KR100813066B1 - 렌즈 기판과 이를 이용한 발광 소자 패키지 및 백라이트유닛 - Google Patents

렌즈 기판과 이를 이용한 발광 소자 패키지 및 백라이트유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 소자 패키지에 관한 것으로, 특히, 양산성을 향상시킬 수 있고, 백라이트 유닛에 이용할 수 있는 렌즈 기판과 이를 이용한 발광 소자 패키지 및 백라이트 유닛에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 상측면과 하측면을 가지는 평판과; 상기 평판의 상측면과 하측면 사이에 형성되며, 적어도 하나 이상의 렌즈 형상의 공동부(hollow space)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
발광 소자, 패키지, 렌즈, 기판, 백라이트.

Description

렌즈 기판과 이를 이용한 발광 소자 패키지 및 백라이트 유닛{Lens substrate and LED package and back-light unit using the same}
도 1은 종래의 LED 소자의 패키징 바디를 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래의 LED 소자의 패키징 렌즈를 나타내는 사시도이다.
도 3은 종래의 LED 소자의 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 렌즈 기판의 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 렌즈 기판의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 렌즈 기판의 제1판을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 렌즈 기판의 제2판을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 서브마운트를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 서브마운트를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 서브마운트에 렌즈 기판이 결합된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 발광 소자 패키지의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 발광 소자 패키지의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 백라이트 유닛의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
100 : 렌즈 기판 110 : 평판
120 : 공동부 130 : 제1판
140 : 제2판 200 : 서브마운트
210 : 마운트부 220 : 발광 소자 칩
230 : 봉지 물질 300 : 발광 소자 패키지
310 : 패키지 바디 320 : 패키지 렌즈
330 : 리드 400 : 백라이트 유닛
410 : 인쇄 회로 기판 420 : 확산판
본 발명은 발광 소자 패키지에 관한 것으로, 특히, 양산성을 향상시킬 수 있고 백라이트 유닛에 이용할 수 있는 렌즈 기판과 이를 이용한 발광 소자 패키지 및 백라이트 유닛에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도 대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)에 의해 고출력 전자소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다. 이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
또한, 종래의 녹색 LED의 경우에는 처음에는 GaP로 구현이 되었는데, 이는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순녹색 발광을 얻을 수 없었으나, InGaN 박박성장이 성공함에 따라 고휘도 녹색 LED 구현이 가능하게 되었다.
이와 같은 이점 및 다른 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.
GaN 발광 다이오드의 효율은 백열등의 효율을 능가하였고, 현재는 형광등의 효율에 필적하기 때문에, GaN 계열의 LED 시장은 급속한 성장을 계속할 것으로 예상된다.
이와 같은 LED 소자는 개개의 소자가 제조된 후에 패키징되어 사용된다.
이러한 LED 소자의 패키징은, 도 1에서 도시하는 바와 같이, 패키지 바디(1)에 LED 소자(2)가 수납된 상태에서, 이러한 LED 소자(2)가 수납된 공간이 봉지 물질(encapsulation material)로 채워진 후에, 도 2와 같은 개개의 렌즈(3)가 결합되어 이루어진다. 도 3은 이러한 LED 소자(2)의 패키징이 이루어진 상태를 나타낸다.
한편, 수광형 평판 디스플레이의 일종인 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display: LCD)는 자체적인 발광 능력이 없으므로, 외부로부터의 조사된 조명광을 선택적으로 투과시킴에 의하여 화상을 형성한다.
이를 위하여 액정 표시 장치의 배면에는 광을 조명하는 광원부가 필요하며 이를 백라이트 유닛(Back Light Unit;BLU)이라고 한다.
또한, 이 백라이트 유닛은 액정패널 전면에 걸쳐 균일광을 조명할 것이 요구된다. 따라서, 발광체가 상술한 LED일 경우에는, 이러한 LED가 상술한 바와 같이 패키징 된 상태에서를 다수의 LED 패키지를 규칙적으로 배열하고, 이러한 LED 패키지에서 발산되는 빛을 확산시키는 디퓨저(diffuser) 등이 구비되어 백라이트 유닛이 이루어진다.
그러나 상술한 바와 같이, 많은 수의 LED 패키징에 있어서, 이러한 많은 수의 패키징 렌즈를 개개로 제조하여 일일히 LED 패키지 바디에 수납하는 종래의 방식은 조립시간, 비용, 및 수율 등의 양산 과정에서의 효율성을 크게 저하시킨다.
또한, 이와 같은 패키징 방식은 백라이트 유닛의 두께를 얇게 제조하는데 한계가 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자 패키지 공정을 간소화시켜 양산성을 향상시키고, 패키지 두께를 보다 얇게 할 수 있어 백라이트 유닛에 효율적으로 이용될 수 있도록 하는 렌즈 기판과 이를 이용한 발광 소자 패키지 및 백라이트 유닛을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 상측면과 하측면을 가지는 평판과; 상기 평판의 상측면과 하측면 사이에 형성되며, 적어도 하나 이상의 렌즈 형상의 공동부(hollow space)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 평판은, 상하로 구분되는 두 개의 판으로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 두 개의 판은, 상기 상측면과, 상기 상측면의 반대면에 제1오목렌즈 형상이 형성된 제1면을 갖는 제1판과; 상기 제1판의 제1면과 마주하여 결합되며, 상기 제1오목렌즈 형상과 합치되어 상기 공동부를 형성하는 제2오목렌즈 형상을 가지는 제2면과, 상기 제2면의 반대면에 상기 하측면을 가지는 제2판을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 평판은, 실리콘, 에폭시, 폴리 카보네이트, 및 PMMA 수지 등의 발광 소자의 렌즈를 형성할 수 있는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 공동부에는, 공기, 질소 등의 기체가 채워지거나, 상기 평판과 굴절률이 다른 수지가 채워질 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 발광 소자의 패키지에 있어서, 상기 발광 소자가 수납되는 수납부가 형성된 패키지 바디와; 상기 패키지 바디 상측에 위치하며, 렌즈 형상의 공동부가 형성된 패키지 렌즈를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 패키지 렌즈의 외형은, 내부에 상기 공동부가 형성된 평판 형상일 수 있고, 상하로 구분되는 두 개의 판으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 패키지 렌즈는, 상측면과, 상기 상측면의 반대면에 제1오목렌즈 형상이 형성된 제1면을 갖는 제1판과; 상기 제1판의 제1면과 마주하여 결합되며, 상기 제1오목렌즈 형상과 합치되어 상기 공동부를 형성하는 제2오목렌즈 형상을 가지는 제2면과, 상기 제2면의 반대면에 하측면을 가지는 제2판을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 수납부와 렌즈 사이에는, 봉지 물질(encapsulation material)이 채워질 수 있고, 상기 패키지 바디에는, 상기 발광 소자와 와이어에 의하여 연결되는 리드가 더 포함될 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제3관점으로서, 본 발명은, 인쇄 회로 기판과; 상기 인쇄 회로 기판에 규칙적으로 정렬된 다수의 상기 발광 소자 패키지와; 상기 발광 소자 패키지의 상측에 위치하는 확산판을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 렌즈 기판의 일 실시예를 도시하고 있다. 이러한 렌즈 기판(100)은 평판(110)에 다수의 렌즈 형상의 공동부(hollow space: 120)가 형성되어 이루어진다.
이러한 렌즈 기판(100)은, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 상하측으로 구분되는 두 개의 판(130, 140)으로 이루어질 수 있다.
즉, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 평판 렌즈 기판의 상측에는, 평평한 상측면(131)을 가지고, 이러한 상측면(131)의 반대면에 다수의 오목렌즈 형상(132)이 형성된 제1면(133)을 갖는 제1판(130)이 위치한다.
이러한 제1판(130)의 대향측에는, 도 7에서와 같이, 상기 제1판(130)의 오목렌즈 형상(132)과 합치되어 상기 공동부(120)를 이루는 오목렌즈 형상(141)이 일면에 형성된 제2면(142)을 가지고, 그 반대면은 평평한 하측면(143)이 형성된 제2판(140)이 위치한다.
따라서, 이러한 제1판(130)과 제2판(140)이 결합되어 도 4 및 도 5와 같은 렌즈 기판(100)을 이루게 된다.
이와 같이, 렌즈 기판(100)이 상술한 바와 같이 두 개의 판(130, 140)으로 이루어지게 되면 형상 틀 제작이 용이하여, 따라서 이러한 제1판(130) 및 제2판(140)의 형성이 용이하고, 보다 적은 비용과 공정으로 렌즈 기판(100)의 형성이 가능하다.
상기 평판(110)과, 이러한 평판(110)을 이루는 제1판(130) 및 제2판(140)은 실리콘, 에폭시, 폴리 카보네이트, PMMA(Polymethyl Methacrylate)와 같이, 발광 소자의 렌즈를 형성할 수 있는 통상의 물질을 이용하여 제작이 가능하고, 또한 이러한 물질을 두 개 이상 결합하여 제조하는 것도 가능하다.
또한, 이러한 제1판(130)과 제2판(140)은 접착제와 같은 물질을 이용하여 접착할 수 있고, 열을 가하여 접착할 수도 있다.
이와 같이 결합된 렌즈 기판(100)의 두께는 통상 1mm 내지 10mm의 두께로 형성될 수 있으며, 이때, 상기 렌즈 형상의 공동부(120)의 두께는 상술한 1mm 내지 10mm의 사이 값이 될 수 있다.
한편, 상기 제1판(130)과 제2판(140)의 두께는 서로 다를 수도 있다. 즉, 상기 제1판(130)이 제2판(140)보다 두꺼울 수 있고, 반대로 상기 제1판(130)보다 제2판(140)이 보다 두껍게 형성될 수도 있다.
상기 렌즈 형상을 이루는 공동부(120)는 비구면 또는 구면 렌즈 형상을 가지게 되며, 비구면 형상일 경우에는 단면이 포물선 형상인 것이 바람직하다.
또한, 이러한 공동부(120)는 제1판(130)과 제2판(140)의 결합 과정에서 자연스럽게 대기중의 공기가 포함될 수 있다.
그러나 경우에 따라서 질소 분위기에서 제1판(130)과 제2판(140)을 결합하여 질소를 충진할 수도 있고, 이와 같은 방법으로 기타 다른 기체를 충진시킬 수도 있다.
또한, 경우에 따라 이러한 공동부(120)에는 상기 평판(110)과 굴절률이 다른 다른 종류의 수지 또는 액체 등을 주입할 수도 있다. 한편, 상기 공동부(120)는 진공 상태로 유지될 수도 있다.
이러한 렌즈 기판(100)은 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 소자의 상측에 결합되어 발광 소자에서 방출되는 빛을 확산시키거나 집속시킬 수 있으며, 또한 빛을 특정 형태로 방출시킬 수 있다.
즉, 비구면 혹은 구면 렌즈 형상의 공동부(120)는 발광 다이오드에서 방출되는 광의 분포를 조절할 수 있다.
한편, 렌즈 기판(100)의 평평한 부분에는 광을 편광시키거나 산란시킬 수 있는 패턴을 형성시킬 수 있어서, 발광 소자의 광학적 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 이와 같은 광학적 성능을 제공하는 렌즈 기판(100)은, 이러한 렌즈 기판(100)을 이용하는 발광 소자가 LCD 백라이트 유닛에 적용되는 경우, 부가적인 광학 필름 등을 제거할 수 있다.
이하, 상술한 렌즈 기판(100)을 발광 소자 패키지에 적용하여 제작하는 과정을 설명한다.
상술한 렌즈 기판(100)은 발광 소자 칩이 패키지 바디에 본딩된 상태에서, 이러한 패키지 바디의 상측에 결합하여 발광 소자 패키지를 형성할 수 있다.
보다 바람직하게는, 도 8 및 도 9에서 도시하는 바와 같이, 다수의 발광 소자 패키지가 결합될 수 있는 마운트부(210)가 형성된 서브마운트(200)에 발광 소자 칩(220)을 결합시켜 패키지를 형성하는 것이다.
도 8에서와 같이, 서브마운트(200)는 전체적으로 원형의 형상을 이루고 있으며, 경우에 따라서는 사각형 등 다른 형상을 이룰 수도 있다.
이러한 경우, 상기 렌즈 기판(100)의 전체 형상도 상기 서브마운트(200)와 동일한 크기와 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 렌즈 기판(100)에 형성되는 렌즈 형상의 공동부(120)는 상기 서브마운트(200)의 마운트부(210)와 동일한 간격을 이룬다.
따라서, 도 10에서와 같이, 상기 렌즈 기판(100)을 발광 소자 칩(220)이 본딩된 서브마운트(200)의 상측에 결합한다. 이때, 렌즈 기판(100)과 서브마운트(200)에는 서로 정렬할 수 있도록 하는 표식이 형성되는 것이 바람직하다(도시되지 않음).
이러한 렌즈 기판(100)을 서브마운트(200)에 결합할 때는 접착제를 이용하여 접착할 수 있다.
도시하는 바와 같이, 상기 렌즈 기판(100)의 공동부(120)와 서브마운트(200)의 마운트부(210)의 위치는 정확히 일치하도록 한다.
이와 같이, 렌즈 기판(100)과 서브마운트(200)가 결합될 때에, 상기 서브마운트(200)의 마운트부(210)에는 발광 소자 칩(220)이 결합된 후에 봉지 물질(encapsulation material: 230)이 채워질 수 있다.
상술한 바와 같이, 렌즈 기판(100)과 서브마운트(200)의 결합이 완료된 후에는 상기 발광 소자 칩(220)을 중심으로 개개의 패키지로 분리된다.
도 11은 이와 같이 분리된 발광 소자 패키지(300)를 나타낸다. 이와 같이, 개개의 패키지로 분리된 발광 소자 패키지(300)의 구성은, 발광 소자 칩(220)이 결합된 패키지 바디(310)에 봉지 물질(230)이 채워지고, 이러한 패키지 바디(310)에는 상기 렌즈 기판(100)이 분리된 패키지 렌즈(320)로 구성된다.
이때, 상기 패키지 바디(310)에는, 도시하는 바와 같이, 발광 소자 칩(220) 과 와이어링되는 리드(330)가 구성된다. 이러한 리드(330)는 백라이트 유닛을 형성하기 용이하도록 패키지 바디(310)에 하측을 향하여 구성될 수 있다.
이러한 패키지 바디(310)에 결합되는 패키지 렌즈(320)는 상기 서브마운트(200)에서 분리된 형상의 외형을 이루게 되며, 본 실시예의 경우에는 전체 형상이 직육면체 형상을 이루게 된다.
상기 패키지 렌즈(320)는 상기 렌즈 기판(100)과 같이, 두 개의 판(321, 322)이 결합된 형상을 이루고, 그 내측에는 렌즈 형상의 공동부(323)가 형성된다.
이때, 상기 공동부에는 공기가 충진되어 있을 수 있고, 경우에 따라서 질소와 그 외의 기타 다른 기체를 충진될 수 있고, 진공 상태로 될 수도 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 패키지 렌즈(320)를 이루는 물질과 굴절률이 다른 다른 종류의 수지 또는 액체 등이 주입될 수도 있다.
한편, 상술한 패키지 렌즈(320)는 상측이 평면으로 형성되므로, 도 12와 같이, 광학 기능부(324)를 형성하기에 용이하다.
이러한 광학 기능부(324)는 편광 기능, 빛의 산란 기능 등의 기능일 수 있으며, 표면을 미세하게 거칠게 형성하거나, 광결정을 형성하여 광 추출 효율을 향상시킬 수도 있다.
또한, 상기 패키지 렌즈(320)의 하측면도 평면으로 형성되므로, 패키지 바디(310)와의 결합이 용이하다.
이와 같은 발광 소자 패키지(300)는, 도 13과 같이, LCD 디스플레이와 같은 수동형 디스플레이 패널의 백라이트 유닛(back-light unit: BLU: 400)으로 이용될 수 있다.
즉, 도 13에서 도시하는 바와 같이, 인쇄 회로 기판(410)에 상술한 바와 같은 발광 소자 패키지(300)를 2차원적으로 일정 간격으로 배열하고, 이러한 발광 소자 패키지(300)로부터 일정 거리에 빛을 균일하게 확산시킬 수 있는 확산판(420)을 구성하여 백라이트 유닛(400)을 구성할 수 있다.
이와 같은 발광 소자 패키지(300)는 전체 형상이 얇은 박형으로 형성이 가능하여, 이러한 백라이트 유닛(400)을 구성하는데 더욱 유리하다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 평판 렌즈 기판을 제공하여 발광 소자의 패키지 제조가 간편하고, 따라서 제작 공정을 크게 간소화시킬 수 있다.
둘째, 이와 같이, 제작 공정이 크게 간소화 되어, 양산성이 향상되고, 백라이트 유닛에 용이하게 적용될 수 있다.
셋째, 발광 소자 패키지의 상측면이 평면형이므로, 각종 광학적 기능층을 용이하게 형성할 수 있고, 이러한 광학전 기능층은 백라이트 유닛에 적용되는 경우에 백라이트 유닛에 부가되는 별도의 광기능층을 제거할 수 있다.
넷째, 발광 소자 패키지를 박형으로 제조 가능하여 백라이트 유닛을 구성하는데 유리하다.

Claims (14)

  1. 상측면과 하측면을 가지며, 실리콘, 에폭시, 폴리 카보네이트, 및 PMMA 수지 중 적어도 어느 하나로 형성된 평판과;
    상기 평판의 상측면과 하측면 사이에 형성되며, 적어도 하나 이상의 렌즈 형상의 공동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 기판.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 평판은, 두 개의 판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 기판.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 두 개의 판은,
    상기 상측면과, 상기 상측면의 반대면에 제1오목렌즈 형상이 형성된 제1면을 갖는 제1판과;
    상기 제1판의 제1면과 마주하여 결합되며, 상기 제1오목렌즈 형상과 합치되어 상기 공동부를 형성하는 제2오목렌즈 형상을 가지는 제2면과, 상기 제2면의 반대면에 상기 하측면을 가지는 제2판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 기판.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 공동부에는, 기체 또는 수지가 채워진 것을 특징으로 하는 렌즈 기판.
  6. 발광 소자의 패키지에 있어서,
    상기 발광 소자가 수납되는 수납부가 형성된 패키지 바디와;
    상기 패키지 바디 상측에 위치하며, 내측에 렌즈 형상의 공동부가 형성된 평판 형상의 패키지 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서, 상기 패키지 렌즈는, 상하로 구분되는 두 개의 판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 패키지 렌즈는,
    상측면과, 상기 상측면의 반대면에 제1오목렌즈 형상이 형성된 제1면을 갖는 제1판과;
    상기 제1판의 제1면과 마주하여 결합되며, 상기 제1오목렌즈 형상과 합치되어 상기 공동부를 형성하는 제2오목렌즈 형상을 가지는 제2면과, 상기 제2면의 반대면에 하측면을 가지는 제2판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 수납부와 렌즈 사이에는, 봉지 물질이 채워진 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 패키지 바디에는, 상기 발광 소자와 와이어에 의하여 연결되는 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  12. 제 6항에 있어서, 상기 공동부에는, 기체 또는 수지가 채워진 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  13. 제 6항에 있어서, 상기 패키지 렌즈의 상측면에는 광학 기능부가 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  14. 제 6항의 발광 소자 패키지를 이용한 백라이트 유닛에 있어서,
    인쇄 회로 기판과;
    상기 인쇄 회로 기판에 규칙적으로 정렬된 다수의 상기 발광 소자 패키지와;
    상기 발광 소자 패키지의 상측에 위치하는 확산판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 백라이트 유닛.
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