실편 받침은 실편이 움직일 때 는 지렛대 원리의 받침대 역할을 하고, 안쪽 종자가 들어 있는 부분 은 약 2/3 지점까지 뒤에서 덮여 있고, 흰 섬유질이 들어있다. 실편의 수는 약 85-105개이고 솔방울에 따라 다르다.
[ 솔방울의 구조 ]
2) 솔방울의 수분 흡수
솔방울은 물에 넣으면 실편들을 밑 에서부터 닫고, 건조하여 열릴 때도 밑에서부터 열린다. 오래된 솔방울 일수록 빨리 닫히며, 시간차가 많이 나고, 솔방울이 물에서 숙여지는 각 도가 매우 크다. 솔방울 부분별 물 흡수를 보면 중심체 부분은 거의 흡 수하지 않고, 섬유질은 매우 느리게
변화하며, 섬유질과 갈색의 코르크층이 있을 때 빨리 일어난다. 닫히 는 원리는 가지에 붙은 쪽의 작은 실편들이 닫히면서 모세관 현상에 의해서 물이 안쪽으로 흡수되며, 작은 실편들이 닫히면서 그 위쪽의 실편들을 밀면 물은 물방울의 중심 쪽으로 흡수되어 실편 받침 있는 쪽으로 들어가 실편의 바깥쪽이 삼투압에 의해서 늘어나는 속도 차에 의해서 안쪽으로 굽는다.
다. 선행 연구
전람회 주제 출품자 연구 내용 요약
26회 생물
솔방울은 왜 벌어지고 닫힐까?
거제 명사초등
학교4학 년 박정희
1.솔방울은 물에 젖으면 밑에서 닫히고 위로 소용돌 이 방향으로 닫혀간다.
2.솔방울이 마르면 밑에서부터 열리는 것은 아래쪽 비늘이 위쪽보다 갈색 층이 두터워 신축성이 크기 때문이다.
29회 생물
솔방울은 어떻게 벌어지고 오물어지는가?
장등초등 학교 6학년 전영주,
이영주
1.솔방울에서 실편이 벌어지는 개폐각도는 아래쪽 실 편일수록 커진다.
2.한 장의 실편에서 내층보다 외층의 신축률이 크고 3등분하였을 때 밑 부분과 끝부분은 신축적이나 가 운데 부분은 신축력이 약하다.
55회 생물
우리학교 배수구에 떨어진 솔방울은 왜 닫혀
있을까?
서산중학 교 2학년
이석종
1.실편이 열리는 것은 실편의 가운데가 두텁고 가장 자리가 얇기 때문이다.
2.실편이 닫히는 원리는 모세관현상, 삼투현상이 연 쇄적으로 일어나 실편들의 각도 차이에 의해 상호 보완적인 물의 흐름이 생기기 때문이다.
□ 연구 주제
“솔방울 실편의 개폐 특성 분석과 습도조절기기 개발에 관한 연구”
수행을 위한 연구 과제는 다음과 같다.
연구 과제 1. 솔방울 실편의 부위별 특성 분석 연구 과제 2. 수분에 따른 솔방울의 변화 분석
연구 과제 3. 습도 변화에 따라 자동 개폐되는 기기 제작
□ 연구 절차
탐구절차 구체적 활동 내용 일자 역할
분담 주제 탐색 관심 분야 자료 조사
논문 검색 및 토의 2013.03~2013.04 전체
주제 설정 연구 주제 설정
연구 목적 설정 2013.04~2013.06 전체
선행 연구 조사 논문 분석
인터넷 자료 검색 2013.06~2013.07 전체
실험 준비 실험 방법 숙지
실험 기구 및 재료 준비 2013.07 전체 솔방울 실편
구조 분석 SEM을 이용한 구조 분석 2013.08 전체 솔방울 실편
성분 분석 GC-MS를 이용한 성분 분석 2013.08 전체 솔방울
개폐각도 측정
습도 변화에 따른 개폐각도 변화
측정 2013.09 전체
솔방울
물 흡수량 측정 솔방울의 물 흡수량 측정, 평균 2013.10 전체 제습 기기 제작 솔방울 실편의 개폐 원리 이해
제습 기기 제작 2013.10~2013.11 전체 보고서 작성 사진 및 연구노트 정리
보고서 작성 2013.06~2013.11 전체
□ 연구 활동 및 과정
연구 과제 1 솔방울 실편의 부위별 특성 분석
1) 솔방울 실편의 부위별(겉, 속) 구조 분석 가) 실험 재료
① 시료 및 시약 : 솔방울
② 실험도구 : SEM, 핀셋, 문구용 칼 나) 실험 과정
① 솔방울 실편을 핀셋으로 분리한다.
② 실편 한 개를 문구용 칼로 겉쪽과 안쪽으로 분리한다.
③ 분리한 실편을 실체현미경, SEM을 이용해 관찰, 사진을 찍는다.
2) 솔방울 실편의 부위별(겉, 속) 성분 분석 가) 실험 재료
① 시료 및 시약 : 솔방울, Hexanes (95% n-Hexane)
② 실험 도구 : GC-MS, 건조기, 회전 진공 농축기, 둥근 바닥 플라 스크, 클램프, 삼각 플라스크, 교반기, 깔때기, 페트리 접시, 핀셋, 수조, 문구용 칼, 전자저울
나) 실험과정
① 수조에 물을 채우고 솔방울을 담가 놓은 후, 실편이 완전히 닫히 면 솔방울을 물 밖으로 빼낸다.
② 솔방울의 실편을 핀셋을 이용해 하나씩 분리한다.
③ 분리된 실편을 겉과 속으로 분리하고 페트리 접시에 담아 건조 기에서 건조시킨다.
④ 전자저울을 이용하여 각각의 질량을 측정한다.
⑤ 건조시킨 실편을 각각 삼각 플라스크에 넣고, 질량의 10배에 해 당하는 양만큼 n-Hexane을 넣는다.
⑥ 각각의 삼각플라스크를 24시간 교반, 실편의 성분을 추출한다.
⑦ 추출 후 여과 장치로 용액을 거르는 과정을 4회 반복한다.
⑧ 거른 용액을 회전진공농축기를 이용하여 10배 농축시킨다.
⑨ 농축 시킨 용액을 GC-MS를 이용하여 성분 분석한다.
<GC조건> <MS 조건>
연구 주제 2 수분에 따른 솔방울의 변화 분석
1) 습도 변화에 따른 솔방울의 개폐각도 측정
가) 실험 재료
① 시료 및 시약 : 솔방울
② 실험도구 : 소형 톱 기계, 건조기, 수조, 사진기 나) 실험 과정
① 솔방울을 24시간 동안 물에 담근 후 불린다.
② 공작실의 소형 톱을 이용하여 솔방울을 반으로 절단한다.
③ 솔방울의 처음 사진을 찍는다.
④ 솔방울을 건조기(110℃)에 넣고, 10분마다 건조기에서 솔방울을 꺼내 사진을 찍고 다시 건조기에 넣는다.
⑤ 사진 데이터를 포토샵의 ‘Measure Tool’을 이용하여 솔방울의 최상단과 최하단을 축으로 설정한다.
⑥ 축을 실편의 시작부분으로 이동시킨 뒤 실편의 각도를 측정한다.
⑦ 이 작업을 모든 사진에서 반복하여 각도를 모두 측정하고 변화 를 관찰한다.
2) 솔방울의 물 흡수량 측정 가) 실험 재료
① 시료 및 시약 : 솔방울
② 실험도구 : 수조, 전자저울
나) 실험 과정
① 마른 솔방울의 질량을 전자저울로 측정한다.
② 솔방울을 물을 채운 수조에 넣는다.
③ 수조에 넣은 솔방울의 실편이 완전히 닫히면 솔방울을 수조에서 빼낸다.
④ 빼낸 솔방울의 질량을 측정하여, (1)의 질량보다 증가한 양을 측 정한다.
⑤ 데이터를 분석하여 솔방울 무게 당 수분 흡수량을 계산한다.
탐구 과제 3 습도 변화에 따라 자동 개폐되는 기기 제작
1) 습도에 따라 자동 개폐되는 기기 제작
가) 제작 설계
피지컬 컴퓨터에 이용되는 아두이노 칩을 사용하여 LCD패널에 설정 한 습도, 현재습도가 나타나도록 설계하고, 습도를 설정할 수 있는 다이얼과 설정 습도에서 개폐되는 장치를 고안한다.
LCD패널과 장치 구동의 동력은 전원아답터의 사용과 충전 전지의 사용을 겸할 수 있도록 설계한다.
① 실편의 개폐 메커니즘을 모방한 습도조절 기기를 구상한다.
② 구상한 아이디어를 스케치 한다.
<개폐막이 닫혔을 때> <개폐막이 열렸을 때>
③ 스케치한 아이디어를 구상도를 컴퓨터를 이용하여 그린다.
<전체 형태 및 크기> <열렸을 때> <닫혔을 때>
④ 정리한 자료를 바탕으로 전문가의 도움을 받아 기기를 제작하기 위한 구성도를 작성한다.
⑤ 외부 습도에 따라 자동 개폐되는 기기를 제작하고, 구동시킨다.
나) 재료 목록
① 습도 조절함
작동상태를 관찰하기 위한 투명 아크릴함
② 습도센서 : sensirion SHT71 (디지털 온도, 습도 측정센서) 소비전력 80uW (at 12bit, 3V, 1 measurement / s)
상대습도 측정범위: 0 - 100% RH
온도 측정범위: -40 - +125°C (-40 - +257°F) 상대습도 반응시간: 8 sec (tau63%)
입출력: 디지털 (2선 인터페이스)
③ 작동보드
CPU : ATMEGA328 작동전압 : 5V
클록스피트 : 16Mhz
④ 표시장치
LCD1602 블루 LED 백라이트 16글자 2줄
⑤ 조절스위치 : 24 틱/회전 쿼드러처 인코더 스위치
⑥ 서보모터 : 1.6kg/cm 토크, 0.12초/60도 동작속도
다) 습도조절기기 구성도
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
1. 솔방울 실편의 부위별 특성 분석
가. 솔방울 실편의 부위별(겉, 속) 구조 분석 1) 실체 현미경 관찰 결과
실편 1 (겉) 실편 2 (겉) 실편 3 (겉)
실편 1 (속) 실편 2 (속) 실편 3 (속)
2) SEM 관찰 결과
마른 실편 젖은 실편
겉모습 겉모습 겉모습 겉모습
속모습 속모습 속모습 속모습
겉표면이 속표면보다 세포가 많이 구획화되어 있으며, 수분을 흡수했 을 때 겉모습에서 더 많은 팽윤을 보인다. 따라서 실편이 수분을 흡 수하면 겉면이 안쪽으로 휘게 된다.
나. 솔방울 실편의 부위별(겉, 속) 성분 분석
솔방울 인편이 안쪽과 바깥면에서 수분흡수가 다르게 나타나는 것으 로 보아 현미경을 통한 구조 문제뿐 아니라 성분에도 차이가 있지 않 을까 생각하여 GCMS(SHIMADZU-QP2010)를 이용하여 n-Hexane으로 추출한 실편의 겉과 속 성분을 비교해 본 결과이다.
실편(겉) 실편(속)
실편의 성분 분석 결과 겉면은 Longifolene, Phthalate 로 구성된 반 면, 실편의 안쪽 성분은 Longifolene, Phthalate 외에 Pinene, 1-Bomyl acetate, 1,1-Dimethyl-5-tert-butylindane 성분이 더 포함되어 있어 실 편의 안쪽과 바깥 성분을 구성하는 물질이 서로 다름을 확인하였다.
<실편(겉)-정성분석>
<실편(속)-정성분석>
2. 수분에 따른 솔방울의 변화 조사
가. 습도 변화에 따른 솔방울의 개폐각도 측정
시간 솔방울
실편 시작부분 개폐각(。)
실편 중간부분 개폐각(。)
실편 끝부분 개폐각(。)
(시작) 56.3 21.2 15.3
20분 경과 62.0 23.2 17.0
40분 경과 63.2 25.4 19.5
60분 경과 68.4 27.5 20.8
80분 경과 75.9 30.8 24.7
100분 경과 79.5 32.7 41.3
120분 경과 98.8 57.2 60.8
140분 경과 104.6 60.9 64.9
젖은 솔방울을 말리면서 10분 단위로 실편의 부위별 벌어지는 각을 조사한 결과 처음보다 아랫부분(1/3)은 48.3。, 중간부분은 39.7。, 윗 부분은 49.5。 벌어져 아앳부분 > 윗부분 > 중간부분 순으로 벌어지 는 것을 관찰하였으며, 20분 단위로 정리하였다.
나. 솔방울의 물 흡수량 측정
솔방울 1개가 얼마나 많은 양의 수분을 흡수 할 수 있는 지 조사한 결과는 표와 같다.
솔방울 마른
솔방울 질량
물을 흡수한 솔방울 질량
흡수한 물의 양
단위 질량당 흡수한 물의 양(%)
솔방울 1 16.70g 29.59g 12.88g 77.13 솔방울 2 12.23g 21.86g 9.63g 78.74 솔방울 3 12.47g 22.49g 10.02g 80.35
솔방울은 솔방울 질량의 77~80% 정도로 매우 높은 함수율을 보인다.
따라서 솔방울은 가정에서 습도조절물질로 사용할 수 있다.
3. 솔방울 개폐원리를 이용한 기기 제작
솔방울의 외부 습도에 따른 실편 개폐원리를 모방한 기기를 구안, 제 작한 기기는 다음과 같다.
가. 습도조절기기 모습
- 습도조절기기는 개폐막, 온습도 센서, 습도 설정 다이얼, LCD 디스 플레이, 서브모터, 보드(CPU)로 구성되어 있다.
- 설정한 습도와 현재 습도가 LCD 패널에 나타난다.
- 습도 설정은 습도 설정 다이얼을 좌우로 회전하여 변경한다.
- 서브모터가 작동하여 개폐막이 움직인다.
- 습도조절기기는 건전지를 연결하여 사용 할 수 있고, 콘센트에 연 결하여 일반 전기를 사용 할 수도 있다.
나. 설정한 습도보다 현재 습도가 낮을 때
- 설정한 습도 이하 일 때 서브모터는 작동하지 않고, 개폐막이 닫혀 있다.
다. 현재 습도가 설정한 습도 보다 높을 때
- 현재 습도가 설정한 습도 이상 일 때 서브모터가 작동하여 개폐막 이 열린다.
□ 시사점
○ 본 연구는 실편의 개폐원리를 탐구하고 이 메커니즘을 이용하여 습도 에 따라 개폐가 조절되는 기기를 제작하는 것이다. 본 연구를 통한 시사점은 다음과 같다.
S : 솔방울에 대한 사전 자료 검색 및 학습, 실편의 성분 추출, 습도오ㅔ
따른 실편의 개폐 정도 분석 등 과학적 탐구요소를 많이 가진 학생 중심의 탐구형 연구이다.T : 솔방울 단면을 관찰하기 위해 공작기기를 사용법을 익히고 직접 절단하
는 과정과 학교에 비치된 고급기자재(SEM, GCMS)를 활용하여 표면 관찰, 실편의 겉면과 속면의 추출 물질 성분을 분석 및 외부 습도에 따라 자동 개폐되는 장치를 구동하는 활동을 통해 주변의 기기를 연구활동에서 실제 사용하는 기능을 익히는 활동으로 과학고 학생들 에게 매우 유익한 탐구 과정을 수행하였다.E
: 솔방울 인편의 개폐 원리를 모방한 외부습도 변화에 따라 자동 개폐되는 습도조절 장치를 구상하여 디자인하고, 이를 제작하는 과정에서 과학 탐구활동 및 필요한 자료를 얻기 위해 엔지니어링의 중요성 인식과 경험의 장을 제공하였다.A : 송방울 인편의 단면, 실편 겉면과 속의 SEM 사진을 통해 자연구조물의
아름다움을 보았으며, 제작한 습조조절 장치의 겉면을 보기 좋게 디 자인 하는 활동을 통해 예술적 감성을 기를 수 있는 의미있는 활동이 다.M
: 솔방울 인편 각도분석, 물 함유량 분석, 기기제작 조감도 작도 등 수학적 기본 개념을 잘 녹여낸 활동이었다.본 연구는 자연에서 일어나는 현상에 대해 의문을 제기하고, 그 해를 구하기 위해 탐구를 설계하고 수행할뿐 아니라 이를 실생활에 활용가능한 물품제작까지 연계한 것으로 STEAM 역량을 키우는 좋은 계기가 되었다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 본 연구를 통해 제작한 습도조절기기는 실생활에 즉시 적용이 가능하 다. 연구에서 제작한 습도조절기기의 경우 내부 모습을 보이게 하기 위해 아크릴을 이용하여 투명하게 제작 되었지만, 외부면을 아름답게 꾸미고 있다. 본 기기의 활용도는 다음과 같다.
가. 통속에 제습제를 넣어두면 실내 습도를 원하는(설정값 이하) % 이하 로 유지하는 효율적인 습기제거에 이용된다.
예를 들면, 실생활에 많이 사용하는 “물먹는 하마”같은 제습제는 한번 개봉하면 외부 습도량에 상관없이 계속해서 수분을 흡수하므로 사용주기가 짧아지는 문제가 있다. 이것을 본 기기 속에 넣어 두고 습도를 설정하면 높은 섭도일때만 열리게 되므로 제습제의 효율적인 활용이 가능하다. 또한 기기 속에 제습제만 넣어두어도 되므로 “물 먹는 하마” 같은 용길ㄹ 별도 제작하지 않아도 되는 장점이 있다.
나. 본 기기를 천정이 높은 사무실이나 집이라고 가정하면 사람의 손이 닿지 않는 윗면에 환기 창을 내고, 습도를 설정하면 실내가 건조할 경우 스스로 개폐되므로 실내습도를 쉽게 조절할 수 있다.
이상의 장점과 실용성이 충분하다고 생각되므로 발품품 대회에 출 품과 특허 등록을 모색하여 제품화해 보고 싶다.
5. 참고문헌
[1] 박정희, “솔방울은 왜 벌어지고 닫힐까?”, 1980
[2] 전영주, 이영주, “솔방울은 어떻게 벌어지고 오물어지는가?“, 1983 [3] 이석종, “우리학교 배수구에 떨어진 솔방울은 왜 닫혀 있을까?”, 2009 [4] “소나무 구과[솔방울]”, 소나무, http://c0c.wo.to
[5] 권태원, “소나무의 번식 수단”, 사단법인 한국산림사업법인협회, http://www.koreaforest.org, 07.03.15
