KR101213540B1 - 멤스 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라 - Google Patents

멤스 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라 Download PDF

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이광현
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Abstract

본 발명은 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라에 관한 것으로, 복수개의 MEMS 마이크로폰(10)을 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 탑재하여 구성되고 감지된 음향에 관한 신호를 데이터수집부(40)로 송신하는 음향감지장치(30)와; 상기 음향감지장치(30)와 연결되고, 상기 음향감지장치(30)로부터 송신된 음향에 관한 아날로그 신호를 샘플링하하여 음향에 관한 디지털신호로 변환하고 이를 중앙처리부(40)로 송신하는 데이터수집부(40)와; 상기 데이터수집부(40)와 연결되고, 상기 데이터 수집부(40)로부터 송신된 음향에 관한 디지털신호를 기초로 각 MEMS 마이크로폰(10)과 관련된 소음레벨을 계산하는 중앙처리부(50)와; 상기 중앙처리부(50)와 연결되고, 상기 중앙처리부(50)에서 계산된 각 MEMS 마이크로폰(10)과 관련된 소음레벨을 색상으로 디스플레이하는 디스플레이부(60);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라에 관한 것이다.

Description

멤스 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라 { Acoustic senseing device and acoustic camera using MEMS microphone array }
본 발명은 MEMS(microelectromechanical systems) 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라에 관한 것이다.
음향카메라는 소리를 시각화하는 첨단계측장비로, 멀티미디어 정보 통신기기, 가전, 자동차, 건설 등 다양한 분야에서 필요로 하는 신기술 장비이다. 본 발명의 출원인인 (주)에스엠인트루먼트와 한국과학기술원은 기존 구형 측정용 마이크폰을 이용한 음향카메라 분야에 선도 기술을 확보하고 상용제품을 출시한 업체임을 밝힌다.
등록특허 10-051120(출원인 : 한국과학기술원)는 음향 홀로그래피를 이용한 개별 음원의 음장 분리 방법은 음향 홀로그래피(Acoustic Holography)를 이용한 음원의 음장 분리 방법에 있어서, 홀로그램면에서 다수의 점에서의 음압을 측정하고 상기 각 점에서의 음압값의 자기 스펙트럼과 서로 다른 점들 사이의 상호 스펙트럼으로 구성된 홀로그램면 스펙트럴 행렬을 구하는 제1단계와, 상기 홀로그램면 스펙트럴 행렬을 음향 홀로그래피 방법에 적용하여 음원면에서 각 점에서의 음압값의 자기 스펙트럼과 서로 다른 점들 사이의 상호 스펙트럼으로 구성된 음원면 스펙트럴 행렬을 계산하는 제2단계와, 상기 음원면 스펙트럴 행렬 중 음압값의 자기 스펙트럼이 최대값인 위치를 음원의 위치로 결정하고, 상기 결정된 음원의 기여량을 계산하는 제3단계와, 상기 음원면 스펙트럴 행렬에서 상기 결정된 음원의 기여량을 제거한 나머지 스펙트럴 행렬이 존재하면, 상기 나머지 스펙트럴 행렬을 새로운 음원면 스펙트럴 행렬로 갱신하고 상기 제3단계부터 반복 수행하는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 하는 음향 홀로그래피를 이용한 개별 음원의 음장 분리 방법을 게시한다.
등록특허10-0217872(출원인 : 한국과학기술원) 이동음원의 홀로그램을 측정하여 음향특성을 영상화하는 시스템 및 방법은 주변의 공간에 에너지를 방사하는 음원의 임의의 파장(λ)을 갖는 임의의 음향특성에 대해 상기 음원과 함께 이동하는 임의의 홀로그램면(22)에서의 홀로그램을 얻은 후에 그러한 홀로그램을 이용하여 음장 내에서의 음향특성예측치를 연산하는 음향특성의 영상화 시스템에 있어서, 상기 음원이 상기 공간속에서 이동하는 방향과 속도를 측정하는 음원이동측정수단(11, 12)과, 상기 공간속에서 이동하면서 그러한 이동방향과 직각을 이루는 방향으로 상기 음향특성의 파장(λ)의 절반(λ/2)보다 작은 간격을 두고 직렬로 배치된 다수의 위치들에서 상기 음원으로부터 방사되는 에너지를 수용해서 상기 에너지를 나타내는 신호들을 발생시키는 수용수단(13)과, 상기 수용수단(13)의 이동방향 및 이동속도와 상기 수용수단(13)으로부터 발생되는 상기 신호 및 상기 음원이동측정수단(11, 12)으로부터 입력되는 상기 음원의 이동방향 및 이동속도를 포함하는 다수의 입력신호들을 단일의 출력선로를 통해 다중출력하는 다중송신수단(14)과, 상기 다중송신수단(14)으로부터 출력된 상기 홀로그램면(22)에서의 측정음향특성치로부터 음장내의 음향특성예측치를 연산하는 연산수단(15)을 포함하고, 상기 연산수단(15)은 상기 공간속에서 상기 음원이동측정수단(11, 12)에 의해 측정된 상기 음원의 이동속도 및 이동방향과 일치되게 이동하는 홀로그램좌표계 및 상기 공간속에서의 상기 수용수단(13)의 이동속도 및 이동방향과 일치되게 이동하는 수용좌표계를 포함하는 상대좌표계를 정하며, 상기 수용좌표계에서의 좌표값으로 출력되는 상기 다중송신수단(14)으로 부터의 상기 수용수단(13)에 관한 정보를 아래의 수학식 1에 따라 시간에 대해 푸리에변환(Fourier transform)함으로써 음장 내에서의 음향특성예측치를 연산하는 것을 특징으로 하는 음향특성의 영상화 시스템을 게시한다.
등록특허 10-0838239(특허권자 : (주)에스엠인스트루먼트)는 음원에서 발생하는 음향을 감지하는 음향 감지부; 상기 음원이 위치하는 배경을 촬영하는 배경 촬영부; 상기 음향 감지부에서 감지된 음향 신호에 대하여 푸리에 변환, 빔포밍, 역 푸리에 변환을 차례로 행하여 상기 음원이 위치하는 음원면에서의 음향 신호이고, 시간 신호인 음원 신호를 생성하는 음원 신호 생성부; 상기 음원 신호에 대하여, 1/3 옥타브 대역 분석 처리, 라우드니스 가중치 적용 처리, 소정의 라우드니스 인덱스에서 라우드니스 인덱스를 결정하여 전체 라우드니스를 계산하는 처리를 차례로 행하여, 상기 음원면에서의 음질 데이터를 정량적 인자인 라우드니스로서 생성하는 음질 데이터 생성부; 및 상기 배경 촬영부에서 촬영된 배경의 화상 데이터와 상기 음질 데이터를 오버레이하여 생성한 음질 화상 데이터를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 음질 표시 장치를 제시한다.
10-2009-0047507 (출원인 : (주)에스엠인스트루먼트)이동 소음원 가시화 장치 및 가시화 방법은 등 가속으로 이동하는 소음원의 가속도를 측정하기 위하여 동일 광축선 상에 서로 마주보도록 위치되어 상기 소음원이 광축선을 통과하는 것에 의한 광량의 변화를 검출하여 상기 소음원이 상기 광축선을 통과할 때의 시간신호를 발생시키는 적어도 두 쌍 이상의 포토 센서부; 상기 소음원으로부터의 소음을 감지하여 음압신호를 발생시키는 마이크로폰 어레이 센서부; 상기 포토 센서부 및 상기 마이크로폰 어레이 센서부에 연결되어 상기 시간신호 및 상기 음압신호를 수집하는 데이터 수집부; 및 상기 데이터 수집부에 연결되어, 상기 데이터 수집부로부터 상기 시간신호 및 상기 음압신호를 전달받아, 상기 소음원의 소정 부위의 측면에 가상 음원 평면을 설정하고, 상기 가상 음원 평면의 각 그리드에서의 음압신호를 빔 형성 기법을 이용하여 상기 음압신호에 대응되는 빔파워레벨로 산출하고, 상기 빔파워레벨을 상기 소음원의 이미지 상에 매핑시켜 모니터로 출력하는 중앙처리부;를 포함하는 이동 소음원 가시화 장치를 게시한다.
일반적으로 MEMS(microelectromechanical system) 기반의 정전용량형 마이크로폰(capacitive microphone based on MEMS, 이하에서는 간단히 "MEMS 마이크로폰"이라고 한다)은 종래의 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(electret condenser micophone, 이하 ECM)이 가지는 근본적인 한계를 뛰어넘는 장점을 가진다. MEMS 마이크로폰에서 기계적 또는 전기적 반응을 하는 진동판은 폴리 실리콘 또는 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등의 유전체로 이루어지는데 이는 -40℃에서 +120℃의 온도에서도 신뢰성을 가지며 습도 및 복잡한 온도 변동에도 신뢰성을 갖는다. 또한 실리콘 기판을 사용하는 MEMS 마이크로폰의 경우 260℃가 넘는 무연 표면 실장 온도에서도 견딘다. 이와 같이 높은 신뢰성을 갖고 표면 실장이 가능하다는 점은 기존의 ECM을 능가하는 점이 된다. ECM은 캔(can) 형태의 패키지만 가능하지만 MEMS 마이크로폰은 사용자의 요구에 따라 패키지가 가능한데 이는 현재 소형화, 집적화 되고 있는 마이크로폰의 응용분야에 적합하다. MEMS 마이크로폰은 진동판과 기준판 사이에 일정한 DC(Direct Current) 바이어스 전압을 인가한 상태에서 들어오는 음압에 따른 정전용량의 변화를 감지하게 된다. MEMS 마이크로폰이 대부분의 소형 ECM 보다 더 작게 제조될 수 있으며 기계적 진동이나 온도변화, 전자기장 간섭에 덜 민감하다. 이러한 유리한 특성으로 보청기나 전자 청진기뿐만 아니라 휴대폰, 그리고 노트북 컴퓨터, 캠코더, 디지털 카메라 등 음성 입력이 있는 기기에서 사용이 증가되고 있다.
전술한 바와 같이, 마이크로폰 어레이 빔포머 (Microphone Array Beamformer)는 소음원 위치규명 방법의 하나로, 다수의 마이크로폰 센서를 이용하여 소음원에서 발생하는 음파를 측정하고 이에 대한 신호처리를 통하여 소음원의 분포를 사진처럼 가시화 하는 방법이다. 각 마이크로폰에서 수신되는 신호의 특성에 따라 특정 발신위치에서 발생한 신호로 재구성하여 이의 음압크기를 측정하고, 측정된 음압레벨을 공간상의 분포로 도시하여 소음원의 위치를 추정하는 방식을 사용한다. 음향카메라의 측정 기법은 특수 분야의 연구목적으로 개발이 되어졌으나, 소음원의 분포를 직관적으로 확인할 수 있는 장점에 따라 산업 각 분야의 연구/개발단계에서의 활용으로 확대 적용되고 있다. 도 4는 해외연구에서의 마이크로폰 어레이 측정사례를 나타내고 있다. 소음측정환경에서의 시험체의 사진과 함께 도시한 소음원 분포도에서 적색으로 표시된 부분이 강한 소음을 나타내는 부분으로 이러한 그래프를 통하여 사용자는 직관적으로 어디에서 소음이 발생하고 있는지를 파악할 수 있다.
종래의 기존 제품은 고가의 측정용 마이크로폰을 최소 30여개 이상 사용하고 이에 따른 고가의 데이터 측정 장비를 사용하므로 구조적으로 복잡하며 가격이 매우 높음. 대당 약 1억여원에 가격대가 형성되어 있다. 도 5는 종래의 시스템을 보인다.
본 발명은 휴대폰 등에 사용을 목적으로 기존의 마이크로폰을 전자 칩형태로 제작한 MEMS 마이크로폰을 이용한 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 MEMS 마이크로폰을 이용하여 기존의 음향카메라를 혁신적으로 개선하고자 하는 것이며, MEMS 마이크로폰의 PCB (Print Circuit Board) 형태로 제작하여 사용하므로써 제작 기간 및 제작 비용을 혁신적으로 개선할 수 있는 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라를 제공하기 위한 것이다.
또한, PCB를 이용하여 전/후방음을 차단하므로써 반사파 제거 성능도 일부 향상할 수 있으며, 음향카메라를 기존의 고가의 측정장비 성격에서 보급형 계측장비로 바꿔 접근하여 새로운 시장을 창출할 수 있는 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 음향감지장치는 복수개의 MEMS 마이크로폰(10)을 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 탑재하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라는,
복수개의 MEMS 마이크로폰(10)을 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 탑재하여 구성되고 감지된 음향에 관한 신호를 데이터수집부(40)로 송신하는 음향감지장치(30)와;
상기 음향감지장치(30)와 연결되고, 상기 음향감지장치(30)로부터 송신된 음향에 관한 아날로그 신호를 샘플링하여 음향에 관한 디지털신호로 변환하고 이를 중앙처리부(40)로 송신하는 데이터수집부(40)와;
상기 데이터수집부(40)와 연결되고, 상기 데이터 수집부(40)로부터 송신된 음향에 관한 디지털신호를 기초로 소음레벨을 계산하는 중앙처리부(50)와;
상기 중앙처리부(50)와 연결되고, 상기 중앙처리부(50)에서 계산된 소음레벨을 색상으로 디스플레이하는 디스플레이부(60);
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 적용된 MEMS 마이크로폰은 전자칩 (Electronic Chip) 형태의 마이크로폰으로 다수 (30개이상)의 마이크로폰을 필요로 하는 음향카메라의 상품성을 높여주는 획기적인 부품이다. MEMS 마이크로폰을 이용할 경우 음향카메라를 경량화하여 양산할 수 있으므로 세계적으로 경쟁력 있는 계측기를 확보할 수 있게 된다.
본 발명에 따르는 경우 휴대폰 등에 사용을 목적으로 기존의 마이크로폰을 전자 칩형태로 제작한 MEMS 마이크로폰을 이용한 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라가 제공된다.
또한, 본 발명은 MEMS 마이크로폰을 이용하여 기존의 음향카메라를 혁신적으로 개선하고자 하는 것이며, MEMS 마이크로폰의 PCB (Print Circuit Board) 형태로 제작하여 사용하므로써 제작 기간 및 제작 비용을 혁신적으로 개선할 수 있는 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라가 제공된다.
또한, PCB를 이용하여 전/후방음을 차단하므로써 반사파 제거 성능도 일부 향상할 수 있으며, 음향카메라를 기존의 고가의 측정장비 성격에서 보급형 계측장비로 바꿔 접근하여 새로운 시장을 창출할 수 있는 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 구성도.
도 2는 본 발명의 일시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라 구성도.
도 3은 본 발명의 일시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라를 이용하여 취득된 하나의 음향 영상을 보이는 사진.
도 4는 해외연구에서의 마이크로폰 어레이 측정사례를 나타내고 있다.
도 5는 고가의 측정용 마이크로폰을 이용한 종래 시스템.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 및 음향카메라에 대하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치 구성도, 도 2는 본 발명의 일시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라를 이용하여 취득된 하나의 음향 영상을 보이는 사진이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치는 복수개의 MEMS 마이크로폰(10)을 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 탑재하여 구성된다. 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에는 회로가 내재되어 있다.회로에는 예를들어, 전원을 공급하는 전원공급회로나 감지된 음향신호로부터 생성된 전기적 신호를 송출하는 출력회로를 포함할 것이다.
출력회로를 통하여 출력된 음향에 관한 전기적 신호를 결과적으로 데이터수집부(40)로 송출되고 중간에 신호증폭기를 통과하면서 전기적 신호의 크기가 증폭될 수 있다. 신호증폭기는 별도로 음향감지 장치(30)와 별도로 구비될 수도 있지만 MEMS 마이크로폰(10)가 탑재된 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 신호증폭회로가 일체로 형성될 수도 있다.
본 발명에 있어서, MEMS 마이크로폰은 휴대폰 등에 사용을 목적으로 기존의 마이크로폰을 전자 칩형태로 제작한 것으로서 본 발명의 출원시에 사용화된 통상의 MEMS 마이크로폰(예를들어, 커패시터형 실리콘 MEMS 마이크로폰, 정전용량형 마이크로폰)을 모두 포함하는 개념이다. 현재, 휴대폰 기술이 발전됨에 따라 그 성능이 비약적으로 발전되어 측정용 마이크로폰에 버금가는 성능을 보이고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치에 있어서, MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 확장되는 2 ~ 10개의 날개부를 가지며, 하나의 날개부에는 2~10개의 MEMS 마이크로폰(10)이 배열될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치에 있어서, 하나의 날개부에 배열되는 MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 직선으로 배열(미도시)되거나, 혹은 도 1에 도시된 바와 같이, 반경방향 갈수록 일회전방향으로 구부러지는 나선(spiral) 형상으로 배열될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지 장치는 음향감지장치(30)와 데이터수집부(40)와 중앙처리부(50)와 디스플레이부(60)를 포함하여 구성된다.
도 2에 도시된 음향감지장치(30)는 복수개의 MEMS 마이크로폰(10)을 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 탑재하여 구성되고 감지된 음향에 관한 신호를 데이터수집부(40)로 송신한다.
도 2에 도시된 데이터수집부(40)는, 음향감지장치(30)와 연결되고, 상기 음향감지장치(30)로부터 송신된 음향에 관한 아날로그 신호를 샘플링하여 음향에 관한 디지털신호로 변환하고 이를 중앙처리부(40)로 송신한다.
중앙처리부(50)는, 데이터수집부(40)와 연결되고, 상기 데이터 수집부(40)로부터 송신된 음향에 관한 디지털신호를 기초로 각 MEMS 마이크로폰(10)과 관련된 소음레벨을 계산한다.
디스플레이부(60)는 중앙처리부(50)와 연결되고, 상기 중앙처리부(50)에서 계산된 각 MEMS 마이크로폰(10)과 관련된 소음레벨을 색상으로 디스플레이한다. 디스플레이부(60)는 통상의 모니터 일 수 있다.
전술한 바와 같이, MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 확장되는 2 ~ 10개의 날개부를 가지며, 하나의 날개부에는 2~10개의 MEMS 마이크로폰(10)이 배열되고, 하나의 날개부에 배열되는 MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 직선으로 배열되거나, 혹은 반경방향 가면서 일회전방향으로 구부러지는 나선(spiral) 형상으로 배열되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.
아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.
10 : MEMS 마이크로폰
20 ; 인쇄회로기판
30 : 음향감지장치
40 : 데이터수집부
50 : 중앙처리부
60 : 디스플레이부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 복수개의 MEMS 마이크로폰(10)을 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 탑재하여 구성되되,

    상기 MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 확장되는 2 ~ 10개의 날개부를 가지며,
    하나의 날개부에는 2~10개의 MEMS 마이크로폰(10)이 배열되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나의 날개부에 배열되는 MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 직선으로 배열되거나, 혹은 반경방향 갈수록 일회전방향으로 구부러지는 나선(spiral) 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰 어레이를 이용한 음향감지장치.
  4. 삭제
  5. 복수개의 MEMS 마이크로폰(10)을 인쇄회로기판(Print Circuit Board, 20)에 탑재하여 구성되고 감지된 음향에 관한 신호를 데이터수집부(40)로 송신하는 음향감지장치(30)와;
    상기 음향감지장치(30)와 연결되고, 상기 음향감지장치(30)로부터 송신된 음향에 관한 아날로그 신호를 샘플링하여 음향에 관한 디지털신호로 변환하고 이를 중앙처리부(40)로 송신하는 데이터수집부(40)와;
    상기 데이터수집부(40)와 연결되고, 상기 데이터 수집부(40)로부터 송신된 음향에 관한 디지털신호를 기초로 소음레벨을 계산하는 중앙처리부(50)와;
    상기 중앙처리부(50)와 연결되고, 상기 중앙처리부(50)에서 계산된 소음레벨을 색상으로 디스플레이하는 디스플레이부(60);
    를 포함하여 구성되되,

    상기 MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 확장되는 2 ~ 10개의 날개부를 가지며,
    하나의 날개부에는 2~10개의 MEMS 마이크로폰(10)이 배열되고,
    상기 하나의 날개부에 배열되는 MEMS 마이크로폰(10)은 반경방향으로 직선으로 배열되거나, 혹은 반경방향 가면서 일회전방향으로 구부러지는 나선(spiral) 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰 어레이를 이용한 음향카메라.
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