51508 경상남도 창원시 성산구 창원대로797 TEL.055-280-3000 / FAX.055-280-3333 www.kims.re.kr
금속. 이름은 두 글자, 활용도는 수만 글자!
메탈의 차가움은 우리를 따뜻하게 한다.
금속아 놀자!
융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램
학생용
P l a y ! M e t a l s
미래를 향한 창의적 인재 KIMS 스팀 교육이 만들어갑니다.
대한민국 소재기술 재료연구소가 이끌어갑니다.
스팀(STEAM)아웃리치 특·장점 설립목적
소재기술과 관련한 분야의 연구개발, 시험평가, 기술지원 등을 종합적으로 수행하여 국가기술혁신을 선도하고 산업발전에 기여하고자 합니다.
금속 소재 및 공정 연구개발
표면 관련 소재 및 공정 연구개발 분말/세라믹 소재 및
공정 연구개발
융·복합 소재 및 공정 연구개발
소재·부품의 공인 시험평가 및 인증 기타 기술지원 및 인력양성
기 능
소재에 대한 융합적 사고 UP
실생활에서 사용되는 다양한 지식을 활용해 소재에 대한 융합적인 사고를 키웁니다.
감성체험으로 흥미 UP
딱딱한 지식 위주가 아닌 직접 문제를 해결하고 깨달음을 얻는
감성체험으로 소재에 대한 동기와 흥미를 향상시킵니다.
감동학습으로 창의적 사고 UP
마음을 움직이는 감동학습으로 새로운 문제를 향한 도전과 열정,
창의적인 사고를 키웁니다.
과학(Science) 기술(Technology)
공학(Engineering)
예술(Arts)
수학(Mathematics)
스팀(STEAM)아웃리치 프로그램이란?
과학(Science), 기술(Technology), 공학(Engineering), 예술(Arts), 수학(Mathematics) 5가지 분야의 학문이 결합된 융합인재 교육을 말합니다.
학생들이 과학기술 현장에서 최신 과학기술을 경험하고 관련 분야로 진학·진로를 설계할 수 있습니다. 또한 학 생들이 과학에 대한 꿈과 끼를 키울 수 있도록 토론·실 습·체험 중심의 아웃리치 활동의 기회를 제공합니다.
S T E A M
융 합 인 재 교 육
KIMS 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 금속아! 놀자
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형상기억합금
금속의 세계에서는 시간을 되돌리는 게 가능하다. 형상기억합금이 그 불가능한 일을 가능하게 만든다. 보통의 금속은 일단 힘을 가해 망가뜨리거나 변형시키면 본래 모양으로 되돌아가지 않는다. 그런데 형상기억합금은 가열하여 온도를 일정하게 맞춰 주면 본래 모양을 되찾는다. 처음의 모양을 기억하고 있다고 해서 ‘형상기억합금’이라 부른다. 니켈과 타이타늄의 합금인 니티놀, 구리-아연-알루미늄 합금 등 2종이 대표적인 형상기억합금이다. 형상기억합금은 1963년 미해군 병기연구소에서 탄생했다. 그 시절 이곳에서는 잠수함 선체용 특수 합금을 제작하려고 여러 금속을 다양한 비율로 섞는 실험을 진행하고 있었다. 그런데 니켈과 이타늄의 합금으로 만든 파이프가 굴곡 시험을 마친 뒤 어느 순간 펴진 채로 발견되었다. 원인을 파악하던 중 어느 연구원이 이 파이프로 담배를 피운 적이 있다는 사실이 밝혀졌다. 즉 구부러져 있던 파이프는 열에 의해 펴지며 처음의 모양으로 되돌아온 것이다. 니티놀은 1969년 지구 밖 달나라에서 화려하게 신고식을 치렀다. 최초로 달 착륙에 성공한 아폴로 11호 달착륙선의 안테나 소재로 쓰인 것이다. 이 안테나는 지구와의 통신을 위한 귀중한 장비였다. 비행 중엔 접혀 있다가 주변 온도가 달 표면과 같아지면 착 펴지도록 설치되었다.
교통수단
자동차, 선박, 열차, 항공기 등 우리 삶에서 빼놓을 수 없는 교통수단에서 금속은 심장과도 같다. 교통수단에 가장 많이 쓰이는 금속은 철강이며, 다음은 알루미늄이다.
경금속 중에서 실용화도 가장 빨랐던 알루미늄 합금인 두랄루민은 자동차, 선박, 항공기 등의 주요 소재로 사용되고 있다. 소리의 속도, 곧 음속보다 빠른 비행기를 초음속 비행기라 한다. 비행기의 속도가 마하 2.7 이상이 되면 비행기의 기체 표면 온도는 200℃ 가까이 올라간다. 이 정도 고온에서는 두랄루민 강도가 떨어지게 된다. 따라서 두랄루민을 대체할 금속이 필요해지는데, 그 역할을 맡은 금속은 타이타늄이다.
건축
금속은 건축에서 안전을 위해 꼭 필요한 건축 소재로 많이 활용되고 있다. 철근은 가늘고 긴 막대 모양의 철강재로, 보통 탄소강이다. 콘크리트 속에 묻혀 ‘철근 콘크리트 구조물’의 뼈대로 쓰이는 경우가 많다. 학교, 아파트, 극장, 빌딩 등 대부분의 건축물이 철근 콘크리트 구조물이다. 재료연구소 건물도 뼈대는 철근으로 이루어져 있다. 철근은 다리를 만드는 데도 중요한 소재이다. 보통 다리를 받치는 교각이 철근 콘크리트 구조물인 까닭에 교각에 많이 사용된다. 우리나라에는 이러한 다리들이 여럿 놓여 있다. 서해대교는 일부 구간이 사장교로 이루어져 있다. 사장교란 튼튼한 탑을 다리의 상판보다 높이 세우고, 탑으로부터 철근 케이블을 비스듬히 내려 다리 상판을 매단 다리를 말한다. 기둥을 많이 세울 수 없는 바다 위에 다리를 건설할 때 주로 사용된다, 미국 샌프란시스코의 명물 금문교는 대표적인 사장교다.
스포츠
사회인 야구의 대부분의 타자들이 나무 배트보다 반발력이 좋아 타구를 빠르게, 또 멀리 보낼 수 있는 알루미늄 배트를 사용한다. 알루미늄 배트는 알루미늄과 스칸듐의 합금으로 만든다. 이 스칸듐은 경주용 자전거의 뼈대, 항공기 부품에도 사용된다.
골프헤드는 골프채의 머리로, 골프공을 직접 때리는 부분이다, 골프헤드가 나무로 된 것은 ‘우드’, 금속으로 된 것은 ‘아이언’이라고 한다. 아이언 골프헤드의 소재로 각광받는 금속은 타이타늄이다. 오늘날 대부분의 골프헤드는 타이타늄 소재를 사용하고 있다.
캠핑 용품 분야에서도 타이타늄은 대세로 자리 잡았다. 가벼우면서도 단단하고, 또 인체에 해도 끼치지 않는다는 장점이 타이타늄을 캠핑족의 동반다로 만들었다. 스푼과 포크가 하나로 뭉친 ‘스포크’, 추운 산속이나 캠핑장에서 따뜻한 차를 마실 수 있는 머그컵, 밥을 지어 먹는 코펠 등에서 대부분 타이타늄이 들어가 있다.
골프채의 골프헤드
스칸듐의 결정
금문교
철근을 이용해 구조물을 손질하는 모습 타이타늄으로 배기 머플러와 서스펜션
스프링을 만든 경주용 오토바이
Module. 01
우리 생활에서 금속이 없다면 무슨 일이 일어날까요?
1 차시
금속아 놀자!
생각열기
우리 주위에서 금속으로 만들어진 물체는 쉽게 볼 수 있습니다.
M군은 금속으로 만든 물체를 보며 왜 단단하고 무거운 금속을 사용해야 하는지 의문이 들었습니다. 가볍고 만들기 쉬운 플라스틱 재료를 이용해도 될 것인데 말이죠.
그렇다면 지금 이 세상에서 갑자기 금속이 사라진다면 과연 무슨 일이 벌어질까요?
생각펼치기
미래사회에서 인류에게 발견되거나 인류가 개발하게 될 금속은 어떤 것이 있을지 생각해보게 한다.
미래에 개발될 금속(형상기억합금)등 에 대한 간단한 소개를 통해 학생들의
창의적인 답변을 유도한다. 학생들은 자신의 경험에 비추어 다양한 답변을 이야기할 수 있다.
적절한 대답이 나오지 않은 경우 교사의 유도된 질문에 따라 ‘우리가 입고 있는 옷을 금속과 같이 강한 재질로 만들어 전투복으로 사용한다.’ 등의 대답을 기대할 수 있다.
형상기억합금은 지금까지 약 300종이 개발되었다. 그러나 실용화 측면에 서는 니티놀이 거의 독보적이다. 니티놀은 형상기억효과(가열하면 본래 모양으로 돌아오는 현상) 및 초탄성효과(변형시켰던 힘을 없애면 본래 모양으로 돌아오는 현상)는 물론 내식성, 가공성도 우수하다.
니티놀은 1980년대부터 의료 분야에도 본격적으로 적용되었다. 좁아지거나 막힌 혈관을 치료해 주는 의료 기구인 ‘스텐트’, 치아 교정용 철사, 치과용 임플란트 등에 니티놀은 유용하게 쓰인다. 정형외과 분야에서는 니티놀이 골절 치료에 쓰인다. 니티놀로 만든 고리로 뼈들을 연결해 주는 것이다. 이 고리는 사람의 체온에 의해 온도가 올라가면 처음 모양으로 되돌아가면
서 뼈를 단단히 고정해 준다.
형상기억합금의 미래
형상기억합금은 밥솥 같은 주방용품에서부터 안경테, 낚싯줄, 기능성 속옷, 우주선의 안테나와 태양전지판, 기차의 유압 배관까지 두루 쓰인다. 이렇게 폭넓은 쓰임새를 지닌 형상기억합금은 미래에 활용도가 더 높아질 것으로 기대된다. 그중 한 가지는 가변형 전지 소재로서의 활용이다. 가변형 전지란 모양을 자유롭게 변형시킬 수 있는 전지다.
미래는 가변형 전자기기
시대가 될 것으로 보이며, 이에 따라 가변형 전지도 자연스럽게 요구된다.
전지에는 일차전지와 이차전지가 있다. 일차전지는 1회용 전지이고, 이차전지는 충전해서 재사용이 가능한 전지다. 휴대전화, 노트북컴퓨터, 전기자동차에 쓰이는 전지가 바로 이차전지다. 이차전지에는 리튬전지, 니켈수소전지, 니카드전지 등이 있는데, 이 중 리튬전지가 가장 실용도가 높다. 이 때문에 가변형 전지는 이 리튬전지를 통해 구현될 가능성이 크다.
몇 가지 실험을 한 결과 가변형 전지는 전지의 충·방전 기능이 우수한 것으로 나타났다.
그런데 가변형 전지의 소재는 변형률과 전기 전도성이 높아야 한다. 형상기억합금은 이러한 성질을 갖춘 소재다. 형상기억합금 중에서도 가장 적합한 소재는 니티놀이다.
한편 가변형 전지의 형태로는 박막형이나 와이어 형태가 유력하다.
금속아 놀자!
스텐트
치과용 임플란트
우리 주위에는 금속으로 된 제품들이 많이 있습니다.
이처럼 금속은 우리 생활에 없어서는 안 될 소중한 재료입니다.
이번 시간에는 금속에 대해 알아보고 금속의 종류와 그 특성을 탐구하여 봅시다.
Module. 01
학생용 교재생각다지기
고온 / 저온 형상기억합금을 관찰하고 응용분야를 생각해본다.
방금 체험해본 형상기억합금의 응용분야를 그림으로 표현하고 설명과 특징을 글로 써봅시다.
질 문
우리 주위에서 금속으로 만들어진 물체는 쉽게 볼 수 있습니다. M군은 금속으로 만든 물체를 보며 왜 단단하고 무거운 금속을 사용해야 하는지 의문이 들었습니다. 가볍고 만들기 쉬운 플라스틱 재료를 이용해도 될 것인데 말이죠. 그렇다면 지금 이 세상에서 갑자기 금속이 사라진다면 과연 무슨 일이 벌어질까요?
상 황 제 시
KIMS 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 금속아! 놀자
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Module. 02
지금 우리가 있는 재료연구소는 어떤 일을 하고 있을까?
금속재료연구본부
복합재료연구본부
분말/세라믹연구본부
실용화연구단
표면기술연구본부
산업지원/안전본부
재료연구소를 소개합니다!
재료연구소를 들어보셨나요?
재료연구소는 우리나라의 소재기술을 발전시키기 위해 많은 과학자와 기술자들이 열심히 연구하는 곳입니다. 재료연구소를 여러분께 소개합니다.
Module. 02
학생용 교재2 차시
재료연구소를 소개합니다
생각열기
M군은 재료연구소라는 연구소를 처음 들었습니다.
재료라는 것은 물체를 만들기 위해 사용되는 작은 물질들을 의미하는 것인데, 그렇다면 이렇게 큰 건물에 많은 연구자와 기술자들이 과연 무엇을 연구하거나 만들기 위해 모여 있는 것일까요? M군은 재료연구소라는 말의 의미가 궁금해졌습니다.
재료연구소가 하는 일은 무엇일까요?
생각다지기
재료연구소의 과학자나 기술자들이 열심히 연구하거나 작업하는 모습을 보고 느낀 점을 서로 공유한다.
생각펼치기
만약 자신이 재료연구소에서 연구를 하는 과학자라면 어떤 연구본부에서 무슨 일을 하고 싶은지 설명하여 본다.
M군은 재료연구소라는 연구소를 처음 들었습니다. 재료라는 것은 물체를 만들기 위해 사용되는 작은 물질들을 의미하는 것인데, 그렇다면 이렇게 큰 건물에 많은 연구자와 기술자들이 과연 무엇을 연구하거나 만들기 위해 모여 있는 것일까요?
M군은 재료연구소라는 말의 의미가 궁금해졌습니다. 재료연구소가 하는 일은 무엇일까요?
상 황 제 시
재료연구소의 여러 연구본부들을 잘 살펴보았나요? 자신이 만약 이곳 재료연구소에서 연구를 하는 과학자라면, 어떤 연구본부에서 무슨 일을 하고 싶은가요?
질 문
가공하는 것을 말한다. 밀가루 반죽을 밀대로 누르고, 눌리면서 얇은 만두피를 만들어 내는 과정을 떠올리면 된다. 강철, 구리, 니켈, 아연, 주석, 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 합금이 압연용 재료로 쓰인다.
단조 단조는 금속 재료를 일정한 온도로 가열한 뒤 두들기거나 압력을 가해 원하는 모양으로 만드는 작업니다. 망치나 해머로 두들기는 작업은 단련, 두들기지 않고 공구로 서서히 압력을 가해 원하는 모양으로 만드는 작업은 프레스(press)라 한다.
용접 용접은 두 금속을 서로 맞대 놓고 전기 또는 가스 등으로 녹여서 붙이는 작업이다, 열을 가해 일단 금속의 일부를 녹여 서로 섞이게 만든 다음 냉각시켜서 굳히면 두 금속은 단단히 맞붙게 된다, 유리와 플라스틱도 용점이 가능하다.
판금가공 얇고 납작한 조각을 낸 금속판을 판금이라 한다, 이 판금을 접거나 자르거나, 구멍을 뚫거나 하는 방법으로 원하는 모양의 제품을 만드는 일을 판금 가공이라 한다. 그밖에 금이 가거나 뚫어진 판금을 땜납으로 때우는 납땜, 용접 등도 넓은 의미에서 판금 가공으로 간주하기도 한다. 판금 가공된 금속 제품은 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 전등의 반사갓, 매끈한 곡선을 자랑하는 자동차, 흔히 OHP라 부르는 오버헤드 프로젝트, 금속 캐비닛 등은 모두 판금 가공으로 제작된 것이다.
압출 틀이나 좁은 구멍으로 꾹꾹 눌러서 밀어내는 일을 압출이라 한다. 금속 가공법 중에도 압출이 있다. 가래떡을 뽑듯 금속을 쭉쭉 뽑아내는 작업으로, 단면이 균일한 긴 봉이나 관 등을 제조할 때 이용한다. 그런데 금속 재료를 구멍으로부터 밀어내려면 엄청난 힘이 필요하다 이 때문에 대규모의 기계 설비가 필요하며, 고온과 고압의 환경에 견디는 공구를 사용해야 하는 단점이 있다.
[금속의 공정과정]
제련 대부분의 금속 원소는 땅속에 광석 형태로 묻혀있다. 광석이 많이 묻혀 있는 곳은 광산이다. 그렇다면 광산에서 광석을 깨내어 제련이라는 작업을 통해 광석 속에 함유되어 있는 금속을 분리·추출해야만 금속을 얻을 수 있다. 광석을 높은 온도의 용광로에서 광석을 녹여 니켈, 코발트, 등의 금속을 얻어낸다. 수은, 아연, 카드뮴과 같이 끓는점이 낮은 금속은 휘발 제련법을 통해 얻어낸다. 때로는 광석을 적당한 용매로 녹여 만든 용액에 전기를 걸어주거나 화학적 방법을 써서 금속을 분리해내기도 한다. 금, 은, 우라늄 등을 얻을 때 이와 같은 방법을 사용한다.
제철 제철이란 철광석을 제련하여 철을 얻는 일이다. 철광석의 제련은 용광로에 철광석, 코크스, 석회석을 함께 넣은 뒤 환원시키는 작업이다. 용광로 아래쪽에서는 바람을 불어 넣고, 위쪽에서는 철광석, 코크스, 석회석을 넣으면 용융된 철이 용광로 밑으로 흘러나오는데 이와 같은 철이 선철이다.
주조 주조는 금속 제품을 만드는 작업 중 하나이다. 금속을 거푸집에 넣고 굳혀서 금속 제품을 만드는 것으로 얼음 틀에 물을 붓고 얼음 조각을 만드는 일에 비유할 수 있다. 주조를 통해 만든 물건을 주물이라 한다. 주물에 쓰이는 철 소재는 선철, 다시 말해 선철의 배역은 주물용 원료이다. 선철 외에 알루미늄 합금, 구리, 황동 등의 금속이 주물용 원료로 쓰인다.
용광로
Module. 03
우리가 사용하는 금속은 어떻게 만들어지며, 어디에 활용될까?
3~4 차시
금속과 친해지기
생각열기
금속은 자연에서 나온다는 말을 듣고 M군은 의문이 생겼습니다.
금속이라는 것은 인간이 과학이 발달해서 만들어진 것이라고 생각했기 때문입니다.
광산에서 광석을 캐서 그 속에 금속을 찾아낸다는 말이 도무지 이해가 되지 않았습니다.
우리 주위의 금속 제품들은 모두 매끈하고 반듯하게 만들어져있는데 과연 어떻게 금속이 제품으로 만들어질까요?
저렇게 단단한 금속 재료를 어떤 방법으로 우리가 사용할 수 있는 물체로 만들 수 있을까요?
생각펼치기
우리생활 속에서 금속 공정과 비슷한 사례를 사진으로 표현해 보고 금속 공정을 이용한 제품, 예술품 등을 떠올려 본다.
생각다지기
금속 공정과 비슷한 공정을
음식 요리를 만드는 과정에서 찾아본다.
KIMS 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 금속아! 놀자
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금속 공정 시뮬레이션
금속은 그 쓰임새에 따라 다양한 공정 과정을 거칩니다.Module. 03
학생용 교재Module. 04
우리들이 만든 작품을 어떻게 먼 곳의 친구에게 멋지게 보여줄 수 있을까요?
5~6 차시
금속과 예술의 향연!
생각열기
M군은 금속 재료를 이용하여 예술 작품을 만들었다.
하지만 혼자 보기 아까워 친구들에게도 보여주고 온라인에 게시해 많은 사람들에게 자랑하고 싶어졌다.
어떤 방법으로 자신이 만든 금속 작품을 많은 사람들에게 재미있게 보여줄 수 있을까?
[Picpac 프로그램]
1. 안드로이드 스마트폰의 경우 스토어를 통해 Picpac 검색 다운로드 후 설치한다.
2. 동영상을 Stop-motion으로 바꾸는 기능도 지원하나 사진을 찍어서 Stopmotion 애니메이션으로 만드는 Take photos를 선택한다.
3. 사진 찍는 기간을 설정 후 동영상처럼 찍는다.
(2초 동안은 사진이 찍히지 않으니 움직임을 만든다.)
생각펼치기
[애니메이션 제작하기]
•제작할 애니메이션의 스토리보드를 작성한다.
•금속재료를 이용하여 캐릭터를 제작한다.
•캐릭터를 장면마다 움직이거나 이동시켜 사진을 촬영한다.
•촬영된 사진을 연속적으로 재생하면 움직이는 애니메이션이 완성된다.
생각다지기
학생들이 사용하는 사이버 커뮤니티를 이용하여 각각의 예술품들을 전시하여 친구들에게 소개하고 작품을 본 느낌이나 장단점을 댓글을 통해 서로 피드백 하도록 지도한다.
금속은 자연에서 나온다는 말을 듣고 M군은 의문이 생겼습니다. 금속이라는 것은 인간이 과학이 발달해서 만들어진 것이라고 생각했기 때문입니다. 광산에서 광석을 캐서 그 속에 금속을 찾아낸다는 말이 도무지 이해가 되지 않았습니다. 우리 주위의 금속 제품들은 모두 매끈하고 반듯하게 만들어져있는데 과연 어떻게 금속이 제품으로 만들어질까요? 저렇게 단단한 금속 재료를 어떤 방법으로 우리가 사용할 수 있는 물체로 만들 수 있을까요?
상 황 제 시
음식을 만드는 과정에서 금속 공정과 비슷한 사례를 찾아봅시다.
질 문
사이버 금속 예술품 전시장 꾸미기
M군은 금속 재료를 이용하여 애니메이션을 만들었다.
하지만 혼자 보기 아까워 친구들에게도 보여주고 온라인에 게시해 많은 사람들에게 자랑하고 싶어졌다. 어떤 방법으로 자신이 만든 금속 작품을 많은 사람들에게 재미있게 보여줄 수 있을까?
Module. 04
학생용 교재애니메이션을 만들기 위해 간단한 스토리보드와 캐릭터를 디자인하여 봅시다.
질 문
금속으로 창의적인 애니메이션을 만들고 작품을 다른 친구들과 공유하여 봅시다.
