KR100952853B1 - 다중 적외선 영상 시스템 및 영상화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 적외선 영상을 얻기 위한 시스템 및 영상화 방법에 관한 것으로, 본 발명의 영상 시스템은 조직에서 양자점의 형광 발광을 생성하기 위한 광원; 조직에서 나오는 영상을 확대하거나 초점을 맞추기 위한 줌 렌즈; 상기 줌 렌즈를 통과한 광의 가시광선 영역은 반사하고 적외선 영역은 투과하는 색선별 거울; 상기 색선별 거울을 통해 반사된 가시광원 영역의 광을 전달받는 가시광선 카메라; 상기 색선별 거울을 통해 투과된 적외선 영역의 광을 특정 파장영역으로 나누는 필터들이 포함된 필터 휠; 상기 필터 휠을 통과한 적외선 영역의 광을 전달받는 적외선 카메라; 상기 적외선 카메라를 통하여 적외선 파장 영역대로 수집된 영상과, 상기 가시광선 카메라를 통해서 가시광선 영역대로 수집된 영상을 통합하여 실시간으로 영상을 생성하는 데이터 프로세서로 이루어짐으로써, 가시광선 영역과 700-900㎚의 근적외선 파장영역에서의 혼합영상을 얻을 수 있으며, 소프트웨어를 이용하여 5가지 각기 다른 적외선 파장대역의 형광을 서로 다른 혼합 색상으로 첨가하여 다중 영상 이미지를 얻을 수 있다.
근적외선, 가시광선, 영상, 양자점, 카메라, 색선별 거울
Description
본 발명은 다중 적외선 영상을 얻기 위한 시스템 및 영상화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역을 발광하는 발광소자들을 이용하여 다중 영상을 얻기 위한 시스템 및 그 영상화 방법에 관한 것이다.
최근 나노물질을 이용한 암 진단 및 치료 응용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 대표적인 예가 양자점(quantum dot)이다. 양자점은 폭이 불과 수 나노미터에 지나지 않은 화합물 반도체 결정으로, 빛을 흡수하여 좀더 장파장에서 형광을 내는 특성이 있다. 양자점은 종래의 화학 염료에 비해 형광 효율이 높을 수 있고, 형광 지속성이 뛰어나기 때문에 생체 내 형광 영상에 있어 기존의 화학염료를 대체할 수 있다. 또한 양자점은 발광 파장의 조절이 용이하고, 넓은 흡광영역을 갖기 때문에 다중 영상을 쉽게 구현할 수 있다. 이미, 양자점 나노 물질을 이용해서 쥐 안에 있는 전립선 암세포를 진단하는 실험을 성공적으로 수행한 예도 있다.
하지만, 이런 양자점은 높은 발광 효율에도 불구하고 가시광선의 영역에서는 조직 내 투과율이 매우 낮아서, 빛이 조직 내 깊숙이 침투하지 못한다는 한계를 드 러내고 있다. 이 같은 문제의 해결책으로 근적외선 영역의 빛을 발광하는 새로운 양자점이 개발되고 있다. 특히, 생체 내 형광 영상을 할 경우, 적외선 영역은 생체 분자들에 의한 흡수율이 낮기 때문에 이 파장 영역을 이용하면 조직 투과율을 높일 수 있다.
상기와 같은 이유로 최근 적외선을 발광하는 형광 분자체나 양자점을 이용한 실시간 생체 내 분자 형광 영상에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으나, 가시광선 영역과 달리 적외선 영역을 관찰하는 다중 영상 시스템은 아직 개발이 미미한 상태이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역을 발광하는 양자점을 이용하여 다중 영상을 얻을 수 있는 영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 소프트웨어를 이용하여 각기 다른 적외선 파장대역의 형광을 색상으로 첨가하여 다중 영상 이미지를 얻을 수 있는 영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 실시간으로 가시광선 영역과 근적외선 파장영역에서의 혼합영상을 얻을 수 있는 영상화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 조직에서 양자점의 형광 발광을 생성하기 위한 광원; 조직에서 나오는 영상을 확대하거나 초점을 맞추기 위한 줌 렌즈; 상기 줌 렌즈를 통과한 광의 가시광선 영역은 반사하고 적외선 영역은 투과하는 색선별 거울; 상기 색선별 거울을 통해 반사된 가시광원 영역의 광을 전달받는 가시광선 카메라; 상기 색선별 거울을 통해 투과된 적외선 영역의 광을 특정 파장영역으로 나누는 필터들이 포함된 필터 휠; 상기 필터 휠을 통과한 적외선 영역의 광을 전달받는 적외선 카메라; 상기 적외선 카메라를 통하여 적외선 파장 영역대로 수집된 영상과, 상기 가시광선 카메라를 통해서 가시광선 영역대로 수집된 영상을 통합하여 실시간으로 영상을 생성하는 데이터 프로세서로 이루어지는 것 을 특징으로 하는 다중 적외선 영상 시스템이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 광원으로는 할로겐 램프가 사용되는 것이 바람직하다. 양자점의 경우 일반 염료와는 달리 흡광 대역이 넓기 때문에 광대역 여기가 유효하므로 전 가시광선 영역에서 빛을 낼 수 있는 백색광원을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 광원에서 나오는 광 중 특정 영역의 파장의 광만 통과시키는 필터가 상기 광원 앞에 장착되는 것이 바람직하다.
이는 양자점이 형광하는 광의 파장과 상기 광원에서 나오는 광의 파장이 겹치지 않도록 하기 위함으로써, 예를 들어, 700 ㎚ 이상 장파장의 광을 형광하는 양자점을 발광소자로 사용하는 경우, 상기 광원에서 나오는 광 중 650 ㎚ 이하 단파장의 빛만 상기 필터를 통해 통과시킬 수 있도록 하기 위함이다. 이와 같은 경우, 양자점에서 발광하는 형광 영상과 상기 광원에서 나오는 광이 겹쳐지는 것을 방지하여 상기 줌 렌즈에 양자점에서 나오는 형광만 받아들여지게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 줌 렌즈와, 색선별 거울과, 적외선 카메라는 동일한 광축 상에 설치되도록 수직구조로 설치되며, 상기 가시광선 카메라는 상기 색선별 거울의 측부에 상기 색선별 거울과 수평을 이루도록 설치된다.
본 발명에 있어서, 상기 적외선 카메라 앞에는 다중화된 적외선 신호를 받아들이기 위한 복수개의 필터를 장착한 필터 휠이 더 설치되어 다중 영상이 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 필터 휠 안에 설치된 각각의 필터는 적외선 영역에 서 각기 다른 파장 영역 일부를 투과시키는 것으로, 각기 다른 필터를 이용할 경우 특정 적외선 파장 영역에서의 형광만을 선택적으로 적외선 카메라로 보낼 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 영상화 방법은, 광원에서 광을 발사하여 조직 내 양자점의 형광 영상을 생성하는 단계; 상기 형광 영상을 줌렌즈를 통하여 확대하거나 초점을 맞추는 단계; 상기 줌렌즈를 통과한 광을 가시광선 영역과 적외선 영역으로 분리하도록 색선별 거울을 통해 가시광선 영역은 반사하고 적외선 영역은 투과하는 단계; 상기 색선별 거울을 통해 반사된 가시광선 영역의 광을 가시광선 카메라에 전달하고, 상기 색선별 거울을 통해 투과된 적외선 영역의 광을 필터 휠을 통해 파장 별로 적외선 카메라에 전달하는 단계; 상기 적외선 카메라를 통해 적외선 파장 영역대로 수집된 영상과 상기 가시광선 카메라를 통해 가시광선 파장 영역대로 수집된 영상을 통합하여 실시간으로 출력 영상을 생성하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 영상화 방법에 있어서, 상기 광원으로는 할로겐 램프가 사용되며, 상기 광원에서 나오는 광 중 특정 영역의 파장의 광만 통과시키는 필터가 상기 광원 앞에 장착되어 상기 광원에서 특정 영역의 파장의 광만 발사되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 700 ㎚ 이상의 장파장을 형광하는 양자점을 발광소자로 사용하고, 상기 광원에서 나오는 광 중 650 ㎚ 보다 짧은 파장의 빛만 통과하는 필터를 상기 광원 앞에 장착하여 조직 내 양자점의 형광 영상을 생성하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 다중 적외선 영상화 방법은 조직 내 양자점으로 얻어진 형광 영상을 색선별 거울을 통해 가시광선 영역과 적외선 영역으로 분리하여 각각의 영상을 별도의 카메라에 전달하고, 상기 카메라에 전달된 적외선 파장 영역대의 영상과 가시광선 파장 영역대의 영상을 통합하여 실시간으로 출력 영상을 생성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 영상 시스템은, 가시광선 영역과 700-900 ㎚의 근적외선 파장영역에서의 혼합영상을 얻을 수 있으며, 소프트웨어를 이용하여 5가지 각기 다른 적외선 파장대역의 형광을 서로 다른 혼합 색상으로 첨가하여 다중 영상 이미지를 얻을 수 있다.
본 발명의 시스템의 적용 형태로서, 소동물 모델을 이용한 생체 내 형광 영상에 이용할 수 있고, 종양 조직 제거 수술 등의 임상 수술 시 영상까지 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템 및 영상화 방법의 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템의 전체 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템에서 영상의 흐름을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 다중 적외선 영상 시스템은 가시광선과 적외선 영역에서 서로 다른 파장대역을 발광하는 발광소자들을 이용하여 다중 영상을 얻기 위한 장치로서, 상기 발광소자로는 양자점이 이용될 수 있다.
본 발명의 다중 적외선 영상 시스템은 광원(10)과, 줌 렌즈(20)와, 색선별 거울(30)과, 가시광선 영역 카메라(50)와, 적외선 영역 카메라(60)와, 적외선 영역 필터 휠(40)을 포함하여 구성된다.
상기 광원(10)은 조직에서 양자점의 형광 발광을 생성하기 위한 것으로, 상기 광원(10)으로는 레이저와 광대역 광원 모두를 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 650 ㎚ 이하만 투과하는 필터를 장착한 할로겐 램프가 사용된다.
양자점의 경우에는 일반 염료와는 달리 흡광 대역이 넓기 때문에 이러한 광대역 여기가 유효하다. 즉, 양자점은 자외선에서부터 가시광선 영역까지 넓은 파장영역을 흡수할 수 있기 때문에 용도에 맞게 특정 영역의 파장의 광만 통과시키는 필터(도시안함)를 장착한 할로겐 램프를 광원으로 이용할 수 있다.
예를 들면, 700 ㎚ 이상의 장파장을 형광하는 양자점을 발광소자로 사용할 경우, 할로겐 램프에서 나오는 광 중 650 ㎚보다 짧은 파장의 빛만 통과하는 필터를 달아 광원으로 사용한다.
여기서, 상기 광원(10)은 도 1에서 보는 바와 같이, 시료의 측면 쪽 상부에 카메라와 같은 쪽에 설치되어 광원에서 카메라로 직접 빛이 들어가는 것을 최소화하였다.
한편, 상기 줌 렌즈(20)와, 색선별 거울(30)과, 적외선 영역 필터 휠(40)과, 적외선 카메라(60)는 동일한 광축 상에 설치되도록 하여 시료의 상부에 수직구조로 설치되며, 상기 가시광선 카메라(50)는 상기 색선별 거울(30)의 측부에 상기 색선별 거울(30)과 수평을 이루도록 설치된다.
상기 줌 렌즈(20)는 조직에서 나오는 영상을 확대하거나 초점을 맞추기 위한 것으로, 상기 광원(10)의 광에 의해 형광발광하는 양자점의 영상을 확대하거나 초점을 맞추어 상기 색선별 거울(30)에 전달할 수 있도록 한다.
상기 색선별 거울(30)은 상기 줌 렌즈(20)를 통과한 광을 가시광선 영역과 적외선 영역으로 분리하기 위한 것으로, 가시광선 영역의 광은 반사하고 적외선 영역의 광은 투과하도록 하는 역할을 한다.
상기 색선별 거울(30)을 통해 반사된 가시광원 영역의 광은 상기 가시광선 카메라(50)에 전달되고, 상기 색선별 거울(30)을 통해 투과된 적외선 영역의 광은 적외선 카메라(60)에 전달된다.
적외선 카메라(60) 앞에는 각기 다른 파장 대역을 선택적으로 통과시킬 수 있는 필터들로 이루어진 필터 휠(filter wheel)(40)을 장착하여 서로 다른 적외선 파장 영역의 신호를 다중 영상처리하여 얻을 수 있다.
상기 필터 휠(40)을 통하여 상기 적외선 카메라(60)에 수집된 적외선 파장 영역대의 영상은 본 발명의 데이터 프로세서(도시안함)에 의하여 각기 다른 유사색으로 처리되고, 상기 가시광선 카메라(50)를 통해서 가시광선 영역대로 수집된 영상과 통합되어 실시간으로 영상화할 수 있다.
또한, 각각 카메라의 밝기, 감마값, 콘트라스트 등의 영상과 관련된 변수들 을 변화시킬 수 있어서 미약한 적외선 형광도 크게 증폭하여 밝게 볼 수 있다.
이와 같은 본 발명의 영상 시스템은 자체 개발한 소프트웨어를 이용하여 서로 다른 필터를 통해 얻은 서로 다른 적외선 영상에 각기 서로 다른 혼합 색상을 첨가한 실시간 다중 적외선 영상이 가능하다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템의 작동방법을 설명한다.
먼저, 상기 광원(10)에서 광을 조사하여 조직 내 양자점의 형광 영상을 생성한다.
상기 형광 영상은 줌 렌즈(20)를 통하여 확대하거나 초점이 맞춰진 후 상기 색선별 거울(30)을 통해 가시광선 영역과 적외선 영역으로 분리되어 가시광선 영역은 상기 가시광선 카메라(50)로 전달되고, 적외선 영역의 광은 상기 적외선 카메라(60)에 전달된다.
상기 적외선 카메라(60)를 통해 적외선 파장 영역대로 수집된 영상과 상기 가시광선 카메라(50)를 통해 가시광선 파장 영역대로 수집된 영상은 상기 데이터 프로세서를 통해 통합되어 서로 다른 혼합 색상을 첨가하여 실시간으로 출력영상이 생성된다.
<실시예>
도 3은 본 실험에 사용된 두 양자점 샘플을 386 ㎚의 파장으로 여기시켰을 때 각각의 발광 스펙트럼이다.
본 발명에서 사용되는 양자점 샘플은 CdTe 반도체 나노결정의 카드뮴 전구체 물질로서, 카드뮴 아세테이트(cadmium acetate)(266 ㎎)과 올레인 산(oleic acid) (1 ml)를 100도 진공환경에서 1시간 동안 교반 가열한다. 텔레늄 전구체 물질로써 트리옥틸포스핀(8 ml)에 텔레늄(Tellurium)(510 mg)을 넣고 질소환경에서 교반가열한다. 이 카드뮴과 텔레늄 전구체 물질을 트리옥틸포스핀(4 ml)에 분산시킨 후, 300도의 질소 환경의 15 g의 트리옥틸포스핀 옥사이드와 3 g의 헥사데실아민 용액에 주입하여 CdTe 반도체 나노결정을 합성하였다.
합성된 CdTe 반도체 나노결정과 20 g의 트리옥틸포스핀 옥사이드를 질소 환경에서 150 내지 180도까지 가열하였다. 이어서 이 용액에 CdSe 껍질 반도체 나노결정의 카드뮴 전구체 물질로써 카드뮴 아세테이트(cadmium acetate)(266 ㎎)과 올레인 산(oleic acid)(1 ml)를 100도 진공환경에서 1시간 동안 교반가열한다. 셀레늄 전구체 물질로써 트리옥틸포스핀(1 ml)에 셀레늄(Selenium)(78 mg)을 넣고 질소환경에서 교반 가열한다. 이 카드뮴과 텔레늄 전구체 물질을 6 ml의 트리옥틸포스핀에 분산시킨 후, 트리옥틸포스핀에 분산시킨 용액을 한 방울씩 적가하였다. 반응혼합물을 180 내지 250도에서 교반 가열하여, CdTe 반도체 나노결정 표면에 CdSe 결정구조가 성장된 CdTe/CdSe 반도체 나노결정을 합성하였다.
도 4의 (a)는 필터 휠에서 780 ㎚ 롱 패스 필터(long pass filter)를 이용하여 얻은 영상으로, 두 양자점의 발광 중 도 3의 시료 1에 해당하는 왼쪽 편에 놓여있는 용기에 담겨있는 양자점 영상만을 선택적으로 영상화한 경우이다.
이의 적외선 카메라 영상이 좌측 위의 영상이며, 여기에 유사 녹색을 소프트 웨어를 이용하여 첨가하여 가시광 영상과 혼합한 혼합영상이 좌측 아래의 영상이다.
도 4의 (b)는 680-720 ㎚ 밴드 패스 필터(Band pass filter)를 이용하여 얻은 영상으로, 두 양자점의 발광 중 도 3의 시료 2에 해당하는 오른쪽 편에 놓여있는 용기에 담겨있는 양자점 영상만을 선택적으로 영상화한 경우이다. 이의 적외선 카메라 영상이 좌측 위의 영상이며, 여기에 유사 적색을 소프트웨어를 이용하여 첨가하여 가시광선 영상과 혼합한 혼합영상이 좌측 아래 영상이다.
도 5는 도 4의 (a)(b)의 좌측 아래 혼합 영상처럼 서로 다른 적외선 파장을 형광하는 두 용기에서부터의 형광에 각기 유사 녹색과 유사 적색을 소프트웨어를 이용하여 첨가하여 가시광선 영상과 혼합한 혼합영상이다.
이와 같이, 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템은 실시간으로 이러한 다중 적외선 혼합영상의 제공이 가능하다.
도 1은 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템의 전체 구성을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템에서 영상의 흐름을 나타낸 정면도,
도 3은 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템을 이용한 실험예로서, 근적외선 양자점 시료1과 시료2의 발광 스펙트럼을 도시한 그래프,
도 4는 도 3의 시료1과 시료2를 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템을 이용하여 촬영한 사진,
도 5는 도 3의 시료1과 시료2를 각각 다른 필터를 이용하여 본 발명의 다중 적외선 영상 시스템으로 촬영하고 소프트웨어를 이용하여 각각 유사 녹색과 유사 적색을 입힌 후 두 영상을 혼합한 사진.
<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광원 20 : 줌 렌즈
30 : 색선별 거울 40 : 필터 휠
50 : 가시광선 카메라 60 : 적외선 카메라
Claims (11)
- 조직에서 양자점의 형광 발광을 생성하기 위한 광원;조직에서 나오는 영상을 확대하거나 초점을 맞추기 위한 줌 렌즈;상기 줌 렌즈를 통과한 광의 가시광선 영역은 반사하고 적외선 영역은 투과하는 색선별 거울;상기 색선별 거울을 통해 반사된 가시광원 영역의 광을 전달받는 가시광선 카메라;상기 색선별 거울을 통해 투과된 적외선 영역의 광을 전달받는 적외선 카메라;상기 적외선 카메라 앞에 설치되어 적외선 영역의 광을 파장별로 다르게 투과시키는 필터 휠;상기 적외선 카메라를 통하여 적외선 파장 영역대로 수집된 영상과, 상기 가시광선 카메라를 통해서 가시광선 영역대로 수집된 영상을 통합하여 실시간으로 영상을 생성하는 데이터 프로세서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 광원으로는 할로겐 램프가 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 광원에서 나오는 광 중 특정 영역의 파장의 광만 통과시키는 필터가 상기 광원 앞에 장착되는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 줌 렌즈와, 색선별 거울과, 적외선 카메라는 동일한 광축 상에 설치되도록 수직구조로 설치되며, 상기 가시광선 카메라는 상기 색선별 거울의 측부에 상기 색선별 거울과 수평을 이루도록 설치되는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 필터 휠은 상기 적외선 카메라 앞에 다중화된 적외선 신호를 받아들이기 위한 복수개의 필터를 장착한 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상 시스템.
- 광원에서 광을 발사하여 조직 내 양자점의 형광 영상을 생성하는 단계;상기 형광 영상을 줌렌즈를 통하여 확대하거나 초점을 맞추는 단계;상기 줌렌즈를 통과한 광을 가시광선 영역과 적외선 영역으로 분리하도록 색선별 거울을 통해 가시광선 영역은 반사하고 적외선 영역은 투과하는 단계;상기 색선별 거울을 통해 반사된 가시광선 영역의 광을 가시광선 카메라에 전달하고, 상기 색선별 거울을 통해 투과된 적외선 영역의 광을 적외선 카메라에 전달하는 단계;상기 적외선 카메라를 통해 적외선 파장 영역대로 수집된 영상과 상기 가시광선 카메라를 통해 가시광선 파장 영역대로 수집된 영상을 통합하여 실시간으로 출력 영상을 생성하는 단계로 이루어지는 다중 적외선 영상화 방법.
- 제6항에 있어서,상기 광원으로는 할로겐 램프가 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상화 방법.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,상기 광원에서 나오는 광 중 특정 영역의 파장의 광만 통과시키는 필터가 상기 광원 앞에 장착되어 상기 광원에서 특정 영역의 파장의 광만 발사되는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상화 방법.
- 제8항에 있어서,700㎚ 이상의 장파장을 형광하는 양자점을 발광소자로 사용하고, 상기 광원에서 나오는 광 중 650㎚ 보다 짧은 파장의 빛만 통과하는 필터를 상기 광원 앞에 장착하여 조직 내 양자점의 형광 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상화 방법.
- 제6항에 있어서,상기 적외선 카메라 앞에는 복수개의 필터를 장착한 필터 휠이 설치되어 상기 색선별 거울을 통해 투과된 다중화된 적외선 신호를 받아들일 수 있는 것을 특징으로 하는 다중 적외선 영상화 방법.
- 조직 내 양자점으로 얻어진 형광 영상을 색선별 거울을 통해 가시광선 영역과 적외선 영역으로 분리하여 각각의 영상을 각각 가시광선 카메라와 적외선 카메라에 전달하고, 상기 가시광선 카메라를 통해 수집된 영상과 상기 적외선 카메라를 통해 수집된 영상을 통합하여 실시간으로 출력 영상을 생성하는 다중 적외선 영상화 방법.
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2008
- 2008-10-17 KR KR1020080101910A patent/KR100952853B1/ko not_active IP Right Cessation
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