제27회 특별시학생탐 발 회

탐 보고

충격에 스 트폰 LCD(액정 시 치)

보호에 한 탐

출 번호

초401

출 문 물

2012. 10. 4.

학 명 학년 ( ) 명(팀명)

출 당초등학 4학년 (학생) 박 주

원 당 초등학 4학년 ( 사) 박 혜

- 1 -

[ 목 차 ]

1. 탐 주 2

2. 탐 동 2

3. 알아보고 싶 2

4. 탐 간 차 2

가. 탐 간 2

나. 탐 2

다. 실험 차 2

5. 탐 4

가. 실험 재 도 4

나. 실험 측 비 도 4

다. 주 할 4

. 실험 5

6. 탐 내 6

가. 격 재별 실험 6

나. 격 재 착 치에 실험 8

다. 본 탐 에 탕 는 실험 11

7. 탐 결 13

가. 실험 통한 결 13

8. 알게 는 과 14

가. 알게 14

나. 는 과 14

다. 아쉬운 14

. 알고 싶 15

9. 행연 참고문헌 15

가. 행 연 15

나. 참고 문헌 15

다. 도 사 들 15

- 2 -

1.탐구 주제

격에 스마트폰 LCD(액 시 치) 보 에 한 탐

2.탐구 동기

깨어지기 쉬운 액정,보호할 방법은 없을까?

휴 폰이 스마트폰으로 발 하면서 LCD(액정 표시 장치)가 형화 되었지만 LCD 두께는

더욱 얇아졌다.그래서 스마트폰을 떨어뜨렸을 때 충격에 약한 LCD는 쉽게 깨질 것이다.주

에서 스마트폰 사용자들이 낙하에 의한 손 때문에 속상해 하는 모습을 보고 충격에도 쉽

게 LCD가 손되지 않게 하는 방법이 없는지를 탐구하게 되었다.

3.알아보고 싶은

§ 소재 종류에 따라 충격 흡수 정도가 달라질까?

§ 소재를 붙이는 치에 따라 충격 흡수 정도가 달라질까?

§ 낙하 시 충격을 잘 견디기 해선 어떤 소재와 구조로 만들어져야 할까?

§ 재질의 탄성계수는 충격 흡수에 어떤 향을 까?

§ 무게 때문에 낙하 물체에 가해지는 충격력은 어떻게 알 수 있을까?

§ 고속 카메라로 충격 흡수 정도를 단할 수 있을까?

4.탐구의 기간 차

가.탐구 기간

§ 2012년 06월 06일 ~2012년 08월 18일

나.탐구 장소

§ 서울특별시 과학 시 개방형실험실(OpenLab)

다.실험 차

1)실험에 사용될 충격완화 소재를 선택하고,부착 치에 따른 실험할 구조를 정한다.

가)선정된 충격 완화 소재

격

재

폴리우 탄 민 스 지 실리콘수지 PVC

- 3 -

나)충격 완화 소재 부착 치

착 치에

돌 리 그립

2)낙하실험을 한 실험 조건 실험 장비를 선택하고,실험 장소를 정한다.

실험장비 : 고속카메라,조명장치,노트북, 자 울,실험 바닥(콘크리트,돌)

실험조건 :낙하높이 -1.5m(스마트폰 일반 휴 평균 높이)

충돌면 -LCD정면 충돌

3)스마트폰 무게를 측정하고 낙하 시 운동량과 충격량 이론값을 계산하여 기록한다.

4)낙하실험을 한 실험 환경을 구성한다.

§ 충돌 시 바닥 역할을 할 콘크리트 바닥 설치

§ 고속카메라와 노트북을 연결하고 촬 각도와 배율 조정

§ 조명장치를 설치하고 조명 각을 조정하여 가장 좋은 조명 각 설정

§ 노트북에서 고속카메라 촬 로그램 실행

( 당 촬 임 수 :600frame/sec,촬 시간 :7 ,해상도 :640*480)

§ 실험자는 시험자 1명과 카메라 촬 자 1명으로 2인 1조 구성

5)카메라 촬 모드일 때 시험자는 실험 시료를 일정 높이(1.5M)에서 떨어뜨린다.

6) 상은 낙하부터 3차 충돌 이 까지 촬 한다.

6)촬 된 상에서 1차 충돌부터 2차 충돌까지 시간을 측정하여 기록한다.(공 체공시간)

7)촬 된 상을 필요한 부분만큼 편집하고 당한 압축률로 장한다.

8)다음 시료 실험을 2)항에서 7)항을 반복하여 수행한다.

- 4 -

5.탐구 방법

가.실험 자재 용도

항 도

실험 비

고 카 시료 낙하 시 실험 체 고 상

치 고 카 시 공

트 고 카 어 상 편집

콘크리트 닥 시료(스마트폰)가 낙하하여 돌할 닥

울 시료(스마트폰) 무게 측 (g측 수 )

실험시료격 재

시료(스마트폰)에 착하여 낙하 돌 시 시료가

격 흡수할 수 는 재

휴 폰 실험시료( 에 LCD가 돌 어 는 )

나.실험 측정 장비 구성도

그림 1 실험 측 비 도

§ 고속카메라,조명장치,노트북,콘크리트바닥을 하게 배치

§ 콘크리트 바닥 '╊'에 조명과 카메라 을 맞춤

§ 노트북에 카메라를 연결하여 카메라를 제어

다.주의할

§ 조명장치는 시료 낙하시만 동작시킴(조명장치를 계속 켜 놓으면 필라멘트가 끊어짐)

§ 조명장치가 뜨겁기 때문에 함부로 만지지 말 것

- 5 -

라.실험 방법

⑥ 체 상 필요한 부분만

편집하여 장한다.

보고서 작성용 일 용량 크기

때문에 편집하여 장함

⑤ 1차 충돌부터 2차 충돌까지 시

간을 계산하여 기록한다.

탄성 정도를 알아보기 해 1차,2차

충돌시간차를 계산함

① 실험환경을 구성한다.

고열이 발생하는 조명장치는 낙하

시만 원을 ON시킴

② 카메라 상 조정을 한다.

선명한 사진을 한 조정,세

한 상을 한 frame수 조정함

③ 시료에 소재를 붙인다.

낙하 시 쉽게 떨어지지 않게 단단

히 부착함

④ 기 높이에서 시료를 떨어뜨린다.

일반 사람 스마트폰 휴 치 기 임

① 실험환경을 구성한다.

고열이 발생하는 조명장치는 낙하

시만 원을 ON시킴

② 카메라 상 조정을 한다.

선명한 사진을 한 조정,세

한 상을 한 frame수 조정함

③ 시료에 소재를 붙인다.

낙하 시 쉽게 떨어지지 않게 단단

히 부착함

④ 기 높이에서 시료를 떨어뜨린다.

일반 사람 스마트폰 휴 치 기 임

- 6 -

6.탐구 내용

가.충격 완화 소재별 실험

1)같게 할 조건 :휴 폰 종류,소재 부착 치,바닥 재질,낙하 치

2)다르게 할 조건 :실험 소재 종류

3)실험 상으로 선정한 소재 :폴리우 탄,실리콘 수지,멜라민 스펀지,PVC

4)선정 소재별 특징

재 특징

폴리우 탄

§ 고 합물 과 압 , 격에 강하다.

§ 탄 아주 다.

§ 다 태 가공 싶다.

§ 피에 비해 아주 가볍다.

실리콘 수지

§ 과 가공 쉽다.

§ 탱탱하다.

§ 어 닥에 어 리 겨 다.

§ 복원 뛰어나 눌 다 떼 빠 게 원상태 돌아 다.

§ 압 과 에 강하다

민 스 지

§ 스 지에 비해 단단하 폭신폭신하다.

§ 복원 아 눌 다 떼 원상태 돌아 다.

§ 스 지보다 단단하다.

§ 다양한 양 쉽다.

PVC

§ 강하고 연하 드럽다.

§ 드러운 재질 다양한 양 쉽다.

§ 복원 약하여 눌 다 떼 다 재질에 비해 복원 늦다.

5)실험 상

§ 실리콘수지가 가장 탄성력이 좋을 것이며 가장 충격에 강할 것이라고 상된다.

6)선정 소재별 실험

가)실험 조건

§ 1차 충돌 후 2차 충돌까지 시간을 측정하여 소재의 탄성력을 측

§ 고속 카메라 촬 으로 시간을 마이크로 단 까지 계산

§ 동일한 시료를 가지고 소재만 바꿔서 실험

- 7 -

§ 여러 번 낙하 시험 후 가장 기 에 합한 시험을 선별하여 기록

§ 시료 무게(g):133.63g

§ 낙하 기 높이(h):1.5m

나)실험 데이터

시험

순서

충격 완화

소재충돌바닥

시료

충돌 면

충격완화소재

부착구조

1차 충돌

시간(us)

2차 충돌

시간(us)

충돌 간

시간차(us)

1 폴리우레탄 콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 447,304 908,924 461,620

2 멜라민 스펀지 콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 347,114 632,086 284,972

3 실리콘 수지 콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 4,099,651 4,454,616 354,965

4 PVC 콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 879,955 1,074,936 194,981

5 없음 콘크리트 바닥 LCD 정면 없음 1,288,929 1,437,247 148,318

다)실험 결과

시 험 실험

재 없 폴리우 탄 민 스폰지 실리콘 수지 PVC

돌과

1,2차 돌

시간차(us)148,318 461,620 284,972 354,965 194,981

탄 도 매우 낮 매우 약간 낮

결

§ 격 재 특 (탄 , 견고 )에 격흡수 에 차 가

다.

§ 고 카 상 보 재 견고하고, 탄 재

가 돌할 시료 틀림 나 시료에 달 는 격 다.

§ 가 탄 것 폴리우 탄 는 것 알 수 다. 공 체공

시간 가 크 문 다.

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나.충격 완화 소재 부착 치에 따른 구조 실험

1)같게 할 조건 :휴 폰 종류,실험 소재,바닥 재질,낙하 치

2)다르게 할 조건 :부착 치에 따른 구조

3)소재 부착 치에 따른 구조 특징

특징 태

그립

§ 시료(실험 스마트폰) 양끝 체 감

§ 돌 시 칙에 해 시료 양끝 지하 는 힘

강하게 하 시료 앙 운동하 는 질

지하 문에 힘 산 균 에 한 시료 앙에

격 강하게 함.

리

§ 시료 리 체 감싸므 격 고루 흡수함.

§ 시료 리가 닥과 돌 시 순간 닥과

리 내 가 폐 어 공 주 니가 어 LCD 보

과 생하지만 내 공 압에 한 에 달 는

격도 크다고 생각함.

돌

§ 가 과 격 흡수

§ 상 시 가 안 닥과 돌.( 돌 시 순간

격 산 가 다고 단.)

§ 시료가 닥과 돌 시 리 처럼 공 주 니가

지만 리 과 다 게 에어 프 같 동 하고 공

압에 한 LCD 격 생 가능 낮다고 생각함.

4)실험 상

§ 시료 체를 감싸는 테두리형이 가장 충격에 강할 것이라고 생각한다.

5)소재별 부착 치에 따른 실험

가)실험 조건

§ 시료 낙하 후 바닥과 1차 충돌 시간과 2차 충돌 시간차를 가지고 충격 흡수 정도 측

§ 고속 카메라 촬 으로 시간을 마이크로 단 까지 계산

(낙하충격시험기를 구할 수 없어 방법을 생각하는 고속 카메라를 생각함)

§ 선정된 완충 소재를 가지고 특정 1개의 시료에 부착 치만 다르게 하여 실험

§ 여러 번 낙하 시험 후 가장 기 에 합한 시험을 선별하여 기록

§ 낙하 기 높이(h):1.5m

(사람의 손에서 주로 떨어뜨리기 때문에 그 높이를 기 으로 함)

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나)실험 데이터

시험

순서

시료

번호

시료

무게(g)

충격 완화

재질

충돌

바닥

시료

충돌 면

충격완화소재

부착구조

1차 충돌

시간(us)

2차 충돌

시간(us)

충돌 간

시간차(us)

1 시료 #6 133.63 폴리우레탄콘크리트

바닥LCD 정면

테두리형 1,051,445 1,349,740 298,295

그립형 1,405,369 1,588,684 183,315

돌출형 1,129,963 1,538,255 408,292

2 시료 #5 124.16 멜라민

스펀지

콘크리트

바닥LCD 정면

테두리형 1,164,818 1,398,128 233,310

그립형 1,248,064 1,514,704 266,640

돌출형 995,030 1,341,662 346,632

3 시료 #1 137.20 실리콘

수지

콘크리트

바닥LCD 정면

테두리형 1,101,169 1,217,824 116,655

그립형 1,381,507 1,713,140 331,633

돌출형 1,334,687 1,674,653 339,966

4 시료 #2 113.77 PVC콘크리트

바닥LCD 정면

테두리형 2,019,358 2,026,024 6,666

그립형 730,302 870,288 139,986

돌출형 1,038,740 1,268,717 229,977

다)실험 결과

(1)폴리우 탄

시험 소재 폴리우 탄

구조종류 돌출형 테두리형 그립형

충돌과정

체공시간(us) 408,292 298,295 183,315

탄성력 정도 가장 높음 높음 낮음

결론

§ 같은 탄성력을 가진 소재에서는 부착 치에 따라 충격흡수,탄성력에 의한

튀는 정도가 달라지는 것을 발견했다.

§ 폴리우 탄은 충격흡수 탄성이 좋은 특성을 가진 소재이므로 다른 소재에

비해 큰 탄성력을 보인다.

- 10 -

(2)실리콘 수지

시험 소재 실리콘 수지

구조종류 돌출형 테두리형 그립형

충돌과정

체공시간(us) 339,966 116,655 331,633

탄성력 정도 가장 높음 낮음 높음

결론

§ 실리콘수지를 특정 모양으로 성형 후 탄력시험을 했을 시 가장 높은 탄성력

을 가질 알았는데 폴리우 탄에 비해 낮았다.

§ 실제 시료에 부착하여 낙하 충격 시험에서도 낮은 탄성력을 보 다.

(3)PVC

시험 소재 PVC

구조종류 돌출형 테두리형 그립형

충돌과정

체공시간(us) 229,977 6,666 139,986

탄성력 정도 가장 높음 낮음 높음

결론§ 소재의 감이나 탄력 시험을 했을 시 상당히 낮은 복원력을 가졌는데 상

과 같이 낙하 충격 시험에서도 역시 탄성력이 가장 낮게 나왔다.

- 11 -

(4)멜라민 스펀지

시험 소재 멜라민 스펀지

구조종류 돌출형 테두리형 그립형

충돌과정

체공시간(us) 346,632 233,310 266,640

탄성력 정도 가장 높음 낮음 높음

결론

§ 표면이 단단하고 탄력성이 있어 탄성력이 일반 스펀지에 비해 높게 나온다.

§ 테두리형이 가장 낮은 탄성력을 보이는데 테두리형은 바닥과 충돌 시 흡착력

이 발생하여 튀는 정도가 낮아지는 것 같다.

다.본 탐구에 이론 바탕이 되는 실험

1)시료별 무게에 따른 운동량

시료 #1 #2 #5 #6

무게(kg ) 0.13724 0.11380 0.12418 0.13365

높 (m) 1.50 1.50 1.50 1.50

낙하시간(s) 0.50 0.50 0.50 0.50

동량(kg∙m/s)

P=mv=m*√(2*g*h)0.744 0.617 0.673 0.725

기타

g: 력가 (9.8m/s2)

h:높

m:시료 량(무게로 체)

v:

P: 동량

§ 시료 무게에 따라 운동량에 차이가 나는 것을 알 수 있다.

(무게가 무거울수록 운동량이 커진다.)

§ 운동량은 운동량 공식에 따라 시료의 무게와 낙하 높이에 따라 변함을 알 수 있다.

- 12 -

(무게가 무거울수록 높이가 높을수록 운동량은 증가한다.)

2)시료별 높이에 따른 운동에 지

시료 #1 #2 #5 #6

무게(kg ) 0.13724 0.11380 0.12418 0.13365

높 (m) 1.50 1.50 1.50 1.50

낙하시간(s) 0.50 0.50 0.50 0.50

동에너 [N]

F=ma=mgh2.017 1.673 1.825 1.965

기타

g: 력가 (9.8m/s2)

h:높

m:시료 량(무게로 체)

F: 동에너

§ 실제 측정한 무게와 높이 기 으로 운동에 지 변화량을 계산했을 시 무게와 낙하 높이

가 운동에 지에 향을 미치는 것을 알 수 있다.

§ 1.5m 기 높이에서 바닥에 가까울수록 운동에 지는 증가하는데 치에 지가 운동에

지로 모두 환되기 때문이다.(에 지 보존 법칙 성립)

§ 최 로 증가된 운동에 지는 충돌 시 실험 시료에 충격력을 가하게 된다.

- 13 -

7.탐구 결론

가.실험을 통한 결론

시험

순서

충격완화

소재충돌바닥

시료

충돌면

충격완화소재

부착구조

1차충돌

시간(us)

2차충돌

시간(us)

충돌간

시간차(us)

탄성력

순위

1 폴리우레탄 콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 447,304 908,924 461,620 1

2 멜라민

스폰지콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 347,114 632,086 284,972 3

3 실리콘 수지 콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 4,099,651 4,454,616 354,965 2

4 PVC 콘크리트 바닥 LCD 정면 돌출형 879,955 1,074,936 194,981 4

1)완충 소재 재질에 따라 충격 흡수 정도가 다르다.

재질의 탄성계수가 높아지면 충격에 강하다.

§ 이유 :충돌 시 충격 완충 소재가 보호해야 할 시료가 바닥과 닿기 에 강한

반발력으로 바닥에서 쳐야만 시료가 보호된다.

§ 충격 흡수 비교 :폴리우 탄 >실리콘 수지 >멜라민 스펀지 >PVC

§ 를 들면 실험에서 사용한 폴리우 탄이 가장 탄성력이 높다.

2)완충 소재를 붙이는 치에 따라 층격 흡수 정도가 다르다.

§ 충격 흡수 비교 :돌출형 >그립형 >테두리형

§ 부착 치 구조는 충격력 분산을 빠르고 고르게 분산할 수 있는 구조여야 한다.

§ 를 들면 실험에서 사용한 돌출형이 가장 탄성력이 좋다.

3)무게에 따라 운동량과 운동에 지가 증가하여 충돌 시 충격력이 커진다.

- 14 -

§ 이유 :무게가 무거울수록 운동량과 운동에 지가 증가하여 충돌 시 운동에 지는 충격

에 지로 변환되기 때문에 무게가 무거울수록 충격력이 증가하게 된다.

즉 휴 폰 무게가 가볍고,낮은 치에서 떨어질 때 낙하 충격을 더 잘 견디게 된다.

따라서 이번 탐구 실험에서 낙하 충돌 시 LCD를 보호하기 해서 실험한 완충소재 재

질은 탄성력이 가장 좋은 폴리우 탄 재질이 합하고,부착 구조는 돌출형으로 제작되

는 것이 가장 좋은 것으로 밝 졌다.

8.알게 된 기 되는 효과

가.알게 된

1)시료 무게 낙하 치에 따라 충돌 시 가해지는 충격량이 달라진다.

2)바닥의 재질이 다르면 그만큼 충격을 받는 양도 차이난다.

3)완충소재 종류에 따라 충격흡수 정도가 다르다.(탄성력이 좋은 소재를 사용해야 된다.)

4)완충소재 부착 치에 따라 튀는 정도 충격 흡수가 다르다.

5)시료 체에 충격 완충 소재를 두른다고 시료가 충격에 더 잘 보호되는 것은 아니다.

6)낙하 시 공기 큐션도 충돌면에 공기 압력에 의해 충격을 가할 수 있다.

나.기 되는 효과

1)기존 이스보다 충격 완충 재료를 더 게 사용하여 보호 이스를 만들 수 있다.

(힘의 분산과 한 부착 치 구조 설계로 가능함)

2)탄성계수가 높은 소재를 사용하면 더 얇은 보호 이스를 만들 수 있어 디자인 측면에서

보호 이스 두께 때문에 IT제품의 외형이 보기가 흉하지 않다.

3)탄성력이 아주 좋은 재질을 사용하면 깨지기 쉬운 고가의 유리 제품이나,귀 속,고

IT제품 등의 보호 이스로 활용도가 높다.나아가 항공화물이나 고가의 이삿짐, 는

물류 포장지로 활용도가 넓어진다.

4)탄성계수가 높고 표면이 견고하면 인명구조 장비에 용할 수 있다. 를 들어 화재 발생

시 돌출형으로 제작된 가벼운 폴리우 탄 안 옷을 입으면 높은 곳에서 뛰어내릴 때 훨

씬 충격이 감소할 것이다.(에어매트와 부딪히면 더욱 탄성이 증가돼 강력한 층격흡수가

되리라 상함)

5)고 탄성력을 가진 소재와 구조를 발 시켜 차량 범퍼 측면,차 내부의 지붕 보호용

으로 사용하면 차량 사고 시 승객과 차량을 더 안 하게 보호할 수 있다.에어백 효과가

차 체에 용되는 셈이다.(단,이 경우 쉽게 불에 타지 않는 소재가 되어야함)

6)아이들이나 노약자들은 넘어지기 쉽고 부상이나 골 의 험이 크다.특히 운동할 때 이

런 충격흡수 소재와 구조를 용한 가벼운 조끼나 보호 를 입으면 부상을 끈하게 방

지할 수 있다.(단,착용감이나 무게가 상당히 가벼워야함)

다.아쉬운

- 15 -

낙하 충격 측정기만 있었더라도 소재의 반발계수를 알 수 있었고,충격량 측정이 가능했을

텐데 고속 촬 카메라로 분석하는 데는 한계가 있었다.

라.더 알고 싶은

1)탄성이 더 높은 소재가 있는지 지속 으로 알아보고 싶다.

2)액정 앞·뒤· 에 최소한의 단면 으로 테두리형과 돌출형 구조를 조합했을 때 충격 흡수

율은 어떤지 궁 하다.이 형태로 제작이 어려워서 실험하지 못했다.

3)원천 으로 손에서 떨어지지 않게 하려면 어떤 구조여야 하는지 탐구해 보고 싶다.

9.선행연구 참고문헌

가.선행 연구

§ LG 자 MC연구소의 “낙하실험과 유한요소해석을 이용한 휴 폰용 Display의 충격완화

Rubber에 한 연구”에서 LCD(LiquidCrystalDisplay)모듈의 충격흡수 목 으로 사용되

는 Rubber(탄성 고무)의 물성평가를 해 낙하 실험을 하 다.이 연구의 결론은 LCD유

리 보호 필름(LCD패 내부에 있는 탄성고무)의 충격흡수효과가 3% 정도 발생한다는

것이며 LCDRubber의 면 크기에 따른 충격흡수력은 비례한다고 했다.이에 비해 본 연

구는 LCD패 외부의 충격 흡수력에 한 연구이다.고탄성의 재질과 돌출형 구조로 간

단하게 부착만 하면 충격흡수력을 증가시킬 수 있다는 이 다르다. 한 기존의 이스

가 뒷면만을 보호하는데 비해 이 연구는 액정을 보호할 수 있는 재질과 부착 구조를 제

시하여 액정을 보호한다는 에서 더욱 실용 이다.

나.참고 문헌

1)이배화,김경용,강혜민,김명한,이용희 “낙하실험과 유한요소해석을 이용한 휴 폰용

Display의 충격완화 Rubber에 한 연구”

2)뉴턴코리아 “뉴턴역학과 만유인력”제2장 뉴턴 역학의 기본 ‘운동의 3법칙’

3)임진 “선생님도 놀란 등과학 뒤집기 - 력”제3장 무게일까,질량일까?

4)신학수,이복 ,백승용,구자옥,김창호,김용완,김승국 “상 5%로 가는 물리교실”

3.속도와 가속도,6.힘과 운동의 계,7.낙하 운동,11.역학 에 지의 환,

12.역학 에 지의 보존

5)그 외 소재의 특성 등은 인터넷 검색 참고

다.도와 사람들

1)폐 스마트휴 폰을 제공해 주신 집 윤슬이 가족과 성연이 나

2)값싸고 렴하게 고 스마트폰을 제공하신 고휴 폰 리 아 씨

3) 장 실험과 자료 검색 작성을 도와주신 엄마,아빠

4)서울과학 시 에서 실험 장비를 4일 동안 설치하고 도와 실험실 조교 나

5)충돌 바닥재를 만들어주신 서울과학 시 아 씨들