작품번호

605

제29회 전국학생과학발명품경진대회

다용도 이물질 제거기

출품분야 학생작품 출품부문 자원재활용

2007. 6. .

시․도 학 교(소 속)

학 년(직 위) 성 명

경상남도 진주 이반성초등학교 6 성연솔

지도교사 진주 이반성초등학교 교사 허용두

<제목 차례>

1. 제작 동기 ······························································································································1

2. 제작 목적 ······························································································································1

3. 작품 개요 ······························································································································2

4. 선행 연구 ······························································································································3

가. 선행 작품의 분석··········································································································3

나. 본 작품의 제작 원리 ····································································································4

5. 작품의 제작 과정 및 내용 ································································································7

가. 작품의 제작 기간 및 과정 ··························································································7

나. 1차 작품 제작················································································································8

다. 2차 작품 제작················································································································9

라. 3차 작품 제작··············································································································10

6. 결론 및 전망······················································································································11

가. 경제적인 면에서 ··········································································································12

나. 실용적인 면에서 ··········································································································12

7. 참고 문헌 ··························································································································12

<그림 차례>

<그림 1> 선행 상품 ················································································································3

<그림 2> 진공청소기를 이용한 콧물 제거기 ····································································3

<그림 3> 전동 콧물 제거기 ··································································································3

<그림 4> 초기 아이디어 구상도 ··························································································8

<그림 5> 분해 상태에서의 구성품 ······················································································8

<그림 6> 1차 작품의 완성된 모양 ······················································································9

<그림 7> 2차 작품의 모양과 완성된 모양 ········································································9

<그림 8> 3차 작품의 구상도 ······························································································10

<그림 9> 3차 작품의 조립 과정 ························································································11

<그림 10> 3차 작품의 실험 ································································································11

1. 제작 동기

동생과 내가 콧물을 자주 흘려 아버지께서 콧물을 제거하실 때 입으로 빨

아내시는 것을 보고 비위생적이고 힘들어하는 것을 보고 이물질을 제거하는

것을 만들게 되었다.

내가 생각한 아이디어는 우리 주변의 다 쓰고 버려진 자원을 재활용하여

스포이드 원리나 입으로 직접 빨아내는 방법이 아니라 과학적인 원리로 다

른 장치를 부착하여 힘도 덜 들이고, 위생적이고, 쉽게 만들 수 있고, 돈도

덜 들여 만드는 다용도 이물질 제거기이다.

다행스럽게도 올해 과학발명부에서 아이디어 발상기법도 배우고, 발명품

아이디어 발표도 하면서 자신감을 가지게 되었다.

사소한 것이라도 불편하게 생각되는 일을 그냥 지나치지 않고 개선하는

방법으로 작품을 만들게 되었다.

2. 제작 목적

우리 생활 주변에는 많은 쓰레기들이 쏟아져 나온다. 그 중에는 재활용 가

능한 자원이 되는 것들도 있다. 또한 그 쓰레기들은 환경을 오염시키게 되고

폐품의 처리는 자원의 낭비일 뿐만 아니라 많은 비용이 든다.

따라서 자원재활용은 환경오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 자원이 되어

경제적 이익이 되기 때문에 자원재활용에 대한 발명품의 제작 목적이 있으

며 본 작품에 있어서는 이런 목적에 부합하고 생활을 편하게 해주고 경제적

이며 조작이 쉽고 다양한 상황에서도 활용가능하게 고안하고 실현하는데 그

목적이 있으며 이런 활동을 하면서

가. 공작기능과 창의력을 기를 수 있고

나. 환경오염에 대한 심각성에 대한 인식의 변화로 오염을 줄 일수 있으며

다. 직접 제작하고 성취감을 느끼면서 자신감을 기르는데 있다.

기존의 제품은 수동적으로 작동하는 것이면 효율이 떨어지거나 불편하고

동력으로 작동하는 것이면 너무 비싸거나 다용도로 쓸 수 없는 단점이 있었다.

그래서 콧속, 가구, 정밀기계 틈새 등 액상 물질이나 먼지 등 이물질을 제

거하거나 과학실이나 특별실에서 쓰다 남은 액상물질의 재활용을 위한 수

거 등에 있어서 경제적이고 효율성이 떨어지지 않도록 폐품을 재활용하여

제작하게 되었고 이미 출시되어 판매되고 있는 제품과는 다른 방법으로 간

단하게 조작되어지고 편리하게 다용도로 이물질을 제거하는 장치를 만드는

데 목적을 두었다.

3. 작품 개요

가. 무엇이 새로운가?

1) 콧물제거, 액상물질 수거, 기계틈새 먼지 제거, 학습용 등 다용도로

제작되었다.

2) 이물질 수거 용기의 분리로써 세척 및 용기의 교환이 가능하여 활

용성을 높였다.

3) 이물질을 흡입하는 동력원을 손을 작동하는 손 흡입기, 발로도 작

동할 수 있게 펌프의 역발상으로 무전동인 발 흡입기, 필요시 전

동에너지로도 사용할 수 있는 전동 흡입기 등으로 제작하였다.

4) 호스와 원터치 소켓 등으로 구성품의 탈부착이 쉽도록 고안하였

고, 수거된 이물질(기체나 액체 및 고체가루)이 호스를 통해 이

물질 수거 용기에 모이게 하였다.

나. 무엇이 기존 작품들과 다른가?

1) 폐품 활용으로 제작비가 적게 든다.

2) 다양한 상황에 따라 사용가능하다. 즉 다용도로 활용성을 높였다.

3) 구성품마다 탈부착이 가능하여 세척이 용이하고, 이물질의 성질에

따라 구성품의 교환이 가능하여 편리성을 높였다.

4) 가정에서 콧물제거용으로, 학교의 과학실과 특별실에서 액상물질

재활용 수거용으로, 때로는 응급상황 발생 시에 활용 가능하게 적

응성을 높였다.

5) 경제적이면서, 다양한 상황에 따라 조작이 쉽게 고안되었다.

다. 작품 내용

* 기존 작품이나 상품과는 달리 본 작품은 흡입구(1), 이물질 유통관로(2), 이물질을 수거하여 모으는 공간이 형성되어 있는 수납 공간(9), 공기유통관로(12)와 압력조절 레버(11), 유통관로와 진공흡인장치 또는 펌프장치 등과의 연결관에 한쪽 방향 밸브(13)와 연결되어 있으며 흡입 또는 제거된 콧물 등 이물질을 저장하는 수납통(9)을 포함하며, 압력조절장치(11)를 통하여 압력을 조

절할 수 있도록 공기 구멍이 형성되어 결합된 다용도 이물질 제거기의 각 구성품들을 탈․부착하여 조립 해체가 가능하고, 활용성을 증대시키며 위생적으로 활용할 수 있게 제작하였다.

4. 선행 연구

가. 선행 작품의 분석

작품 제작에 앞서 이물질 제거기에 대하여 선행 상품을 조사하였다.

[그림1] 선행 상품

위 그림에서의 제품은 수동형 자가식(自家式) 콧물 제거기란 동하계기에

발생하는 비염으로 인한 콧물을 원활하게 제거하기 위한 시스템과 그 장비

가 있는데 비염으로 인한 성인과 어린이, 특히 어린이의 비부(鼻部)내에 존

재하는 콧물과 비농을 제거하는 기구가 있는데 흡인력이 약한 문제점이 있

었다.

[그림2] 진공청소기를 이용한 콧물제거기 [그림3] 전동콧물 제거기

[그림2]와 [그림3]의 제품에 있어서 진공청소기를 이용한 콧물제거기와 전동

을 이용한 콧물제거기인데 가격이 비쌌다.

시중에는 많은 상품들이 있지만 실제로 다용도로 사용되는 상품은 찾아보

기가 힘들었다. 그래서 자원재활용 발명품은 만들기 쉽고 사용이 간편해야

한다는 것은 물론이고 다용도로 만들어야 한다는 결론이 나온다. 그래서 나

는 아주 쉽게 만들고 경제적이면서 조작이 간단하고 다양한 상황에서도 활

용 가능한 다용도 이물질 제거기를 만들었다.

나. 본 작품의 제작 원리

1) 분무기스위스의 과학자 베르누이(1700-1782)는 ‘기체나 액체의 속력이 높을수록

압력이 낮아진다’는 베르누이의 정리를 발표하였다. 이 원리에 의하면 빨대

를 세게 불 때 압력이 낮아져서 컵 속에 있던 물이 빨려 올라오게 되는 것

이다.

빨대를 90도 각도로 놓고 힘차게 불면 필름통 안에 있던 물이 솟아올라 밖

으로 뿌려지는데 그 까닭은 빨대 위의 공기의 흐름이 빨라져서 상대적인 저

기압이 되었기 때문이다.

그래서 빨대 속의 물이 저기압 쪽으로 차고 올라오게 된다. 이것이 분무기

의 원리이다.

2) 흡착빨판흡착판을 유리, 타일과 같은 매끈한 곳에 놓고 가운데를 손가락으로 누르

면, 흡착판과 바닥 사이의 공기가 외부로 빠져나가게 되며, 흡착판이 탄력으

로 원래의 모양으로 되돌아오면서 용적이 커져 단위 체적당 들어있는 공기

의 비율이 작아져 압력이 매우 낮아진다. 이 때 흡착판 외부의 압력은 대기

압으로 내부에 비하여 상당히 크기 때문에 흡착판을 모든 방향에서 눌러 주

게 되어 떨어지지 않게 된다.

3) 빨대스트로에 입을 대지 않았을 때 스트로의 외부와 내부의 주스에 가해지는

공기의 압력은 같아져서 주스는 스트로 안을 상승할 수 없다. 다음에 스트로

에 입을 대어 숨을 들이마시면 스트로안의 공기가 적어져 압력이 낮아진다.

그러면 스트로 외부 공기의 압력이 높아져 주스는 이 압력에 눌려 스트로

안을 올라간다. 결국, 주스는 숨을 들이마시는 힘만으로 스트로 안에서 상승

하는 것이 아니고 숨을 들이마시는 것에 의해 스트로 안에 진공(부압)을 만

들어 내어 주변의 공기압에 눌리어져 상승하는 것이다.

4) 펌프

긴 시험관을 수은 안에 완전히 가라앉히어 막힌

쪽을 수직으로 세우면 수은이 관내를 상승하게

된다. 그리고 약 76cm의 높이까지 올라오면 정지

한다.

시험관 안은 공기가 전혀 없기 때문에 무압 상

태이다. 여기서 수은은 외부의 대기 압력에 눌려

시험관 내를 상승해 가고 수은의 무게와 대기압에 의한 힘이 맞닿는 평형상

태에서 정지한다. 결국, 수은이 76cm 상승한 위치가 대기압(1.033kgf/㎠)과

같은 값 즉 760mmHg 이 된다.

이것은 수은 대신에 물을 이용하면 약 10m 나 상승한다는 것을 의미한다.

또, 이것을 보는 법을 바꾸어 말하면 시험관 안에 발생한 진공에 의해 액체

가 흡입되었다고 생각할 수도 있다. 이것이 펌프가 액을 흡입하는 원리이다.

5) 아네로이드 기압계아네로이드 기압계는 용수철이 설치된 금속판의 통으로 되어 있다. 통의

내부가 진공이기 때문에 기압에 따라 통이 찌그러들거나 부푸는데, 여기에

바늘을 연결하여 눈금을 읽도록 하였다. 자기 기압계는 아네로이드 기압계의

원리를 이용한 것으로 시계가 장치된 원통에 기록 용지를 붙여 시간에 따른

기압의 변화를 연속 기록하도록 만든 장치이다.

흡인하는 장치로 이물질을 제거하는 방법이 있기는 하지만 위에서 탐구한

각종 생활 기구에서의 원리를 탐구하여 이물질을 제거하는 장치 개발이 필

요하다.

6) 전기청소기

전기 청소기는 압력을 이용해 청소를 한다.

먼저 1분에 만 번 이상 팬을 강하게 회전시켜 호스 속의 공기를 밖으로 뽑

아 내 청소기 내부를 진공 상태를 만든다. 기계 안의 압력이 줄어들면 흡인

력이 생긴다. 대기의 무게 때문에 생기는 바깥쪽 공기의 압력은 기계 안의

압력보다 높다. 이 압력차 때문에 먼지와 찌꺼기는 공기와 함께 대기압이 낮

은 호스 속으로 빨려 들어간다.

액체나 기체는 그 무게 때문에 압력을 갖게 된다. 액체나 기체 내부의 면

이나 용기의 벽에 이 무게가 작용할 때, 내부 면이나 용기의 벽에는 압력이

생긴다. 물론 대기 중의 공기도 대기권처럼 높이 쌓이면 무게가 크기 때문에

큰 압력을 가진다. 이 압력차를 이용하면 물체를 움직이거나, 물이나 기름

등의 액체와 기체를 흐르게 할 수도 있다. 큰 힘을 내기 위해서 기계의 내부

에 설치하는 유압 장치도 이 압력차를 이용한 것이다.

압력의 차이를 이용하는 곳이 또 있다. 바로 화장실의 물탱크. 이것은 압력

차를 이용해 물을 위쪽으로 흐르게 한 것이다. 여기서 사용된 관을 사이펀

관이라고 하는데, 일단 물이 사이펀 관을 돌아서 다른 쪽 관으로 떨어지기

시작하면 물탱크 속 위쪽에서 아래쪽으로 눌러 주는 공기의 압력 때문에 남

아 있는 물이 계속 따라 흐르게 된다.

압력의 차를 만드는 데는 보통 펌프가 많이 사용된다. 즉 피스톤을 사용해

액체나 기체의 분자들을 밀어 붙여서 압력을 증가시키거나 반대로 부피를

팽창시켜서 분자간의 거리를 멀게 할 수 있다. 공기에 압력을 가해서 부피를

줄인 압축 공기를 사용해 큰 힘을 내는 호버 크라프트, 공기 드릴(건설 현장

에서 사용)등은 압축의 원리를 활용한 기계장치들이다.

7) 벤츄리 효과

분무기에서는 레버를 누르면 펌프

내의 공기가 압축된다. 압축된 공기

는 미세한 관을 통해 분사노즐에서

뿜어져 나오지만 실제로는 탱크내

의 물을 빨아올려 안개와 같이 공

기와 동시에 뿜어져 나오게 된다.

이와 같이 일부가 가늘게 설계된

관에 공기를 흐르게 하면 속도가

빨라져, 저압상태가 되는데 이를 벤

츄리 효과라고 부른다.

5. 작품의 제작 과정 및 내용

가. 작품의 제작 기간 및 과정

순 기간 과정 내용

12006.12.01-

2006.12.31선행 작품 탐색

인터넷을 통한 선행 연구(작품) 의

조사

22007.01.01-

2007.01.31상품조사

우리 생활 주변에서의 이물질 제거

기 조사

32007.02.01-

2007.02.10자료수집 자원재활용 관련 준비물 수집

42007.02.11-

2007.02.281차 작품 제작

시험용 작품 제작, 친구들 및 가족

들의 소감 조사

52007.03.01-

2007.03.31작품수정, 보완 제작

이물질 제거기 작품 구상 및 설계,

제작

62007.04.01-

2007.04.30적용

제작된 작품의 테스트 및 수정 보

완

72007.05.01-

2007.05.31보완 및 출품 준비

작품 보완 및 작품설명서, 논문 등

작성

82007.06.01-

2007.6.13전국대회 출품

출품원서 등 제반 서류 준비 및 작

품 완결

나. 1차 작품 제작

1) 준비물

페트병 1, 야쿠르트병 1, 볼펜 끝 1, 비닐호스2m, 커터칼, 접착제

전동드릴, 진공청소기(실험용)

2) 초기 아이디어 구상도

[그림4] 아이디어 구상도

3) 제작 사진

(1)공기유통관로

진공흡인장치연결관(2)흡입구 이물질 유통관로 (3)수납공간 분리통

[그림5] 분해 상태에서의 구성품

(1)(2)(3)을 조립한 상태주변 동력장치에

연결된 상태활용모습

준비물 모음 수거통 조립제거기와 흡입 동력과의

연결관

[그림6] 1차 작품의 완성된 모양

4) 제작 과정에서 탐구(개선)한 내용

* 이물질 수거통을 탈부착이 가능하게 해야 함 * 진공청소기 이외의 흡입 동력을 사용하게 하면 좋겠음

다. 2차 작품 제작

1) 준비물

* 흡입구 모형 4, 페트병(350mL) 1, 흡입구 연결관 1, 접착제

흡입 동력 모터 1(실험용)

2) 제작 방법 및 제작 사진

[그림7] 2차 작품의 조립과 완성된 모양

3) 제작과정에서 탐구(개선)한 내용* 유통관로의 유연성, 흡입관로의 밸브(한방향) 필요함

흡입관로 뚜껑 조립 조립 상태 실험완성된 모습

(흡입동력 모터 연결 전임)

* 안정감 있는 지지 장치 설치 필요함

* 압력 조절장치를 정밀하게 할 필요 있음

라. 3차 작품 제작

1) 준비물

* 호스 소켓4, 밸브 소켓1, 한방향 밸브 4, 손흡입기 1, 발흡입

기 1, 전동흡입기 1, 지지삼각대 1, 고무관, 스프링, 유리관,

스펀지, 테프론 테이프, 접착제, 연결 유니트, 페트병(350mL),

페트병(1.5L)

2) 3차 작품 구상도 설명① 흡입구

② 이물질 유통관로

③ 용수철

④ 뚜껑

⑤ 이물질 통로

⑥ 공기 통로

⑦ 먼지 거름 (스펀지)

⑧ 공기 수납공간

⑨ 이물질 수납공간

고정유니트

압력(공기량조절) 레버

공기유통관

한 방향 밸브

[그림8] 3차 작품의 구상도

다양한 모양의 흡입구 연결 이물질 수거통의 조립 전동 흡입기의 연결

손 흡입기의 실험 발 흡입기 실험압력 차이에 따른

공기 이동 실험

[그림8]3차 작품의 구상도

3) 제작사진

[그림9] 3차 작품의 조립 과정

[그림·10] 3차 작품의 실험

4) 제작 과정에서 탐구(개선)한 내용 * 활용폭을 넓힐 수 있도록 사용 가능한 다양한 용도 개발 * 역발상의 과학적 원리를 적용하는 학습자료 활용 가능

6. 결론 및 전망

본 작품은 흡입구(1), 이물질 유통관로(2), 이물질을 수거하여 모으는 공간

이 형성되어 있는 수납 공간(9), 공기유통관로(12)와 압력조절 레버(11), 유통

관로와 진공흡인장치 또는 펌프장치 등과의 연결관에 한쪽 방향 밸브(13)와

연결되어 있으며 흡입 또는 제거된 콧물 등 이물질을 저장하는 수납통(9)을

포함하며, 압력조절장치(11)를 통하여 압력을 조절할 수 있도록 공기 구멍이

형성되어 결합된 다용도 이물질 제거기의 각 구성품들을 탈․부착하여 조립

해체가 가능하고, 활용성을 증대시키며 위생적으로 활용할 수 있게 제작하

였다.

폐품을 이용하여 다양한 형태로 변형시킬 수 있으므로 창의성을 기를 수

있었다.

초등학교 어린이들에게 어렵게 느껴지는 발명품 만들기를 유발하는 계기를

가지고 재미있으면서도 자연스럽게 탐구하게 되어 과학에 대한 동기 유발과

과학적 사고 능력의 함양 등 과학의 저변 인구 확산에 많은 기여를 할 것으

로 예상된다.

가. 경제적인 면에서

- 폐품을 재활용하여 제작하여 제작경비가 저렴하다.

- 간단히 제작할 수 있으므로 제작이 쉽다.

나. 실용적인 면에서

- 사용 방법이 간단하여 누구나 쉽게 사용할 수 있다.

- 설치 방법이 간단하여 누구나 손쉽게 설치가 가능하다.

7. 참고 문헌

(1) 알기쉬운 물리학 강의, Hewitt지음, 청범출판사 1997년도 출간.

(2) 뚝딱 과학, 김남길지음, 문공사 1999년도 출간.(3) 100가지 과학 1000가지 상식 이광렬지음, 세상모든책 2003년 출간.(4) 무인도에서 살아남기, 최덕희지음, 아이세움 2002년도 출간.(5) 아빠가 아이들에게 들려주는 과학이야기, 오영실지음, 작은평화 2003

(6) 에디슨 따라 발명하기, 이우영지음, 우리두리 2003년도 출간.

(7) 세계 최초의 발견과 발명, 2000과학교육연구회씀, 민서출판사 2000년

(8) 발명의 세계 타임머신 대모험, 강일석지음, 두산동아 2003년도 출간.

(9) 발명놀이, 강성기지음, 바른사, 1999년도 출간.(10) 요철 발명왕 공룡 시대로 가다, 윤승운지음, 아이세움 2001년도

(11) 요철 발명왕 달 여행을 떠나다, 윤승운지음, 아이세움 2001년도

(12) 에디슨도 놀랄 깜짝발명, 정두희지음, 교보문고 2000년도 출간.