최근 급속한 기후변화 및 광범위한 사회간접시설의 개발 등으로 인해 사면붕괴가 곳곳에서 발생하고 있으며, 이에 대한 모니터링 및 예방시스템 구축에 대한 사회적인 관심이 증가하고 있는 상태이다. 사면붕괴 메카니즘에 영향을 미치는 중요한 영향인자는 지표내 수분 및 온도이며 이에 대한 변화 추이를 통해 사면붕괴를 예측할 수 있다. 따라서, 사면붕괴 모니터링을 위해서는 지표 깊이별 온도 및 함수비를 연속적으로 측정할 수 있는 복합센싱 기법이 필요하다고 볼 수 있다. 현재까지 온도 및 함수비에 대해 각각의 계측이 가능한 개별 센서는 다양하게 개발되어 있는 상태이지만, 온도 및 함수비를 동시에 연속적으로 측정할 수 있는 복합계측 시스템의 경우에는 많은 연구가 필요한 상태이다. 본 논문에서는 전류소모가 최소화된 측온 회로와 고주파 신호를 토양에 방사하는 수분 측정 센서를 적용한 고정밀 온도-함수비 복합센서를 개발하여 효율적이고 정확도를 향상시킨 사면붕괴 모니터링 시스템에 적용할 수 있도록 하였다. 개발된 복한센서의 성능검증을 위하여 기본성능 표준시험, 실내검증실험, 현장장기실험 등의 다양항 실험적 연구를 수행하였으며, 실험결과를 통해 개발된 복합센서를 이용한 모니터링 시스템은 지반의 온도 및 함수비를 정확하게 모니터링할 수 있는 것으로 나타났다.
최근 급속한 기후변화 및 광범위한 사회간접시설의 개발 등으로 인해 사면붕괴가 곳곳에서 발생하고 있으며, 이에 대한 모니터링 및 예방시스템 구축에 대한 사회적인 관심이 증가하고 있는 상태이다. 사면붕괴 메카니즘에 영향을 미치는 중요한 영향인자는 지표내 수분 및 온도이며 이에 대한 변화 추이를 통해 사면붕괴를 예측할 수 있다. 따라서, 사면붕괴 모니터링을 위해서는 지표 깊이별 온도 및 함수비를 연속적으로 측정할 수 있는 복합센싱 기법이 필요하다고 볼 수 있다. 현재까지 온도 및 함수비에 대해 각각의 계측이 가능한 개별 센서는 다양하게 개발되어 있는 상태이지만, 온도 및 함수비를 동시에 연속적으로 측정할 수 있는 복합계측 시스템의 경우에는 많은 연구가 필요한 상태이다. 본 논문에서는 전류소모가 최소화된 측온 회로와 고주파 신호를 토양에 방사하는 수분 측정 센서를 적용한 고정밀 온도-함수비 복합센서를 개발하여 효율적이고 정확도를 향상시킨 사면붕괴 모니터링 시스템에 적용할 수 있도록 하였다. 개발된 복한센서의 성능검증을 위하여 기본성능 표준시험, 실내검증실험, 현장장기실험 등의 다양항 실험적 연구를 수행하였으며, 실험결과를 통해 개발된 복합센서를 이용한 모니터링 시스템은 지반의 온도 및 함수비를 정확하게 모니터링할 수 있는 것으로 나타났다.
Recently, the event of slope failure has been occurring frequently due to rapid climate changes and broad development of infrastructures, and the research for establishment of monitoring and prevention system has been an attentive issue. The major influence factors of slope failure mechanism can be ...
Recently, the event of slope failure has been occurring frequently due to rapid climate changes and broad development of infrastructures, and the research for establishment of monitoring and prevention system has been an attentive issue. The major influence factors of slope failure mechanism can be considered moisture and temperature in soil, and the slope failure can be monitored and predicted through the trend of moisture-temperature change. Therefore, the combined sensing technology for the continuous measurement of moisture-temperature with different soil depths is needed for the slope monitoring system. The various independent sensors for each item (i.e. temperature and moisture respectively) have been developed, however, the research for development of combined sensing system has been hardly carried out. In this study, the high-fidelity sensor combing temperature-moisture measurement by using the minimized current consuming temperature circuit and the microwave emission moisture sensor is developed and applied on the slope failure monitoring system. The feasibility of developed monitoring system is verified by various experimental approaches such as standard performance test, mockup test and long-term field test. As a result, the developed temperature-moisture combined measurement system is verified to be measuring and monitoring the temperature and moisture in soil accurately.
Recently, the event of slope failure has been occurring frequently due to rapid climate changes and broad development of infrastructures, and the research for establishment of monitoring and prevention system has been an attentive issue. The major influence factors of slope failure mechanism can be considered moisture and temperature in soil, and the slope failure can be monitored and predicted through the trend of moisture-temperature change. Therefore, the combined sensing technology for the continuous measurement of moisture-temperature with different soil depths is needed for the slope monitoring system. The various independent sensors for each item (i.e. temperature and moisture respectively) have been developed, however, the research for development of combined sensing system has been hardly carried out. In this study, the high-fidelity sensor combing temperature-moisture measurement by using the minimized current consuming temperature circuit and the microwave emission moisture sensor is developed and applied on the slope failure monitoring system. The feasibility of developed monitoring system is verified by various experimental approaches such as standard performance test, mockup test and long-term field test. As a result, the developed temperature-moisture combined measurement system is verified to be measuring and monitoring the temperature and moisture in soil accurately.
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문제 정의
세라믹의 기공성은 제작 과정에서 생기는 기공의 크기와 분포에 따라 달라지고 포화 상태 하에서의 세라믹의 공기입력 값과 수분전도성 또한 기공의 크기에 영향을 받으므로 토양 내 수분의 모니터링에 이 센서를 활용한다는 것은 매우 어렵다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 기존의 장기계측용 탐침형 센서가 갖는 문제점을 해결하기 위해 고주파 (Microwave)를 이용하여 토양 수분을 측정하는 방사형 센서 기술을 개발하여 안정적이고 효율적인 계측시스템을 구성하도록 하였다.
하지만, 사면의 거동을 결정하는 중요한 인자인 함수비와 온도에 대한 복합적이고 정밀한 센싱 시스템 개발에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 센싱 정확도 향상기법 및 알고리즘을 바탕으로 고주파 방사형 센싱기술을 이용하는 온도 및 함수비 측정 센서모듈을 개발하고, 이를 적용한 효율적인 사면붕괴 모니터링 시스템을 구축하고자 한다.
본 연구에서 실현하고자 하는 시스템은 토양 속 지온 및 수분을 동시에 감지할 수 있는 융복합 시스템 개발이다. 토양의 수분 및 지온을 측정하는 기술은 국내외로 널리 연구가 되고 있으나 대부분 토양 속 수분 센서 또는 온도 센서로서 단일 센서이며, 지온감지를 포함한 복합 센서 개발은 미미한 실정이다.
본 연구에서는 사면붕괴 모니터링에 사용될 수 있는 온도함수율 복합 시스템을 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
(1) 온도 및 수분을 센싱할 수 있는 회로 개발, 센싱 정밀도 향상을 위한 연구 등을 통해 흙의 온도와 함수율을 측정할 수 있는 복합센서 모듈을 개발하였고, 사면붕괴 모니터링 시스템에 적용할 수 있는 시스템을 구성하였다.
(3) 개발된 센서모듈의 현장적용성을 평가하기 위해 흙이 채워진 토조를 이용하여 실내시험을 수행하였다. 이를 통해 흙의 공극분포, 유기물함량, 전기전도도 등으로 인해 센서의 정밀도가 영향을 받을 수 있으며, 이로 인해 측정값의 오차가 발생할 수 있는 것으로 나타났다.
층별 토양수분과 지온을 측정하기 위해 지표면 이하 깊이별 10cm, 20cm, 30cm, 50cm의 4개 지점에서 함수비과 온도를 계측하도록 설치하였으며, 각 위치에는 검증을 위한 별개의 함수비 센서와 온도센서를 설치하였다. 개발된 복합센서의 함수비는 함수비 센서 (EasyAG)와 온도는 온도 센서 (PT100)와 비교하도록 하였다. 센서를 통해 계측되는 데이터는 1시간 주기로 데이터로거를 거쳐 CDMA 통신을 통해 서버로 전송될 수 있도록 시스템을 구성하였다.
개발된 온도-함수비 복합 센서의 현장 적용성을 검증하기 위해 추풍령 기상대에 test bed 적용실험을 수행하였다. 층별 토양수분과 지온을 측정하기 위해 지표면 이하 깊이별 10cm, 20cm, 30cm, 50cm의 4개 지점에서 함수비과 온도를 계측하도록 설치하였으며, 각 위치에는 검증을 위한 별개의 함수비 센서와 온도센서를 설치하였다.
온도 측정 모듈에서는 측온 저항체의 온도 비선형성과 비가역성을 극복하기 위하여 측온 저항체를 병렬 보상 구조의 회로 결선으로 이중화하였으며, 인출선의 온도에 따른 저항 변화의 영향을 최소화하기 위하여 3선식, 4선식 등의 보상 선로를 적용하여 인출선의 저항 변화 요인을 최소화 하였다. 또한, 측정 회로의 전류 소모와 자체 발열 등에 의한 측정 오차가 발생할 수 있으므로, 측온 회로의 전류소모를 최소화하고, 토양의 온도가 측온 저항체를 포함한 측온부에 긴밀히 전달될 수 있는 구조로 구성 하였다. 수분 측정 모듈에서는 수분 측정의 정밀도를 향상시키기 위하여 두 가지 방법을 적용하였다.
저항을 이용하는 방법은 수십 KHz 미만의 측정 추파수가 이용되며 유전적 특성을 이용하는 방법은 수십 MHz 이상의 (~1GHz) 측정 주파수가 이용된다. 본 연구에서는 유전적 특성을 이용한 방법을 적용하여 토양 내 수분을 측정하였으며, 그 원리는 다음과 같다. 토양 내 존재하는 수분, 즉 물 입자는 토양에 비하여 큰 유전율을 가진다.
본 연구에서는 토양 수분의 측정에 있어 층별 측정이 가능해야 하고, 적용될 측정 환경이 실외의 토양에 설치되어 장기적으로 안정적인 측정값의 획득이 가능하여야 한다는 점을 고려하여 정전용량을 이용한 개선된 FDR 방식의 센싱 기술을 적용하여 함수비 센서 모듈을 설계하였다. 센서 모듈은 층별 각 코어 센서부와 코어센서 모듈에서 측정된 신호를 처리하는 신호처리 주회로부, 각 센서모듈의 센서배치를 조정 및 고정하기 위한 프레임부, 센서 설치를 위한 연결관으로 구성되어 있다.
개발된 복합센서의 함수비는 함수비 센서 (EasyAG)와 온도는 온도 센서 (PT100)와 비교하도록 하였다. 센서를 통해 계측되는 데이터는 1시간 주기로 데이터로거를 거쳐 CDMA 통신을 통해 서버로 전송될 수 있도록 시스템을 구성하였다. Photo 2에 추풍령기상대의 test bed 적용 전경과 시스템 데이터 수집을 위한 함체 구성을 나타내었다.
시험환경은 온도범위 23±2℃, 상대습도범위 50±20%로 유지하도록 하였다.
15도)의 센서 유닛을 적용하였다. 온도 센서 유닛의 자체 발열로 인한 측정 오차를 억제하기 위하여는 센서 유닛의 소모 전류를 최대 2mA 이하로 억제하며, 피측정체 (토양)의 온도 전달 계수가 극대화 되도록 금속, 세라믹 등의 소재를 사용하여 온도 전달 기판을 구성하였다. 한편, 센서 유닛과 구동 (증폭, 처리) 회로간의 거리를 최소화 하며 구동 회로의 온도 의존성을 자체 보상하도록 하였으며, 측점 (연속)간의 온도전달계수가 낮은 소재 (우레탄, 화이버 글래스 등)를 적용하여 층위별 온도 측정의 변별력을 향상 시킬 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발하는 온도-함수비 복합센서는 기존 함수비센서에 비해 온도측정 기능의 추가와 수분측정 기능의 정밀도 향상에 대한 개선된 기능을 가지게 된다. 온도 측정 모듈에서는 측온 저항체의 온도 비선형성과 비가역성을 극복하기 위하여 측온 저항체를 병렬 보상 구조의 회로 결선으로 이중화하였으며, 인출선의 온도에 따른 저항 변화의 영향을 최소화하기 위하여 3선식, 4선식 등의 보상 선로를 적용하여 인출선의 저항 변화 요인을 최소화 하였다. 또한, 측정 회로의 전류 소모와 자체 발열 등에 의한 측정 오차가 발생할 수 있으므로, 측온 회로의 전류소모를 최소화하고, 토양의 온도가 측온 저항체를 포함한 측온부에 긴밀히 전달될 수 있는 구조로 구성 하였다.
(4) 현장 적용 실험을 통해 개발된 온도-함수비 복합계측 시스템의 안정성을 확인할 수 있었다. 온도-함수비 측정 데이터는 온도 및 함수비에 대해 각각 기존의 단독 센서들과 비교하여 데이터의 신뢰성을 검증하였다.
흙이 채워진 토조에 일정 조건을 설정하고 시리얼 통신을 사용하여 설치한 함수비 센서 모듈에서부터 데이터를 측정하였다. 이후 중량법을 사용하여 토양의 함수비를 산출하고 센서에서 측정되는 데이터와 비교 분석하였다. Table 2는 현장적용성 평가시험 결과를 나타낸 것이고, Fig.
개발된 온도-함수비 복합 센서의 현장 적용성을 검증하기 위해 추풍령 기상대에 test bed 적용실험을 수행하였다. 층별 토양수분과 지온을 측정하기 위해 지표면 이하 깊이별 10cm, 20cm, 30cm, 50cm의 4개 지점에서 함수비과 온도를 계측하도록 설치하였으며, 각 위치에는 검증을 위한 별개의 함수비 센서와 온도센서를 설치하였다. 개발된 복합센서의 함수비는 함수비 센서 (EasyAG)와 온도는 온도 센서 (PT100)와 비교하도록 하였다.
토양의 온도 (지열)을 층위별로 연속적으로 측정하기 위해서 다음의 핵심적인 기술들을 적용하여 센서를 제작하였다. 우선, 고정밀도 온도 센서 유닛을 구성하기 위하여 온도 선형성과 재현성이 우수한 백금온도센서를 사용하였으며, 높은 센서 정밀도 (A급, 0.
Table 1에서 나타난 바와 같이, 센서모듈의 온도 및 수분함량 측정 성능은 매우 양호한 것으로 나타났다. 한국표준과학연구원에 의해 검증된 센서모듈의 기본성능을 바탕으로 현장적용성을 평가하기 위해 Fig. 2와 같은 시험을 실시하고 중량법을 이용한 토양의 함수량을 측정하여 이를 센서의 측정값과 비교 하였다.
온도 센서 유닛의 자체 발열로 인한 측정 오차를 억제하기 위하여는 센서 유닛의 소모 전류를 최대 2mA 이하로 억제하며, 피측정체 (토양)의 온도 전달 계수가 극대화 되도록 금속, 세라믹 등의 소재를 사용하여 온도 전달 기판을 구성하였다. 한편, 센서 유닛과 구동 (증폭, 처리) 회로간의 거리를 최소화 하며 구동 회로의 온도 의존성을 자체 보상하도록 하였으며, 측점 (연속)간의 온도전달계수가 낮은 소재 (우레탄, 화이버 글래스 등)를 적용하여 층위별 온도 측정의 변별력을 향상 시킬 수 있도록 하였다.
함수비는 깊이에 따라 채취한 주문진 표준사 20cm3의 체적을 (105±1)℃ 전기로에서 16시간 건조하여 얻은 결과를 기준값으로 하였고, 온도는 센서를 항온조에 넣고 기준온도계와 비교하여 얻은 결과를 기준값으로 하였다.
현장 적용 검증실험에 앞서 개발된 온도-함수비 복합 센서 모듈의 기본성능 검증시험을 수행하였다. 센서의 기본성능검증시험은 한국표준과학연구원에 의한 표준시험을 의뢰하였으며, 시험방법은 ISO 11461 (2001), ISO 16586 (2003)의 시험규격에 따라 각각 다른 깊이의 층별센서에서 온도 및 함수비를 측정하였다.
흙이 채워진 토조에 일정 조건을 설정하고 시리얼 통신을 사용하여 설치한 함수비 센서 모듈에서부터 데이터를 측정하였다. 이후 중량법을 사용하여 토양의 함수비를 산출하고 센서에서 측정되는 데이터와 비교 분석하였다.
대상 데이터
토양의 온도 (지열)을 층위별로 연속적으로 측정하기 위해서 다음의 핵심적인 기술들을 적용하여 센서를 제작하였다. 우선, 고정밀도 온도 센서 유닛을 구성하기 위하여 온도 선형성과 재현성이 우수한 백금온도센서를 사용하였으며, 높은 센서 정밀도 (A급, 0.15도)의 센서 유닛을 적용하였다. 온도 센서 유닛의 자체 발열로 인한 측정 오차를 억제하기 위하여는 센서 유닛의 소모 전류를 최대 2mA 이하로 억제하며, 피측정체 (토양)의 온도 전달 계수가 극대화 되도록 금속, 세라믹 등의 소재를 사용하여 온도 전달 기판을 구성하였다.
데이터처리
센서의 기본성능검증시험은 한국표준과학연구원에 의한 표준시험을 의뢰하였으며, 시험방법은 ISO 11461 (2001), ISO 16586 (2003)의 시험규격에 따라 각각 다른 깊이의 층별센서에서 온도 및 함수비를 측정하였다. 측정값은 기준값과 비교하여 오차를 산정하였다. 함수비는 깊이에 따라 채취한 주문진 표준사 20cm3의 체적을 (105±1)℃ 전기로에서 16시간 건조하여 얻은 결과를 기준값으로 하였고, 온도는 센서를 항온조에 넣고 기준온도계와 비교하여 얻은 결과를 기준값으로 하였다.
이론/모형
현장 적용 검증실험에 앞서 개발된 온도-함수비 복합 센서 모듈의 기본성능 검증시험을 수행하였다. 센서의 기본성능검증시험은 한국표준과학연구원에 의한 표준시험을 의뢰하였으며, 시험방법은 ISO 11461 (2001), ISO 16586 (2003)의 시험규격에 따라 각각 다른 깊이의 층별센서에서 온도 및 함수비를 측정하였다. 측정값은 기준값과 비교하여 오차를 산정하였다.
성능/효과
(2) 센서모듈의 기본성능을 검증하기 위해 온도 및 수분함량 측정에 대한 표준 시험을 수행하였으며, 각 센서의 측정 정확도는 양호한 것으로 나타났다.
(4) 현장 적용 실험을 통해 개발된 온도-함수비 복합계측 시스템의 안정성을 확인할 수 있었다. 온도-함수비 측정 데이터는 온도 및 함수비에 대해 각각 기존의 단독 센서들과 비교하여 데이터의 신뢰성을 검증하였다.
함수비 측정결과와 마찬가지로 지온 역시 측정 깊이에 영향을 받는 것으로 나타났다. 10cm 및 20cm 깊이의 측정 데이터에서는 일교차 및 일변화를 나타내는 주기파형을 명확하게 나타내었으며, 30cm 및 50cm의 경우에는 일교차의 영향보다는 측정지역 기온의 일 변화 및 월변화에 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다.
지표 깊이 30cm 및 50cm의 함수비는 계측일자와 상관없이 거의 일정한 값을 나타내었으나, 지표 깊이 10cm 및 20cm의 경우에는 특정한 계측일자에 따라 급격한 변화를 나타내었다. 기상청 자료를 통해 지표 깊이 10cm 및 20cm 함수비 값의 급격한 변화가 발생하는 계측일에는 5mm~15mm의 강우가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 10cm 깊이의 함수비값이 급상승하는 경우에는 계측 당시 강우가 발생한 것을 나타내고, 이후 건조한 날씨가 유지될 경우에는 지표의 수분 증발로 인해 함수비 그래프가 서서히 감소하는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서 개발하는 온도-함수비 복합센서는 기존 함수비센서에 비해 온도측정 기능의 추가와 수분측정 기능의 정밀도 향상에 대한 개선된 기능을 가지게 된다. 온도 측정 모듈에서는 측온 저항체의 온도 비선형성과 비가역성을 극복하기 위하여 측온 저항체를 병렬 보상 구조의 회로 결선으로 이중화하였으며, 인출선의 온도에 따른 저항 변화의 영향을 최소화하기 위하여 3선식, 4선식 등의 보상 선로를 적용하여 인출선의 저항 변화 요인을 최소화 하였다.
(3) 개발된 센서모듈의 현장적용성을 평가하기 위해 흙이 채워진 토조를 이용하여 실내시험을 수행하였다. 이를 통해 흙의 공극분포, 유기물함량, 전기전도도 등으로 인해 센서의 정밀도가 영향을 받을 수 있으며, 이로 인해 측정값의 오차가 발생할 수 있는 것으로 나타났다.
5에서 나타난 바와 같이, 개발된 복합센서의 함수비 계측 데이터와 비교 검증센서의 함수비 데이터의 경향은 일치하게 나타났다. 지표 깊이 30cm 및 50cm의 함수비는 계측일자와 상관없이 거의 일정한 값을 나타내었으나, 지표 깊이 10cm 및 20cm의 경우에는 특정한 계측일자에 따라 급격한 변화를 나타내었다. 기상청 자료를 통해 지표 깊이 10cm 및 20cm 함수비 값의 급격한 변화가 발생하는 계측일에는 5mm~15mm의 강우가 발생한 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
(5) 향후 측정값의 오차를 최소화하기 위해 시험 시료의 성분분석을 수행하고, 이를 바탕으로 측정오차와 오차 발생 인자간의 상관관계를 도출하여 정확도를 향상시킬 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것이다.
측정값과 함수비의 관계가 완전한 선형이 아닌 것은 센서의 정밀도에 영향을 줄 수 있는 흙의 공극분포, 유기물함량, 전기전도도 등으로 인한 것으로 판단된다. 향후 흙의 성분분석과 영향인자들에 대한 민감도 분석 등을 통하여 오차에 영향을 줄 수 있는 각 영향 인자와 측정값간의 관계를 도출하여 센서의 정밀도로 인해 발생하는 측정 오차를 보정할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사면붕괴 메카니즘에 영향을 미치는 중요한 영향인자는 무엇인가?
최근 급속한 기후변화 및 광범위한 사회간접시설의 개발 등으로 인해 사면붕괴가 곳곳에서 발생하고 있으며, 이에 대한 모니터링 및 예방시스템 구축에 대한 사회적인 관심이 증가하고 있는 상태이다. 사면붕괴 메카니즘에 영향을 미치는 중요한 영향인자는 지표내 수분 및 온도이며 이에 대한 변화 추이를 통해 사면붕괴를 예측할 수 있다. 따라서, 사면붕괴 모니터링을 위해서는 지표 깊이별 온도 및 함수비를 연속적으로 측정할 수 있는 복합센싱 기법이 필요하다고 볼 수 있다.
토양 내 존재하는 수분의 형태는 어떻게 구분되는가?
토양 내 존재하는 수분은 토양의 입자사이 공극에 액체의 형태로 존재하는 물을 의미하며, 이는 공기 중 기체 상태로 존재하는 물의 정도를 의미하는 습도와는 다른 성격을 지닌다. 토양 수분의 형태는 크게 중력수, 모관수, 표층수 3종류로 구분되는데 토양에 전계 또는 마이크로웨이브를 방사하게 되면 수분의 정도에 따라 그 특성이 변화하는 성질을 이용하여 토양 속 수분의 양을 측정하는 것이 가능하다. Fig.
토양 내 존재하는 수분은 무엇을 의미하는가?
토양 내 존재하는 수분은 토양의 입자사이 공극에 액체의 형태로 존재하는 물을 의미하며, 이는 공기 중 기체 상태로 존재하는 물의 정도를 의미하는 습도와는 다른 성격을 지닌다. 토양 수분의 형태는 크게 중력수, 모관수, 표층수 3종류로 구분되는데 토양에 전계 또는 마이크로웨이브를 방사하게 되면 수분의 정도에 따라 그 특성이 변화하는 성질을 이용하여 토양 속 수분의 양을 측정하는 것이 가능하다.
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