KR20150033254A - 누설 경로 차단용 융기부가 형성되어 있는 안전벤트를 포함하는 캡 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 - Google Patents

누설 경로 차단용 융기부가 형성되어 있는 안전벤트를 포함하는 캡 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전지 케이스의 개방 일면에 장착되어 전지 케이스를 밀폐하는 캡 조립체로서, 제 1 결합부, 상기 제 1 결합부로부터 연장 형성되어 있는 제 1 외주부, 및 상기 제 1 외주부에 형성되는 제 1 가스 배출부를 포함하는 전류 차단부재; 및일면은 상기 제 1 결합부와 결합되고, 타면에는 일면의 대향 방향으로 융기되어 있는 융기부를 포함하는 제 2 결합부, 상기 제 2 결합부로부터 연장 형성되어 있는 제 2 외주부, 및 상기 제 2 외주부에 형성되는 제 2 가스 배출부를 포함하는 안전벤트; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.

Description

누설 경로 차단용 융기부가 형성되어 있는 안전벤트를 포함하는 캡 조립체 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 {Cap Assembly Comprising Safety Member Having Protrusion Part being formed for Preventing Leak Path and Lithium Secondary Battery Comprising The Same}
본 발명은, 반복적인 충방전이 가능한 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 종래에 비해 향상된 안전성을 발휘하는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
이차전지는 전지케이스의 형상에 따라, 전극조립체가 원통형 또는 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 원통형 전지 및 각형 전지와, 전극조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류된다.
도 1에는 일반적인 원통형 전지의 수직 단면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참고하면, 원통형 이차전지(100)는 젤리-롤형(권취형) 전극조립체(120)를 원통형 캔(130)에 수납하고, 원통형 캔(130) 내에 전해액을 주입한 후에, 원통형 캔(130)의 개방 상단에 전극 단자(예를 들어, 양극 단자; 도시하지 않음)가 형성되어 있는 탑 캡(140)을 결합하여 제작한다.
전극조립체(120)는 양극(121)과 음극(122), 및 이들 사이에 분리막(123)을 개재한 후 둥근 형태로 감은 구조로서, 그것의 권심(젤리-롤의 중심부)에는 원통형의 센터 핀(150)이 삽입되어 있다. 센터 핀(150)은 일반적으로 소정의 강도를 부여하기 위해 금속 소재로 이루어져 있으며, 판재를 둥글게 절곡한 중공형의 원통형 구조로 이루어져 있다. 이러한 센터 핀(150)은 전극조립체를 고정 및 지지하는 작용과 충방전 및 작동시 내부 반응에 의해 발생되는 가스를 방출하는 통로로서 작용한다.
도 2를 참고하면, 탑 캡(140)은 돌출된 형태로 양극 단자를 형성하고 가스 배출구가 천공되어 있으며, 그것의 하부에 전지 내부의 온도 상승시 전지 저항이 크게 증가하여 전류를 차단하는 PTC 소자(positive temperature coefficient element: 142), 전지 내부의 압력 상승 시 파열되어 가스를 배기하는 안전벤트(143), 및 상단 일측 부위가 안전벤트(143)에 결합되어 있고 하단 일측이 리드(146)을 통해 전극조립체(144)의 양극에 연결되어 있는 접속 플레이트(145)가 순차적으로 위치되어 있다.
본 발명은, 종래의 리튬 이차전지와 달리, 높은 용접강도에서도 양품률이 우수하여 공정성을 향상시킬 수 있는 캡 조립체를 제공하고자 한다. 또한, 가스 또는 전해액 등이 외부로 누설되는 누설 경로를 차단함으로써 향상된 안전성을 발휘하는 리튬 이차전지를 제공하고자 한다.
본 발명은, 높은 용접강도에서도 우수한 양품률을 발휘하여 공정성을 향상시키기 위해서, 하나의 비제한적인 실시예에 따라, 하기와 같이 설계된 캡 조립체를 제공할 수 있다.
상기 캡 조립체는,
제 1 결합부, 상기 제 1 결합부로부터 연장 형성되어 있는 제 1 외주부, 및 상기 제 1 외주부에 형성되는 제 1 가스 배출부를 포함하는 전류 차단부재; 및 일면은 상기 제 1 결합부와 결합되고, 타면에는 일면의 대향 방향으로 융기되어 있는 융기부를 포함하는 제 2 결합부, 상기 제 2 결합부로부터 연장 형성되어 있는 제 2 외주부, 및 상기 제 2 외주부에 형성되는 제 2 가스 배출부를 포함하는 안전벤트; 를 포함할 수 있다.
상기 제 2 결합부의 최대 두께는 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께를 기준으로 1.5배 이상일 수 있다. 구체적으로, 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께를 기준으로 2배 내지 5배의 범위 내일 수 있다. 경우에 따라서는, 제 2 결합부의 최대 두께는, 융기부의 두께를 포함할 수 있다. 융기부의 두께가 두꺼울수록, 그리고 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께가 얇아질수록 가스 또는 전해액의 누설 경로를 외부환경과 차단하는데 유리한 효과를 발휘할 수 있다. 이로 인해, 양품률 및 공정성이 향상될 수 있다. 제 2 결합부는 비융기부를 포함하고 있을 수 있고, 이 때, 비융기부의 평균 두께는, 제 1 결합부의 최소 두께의 1배 이하일 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시예에 따를 때, 상기 제 1 결합부는 제 1 외주부를 기준으로 제 2 결합부의 일면 방향으로 돌출 또는 절곡되어 있는 돌출부 또는 절곡부를 포함하고 있을 수 있다. 이 때, 제 1 결합부의 최소 두께는, 돌출부 또는 절곡부의 두께일 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시예에 따를 때, 전류 차단부재와 안전벤트의 결합은, 용접에 의해서 이루어질 수 있고, 상기 용접은, 전류 차단부재에서 안전벤트의 방향으로 이루어지며, 이 때, 제 1 결합부와 제 2 결합부의 결합은, 융기부의 단면 상에서, 제 1 결합부에서 제 2 결합부 방향으로 돌출된 용접부를 형성할 수 있다. 제 1 결합부와 제 2 결합부의 용접은, 구체적으로, 초음파 용접, 레이저 용접, 저항 용접 및 아크 용접 등 또는 이들에서 선택된 둘 이상에 의해 이루어질 수 있다. 제 1 결합부와 제 2 결합부의 용접으로 인한 전해액 또는 가스의 누설경로는 융기부 내에만 형성되어 있다.
상기 용접부는 봉우리 형상이고, 가장 높은 봉우리가 융기부를 관통하는 경우에는, 종래와 마찬가지로 용접면과 모재 사이의 틈(crack)이 외부 환경과 직접 연결되어 가스 또는 전해액 등이 누설될 수 있으므로, 융기부의 두께는 두꺼울수록, 그리고 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께가 얇아질수록 가스 또는 전해액의 누설 경로를 차단하는데 유리한 효과를 발휘할 수 있다.
상기 용접부의 높이는, 제 2 결합부의 최대 두께의 범위 내일 수 있다. 상기 용접부의 지름은, 융기부의 하면의 면적 또는 지름의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께는, 종래의 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께의 0.6 배 내지 0.7 배의 범위 내일 수 있다. 또한, 제 2 결합부의 최대 두께는, 융기부가 없는 종래의 안전벤트의 제 2 결합부의 최대 두께의 2배 이상일 수 있다. 융기부가 없는 종래의 안전벤트의 제 2 결합부의 최대 두께는, 상기한 비융기부의 두께와 동일할 수 있다.
구체적으로, 종래의 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께가 0.5 밀리미터(mm)인 경우, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께는 0.3 밀리미터일 수 있다. 또한, 종래의 안전벤트의 제 2 결합부의 최대 두께가 0.3 밀리미터인 경우, 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 제 2 결합부의 최대 두께는, 0.7 밀리미터일 수 있다.
상기 융기부의 하면의 면적은, 상기 일면과 마주하는 제 1 결합부의 대면의 면적을 기준으로 1배 이상일 수 있다. 즉, 상기 융기부의 하면의 면적은, 적어도 상기 제 1 결합부의 대면의 면적과 같거나 클 수 있다. 또한, 융기부의 단면 형상은, 균일한 높이로 제 1 결합부를 완전히 덮을 수 있는 사각형일 수 있다.
상기 제 2 결합부는, 일면과 타면의 면적이 상기 일면과 마주하는 제 1 결합부의 대면의 면적에 비해 클 수 있다.
상기 캡 조립체는, 전류 차단부재용 가스켓(Gasket)을 더 포함할 수 있고, 상기 전류 차단부재용 가스켓은 전류 차단부재의 제 1 외주부에 장착되는 제 3 결합부와 상기 제 3 결합부에 형성되고 상기 제 1 및 제 2 가스 배출부와 연통하는 제 3 가스 배출부를 포함하고 있을 수 있다.
상기 제 2 외주부는, 상기 제 2 결합부의 둘레에서 절곡되어 있는 격벽부와 상기 격벽부의 둘레에서 절곡되어 있는 외곽부를 포함하고 있을 수 있다. 제 2 가스 배출부는, 제 2 결합부와 격벽부의 절곡 부위의 제 1 홈부와 격벽부와 외곽부의 절곡 부위에 형성된 제 2 홈부를 포함할 수 있다.
상기 제 1 가스 배출부와 제 3 가스 배출부는 각각 제 1 외주부와 제 3 결합부를 관통하는 관통 홀(hole)일 수 있다,
상기 캡 조립체는, 전류 차단부재, 전류 차단부재용 가스켓, 안전벤트, PTC 소자, 및 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡의 적층 구조로 이루어져 있을 수 있고, 상기 적층 구조의 외주면에 가스켓이 추가로 장착되어 있을 수 있다.
본 발명의 비제한적인 실시예예 따라서, 본 발명은, 상기한 캡 조립체가 전극 적층체와 전해질이 내장되어 있는 전지 케이스의 개방 일면에 장착되어 있는 전기화학 셀 및 상기 전기화학 셀을 전원으로 사용하는 디바이스를 제공할 수 있다. 상기 전극 적층체는, 양극, 음극 및 분리막을 포함하고, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조를 포함할 수 있다.
본 발명은, 제 2 결합부의 최대 두께가 제 1 결합부의 최소 두께에 비해서 두꺼워서, 제 1 결합부와 제 2 결합부의 용접 공정에서, 가스 또는 전해액 등의 누설경로가 제 2 결합부 내에만 형성되므로, 높은 용접 강도에도 불구하고 양품률이 우수하고, 이로 인해 공정성 및 안전성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 원통형 이차전지의 수직 단면 사시도이다;
도 2는 일반적인 캡 조립체의 수직 단면도이다;
도 3은 본 발명의 비제한적인 하나의 실시예에 따른 원통형 이차전지의 단면 모식도이다;
도 4는 도 3의 전지에 사용된 전류차단부재의 사시도이다;
도 5는 도 3의 전지에 사용된 안전벤트의 사시도이다;
도 6은 일반적인 안전벤트와 전류차단부재의 용접부의 단면 사진이다;
도 7 및 8은 본 발명의 비제한적인 하나의 실시예에 따른 안전벤트와 전류차단부재의 용접부의 단면사진이다.
이하 도면들 내지 제조예들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 비제한적인 하나의 실시예에 따른 이차전지에서 캡 조립체 구조가 도시되어 있고, 도 4 및 도 5에는 도 3의 전지에 사용된 안전벤트 및 전류차단부재의 사시도가 각각 도시되어 있다.
우선 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지(100)는 캔(200)의 내부에 전극조립체(110)를 삽입하고, 여기에 전해액을 주입하며, 캔(200)의 개방 상단에 캡 조립체(300)를 장착함으로써 제조된다.
캡 조립체(300)는 캔(200)의 상부 비딩부(210)에 장착되는 기밀유지용 가스켓(400) 내부에 상단 캡(310)과 내부 압력 강하용 안전벤트(320)가 밀착되어 있는 구조로 이루어져 있다. 상단 캡(310)은 중앙이 상향 돌출되어 있어서 외부 회로와의 접속에 의한 양극 단자로서의 역할을 수행하고, 돌출부 주변을 따라 캔(200) 내부의 압축 가스가 배출될 수 있는 관통구(312)가 다수 개 형성되어 있다.
안전벤트(320)는 전류가 통하는 박막 구조물로서, 제 2 결합부(322)는 안전벤트(320)의 중앙에서 함몰되어 만입형 제 2 결합부를 형성하고 있고, 제 2 결합부(322)에는 융기부(700)가 형성되어 있으며, 제 2 외주부는 격벽부(323)와 외곽부(325)로 이루어지며, 제 2 결합부(322)와 격벽부(323)의 하 절곡부위와 격벽부(323)와 외곽부(325)의 상 절곡부위에는 각각 깊이를 달리하는 2 개의 홈부들(324, 326)이 형성되어 있다.
도 3 및 도 4에서, 홈부들(324, 326) 중 상부에 형성되는 제 1 홈부(324)는 폐곡선을 이루고 있고, 하부에 형성되는 제 2 홈부(326)는 일측이 개방된 개곡선의 구조로 되어 있다.
전지 내부의 가스를 방출함과 동시에 전류를 차단하는 전류차단부재(600)는 안전벤트(320)의 하부에 설치되어 있다. 전류차단부재(600)는 도전성 판재의 부재로서 전류차단부재용 가스켓(800)이 설치되어 있다.
전류차단부재(600)는 도 5에서 보는 바와 같이, 중앙에는 상향 돌출된 돌출부(620)가 형성되어 있는 제 1 결합부(601)와 측면을 따라 가스가 배출되는 관통홀들(610)이 다수 형성되어 있는 제 1 외주부(602)로 이루어져 있으며, 돌출부(620)를 중심으로 동심원 상으로 3 개의 관통홀(630)과, 관통홀(630)을 연결하는 3 개의 브릿지(640)가 대칭적으로 형성되어 있다. 브릿지(640)에는 노치(650)가 형성되어 있어서, 전지 내부에서의 압력 상승으로 인해 가압 가스가 안전벤트(320)에 가해질 때, 만입형 제 2 결합부(322)가 들어 올려지면서 제 2 결합부(322)와 결합된 돌출부(620)는 노치(650)가 절취되면서 전류차단부재(600)의 본체로부터 분리되게 된다
도 4 및 도 5를 참조하면, 돌출부(620)의 상면과 안전벤트(320)의 만입형 중앙부(322)의 하면은 용접 등에 의한 방법으로 결합된다. 이 때, 용접면과 모재 사이에는 틈이 발생할 수 있고, 이로 인해 수분이 침투하거나 전해액이 누출될 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해, 안전벤트(320)의 만입형 중앙부(322) 상면에는 융기부(700)가 형성되어 있다.
용접에 따른 용접면과 모재 사이의 틈에 의한 누설 경로가 융기부(700) 내에만 형성되므로, 누설 경로와 외부와의 접촉이 차단되어 누액을 근본적으로 차단하고, 가스 발생량이 충분치 못하여 CID 단락이 늦어지게 되어 열폭주 현상이 발생하는 것을 방지함으로써 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 6과 도7을 함께 참조하면, 도 6에 나타난 바와 같이, 종래에는 용접면과 모재의 사이의 누설 경로(leak path)가 외부로 연결되어 있으나, 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 누설 경로가 융기부(700) 내에 형성되어 외부 환경과 차단됨을 알 수 있다.
<제조예들 1 내지 10>
도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 결합부의 돌출부의 최소 두께(A), 제 2 결합부의 최대 두께(B)를 하기와 같이 설계하여 본 발명의 비제한적인 실시예에 따른 캡 조립체를 제작하였다.
제 1 결합부 최소 두께(A)
(mm)		 제 2 결합부 최대 두께(B) (mm) 용접강도(kgf) 용접부의 높이(C)(mm) 용접부의 지름(D)(mm)
1 0.302 0.601 4.70 0.375 0.649
2 0.301 0.598 5.98 0.375 0.842
3 0.304 0.598 5.65 0.383 0.810
4 0.298 0.596 5.97 0.387 0.754
5 0.302 0.602 4.32 0.384 0.794
6 0.304 0.603 6.66 0.379 0.712
7 0.298 0.597 4.16 0.257 0.736
8 0.306 0.600 6.07 0.379 0.687
9 0.299 0.601 6.21 0.338 0.675
10 0.302 0.599 5.05 0.308 0.721
Average 0.302 0.600 5.48 0.357 0.738
Max 0.298 0.596 4.16 0.257 0.649
Min 0.306 0.603 6.66 0.387 0.842

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 캡 조립체는, 공정성 향상을 위해서, 평균 용접강도를 5.48 kgf 로 강하게 하는 경우에도, 전해액 및 가스의 누설 경로가 외부 환경과 차단되므로, 양품률, 생산성 및 안전성을 모두 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
융기부가 없는 종래의 제 2 결합부의 최대 두께가 일반적으로, 0.3mm 인 점에서, 평균 용접강도 5.48 kgf 로 용접을 수행하는 경우에는, 종래의 구조에서는, 외부로 가스 또는 전해액이 누설될 가능성이 매우 높음을 확인할 수 있었다.

Claims (20)

  1. 전지 케이스의 개방 일면에 장착되어 전지 케이스를 밀폐하는 캡 조립체로서,
    제 1 결합부, 상기 제 1 결합부로부터 연장 형성되어 있는 제 1 외주부, 및 상기 제 1 외주부에 형성되는 제 1 가스 배출부를 포함하는 전류 차단부재; 및
    일면은 상기 제 1 결합부와 결합되고, 타면에는 일면의 대향 방향으로 융기되어 있는 융기부를 포함하는 제 2 결합부, 상기 제 2 결합부로부터 연장 형성되어 있는 제 2 외주부, 및 상기 제 2 외주부에 형성되는 제 2 가스 배출부를 포함하는 안전벤트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 결합부의 최대 두께는 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께를 기준으로 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 결합부의 최대 두께는 전류 차단부재의 제 1 결합부의 최소 두께를 기준으로 2배 내지 5배의 범위 내인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 결합부는 제 1 외주부를 기준으로 제 2 결합부의 일면 방향으로 돌출 또는 절곡되어 있는 돌출부 또는 절곡부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 결합부는, 일면과 타면의 면적이 상기 일면과 마주하는 제 1 결합부의 대면의 면적에 비해 큰 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 결합부는, 비융기부를 포함할 수 있고, 상기 비융기부의 평균 두께는, 제 1 결합부의 최소 두께를 기준으로 1배 이하인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 1 결합부와 제 2 결합부의 결합은 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 용접은 초음파 용접, 레이저 용접, 저항 용접 및 아크 용접으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 제 1 결합부와 제 2 결합부의 결합에 의해, 단면 상에서, 제 1 결합부에서 제 2 결합부의 융기부 내로 돌출된 용접부가 형성되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 융기부의 하면의 면적은, 상기 일면과 마주하는 제 1 결합부의 대면의 면적을 기준으로 1배 이상인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서, 전해액 또는 가스의 누설경로가 융기부 내에만 형성되어 외부 환경과 차단되는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서, 전류 차단부재용 가스켓(Gasket)을 더 포함하고, 상기 전류 차단부재용 가스켓은 전류 차단부재의 제 1 외주부에 장착되는 제 3 결합부와 상기 제 3 결합부에 형성되고 상기 제 1 및 제 2 가스 배출부와 연통하는 제 3 가스 배출부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 외주부는, 상기 제 2 결합부의 둘레에서 절곡되어 있는 격벽부와 상기 격벽부의 둘레에서 절곡되어 있는 외곽부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 제 2 가스 배출부는, 제 2 결합부와 격벽부의 절곡 부위의 제 1 홈부와 격벽부와 외곽부의 절곡 부위에 형성된 제 2 홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가스 배출부는 제 1 외주부를 관통하는 관통 홀(hole)인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 제 3 가스 배출부는 제 3 결합부를 관통하는 관통 홀(hole)인 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 캡 조립체는, 전류 차단부재, 전류 차단부재용 가스켓, 안전벤트, PTC 소자, 및 하나 이상의 가스 배출구가 형성되어 있는 탑 캡의 적층 구조로 이루어져 있고, 상기 적층 구조의 외주면에 가스켓이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 캡 조립체.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 캡 조립체가 전극 적층체와 전해질이 내장되어 있는 전지 케이스의 개방 일면에 장착되어 있는 전기화학 셀.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전극 적층체는, 양극, 음극 및 분리막을 포함하고, 양극과 음극 사이에 분리막이 개재되어 있는 적층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
  20. 제 18 항에 따른 전기화학 셀을 전원으로 사용하는 디바이스.
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