오늘날 3D 프린팅 기술은 다품종 소량 생산 및 맞춤형 생산, 생산 비용 및 시간 절감의 가능성이 가시화되고 있으며, 그 활용 범위가 제조업분야에서 건축분야로 확장되고 있다. 최근 국외를 중심으로 3D 프린팅 기술을 이용한 건축물, 건축 부재 및 부품을 제작한 사례가 등장하고 있으며, 국내에서도 건축 설계 및 시공 기술과 3D 프린팅 재료 및 장비 등 제반 기반 기술 개발이 이루어지고 있다. 건축분야의 3D 프린팅 기술은 도입 초기 단계로 시제품 제작 수준이나, 향후 상용화 단계로 발전하기 위해서는 현 업계의 실정을 고려한 현실적이고 체계적인 도입 전략이 필요하다. 이에 본 연구는 국내 건축분야 3D 프린팅 기술이 상용화 단계로 도입하기 위한 기반 연구로서, 3D 프린팅 기술의 도입에 대한 실무자 인식에 대한 현황을 파악하고자 설계, 시공, 자재 및 3D 프린팅 전문가를 대상으로 설문조사 및 면담을 실시하였다. 인식 현황 분석 결과, 실무에서는 3D 프린팅 건설 기술이 일반 건설시장의 대체 형태보다는 비정형 건축물, 특수한 디자인 형태의 소형 건축물, 인테리어 시장 중심으로 상용화될 것으로 전망하고 있었다. 상용화가 기대되는 3D 프린팅 건축 상품은 부재 및 부품 단위 수준으로 제한적이며, 경제성과 기능성보다는 심미성이 상품 경쟁력의 가장 큰 요인으로 인식하고 있었다. 향후 시설물 단위의 상품으로 상용화 가능성을 높이기 위해서는 재료와 장비의 성능, 안정성 확보와 함께 건축에 특화된 공법 및 정책과 제도가 요구되는 것으로 파악되었다.
오늘날 3D 프린팅 기술은 다품종 소량 생산 및 맞춤형 생산, 생산 비용 및 시간 절감의 가능성이 가시화되고 있으며, 그 활용 범위가 제조업분야에서 건축분야로 확장되고 있다. 최근 국외를 중심으로 3D 프린팅 기술을 이용한 건축물, 건축 부재 및 부품을 제작한 사례가 등장하고 있으며, 국내에서도 건축 설계 및 시공 기술과 3D 프린팅 재료 및 장비 등 제반 기반 기술 개발이 이루어지고 있다. 건축분야의 3D 프린팅 기술은 도입 초기 단계로 시제품 제작 수준이나, 향후 상용화 단계로 발전하기 위해서는 현 업계의 실정을 고려한 현실적이고 체계적인 도입 전략이 필요하다. 이에 본 연구는 국내 건축분야 3D 프린팅 기술이 상용화 단계로 도입하기 위한 기반 연구로서, 3D 프린팅 기술의 도입에 대한 실무자 인식에 대한 현황을 파악하고자 설계, 시공, 자재 및 3D 프린팅 전문가를 대상으로 설문조사 및 면담을 실시하였다. 인식 현황 분석 결과, 실무에서는 3D 프린팅 건설 기술이 일반 건설시장의 대체 형태보다는 비정형 건축물, 특수한 디자인 형태의 소형 건축물, 인테리어 시장 중심으로 상용화될 것으로 전망하고 있었다. 상용화가 기대되는 3D 프린팅 건축 상품은 부재 및 부품 단위 수준으로 제한적이며, 경제성과 기능성보다는 심미성이 상품 경쟁력의 가장 큰 요인으로 인식하고 있었다. 향후 시설물 단위의 상품으로 상용화 가능성을 높이기 위해서는 재료와 장비의 성능, 안정성 확보와 함께 건축에 특화된 공법 및 정책과 제도가 요구되는 것으로 파악되었다.
As Additive Manufacturing (AM), so-called 3D printing technology, has become visualized, its potential for Mass-Customization, production costs and time savings has extended the scope of utilization to the architecture domain. Several cases that produced facilities, building elements and components ...
As Additive Manufacturing (AM), so-called 3D printing technology, has become visualized, its potential for Mass-Customization, production costs and time savings has extended the scope of utilization to the architecture domain. Several cases that produced facilities, building elements and components using 3D printing technology have been announced mainly on the outside. There is also the development of foundation technologies including 3D printing-specific materials and equipment in Korea. As 3D printing technology in the architecture domain is currently in the early stages of adoption, realistic and systematic strategies are needed to advance it to the commercialization stages, considering the current circumstances of the industry. With this background, this study surveyed experts to investigate the status of the perception of 3D printing technology for adoption in domestic architecture industry. 3D printing technology is expected to be commercialized in areas of irregular-shape buildings and interior markets rather than general construction area. 3D printed products expected to be commercialized are limited to the level of building elements and the aesthetic factor is regarded as the most competitive factor. To enhance the possibility of the commercialization of 3D printed products, the 3D printing-specific construction method, related policies and systems are required along with the performance and stability of the materials and equipment.
As Additive Manufacturing (AM), so-called 3D printing technology, has become visualized, its potential for Mass-Customization, production costs and time savings has extended the scope of utilization to the architecture domain. Several cases that produced facilities, building elements and components using 3D printing technology have been announced mainly on the outside. There is also the development of foundation technologies including 3D printing-specific materials and equipment in Korea. As 3D printing technology in the architecture domain is currently in the early stages of adoption, realistic and systematic strategies are needed to advance it to the commercialization stages, considering the current circumstances of the industry. With this background, this study surveyed experts to investigate the status of the perception of 3D printing technology for adoption in domestic architecture industry. 3D printing technology is expected to be commercialized in areas of irregular-shape buildings and interior markets rather than general construction area. 3D printed products expected to be commercialized are limited to the level of building elements and the aesthetic factor is regarded as the most competitive factor. To enhance the possibility of the commercialization of 3D printed products, the 3D printing-specific construction method, related policies and systems are required along with the performance and stability of the materials and equipment.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 건축분야 3D 프린팅 시장이 상용화 단계로 발전하기 위하여 업계의 환경과 실정을 고려한 현실적인 도입 전략이 필요하다고 판단하여 설문과 면담을 통해 건축실무자의 시각에서 현재의 3D 프린팅기술 수준과 도입에 대한 인식 현황을 분석하였다. 3D프린팅 기술 개발 수준보다는 건축업계에서 인식하는 기술 수준 현황과 도입에 어려운 점 그리고 해결방향을 중점적으로 논하고자 하였다.
국내 건축업계의 3D 프린팅 기술에 대한 전반적 인식을 파악하고자 실제 현장 도입의사와 기술의 안정화 예상시기 그리고 도입을 위해 필요한 기술개발 우선순위에 대하여 조사하였다.
3D 프린팅 기술 활용 시 기대되는 평가 요소로 심미성, 경제성, 기능성을 설정하였으며, 이에 대한 정확한 판단을 내리기는 어려우나 전문가 입장에서 직관적으로 판단했을 때 점수를 부여하도록 요청하였다. 또한, 제시된 상품 후보군 이외에 가능성 있는 상품의 종류와 이유에 대한 의견을 서술하도록 하였다.
본 연구는 국내 건축분야 3D 프린팅 기술의 상용화 방향을 검토하기 위한 기반 연구로서, 현재 건축분야에서 활용되는 3D 프린팅 기술 수준에서 기성 상품의 대체상품으로서 상용화가 기대되는 3D 프린팅 건축 상품과 3D 프린팅 기술의 실무 도입에 대한 실무 인식 현황을 조사하기 위해 다음과 같이 설문조사를 실시하였다.
본 연구에서는 3D 프린팅 건축 상품의 유형을 기성제품의 제작방식을 변경하는 대체상품과 3D 프린팅 방식에 최적 설계되어 개발된 신상품으로 구분한다. 현재 건설에 특화된 3D 프린팅 기술의 수준이 초기라는 판단하에 대체상품을 우선적으로 다루었다.
본 연구에서는 국내 건축분야 3D 프린팅 시장이 상용화 단계로 발전하기 위하여 업계의 환경과 실정을 고려한 현실적인 도입 전략이 필요하다고 판단하여 설문과 면담을 통해 건축실무자의 시각에서 현재의 3D 프린팅기술 수준과 도입에 대한 인식 현황을 분석하였다. 3D프린팅 기술 개발 수준보다는 건축업계에서 인식하는 기술 수준 현황과 도입에 어려운 점 그리고 해결방향을 중점적으로 논하고자 하였다.
최근에는 국외를 중심으로 관련 시장이 형성되고 있는 단계이며, 시설물, 부위, 부재 및 부속품 등을 제작하기 위한 시도를 하고 있다. 본 장에서는 국외 3D 프린팅 건축 사례[4,8-27]분석을 통해 3D 프린팅 건축 상품의 종류와 제작 수준을 살펴보고자 한다.
이에 본 연구에서는 국내 건축분야에서 3D 프린팅 기술의 실무 도입과 상용화에 대한 실무자의 인식 현황을 살펴보고, 이를 기반으로 국내 실정에 맞는 건축분야의 3D 프린팅 상품 및 기술 개발 방향을 모색하고자 한다.
제안 방법
3D 프린팅 건축 상품과 관련된 세부 항목으로, 건축 상품의 성능 평가를 위한 대상 후보를 도출하는 작업을 진행하였다. 우선 3D 프린팅 건축 상품의 범위를 설정하기 위해 건설정보 분류체계를 참조하여 시설, 부위 및 자재 등을 기준으로 상품군을 분류하였다.
3D 프린팅 방식으로 생산하였을 때 기존 제작 방식대비 상품성이 있을 것으로 기대되는 건축 상품을 조사하였다. 5점 척도에서 5점은 기존 생산방식 대비 기대 매우 높음, 4점은 기대 높음, 3점은 비슷함, 2점은 기대 낮음, 1점은 기대 매우 낮음을 의미한다.
본 연구에서는 건축실무자 관점의 3D 프린팅 기술 인식 파악을 위하여 장비와 출력방식, 재료 보다는 시공 대상 즉, 3D 프린팅 출력물을 중점적으로 다루었다. 3D 프린팅 방식으로 출력되는 건축물과 전통 방식으로 시공되는 건축물을 구분하기 위해 3D 프린팅 건축 상품으로 표현하였다. 이는 3D 프린터로 출력되는 건축물과 건축물을 구성하는 부위, 부재 및 부속품 등을 포함하는 개념이다.
넷째, 설문 및 면담 결과로 도출된 인식 현황을 바탕으로 국내 건축분야 3D 프린팅 기술 도입을 위한 요건 등 해결방향을 제시하였다.
둘째, 국내 건축분야 3D 프린팅 기술에 대한 인식 조사를 위해 실무 도입 시기와 전망, 상용화가 기대되는 3D 프린팅 건축 상품, 정착을 위한 저해요소를 주제로 상세 설문항목을 구성하였다.
본 연구에서는 건축실무자 관점의 3D 프린팅 기술 인식 파악을 위하여 장비와 출력방식, 재료 보다는 시공 대상 즉, 3D 프린팅 출력물을 중점적으로 다루었다. 3D 프린팅 방식으로 출력되는 건축물과 전통 방식으로 시공되는 건축물을 구분하기 위해 3D 프린팅 건축 상품으로 표현하였다.
설문 내용은 건축분야 3D 프린팅 기술의 실무 도입,3D 프린팅 건축 상품, 3D 프린팅 기술 정착을 위한 해결과제와 관련된 항목으로 구성하였다. 응답방식으로는 단일 선택, 척도 평가 및 우선순위 결정과 같은 폐쇄형 질문과 전문가의 다양한 의견을 수렴하기 위한 개방형 질문을 사용하였다 (Table 3).
셋째, 건축분야의 3D 프린팅 기술 적용에 대해 이해가 높은 설계, 시공, 자재 및 3D 프린팅 전문가를 대상으로 설문과 면담을 진행하고 그 결과를 분석하였다.
3D 프린팅 건축 상품과 관련된 세부 항목으로, 건축 상품의 성능 평가를 위한 대상 후보를 도출하는 작업을 진행하였다. 우선 3D 프린팅 건축 상품의 범위를 설정하기 위해 건설정보 분류체계를 참조하여 시설, 부위 및 자재 등을 기준으로 상품군을 분류하였다. 기존 사례 외에도 3D 프린팅으로 제작 시 상품가치가 있는 건축 상품 아이템을 추가 도출하기 위해 전문가 자문 회의를 진행하였으며, 최종적으로 Table 4와 같이 29개의 후보군으로 정리되었다.
위와 같은 난제를 극복하고 3D 프린팅 건설이 상용화되기 위해 선행 개발되어야 하는 분야에 대한 우선순위를 조사하였다. 그 결과, 적합한 신재료 개발, 비정형 설계기술, 3D 프린팅 시공자동화 기술, 정책/법/제도의 정비 순으로 인식하였다.
설문 내용은 건축분야 3D 프린팅 기술의 실무 도입,3D 프린팅 건축 상품, 3D 프린팅 기술 정착을 위한 해결과제와 관련된 항목으로 구성하였다. 응답방식으로는 단일 선택, 척도 평가 및 우선순위 결정과 같은 폐쇄형 질문과 전문가의 다양한 의견을 수렴하기 위한 개방형 질문을 사용하였다 (Table 3).
첫째, 국외의 3D 프린팅 건축 사례를 조사하여 국외에서 시도되고 있는 3D 프린팅 건축 상품의 종류와 수준을 파악하였다.
대상 데이터
우선 3D 프린팅 건축 상품의 범위를 설정하기 위해 건설정보 분류체계를 참조하여 시설, 부위 및 자재 등을 기준으로 상품군을 분류하였다. 기존 사례 외에도 3D 프린팅으로 제작 시 상품가치가 있는 건축 상품 아이템을 추가 도출하기 위해 전문가 자문 회의를 진행하였으며, 최종적으로 Table 4와 같이 29개의 후보군으로 정리되었다. 상기 3D 프린팅 건축 상품은 소비자 요구 기반으로 제작된다는 전제로, 비정형 요소를 가진 상품을 검토 대상으로 설정하였다.
본 설문조사에서는 설계, 시공 및 3D 프린팅 분야의 전문가 14명을 대상으로 2017년 2월에 두 차례에 걸쳐 진행되었다. 응답자의 직종은 설계, 시공 및 자재 분야 57%(8명), 3D 프린팅 분야 43%(6명)로 구성되며, 응답자의 직급분포는 임원급 57%(8명), 부장급 43%(6명)이다.
기존 사례 외에도 3D 프린팅으로 제작 시 상품가치가 있는 건축 상품 아이템을 추가 도출하기 위해 전문가 자문 회의를 진행하였으며, 최종적으로 Table 4와 같이 29개의 후보군으로 정리되었다. 상기 3D 프린팅 건축 상품은 소비자 요구 기반으로 제작된다는 전제로, 비정형 요소를 가진 상품을 검토 대상으로 설정하였다. 3D 프린팅 기술 활용 시 기대되는 평가 요소로 심미성, 경제성, 기능성을 설정하였으며, 이에 대한 정확한 판단을 내리기는 어려우나 전문가 입장에서 직관적으로 판단했을 때 점수를 부여하도록 요청하였다.
성능/효과
설문과 면담 결과를 종합적으로 분석하였을 때, 건축업계는 실무 도입에 대한 의사와 기술에 대한 이해는 높은 편이나 상용화를 기대하는 상품은 부재, 부품 단위 수준으로 제한적이었다. 3D 프린팅 건축 상품의 경제성과 기능성보다는 심미성이 상품 경쟁력의 요인으로 인식하고 있었으며, 시설물 단위의 상품으로 확대되기 위해서는 재료와 장비의 성능, 안정성 확보와 함께 건축에 특화된 공법이 요구되는 것으로 파악되었다. 또한, 이러한 기술적 난제와 함께 정책과 제도가 뒷받침되어야 활성화될 것으로 기대된다.
3D 프린팅 기반 건설기술의 현장 도입 의사와 관련하여 ‘매우 있음’은 50%, ‘보통’은 50%로 나타났다.
경제성 항목에서는 스마트모바일 하우스·초소·화장실 및 벽이 평균 4.14로 나타났으며(Fig. 2), 기능성 항목의 경우 금속패널, 스마트 모바일 하우스·초소, 타일, 창호재가 평균 3.93으로 상위 10위에 속하였다(Fig. 3).
위와 같은 난제를 극복하고 3D 프린팅 건설이 상용화되기 위해 선행 개발되어야 하는 분야에 대한 우선순위를 조사하였다. 그 결과, 적합한 신재료 개발, 비정형 설계기술, 3D 프린팅 시공자동화 기술, 정책/법/제도의 정비 순으로 인식하였다. 위 4가지 분야에 대한 우선순위에 큰 편차는 없었으나, 가장 시급한 부분은 건설용 3D프린팅 재료 개발로 인식하고 있는 것으로 조사되었다.
발코니와 계단난간, 디자인 담장 등의 경우, 설계자의 디자인적 요소가 가미되는 부위로 보다 자유로운 디자인을 구현하는데 3D 프린팅 상품의 효과가 클 수 있을 것이라는 의견이었다. 또한, 제작 시간 절감 및 이동성에 유리하다는 점에서 스마트 모바일 하우스, 스마 트 모바일 초소 및 화장실과 같은 상품이 경쟁력이 높을 것으로 평가하였다.
3). 반면, 기초, 서포터, 기계설비 및 전기설비는 평균 심미성(2.55), 경제성(2.77), 기능성(2.68)으로 기존 제작 방식보다 경쟁력이 낮을 것으로 조사되었다.
상위 순위 6개 상품을 제외한 상품을 살펴보면, 심미성 항목에서는 기둥, 벽, 커튼월, 타일, 창호재가 평균 4.4로 점수가 높았다(Fig. 1). 경제성 항목에서는 스마트모바일 하우스·초소·화장실 및 벽이 평균 4.
설문과 면담 결과를 분석한 결과, 3D 프린팅 상품으로서 경쟁력이 높을 것으로 예상되는 제품군은 비정형 형태 또는 기존 제품에서 구현하지 못하는 고난이도의디자인에 대한 기대감이 높아 심미성에 반영된 것으로 파악되며, 디자인 최적화를 통해 생산비용 절감, 공종 간소화에 대한 기대가 경제성으로 반영된 것으로 해석된다. 또한, 기성제품이 수요자 중심의 주문 제작 방식으로 이루어질 때 맞춤형 생산에 대응에 대한 기대로 3D 프린팅 상품이 경쟁력 있을 것으로 인식하였다.
설문과 면담 결과를 종합적으로 분석하였을 때, 건축업계는 실무 도입에 대한 의사와 기술에 대한 이해는 높은 편이나 상용화를 기대하는 상품은 부재, 부품 단위 수준으로 제한적이었다. 3D 프린팅 건축 상품의 경제성과 기능성보다는 심미성이 상품 경쟁력의 요인으로 인식하고 있었으며, 시설물 단위의 상품으로 확대되기 위해서는 재료와 장비의 성능, 안정성 확보와 함께 건축에 특화된 공법이 요구되는 것으로 파악되었다.
그 결과, 적합한 신재료 개발, 비정형 설계기술, 3D 프린팅 시공자동화 기술, 정책/법/제도의 정비 순으로 인식하였다. 위 4가지 분야에 대한 우선순위에 큰 편차는 없었으나, 가장 시급한 부분은 건설용 3D프린팅 재료 개발로 인식하고 있는 것으로 조사되었다.
위와 같은 일반적인 인식과 함께, 세부적으로 중대형 부재 생산기술의 부재, 표면 마감 등 후처리 기술, 전통방식으로 시공되는 부재들과의 결합문제, 배선배관 등 설비공정과의 간섭문제 등 업계에서 인식하는 상용화가 진행되기에 해결해야하는 난제가 있음을 확인하였다.
조사 결과, 29개 상품후보 중 6개의 상품(비정형 금속 조인트, 디자인 담장, 인공암반, 경량 콘크리트판, 발코니 및 계단난간, 조명)이 심미성, 경제성, 기능성에서 공통적으로 높은 점수로 나타났다. 해당 상품들의 평균점수는 심미성이 4.
종합적으로 29가지 건축 상품에 대한 평가 항목별 평균값을 비교했을 때, 심미성은 평균 3.95, 경제성은 3.74로 4점(기존 방식 대비 기대 높음)에 근접하였다. 한편, 기능성의 경우 평균값 3.
국내 3D 프린팅 건설 기술 정착에 있어 큰 위험요소로 구조적인 안정성 문제, 시공비 등 경제성 문제가 강조되었다. 특히, 선행사례로 소개되는 3D 프린팅 건축물의 품질 수준이 실험단계이므로 구조, 내화, 자재 등 검증되지 않은 성능과 품질, 재료와 시공법에 우려가 많이 표출되었다. 즉, 이는 품질과 연계된 인증, 인허가 등 법, 제도가 필요함을 간접적으로 나타낸다고 해석된다.
후속연구
앞으로 3D 프린팅 건축 상품의 상용화 가능성을 높이기 위해서는 기성제품의 대체상품보다는 3D 프린팅에 최적화된 설계, 시공, 장비와 재료 기반의 신상품 개발이 필요하다고 판단된다. 현재 연구과제로 개발 중인 건축물 시공에 특화된 대형 3D 프린팅 장비와 재료를 활용하여 시공법을 고려한 신상품 개발을 진행할 계획이다.
재료와 장비의 특성은 3D 프린팅 상품의 성능에 결정적인 요인으로 작용될 수 있다. 향후 3D 프린팅 건축 상품을 기획하기 위해서는 소재, 장비 및 제작 방식 등이 종합적으로 고려되어야 할 것이며, 더 나아가 3D 프린팅 건축 상품이 상용화 수준으로 개발하기 위해서는 자유로운 디자인 구현과 경제성 및 기능성, 내구성 등을 포함한 성능과 품질의 확보가 중요한 과제일 것으로 판단된다.
앞으로 3D 프린팅 건축 상품의 상용화 가능성을 높이기 위해서는 기성제품의 대체상품보다는 3D 프린팅에 최적화된 설계, 시공, 장비와 재료 기반의 신상품 개발이 필요하다고 판단된다. 현재 연구과제로 개발 중인 건축물 시공에 특화된 대형 3D 프린팅 장비와 재료를 활용하여 시공법을 고려한 신상품 개발을 진행할 계획이다. 건축에서의 3D 프린팅 기술이 미래 건축시장의 대안기술로 자리 잡기 위해서는 기술의 성숙이 선행되어야 하며, 건축 산업 특성에 최적화된 설계와 장비, 재료, 시공 관련 기술이 패키지화되어 제시되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D 프린팅 기술의 장점은 무엇인가?
Computer Aided Manufacturing(CAM) 기술의 일종으로서 Additive Manufacturing(AM, 적층식 제조기술) 기술, 통칭 3D 프린팅 기술 [1]은 시간·공간적 제약에서 벗어나 소비자 지향적이며, 잉여 재료를 줄이는 등 친환경적인 생산방식과 이로부터 생산비용 절감 등을 장점으로 국내외에서 차세대 제조 기술의 하나로 집중되고 있다 [2,3]. 3D 프린팅 기술은 완성품에 근접하게 생산 가능한 수준으로 정교해지면서 제조업 외에도 건축분야까지 활용 범위가 확장되고 있다[3].
콘크리트를 이용해 건축 부재를 만들었을 때 문제점은 무엇인가?
시설물 및 건축 부재와 같이 구조적 안정성이 요구되는 대상물[8-17]은 콘크리트를 이용하여 출력된 사례가 많았으며, 시공성 및 출력물의 강도를 확보하기 위해 콘크리트 원재료를 기본으로 유리섬유, 탄소섬유 등이 보강된 재료를 사용하였다. 그러나 슬래브 혹은 계단과 같이 수평 하중을 받는 부재를 제작하기에는 재료의 강도에 한계가 있다 [5]. 또한, 출력 대상의 규모에 따라 출력 후 조립하는 방식이 활용되는 경우 아직 결합 방식에 대한 공론화된 기술적 해결책이 정립되지 않은 상태이다.
현재 건축 산업에 존재하는 제약은 무엇인가?
건축 분야의 3D 프린팅 기술은 ‘시간/공간적 제약’, ‘기술의 제약’, ‘시장의 제약’, ‘생산의 제약’ 등이 존재하는 현 건축 산업을 극복할 수 있는 하나의 기술로서 주목되고 있으며[2], 2000년대부터 미국, 영국, 네덜란드, 이탈리아, 중국 등에서 핵심기술을 개발해오고 있다. 최근에는 국외를 중심으로 관련 시장이 형성되고 있는 단계이며, 시설물, 부위, 부재 및 부속품 등을 제작하기 위한 시도를 하고 있다.
참고문헌 (34)
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