KR20150034564A - 리튬 이차전지 - Google Patents
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Abstract
양극, 음극 및 전해액을 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전해액은 이미드계 염을 포함하고, 상기 양극은 양극 집전체; 상기 양극 집전체로부터 돌출된 양극 탭; 및 상기 양극 탭 상에 보호 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지에 관한 것이다.
본 발명은 양극 집전체의 노출 부위인 양극 탭 상에 보호 필름을 포함함으로써, 이미드계 염을 포함하는 전해액과의 물리적 접촉을 차단시킴으로써 부식 현상을 미연에 방지할 수 있고, 이미드계 염 사용으로 인한 이차전지의 장점인 이차전지의 출력 특성 및 고온 저장 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 양극 집전체의 노출 부위인 양극 탭 상에 보호 필름을 포함함으로써, 이미드계 염을 포함하는 전해액과의 물리적 접촉을 차단시킴으로써 부식 현상을 미연에 방지할 수 있고, 이미드계 염 사용으로 인한 이차전지의 장점인 이차전지의 출력 특성 및 고온 저장 특성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전해액의 리튬염으로 이미드계 염을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 양극 탭 상에 보호 필름을 포함함으로써 부식을 방지할 수 있는 리튬 이차전지에 관한 것이다.
통상적으로, 이차전지 (secondary battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 또한, 전해질로는 리튬과 수분의 반응성 때문에 비수성 전해질을 사용하고 있고, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와, 고분자 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 전지로 구분하기도 한다. 고분자 전해질로는 유기 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 고분자 전해질과, 유기 전해액을 함유하는 겔 (Gel)형 고분자 전해질이 있다.
전해질로서 완전 고체형 고분자 전해질을 사용할 경우에는 유기 전해액의 누출 문제가 없으나, 액체 전해질이나 겔형 고분자 전해질을 사용하는 경우에는 유기 전해액의 누출을 방지하는 것이 매우 중요하다.
특히, 리튬 이차전지가 전원으로 사용되는 휴대용 전화기, 컴퓨터, 개인 정보 단말기, 캠코더 등이 고가의 정밀 기기인 것을 감안할 때 전해질 누출 방지의 문제는 더욱 중요해진다.
리튬 이차 전지용 전해액에 있어서, 리튬 염으로 이미드계 염을 사용하는 경우, 이미드계 염은 점도가 낮아 이를 포함하는 전해액은 저온에서 유기 용매의 점도의 증가 정도가 작고, 결과적으로 리튬 이온의 이동성을 유지할 수 있어 고온 저장성, 및 저온 출력 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기 이미드계 염의 경우, 양극 집전체인 알루미늄(Al)을 부식시킬 수 있어 이차전지에 사용하는데 큰 제한이 있다.
따라서, 출력 개선 및 고온 저장성 개선의 효과가 있는 이미드계 염을 사용하면서, 양극 전류 집전체, 예를 들어 알루미늄의 부식을 방지할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 출력 개선 및 고온 저장성 개선의 효과가 있는 이미드계 염을 전해액의 리튬염으로 사용하여 출력 특성 및 고온 저장 특성을 향상시키면서, 양극 탭을 상기 전해액과의 물리적 접촉을 차단하여 양극 집전체의 부식을 최소화함으로써, 이차전지의 안전성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 이차전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 양극, 음극 및 전해액을 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전해액은 이미드계 염을 포함하고, 상기 양극은 양극 집전체; 상기 양극 집전체로부터 돌출된 양극 탭; 및 상기 양극 탭 상에 보호 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지를 제공한다.
본 발명은 전해액의 리튬염으로 이미드계 염을 사용하면서 양극 집전체의 노출 부위인 양극 탭 상에 보호 필름을 포함함으로써, 상기 이미드계 염의 사용으로 인한 양극 집전체의 부식을 최소화할 수 있어, 이차전지의 안전성과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이차전지의 출력 특성 및 고온 저장 특성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 양극 집전체 상에 돌출된 양극 탭을 포함하는 양극의 평면도(a) 및 이의 측단면도(b)를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 무지부로 형성된 양극 탭 상에 보호 필름을 포함하는 양극의 평면도(a) 및 측단면도(b)를 나타낸 것이다.
도 1은 종래의 양극 집전체 상에 돌출된 양극 탭을 포함하는 양극의 평면도(a) 및 이의 측단면도(b)를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 무지부로 형성된 양극 탭 상에 보호 필름을 포함하는 양극의 평면도(a) 및 측단면도(b)를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일 실시예 따른 이차전지는, 양극, 음극 및 전해액을 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전해액은 이미드계 염을 포함하고, 상기 양극은 양극 집전체; 상기 양극 집전체로부터 돌출된 양극 탭; 및 상기 양극 탭 상에 보호 필름을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 전해액의 리튬염으로 이미드계 염을 사용하는 경우, 상기 이미드계 염은 점도가 낮아, 이를 포함하는 전해액은 저온에서 유기 용매의 점도 증가 정도가 작고, 결과적으로 리튬 이온의 이동성을 유지하는데 유리할 수 있다. 이로 인해, 이차전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 이미드계 염은 열적으로 매우 안정하여 고온 저장 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 상기 이미드계 염만을 전해액의 리튬염으로 사용하는 경우, 양극 집전체가 노출되는 양극 탭 영역에 전해액이 침투하여 양극 집전체와 탭과의 산화전위 차이에 의하여 양극 집전체가 지속적으로 부식이 진행되어 사용하는데 큰 제한이 있었다.
즉, 상기 이미드계 염을 사용하는 경우, 양극 집전체에 고전압이 인가될 때 이미드계 염의 음이온에 의해 양극 전류 집전체의 경우 부식이 쉽게 일어나 단락을 유발하고 이차전지의 안전성 및 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있다.
이에, 본 발명에서는 상술한 바와 같은 상기 이미드계 염의 사용으로 인한 종래의 문제를 해결하기 위하여, 양극 집전체의 노출 부위인 양극 탭 상에 보호 필름을 포함함으로써, 이미드계 염을 포함하는 전해액과의 물리적 접촉을 차단시킴으로써 부식 현상을 미연에 방지할 수 있고, 이미드계 염 사용으로 인한 이차전지의 장점인 이차전지의 출력 특성 및 고온 저장 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지는 상기 양극 탭의 적어도 일면에 전해액과의 물리적 접촉을 차단할 수 있는 보호 필름을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보호 필름은 이미드계 염을 포함하는 전해액과의 물리적 접촉만 차단할 수 있는 보호 필름, 바람직하게는 이차 전지 내에 내화학성 또는 내열성을 갖는 특징이 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)계 필름, 폴리이미드(PI)계 필름 및 폴리프로필렌(PP)계 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극 탭은 양극 집전체와 일체로, 양극 집전체의 재질인 알루미늄 포일, 알루미늄 메시 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
도 1은 일반적인 양극 집전체 상에 돌출된 양극 탭을 포함하는 양극의 평면도(a) 및 이의 측단면도(b)의 일례를 나타낸 것이다.
구체적으로 살펴보면, 도 1(a) 및 (b)와 같이 양극 집전체(30)의 일면 또는 양면에 양극 활물질 코팅부(10)가 포함되어 있고, 상기 양극 집전체(30)와 대향되는 일 끝단이 양극 활물질 코팅부를 포함하지 않는 무지부로 양극 탭(20)이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 탭은 양극 집전체의 일면 또는 양면에 활물질이 코팅되어 있는 연속적인 양극 시트를 단위 전극 간격으로 금형들에 의해 노칭(notching) 함으로써 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 노칭 후에 형성된 양극 탭은 도 1과 같이 양극 활물질 코팅부를 포함하지 않는 무지부로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 탭의 적어도 일면에 포함되는 상기 보호 필름은 이차전지의 구조 등 다양한 요소에 따라 변경될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 도 2를 참조로 예를 들어 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 2를 살펴보면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 무지부로 형성된 양극 탭 상에 보호 필름을 포함하는 양극의 평면도(a) 및 그의 측단면도(b)를 나타낸 것이다.
도 2(a) 및 (b)를 참조로 구체적으로 살펴보면, 양극 집전체(30)의 일면 또는 양면에 양극 활물질 코팅부(10)를 포함하고, 상기 양극 집전체(30)와 대향되는 일 끝단이 양극 활물질 코팅부를 포함하지 않는 무지부로 형성된 상기 양극 탭(20)은 그 일면 또는 양면에 보호 필름(40)가 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2(a)에 있어서, 상기 보호 필름(40)는 양극 탭을 커버할 수 있도록 부착할 수 있으며, 외부회로와 연결을 위해 양극 탭(20)의 돌출 방향(L)으로 양극 탭의 전체 길이(d+ℓ)의 10% 내지 90%, 바람직하게는 20% 내지 70%로 포함될 수 있다. 예를 들어 상기 보호 필름은 길이(ℓ)가 1 mm 내지 10 mm일 수 있으나, 양극 및 이차전지의 형태 또는 크기에 따라 길이가 변경 가능할 수 있다. 상기 양극 탭(20)의 돌출 방향(L)에 수직인 상기 보호 필름(40)의 너비(w)는 양극 탭(20)의 너비와 동일한 너비로 부착되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 양극 탭(20)의 적어도 일면에 포함되는 보호 필름(40)의 두께(T)는 예를 들어 1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 보호 필름의 두께(T)가 너무 얇으면 이미드계 전해액과의 차단성의 효과가 미미할 수 있고, 반대로 너무 두꺼우면 두께 증가를 유발할 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극 탭 상에 보호 필름의 부착 단계는 이차전지 제조 공정에 있어 어느 단계에서도 가능하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질이 도포되어 있는 연속적인 양극 시트를 단위 전극 간격으로 목적하는 양극 탭의 형태로 금형들에 의해 노칭하여 양극 탭을 형성한 후, 양극 탭 상에 보호 필름을 부착하여, 상기 보호 필름을 포함하는 양극 탭을 얻을 수 있다.
또 다른 일례로, 양극 집전체의 일면 또는 양면에 양극 활물질을 도포한 후, 양극 집전체의 무지부 영역에 보호 필름을 부착한 후, 목적하는 양극 탭의 형태로 금형들에 의해 노칭하여 상기 보호 필름을 포함하는 양극 탭을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 이차전지의 양극은 전기적으로 절연성을 갖는 절연층을 더 포함할 수 있으며, 절연층은 예를 들어 절연 필름 또는 절연 테이프일 수 있다.
상기 절연층은 양극 탭과 보호 필름 사이, 또는 보호 필름 상에 위치할 수 있다. 또는 상기 절연층은 상기 양극 탭 상에 상기 보호 필름과 함께 절연층이 위치할 수 있으며, 발명의 목적하는 효과를 만족시키는 한, 절연층과 보호 필름의 위치가 한정되는 것은 아니다.
상기 절연층은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리황화페닐렌, 폴리이미드, 아세테이트, 유리 직물, 폴리플루오르화비닐리덴, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 에폭시계 수지, 및 폴리아미드계 수지 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라, 사용되는 양극 활물질은 리튬함유 전이 금속 산화물 또는 그 등가물 중 선택된 어느 하나일 수 있으며, 좀더 구체적으로 예를 들어, 상기 양극 활물질은 망간계 스피넬(spinel) 활물질, 리튬 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 리튬 금속 산화물은 리튬-망간계 산화물, 리튬-니켈-망간계 산화물, 리튬-망간-코발트계 산화물 및 리튬-니켈-망간-코발트계 산화물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 보다 구체적으로는 LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li(NiaCobMnc)O2(여기에서, 0＜a＜1, 0＜b＜1, 0＜c＜1, a+b+c=1), LiNi1 - YCoYO2, LiCo1 - YMnYO2, LiNi1 - YMnYO2 (여기에서, 0≤Y＜1), Li(NiaCobMnc)O4(0＜a＜2, 0＜b＜2, 0＜c＜2, a+b+c=2), LiMn2 - zNizO4, LiMn2 -zCozO4(여기에서, 0＜Z＜2) 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 상기 음극 집전체는 구리가 바람직하며, 음극활물질로서 결정질 탄소, 비정질 탄소 또는 탄소 복합체와 같은 탄소계 음극 활물질이 단독으로 또는 2종 이상이 혼용되어 사용될 수 있으며, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
상기 양극 및 음극 집전체의 두께는 대략 10㎛ 내지 100㎛ 정도일 수 있으며, 상기 집전체에 코팅되는 활물질의 두께는 50㎛ 내지 200㎛ 정도일 수 있으나, 이러한 두께로 본 발명을 한정하는 것도 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극과 음극의 물리적 단락을 방지하기 위해 양극보다 음극을 더 크게 제작할 수 있다.
또한, 양극과 음극의 물리적 단락을 방지하기 위해 양극과 음극 사이에 세퍼레이터를 삽입할 수 있다. 상기 세퍼레이터는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독 중합체, 프로필렌 단독 중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름이 단독으로 또는 2종 이상이 적층된 것일 수 있다. 이 외에 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지에 있어서, 상기 이미드계 염은 리튬 비스플루오로설포닐 이미드, 리튬 비스트리플루오로메탄설포닐이미드(LiTFSI), 및 리튬 비스(퍼플루오로에틸설퍼닐 이미드)(LiBETI)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 리튬 이차전지에 있어서, 전해액 중 상기 이미드계 염은 0.05M 내지 0.5M일 수 있다. 상기 이미드계 염의 함량이 상기 범위에 포함되는 경우, 상온과 저온에서의 이온 전도도가 높아 바람직할 수 있다.
상기 이미드계 염은 단독으로 사용하거나, 또는 LiPF6, LiBF4, LisBF6, LiClO4, LiAlO4 및 LiAlCl4로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 리튬염과 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지를 수납하는 전지 용기의 외형은 특별한 제한이 없으나, 예를 들어, 캔을 사용한 원통형, 각형 또는 파우치 (pouch) 형일 수 있다.
본 발명에 따라 보호 필름을 포함하는 양극 탭은 상기 이미드계 염의 사용으로 인한 종래의 문제, 즉 이미드계 염을 포함하는 전해액과의 물리적 접촉을 차단시킴으로써 부식 현상을 미연에 방지할 수 있고, 이미드계 염 사용으로 인한 이차전지의 장점인 이차전지의 출력 특성 및 고온 저장 특성을 향상시킬 수 있어, 이차 전지의 실용화를 용이하게 할 수 있다.
10 : 양극 활물질 코팅부
20 : 양극 탭
30 : 양극 집전체
40 : 보호 필름
d : 무지부
ℓ : 보호 필름의 길이
w : 보호 필름의 너비
T : 보호 필름의 두께
20 : 양극 탭
30 : 양극 집전체
40 : 보호 필름
d : 무지부
ℓ : 보호 필름의 길이
w : 보호 필름의 너비
T : 보호 필름의 두께
Claims (11)
- 양극, 음극 및 전해액을 포함하는 이차전지에 있어서,
상기 전해액은 이미드계 염을 포함하고,
상기 양극은 양극 집전체; 상기 양극 집전체로부터 돌출된 양극 탭; 및 상기 양극 탭 상에 보호 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서.
상기 보호 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)계 필름, 폴리이미드(PI)계 필름 및 폴리프로필렌(PP)계 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서.
상기 보호 필름의 두께는 1 ㎛ 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서.
상기 양극 탭은 양극 활물질 코팅부를 포함하지 않는 무지부인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서.
상기 보호 필름은 양극 탭의 돌출 방향으로 양극 탭의 전체 길이의 10% 내지 90%로 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 보호 필름은 양극 탭의 돌출 방향에 수직인 양극 탭의 너비와 동일한 너비로 포함되는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이미드계 염은 리튬 비스플루오로설포닐 이미드, 리튬 비스트리플루오로메탄설포닐이미드(LiTFSI), 및 리튬 비스(퍼플루오로에틸설퍼닐 이미드)(LiBETI)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양극은 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 8 항에 있어서,
상기 절연층은 양극 탭과 보호 필름 사이 또는 보호 필름 상에 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 8 항에 있어서,
상기 절연층은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리황화페닐렌, 폴리이미드, 아세테이트, 유리 직물, 폴리플루오르화비닐리덴, 플루오르화비닐리덴-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 에폭시계 수지 및 폴리아미드계 수지 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이차전지는 원통형, 각형 또는 파우치(pouch)형인 것을 특징으로 하는 이차전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130114794A KR20150034564A (ko) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | 리튬 이차전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR20130114794A KR20150034564A (ko) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | 리튬 이차전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150034564A true KR20150034564A (ko) | 2015-04-03 |
Family
ID=53031352
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR20130114794A KR20150034564A (ko) | 2013-09-26 | 2013-09-26 | 리튬 이차전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20150034564A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017119556A1 (ko) * | 2016-01-07 | 2017-07-13 | 주식회사 엘지화학 | 2차전지 |
| KR20180032000A (ko) | 2016-09-21 | 2018-03-29 | 주식회사 엘지화학 | 리튬 전극 보호막 형성용 다층 필름 및 리튬 전극의 제조방법 |
| KR20180136144A (ko) * | 2017-06-14 | 2018-12-24 | 주식회사 엘지화학 | 무지부 이중 마스킹을 통한 전극 제조방법 |
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-
2013
- 2013-09-26 KR KR20130114794A patent/KR20150034564A/ko not_active Application Discontinuation
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