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KR101994224B1 - 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈 - Google Patents

서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈 Download PDF

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KR101994224B1
KR101994224B1 KR1020170142857A KR20170142857A KR101994224B1 KR 101994224 B1 KR101994224 B1 KR 101994224B1 KR 1020170142857 A KR1020170142857 A KR 1020170142857A KR 20170142857 A KR20170142857 A KR 20170142857A KR 101994224 B1 KR101994224 B1 KR 101994224B1
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power semiconductor
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capacitor
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전준영
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주식회사 만도
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    • H01L23/52—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames
    • H01L23/522—Arrangements for conducting electric current within the device in operation from one component to another, i.e. interconnections, e.g. wires, lead frames including external interconnections consisting of a multilayer structure of conductive and insulating layers inseparably formed on the semiconductor body
    • H01L23/5222—Capacitive arrangements or effects of, or between wiring layers
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Abstract

서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈은 전력반도체 모듈 본체의 일 측면에서 일면이 서로 대향하여 배치되는 전원 공급용 양극 단자 및 음극 단자; 및 양극 단자와 음극 단자의 대향면 사이에 배치되는 유전체;를 포함한다.

Description

서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈{Power semiconductor module integrated capacitor for compensating surge}
본 발명은 전력반도체 모듈에 관한 것으로, 특히, 전원 단자에 커패시터를 삽입하여 서지 보상용 커패시터를 구현한 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 전력반도체 모듈은 MOSFET이나 IGBT를 사용에 알맞게 내부에 배치하여 통합한 소자이다. 여기서, 전원 단자 및 제어 단자는 전력반도체 모듈의 외부에 배치되는데, 전력반도체 모듈의 제작 최종 단계에서 조립성 또는 기생성분 등 필요에 따라 커스터마이징된다.
이러한 전력반도체 모듈은 전력변환 기기에 사용되는데, 이때, 전력반도체 모듈의 전력반도체 소자를 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 기법으로 제어하여 전력을 전달한다. 여기서, PWM기법은 스위치로 기능하는 전력반도체 소자를 On/Off 시키는 폭을 조절하여 전력을 전달시키는 방법으로, 1초동안 스위치를 On/Off 시키는 횟수를 스위칭 주파수라고 명명한다.
이때, 스위칭 주파수는 수십~수백[㎑]로 시스템의 동작 주파수에 비하여 상대적으로 매우 빠른 편으로, 이는 전원 단자 내부에 내재하고 있는 기생 인덕턴스 성분으로 인하여 전력반도체의 스위칭시 서지 전압(surge Voltage)을 발생시킨다.
이러한 서지 전압은 전기적인 스트레스를 전력반도체 소자에 가하여 수명을 줄어들게 만들 뿐만 아니라 전압 정격을 초과하여 전력반도체 소자의 직접적인 파손을 발생시킬 수 있다. 이러한 전력반도체 소자의 파손은 전력회로의 파손과 직결되기 때문에 전 시스템의 파손을 의미할 뿐만 아니라 화재 등으로 인한 2차 피해를 야기한다.
따라서 기생 인덕턴스를 보상하기 위하여 커패시터를 전력반도체 모듈의 전원 단자 사이에 장착시켜 서지 전압을 억제시키는 것이 일반적인 전력반도체 모듈의 운용법이다.
그러나 전원 단자의 기생 인덕턴스를 보상하기 위하여 추가로 커패시터를 장착하는 것은 부품수가 증가함으로 인한 원가, 부피 및 무게의 증가와 동시에 커패시터의 장착에 따른 솔더링 및 용접 등의 추가적인 공정이 필요하다.
또한, 별도의 커패시터를 단자 사이에 장착하는 경우에, 커패시터와 전력반도체 모듈 사이의 물리적인 공간이 발생할 수밖에 없기 때문에, 해당 공간 내에서 전원 단자 내에 형성되는 기생 인덕턴스에 대한 보상이 불가능하다. 이는 서지 전압의 유발 요인으로 존재하기 때문에 이러한 구조에 의해서는 서지 전압에 대한 보상이 완전히 이루어지지 않는다.
KR 10-2010-0011946 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 전력반도체 모듈의 전원 단자를 이용해 커패시터를 형성하여 별도의 커패시터를 사용하지 않고 서지 보상이 가능한 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전극 단자 사이에 유전체를 모듈 본체 측으로 밀착 배치하여 전극 전자의 전구간에서 걸쳐 기생 인덕턴스를 보상할 수 있는 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전극 단자 사이에 유전체를 접착해 커패시터를 형성하여 용접이나 솔더링 등의 커패시터를 조립하기 위한 추가 공정을 생략할 수 있는 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전력반도체 모듈 본체의 일 측면에서 일면이 서로 대향하여 배치되는 전원 공급용 양극 단자 및 음극 단자; 및 상기 양극 단자와 상기 음극 단자의 대향면 사이에 배치되는 유전체;를 포함하는 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 양극 단자는 상기 모듈 본체의 두께 방향으로 일측에 배치되고, 상기 음극 단자는 상기 모듈 본체의 두께 방향으로 타측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양극 단자는 상기 모듈 본체의 폭 방향으로 일측에 배치되고, 상기 음극 단자는 상기 모듈 본체의 폭 방향으로 타측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체는 절연지 형태로 이루어지고 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자의 대향면에 접착될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체는 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 사이에서 상기 모듈 본체 측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자는 상기 유전체보다 외측으로 연장되는 연결부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체는 공기로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 각각은 상기 대향면에서 수직하게 형성되는 중간 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈은 전력반도체 모듈의 전극 단자를 이용해 커패시터를 형성함으로써, 외부에 추가적인 커패시터를 장착할 필요가 없으므로 추가적인 커패시터를 장착할 경우 증가하는 전력반도체 모듈의 무게, 부피 및 원가를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전원 단자 사이에 유전체를 모듈 본체 측으로 밀착 배치함으로써, 전원 단자 사이에 커패시터가 병렬로 연속적으로 구비되는 전기적 효과를 가지므로 전원 단자에 분포하는 전영역에 걸쳐 기생 커패시터를 보상할 수 있다.
또한, 본 발명은 전원 단자 사이에 유전체를 접착하여 커패시터를 형성함으로써, 외부에 추가적인 커패시터를 장착할 필요가 없으므로, 커패시터를 장착하기 위한 용접이나 솔더링 등의 불필요한 공정을 생략할 수 있고, 따라서 조립성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈의 일례의 사시도,
도 2는 도 1의 평면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈의 다른 예의 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈의 서지 보상용 커패시터의 확대 도면,
도 5는 도 4의 커패시터의 등가회로도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈에서 서지 보상용 커패시터의 다른 예의 전극 구성을 나타낸 단면도, 그리고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈에서 서지 보상용 커패시터의 또 다른 예를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체 모듈을 보다 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈의 일례의 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체 모듈(100)은 모듈 본체(102), 위상제어 신호단자(104a,104b,104c), 전원 단자(112,114), 및 서지 보상용 커패시터(110)를 포함한다.
모듈 본체(102)는 MOSFET 또는 IGBT 등과 같은 스위칭 소자를 내장하고, 그 외부를 패키징한 것이다.
위상제어 신호단자(104a,104b,104c)는 모듈 본체(102)에 내장된 스위칭 소자들을 PWM 제어하기 위하여 외부에서 제어신호가 인가되는 단자이다. 이러한 위상제어 신호단자(104a,104b,104c)는 모듈 본체(102)의 일측면에 구비될 수 있다.
전원 단자(112,114)는 전원 공급용 단자로서, 모듈 본체(102)에 전원을 인가하기 위한 단자이다. 즉, 전원 단자(112,114)는 모듈 본체(102)에 내장된 스위칭 소자에 의해 PWM 변환되는 전원이 인가된다. 이때, 전원 단자(112,114)는 모듈 본체(102)에서 위상제어 신호단자(104a,104b,104c)와 다른 측면에 배치될 수 있다.
이러한 전원 단자(112,114)는 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)를 포함할 수 있다. 여기서, 전원 단자(112,114)는 그 기능이 서로 반대로 이해될 수 있다. 즉, 음극 단자(112)는 양극 단자로, 양극 단자(114)는 음극 단자로 이해될 수 있다.
서지 보상용 커패시터(110)는 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)를 전극으로 사용하여 그 사이에 유전체(116)를 삽입하는 구조이다. 여기서, 커패시터의 사전적 정의는 두 도전체 사이에 유전체를 삽입하여 정전용량을 갖는 구조이므로, 본 발명은 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 사이에 유전체(116)를 삽입하여 단자 전체를 커패시터의 구조로 사용한다.
즉, 음극 단자(112)와 양극 단자(114)는 서지 보상용 커패시터(110)의 양극 단자이고, 그 사이에 유전체(116)가 배치됨으로써, 전원 단자(112,114) 자체가 서지 보상용 커패시터(110)로 사용될 수 있다.
여기서, 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)는 모듈 본체(102)의 일 측면에서 일면이 서로 대항하여 배치될 수 있다. 이때, 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)는 모듈 본체(102)의 폭 방향으로 좌우측에 배치될 수 있다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 음극 단자(112)는 모듈 본체(102)의 폭 방향으로 일측에 배치되고, 양극 단자(114)는 모듈 본체(102)의 폭 방향으로 타측에 배치될 수 있다.
이에 의해, 음극 단자(112)와 전원 단자(112,114) 사이의 간격을 용이하게 조절할 수 있으므로 서지 보상용 커패시터(110)에 의해 형성되는 커패시턴스를 필요에 따라 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)가 모듈 본체(102)의 다른 부분들과 충분한 거리로 이격되어 전원 단자(112,114)에 의한 영향을 배제할 수 있다. 여기서, 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)는 모듈 본체(102)의 일측면에서 대략 중양에 배치될 수 있다.
유전체(116)는 음극 단자(112)와 양극 단자(114)의 대향면 사이에 배치될 수 있다.
이와 같이, 전력반도체 모듈(100)의 전원 단자(112,114)를 이용하여 서지 보상용 커패시터(110)를 구현함으로써, 모듈 본체(102)의 설계와 무관하게 외부 단자의 커스터마이징과 동시에 제작할 수 있으므로, 전력반도체 모듈(100)의 설계 자유도를 향상시키는 동시에 저렴한 비용으로 제조가 가능할 뿐만 아니리 서지 보상용 커패시터(110) 자체의 구조 변경도 용이하다.
한편, 전원 단자(112,114)의 구조는 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈의 다른 예의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 서지 보상용 커패시터(210)는 음극 단자(212) 및 양극 단자(214)는 모듈 본체(102)의 두께 방향으로 상하측에 배치될 수 있다. 즉, 음극 단자(212)는 모듈 본체(102)의 두께 방향으로 일측에 배치되고, 양극 단자(214)는 모듈 본체(102)의 두께 방향으로 타측에 배치될 수 있다.
이에 의해, 음극 단자(212)와 양극 단자(214)의 면적을 용이하게 크게 형성할 수 있거나, 그 사이의 간격을 좁게 형성할 수 있다. 따라서, 서지 보상용 커패시터(210)의 커패시턴스를 크게 형성할 수 있다. 여기서, 음극 단자(212) 및 양극 단자(214)는 모듈 본체(102)의 일측면에서 대략 중앙에 배치될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 전력반도체 모듈(100)에 일체형으로 결합되는 서지 보상용 커패시터(110,210)를 구체적으로 설명한다. 여기서, 도 1의 서지 보상용 커패시터(110)를 참조하여 설명하지만, 이는 도 3의 서지 보상용 커패시터(210)에도 동일하게 적용되는 것으로 이해될 수 있다.
즉, 도 4 내지 도 7은 서지 보상용 커패시터(110)인 경우, 모듈 본체(102)의 상측에서 본 구조이고, 서지 보상용 커패시터(210)인 경우, 모듈 본체(102)의 정면에서 본 구조로 이해될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈의 서지 보상용 커패시터의 확대 도면이다.
유전체(116)는 음극 단자(112)와 양극 단자(114)에 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 유전체(116)는 모듈 본체(102)의 측에 최대한 가깝게 밀착하여 배치될 수 있다.
이에 의해, 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)에서 서지 보상용 커패시터(110)가 형성되지 않은 영역이 없기 때문에, 서지 보상용 커패시터(110)는 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)의 전체 구간에 대하여 전극 내에 형성되는 기생 인덕턴스를 보상할 수 있다.
이러한 유전체(116)는 절연지 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 유전체(116)는 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)의 대향면에 접착될 수 있다.
한편, 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)는 유전체(116)보다 외측으로 연장되는 연결부(112a,114b)를 포함할 수 있다. 즉, 음극 연결부(112a) 및 양극 연결부(114b)는 유전체(116)보다 모듈 본체(102)로부터 외측으로 배치될 수 있다.
결과적으로, 음극 단자(112) 및 양극 단자(114)의 총 길이는 유전체(116)의 길이보다 연결부(112a,114b) 만큼 더 길게 형성될 수 있다.
이러한 연결부(112a,114b)는 외부에서 전원을 인가하기 위해 외부와 연결하기 위한 기능을 갖는다. 따라서, 외부와의 연결의 용이성을 위해 음극 연결부(112a)와 양극 연결부(114b) 사이의 대향면에는 유전체(116)를 배치하지 않는다.
도 5는 도 4의 커패시터의 등가회로도이다.
도 5를 참조하면, 서지 보상용 커패시터(110)는 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 및 그 사이에 배치된 유전체(116)에 의해 커패시턴스(C)가 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 사이에서 연속적으로 형성될 수 있다.
즉, 음극 단자(112)와 양극 단자(114)가 모듈 본체(102)로부터 인출되는 최초 영역에서부터 커패시턴스(C)가 연속적으로 형성되기 때문에, 음극 단자(112)와 양극 단자(114)를 통하여 서지가 유입되는 모든 경로 상에 커패시턴스(C)가 형성될 수 있다.
이에 의해, 음극 단자(112)와 양극 단자(114)에 형성되는 기생 인덕턴스(L)에 대하여 전구간에 걸쳐 커패시턴스(C)가 형성될 수 있다. 따라서, 이와 같은 커패시턴스(C)의 분산효과로 인하여 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 전영역에 걸쳐 기생 인덕턴스(L)를 보상할 수 있다.
한편, 서지 보상용 커패시터(110)의 용량을 변경하기 위한 다양한 구조로 변형될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈에서 서지 보상용 커패시터의 다른 예의 전극 구성을 나타낸 단면도이다.
여기서, 서지 보상용 커패시터(110)는 MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor)의 형태의 구조를 적용할 수 있다. 이를 위해, 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 각각에 중간 전극(118a,118b)이 구비될 수 있다.
즉, 음극 단자(112)는 양극 단자(114)와의 대향면에서 양극 단자(114) 측으로 수직하게 형성되는 복수의 중간 전극(118a)이 구비될 수 있다. 또한, 양극 단자(114)는 음극 단자(112)와의 대향면에서 음극 단자(112) 측으로 수직 형성되는 복수의 중간 전극(118b)이 구비될 수 있다.
이에 의해, 하나의 커패시터를 형성하는 중간 전극(118a,118b) 사이의 거리가 감소하여 그에 대응하는 커패시턴스(C)가 증가할 뿐만 아니라 이러한 커패시터가 병렬로 연결되므로 전체 커패시턴스(C)는 더욱 증가할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈에서 서지 보상용 커패시터의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
서지 보상용 커패시터(110)는 유전체가 공기로 이루어질 수 있다. 즉, 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 사이에 공극(119)이 될 수 있다.
이와 같이 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 사이에 공극(119)을 형성하는 것은 양극 단자(114)와 음극 단자(112)의 대향하는 면적이 충분한 경우에 적합하다. 따라서, 공극(119)은 도 1의 서지 보상용 커패시터(110)보다는 도 3의 서지 보상용 커패시터(210)에 더 적합할 수 있다.
이에 의해, 서지 보상용 커패시터(110)의 커패시턴스를 더 용이하게 구현할 수 있고, 또한, 유전체(116)를 음극 단자(112)와 양극 단자(114) 사이에 삽입할 필요가 없어 더 용이하게 제조할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 전력반도체 모듈(100)은 외부에 추가적인 커패시터를 장착할 필요가 없으므로 추가적인 커패시터를 장착할 경우 발생하는 전력반도체 모듈의 무게, 부피 및 원가를 감소시킬 수 있다.
또한, 전력반도체 모듈(100)은 전원 단자 사이에 커패시터가 병렬로 연속적으로 구비되는 전기적 효과를 가지므로 전원 단자에 분포하는 전영역에 걸쳐 기생 커패시터를 보상할 수 있다.
또한, 전력반도체 모듈(100)은 외부에 추가적인 커패시터를 장착할 필요가 없으므로, 커패시터를 장착하기 위한 용접이나 솔더링 등의 불필요한 공정을 생략할 수 있고, 따라서 조립성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 전력반도체 모듈 102 : 모듈 본체
104a,104b,104c : 위상제어 신호 단자
110,210 : 서지 보상용 커패시터 112,212 : 음극 단자
112a : 음극 연결부 114,214 : 양극 단자
114a : 양극 연결부 116,216 : 유전체
118a,118b : 중간 전극 119 : 공극

Claims (8)

  1. 스위칭 소자를 내장하고 그 외부가 패키징된 전력반도체 모듈 본체;
    상기 모듈 본체의 일 측면에서 일면이 서로 대향하여 배치되는 양극 단자 및 음극 단자를 포함하는 전원 단자; 및
    상기 양극 단자와 상기 음극 단자의 대향면 사이에 배치되는 유전체;를 포함하고,
    상기 유전체는 절연지 형태로 이루어지고 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자의 대향면에 접착되며, 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 사이에서 상기 모듈 본체 측에 밀착 배치되고,
    상기 양극 단자 및 상기 음극 단자는 상기 유전체보다 외측으로 연장되어 외부에서 전원을 인가하도록 외부와 연결하기 위한 연결부를 포함하는 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극 단자는 상기 모듈 본체의 두께 방향으로 일측에 배치되고, 상기 음극 단자는 상기 모듈 본체의 두께 방향으로 타측에 배치되는 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양극 단자는 상기 모듈 본체의 폭 방향으로 일측에 배치되고, 상기 음극 단자는 상기 모듈 본체의 폭 방향으로 타측에 배치되는 서지 보상용 커패시터 일체형 전력반도체 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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