KR101792578B1 - 변형된 형태의 리드 필름을 포함하는 전지셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 리드가 전기적으로 연결되어 있는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장된 상태로 전지케이스의 외주면이 열융착 실링되어 있고,
상기 전극조립체의 전극 리드는 양면에 리드 필름이 부착된 상태로 전지케이스의 수납부로부터 외주면 실링부를 경유하여 전지케이스 외부로 돌출되어 있으며,
상기 전지케이스의 외주면 실링부에서 수납부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 하단부는 전지케이스의 외주면 실링부에서 외부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 상단부와 비교하여 상대적으로 좌우 폭이 좁아지는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공하여 전지셀의 제조 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.

Description

변형된 형태의 리드 필름을 포함하는 전지셀 {Battery Cell Having modified Lead Film}
본 발명은 변형된 형태의 리드 필름을 포함하는 전지셀에 관한 것으로, 상세하게는 전지케이스의 외주면 실링부에서 수납부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 하단부는 전지케이스의 외주면 실링부에서 외부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 상단부와 비교하여 상대적으로 좌우 폭이 좁아지는 부분을 포함하여 제조 공정의 효율성이 향상되고 우수한 디자인을 구현한 전지셀에 관한 것이다.
다양한 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 전압을 가지고, 사이클 수명이 길며, 자기방전율이 낮은 리튬 이차전지가 상용화되어 널리 사용되고 있다.
특히, 리튬 이차전지의 경우, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV)의 동력원으로서의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있다.
도 1 및 2에는 종래 리튜 이차 전지의 일반적인 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 리튬이온 폴리머 전지(10)는, 파우치형의 전지케이스(20) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(30)가 내장되어 있고, 그것의 양극 및 음극 탭들(31, 32)이 두개의 전극리드(40, 41)에 용접되어 전지케이스(20)의 외부로 노출되도록 실링(밀봉)되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지케이스(20)는 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 연포장재로 되어 있으며, 전극조립체(30)를 수납할 수 있는 오목한 형상의 수납부(23)를 포함하는 케이스 본체(21)와 그러한 본체(21)에 일측이 연결되어 있는 덮개(22)로
이루어져 있다. 스택형 전극조립체(30)는 다수의 양극 탭들(31)과 다수의 음극 탭들(32)이 전극리드(40, 41)에 각각 용접되어 있다.
이러한 폴리머 전지(10)는 수납부(23)에 전극조립체(30)를 장착한 후 덮개(22)를 덮고 본체(21)과의 접촉 부위를 열융착시켜 제조된다.
또한, 전지케이스(20)와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 전극리드(40, 41)와 전지케이스(20)의 외주면 실링부(24) 사이에는 리드 필름(50, 51)을 전지 외부로 돌출시켜 부착하나, 전지 케이스 외주부의 실링 과정에서 발생하는 복사/전도열로 인하여 수납부(23)에 위치하는 리드 필름의 하단부가 말리거나 휘는 현상이 발생하여 전지 케이스에 덴트(dent)가 유발되는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여 별도의 기구를 세팅하여 공정을 변경하거나, 재료를 변경해야 되므로 상당한 시간 및 노력이 소요되어 경제성이 떨어지고, 또한, 상기와 같은 작업을 하더라도 전지 케이스에 형성된 덴트가 완전히 없어지지 않는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해소하면서 안전성을 확보할 수 있는 전지셀에 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전지케이스의 외주면 실링부에서 수납부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 하단부는 전지케이스의 외주면 실링부에서 외부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 상단부와 비교하여 상대적으로 좌우 폭이 좁아지는 부분을 포함하여, 리드 필름의 하단부가 말리거나 휘는 현상을 방지하여 전지셀 제조 공정의 효율성을 높이는 동시에 우수한 디자인을 구현하는 전지셀을 제공하는 데 있다.
따라서, 본 발명은 전극 리드가 전기적으로 연결되어 있는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장된 상태로 전지케이스의 외주면이 열융착 실링되어 있고,
상기 전극조립체의 전극 리드는 양면에 리드 필름이 부착된 상태로 전지케이스의 수납부로부터 외주면 실링부를 경유하여 전지케이스 외부로 돌출되어 있으며,
상기 전지케이스의 외주면 실링부에서 수납부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 하단부는 전지케이스의 외주면 실링부에서 외부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 상단부와 비교하여 상대적으로 좌우 폭이 좁아지는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀을 제공한다.
본 발명은 전지케이스의 수납부에 위치하는 리드 필름의 하단부를 변형함으로써 외주부의 실링 과정에서 발생하는 복사/전도열로 인하여 리드 필름의 하단부가 말리거나 휘는 현상을 최소화하여 전지 케이스에 덴트(dent)가 유발되는 현상을 방지할 수 있다.
하나의 예로, 전지케이스의 외주면 실링부에서 수납부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭은 전지케이스의 외주면 실링부에서 외부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 상단 모서리의 좌우 폭과 비교하여 상대적으로 작을 수 있다.
구체적으로, 상기 리드 필름 하단부의 좌우 폭이 좁은 부분은 리드 필름의 하단 모서리에서 전지케이스의 외주면 실링부를 향하여 연속적으로 형성되어 있을 수 있고, 리드 필름의 하단부에는 좌우 폭 방향을 기준으로 단차가 형성되어 있을 수 있다.
즉, 리드 필름은 평면상으로 T자 형상일 수 있다.
기 리드 필름의 상하 폭은 전극 리드의 전체 상하 폭 대비 10% 내지 70%일 수 있고, 상세하게는 30% 내지 50%일 수 있다.
리드 필름의 상하 폭이 전극 리드의 전체 상하 폭 대비 10% 미만일 경우, 전지케이스와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 어렵고, 리드 필름의 상하 폭이 전극 리드의 전체 상하 폭 대비 70%를 초과할 경우, 전지 케이스 외부 방향으로 돌출되어 있는 전극 리드의 대부분에 면적에 절연성의 리드 필름이 부착될 수 있어 전지셀의 전기화학적 성능을 발휘함에 있어 장애가 발생할 수 있다.
또한, 상기 리드 필름의 상하 폭은 외주면 실링부의 폭 대비 120% 이상 내지 220% 이하일 수 있고, 상세하게는 140% 내지 200%일 수 있다.
리드 필름의 상하 폭이 외주면 실링부의 폭 대비 120% 미만일 경우, 전지케이스와의 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 어렵고, 리드 필름의 상하 폭이 외주면 실링부의 폭 대비 220% 초과할 경우 전지 케이스 외부 방향으로 돌출되어 있는 전극 리드의 대부분에 면적에 절연성의 리드 필름이 부착될 수 있어 전지셀의 전기화학적 성능을 발휘함에 있어 장애가 발생할 수 있다.
상기 리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭은 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 100% 초과 내지 160% 이하일 수 있고, 상세하게는 110% 이상 내지 140% 이하일 수 있다.
리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭이 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 100% 이하일 경우, 전극 리드에 대한 전기적 절연상태를 충분히 확보하기 어려워 안전성에 문제가 발생할 수 있으며 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 160% 초과할 경우, 리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭이 지나치게 넓어지므로 본 발명이 의도한 효과를 충분히 발휘할 수 없어 바람직하지 않다.
상기 리드 필름의 상단 모서리의 좌우 폭은 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 160% 초과 내지 220% 이하일 수 있고, 상세하게는 160% 초과 내지 200% 이하일 수 있다.
리드 필름의 상단 모서리의 좌우 폭이 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 160% 이하이거나 200%를 초과할 경우, 전극 리드에 부착되지 않은 리드 필름 상단의 좌우 잉여부분이 지나치게 작아지거나 커지므로 전지셀의 상부에 보호회로 모듈(PCM)을 장착하는 과정에서 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 리드 필름의 하단부에서 상대적으로 좌우 폭이 좁은 부분의 상하 폭은 리드 필름의 하단부의 전체 상하 폭 대비 20% 내지 90%일 수 있고, 상세하게는, 40% 내지 70%일 수 있다.
리드 필름의 하단부에서 상대적으로 좌우 폭이 좁은 부분의 상하 폭은 리드 필름의 하단부의 전체 상하 폭 대비 20% 미만일 경우 본 발명이 의도하는 효과를 충분히 발휘할 수 없고, 리드 필름의 하단부에서 상대적으로 좌우 폭이 좁은 부분의 상하 폭은 리드 필름의 하단부의 전체 상하 폭 대비 90% 초과할 경우, 전지케이스와의 밀봉도를 높이는데 있어 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 전지셀은 리드 필름의 상단부과 비교하여 하단부에서 상대적으로 좌우 폭이 좁은 부분이 형성된 형태의 리드 필름을 준비한 후, 이를 전극 리드에 부착하여 상기 전극 리드와 전기적으로 연결된 전극조립체의 이차전지 케이스에 수납 후 밀봉하여 제조할 수 있다.
또는, 상단부와 하단부의 좌우 폭이 동일한 일반적인 형상의 리드 필름이 부착된 전극 리드와 전기적으로 연결된 전극조립체를 이차전지 케이스에 수납 후, 상기 리드 필름의 하단부에서 전극 리드와 직접 대면하고 있지 않은 잉여부를 일부 제거하여 형성할 수 있다.
상기 리드 필름은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 상세하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전극조립체는 하기 구조들 중의 하나로 이루어질 수 있다:
(i) 양극 시트와 음극 시트가 분리막이 개재된 상태로 권취되어 있는 젤리-롤형 구조;
(ii) 둘 이상의 양극판들과 둘 이상의 음극판들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 있는 적층형 구조;
(iii) 하나 이상의 양극판과 하나 이상의 음극판이 분리막이 개재된 상태로 적층 접합되어 있는 둘 이상의 단위셀들이 분리 필름에 의해 권취되어 있는 스택/폴딩형 구조.
즉, 본 발명에 따른 전지셀에 포함되는 전극조립체의 종류는 제한되지 않으며, 장착되는 기기 또는 디바이스에 따라 적합한 전극조립체를 적용할 수 있다.
상기 전극조립체들 중, 스택형, 또는 스택/폴딩형 전극조립체는, 소정의 단위셀을 적층하거나 권취하여 제조되며, 상기 단위셀은 양측 외곽의 전극들이 동일한 극성을 가진 바이셀(bicell) 구조일 수 있고, 양측 외곽의 전극들이 서로 다른 극성을 가진 풀셀(fullcell) 구조일 수 있으며, 바이셀과 풀셀을 혼합하여 사용한 구조일 수도 있다.
상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스일 수 있다. 구체적으로 상기 라미네이트 시트는 열융착이 행해지는 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 외부 수지층은 외부 환경에 대해 우수한 내성을 가져야 하므로, 소정 이상의 인장강도와 내후성이 필요하다. 이러한 측면에서 외부 피복층의 고분자 수지는 인장강도 및 내후성이 우수한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 연신 나일론을 포함할 수 있다.
또한, 상기 외부 피복층은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)로 이루어져 있거나 및/또는 상기 외부 피복층의 외면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)층이 구비되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)와 비교하여 얇은 두께에서도 우수한 인장강도와 내후성을 가지므로 외부 피복층으로 사용하기에 바람직하다.
상기 내부 수지층의 고분자 수지로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위해 전해액에 대한 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 고분자 수지가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)으로 이루어질 수 있다.
상기 라미네이트 시트는, 예를 들어, 외부 피복층의 두께가 5 내지 40 ㎛이고, 베리어층의 두께가 20 ㎛ 내지 150 ㎛이며, 내부 실란트층의 두께가 10 ㎛ 내지 50 ㎛인 구조로 이루어질 수 있다. 상기 라미네이트 시트의 각 층들의 두께가 너무 얇은 경우에는 물질에 대한 차단 기능과 강도 향상을 기대하기 어렵고, 반대로 너무 두꺼우면 가공성이 떨어지고 시트의 두께 증가를 유발하므로 바람직하지 않다.
본 발명은 상기 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지팩과, 이러한 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스의 대표적인 예로는 스마트 폰, 스마트폰 케이스, 웨어러블 기기, 스마트 패드, 태블릿 PC, 넷북 또는 노트북 컴퓨터뿐만 아니라 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력 저장 장치 등과 같은 중대형 디바이스에 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 전지셀은 전지케이스의 외주면 실링부에서 수납부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 하단부는 전지케이스의 외주면 실링부에서 외부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 상단부와 비교하여 상대적으로 좌우 폭이 좁아지는 부분을 포함하여 전지셀의 제조 공정에서 리드 필름의 하단부가 휘어지는 현상을 최소화할 수 있어 전지 케이스의 덴트(dent)를 방지할 수 있는 바, 전지 케이스의 덴트를 해결하기 위한 별도의 공정이 필요하지 않아 비용 및 시간을 절감할 수 있어, 제조 공정의 효율성이 향상되고 우수한 디자인을 구현할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지셀의 분해도이다;
도 2는 도 1에 따른 전지셀의 조립된 상태에서 평면 투시도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 분해도이다;
도 4은 도 3에 따른 전지셀의 조립된 상태에서 평면 투시도이다; 및,
도 5는 도 4에 따른 전지셀의 실링부, 양극 리드 필름이 부착된 양극 리드 부분을 모식적으로 나타내는 부분 확대도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀을 모식적으로 도시하고 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지셀(100)은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스(200) 내부에 양극, 음극 및 이들 사이에 배치되는 분리막으로 이루어진 전극조립체(300)가 내장되어 전지케이스(200)의 외주면이 열융착 실링된다.
전극 조립체(300)는 스택/폴딩형 구조로서, 양극 탭 및 음극 탭(310, 320)이 각각의 전극리드들(400, 410)에 용접되어 전지케이스(200)의 외부로 돌출되어 있는 구조로 이루어지고, 특히, 전지케이스(200)와 밀봉도를 높이고 동시에 전기적 절연상태를 확보하기 위하여 전극리드들(400, 410)이 각각 리드 필름들(500, 510)이 부착된 상태로 전지케이스의 수납부(230)로부터 외주면 실링부(240)를 경유하여 전지케이스 외부로 돌출되어 있다.
상기 전지케이스의 수납부(230)에 위치하는 리드 필름(500, 510)의 하단부는 좌우 폭 방향을 기준으로 단차(도 4의 빨간 박스)가 형성되어 있어, 리드 필름은 평면상으로 T자 형상일 수 있다.
도 5는 도 4에 따른 전지셀의 실링부, 양극 리드 필름이 부착된 양극 리드 부분을 부분 확대하여 모식적으로 나타내었다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 양극 리드 필름의 상단부(500b)는 외주면 실링부(240)로부터 전지케이스 외부 방향로 돌출되어 있는 양극 리드에 부착되어 있고, 양극 리드 필름의 하단부(500a)는 외주면 실링부(240)에서 전지케이스의 수납부(230) 방향으로 돌출되어 있는 양극 리드에 부착되어 있다.
양극 리드 필름(500)의 상하 폭(l1)은 전극 리드의 전체 상하 폭(a1) 대비 10% 이상 내지 70% 이하의 크기이고, 외주면 실링부의 폭(b1) 대비 120% 이상 내지 220% 이하의 범위에서 형성된다.
양극 리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭(w2)은 전극 리드의 좌우 폭(a2)을 기준으로 100% 초과 내지 160% 이하이고, 양극 리드 필름의 상단모서리의 좌우 폭(w1)은 전극 리드의 좌우 폭(a2)을 기준으로 160% 초과 내지 220% 이하의 범위에서 형성된다.
양극 리드 필름의 하단부(500a)에서 상대적으로 좌우 폭이 좁은 부분의 상하 폭(l2)은 양극 리드 필름의 하단부의 전체 상하 폭(l3) 대비 20% 이상 내지 90% 이하의 범위에서 형성된다.
리드 필름의 단차는 리드 필름을 전극 리드에 부착하기 전이나, 리드 필름을 전극 리드에 부착한 후 형성할 수 있다.
이러한 리드 필름은 리드 필름 하단부(500a) 에서 양극 리드(400)와 직접 접촉하고 있지 않은 리드 필름의 잉여부분을 최소화하여, 리드 필름 하단부(500a)가 휘어짐으로서 발생할 수 있는 전지 케이스의 덴트 현상을 방지하여 전지셀의 제조 공정성의 효율성을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서 전지셀의 실링부, 음극 리드 필름이 부착된 음극 리드 부분을 부분 확대하여 모식적으로 나타내지는 않았지만, 상기 도 5를 참고하여 적절하게 해석할 수 있다.

Claims (17)

  1. 전극 리드가 전기적으로 연결되어 있는 전극조립체가 전지케이스의 수납부에 내장된 상태로 전지케이스의 외주면이 열융착 실링되어 있고,
    상기 전극조립체의 전극 리드는 양면에 리드 필름이 부착된 상태로 전지케이스의 수납부로부터 외주면 실링부를 경유하여 전지케이스 외부로 돌출되어 있으며,
    상기 전지케이스의 외주면 실링부에서 수납부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 하단부는 전지케이스의 외주면 실링부에서 외부 방향으로 돌출되는 리드 필름의 상단부와 비교하여 상대적으로 좌우 폭이 좁아지는 부분을 포함하고,
    상기 리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭은 리드 필름의 상단 모서리의 좌우 폭과 비교하여 상대적으로 작은 T자 형상인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름의 상하 폭은 전극 리드의 전체 상하 폭 대비 10% 이상 내지 70% 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름의 상하 폭은 외주면 실링부의 폭 대비 120% 이상 내지 220% 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭은 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 100% 초과 내지 160% 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름의 하단 모서리의 좌우 폭은 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 110% 이상 내지 150% 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름의 상단 모서리의 좌우 폭은 전극 리드의 좌우 폭을 기준으로 160% 초과 내지 220% 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름의 하단부에서 상대적으로 좌우 폭이 좁은 부분의 상하 폭은 리드 필름의 하단부의 전체 상하 폭 대비 20% 이상 내지 90% 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름의 하단부에서 상대적으로 좌우 폭이 좁은 부분의 상하 폭은 리드 필름의 하단부의 전체 상하 폭 대비 40% 이상 내지 70% 이하인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 리드 필름은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전극조립체는 젤리-롤형, 적층형 또는 스택/폴딩형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지셀.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 케이스인 것을 특징으로 하는 전지셀.
  16. 제 1 항에 따른 전지셀을 단위전지로 포함하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스.
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