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KR101295872B1 - 액정 표시 장치용 인버터 - Google Patents

액정 표시 장치용 인버터 Download PDF

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KR101295872B1
KR101295872B1 KR1020060074106A KR20060074106A KR101295872B1 KR 101295872 B1 KR101295872 B1 KR 101295872B1 KR 1020060074106 A KR1020060074106 A KR 1020060074106A KR 20060074106 A KR20060074106 A KR 20060074106A KR 101295872 B1 KR101295872 B1 KR 101295872B1
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switching element
switching
diode
inverter
liquid crystal
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KR1020060074106A
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천현선
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명은 액정 표시 장치용 인버터에 관한 것으로, 서로 온/오프 상태가 교번되는 제 1 및 제 2 스위칭 소자를 포함하고, 입력되는 직류 전원을 교류 파형으로 변환하기 위한 스위칭 회로부; 다이오드와 제너 다이오드, 하나 이상의 저항을 포함하여 상기 제 1 스위칭 소자의 게이트에 연결되는 제 1 안정화 회로부; 다이오드와 제너 다이오드, 하나 이상의 저항을 포함하여 상기 제 2 스위칭 소자의 게이트에 연결되는 제 2 안정화 회로부; 상기 제 1 및 제 2 안정화 회로부들 사이에 연결되는 제 1 커패시터; 상기 스위칭 회로부로부터 공급되는 교류 파형을 고전압의 교류 파형으로 변환하기 위한 트랜스포머; 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자 사이의 노드와, 상기 트랜스포머의 1차측 코일 사이에 연결되는 제 2 커패시터; 및 상기 제 1, 제 2 스위칭 소자의 양단에 각각 접속되어 턴-온, 턴-오프 동작 시 스위칭 손실을 줄이는 제 1, 제 2 보호 회로부를 포함한다.
액정 표시 장치, 인버터, 트랜스포머, 보호 회로부

Description

액정 표시 장치용 인버터{Inverter for liquid crystal display}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터가 적용된 액정 표시 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타난 인버터의 구성도이다.
도 3은 도 2에 나타난 스위칭 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 나타난 스위칭 소자의 전압-전류 특성을 나타낸 파형도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
100: 액정 패널 110: 게이트 구동부
120: 데이터 구동부 130: 타이밍 컨트롤러부
140: 감마 전압 발생부 200: 백라이트 어셈블리
201: 램프 210: 인버터
211: 스위칭 회로부 212, 213: 안정화 회로부
214, 215: 보호 회로부 216: 트랜스포머
본 발명은 인버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액정 표시 장치에 이용되 는 인버터에 관한 것이다.
액정 표시 장치는 투명 절연 기판인 상, 하부 기판 사이에 이방성 유전율을 갖는 액정층을 형성한 후, 액정층에 형성되는 전계의 세기를 조정하여 액정 물질의 분자 배열을 변경시키고, 이를 통하여 표시면인 상부 기판에 투과되는 빛의 양을 조절함으로써 원하는 화상을 표현하는 표시 장치이다.
이러한 액정 표시 장치는 크게 액정 표시 모듈(LCM: Liquid Crystal display Module)과 액정 표시 모듈을 구동하기 위한 구동 회로부, 액정 표시 모듈을 감싸서 보호하는 외곽 케이스를 포함한다.
그리고, 액정 표시 모듈은 두 장의 투명 절연 기판 사이에 액정 셀들이 매트릭스 형태로 배열된 액정 패널과 액정 패널에 빛을 공급하는 백라이트 어셈블리(Backlight assembly), 이들을 보호하는 커버 등을 포함한다.
여기서, 백라이트 어셈블리는 빛을 발하는 부분으로서, 냉음극 형광 램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)와 외부 전극 형광 램프(EEFL: Exterior Electrode Fluorescent Lamp) 등을 광원으로 사용하고 있다.
냉음극 형광 램프나 외부 전극 형광 램프를 주 광원으로 사용하는 백라이트 어셈블리를 동작시키기 위해서는, 직류 전원을 교류 전원으로 변환시켜 램프를 구동하는 인버터가 필요하다.
그런데, 종래의 인버터는 트랜스포머가 구성되는 출력단에 직류 전원이 인가될 때 과전압이나 과전류로 인한 스트레스(Stress)나 단락(Short)을 방지할 만한 수단이 없거나 미흡하여 안정적인 구동이 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 과전압이나 과전류에 의한 출력단의 전력 손실 및 파손을 방지하여, 전력 효율이 높고 안정적인 구동이 가능한 액정 표시 장치용 인버터를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 액정 표시 장치용 인버터는 서로 온/오프 상태가 교번되는 제 1 및 제 2 스위칭 소자를 포함하고, 입력되는 직류 전원을 교류 파형으로 변환하기 위한 스위칭 회로부; 다이오드와 제너 다이오드, 하나 이상의 저항을 포함하여 상기 제 1 스위칭 소자의 게이트에 연결되는 제 1 안정화 회로부; 다이오드와 제너 다이오드, 하나 이상의 저항을 포함하여 상기 제 2 스위칭 소자의 게이트에 연결되는 제 2 안정화 회로부; 상기 제 1 및 제 2 안정화 회로부들 사이에 연결되는 제 1 커패시터; 상기 스위칭 회로부로부터 공급되는 교류 파형을 고전압의 교류 파형으로 변환하기 위한 트랜스포머; 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자 사이의 노드와, 상기 트랜스포머의 1차측 코일 사이에 연결되는 제 2 커패시터; 및 상기 제 1, 제 2 스위칭 소자의 양단에 각각 접속되어 턴-온, 턴-오프 동작 시 스위칭 손실을 줄이는 제 1, 제 2 보호 회로부를 포함한다.
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기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치용 인버터에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터가 적용된 액정 표시 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액정 표시 장치는 액정 패널(100), 게이트 구동부(110), 데이터 구동부(120), 타이밍 컨트롤러부(130), 감마 전압 발생부, 백라이트 어셈블리(200), 인버터(210) 등을 포함한다.
액정 패널(100)은 서로 교차되는 게이트 라인(GL1, GL2, ... , GLn) 및 데이터 라인(DL1, DL2, ... , DLm)으로 구분되는 복수 개의 픽셀(P)들로 이루어진다. 게이트 라인(GL1, GL2, ... , GLn) 및 데이터 라인(DL1, DL2, ... , DLm)의 교차 부위에는 게이트 전극, 액티브층, 소스 전극 및 드레인 전극을 갖는 박막 트랜지스터(TFT)가 배치된다.
각 픽셀(P)에는 액정 셀(Clc)로 등가화되는 액정 물질이 충진되며, 액정 셀(Clc)에 충전된 전압을 일정하게 유지시키기 위한 스토리지 커패시터(Cst)가 형성된다.
이러한 액정 패널(100)은 게이트 라인(GL1, GL2, ... , GLn)을 통해 공급되는 스캔 신호와, 데이터 라인(DL1, DL2, ... , DLm)을 통해 공급되는 아날로그 화소 신호에 따라 각 픽셀(P)에 화상을 표시하게 된다. 여기서, 스캔 신호는 1 수평 기간 동안만 공급되는 게이트 하이 전압과 나머지 기간 동안 공급되는 게이트 로우 전압이 교번되는 펄스이다.
각 픽셀(P)마다 구비된 박막 트랜지스터(TFT)는 게이트 라인(GL1, GL2, ... , GLn)으로부터의 게이트 하이 전압이 공급되는 경우 턴-온되어 데이터 라 인(DL1, DL2, ... , DLm)으로부터의 아날로그 화소 신호를 액정 셀(Clc)에 공급한다. 그리고, 게이트 라인(GL1, GL2, ... , GLn)으로부터 게이트 로우 전압이 공급되는 경우 턴-오프되어 액정 셀(Clc)에 충전된 아날로그 화소 신호가 유지되게 한다.
게이트 구동부(110)는 타이밍 컨트롤러부(130)로부터 공급되는 게이트 제어 신호에 따라 게이트 라인(GL1, GL2, ... , GLn)에 순차적으로 스캔 신호를 공급한다.
데이터 구동부(120)는 타이밍 컨트롤러부(23)로부터 공급되는 데이터 제어 신호에 응답하여 타이밍 컨트롤러부(130)로부터 입력되는 적색, 녹색, 청색의 화소 데이터를 아날로그 화소 신호로 변환하고, 이를 데이터 라인(DL1, DL2, ... , DLm)에 공급한다.
여기서, 아날로그 화소 신호는 감마 전압 공급부(140)로부터 공급되는 감마 전압들 중 외부로부터 입력되는 적색, 녹색, 청색의 화소 데이터(그레이 레벨)에 대응하여 선택되는 감마 전압이다.
타이밍 컨트롤러부(130)는 외부에서 입력되는 적색, 녹색, 청색의 화소 데이터와, 수직 및 수평 동기 신호(Vsync, Hsync), 클럭(CLK) 등을 이용하여 게이트 구동부(110)의 구동 타이밍을 제어하기 위한 게이트 제어 신호와, 데이터 구동부(120)의 구동 타이밍을 제어하기 위한 데이터 제어 신호를 발생한다.
게이트 제어 신호로는 게이트 스타트 펄스(GSP: Gate Start Pulse), 게이트 쉬프트 클럭(GSC: Gate Shift Clock), 게이트 출력 인에이블(GOE: Gate Output Enable) 신호 등이 포함되고, 데이터 제어 신호로는 소스 스타트 펄스(SSP: Source Start Pulse), 소스 쉬프트 클럭(SSC: Source Shift Clock), 소스 출력 인에이블(SOE: Source Output Enable), 극성 신호(POL: Polarity) 등이 포함된다.
감마 전압 공급부(140)는 계조 범위 내에서 데이터 구동부(120)의 디지털/아날로그 변환에 필요한 감마 전압들을 그레이 레벨 별로 생성하여 데이터 구동부(120)로 공급한다.
백라이트 어셈블리(200)는 냉음극 형광 램프나 외부 전극 형광 램프 등의 램프를 복수 개 구비하여 액정 패널(100) 측으로 빛을 공급한다.
인버터(210)는 외부로부터 입력되는 직류 전원을 백라이트 어셈블리(200)의 램프에 적합한 일정 주파수 및 전압 레벨을 갖는 교류 파형으로 변환하여 램프를 구동하게 된다.
도 2는 도 1에 나타난 인버터의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 인버터(210)는 스위칭 회로부(211), 1차측 코일과 2차측 코일이 스위칭 회로부(211)와 램프(201)에 각각 연결되는 트랜스포머(216), 제 1 보호 회로부(214)와 제 2 보호 회로부(215) 등을 포함하도록 구성된다.
스위칭 회로부(211)는 서로 온/오프 상태가 교번되는 제 1, 제 2 스위칭 소자(Q1, Q2)를 포함하며, 입력 단자(VIN)를 통해 입력되는 직류 전원을 교류 파형으로 변환하여 트랜스포머(216)의 1차측 코일로 제공한다.
트랜스포머(216)는 스위칭 회로부(211)로부터 공급되는 교류 파형을 고전압의 교류 파형으로 변환하여 램프(201)를 구동하며, 스위칭 회로부(211)에 접속된 1 차측 코일과 램프(201)에 접속된 2차측 코일로 구성된다.
1차측 코일은 스위칭 회로부(211)로 접속되고, 2차측 코일의 일측은 램프(201)의 제 1 전극에 접속됨과 아울러 타단은 램프(201)의 제 2 전극에 접속된다.
이러한 트랜스포머(216)는 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비에 의해 1차측 코일에 공급되는 전압을 변환하여 2차측 코일에 유기시킨다. 2차측 코일에 유기된 전압은 램프(201)의 제 1 및 제 2 전극을 통해 램프(201)에 공급되어 램프(201)를 점등시키게 된다.
제 1, 제 2 보호 회로부(214, 215)는 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 양단에 각각 접속되어 두 스위칭 소자(Q1, Q2)가 스위칭되어 턴-온, 턴-오프 동작을 수행하는 동안 스위칭 소자(Q1, Q2)에 발생하는 손실을 감소시켜 동작을 안정화하며, 전압 전류 스트레스로부터 스위칭 소자(Q1, Q2)를 보호하는 역할을 한다.
제 1 보호 회로부(214)는 역방향 조건을 견딜 수 있도록 설계되어 제 1 스위칭 소자(Q1)의 양단에 접속된 역방향 다이오드(D3)와 커패시터(C2), 역방향 다이오드(D3)의 양단에 접속된 저항(R3)을 포함하도록 구성된다.
또한, 제 2 보호 회로부(215) 역시 제 2 스위칭 소자(Q2)의 양단에 접속된 역방향 다이오드(D6)와 커패시터(C3), 역방향 다이오드(D6)의 양단에 접속된 저항(R6)을 포함하여 구성된다.
여기서, 제 1 스위칭 소자(Q1)는 N타입 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)이고, 제 2 스위칭 소자(Q2)는 P타입 MOSFET이다.
그리고, 제 1 스위칭 소자(Q1)와 제 2 스위칭 소자(Q2)의 게이트 단에는 다이오드(D1, D2)와 제너 다이오드(ZD1, ZD2), 하나 이상의 저항(R1, R2, R4, R5)으로 구성되어 정전압을 제공하는 안정화 회로부(212, 213)가 각각 접속되어 있다.
밸런스 커패시터(C1)는 두 안정화 회로부(212, 213)의 연결 지점에 구성되어, 양단의 전압, 전류 밸런스를 맞춘다.
그리고, 트랜스포머(216)의 1차측 코일에는 고주파 교류 전류의 흐름에 영향을 받지 않고 전류를 제한하기 위해 상대적으로 높은 직렬 임피던스를 가지는 직류 블로킹 커패시터(C4)를 구성하여 잡음을 차단한다. 이 커패시터(C4)는 도 2와 같이 제 1 및 제 2 스위칭 소자(Q1) 사이의 노드와, 트랜스포머(216)의 1차측 코일 사이에 연결된다.
도 3은 도 2에 나타난 스위칭 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 2에 나타난 스위칭 소자의 전압-전류 특성을 나타낸 파형도이다.
인버터(210)의 출력단에 구비된 트랜스포머(216)를 구동하기 위한 제 1, 제 2 스위칭 소자(Q1, Q2)로서 MOSFET를 사용하게 되면, 과도한 전류 스트레스와 과전압, 높은 스위칭 주파수로 인한 전력 손실 등에 의해 MOSFET가 파손되거나 비정상적으로 동작할 위험이 높다. 제 1, 제 2 보호 회로부(214, 215)는 이러한 문제점을 개선하여 안정적인 스위칭 동작을 구현할 수 있도록 한다.
도 3의 (a)는 제 1 스위칭 소자(Q1)의 턴-오프(Turn-Off) 동작 시 회로이다. 턴-오프 시 역방향 다이오드(D3)가 온 되어 다이오드(D3)에 접속된 커패시터(C2)에 에너지가 충전된다.
이러한 경우, 스위칭 소자(Q1) 양단에 걸리는 전압 Vs는 스위칭 소자(Q1)에 영향을 주지 않게 되어, 스위칭 소자(Q1)가 안정적으로 턴-온 될 수 있다.
그리고, 도 3의 (b)는 제 1 스위칭 소자(Q1)의 턴-온(Turn-On) 동작 시 회로이다. 턴-온 시, 역방향 다이오드(D3)가 오프되고, 제 1 스위칭 소자(Q1)에 전류 Is가 흐르면서 제 1 스위칭 소자(Q1)의 양단에 걸리는 전압 Vs가 감소하며, 커패시터(C2)에 충전되었던 전압은 저항(R3)으로 방전하게 된다.
따라서, 스위칭 소자(Q1)의 턴-온 동작 시 전압과 전류는 안정적으로 교차하게 되며, 스위칭 소자(Q1)는 안정적으로 턴-온 동작을 수행할 수 있다.
제 2 스위칭 소자(Q2)도 제 1 스위칭 소자(Q1)와 같은 방식으로 턴-온 및 턴-오프 동작을 수행하게 된다.
도 4의 (a)는 보호 회로부(214, 215)가 없는 경우 스위칭 소자(Q1, Q2)의 전압 전류 파형을 등가적으로 보여주는 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 턴-오프 시 스위칭 소자(Q1, Q2) 양단의 전압 VQ는 기울기를 가지고 충전하게 되고, 전류 IQ 또한 기울기를 가지고 감소함을 볼 수 있다. 턴-온 시 동작은 이와 반대로 나타나고 있다.
이러한 전압 전류의 겹치는 부분은 스위칭 소자의 도통 손실과 과전압 및 높은 전압 스트레스를 주게 되며, 빗금친 영역은 모두 하드 스위칭(hard switching)에 따른 스위칭 손실(switching loss)로 나타나게 된다. 특히, 턴-온 시 전압 스트레스는 스위칭 소자(Q1, Q2)에 치명적이다.
즉, 직류 전원이 입력될 때, 과도한 전압 전류 스트레스로 인한 단락을 방지 할 만한 수단이 없어, 커패시터(C1)가 과전압으로 단락되거나, 게이트 단으로 입력되는 신호가 외부적인 영향으로 불안정하여 과전류 혹은 과전압이 흐를 경우, MOSFET가 파손되어 인버터(210)의 정상적인 구동이 불가능해진다.
도 4의 (b)는 보호 회로부(214, 215)가 추가된 경우 스위칭 소자(Q1, Q2)의 전압 전류 파형을 나타낸 도면으로서, 스위칭 소자(Q1, Q2)의 턴-온 및 턴-오프 시 스위칭 소자(Q1, Q2) 양단의 전압 VQ와 전류 IQ가 교차 없이 변화하여 안정적으로 스위치가 구동됨을 보여주고 있다.
이와 같이, 제 1, 제 2 보호 회로부(214, 215)를 통해 높은 과전류나 과전압으로부터 제 1, 제 2 스위칭 소자(Q1, Q2)로 쓰이는 MOSFET를 보호하여 파손을 방지할 수 있다. 그리고, 스위칭 손실을 줄여 안정적인 고효율의 인버터(210)를 구현할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 액정 표시 장치용 인버터는 과전압이나 과전류에 의한 출력단의 전력 손실 및 파손을 방지하여, 전력 효율이 높고 안정적인 구동이 가능한 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 서로 온/오프 상태가 교번되는 제 1 및 제 2 스위칭 소자를 포함하고, 입력되는 직류 전원을 교류 파형으로 변환하기 위한 스위칭 회로부;
    다이오드와 제너 다이오드, 하나 이상의 저항을 포함하여 상기 제 1 스위칭 소자의 게이트에 연결되는 제 1 안정화 회로부;
    다이오드와 제너 다이오드, 하나 이상의 저항을 포함하여 상기 제 2 스위칭 소자의 게이트에 연결되는 제 2 안정화 회로부;
    상기 제 1 및 제 2 안정화 회로부들 사이에 연결되는 제 1 커패시터;
    상기 스위칭 회로부로부터 공급되는 교류 파형을 고전압의 교류 파형으로 변환하기 위한 트랜스포머;
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자 사이의 노드와, 상기 트랜스포머의 1차측 코일 사이에 연결되는 제 2 커패시터; 및
    상기 제 1, 제 2 스위칭 소자의 양단에 각각 접속되어 턴-온, 턴-오프 동작 시 스위칭 손실을 줄이는 제 1, 제 2 보호 회로부를 포함하는 액정 표시 장치용 인버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 보호 회로부는,
    상기 제 1 스위칭 소자의 양단에 접속된 역방향 다이오드와 커패시터, 상기 역방향 다이오드의 양단에 접속된 저항을 포함하고,
    상기 제 2 보호 회로부는,
    상기 제 2 스위칭 소자의 양단에 접속된 역방향 다이오드와 커패시터, 상기 역방향 다이오드의 양단에 접속된 저항을 포함하는 액정 표시 장치용 인버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자의 턴-오프 동작 시에 상기 역방향 다이오드가 온 되어 상기 다이오드에 접속된 상기 커패시터가 충전되고,
    상기 제 1 스위칭 소자의 턴-온 동작 시 상기 다이오드가 오프되고, 상기 제 1 스위칭 소자에 전류가 흐르면서 상기 제 1 스위칭 소자의 양단에 걸린 전압이 감소하며, 상기 커패시터에 충전된 전압이 상기 저항으로 방전되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치용 인버터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제 2 스위칭 소자의 턴-오프 동작시에 상기 역방향 다이오드가 온 되어 상기 다이오드에 접속된 상기 커패시터가 충전되고,
    상기 제 2 스위칭 소자의 턴-온 동작 시 상기 다이오드가 오프되고, 상기 제 2 스위칭 소자에 전류가 흐르면서 상기 제 2 스위칭 소자의 양단에 걸린 전압이 감소하며, 상기 커패시터에 충전된 전압이 상기 저항으로 방전되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치용 인버터.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자는 N타입 MOSFET이고, 상기 제 2 스위칭 소자는 P타입 MOSFET인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치용 인버터.
  9. 삭제
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