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Ⅰ 꿈의 신소재 그래핀으로 그리는 미래의 꿈

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Academic year: 2022

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1 중학교 신소재

꿈의 신소재 그래핀으로 그리는 미래의 꿈

Ⅰ. 문제로의 초대 1 차 시

3

Ⅱ. 문제 해결을 위한 활동

2 차 시 그 래 핀 이 란 무 엇 일 까 ?

8

3 차 시 그 래 핀 구 조 확 인 하 기

12

4 차 시

그 래 핀 의 발 견 원 리 탐 구 하 기

21

5 차 시

24

Ⅲ. 문제 해결

6 차 시 나 의 미 래 꿈 디 자 인 하 기

26

7 차 시 나 의 미 래 꿈 새 기 기

28

8 차 시 나 의 미 래 꿈 완 성 하 기

29

Ⅳ. 평가 및 성찰 9 차 시

33

Ⅴ. 진로 탐색 10차시 그 래 핀 소 재 관 련 직 업 탐 색

38

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3

. 문제로의 초대 1차시

 주제의 이해

 학습 목표  생각 열기  관련 단원

우리가 걸치는 옷이나 신발, 식사를 위해 필요한 그릇, 냄비, 인터넷을 하기 위한 컴퓨터, LCD 모니터, 초고속 인터넷 통신망 등 우리 생활에 편리를 주는 많은 제품들이 가능 할 수 있었던 이유는 바로 신소재의 개발 덕분이다. 소재를 지배하는 자가 세 계를 지배한다는 말이 있듯이 지금 이 순간에도 세계 각국에서 는 새로운 소재를 찾기 위한 소리 없는 전쟁이 일어나고 있다.

이번 시간에 여러분은 그래핀 신소재를 통해 먼 훗날 여러분 의 일상생활에서 사용될 소재들에 대해 미리 경험해 보는 시간 을 가질 것이다.

 학습 목표

 주제의 이해  생각 열기  관련 단원

þ 그래핀의 특징과 구조를 알 수 있다.

þ 그래핀의 물리적 박리법을 이용하여 전선을 제작할 수 있다.

þ 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선으로 회로를 구성할 수 있다.

þ 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선으로 LED 예술 작품을 만들 수 있다.

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 관련 단원

 주제의 이해  학습 목표  생각 열기

2007 교육과정

Ÿ 과학 2 「물질의 구성」

Ÿ 과학 3 「전기」

Ÿ 기술∙가정 3 「전자 기계 기술」

Ÿ 수학 1 「작도와 합동」

Ÿ 미술 「시각 문화 환경」

2009 교육과정

Ÿ 과학 2 「물질의 구성」

Ÿ 과학 3 「전기와 자기」

Ÿ 과학 3 「과학과 인류 문명」

Ÿ 기술∙가정 2 「제조 기술과 자동화」

Ÿ 수학 1 「작도와 합동」

Ÿ 미술 「주제 표현」

 생각 열기

 주제의 이해  학습 목표  관련 단원

휘어지는 모니터는 현재 실현 가능한 기술일까?

(http://www.fotopedia.com/items/flickr-480047671)

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5

1차시 문제 상황

S TE A

정연이는 지난 주 동아리 활동시간에 “LED 미래 명함 만들기”라 는 활동 과제를 체험해 보았다. 이 체험 활동은 자신이 미래에 종 사할 직업을 명함 사이즈의 아크릴 판에 새기고, 그 새긴 내용이 2개의 LED의 불빛에 의해 비춰지는 작품을 제작하는 활동이었다.

하지만 이렇게 만든 작품 을 만들면서 큰 불편함을 느꼈다. 먼저 LED의 다리에 전선이 잘 연결되지 않고 쉽게 빠지는 문제가 있었고, 그 문제를 해결하기 위해 납땜을 해야 했는데 그 과

정에 친구 한 명이 화상을 입는 사고도 일어났다.

정연이는 일반적인 전선을 사용하기 위해서는 니퍼나 와이어스 트리퍼와 같은 공구도 필요하며, 납땜과 같은 위험한 작업이 이루 어져야 하는 문제점을 생각해 보면서 ‘전선도 종이처럼 가위를 이 용하여 쉽게 원하는 모양으로 가공할 수 있으면 좋겠다’란 생각을 했다.

여러분이 정연이라고 가정해 보고 기존의 전선이 아닌 새로운 전선을 이용하여 다음 예술 작품을 제작해 보자.

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모둠별 과제 예시 개인별 과제 예시

1차시 도전 과제

S TE A

자신의 미래 꿈을 여러분이 구할 수 있는 소재로 표현하고 그 내용을 3개 이상의 LED로 비추어 보자.

이때 각 LED 간의 연결은 구리 전선이 아닌 여러분이 제작한 전선을 이용한다.

모둠별 과제 개인별 과제

1. 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선을 제작한다.

2. 모둠원이 작성한 “나의 미 래 꿈 작품”을 비출 회로를 구성한다.

3. 가장 잘 된 작품을 학급 구 성원에게 발표해 본다.

1. 자신의 미래 꿈을 자신이 구할 수 있는 재료에 표현한 다. 이 내용을 모둠원이 구성 한 회로의 LED 빛으로 비춰 본다.

2. 자신의 미래 꿈을 모둠원에 게 발표해 본다.

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7

1차시 모둠 만들기

S TE A

1) 모둠명 정하기

2) 프로젝트 주제 정하기

3) 모둠 조직 및 역할 정하기

학번 이름 역 할 모둠원1

모둠원2 모둠원3 모둠원4

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. 문제 해결을 위한 활동 2-5차시

2차시 그래핀이란 무엇일까?

S TE

1. 그래핀 조사하기

2010년 10월 5일, 스웨덴 왕립과학원은 영국 맨체스터 대의 안 드레 가임 교수와 연구원 콘스탄틴 노보셀로프 박사를 노벨 물리 학상 수상자로 선정했다고 발표했다. 이들이 노벨상의 영광을 얻 게 한 것은 ‘그래핀’이라는 신물질을 이었는데, 이 물질은 무한한 가능성의 신소재로 주목받고 있어 많은 과학자들이 연구에 매진하 고 있다. 꿈의 신소재라 불리는 그래핀은 어떤 물질일까?

[활동] 인터넷에서 다음의 내용을 조사하여 발표해 보자.

1) 그래핀이란 용어는 무슨 뜻인지 조사해 보자.

2) 그래핀은 어떠한 방법으로 발견되었는지 조사해 보자.

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9

3) 그래핀 1개 층의 두께는 얼마인가? 그래핀 1개 층의 두께를

1cm로 확대한다면, 이 비율로 실제 생활에서의 두께 1cm의 책은 얼마의 두께가 될까?

4) 그래핀의 구조를 간단히 그려 보자.

5) 그래핀은 어떤 특성을 지니는지 조사해 보자.

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그래핀으로 만든 슈퍼콘덴서

(http://youtu.be/_oEFwyoWKXo에서 캡처)

그래핀 기반 터치스크린

(http://youtu.be/3sAc4nqAbOs에서 캡처)

관련 정보

그래핀 관련 최신 연구들

1) 휘어지는 터치스크린

2010년 서울대 홍병희 교수(당시 성균관대 교수)는 세계에서 가장 큰 30인치 그래핀으로 투명 전극을 만드는 실험에 성공했다.

홍교수팀은 다각선 75cm(30인치)짜리 투명 전극1)을 만든 뒤 작 동 여부를 실증하기 위해 7cm 화면만큼 잘라 실제 전극을 연결하 고, 터치스크린으로 제작했다. 노벨상을 수상한 가임 교수팀이 만 든 그래핀은 수㎛~수㎜ 수준인데

비해, 홍 교수팀은 세계 최초로 대면적 그래핀을 합성하는 길을 개발하게 된 것이다. 이 기술의 개발은 휘어지는 디스플레이, 전 자종이, 착용식 컴퓨터, 터치스크 린 등의 출현이 멀지 않음을 보여 주는 계기가 되었다.

2) 배터리(슈퍼 콘덴서)

미국 UCLA의 연구진은 2012년 기존의 배터리보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있으면서 100-1000배 더 빠르게

충전될 수 있는 그래핀 시트를 개발했다. 이 기 술은 일반 컴퓨터에서 흔히 볼 수 있는 DVD 라이터의 레이저-쓰기(laser-writing) 기술을 이용했다. 이와 같이 그래핀을 이용한 배터리는 자유롭게 구부릴 수 있으며, 강한 특징을 지니 는데 이는 차세대 휴대용 전자 장치 시스템에 이상적으로 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

1) 전지, 콘덴서, 진공관 등에서 전기장을 만들거나 전류를 빼내거나 하는 막대 모

양 또는 판 모양의 도체

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11

3) 그래핀 반도체

기존 반도체 시장은 실리콘 반도체가 90% 이상의 시장을 점유 하고 있었다. 실리콘은 내구성이 높고 열에 강하며 쉽고 저렴하게 얻을 수 있기 때문이다. 그러나 실리콘 반도체는 전자의 이동속도 가 느리고 10㎚보다 작게 가공하기 힘들다는 약점이 있어 개발에 한계가 있었다.

2012년 국내 S전자가 탄소 소재인 '그래핀'을 이용해 반도체 성 능을 지금보다 최대 100배 높일 수 있는 원천기술 개발에 성공했 다. 이 기술은 기존 반도체 성능을 획기적으로 개선하는 새로운 접근법과 돌파구를 제시했다는 점에서 주목받고 있다. 그래핀 반 도체가 나오면 컴퓨터에서 프로그램을 실행하고 복잡한 계산 작업 을 할 때 오래 기다릴 필요 없이 순식간에 데이터 처리가 이뤄질 것으로 보인다.

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(http://ribelick.tistory.com/272)

3차시 그래핀 구조 확인하기

S M

1. 그래핀 구조의 특징은?

그래핀은 탄소 원자가 육각형으로 결합한 벌집 형태를 이루는 화합물이다.

이러한 벌집 모양의 구조 로 인해 충격에 강하다. 이 는 육각형 구조의 그물을 구부리거나 당길 때 모양 은 변하지만, 그물의 연결

상태는 변하지 않는 것과 유사하게 육각형 구조의 빈 공간이 완충 역할을 하기 때문이다.

그래핀의 육각형 구조는 다른 도형의 구조와 어떠한 차이점이 있는지 직접 그려 확인해 보자.

단위 면적을 모두 채울 수 있는 구조는 정삼각형, 정사각형, 정 육각형이 있다. 그러므로 이들 세 도형으로 탄소 원자를 배치해 보았을 때 배치되는 탄소 원자의 수에는 어떠한 차이점이 있는지 확인해 보자.

가로, 세로가 각 4cm인 범위에 배치 될 수 있는 탄소 원자의 개 수를 확인해 보면 다음과 같다(이때 각 도형은 2cm 범위 내에서 최대로 작성하였으며, 탄소 원자의 크기는 고려하지 않았다).

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<그림 가>

2cm 범위에서 최대로 그릴 수 있는 정 n각형

<그림 나>

정삼각형 구조 : 8개

<그림 다>

정사각형 구조 : 9개

<그림 라>

정육각형 구조 : 15개

위의 그림처럼 정삼각형 구조는 탄소 원자를 8개, 정사각형 구 조는 9개, 정육각형 구조는 15개를 배치시킬 수 있다.

2. 정N각형의 작도를 이용한 탄소 원자수 계산

준비물 : 눈금 없는 자, 컴퍼스

[활동] 앞의 방법을 이용하여 가로, 세로가 각 12cm의 종이 안에 서 정삼각형, 정사각형, 정육각형 구조로 배치 될 수 있는 탄소 원 자의 수를 계산해 보자(이때, 각 도형은 가로, 세로 8cm 범위 내 에서 최대의 크기로 컴퍼스와 자를 이용하여 작도한다).

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1) 정삼각형 구조로 탄소 원자 배치

<정삼각형 구조 : ( )개>

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2) 정사각형 구조로 탄소 원자 배치

<정사각형 구조 : ( )개>

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3) 정육각형 구조로 탄소 원자 배치

<정육각형 구조 : ( )개>

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17

문제해결 정보

정 N각형의 작도

❒ 자와 컴퍼스만으로 정 N각형을 그리는 방법은 다음과 같다.

1. 정삼각형 작도

① 반지름이 r인 원 A를 그린다.

② 원 A위의 임의의 한 점B를 중심 으로 반지름이 r인 원을 그린다.

③ 두 원의 교차점을 C라 하고, 세 점을 이어 정삼각형을 그린다.

2. 정사각형 작도

① 직선을 그린 후 정사각형의 한 변의 길이 AB 정한다.

② 점 A를 선분 AB에 수직인 수 선(AC)을 그린다.

③ 각 등분점을 이어 정육각형 그 린다.

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3. 정육각형 작도

① 주어진 원에 지름 AB 긋는다.

② 점 A와 B에서 각각 점 O를 지 나는 호를 그린다.

③ 각 등분점을 이어 정육각형을 그 린다.

[참고] 수선(수직이등분선) 작도

① A, B를 중심으로 호를 그린다.

② 두 호의 교차점을 잇는 선분을 그린다.

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쉬어 가기

육각형 벌집 구조의 비밀

❒ 벌집 구조의 신비

<사진 : 벌집 구조>

(http://www.fotopedia.com/items/flickr-4629255847)

벌집은 왜 정육각형 구조를 하고 있을까? 벌집이 정삼각형이나 정사각형이라면 어떤 차이점이 있을까?

정삼각형이나 정사각형도 틈이 생기지 않는 구조이다. 하지만 정 삼각형의 경우 벽면을 이루는 재료가 많이 필요하고 공간도 좁다.

또 정사각형은 외부의 힘이나 충격이 분산되지 않아 쉽게 비틀리거 나 찌그러져 변형되기 쉽다. 그러나 정육각형은 외부의 힘이 쉽게 분산되는 구조여서 견고하며 안정적이다.

수학적으로 둘레의 길이가 일정할 때 넓이가 최대가 되는 도형은 원이다. 한 개당 넓이는 원이 가장 크겠지만, 여러 원을 이어 붙이 면 그 사이에 쓰지 못하는 공간이 생겨 공간을 효율적으로 활용할 수 없다. 꿀벌의 입장에서는 같은 양의 재료로 최대 넓이를 얻는 일 이 중요하기 때문에 정육각형 구조를 택한 것이다. 실제로 정육각형 구조의 벌집은 벌집 무게의 무려 30배나 되는 양의 꿀을 담을 수 있을 정도로 공간 활용도가 높다.

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❒ 생활에서 사용되는 벌집 구조

<사진 : 생활에서 사용되는 벌집 구조>

벌집 구조는 우리 주변의 다양한 부분에서 사용된다. 즉, 충격을 받아 부서지기 쉬운 다양한 곳에 벌집 구조가 사용되고 있다. 여기 에서는 KTX, 포뮬러 원, 노트북에 사용된 벌집 구조를 살펴보자.

KTX 운전실 앞부분에는 ‘허니콤’이라고 불리는 고성능 충격 흡수 장치가 있다. 이 장치는 벌집처럼 생긴 알루미늄 합금 소재로 만들 어져 있는데, KTX가 달리다가 벽에 정면으로 충돌하였을 때 이 장 치에 의해 충격 에너지를 80%까지 흡수할 수 있다.

포뮬러 원에도 사용되는 자동차의 차체는 두 장의 탄소섬유판 사 이에 충격에 강한 벌집 모양의 알루미늄 판이 끼워져 있다. 이 판의 두께는 3.5mm에 불과하지만 철판 보다 수 배 이상 견고하여 사고 시 운전자를 안전하게 보호할 수 있다.

벌집 구조의 위력은 노트북의 내구성에도 도움을 준다. 한 노트북 회사에서는 마그네슘 합금으로 된 소재 사이에 벌집 구조물을 넣었 다. 이로 인해 실수로 노트북을 떨어뜨려도 벌집 구조물이 충격을 흡수하여 고장 위험을 줄일 수 있었다.

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21

4-5차시 그래핀 발견 원리 탐구하기

S TE

1. 그래핀은 어떻게 추출하였을까?

그래핀은 연구비 부족을 불평하는 대학원생들에게 좋은 실습 재 료가 되곤 한다. 그래핀은 2004년 영국 맨체스터 대학의 가임 박사 연구팀이 스카치테이프와 연필심 가루(흑연 가루)만으로 최초로 추 출해냈다. 이 방법은 연필로 유리판을 시커멓게 칠한 후 스카치테이 프로 땠다 붙였다 할 때 그래핀 입자가 묻어나오게 하는 방법이다.

이 방법이 노벨상을 수상했던 이유는 이전까지 이론상으로 존재 해 왔던 그래핀의 존재를 실제로 증명해 냈기 때문이다. 즉, 그래핀 의 존재는 이미 오래전에 알려져 있었으나 최첨단 기술을 이용해도 단 한 겹의 탄소 층을 분리해 낼 수 없었으나 가임 박사 연구팀은 스카치테이프를 이용한 간단한 방법으로 그래핀을 추출해 낸 것이 다. 이러한 추출 방법을 물리적 박리법이라 하는데, 이때 만들어진 그래핀의 크기는 매우 작은 크기로 휘어지는 디스플레이나 투명 디 스플레이를 만들 수 없다. 이후 이루어진 많은 연구를 통해 큰 면적 의 그래핀을 추출하게 되었으며 이에 따라 그래핀의 활용 분야가 점차 넓어지고 있다.

[활동] 다음 동영상을 보고 그래핀의 추출 과정을 적어보자.

동영상 주소 : http://youtu.be/LwmxSjydPEE

(http://youtu.be/LwmxSjydPEE에서 캡처)

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① 흑연 가루를 일정량 덜어 놓는다. 흑연 가루를 직접 만지지 않도록 주의한다.

② 일정 길이를 자른 각 종류의 테이프에 흑연 가루를 골고루 묻힌다.

이때, 최대한 고르게 묻혀 빈 공간이 없도록 한다.

2. 그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선 제작

[활동] 다음에 제시된 내용을 참고로 여러 종류의 테이프로 그래핀의 물리적 박리법을 이용하여 흑연 테이프 전선을 제작해 보자. 이때 테 이프는 청테이프, 스카치테이프, 전기테이프를 이용한다.

준비물 : 흑연가루, 청테이프, 스카치테이프, 전기테이프, 가위, 핀셋, LED, 1.5V 건전지, 9V 건전지, 건전지 케이스

(25)

23

③ 핀셋과 가위를 이용하여 일정 길이만큼 잘라낸다.

④ 잘라낸 흑연 전선에서 전기가 흐르는지 확인한다.

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3. 흑연 테이프 전선으로 실험하기

[활동] 제작한 흑연 테이프 전선으로 회로를 구성하고, 그 회로에 흐르는 전류를 측정해 보자.

준비물 : 흑연 가루를 묻힌 테이프 전선 3종류, 전류계, 집게 달린 전 선, LED 또는 꼬마전구, 1.5V 건전지, 9V 건전지, 건전지 케이스, 스 위치

이 부분을 흑연 테이프 전선으로 연결

전압을 1.5V~9V까지 변경하여 실험

1.5V 3V 6V 9V

전기 테이프 전선 청 테이프 전선 스카치테이프 전선

전류가 가장 잘 흐르는 전선은 어떤 전선이었나?

왜 그 전선은 전류가 잘 흘렀을까?

이미지 출처 : 에듀넷

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25

문제해결 정보 전류계 사용법

❒ 전류의 세기는 전류계로 측정한다. 전류계의 사용법을 알아보자.

최대 전류 값에 따 라 읽을 수 있는 눈금 값이 표시되어 있다.

영점 조절 나사를 이용하여 영점을 조 절한다.

(-)단자에는 그 단 자에 연결하여 측정할 수 있는 최대 전류 값이 표시되어 있다.

전류계의 눈금 읽기

전류 값은 (-)단자의 연결에 따라 달라진다. (-)단자가 500mA에 연결되어 있으면 눈 금판에서 최댓값이 500mA라고 쓰인 눈금 값을 읽는다.

(-) 단자가 5A에 연결되어 있 으면 1.6A, 500mA에 연결되어 있으면 160mA, 50mA에 연결 되어 있으면 16mA로 읽는다.

이미지 출처 : 에듀넷

(28)

. 문제 해결 6-8차시

6차시 나의 미래 꿈 디자인하기

TE A

1. 나의 미래 꿈은?

이번 차시부터는 조별 활동과 개인별 활동이 동시에 진행된다. 이 번 시간에는 개인별로 자신의 미래 꿈을 설계해보고, 그 설계 내용 을 예술 작품을 나타내 보는 활동을 진행한다.

[활동] 자신이 미래에 하고 싶은 직업을 적어보자. 그리고 그 직업에 지 금 종사하고 있다고 가정하고, 그때 일어날 것이라 생각되는 일을 상상 하여 일기로 적어보자.

(예) 개그맨 2033년 4월 2일

오늘은 “우쫓사:웃음을 쫓는 사람들” 녹화가 있었다. 나는 세 번째 순

서였는데, 나의 파트너가 약속 시간보다 늦게 와서 나의 매니저가 계속

초긴장 상태를 유지했다.

(29)

27 2. 나의 꿈 표현하기

[활동] 옆의 예시 작품을 참고하여 A5용지에 자신의 꿈을 글과 그 림으로 표현해 보자.

(나의 꿈 표현하기)

3. 나의 꿈 표현할 재료 찾기

[활동] 다음 시간에는 이번 시간에 작성한 내용을 LED의 빛에 의해 잘 표현되는 재료에 새겨보는 활동이 진행된다. 어떤 재료가 가능할 것인지 모둠별로 토의해 보자. 이때 이 프로젝트 주제인 그래핀이 현실화 되었을 때 가능할 것으로 예상되는 휘어지는 화면 등에 내용 을 표현하는 방안 등을 고려해 본다.

(30)

7차시 나의 미래 꿈 새기기

S TE A

[활동] 지난 시간에 작성한 내용을 여러분이 가져온 재료(또는 선 생님께서 배부해 주신 재료)에 새겨보자. 이때 새긴 내용이 3개 이 상의 LED 빛으로 잘 나타날 수 있도록 표현하되 조별로 3개 이상 의 LED 배치는 통일하여 설계한다.

준비물 : 테이프 전선, 가위, 핀셋, 고휘도 LED, 1.5V 건전지, 9V 건 전지, 건전지 케이스, 새길 수 있는 재료, 칼, 송곳

(예시) 사용 재료 예시 : 투명 아크릴판

사용 재료 : ( )

(31)

29

8차시 나의 미래 꿈 완성하기

S TE A

[활동] 모둠별로 3개 이상의 LED를 밝히는 회로를 구성하여 개인 이 새긴 작품을 비춘 후 디지털 카메라로 촬영해 보자.

준비물 : 테이프 전선, 가위, 핀셋, 고휘도 LED, 1.5V 건전지, 9V 건 전지, 건전지 케이스, 디지털 카메라

모둠별 과제 개인별 과제

1. 회로의 구성은 모둠별로 토 의하여 구성하되 스위치를 켜 면 3개 이상의 LED가 동시에 빛이 들어 올 수 있도록 한다.

2. LED간의 연결은 그래핀의 물리적 박리법을 이용하여 제 작한 전선을 이용한다.

3. 어두운 곳에서도 재료에 새 긴 내용이 보일 수 있도록 전압을 고려한다.

1. 자신의 미래 꿈을 자신이 구해 온 재료에 창의적으로 표현한다.

2. 완성한 작품에 회로를 구성하 여 어두운 곳에서 LED의 빛을 작품에 비춘 후 디지털 카메라 로 작품 내용을 촬영한다.

3. 개인별로 모둠이나 반 전체 에 발표할 내용을 준비한다.

4. 모둠장이 촬영한 내용을 다 음 시간까지 출력해 오고, 선 생님께 촬영 이미지 파일을 제출한다.

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문제해결 정보 과학과 예술의 만남

❒ 과학과 예술의 만남

오늘날 정보 기술의 발달과 함께 새로운 표현 매체를 이용하여 현대 미술은 다양한 실험과 변화가 일어나고 있다.

오늘날 빛은 시각 예술의 중요한 표현 요소로 예술적 모티브2) 가 된 소재이다. 이는 전기, 전자 영상 기술의 발달로 인한 예술과 과학의 만남이 이루어낸 결과라 할 수 있다.

<사진 : LED를 이용하여 크리스마스트리를 장식한 예술 작품>

(http://christmasstockimages.com/free/christmas-trees/slides/led_christmas_lights.htm)

이와 같이 과학과 예술을 접목한 대표적인 예술가로 우리나라의 백 남준이 있다. 그는 대중적 영상 매체인 비디오카메라를 미술에 이용 되면서 빛, 시간, 공간이 중요한 요소를 이루는 비디오 아트의 효시를 만들어 냈다. 다음 인터넷 주소에서 관련 작품을 감상할 수 있다.

과학과 예술의 만남 예시 작품('TV is kitsch', 1996, 백남준)

http://senior.chosun.com/site/data/html_dir/2011/06/06/2011060665009.html

2) 회화, 조각, 소설 따위의 예술 작품을 표현하는 동기가 된 작가의 중심 사상

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31

(+)극 (-)극

(-)극 (+)극

문제해결 정보 LED

❒ 차세대 조명 LED

LED는 지난 100여 년간 인류의 밤을 밝혀 주었던 백열전구를 대체할 수 있는 차세대 조명으로 각광 받고 있다. LED가 차세대 조명으로 각광 받는 데는 몇 가지 이유가 있다.

첫째, 전력소모가 백열전구의 1/12 정도로 매 우 적고 수명은 100배 이상 길다. 과거의 신호 등에는 백열전구를 사용하여 수명을 다한 부분 의 신호등이 꺼져 작동하지 않는 경우가 있었는 데, 이를 점차 LED 신호등으로 교체하는 추세 이므로 얼마 후면 전구의 고장으로 인한 신호등 작동의 오류는 사라질 것이다.

둘째, 전기에 대한 반응 속도가 백열전구의 1000배 정도 빠르다. 그러므로 백열전구는 고속 으로 켜고 끄기를 반복하기 어렵지만, LED는 빠 른 속도로 켜고 끄기를 반복할 수 있다. 이런 이 유로 자동차 브레이크 등과 방향등에 사용되어 기존의 전구보다 빠른 속도로 점등할 수 있다.

이러한 특징을 지닌 LED는 이미 우리 주변의 다양한 분야의 제품에서 사용되고 있다. 앞에서 살펴본 신호등과 브레이크등 뿐만 아니라, 전광 판, 휴대폰, TV 등 우리 생활 주변의 다양한 영역과 LED의 사용이 점차 늘어나고 있다.

❒ LED의 극성

LED는 극성이 있기 때문에 극성을 잘못 연결할 경우 빛이 발생하지 않 는다. 그러므로 LED를 이용한 제품을 제작

할 때에는 극성에 유의하며 제작해야 한다.

옆의 사진에서 보는 것처럼 두 핀 중 긴 핀 이 (+)극, 작은 핀이(-)극이다. 만약 두 핀 을 동일한 길이로 잘라 구

분하기 어려운 경우에는 상 단 빛이 나오는 부분에서 상대적으로 넓은 부분이 (-)극, 좁은 부분이 (+)극 이다.

(34)

문제해결 정보 저항의 병렬연결

❒ 저항의 병렬연결

⑴ 다음 그림과 같이 저항을 나란히 연결한 것을 병렬연결이라 한다.

⑵ 전압 : 저항의 병렬연결 시 각 저항에 걸리는 전압은 모두 같 다.

일정

⑶ 전류 : 저항의 병렬연결 시 각 저항에 흐르는 전류의 세기

의 합은 전체 전류의 세기 와 같다.

(4) 저항 : 옴의 법칙에 의해

에 각각 반비례한다.

 

 

(35)

33

. 평가 및 성찰 9차시

9차시 모둠원 자체 평가

S TE A

[활동] 모둠별로 자신이 작성한 미래의 꿈에 관련된 내용을 2분 내 외로 발표해 보자. 이때 조장은 지난 시간에 촬영한 작품을 출력하 여 미리 배부한다.

(자신이 발표할 내용 적어보기) (모둠원들의 발표 내용 적어보기)

[활동] 모둠원이 발표한 내용, 제작한 작품, 작품을 촬영한 사진 등 을 다음에 제시된 항목으로 평가해 보자. 단, 자신도 제시된 항목으 로 평가할 수 있으나 총계 점수에 반영하지는 않는다(3색의 스티커 각 5장씩 배부).

세부 평가 항목 가산

비율 평가 스티커

항목

1

발표 자세와 내용은 어떠하였는

가? ×1 파란색 스티커

항목 2

자신의 미래의 꿈을 글과 그림으

로 적절히 표현하였는가? ×3 빨간색 스티커

항목 3

창의적으로 표현 하였는가?

(예: 휘어지는 소재를 이용하여, 그에 맞는 상황들을 제시함)

×3 노란색 스티커

(36)

개인당 빨간색 스티커 5장, 파란색 스티커 5장, 노란색 스티커 5장을 보 유하고 자신의 작품을 제외한 나머지 작품 중 잘된 작품에 스티커를 붙여 평가함

◎ 모둠원 평가표 ◎

※ 모둠원의 작품을 평가해 보자.

개인별 파란색 스티커 5장, 빨간색 스티커 5장, 노란색 스티커 5장을 배부한다. 배부된 스티커를 평가 항목에 의해 자신의 작품을 제외하고 스티커를 붙여 평가한다.

평가가 끝나면 모둠장은 모둠원들이 평가한 점수를 합산한다. 이때 발표 학생 자신의 점수를 제외한 점수를 합산하고, 최고 점수를 받은 학생은 학급원 전체에게 자신의 작품 내용을 발표할 준비를 한다.

(37)

35

9차시 다른 모둠 평가

S TE A

[활동] 모둠별로 가장 높은 점수를 받은 학생이 학급 전체 학생을 대상으로 자신이 만든 작품에 대해 3분 내외로 발표한다. 이때 모 둠별 평가를 위해 모둠원이 발표 내용, 발표 자세, 작품의 특징 등 을 간략히 메모하면서 발표 내용을 듣는다.

1모둠 2모둠

3모둠 4모둠

5모둠 6모둠

7모둠 8모둠

[활동] 모둠내에서 평가했던 방법과 동일한 방법으로 다른 모둠이 발표한 내용, 제작한 작품, 작품을 촬영한 사진 등을 다음에 제시된 항목으로 평가해 보자. 단, 자신의 모둠은 평가하지 않는다.

세부 평가 항목 가산

비율 평가 스티커

항목

1

발표 자세와 내용은 어떠하였는

가? ×1 파란색 스티커

항목 2

자신의 미래의 꿈을 글과 그림으

로 적절히 표현하였는가? ×3 빨간색 스티커

항목

3

창의적으로 표현 하였는가?

(예: 휘어지는 소재를 이용하여, 그에 맞는 상황들을 제시함)

×3 노란색 스티커

(38)

◎ 다른 모둠 평가표 ◎

※ 다른 모둠의 작품을 평가해 보자.

모둠별 파란색 스티커 5장, 빨간색 스티커 5장, 노란색 스티커 5장을 배부 받는다. 배부 받은 스티커를 평가 항목에 의해 각 항목별로 가장 우수한 작품에 스티커를 붙여 평가한다(단, 자신 모둠 작품 제외).

스티커 부여 협의

우리 모둠의 결정 내용

(39)

37

9차시 자기 평가 및 성찰

S TE A

[활동] 다음 자기 평가표에 의해 평가해 보자.

세부 평가 항목 우수 보통 미흡

LED 3개 이상을 병렬로 연결시킬 수 있 는가?

그래핀의 물리적 박리법을 이용한 전선 의 제조 방법을 이해하였는가?

자신의 미래 꿈에 대한 생각을 할 수 있 는 기회가 되었는가?

모든 프로젝트 과정에 성실히 임하였는가?

조별로 진행되는 작업 과정에서 조원끼 리 협력하려 노력하였는가?

[활동] 이번 체험 활동을 진행한 소감문을 작성해 보자.

[활동] 만약 이 체험 활동을 다른 학교의 학생이 진행한다면, 그 학 생에게 조언해 주고 싶은 내용을 적어보자.

(40)

[미래유망직업] 탄소소재연구개발자 - 탄소의 무한변신

Q. 어떤 일 하나요?

여러분은 ‘탄소’ 하면 무슨 생각이 드나요? 아마 긍정적인 이미지 보다는 부정적인 이미지를 많이 떠올릴 겁니다. 지구 환경을 오염시키 는 대표적인 주범? 하지만 이런 탄소를 소재로 잘 이용해 제품에 적 용할 수도 있습니다. 연필심의 원료인 흑연이나 다이아몬드 등도 탄소 로만 이루어져 있습니다. 카이스트에서는 탄소나노튜브나 그래핀과 같 이 나노미터 크기를 갖는 탄소나노소재를 새롭게 발견해 학계와 산업 계로부터 많은 관심을 모았습니다. 꿈의 신소재로 불리는 그래핀과 탄 소나노튜브는 탄소원자가 2차원적 평면상에 벌집 모양으로 결합된 화 학구조로 이루어져 있습니다. 그래서 다이아몬드보다 강도가 높으면서 잘 굽혀질 수 있고, 투명하면서도 전기가 잘 통하는 등 기존의 다른 소재들이 갖지 못한 우수한 특성들을 갖고 있죠. 그러나 자연 상태에 서는 이들이 뭉쳐있거나 층층이 쌓여 흑연을 이루고 있어 개별적으로 분리해내기에 어려운 문제점이 있었습니다. 하지만 카이스트의 신소재 공학과 연구팀에서는 꿈의 소재라 불리는 그래핀과 탄소나노튜브를 3 차원 형태로 조립하는 새로운 원천기술을 개발했습니다.

작고 가볍다. 다양한 구조를 갖는다. 결합력이 강하다. 전기전도성이 있다. 이는 탄소섬유, 인조흑연, 탄소나노튜브 등 탄소소재의 특성입니 다. 이처럼 탄소의 특성을 잘 분석해서 다양한 부품과 제품에 적용하 는 방법을 연구하고, 그 제품을 개발하는 사람을 탄소소재연구개발자 라고 합니다.

탄소소재연구개발자는 탄소소재를 연구·분석하면서 탄소를 소재로 한 어떤 제품이나 부품이 필요한지를 알아보기 위해 시장조사를 합니다. 그 리고 여러 연구와 실험 등을 통해서 탄소 소재의 제품이나 부품을 개발 합니다. 실제로 우리가 쓰는 의자나 책상 등의 일상적인 물건부터 공사 현장에서 사용하는 파이프 등에까지 탄소소재가 사용되고 있습니다.

. 그래핀 소재 관련 직업 탐색 10차시

(41)

39

흑연

http://www.fotopedia.com/items/flic kr-3543467262

다이아몬드 http://www.fotopedia.com/it

ems/flickr-156830367 Q. 어떻게 준비하나요?

이 일을 하는 사람들은 정부출연연구소 등 국공립연구소 연구원, 대 기업 중앙연구소 연구원, 대학 교수 등으로 일하면서 탄소소재를 연구 합니다. 대학교에서 재료공학, 고분자공학, 신소재공학, 섬유공학 등의 학문을 전공하면 유리합니다. 이 일은 기본적으로 연구와 개발이 주를 이룹니다. 그런 점에서 끈기 있게 연구에 몰입하고, 실험 등을 하면서 결론을 도출해낼 수 있어야 합니다. 인내심과 분석력, 문제해결능력 등 이 중요하다는 의미입니다.

Q. 이 직업의 현재와 미래는?

탄소섬유 시장 위주로 시장 커지는 중

전 세계 탄소섬유 시장은 매년 10~20%씩 급격하게 커지고 있습니다.

국내에서는 세계시장의 10%, 1조 5,000억 원에 달합니다. 탄소소재는 강철 대비 1/5의 무게이며, 강도는 10배에 이르기 때문에 효과적로 강 철을 대체할 수 있습니다. 따라서 우리나라에서도 몇 년 전부터 관련 연구가 빠르게 진행되고 있습니다. 탄소복합재는 자동차, 기계, 항공, 섬유, 운동용품, 필기구 등 다양한 구조물에 응용이 되고 있습니다. 탄 소소재 연구개발 분야는 그 중요성이 갈수록 커지고 있다고 해도 과언 이 아닙니다. 또한 탄소를 소재로 제품이나 부품을 개발한다는 것 자 체가 기존의 산업체계에서는 없었던 새로운 아이디어이기 때문에 이 분야는 블루오션으로 손꼽히고 있습니다.

<http://blog.naver.com/kkkfuturist/40174969614>

(42)

http://www.fotopedia.com/items/flickr-2167820650

[활동] 다음은 그래핀 관련 직업이다. 빈 칸의 직업을 워크넷 (http://www.work.go.kr)의 한국직업정보시스템에서 검색해 보자.

나노 공학자

w 나노미터(십억 분의 일) 단위의 조작을 통해 기존 의 전자, 바이오, 소재, 장비 및 기기에 나노기술 을 적용한다.

w 초소형·초경량 제품의 개발, 고가소재 성형공정의 단순화, 저에너지의 신 공정 개발, 초고속·초고집 적·초저소비 전력 나노소자 개발, 나노단위부품의 설계·제어·측정 및 공정장비 기술개발, 나노기공 다공체복합소재, 광학소재 등 핵심나노소재 기술 개발 및 인간유전체기능연구, 생체기능조절물질 개발 등 각종 분야에 걸쳐 연구·개발되고 있는 나노기술을 적용방법에 맞게 적용하고 시험을 통 해 개선한다.

반도체공학기술자 w

w

w

화학연구원

w 화학연구원은 페인트, 도료 등 물질의 공정 개발, 품질관리 또는 새로운 생산물을 개발 하는 것을 목적으로 물질의 화학적 성질, 조 성, 구조 및 변화 등에 대한 연구를 한다.

w 물질의 성분 특성 및 상호작용을 연구하고 열 및 압력 등의 물리적 요인의 변화에 대한 반응을 측정하며 물질의 변환을 통한 새로운 물질 창조과정을 연구ㆍ개발한다.

전자공학기술자

w 전자공학기술자는 물리학 및 수학의 이론과 원리를 바탕으로 재료 속성에 대한 지식을 활용하여 전자제 품을 개발∙설계하고 생산관리 및 감독업무를 한다.

w 제품을 설계∙개발하기 위해서는 시장조사를 거쳐 소 비자가 원하는 성능, 기능, 디자인 등의 의견수렴을 하고 경쟁업체 제품 및 세계 트렌드, 기술 변화 등을 분석한 후 디자인 설계를 하다.

( ) w

w 재료공학기술자

w

w

w

(43)

41

[활동] 모둠별로 그래핀이 실용화 되었을 때 관련 있을 분야의 직 업을 하나 선택하고, 그 분야에서 종사하고 계신 분들을 대상으로 다음 내용을 조사하여 발표해 보자(인터넷이나 신문, 서적을 참고하 여 작성하는 것도 가능하다).

선택 직업 :

1. 왜 이 직업을 선택하였나?

2. 구체적으로 하는 일은 무엇인가?

3. 일을 하면서 즐거웠거나 힘들었던 기억은?

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4. 앞으로의 전망은?

5. 같은 직업을 희망하는 학생은 무엇을 준비해야 하나?

6. 같은 직업을 희망하는 학생에게 하고 싶은 말은 무엇인가?

참조

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