국제 킬로그램 시제품

International Prototype of the Kilogram
파리씨테 사이언스 et de l'Industriesrie에 전시된 프로토타입 킬로그램의 복제품으로, 보호용 이중 유리 종을 특징으로 한다.

는 1889년, 그때 그것은 길을 대체의 킬로그램의 질량의 크기를 정의하는 데 사용된 국제 프로토 타입은 킬로그램(에 metrologists이 IPK 또는 LeGrandK로 불리때때로는 ur-kilogram,[1][2]또는 urkilogram,[3]특히에 의해German-language 작가들 서면으로 English[3][4]:30[5]:64)의 개체입니다.ogramme 데 Archives,[6]until 2019년, 물리적 상수에 기초한 킬로그램의 새로운 정의로 대체되었다.[7] 그 기간 동안, IPK와 그것의 복제품은 지구상의 다른 모든 킬로그램 질량 표준을 교정하는데 사용되었다.

IPK는 'Pt‑10Ir'로 알려진 백금 합금으로 만들어진 대략 골프공 크기의 물체로, 백금 90%, 이리듐 10%(질량 기준)로 높이 약 39밀리미터우원형 실린더에 가공해 표면적을 줄인다.[8] 백금의 많은 덕목인 산화 저항성, 극도로 높은 밀도(보다 거의 두 배, 보다 21배 이상 밀도), 만족스러운 전기 및 열 전도성, 로를 유지하면서 경도를 크게 높여 이리듐을 10% 추가하였다.자기 감수성성성 그 IPK과 여섯개의 여동생장이 국제 도량 Weights열에 있는 조치 환경 감시에서죠 하단 둥근 천장은 국제 도량 형국의 빠삐용 드 Breteuil Saint-Cloud[주 1]의 지하실에 파리의 사진을 찍기 위해 교외(외부 이미지 아래, see에 있는(그 프랑스어 프로그램을 이니셜에 의해 알려져 국제 도량 형국)저장됩니다.cm이다. 볼트를 열려면 독립적으로 제어되는 세 개의 키가 필요하다. IPK의 공식 사본은 다른 나라들이 그들의 국가 표준으로 사용할 수 있도록 만들어졌다. 이것들은 대략 40년마다 IPK와 비교되었고, 따라서 IPK에 대한 국소 측정의 추적가능성을 제공했다.[9]

창조

미터 협약은 1875년 5월 20일에 체결되었고, 미터법 체계(SI의 전신)를 더욱 공식화하여 IPK의 생산으로 빠르게 이어졌다. IPK는 1879년 존슨 매티가 만든 3개의 실린더 중 하나로, 2020년 새로운 킬로그램의 정의가 발효될 때까지 필요에 따라 거의 모든 국가 프로토타입을 제작했다.[10][11] 1883년 IPK의 질량은 84년 전에 만들어진 킬로그램메 데스 아카이브(Kigme des Archive)와 구별할 수 없는 것으로 밝혀졌으며, 1889년 제1차 CGPM에 의해 정식으로 킬로그램으로 비준되었다.[8]

IPK의 복사본

국가 프로토타입 킬로그램 K20은 메릴랜드주 가이터스버그에 있는 미국 국립표준기술연구소에 저장되어 있는 두 개의 프로토타입 중 하나로, 미국의 모든 질량과 무게 단위를 규정하는 일차 표준의 역할을 한다. 이것은 두 개의 종 항아리 아래에 보통 저장되어 있는 것처럼 공공 전시용 복제품이다.

IPK와 그 다양한 사본은 문헌에 다음과 같은 지정이 주어진다.

  • IPK 자체는 프랑스 생클라우드에 있는 BIPM의 금고에 저장되어 있다.
  • 6개의 자매 카피: K1, 7, 8(41),[Note 2] 32, 43, 47.[12] BIPM의 동일한 볼트에 저장.
  • 작업복 10부: 일상용 8부(9, 31, 42,, 63, 77, 88[Note 3], 91, 650)와 특수용 2부(25, 73)이다.[13] 프랑스 생클라우드에 있는 BIPM의 교정 실험실에 보관한다.
  • 국가 프로토 타입 in[14][15][16][17]아르헨티나(30)저장된, 호주(44마일과 87), 오스트리아(49), 벨기에(28일과 37), 브라질(66), 캐나다(50와 74), 중국(60과 64;75홍콩에서), 체코 공화국(67), 덴마크(48), 이집트(58), 핀란드(23), 프랑스(35), 독일,(52,55개와 70)헝가리(16), 인도(57), 인도네시아(46), 이스라엘(71), 이탈리아, (5이고 몸무게는 76), 자파N(6일 94개 중 E59), 카자흐스탄, 케냐(95), 멕시코(21일 90과 96), 네덜란드(53), 북한(68), 노르웨이(36), 파키스탄(93), 폴란드(51), 포르투갈(69), 루마니아(2), 러시아(12와 26[18]), 세르비아(11과 29일), 싱가포르(83), 슬로바키아(41와 65), 남 아프리카(56), 한국(39세 72와 84), 스페인(24일과 3), 스웨덴(40세, 86)[19]Switze.rland(38, 89), 대만(78), 태국(80), 터키(54[20]), 영국(18,[21] 81, 82) 및 미국(20,[22] 4, 79, 85, 92).
  • 파리의 프랑스 과학 아카데미(34)와 토리노의 이스티투토 디 메타도리아 G. 콜론네티(62) 등 비국가단체가 보유하고 있는 일부 부가 사본도 있다.[14]

IPK의 안정성

2019년 이전에는 IPK 질량의 측정값의 오차가 정확히 0이었다. IPK 질량은 킬로그램이었다. 그러나 시간이 지남에 따라 IPK의 질량 변화는 "주기적 검증"이라고 불리는 거의 수행되지 않는 과정인 그것의 질량을 전세계에 저장되어 있는 공식 복사본과 비교함으로써 추론할 수 있다. 유일한 세 가지 검증은 1889년, 1948년, 1989년에 일어났다. 예를 들어, 미국은 5개의 90% 백금/10% 이리듐(Pt-10Ir) 킬로그램 표준을 소유하고 있는데, 이 중 두 가지인 K4와 K20은 1884년에 제공된 40개의 복제품 원본에서 나온 것이다.[Note 4] K20 시제품은 미국의 1차 국가 질량 표준으로 지정되었다. 이 두 가지 모두, 다른 국가의 것뿐만 아니라 정기적으로 BIPM으로 반환되어 검증을 받는다. 프로토타입을 운반할 때는 세심한 주의를 기울여야 한다. 1984년 K4와 K20 프로토타입은 별도의 상업용 여객기의 여객기 구간에서 수작업으로 운반되었다.

IPK와 정확히 동일한 질량을 가진 복제본이 없다는 점에 유의하십시오. 질량은 오프셋 값으로 보정 및 문서화된다. 예를 들어 미국의 1차 표준인 K20은 원래 1889년 공식 질량이 1kg~39μg(마이크로그램)이었다. 즉, K20은 IPK보다 39μg 적었다. 1948년에 수행된 검증에서 1 kg - 19 μg의 질량이 나왔다. 1989년에 수행된 최근의 검증은 원래의 1889년 값과 정확히 동일한 질량을 보여준다. 이와 같은 일시적 변동과는 달리, 미국의 체크 표준인 K4는 IPK에 비해 질량이 지속적으로 감소했으며, 식별 가능한 이유로 체크 표준은 일차 표준보다 훨씬 더 자주 사용되며 긁힘이나 기타 마모에 취약하다. K4는 원래 1889년 1kg~75μg의 공식 질량으로 납품되었으나, 1989년 현재 1kg~106μg으로 정식 교정되었고 10년 후 1kg~116μg이었다. 110년의 기간에 걸쳐 K4는 IPK에 비해 41μg이 줄었다.[23]

국가 프로토타입 K21–K40의 시간 경과에 따른 대량 표류,[Note 2] IPK의 자매 사본 2부: K32 및 K8(41). 모든 질량 변화는 IPK에 관련된다. IPK와 관련된 초기 1889년 시작 값 오프셋이 무효화되었다.[14] 위 내용은 모두 상대적 측정이며, 어떤 프로토타입이 자연의 불변성에 비해 가장 안정적이었는지를 판단할 수 있는 과거 대량 측정 데이터는 없다. 모든 프로토타입이 100년에 걸쳐 질량을 얻었고 K21, K35, K40, IPK가 다른 프로토타입보다 더 적은 양을 얻었을 가능성이 뚜렷하다.

체크 표준이 경험할 수 있는 단순한 마모를 넘어, 주의 깊게 저장된 국가 프로토타입의 질량도 IPK에 상대적으로 표류할 수 있으며, 일부는 알려져 있고 일부는 알려지지 않았다. IPK와 그 복제품은 공기 중에 저장되기 때문에(두 개 이상의 중첩된 종 항아리 아래), 그들은 그들의 표면에 대기 오염의 흡착을 통해 질량을 얻는다. 따라서 동일한 부품 에테르에탄올에 적신 카무아로 단단히 문지른 다음, 바이-이식수로 증기 세척을 하고 시제품이 검증 전 7-10일 동안 정착할 수 있도록 하는 "BIPM 세척 방법"[24]으로 알려진 BIPM이 개발한 프로세스에서 세척한다. 1994년 BIPM이 발표한 시제품 질량의 상대적 변화를 상세히 기술하기 전에, 다른 표준 기구는 시제품을 청소하기 위해 다른 기법을 사용했다. 그 전에 NIST의 실습은 먼저 두 개의 시제품을 벤젠에 담가 헹군 다음 에탄올에 넣고, 그 다음에 두 개의 시제품을 제트로 닦은 다음, 두 개의 시제품을 바이-디스트 수증기로 세척하는 것이었다. 시제품을 세척하면 마지막 세척 후 경과된 시간에 따라 5 ~ 60 μg의 오염이 제거된다. 또한 두 번째 세척은 최대 10μg까지 더 제거할 수 있다. 청소 후 - 심지어 종아리 밑에 저장되어 있을 때에도 - IPK와 그 복제품은 즉시 다시 덩어리가 생기기 시작한다. BIPM은 이 같은 상승모델까지 개발해 세척 후 처음 3개월간 월평균 1.11㎍을 기록한 뒤 이후 연평균 약 1㎍으로 줄었다는 결론을 내렸다. K4와 같은 점검 표준은 다른 질량 표준의 일상적인 교정(마모 및 취급 손상 가능성을 최소화하기 위한 예방 조치)에 대해 세척되지 않기 때문에 BIPM의 시간 의존적 질량 이득 모델은 "청소 후" 보정 계수로 사용되어 왔다.

처음 40개의 공식 복사본은 IPK와 동일한 합금으로 만들어지고 유사한 조건에서 저장되기 때문에, 많은 수의 복제본, 특히 거의 사용되지 않는 국가 기본 표준을 사용한 주기적인 검증은 IPK의 안정성을 설득력 있게 증명할 수 있다. 1988년과 1992년 사이에 수행된 세 번째 주기적 검증 이후 명확해진 것은 전 세계 시제품 앙상블의 질량이 천천히 그러나 무한히 서로 떨어져 나갔다는 것이다. IPK가 지난 세기에 걸쳐 약 50 μg의 질량을 잃었고, 공식 사본과 비교해 볼 때 아마도 훨씬 더 많이 손실된 것은 분명하다.[14][25] 이러한 표류의 이유는 자신의 경력을 질량의 SI 단위에 바친 물리학자들을 따돌렸다. IPK 질량의 지속적인 감소나 전세계에 분산된 그것의 복제본 질량의 증가를 설명하기 위한 그럴듯한 메커니즘은 제안되지 않았다.[Note 5][26][27][28] 더욱이, "자연의 불변성에 대한 상대적 질량은 100년 또는 심지어 50년 동안 1000μg 이하의 수준에서 알려져 있지 않기 때문에 시제품의 전세계 앙상블 전체가 심지어 더 큰 장기적 추세를 겪는지 혹은 더 이상 겪지 않는지를 판단할 수 있는 기술적 수단이 없다.[25] 전 세계 킬로그램 시제품 중 어떤 것이 절대적으로 가장 안정적이었는지 확인할 수 있는 자료가 부족한 점을 감안할 때, 1차 복제품이 IPK에 비해 100년 동안 평균 약 25μg을 얻었다고 진술하는 것도 마찬가지로 유효하다.[Note 6]

IPK에 대해 구체적으로 알려진 것은 청소 후 질량에서 약 한 달 동안 약 30μg의 단기 불안정성을 보인다는 점이다.[29] 이러한 단기적 불안정성의 정확한 이유는 이해되지 않지만 표면적 효과를 수반한다고 생각되는데, 시제품의 광택이 나는 표면 사이의 미세한 차이, 탄화수소 기반 솔브뿐만 아니라 시제품에 천천히 침전하는 휘발성 유기 화합물의 카탈루션으로 인해 수소 흡수에 의해 악화될 가능성이 있다.청소할 [28][30]때 쓰는 약

과학자들과 일반 대중들이 제안한 세계 시제품의 대중들 속에서 관찰된 다양성에 대한 많은 설명들을 배제하는 것이 가능했다. 예를 들어, BIPM의 FAQ는 차이점은 측정 사이에 경과한 시간에 따라 달라지며, 프로토타입이나 그 사본을 세척한 횟수나 중력이나 환경의 변화 가능성에 따라 달라지지 않는다고 설명한다.[31] 뉴캐슬 대학의 피터 쿰프슨이 2013년 다양한 시제품 킬로그램과 나란히 저장된 시료의 X선 광전자 분광법에 근거하여 발표한 보고서에서는 다양한 시제품 사이의 분광의 한 원천은 시제품에 의해 흡수된 수은으로 추적될 수 있다는 것을 시사했다.어큐리 기반 기구 IPK는 적어도 1980년대 후반부터 수은 온도계의 센티미터 내에 저장되어 왔다.[32] 이 뉴캐슬 대학의 연구에서 19세기에 만들어진 6개의 백금 무게는 모두 표면에 수은을 가지고 있는 것으로 밝혀졌는데, 그중 가장 오염된 것은 1킬로그램의 시제품의 표면적에 맞먹는 250μg의 수은을 가지고 있었다.

세계 프로토타입의 질량이 점점 다양해지고 IPK의 단기적인 불안정성은 새롭게 제조된 복제본을 다이아몬드 켜기를 이용한 매끄러운 표면 마감을 얻기 위한 개선된 방법에 대한 연구를 촉진시켰으며, 킬로그램의 재정의 이유 중 하나였다.[33]

IPK에 대한 SI의 종속성

2019년 5월까지만 해도 전기와 빛의 측정에 사용되는 것을 포함하여 SI 측정 시스템을 구성하는 많은 장치의 크기는 프랑스 금고에 보관된 143년 된 골프공 크기의 금속 실린더의 안정성에 크게 좌우되었다.

IPK의 안정성은 킬로그램이 2019년까지 정의되고 구조화되면서 SI 측정 시스템의 많은 부분을 지지했기 때문에 결정적이었다. 예를 들어, 뉴턴제곱 초 당 1미터에서 1킬로그램을 가속하는 데 필요한 힘으로 정의된다. IPK의 질량이 약간 변화한다면 뉴턴도 비례적으로 변화할 것이다. 차례로 압력의 SI 단위인 파스칼은 뉴턴의 관점에서 정의된다. 이 의존성 체인은 다른 많은 SI 측정 단위에 따른다. 예를 들어, 에너지의 SI 단위인 줄(joule)은 1미터의 뉴턴의 이 작용했을 때 팽창하는 것으로 정의된다. 다음으로 영향을 받는 것은 전력의 SI 단위인 와트(Watt)로, 초당 1줄이다.

2019년 5월까지 암페어는 뉴턴에 대해 정의되었다. 따라서 1차 전기 단위의 크기가 킬로그램에 의해 결정되면서, 다른 많은 단위들, 즉 쿨롱, 볼트, 테슬라, 베버를 따랐다. 빛의 측정에 사용되는 단위도 영향을 받을 것이다; 칸델라와트의 변화에 따라 루멘럭스에 차례로 영향을 줄 것이다.

SI 측정 시스템을 구성하는 많은 장치의 크기는 그 질량에 의해 2019년까지 정의되었기 때문에 IPK의 품질을 부지런히 보호하여 SI 시스템의 무결성을 보존하였다. 그러나 전 세계 시제품 앙상블의 평균 질량과 IPK의 질량은 33년 전 3차 정기검증 이후 또 다른 7.6μg을 갈랐을 것으로 보인다.[Note 7] 또한, 세계 국가 계측학 연구소는 역사적 추세가 지속되었는지를 확인하기 위해 네 번째 주기적인 검증을 기다려야 한다.

실제 실현의 단열 효과

다행히도 SI 단위의 정의는 실제 현실과는 상당히 다르다. 예를 들어, 미터기는 시간 간격 동안 빛이 진공에서 이동하는 거리로 정의된다. ½,792,458초 그러나, 미터기의 실제 실현은 일반적으로 헬륨-네온 레이저의 형태를 취하며, 미터 길이는 이 레이저에서 나오는 빛의 파장으로 정의되지 않고 1579800.298728 파장으로 정의된다. 이제 두 번째의 공식 측정이 10억분의 몇 파트가 표류한 것으로 확인되었다고 가정하자(실제로 10분의15 몇 파트의 재현성으로 극히 안정적이다).[34] 두 번째(따라서 미터 길이)는 미터 실용화를 구성하는 레이저를 통해 추상화되기 때문에 미터에는 자동적인 영향이 없을 것이다. 미터 교정을 수행하는 과학자들은 다른 방법으로 하는 합의가 도출될 때까지 동일한 수의 레이저 파장을 계속해서 측정할 것이다. 킬로그램에 대한 실제 세계의 의존성에 관해서도 마찬가지인데, IPK의 질량이 약간 변화한 것으로 판명되었다면, 그들의 실제적인 실현은 추상화의 단열층을 제공하기 때문에 다른 측정 단위에 대한 자동적인 영향은 없을 것이다. SI 시스템의 장점은 그 단위들 사이의 정확한 수학적 그리고 논리적 조화가 있기 때문에 어떤 불일치도 결국 조정되어야 할 것이다. IPK의 값이 확실히 변경되었음을 입증했다면, 한 가지 해결책은 단순히 킬로그램이 IPK의 질량에 오프셋 값을 더한 값과 동일하다고 재정의하는 것이었을 것이다. 예를 들어, "킬로그램은 IPK + 42 parts per two mass" (4와 동일)2μg).

그러나 이 문제에 대한 장기적인 해결책은 서면 명세서를 따름으로써 다른 실험실에서 재현할 수 있는 킬로그램의 실질적인 실현을 개발함으로써 IPK에 대한 SI 시스템의 의존성을 해방시키는 것이었다. 그러한 실제 현실화의 측정 단위는 그 크기를 기본 물리적 상수의 관점에서 정밀하게 정의하고 표현할 수 있을 것이다. SI 시스템의 주요 부분이 여전히 킬로그램에 기초하고 있지만, 킬로그램은 이제 불변, 보편적인 자연의 상수에 기초하여 차례대로 되어 있다.

참조

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메모들

  1. ^ 파빌론의 (따라서 BIPM의) 우편 주소는 세브르의 이웃한 공동체에 있기 때문에 종종 그곳에 있는 것으로 보도되지만, 그 근거지는 생-클라우드 공동체에 있다.
  2. ^ a b 시제품 8번(41)에 실수로 41번 번호가 찍혔지만 부속품에는 8번 번호가 실려 있다. 8로 표시된 프로토타입이 없으므로, 이 프로토타입은 8(41)으로 칭한다.
  3. ^ 42′, 77번, 650번은 제작 당시 제거된 재료가 약간 부족하고, 무게가 너무 많이 나가 '원형'이 아닌 '표준형'으로 불린다. 공칭 1 kg 질량보다 1 mg 이상 낮은 것을 제외하고, 시제품과 동일하며, 정기적인 교정 작업 시 사용된다.
  4. ^ 미국이 보유한 다른 2개의 Pt-10Ir 표준은 다이아몬드로 직접 변환된 새로운 시제품(K64-K80)부터 마감 질량까지 K79와 키블 밸런스 실험에 사용되는 K85이다.
  5. ^ IPK와 그것의 복제품 사이의 50μg의 차이가 전적으로 마모에 기인했다면, IPK는 그것의 복제품보다 지난 세기 동안 1억 5천만 개의 백금 원자와 이리듐 원자를 더 잃어야 했을 것이라는 점에 주목하라. 이 정도 크기의 차이는커녕 이 정도 마모가 있을 것이라고는 생각되지 않는다; 50 μg은 대략 지문의 질량이다. 1946년 BIPM의 전문가들은 세심하게 청소 실험을 실시했고, 조심스럽게 한 경우 카모아로 힘차게 문지르더라도 프로토타입의 질량은 변경되지 않았다고 결론지었다. BIPM에서 실시한 보다 최근의 세척 실험은 당시 새로운 NBS-2 밸런스의 혜택을 받은 특정 시제품(K63)을 대상으로 실시되었다. 2014년 1월 시제품 7번과 32번 실험에서 세 번째 완전 세척 및 세척 사이클에서 0.5μg 미만의 질량이 손실된 것으로 나타났다.[13]
    프로토타입의 질량에서의 차이를 설명하기 위해 많은 이론이 발전했다. 한 이론은 IPK와 그것의 복제본 사이의 상대적인 질량 변화는 전혀 손해가 아니며 대신에 IPK가 복제본보다 적게 얻은 단순한 문제라고 주장한다. 이 이론은 IPK가 세 개의 중첩된 종 항아리 아래에 독특하게 저장되어 있는 반면, 그것의 여섯 개의 자매 사본은 금고에 저장되어 있고, 전 세계에 분산되어 있는 다른 복제품들은 단지 두 개 아래에 저장되어 있다는 관찰로부터 시작된다. 이 이론은 또한 두 가지 다른 사실에 근거한다: 백금은 수은에 강한 친화력을 가지고 있고, 대기 수은은 IPK와 그것의 복제품이 제조되었을 때보다 오늘날 대기 중에 현저하게 더 풍부하다는 것이다. 석탄 연소는 대기 수은의 주요 원인이며 덴마크와 독일 모두 발전량에서 석탄 점유율이 높다. 반대로 IPK가 저장돼 있는 프랑스의 발전은 대부분 원자력이다. 이 이론은 덴마크의 원형인 K48이 1949년에 점유했기 때문에 IPK에 비례하는 질량 분산율이 세기에 특히 높은 78μg인 반면 독일의 원형인 K55를 1954년에 점유한 이후 지금까지 126μg/세기로 더욱 커졌다는 사실에 의해 뒷받침된다. 하지만, 여전히 다른 복제품에 대한 다른 자료들은 이 이론을 뒷받침하지 못한다. 이 수은 흡수 이론은 질량의 상대적 변화를 설명하기 위해 전문가들에 의해 발전된 많은 것들 중 하나에 불과하다. 현재까지 각 이론은 타당성이 입증되지 않았거나 이를 입증하거나 반증할 자료나 기술적 수단이 불충분하다.
  6. ^ 100년에 걸친 IPK에 대한 첫 번째 복제품의 평균 질량 변화는 표준 편차가 30μg인 +23.5μg이다. 킬로그램국가 프로토타입대한 제3차 정기 검증(1988–1992) G. Girard, 도량형 31(1994) 페이지 323, 표 3. Data is for prototypes K1, K5, K6, K7, K8(41), K12, K16, K18, K20, K21, K24, K32, K34, K35, K36, K37, K38, and K40; and excludes K2, K23, and K39, which are treated as outliers. 이것은 G. Girard 논문의 그림 7에 해당하는 이 조의 상단에 있는 차트에 표시된 것보다 더 큰 데이터 집합이다.
  7. ^ 과거의 추세가 계속된다고 가정할 때, 100년 동안 IPK에 상대적인 1차 복제품의 평균 질량 변화는 +23.5 μg이었다.

외부 링크

외부 이미지
image icon BIPM: 세 개의 중첩된 종 단지[dead link] IPK
image icon NIST: K20, 달걀 상자 형광등 패널[dead link] 위에 놓여 있는 미국 국가 시제품 킬로그램
image icon BIPM: 질량 비교 전에 1kg 시제품의 스팀 청소
image icon BIPM: IPK와 6명의 자매는 그들의 볼트에 복사한다.
image icon NIST: 이 특정한 루프레히트 균형은 오스트리아에서 만든 정밀 균형으로 1945년부터 1960년까지[dead link] NIST에 의해 사용되었다.
image icon BIPM: FB‑2 굴곡-스트립 균형, 표준 편차가 100억분의 1kg(0.1μg)인 BIPM의 현대적 정밀 균형
image icon BIPM: Mettler HK1000 밸런스, 1μg 분해능과 4kg 최대 질량을 자랑한다. NIST 및 Sandia 국립 연구소의 1차 표준 연구소에서도 사용

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