KR20070042918A - 코로나 방전이 병합된 직물 재료의 연속 및 반-연속처리방법 - Google Patents
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Abstract
완전한 친수성화 및 망상조직 잠재력의 증가를 얻기 위해, 코로나 방전의 적용이 얀, 직물 또는 니트된 섬유의 형태의 면, 아마 면/아마 혼합물 또는 다른 셀룰로스성 재료의 마감처리를 위한 연속 및 반-연속 방법에서 제안되었다.
코로나 방전이 포함되는 작업은 풀기제거, 알칼리 처리, 표백, 가성화, 머서화, 염색 및 최종 마감처리, 즉 연화, 친수성화, 손질-용이, 항-수축 및 내화처리를 포함한다. 방전은 조절된 습도 및 온도에서 가방-폭을 갖는 재료에 미가공, 풀기제거, 표백 또는 마감처리 단계에서 연속적으로 적용되고, 재료는 전극과 조금 떨어진 거리의 상대전극 롤에서 조절가능한 속도로 이동되고, 이것은 완전히 균일한 조건에서 고전압 방전을 생성하기 위해 고안된다.
코로나 방전, 연속 및 반-연속 처리공정, 친수성화, 망상조직 잠재력
Description
함침공정은 재료의 균일성을 고려할 것을 요구한다. 이 수준에서의 어느 결핍은 얻어진 생성물의 품질에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킨다.
모든 셀룰로스성 섬유는 원료 단계에서 소수성이고, 특히 이것은 많은 양의 불순물이 수성조에 섬유 구조 침투 및 확산을 방해하는 장벽을 형성하기 때문이다. 연속 및 반-연속적인 처리공정 중 이런 형태의 섬유의 함침은 제조, 염색, 인쇄 및 최종 마감처리를 가져오는 최적의 수율 및 균질성을 얻기 위해 바스(bath) 흡수에 관하여 고도의 완전한 균일한 용량을 요구한다. 천연적인 소수성으로 인해, 이와 같은 본질적인 요건은 달성하기 매우 어렵다. 실제로, 이러한 기술적 문제의 제거는 몇몇 습윤제를 사용하고, 재료의 속도를 감소시키고 또는 함침조 온도를 증가시킬 것을 강요한다. 이들 실제 공정의 가장 중요한 결과는 다음과 같다:
ㆍ함침조의 방법에서 습윤제의 사용은 비용의 증가, 오염 방전의 증가 및 거품형성의 문제를 의미한다.
ㆍ속도의 감소는 생성수준의 감소를 의미한다.
ㆍ바스 온도의 증가는 더 높은 에너지 비용을 의미하고 함침조에 존재하는 생성물의 응집을 형성할 수 있다.
플라르에 함침되어질 셀룰로스 재료를 사전에 균질 친수성화하는 장점은 기본적인 중요성으로 고려되고, 함침중 매우 긍정적인 성질을 얻도록 조절된 조건에서 재료의 표면을 변형시킬 수 있는 코로나 플라즈마성 기술의 도입을 기본적으로 지지한다.
코로나 처리에서, 전기적 방전은 전극과 접지된 반대-전극에 생성되고, 약 10000 볼트의 전압차를 유지한다. 섬유는 조절가능한 속도 및 적절한 장력으로 전극 사이를 연속적으로 이동한다.
재료의 온도 및 습도는 방전효과를 최적화하도록 정해진다. 면(cotton)의 경우, 온도는 40℃ 이하 및 습도는 8% 이하로 조절되어야 한다. 방전은 주변 기압 및 온도에서 공기 중에서 이루어진다.
코로나 방전되는 주요 셀룰로스성 섬유는 면, 아마, 대마, 및 셀룰로스가 더 높은 비율로 존재하는 합성 및 인공 섬유와의 혼합물이다. 섬유산업에서 덜 사용되는 다른 셀룰로스성 섬유의 대부분은 또한 이 기술을 이용하여 처리될 수 있다.
본 발명은 친수성화 및 망상조직 잠재력의 증가를 얻도록 셀룰로스성 재료를 처리하는 연속 및 반-연속 라인에서의 코로나 방전의 병합에 관한 것이다.
직물 재료의 구조에 플라즈마성 방전을 유도함에 의한 물리적 및 화학적 변화에 의하여 직접적으로 영향받는 작용은 풀기제거(desizing), 알칼리처리, 표백, 가성화, 염색, 인쇄 및 마감처리이다.
코로나 방전은 정상적인 대기조건의 공기 중에서, 직물 재료를 연속적으로 이동시키면서 이루어진다.
코로나 방전은 주변 기압 및 온도에서 높은 전압 및 20~40Hz의 주파수의 조건에서 두 전극 사이에 생성된다.
이 기술은 플라스틱 분야에서 인쇄 링크들과 기질 사이의 접착력을 증가시키기 위해 널리 적용되고, 이 분야에서 완벽하게 통합된다. 가소성 재료 폴리머 필름에서, 재료의 처리 속도는, 폭이 최대 10m이고 우수한 처리 균일성을 가지면서, 450m/분 정도로 높을 수 있다. 예로서, 미국특허 제5882423호 "Plasma cleaning method for improved ink brand permanency on IC package"는 더 높은 표면 에너지를 얻는, 집적 회로의 금속성, 세라믹, 플라스틱 성분의 탈오염을 얻기 위해 플라즈마를 사용하는 방법을 기재하고, 이것은 재료에 더 나은 잉크 접착을 허용한다.
전압 400~800V의 낮은 압력(1~100 mbar) 및 1 MHz~ 2.1 GHz의 주파수 범위에서 방전이 이루어질 때, 이 처리는 "플라즈마" 또는 플라즈마 매질의 특정 경우인 "글로 방전"으로 불리운다. 이 특별한 처리는 이미 직물산업에 알려져 있고 특징적인 결과를 얻기 위해 다양한 기체상 매질 및 압력 수준에서의 작업가능성을 제공한다. 이것은 내수축성, 친수성 및 울 섬유의 스핀능을 개선시키기 위해 사용되지만, 매우 고가이고 고전적 버전 [1], [2], [3]에서는 진공하에서 작업을 해야만 한다.
또한 울 섬유에 대하여, 코로나 기술은 염색을 개선하고 항펠트 특성을 얻기위한 공정에 사용된다. 유럽특허 EP0548013 "Process for dyeing of wool with help of low-temperature plasma or Corona pre-treatment"는 표면 코로나 예비-처리 및 평탄화제 없이 수성조에서의 염색 및 염소에 의한 최종 처리를 피하는 것을 포함하는 공정을 기재한다. 항-펠트 특성에 관하여, 미국특허 제6103068호 "Process for anti-felting finishing of wool using a low-temperature plasma treatment"는 고주파수 저온 플라즈마 방전으로 처리함에 의해 울에 항-펠트 마감처리를 제공하는 공정을 기재한다.
코로나 처리는 또한 코팅된 직물의 점착력을 증가시키기 위해 사용된다. 유럽특허 GB 2279272호 "Process for coating textile fabrics with elastomers"는 코로나 방전의 적용에 의해 코팅된 재료의 직물 섬유에 대한 실리콘 층의 점착력을 증가시키는 것을 기재한다.
도 1은 다양한 전압 수준에서 코로나 방전 횟수에 따른 면섬유에 의한 물방울의 흡수시간을 나타낸다.
도 2는 코로나 방전 횟수에 따른 면섬유의 뒤틀림의 동력저항을 나타낸다.
도 3은 코로나 방전 횟수에 따른 린넨 섬유에 의한 물방울의 흡수시간을 나타낸다.
도 4는 직물 재료용 코로나 방전 어플리케이터를 나타낸다.
새로운 무공해 기술은 코로나의 경우와 같이, 저압 또는 주변 조건에서 본질적으로 플라즈마를 생산하는 물리적 수단을 기초로 한다. 이들 기술은 더 높은 품 질의 최종 제품뿐 아니라, 더욱 깨끗하고 저렴한 공정을 고안하기 위한 최적의 솔루션이며 흥미로운 비용으로 환경적으로 편리한 공정을 채택하기 위한 유일한 기회로 생각된다.
통상적인 직물 산업은 여전히 충분히 경쟁적이지 않다고 간주되며 이 한계를 해결하는 것을 돕기 위해 빠르고 혁신적인 솔루션이 요구된다. 그러므로, 이 분야에서 코로나 기술의 적용은 공정의 효율 면에서 확인된 장점을 가지며, 연속적 및 반-연속적 작업의 가능성을 허용하므로, 가장 단순한 선택이라는 사실의 관점에서 분석되었다.
직물 재료, 즉 셀룰로스에 코로나 기술을 적용하는 것은 고에너지를 요구하는 특정한 문제를 가져오지만, 최대 섬유폭 3.60m에 대해 60m/분의 높은 속도로 작동하는 연속 및 반-연속 공정에 대한 매우 편리한 솔루션으로 생각되어져 왔다.
직물 재료의 가공시, 친수성, 균일성 및 표면 반응성에 대한 업그레이드의 최대 장점을 얻기 위해, 코로나 기술을 병합하기 위한 새로운 솔루션의 개발이 미노대학교(the University of Minho) 및 관련 파트너들에 의해 수행되었다.
세라믹 전극과 역할 반대-전극 및 섬유의 연속적인 이동의 시스템을 갖는 코로나 방전의 실험용 원형의 구조물은 도래하는 새로운 공정의 실제적 이점, 경제적 및 환경적 장점의 평가뿐 아니라 정확한 시스템 분석에 대한 과학적 기준을 연구할 수 있는 가능성을 제공한다. 방전은 약 10000 V의 전압차를 유지하는 전극 간에 생성된다. 재료의 온도와 습도는 방전효과를 최적화하고 섬유의 손상을 막도록 정해지고, 즉, 면섬유에 대해 온도는 40℃이하이고 습도는 8% 이하이다.
코로나 처리 후, "세척 효과"로 인해 채널이 생성되어 면섬유의 표면상의 거칠기의 증가가 검출되고, 이것은 섬유 내부에 바스와 생성물의 긍정적인 접근에 영향을 미친다.
화학적 용어로, 코로나 처리는 산업적 공정동안 재료의 성질에 영향을 미치는 표면 산화를 일으킨다. 비-처리면은 탄소 82.9% 및 산소 14.7%의 평균 원소조성을 갖고, 또한 낮은 수준의 마그네슘, 칼륨 및 나트륨이 검출된다. 코로나 처리 후, 57.8%으로의 탄소 농도의 감소가, 최대 37.3%까지의 산소의 큰 증가와 함께 검출된다. 이 값들은 순수한 셀룰로스에서 나타나는 값과 거의 유사하다. C-O, OCO 및 COOR과 같은 기들이 상당히 증가하고, 이것은 밀납 표면하에 위치한 셀룰로스로의 접근성이 더 용이하고 효율적임을 나타낸다.
면섬유의 성질에 관한 모델이 구성되었고, 이것은 처리 후 얻어진 친수성과 방전 전압, 방전 횟수 및 섬유의 속도와 같은 방전조건 간의 관계를 나타낸다. 한 예를 도 1에 나타내었다. 이 변수들을 사용하고 주어진 처리 폭에 대하여, 코로나 조사적량을 산출하고 다양한 실제적 상황들과 비교한다.
코로나 조사적량의 수의 증가에 따라 원료 면섬유의 기계적 저항을 시험하였고 더 높은 값들이 얻어졌다(도 2).
소수성 린넨 섬유의 경우, 코로나 방전 횟수에 따른 친수성화의 변화를 도 3에 나타내었고, 유사한 변화가 면 특성과 비교하였을 때 발견되었다.
방전은, 즉 풀기제거, 알칼리처리, 머서처리, 염색, 마감처리 및 인쇄 공정에서, 특히 공정들이 연속 및 반-연속성 [4], [5], [6], [7]일 때, 친수성화 및 반 응성 증가에 의한 표면의 물리적 및 화학적 효과를 생성할 수 있다는 것이 증명되었다.
매우 기대되는 결과가 방전된 가공되기 전 또는 풀기제거된 면섬유가 어떠한 습윤제도 없이 머서처리 되었을 때 얻어졌고, 비 코로나처리된 섬유와 비교하여 최대 60%까지 바륨 수가 증가하면서 더 높은 수준의 효율과 균일성을 얻었다. 이 결과는 아마/면 혼합물 및 100% 린넨 제품에도 적용될 것이다.
연속 및 반-연속 공정에서 염색 및 마감처리 바스에 패딩시킴에 의한 함침 동안, 섬유의 성질에 있어서, 습윤제 없이도 더 높은 픽-업과 균일성을 얻는 것이 가능하고, 이것은 더욱 경제적이고 환경적인 방법으로 더 나은 최종 결과를 얻는 것을 의미한다.
일반적으로, 면과 아마 재료에서 균일한 코로나 방전은 공정의 여러 단계의 산업적 수행에 완벽하게 적응된 에너지 수준을 사용하여 얻어진다.
직물 웨브에 대한 코로나 처리기의 원리를 도 4에 나타내었다. 주요 부품들은 여러 전극 막대들을 갖는 전극(1)과 상대전극(2)이고, 상대전극은 바람직하기는 이동 직물 웨브(3)를 지지하는 이동 상대전극이다. 5000 ~ 30000V, 바람직하기는 10000~15000V의 충분한 사인파(sinusoidal) 또는 펄스 전압 및 10~100, 바람직하기는 약 30kHz의 주파수가 전극 막대들(1)에 적용되어 전극 막대들(1)과 상대전극(2) 사이의 틈 내에 코로나 방전을 생성하고 유지한다. 상대전극(2)은 접지되어 있다. 공정은 통상의 대기압에서 일어난다. 코로나 방전(4)은 직물 재료의 친수성 및 망상조직 잠재성을 개선한다.
전극은 유전체(도 4에 도시하지 않음), 바람직하기는 세라믹의 여러 전극 막대들로 구성되고, 이들은 상대전극(2)과 바람직하기는 1.5mm의 거리로 놓여진다. 전극의 냉각을 위해 기체상 매질(5), 바람직하기는 공기가 전극 막대들(1) 사이에 주입된다. 슬랏을 갖는 기체 분배 챔버(6)는 전극 막대(1)의 폭을 따라 동일한 기체 흐름을 유지한다.
전극 막대들(1)과 기체 분배 챔버(6)로 구성된 전극과 상대전극(2)은 하우징으로 둘러싸인다. 하우징은 직물 웨브(3)용 입구(8)와 출구(9)를 갖는다. 오존과 다른 기체상 성분들을 함유하는 배출-가스(9)는 팬에 의해 호스(10)를 통해 배출되어지고, 팬은 도 4에 도시되지 않았다.
전극 막대들(1)과 상대전극(2) 사이의 틈은 적어도 0.8mm 이고, 바람직하기는 1.5mm이고 3mm를 넘지 않는다. 틈은 전극 막대들(1)과 기체 분배 챔버(6)로 구성된 전극 또는 상대전극(2)의 이동에 의해 조절된다.
상대전극(2)은 유전체(도 4에 도시하지 않음), 바람직하기는 실리콘 또는 세라믹으로 코팅된 회전 드럼이고 직물 웨브(3)를 지지한다. 직물 웨브(3)의 이동은 조절된 속도로 일어난다. 온도 조절을 위해, 상대전극(2)은 이중 스킨 드럼의 형태이고 기체상 또는 바람직하기는 액상 매질에 의해 가열 또는 바람직하기는 냉각될 수 있다.
직물 웨브(3)의 속도에 따라, 전극과 상대전극으로 구성된 여러 유니트들이 직물 웨브(3)를 처리하기 위해 사용될 수 있다. 이들 유니트는 직물 웨브(3)의 단일 또는 이중 측면의 처리를 허용한다.
셀룰로스성 섬유의 습식 공정은 다음과 같은 여러 단계를 포함한다:
ㆍ세척, 친수성화, 크기안정화 및 표백이 주요 목적인 준비단계;
ㆍ염료가 도포되고 고정되는 염색단계;
ㆍ인쇄 페이스트 또는 잉크가 도포되고 고정되는 인쇄단계; 및
ㆍ광범위한 범위의 특성들이 특정 제품의 적용과 처리에 의해 개선되는 최종 마감처리 단계.
셀룰로스성 재료의 습식 처리 라인에서 코로나 병합이 제안되고 다음과 같은 선택이 제안된다:
ㆍ코로나 방전은 효소적 풀기제거에 앞서 적용된다.
ㆍ이 작업은 유익할 것이다. 왜냐하면, 섬유는 연속 및 반-연속 공정에서 패딩을 위해 사용되는 함침조에서 습윤제 없이도 친수적이 되기 때문이다. 굽혀진 얀에 걸쳐 더 깊은 작용에 의해 사이징제 제거를 고려하여, 더욱 균일한 결과가 보장된다.
풀기제거가 물에서의 가용화에 의해 이루어진다면, 사이징제의 팽창은 줄어들고 용이해진다.
ㆍ코로나 방전은 스커링을 대체할 수 있다.
ㆍ독립적인 스커링 처리를 포함하는 공정 라인에서, 이 작업은 왁스와 지방질 물질의 제거에 의한 친수성화를 목적으로 한다. 코로나 방전이 그레이 물질에 적용되면, 바스의 침투는 화학적 생성물의 사용을 최소화함에 의해 얻어질 수 있다. 천연 불순물의 제거는 추가의 산성/알칼리성 표백 처리에 의해 가능하다.
ㆍ코로나 방전은 가성화 또는 머서화의 예비-처리로서 적용될 수 있다.
ㆍ이들 작업은, 짧은 접촉시간 중 가공되기 전, 풀기제거된 또는 반-표백된 재료에 연속적으로 적용되는 고도로 농축된 알칼리 바스를 사용한다. 코로나 방전이 미리 이루어진다면, 섬유로의 바스의 침투의 부족 문제는 극복된다. 이것은 재료가 비-팽창 상태에서 여전히 소수성인 경우 특히 중요하고, 머서화 효과를 증가시키기 위해 더욱 선호된다. 섬유로의 바스의 접촉과 침투를 촉진하기 위해 습윤제의 사용이 가능하고 현재 실행되지만, 그러나 화학적 저항에 관한 적절한 선택의 중요한 문제는 코로나를 사용함으로써 해결될 수 있다.
코로나 방전을 사용함에 의한 섬유의 사전 친수성화는 또한 머서화된 섬유의 백분률이 상당히 높은 원인이 되고, 이것은 저비용 및 낮은 환경적 문제에서 더 높은 최종 품질을 의미한다.
ㆍ코로나 방전은 아마, 대마 및 혼합물에 적용될 수 있다.
ㆍ린넨 섬유와 대마 재료를 제조하는 특정의 경우, 바스의 침투에서의 어려움은 면섬유와 비교하여 더 결정성인 구조와 높은 수준의 불순물의 존재로 인해 더 높아진다. 린넨 재료에 대한 코로나 방전은 화학약품의 사용 없이 친수성화를 제공한다.
ㆍ코로나 방전은 패딩 공정에서 균일성 및 더 높은 픽-업을 보장한다.
ㆍ셀룰로스 섬유를 염색하기 위해 사용되는 패드-배치, 패드-롤 또는 패드-스팀 공정에서 패딩에 앞선 방전에 의해, 어두운 색으로 염색하기에 충분하다고 생각되는 몇몇 경우에, 재료가 부족한 제제를 갖는 경우에도 습윤제 없이 완전히 균 일한 방법으로 섬유를 침투하는 것이 가능하다.
ㆍ코로나 방전은 최종 마감처리 및 인쇄 공정에서 수지와 결합제의 고정을 증가시킨다.
직물 재료의 표면의 반응성 잠재력의 증가는 코로나 방전에 의해 유도되는 화학적 변화에 의해 달성되고, 이 기술의 장점은 연화, 항-수축, 손질-용이, 내화와 같은 마감처리, 및 결합제에 의한 인쇄 페이스트와 안료의 고정화 분야로 확대된다. 또한, 코로나 처리된 재료에 마감처리 바스의 적용은 마감처리된 제품에 더 높은 균일성 및 친수성을 보장한다.
참조문헌
Claims (8)
- 코로나 방전으로 불리는 무공해 기술이 병합된, 주변 기압 및 온도에서 셀룰로스성 재료를 처리하기 위한 연속 및 반-연속방법으로:산업 공정 중 셀룰로스 재료의 성질, 즉 함침 중의 완전하고 균일한 젖음성과 수지와 결합제의 더 강한 접착력을 얻기 위한 능력에 영향을 미치는 셀룰로스성 재료의 친수성화 및 망상조직 잠재력의 증가를 가져오는 표면 산화 및 형태의 물리적 변화를 일으키도록,ㆍ5000~30000 볼트, 바람직하기는 10000~15000 볼트의 전압차를 유지하는 전극과 상대전극 사이의 교류 전류 방전의 적용;ㆍ전극 및/또는 상대전극 상의 유전장벽;ㆍ전극 및/또는 상대전극의 냉각;ㆍ10~100kHz, 바람직하기는 약 30kHz의 주파수 영역을 갖는 사인파 또는 임펄스 방전;ㆍ정상 대기압에서 수행되는 공정;ㆍ전극과 상대전극 사이에서 직물 재료의 조절가능 속도로의 연속 이동;ㆍ코로나 효과를 최적화하고 손상을 막기 위해 직물재료의 온도와 습도를 미리 한정함을 특징으로 하는 연속 및 반-연속 처리방법.
- 제1항에 있어서, 직물 재료의 구조에 유도된 물리적 및 화학적 변경으로 인 해, 풀기제거, 스커링, 표백, 가성화, 머서화, 염색, 인쇄 및 최종 마감처리의 작업에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는, 코로나 방전이 병합된, 연속 및 반-연속 처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 재료의 처리를 위해 고안된 일련의 작업에 대해 목적으로 하는 대상에 따라, 가공되기 전, 풀기제거된, 표백된 그리고 마감처리된 상태들에서 개방-폭 섬유에 조절된 온도, 습도 및 속도로 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 연속 및 반-연속 처리방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 셀룰로스성 섬유, 즉 면, 아마, 대마, 및 혼합물 중 셀룰로스성 성분이 최대 백분율을 갖는 조건으로 합성 또는 인조섬유들과의 혼합물을 처리할 수 있는 것을 특징으로 하는 연속 및 반-연속 처리방법.
- 코로나 방전이 병합된, 연속 및 반-연속 공정으로 직물 재료를 처리하기 위한 설비로,-코로나 방전이 진행되고, 내부에:ㆍ 여러 개의 막대를 갖는 전극(1)과 섬유를 지지하기 위한 회전 상대전극(2);ㆍ전극을 구성하는 막대들 사이에 삽입된 전극을 냉각시키기 위한 기체분배 구획(6), 여기서 상기 구획은 전극 막대들을 따라 균일한 분배를 허용하기 위한 개구를 갖고;ㆍ직물 재료용 입구(8) 및 출구(9);ㆍ팬을 통해 추출된, 오존과 다른 기체상 성분들을 함유하는 기체 유출물을 위한 개구(10)를 갖는 챔버(7)로 구성된 것을 특징으로 하는 연속 및 반-연속 공정으로 직물 재료를 처리하기 위한 설비.
- 제5항에 있어서, 바람직하기는 세라믹 재료로 만들어진, 유전체를 갖는 전극(1)이 상대전극(2)으로부터 0.8mm이상 ~ 최대 3mm, 바람직하기는 1.5mm의 거리만큼 떨어져 있고, 상기 거리는 막대들로 구성된 전극(1)과 기체분배챔버(6) 또는 상대전극(2)을 이동시킴에 의해 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전이 병합된, 연속 및 반-연속 공정으로 직물 재료를 처리하기 위한 설비.
- 제5항에 있어서, 상대전극(2)은 바람직하기는 유전체로 코팅된, 바람직하기는 실리콘 또는 세라믹 재료로 만들어진 회전 드럼이고, 이것은 직물 재료(3)를 나르고, 온도조절을 위해 기체 또는 바람직하기는 액체 매질에 의해 가열되거나 바람직하기는 냉각될 수 있는 이중 스킨 드럼의 형태를 갖는, 코로나 방전이 병합된, 연속 및 반-연속 공정으로 직물 재료를 처리하기 위한 설비.
- 제5항에 있어서, 직물 재료(3)의 속도에 따라, 여러 전극과 상대전극 유니트 가 직물 재료의 처리를 위해 사용되고, 이것은 직물 재료(3)의 한면 또는 양면을 처리할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 코로나 방전이 병합된, 연속 및 반-연속 공정으로 직물 재료를 처리하기 위한 설비.
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