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[융합]
과학고 연구과제(R&E) 결과보고서
미지 행성에서의 생존 방안 연구 프로젝트
(A study on how to survive on an unknown planet)
연 구 기 간 : 2012. 3. 1 ~ 2012. 12. 31
연구책임자 : 김승태(인천과학고 화학교육전공)
지 도 교 사 : 김우태(인천과학고 화학교육전공)
윤덕한(인천과학고 생물교육전공)
참 여 학 생 : 조기환(인천과학고 2년)
김도운(인천과학고 1년)
신동민(인천과학고 1년)
이진우(인천과학고 1년)
한상우(인천과학고 1년)
이 보고서는 2012년도 정부(과학기술진흥기금/복권기금)의
재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다.
미지 행성에서의 생존 방안 연구 프로젝트
목 차
제 1 장사업개요및방법----------------------- 1
제 2 장사업내용및성과----------------------- 4
제 3 장결론---------------------------------- 4
제 4 장부록(연구결과물)----------------------- 5
Ⅰ. 연구목적및목표---------------------------------------- 6 Ⅱ. 연구방법및설계---------------------------------------- 6 Ⅲ. 연구결과 및 고찰-------------------------------- 13
Ⅵ. 결론및논의-------------------------------------------- 19 Ⅴ. 참고문헌----------------------------------------------- 20
제 1 장 사업개요 및 방법
Ⅰ. 연구의 필요성 및 목적
1. 필요성
가. 대기 성분과 밀도가 지구와 다른 행성기지에서 태양광의 효과적인 차폐 방법
을 개발할 수 있는 과학적 근거를 마련할 필요가 있다.나. 지구와 다른 환경의 행성으로부터 에너지를 얻기 위해 태양광 전지를 이용하
고, 행성 환경에 적합한 태양전지를 구현할 필요가 있다. 다. 지구와는 구성 성분이 다른 행성 토양에서 어떠한 미생물이 생존할 수 있는
지를 알아보는 과정과 미생물을 이용한 독성물질 제거 과정을 연구할 필요가
있다. 2. 목적
가. 행성에 존재할 것으로 예상되는 얼음을 활용하여 태양광 중 생명체 활동에
위해가 되는 자외선에 대한 차폐 효과를 알아보고자 한다. 나. 행성에 전달되는 태양광의 특성에 맞는 염료 감응형 태양광 전지를 구현하고
자 한다. 다. 지구형 행성의 토양 성분 분석과 화성 토양의 성분을 비교 분석하여 토양 미
생물 생존의 기본 조건을 탐색하고, 토양 미생물에 의한 토양 독성물질 제거
능력 측정과정을 통하여 미생물의 독성 물질 제거 과정을 연구할 수 있도록
한다. 라. 미지 행성의 정착을 위한 행성기지의 구조를 제한하고 근거를 제시한다.
Ⅱ. 연구내용 및 방법
[연구 주제 1 : 물이 존재하는 미지행성의 얼음을 이용한 태양광 중 유해 자외선의
차폐 효과]
1．연구내용
가. 태양광의 가시광선을 통과하고 유해 자외선을 차단할 수 있는 얼음 만드는
방법을 알아본다. (1) 투명한 얼음 제조 방법 조사
나. 유해 자외선 파장대에서 투명얼음의 자외선 투과도 조사
(1) 투명한 얼음을 일정한 두께로 제작한 후 자외선을 쬐고, 자외선 측정
2. 연구방법
가. 자외선 차단용 얼음 제작 방법
(1) 얼음을 얼릴 수 있는 용기를 윗부분만 제외하고 단열재로 감싼 후 얼음이 윗
부분부터 얼어가면서 물속의 기포와 불순물들이 얼음 아래쪽으로 가라앉게 한
다. 나. 얼음의 자외선 차폐 효과
(1) 두께와 투명도를 조작변인으로 설정하고, 자외선 조사기(illuminator)로 조사
하여 조사 거리, 자외선 종류에 따라 자외선 측정기로 측정한다. 다. 결과 분석
(1) 가시광선 선택적 투과 UV-C 차폐 얼음판 제작. (2) 얼음판의 UV-C 차폐 효과 탐색
[연구 주제 2 : 젤 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지 제작]
1．연구내용
가. 행성 표면의 특성을 고려한 태양전지 종류 탐색
(1) 화성 표면의 특성을 기준으로 태양전지 비교. 나. 젤 전해질을 이용한 염료 감응형 태양전지 효율 조사. (1) 시중에서 구할 수 있는 전도성 젤을 이용한 젤 전해질 염료 감응형 태양전
지 효율 조사.2. 연구방법
가. 젤 물질의 공기 중 노출 효과 관찰
(1) 태양전지 전해질용으로 사용할 젤을 일정량 패트리 접시에 넣고 하루 뒤 관
찰하여 젤의 상태를 비교한다. 나. 액체 전해질과 젤 전해질 염료 감응형 태양전지 비교
(1) 키트를 이용하여 기존 액체 전해질 및 젤을 혼합한 전해질을 이용한 염료
감응형 태양전지를 제작하고 비교한다. 다. 액체염료 감응형 태양전지 기판 만들기
(1) FTO 유리기판과 TiO2 paste 등을 이용하여 기판을 제작한다. 라. 젤 종류에 따른 전해질의 효과
(1) 아이오딘 용액과 전도성젤 및 초음파젤을 혼합한 전해질을 각각 사용하여
염료 감응형 태양전지 셀을 제작하고 비교한다. 마. 젤 혼합물 비에 따른 전해질의 효과
(1) 아이오딘과 전도성젤 혼합비를 달리하여 염료 감응형 태양전지 셀을 제작하
고 비교한다. 다. 결과 분석
(1) 액체 전해질과 젤 전해질 염료 감응형 태양전지 전압비교
(2) 젤 종류에 따른 염료 감응형 태양전지 전압비교
(3) 젤 혼합물 비에 따른 염료 감응형 태양전지 전압비교
[연구 주제 3 : 미지행성 토양의 중금속에 대한 내성을 가지고 있는 세균이 중금속
안정화 능력이 있는지 탐구]
1．연구내용
가. 지구형 행성의 토양 성분 분석과 화성 토양의 성분 분석
(1) 지구형 행성의 토양 성분을 문헌 및 인터넷 자료 조사. (2) 행성에 존재하는 미량 원소가 미생물의 생존에 어떠한 영향을 미치는지 분석. 나. 토양 방선균용 액체 배지 및 고체 배지 제조
(1) LB, Bennett Agar, R2A 배지를 제조한다. 다. 중금속 내성 토양 방선균 배양
(1) 중금속(Pb, Cd, Cr, Fe, Co)이 들어있는 중금속 배지에 토양 방선균을 배양.
2. 연구방법
가. 지구형 행성의 토양 성분 분석과 화성 토양의 성분 분석
(1) 지구형 행성의 토양 성분을 문헌 및 인터넷 자료를 통하여 얻고 이를 분석
한다. (2) 지구형 행성과 화성 토양의 성분 분석을 통하여 세균이 생존할 수 있는 지
의 여부와 각 행성에 존재하는 미량 원소가 미생물의 생존에 어떠한 영향을 미
치는지 사전 문헌 연구를 통하여 분석한다. 나. 토양 방선균용 액체 배지 및 고체 배지 제조
(1) 재료를 적절히 배합하여 LB, Bennett Agar, R2A 배지를 제조한다. 다. 중금속 내성 토양 방선균 배양
(1) 중금속(Pb, Cd, Cr, Fe, Co)이 들어있는 중금속 용액을 준비한다. (2) 중금속이 많을 것이라고 상되는 토양의 희석액을 준비한다. (3) Shaking incubator에서 토양 방선균을 배양한다. 라. 결과분석
(1) 원자흡광광도계를 이용하여 토양 방선균을 키운 배지에 대한 Fe, Co, Cr, Pb, Cd의 농도를 측정한다.
[연구 주제 4 : 행성의 중력, 대기압 등의 영향을 고려한 행성기지 구조물 특성 연
구]
1．연구내용
가. 행성의 중력, 대기압 등의 영향을 고려한 행성기지 구조물 특성 연구. 나. 다양한 형태의 지오데식 돔 구조 기둥 제작. 2. 연구방법
가. 행성의 중력, 대기압 등의 영향을 고려한 행성기지 구조물 특성 연구.
1) 다양한 행성기지 구조물 모형을 구상하고, 구조물이 최대 견딜 수 있는 중력
의 크기를 조사한다. 나. 다양한 형태의 지오데식 돔 구조 기둥 제작. (1) 다양한 형태의 지오데식 돔 구조 기둥을 제작하고, 구조물이 최대 견딜 수
있는 버팀 하중을 측정한다.
제 2 장 사업내용 및 성과
1. 물이 존재하는 미지행성의 얼음을 이용하여 태양광 중 UV-C의 차폐 효과를 측
정하여 확인하였다. 2. 시중에서 구하기 쉬운 전도성 젤을 이용하여 젤 전해질 염료 감응형 태양전지
제작하고 그 효과를 확인하였다. 3. 미지행성 토양의 중금속에 대한 내성을 가지고 있는 세균이 중금속 안정화 능
력이 있는지 분석하여 그 효과를 확인하였다. 4. 행성의 중력, 대기압 등의 영향을 고려한 행성기지 구조물 특성을 연구하고 구
조물에 맞는 자재 구조를 제작하고 그 효과를 확인하였다.
제 3 장 결 론
이 연구에서는 가시광선에 대해 투명한 얼음이 250nm 파장대의 자외선에 대해
어느 정도의 흡수율을 가지고 있는지에 대한 측정하였다. 파장에 따라 다른 투과율
을 보이는 물질을 사용한다면, 위험한 복사선으로부터의 보호와 가시광선의 채광효
과를 둘 다 이룰 수 있을 것이다. 또한 우리 주위에서 쉽게 구할 수 있는 얼음
()의 UV-C에 대한 투과율을 알아보는 실험을 진행하였다. 얇은 얼음판은
UV-C의 흡수에 대해서 예산한 만큼 큰 효과가 없는 것으로 보이고, 또한 여러 실
험상의 오차들에 의해 일부 데이터들이 부정확하게 나온 점이 아쉽다. 하지만 재료
가 미지 행성에서 구할 수 있는 얼음이라는 점과, 더 많은 파장대에 대해 차단율을
조사해본다면 미지 행성의 기지를 유해 광선으로부터 보호하는데 응용할 수 있는
부분이 많을 것이라 판단된다. 염료 감응형 태양전지 전해질용 젤은 대기 중에 노출 되었을 때 전해질의 증발을
억제하는 효과를 가져야 한다. 또한 대기 중 노출로 젤 자체의 부피 변화가 최소화
되어야 할 것이다. 전해질 접촉 면적이 줄어들면 전지 효율이 줄어드는데, 공기에
노출된 액체 전해질은 시간이 갈수록 증발하여 전지의 전류는 시간이 갈수록 줄어
들 것이다. 지구 보다 기압이 작은 미지 행성이라면 이 효과는 더 크게 작용할 것
을 판단된다. 이에 젤 전해질을 사용하면 증발효과를 감소내지 차단하여 운석등에
의한 피해 발생 시 응급조치를 할 수 있는 시간을 부여할 것이다. 행성기지는 외부와 차단되어 있으므로 기지 내부가 중금속 등 오염 물질에 노출
되면 생명체에게 치명적이 될 것이다. 이 연구를 통하여 미지 행성 토양에 존재할
수 있는 중금속 물질을 미생물을 이용하여 제거하는 방법을 확인하였다. 현재 다양
한 중금속 안정화 기작이 밝혀져 있다. 추후 연구를 통하여 토양 방선균의 중금속
안정화 기작이 밝혀지게 된다면 기존 연구에서 밝힌 결과들을 토대로 미생물을 이
용한 중금속 안정화 기법이 가지고 있는 문제점에 대한 해결책을 찾을 수 있을 것
이라고 생각한다. 미지의 행성에서 초기 기지를 건설하기 위해서는 지구로나 모선으로부터 자재를
운반해 와야 하기 때문에 경제적인 면을 고려해야 한다. 이 연구를 통하여 같은 양
의 재료를 이용해서 같은 양의 재료가 얼만큼 강한 힘을 버틸 수 있는지, 또 가장
강한 힘을 버티는 구조가 어떠한 구조인지 확인할 수 있었다. 이를 통해 육각기둥
의 안전성을 증명을 하고, 지오데식 돔 구조의 미니어처를 제작하여 구현하였다.
제 4 장 부 록(연구결과물)
미지 행성에서의 생존 방안 연구 프로젝트
조기환 : (인천과학고등학교 2학년, [email protected])김도운 : (인천과학고등학교 1학년, [email protected])신동민 : (인천과학고등학교 1학년, [email protected])이진우 : (인천과학고등학교 1학년, [email protected])한상우 : (인천과학고등학교 1학년, [email protected])
지도교사 : 김승태 (인천과학고등학교 화학교육 전공, [email protected])지도교사 : 김우태 (인천과학고등학교 생물교육 전공, [email protected])지도교사 : 윤덕한 (인천과학고등학교 생물교육 전공, [email protected])지도교사 : 최관순 (인천과학고등학교 생물교육 전공, [email protected])
Ⅰ. 연구 목적 및 목표
미지 행성 중 물의 흔적과 대기 중에 산소가 존재하는 행성을 발견하고 이 행성에 인간이
정상적으로 생활하기 위해 필요한 우주기지 건설 방안을 제시하고, 이를 해결하기 위한 과
학적 원리나 논리의 근거를 제시할 수 있는 통합과학적 프로그램 개발하고자 하였다. 1. 물이 존재하는 미지행성의 얼음을 이용한 태양광 중 유해 자외선의 차폐 효과
2. 젤 전해질을 이용한 염료감응형 태양전지 제작
3. 미지행성 토양의 중금속에 대한 내성을 가지고 있는 세균이 중금속 안정화 능력
이 있는지 탐구
4. 행성의 중력, 대기압 등의 영향을 고려한 행성기지 구조물 특성 연구
Ⅱ. 연구 방법 및 설계
연구 1. 얼음을 이용한 태양광 중 유해 자외선의 차폐 효과
가. 이론적 배경 (1). 자외선
태양빛은 가시광선, 자외선, 적외선으로 구성된다. 이중 자외선은 체내에서 비타민D를
합성하고, 살균작용을 하는 등 이로운 역할을 하는 동시에 피부노화, 피부암, 건조, 피부
염, 잔주름, 기미, 주근깨 등을 생기게도 한다. 자외선(Ultraviolet:UV)은 파장 길이에 따라
A,B,C의 3가지로 나뉘는데, 이 중 UVC는 오존층에서 차단되고, UVA와 UVB가 피부에 영
향을 미친다. UVA는 자외선의 90% 이상을 차지하며 피부노화의 주원인으로 꼽히며 기미, 주근깨를 악화시킨다. 일출부터 일몰 때까지 하루 종일, 사계절 내내 존재한다. 구름 낀
흐린 날, 비오는 날에도 피할 수 없으며 유리도 투과한다. UVB는 여름에 증가하며, UVA보다 파장이 짧아 피부 깊숙이 침투하지는 못하지만 과다하게 쪼이면 일광화상을 일으키
거나 홍반, 물집, 화상, 염증을 일으키며 피부노화의 원인이 된다.나. 연구방법 (1) 얼음판 제작법
스티로폼을 이용하여 서서히 물을 얼려 얼음을 최대하 투명하게 만든다. (2) 얼음판 분리
가스토치를 이용하여 얼음의 투명한 부분을 5cm 두께로 분리한다. (3) UV 조사
제작한 UV 조사 장치(UV-C 6W 램프, sankyo/japan)를 이용하여 얼음판에 250nm 파장대
의 자외선을 조사하여 자외선 측정 장치(UVC-254, Lutron/taiwan)를 이용하여 측정한다. <그림 1> 얼음판을 이용한 자외선 차단 측정 과정
얼음판 제조 얼음판 분리 UV 조사
<그림 2> 자외선 측정장치
연구 2. 젤 전해질을 이용한 염료 감응형 태양전지 제작
가. 이론적 배경 (1) 염료 감응형 태양전지
염료 감응형 태양전지는 식물이 광합성 작용을 통해 받은 태양에너지를 전자의 흐름으
로 만들어내어 산화환원작용의 에너지로 쓰는 것과 같은 원리를 가진다. 단지, 식물의 잎
에서 광합성을 할 때 빛을 엽록소라는 염료가 흡수하는 반면, 염료 감응형 태양 전지는
표면적 증가로 보다 많은 양의 광감응 염료분자를 흡착시키기 위해 나노 크기의 염료분자
를 사용하며 일반적으로 TiO2(이산화 티타늄)를 많이 쓴다. 표면에 염료분자가 화학적으로
흡착된 나노 입자 반도체 산화물 전극에 태양빛이 흡수되면 염료분자는 전자를 내놓게 되
는데 이 전자가 여러 경로를 통하여 투명 전도성 기판으로 전달되어 최종적으로 전류를
생성한다. 전기적 일을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순
환하게 된다. 많은 연구가 진행되는 실정이고, 현재 전해질을 액상의 전해질을 사용하고
있는데, 전력의 유지 문제가 대두되고 있다.나. 연구방법
(1) 젤 물질의 공기 중 노출 효과 관찰
<그림 2> 태양전지 전해질용 젤
< 전도성 젤1 > < 전도성 젤2 > < 초음파 젤 >
태양전지 전해질용으로 사용할 젤 3가지를 일정량 패트리 접시에 넣고 하루 뒤 관찰하
여 젤의 상태를 비교한다. 사용한 젤의 종류는 다음과 같다. 전도성 젤1(Tensive, parker laboratories/U.S.A), 전도성 젤2(Redux gel, parker
laboratories/U.S.A), 초음파용 젤(Eco sonic, sanipia/korea)(2) 키트를 이용한 액체 전해질과 젤 전해질 염료 감응형 태양전지 비교
<그림 3> 염료 감응형 태양전지 키트
키트를 이용하여 기존 액체 전해질 및 젤을 혼합한 전해질을 이용한 염료 감응형 태양전
지를 제작하고 초기 전압을 측정하고, 액체 전해질 주입구를 개봉하고, 1주일 후 액체 전
해질과 젤 전해질의 두 염료 감응형 태양전지의 전압을 측정하여 비교하였다. 젤 전해질은
전도성 젤1 2.7g과 1% 아이오딘 용액 2.5mL를 혼합하여 사용하였다. 전지 전압 측정을 위
한 광원은 일정한 광원을 얻기 위해 태양광과 비슷한 LED 3파장 9W 전구가 장착된 전기
스탠드를 사용하였다. <그림 4> LED 전구 전기 스텐드를 이용한 전지 전압측정
(3) 염료 감응형 태양전지 기판(2×3) 만들기
① FTO 전도성 유리기판을 적당한 크기로 유리칼을 이용하여 자른다. ② 3M 매직테이프를 이용하여 기판의 중앙을 2×3cm 남기고 테이핑 한다. ③ TiO2 paste를 유리 기판 상단에 바르고 플라스틱 자로 누르면서 닦아 내듯이 기판 중
앙에 바른다. ④ 테이프를 떼어내고, 전열판위에 놓은 후 550℃로 TiO2 paste가 검게 되었다가 다시 흰
색으로 변할 때 까지 약 20분 가열하여 구워낸다.(유기물이 분해될 때 까지) ⑤ 온도를 내려 식힌 후 N719 염료 용액(에탄올에 녹임)이 담긴 패트리 접시에 넣어 염색
한다. ⑥ 염료를 말린 후 다시 위 과정을 3회 반복하여 염료가 충분히 흡착되도록 한다. ⑦ 다른 FTO 유리기판을 준비하여 투명한 Pt paste를 얇게 바른 후 같은 방법으로 구워
낸다. ⑧ 두 기판 사이에 전해질을 주입하여 완성한다.
<그림 5> 염료 감응형 태양전지 기판 제작
< TiO2 paste > < 유리기판 소성 > < N719 염료 흡착 >
(4) 젤 종류에 따른 전해질의 효과
-준비물 : 염료감응형 태양전지 키트, 전도성 젤1(Tensive, parker laboratories/U.S.A), 전도성 젤2(Redux gel, parker laboratories/U.S.A), 초음파용 젤(Eco sonic, sanipia/korea), 1% 아이오딘 용액, 패트리 접시, 마이크로피펫, 멀티테스터(Fluke-289/FVF, fluke corporation/U.S.A)
-실험과정 : ① 전도성 젤1과 1% 아이오딘을 섞어 젤 전해질로 만든다.(3.24g-3.00ml) 이때 셀은 밀봉
하지 않고 둔다.
<그림 6> 아이오딘 용액과 젤 혼합 전해질
② 젤 전해질을 기판에 엷게 발라 염료 전극과 상대 전극을 접합하고 전압을 측정한다. ③ 전도성 젤2와 아이오딘을 섞어 키트가 제작한다.(2.92g-2.7ml) ④ 초음파용 젤과 아이오딘을 섞어 키트가 제작한다.(2.96g-2.75ml) ⑤ 각 키트가 제작되면 전압을 확인한다.
<그림 7> 키트를 이용하여 제작한 염료 감응형 태양전지
(5) 아이오딘 용액과 젤 혼합물 비에 따른 전해질의 효과
① 전도성 젤1과 아이오딘 0.5M를 여러 가지 비율로 섞어 전해질로 만든다.
실험 비율
아이오딘/전도성 젤 비율
(mL/g) 0.3 0.4 0.5 0.6 ② 각 비율의 젤 전해질 염료 감응형 태양전지의 전압을 측정한다.
<그림 8> 제작된 셀의 전압측정
연구 3. 중금속 내성 방선균의 중금속 안정화 탐구
가. 이론적 배경(1) 토양 방선균 (Actinomyces) 토양, 식물체, 동물체, 하천, 해수 등에 균사체 및 포자체로 존재하는 미생물로 세포의
크기가 세균과 비슷하며 세포가 마치 곰팡이의 균사처럼 실 모양으로 연결되어 발육하며
그 끝에 포자를 형성한다. 이들은 물질대사에서 발생한 부차적인 생산물질을 통해 약물을
만들 수 있다는 점에서 상업적 관심이 증가해왔다.(2) 원자흡광광도계
시료 용액을 고온 하에서 분해하여 원자를 증기화하고, 이것에 램프를 이용해 비추면 발
생 원자가 고유한 파장의 빛을 흡수하는 현상을 이용한 것이다. 흡광 비율은 시료 원소의
농도에 비례하므로 미리 알고 있는 농도의 표준 용액을 측정하여 검량선을 제작해 두고, 이것과 비교함으로써 모르는 시료를 정량할 수 있다.
나. 연구방법
(1) 토양 방선균용 액체 배지 및 고체 배지 제조재료를 적절히 배합하여 LB, Bennett Agar, R2A 배지를 제조한다.
(2) 중금속 내성 토양 방선균 배양① 용액 1L당 100mg의 중금속 (Pb, Cd, Cr, Fe, Co)이 들어있는 중금속 용액을 준비한다.
② LB Broath 200ml에 각 중금속 희석액 2ml(100mg/L)와 중금속이 많을 것이라고 예상
되는 부천시 원미구 삼정동 ‘동원산업’ 근처의 토양의 희석액 1ml를 넣는다.
③ Shaking incubator에서 27℃에서 3일간 토양 방선균을 70rpm으로 배양한다.
④ R2A배지와 Bennett Agar배지를 준비해 두고, 중금속이 포함된 액체배지에서 배양된
토양세균을 고체배지에 도말하여 배양한다.
<그림 9> 실험군 준비 및 배양
< 실험군 준비 > < Shaking incubator 배양 >
(3) 실험군 처리
① 50ml부피의 원심분리용 튜브에 Shaking incubator에서 배양된 세균이 들어있는 LB Broath 배지 용액 30ml를 넣는다. (각각 3개씩 준비한다.)
② 6000rpm에서 10분 동안 원심 분리시킨다.③ 1.5ml 원심분리용 튜브에 1차 원심 분리한 용액을 넣는다. 한 종류의 용액에 대해 20
개씩 준비하여 1400rpm에서 10분 동안 원심 분리시킨다.④ 1차 원심분리하고 남은 상층액은 삼각플라스크(200ml)에 넣고 냉장 보관한다.⑤ 2차 원심분리하고 남은 상층액은 50ml 부피의 원심분리용 튜브에 모아 냉장 보관한다.
(4) 원자흡광광도계를 이용한 중금속 농도 측정
① 토양 방선균이 배양된 각각의 액체 배지를 원심분리기를 통해 16,000rpm에서 20분 동
안 원심 분리시키고 0.2㎛ 필터 페이퍼를 통하여 여과시킨다.② 원자흡광광도계를 이용하여 토양 방선균을 키운 배지에 대한 Fe, Co, Cr, Pb, Cd의 농
도를 측정한다.<그림 10> 원자흡광광도계를 이용한 중금속 농도 측정 과정
중금속 준비 각 중금속의 표준곡선 측정 중금속 농도 측정
연구 4. 탐구행성의 중력, 대기압 등의 영향을 고려한 행성기지 구조물 특성 연구
가. 이론적 배경(1) 인장 강도 [ tensile strength ] 재료의 인장 시험에 있어서 시험편이 파단할 때까지의 최대 인장 하중(Wmax)
을, 시험 전 시험편의 단면적(A0)으로 나눈 값(σt). 극한 강도라고도 불리고 재료의
강도 기준의 하나.나. 연구방법
(1) 안전하고 경제적인 행성 기지 골격 기둥 찾기
<그림 11> 다양한 형태의 기둥 제작
< 30x30의 단위의 우드락 > < 제작된 5가지 모형 >
(2) 반쪽 기둥 제작
<그림 12> 반쪽 육각기둥과 반쪽 팔각기둥의 제작
< 육각기둥재료 > < 팔각기둥재료>< 반쪽 육각기둥 및
팔각기둥>
(3) 다양한 기둥에서의 고정 하중 버팀 실험
① 실험에 사용된 추는 15, 7.5, 5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1kg의 바벨에 쓰이는 추를 사용하였다. ② 무거운 추를 먼저 올리고, 구조체가 무너질 때 까지 작은 추를 쌓아 올려 버팀 하중의
크기를 측정하였다.<그림 13> 다각 기둥의 버팀 하중 측정
<삼각기둥> <사각기둥> <육각기둥> <팔각기둥>
<그림 14> 실험에 사용된 추
(4) 반쪽 기둥에서의 버팀 경향성 탐구
① 반쪽 기둥의 버팀 측정은 육각 및 팔각기둥을 동시에 측정하여 어떤 구조가 더 오래
버티는지 확인하였다. <그림 15> 두 기둥의 고정 하중 버팀 실험
< 3kg 추 올리기 > < 하중에 의한 좌굴 >
② 1차 측정 (간격 : 15 cm, 무게 : 3kg) ③ 2차 측정 (간격 : 6 cm, 무게 : 6kg)
Ⅲ. 연구결과 및 고찰
연구 1. 얼음을 이용한 태양광 중 유해 자외선의 차폐 효과
가. 연구결과
<표 1> 얼음 두께에 따른 자외선 세기 측정
얼음두께 1cm 2cm 3cm 4cm 5cm자외선세기
(mW/㎠)30.0 27.4 24.8 27.0 23.7
<그림 16> 얼음 두께에 따른 자외선 세기 측정
자외선의 세기는 전체적으로 얼음의 두께가 두꺼울수록 선형적으로 감소하는
결과를 얻을 수 있었다. 총 3회에 걸친 실험결과에서 250nm 파장대의 자외선에 대
해 5cm 두께의 얼음판은 10% 정도의 자외선 흡수율/차단율을 보였으며, 이는 가시
광선의 높은 투과율과 비교하면 의미가 있는 데이터였다.나. 고찰
이번 연구에서는 가시광선에 대해 투명한 얼음이 250nm 파장대의 자외선에 대
해 어느 정도의 흡수율을 가지고 있는지에 대한 측정하였다. 우리가 투명하다 여기
고 있는 유리도 실제로는 가시광선에 한해서만 투과율이 높으며 적외선에 대해서는
상당히 불투명하다고 알려져 있다. 파장에 따라 다른 투과율을 보이는 물질을 사용
한다면, 위험한 복사선으로부터의 보호와 가시광선의 채광효과를 둘 다 이룰 수 있
을 것이다. 이 연구에서는 우리 주위에서 쉽게 구할 수 있는 얼음()의 파장대에 대한
투과율을 알아보는 실험을 진행하였다. 얼음은 UV-C의 흡수에 대해서는 큰 효과
가 없는 것으로 보이고, 또한 여러 실험상의 오차들에 의해 일부 데이터들이 부정
확하게 나온 점이 아쉽다. 하지만 재료가 미지 행성에서 구할 수 있는 얼음이라는
점과, 더 많은 파장대에 대해 차단율을 조사해본다면 미지 행성의 기지를 유해 광
선으로부터 보호하는데 응용할 수 있는 부분이 많을 것이라 예상합니다.
연구 2. 젤 전해질을 이용한 염료 감응형 태양전지 제작
가. 연구결과
(1) 젤 물질의 공기 중 노출 효과 관찰
<그림 17> 공기 중 1일 노출 후 젤의 상태변화
< 노출 직후 > < 노출 1일 후>
세 가지 젤 모두 공기 중 노출 1일 후 점성이 거의 사라졌다. 초음파 젤과 전도성 젤2는 거의 말라 붙어 있었으나 전도성 젤2는 비록 마르기는 했으나 어느 정도 부피를 유지
한 채로 고체화 되어 있었다. (2) 키트를 이용한 액체 전해질과 젤 전해질 염료 감응형 태양전지 비교
<그림 18> 액체 전해질과 젤 전해질 염료 감응형 태양전지
< 액체 전해질 키트 > < 젤 전해질 키트 >
주입구를 개방한 액체 전해질 키트와 젤 전해질 키트의 LED 전구에서 전압 측정 결과
각각 0.61V, 0.62V로 큰 차이가 없었다. 1주일 후 측정 결과도 각각 0.62V, 0.67V로 비슷
하였다, 하지만 전해질의 유리 기판 접촉면적은 그림 15에서 보는 것과 같이 액체 전해질
키트에서는 점점 줄어들었으나 젤 전해질에서는 줄어들지 않았다. (3) 젤 종류에 따른 전해질의 효과
세 가지 젤전해질을 사용하여 염료 감응형 태양전지를 제작하여 전압을 측정결과 유의미
한 결과를 확인 할 수 없었다. 하지만 제작 1주일 후 전도성 젤2와 초음파 젤은 전해질이
모두 말라 전압이 측정할 수 없었다. <그림 19> 젤 종류에 따른 전해질 효과
(4) 0.5M 아이오딘 용액과 젤 혼합물 비에 따른 전해질의 효과
<표 2> 젤-아이오딘 비율에 따른 전압
젤-아이오딘 비율
(g/mL) 0.3 0.4 0.5 0.6전압(V) 0.56 0.51 0.53 0.63
<그림 20> 젤-아이오딘 비율에 따른 전압
아이오딘과 전도성 젤의 비율 변화에 따른 염료 감응형 태양전지 셀의 전압은 위 그림
에서 보는 것과 같이 젤-아이오딘 비율이 증가할수록, 즉 아이오딘의 농도가 묽을수록 증
가하는 경향을 볼 수 있었다. 나. 고찰
염료 감응형 태양전지 전해질용 젤은 대기 중에 노출 되었을 때 전해질의 증발을 억제하
는 효과를 가져야 한다. 또한 이 실험 사용된 전도성 젤1과 같이 대기 중 노출로 젤 자체
의 부피 변화가 최소화 되어야 할 것이다. 전해질 접촉 면적이 줄어들면 전지 효율이 줄어드는데, 전지의 효율은 전력(W)으로 확인
할 수 있으며, W=V×I이므로 전압의 변화가 없지만 공기에 노출된 액체 전해질 전지의
전류는 시간이 갈수록 줄어들 것이다. 지구 보다 기압이 작은 미지 행성이라면 이 효과는
더 크게 작용할 것을 판단된다. 아이오딘과 젤의 혼합물로 염료 감응형 태양전지를 제작할 때 아이오딘의 비율(농도)도전지의 전압에 영향을 주는 것으로 관찰되었다. 다만 젤과 액체의 혼합 시 기포가 들어가
는 문제가 있어 오차 변인으로 작용하였다. 젤과 아이오딘 용액이 잘 섞일 수 있는 방법
이 요구된다.
연구 3. 중금속 내성 방선균의 중금속 안정화 탐구
가. 연구결과 (1) 중금속 내성 토양 방선균 배양 결과
① Pb를 첨가한 배지 : Bennett 배지에서 선홍색 빛을 띠는 세균이 주로 자랐다. ② Co를 첨가한 배지 : Bennett 배지에서 Pb의 것과 유사한 세균이 주를 이루었다. ③ Fe를 첨가한 배지 : R2A배지에서 흰색의 불투명한 세균이 주를 이루었다. ④ Cd를 첨가한 배지 : R2A배지에서 흰색의 불투명한 세균이 주를 이루었다. Fe의 것과
다른 점은 Fe 내성 세균은 표면의 돌기가 두드러진 반면, Cd의 것은 표면이 매끈하다. ⑤ Cr을 첨가한 배지 : Bennett 배지에서 두 가지 종류의 세균이 주로 자랐다. 첫째는 붉
은 색의 세균이고, 둘째는 짙은 청록색의 세균인데, 청록색의 세균이 더 우세하게 자랐
다. (단독 배양해도 빨간색이 짙지 않다.)<그림 21> 중금속 내성 토양 방선균 배양 결과
방선균흡광도(ABS) 중금속 농도(ppm) 중금속
제거율방선균 처리 전 방선균 처리 후 방선균 처리 전 방선균 처리 후
Pb내성 방선균 0.18 0.03 9 1.5 83.33
Co내성 방선균 0.60 0.33 30 16.5 45.00
Fe내성 방선균 1.14 0.03 57 1.5 97.36
< Pb 내성 방선균 > < Co 내성 방선균 > < Fe 내성 방선균 >
< Cd 내성 방선균 > < Cr 내성 방선균>
(2) 토양 방선균의 동정
Pb, Co, Fe, Cd, Cr 내성 방선균을 대상으로 실시한 동정 결과는 다음과 같다. <표 3> 토양 방선규 동정 결과
세균 Gram Test 모양 Oxidase Test Catalase Test
Pb 내성 방선균 - 구균 - -
Co 내성 방선균 + 구균 - -
Fe 내성 방선균 - 간균 - -
Cd 내성 방선균 - 구균 - +
Cr 내성 방선균 + 구균 - -
Gram Test에서는 그람 양성과 음성이 고르게 나왔으며 구균과 간균도 고르게 나왔다. Oxidase Test와 Catalase Test는 대부분 음성인 결과가 나와 이들 방선균이 Oxidase Test와 Catalase Test에 관련된 효소를 분비하거나 가지고 있지 않다는 것을 알 수 있었다.
(3) 토양 방선균에 의한 중금속 제거 효과 탐색
중금속에 대한 제거 및 흡착 효과를 원자흡광광도계를 이용해 조사한 결과는 다음과 같다.<표 4> 토양 방선균에 의한 중금속 제거 효과
Cd내성 방선균 0.58 0.57 29 28.5 1.72
Cr내성 방선균 0.37 0.34 18.5 17.0 8.1
모양 삼각기둥 사각기둥 육각기둥 팔각기둥
무게(kg) 40 50 71 49.5
모양 H형 삼각기둥 사각기둥 오각기둥 육각기둥
무게(kg) 17 21 23 26 28인장강도
(kgf/cm2) 1.13 1.40 1.53 1.73 1.87
<표 5> 다양한 기둥의 고정 버팀 하중
실험 결과 Fe 내성 방선균＞Pb 내성 방선균＞Co 내성 방선균 순으로 높은 중금속 제거
효율을 보였으나 Cr 내성 방선균과 Cd 내성 방선균의 경우 실험 오차를 감안 했을 때 중
금속 제거 효율이 거의 없었다. 향후 미지의 행성에 존재하는 중금속에 대한 연구와 함께
이들 중금속을 효과적으로 제거하는 토양 방선균에 대한 지속적인 생화학적 동정, 분류학
적 작업, 기작에 대한 연구가 필요하다
나. 고찰
현재 다양한 중금속 안정화 기작이 밝혀져 있다. 생물 물리적 흡착(adsorption)과 포괄
(entrapment)에 의한 기작이 대표적이다. 그 이외에도 토양에 과량으로 존재하는 인산염을
이용하여 아파타이트를 생성하여 중금속을 안정화 시키는 등의 수많은 중금속 안정화 기작
이 밝혀져 있다. 추후 연구를 통하여 토양 방선균의 중금속 안정화 기작이 밝혀지게 된다면
기존 연구에서 밝힌 결과들을 토대로 미생물을 이용한 중금속 안정화 기법이 가지고 있는
문제점에 대한 해결책을 찾을 수 있을 것이라고 생각한다.
연구 4. 탐구행성의 중력, 대기압 등의 영향을 고려한 행성기지 구조물 특성 연구
가. 연구결과 (1) 다양한 기둥에서의 고정 하중 버팀 실험
<그림 22> 다양한 기중의 최대 버팀 하중
05101520253035
무게(kg)
H형
삼각기둥
사각기둥
오각기둥
육각기둥
H형의 기둥보다 다각기둥이 더 버팀 하중이 더 크게 나타났고,, 옆면의 수가 3, 4, 5, 6으로 증가 할수록 더 강한 버팀 하중을 나타냈다.
<표 6> 다각형 기둥에서의 고정 하중 버팀
인장강도
(kgf/cm2) 2.67 3.33 4.73 3.30
대칭성을 고려해서 선정한 4가지의 기둥 중에 육각기둥이 가장 우수한 인장강도를 나타
냈다. 이는 옆면의 개수가 증가하면, 각 면의 폭이 작아져 각각의 면이 받들 수 있는 힘
은 줄어드는 것으로 판단된다. (2) 지오데식 돔 미니어쳐 제작
<그림 23> 지오데식 돔 행성기지
최소 자재를 이용하여 최대의 공간을 만들 수 있는 구조물로 지오데식 돔이 있다. 이지오데식 돔의 지지대 구조물을 육각기둥 형태로 제작형 만들면 적은양의 자재로 최대 하
중을 견디는 구조물을 제작하였다.나. 고찰
이 실험을 통하여 같은 양의 재료를 이용해서 같은 양의 재료가 얼만큼 강한 힘을 버틸
수 있는지, 또 가장 강한 힘을 버티는 구조가 어떠한 구조인지 확인할 수 있었다. 이는
미지의 행성에서 초기 기지를 건설하기 위해서는 지구로나 모선으로부터 자재를 운반해
와야 하기 때문에 경제적인 면을 고려해야 하기 때문이다. 실험에서 예상과 다른 육각기둥과 팔각기둥의 데이터가 나왔는데, 단순한 면의 개수의
증가가 인장강도에 비례하는 경향이 아닌 각 면의 개수와 각 면의 폭이 크기가 모두 복합
적인 영향을 끼친다고 판단된다. 이번 연구 다음으로 더 나아가 각 면의 가로 세로의 비
가 재료의 강도에 비치는 영향이나, 각 면의 폭의 길이에 따른 인장강도의 세기 등을 비
교하는 실험을 설계해 육각기둥이 가장 강하게 측정 된 이유에 대해 실험을 더 진행해 볼
수 있을 것이다. 이를 통해 육각기둥의 안전성을 증명을 하고, 실제로 지오데식 돔 구조
물을 만든 뒤 미니어처의 제작 까지 구현 시킬 수 있다.
Ⅵ. 결론 및 논의
지구 외 행성으로 가까운 화성도 지구에서 거리가 매우 멀어 행성 기지름 만들기 위한 자
재를 운반하는 것이 쉽지 않다. 또한 유해 우주선을 막을 자재 또한 운반하기 용이하지 않
다. 행성 기지를 만들려면 인간과 생물이 살아가는데 필수적인 물이 있어야만 할 것이고, 물을 이용하여 실험결과와 같이 유해 우주선 중의 하나인 자외선-C를 차단하는 구조체를
만들 수 있을 것이다. 행성 기지에서 살아 남기 위해 중요한 것 중 하나가 에너지 일 것이다. 지구와 달리 화석
에너지를 기대할 수 없는 미지 행성에서 유일한 에너지원은 태양에너지 일 것이다. 이를 위
해 태양전지가 필요한데 이 또한 지구에서와는 달리 많은 제약 사항이 있다. 지구와 차이가
나는 광량, 온도, 기압 등에 영향을 받을 수 있다. 특히 적은 광량으로도 효율이 좋은 염료
감응형 태양전지가 효과적인 에너지원으로 사용 될 수 있는데, 전해질 유출에 의한 효율저
하가 큰 단점이다. 미지행성의 모래 폭풍, 작은 천체의 낙하등으로 전지판이 손상이 되면
기존의 액체 아이오딘 전해질은 수 시간만에 증발되어서 기지에 공급되는 전력이 급속히 감
소할 것이다. 이 실험에서와 같이 젤해질을 이용하면 태양전지 셀의 손상에도 급속한 전압
저하없이 에너지 공급이 가능할 것이고, 위기 상황에 대처할 시간을 벌어 줄 수 있을 것이
다. 미지행성의 토양에 존재할 수 있는 중금속 오염물질이 행성기지에 존재하면 생명체가 살
아가는데 큰 문제를 일으킬 수 있다. 이를 화학적 방법으로 제거하기에는 노력과 비용이 많
이 들지만 미생물을 이용하면 적은 노력으로도 효과를 볼 수 있을 것이다. 현재 다양한 중
금속 안정화 기작이 밝혀져 있는데, 생물 물리적 흡착(adsorption)과 포괄(entrapment)에 의
한 기작이 대표적이다. 이 방법은 살아있는 세포의 세포벽에 존재하는 특별한 분자 구조의
활성자리 사이에의 중금속 결합에서 기인한다. 물리 흡착에 의한 고정화에 있어서 흡착 반
응은 전하를 띈 중금속과 바이오 흡착제와의 정전기적인 결합이며 바이오 흡착제를 이루는
세포벽의 표면에 있는 펩타이드, 헥소아민 등과 같은 물질들이 전하를 띈 중금속과의 결합
을 위해 필요한 ion-site를 제공한다. 포괄에 의한 고정화는 바이오 흡착제의 존재 하에 겔
을 형성하여 바이오 흡착제를 겔 안에 포괄시켜 고정화 하는 것이다. 이외에도 토양에 과량으로 존재하는 인산염을 이용하여 아파타이트를 생성하여 중금속을
안정화 시키는 등의 수많은 중금속 안정화 기작이 밝혀져 있다. 추후 연구를 통하여 토양
방선균의 중금속 안정화 기작이 밝혀지게 된다면 기존 연구에서 밝힌 결과들을 토대로 미생
물을 이용한 중금속 안정화 기법이 가지고 있는 문제점에 대한 해결책을 찾을 수 있을 것이
라고 생각한다. 효율적 행성기지 구조를 만들기 위해 지오데식 돔 구조를 구상하였고, 구조물 기지체로
육각기둥이 가장 큰 버팀 하중을 가지는 것을 알 수 있었다. 이는 면의 개수와 각 면의 폭
에 따른 강도차이라는 것으로 판단할 수 있다.
위 실험 결과를 종합하여 육각기둥 모양의 골조 자재를 이용한 지오데식 돔 형태의 행성
기지 모형을 만들고, 얼음판을 이용한 구조 벽체, 젤 전해질 염료 감응형 태양전지를 남쪽
전면에 부착하고, 토양 정화를 위한 미생물 배양 시설을 갖춘 행성기지를 제시 할 수 있다. Ⅴ. 참고 문헌
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도의 효과”, Membrane Journal, Vol. 21, No. 3,[2] 김종성, 김철환, 이은택, (2005). 건축, 구조디자인과 모형, 구미서관, pp. 99 - 102, pp.
241 – 243.[3] 박성원, 박준홍, 송두섭, 송호철 외4명. (2009).“구연산/칼슘/인산염 용액을 이용한 토양
중금속 안정화 : 토양 미생물이 미치는 영향”. 대한환경공학회지, Vol. 31, No. 4. [4] 백광열. (2011). 요모조모 궁금한 태양전지를 알고 싶다, GB기획센터.[5] 이용건 외 2명, (2006) “고분자 전해질을 이용한 염료감응 태양전지”, Polymer
Science and Technology, Vol. 17, No. 4, August.[6] 홍종만, 김두호, (2001). 건축구조역학 입문, 시공문화사, pp. 107 – 119.[7] Masao Mori, 김기수(한국과학기술정보연구원) 역. (2010). “염료감응 태양 전지의 현
황”. 加工技術, Vol. 45, No. 2, [8] Mario Salvadori. (2005). 건축물은 어떻게 해서 서 있는가, 기문당, pp. 204 – 207.[9] Stephen G. Warren. (1984). “Optical constants of ice from the ultraviolet to the
microwave”. Applied optics, Vol. 23, No. 8,
