KR102571251B1 - 모의 동굴생성물 형성 실험 장치 및 이를 활용한 교육체험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동굴생성물을 생성시키는 실험 교육 및 체험 기자재로서, 일정 거리 이격되어 배치되는 두 개의 비이커(10); 상기 각 비이커의 내부에 수용되는 과포화 상태의 수용액(30); 양단은 상기 두 개의 비이커 내부의 수용액에 잠기고, 중앙지점은 상기 두 개의 비이커 사이에서 아래로 쳐진 상태로 배치되는 로프(50); 상기 비이커의 표면에 표시되어 수용액의 상한선을 표시하는 제1선(12); 상기 비이커의 표면에 표시되어 상기 로프의 중앙지점의 위치를 표시하는 제2선(13);를 포함하는 장치이며, 상기 과포화 상태의 수용액이 상기 로프를 타고 상기 중앙지점으로 이동하여 수용액의 용질이 결정화되면서 동굴생성물을 생성하는 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치를 제공한다.

Description

모의 동굴생성물 형성 실험 장치 및 이를 활용한 교육체험방법{EXPERIMENTAL DEVICE FOR MAKING SPELEOTHEMS AND EDUCATION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 자연 동굴에서 생성되는 생성물인 종유관, 종유석, 석순, 석주, 동굴 산호 등을 생성시키는 실험을 위한 장치에 대한 것이며, 특히 동굴생성물이 생성되는 과정을 직접 체험할 수 있게 제공할 수 있도록 구현한 실험장치 및 실험방법에 대한 것이다.

종래에 국내·외에 알려진 종유석 및 석순 만들기에 대한 실험은 모두 유사한 원리를 사용하긴 하지만 학교, 박물관 및 각 가정에서 정해지지 않는 다양한 재료를 사용하며, 위험하고 혼란스러운 방법으로 실험을 진행한다. 그 결과 대부분 실험이 실패로 귀결되며, 결과물의 형태 또한 동굴생성물(speleothem)의 형태로 보기 어려울 정도로 천차만별이다. 기존에 ‘종유석 또는 석순 만들기 실험’으로 알려진 방법들은 모세관 현상을 기본 원리로 아세트산나트륨 3수염, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨(베이킹소다), 엡손 솔트(Epsom salt) 등 다양한 주재료를 사용하며, 재료에 따라서 용액의 혼합 비율과 가열의 필요성 또는 온도의 설정, 순서가 다르다. 이러한 이유는 본 실험이 국내·외에서 널리 홍보되거나 정량화된 실험이 아니기 때문이라 판단되며, 무엇보다도 실험을 간편하고 안전하게 진행할 수 있는 도구의 개발과 기술에 대한 정립이 없기 때문이다.

최근, 전 세계적으로 석회 동굴에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이러한 분야는 자연과학뿐만 아니라 고고학, 의학, 인문학, 예술, 스포츠 등을 포함한다. 이에 따라 세계의 수많은 사람들에게 동굴이란 단순한 지하의 어둠이 아니라 어떠한 공간이며 어떠한 가치가 있는지 서서히 인식되고 있다. 그중 사람들이 가장 흥미와 관심을 보이는 아름다운 동굴생성물은 어렵거나 잘못된 용어로 가득한 장문의 표지판 설명이나 단순히 ‘동굴을 형성하는 암석이 녹아내리면서 다양한 형태를 만드는 것’이라고 그치는 식이어서 교육 방식으로 한계가 있었다. 이로 인해 배우고자 하는 학생과 일반 시민들에게 잘못된 이해를 전달할 수 있으며, 오히려 흥미를 잃게 되는 일이 빈번하다. 많은 교육자들이 이러한 문제를 인식하고 해결하려 다양한 방법으로 노력하지만, 현재까지도 대부분 사진과 영상을 통한 간접 체험, 어려운 화학식과 기호, 모형을 통해서만 교육이 이루어지고 있다.

따라서 모의 동굴생성물이 만들어지는 것을 직접 체험하고 확인할 수 있는 체험학습도구가 필요하였으나, 종래의 도구와 재료, 실험 과정은 안전사고에 취약하며, 잘못된 실험 결과로 인한 교육과 학습에 오해가 발생할 우려가 있기 때문에 안전성과 편의성, 신뢰성을 갖춘 실험 도구 개발이 필요하였다.

본 발명은 종류석 등 동굴에서 생성되는 생성물을 안전하고 편리하게 생성할 수 있는 실험 도구를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이들 실험도구를 이용하여 학교와 같은 교육기관이나 박물관 같은 전시공간에서 용이하게 설치하고 체험할 수 있도록 하는 기술을 제공하며, 나아가 이들 도구를 간편한 교육용 키트로 개발하여 가정에서도 단 하루 또는 며칠만에 종류석 등이 생성되는 과정을 체험할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 동굴생성물을 생성시키는 실험 교육 및 체험 기자재로서, 일정 거리 이격되어 배치되는 두 개의 비이커(10); 상기 각 비이커의 내부에 수용되는 과포화 상태의 수용액(30); 양단은 상기 두 개의 비이커 내부의 수용액에 잠기고, 중앙지점은 상기 두 개의 비이커 사이에서 아래로 쳐진 상태로 배치되는 로프(50); 상기 비이커의 표면에 표시되어 수용액의 상한선을 표시하는 제1선(12); 상기 비이커의 표면에 표시되어 상기 로프의 중앙지점의 위치를 표시하는 제2선(13);를 포함하는 장치이며, 상기 과포화 상태의 수용액이 상기 로프를 타고 상기 중앙지점으로 이동하여 수용액의 용질이 결정화되면서 동굴생성물을 생성하는 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치를 제공한다.

상기 두 개의 비이커를 각각의 하단에서 지지하는 두 개의 지지프레임(60); 및 상기 두 개의 지지프레임에 연결되어 이들 사이에 배치되고 상기 로프의 중앙지점 아래에 위치하는 생성물 안착플레이트(70);를 더 포함하고, 상기 생성물 안착플레이트는 상기 비이커 하단 보다 아래쪽에 위치한다.

상기 생성물 안착플레이트와 상기 지지프레임을 연결하는 연결로드(80)를 더 포함하고, 상기 연결로드의 양단은 각각 생성물 안착플레이트와 지지프레임에 회전 자유롭게 연결되어 상기 지지프레임의 흔들림 영향이 상기 생성물 안착플레이트로 전달되지 않도록 한다.

상기 지지프레임은, 상기 비이커의 하단이 위치하는 상판부재(61)과, 상기 상판부재의 위쪽에 이격되어 구비되어 상기 비이커의 측면을 지지하는 난간부재(63)와, 상기 상판부재의 아래쪽에 위치하는 다리부재(67)를 포함하여, 상기 로프 중앙지점에 생성되는 동굴생성물의 무게로 인해 비이커가 기울어지는 것을 방지한다.

상기 제2선은 상기 비이커 바닥에서 상기 제1선까지의 높이의 1/2에 해당하는 높이에 표시되고, 상기 로프의 중앙지점은 상기 제2선과 동일한 높이에 위치하도록 하며, 상기 실험장치가 위치하는 실내 공간의 상대습도를 40~70%로 유지하여 동굴생성물의 결정화 속도를 유지하는 것이 좋다.

상기 과포화 상태의 수용액은 소금 또는 베이킹소다를 과포화 상태로 용해시키며, 상기 과포화 상태의 수용액은 색소 용액을 더 포함하여, 상기 수용액이 로프를 타고 이동하는 것을 시각적으로 확인할 수 있도록 할 수 있다.

본 발명은 또한 위 실험 장치를 이용하여 동굴생성물을 제조하는 모의 동굴생성물 교육 및 체험방법을 제공한다.

본 발명은 위 구성으로 인해, 결과적으로 실제 자연의 동굴생성물과 아주 유사한 형태의 생성물을 만들 수 있는 효과가 발생하며, 특히 교육 현장 또는 가정에서 동굴에서 생성되는 종류석 등을 안전하게 생성할 수 있고 이를 체험할 수 있는 효과가 발생한다. 또한 본 발명의 구성요소를 교육용 키트로 제작하여 학생교육용으로 제공하여 동굴에서의 종류석 등 생성물이 생성되는 과정을 직접 확인할 수 있도록 하여 교육 효과를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모의 동굴생성물 형성 실험 장치의 개략적인 모습이며,
도 2는 본 발명에 따른 모의 동굴생성물 형성 실험 장치의 일부만을 도시한 모습이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 모의 동굴생성물 형성 실험 장치의 개략적인 모습이며, 도 2는 본 발명에 따른 모의 동굴생성물 형성 실험 장치의 일부만을 도시한 모습이다.

본 발명은 동굴생성물을 만들어 볼 수 있는 안전하고 간편한 실험 도구를 개발한 것이다. 본 발명의 명칭에서 사용된 ‘동굴생성물’이란 단어는 카르스트 지역에서의 석회 동굴에서 생성되는 종유관, 종유석, 석순, 석주, 동굴 산호 등을 아우르는 모두 용어이다.

첨부된 도면을 보면, 본 발명에 따른 동굴생성물을 생성시키는 실험 장치는 교육 및 체험 기자재로 활용될 수 있는 장치로서, 일정 거리 이격되어 배치되는 두 개의 비이커(10); 상기 각 비이커의 내부에 수용되는 과포화 상태의 수용액(30); 양단은 상기 두 개의 비이커 내부의 수용액에 잠기고, 중앙지점은 상기 두 개의 비이커 사이에서 아래로 쳐진 상태로 배치되는 로프(50); 상기 비이커의 표면에 표시되어 수용액의 상한선을 표시하는 제1선(12); 상기 비이커의 표면에 표시되어 상기 로프의 중앙지점의 위치를 표시하는 제2선(13); 상기 두 개의 비이커를 각각의 하단에서 지지하는 두 개의 지지프레임(60); 및 상기 두 개의 지지프레임에 연결되어 이들 사이에 배치되고 상기 로프의 중앙지점 아래에 위치하는 생성물 안착플레이트(70);를 포함하고 있으며, 이때 상기 생성물 안착플레이트는 상기 비이커 하단 보다 아래쪽에 위치하도록 한다.

그리고, 비어커 내부의 과포화 상태의 수용액은 상기 로프를 타고 상기 중앙지점으로 이동하여 수용액의 용질이 결정화되면서 동굴생성물(P1,P2)을 생성하게 된다. 이때 상기 로프는 수용액이 이동할 수 있도록 하는 것으로, 수용액은 상기 로프를 모세관 현상으로 인해 따라 올라가게 되는데, 로프의 재질은 이러한 모세관 현상이 가능한 재질이면 무엇이나 가능할 것이며, 본 발명의 실시예에서는 면으로 재작한 끈을 사용하였다.

그리고, 도면을 보면 상기 생성물 안착플레이트와 상기 지지프레임을 연결하기 위한 연결로드(80)가 더 구비되는데, 상기 연결로드의 양단은 각각 생성물 안착플레이트와 지지프레임에 회전 자유롭게 연결되 된다. 즉, 도 2에서 보아 상기 연결로드(80)의 양단은 각각 생성물 안착플레이트와 상기 지지프레임에 연결지점(85, 86)에서 연결되되 연결로드는 연결지점에서 회전할 수 있게 연결된다. 이를 통해 상기 지진과 같은 지면 흔들림이 발생하더라도(즉, 상기 지지프레임에 흔들림이 발생하더라도) 이러한 흔들림 영향이 상기 생성물 안착플레이트로 전달되지 않도록 하여 동굴생성물 환경을 안정적으로 구현하기 위함이다.

상기 지지프레임은, 상기 비이커의 하단이 위치하는 상판부재(61)과, 상기 상판부재의 위쪽에 이격되어 구비되어 상기 비이커의 측면을 지지하는 난간부재(63)와, 상기 상판부재의 아래쪽에 위치하는 다리부재(67)를 포함한다. 지지프레임에서 난간부재를 구비하여 비어커의 측면을 지지하는 것은 비어커가 기울어지지 않도록 하기 위함이다. 즉, 상기 로프 중앙지점에서 시간이 지남에 따라 동굴생성물이 생성되고 그 결과 동굴생성물의 무게로 인해 로프가 비이커를 당기는 힘이 발생하여 비이커가 내측 방향으로 기울어지질 수 있는데, 상기 난간부재를 이런 비어커 기울어짐을 방지한다.

그리고, 원활한 동굴생성물 생성을 위해서는 상기 비어커의 제2선(13)은 상기 비이커 바닥에서 상기 제1선(12)까지의 높이의 1/2에 해당하는 높이에 표시되고, 상기 로프의 중앙지점(동굴생성물 생성지점)은 상기 제2선과 동일한 높이에 위치하도록 하는 것이 좋다. 또한, 본 발명의 실험장치는 실외가 아닌 실내에 위치하되, 실내 공간의 상대습도를 40~70%로 유지하여 동굴생성물의 결정화 속도를 유지하는 것이 좋다.

본 발명에서 동굴생성물을 결정화하기 위해 채택한 과포화 상태의 수용액은 소금 또는 베이킹소다를 과포화 상태로 용해시킨 수용액이다. 또한, 상기 과포화 상태의 수용액에 색소 용액을 약간 더 포함하면 상기 수용액이 로프를 타고 이동하는 것을 시각적으로 확인할 수 있고 또한 동굴생성물 역시 상기 색소를 포함하는 색으로 생성됨을 알 수 있다.

본 발명은 이러한 실험 장치를 이용하여 동굴생성물을 제조하는 모의 동굴생성물을 학교 등 교육기관에서 교육시에 활용할 수도 있고 박물관 등에서 관람객이 직접 체험하도록 제공할 수도 있다. 또한, 교육용 학습자료로 키트화 하여 판매하여 가정에서 종류석 등 동굴생성물이 생성되는 것을 직접 체험하도록 제공할 수도 있다.

본 발명의 실험 도구를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. (1) 비커에 뜨거운 물을 받고 소금 혹은 베이킹소다를 더이상 녹지 않을 때까지 오랫동안 저어주며 넣어준다(과포화 상태의 수용액 형성). 이때, 종유관, 종유석, 석순, 석주의 형성을 관찰하고자 한다면 소금을 넣어주어야 하며, 동굴 산호, 석화와 같은 생성물의 형성을 관찰하고자 한다면 베이킹소다를 넣어주어야 한다. 또한, 비커에 채워지는 수용액의 용량은 기준 눈금을 넘지 않도록 한다. (2) 두 개의 비커를 위와 같은 방법으로 만들어주고 기구의 지지프레임 위에 올려준다. (3) 5Ø 두께, 100cm 길이의 면 끈(로프)을 앞서 만든 수용액에 담가주어 충분히 적셔준다. (4) 적셔준 면 끈의 양 끝을 좌·우의 비커의 바닥까지 담가주고 늘어진 면 끈의 중앙부는 비커의 중앙 기준선의 높이에 맞춰준다. (5) 이후 햇빛(직사광선)이 닿지 않으며, 습하지 않은 안전한 환경에서 보관하여 시간을 주면 다양한 형태의 생성물이 형성되는 것을 관찰할 수 있다. (6) 식용색소를 한 방울씩 비커에 뿌려주면 모세관 현상으로 비커의 수용액이 면 끈을 따라 올라가는 모습을 확인할 수 있다.

늘어진 면 끈의 중앙에 생성물이 형성되면서 중앙으로 무게가 쏠리는 현상으로 인해 좌·우에 설치된 비이커 병이 넘어지는 것을 방지하고 생성물이 형성될 수 있는 충분한 공간의 간격과 높이를 고려하여 배치한다. 또한, 늘어진 면 끈의 중앙이 적절한 높이에 위치하였는지에 대한 비커의 표시선과 수용액을 담아야 하는 최대 높이에 대한 적정 기준선을 비커에 표시두고 이용한다. 접시 형태의 받침대(생성물 안착 플레이트)는 석순과 같이 성장지점의 아래에서부터 만들어지는 생성물이 형성되는 지점이며, 떨어지는 물방울이 쏟아지지 않게 한다. 또한 실험 환경 바닥의 진동 영향을 최소화하기 위해 공중에 매달려 있는 형태로 좌·우의 비커 프레임에 고정되어 있도록 설계하였다. 두 개의 비커 프레임과 중앙의 받침대는 모두 분리가 가능하며, 가벼운 스테인리스 스틸로 제작되어 보관과 세척에 용이하여 몇 번이고 재사용하여 실험을 진행할 수 있다.

수용액은 실험에 사용하는 비커의 가장 높은 지점의 눈금까지 채워준다. 늘어지는 면 끈의 중앙은 비커 눈금의 중앙까지는 내려와야 한다. 예를 들어 800ml의 비커에 최대 눈금인 800ml 높이까지 수용액을 채워주었다면, 늘어진 면 끈의 중앙은 적어도 400ml 눈금의 위치하는 것이 좋다.

본 실험기구를 통해 모의 동굴생성물이 형성되는 속도는 실험환경의 온·습도에 따라 좌우될 수 있다. 상대습도가 70% 이상으로 대기가 습한 경우, 증발 작용이 약화되어 생성물 성장 속도가 느려질 수 있다. 반대로 상대습도가 40% 이하로 건조한 경우, 수용액이 면 끈의 중앙에 도달하기도 전에 빠르게 증발이 발생하여 성장이 일어나지 않을 수도 있다. 그러므로, 상대습도는 40~70% 정도가 되는 것이 이상적이다. 이러한 조건에서 24시간 내로 생성물이 빠르게 형성되는 것을 체감할 수 있다. 이는 실제 동굴생성물이 성장하는데 소요되는 수천 년의 세월을 획기적으로 줄인 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

1. 일정 거리 이격되어 배치되는 두 개의 비이커(10); 상기 각 비이커의 내부에 수용되는 과포화 상태의 수용액(30); 양단은 상기 두 개의 비이커 내부의 수용액에 잠기고, 중앙지점은 상기 두 개의 비이커 사이에서 아래로 쳐진 상태로 배치되는 로프(50); 상기 비이커의 표면에 표시되어 수용액의 상한선을 표시하는 제1선(12); 상기 비이커의 표면에 표시되어 상기 로프의 중앙지점의 위치를 표시하는 제2선(13);를 포함하는 장치로서, 상기 과포화 상태의 수용액이 상기 로프를 타고 상기 중앙지점으로 이동하여 수용액의 용질이 결정화되면서 동굴생성물을 생성하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치로서,
   상기 두 개의 비이커를 각각의 하단에서 지지하는 두 개의 지지프레임(60); 및 상기 두 개의 지지프레임에 연결되어 이들 사이에 배치되고 상기 로프의 중앙지점 아래에 위치하는 생성물 안착플레이트(70);를 더 포함하고,
   상기 생성물 안착플레이트는 상기 비이커 하단 보다 아래쪽에 위치하고,
   상기 생성물 안착플레이트와 상기 지지프레임을 연결하는 연결로드(80)를 더 포함하고,
   상기 연결로드의 양단은 각각 생성물 안착플레이트와 지지프레임에 회전 자유롭게 연결되어 상기 지지프레임의 흔들림 영향이 상기 생성물 안착플레이트로 전달되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 지지프레임은,
   상기 비이커의 하단이 위치하는 상판부재(61)과, 상기 상판부재의 위쪽에 이격되어 구비되어 상기 비이커의 측면을 지지하는 난간부재(63)와, 상기 상판부재의 아래쪽에 위치하는 다리부재(67)를 포함하여,
   상기 로프 중앙지점에 생성되는 동굴생성물의 무게로 인해 비이커가 기울어지는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2선은 상기 비이커 바닥에서 상기 제1선까지의 높이의 1/2에 해당하는 높이에 표시되고,
   상기 로프의 중앙지점은 상기 제2선과 동일한 높이에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 실험장치가 위치하는 실내 공간의 상대습도를 40~70%로 유지하여 동굴생성물의 결정화 속도를 유지하는 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 과포화 상태의 수용액은 소금 또는 베이킹소다를 과포화 상태로 용해시킨 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 과포화 상태의 수용액은 색소 용액을 더 포함하여, 상기 수용액이 로프를 타고 이동하는 것을 시각적으로 확인할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 모의 동굴생성물 형성 실험 장치.
10. 제1항에 기재된 실험 장치를 이용하여 동굴생성물을 제조하는 모의 동굴생성물 교육체험방법.

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