KR20160005440A - 진동편 및 이를 구비한 전자기기 - Google Patents

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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
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Abstract

진동팔의 자유단부에 진동머리가 구비된 복수의 진동부재가 연결부재 양측부에 연결된 진동부 및 상기 진동부가 연결부재에 결합된 지지부를 포함하되, 상기 진동부는 나란히 형성되어 있는 2개의 진동팔 및 상기 2개의 진동팔의 고정단부에서 상기 진동팔의 자유단부 방향으로 일정 거리를 이격되어 형성되며, 상기 2개의 진동팔을 연결하는 연결부재를 포함하는 진동편에 관한 것이다.

Description

진동편 및 이를 구비한 전자기기{Tuning fork and Electronic Device using the same}
본 발명은 중앙보 구조를 갖는 진동편 및 이를 구비한 전자기기에 관한 것이다.
진동편은 소리굽쇠 형태의 쿼츠 크리스탈 칩(Quartz X-tal Chip)으로 구성되고, 쿼츠의 압전 효과를 이용하여 32.768kHz의 고유주파수를 발생시켜 타이밍 클락(timing clock)으로 사용되는 모바일 기기의 필수 부품이다.
최근에는 복합기능을 구현할 수 있는 스마트폰 및 태블릿 피씨(Tablet PC)등의 급격한 성장으로 인하여 그 수요가 증가하는 추세에 있다.
특히, 최근에 전자기기가 점차 소형화되는 추세에 따라 진동편의 소형화가 요구되고 있다.
진동편은 두 개의 진동팔이 기부에 연결되어 있고, 진동팔의 내부에는 그루브(groove)를 갖고 그 주위에 크리스탈을 발진시킬 수 있는 전극을 갖는다.
진동편의 주요 성능은 ERS(Equivalent Series Resistance, 등가직렬저항) 의 수치를 통하여 판단될 수 있는데, ESR값이 낮아야 크리스탈 공진기의 발진이 잘되고, 전력 소모도 줄일 수 있다.
ESR은 압전체의 변형시 발생하는 압전 전하량(Piezo-electric Charge)과 댐핑(Damping)에 의해 결정되며, 압전 전하량이 높거나, 댐핑이 낮은 경우 낮은 ESR을 구현할 수 있게 된다.
압전 전하량은 플러스 전극과 마이너스 전극간의 거리에 의해 영향을 받으며, 전극간 거리가 작아질수록 ESR값은 낮아지게 되지만 진동편의 구조에서 전극간 거리는 본체(body)와 그루브(groove)의 패터닝(patterning) 및 에칭(etching)공정으로 결정되기 때문에 그 거리를 줄이는데 한계가 있을 수 있다.
이에 반하여, 댐핑(damping)에 의한 차이는 크게 발생할 수 있기 때문에 댐핑을 작게 설계하면 ESR을 낮춰 진동편의 효율을 올리는데 매우 효과적이다.
댐핑은 공기에 의한 영향, 재료에 따른 영향, 구조에 의한 영향 등이 있을 수 있는데, 진동편은 진공 패키지 상태에서 사용되고, 재료는 쿼츠 크리스탈을 사용하기 때문에 구조에 의한 영향이 지배적이라 할 수 있다. 그런데, 이러한 구조에 의한 댐핑 영향은 진동의 손실을 줄여야만 가능할 수 있다.
그런데, 최근에 패키지의 소형화 추세에 따라 진동편의 전체 크기를 줄이면서도 동시에 낮은 ESR을 구현해야 하는 상황인데, 진동편의 전체 크기를 줄이려면 진동팔의 길이도 줄어들어야 하기 때문에 진동 손실을 줄이기 위한 여러 가지 연구가 수행되고 있다.
일본공개특허공보 제2013-126104호
따라서, 본 발명은 종래 진동편에서 제기되고 있는 상기 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 진동편의 크기를 증가시키지 않고서도 진동손실을 최소화할 수 있는 진동편에 관한 것이다.
본 발명의 상기 목적은, 진동팔의 자유단부에 진동머리가 구비된 복수의 진동부재가 연결부재 양측부에 연결된 진동부; 및 상기 진동부가 연결부재에 결합된 지지부;를 포함하는 진동편이 제공됨에 의하여 달성될 수 있다.
상기 진동부는 평행한 복수의 진동팔 및 상기 진동팔의 고정단부에서 자유단부 방향으로 상기 고정단부와 인접한 위치에 형성되며, 상기 복수의 진동팔을 연결하는 연결부재를 포함할 수 있다.
이때, 상기 진동부는 나란히 형성되어 있는 2개의 진동부재 및 상기 2개의 진동부재의 하단부에서 일정 거리를 이격하여 상기 2개의 진동부재를 연결하도록 형성되는 연결부재를 포함하여 진동부에서 발생한 진동이 지지부 쪽으로 전달되어 진동손실이 발생하는 것을 차단할 수 있다.
상기와 같이 형성된 진동편의 진동부는 H 형상으로 형성될 수 있고, 기부, 상기 기부의 중앙부에서 상기 연결부재의 중앙부를 연결하는 중앙부재 및 상기 기부의 양 끝단에 수직으로 진동팔과 나란히 형성된 지지팔을 포함하여 진동부에서 생성된 진동을 효율적으로 제어할 수 있다.
또한, 연결부재와 상기 진동팔의 접속 부위에 만곡 형상의 챔퍼(chamfer)가 구비하여 진동부에서 발생한 지동에 의한 응력의 집중을 완화할 수 있으며, 이러한 챔퍼는 연결부재의 상부, 하부 또는 상부 및 하부에 형성될 수 있다.
본 발명은 진동부재를 연결하는 연결부재와 중앙부재를 도입하여 진동이 발생하는 진동부와 지지부를 이격시켜, 진동부에서 발생한 진동에 의한 응력이 지지부로 빠져나가는 것을 방지함으로써, 진동효율을 향상시킨 진동편을 제공할 수 있다.
또한, 진동부재의 끝단에서 일정한 거리를 이격시켜서 형성되는 연결부재의 구조를 가짐으로 인하여 진동부와 지지부를 이격시키면서도 전체 진동편 패키지의 크기를 증가시키지 않을 수 있는 진동편을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동편의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동편의 평면도.
도 3a는 종래 형태의 진동편의 진동시 인가되는 응력 분포를 나타낸 평면도.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동편의, 진동시 인가되는 응력 분포를 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동편의 평면도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동편의 평면도.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 진동편의 평면도.
본 명세서에 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 :포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배재 하는 것이 아니다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 복수의 진동부재를 연결하는 연결부재 및 상기 연결부재와 기부를 연결하기 위한 중앙부재를 가진 진동편에 관한 것이다.
도 1은,본 발명의 제 1 실시형태의 진동편의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시형태의 진동편의 평면도이다. 다만, 본 발명이 진동편의 형상에 변형을 가하여 진동편의 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 진동편에서 보편적으로 포함되는 전극에 대한 묘사는 도면에서 생략되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 진동편(100)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와같이 진동부(220)와 지지부(310)의 구조로 이루어진다.
이때, 진동편(100)의 재질은 특별히 한정되지 않지만, 쿼츠(quartz) 또는 압전재료(piezoelectric material)를 사용할 수 있다.
진동부(220)는 복수의 진동부재(210)와 연결부재(221)를 포함하며, 진동부재(210)는 2개의 진동팔(212)과 두 개의 진동머리(211)를 포함할 수 있다.
이때, 복수의 진동부재(210)는 서로 나란하게 형성될 수 있으며, 상기 복수의 진동부재(210)는 연결부재(221)에 의하여 서로 연결될 수 있다.
진동부재(210)는 진동팔(212)과 상기 진동팔(212)의 자유단부(212b)에 형성되는 진동머리(211)를 포함할 수 있는데, 진동머리(211)는 진동팔(212)에서 형성된 진동을 증폭시키는 역할을 수행한다. 이때, 복수의 진동팔의 연결부재 방향의 단부를 고정단부(212a)라고 정의하며, 복수의 진동팔(212)의 진동머리(211) 방향의 단부를 자유단부(212b)로 정의한다. 또한, 진동팔(212)에서 고정단부(212a)쪽의 돌출된 부분은 돌출부(212c)라고 정의한다.
연결부재(221)는 복수의 진동부재(210)를 서로 연결하도록 진동팔(212)의 고정단부(212a)쪽에 치우쳐 형성되는데, 진동팔(212)의 고정단부(212a)에서 일정 거리(LB)가 이격되도록 형성된다.
진동팔(212)의 고정단부(212a)에서 연결부재(221) 까지의 거리(LB) 는 진동부재(210)의 전체 길이(LT) 의 0.02배 내지 0.2배로 형성되는 것이 바람직하다.
진동팔(212)의 고정단부(212a)에서 연결부재(221) 까지의 거리(LB)가 0.02배 미만에서는 연결부재(221)가 진동팔(212)의 고정단부(212a)에서 이격되어 형성되는 장점인 패키지 크기의 소형화에 도움이 되지 않으며, 0.2배 이상으로 형성될 경우, 진동 효율이 상대적으로 우수한 유효 진동팔의 길이(Le)가 줄어들어 소형 패키지 크기에서 쿼츠 크리스탈의 고유 주파수인 32.768kHz를 구현하기가 어려울 수 있다.
예를 들어, 진동부재(210)의 전체 길이(LT)의 길이가 1~1.2mm 이고, 진동팔(212)의 폭(WT)은 55~65um, 진동팔(212)의 고정단부(212a)에서 연결부재(221)까지의 거리(LB)의 길이가 30~60um 일 때, 1610 (길이 1.6mm× 폭 1.0mm) 패키지 크기에서 주파수는 32~32.768kHz를 만족하고, ESR 값은 90kΩ 이하의 값을 갖는 진동편을 구현할 수 있다.
만일, 본 실시예처럼 연결부재(221)를 진동팔(212)의 고정단부(212a)에서 일정 거리를 이격하지않고, 진동팔(212)의 고정단부(212a)에 연결부재(221)를 형성하면, 진동부(220) 전체의 형상이 ∪ 형상과 유사하게 형성된다. 이 경우, 전체 진동편 패키지의 크기를 증가시키지 않기 위해서는 진동부재(210)의 길이를 줄여야 하고, 진동부재(210)의 길이를 줄이지 않는다면 전체 패키지의 크기가 증가하게 되어, 전체 진동편 패키지의 크기가 증가 되거나, 동일한 크기의 진동편 패키지에서는 진동부재(210)의 길이 감소로 인하여 진동 효율이 떨어지게 된다.
본 실시예와 같이 진동팔(212)의 고정단부(212a)에서 이격된 거리에 형성된 연결부재(221)를 통하여 복수의 진동부재(210)를 연결하면, 하기에서 설명할 지지부(310)의 중앙부재(311)를 통하여 전체 진동부재(210)의 길이를 줄이지 않고도 진동부(220)와 지지부(310)를 이격시킬 수 있다. 이 경우, 진동부(220)와 지지부(310)의 거리를 이격시킬 수 있어, 진동부(220)에서 발생한 진동 응력이 지지부(310)로 전달되지 않도록 하여, 응력에 의한 진동 효율 감소를 최소화할 수 있게 된다.
이때, 연결부재(221)의 폭(WL)은 진동팔(212)의 폭(WT)의 0.5배 이상, 1.5배 이하일 수 있다.
연결부재(221)의 폭(WL)이 진동팔(212)의 폭(WT)의 0.5배 미만이 되면 공정 시 외부 충격에 의해 파손될 수 있는 위험이 커져 제조 수율이 나빠지게 되고, 연결부재(221)의 폭(WL)이 진동팔(212)의 폭(WT)의 1.5배 이상이 되면 연결부재(221)가 공간을 많이 차지하게 되어 공간 효율이 저하됨에 따라 초소형 패키지 구현에 한계가 있을 수 있다.
결국, 상기와 같은 형태로 형성된 진동부(220)의 형상은 전체적으로 H 형상을 가질 수 있다.
앞에서 설명한 진동부(220)는 중앙부재(311)를 통하여 지지부(310)와 연결되는데, 지지부(310)는 중앙부재(311), 기부(312) 및 지지팔(313)을 포함할 수 있다.
이때, 수평으로 형성된 기부(312)의 중심부에서 진동부(220)의 연결부재(221)의 중심쪽으로는 중앙부재(311)가 형성될 수 있으며, 기부(312)의 양 끝단에는 진동부재(210)와 나란한 방향으로 복수의 지지팔(313)이 형성될 수 있다.
지지팔(313)은 외부의 응력을 차단하는 역할을 할 수 있다. 외력이나 충격 및, 온도 변화로 인해 발생하는 외부의 응력은 패키지를 통하여 튜닝 포크 내부로 유입되어 진동팔(212)의 진동을 방해하거나, 주파수의 변화를 초래할 수 있다. 이때, 지지팔(313)은 이러한 영향을 차단하여 외부의 응력이 발생하더라도 진동팔(212)이 특정 주파수에 대해서만 일정하게 진동할 수 있게 할 수 있다.
지지팔(313)의 상단부는 패키지의 패드에 접합되기 위해 폭이 넓게 형성될 수 있다.
중앙부재(311)는 진동부(220)의 연결부재(221)의 중심과 지지부(310)의 기부(312)의 중심을 연결하도록 형성될 수 있으며, 중앙부재(311)의 길이(LC)만큼 진동부(220)와 지지부(310)가 이격될 수 있다.
도 3a는 종래의 진동편의 진동 시, 응력 분포를 보여주는 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 진동편의 진동 시, 응력 분포를 보여주는 평면도이다.
도 3a를 참조하면, 종래의 진동편의 경우 복수의 진동부재(210)가 서로 커플링하여 진동하는 경우, 응력이 집중되는 노드점(400)들이 진동부(220)를 벗어나 기부(312)에까지 형성된 것을 볼 수 있다. 이렇게 될 경우, 진동 에너지가 진동부(220)의 외부로 전달될 수 있으며, 진동 에너지의 소산으로 인한 구조 댐핑(damping)의 증가로 ESR이 커지게 된다. 그러나, 본 발명의 실시예에 의한 진동편의 경우 응력이 집중되는 노드점들이 진동부(220) 내의 연결부재(221)내에 형성되는 것을 볼 수 있으며, 이에 따라 진동에너지가 진동부(220) 외부로 전달되지 않게 되어 구조 댐핑의 증가를 억제할 수 있어 ESR의 증가를 최소화할 수 있다.
기부(312) 및 진동팔(212)의 길이 및 폭은 전체 진동편 패키지의 크기 및 형상에 따라 적절하게 조절하여 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진동편의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진동편의 평면도이며, 도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 진동편의 평면도이다.
본 발명의 실시예에 더하여 연결부재(221)와 진동팔(212)의 접속 부위에 만곡형상의 챔퍼(chamfer, 230)를 형성하여 응력의 집중을 완화시켜 줄 수 있는데, 상기 챔퍼(chamfer, 230)는 도 4에 도시된 바와 같이 연결부재(221)의 상단 및 하단에 모두 형성될 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 연결부재(221)의 하단에만 형성될 수도 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 연결부재(221)의 상단에만 형성될 수도 있다.
도 7a는 챔퍼 경사각이 35°인 경우의 쿼츠 에칭 시뮬레이션 결과의 평면도이고, 도 7b는 챔퍼 경사각이 55~60°인 경우의 쿼츠 에칭 시뮬레이션 결과의 평면도이다.
도시된 바와 같이 챔퍼의 형상을 가공할 때, 쿼츠(Quartz)의 에칭(Etching) 이방성으로 인하여, 챔퍼의 마스크 경사 각도에 따라 가공형상 프로파일에 차이가 생길 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 챔퍼의 마스크 프로파일(mask profile, 510)의 경사각이 35°인 경우에는 가공형상 프로파일(520)이 35° 와 70°의 두 개의 각도를 이루며 형성되어, 설계에서 의도하지 않은 결과로 제작될 수 있다. 그러나, 도 7b에 도시된 바와 같이 챔퍼의 마스크 프로파일(511)이 경사각 55°에서 60°사이를 가지면 가공형상 프로파일(521)이 하나의 각도를 가지며 형성될 수 있다.
챔퍼의 마스크 프로파일(511)의 경사 각도가 55°일 때, 챔퍼의 길이(CL) 대 챔퍼의 폭(CW)의 비율(CL)은 1.43이고, 챔퍼의 경사 각도가 60°일 때, 챔퍼의 길이(CL) 대 챔퍼의 폭(CW)의 비율(CL)은 1.73이기 때문에, 챔퍼의 길이(CL) 대 챔퍼의 폭(CW)의 비율(CL)은 1.43 이상이고 1.73 이하인 경우가 바람직하다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명을 실시함에 있어서 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 본 발명의 실시예에 의한 진동편(tuning fork)
210 : 진동부재
211 : 진동머리(head)
212 : 진동팔(tine)
220 : 진동부
221 : 연결부재
230 : 챔퍼(chamfer)
231 : 상부 챔퍼
232 : 하부 챔퍼
310 : 지지부
311 : 중앙부재
312 : 기부(base)
313 : 지지팔(support arm)
400 : 응력 노드점(stress nodes)
510, 511 : 챔퍼 마스크 프로파일
520, 521 : 챔퍼 가공형상 프로파일

Claims (19)

  1. 진동팔의 자유단부에 진동머리가 구비된 복수의 진동부재가 연결부재 양측부에 연결된 진동부; 및
    상기 진동부가 연결부재에 결합된 지지부;를 포함하는 진동편.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동부는 평행한 복수의 진동팔 및 상기 진동팔의 고정단부에서 자유단부 방향으로 상기 고정단부와 인접한 위치에 형성되며, 상기 복수의 진동팔을 연결하는 연결부재를 포함하는 진동편.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 진동부는 H 형상인 진동편.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는 기부, 상기 기부의 중앙부에서 상기 연결부재의 중앙부를 연결하는 중앙부재 및 상기 기부의 양 끝단에 수직으로 진동팔과 나란히 형성된 지지팔을 포함하는 진동편.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 진동팔의 고정단부에서 상기 연결부재까지의 거리(LB)는 0.02LT 이상이고, 0.2LT 이하인 진동편.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부재의 폭(WL)은 진동팔의 폭(WT)의 0.5배 이상, 1.5배 이하인 진동편.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부재와 상기 진동팔의 접속 부위에 만곡형상의 챔퍼(chamfer)가 구비된 진동편.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 챔퍼는 상기 연결부재의 상부에 형성되는 진동편.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 챔퍼는 상기 연결부재의 하부에 형성되는 진동편.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 챔퍼는 상기 연결부재의 상부 및 하부에 형성되는 진동편.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 챔퍼는 챔퍼 길이(CL) 대 챔퍼 폭(CW)의 비율(CL/CW)이 1.43 이상이고, 1.73 이하인 진동편.
  12. 제 1항 내지 제 11항의 진동편을 포함하는 전자기기.
  13. 연결부재;
    상기 연결부재의 양측부에 연결되며, 일단부에 돌출부가 형성되고 타단부에 진동머리가 구비된 진동팔;
    상기 연결부재의 중앙부에 직교하여 상기 돌출부와 평행하게 연장되어 형성된 중앙부재; 및
    상기 중앙부재와 직교하여 상기 연결부재와 평행하게 연장되어 형성된 기부;를 포함하는 진동편.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 기부는, 양측부에 상기 진동팔과 평행하게 지지팔이 연장되어 형성된 진동편.
  15. 복수의 진동팔;
    상기 진동팔이 이격되게 상호 연결되며, 상기 진동팔의 일단부측에 돌출부(LB)가 구비되도록 연결된 연결부재;
    상기 연결부재와 직교하여 상기 돌출부와 평행하게 연장되어 형성된 중앙부재; 및
    상기 중앙부재와 직교하여 상기 연결부재와 평행하게 연장되어 형성된 기부;를 포함하는 진동편.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 진동팔의 자유단부인 타단부에 진동머리가 구비된 진동편.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 중앙부재는, 상기 연결부재에서 상기 돌출부가 형성된 방향으로 연장되어 형성된 진동편.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 돌출부가 구비된 진동팔과, 상기 진동팔을 연결하는 연결부재 및 상기 진동팔에 형성된 진동머리는 진동부를 구성하는 진동편.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 진동부와 연결된 중앙부재와, 상기 중앙부재와 직교하는 기부는 상기 기부의 양단부에서 상기 진동팔 측으로 연장된 지지팔을 포함하여 지지부를 구성하는 진동편.
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