전기차 배터리: 알아야 할 모든 것 및 다음에 나올 것들

전기차는 자동차의 역사만큼이나 오래되었지만, 리튬 이온 배터리가 모든 것을 바꾸기 전까지는 내연기관 자동차를 대체할 만한 가치가 있는 자동차가 되지 못했습니다. 

이 에너지 저장 장치는 시계부터 전기 자동차, 심지어 도시에 이르기까지 우리 주변의 모든 것에 전력을 공급하는 데 도움이 됩니다. 전기차 배터리가 어떻게 발전해 왔고 어디로 나아가고 있는지 살펴보겠습니다.

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전기 자동차는 지구 온난화를 억제하고 도시 내 오염을 줄이기 위한 인류 최고의 도구로 홍보되고 있습니다. 모든 사람이 전기차가 최고의 솔루션이라고 확신하는 것은 아니지만, 전기차는 내연기관 차량에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 

이러한 장점은 낮은 운영 비용에서 시작되며, 충전에 소비되는 에너지의 약 90%를 기계 작업으로 전환할 수 있다는 사실에 의해 더욱 커집니다. 

이것이 비현실적으로 들린다면, 전기차는 제동 중에 사용된 에너지의 중요한 부분(20% 이상)을 회수하여 다시 배터리로 공급할 수 있다는 점을 상기해 주시기 바랍니다.

전기차는 제한된 주행거리, 긴 충전 시간, 높은 가격 등 특정 영역에서 단점을 가지고 있으며, 가장 많이 언급되는 단점으로는 주행거리가 짧다는 것입니다. 

이렇게 분류해 보면 장점은 전기 사용에서 비롯된 것이고 단점은 모두 리튬 이온 배터리에서 비롯된 것임을 알 수 있습니다. 

이 사실을 깨닫고 나면, 자동차 업계가 전기 자동차에 동력을 공급하는 배터리를 개선하여 모두를 행복하게 만드는 데 노력을 기울여야 한다는 것은 당연한 일입니다.

전기차 배터리 역사

오늘날의 전기차 배터리는 대부분 리튬 이온 배터리이지만, 항상 그런 것은 아닙니다. 리튬 이온 배터리는 아직 새로운 기술이며, 이 기술을 사용한 최초의 상용 배터리는 1990년대에 등장했습니다. 

최초의 전기 자동차는 당시 지배적인 배터리 기술인 납축 배터리를 사용했습니다. 이 배터리는 오늘날에도 대부분의 자동차에서 엔진 시동을 걸고 엔진이 작동하지 않을 때 보조 전자장치에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 

하지만 리튬 이온 배터리가 이 분야에 진출하기 시작하면서 납축 배터리의 시대는 가고 있습니다.

자동차 제조업체들이 전기 자동차를 진지하게 고려하기 시작한 것은 1970년대 휘발유 파동 때였습니다. 1980년대에 폭스바겐이 나트륨-황 배터리를 실험하기는 했지만, 당시에는 납축 배터리가 유일한 해결책이었습니다. 

납축 배터리는 무게와 짧은 수명이 가장 큰 단점이었습니다. 납축 배터리는 GM EV1의 초기 버전에 동력을 공급했지만, GM은 2세대에서 니켈수소(NiMH) 배터리로 전환했습니다.

니켈수소 배터리는 납축 배터리보다 가볍고 에너지 밀도가 높으며 적절히 사용하면 수명이 매우 길어집니다. 도요타 프리우스를 비롯한 많은 하이브리드 자동차가 NiMH 배터리를 사용했지만, 최근에는 대부분 리튬 이온 배터리로 전환했습니다. 

리튬 이온 배터리는 훨씬 가볍고 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 초기의 리튬 이온 전지는 온도 변화에 민감하고 성능이 빠르게 저하되는 단점이 있었습니다. 이후 더 이상 유효하지 않음에도 불구하고 현재까지도 나쁜 인식이 남아있습니다.

높은 유가나 휘발유를 구할 수 없는 상황은 항상 대체 파워트레인의 촉매제 역할을 해왔습니다. 2009년 금융 위기가 전기차 개발에 또 다른 활력을 불어넣은 이유도 바로 이 때문입니다. 

그 무렵 일론 머스크와 테슬라는 이미 2006년에 발표한 유명한 마스터 플랜을 통해 지구를 구하겠다고 약속한 바 있습니다. 

테슬라는 2008년에 로드스터를 인도하기 시작하면서 리튬 이온 배터리를 사용한 최초의 자동차 회사이기도 했습니다. 

미쓰비시는 1년 후 i-MiEV를 출시했고, 닛산은 2010년에 Leaf를 출시했습니다. 새로운 역사가 쓰이고 있었습니다.

현재 사용 중인 리튬 이온 배터리 유형은 무엇인가?

계속해서 리튬 이온 배터리에 대해 이야기하고 있지만, 화학 성분과 특성이 다른 많은 유형이 있습니다. 완벽한 리튬 이온 배터리는 없으며 장단점에 따라 각 배터리에 가장 적합한 용도가 결정됩니다.

주요 차별화 요소는 화학적 특성이며, 이것이 배터리를 만드는 데 사용되는 활성 물질의 이름을 딴 이유입니다. 리튬 이온 배터리에는 6가지 종류가 있지만 모든 리튬 이온 배터리가 전기 자동차에 적합한 것은 아닙니다.

가장 먼저 상용화된 화학 물질은 비에너지는 높지만 비출력이 낮은 리튬-코발트 산화물(LCO)이었습니다. 따라서 휴대용 전자기기와 같은 저전력 장치에 적합합니다. 수명이 짧기 때문에 다른 유형으로 대체되고 있습니다. 

전력, 열 안정성 및 안전성 측면에서 장점이 있는 리튬-망간 산화물 유형은 이 화학적 특성을 개선한 것입니다. 주요 단점은 충전 주기가 약 300~700회로 수명이 짧다는 것입니다.

리튬-니켈-망간-코발트-산화물(NMC) 배터리는 비에너지가 높고 매우 안정적이어서 전기 자동차 및 기타 퍼스널 모빌리티 기기에 전력을 공급하는 데 이상적입니다. 

리튬-니켈-코발트-알루미늄-산화물 배터리는 비에너지가 가장 높고 수명이 길지만 NMC 셀에 비해 안정성이 떨어집니다. 테슬라는 전기 자동차에 이 배터리를 사용하지만, 최근에는 NMC 셀과 철 기반 배터리를 사용하는 방안도 모색하고 있습니다.

리튬인산철(LFP 또는 LiFePO4) 배터리는 아직 전기차 업계에서는 생소하지만 많은 가능성을 가지고 있습니다. NMC/NCA보다 비에너지는 낮지만 값비싸고 희귀한 소재를 사용하지 않기 때문에 생산 비용이 훨씬 저렴합니다. 

수명이 매우 길고 열 안정성이 뛰어납니다. 에너지 밀도가 낮기 때문에 주로 저렴하고 성능이 낮은 전기차에 사용됩니다. 하지만 화학 물질이 개선되고 있으며 최신 LFP 화학 물질은 NCM 셀과 거의 동등한 에너지 밀도를 보이고 있습니다.

또 다른 리튬 이온 배터리 유형인 리튬 티타네이트(LTO)는 일반적인 흑연 양극 대신 이 소재를 사용합니다. 음극은 NMC 또는 LTO를 포함한 다른 화학 물질을 사용할 수도 있습니다. 

그 결과 수명이 길고 다른 어떤 유형의 배터리보다 빠르게 충전되는 매우 안전한 배터리가 탄생했습니다. 

이것이 리튬 이온 배터리의 성배처럼 들릴 수 있지만 그렇지 않습니다. LTO 배터리는 생산 비용이 비싸고 에너지 밀도가 낮습니다. 이 때문에 주로 군사 및 우주 분야에서 사용됩니다.

화학이 전부는 아니다: 전해질 갖고 놀기

리튬 이온 배터리는 방대한 영역이며, 연구자들은 최고의 에너지 저장 솔루션을 찾기 위해 다양한 방법을 시도합니다. 음극과 양극 재료를 다루는 것은 보람 있는 일이지만 배터리에는 더 많은 변수가 있습니다. 

리튬 이온 배터리의 다른 구성 요소와 패키징도 중요한 역할을 하지만 가장 중요한 것은 전해질 자체입니다. 배터리 구조를 아주 조금만 변경해도 전혀 다른 결과를 얻을 수 있다는 사실은 놀랍습니다.

전해질에 대해 말하자면, 오늘날 전기 자동차에 사용되는 대부분의 리튬 이온 배터리는 액체 또는 반고체(겔) 폴리머 전해질을 사용합니다. 

후자는 리튬 폴리머(LiPo) 배터리에서 찾을 수 있으며, 비에너지가 더 높다는 장점이 있습니다. 리튬 폴리머 배터리를 사용하는 전기차 모델은 거의 없지만, 향후에는 이러한 장점으로 인해 리튬 폴리머 배터리가 더 선호될 수도 있습니다.

요즘 대부분의 리튬 이온 배터리에 사용되는 액체 전해질의 문제점은 인화성이 높다는 점입니다. 

배터리 결함이나 열적, 전기적 또는 기계적 요인으로 인해 과열이 발생하면 리튬 이온 배터리는 쉽게 꺼지지 않는 소이탄으로 변할 수 있습니다. 

쉐보레 볼트 소유자라면 잘 아시다시피 전기차 배터리 화재는 드물지만 전혀 발생하지 않은 것은 아닙니다.

물론 불연성 액체 전해질이 이상적이지만 현재로서는 사용할 수 없습니다. 대신 연구자들은 불연성이면서 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 수명을 약속하는 고체 전해질을 발전시키려고 노력하고 있습니다. 

많은 연구소와 기업이 상업적으로 사용할 수 있는 고체 배터리를 개발하기 위해 노력하고 있지만, 아직 이상적인 고체 전해질을 찾지 못했습니다.

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하지만 패키징은 어떨까?

리튬 이온 배터리 셀은 다양한 폼 팩터로 제공되며 자동차 산업에서 사용되는 것도 다르지 않습니다. 원통형, 각형, 파우치형 등 세 가지 주요 패키징 유형이 있으며, 각 유형에는 고유한 장단점이 있습니다. 

어떤 폼 팩터가 전기 자동차에 가장 적합한지에 대한 열띤 논쟁이 있지만, 사실 자동차 제조업체는 여러 가지 이유로 다양한 셀 패키징을 사용합니다.

테슬라가 최초로 원통형 리튬 이온 배터리 셀을 사용한 생산 모델을 출시했지만, 그 뒤를 이은 다른 자동차 제조업체들은 다른 폼 팩터를 선택했습니다. 

원통형 셀은 내구성이 뛰어나다는 장점이 있지만 생산 비용이 더 많이 듭니다. 원통형 셀의 경우 열 관리가 더 효율적이기 때문에 내구성이 향상됩니다.

단점은 배터리 팩 안에 많은 셀을 넣으면 낭비되는 공간이 많다는 것입니다. 또한 원통형 셀을 많이 사용하는 것이 비실용적이지만, 테슬라는 세미의 거대한 배터리 팩에도 원통형 셀을 사용합니다. 

이 문제를 완화하기 위해 테슬라는 셀의 직경을 18650 셀의 18mm에서 21700 셀의 21mm로, 최근에는 4680 셀의 46mm로 늘렸습니다. 이러한 추세는 BMW와 같이 각형 셀을 선호하는 일부 자동차 제조업체를 포함한 다른 자동차 제조업체에서도 이어졌습니다.

각형 셀은 배터리 팩 내부 공간을 더 효율적으로 사용할 수 있으므로 에너지 밀도가 더 높습니다. 반면에 셀을 냉각하는 것이 더 어려워 수명에 영향을 미치고 때로는 열 폭주로 이어질 수 있습니다. 

폭스바겐, 메르세데스-벤츠, GM을 비롯한 많은 전통적인 자동차 제조업체들이 각형 전지를 사용해 왔습니다.

각형 전지는 LFP 전지가 대중화됨에 따라 미래가 밝습니다. LFP 셀은 열적으로 더 안정적이기 때문에 팩 내부의 더 높은 온도를 버틸 수 있습니다. 

또한 프리즘 모양을 사용하여 주어진 공간에 더 많은 셀을 넣을 수 있으므로 에너지 밀도를 높일 수 있습니다. 그렇기 때문에 자동차 산업에서 사용되는 대부분의 LFP 셀은 각형이지만, 어떤 폼 팩터로 만들 수 있는지에 대한 제한은 없습니다.

마지막으로 파우치 배터리는 다른 패키징 유형에 비해 더 촘촘하게 포장할 수 있어 에너지 밀도를 높일 수 있다는 장점이 있습니다. 

파우치 셀은 배터리 구성 요소를 얇은 금속 가방에 넣어 유연성을 높입니다. 문제는 파우치 배터리는 충전 중에 부풀어 오르기 쉽다는 것입니다. 

팩 내부의 열 관리도 까다롭고, 열 폭주가 발생하면 인접한 셀로 열이 확산되는 것을 막을 방법이 없습니다. 

GM과 현대자동차는 파우치형 배터리를 사용하다가 쉐보레 볼트와 현대 코나 배터리 화재로 끔찍한 경험을 했습니다.

셀 패키지 외에도 이러한 셀을 사용하는 방법과 최종 배터리 팩을 구축하는 방법도 중요합니다. 기존 배터리 팩은 개별 셀을 모듈로 그룹화한 큰 구조물이었습니다. 

이는 구조적 이점을 제공했지만 비효율적이어서 차량의 무게를 증가시켰습니다. 최근 몇 년 동안 자동차 제조업체들은 모듈을 없애고 개별 셀을 직접 배터리 내부에 저장하는 셀 투 팩(CTP)과 같은 보다 효율적인 패키징으로 전환하고 있습니다. 이를 통해 에너지 밀도가 향상되고 더 컴팩트한 배터리 팩을 만들 수 있습니다.

테슬라는 구조형 배터리 팩이라는 개념도 개척했습니다. 배터리를 자동차 구조에 볼트로 고정하는 대신 배터리 팩을 구조의 일부로 만들었습니다. 

이는 모델 Y와 최근에는 사이버트럭에서 확인할 수 있습니다. 이러한 모델의 배터리 팩은 앞뒤 구조와 시트와 같은 다른 자동차 부품을 함께 고정하는 구조적 역할을 합니다. 이는 차량의 무게를 더욱 줄여 효율성을 향상시킵니다.

전기차 배터리는 교체해야 할 때까지 얼마나 오래 사용할 수 있나?

많은 사람들이 리튬 이온 배터리에 대해 이야기하면서 전기차 배터리가 휴대폰이나 노트북 배터리보다 낫다고 생각하지 않습니다. 

자동차 제조업체가 차이를 만들지 않는다는 사실도 도움이 되지 않습니다. 많은 사람들이 전기차 배터리가 빨리 소모되어 중고 시장에서 전기차의 가치가 떨어진다고 생각하는 이유입니다. 결국, 누가 차량 전체 교체 비용보다 더 비싼 배터리가 방전된 자동차를 구매하겠습니까?

앞서 설명했듯이 리튬 이온 전지는 다양한 종류가 있으며, 전기 자동차에 사용되는 리튬 이온 전지는 휴대폰 배터리보다 훨씬 오래 지속됩니다. 

더 좋을 뿐만 아니라 열 관리가 모든 차이를 만들기 때문입니다. 이 점이 궁금하다면 초기 닛산 리프 배터리가 배터리 열 관리 기능이 부족해 조기에 수명이 다한 것을 상기하시기 바랍니다. 

이 자동차 제조업체는 나중에 이 문제를 해결했지만 전기차 배터리의 짧은 수명은 사람들의 기억 속에 남아있었습니다.

전기 자동차는 아직 출시 10년이 채 되지 않은 테슬라 모델 S와 같이 새로운 제품이기 때문에 전기차 배터리의 내구성을 평가하기는 어렵습니다. 

전기차 판매량은 기하급수적으로 증가했으며, 도로를 달리는 대부분의 전기차는 지난 3년 동안 생산된 것입니다. 

자동차 제조업체는 지속적으로 배터리를 개선하기 때문에 정확한 분석은 더욱 복잡합니다. 2012년에 생산된 테슬라 모델 S는 더 이상 작년에 생산된 모델에 해당되지 않습니다.

현재 보유하고 있는 일부 데이터에 따르면 전기차 배터리는 수년 동안 지속될 수 있으며, 초기 모델도 현재까지도 여전히 사용되고 있습니다. 

그렇다고 해서 배터리 교체가 필요한 전기차가 전혀 없다는 것은 아니지만, 통계적으로 이러한 경우는 드뭅니다. 최근 연구에 따르면 보증이나 리콜을 제외하고 배터리 교체가 필요한 전기 자동차는 1.5%에 불과했습니다. 

물론 이런 일이 발생하면 불쾌하고 교체 비용도 많이 들지만, 그 확률은 낮고 리튬 이온 배터리의 성능이 향상됨에 따라 연도마다 그 확률이 개선되고 있습니다.

리튬 이온 배터리를 망가뜨리는 요인은 무엇이며, 수명을 연장하려면 어떻게 해야 할까?

리튬 이온 배터리는 오래 사용할 수 있지만, 그렇다고 해서 영원하다는 의미는 아닙니다. 충전 중이건 방전 중이건, 선반 위에 놓여 있건 간에 셀은 항상 성능이 저하됩니다. 

문제는 용량을 얼마나 빨리 잃고 수명을 연장하기 위해 무엇을 할 수 있는가 하는 것입니다. 알려진 많은 요인들이 리튬 이온 셀의 성능 저하를 가속화하고 배터리의 용량을 감소시킵니다. 

배터리가 원래 용량의 70% 정도밖에 남지 않았을 때 '마모'된 것으로 간주하므로 이는 매우 중요합니다.

배터리 셀 내부의 화학 물질은 시간이 지남에 따라 그 특성을 잃기 때문에 시간은 항상 중요한 요소입니다. 하지만 배터리가 방전되거나 완전히 충전되면 성능이 더 빨리 저하됩니다. 

즉, 배터리 수명에 영향을 미치는 중요한 요소는 시간이 아니라 충전 상태입니다. 연구에 따르면 배터리는 20% 미만과 80% 이상일 때 더 빨리 성능이 저하되는 것으로 나타났습니다. 

그렇기 때문에 자동차 제조업체는 장거리 여행에 필요한 경우에만 자동차 배터리를 완전히 충전할 것을 권장합니다. 성능 저하가 가장 적은 충전 상태는 50%에서 60% 사이입니다.

시간과 충전 상태 외에도 고온은 배터리 수명에 가장 큰 영향을 미칩니다. 온도가 높을수록 배터리는 더 빨리 성능이 저하됩니다. 

이는 우수한 열 관리 시스템의 중요성을 의미합니다. 또한 초기 닛산 리프 전기차와 같이 열 관리 시스템이 없는 전기차가 이 점에서 특히 좋지 않은 이유를 설명해 줍니다.

마지막으로, 고속 충전은 배터리 셀에도 영향을 미칠 수 있는데, 충전 속도가 빠르면 배터리에 좋지 않기 때문입니다. 설상가상으로 고속 충전은 배터리가 따뜻할 때 가장 잘 작동합니다. 

그렇기 때문에 내비게이션에서 고속 충전기를 목적지로 설정하면 열 관리 시스템이 배터리를 사전 컨디셔닝(예열)합니다. 

온도가 높을수록 배터리 성능이 더 빨리 저하되고 수명이 짧아집니다. 하지만 일부 전기차 소유자는 수년간 고속 충전기만 사용한 후에도 배터리 성능이 크게 저하되지 않는다고 보고하기도 했습니다.

전기 자동차의 리튬 이온 배터리를 재활용할 수 있나?

이것은 전기 자동차에 대한 FUD를 부추기는 또 다른 잘못된 믿음을 불러일으키는 도시의 소문이기도 합니다. 

이 속설에 따르면 전기차 배터리는 원시 광물을 캐내 배터리 팩으로 만드는 데 많은 자원이 필요하며, 전기차의 전체 수명 기간 동안 상쇄할 수 있는 것보다 더 많은 오염을 발생시킨다는 것입니다. 

이는 부분적으로만 사실이며, 전기차와 내연기관 자동차가 모두 차고에 있다는 점을 고려할 때만 해당됩니다. 사실 자동차는 운전하기 위해 만들어졌고 사람들은 자동차를 많이 운전하기 때문에 상황이 달라집니다.

내연기관 자동차는 주행할수록 오염을 유발하지만, 전기 자동차는 주행할수록 더 깨끗해집니다. 수명이 다하면 내연기관차와 전기차 모두 폐기해야 하지만 전기차의 경우 가장 오염이 심한 부품인 배터리 팩을 재활용할 수 있습니다. 

맞습니다. 재활용이 가능하며, 그렇지 않다고 주장하는 사람은 전기 자동차에 대한 잘못된 정보를 퍼뜨리는 것일 뿐입니다.

리튬 이온 배터리를 생산하는 데 사용되는 대부분의 재료는 재활용할 수 있으며 재활용률도 상당히 높습니다. 

업계 베테랑들은 재활용 소재가 원료를 가공한 소재보다 순도가 더 높다고 말합니다. 이것이 사실이라면 왜 아직 배터리 재활용 공장이 더 많이 생기지 않았을까요? 

유일한 이유는 전기 자동차가 아직 새로운 제품이기 때문에 현재 재활용할 수 있는 배터리 팩이 많지 않기 때문입니다.

리튬 이온 배터리 재활용 산업은 이제 막 태동하고 있으며 새로운 재활용 방법이 연구 및 테스트되고 있습니다. 

그러나 이 산업은 충분한 배터리 팩이 수명을 다할 때까지는 효율적이지 않을 것입니다. 그럼에도 불구하고 배터리 재활용 스타트업은 번창하고 있으며, 그중 가장 앞서가는 기업은 레드우드 머티리얼즈입니다. 

테슬라의 전 임원인 JB 스트라우벨이 설립한 이 회사는 네바다에 대규모 재활용 시설을 건설하고 있으며, 이미 자동차 제조업체들이 고객으로 줄을 서고 있습니다.

전기차 배터리의 다음 단계는 무엇인가?

모든 기술이 그렇듯 리튬 이온 배터리는 등장해 명성을 얻었고, 결국 더 나은 것으로 대체될 것입니다. 지금 이 순간에도 많은 과학자와 연구자들이 리튬 이온 전지를 개선하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 

리튬 이온 배터리의 발전 속도가 느리긴 하지만 아직 최고의 잠재력에는 미치지 못했다고 보는 것이 정확합니다. 리튬 이온 배터리는 1990년대에야 시장에 출시되었기 때문에 아직 비교적 새로운 기술이라는 점을 잊지 마시기 바랍니다.

실리콘 음극은 리튬 이온 배터리의 가장 유망한 변화 중 하나로, 에너지 밀도를 크게 개선할 수 있습니다. 아직 공정이 최적화되지 않았기 때문에 대규모로 생산되지는 않습니다. 

또 다른 유망한 발전은 테슬라가 개척한 건식 전극 코팅의 사용입니다. 이는 리튬 이온 배터리 제조에서 시간과 에너지가 많이 소모되는 단계를 제거하여 생산 비용을 크게 절감하는 것을 목표로 합니다.

리튬 이온 배터리 성능은 고체 전해질을 사용하면 가장 큰 효과를 볼 수 있습니다. 많은 기업이 전고체 배터리를 발전시키려고 노력하고 있지만, 아직 생산에 들어갈 만큼 기술이 성숙하지 않았습니다. 

해결해야 할 문제 중에는 고비용, 높은 비율의 기계적 고장, 전해질을 관통하여 전기적 단락을 일으키는 수상 돌기의 형성 등이 있습니다.

현재로서는 리튬 이온 배터리가 최선의 해결책처럼 보이지만, 새로운 화학 기술이 개발되고 있습니다. 

리튬을 다른 금속으로 대체함으로써 배터리는 더 많은 에너지를 저장할 수 있고, 더 많은 충전-방전 주기를 견딜 수 있으며, 더 저렴해질 수 있습니다. 

가장 유망한 것으로는 나트륨 이온 배터리와 나트륨-황 배터리, 칼슘 기반 배터리가 있습니다. 아직은 모두 실험실 단계에 머물러 있지만, 더 나은 배터리가 필요할수록 에너지 저장의 미래는 더욱 밝아집니다. 

궁극적으로 전기 자동차는 기후 변화로 인해 어쩔 수 없이 선택해야 하는 것이 아니라 더 좋고 훨씬 더 효율적이기 때문에 널리 보급될 것입니다.

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