KIMS 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 복합재료야 놀자! 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 1+1=2? 귀요미? 1+1= 또 하나의 1! Play! Composite M a t e r i a l s 학생용 51508 경상남도 창원시 성산구 창원대로 797 TEL.055-280-3000 / FAX.055-280-3333 www.kims.re.kr 2 복합재료야 놀자! 3
K O R E A I N S T I T U T E O F M A T E R I A L S S C I E N C E www.kims.re.kr 대한민국소재기술 재료연구소가이끌어갑니다. 미래를향한창의적인재 KIMS 스팀교육이만들어갑니다. 설립목적 스팀 (STEAM) 아웃리치프로그램이란? 소재기술과관련한분야의연구개발, 시험평가, 기술지원등을 종합적으로수행하여국가기술혁신을선도하고산업발전에기여하고자합니다. 공학 (Engineering) S T E A M 기술 (Technology) 예술 (Arts) 융합인재교육 과학 (Science), 기술 (Technology), 공학 (Engineering), 예술 (Arts), 수학 (Mathematics) 5 가지분야의학문이 결합된융합인재교육을말합니다. 금속소재및 공정연구개발 과학 (Science) 수학 (Mathematics) 학생들이과학기술현장에서최신과학기술을경험하고관련분야로진학 진로를설계할수있습니다. 또한학생들이과학에대한꿈과끼를키울수있도록토론 실 습 체험중심의아웃리치활동의기회를제공합니다. 분말 / 세라믹소재및 공정연구개발 기타기술지원및인력양성 스팀 (STEAM) 아웃리치특 장점 기 능 소재에대한융합적사고 UP 감성체험으로흥미 UP 감동학습으로창의적사고 UP 표면관련소재및 공정연구개발 소재 부품의공인시험평가및인증 융 복합소재및 공정연구개발 실생활에서사용되는다양한지식을 활용해소재에대한 융합적인사고를키웁니다. 딱딱한지식위주가아닌직접문제를해결하고깨달음을얻는감성체험으로소재에대한동기와흥미를향상시킵니다. 마음을움직이는감동학습으로 새로운문제를향한도전과열정, 창의적인사고를키웁니다.
1 차시 드론을이용한다양한서비스가우리에게크고작은도움이되고있다. 예를들어몸이불편한사람에게손발이될수도있고, 각종물건을인터넷이나전화로주문해서쉽고빠르게배송받을수도있다. 이밖에도놀이와다양한편리성을제공하고받을수있다. 드론의역사 드론은무인비행체이전에엄연한항공기라고말할수있고, 일반적인비행체의역사와그시작이같다고도볼수있다. 세계최초로비행체를발명하고자했던사람을찾는다면대표적인인물이이탈리아의발명가레오나르도다빈치를꼽을수있다. 좀더진보적이고창의적인아이디어를동원하여비행체를설계하고현대항공기역학에서중요시되고있는양력의원리를이용하였다는사실이다. 구글과페이스북은드론을활용한인터넷보급확대를도모하고있다. 구글은 2014년 4 월타이탄에어로스페이스 (Titan Aerospace) 를, 페이스북은그보다도앞선 3월영국스타트업기업인어센터 (Ascenta) 를각각인수하였다. 타이탄에어로스페이스와어센터는모두태양광패널을이용해자체동력을생산하고드론을개발한다. 구글과페이스북은이기업들의기술로드론을무선통신기지국으로활용하여아프리카, 남미등에인터넷을보급한다는계획을세우고있다. 실제구글은룬 (Loon) 프로젝트를진행하며 2013년 6 월에열기구 30개를하늘에띄워 50여가구에인터넷을공급하는실험에성공했다. 페이스북은드론 1만대를아프리카상공에띄워저렴한인터넷서비스를공급하는인터넷닷오알지 (Internet.org) 프로젝트를진행하고있다. 회전비행체 1505년그의저서 새의비행에관하여 에서새의날개윗부분과아랫부분의압력차이가존재하여하늘을날수있는힘을발생시킨다는밝혔는데, 훗날과학적으로증명된 양력 이다. 현재드론의실질적원조로보는비행체는 1930년대초영구에서개발된 DH-82, QUEEN BEE로최초의재사용가능한드론이었으며, 주로포격용비행체로 400대가량생산되어사용되었다. 이후, 대량생산 (15,000여대) 된드론은미국의라디오플레인 Radioplane OQ-2였다. 구글룬론치이벤트 (2013.6.16.) < 출처 : ByiLighter @WikimediaCommons (CCBY)> Radioplane OQ-2 < 출처 http://www.ctle.monash.edu.au> 이후, 드론은비약적인발전을거듭하여포격연습용드론에서정찰용드론으로이제는글로벌호크와같은고고도비행체가개발되어운영중에있다. 현재는미국과중국이군사용드론을경쟁하는시대로돌입하였다. 마하 10까지속도를낼수있는드론부터인공지능을탑재해스스로작전을수행할수있는드론까지개발되어진상태이다. 또한아주작은스파이드론으로감시와정찰을하고하늘과바다를동시에넘나드는드론을개발하여전쟁부기의패러다임을변화시미고있는실정이다. 역사는짧지만굉장히빠르게진화되고있는드론은현재인간에게하여금호불호가분명해지는기계가되어버렸다. 원래군사용으로많이활용되었다가일반인에게까지널리알려지게되었고, 돈만있으면누구나쉽게구입해서조종할수있고기계에카메라를설치해서촬영도할수있게되었다. 미국방산전문컨설팅기업인틸그룹 (Teal Group) 은향후 10년간세계항공우주산업중무인항공기가가장역동적인성장세를보일것으로기대했다. 2014년 64억달러였던드론의시장규모가 10년후약 910억달러까지늘어날것으로예상된다. 2013년전세계 TV 시장규모가약 1,630억달러수준임을감안하면드론의미래시장가치는실로엄청난것이라할수있다. 또한, 2014년군사용수요가 89%, 민간수요가 11% 차지하던드론시장의판매분포는 10년후에는군사용이 86%( 약 783억달러 ), 민간수요가 14%( 약 127 억달러 ) 로변할것으로예측됐다. 차량용블랙박스처럼목격자가없는사건, 사고의증거가되거나바캉스시즌해수욕장에서인명피해를예방하는등드론이가진순기능역시무궁무진하게많다. 지금이야말로기발한아이디어를접목시키는지혜로소위말하는 대박 을칠기회인것이다. 다시말해지금이바로드론시장에서진취적이고창의적인도전을해야할때이다. 6 7
1차시하늘에떠있는드론은어떤원리로비행을하는것일까? 질문 4 드론의장점과단점을찾아정리하여보자. 질문 1 드론의정의와등장배경을지식검색을통해조사하여기록하고발표하여보자. 질문 2 질문 5 드론의활용사례를찾아정리하여보자. 드론의구조와동작원리를탐색하고정리하여보자. 질문 3 드론의활용사례를찾아정리하여보자. 8 9
질문 6 질문 9 드론에는비행기처럼날개가없다. 그렇다면무게를가지고있는기체 ( 드론 ) 를들어올릴수있는힘을어떻게얻는것인지적어보자. 드론의기체가안정되게비행하기위해어떤기능을조정해야하는지정보검색을통해다양한방법을조사하여적어보자. * 국내에서는드론의무게를 12Kg 으로제한을두고있음. 질문 7 드론의프로펠러날개의수는 4, 6, 8... 로짝을이루고있으며, 짝을이루는날개들은서로반대방향으로회전한다. 드론의 3 차원이동방향 ( 하늘나는모든비행체에적용 ) YAW(Z 축회전 ) 드론의수평을유지한상태에서동체를회전시킴 ROLL(Y축회전 ) 동체를좌우로기울임에따라드론이좌우로이동함 쿼드콥터드론의비행원리 상승및하강 1, 2, 3, 4 프로펠러가동일한속도로빠르게회전하면상승하고느리게회전하면하강 2 1 그이유를적어보자. 3 4 같은색프로펠러는회전방향이동일 PITCH(X축회전 ) 드론기수를상하로움직여전진하거나후진함 전 후진 (PITCH 이동 ) 1, 2 프로펠러가빠르게회전하면전진 3, 4 프로펠러가빠르게회전하면후진 2 1 질문 8 3 4 드론 의비행에서운동에너지에필요한동력을엔진을사용하지않고, 모터를사용하는그이유를적어보자. 제자리회전 (YAW 이동 ) 1, 4 프로펠러가빠르게회전하면반시계방향회전. 2, 3 프로펠러가빠르게회전하면시계방향회전 좌우이동 (ROLL 이동 ) 2, 4 프로펠러가빠르게회전하면왼쪽으로이동. 1,3 프로펠러가빠르게회전하면오른쪽으로이동 2 1 2 1 3 4 3 4 10 11
KIMS 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 복합재료야 놀자! 2차시 2차시 지금 우리가 있는 재료연구소는 재료연구소를 소개합니다 재료연구소를 소개합니다! 어떤 일을 하고 있을까? 생각열기 상황제시 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? 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? 생각펼치기 만약 자신이 재료연구소에서 연구를 하는 과학자라면 어떤 연구본부에서 무슨 일을 하고 싶은지 설명하여 본다. 질 금속재료연구본부 분말/세라믹연구본부 문 1 표면기술연구본부 재료연구소의 여러 연구본부들을 잘 살펴보았나요? 자신이 만약 이곳 재료연구소에서 연구를 하는 과학자라면, 어떤 연구본부에서 무슨 일을 하고 싶은가요? 복합재료연구본부 실용화연구단 산업지원/안전본부 생각다지기 재료연구소의 과학자나 기술자들이 열심히 연구하거나 작업하는 모습을 보고 느낀 점을 서로 공유한다. 12 13
KIMS 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 복합재료야 놀자! 3~4차시 제작 순서 프로펠러 제작하기 내용 및 유의점 준비된 아이스크림 막대의 중간(1/2)위치에 드릴을 이용하여 4mm 구멍을 뚫는다. 복합 재료를 사용한 창의적 프로펠러의 설계와 제작 드론을 뜨게 하는 힘(추력)은 어디서 오는가? 그림과 같이 아이스크림 막대를 사포를 이용하여 서로 대각선 방 향으로 반대되는 면적(빨간 빗금 친 부분)에 표시(빗금)을 한다. [탐구 실험 주제] 프로펠러 설계 및 제작 사포를 이용하여 그림과 같이 한쪽은 얇게 반대쪽은 두텁게 유지 [탐구 목표] 하면서 부드러운 곡선으로 갈아낸다. 프로펠러의 날개를 직접 설계하고 제작하여 무게가 다른 추를 달고 날려 봄으로써 비행체(드론)를 * 힘을 주면 아이스크림 막대가 부러질 수 있으니 주의해야 함) 들어 올리는 힘(양력)에 대하여 설명할 수 있다. [탐구 과정] 프로펠러의 구조를 관찰해 보고, 프로펠러의 날개를 어떻게 설계하고 제작해야 될지를 팀원들과 일정한 모양이 만들어지면 준비된 둥근 나무젓가락을 구멍이 뚫 함께 의견을 나누어 본다. 린 곳에 빠지지 않도록 밀어 넣는다. 제작 순서 내용 및 유의점 드론 모형의 날개 구조를 관찰하여 구조와 모양에 대하여 팀별로 탐색하여 본다. 그림의 예시와 같이 날개를 설계하여 가위로 제단을 한다. * 날개의 모양은 창의적으로 다양하게 설계하고 제작할 수 있다. 다만, 날개 의 모양과 크기 등에 의해 프로펠러의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따 라서 여러 번 반복 실험을 권장함) * 날개로 사용되어지는 재료는 마분지, 철판, PET병의 재질 등을 사용하여 먼저 아이스크림 막대를 준비한다.(시중에서 쉽게 구할 수 있는 것) 제작할 수 있음 * 날개의 크기와 모양은 생각과 의도에 따라 모두 다를 수 있음 * 날개의 면적이 너무 크면 공기 저항이 커져서 프로펠러 성능에 영향을 미 칠 수 있음 14 15
KIMS 융합인재교육(STEAM) 아웃리치 프로그램 복합재료야 놀자! 제작 순서 내용 및 유의점 제작 순서 내용 및 유의점 사포(200)로 갈아낸 아이스크림 막대의 두께가 얇아진 쪽에 대각 날개를 모두 재조정했다면, 프로펠러가 회전할 때, 날개와 나무 젓 선 방향으로 양면테이프를 이용하여 붙인다. 가락이 분리되지 않도록 그림과 같이 고정될 수 있도록 접착제를 * 아이스크림 막대 전체 면적에 골고루 붙여도 상관없으나, 무게 증가로 프 사용하여 마무리 한다. 로펠러의 성능에 영향을 줄 수도 있음. 양면테이프의 껍질을 벗기고, 제작된 프로펠러의 날개를 조심스럽 프로펠러가 고정된 나무 젓가락의 아래쪽에 실을 이용하여 그림 게 붙인다. 그리고 프로펠러의 면적이 큰 쪽이 바깥쪽에 위치하고 과 같이 매듭지어 고정시킨다. 있으나, 안쪽 부분을 크게 하여 제작해도 된다. * 접착제로 고정해도 무방함. * 너무 크면 프로펠러의 성능에 영향을 줄 수 있으므로 최적의 날개 크기를 실험을 통해 찾아야 함. 프로펠러의 날개를 그림과 같이 한쪽을 부드럽게 휘도록 손으로 실의 다른 한쪽은 프로펠러에 매달질 무게 추를 고정시킨다.(그림 조정한다. 에서는 예를 들어 나무막대를 달고 실험함) * 양쪽 모두 같은 방법으로 만듬. * 클립 등을 사용하여 무게가 다른 물체를 증가시킬 수 있는 구조로 만들 * 날개의 휘어지는 각도는 프로펠러의 성능에 영향을 미칠 수 있음. 것을 권장(팀에서 결정) 완성된 프로펠러의 날개를 준비된 둥근 나무 젖가락에 끼우고, 손 제작된 전체 모습이며, 여기서 실의 길이는 프로펠러가 빠른 속도 으로 가볍게 회전시켜 프로펠러가 잘 뜨는지 관찰한다. 로 여러 번 회전할 때 실이 꼬일 수 있으므로 50Cm~1M 정도의 * 날개의 휘는 정도를 달리하며 실험함. 길이를 유지 할 수 있도록 한다. * 완성된 프로펠러를 날려 보고, 작용과 반작용의 힘으로 잘 상승하는지 관 찰함. 완선된 프로펠러를 측면에서 보았을 때, 날개가 한쪽으로 부드러 완성된 전체 모습 운 곡선을 유지하며 내려올 수 있도록 손으로 다시 조정하여 프로 펠러가 회전할 때 공기가 부드럽게 스쳐 지나갈 수 있도록 한다. * 이 조정에서 너무 많이 휘면 공기저항이 생겨 프로펠러의 회전력이 줄어 들 수 있으므로 실험을 통해 최적의 조건을 찾아야 함 16 17
3~4차시프로펠러동작및성능실험 5~6차시팀활동을통한드론날리기및복합재료분야에대한발전성과방향성토론 5~6 차시실제 드론 날리기 질문 1 A상황 : 프로펠러가강하게회전할때, 작용-반작용으로종이로제작된날개의휘어진부분을공기가강하게밀어날개의모양이평평해질수있는데, 이때프로펠러가위로상승하는성능이어떻게되는지관찰하여적어보자. 상황제시 드론조정에관한동영상정보 : http://me2.do/xakm0wwy Elevator Throttle Rudder Aileron 질문 2 프로펠러에달린추의무게가증가할수록 A 상황 에서프로펠러의성능은어떻게되는지실험한결과를적어보자. [ 조종기의스틱명칭 ] 1. 빨간색 - 스로틀 ( 모터을돌리는기능을하고, 스틱을위 로많이올리면그만큼회전속도가증가 ) 2. 초록색 - 러더 ( 기체의머리를좌우로회전시키는기능 ) 3. 노랑 - 엘리베이터 ( 기체를앞뒤로이동시키는기능 ) 4. 파랑 - 에일러론 ( 기체를좌우로기울여서결국기체가 좌우로이동 ) 질문 3 조종기의스틱아래와옆에있는같은색상의버튼은트림 A 상황 을극복할수있는해결방법에는어떤것이있을수있는지적어보자. 이라고한다. 조종기의스틱이중립일때 ( 스틱은제일아래 ) 드론의중심 ➋ ➊ ➌ ➍ 이맞아야하는데, 이때중심이맞지않는다면해당되는트림을반대로몇번눌러주면보정이됩니다. ( 예-기체가좌측으로조금씩움직인다면, 에일러론트림 (4 번파랑색트림 ) 을우측으로몇칸눌러주면됨 ) 18 19
질문 1 질문 3 드론조정기의 Elevator 의기능이무엇인지적어보자. 드론조정기의 Throttle 의기능이무엇인지적어보자. 질문 2 질문 4 드론조정기의 Aileron 의기능이무엇인지적어보자. 드론조정기의 Rudder 의기능이무엇인지적어보자. 20 21
질문 5 질문 7 드론조정기의 Elevator 의기능을앞으로하고, Aileron 의기능을오른쪽으로동시에이루어지면드론은어떤운동을하는지적어보자. 드론조정체험이없었던학생의경우, 오늘드론체험에서가장어려웠던점이무엇인지적어보자. 질문 8 드론에 GPS( 위성항법시스템 ) 가탑재된경우와그렇지않은드론에서의차이점을적어보자. 질문 6 다음제시된내용 O 로선택하시오. 드론조정체험 ( 없음 ) 드론조정체험 ( 있음 ) 질문 9 드론조정체험이있었던경우, 드론을쉽게조정할수있는새로운방법을제시하여보자. 22 23
5~6차시팀발표및자기 ( 성찰 ) 평가 5~6차시나의생각표현하기 주제 팀명날짜 ( 교시 ) 수업시작전수업을마친후기타 드론 이우리생활과문화에어떤영향을미칠수있을까? 성명 나는오늘팀프로젝트활동시간에... 부정 긍정 1 2 3 4 5 팀활동을충분히이해하고, 활동에적극적으로참여하였다. 팀활동을주도적으로이끌었다. 팀으로이루어진모든활동과정에적극적으로참여하였다. 토의과정에서활발하게내의견을제시하였다. 드론 개발에있어기술적한계를극복해야하는것에는어떤것이있을까? 발표하는동안다른팀의결과발표에도귀기울여들었다. 오늘배운내용을다른친구에게자세히설명해줄수있다. 발표자료구성에팀원들에게도움을주었다. 중요한내용을노트에잘정리해두었다. 오늘도움을 ( 준, 받은 ) 친구 나의오늘스마일점수 드론 의무게를줄일수있는방법 ( 재료연구 ) 에는어떤것이있을까? 기타의견 24 25