KR101207482B1 - 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치 및 이 장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치 및 이 장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 무거운 연납축전기를 대체하여 슈퍼캐패시터(EDLC)를 이용하여 기존의 에너지저장장치의 문제점을 보완하고 에너지저장장치의 안정적인 동작과 수명을 보장하도록 한 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치 및 이 장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명의 태양전지모듈에서 생성된 에너지를 저장하도록 휴대용 에너지 충전장치에 적용되는 슈퍼캐패시터의 용량 선정방법에 있어서, 상기 에너지 충전장치의 기본 파라미터(최대 및 최소전압, 발전전력, 에너지 저장시간)를 결정하는 과정과; 이 기본 파라미터를 이용하여 평균전류값 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값을 결정하는 과정과; 결정된 평균전류값 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값에 따라 에너지 충전장치에서 필요한 전체 캐패시턴스값을 결정하는 과정;을 통해 상기 슈퍼캐패시터의 용량을 선정하고,
휴대용 에너지 충전장치의 최대전압값은 Vmax, 최소전압값 Vmin, 캐패시터의 최대전압값 Vw라 했을 때, 상기 전압변동값은 슈퍼캐패시터의 방전에 기인한 전압강하로서 dV= Vw - Vmin 이고, 전체 캐패시턴스값 C는 아래의 식으로 형성되며,

여기서, i는 에너지 충전장치에 흐르는 평균전류값이고, dV는 슈퍼캐패시터의 전압변동값이며, dt는 에너지 저장시간의 변동값인 것을 특징으로 한다.

Description

슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치 및 이 장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법{POTABLE CHARGING APPARATUS USING EDLC AND METHOD OF EDLC CAPACITY SELECTING THE SAME}

본 발명은 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치 및 이 장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 무거운 연납축전기를 대체하여 슈퍼캐패시터(EDLC)를 이용하여 기존의 에너지저장장치의 문제점을 보완하고 에너지저장장치의 안정적인 동작과 수명을 보장하도록 한 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치 및 이 장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법에 관한 것이다.

컴퓨터 및 전자기술의 발달로 개인이 휴대할 수 있는 다양한 전자기기 및 컴퓨터가 널리 보급되고 있는 추세에 있어, 업무상 또는 개인 용도로 다양한 전자기기가 휴대하면서 사용되고 있다.

이러한 종래의 다양한 개인 휴대용 전자기기는 그 동작을 위해 일정한 전원이 필요하게 되는데, 전자기기에 본래 장착된 배터리로는 일정시간 동안만 사용할 수밖에 없는 제약이 있기 때문에, 더욱 성능이 향상된 개인휴대용 전자기기의 배터리 개발에 많은 업체나 발명가들이 심혈을 기울이고 있는 실정이다.

그러나, 아무리 성능이 뛰어난 휴대용 전자기기의 배터리가 개발된다 하여도 일정한 사용수명을 가지고 있기 때문에 근본적으로 외부전원공급 없이 장기간 사용하는 것은 어려울 수밖에 없는 기술의 한계성을 가지고 있다.

이에 따라, 태양광발전시스템을 이용한 휴대용 에너지 충전장치가 개발되었으며, 이러한 기존의 휴대용 에너지 충전장치는 초기 태양광발전시스템의 등장에서부터 대두되어온 휴대가 간편한 에너지뱅크 형태로 매니아층을 상대로 마케팅이 이루어졌고, 현재는 레저용으로 주로 사용되고 있으며 이러한 휴대용 충전장치는 최근 휴대폰에 부착되거나 소형 충전기의 형태로 이용되는 등의 매우 활발한 응용장치분야로 확장되고 있는 실정이다.

그러나 저가경쟁으로 인해 그 성능은 매우 열악해지고 태양전지모듈의 저급화가 제품의 품질을 저하시켜 레저용이나 휴대용으로 적용되는 시장에서 고품질 차별화된 기능과 성능을 갖춘 에너지저장장치의 필요성이 대두되었다. 이를 위해 다양한 배터리보호기능이 추가된 형태가 등장하였으나 무게 및 비용의 증가로 인해 실제 제품에는 부정적인 영향을 미쳤다.

한편, 태양광발전은 일반 전원과 달리 무한 전원이 아니기 때문에 충전전류 제어가 어렵기 때문에 배터리의 과충전, 과방전이 발생할 우려가 높다. 그리고 태양전지모듈의 발전량이 일사량에 따라 변화가 심하고 동일 일사량에서도 충전전류는 배터리의 상태에 따라 상당한 차이가 생겨 배터리 충전시 사용되는 정전압 충전이나 정전류 충전법을 태양광발전 시스템에 적용하기 곤란하다.

또한, 독립형 태양광발전 시스템의 경우 배터리는 충방전 제어가 적절치 못할 경우 배터리에 과충방전이 발생하고, 이로 인해 배터리 수명을 단축시키게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 연납축전지와 같은 배터리를 대체하여 슈퍼캐패시터를 이용함으로써 배터리에 비해 전압변동율이 낮아 안정적인 충전성능을 갖출 수 있음은 물론, 충전된 에너지를 이용할 수 있는 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 슈퍼캐패시터를 적용하여 태양전지모듈과 병렬연결하여 순시전압강하를 보상하고 첨두전력을 담당하게 함으로써 안정적인 동작이 가능하도록 함은 물론 수만회 이상의 충방전 성능으로 장수명을 보장하는 슈퍼캐패시터의 사용으로 전체적인 충전장치의 충전효율도 더욱 높일 수 있도록 하며, 또한 제너다이오드를 통해 전압을 균등화하여 과전압으로부터 보호함으로써 수명을 증가시키도록 한 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치를 제공하는 데 있다.

또한, 기존의 휴대용 에너지 충전장치의 배터리와 같은 저장수단이 휴대성에 치명적인 무게 및 부피 증가의 요인으로 작용하나, 본 발명의 휴대용 에너지 충전장치는 무게 및 부피의 영향을 최소화할 수 있는 슈퍼캐패시터뱅크를 적용하여 최적화된 회로를 설계함으로써 부일사량 조건에서 한시적으로 에너지 충전장치를 사용할 수 있음은 물론 이를 지원하기 위한 배터리 잔존용량 표시수단이 더 구비되어 기능적으로 보완할 수 있는 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 에너지 저장시간에 따라 슈퍼캐패시터의 최적의 크기(용량)를 선정하여 회로구성한 후 효과적으로 충전되어 지도록 하여 저일사량이나 다양한 조건하에서 저장된 에너지를 이용할 수 있도록 한 휴대용 에너지 충전장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 에너지 충전장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법은, 태양전지모듈에서 생성된 에너지를 저장하도록 휴대용 에너지 충전장치에 적용되는 슈퍼캐패시터의 용량 선정방법에 있어서, 상기 에너지 충전장치의 기본 파라미터(최대 및 최소전압, 발전전력, 에너지 저장시간)를 결정하는 과정과; 이 기본 파라미터를 이용하여 평균전류값 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값을 결정하는 과정과; 결정된 평균전류값 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값에 따라 에너지 충전장치에서 필요한 전체 캐패시턴스값을 결정하는 과정;을 통해 상기 슈퍼캐패시터의 용량을 선정하는 것을 특징으로 한다.

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이때, 상기 휴대용 에너지 충전장치의 최대전압값은 Vmax, 최소전압값 Vmin, 캐패시터의 최대전압값 Vw라 했을 때, 상기 전압변동값은 슈퍼캐패시터의 방전에 기인한 전압강하로서 dV= Vw - Vmin 이고, 전체 캐패시턴스값 C는 아래 식으로 형성되며,

여기서, i는 에너지 충전장치에 흐르는 평균전류값이고, dV는 슈퍼캐패시터의 전압변동값이며, dt는 에너지 저장시간의 변동값인 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 슈퍼캐패시터를 적용한 충전장치의 개발로 수명의 한계를 갖는 기존의 연납축전지와 같은 배터리를 대체함으로써 안정적인 충전성능을 갖도록 함은 물론 순시 전압강하를 보상하고 안정적인 동작과 함께 수만회 이상의 충방전 성능을 갖는 긴 수명을 보장할 수 있으며, 이렇게 충전된 에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 휴대용 에너지 충전장치에 충전된 전압의 사용에 따른 전압변동량을 보인 그래프,
도 2는 본 발명의 슈퍼캐패시터의 회로구성도,
도 3은 본 발명의 휴대용 에너지 충전장치의 시스템 블록다이어그램,
도 4는 본 발명의 휴대용 에너지 충전장치의 시스템을 보인 전체 회로도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치 및 이 장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 슈퍼캐패시터를 이용한 휴대용 에너지 충전장치는 통상의 태양전지모듈(10)에서 생성된 에너지를 빛에너지의 조사가 없는 장소에서 사용하도록 한시적으로 저장 및 에너지 용량 레벨을 유지하도록 한 휴대용 에너지 충전장치에 있어서, 충방전특성을 개선하기 위해 이 휴대용 에너지 충전장치에 슈퍼캐패시터를 적용하여 충전성능을 유지할 수 있도록 한 것이다.

상기 슈퍼캐패시터(20)는 상기 태양전지모듈(10)에서 생성된 에너지를 저장하도록 태양전지모듈(10)과 병렬로 연결되게 회로구성되어 있다.

이러한 슈퍼캐패시터(전기이중층캐패시터, Electric double layer capacitor, EDLC)는 사이클 수명에 제한이 없고, 독성물질도 포함하지 않는 환경친화적인 재료인 슈퍼캐패시터가 축전지의 대체 및 병용가능한 에너지저장장치로 부각되고 있다. 발전된 전력의 에너지 충전장치로 초전도 자석전원장치(SMES), 압축공기장치, 축전지, 초전도 플라이휠 에너지 충전장치(FES) 등이 주된 관심대상이며 이러한 저장장치들은 효율, 에너지저장 용량, 수명, 환경적인 영향 등이 중요한 비교요소가 된다. 슈퍼캐패시터는 전자의 수수를 동반하는 흡착반응 또는 산화-환원반응 등의 전기화학적인 패러데이반응 원리를 이용하여 전하를 축적하며, 소용량 1F이하~초고용량 50KF이상까지 매우 큰 용량을 가지는 캐패시터를 지칭하며 울트라 캐패시터라 부르기도 한다. 슈퍼캐패시터는 전기구동라인에서 축전지의 과도상태 직류전류와 축전지처럼 낮은 진폭을 가지며, 교류전류신호와 같은 부하의 레벨을 맞추는데 사용된다. 직류 충방전 시간은 교류전압의 캐패시터

의 기본적인 특성 주파수,

와 관련된다. 그러므로 수초에서 수십초의 백업시간에 응용되고, 10Hz보다 낮은 AC신호에 주로 사용된다.

특히, 슈퍼캐패시터는 충방전시 전극 계면에서의 화학변화를 수반하지 않아 축전지에 비해 출력밀도가 월등히 높고, 단위시간당 충방전하는 에너지의 양을 극대화할 수 있다. 또한 순시 첨두전력을 공급할 수 있는 능력이 축전지의 수십 배 이상이며 큰 전력이 필요한 경우 에너지를 공급할 수 있는 능력을 지니고 있다.

슈퍼캐패시터(EDLC)는 1개 당 내압이 2~5V로 낮아, 고전압을 얻기 위해서는 다수 개를 직렬 접속할 필요가 있다. 이러한 특성은 정전용량과 누설저항을 따로 사용함으로써 각각 슈퍼캐패시터(EDLC)의 전압이 언밸런스 되거나, 내압이상의 전압인가로 인한 과전압 파괴, 축전에너지량의 저하 등의 문제를 발생시킨다. 따라서 슈퍼캐패시터를 과전압으로부터 보호하기 위해서는 각 슈퍼캐패시터의 전압을 균등화한 전압 밸런싱회로가 불가피하다.

그리고, 슈퍼캐패시터를 적용하는 경우에는 반드시 정전압제어를 하여야 하는데, 제너다이오드를 이용한 일반적인 전압 밸런스 회로를 이용하기도 한다. 도 2의 회로에서 보는 바와 같이 각 슈퍼캐패시터(EDLC)에 병렬로 제너다이오드(항복전압=EDLC의 최대전압)를 접속하려면 전압밸런스회로가 동작한다. 도면의 전압 밸런스 회로는 충전할 때 콘덴서의 전압이 일정치 이상이 되면 충전전류를 저항에 바이패스하는 것에서 각 콘덴서의 전압을 밸런스시키게 되는 것이며, 과전압 보호 기능도 갖추고 있다.

본 발명의 휴대용 에너지 충전장치는 상기와 같이 충방전 특성을 개선하기 위해 슈퍼캐패시터를 적용하는 시스템으로서, 태양전지모듈에 병렬 연결하여 부하가 급격히 증감할 때, 순간적인 에너지의 수급을 담당하도록 하는 시스템이며, 이러한 슈퍼캐패시터의 적용시에는 태양전지모듈(10)과 슈퍼캐패시터(20) 간의 전력수급을 조절하기 위해 제어장치가 설치되어 진다.

도 3은 휴대용 에너지 충전장치의 시스템 블록다이어그램을 보인 것으로, 본 발명에서 적용되는 제어장치는 태양전지모듈(10)을 통해 생성된 에너지를 저일사량이나 다양한 조건에서 최대출력을 발생하도록 제어하는 최대전력출력점 추종방식의 MPPT컨트롤러(30) 및 그 후단에 설치되는 정전압제어용 컨버터(40)로 구성된다.

즉, 태양전지는 최대 전력점이라는 최적점을 가지는데, 이는 전지에서 로드인 부하로 전력을 전송하는데 최적점으로서, 이와 같은 최대 전력점은 온도와 일사량과 같은 환경조건으로 인해 변화하게 됨으로써 상기 MPPT컨트롤러를 통해 전압출력을 조정하게 되는 것이며, 상기 MPPT컨트롤러(30)는 전압출력을 조정하여 최대 전력점을 계속하여 찾고 추적하여 전체 전력 생성효율성을 증가시키도록 제어하게 되는 것이다.

이때, 상기 컨버터(40)는 정전압제어용 컨버터를 사용하면 된다.

따라서, 태양전지모듈에서 생성된 에너지는 출력조정되어 다수의 슈퍼캐패시터로 회로 구성된 캐패시터뱅크(50)로 전달되어 지며, 이 캐패시터뱅크(50)에 한시적으로 저장된 에너지는 부하(60)에서 이용하게 되는 것이다.

슈퍼캐패시터는 캐패시티브 성분과 저항성분 두개의 요소를 갖으며, 여기서 캐패시티브성분은 에너지의 변동에 따른 전압의 변화를 나타내고, 저항성분은 등가직렬저항(ESR, Equivalent series resistance)에 의한 전압의 변동을 의미한다. 최대 및 최소전압, 전류, 그리고 지속시간등을 고려한 시스템변수에 따라 슈퍼캐패시터의 셀의 수가 결정되어야 한다.

도 1은 휴대용 에너지 충전장치에 충전된 전압의 사용에 따른 전압량을 보인 그래프로서, Vmax는 동작 전압이고, Resistive(ESR, 등가직렬저항)은 ESR에 기인한 전압강하이며, Capacitive는 캐패시터의 방전에 기인한 전압강하이고, Vmin은 시스템 또는 방전시간동안의 최소전압에 의한 최소전압이며, T는 방전시간을 각각 의미한다.

도면을 보면, 충전된 에너지는 T시간동안 사용된 후 방전되어 지는 것이며, 방전 후 태양전지모듈을 통해 생성된 전기는 T시간만큼의 사용시간을 갖는 전압량이 슈퍼캐패시터에 충전되는 것이다.

여기서, 캐패시티브 성분은 아래의 식 [1]에 의해 결정된다.

[1]

여기서 I는 전류, C는 캐패시턴스, dV는 전압의 변동분, dt는 시간의 변동분을 의미한다.

또한, 저항성분은 아래의 식 [2]에 의해 결정된다.

[2]

여기서 V는 저항의 전압강하, I는 전류, R은 ESR(등가직렬저항)을 의미한다.

캐패시티브성분과 저항성분 두 가지를 모두 포함한 슈퍼캐패시터의 충방전이 이루어질때, 총 전압의 변동은 아래의 식 [3]과 같다.

[3]

셀의 정격전압이 낮은 슈퍼캐패시터의 특성상 얼마나 많은 수의 셀을 직렬로 연결할 것인지는 최대 허용되는 셀의 전압으로 응용장치대상의 최대 전압을 나누어서 결정하고, 이때 최대 허용 셀 전압은 수명과 온도특성에 의해 결정된다. 일반적으로 각 셀의 허용전압은 2.5~5.5V정도이다.

도 4는 휴대용 에너지 충전장치의 시스템을 보인 전체 회로도인 것으로, 충전된 에너지 저장시간에 따라 필요한 만큼의 슈퍼캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하여 회로구성하면 되고, 태양전지모듈과 슈퍼캐패시터뱅크간에 설치되는 MPPT컨트롤러(30)를 강압형 방식으로 제어하도록 출력되는 전류와 전압을 검출하는 마이크로 컨트롤러가 회로연결되어 있다.

이때, 슈퍼캐패시터뱅크에 충전된 에너지의 잔존용량을 확인하도록 잔존용량 표시수단이 더 구비되어 휴대용 충전장치를 기능적으로 보완할 수 있도록 함으로써 사용편의성을 높여줄 수 있게 된다.

한편, 휴대용 에너지 충전장치에 적용되는 슈퍼캐패시터(20)는 필요한 에너지 저장시간에 따라 그 크기를 선정하여 회로를 구성하게 되는데, 본 발명에서는 태양전지모듈(10)에서 생성된 에너지를 저장하도록 휴대용 에너지 충전장치에 적용되는 슈퍼캐패시터(20)의 용량을 최적으로 선정하기 위한 방법으로, 휴대용 에너지 충전장치의 동작전압 등의 각각의 파라미터를 통해서 최적의 슈퍼캐패시터의 크기(용량)를 결정하였다.

그 결정과정은 총 3단계로 구분하여 정리할 수 있으며, 첫번째는 기본 파라미터의 결정, 두번째는 전류 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값의 결정, 세번째로 캐패시턴스값을 결정하는 순서로 진행하여 실제 시스템에서 필요로 하는 슈퍼캐패시터의 용량을 최적으로 선정하였다.

상기 첫번째는 휴태용 에너지 충전장치의 기본 파라미터 즉, 최대 및 최소 동작전압과 발전전력 및 에너지 저장시간을 결정하게 되는 과정이고, 두번째는 이러한 기본 파라미터를 이용하여 충전장치 시스템의 평균전류값 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값을 결정하는 과정이며, 세번째로 이 과정에서 결정된 각 값에 따라 충전장치의 시스템에서 필요한 전체 캐패시턴스값을 결정하는 과정을 통해 슈퍼캐패시터의 용량을 선정하는 것이다.

일 실시예를 통해 설명하면,

휴대용 에너지 충전장치의 기본시스템 파라미터는 전압의 최대값은 Vmax=18V, Vw=16V, 전압의 최소값은 Vmin=12V, 발전전력 P=15W, 에너지 저장시간 T=1,800s 이다.

그리고, 두 번째 단계로 dV의 결정식에 따른 파라미터의 결정을 위해 dV는 아래의 식 [4]와 같다.

[4]

I를 평균전류라고 할 때, 최대값과 최소값을 더한 값을 2로 나누어서 평균값르 결정한다. 따라서 I의 최대값은 식 [5]와 같다.

[5]

I의 최소값은 식 [6]과 같이

[6]

따라서, 평균전류는 식 [7]에서와 같이

[7]

여기서, 슈퍼캐패시터의 셀 전압(cellvoltage)이 5.5V일 때, 최대 동작전압이 18V이므로 5.5V로 나누면 3.27이 되고, 4개의 슈퍼캐패시터를 직렬로 연결하면 22V가 되어 최대 동작전압인 18V보다 20%의 여유율을 갖게 됨으로써 충분한 허용전압레벨을 갖출 수 있게 된다.

그리고, 세번째로 커패시턴스값을 계산하면 아래의 식[8]에서와 같이

[8]

이상과 같이, 슈퍼캐패시터의 최적의 용량을 선정하기 위해 충방전시간을 1,800s인 30분으로 설정하여 계산한 결과, 휴대용 에너지 충전장치의 전체 캐패시턴스값은 468F이고, 5.5Vdml 슈퍼캐패시터 4개를 직렬연결하면 최대 동작전압보다 더 높은 22V로 충분한 허용전압레벨을 갖출 수 있게 된다.

이때, 사용되는 슈퍼캐패시터의 캐패시턴스값이 100F이라 가정한 경우, 4개의 슈퍼캐패시터가 직렬연결되어 있어 한개의 어레이의 슈퍼캐패시터 용량은 25F이고, 18.72의 병렬연결 즉 19개의 병렬연결이 이루어져야만 시스템이 요구하는 468F의 용량을 갖게 되어 에너지의 충전 후 30분 동안 일사조건이 없는 실내환경에서 에너지를 사용할 수 있는 것이다.

10: 태양전지모듈 20: 슈퍼캐패시터
25: 정전압 보호회로
30: MPPT(Maximum Power-Point Tracking)컨트롤러
40: 컨버터 50: 슈퍼캐패시터뱅크
60: 부하

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 태양전지모듈(10)에서 생성된 에너지를 저장하도록 휴대용 에너지 충전장치에 적용되는 슈퍼캐패시터(20)의 용량 선정방법에 있어서,
   상기 에너지 충전장치의 기본 파라미터(최대 및 최소전압, 발전전력, 에너지 저장시간)를 결정하는 과정과; 이 기본 파라미터를 이용하여 평균전류값 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값을 결정하는 과정과; 결정된 평균전류값 및 슈퍼캐패시터의 전압변동값에 따라 에너지 충전장치에서 필요한 전체 캐패시턴스값을 결정하는 과정;을 통해 상기 슈퍼캐패시터의 용량을 선정하고,
   휴대용 에너지 충전장치의 최대전압값은 Vmax, 최소전압값 Vmin, 캐패시터의 최대전압값 Vw라 했을 때, 상기 전압변동값은 슈퍼캐패시터의 방전에 기인한 전압강하로서 dV= Vw - Vmin 이고, 전체 캐패시턴스값 C는 아래의 식으로 형성되며,
   

   

   
   여기서, i는 에너지 충전장치에 흐르는 평균전류값이고, dV는 슈퍼캐패시터의 전압변동값이며, dt는 에너지 저장시간의 변동값인 것을 특징으로 하는 휴대용 에너지 충전장치의 슈퍼캐패시터 용량 선정방법.
   
5. 삭제

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