KR101804566B1 - 안테나 구조체, 안테나 패키지 및 이를 구비하는 전자 장치 - Google Patents

안테나 구조체, 안테나 패키지 및 이를 구비하는 전자 장치 Download PDF

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김영석
박성범
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    • H01Q7/06—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop with core of ferromagnetic material

Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 안테나 구조체는 코어의 적어도 일부에 안테나 코일이 권선된 칩 안테나; 및 상기 칩 안테나와 연결되지 않고 이격되어 배치되는 인식범위 증대부;를 포함하되, 상기 인식범위 증대부는 적어도 일부분이 상기 칩 안테나와 오버랩(overlap)되는 도전성 라인 패턴을 구비하되, 상기 칩 안테나와 오버랩되는 영역에서 상기 도전성 라인 패턴이 신장하는 방향과 상기 안테나 코일의 권선방향은 서로 나란하다.

Description

안테나 구조체, 안테나 패키지 및 이를 구비하는 전자 장치{Antenna structure, antenna package and electronic device including the same}
본 발명은 안테나 구조체, 안테나 패키지 및 이를 구비하는 전자 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 칩 안테나를 이용한 안테나 구조체, 안테나 패키지 및 이를 구비하는 전자 장치에 관한 것이다.
근거리 무선 통신 또는 근거리 자기장 통신(NFC, Near Field Communication)은 13.56MHz 주파수를 사용하여 10cm 이내의 짧은 거리에서 낮은 전력으로 전자 기기들 간의 무선통신을 가능하게 하는 비접촉 근거리 무선 통신 규격으로, 2002년 네덜란드 NXP 반도체와 일본 소니에 의해 공동 개발되었다. NFC의 초당 전송 속도는 106 Kbps, 212 Kbps, 424 Kbps 또는 848 Kbps 등이 있으며, 근접성의 특성과 암호화 기술로 보안성이 뛰어나고, 디바이스들끼리 인식하는데 복잡한 페어링 절차가 필요없이 1/10초 이하로 인식할 수 있다는 장점이 있다. 특히, NFC는 RFID 기술을 활용한 스마트카드식 비접촉 무선 통신 기술은, 양방향성을 갖고, 저장 메모리 공간이 상대적으로 크며, 적용 가능한 서비스의 폭이 넒은 특징이 있다. 이에 따라 최근 상용화되고 있는 스마트폰, 태블릿PC 등과 같은 전자 기기들에는 이 기술이 채택되어 출시되고 있는 상황이다. 이러한 상황에서 NFC의 인식범위를 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, NFC의 인식범위를 개선할 수 있는 안테나 구조체, 안테나 패키지 및 이를 구비하는 전자 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 안테나 구조체가 제공된다. 상기 안테나 구조체는 코어의 적어도 일부에 안테나 코일이 권선된 칩 안테나; 및 상기 칩 안테나와 연결되지 않고 이격되어 배치되는 인식범위 증대부;를 포함하되, 상기 인식범위 증대부는 적어도 일부분이 상기 칩 안테나와 오버랩(overlap)되는 도전성 라인 패턴을 구비하되, 상기 칩 안테나와 오버랩되는 영역에서 상기 도전성 라인 패턴이 신장하는 방향과 상기 안테나 코일의 권선방향은 서로 나란하다.
상기 안테나 구조체에서, 상기 인식범위 증대부는, 별도의 소자에 의하여 제어되지 않으며, 그라운드 처리될 수 있다.
상기 안테나 구조체에서, 상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결된 매칭소자를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 매칭소자는 매칭커패시터를 포함할 수도 있다.
상기 안테나 구조체에서, 상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결된 외부 도전 구조체를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 외부 도전 구조체는 스마트폰의 금속 후면 케이스를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 안테나 패키지가 제공된다. 상기 안테나 패키지는 코어의 적어도 일부에 안테나 코일이 권선된 칩 안테나; 및 상기 칩 안테나와는 연결되지 않고 이격배치된 도전성 라인 패턴 및 매칭소자를 구비하는 인식범위 증대부;를 포함하는 안테나 시스템의 일부를 구현하기 위한 패키지로서, 서로 이격배치된 제 1 단자들; 상기 제 1 단자들과는 전기적으로 이격된 제 2 단자; 상기 제 1 단자들 상에 양단이 실장된 상기 칩 안테나; 상기 제 2 단자 상에 실장된 상기 매칭소자; 및 상기 칩 안테나 및 상기 매칭소자를 밀봉하면서 상기 단자들이 외부로 노출되도록 형성된 봉지재;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 전자 장치가 제공된다. 상기 전자 장치는 메인 셋 보드(main SET-Board); 상기 메인 셋 보드 상에 실장되되, 코어의 적어도 일부에 안테나 코일이 권선된, 칩 안테나; 및 상기 메인 셋 보드 상에 배치되되, 상기 칩 안테나와 연결되지 않고 이격되어 배치되는, 인식범위 증대부;를 포함한다.
상기 전자 장치에서, 상기 인식범위 증대부는, 별도의 소자에 의하여 제어되지 않으며, 그라운드 처리될 수 있다.
상기 전자 장치에서, 상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결된 매칭소자를 더 구비할 수 있다.
상기 전자 장치에서, 상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결되되 상기 메인 셋 보드의 외부에 배치된 외부 도전 구조체를 더 구비할 수 있다.
상기 전자 장치에서, 상기 외부 도전 구조체는 상기 전자 장치의 금속 케이스를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, NFC의 인식범위를 개선할 수 있는 안테나 구조체, 안테나 패키지 및 이를 구비하는 전자 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 구조체의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 장치의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안테나 패키지의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 4는 안테나 구조체에서 본 발명의 비교예와 실시예의 구성을 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 구조체의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 구조체(100)는 칩 안테나(20) 및 인식범위 증대부(50)을 포함한다.
칩 안테나(20)는 코어(22) 및 코어(22)의 적어도 일부에 권선된 안테나 코일(24)을 포함한다. 코어(22)는, 예를 들어, 니켈 페라이트 재질로 구성될 수 있다. 특정 주파수 대역에서 공진할 수 있는 인덕터를 구현하기 위하여 안테나 코일(24)은 다양한 권선 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 안테나 코일(24)은 코어(22)의 측면을 감싸도록 배치될 수 있으며, 이 경우, 연동되어 발생되는 유도 자기장의 방향은 권선방향과 수직할 수 있다.
한편, 안테나 코일(24)에서 개시된 권선(widing wire) 구조는, 예시적으로, 코어(22)에 코일을 감는 권취(捲取) 구조로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상에 의한 안테나 구조체는 이러한 권취 구조에 한정되지 않으며, 예를 들어, 코어(22)의 측면에 도전성 물질을 패터닝함으로써 권선 구조를 구현할 수도 있다.
인식범위 증대부(50)는 칩 안테나(20)의 작은 사이즈로 인한 인식범위를 개선하기 위하여 도입된다. 즉, 인식범위 증대부(50)는 유도상수 K를 증가시켜 인식범위 및 성능을 향상시킨다. 인식범위 증대부(50)는 칩 안테나(20)와 공간적으로 이격되어 배치되되, 적어도 일부분이 칩 안테나(20)와 오버랩(overlap)된다. 여기에서, 오버랩된다는 의미는 특정 단면 상에서 상하로 이격되어 중첩되는 영역을 가진다는 것으로 이해될 수 있다.
인식범위 증대부(50)는 칩 안테나(20)와 공간적으로 이격되어 배치된다. 칩 안테나(20)는 인식범위 증대부(50)와 물리적으로 접촉하는 부분을 가지지 않는다. 즉, 인식범위 증대부(50)는 전도성 부재를 매개로 하여 칩 안테나(20)와 전기적으로 직접 연결되지는 않는다. 인식범위 증대부(50)와 칩 안테나(20)는 전기적 연결이 불필요하며 전류 흐름에 따른 자기장 유도로 인식범위 및 인식거리 증가를 유도한다.
인식범위 증대부(50)는, 별도의 소자에 의하여 제어되지 않으며, 그라운드 단자(GND)에 연결되어 그라운드 처리될 수 있다.
인식범위 증대부(50)는 도전성 라인 패턴(52)을 구비하며, 도전성 라인 패턴(52)의 적어도 일부분은 칩 안테나(20)와 오버랩될 수 있다. 나아가, 칩 안테나(20)와 오버랩되는 영역에서 도전성 라인 패턴(52)이 신장하는 방향과 안테나 코일(24)의 권선방향은 서로 나란하다. 한편, 확장된 실시예에서는, 도전성 라인 패턴(52)과 칩 안테나(20)가 오버랩되는 영역에서 안테나 코일(24)이 권선되는 방향의 벡터는 도전성 라인 패턴(52)이 신장하는 방향의 성분을 0이 아닌 값으로 가질 수 있다.
인식범위 증대부(50)는 도전성 라인 패턴(52)과 전기적으로 연결된 매칭소자(55)를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 매칭소자(55)는, 예를 들어, 매칭커패시터를 포함할 수도 있다. 도전성 라인 패턴(52)의 적어도 일부분은 칩 안테나(20)의 권선방향과 평행하게 신장하도록 구성될 수 있으며, 도전성 라인 패턴(52)의 양단은 매칭을 위해 매칭소자(55)에 연결될 수 있다. 도 1에서는 매칭소자(55)는 칩 안테나(20)에 연결된 수동소자(45)와 연결되지 않도록 도시되었으나, 필요에 따라서는, 매칭소자(55)와 수동소자(45)가 연결될 수도 있다.
인식범위 증대부(50)는 도전성 라인 패턴(52)과 전기적으로 연결된 외부 도전 구조체(53)를 더 구비할 수도 있다. 이 경우, 외부 도전 구조체(53)는 스마트폰이나 스마트패드 등의 장치를 구성하는 금속 케이스를 포함할 수도 있다. 도전성 라인 패턴(52) 뿐만 아니라 외부 도전 구조체(53)의 도입으로 안테나(20)의 인식범위를 더욱 확장시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 장치의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 장치(200)는 칩 안테나(20)을 구비할 수 있는 전자 장치로서, 예를 들어, 핸드폰, 태블릿PC, 스마트폰, 스마트패드, 스마트워치, 스마트안경 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 장치(200)는 메인 셋 보드(40, main SET-Board); 메인 셋 보드(40) 상에 실장된 상술한 칩 안테나(20); 및 메인 셋 보드(40) 상에 배치되되, 칩 안테나(20)와 연결되지 않고 이격되어 배치되는, 상술한 인식범위 증대부(50);를 포함한다. 메인 셋 보드(40)는 전자 장치(200)에서 구현되고자 하는 각종 기능을 수행하기 위한 전기적 신호가 발생, 처리 및/또는 전송될 수 있도록 제공되는 전자부품이다. 예를 들어, 메인 셋 보드(40)는 인쇄회로기판을 포함할 수 있다.
인식범위 증대부(50)를 구성하는 도전성 라인 패턴(52)은 메인 셋 보드(40)에 구성된 그라운드 단자(12, GND)에 연결되어 그라운드 처리된다. 도전성 라인 패턴(52)을 구성하는 다양한 실시예들이 가능하다. 예를 들어, 도전성 라인 패턴(52)은 메인 셋 보드(40) 상에서 별도의 소자에 의하여 제어되지 않고 순수하게 칩 안테나(20)의 인식범위를 향상시키기 위하여 도입된 도전성 패턴일 수 있다. 또는, 도전성 라인 패턴(52)은 메인 셋 보드(40)의 패턴을 활용하여 구성된 루프 패턴일 수도 있다.
인식범위 증대부(50)는 도전성 라인 패턴(52)과 전기적으로 연결되되 메인 셋 보드(40)의 외부에 배치된 외부 도전 구조체(53)를 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 외부 도전 구조체(53)는 스마트폰의 금속 후면 케이스를 포함할 수 있다.
인식범위 증대부(50)는 도전성 라인 패턴(52)과 전기적으로 연결되되 메인 셋 보드(40) 상에 배치된 매칭소자를 더 구비할 수 있다. 도전성 라인 패턴(52)은 칩 안테나(20)의 중심에서 안테나 코일(24)의 권선방향과 평행한 방향이 신장하며, 도전성 라인 패턴(52) 및/또는 외부 도전 구조체(53)의 인덕턴스값에 의한 매칭회로를 통해 도전성 라인 패턴(52) 및/또는 외부 도전 구조체(53)를 NFC 안테나로 활용할 수 있다. 도전성 라인 패턴(52)은 외부 도전 구조체(53)외 직접 연결되어 루프를 구성할 수도 있으며, 메인 셋 보드(40)의 그라운드 단자를 통해 도전체와의 연결을 구성할 수도 있다.
한편, 도 2에서는 인식범위 증대부(50) 및 칩 안테나(20)가 전자 장치(200)의 메인 셋 보드(40) 상에 배치되는 구성을 개시하였으나, 이외의 다른 구성으로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 칩 안테나(20) 및 인식범위 증대부(50)의 적어도 일부는 전자 장치(200)의 배터리 팩 내에 배치될 수도 있으며, 전자 장치(200)에 부가적으로 결합될 수 있는 모듈 내에 배치될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안테나 패키지(30)의 구성을 개요적으로 도해하는 도면이다. 도 3의 (a)는 안테나 패키지(30)의 사시도, (b)는 안테나 패키지(30)의 배면도, (c)는 봉지재(35)를 제외한 안테나 패키지(30)의 내부 구성을 도해하는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 안테나 패키지(30)는 상술한 칩 안테나(20) 및 인식범위 증대부(50)를 포함하는 안테나 시스템의 일부를 구현하기 위한 패키지로서, 서로 이격배치된 제 1 단자들(33a); 제 1 단자들(33a)과는 전기적으로 이격된 제 2 단자(33b); 제 1 단자들(33a) 상에 양단이 실장된 상술한 칩 안테나(20); 제 2 단자(33b) 상에 실장된 상술한 매칭소자(55); 칩 안테나(20) 및 매칭소자(55)를 밀봉하면서 상기 단자들이 외부로 노출되도록 형성된 봉지재(35);를 포함한다. 인식범위 증대부(50)의 일부를 구성하는 매칭소자(55)와 전기적으로 연결되지 않도록 칩 안테나(20)를 실장하는 제 1 단자들(33a)은 매칭소자(55)가 실장되는 제 2 단자(33b)와 이격 배치되어 있다.
칩 안테나(20)의 중심에서 안테나 코일(24)의 권선방향과 평행한 프레임을 배치하고 매칭소자(55)를 내장하는 안테나 패키지(30)를 구현함으로써 메인 셋 보드(40)의 설계 용이성을 확보할 수 있다. 안테나 코일(24)의 권선방향은 도 3의 (c)에서 도시된 서브코일(24a)의 신장방향으로 이해할 수 있으며, 안테나 패키지(30)의 제 2 단자(33b)에 연결될 수 있는 도전성 라인 패턴(52)은 서브코일(24a)의 신장방향과 나란한 방향으로 신장하면서 칩 안테나(20)의 중심부분을 지날 수 있다.
도 4는 안테나 구조체에서 본 발명의 실시예(a)와 비교예(b)의 구성을 도해하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 칩 안테나(20)의 중심부분을 가로지르는 도전성 라인 패턴(52)과 매칭소자(55)가 구성된다. 본 발명의 실시예(a)에서는 칩 안테나(20)와 오버랩되는 영역에서 도전성 라인 패턴(52)이 신장하는 방향은 칩 안테나(20)를 구성하는 안테나 코일(24)의 권선방향과 나란하다. 이에 반하여, 본 발명의 비교예(b)에서는 칩 안테나(20)와 오버랩되는 영역에서 도전성 라인 패턴(52)이 신장하는 방향은 칩 안테나(20)를 구성하는 안테나 코일(24)의 권선방향과 수직하다.
표 1을 참조하면, 상술한 인식범위 증대부를 제공하지 않고 순수한 칩 안테나(20)의 단품만을 제공할 경우 NFC 인식범위는 카드모드에서 36.42mm이며, 타입1의 리더모드에서 26.50mm로 측정되었다. 매칭소자(55)의 커패시턴스가 820pF인 경우, 도 4의 (b)의 구성에서는 NFC 인식범위는 카드모드에서 36.42mm이며, 타입1의 리더모드에서 26.50mm로 측정되어 순수한 칩 안테나(20)의 단품만을 제공하는 경우와 차이가 나타나지 않았다. 이에 반하여, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 구조체를 설명하는 도 4의 (a)의 구성에서, 매칭소자(55)의 커패시턴스가 820pF인 경우 NFC 인식범위가 카드모드에서 90.04mm이며, 타입1의 리더모드에서 52.65mm로 측정되었다.
구성 매칭
커패시터		 Card Mode
(mm)		 Type1
Reader Mode
(mm)		 Type2
Reader Mode
(mm)		 Type3
Reader Mode
(mm)		 Type4
Reader Mode
(mm)
칩 안테나 - 36.42 26.50 26.50 23.32 12.04
도 4(a) 100pF 18.07 16.59 16.59 13.33 4.22
도 4(a) 820pF 90.04 52.65 52.65 50.11 28.46
도 4(a) 22pF 46.21 39.45 39.45 37.23 19.53
도 4(b) 100pF 36.42 26.50 26.50 23.32 12.04
도 4(b) 820pF 36.42 26.50 26.50 23.32 12.04
도 4(b) 22pF 36.42 26.50 26.50 23.32 12.04
이에 따르면, 칩 안테나(20)에서 안테나 코일(24)의 권선방향과 평행한 방향으로 도전성 라인 패턴(52)이 통과하는 경우 안테나 인식범위의 개선 효과가 있음을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 칩 안테나(20)에서 안테나 코일(24)의 권선방향과 수직한 방향으로 도전성 라인 패턴(52)이 통과하는 경우 안테나 인식범위의 개선 효과는 없음을 확인할 수 있다. 나아가, 이용되는 도전체의 재질이나 크기에 따라 안테나 성능의 증감 효과가 달라짐을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
12 : 그라운드 단자
20 : 칩 안테나
22 : 코어
24 : 안테나 코일
30 : 안테나 패키지
35 : 봉지재
40 : 메인 셋 보드
50 : 인식범위 증대부
52 : 도전성 라인 패턴
53 : 외부 도전 구조체
55 : 매칭소자
100 : 안테나 구조체
200 : 전자 장치

Claims (12)

  1. 코어의 적어도 일부에 안테나 코일이 권선된 칩 안테나; 및 상기 칩 안테나와 연결되지 않고 이격되어 배치되는 인식범위 증대부;를 포함하되,
    상기 인식범위 증대부는 적어도 일부분이 상기 칩 안테나와 오버랩(overlap)되는 도전성 라인 패턴을 구비하되, 상기 칩 안테나와 오버랩되는 영역에서 상기 도전성 라인 패턴이 신장하는 방향과 상기 안테나 코일의 권선방향은 서로 나란한, 안테나 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인식범위 증대부는, 별도의 소자에 의하여 제어되지 않으며, 그라운드 처리된, 안테나 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결된 매칭소자를 더 구비하는, 안테나 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 매칭소자는 매칭커패시터를 포함하는, 안테나 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결된 외부 도전 구조체를 더 구비하는, 안테나 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 외부 도전 구조체는 스마트폰의 금속 후면 케이스를 포함하는, 안테나 구조체.
  7. 삭제
  8. 메인 셋 보드(main SET-Board);
    상기 메인 셋 보드 상에 실장되되, 코어의 적어도 일부에 안테나 코일이 권선된, 칩 안테나; 및
    상기 메인 셋 보드 상에 배치되되, 상기 칩 안테나와 연결되지 않고 이격되어 배치되는, 인식범위 증대부;
    를 포함하되,
    상기 인식범위 증대부는 적어도 일부분이 상기 칩 안테나와 오버랩(overlap)되는 도전성 라인 패턴을 구비하되, 상기 칩 안테나와 오버랩되는 영역에서 상기 도전성 라인 패턴이 신장하는 방향과 상기 안테나 코일의 권선방향은 서로 나란한,
    전자 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인식범위 증대부는, 별도의 소자에 의하여 제어되지 않으며, 그라운드 처리된, 전자 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결된 매칭소자를 더 구비하는, 전자 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 인식범위 증대부는 상기 도전성 라인 패턴과 전기적으로 연결되되 상기 메인 셋 보드의 외부에 배치된 외부 도전 구조체를 더 구비하는, 전자 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 외부 도전 구조체는 상기 전자 장치의 금속 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자 장치.

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