STEAM R&E 연구 결과보고서
1. 기본 정보
지 역
(시도) 학교명 과제명
부산시 부산일과학 고등학교
원두 커피찌꺼기를 활용한 가로수 보호덮개 제작에 관한 연구
책임자 공동지도교사
참여학생이름
이름 학교전화 휴대전화 이름 휴대전화
양○준 장○욱 김○윤, 이○혁, 임○운,
정○진, 이○훈
< 연구 결과요약서 >
과 제 명 원두 커피찌꺼기를 활용한 가로수 보호덮개 제작에 관한 연구
연구목표
폐기물을 활용한 가로수 덮개가 물주머니나 아무것도 설치하지 않았을 때 보다 어떤 방면에서 더 장점이 있는지, 식물의 성장 요인 중 가장 중요한 수분을 얼마나 더 지켜줄지를 실험을 통하여 알아보려고 한다.
연구내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 원두커피 찌꺼기를 활용한 항균 다공성 세라믹의 제조방법, 2017.3.3. 최은 정
○ 셀룰로오스 탄화 입자 함유 발포 세라믹 방열재 및 이의 제조 방법, 2015.11.10. 양현경
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 지난여름 긴 가뭄에 모든 가로수에 물주머니가 매달려 있는데 물이 빠져 빈 주머니로 있는 것들이 많았다. 일일이 가로수에 물주머니를 매달고 물이 비웠을 때 다시 채우는 것이 어려워보였다. 비가와도 물주머니에 물이 채워 지지 않는 것을 보고 다공질 발포체를 이용하면 빗물을 가둘 수 있기 때문에 효율적일 것이라 생각된다.
○ 식물의 생장에 필수적인 물을 어떤 것이 증발되지 않게 가장 잘 지켜줄지 를 알아보고 싶었다. 그래서 우리는 대조군으로 무 설치 식물, 실험군으로 물주머니, 다공성 가로수 덮개로 설정하여 실험을 하면 어떤 결과가 나올지 궁금하여 주제를 설정하였다.
□ 연구 방법
○ 과정을 따라서 만든 1차 발포체를 고추 모종에 올려놓고 가로수 덮 개로 사용하기에 어떤 점이 부족한지 알아본다.
[그림 1. 제작된 1차 발포체]
○ 간이 실험으로 부족한 점을 알아내고, 이를 고쳐서 최종적으로 가로수 덮개로 사용하기에 알 맞은 발포체를 만든다.
○ SPARK VIEW에 모아진 데이터와 겉으로 보 기의 식물 생장 차이를 비교하여 결과를 도출해낸 다.
□ 연구 활동 및 과정
□ 가설 설정
○ 우리가 제작한 가로수 덮개는 물을 머금어 장기적으로 물을 공급하고 그늘을 형성하기 때문에 물주머니나 아무것도 설치하지 않은 것 보다 효과 가 좋을 것이다.
□ 실험 설계
- 발포체를 제작한다.
- 제작한 발포체를 테스트 해보고 문제점을 찾아본다.
- 문제점을 개선하여 가로수 덮개에 쓰기에 알맞은 발포체를 제작한다.
- 물주머니와 가로수덮개와 대조군을 볕이 잘 드는 장소(옥상)에 설치 한다.
- 고추 모종을 심을 때에는 동일한 비료(구입한)를 투입한다.
- 일주일에 두 번씩 물을 주면서 SPARK VIEW센서를 이용하여 측정한 다.
[그림 2. 완성된 가로수 덮개-(1)]
연구성과
현재 사용하는 철재와 보다는 강도가 비슷하게 나올 것이고 다공질이므로 그 자체 수분을 함유하는 기간이 길므로 여름철 가뭄에 대비하는 효과가 클 것이라 생각된다.
주요어 (Key words)
커피찌꺼기, 가로수 보호덮개
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 폐기물을 활용한 가로수 덮개가 물주머니나 아무것도 설치하지 않았을 때 보다 어떤 방면에서 더 장점이 있는지, 식물의 성장 요인 중 가장 중요한 수분을 얼마나 더 지켜줄 지를 실험을 통하여 알아보려고 한다.
□ 연구범위
○ 부경대학교에서 개발한 각종 폐기물을 이용한 발포체를 이용하여 1차적으로 가로수 덮개를 제작하여 사용해 보고 이를 가로수 덮개로 활용하기 알맞게 부족한 점을 찾아내 어 가공한다. 그 후 개선된 가로수 덮개를 고추 모종에 설치하고, 물주머니를 설치한 고추모종, 아무것도 설치하지 않은 고추모종을 동일한 조건에서 같이 키우면서 SPARK VIEW센서를 이용하여 수분함량을 측정하고, 식물의 생장 정도를 눈으로 확인하여 어느 개체의 생장이 가장 빠른지 알아본다.
2. 연구 수행 내용
□ 관련 선행연구 조사
○ 원두커피 찌꺼기를 활용한 항균 다공성 세라믹의 제조방법, 2017.3.3. 최은정
○ 셀룰로오스 탄화 입자 함유 발포 세라믹 방열재 및 이의 제조 방법, 2015.11.10. 양현경
□ 탐구의 착안점
○ 지난 여름 긴 가뭄에 모든 가로수에 물주머니가 매달려 있는데 물이 빠져 빈 주머니로 있는 것들이 많았다. 일일이 가로수에 물주머니를 매달고 물이 비웠을 때 다시 채우는 것이 어려워보였다. 비가와도 물주머니에 물이 채워지지 않는 것을 보고 다공질 발포체를 이용하 면 빗물을 가둘 수 있기 때문에 효율적일 것이라 생각된다.
[그림 2. 가로수의 물주머니]
□ 연구주제의 선정 과정
○ 식물의 생장에 필수적인 물을 어떤 것이 증발되지 않게 가장 잘 지켜줄지를 알아보고 싶었다. 그래서 우리는 대조군으로 무 설치 식물, 실험군으로 물주머니, 다공성 가로수 덮개로 설정하여 실험을 하면 어떤 결과가 나올지 궁금하여 주제를 설정하였다.
□ 연구방법 및 절차
○알루미늄 분말, 바텀 애시, 탄화커피, 활성탄 분말, 액상규산나트륨, 과산화수소, 증 류수를 재료로 사용하였다. 그림 3-1은 금속 분말을 혼합하여 만드는 제조방법이다.
[그림 3. 발포체 제작 과정]
○ 과정을 따라서 만든 1차 발포체를 고추 모종에 올려놓고 가로수 덮개로 사용하기에 어떤 점이 부족한지 알아본다.
[그림 4. 제작된 1차 발포체]
○ 간이 실험으로 부족한 점을 알아내고, 이를 고쳐서 최종적으로 가로수 덮개로 사용하기에 알맞은 발포체를 만든다.
[그림 5. 완성된 가로수 덮개-(1)]
○ 위 과정으로 제작된 가로수 덮개와 물주머니, 대조군을 설치한다. 동일한 비료와 일주일 에 두 번(500ml씩) 물을 주는 것으로 통제를 하고(자연적으로 비가 오는 것은 통제할 수 없다. 그럼에도 거의 동일한 위치에서 키우기 때문에 동일한 양의 빗물이 화분에 떨어질 것이라 가정한다) 1주일에 한번씩 SPARK VIEW센서를 가지고 토양을 측정한다.
[그림 6. 500ml비커로 물주는 중]
○ SPARK VIEW에 모아진 데이터와 겉으로 보기의 식물 생장 차이를 비교하여 결과를 도출해낸다.
3. 연구 활동 및 과정
□ 가설 설정
○ 우리가 제작한 가로수 덮개는 물을 머금어 장기적으로 물을 공급하고 그늘을 형성하기 때문에 물주머니나 아무것도 설치하지 않은 것 보다 효과가 좋을 것이다.
□ 실험 설계
- 발포체를 제작한다.
- 제작한 발포체를 테스트 해보고 문제점을 찾아본다.
- 문제점을 개선하여 가로수 덮개에 쓰기에 알맞은 발포체를 제작한다.
- 물주머니와 가로수덮개와 대조군을 볕이 잘 드는 장소(옥상)에 설치한다.
- 고추 모종을 심을 때에는 동일한 비료(구입한)를 투입한다.
- 일주일에 두 번씩 물을 주면서 SPARK VIEW센서를 이용하여 측정한다.
[그림 7. 물주머니] [그림 8. 발포체를 덮은 화분]
[그림 9. 측정한 데이터 기록] [그림 10. 센서를 이용한 토양의 수분 측정]
3. 연구 결과 및 토의
□ 1차 발포체의 문제점 – 1차 발포체는 물에 닿으면 금세 녹아 물을 머금고 있는 효과가 없었고, 많은 양의 금속이 식물로 녹아 들어가 식물의 생장에 문제를 끼칠 수 있었다.
[그림 11, 물에 녹은 발포체]
[그림 12, 물에 녹은 발포체(2)]
[그림 13. 완전히 녹아버린 발포체]
□ 문제점을 수정한 발포체 – 금속비율을 높여 재 제작하여 발포체의 경도를 상승시켜 수분에 강하게 버티게 되었다. 또 이번 수정으로 밟아도 안 깨질 정도로 단단해 졌다.
[그림 14, 물에 녹지 않는 발포체]
□ 겉으로 본 수분 함량 차이
[그림 15, 가로수 덮개를 설치한 화분]
[그림 16, 가로수 덮개를 설치 안 한 화분]
[그림 17, 가로수 덮개를 설치한 화분]
[그림 18, 가로수 덮개를 설치 안 한 화분]
○ 눈으로 보기에도 가로수 덮개가 덮인 화분의 수분 함량이 더 많다.
□ SPARK VIEW센서 결과
○ 7.11 가로수 덮개 O
전압 0.3994
VWC Rock Wool 17.78
VWC 미네랄 흙 7.43
VWC 화분용 흙 7.75
○ 7.11 가로수 덮개 X
전압 0.3933
VWC Rock Wool 16.80
VWC 미네랄 흙 6.71
VWC 화분용 흙 7.11
○ 7.13 가로수 덮개 O
전압 0.418
VWC Rock Wool 20.7
VWC 미네랄 흙 9.6
VWC 화분용 흙 9.58
○ 7.13 가로수 덮개 X
전압 0.347
VWC Rock Wool 10.15
VWC 미네랄 흙 1.2
VWC 화분용 흙 2.35
○ 7.17 가로수 덮개 O
전압 0.432
VWC Rock Wool 23.18
VWC 미네랄 흙 11.3
VWC 화분용 흙 11.05
○ 7.17 가로수 덮개 X
전압 0.3428
VWC Rock Wool 9.6
VWC 미네랄 흙 0.64
VWC 화분용 흙 1.9
○ 7.19 가로수 덮개 O
전압 0.433
VWC Rock Wool 23.5
VWC 미네랄 흙 11.5
VWC 화분용 흙 11.3
○ 7.19 가로수 덮개 X
전압 0.365
VWC Rock Wool 13.0
VWC 미네랄 흙 3.75
VWC 화분용 흙 4.60
○ 7.23 가로수 덮개 O
전압 0.378
VWC Rock Wool 14.38
VWC 미네랄 흙 4.82
VWC 화분용 흙 5.51
○ 7.23 가로수 덮개 X
전압 0.352
VWC Rock Wool 10.72
VWC 미네랄 흙 1.78
VWC 화분용 흙 2.89
가로수 덮개가 있는 화분의 전압 평균: 0.41208 가로수 덮개가 없는 화분의 전압 평균: 0.36002
가로수 덮개가 있는 화분의 RW 평균: 19.908 가로수 덮개가 없는 화분의 RW 평균: 12.054
가로수 덮개가 있는 화분의 미네랄 흙 평균: 8.93 가로수 덮개가 없는 화분의 미네랄 흙 평균: 2.816 가로수 덮개가 있는 화분의 화분용 흙 평균: 9.038 가로수 덮개가 있는 화분의 화분용 흙 평균: 3.78
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 화분용 흙의 겉보기 상태와 VWC(토양용적수분함량)}의 측정 결과 제작한 판을 덮은 화분이 덮지 않은 화분보다 겉보기에 수분이 잘 보존되었으며, 수분의 함량을 나타내는 VWC값의 감소량이 적은 것을 알 수 있다. 이를 통해서 제작한 판을 덮은 화분이 덮지 않은 화분보다 수분의 보존이 훨씬 더 잘되었으며, 제작한 판이 가로수 덮개로써 충분히 사용가능하다는 것을 알게 되었다.
□ 시사점
○ 본 연구를 통하여 원두 커피찌꺼기를 활용한 가로수 덮개가 효과가 있음을 알아내었고, 이것을 활용하면 가로수 덮개로 활용도가 높음을 알 수 있었다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 폐기물을 활용한 실생활에 적용하여 물을 먹음을 수 있는 난 화분 같은 제품을 제작할 수 있다.
