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[2021 봄호] 2 - MOSFET 트랜지스터

  • 윤명지
  • 2021-06-25 13:02:23

2021 SPRING 지식더하기

MOSFET 트랜지스터

MOSFET transistor

우리가 일상생활에서 사용하는 전자기기에는 손톱 정도의 크기에 수십억 개의 트랜지스터가 모여 있는 ‘집적회로’가 들어 있는데요.
포스테키안 구독자 여러분들은 ‘트랜지스터’라는 단어를 들었을 때 발이 3개 달린 npn, pnp 접합 트랜지스터의 이미지와 함께
증폭’이라는 단어를 먼저 떠올리실 것이라 생각됩니다.
하지만 집적회로가 등장하기 위해서는 접합형 트랜지스터와 다른 형태가 필요했다고 하는데요.

이번 지식 더하기 코너에서는 집적회로의 시작, MOSFET 트랜지스터에 대해 알아보도록 하겠습니다.


MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor의 줄임말로 ‘금속 Metal, SiO2와 같은 산화물 Oxide, 그리고 반도체로 이루어져 있습니다.

아래 그림의 Source, Gate, Drain 부분은 금속으로 이루어진 전극 부분입니다.

Source에서부터 전자와 양공의 흐름이 시작되어 중간에 있는 Gate가 전기장을 이용하여 흐름을 제어하고, 마지막으로 Drain에서 전자와 양공이 빠져나갑니다. Gate 전극의 아래 산화물에서는 반도체와 Gate 사이의 절연을 담당하고 그 절연체 밑의 Channel 부분에는 전자나 양공이 쌓이거나 흐릅니다.

Channel 부분이 바로 MOSFET동작 원리의 핵심인데요! 이곳에 모이는 것이 전하이냐, 양공이냐에 따라서 n-channel MOSFETp-channel MOSFET으로 나눌 수 있습니다. 오늘은 그중에서 전자가 모이는 n-channel MOSFET을 기준으로 설명을 해보도록 하겠습니다.

n-channel MOSFET, 줄여서 nmosp형 반도체 기반 substrate 위에 n형 반도체가 올라와 있는 형태로 구성되어 있습니다. N형 반도체로 이루어진 Source와 Drain 부분에서는 전자가 더 많고 전류가 흐르기 위해서는 이 전자들이 이동해야 합니다. Gate 부분에 (-)전압을 걸어주면 Gate 쪽으로 p형 반도체의 양공이 모여 부분적으로 (+)전하를 띄게 됩니다. 이 (+)전하로 인해 Source에서 Drain 영역으로 전자가 흐를 수 없게 됩니다. 이 상태를 바로 Accumulation이라고 합니다.

반대로, Gate에 일정량 이상의 (+)전압을 인가하면, 산화물 근처로 p형 반도체 내의 전자들이 쌓여 부분적으로 (-)전하를 띄는 채널 영역이 생기고 Source에서 Drain으로 전자가 이동할 수 있는 Inversion 상태가 됩니다.

Inversion 상태에서 Source와 Drain의 전압 차가 0보다 커질 때부터 양극을 흐르는 전류가 점점 증가하다가 어느 순간 포화되어 더 이상 증가하지 않습니다. 이것을 모두 정리하면, MOSFET에서는 수평 흐름의 전류를 제어하기 위해서 수직 방향의 전기장을 사용한다는 것을 알 수 있겠죠!

nmos 가 (+)전압이 Gate에 걸렸을 때 전류가 흐른다면, pmos는 이와 반대로 (-)전압을 걸었을 때 전류가 흐르는 스위치의 역할을 합니다. 이 정반대로 동작하는 두 개의 소자를 이용하여 CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor를 만들 수 있고, 이 CMOS를 이용하여 디지털 회로를 구성합니다. 0을 (-)전압, 1을 (+)전압이라고 생각해봅시다. 가장 간단하게 nmos와 pmos를 1개씩 직렬로 연결하면 입력이 0일 때 pmos는 연결, nmos는 연결이 끊어지면서 1이 출력되고 반대로 입력이 1이 들어왔을 때는 0이 출력되는 inverter를 만들 수 있답니다.

이번 지식더하기에서 설명한 MOSFET의 작동 원리는, 정말 이상적인 상황을 가정하고 있습니다.
하지만, 각 반도체의 도핑 농도나 인가전압, 크기 등 다양한 조건에 의해서 현실세계의 MOSFET은 작동을 못하기도 합니다. 대표적으로 아주 작은 MOSFET에서는 Source와 Drain 영역이 겹쳐, Gate 전압이 0이더라도 전류가 흐르는 Punch Through 문제가 발생하기도 합니다.

포스테키안 독자 여러분들이 현실 세계의 MOSFET의 작동 원리에 대해 이해하고 더 찾아보기를 바랍니다.

ALIMI 25기 전자전기공학과 윤명지

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[2020 겨울호] 우연과 행운의 과학적 발견, 세렌디피티

  • 윤명지
  • 2021-02-12 16:00:12

2020 WINTER SCIENCE BLACK BOX

우연과 행운의 과학적 발견, 세렌디피티

Coincidence and good luck in Scientific discoveries, ‘Serendipity’

여러분은 인생을 바꾼 우연의 일치를 경험해 보신 적이 있으신가요?

과학자 대부분은 하나의 결과를 도출해 내기 위해서 오랜 시간 동안 공부하고, 실험을 계획하지만,
때로는 우연과 행운만으로 인류에 큰 도움이 되는 발견을 한 경우가 있는데요.

세렌디피티 Serendipity [링크] Serendipity의 사전적 의미는 영국의 18세기 문필가였던 호레이스 월폴이 만든 행운의 동의어로
완전한 우연으로부터 중대한 발견이나 발명이 이루어지는 것을 말하며,
특히 과학 연구의 분야에서는 실험 도중에 실패해서 얻은 결과로부터 중대한 발견 또는 발명을 하는 것을 의미합니다.
X-ray, 페니실린처럼 유명한 사례뿐만 아니라 알려지지 않은 사례들도 많이 존재하는데요.

그래서 이번 호에서는 잘 알려지지 않은 세렌디피티를 소개해 드리려고 합니다.




#1. SMART DUST의 발명

smart dust

세렌디피티로 인한 발견이 미래 산업의 핵심으로 선정되었다는 사실, 알고 계셨나요?
2003년 발명된 스마트 더스트 Smart Dust [링크] Smart Dust 관련 기사는 말 그대로 ‘똑똑한 먼지’입니다. 먼지 크기의 초소형 센서들이 건물, 의복, 인체 등 물리적 공간에 먼지처럼 뿌려지는 것을 말하는데요. 이 기술은 2003년 실험 중 발생한 폭발 사고로 인해 발견되었다고 합니다.

캘리포니아 대학의 대학원생 제이미 링크가 실리콘 칩을 가지고 과제를 하던 중, 갑자기 그녀의 실리콘 칩이 폭발하는 사고가 벌어졌고 작은 실리콘 칩이 사방으로 흩어지게 됩니다.실리콘 칩의 잔해를 버리지 않고 상태를 확인해 보았는데요. 부서져 버린 작은 실리콘 칩 조각들이 여전히 센서의 역할을 할 수 있다는 사실을 발견하게 됩니다. 이것을 시작으로 초소형 센서에 대한 개발이 시작되었고 캘리포니아 대학의 크리스 피스터 교수가 1~2 mm 크기의 초소형 센서를 개발하고 이름을 ‘스마트 더스트’라고 지칭하면서 이 분야에 대한 연구가 가속되었다고 합니다.

단순한 컴퓨팅 능력을 갖추고 있었던 이 똑똑한 먼지들은 현재 센서 기능뿐만 아니라 양방향 무선 통신 기능 및 태양 전지 등의 전력 공급 장치까지 합쳐져 농작물의 냉해 방지, 극한 환경 지역의 생태 관측, 오염 측정, 산불 예방, 물류 관리 등 다양한 분야에서 무궁무진하게 활용되고 있습니다. 또한, 이 기술은 향후 2년 안에 전 세계를 휩쓸 10대 신기술 중 하나로 선정될 정도로 미래 기술의 핵심 결과물이 될 것으로 주목받고 있습니다.


스마트 더스트가 실제 연구에서 어떻게 활용되고 있는지 영상을 통해 살펴본다면 더 좋은 공부가 될 것 같습니다!

[YOUTUBE] 스마트 더스트를 이용한 연구 살펴보러 가기



#2. 안전유리의 발명

안전유리

우리의 생활에 빠질 수 없는 스마트폰과 자동차의 유리에도 세렌디피티가 존재합니다. 책상에 있던 유리컵을 떨어뜨렸을 때, 그 유리 파편들은 사방으로 흩어집니다. 하지만 교통사고 차량 유리나 떨어진 스마트폰 액정을 자세히 살펴본다면 금이 많이 가긴 하지만 유리 파편이 떨어져 나오지는 않는 모습을 관찰할 수 있는데요. 사람에게 해를 가할 수 있는 유리 파편을 최소화하는 안전유리의 발견이 바로 세렌디피티입니다.

19세기 말, 프랑스의 과학자 에두아르 베네딕투스는 신문에서 자동차 사고에 의한 부상자 대부분이 부서진 유리창에 의해 찔리거나 절단되는 상해를 입었다는 특집 기사 [링크] 소년한국일보 기사 원문를 읽게 됩니다. 기사를 읽은 후 그는 큰 충돌이 발생하더라도 안전한 유리는 존재하지 않을까? 하는 의문을 가지게 됩니다. 그 당시 최초의 플라스틱이었던 셀룰로이드 Celuloid를 응용한 발명품을 연구하고 있던 그는, 그날 이후 셀룰로이드를 이용해 유리가 깨지는 것을 막을 수 있을 것이라고 기대하며 연구를 시작했지만, 성과를 만들어 내지는 못했답니다. 수없는 실패 이후 베네딕투스가 안전유리 개발을 거의 포기할 때쯤, 실험실에 들어온 고양이 한 마리가 그의 실험실 선반에 있는 플라스크들을 건드려 떨어뜨립니다. 화가 잔뜩 난 베네딕투스는 플라스크를 치우던 도중, 유독 하나의 플라스크가 형태를 유지하고 있는 것을 발견합니다. 그리고 그는, 그 플라스크에는 오래전 담아두었던 셀룰로이드 용액이 말라붙어있다는 사실을 발견하게 됩니다. 그 플라스크에서 셀룰로이드 막이 유리 조각들을 퍼지지 않게 붙잡는다는 것을 직감한 그는 안전유리 연구에 다시 몰두하고 이후 두 장의 유리 사이에 셀룰로이드 막을 끼워 넣은 최초의 안전유리인 ‘Triplex’를 출시하게 되었습니다.


에두아르 베네딕투스가 처음 개발한 유리는 1968년 많은 사람들에게 놀라움을 안겨주었습니다.
그 당시 안전유리는 무거운 다이아몬드가 떨어져도 부서지지 않았다고 합니다.

[YOUTUBE] 최초의 안전유리 ‘Triplex’ 광고 영상 보러가기



#3. 스테인리스 스틸의 발명 [링크] 관련기사


Stain(녹이 생김) + Less(없음)의 합성어인 스테인리스 스틸 Stainless Steel은 주방용품, 자동차, 의료기기 등 주방부터 병원까지 쓰이지 않는 곳이 없는데요. 가벼울 뿐만 아니라 물리적 충격에도 강한 이 스테인리스 스틸 역시 세렌디피티로 인해 발견된 소재 중 하나입니다.

1912년 영국에서는 화약 사용 시 발생하는 뜨거운 열기에도 손상이 덜한 재료를 개발하기 위한 실험을 진행하는 연구소가 많았다고 합니다. 해리 브리얼리가 근무하고 있었던 셰필드 지역의 브라운 퍼스(Brown Firth) 연구소 역시 이와 같은 연구를 진행하고 있었는데요. 점심 식사를 마친 뒤 공장 뜰을 산책하던 해리 브리얼리는 반짝하고 빛나는 쇳조각을 우연히 발견했습니다. 이 쇳조각은 실험의 결과들로 만들어진 여러 재료 중, 쓸모없다고 판단해 버렸던 것이었는데요. 브리얼리는 자신이 발견한 쇳조각이 오래됐을 뿐 아니라 비까지 맞았지만 조금도 녹슬지 않았다는 이상한 사실을 발견합니다.

그는 실험실로 그 쇳조각을 가져와 분석한 결과 철과 크롬이 혼합돼 있다는 것을 발견하여 동일한 비율로 합금을 만들어 다시 연구를 시작합니다. 이 합금이 놀랍게도 산에 대한 반응이 극히 느리거나 전혀 없는 것으로 나타남을 발견한 브리얼리는 이 금속이 공기 중에 방치해도 녹이 슬지 않음을 확인합니다. 세계 1차 대전이 발발하는 바람에 소총 개발을 하는 연구소 임원진은 이 가공하기 힘든 합금에 주목하지 않았습니다. 하지만 브리얼리는 이 합금에 관한 연구를 이어나가 마침내 우리 생활에 없어서는 안 될 존재인 스테인리스를 만들게 됩니다.



이 3가지 위대한 발명이 실패라고 할 수 있는 상황에서 우연한 기회로 이루어진 것처럼,
여러분들도 언젠가 여러분만의 세렌디피티를 만날 수 있다고 생각합니다.

제이미 링크가 폭발한 실험물을 바로 버렸다면, 베네딕투스가 플라스크를 치우는 것에만 몰두했다면,
해리 브라일리가 반짝이는 쇳조각을 그저 착각으로 생각했다면,
이 모든 우연이 인류에게 도움이 되는 발견으로 이어지지 않았을 것 같은데요.

구독자 여러분들도 이 3명의 사람처럼 여러분 주변에 존재하는 우연과 실패 하나하나를 소중하게 생각해 보는 것은 어떨까요?

어쩌면 여러분들도 반짝이는 발명을 하게 될 운명일지도 모르니까요.

ALIMI 25기 전자전기공학과 윤명지

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[2020 가을호] 알리미가 춘천에 떴다

  • 윤명지
  • 2020-11-27 09:59:37

2020 FALL 알리미가 간다

알리미가 춘천에 떴다


알리미들이 직접 전국 각 지역의 고등학생 여러분들의 고민을 해결해 드리는 코너인 ‘알리미가 간다!’
이번 가을호에는 춘천의 고등학생 친구들을 만나보기로 했지만,
코로나19로 인한 사회적 거리 두기 2단계가 유지되면서, 직접 만나볼 수 없었는데요.

하지만 알리미는 친구들을 만날 수 있는 기회를 절대 놓치지 않습니다!
온라인 화상 통화 프로그램인 Zoom을 이용하여 입시와 포스텍 생활에 대한 많은 이야기를 나눌 수 있었는데요.
저희가 어떤 이야기를 나누었는지 같이 살펴 보실까요?

Q1. 올해 포스텍 면접이 온라인으로 진행되면서 사고력 면접을 보지 않는다고 들었는데요. 어떻게 준비해야 할까요?

명지 아무래도 각자의 공간에서 온라인으로 진행되다 보니 제시문이 있는 형태의 면접은 어려울 것 같아요. 대신 학생부나 자기소개서에 기재된 내용을 바탕으로 면접이 진행되겠죠? 질문도 개개인의 활동에 따라 제시되니 다 다를 거고요.

진석 학생부와 자기소개서를 다시 한번 꼼꼼히 봐야 할 것 같아요. 예상하지 못한 질문이 나왔는데 기억이 나지 않는다면 당황할 테니까요. 그동안 내가 했던 활동들을 살펴보고 예상 질문을 뽑아 보거나, 선생님이나 친구들과 모의 면접을 진행해 보는 것도 큰 도움이 될 것 같아요. 교수님들이 편안하게 진행해 주시니 너무 압박감을 가질 필요는 없고, 있는 그대로 자신감 있게 답변하면 된다고 생각해요.

Q2. 남은 2학기의 내신성적과 대학 입시를 동시에 준비해야 하나요? 해야 한다면 어떻게 동시에 할 수 있을까요?

명지 2학기 성적도 대학 입시와 동시에 준비하는 것이 미래에 도움이 된다고 생각해요. 2학기 성적이 대학 입시에 직접적인 영향이 없어서, 자기소개서나 면접을 더 많이 준비해야 할 것 같은 부담이 있을 거예요. 하지만 저는 대학교에 입학하고 난 뒤 여러 장학 혜택을 받을 때 2학기 성적의 중요성을 느낄 수 있었어요. 그래서 2학기 성적을 챙기는 것이 너무 부담되지 않는다면 꼭 챙기라고 조언해 주고 싶어요.

진석 저는 수능을 준비하느라 3학년 2학기 내신을 많이 챙기지는 못한 편이었어요. 중간고사, 기말고사 1주일 전에 공부하는 정도였답니다. 하지만 수능을 공부하면서도, 그 당시 교실 분위기가 워낙 풀어져서 그 분위기에 휩쓸리지 않으려고 노력을 했던 것 같아요. 다른 친구들이 놀고 있어도, ‘나는 반드시 시험을 잘 봐야 해!’라고 마음을 굳게 먹고 공부해야 한다고 생각해요.

Q3. 진로 희망의 구체적 분야를 정하지 못했는데 남은 시간 동안 어떻게 보충을 할 수 있을까요?

명지 저도 고등학교 시절에 의공학이라는 분야를 공부하고 싶다는 막연한 꿈을 가지고 있었지만, 구체적으로 어떤 분야를 희망하고 있지는 않았어요. 당연하게 생활기록부에는 특별하게 구체적인 활동이 아니라 기계와 생물에 대한 전반적인 활동이 담겼어요. 저의 경험에 빗대어 생각해봤을 때 3학년 1학기가 이미 끝난 지금, 생활기록부에 구체적인 진로에 관한 내용을 보충하기는 힘들 것 같다고 생각해요. 그리고 지금 내용을 보충한다고 해도 1학년 때부터 꾸준히 생활기록부에 진로 희망과 관련하여 유기적인 활동을 녹여낸 친구들보다 부족할 것 같다고 생각해요. 저는 입학사정관 선생님께서 입학설명회에서 하신 “진로 희망이 변하거나, 뚜렷하지 않은 학생도 그 이유가 명확하다면 불이익이 존재하지 않는다.”라는 말에 용기를 얻었어요. 그래서 저는 자기소개서에 포스텍은 무학과 제도이니 포스텍에 진학한 후 포스텍에서 제공하는 다양한 학과 탐색 프로그램과 연구 프로그램에 참여하며 제 진로를 구체화하여 진학할 학과를 정하고 싶다는 솔직한 저의 마음을 담았어요. 자기소개서와 관련된 자세한 내용은 온라인 대탐험 영상에서 확인할 수 있으니깐 한번 보면 좋을 것 같아요!




Q4. 학과가 정해지지 않은 무은재학부 생활은 어떤가요?

진석 학과가 정해져 있지 않은 무은재학부 기간은 전공과목을 수강하기 위한 기초를 다지는 시기라고 생각해요. 저의 경우 올해 일반물리, 일반화학, 일반생명과학, 미적분학, 프로그래밍과 문제해결, 인공지능기초, 체력관리, 여러 실험과목들, 대학생활과 미래설계, 학과 탐색/입문 과목들을 1년에 나누어서 수강해요. 이 과목들은 다양한 전공과목의 기초가 되며 전공 탐색을 할 수 있는 과목이어서 나중에 전공을 선택할 때 도움이 많이 될 것 같다고 생각해요. 그리고 포스텍에는 고등학교의 반과 유사한 ‘분반 제도’가 존재해요. 한 분반은 출신 지역, 고등학교 유형, 성별을 모두 골고루 섞어 20명 내외의 학생으로 구성되고, 2명의 교수님이 하나의 분반을 지도하세요. 분반 친구들끼리 여행을 가거나, 친목 활동을 가지는 등 즐거운 학교생활을 할 수 있어요. 더불어 지도 교수님께 언제든지 편하게 진로, 학업 관련 질문을 드릴 수도 있어서 학교생활에 큰 도움이 된답니다.

Q5. 코로나19로 인해 비대면 수업이 진행되는 것으로 알고 있는데, 어떻게 수업을 어떻게 수강하고 계시나요?

진석 포스텍에는 자체 온라인 강의 플랫폼 POSTECHx가 있어요. 이 플랫폼에 교수님께서 강의를 녹화하여 올려주시면 주어진 기간 내에 강의를 시청해야 출석으로 인정해 주세요. 또는 지금 함께 이야기를 나누고 있는 Zoom 프로그램을 통해 실시간으로 강의를 하는 교수님도 계세요. POSTECHx의 내부 기능을 이용하여 시험을 본 과목도 있다고 들었는데요. 저를 포함한 1학년 학생 전원은 코로나19 검사를 받은 뒤 마스크 작용, 2m 거리 유지 등 방역 수칙을 준수하며 포스텍에서 대면으로 시험을 보았어요.

명지 처음 비대면 수업이 결정되었을 때 가장 걱정되었던 것은 실험과목이었는데요. 학교에서 제도적으로 많은 지원을 해주셔서 생각했던 것보다 훨씬 수월하게 과목을 수강했어요. 저는 지난 학기에 ‘Matlab으로 배우는 전자공학’이라는 전자과 실험과목을 수강했는데, 수강생 모두의 집으로 드론을 배송해 주셔서 그 드론을 이용해서 실험을 진행할 수 있었어요. 또한, 학교에서만 사용할 수 있는 실험 장비 대신 핸드폰이나 노트북을 이용하여 할 수 있는 실험을 위주로 교과 과정을 바꾸어 주셔서 과목을 효과적으로 이수할 수 있었다고 생각해요. 제가 수강한 과목의 경우 비대면으로 시험을 진행했는데요. 오픈북 시험을 보는 과목도 있었고, Zoom 프로그램을 이용하여 시험을 치른 후 성적을 부여하는 과목도 있었어요.



다음 호 "알리미가 간다"는 경상북도 구미에서 진행됩니다!
참여하고 싶은 학생들은 아래 링크에서 신청 부탁드려요!

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[2020 여름호] 2 - 물리학과가 본 캠핑

  • 윤명지
  • 2020-09-11 08:18:15

2020 SUMMER 공대생이 보는 세상 2

물리학과가 본 캠핑
Dept. of Physics




캠핑2

캠핑장에 도착했으니, 더 어두워지기 전에 불부터 피워볼까?

이런! 깜빡하고 라이터를 가져오지 않았잖아?

다행히 비상 키트에 파이어 스틸 Fire Steel이 있네.

파이어 스틸은 이름 그대로 불을 만들어 내는 철로, 철 35%, 세륨 65%가 섞인 페로세륨 Ferrocerium으로 이루어진 합금 막대야. 이 막대를 긁으면 불꽃이 만들어져. 겉보기에 매끄러워 보이는 물체이더라도 원자 수준의 미시세계에서는 모두 울퉁불퉁한 상태야. 그리고 각 원자 안에서는 원자핵, 전자가 존재하고 그로 인해각 원자 사이에는 전자기력이 항상 작용하고 있지.


우리가 파이어 스틸을 칼등으로 긁으면, 파이어 스틸과 칼등이 만나는 접촉면에서 두 물체의 무수히 많은 원자는 서로 충돌하여 작용-반작용이 발생하지. 충돌 과정에서 파이어 스틸과 칼등의 원자들은 운동량 보존 법칙에 의해 상대방 원자에게 운동에너지를 주게 돼. 운동에너지를 주고받는 동안 운동에너지가 일부 손실되는데, ‘고립계에서 에너지의 총합은 일정하다.’는 에너지 보존법칙에 의해 그 운동에너지는 열에너지로 전환돼.


마찰열은 다음과 같은 식으로 결정되는데, 파이어 스틸을 이루는 세륨은 철과 같은 다른 금속에 비해 비교적 저온인 150°C에서도 불이 붙기 때문에 작은 마찰열만 있어도 많은 불꽃을 낼 수 있어.
$$Q = \mu { P V \over J} $$
$\mu$ : 마찰계수
$P$ : 면압
$V$ : 운동 속도
$J$ : 단위 마찰열 당 환산 운동량

칼등으로 불꽃이 잘 안 생기네 ...

어떻게 해야 불꽃이 더 많이 생길까?

마찰열을 결정하는 식에 의하면 마찰열은 운동속도(V)가 빠르고, 면압(P)이 셀수록 더 많이 발생하는 것을 알 수 있어.

칼등으로 파이어 스틸을 더욱더 빠르고, 세게 긁어볼까?
와! 이것 봐~ 파이어 스틸에서 불꽃이 우수수 쏟아지고 있어! 이 불꽃을 장작에 옮기면 되겠다~!
이제 불도 다 피웠으니 음식 재료들을 구하러 가봐야 겠네. 그럼 이제 잘 가! 갈게! 안녕!!


공대생이 보는 세상 3 - 생명과학과가 본 캠핑 편으로 이어집니다.

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