KR101349833B1 - Ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

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KR101349833B1
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박칠근
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Abstract

본 발명의 일실시예는 조도 특성이 향상된 LED 조명장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 적어도 2개 이상의 LED 소자; 및 상기 2개 이상의 LED 소자 상부에 배치된 광확산 시트를 구비하고, 상기 LED 소자간의 제1 간격이, 상기 LED 소자와 상기 광확산 시트 사이의 제2 간격의 7배보다 작거나 같고, 0.5배 보다 크거나 같도록 상기 LED 소자가 배치되는 LED 조명장치를 제공한다.
LED 소자, LED 렌즈, 광확산, 광반사 시트.

Description

ＬＥＤ 조명장치{LIGHTING DEVICE WITH LED}
본 발명은 LED(Light Emitting Diode, 이하 LED) 장치에 관한 것으로, 특히 LED 조명 장치에 관한 것이다.
LED 소자는 반도체 제조공정을 이용하여 제조된 PN 접합 구조를 가진 다이오드로서, PN 접합에서 전자와 홀이 결합할 때 여분의 에너지가 빛으로 방출되어 나오는 소자이다. LED 소자를 구성하는 물질의 종류와 제조공정에서 첨가된 불순물에 따라 LED 소자에서 출력되는 빛의 파장이 달라진다. 예를 들어, 아연 및 산소 원자에 의해서는 파장이 700 nm 인 적색빛이 LED 소자로부터 나오게 되며, 질소 원자에 의해서는 파장 550 nm 인 녹색빛이 LED 소자로부터 나오게 된다.
LED 소자는 기존의 광원에 비하여 소형이고, 수명이 길고, 효율이 좋으며 고속 응답 특성을 가지고 있다. 이러한 장점 때문에, LED 소자는 최근에 액정표시소자를 구비한 평판디스플레이 장치의 백라이트 광원으로 이용되고 있다. LED 소자를 백라이트 광원으로 사용하는 평판디스플레이 장치는 이전의 형광램프를 백라이트 광원으로 사용하는 경우보다 색재현성, 수명등에서 보다 유리한 장점을 가지고 있다.
최근에는 LED 소자의 발광 효율이 증가하면서 밝기의 제한으로 사용되지 않던 광원 분야에서 LED 소자가 적용되기 시작했다. LED 소자가 조명 인프라를 바꾸는 신성장 기술로 급부상하고 있다. LED 조명는 백열전등에 비하여 전기 절감 효과가 높고, 형광등에 비하여 수은을 사용하지 않아 친환경적이다.
본 발명은 조도 특성이 향상된 LED 조명장치를 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 적어도 2개 이상의 LED 소자; 및 상기 2개 이상의 LED 소자 상부에 배치된 광확산 시트를 구비하고, 상기 LED 소자간의 제1 간격이, 상기 LED 소자와 상기 광확산 시트 사이의 제2 간격의 7배보다 작거나 같고, 0.5배 보다 크거나 같도록 상기 LED 소자가 배치되는 LED 조명장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 적어도 2개 이상의 LED 소자; 및 상기 LED 소자 상에 배치된 LED 렌즈를 구비하고, 상기 LED 렌즈의 표면은 하기의 수학식 1에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치가 제공된다.
Figure 112009031345717-pat00001
0.1<= C <= 10, -2 <= C2 <= 0, 0 <= C4 <= 1.5,
-1<= C6 <= 0, 0 <= C8 <= 1, -1.2<k<-0.8
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 적어도 2개 이상의 LED 소자; 상기 LED 소자상에 배치된 LED 렌즈; 및 상기 2개 이상의 LED 소자 상부에 배치된 광확산 시트를 구비하고, 상기 LED 소자간의 제1 간격이, 상기 LED 소자와 상기 광확산 시트 사이의 제2 간격의 7배보다 작거나 같고, 0.8배보다 크거나 같도록 상기 LED 소자가 배치되는 LED 조명장치가 제공된다.
본 발명에 의해서 조도특성이 향상된 LED 조명 장치를 용이하게 구현할 수 있다. 본 발명에 의해 LED 소자 수를 이전보다 적게 사용하여도, 원하는 조도 특성을 가지는 LED 조명장치를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제공하는 LED 렌즈를 사용하게 되면, LED 소자의 수를 크게 줄이더라도 원하는 조도 특성을 가지는 LED 조명 장치를 용이하게 구현할 수 있다. 본 발명에서 제공하는 LED 렌즈의 표면 함수를 이용하게 되면, 원하는 조도특성을 가지는 LED 조명을 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명에 의해서 일정한 면적을 가지는 LED 조명을 효과적으로 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 의해서 지금 널리 사용되고 있는 형광등을 대체할 수 있는 라인 형태의 LED 조명을 효과적으로 제조할 수 있다. 특히 본 발명에서 제공하는 LED 렌즈의 표면함수를 이용하면, 다양한 조명 특성을 가지는 라인 형태의 LED 조명을 효과적으로 제조할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내는 단면도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 LED 조명장치는 지지대(10), 예정된 간격으로 배치된 다수의 LED 소자(12), 반사시트(13), 광확산 시트(14) 및 투명커버(15)를 포함한다. 지지대(10)는 LED 소자(12)를 부착하기 위한 것이다. 여기서는 지지대(10)에 다수의 LED 소자를 부착하는 형태로 제시하였으나, 경우에 따라서는 각 LED 소자를 패키지 형태로 형성하는 것도 가능하다. 다수의 LED 소자(12)는 일정한 간격을 두고 배치된다. 반사시트(13)는 LED 소자에서 방출된 빛이 광확산 시트(14)에서 반사되어 오는 경우 그 빛을 다시 반사하는 역할을 한다. 광확산 시트(14)는 LED 소자에서 방출되는 빛을 굴절시키거나 산란시켜 외부에서 넓은 범위로 빛을 퍼지게 하기 위한 것이다.
광확산 시트(14)는 도시된 바와 같이 1개를 구비할 수도 있고, 2개 이상을 구비할 수 있다. 또한, 광확산 시트(14)는 그 자체로 고정될 수 없는 막을 사용할 수도 있는데, 이 경우에 투명커버(15)가 광확산 시트(14)의 형태를 유지하는 역할을 한다.
도1에 도시된 LED 조명장치의 특징은 광원으로 사용되는 LED 소자간의 간격(W)과 LED 소자(12)와 광확산 시트(14)의 간격(H) 사이에 범위를 설정하는 것에 있다. LED 소명장치를 구현할 때에, LED 소자간의 간격(W)과 LED 소자(12)와 광확산 시트(14) 사이의 간격(H)을 아래의 수학식 2와 같은 범위내에서 하는 것이다. 배치되는 LED 소자의 갯수는 LED 조명이 사용되는 환경이나, LED 조명이 요구받는 조건에 따라 정해진다.
0.5H <= W <= 7H
LED 소자를 이용하여 조명장치를 구성하는 경우에 LED 조명장치에 요구되는 조도의 균일도를 확보하기 위해, LED 소자간에 여유간격이 없이 촘촘히 배치하여 LED 조명장치를 구성할 수 있다. 그러나 너무 많은 LED 소자를 구비함에 따라 LED 조명장치의 가격이 너무 높아지는 문제점과 조명장치의 눈부심이 심하게 발생할 수 있다. 이 경우 원하는 조도의 균일도를 얻기 위해서, 광원앞에 광확산 시트를 다수 배치해야만 하는데, 이는 광효율을 낮추는 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 광원으로 사용되는 LED 소자간의 간격과 조명장치의 두께를 규정하여, 가장 최적의 LED 조명장치를 제공한다. 즉, 지지대(10)에 LED 소자를 배치할 때에 7H >= W >= 0.5H 의 수식을 만족하는 범위에서 배치한다.
이상과 같이, 도1에 도시된 본 발명의 일실시예에 따라 LED 조명장치를 제조하게 되면, LED 소자를 촘촘히 배치하지 않아도 원하는 균일도를 가지는 LED 조명장치를 구현할 수 있다. 즉, LED 조명장치에 사용되는 LED 소자의 수를 크게 줄일 수 있는 것이다.
도2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내는 단면도이다.
도2에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 LED 조명장치는 지지대(20)를 도시된 바와 같이, ㄷ 형태로 구성하고, LED 소자(22)를 지지대(20)의 바닥에 전술한 수학식 2를 만족하는 범위로 배치한다. 지지대(20)의 넓이에 맞추어 광확산 시트(23)와 투명시트(24)가 배치된다. 반사시트(21)는 반사가 가능한 막으로 형성할 수도 있고, 반사용 물질을 도포하여 형성할 수도 있다. 반사시트(21)는 LED 소자가 부착된 지지대 바닥과 측면에 모두 배치된다. 도시된 바와 같이, 반사시트(21)는 LED 소자의 측면에 LED 소자(22)와 광확산 시트(23)의 높이까지 연장되어 배치된다. 여기서는 반사시트(21)가 LED 소자의 측면에 LED 소자(22)와 광확산 시트(23)의 높이까지 연장되어 배치되었지만, 경우에 따라서는 광확산 시트(23)가 있는 높이까지 배치되지 않고, 광황산 시트(23)가 있는 높이보다 더 높게 배치되거나, 더 낮게 배치되는 것도 가능하다. 반사시트(21)로 인해 LED 조명장치의 조명효율을 향상시킬 수 있으며, 조명의 균일도를 향상시킬 수 있다. 여기서 광확산 시트(23)는 PET(polyethiylene terephthalate)막, PMMA(poly methyl methacrylate)막, 또는 PC( poly carbonate)막을 사용할 수 있다. 반사시트(21)는 PET 막을 사용할 수 있다.
도2에 도시된 본 실시예에 의한 LED 조명장치는 LED 소자가 배치된 바닥과 LED 소자의 측면에도 반사시트를 배치하였기 때문에, 보다 광효율을 높인 LED 조명 을 효과적으로 구현할 수 있다.
도3은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내는 단면도이다.
도3을 참조하여 살펴보면, 제3 실시예에 따른 LED 조명장치는 지지대(30)를 ㄷ 형태로 구성하고, LED 소자(32)를 지지대(30)의 바닥에 전술한 수식 수학식 2를 만족하는 범위로 LED 렌즈(33)와 함께 배치한다. 반사시트(31)는 지지대(30)의 바닥부분과 측면부분에 배치된다. 또한, 지지대(30)의 크기에 맞추어 광확산 시트(34)와 투명시트(35)가 배치된다. 제3 실시예에 따른 LED 조명장치는 LED 소자(32)상에 LED 렌즈(33)를 배치한 것이 특징이다. LED 렌즈(33)로 인해 LED 조명장치의 조도의 균일도가 크게 향상된다. 이와 관련해서는 후에 자세히 설명한다. 또한, LED 렌즈(33)가 LED 소자(32)상에 형성되는 경우에는 LED 소자(32)를 수학식 3을 만족하는 범위로 배치할 수 있다. LED 렌즈(33)가 있는 경우에는 LED 소자에서 출력되는 빛이 LED 렌즈(33)가 없는 경우보다 더 광범위하게 퍼지기 때문이다. 여기서 광확산 시트(33)는 PET(polyethiylene terephthalate)막, PMMA(poly methyl methacrylate)막, 또는 PC( poly carbonate)막을 사용할 수 있다. 반사시트(31)는 PET 막을 사용할 수 있다.
도3에 도시된 바와 같이, LED 소자에 렌즈를 배치하게 되면, LED 소자를 지지대(30)에 배치할 때에 LED 소자의 간격을 아래의 수학식 3의 수식을 만족하는 범위에서 하는 것이 가능하다.
0.8H <= W <= 7H
도3에 도시된 본 실시예에 의한 LED 조명장치는 LED 소자상에 LED 렌즈를 구비하고 있기 때문에, 도1과 도2에 도시된 실시예보다 LED 소자의 간격을 더 넓게 배치하여도 제1 실시예 또는 제2 실시예와 실질적으로 같은 광특성을 가지는 LED 조명장치를 구현할 수 있다. 따라서 LED 렌즈로 인해 LED 소자의 수를 줄일 수 있다.
도4는 도2와 도3에 도시된 LED 조명장치의 광원에서 방출되는 빛을 나타내는 도면이다.
도4의 좌측에 도시된 경우와 같이 LED 소자상에 LED 렌즈가 없는 경우에는 LED 소자(22A)에서 출력되는 빛이 방사형으로 균일하게 출력된다. 도4의 우측에 도시된 경우와 같이 LED 소자상에 LED 렌즈가 있는 경우에는 LED 소자(32A)에서 출력되는 빛이 LED 렌즈의 형태에 따라 굴절된다. 그러므로 어떤 형태의 LED 렌즈를 LED 소자상에 배치하느냐에 따라 LED 조명장치에서 출력되는 빛의 특성을 조절할 수 있다. LED 렌즈의 형태를 반원형태가 아니라 중심부가 함몰된 형태로 만들어진 것은 LED 소자에서 출력되는 빛의 굴절을 조절하여 LED 조명장치의 눈부심을 줄이고, 균일도 향상을 위한 것이다. LED 렌즈의 물질은 실리콘 수지(silicone)계열로써, 적외선 리플로우(IR reflow) 공정을 이용할 수 있는 물질을 사용하는 것이 바 람직하다. 적외선 리플로우 공정은 고온 중에서 수행되기 때문에, LED 렌즈에 적외선 리플로우 공정을 수행하려면 LED 렌즈 물질이 고온을 견딜 수 있는 물질이어야 한다.
도4에 도시된 바와 같이, LED 렌즈의 표면을 효과적으로 구현하면, LED 소자에서 출력되는 빛의 굴절도를 원하는 대로 조절할 수 있기 때문에, 원하는 광특성을 가지는 LED 조명장치를 효율적으로 구현할 수 있다.
도5는 도2와 도3에 도시된 LED 조명장치의 조도분포를 나타내는 도면이다.
도5는 렌즈가 있는 경우와 렌즈가 없는 경우에 조도분포를 나타내는 도면이다. 특히 조명을 정면으로 바라보았을 때 측정되는 조도 분포 상태를 나타내고 있다. 도5의 우측에 도시된 바와 같이, LED 렌즈가 없는 경우보다 LED 렌즈가 있는 경우에 LED 소자에서 출력되는 빛이 더 넓게 퍼지게 된다.
도6은 도2와 도3에 도시된 LED 조명장치의 평면도이다.
도6은 본 발명에 의한 LED 조명장치에서 렌즈를 했을 때와 하지 않았을 때의 조도분포를 나타내는 도면이다. 특히 25개 LED 소자를 규일한 간격으로 배치한 LED 조명장치의 상면에서의 조도 분포 시뮬레이션을 나타낸 것이다. 도6의 우측과 같이, 도4의 우측에 도시된 LED 렌즈를 LED 소자 상단에 배치하였을 경우에는 보다 균일한 조도 분포를 얻을 수 있다.
도7a 내지 도7c는 도2의 LED 조명장치에서 LED 렌즈를 나타내는 단면도이다. 도7a와 7b는 도3에 도시된 LED 렌즈를 나타내는 단면도이고, 도7c는 도3에 도시된 LED 렌즈를 2개의 축(r1,r2)을 중심으로 입체적으로 보았을 때를 나타내는 도면이다.
본 실시예에 따른 LED 렌즈는 도7a에 도시된 바와 같은 형태로 형성하고, 특히 수학식 4에 따라 LED 렌즈의 표면을 형성한다. 또한, LED 렌즈는 도6b에 도시된 바와 같이, LED 렌즈의 폭(D)이 렌즈의 높이(Ho) 보다는 더 큰 값을 가지도록 형성한다. 또한, 도7b의 정중앙의 최상단 지점(A)에서는 접평면 기울기가 0이 되도록 하고, 미분계수가 존재할 수 있도록 LED 렌즈를 형성한다. 또한, 도7c에 도시된 바와 같이, LED 렌즈의 형태는 제1 축(r1)과 제 축(r2)에 대해 수학식 4를 만족하는 범위 내에서 서로 다른 곡면을 가질 수 있다.
Figure 112009031345717-pat00002
0.1<= C <= 10, -2 <= C2 <= 0, 0 <= C4 <= 1.5,
-1<= C6 <= 0, 0 <= C8 <= 1, -1.2<k<-0.8
도7a 내지 도7c에 도시된 본 실시예에 따라 제공되는 함수를 이용하여 제조된 LED 렌즈를 사용하게 되면, LED 소자의 수를 크게 줄이더라도 원하는 조도 특성을 가지는 LED 조명 장치를 용이하게 구현할 수 있다. 특히, 도7c에 도시된 바와 같이, 수학식4 에 있는 함수를 이용하여 렌즈의 표면을 단면에 따라 서로 다르게 구현하게 되면, 더욱 다양한 형태의 LED 렌즈를 구현할 수 있다. 이렇게 구현된 LED 렌즈를 이용하여 다양한 특성을 가지는 LED 조명장치를 용이하게 구현할 수 있다.
도8은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내기 위한 평면도이다. 도9는 본 발명에서 정의하는 균일도를 나타내는 도면이다.
도8의 <a> 경우는 LED 소자 간격을 25mm 로 하고, LED 소자와 광확산 시트사이의 간격을 8mm 로 하여, 25개의 LED 소자를 5 * 5 로 배치한 경우이다. 도8의 <b> 경우는 도8의 <a> 경우와 같이 구성하고, 렌즈없이 광확산 시트를 구비한 LED 조명장치의 광 분포를 나타낸 것이다. 도8의 <c> 경우는 도8의 <a> 경우와 같이 구성하고, LED 렌즈와 광확산 시트를 모두 구비한 경우이다. 도시된 바와 같이, 도8의 <c> 경우에 조도가 거의 균일한 조명을 얻을 수 있다. 도9에 도시된 바와 같이, 조명의 출사면에서 광세기가 가장 낮은 영역의 조도값을 'Emin'이라고 정의하고, 조명의 출사면에서 광세기가 가장 높은 영역의 조도값을 'Emax'라고 정의하여, 균일도의 기준식 U= Emin/Emax 라고 정의할 때에, 도8의 <c> 경우는 0.95의 균일도를 얻을 수 있다.
도8의 <d>의 경우에는 LED 소자 간격을 9mm 로 하고, LED 소자와 광확산 시트 사이의 간격을 15mm 로 하여, 5개의 LED 소자를 일렬로 배치한 경우이다. 도8의 <e> 경우는 도8의 <d> 경우와 같이 구성하고, LED 렌즈 없이 광확산 시트를 구비한 LED 조명장치의 광 분포를 나타낸 것이다. 도8의 <f> 경우는 도8의 <d> 경우와 같이 구성하고, LED 렌즈와 광확산 시트를 모두 구비한 경우이다. 도8의 <f> 경우는 전술한 바와 같이 정의한 균일도가 0.9 이상으로 거의 조도가 균일한 LED 조명을 얻을 수 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 일정한 면적을 가지는 LED 조명을 효과적으로 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 의해서 지금 널리 사용되고 있는 형광등을 대체할 수 있는 라인 형태의 LED 조명을 효과적으로 제조할 수 있다. 특히 본 발명에서 제공하는 LED 렌즈의 표면함수를 이용하면, 다양한 조명 특성을 가지는 라인형태의 LED 조명을 효과적으로 제조할 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 LED 조명장치는 LED 소자를 배치할 때에 LED 소자간의 간격과 LED 소자와 광확산 시트사이의 간격에 대해 전술한 수식에 의해 배치하고 있기 때문에, 최소한의 LED 소자만을 사용하여 균일도가 향상된 LED 조명장치를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 LED 렌즈를 사용하면 최소한의 LED 소자만을 사용하여 균일도가 크게 향상된 LED 조명장치를 용이하게 제조할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내는 단면도.
도2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내는 단면도.
도3은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내는 단면도.
도4는 도2와 도3에 도시된 LED 조명장치의 광원에서 방출되는 빛을 나타내는 도면.
도5는 도2와 도3에 도시된 LED 조명장치의 조도분포를 나타내는 도면.
도6은 도2와 도3에 도시된 LED 조명장치의 평면도.
도7a는 도2의 LED 조명장치에서 LED 렌즈를 나타내는 단면도.
도7b는 도2의 LED 조명장치의 LED 렌즈를 나타내는 단면도.
도7c는 도2의 LED 조명장치의 LED 렌즈 곡면을 나타내는 단면도.
도8은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 LED 조명장치를 나타내기 위한 평면도.
도9는 본 발명에서 정의하는 균일도를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 지지대 12: LED 소자
13: 반사시트 14: 광확산 시트
15: 투명커버

Claims (19)

  1. 지지대;
    상기 지지대에 배치된 적어도 2개 이상의 LED소자;
    상기 2개 이상의 LED 소자 상부에 배치된 광확산 시트;
    상기 LED 소자의 사이 영역에 배치된 반사시트;
    상기 LED 소자에 배치된 LED 렌즈; 및
    투명 커버를 구비하고,
    상기 LED 소자간의 제1 간격이, 상기 LED 소자와 상기 광확산 시트 사이의 제2 간격의 7배보다 작거나 같고, 0.5배 보다 크거나 같도록 상기 LED 소자가 배치되며,
    상기 LED 렌즈의 표면은 하기의 수학식 5에 따라 형성된 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
    Figure 112013063347629-pat00017
    0.1<= C <= 10, -2 <= C2 <= 0, 0 <= C4 <= 1.5,
    -1<= C6 <= 0, 0 <= C8 <= 1, -1.2<k<-0.8
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사시트는 상기 LED 소자의 측면에 상기 제2 간격의 높이까지 연장되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 소자간의 제1 간격이, 상기 LED 소자와 상기 광확산 시트 사이의 제2 간격의 7배보다 작거나 같고, 0.8배보다 크거나 같도록 상기 LED 소자가 배치되는 LED 조명장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
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