KR101089495B1 - 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 이를 이용한 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법 - Google Patents

마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 이를 이용한 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 이를 이용한 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법에 관한 것으로, 특히 Bi4(SiO4)3 세라믹스에 소결조제로 B2O3를 첨가함으로써 900℃ 이하의 저온에서 소결이 가능하며, 우수한 마이크로파 유전특성을 가지면서 동시에 저온으로 내부 도체 전극과 동시소결이 가능하여 고주파 소자의 적층화에 매우 적합한 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유전체 세라믹스, 저온 소결, 동시소결, 적층 세라믹 콘덴서

Description

마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 이를 이용한 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법{MICROWAVE DIELECTRIC CERAMICS COMPOSITION AND METHOD FOR FABRICATING MICROWAVE DIELECTRIC CERAMICS USING THE SAME}
본 발명은 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 이를 이용한 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법에 관한 것으로, 특히 Bi4(SiO4)3 세라믹스에 소결조제로 B2O3를 첨가하여 제조한 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 정보통신 관련 분야가 급속한 성장을 하였다. 특히, 무선 정보통신 분야에서 문자 및 음성의 제한된 데이터만 사용하던 시대에서 대용량 데이터를 고속으로 송, 수신하는 시대로 급속하게 변화하고 있다. 즉, 동화상도 실시간으로 전송을 해야 하는 등 정보량이 급속하게 증가하게 되었다. 따라서, 기존 30GHz 이하의 마이크로파 대역의 주파수 자원으로는 어쩔 수 없는 한계점에 이르게 되었다.
이에 대한 대안으로 밀리미터파(millimeter wave, ㎜ wave)를 통신에 사용하는 방법이 있다. 밀리미터파는 마이크로파(microwave)의 통신량을 훨씬 상회하는 초다중 통신이 가능하다. 그러나, 밀리미터파를 사용하면 공간전송에서 전송 손실이 많기 때문에 초고속의 통신을 사용하는 데는 해결해야 할 많은 문제점이 뒤따른다. 그럼에도 불구하고 파장이 짧아 회로, 부품 등의 소형화가 가능하기 때문에 각 나라에서 앞 다투어 개발을 하려고 노력하는 중이다.
특히, 이러한 소자를 제조하기 위한 기술로서는 유전체 세라믹스의 그린 시트(green sheet)에 도체로 되는 내부 전극의 패턴을 인쇄하여 적층한 후 이를 소결하는 기술 등이 개발되고 있다.
이때, 상기 적층형 소자에 사용되는 유전체 세라믹스는 상기 내부 도체와 동시에 소결되므로, 소자의 응용목적에 적합한 유전특성을 가져야 하는 것은 물론이고, 이에 더하여 상기 내부 도체가 녹지 않는 온도범위에서 소결이 가능해야 한다.
상기 적층형 소자에 사용되는 상기 내부 전극에는 일반적으로 Ag, Cu, Ni, Pd, Pt 및 이들의 합금이 사용되며, 이 중에서도 특히 Ag 전극은 가장 낮은 비저항(1.62 × 10-4Ω㎝)을 가지고 있어 소자의 손실을 최소화시킬 수 있다. 그러나, Ag의 융점은 961℃로서 소결온도가 이보다 훨씬 고온인 950℃ 이상인 유전체 세라믹스와는 사용할 수 없다.
따라서, 적층형 소자를 제작하기 위해서는 900℃ 이하의 소결온도를 갖는 저온소결용 고주파 유전체가 요구된다.
한편, Zn2SiO4, Al2O3, Mg4Nb2O9, Mg2SiO4, SmGa5O12 유전체는 기존에 잘 알려진 적층형 소자의 기판용 재료로서, 저유전율을 갖는 우수한 유전 특성을 가지고 있다. 하지만, 상기 유전체들은 소결온도가 1300℃ 이상의 고온으로 Ag 전극과 동시소결하기에는 부적합하다.
고집적회로를 위한 기판재료로 사용하기 위해서는 전도체와의 크로스 커플링(cross-coupling) 효과를 줄이고 신호 속도를 증가시키기 위해서 저유전율을 가져야하고, 사용하고자하는 주파수 대역을 선택적으로 감지하기 위해서 품질계수가 높아야 하며, 온도변화에 따른 공진주파수의 변화가 작아야 한다.
따라서, 저온 동시소결용 기판재료로 사용하기 위해서는 저유전율, 높은 품질계수, 안정된 공진주파수 온도계수의 특성을 갖아야 하고, 900℃ 이하에서 소결이 필요하지만, 아직까지 적합한 소재를 찾지 못하고 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 Bi4(SiO4)3 세라믹스 조성물을 제공함으로써, 900℃ 이하의 저온에서 소결이 가능한 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 우수한 마이크로파 유전특성을 가지면서 동시에 저온으로 내부 도체 전극과 동시소결이 가능한 저온 동시소결 세라믹스(Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC)로, 고주파 소자의 적층화에 매우 적합한 마이크로파 유전체 세라믹스를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 마이크로파 유전체 세라믹스가 적용된 그린 시트를 이용한 적층형 소자 및 적층 세라믹 콘덴서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물은 하기 [화학식 1]의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Bi4(SiO4)3
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 은 몰비를 기준으로 Bi4(SiO4)3 : B2O3 가 1:0.001 ~ 1:0.200로 혼합되어 있는 것을 특징으로 하고, 상기 조성물은 850 ~ 900℃의 온도에서 소결되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법은 몰비를 기준으로 Bi4(SiO4)3 : B2O3 가 1:0.001 ~ 1:0.200의 비율로 상기 Bi4(SiO4)3 및 B2O3 를 용매에 습식 혼합, 분쇄하여 혼합 분말을 제조하는 단계와, 상기 혼합 분말을 건조하는 단계 및 건조된 상기 혼합 분말을 성형하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 그린시트는 상기 마이크로파 유전체 세라믹스로 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로파 유전체 세라믹스는 900℃ 이하의 저온 소결 및 고상합성법으로 제조가 가능하고, 우수한 마이크로파 유전특성을 가지면서 동시에 내부 도체 전극과 동시소결이 가능하므로, 제조 효율을 향상시키고 제조 단가를 낮출 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스는 저온 동시소결 세라 믹스(Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC)로서 고주파 소자에 매우 적합한 효과를 제공한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물 및 이를 이용한 마이크로파 유전체 세라믹스 제조 방법에 대해 상세히 설명하는 것으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 Bi4(SiO4)3 세라믹스는 녹는점이 1050℃로 녹는점이 비교적 낮은 재료이다.
또한, Bi4(SiO4)3 세라믹스는 다른 저온 소결조제 없이 소성하여도 900℃이하의 낮은 온도로 소성이 가능하다.
이와 같이 저온 소결조제 없이 소성이 가능하게 되면 유전 특성의 저하가 발 생하지 않기 때문에 Bi4(SiO4)3 세라믹스는 저온 동시소결 세라믹스(Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC)로서 최적의 물질이 된다.
아울러, Bi4(SiO4)3 세라믹스는 저온 소결조제를 미량 첨가하여도 유전 특성의 변화가 없다. 이에 따라 본 발명에서는 저온소결을 시키고, 우수한 마이크로파 유전특성을 갖는 마이크로파 유전체 세라믹스 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물은 Bi4(SiO4)3 세라믹스 단독으로 사용될 수도 있으며, 몰비를 기준으로 Bi4(SiO4)3 : B2O3 가 1:0.001 ~ 1:0.200의 비율로 혼합된 상태로 사용될 수도 있다.
다음으로, 상기와 같은 본 발명의 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물을 이용하여 고품질의 유전특성을 갖는 마이크로파 유전체 세라믹스를 제조할 수 있으며, 그 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.
여기서, Bi4(SiO4)3 분말은 고상합성법으로 제조 할 수 있다. 사용한 주원료는 99.9% 순도의 Bi2O3와 순도 99%이상의 SiO2를 사용하였다. 마이크로 저울을 사용하여 ± 0.1mg의 오차범위까지 칭량한 원료 분말을 지르코니아 볼을 이용하여 나일론 자(nylon jar)에서 24시간 동안 습식으로 혼합하였다. 다음에는, 혼합된 Bi4(SiO4)3 분말을 건조하고, 850℃에서 3시간 동안 하소 하였다.
아울러, 상기 소결조제는 순도 99.9%의 B2O3를 사용할 수 있으며, Bi4(SiO4)3 분말의 몰을 기준으로 각각 0.1 ~ 20% 에 해당되는 몰만큼 더 첨가되도록 하는 것이 바람직하다.
이때, B2O3의 첨가 몰이 0.1% 미만일 경우 시편이 소결되지 않아 시편의 유전특성을 측정할 수 없고, 20%를 초과하는 경우 소결중에 형성된 과량의 액상으로 인해서 유전특성이 저하될 수 있다.
그 다음으로, 소결하는 단계는 850 ~ 900℃에서 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 소결 온도가 850℃ 미만일 경우에는 시편의 치밀화가 진행되지 않아 정확한 유전특성을 측정 할 수 없고, 900℃를 초과할 경우에는 소결중에 형성된 과량의 액상으로 인해 유전 특성 저하뿐만 아니라 금속전극(Ag)과 동시소결에 적합하지 않다.
상기와 같이 제조한 본 발명의 마이크로파 유전체 세라믹스는 상대밀도(시편의 밀도/이론 밀도*100)가 88.4 ~ 98.8%이고, 유전율(εr)이 12 ~ 15.64이며, 품질계수(Q×f)는 18,907 ~ 37,471 GHz이고, 공진주파수 온도계수(τf)의 범위가 -9.42 ~ -29.8ppm/℃로 우수한 마이크로파 유전특성을 갖는 동시에, 900℃ 이하의 저온에서 소결이 가능하여 저온 동시소결 세라믹스(Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC)로 고주파용 적층형 소자에 매우 적합하게 사용될 수 있다.
여기서, 유전율은 상대유전상수(relative dielectric constant, εr)에 진공의 유전율(ε0)을 곱한 값을 나타내는 것이나, 일반적으로 CGS 정전기 단위계에서는 진공의 유전율(ε0)을 1로 나타내고 있으므로, 본 발명에서는 유전율을'εr'로 표시하는 것으로 한다.
이하에서는 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나. 이들 실시예는 단지 설명을 목적으로 한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
본 실시예에서는 고상합성법을 이용한 세라믹스 공정에 따라 초기 원료인 순도 99% 이상의 Bi2O3, SiO2 분말을 Bi4(SiO4)3 의 조성비에 맞게 칭량한 후, 이를 증류수와 함께 혼합한 후, 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 1차 혼합, 분쇄하였다.
다음에는, 1차 건조 공정을 수행하여 증류수를 제거한 후, 850℃에서 3시간 동안 하소 공정을 수행하여 Bi4(SiO4)3 분말을 제조하였다.
이어서, 상기 제조된 Bi4(SiO4)3 단독 분말을 건조하고, 직경이 10㎜, 높이가 7㎜인 실린더형 성형체로 가압 성형 후, 900℃의 온도에서 이를 2시간, 5시간, 8시간, 12시간 동안 각각 소결하였다.
실시예 2
상술한 실시예 1에 따라 Bi4(SiO4)3 분말을 제조 후, 소결조제인 B2O3를 Bi4(SiO4)3 분말의 몰을 기준으로 0 ~ 20%의 비율에 해당되는 범위내에서 첨가한다. 이때, B2O3를 0 mol% 첨가한 경우(-■-), 1.0 mol% 첨가한 경우(-▲-), 3.0 mol% 첨가한 경우(-●-), 5.0 mol% 첨가한 경우(-▼-)로 나누어 제조하였다.
다음에는, 실시예 1과 마찬가지로 850℃에서 3시간 동안 하소 공정을 수행하여 Bi4(SiO4)3 분말을 제조하였다.
이어서, 상기 제조된 Bi4(SiO4)3 및 B2O3 의 혼합 분말을 건조하고, 직경이 10㎜, 높이가 7㎜인 실린더형 성형체로 가압 성형 후, 875℃의 온도에서 이를 0.5시간, 1.0시간, 1.5시간, 2.0시간 동안 각각 소결하였다.
이하에서는 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 본 발명의 마이크로파 유전체 세라믹스의 유전 특성에 대해 설명하는 것으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 마이크로파 유전체 세라믹스의 상 대밀도(a), 유전율(b), 품질계수(c), 공진 주파수의 온도계수(d)를 각각 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 900℃에서 소결하고, Bi4(SiO4)3 단독 분말을 사용하였을 때, 92.5 ~ 97.3%의 높은 상대밀도(시편의 밀도/이론 밀도*100)와 14 ~ 15.27의 낮은 유전율, -9.42 ~ -15.97의 안정된 공진주파수 온도계수, 30,813 ~ 36,101 GHz의 높은 품질계수 값을 나타내었다.
도 2는 본 발명의 실시예2에 따라 제조된 마이크로파 유전체 세라믹스의 상대밀도(a), 유전율(b), 품질계수(c), 공진 주파수의 온도계수(d)를 각각 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 특히 875℃에서 소결하고, B2O3 를 Bi4(SiO4)3 분말 의 몰을 기준으로 1.0 mol%, 3.0 mol%, 5.0 mol%에 해당되는 몰 만큼 첨가한 경우를 나타낸 것이다. 상기 모든 경우에서 상기 실시예 1 및 도 1에 의한 결과(0 mol%. -■-)보다 높게 나타나는 것으로 보아 B2O3 의 첨가가 유전체 세라믹스를 안정화시키고, 그 특성을 더욱더 향상시킴을 알 수 있다.
이상에 기술한 바와 같이 도 2에 따르면 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물은 상대밀도 88.4 ~ 98.8%, 유전율(εr) 12 ~ 15.64, 품질계수(Q× f) 18,907 ~ 37,471 GHz, 공진주파수 온도계수(τf) -11.41 ~ -29.8 ppm/℃로 우수한 마이크로파 유전특성을 갖는 것으로 나타났다.
여기서, 상기와 같은 본 발명의 우수한 유전특성을 증명하기 위하여 종래 기술에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스와 비교하여 보면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
하기 표 1은 본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 및 종래 기술에 따른 유전체 세라믹스의 마이크로파 유전 특성을 비교한 표이다.
실시예 3
상기 실시예 2에서 B2O3 를 Bi4(SiO4)3 분말의 몰을 기준으로 3%에 해당되는 몰 만큼 첨가하고, 875℃에서 1시간 소결하였다.
비교예 1
Mg2Al4Si5O18 분말의 중량%을 기준으로 B2O3 및 P2O5를 7.5중량%씩 각각 첨가하고, 860℃에서 2시간 소결하였다.
비교예 2
Mg2P2O 분말을 1150℃ 2시간에서 소결하였다.
[표 1]
구분 유전체
세라믹스		 소결조건 유전율
(εr)		 품질계수
(Qxf, GHz)		 온도계수
(τf, ppm/℃)
실시예3 Bi4(SiO4)3
+B2O3 		875℃/1h 15.6 36,281 -22
비교예1 Mg2Al4Si5O18
+B2O3, P2O5 		860℃/2h 5.8 3,000 -15
비교예2 α-Mg2P2O7 1150℃/2h 6.1 38,180 -746
상기 표 1에서 본 발명에 따른 실시예3 및 비교예1 을 비교하면 비교예1이 더 낮은 소성 조건을 가지고 있지만, 품질계수 값이 본 발명의 실시예3보다 낮은 값을 나타내고 있다. 따라서, 실시예3이 비교예1 보다 더 우수한 유전 특성을 가짐을 알 수 있다.
아울러, 실시예3 및 비교예2를 비교하면 품질계수 특성이 비슷한 값을 가지고 있지만, 비교예2의 경우 저온 동시소결 세라믹스(Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC)에 적합하지 않은 저온 소결 조건을 가지고 있지 못하기 때문에 실시예3이 비교예2 보다 더 우수한 재료임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물은 저온 소결용 기판재료용으로서 우수한 마이크로파 유전특성을 가짐을 알 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물을 이용하고 상술한 실시예에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 제조 방법으로 시트 형상으로 형성하여 그 린 시트(Green Sheet)를 제조 할 수 있다.
다음에는, 상기 그린 시트 상부에 인쇄회로 패턴을 형성한 후, 인쇄 회로 패턴이 형성된 복수 개의 그린 시트를 순차적으로 쌓아서 적층형 소자를 형성한다. 여기서, 세라믹 콘덴서 같은 제품을 예로 들면 적층된 그린 시트들을 고정시키고, 외부 보호를 위하여 유전체 세라믹스 조성물을 겉에 싸고 다시 소결하는 공정을 수행하게 되는데, 이때 회로 패턴들을 보호하기 위해서는 저온 동시소결이 필요하므로, 본 발명에 따른 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물을 이용하면, 용이하게 우수한 유전 특성을 갖는 적층형 소자를 제조할 수 있게 되는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 마이크로파 유전체 세라믹스의 상대밀도(a), 유전율(b), 품질계수(c), 공진 주파수의 온도계수(d)를 각각 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예2에 따라 제조된 마이크로파 유전체 세라믹스의 상대밀도(a), 유전율(b), 품질계수(c), 공진 주파수의 온도계수(d)를 각각 나타낸 그래프.

Claims (14)

  1. 하기 [화학식 1]의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물.
    [화학식 1]
    Bi4(SiO4)3
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물은 B2O3 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 B2O3 는
    몰비를 기준으로 상기 Bi4(SiO4)3 의 0.1 ~ 20%로 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물.
  4. 몰비를 기준으로 Bi4(SiO4)3 : B2O3 가 1:0.001 ~ 1:0.200로 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조성물은 850 ~ 900℃의 온도에서 소결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 조성물.
  6. 몰비를 기준으로 Bi4(SiO4)3 : B2O3 가 1:0.001 ~ 1:0.200의 비율로 상기 Bi4(SiO4)3 및 B2O3 를 용매에 습식 혼합, 분쇄하여 혼합 분말을 제조하는 단계;
    상기 혼합 분말을 건조하는 단계; 및
    건조된 상기 혼합 분말을 성형하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 Bi4(SiO4)3 은 순도 99% 이상의 Bi2O3 및 SiO2를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 소결하는 단계의 온도는 850 ~ 900℃인 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스 제조방법.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 선택된 어느 한 항의 방법으로 제조된 마이크로파 유전체 세라믹스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로파 유전체 세라믹스의 상대밀도는 88.4 ~ 98.8%인 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로파 유전체 세라믹스의 유전율(εr)은 12 ~ 15.64인 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로파 유전체 세라믹스의 품질계수(Q× f)는 18,907 ~ 37,471 GHz인 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로파 유전체 세라믹스의 공진주파수 온도계수(τf)는 -9.42 ~ -29.8ppm/℃인 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전체 세라믹스.
  14. 제 9 항에 기재된 마이크로파 유전체 세라믹스를 포함하는 것을 특징으로 하는 그린시트.
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논문3

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