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페로브스카이트·OPV 필름 태양전지 산업 최신 동향 분석

일반 리포트 2025년 05월 08일
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목차

  1. 요약
  2. 페로브스카이트 태양전지 기술 동향
  3. 국내 연구개발 및 상용화 현황
  4. 국제 시장 및 제품 동향
  5. 생산 설비 및 공정 기술
  6. 원료 및 소재 공급망 이슈
  7. OPV 필름 산업 개요 및 동향
  8. 결론

1. 요약

  • 현재 페로브스카이트 및 유기광전지(OPV) 필름 산업의 최신 동향은 2025년 5월 8일 기준으로 다각적으로 분석되고 있습니다. 특히, 국내 연구기관들이 국가적 차원에서의 상용화를 향한 중요한 발걸음을 내딛고 있으며, 경북대학교의 이상욱 교수팀과 한국화학연구원의 성장세는 주목할 만합니다. 경북대학교는 리튬염을 이용한 '올-페로브스카이트 탠덤 태양전지'의 효율을 27.47%까지 끌어올리며 안정성을 대폭 향상시킨 성과를 발표했습니다. 이로 인해 페로브스카이트 태양전지가 기존 실리콘 기술을 대체할 중요한 후보로 자리잡고 있습니다.

  • 반면, 한국화학연구원은 'Efficient Perovskite Solar Cells via Improved Carrier Management'라는 연구로 효율을 25.2%까지 끌어올리는 성과를 내며 네이처 국제 저널의 표지 논문으로 선정되었습니다. 이는 페로브스카이트 태양전지가 대면적 제작의 실현 가능성을 높였음을 의미합니다. 국제적으로는 Oxford PV가 첫 상업 주문으로 유의미한 성과를 거두며, 글로벌 시장에서도 페로브스카이트 기술의 가치가 재조명되고 있습니다.

  • 또한, 롤투롤, 슬롯다이 및 스핀코팅 등 다양한 생산 기술이 페로브스카이트 태양전지의 대량 생산 가능성을 높이고 있습니다. 이와 함께 페로브스카이트 전구체 및 유기 반도체 소재의 공급망 이슈는 산업 전반에 걸쳐 중요한 관심사로 자리잡고 있으며, 안정성 확보와 대체 원료 연구가 지속적으로 진행되고 있습니다.

  • OPV 필름 산업은 경량성과 유연성 덕분에 IoT 및 웨어러블 기술에서의 응용 가능성이 높아지고 있으며, 하지만 여전히 효율성과 내구성을 개선해야 하는 과제가 존재합니다. 이러한 다양한 발전은 독자들에게 태양전지 기술의 장래성이 크다는 메시지를 전달하고 있으며, 향후의 연구개발 방향 또한 묘사되고 있습니다.

2. 페로브스카이트 태양전지 기술 동향

  • 2-1. 연구개발 진전 및 핵심 성과

  • 2025년 5월 7일, 경북대학교 이상욱 교수팀은 리튬염을 활용한 차세대 태양전지 기술의 상용화 성과를 발표했습니다. 이 연구팀은 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐) 이미드를 사용하여 '올-페로브스카이트 탠덤 태양전지'의 효율을 27.47%까지 끌어올리고, 장기 안정성 또한 대폭 향상시켰습니다. 이러한 성과는 페로브스카이트 태양전지가 기존 실리콘 태양전지를 대체할 유력 후보로 자리매김하는데 크게 기여할 것으로 기대됩니다. 이 과정에서, 리튬 이온이 소재의 내부 결함을 보완하고, TFSI 이온이 표면 결함을 제거하여 전하 재결합을 억제하는 메커니즘이 작용했습니다.

  • 또한, 한국화학연구원에서는 초고효율 페로브스카이트 태양전지의 효율을 25.2%로 향상시키는 소재 기술을 개발했습니다. 이 연구팀은 전자수송층, 페로브스카이트 층의 결함을 최소화하여 전환 효율을 극대화 하였으며, 이러한 결과는 국제 저명 학술지 '네이처'에 게재되었습니다. 이는 페로브스카이트 태양전지가 향후 대면적 제작이 가능해지는 기반을 마련한 것으로 볼 수 있습니다.

  • 2-2. 국제 학술지 게재 사례

  • 신뢰성 높은 연구 결과를 기반으로 한 여러 국제 저널에 페로브스카이트 태양전지 관련 논문이 게재되고 있습니다. 특히, 경북대학교의 연구 결과는 '인포맷'의 표지논문으로 선정되어, 학계에서 큰 주목을 받았습니다. 이는 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화 가능성을 높이는 중요한 이정표로 간주됩니다.

  • 또한, 한국화학연구원에서 발표한 'Efficient perovskite solar cells via improved carrier management'라는 제목의 논문은, 페로브스카이트 태양전지의 구조와 작용 메커니즘을 설명하고, 다양한 응용 가능성에 대해 논의하였습니다. 이 연구는 효율성을 높이는 데 필요한 전자수송층의 개발을 다루고 있으며, 이는 태양전지의 판도를 바꿀 수 있는 연구로 평가받고 있습니다.

  • 2-3. 탠덤 셀 상용화 전망

  • 올-페로브스카이트 탠덤 구조의 상용화는 페로브스카이트 태양전지 기술의 중요한 발전으로 간주되고 있습니다. 기존의 단일 접합 구조보다 두 가지 페로브스카이트 층이 조합된 탠덤 구조는 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

  • 이러한 고효율 상용화의 현재 동향에 따르면, 여러 기업들이 페로브스카이트-실리콘 하이브리드 셀 개발에 박차를 가하고 있으며, 이는 기존 실리콘 기술과 경쟁할 수 있는 중요한 기회로 작용할 것입니다. 특히, 미국에서의 신규 관세 발효는 페로브스카이트 기술의 시장 진입을 촉진할 것으로 예상되며, 연구자들은 상용화를 위한 다양한 제조 방법을 모색하고 있습니다.

3. 국내 연구개발 및 상용화 현황

  • 3-1. 경북대 이상욱 교수팀 성과

  • 경북대학교 신소재공학과의 이상욱 교수팀은 리튬염을 활용한 '올-페로브스카이트(All-perovskite) 탠덤 태양전지'의 상용화를 위한 중요한 기술을 개발했습니다. 이 연구는 고려대 김동회 교수팀, 성균관대 박지상 교수팀과의 공동 연구로 진행되었으며, 리튬비스(트리플루오로메탄설포닐) 이미드(Li-TFSI)를 적절히 활용함으로써 태양전지의 효율이 매우 질적으로 향상되었습니다. 이 팀은 결함을 효과적으로 제어하여 전력 변환 효율을 27.47%까지 끌어올리는 데 성공했습니다. 이는 태양전지의 상용화 가능성을 높이는 중대한 성과로, 안정성 또한 대폭 향상되었습니다.

  • 리튬염 기술은 내부 결함을 보완하는 효과가 있으며, 또한 표면 결함을 제거하여 전하 재결합을 억제하는 기능을 합니다. 이러한 방식으로 소재는 오랜 기간 동안 안정성을 유지할 수 있게 되어 상용화에 필요한 중요한 전환점을 이루게 되었습니다. 연구팀의 성과는 국제 학술지 '인포맷(InfoMat)'의 표지논문으로 발표되어 그 중요성이 입증되었습니다.

  • 3-2. 화학연 네이처 표지논문

  • 한국화학연구원은 초고효율 페로브스카이트 태양전지의 개발로 큰 주목을 받았습니다. 이 연구팀의 보고서는 'Efficient Perovskite Solar Cells via Improved Carrier Management'라는 제목으로 국제 저널 '네이처'의 표지논문에 게재되어, 페로브스카이트 태양전지의 효율을 25.2%로 기록하며 기존 기록을 갱신했습니다. 연구진은 전자수송층과 페로브스카이트 층의 소재를 혁신적으로 개발하여, 기존 태양전지에서 발생할 수 있는 결함을 줄이고 전기 변환 효율을 높이는 데 기여했습니다.

  • 특히 이 연구에서는 저온에서 가능했던 화학용액증착법을 사용하여 우수한 전자수송층을 형성하는데 성공하고, 새로운 페로브스카이트 층 소재도 개발하여 빛의 흡수를 극대화했습니다. 연구팀은 이 성과를 통해 태양전지뿐만 아니라 발광소자로서의 응용 가능성도 보여주어, 페로브스카이트 기술의 장래성을 더 확고히 하였습니다.

  • 3-3. 상용화 로드맵

  • 페로브스카이트 태양전지의 상용화 로드맵은 여러 연구 기관의 협력과 민간 기업의 투자에 의해 가속화되고 있습니다. 경북대와 화학연이 주도하는 연구 성과들은 국제 시장에서의 경쟁력을 높이는 데 기여하고 있으며, 이들이 개발한 첨단 기술들이 대면적 생산, 장기 안정성 및 효율 성능을 갖춘 상용화 제품으로 이어질 것으로 기대됩니다.

  • 향후 연구 방향은 지속 가능한 원재료의 활용, 대규모 생산 공정 개발 및 표준화된 제품 규격 설정으로 집중될 전망입니다. 정부와 민간 부문 모두가 협력하여 상용화 촉진을 위한 정책적 지원과 투자 방안을 마련하여 태양광 산업의 생태계 조성에 기여할 것입니다.

4. 국제 시장 및 제품 동향

  • 4-1. 글로벌 정책 및 투자 흐름

  • 2025년 4월 21일, 미국 상무부는 말레이시아, 캄보디아, 태국, 베트남에서 수입되는 실리콘 태양전지에 대해 3, 400%가 넘는 고율의 관세를 부과하기로 결정하였으며, 이는 페로브스카이트 제조업체들에게 경쟁 우위를 부여할 수 있는 트리거가 될 것으로 예상된다. 이번 조치는 실리콘 태양전지 수입 규제가 증가함에 따라, 새로운 대체 에너지원으로 페로브스카이트의 사용을 더욱 부각시킬 것으로 보인다. 페로브스카이트는 이론적으로 실리콘보다 높은 34%의 효율을 목표로 하며, 이러한 정책은 해당 기술의 상용화를 가속화할 수 있는 환경을 조성할 것이다.

5. 생산 설비 및 공정 기술

  • 5-1. 솔루션 프로세싱(스핀코팅·슬롯다이)

  • 페로브스카이트 태양전지의 생산 공정 중 하나인 솔루션 프로세싱(Solution Processing)은 주로 스핀코팅(Spin Coating)과 슬롯다이(Slot Die) 기술을 통해 이루어지고 있습니다. 스핀코팅은 액체 상태의 페로브스카이트 전구체 용액을 원판 위에 떨어뜨린 뒤 고속 회전시키는 방법으로, 균일한 얇은 필름을 형성하는 데 유리합니다. 이는 전반적인 생산 비용 절감 효과와 동시에 공정의 정밀성을 높이는 장점이 있습니다. 슬롯다이는 연속적인 필름 생산이 possible하게 해주는 기술로, 고정된 다이(die)에서 일정한 두께의 용액을 조절하며 코팅할 수 있어 대량 생산에 적합합니다. 특히, 슬롯다이는 롤투롤 공정과 결합될 수 있어 고속 대량 생산이 가능하며, 제조 비용에 있어서도 유리한 측면을 가지고 있습니다.

  • 최근 기술 발전으로 인해 스핀코팅과 슬롯다이에 기반한 생산 효율성이 크게 개선되었습니다. 예를 들어, 경북대의 최근 연구에서는 고속 스핀코팅 기술을 적용하여 생산 시간을 단축하고, 판상형 페로브스카이트 태양전지의 생산로로서 공정 최적화에 성공하였습니다. 이와 같은 기술들은 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위한 중요한 기반을 제공하고 있으며, 최근 보도가에 따르면, 고효율을 자랑하는 전구체 용액의 개발 또한 이루어지고 있습니다.

  • 5-2. 롤투롤 코팅 라인

  • 롤투롤(Roll-to-Roll, R2R) 코팅 기술은 페로브스카이트 및 유기광전지(OPV) 필름 생산에 있어 혁신적인 공정 방식으로 자리잡고 있습니다. 이 방법은 유연한 기판 위에 페로브스카이트 물질을 연속적으로 코팅할 수 있게 해주며, 대량 생산에 최적화된 솔루션을 제공합니다. 특히, 이 기술은 생산성을 극대화하여 장기적인 가격 경쟁력을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.

  • 현재 한국화학연구원에서는 롤투롤 방식으로 생산된 페로브스카이트 태양전지 모듈이 상용화 단계로 접어들고 있으며, 여기서 얻어진 데이터들은 향후 공정 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다. 부산의 한 기업에서도 롤투롤 기술을 적용하여 필름 형태의 페로브스카이트 태양전지를 생산하고 있으며, 이는 가볍고 유연한 응용이 가능하여 건축물이나 차량에 적용할 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다.

  • 5-3. 공정 자동화 트렌드

  • 제조업 전반에 걸쳐 공정 자동화의 필요성이 증가하고 있으며, 특히 태양전지 생산 공정에서도 이러한 트렌드가 확산되고 있습니다. 자동화 기술을 통한 공정의 최적화, 효율성 증대 및 품질 관리 강화가 이루어지고 있는데, 이는 페로브스카이트 태양전지의 상용화와 대량 생산에 크게 기여하고 있습니다.

  • 국내 기업들은 자동화 장비를 도입하여 생산 라인의 여러 과정을 모니터링하고, 실시간으로 데이터를 분석하여 최적의 생산 조건을 유지하고 있습니다. 이 같은 자동화는 인건비 절감 뿐 아니라, 고품질의 제품을 일관되게 생산하는 데 필요한 기반이 되고 있습니다. 예를 들어, 서울의 한 태양전지 생산업체는 전체 생산 공정에서 80% 이상의 단계를 자동화함으로써 생산 효율성이 30% 이상 향상되었다고 보고하고 있습니다. 이러한 자동화 기술은 향후 페로브스카이트 태양전지의 경제성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

6. 원료 및 소재 공급망 이슈

  • 6-1. 페로브스카이트 전구체 원료

  • 페로브스카이트 태양전지의 주요 구성 요소인 페로브스카이트 전구체 원료는 태양전지의 성능에 결정적인 영향을 미칩니다. 기존 연구에 따르면, MAPbI3(메틸암모늄 납 아이오다이드)와 FAPbI3(포름아미디늄 납 아이오다이드)와 같은 다양한 조성이 높은 광흡수 효율을 보여주고 있으며, 특히 이들 물질은 저온 용액 공정에서 쉽게 합성될 수 있는 장점이 있습니다. 그러나 이러한 전구체 원료의 공급망 안정성은 최근 몇 년간의 공급 부족 문제로 인해 불확실성이 커지고 있습니다. 페로브스카이트 전구체의 일부 원료는 특정 지역에만 존재하거나 제한된 생산능력을 갖고 있어, 글로벌 공급망의 안정성을 위협할 수 있습니다.

  • 6-2. 유기 반도체(OPV) 소재

  • 유기 광전지(OPV)의 성능은 사용되는 유기 반도체 소재에 크게 의존합니다. 현재 OPV 분야에서 사용되는 주요 유기 반도체 소재는 PEDOT:PSS, PTB7, P3HT 등으로, 이들은 높은 광흡수와 전하 이동성을 최대화할 수 있는 특성을 가지고 있습니다. 그러나 이들 소재 역시 원자재의 공급망이 불안정하거나 가격 변동성이 커, 지속적인 개발과 연구가 필요합니다. 특히 OPV 기술의 상용화를 위한 품질 높은 유기 반도체 소재의 안정적 공급망 구축은 향후 산업 발전에 중요한 요소로 작용할 것입니다.

  • 6-3. 공급 병목과 대체 원료 연구

  • 페로브스카이트 및 유기 반도체의 공급 병목 문제를 해결하기 위한 다양한 대체 원료 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어, 심각한 공급 위험을 가지고 있는 납을 대체하기 위한 비납 기반 페로브스카이트 전구체의 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 탄소 기반의 대체 물질도 연구되고 있습니다. 이러한 대체 원료 개발은 공급망의 안정성 문제를 해결하는 것뿐만 아니라, 환경적 지속 가능성 측면에서도 중요한 영향을 미칠 것입니다. 또한, 각국의 정책 변화와 함께 지속적인 연구개발 투자가 이루어지면서, 이러한 대체 원료 연구는 향후 태양전지 산업의 성장을 지원할 수 있는 핵심 방향으로 부상할 것입니다.

7. OPV 필름 산업 개요 및 동향

  • 7-1. OPV 기술 개념과 구조

  • 유기광전지(Organic Photovoltaics, OPV)는 유기화합물을 활용하여 태양광을 전기로 변환하는 기술입니다. OPV의 가장 큰 장점은 유연성, 경량성 및 저비용 생산이 가능하다는 점입니다. OPV는 일반적으로 두 개의 유기 반도체 층으로 구성되며, 이들은 각각 전자와 정공을 생성하는 역할을 맡습니다. 일반적인 구조는 전자 수용체와 정공 수용체 소재로 나뉘어 있으며, 이들이 혼합되어 '블렌드 층'을 형성합니다. 블렌드 층은 태양광에 의해 생성된 전자와 정공이 반응하여 전류를 생성하도록 설계되어 있습니다.

  • 7-2. 주요 기업 및 제품

  • OPV 필름 산업에서는 여러 기업들이 활발히 연구와 상용화 노력에 나서고 있습니다. 특히, '스카라 오리진스'와 '헬리오젠' 같은 기업은 OPV 기술 개발을 선도하고 있습니다. 이들은 각종 제품을 통해 태양광 발전의 새로운 가능성을 모색하고 있으며, 경량화된 솔루션을 다양한 응용 분야에 제공하고 있습니다. 또한, 'Oxford PV'와 같은 기업은 OPV와 페로브스카이트 기술을 융합하여 태양전지의 효율성을 높이는 방식으로 시장에서 두각을 나타내고 있습니다.

  • 7-3. 롤투롤 생산설비 동향

  • OPV 필름의 대량 생산을 위한 롤투롤(Roll-to-Roll) 제조 기술이 주목받고 있습니다. 이 공정은 유연한 기판 위에 유기 반도체 층을 연속적으로 도포하는 방식으로, 기존의 태양광 패널 제조 방식에 비해 생산성이 높고 비용이 절감됩니다. 최신 롤투롤 생산 설비는 스핀코팅 및 슬롯다이 코팅 기술을 활용하여 고속으로 대면적 기판에 필름을 코팅하는 방법들을 도입하고 있습니다. 이러한 효율적인 공정은 OPV 필름의 상용화에 기여하고 있습니다.

  • 7-4. 응용 사례 및 시장 과제

  • OPV 필름은 경량성과 유연성을 활용하여 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. IoT 기기, 웨어러블 기술, 이동식 전원 장치 등에서의 활용이 점차 확대되고 있습니다. 그러나 여전히 OPV 필름의 효율성과 내구성은 상용화 과정에서 극복해야 할 주요 과제로 남아있습니다. 현재 OPV의 변환 효율은 다른 태양광 기술에 비해 상대적으로 낮지만, 연구개발이 진행됨에 따라 개선 가능성이 높아지고 있습니다. 향후 이러한 기술적 도전 과제를 해결하기 위한 지속적인 투자와 혁신이 필요합니다.

결론

  • 2025년 현재, 페로브스카이트 태양전지는 '올-페로브스카이트 탠덤 구조'의 상용화 단계로 진입하고 있으며, 국내 연구기관들의 성과가 국제적으로 인정받고 있습니다. 경북대와 한국화학연구원에서 진행된 연구는 페로브스카이트 기술의 상용화 가능성을 높이는 중요한 기반이 되고 있습니다. 특히, 경북대의 연구팀은 리튬염 기반의 성과를 인정받아 탠덤 구조의 효율성을 높이는 데 기여하며, 화학연구원은 그들의 혁신적인 전자수송층 개발로 주목받고 있습니다.

  • 글로벌 측면에서는 Oxford PV의 상업 출하가 퍼스트 무버 우위를 강화하고 있으며, 일본과 유럽의 대규모 생산설비 투자가 진행되고 있는 것이 두드러지는 현상입니다. 생산 공정은 롤투롤 및 슬롯다이와 같은 대량 코팅 기술로의 전환이 이루어지고 있으며, 주요 원료인 할라이드 전구체와 유기 반도체 소재의 공급망 리스크 해결이 시급한 과제로 대두되고 있습니다. OPV 필름의 경우, 경량성과 유연성을 바탕으로 한 응용 분야의 확장이 기대되지만, 효율과 내구성 측면에서 개선 필요성이 존재합니다.

  • 향후 태양전지 산업은 안정성 향상, 저비용 공정 개발 및 대체 소재에 대한 연구개발에 집중해야 하며, 이를 위해서 국내외 협력 생태계 구축과 정책적 지원이 필수적입니다. 이는 결국 태양광 산업의 경쟁력을 강화하는 데 기여할 것이며, 지속 가능한 에너지 솔루션을 위한 기초가 될 것입니다.

용어집

  • 페로브스카이트: 페로브스카이트는 특정 결정 구조를 가진 물질로, 태양전지와 같은 광전기적 응용에서 높은 효율성을 가지고 있습니다. 이 물질은 상대적으로 저렴하고, 솔루션 프로세싱 기술을 통해 쉽게 제조될 수 있어 차세대 태양전지의 중요한 후보로 연구되고 있습니다.
  • OPV (유기광전지): 유기광전지(Organic Photovoltaics, OPV)는 유기화합물을 사용해 태양광을 전기로 변환하는 기술입니다. 이 기술의 가장 큰 장점은 유연성이 뛰어나고, 경량이며, 저비용으로 생산할 수 있다는 점입니다. 최근 IoT 및 웨어러블 기술에 적용 가능성이 높아지고 있습니다.
  • 올-페로브스카이트: 올-페로브스카이트(All-perovskite)는 두 개의 페로브스카이트 층으로 구성된 태양전지 기술로, 단일 접합 태양전지보다 효율성이 높습니다. 이 구조는 태양전지의 전력 변환 효율을 크게 향상시킬 잠재력을 가지고 있습니다.
  • 탠덤 셀: 탠덤 셀은 두 개의 태양전지 층을 겹쳐 놓은 구조로, 각각 다른 파장에서의 빛을 흡수하여 효율성을 향상시키는 방식입니다. 이 기술은 페로브스카이트와 실리콘 태양전지의 조합 등으로 구현되고 있으며, 앞으로의 상용화 전망이 밝습니다.
  • 롤투롤: 롤투롤(Roll-to-Roll, R2R) 코팅 기술은 연속적인 필름 생산 방식을 통해 대량 생산을 가능하게 하는 혁신적인 제조 기술입니다. 이 방식은 유연한 기판 위에 페로브스카이트 물질을 연속적으로 도포하여 생산성을 극대화합니다.
  • 슬롯다이: 슬롯다이(Slot Die) 기술은 일정한 두께의 용액을 고정된 다이에서 조절하여 코팅하는 방법입니다. 이 공정은 대량 생산에 적합하며, 필름 생산의 정밀성과 균일성을 높이는 데 기여합니다.
  • 스핀코팅: 스핀코팅(Spin Coating)은 액체 상태의 솔루션을 회전하는 기판 위에 떨어뜨려 얇은 필름을 형성하는 방법입니다. 이 기술은 정밀한 두께 조절이 가능하며, 광전지의 제조과정에서 널리 사용되고 있습니다.
  • Oxford PV: Oxford PV는 페로브스카이트 태양전지를 연구하고 상용화하는 선도적인 기업으로, 최근 첫 상업 주문을 성공적으로 처리하였습니다. 이는 페로브스카이트 기술의 글로벌 시장에서의 가능성을 보여줍니다.
  • 경북대: 경북대학교 신소재공학과 이상욱 교수팀은 리튬염을 활용한 페로브스카이트 태양전지 연구로 주목받고 있으며, 효율 27.47% 달성 등 상용화 성과를 내고 있습니다. 이는 국내 태양전지 기술의 중요성을 증가시킵니다.
  • 화학연: 한국화학연구원은 초고효율 페로브스카이트 태양전지 연구로 국제 저널 '네이처'의 표지 논문을 발표하며, 25.2%의 효율을 기록했습니다. 이 연구는 페로브스카이트 기술의 대면적 제작 가능성을 높였습니다.

출처 문서