KR20110066503A - 광전도 안테나에 볼렌즈를 형성하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 간단하면서 대량으로 제작이 가능한 테라헤르츠파 송수신 패키지모듈을 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 테라헤르츠파의 발생 및 검출을 편리하게 측정할 수 있는 테라헤르츠파 송수신 패키지모듈을 제조하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법은 웨이퍼가 일측에 마련된 기판의 다른 일측에, 광전도 안테나를 형성하는 단계, 및 상기 웨이퍼를 연마하여, 반구형의 볼렌즈를 형성시키는 단계를 포함한다.
테라헤르츠파, 광전도 안테나소자, 볼렌즈, 갈륨비소(GaAs)
Description
본 발명은 광전도 안테나소자를 미세 형상화한 기판의 뒷면에 볼렌즈(ball lens)를 형성시킨 테라헤르츠파(Terahertz wave, THz-wave) 송수신 패키지 모듈 제작 방법에 관한 것으로, 볼렌즈를 광전도 안테나소자와 일체화시키는 제작 방법에 관한 발명이다. 구체적으로, 본 발명은 일체화된 광전도 안테나소자에는 펨토초 레이저 펄스를 효율적으로 입사시키는 집속렌즈를 정렬시켜, 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 패키지 모듈을 구현하는 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부(MKE) 및 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 창안된 특허이다[과제관리번호: 2006-S-005-4, 과제명: THz파 발진 변환 검출기 및 신호원].
테라헤르츠(THz)파는 적외선과 마이크로파 사이의 100GHz 에서 10THz 범위의 주파수를 가진 전자기파로서, 최근 첨단기술의 발전에 힘입어 미래의 전파자원으로 인정되면서 세계적으로 점점 많은 주목을 받고 있으며, IT(Information Technology), BT(Bio Technology) 등과의 융합을 통한 다양한 응용분야에서 그 중요성을 더해가고 있다.
특히, 테라헤르츠파는 가시광선처럼 직진하면서 전파처럼 다양한 물질을 잘 투과하므로, 물리, 화학, 생물학, 의학 등의 기초과학뿐만 아니라, 위조지폐, 마약, 폭발물, 생화학무기 등의 감지에 사용되며, 산업 구조물을 비파괴적으로 검사할 수 있어서 일반 산업, 국방, 보안 등의 분야에서도 앞으로 광범위하게 활용될 것으로 기대되고 있다. 또한, 정보통신 분야에서도 40 Gbit/s 이상의 무선통신, 고속 데이터 처리, 위성간 통신에 테라헤르츠 기술이 광범위하게 사용될 것으로 기대되고 있다.
이와 같은 테라헤르츠파는 그 발생 방법에 따라서 연속형과 펄스형으로 나눌 수 있다. 펄스형 테라헤르츠파는 펨토초(femtosecond: 10-15초) 레이저를 특수한 반도체 또는 광학결정에 조사하여 테라헤르츠파를 발생시키는 방법으로, 이에 대하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 펨토초 레이저를 광전도 안테나에 조사하여 펄스형 테라헤르츠파를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광전도 안테나(100)는 반절연성 갈륨비소(SEMI Insulating GaAs) 또는 저온성장 갈륨비소(LT GaAs)를 포함한 갈륨비소(GaAs) 기판(110) 위에 형성된 광전도성 박막(120)과, 상기 광전도성 박막(120) 위에 형성된 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로(130)를 포함한다. 여기에서, 상기 금속 평행 전송선로(130)의 중앙 영역에 돌출된 부위는 소형다이폴 안테나(dipole antenna)로서 작 용한다.
상기 금속 평행 전송선로(130)에 바이어스 전압(Vb)을 인가한 상태에서, 시간폭이 100 펨토초 이하인 레이저 펄스광(fs)을 사용하여 간헐적으로 여기(excitation)시키면, 광흡수에 의한 전자 또는 정공의 캐리어가 생성되어 순간적으로 금속 평행 전송선로(130)를 통해 전류가 흐르고, 이 전류의 시간 미분값에 비례하는 테라헤르츠파가 발생된다.
이렇게 발생된 테라헤르츠파는 유전율이 큰 기판(110) 표면에서 강하게 방사되며, 방사되는 테라헤르츠파의 펄스폭은 1ps 이하로써 범용인 30fs 이상의 레이저 펄스를 사용하여 광 여기시킬 경우, 퓨리에(Fourier) 변환하여 얻게 되는 스펙트럼은 0 ~ 수 테라헤르츠파까지의 넓은 스펙트럼을 갖게 된다.
이와 같이 기판 표면에서 테라헤르츠파가 방사되기 위해서는 펨토초 레이저 펄스를 집속 렌즈(Focusing Lens)를 통해 광전도 안테나(100)에 집속시켜 주파수 영역으로 변환한 후 다시 형성된 볼렌즈 영역을 통해 소정 영역에 집속시켜야 한다.
하지만, 종래에는 집속 렌즈, 광전도 안테나, 실리콘 볼 렌즈 등의 소자들을 한꺼번에 광학 테이블에 실장 및 정렬하여 테라헤르츠파 송수신 모듈을 제작하기 때문에, 이들을 정밀하게 면 접속시키기 위해서는 고정도 정렬 기술이 수반되어야 하는 문제가 있다.
특히, 광전도 안테나와 반구형의 실리콘 볼렌즈를 면 접속시키는 경우, 광전도 안테나와 실리콘 볼렌즈의 표면에 스크래치가 발생할 수 있고, 정렬 오차의 문 제가 발생할 수 있다. 더욱이 광전도 안테나와 실리콘 볼렌즈의 정렬 상태를 계속적으로 유지하기 위한 별도의 고정 수단이 필요로 되는 문제점이 있다.
또한, 발생된 테라헤르츠파의 특성 테스트를 위해서는 전도성 접착제나 인듐접합을 이용하여 광전도 안테나에 전선을 직접 연결하고, 테스트가 완료된 후에 다시 전도성 접착제나 인듐 접합을 이용하여 전선을 제거해야 하므로, 광전도 안테나와 실리콘 볼렌즈의 정렬 상태를 그대로 유지하면서 테라헤르츠파의 특성을 테스트하기가 매우 번거롭고 까다롭다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안한 것이며, 간단하면서 대량으로 제작이 가능한 테라헤르츠파 송수신 패키지모듈을 제조하기 위한 것이다. 또한, 테라헤르츠파의 발생 및 검출을 편리하게 측정할 수 있는 테라헤르츠파 송수신 패키지모듈을 제조하기 위한 것이다
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 패키지모듈은 웨이퍼가 일측에 마련된 기판의 다른 일측에, 광전도 안테나를 형성하는 단계, 및 웨이퍼를 연마하여, 반구형의 볼렌즈를 형성시키는 단계를 포함한다.
웨이퍼는 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함한다. 기판은 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함한다. 광전도 안테나를 어레이 정렬구조로 형성한다. 기판의 절단되는 일부 영역에 하나의 광전도 안테나가 위치 하도록 전체 구조물을 소정 크기로 절단하는 단계를 더 포함한다. 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결하는 단계를 더 포함한다. 광전도 안테나를 형성하는 단계는, 기판 상에 광전도성 박막을 증착하고, 광전도성 박막을 패터닝하여 다수의 광전도 안테나를 어레이 정렬 구조로 형성한다. 광전도성 박막을 패터닝할 때, 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로와 금속 평행 전송선로의 양단에 전극 패드가 형성된 형태로 패터닝한다. 기판의 절단되는 일부 영역에 하나의 광전도 안테나가 위치하도록 전체 구조물을 소정 크기로 블록화한 후, 소잉 공정을 통해 블록화된 크기로 절단한다. 블록화 이전에, 광전도 안테나의 상부에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함한다. 볼렌즈 형성 후, 보호막을 제거하고, 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결하는 단계를 더 포함한다. 실리콘 볼렌즈가 형성된 광전도 안테나에 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈를 정렬시키는 단계를 더 포함한다. 볼 렌즈는 5mm 내지 100mm의 직경을 갖는다. 기판은 5mm 내지 100mm의 두께를 갖는다.
본 발명에 따르면, 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함한 갈륨비소 웨이퍼 재료의 볼렌즈에 광전도 안테나를 일체화되도록 형성시키고, 볼렌즈와 일체화된 광전도 안테나에 펨토초 레이저 펄스용 집속 렌즈를 정렬시켜 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈을 구현할 수 있다.
따라서, 종래에 비하여 보다 간단한 공정으로 동일 특성을 갖는 다량의 송/수신 모듈 부품을 제작 할 수 있으며, 보다 단순한 구조로 테라헤르츠파를 용이하 게 발생시키거나 측정할 수 있으며, 이에 따라 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 구축에 소요되는 시간 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 단순화 및 소형화, 대량 생산을 도모할 수 있다.
더욱이, 테라헤르츠파의 특성 측정이 필요한 경우, 광전도 안테나에 연결된 연결선에 외부 단자를 연결하여 광전도 안테나에서 발생된 테라헤르츠파의 특성을 간단하게 측정할 수 있으므로 테스트 시간 및 비용도 획기적으로 감소시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2a, 도 2b 는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)을 개략적으로 나타낸 도면이며, 광전도 안테나(240)의 GaAs 기판(110)을 별도로 구분하거나 구분하지 않은 도면이다. 도 3은 도 2a, 2b에 도시된 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)이 적용된 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a, 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)은 볼렌즈(230)에 형성된 광전도 안테나(240)에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈(250)가 정렬된 구조를 갖는다. 볼렌즈(230)는 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소(LT GaAs)를 포함한 갈륨비소(GaAs) 재료로 제작될 수 있으며, 실리콘과 같은 다른 재료로도 제작 가능하다.
도 3에는, 도 2a, 2b에 도시된 테라헤르츠파 송수신 모듈이 적용된 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템을 개략적으로 나타나 있다. 테라헤르츠 시간영역 분광(THz_TDS) 시스템은 사파이어 레이저(Sapphire Laser) (300)로부터 발생한 레이저 빔을 빔 스프리터(Beam splitter) (310)를 통해 두 레이저 빔으로 나누고, 한쪽의 레이저 빔을 옵티컬 딜레이(Optical delay) (320)를 통과시킨다. 그리고, 두 레이저 빔 모두 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)에 미러(330)를 통해 입사시킨다. 그리고, 좌우 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)에서 발생한 테라헤르츠파를 비정축 포물면경(off-axis parabolic mirror) (340)을 통해 샘플(350)쪽으로 집속한다. 좌우 레이저 빔의 경로가 정확하게 일치하는 지점에서 테라헤르츠 신호의 최대값을 측정할 수 있는데, 테라헤르츠 신호를 측정하는 방법은 옵티컬 딜레이(320)를 이용하여 왼쪽의 광전도 안테나(240)쪽 레이저 빔의 광로를 조금씩 변화시킴으로써 광로차를 이용한 샘플링 방식으로 측정하게 된다.
종래에는 실리콘 볼렌즈(230)와 광전도 안테나(240)를 정밀하게 면 접속시키기 위해 고정밀도의 정렬 기술이 수반되어야 한다.
그러나, 본 발명에서는 갈륨비소 볼렌즈(230)에 광전도 안테나(240)가 일체화되도록 형성되어 있으므로 고정도의 정렬 기술을 사용하지 않아도 된다.
즉, 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함한 갈륨비소 재료의 볼렌즈(230)에 일체화되도록 형성된 광전도 안테나(240)에 집속 렌즈(250)를 정렬시켜 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈(200)을 간단하게 구현할 수 있으므로, 종래에 비하여 보다 간단한 구조로 테라헤르츠파를 용이하게 발생시키거나 측정할 수 있다.
따라서, 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 구축에 소요되는 시간 및 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템의 단순화 및 소형화를 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈의 제조 방법의 일실시예 따르면, 광전도 안테나소자에 볼렌즈를 일체화시킬 목적으로, 반절연성 갈륨비소(SI-GaAs) 또는 저온성장한 갈륨비소(LT-GaAs) 기판에 상당수의 광전도 안테나소자(100)를 표준리소그래피 기법으로 형상화(Pattern)시키고, 보호방식 또는 테핑(tapping)법으로 광전도 안테나소자를 보호하면서 절단(Sawing) 공정을 통해 분리한다. 그 후, 각각의 광전도 안테나소자(H-형 패턴)에서 테라헤르츠파 발생이 최적으로 되는 중앙부를 중심으로 반구형 볼렌즈 연마 가공하면, 볼렌즈와 일체화된 광전도 안테나소자(100)와 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장한 갈륨비소 기판(110)을 포함한 안테나소자 모듈이 제작된다. 이 모듈과 집속렌즈를 정렬시키면 하나의 완전하고 독립된 테라헤르츠파 송수신 모듈을 구현할 수 있다. 따라서 잘 정립된 간단한 공정들을 통해 제작한 구조물에 의해, 테라헤르츠파를 용이하게 발생/검출할 수 있도록 하는 것이다.
이하, 상기 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈의 제조 방법의 일실시 예에 대하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면으로, 기판(210)에 광전도 안테나(240)와 볼렌즈(230)를 일체화되도록 형성하는 방법을 위주로 설명한다.
먼저, 도 4a와 같이 웨이퍼(230a)가 일측에 마련된, 기판(210)이 마련된다. 웨이퍼(230a)는 이후에 볼렌즈가 될 부분으로, 5mm 내지 100mm의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함한 갈륨비소 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 볼렌즈 제작 가능한 다른 재료도 사용가능하다. 기판(210)도 5mm 내지 100mm의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함한 갈륨비소를 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 다른 재료도 사용가능하다.
그리고, 도 4b와 같이, 기판(210) 상부에 광전도 안테나(240)를 일체화되도록 형성시킨다. 구체적으로, 기판(210) 상에 광전도성 박막(240a)을 증착한 후, 상기 광전도성 박막(240a)을 패터닝하여 다수의 광전도 안테나(240)를 어레이 정렬 구조로 형성한다.
이 때, 상기 광전도 안테나(240)는 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로(241)와 상기 금속 평행 전송선로(241)의 양단에 형성된 전극 패드(243)를 포함하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 기판(210) 상에 다수의 광전도 안테나(240)를 어레이 정렬 구조로 형성하는 이유는 한번의 공정으로 여러 개의 테라헤르츠파 송수신 모듈을 동시에 제작하기 위해서이다.
다음으로, 도 4c와 같이 상기 광전도 안테나(240)를 보호하기 위해 상기 광전도 안테나(240)의 상부에 보호막(245)을 형성한 후, 소정 크기의 웨이퍼(230a)상에 하나의 광전도 안테나(240)가 위치하도록 전체 구조물을 소정 크기로 블록화한다.
그 다음, 도 4d와 같이 소잉(Sawing) 공정을 통해 블록화된 크기로 절단한다.
다음으로, 도 4e와 같이 소정 크기로 절단된 웨이퍼(230a)의 배면을 연마하여 반구형의 볼렌즈(230)를 형성한다. 여기에서, 상기 반구형의 볼렌즈(230)는 5mm내지 100mm의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
마지막으로, 도 4f와 같이 상기 보호막(245)을 제거한 후, 상기 광전도 안테나(240)의 전극 패드(243)에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선(L)을 연결한다.
이렇게 상기 광전도 안테나(240)의 전극 패드(243)에 신호선(L)이 연결됨에 따라 테라헤르츠파의 특성 테스트시 상기 신호선(L)을 테스트 시스템에 연결하기만 하면 되므로, 상기 광전도 안테나(240)에서 발생된 테라헤르츠파를 용이하게 측정할 수 있다.
상기와 같은 일련의 공정을 통해 갈륨비소(GaAs)로 형성된 볼렌즈(230)와 볼렌즈에 일체화된 광전도 안테나(240)를 다량으로 제작할 수 있으며, 이렇게 제작이 완료된 광전도 안테나(240)에 펨토초 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌 즈(250)를 정렬시키면 테라헤르츠파 송수신 모듈이 완성된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명의 범위가 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 다른 재료의 적용이나 형태로 변형이 가능하다.
도 1은 펨토초 레이저를 광전도 안테나에 조사하여 펄스형 테라헤르츠파를 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b 는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 테라헤르츠파 송수신 모듈이 적용된 테라헤르츠파 발생 및 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 테라헤르츠파 송수신 모듈의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 종래의 광전도 안테나 110 : GaAs 기판
120 : 광전도성 박막 130 : 금속 평행 전송선로
200 : 본 발명의 테라헤르츠파 송수신 모듈
210 : GaAs 기판 220 : 실리콘 옥사이드막
230a : 실리콘 웨이퍼 230 : 실리콘 볼렌즈
240a : 광전도성 박막 240 : 광전도 안테나
241 : 금속 평행 전송선로 243 : 전극 패드
245 : 보호막 250 : 집속 렌즈
300 : 사파이어 레이저 310 : 빔 스프리터
320 : 옵티컬 딜레이 330 : 미러
340 : 비정축 포물면경 350 : 샘플
Claims (14)
- 웨이퍼가 일측에 마련된 기판의 다른 일측에, 광전도 안테나를 형성하는 단계; 및상기 웨이퍼를 연마하여 반구형의 볼렌즈를 형성시키는 단계를 포함하는 테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 웨이퍼는 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 반절연성 갈륨비소 또는 저온성장 갈륨비소를 포함하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 광전도 안테나를 어레이 정렬구조로 형성한테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 기판의 절단되는 일부 영역에 하나의 상기 광전도 안테나가 위치하도록 전체 구조물을 소정 크기로 절단하는 단계를 더 포함하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결하는 단계를 더 포함하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 4항에 있어서,상기 광전도 안테나를 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 광전도성 박막을 증착하고, 상기 광전도성 박막을 패터닝하여 다수의 상기 광전도 안테나를 어레이 정렬 구조로 형성하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 광전도성 박막을 패터닝할 때, 중앙 돌출 부위를 갖는 금속 평행 전송선로와 상기 금속 평행 전송선로의 양단에 전극 패드가 형성된 형태로 패터닝하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 5항에 있어서,상기 기판의 절단되는 일부 영역에 하나의 상기 광전도 안테나가 위치하도록 상기 전체 구조물을 소정 크기로 블록화한 후, 소잉 공정을 통해 블록화된 크기로 절단하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 9항에 있어서,상기 블록화 이전에,상기 광전도 안테나의 상부에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 10항에 있어서,상기 볼렌즈 형성 후, 상기 보호막을 제거하고 상기 광전도 안테나에 외부 소자와의 전기적 연결을 위한 신호선을 연결하는 단계를 더 포함하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 실리콘 볼렌즈가 형성된 광전도 안테나에 레이저 펄스를 집속시키기 위한 집속 렌즈를 정렬시키는 단계를 더 포함하는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 볼 렌즈는 5mm 내지 100mm의 직경을 갖는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 기판은 5mm 내지 100mm의 두께를 갖는테라헤르츠파 송수신 모듈 제조 방법.
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