KR20190078398A - 압력 센서가 내장된 원통형 전지 및 원통형 전지 내부 압력 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지는 이차전지의 내부 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하고, 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연시키는 분리막을 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체의 일측에 위치하고 상기 원통형 전지에 내장된 압력 센서, 그리고 상기 전극 조립체의 타측에 위치하는 탑캡을 포함하며, 상기 압력 센서는 절연성을 가진다.

Description

압력 센서가 내장된 원통형 전지 및 원통형 전지 내부 압력 측정 방법{CYLINDRICAL BATTERY HAVING PRESSURE SENSOR, AND METHOD FOR MEASURING INTERNAL PRESSURE THEREOF}
본 발명은 원통형 전지 및 원통형 전지의 내부 압력 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전지 내부의 압력을 측정하는 압력 센서가 내장된 원통형 전지 및 원통형 전지 내부 압력 측정 방법에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있으며, 휴대형 기기에 이용되는 이차전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
이차전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있으며, 이 중에서도 리튬 이차전지는 재충전이 가능하고 소형 및 대용량화가 가능한 것으로서, 높은 전력용량과 긴 수명으로 인하여 다양한 분야에서 많이 이용되고 있다. 다만, 리튬 이차전지의 경우, 불안정한 원소인 리튬의 특성상 폭발의 위험성이 있다는 단점이 있다.
리튬 이차전지의 폭발은 다양한 원인으로 인하여 발생되며, 그 중 이차전지 내부의 기체 압력의 증가가 하나의 원인이 된다. 구체적으로는 전극이 과충전, 과방전, 단락, 과전류 상태가 되는 경우, 전극의 발열 또는 발화로 인하여 이차전지 내부에 기체가 생성되게 되며, 이렇게 생성된 기체로 인하여 이차전지 내부가 팽윤 상태가 되면서, 이차전지의 폭발이 야기되는 것이다.
이차전지의 전극 발열 또는 발화로 인한 폭발을 방지하기 위한 장치로서, 기존의 이차전지는 일반적으로 전류 차단 수단(CID: Current Interrupt Device) 등을 이용하고 있다. 전류 차단 수단은 과전류가 흐르면 자체적으로 온도가 상승하게 되며, 상승된 높은 온도에 의하여 접점이 끊어지게 되는 원리를 이용하는 것으로서, 과전류(쇼트)나 과열에 대한 보호회로라고 할 수 있다. 도 1은 전류 차단 수단이 포함된 기존의 이차전지의 일 실시예를 도시한 도면으로서, 도 1에 도시된 바를 통하여, 전류 차단 수단이 포함된 일반적인 이차전지의 모습을 확인할 수 있으며, 이와 같은 선행기술로는, 공개특허 제10-2016-0143589호(발명의 명칭: 이차 전지용 캡 어셈블리) 등이 있다.
다만, 도 1에서와 같은 기존의 전지는, 전류 차단 수단 작동 시, 이차전지 내부의 정확한 압력의 확인이 어렵다는 문제가 있다. 이에, 이차전지의 사용에 있어서 안전성을 더욱 높이기 위하여 이차전지 내부의 압력을 확인하기 위한 기술 개발이 필요하다.
본 발명의 실시예들은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 종래의 이차전지의 사용상의 문제인, 과충전 또는 고온 방치 시 전지 내부 압력이 증가하게 됨에 따라 전지의 외형이 변형되거나 전지가 폭발하게 되는 등의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 이차전지의 수명을 정확하게 판단할 수 있도록 하는, 전지 내부의 압력을 측정하는 압력 센서가 내장된 원통형 전지 및 원통형 전지 내부 압력 측정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 사용자가 전지의 과충전, 과열 시 내부 압력 증가에 의한 전지의 팽창이나 폭발을 효과적으로 방지함과 동시에, 전극 조립체의 하부 절연부재의 기능도 할 수 있으며, 기존에 이용되는 유선으로 연결된 압력 센서와는 달리, 무선으로 연결되도록 하여 이용에 편리함을 증대시키는, 전지 내부의 압력을 측정하는 압력 센서가 내장된 원통형 전지 및 원통형 전지 내부 압력 측정 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 비가역 압력 센서부로서 일정 압력에서 파괴될 수 있는 일회성 센서를 이용함으로써, 전지 내부가 일정 압력 이상으로 압력이 증가하게 되는 경우, 비가역 압력 센서부의 파괴 여부를 구별하여 문제가 된 전지를 파악할 수 있도록 하는, 전지 내부의 압력을 측정하는 압력 센서가 내장된 원통형 전지 및 원통형 전지 내부 압력 측정 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 압력 센서가 내장된 원통형 전지는, 이차전지의 내부 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 원통형 전지로서, 양극판, 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연시키는 분리막을 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체의 일측에 위치하고 상기 원통형 전지에 내장된 압력 센서, 그리고 상기 전극 조립체의 타측에 배치되는 탑캡을 포함하며, 상기 압력 센서는 절연성이 있는 것을 특징으로 한다.
상기 압력 센서는 비가역 압력 센서부 및 가역 압력 센서부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가역 압력 센서부의 상기 전극 조립체와 접촉되는 일 부분은, 절연성 있는 소재일 수 있다.
상기 가역 압력 센서부의 다른 일 부분은 압전소자일 수 있다.
상기 가역 압력 센서부는 무선 센서일 수 있다.
상기 비가역 압력 센서부는 세라믹 소재일 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른, 원통형 전지 내부 압력 측정 방법은, 전지 내부 압력 측정 방법으로서, 양극판, 음극판, 및 상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연시키는 분리막을 갖는 전극 조립체를 포함하는 상기 전지의 내부 압력이, 상기 전지의 충반전으로 인하여 상승하는 단계, 그리고 상기 전지에 내장된 절연성이 있는 압력 센서가, 상기 전지의 충방전으로 인하여 상승된 상기 전지의 내부 압력을 측정하는 단계를 포함한다.
상기 압력 센서는 상기 전극 조립체를 기준으로 탑캡의 반대편에 배치될 수 있다.
상기 압력 센서는 비가역 압력 센서부 및 가역 압력 센서부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가역 압력 센서부는 압전소자를 이용할 수 있다.
상기 비가역 압력 센서부는 일회성 센서일 수 있다.
상기 비가역 압력 센서부는, 상기 내부 압력이, 상기 전지가 구동될 수 있는 압력 범위의 상한치인 임계 압력 이상이 되는 경우, 파괴될 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 전지 내부의 압력을 측정하는 압력 센서가 내장된 원통형 전지 및 원통형 전지 내부 압력 측정 방법에 따르면, 종래의 이차전지의 사용상의 문제인, 과충전 또는 고온 방치 시 전지 내부 압력이 증가하게 됨에 따라 전지의 외형이 변형되거나 전지가 폭발하게 되는 등의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 이차전지에 압력 센서를 내장시켰으며, 이차전지의 내부 압력을 측정하는 압력 센서는, 가역 압력 센서부 및 비가역 압력 센서부 중 적어도 하나를 포함하도록 함으로써, 전지 내부 측정을 통하여 이차전지의 수명을 정확하게 판단할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압력 센서는 절연성이 있는 소재를 이용하며, 전극 조립체의 하부측에 배치되도록 함으로써, 사용자가 전지의 과충전, 과열 시 내부 압력 증가에 의한 전지의 팽창이나 폭발을 효과적으로 방지함과 동시에, 전극 조립체의 하부 절연부재의 기능도 할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존에 이용되는 유선으로 연결된 압력 센서와는 달리, 본 발명의 가역 압력 센서부는 무선으로 연결되도록 하여 이용에 편리함을 증대시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따르면, 비가역 압력 센서부로서 일정 압력에서 파괴될 수 있는 일회성 센서를 이용함으로써, 전지 내부가 일정 압력 이상으로 압력이 증가하게 되는 경우, 비가역 압력 센서부의 파괴 여부를 구별하여 문제가 된 전지를 파악할 수 있도록 하였으며, 이를 통하여 비가역 압력 센서부가 사고의 원인이 된 전지를 추적할 수 있는 블랙박스 역할을 제공하도록 할 수 있다.
도 1은 전류 차단 수단(CID: Current Interrupt Device)이 포함된 기존의 이차전지의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 내장된 원통형 전지의 전체 구성을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 내부의 압력을 측정하는 압력 센서의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 압력 센서가 내장된 원통형 전지를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비가역 압력 센서가 내장된 원통형 전지를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 내장된 원통형 전지의 전극 조립체를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 내부 압력 측정 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 내장된 원통형 전지의 전체 구성을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지(10)는 이차전지의 내부 압력을 측정하는 압력 센서(100)를 포함하는 원통형 전지(10)로서, 원통형 전지(10)에 내장된 압력 센서(100), 압력 센서(100)와 결합된 전극 조립체(200), 전극 조립체(200)의 상부측에 배치되는 탑캡(300)을 포함하며, 본 발명의 압력 센서(100)는 절연성이 있는 소재로 이루어진 구성을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명의 압력 센서(100)는 이차전지 내부에 위치하여 이차전지 내부 압력을 측정하는 역할을 한다. 압력 센서가 이차전지 외부에 배치되는 경우, 내부 압력 측정 값의 정확도가 떨어질 수 있으므로, 본 실시예에 따른 압력 센서(100)는 이차전지 내부에 배치된다.
압력 센서(100)는 전극 조립체(200)의 어느 일면에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따라서는, 압력 센서(100)는 전극 조립체(200)의 하부측에 배치될 수 있다. 이 경우, 압력 센서(100)는 절연성이 있는 소재로 이루어진 부분을 포함하며, 전극 조립체(200)의 하부측에 배치되는 것으로서, 전지 내부 압력을 측정함과 동시에, 전극 조립체(200)의 하부 절연부재의 기능도 할 수 있다는 장점이 있다. 하부 절연부재의 기능을 하는 본 실시예의 압력 센서(100)를 이용하는 경우, 기존의 일반적으로 이용되는 이차전지의 구성요소인 하부 절연체를 별도로 구비할 필요가 없게 되므로, 하부 절연체가 필요했던 부피만큼 전극 조립체(200)의 부피를 증가시킬 수 있다는 장점도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 압력 센서가 내장된 원통형 전지를 도시한 도면으로, 구체적으로는, 가역 압력 센서부(110)를 포함하는 원통형 전지(10)의 모습을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 압력 센서부(110)는 전극 조립체(200)의 하부에 배치될 수 있다. 이 경우, 전극 조립체(200)와 접촉되는 가역 압력 센서부(110)의 일면은 절연성이 있는 소재로서 절연부재(112)로 구성될 수 있으며, 실시예에 따라서는, 가역 압력 센서부(110)의 타면은 압전소자(114)일 수 있다. 압전소자(114)는 이차전지 내부의 압력 변화를 측정하고, 가압 시 발생한 신호를 이차전지 외부로 전달하는 것으로서, 이차전지 내부의 압력을 측정하여 사용자에게 이차전지 내부의 압력 상태 정보를 제공하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 전지 내부의 압력을 측정하는 압력 센서(100)는 압력 변화를 측정할 수 있는 것이라면 가능한 것으로, 상기 기재한 압전소자(114)에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 압력 센서부(110)는 무선 센서를 사용할 수 있고, 이 경우 별도의 배선 연결이 없이도 사용자에게 전지 내부의 압력 상태 정보를 제공하도록 하여, 이용에 편리함을 증대시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비가역 압력 센서가 내장된 원통형 전지의 모습을 도시한 도면으로서, 도 5(a)로부터, 비가역 압력 센서부(120)가 전극 조립체(200)를 기준으로 탑캡(300)의 반대편에 배치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 비가역 압력 센서부(120)는 일회성 센서로서, 임계 압력에서 파괴될 수 있는 소재를 포함할 수 있다. 임계 압력이란, 전지가 정상적인 충방전 기능을 할 수 있는 압력 범위의 상한치를 의미하는 것으로서, 이차 전지의 내부 압력이 임계 압력에 도달되는 경우 전지가 더 이상 정상적인 충방전 기능을 수행할 수 없음을 의미한다.
도 5(b)는 비가역 압력 센서부(120)의 단면을 확대하여 도시한 것으로서, 비가역 압력 센서부(120)는 전극 조립체(200)의 전극 탭이 관통할 수 있는 홀이 중간에 구비된 원형 형상의 단면일 수 있다. 비가역 압력 센서부(120)는 절연성이 있는 소재인 것으로서, 그 자체가 기존 전지에서의 하부 절연판의 기능을 할 수 있다. 본 발명의 비가역 압력 센서부(120)는 절연성이 있는 세라믹 소재를 이용할 수 있으나, 상기 소재에 한정되는 것은 아니며, 절연성이 있는 소재라면 가능하다. 비가역 압력 센서부(120)는 사고의 원인이 된 전지를 추적할 수 있는 블랙박스 기능을 할 수 있으며, 이는 비가역 압력 센서부(120)의 파괴 여부를 구별하여, 해당 전지가 사고의 원인이 된 전지인지 여부를 파악할 수 있다는 것을 의미한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 내장된 원통형 전지에 있어서, 전극 조립체를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바를 통하여, 전극 조립체(200)는, 양극판(210), 음극판(220) 및 분리막(230)을 포함하며, 분리막(230)은 양극판(210)과 음극판(220)을 전기적으로 절연하는 역할을 하는 것으로서 양극판(210)과 음극판(220) 사이에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 분리막(230)으로는 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용될 수 있으며, 실시예에 따라서는, 전극 조립체(200)는 양극판(210), 음극판(220), 분리막(230) 각각을 젤리롤 상태로 권취되어 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따라서는, 본 발명은 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 온도 센서는 전지의 온도를 측정하는 역할을 하는 것으로서, 서미스터(Thermistor), 서머커플(Thermocouple) 등을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 전지 내부 압력 측정 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.　
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 이용한 원통형 전지(10) 내부 압력 측정 방법은, 전지 내부 압력 측정 방법으로서, 양극판(210), 음극판(220) 및 양극판(210)과 음극판(220)을 전기적으로 절연시키는 분리막(230)을 포함하는 전극 조립체(200)를 포함하는 전지의 내부 압력이, 전지의 충방전으로 인하여 상승하는 단계(S100), 그리고 전지에 내장된, 절연성이 있는 압력 센서(100)가, 전지의 충방전으로 인하여 상승된 전지 내부의 압력을 측정하는 단계(S200)를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
가역 압력 센서부(110) 및 비가역 압력 센서부(120) 중 적어도 하나를 포함할 수 있는 본 발명의 압력 센서(100)는, 전지 내부에 배치되어 전지 내부 압력을 정확하게 측정할 수 있다. 실시예에 따라서는, 절연성이 있는 소재로 구성되는 압력 센서(100)는 전극 조립체(200)의 하부에 배치되어, 전지 내부의 정확한 압력 측정뿐만 아니라, 하부 절연체 기능을 대체할 수 있다.
또한, 실시예로서, 가역 압력 센서부(110)는 무선 센서로서 이용에 편리함을 제공할 수 있다.
각각의 단계들과 관련된 상세한 내용들은, 앞서 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 내장된 원통형 전지(10)와 관련하여 설명되었으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 원통형 전지
100: 압력 센서
110: 가역 압력 센서부
112: 절연부재
114: 압전소자
120: 비가역 압력 센서부
200: 전극 조립체
210: 양극판
220: 음극판
230: 분리막
300: 탑캡

Claims (12)

  1. 이차전지의 내부 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 원통형 전지에 있어서,
    양극판, 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연시키는 분리막을 포함하는 전극 조립체,
    상기 전극 조립체의 일측에 위치하고 상기 원통형 전지에 내장된 압력 센서, 그리고
    상기 전극 조립체의 타측에 위치하는 탑캡을 포함하며,
    상기 압력 센서는 절연성이 있는 원통형 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 센서는,
    비가역 압력 센서부 및 가역 압력 센서부 중 적어도 하나를 포함하는 원통형 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가역 압력 센서부의 상기 전극 조립체와 접촉되는 일 부분은, 절연성 소재인 원통형 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가역 압력 센서부의 다른 일 부분은 압전소자인 원통형 전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 가역 압력 센서부는 무선 센서인 원통형 전지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 비가역 압력 센서부는,
    세라믹 소재인 원통형 전지.
  7. 전지 내부 압력 측정 방법으로서,
    양극판, 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판을 전기적으로 절연시키는 분리막을 갖는 전극 조립체를 포함하는 상기 전지의 내부 압력이, 상기 전지의 충방전으로 인하여 상승하는 단계, 그리고
    상기 전지에 내장된, 절연성이 있는 압력 센서가, 상기 전지의 충방전으로 인하여 상승된 상기 전지의 내부 압력을 측정하는 단계를 포함하는 원통형 전지 내부 압력 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압력 센서는,
    상기 전극 조립체를 기준으로 탑캡의 반대편에 배치되는 원통형 전지 내부 압력 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 압력 센서는 비가역 압력 센서부 및 가역 압력 센서부 중 적어도 하나를 포함하는 원통형 전지 내부 압력 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가역 압력 센서부는 압전소자를 이용하는 원통형 전지 내부 압력 측정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 비가역 압력 센서부는 일회성 센서인 원통형 전지 내부 압력 측정 방법.
  12. 제9항에서,
    상기 비가역 압력 센서부는,
    상기 내부 압력이, 상기 전지가 구동될 수 있는 압력 범위의 상한치인 임계 압력 이상이 되는 경우, 파괴되는 원통형 전지 내부 압력 측정 방법.
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