KR20040085128A - 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 다이오드의 온도에 따른 전류-전압 특성을 이용하여 레이저 다이오드의 온도를 보상할 수 있는 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및 구동방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로는, 광원인 레이저 다이오드; 레이저 다이오드를 구동하기 위한 구동단; 구동단에 변조전류를 제공하는 변조 전류원; 레이저 다이오드의 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 전류원; 레이저 다이오드의 전류-전압 온도 특성에 따라 특정 절점의 DC 바이어스를 추출하는 자동 바이어스 추출 회로; 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스와 제1 기준전압을 비교하여, 레이저 다이오드 바이어스 전류원을 조절하는 제1 비교기; 및 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스와 제2 기준전압을 비교하여, 레이저 다이오드 변조 전류원을 조절하는 제2 비교기를 포함한다. 본 발명에 따르면, 기존에 외부에 별도로 사용하던 레이저 다이오드 감지용 포토다이오드(MPD)가 필요하지 않으며, 또한, 단채널, 1차원 다채널 및 2차원 다채널 형태의 레이저 다이오드 구조에 용이하게 적용하여 광송신기를 소형화 및 간소화시킬 수 있고, 저가의 광송신기를 제작할 수 있다.
Description
본 발명은 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및 구동 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 레이저 다이오드의 온도에 따른 전류-전압 특성을 이용하여 레이저 다이오드의 온도를 보상할 수 있는 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및 구동 방법에 관한 것이다.
종래 기술로서, 미합중국 특허번호 제6,771,679호(2001년 5월 16일 출원)에는 "Apparatus and Method for programmable control of laser diode modulation and operating point"라는 명칭의 발명이 개시되어 있으며, 레이저 다이오드 변조 및 동작점의 프로그램 가능한 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하고 있다.
도 1은 종래의 레이저 다이오드 구동회로를 예시하는 도면으로서, 현재 사용되고 있는 대부분의 레이저 다이오드 구동회로(미합중국 특허번호 제6,771,679호 참조)의 내부 구조를 보여 주고 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 레이저 다이오드 구동회로는 레이저 다이오드 구동 단(110), 레이저 다이오드 바이어스 전류원(120), 자동 광출력 조절 장치(130), 감지용 포토다이오드(Monitoring Photo Diode: MPD)(140), 레이저 다이오드(Laser Diode: LD)(150) 및 자동 변조전류 조절 장치(160)로 이루어질 수 있다.
종래의 레이저 다이오드 구동회로에서, 상기 레이저 다이오드(LD: 150)의 광출력은 외부에 구비된 감지용 포토다이오드(MPD: 140)로 출력광의 일부를 입사시킨 후, 상기 레이저 다이오드(150)의 광출력 및 광변조 크기를 감지하여 보상 회로에 의해 온도 보상이 이루어진다. 즉, 종래의 레이저 다이오드 구동회로는 온도 보상을 위한 외부에 레이저 다이오드 감지용 포토다이오드(140)를 실장하여 온도 변화에 따른 레이저 다이오드(150)의 문턱전류(threshold current) 및 변조전류(modulation current)를 조절하고 있다.
그러나, 도 1과 같은 종래의 레이저 다이오드 구동회로 구조는 레이저 다이오드의 온도 및 노화(aging)에 의한 성능 저하를 보상하기 위해 감지용 포토다이오드(MPD)를 이용한 문턱전류 조절 기능과 변조전류 조절 기능을 구비하고 있지만, 상기 레이저 다이오드(150)의 일부 광출력을 외부 감지용 포토다이오드(140)에 정렬하기 위한 광학 구조에 기인한 복잡한 패키지 구조를 갖게 되므로 광송신기의 부피가 커지며, 제조 가격이 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 전술한 종래의 레이저 다이오드 구동회로 구조는 1차원 다채널(1×N) 및 2차원 다채널(N×N) 형태의 레이저 다이오드의 경우 이용하기 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 레이저 다이오드의 온도에 따른 전류-전압 특성을 이용하여 레이저 다이오드의 온도 변화에 따른 특정 전극의 DC 전압 변화를 감지하고, 이에 따른 문턱전류와 변조전류를 조절함으로써, 외부 레이저 다이오드 감지용 포토다이오드 없이도 온도를 보상할 수 있는 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및 구동 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단채널 또는 임의 차원의 다채널 구조의 레이저 다이오드에 용이하게 적용할 수 있는 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및 구동 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 광송신기 패키지 구조를 간소화시키고, 저가격의 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및 구동 방법을 제공하기위한 것이다.
도 1은 종래의 레이저 다이오드 구동회로를 예시하는 도면이다.
도 2는 일반적인 레이저 다이오드의 온도변화에 따른 광전력과 전류의 특성 및 전압과 전류의 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 접합 전압에 대한 문턱 전류의 변화와 전기-광변환 효율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도보상 기능을 갖는 레이저 구동회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도보상 기능을 갖는 레이저 구동회로의 주요 절점에 대한 파형과 이에 따른 레이저 다이오드에 인가되는 바이어스 전류와 변조 전류를 나타내는 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로는,
광원인 레이저 다이오드;
상기 레이저 다이오드를 구동하기 위한 구동단;
상기 구동단에 변조전류를 제공하는 변조 전류원;
상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 전류원;
상기 레이저 다이오드의 전류-전압 온도 특성에 따라 상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스를 추출하는 자동 바이어스 추출 회로(Automatic Bias Extraction circuit: ABE);
상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스와 제1 기준전압(Vref1)을 비교하여, 상기 레이저 다이오드 바이어스 전류원을 조절하는 제1 비교기; 및
상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스와 제2 기준전압(Vref2)을 비교하여, 상기 레이저 다이오드 변조 전류원을 조절하는 제2 비교기
를 포함하여 구성되는 특징이 있다.
여기서, 상기 레이저 다이오드는 단채널(1×N) 구조 또는 임의 차원 다채널(N×N) 구조의 공통 음극형 또는 공통 양극형 레이저 다이오드일 수 있다.
여기서, 상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스 전압 변화를 이용하여 상기 레이저 다이오드의 온도 보상이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명에 따른 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로는, 특정 최대 허락 전류 이상에서는 온도 보상 정궤환(positive feedback) 동작을 제한하는 보상 제한부를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 자동 바이어스 추출 회로는, 상기 DC 바이어스 전압을 추출하기 위해 상하 전압 준위(Top Peak, Bottom Peak)를 검출하는 검출기; 및 상기 상하 전압 준위를 평균화하는 제1 및 제2 저항을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 자동 바이어스 추출 회로는 상기 특정 절점의 전압신호의 중간값을 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동방법은,
a) 상기 레이저 다이오드의 동작에 의해 상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스 전압이 감소되는지 확인하는 단계;
b) 상기 특정 절점의 DC 바이어스 전압이 감소되는 경우, 상기 레이저 다이오드의 전류-전압 온도 특성에 대응하는 상기 특정 절점의 DC 바이어스 전압을 추출하는 단계; 및
c) 상기 추출된 특정 절점의 DC 바이어스 전압과 제1 기준전압(Vref1) 또는 제2 기준전압(Vref2)을 비교하여, 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류원 또는 변조 전류원을 조절하는 단계
를 포함하여 이루어지는 특징이 있다.
여기서, 본 발명에 따른 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동방법은, d) 특정 최대 허락 전류 이상에서는 온도 보상 정궤환 동작을 제한하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 b) 단계는 상기 DC 바이어스 전압을 추출하기 위해 상하 전압 준위를 검출하고, 상기 상하 전압 준위를 평균화하여 상기 특정 절점의 전압신호의 중간값을 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 바이어스 전류와 변조 전류를 조절함으로써, 기존에 외부에 별도로 사용하던 레이저 다이오드 감지용 포토다이오드(MPD)가 필요하지 않으며, 또한, 단채널, 1차원 다채널 및 2차원 다채널 형태의 레이저 다이오드 구조에 용이하게 적용하여 광송신기를 소형화 및 간소화시킬 수 있고, 저가의 광송신기를 제작할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자동 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로 및 구동 방법을 상세히 설명한다.
일반적으로 레이저 다이오드의 온도 보상에 있어서, 외부에 실장되는 소자의 최소화, 간단한 광학 구조에 따른 전체 패키지 구조를 간소화시키는 방향으로 발전되어야 할 필요가 있다. 이를 위해, 본 발명의 실시예는 일반적인 레이저 다이오드의 온도에 따른 전류-전압 특성(current-voltage characteristic)을 이용하여 문턱전류 및 변조전류를 조절함으로써, 레이저 다이오드의 자동 온도 보상(automatictemperature compensation) 기능을 갖는 구동회로(driver integrated circuit)를 제공하게 된다.
먼저, 본 발명의 구체적인 실시예의 설명에 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 기본적 원리를 설명한다.
도 2는 일반적인 레이저 다이오드의 온도변화에 따른 광전력과 전류의 특성 및 전압과 전류의 특성을 나타내는 도면이다.
일반적인 레이저 다이오드는 온도 상승에 따라 일정한 전류에서 레이저 다이오드의 정방향 접합전압(forward junction voltage)은 -2㎷/℃의 비율로 감소하게 된다.
예를 들어, 공통 음극 형태(common cathode type)를 갖는 레이저 다이오드의 경우, 전술한 바와 같은 레이저 다이오드의 온도 특성에 의해 구동회로의 출력과 연결되는 레이저 다이오드의 양극 절점(anode node)의 전압은 온도 변화에 따라 변하게 된다. 마찬가지로 공통 양극 형태(common anode type)를 갖는 레이저 다이오드의 경우, 레이저 다이오드의 음극 절점(cathode node)의 전압이 온도 변화에 따라 변하게 된다.
도 2를 참조하면, 일정한 전류에서 온도 증가에 따라 반도체 다이오드의 접합 전압은 대략 -2㎷/℃의 비율로 감소하므로, 일정한 전류에서 온도가 증가함에 따라 레이저 다이오드의 정방향 접합 전압은 하향(b1∼b4), 즉, 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 문턱 전류는 오른쪽 방향으로 이동(a1∼a4), 즉, 증가하며, 곡선의 기울기 크기 또한 감소하는 것을 알 수 있다.
도 3은 도 2의 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 접합 전압에 대한 문턱 전류의 변화와 전기-광변환 효율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 전기-광변환 효율은 접합 전압의 변화에 대해 선형적인 관계가 존재하며, 접합 전압 변화와 문턱전류 변화는 포물선 관계를 갖는다. 따라서, 이러한 관계를 이용하여 접합 전압의 변화에 따라 문턱전류 및 전기-광변환 효율의 온도 보상이 가능하다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도보상 기능을 갖는 레이저 구동회로를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 온도보상 기능을 갖는 레이저 구동 회로는, 광원(light source)인 레이저 다이오드(460); 상기 레이저 다이오드(460)를 구동하기 위한 구동단(driving stage: 410); 상기 구동단(410)에 변조전류(modulation current)를 제공하는 전류원(modulation current source: 430); 상기 레이저 다이오드(460)의 바이어스 전류(bias current)를 제공하는 전류원(bias current source: 420); 상기 레이저 다이오드(460)의 특정 절점(A)의 DC 바이어스를 추출하는 자동 바이어스 추출 회로(Automatic Bias Extraction circuit: ABE)(450); 상기 레이저 다이오드(460)의 특정 절점(A)의 DC 바이어스와 제1 기준전압(Vref1: 440)과 제2 기준전압(Vref2: 470)을 각각 비교하여, 상기 레이저 다이오드(460) 바이어스 전류원(420)과 변조 전류원(490)을 각각 조절하는 제1 비교기(430) 및 제2 비교기(480); 및 온도 보상 정궤환(positive feedback) 동작을 제한하는 보상 제한부(500) 등으로 구성된다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 온도보상 기능을 갖는 레이저 구동 회로의 동작 원리 및 그 작동 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도보상 기능을 갖는 레이저 구동회로의 주요 절점(A)에 대한 파형과 이에 따른 레이저 다이오드에 인가되는 바이어스 전류와 변조 전류를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 먼저, 상기 레이저 다이오드(460)의 바이어스 전류원(420)이 문턱전류를 인가함에 따라, 상기 레이저 다이오드(460)에 문턱전류가 인가되어 상기 레이저 다이오드(460)가 미리 턴온(turn-on)되며, 이후, 광송신기의 입력이 구동회로의 입력 버퍼(도시되지 않음)를 지난 후, 상기 구동단(410)을 동작시키게 되고, 이에 따라 입력전압 신호가 변조된 전류 신호로 변환되어 상기 레이저 다이오드(460)에 인가된다.
이후, 상기 인가된 전류신호는 상기 레이저 다이오드(460)에 의해 변조된 광신호로 변환되어, 전송 매체를 통해 전송된다. 이때, 주변회로 또는 구동회로와 상기 레이저 다이오드(460)에 의해 발생되는 열에 의해 칩 온도가 상승하게 된다. 이와 같이 온도 상승에 따라 도 4의 절점 A의 DC 바이어스 전압은 감소하게 된다.
따라서, 상기 DC 바이어스 전압을 추출하기 위해 상하 준위(Top Peak, Bottom Peak) 검출기(451, 452)와 두 전압 준위를 평균화하는 저항(R1, R2)으로 구성된 자동 바이어스 추출 회로(450)를 이용한다.
따라서, 상기 자동 바이어스 추출 회로(450)의 출력은 절점 B에서 상기 A 절점의 전압신호(510)의 중간값(520)을 출력하게 된다.
또한, 상기 추출된 바이어스와 제1 기준 전압(Vref1: 440)의 변화량은 제1 비교기(430)에 의해 그 차이에 해당하는 전압을 출력하고, 이에 따라 상기 레이저 다이오드(460)의 바이어스 전류원(420)을 제어하여 상기 레이저 다이오드(460)의 인가되는 바이어스 전류(IBIAS)를 조절하게 되며(530), 또한, 상기 자동 바이어스 추출 회로(450)의 출력값과 변조 전류 조절을 위한 제2 기준 전압(Vref2: 470)의 변화량은 제2 비교기(480)에 의해 상기 구동단(410)의 변조 전류(IMOD)를 온도 상승에 따라 이를 조절하게 된다(540).
따라서, 온도 T1이 T2(T1<T2)로 상승함에 따라 감소됐던 절점 A의 DC 바이어스 전압은 원래의 바이어스 준위로 회복되게 되며, 이러한 과정을 통해 온도 상승에 따른 상기 레이저 다이오드(460)의 바이어스 전류(IBIAS)와 변조 전류(IMOD)를 조절함으로써, 자동적으로 온도 보상이 이루어진다.
이때, 상기의 온도 보상의 정궤환(positive feedback)에 의해 칩의 온도가 계속 증가하는 방향으로 동작하게 되면, 이를 제한하기 위한 보상 제한부(500)에 의해 특정한 최대 허락 전류 이상에서는 정궤환에 의한 온도 보상을 정지시키게 된다. 예를 들어, 추가로 정궤환이 이루어지지 않도록 상기 바이어스 전류원(420)에 인가되는 상기 제1 비교기(430)의 출력을 오프시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동방법은,상기 레이저 다이오드의 동작에 의해 상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스 전압이 감소되는지 확인하고, 상기 특정 절점의 DC 바이어스 전압이 감소되는 경우, 상기 레이저 다이오드의 전류-전압 온도 특성에 대응하는 상기 특정 절점의 DC 바이어스 전압을 추출하며, 이후, 상기 추출된 특정 절점의 DC 바이어스 전압과 제1 기준전압(Vref1) 또는 제2 기준전압(Vref2)을 비교하여, 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류원 또는 변조 전류원을 조절하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동방법은, 특정 최대 허락 전류 이상에서는 온도 보상 정궤환(positive feedback) 동작을 제한하게 된다.
결국, 본 발명의 실시예는 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 전압 변화를 감지하여 문턱전류와 변조전류를 조절하게 된다. 이에 따라 본 발명의 실시예는 외부에 레이저 다이오드 감지용 포토다이오드(MPD)가 필요하지 않으며, 1차원 단채널 또는 다중 차원의 다채널 형태의 레이저 다이오드 구조에 용이하게 적용할 수 있고, 또한, 패키지를 소형화 및 간소화를 시킴으로써, 저가의 광송신기를 제작할 수 있게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 온도 변화에 따른 레이저 다이오드의 바이어스 전류와 변조 전류를 조절함으로써, 기존에 외부에 별도로 사용하던 레이저 다이오드 감지용 포토다이오드(MPD)가 필요하지 않으며, 또한, 단채널, 1차원 다채널 및 2차원 다채널 형태의 레이저 다이오드 구조에 용이하게 적용하여 광송신기를 소형화 및 간소화시킬 수 있고, 저가의 광송신기를 제작할 수 있다.
Claims (9)
- 레이저 다이오드의 구동회로에 있어서,광원인 레이저 다이오드;상기 레이저 다이오드를 구동하기 위한 구동단;상기 구동단에 변조전류를 제공하는 변조 전류원;상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류를 제공하는 바이어스 전류원;상기 레이저 다이오드의 전류-전압 온도 특성에 따라 상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스를 추출하는 자동 바이어스 추출 회로(Automatic Bias Extraction circuit: ABE);상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스와 제1 기준전압(Vref1)을 비교하여, 상기 레이저 다이오드 바이어스 전류원을 조절하는 제1 비교기; 및상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스와 제2 기준전압(Vref2)을 비교하여, 상기 레이저 다이오드 변조 전류원을 조절하는 제2 비교기를 포함하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로.
- 제1항에 있어서,상기 레이저 다이오드는 단채널(1×N) 구조 또는 임의 차원 다채널(N×N) 구조의 공통 음극형 또는 공통 양극형 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스 전압 변화를 이용하여 상기 레이저 다이오드의 온도 보상이 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로.
- 제1항에 있어서,특정 최대 허락 전류 이상에서는 온도 보상 정궤환(positive feedback) 동작을 제한하는 보상 제한부를 추가로 포함하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로.
- 제1항에 있어서, 상기 자동 바이어스 추출 회로는,상기 DC 바이어스 전압을 추출하기 위해 상하 전압 준위(Top Peak, Bottom Peak)를 검출하는 검출기; 및상기 상하 전압 준위를 평균화하는 제1 및 제2 저항을 포함하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로.
- 제5항에 있어서,상기 자동 바이어스 추출 회로는 상기 특정 절점의 전압신호의 중간값을 출력하는 것을 특징으로 하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동회로.
- 레이저 다이오드 구동방법에 있어서,a) 상기 레이저 다이오드의 동작에 의해 상기 레이저 다이오드의 특정 절점의 DC 바이어스 전압이 감소되는지 확인하는 단계;b) 상기 특정 절점의 DC 바이어스 전압이 감소되는 경우, 상기 레이저 다이오드의 전류-전압 온도 특성에 대응하는 상기 특정 절점의 DC 바이어스 전압을 추출하는 단계; 및c) 상기 추출된 특정 절점의 DC 바이어스 전압과 제1 기준전압(Vref1) 또는 제2 기준전압(Vref2)을 비교하여, 상기 레이저 다이오드의 바이어스 전류원 또는 변조 전류원을 조절하는 단계를 포함하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동방법.
- 제7항에 있어서,d) 특정 최대 허락 전류 이상에서는 온도 보상 정궤환(positive feedback) 동작을 제한하는 단계를 추가로 포함하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동방법.
- 제7항에 있어서,상기 b) 단계는 상기 DC 바이어스 전압을 추출하기 위해 상하 전압 준위를 검출하고, 상기 상하 전압 준위를 평균화하여 상기 특정 절점의 전압신호의 중간값을 출력하는 것을 특징으로 하는 온도 보상기능을 갖는 레이저 다이오드 구동방법.
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2004
- 2004-09-14 KR KR1020040073356A patent/KR100765361B1/ko not_active IP Right Cessation
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