KR100928076B1 - 나노 분쇄기 - Google Patents

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KR100928076B1
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남용현
김태윤
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(주)제이분체
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Abstract

본 발명은 선택된 크기 이하의 원료만 통과할 수 있는 스크린이 외주면의 일부에 배치된 원통 형상의 내통; 상기 내통의 외주면에 결합되는 복수의 제1 핀; 상면의 중앙에 결합홈이 형성되고, 상면의 가장자리에 복수의 비드 배출홀이 형성되며, 하면은 개방되어 상기 내통이 내삽되는 원통 형상의 원심분리기; 상기 원심분리기의 외주면에 결합되는 복수의 제2 핀; 상면의 중앙에 삽입홀이 형성되고, 개방된 하부에 상기 내통 및 상기 원심분리기가 내삽되고, 일측에 원료 주입구가 형성된 원통 형상의 케이싱; 상기 케이싱의 내부를 폐쇄하도록 상기 케이싱의 개방된 하부와 결합되고, 상면에 상기 내통의 하단이 고정되며, 중앙에 원료 배출구가 형성된 바닥판; 상기 내통, 상기 원심분리기 및 상기 케이싱의 사이에 형성된 공간을 움직이도록 배치된 복수의 비드(Beads); 상기 삽입홀에 삽입되어 상기 결합홈에 결합되는 회전축; 및 상기 삽입홀과 상기 회전축의 사이를 밀폐시키는 실링부재를 포함하는 나노 분쇄기에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 별도의 원심분리기에 형성된 비드 배출홀을 통해 비드를 강제로 배출, 순환시킬 수 있으므로, 스크린이 막히지 않고 순환이 원활하여 원료에 강력한 분쇄력을 전달할 수 있다.
원료, 원심분리기, 비드, 나노 분쇄기

Description

나노 분쇄기 {Stirred ball mill}
본 발명은 나노 분쇄기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비드를 사용하여 원료를 교반, 분쇄하는 분쇄기에 관한 것이다.
최근 마이크로 분말을 넘어 나노 분말이 필요한 기술분야가 증가하고 있다. 예를 들면, 다양한 색상 구현을 위한 염료, 안료 또는 도료의 나노화, 고가의 세라믹 원료 생산, 새로운 복합 소재 개발을 위한 금속류의 나노 분산, 선진국의 규제 등에 적합한 화장품의 개발, 제약회사의 시제품의 생산 및 응용 등 나노 분말이 필요한 분야는 계속 확장되고 있다.
이러한 나노 분말을 생성하기 위해서는 특히 금속 분말을 생성할 때, 폭발의 위험성이 있는 종래의 건식 분쇄 보다는 습식 분쇄가 적합하다. 나노 분쇄기는 이러한 극소 분말을 습식으로 생성시키기 위해 만들어진 것으로 교반형 볼 밀(Stirred ball mill) 등으로도 불린다.
종래의 교반형 분쇄기의 분쇄 방법은 다음과 같다.
도 1은 종래의 교반형 분쇄기를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 원통 형상의 외부 케이싱(10)의 하부에 형성된 투입구(11)를 통해 액상의 원료 슬 러리가 외부 케이싱(10) 안쪽으로 투입된다. 별도의 구동부재에 의해 구동축(30)이 회전하면, 구동축(30)과 연결된 원통 형상의 회전자(20) 역시 회전하게 된다. 회전자(20)의 외주면에는 복수의 핀(pins; 21)이 구비되며, 외부 케이싱(10)과 회전자(20)의 사이 공간에는 다수의 볼(40)이 구비된다. 회전자(20)가 회전하여 핀들(21)이 회전하면 액상의 원료 슬러리 역시 회전하게 되고, 회전하면서 원료 슬러리와 볼들(40)이 부딪히게 되어 투입된 원료 슬러리는 분쇄된다. 회전자(20)의 상부에 구비된 스크린(50)은 분쇄된 원료 슬러리만 필터링될 수 있도록 간격이 미세하여 볼들(40)은 빠져 나가지 못하므로, 분쇄된 원료 슬러리만이 배출구(12)를 통해 외부 케이싱(10)에서 배출된다.
하지만 나노 분말 생성을 위해 작은 볼들(40)을 사용하는 경우, 그 볼들(40)이 스크린(50)에 쏠리게 되어 스크린(50)이 서서히 막히게 된다. 일반적인 크기의 볼들(40)을 사용하여 비교적 점성이 큰 원료를 처리하고자 할 때 스크린(50)이 부분적으로 막히게 되면, 나노 분쇄기에 상당한 압력 증가로 이어져 이 결과 분쇄 공정에 장애가 생기게 된다. 또한, 미세한 볼들(40)을 사용하는 경우에는 그에 따라 극히 미세한 스크린(50)을 사용해야 하는데 이러한 스크린(50)은 볼들(40)이 충돌하면 매우 쉽게 손상될 수 있다.
아울러, 스크린(50)에 형성된 틈은 제조 공정상 좁힐 수 있는 한계가 있기 때문에 볼들(40)의 크기 역시 약 0.2㎜ 이하로는 사용이 곤란하여 나노 크기의 입자 생성이 어렵고, 균일한 입자를 생성하는데 필요한 시간이 증가하여 생산량이 적은 문제점이 있다.
본 발명은 볼들에 의해 스크린이 막히는 문제점을 해결하여 효율적인 분쇄 또는 분산 효과를 얻을 수 있는 나노 분쇄기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노 분쇄기는 선택된 크기 이하의 원료만 통과할 수 있는 스크린이 외주면의 일부에 배치된 원통 형상의 내통; 상기 내통의 외주면에 결합되는 복수의 제1 핀; 상면의 중앙에 결합홈이 형성되고, 상면의 가장자리에 복수의 비드 배출홀이 형성되며, 하면은 개방되어 상기 내통이 내삽되는 원통 형상의 원심분리기; 상기 원심분리기의 외주면에 결합되는 복수의 제2 핀; 상면의 중앙에 삽입홀이 형성되고, 개방된 하부에 상기 내통 및 상기 원심분리기가 내삽되고, 일측에 원료 주입구가 형성된 원통 형상의 케이싱; 상기 케이싱의 내부를 폐쇄하도록 상기 케이싱의 개방된 하부와 결합되고, 상면에 상기 내통의 하단이 고정되며, 중앙에 원료 배출구가 형성된 바닥판; 상기 내통, 상기 원심분리기 및 상기 케이싱의 사이에 형성된 공간을 움직이도록 배치된 복수의 비드(Beads); 상기 삽입홀에 삽입되어 상기 결합홈에 결합되는 회전축; 및 상기 삽입홀과 상기 회전축의 사이를 밀폐시키는 실링부재를 포함한다. 여기서, 상기 원심분리기는, 몸체를 형성하는 원형 디스크와, 상기 원형 디스크의 상부에 결합되며, 상기 결합홈과 복수의 비드 배출홀이 형성된 원심분리 배출 디스크를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 원심분리기는 상기 바닥판과 이격되어 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 핀들은 상기 내통의 외주면에 수평선을 따라 원형의 군들을 형성하도록 배치될 수 있다. 또는 상기 제1 핀들은 상기 비드에 윗쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향을 따라 나선형으로 배치될 수 있다. 아울러, 상기 제2 핀들은, 상기 원심분리기가 회전될 때 상기 비드에 아래쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향을 따라 나선형으로 배치될 수 있다. 게다가, 상기 제2 핀들 중에서 상부에 배치된 제2 핀들은 상기 원심분리기가 회전될 때 상기 비드에 아래쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향을 따라 나선형으로 배치되고, 하부에 배치된 제2 핀들은 상기 원심분리기가 회전될 때 상기 비드에 윗쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향의 반대쪽을 따라 나선형으로 배치될 수 있다. 더욱이, 상기 원심분리기의 회전시 상기 제2 핀과 충돌하지 않도록 상기 제2 핀과 엇갈리게 상기 케이싱의 내주면에 결합되는 복수의 제3 핀을 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 실링부재는 기계밀봉(mechanical seal)을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 케이싱의 외측에는 상기 케이싱의 냉각을 위해 냉각 자켓(Cooling jacket)을 더 구비할 수 있다. 아울러, 상기 회전축을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부재를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면,
첫째, 별도의 원심분리기에 형성된 비드 배출홀을 통해 비드를 강제로 배출, 순환시킬 수 있으므로, 스크린이 막히지 않고 순환이 원활하여 원료에 강력한 분쇄력을 전달할 수 있다.
둘째, 비드와 원료의 분리가 용이하므로 분쇄 또는 분산 능력이 우수하고, 생산성 및 공정 시간이 단축된다.
셋째, 상부 및 하부에 비대칭 나선으로 배치된 제2 핀들에 의해 원심분리기 및 케이싱의 사이에 형성된 공간의 중앙부에서 집중적으로 원료와 충돌할 수 있다.
넷째, 약 0.05㎜ 정도의 작은 크기를 가진 비드를 사용할 수 있어 저점도의 나노 크기의 입자 분쇄 또는 분산이 가능한 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 나노 분쇄기(M)에 대해 설명한다.
도 1은 종래의 나노 분쇄기를 나타낸 단면도, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실 시예에 따른 내통 및 원심분리기를 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 분쇄기를 나타낸 단면도, 도 5는 도 2에 도시된 원심분리기의 측면을 전개한 전개도, 도 6은 도 3에 도시된 내통의 측면도, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노 분쇄기를 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면 나노 분쇄기(M)는 내통(100), 원심분리기(200), 케이싱(300), 비드들(Beads; 400), 회전축(500) 및 실링부재(600)를 포함한다.
내통(100)은 원통 형상으로 선택된 크기 이하의 원료(R)만 통과할 수 있는 스크린(120)이 외주면의 상부에 배치된다. 내통(100)의 외주면에는 다수의 제1 핀(110)이 결합된다. 제1 핀들(110)은 비드(400)에 윗쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 원심분리기(200)의 회전방향을 따라 나선형으로 배치된다. 한편, 제1 핀들(110)은 내통(100)의 외주면에 수평선을 따라 원형의 군들을 형성하도록 배치될 수도 있다.
원심분리기(200) 역시 원통 형상으로 그 상면의 중앙에 결합홈(220)이 형성되고, 그 상면의 가장자리에 복수의 비드 배출홀(230)이 형성되어 있다. 원심분리기(200)의 하면은 개방되어 내통(100)이 내삽된다. 그리고, 다수의 제2 핀(210)이 원심분리기(200)의 외주면에 결합된다. 원심분리기(200)는 일체로 형성될 수도 있고, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 원형 디스크(200a)와 원심분리 배출 디스크(200b)를 별도로 구비할 수도 있다. 원형 디스크(200a)는 몸체를 형성하고, 원심분리 배출 디스크(200b)는 원형 디스크(200a)의 상부에 결합되며, 결합홈(220)과 복수의 비드 배출홀(230)이 형성되어 있다.
제2 핀들(210)은 원심분리기(200)가 회전될 때 비드(400)에 아래쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 원심분리기(200)의 회전방향(D1)을 따라 나선형으로 배치된다. 나아가, 도 5를 참조하면 제2 핀들(210) 중에서 상부에 배치된 제2 핀들(210a)은 원심분리기(200)가 회전될 때 비드(400)에 아래쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기(200)의 회전방향을 따라 나선형으로 배치되고, 하부에 배치된 제2 핀들(210b)은 원심분리기(200)가 회전될 때 비드(400)에 윗쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 원심분리기(200)의 회전방향의 반대쪽을 따라 나선형으로 배치된다.
케이싱(300)은 원통 형상으로 그 상면의 중앙에 삽입홀(320)이 형성되고, 일측에 원료 주입구(330)가 형성되어 있다. 케이싱(300)의 개방된 하부에는 내통(100) 및 원심분리기(200)가 내삽된다. 바닥판(340)은 케이싱(300)의 내부를 폐쇄하도록 케이싱(300)의 개방된 하부와 결합되고, 그 상면에 내통(100)의 하단이 고정되며, 중앙에 원료 배출구(340a)가 형성된다. 여기서, 원심분리기(200)는 바닥판(340)과 이격되어 제공된다. 케이싱(300)의 외측에는 케이싱(300)의 냉각을 위해 냉각 자켓(Cooling jacket; 350)을 더 구비한다. 아울러, 원심분리기(200)의 회전시 앞선 제2 핀(210)과 충돌하지 않도록 제2 핀(210)과 엇갈리게 케이싱(300)의 내주면에 결합되는 복수의 제3 핀(310)을 구비한다.
또한, 내통(100), 원심분리기(200) 및 케이싱(300)의 사이에 형성된 공간에는 다수의 비드(Beads; 400)가 배치되어 그 공간 내부를 운동하게 된다.
회전축(500)은 삽입홀(320)에 삽입되어 원심분리기(200)의 결합홈(220)에 결 합되며, 구동부재(700)는 회전축(500)을 회전시키는 구동력을 제공한다. 구동부재(700)와 연결된 구동 풀리(710)가 회전하면 V-벨트(730)에 의해 회전축(500)과 결합된 종동 풀리(720)가 회전한다. 종동 풀리(720)는 회전축(500)에 상대 회전이 불가능하도록 연결된다. 삽입홀(320)과 회전축(500)의 사이는 실링부재(600)에 의해 밀폐된다. 실링부재(600)는 일반적으로 사용되는 기계밀봉(mechanical seal)이 바람직하다. 즉, 회전축(500)과 함께 회전하는 금속부분과 글랜드(gland)에 고정된 금속부분을 완전히 밀착시키고 미끄럼운동을 하게 하여 기밀과 액밀을 유지하는 구조로 되어 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 나노 분쇄기의 작동원리에 대해 설명한다.
먼저, 케이싱(300)의 일측에 형성된 원료 주입구(330)를 통해 원료가 공급되고, 구동부재(700)에 의해 회전축(500)이 회전된다. 원료(R)는 액상의 슬러리 형태로 공급된다. 그러면, 회전축(500)에 연결된 원심분리기(200)가 회전하고, 제2 핀들(210) 중에서 상부(A)에 배치된 제2 핀들(210a)은 원심분리기(200)가 회전될 때 비드(400)에 상기 원심분리기(200)의 회전방향(D1)을 따라 나선형으로 배치되므로, 아래쪽을 향하는 방향성을 부여하고, 하부(B)에 배치된 제2 핀들(210b)은 원심분리기(200)가 회전될 때 비드(400)에 원심분리기(200)의 회전방향의 반대쪽(D2)을 따라 나선형으로 배치되므로, 윗쪽을 향하는 방향성을 부여한다(도 5 참조). 또한, 케이싱(300)의 내주면에 결합된 복수의 제3 핀(310)도 원심분리기(200)의 회전시 앞선 제2 핀(210)과 충돌하지 않도록 제2 핀(210)과 엇갈리게 배치되어 있기 때문 에 유체의 유동이 더 활발하게 이루어질 수 있다.
이때, 다수의 비드(Beads; 400)는 상부에 배치된 제2 핀들(210a)과, 하부에 배치된 제2 핀들(210b)에 의해 발생한 유체 유동에 의해 원심분리기(200) 및 케이싱(300)의 사이에 형성된 공간의 중앙부에서 집중적으로 원료(R)와 충돌하여 분쇄 작용을 하게 된다.
이렇게 분쇄 작용을 거친 원료(R) 및 비드(400)는 바닥판(340)과 이격된 원심분리기(200)의 하부의 공간을 통해 원심분리기(200)의 안쪽과 내통(100) 사이의 공간으로 유입된다. 이때, 다수의 제1 핀(110)이 원심분리기(200)의 회전방향을 따라 나선형으로 배치되어 있기 때문에 원료(R) 및 비드(400)에 윗쪽을 향하는 방향성이 부여된다. 내통(100)의 상부로 이동된 원료(R) 및 비드(400) 중 외주면의 상부에 배치된 스크린(120)을 통해 선택된 크기 이하로 분쇄된 원료(R)만 내통(100)의 내부를 거쳐 원료배출구(340a)로 빠져 나올 수 있다.
한편, 비드(400)와 선택된 크기 이상의 원료(R)는 스크린(120)의 틈을 빠져 나갈 수 없기 때문에 원심분리기(200) 상면의 가장자리에 형성된 복수의 비드 배출홀(230)을 통해 다시 원심분리기(200) 및 케이싱(300)의 사이에 형성된 공간으로 유입되어 상술한 과정을 반복하게 된다.
이렇게, 본 발명의 실시예에 따르면, 별도의 원심분리기(200)에 형성된 비드 배출홀(230)을 통해 비드(400)를 강제로 배출, 순환시킬 수 있으므로, 스크린(120)이 막히지 않고 순환이 원활하여 원료(R)에 강력한 분쇄력을 전달할 수 있고, 비드(400)와 원료(R)의 분리가 용이하므로 분쇄 또는 분산 능력이 우수하고, 생산성 및 공정 시간이 단축된다. 또한, 상부 및 하부에 비대칭 나선으로 배치된 제2 핀들(120a,120b)에 의해 원심분리기(200) 및 케이싱(300)의 사이에 형성된 공간의 중앙부에서 집중적으로 원료와 충돌할 수 있다. 또한, 약 0.05㎜ 정도의 작은 크기를 가진 비드를 사용할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 종래의 교반형 분쇄기를 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 내통 및 원심분리기를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 분쇄기를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 원심분리기의 측면을 전개한 전개도이다.
도 6은 도 3에 도시된 내통의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노 분쇄기를 나타낸 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100...내통 200...원심분리기
300...케이싱 400...비드
500...회전축 600...실링부재

Claims (11)

  1. 선택된 크기 이하의 원료만 통과할 수 있는 스크린이 외주면의 일부에 배치된 원통 형상의 내통;
    상기 내통의 외주면에 결합되는 복수의 제1 핀;
    몸체를 형성하고 하면은 개방되어 상기 내통이 내삽되는 원형 디스크와, 상기 원형 디스크의 상부에 결합되고 상면 중앙에 결합홈과 상면 가장자리에 복수의 비드 배출홀이 형성된 원심분리 배출 디스크를 포함하는 원통 형상의 원심분리기;
    상기 원심분리기의 외주면에 결합되는 복수의 제2 핀;
    상면의 중앙에 삽입홀이 형성되고, 개방된 하부에 상기 내통 및 상기 원심분리기가 내삽되고, 일측에 원료 주입구가 형성된 원통 형상의 케이싱;
    상기 케이싱의 내부를 폐쇄하도록 상기 케이싱의 개방된 하부와 결합되고, 상면에 상기 내통의 하단이 고정되며, 중앙에 원료 배출구가 형성된 바닥판;
    상기 내통, 상기 원심분리기 및 상기 케이싱의 사이에 형성된 공간을 움직이도록 배치된 복수의 비드(Beads);
    상기 삽입홀에 삽입되어 상기 결합홈에 결합되는 회전축; 및
    상기 삽입홀과 상기 회전축의 사이를 밀폐시키는 실링부재를 포함하는 나노 분쇄기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 원심분리기는 상기 바닥판과 이격되어 제공되는 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 핀들은 상기 내통의 외주면에 수평선을 따라 원형의 군들을 형성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 핀들은 상기 비드에 윗쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향을 따라 나선형으로 배치된 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 핀들은, 상기 원심분리기가 회전될 때 상기 비드에 아래쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향을 따라 나선형으로 배 치된 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 핀들 중에서 상부에 배치된 제2 핀들은 상기 원심분리기가 회전될 때 상기 비드에 아래쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향을 따라 나선형으로 배치되고,
    하부에 배치된 제2 핀들은 상기 원심분리기가 회전될 때 상기 비드에 윗쪽을 향하는 방향성을 부여할 수 있도록 상기 원심분리기의 회전방향의 반대쪽을 따라 나선형으로 배치된 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  8. 청구항 1 또는 청구항 3 내지 청구항 7 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 원심분리기의 회전시 상기 제2 핀과 충돌하지 않도록 상기 제2 핀과 엇갈리게 상기 케이싱의 내주면에 결합되는 복수의 제3 핀을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 실링부재는 기계밀봉(mechanical seal)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이싱의 외측에는 상기 케이싱의 냉각을 위해 냉각 자켓(Cooling jacket)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전축을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노 분쇄기.
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