<스스로 한 실험보고서>

학생 원고를 모집합니다.

학생들이 각자의 흥미와 능력에 맞는 주제를 선정하여 스스로

탐구하고 정리한 실험보고서를 봄, 여름, 가을, 겨울 발간되는

화학교육지에 게재하고자 학생들의 원고를 아래와 같이 모집

합니다. 이공계로 진학을 희망하는 학생들의 탐구 능력과 자기

주도적 학습 능력을 기르고 과학적 소양을 쌓을 수 있는 기회를

제공하며 특히, 대학 진학시, 수시전형 중 입학사정관 전형에

서 자기 주도적 학습 능력 평가에 참고자료가 될 수 있으므로

많은 학생들의 적극적인 참여를 바랍니다.

▶▶ 대 상 _ 전국 소재 중·고등학교 학생

▶▶ 원고 제출 방법 _ 실험보고서를 파일로 작성하여 메일로 송부

화학교육지 담당자 진수경<soo@kcsnet.or.kr>

▶▶ 원고 제출 기간 _ 연중 수시로 제출

▶▶ 실 험 분 야 _ 과학 전분야(화학, 물리, 지구과학, 생물)로 분량에 제한 없음

▶▶ 유 의 사 항 _ 모방 실험이 아닌 순수 창의적인 실험이어야 하며 원고는 소정의

심사를 거쳐 채택된 경우 화학교육지에 게재되며 별도의 시상은 없음.

학생코너 탐구보고서

2011 + Summer 107

탐구보고서

글∣신의섭, 김민지, 성지을(서울 미양고, clean333@hanmail.net)

1. 탐구 주제

우리가 탐구하려는 것은 비눗방울을 이용하여 효율적인 박

막을 만들어 태양광 발전에서 일어나는 손실을 줄여 에너지 효

율을 높이는 것이다. 이때 우리가 사용하려는 박막이란 기계가

공으로는 실현 불가능한 두께(μm) 이하의 얇은 막을 뜻한다.

그런데 이 박막을 빛이 통과할 때 생기는 현상이 바로 박막 간

섭 현상이다. 간섭 현상이란 파동이 위상을 지니기 때문에 발

생하는 진폭의 공간적인 보강과 상쇄 현상을 말한다. 일반적으

로 두 개 이상의 파가 동시에 한 점에 도달했을 때 그 점에서 이

들의 파가 강하게 합쳐지거나 약하게 합쳐지는 현상을 파의 간

섭이라 한다. 따라서 박막 간섭 현상이란 박막이라는 막에서 두

개 이상의 파동이 동시에 한 점에서 만나 서로 합쳐지거나 약

하게 합쳐지는 현상이다. 그리고 산란 현상도 일어나는데, 이

현상이 태양광 발전의 효율을 낮추는 원인이다. 이 현상이 일

어나는 조건은 막의 두께에 차이가 생겨서 일어나는 것인데 이

것은 두께가 얇고 일정해졌을 때 일어나지 않게 할 수 있다. 이

때 박막의 두께가 일정해졌을 때, 생기는 투명한 부분이 Black

Film이다. 이 부분에 빛을 쏘면 산란 현상이 일어나지 않아 효

율이 높아질 수 있다. 그래서 우리가 탐구하려는 것은 이 비눗

방울로 생성된 박막에 산란을 최소한으로 줄여서 태양광 발전

효율을 증가시키기 위한 박막을 만드는 것이다.

2. 탐구 동기

이 주제로 탐구를 하게 된 동기는 조원인 신의섭 학생이 중학

교 때 탐구하였던 박막에 대한 이론을 사용하여 실생활에서 과학

과 연관 된 것에 접목을 시켜보는 것이 어떻겠냐는 제안에서부터

시작되었다. 그래서 우린 박막에 대해서 처음부터 접근을 해보자

는 생각을 했고, 박막에 대해서 조사하기 시작했다. 박막에 대해

조사하던 중, 태양광 발전 기술에 박막 기술이 사용된다는 것을

알게 되었다. 그리고 현재 기술엔 한계 때문에 태양광 발전의 효

율이 많이 떨어지는 문제점이 있다는 것을 알게 되었다. 그래서

우리는 이런 태양광 발전에 효율이 떨어지는 이유와 이 문제를

학생코너 탐구보고서

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해결하기 위한 방안을 찾아내기 위하여 이 실험을 하게 되었다.

3. 탐구 목적

비눗방울을 이용해 박막을 제작하여 태양광 발전 효율을 높

이기 위한 문제점 해결 방법을 찾는다.

4. 탐구 방법

1) 실험재료 및 기구

• 실험 재료 : 비눗물(물, 세제, 글리세린), 액화 질소, 철사,

고무마개, 비닐봉지

• 실험 기구 : 비커, 유리막대, 니퍼, 고출력 레이저, MBL 실

험기구(빛 세기 측정기, 넷북)

2) 실험 설계 및 방법

(1) 실험 목표

비눗물을 이용하여 비눗방울 박막을 만들어 Black Film을

생성하여 빛의 산란을 막고, 그것을 유지시키기 위해 액화 질

소로 급속 냉각을 시킨 다음, 빛을 투과 시켜 효율이 높아지는

지 확인한다.

(2) 실험 방법

① 비눗물 용액 만들기

－가장 오래 유지되며 Black Film이 잘 관찰되는 비눗방울

이 형성되는 비눗물 용액을 만들어야 한다. 우리가 측정

한 결과 세제 80mL, 물 120mL, 글리세린 10mL를 섞었

을 때 가장 적합한 용액이 만들어진다.

② 비눗방울 만들 때 사용될 철사를 만든다.

*철사의 둥근모양은 비커의 밑면보다 크면 절대 안 된다.

③ 철사를 용액에 넣어 비눗방울을 만들고 세워서 Black Film

을 형성 시킨다(사진에서 무지개색 위쪽 무색의 부분이

Black Film).

④ 빛을 쏘아 투과되는 빛을 측정한다(비누막을 통과하기

전 레이저의 기본 세기는 768.6 lux).

2011 + Summer 109

⑤ 액화질소를 비커에 붓고 비닐봉지에 고정시켜줄 물건(우

린 고무마개를 사용함)을 넣은 후 액화질소에 넣는다(비누

막을 그대로 넣으면 비누막이 액화질소에 녹아 없어진다.

그래서 간접적인 방법으로 얼린다).

⑥ 액화질소가 담긴 비커의 세팅이 완성된 후 미리 만들어

둔 박막을 넣어 얼린다.

⑦ 얼린 박막에 레이저 빛을 쏘고 측정한다(반사가 일어나므

로 반사된 빛과 투과된 빛을 모두 측정 후 오차를 확인).

5. 탐구 내용과 결과 정리

처음 우리가 예상했던 실험의 결과와 정반대의 결과가 나왔

다. 그냥 레이저 빛은 768.6 lux. 하지만 비눗방울에서 반사된 레

이저 빛은 131.9 lux, 비눗방울을 투과한 레이저 빛은 635.6 lux

다. 액화질소로 얼리기 전에는 우리가 예상한 결과로 진행이

되었지만, 액화질소로 얼린 이후에는 우리가 예상한 것과는

너무나 다른 결과를 보였다. 우리는 빛이 완전히 투과될 거라

예상했지만 얼려질 때 비누막이 불투명해져서 반사가 일어나

오히려 손실이 생겨버렸다. 박막을 고정시키려고 사용했던 액

화질소로 인해 예상치 못한 오류가 생긴 것이다.

6. 탐구를 통해 알게 된 점과 느낀 점

우리는 박막을 얼렸을 때도 빛이 완전히 투과가 되어 손실을

0%로 만들려고 하였지만 오히려 손실이 생기게 되었다. 이로

서 우리가 해결해야할 과제가 생겼다. 우리들이 보완해야 할

점들은 우선 우리들이 원하는 박막은 빛을 많이 투과시키는 것

이기에 그런 박막을 만들기 위해서 우린 글리세린과 철사 등의

두께를 최소화 시켜야한다. 틀로서 유리를 사용할 생각도 해보

았지만 액화 질소를 사용하기 때문에 유리가 견디지 못하고 깨

질 위험이 있어 금속을 사용하기로 결정하였다. 또한, 정확한

실험을 위해 틀의 두께도 마이크로미터 단위로 측정하며, 비눗

방울을 만드는 비율도 자세히 분석해야 한다. 그리고 우리가

만들 비눗방울 박막의 최대 단점은 유지가 안 된다는 것과 유

일하게 유지 시킬 수 있는 방법인 얼렸을 때, 손실이 생긴다는

것이다. 박막을 투명하게 얼리기 위해서는 얼리는 속도를 조절

하여 투명하게 만들어야 하고, 이 박막 기술의 단점들을 보완

하면서 다른 기술들과 접목 시킬 방법을 조사해야 하겠다는 생

각을 했다.