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CMOS와 CCD

(1) cmos와 ccd를 센서라고 하지만 사실은 센서가 아닙니다.

ccd는 charge coupled devices의 약자죠. 일종의 전하 전송수단입니다.
전하를 전송하는 방법이 좀 특이하죠. 일종의 전하 우물 즉 potential well의 깊이를 전하를 전달하고자 하는 방향으로 연속적으로 조절하여 전하를 전송하는 소자를 ccd라고 합니다. 이쯤하죠. 결국 ccd는 전하우물의 깊이를 대체로 3단계 정도로 연속적으로 조절해서 전하를 전송하는 소자입니다. 그러니까, ccd 소자는 단독으로 존재한다면 아무런 의미가 없고 적어도 3개의 소자를 연속적으로 배치하여 전하를 전송하도록 합니다. 보통 촬상소자에서 ccd는 포토센서(광전변환소자)의 라인에 일렬로 설치되서 하나의 라인에서 생성되는 전하를 촬상소자의 아래로 전달하는 소자입니다. 그리고, 좔상소자에는 각 라인에서 소자의 아래로 전송된 전하를 다시 한쪽으로 전송하는 ccd가 있습니다.

cmos는 complementary metal oxide semiconductor field effect transistor(상보형 트랜지스터)의 약자죠. 일종의 트랜지스터죠. 트랜지스터는 뭐하는 거냐하면, 신호를 온오프 시키거나 증폭회로를 구성하는 소자라고 할 수 있죠. 촬상소자에서 cmos는 전하를 전송선으로 공급하기 위한 스위칭 소자의 역할을 하거나, 전하를 증폭하기 위한 회로의 구성 소자로 사용됩니다.

(2) 그렇다면, 센서는 뭐냐?

센서는 광센서 즉 광을 전하로 변환시키는 소자죠. 광전변환소자가 센서라 할 수 있죠. 포토 다이오드가 주로 사용됩니다. 렌즈를 통해서 들어온 광이 광전변환소자(보통 CdS 카드늄 설파이트 등 사용)에 전달되면 여기서 광이 전하로 변환됩니다. 이 변환된 전하는 ccd나 coms를 통해서 각픽셀 위치의 광의 세기를 DSP(digital signal processing)을 통하여 중앙처리장치로 전달되어 화상을 구현하게 됩니다.

(3) 그러면, ccd와 cmos는 뭐가 다른가?

즉, 전송 방식 또는 전송 소자가 다른 이유와 특징은 무었인가?

ccd에도 전송 방식에는 3가지가 있습니다. 인터라인 방식, 프레임 전송 방식, 프레임-터라인전송 방식이 있습니다. 이중에서 케논 D씨리즈에 사용되는 방식은 이중 가장 전송속도가 느린 인터라인 방식으로 대신 촬상소자가 가장 작죠. 하나의 화소 라인별로 설치된 ccd로 라인 별로 전송을 합니다. 즉, 발생된 전하를 그대로 전송합니다. 전하의 손실이 별로 없죠.

그런데, cmos의 경우는 발생된 전하가 mos소자의 게이트가 온되는 순간 쏘스단으로 입력되어 드레인단으로 출력됩니다. 이때 쏘스 전극에 입력된 전하는 반도체 웨이퍼에 형성된 P 또는 N형 반도체(쏘스)를 거쳐 다시 N또는 P형 게이트 채널을 통과해서 다시 P또는 N형 반도체(드레인)으로 출력되는 과정에서 원래의 전하가 손실되거나 변형되게 됩니다.
그 이유는 cmos는 전하를 전송하는 소자가 아니라 디지털 신호를 전송하기 위해서 개발된 소자이기 떄문입니다. 예를 들면, cmos소자는 디지털 메모리 소자에 사용되는데 여기서는 주로 5V 또는 0V 사이의 신호차만 전달하면 됩니다. 즉, 3.5 내지 7V 정도 절단되어도 이것은 디지털로는 모두 1로 인식하고, -1 내지 1.5 V 인 경우 모두 0으로 인식되면 그만이죠. 따라서, 그만큼 오차 및 노이즈에 별로 정확성을 가지지 못합니다.

그래서, 개발된 목적이 다르므로 ccd 촬상소자는 cmos 촬상소자에 비하여 훨씬 정확한 전하량을 전달할 수 있다고 보면 됩니다.

그만큼, 촬상소자에서는 광전변환소자(광센서) 보다는 발생된 전하를 전송하는 전송수단이 매우 중요하기 때문에 일반적으로 촬상소자를 전하전송수단에 따라 ccd나 cmos라고 부르죠. 그래서, 일반인들은 ccd나 cmos가 센서인줄 알고 있는 경우가 많습니다.

(4) 그런데 왜 캐논에서는 주로 cmos를 사용하는가?

최근에 cmos 촬상소자의 수요에 부흥하여 이분야의 급속한 기술의 발전으로 cmos의 전하 전송방식이 혁신적으로 개선되었습니다. 광전변환소자에서 발생된 전하를 source follower라는 일종의 신호 증폭 회로를 도입하여 전에 비하여 상당히 노이즈 및 잔류전하량을 개선시켜서 거의 ccd의 수준에 육박하게 되었습니다.
또한, cmos는 기존의 반도체 소자 제조 프로세스(DRAM 등)와 동일한 프로세스로 제조가 가능하여 가격이 ccd의 약 1/4정도로 제조하게 되었죠. 그리고, 집적도면에서도 앞으로 급속한 변화가 예상됩니다. 메모리의 경우를 예로들면, 현재 DRAM의 경우 손톱만한 면적에서 1Giga(1.000,000,000)의 집적도를 보이고 있습니다. cmos의 경우 현재 D60에는 훨씬 큰 면적에도 600만(6,000,000×3=18,000,000) 정도이니 화소수의 증가는 시간 문제로 생각됩니다. 구조면에서 본다면 cmos의 경우 flash memory와 매우 유사한 구조를 가진다.

(5) ccd와 cmos의 장단점.

ccd는 여전히 화질에서 주로 노이즈나 잔상에서 단연 우수할 수 밖에 없는 구조를 가집니다. 그러나, 소비전력이 cmos의 거의 50-100배이고, 전하 전송 방식이 라인방식이므로 각 화소별로 전송하는 cmos에 비하여 2-5배 정도 빠르며(연사속도와 관련), 가격이 약5배 이상될 것으로 예상되며, 현재 촬상소자의 제조회사의 제조추세로는 ccd의 존립이 위태로울 정도입니다.

반면에, cmos는 새로운 회소의 개발로 노이즈가 현저히 감소하였고, 수율의 향상으로 full size 양산이 조만간 실현될 것이나, 전하 전송 방식에 치명적인 약점이 있어서 연사속도를 확보하기 위해서 화소수의 증가에는 어느정도 한계가 있을 것으로 예상됩니다.

앞으로는 ccd의 경우 지금도 그렇치만 고도의 전문 분야, 천체 관측 분야, 우주 설비용, 군사용 등의 경우와 일부 최고급 사진용으로 개발이 진행될 것으로 생각되며, cmos의 경우는 일반 사진용으로 널리 쓰이게 될 것으로 예상됩니다. 그러나, 이는 어디까지나 지금 현재의 기술수준에 의한 예상일뿐 만일 ccd의 공정과 집적도가 혁신되어 대량생산과 가격이 안정된다면 …. 희망사항이지만.

(6)  맺으며

글쎄, 얼마나 이해가 되셨는지 모르겠네요. 간단히 몇가지만 염두에 두셔도 좋을 듯 하네요.

– ccd와 cmos는 센서가 아니라 전송 소자다. 그런데 쵤상소자는 전송소자가 매우 중요해서 일반적으로 ccd나 cmos로 불리운다.

– ccd는 cmos에 비하여 노이즈가 적고 전하전송 속도가 빠른 소자이나, 제조공정이 복잡하고 수율이 낮아 가격이 높고 소비전력이 많아 배터리 소모가 많다.

– cmos는 노이즈가 많이 개선되었으며, 가격이 싸고 소비전력이 낮으며, 곧 full size(35mm) 양산이 가능한 제조 공정을 가지는 소자다.


 


출처 : http://blog.paran.com/annapurna8091/13362830

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[SLR] CCD와 먼지

디지탈 SLR 카메라는 렌즈를 교환할 때 CCD가 외부로 노출되기 때문에 공기 중의 먼지나 이물질이 바디 안으로 들어가는 경우가 많습니다. 문제는 바디안에 들어간 먼지나 이물질이 CCD에 흡착되어 사진에 영향을 준다는 것입니다. 마음에 드는 사진이 먼지로 인해 영향을 받게되면 누구나 기분이 좋지 않을 것입니다. 오늘은 디지탈 SLR 카메라 최대의 적(?)이라 할 수 있는 먼지에 대해 알아보겠습니다.

CCD 먼지 확인법


먼지가 선명하게 나타나는 사진은 대부분 조리개를 많이 조인 상태에서 촬영한 경우입니다. 조리개가 열린상태에서는 CCD 상의 먼지를 찾아보기 힘들지만 F10 이상의 조리개 수치로 촬영하게 되면 먼지로 추정되는 검은 점들이 곳곳에서 발견됩니다. 따라서 CCD에 붙은 먼지는 조리개를 조여서 촬영하는 풍경 사진에서 잘 나타납니다.

먼지를 확인하려면, 카메라를 고정한 후 조리개를 F16 이상 조여서 촬영해야 합니다. 먼지를 쉽게 확인하기 위해서는 하얀 벽지와 같이 먼지를 쉽게 확인할 수 있는 피사체를 촬영하는 것이 좋습니다. 또다른 확인 방법은 미러 락업 기능이나 벌브 모드를 이용하여 카메라의 셔터를 올린 후 직접 CCD 필터의 표면에 빛을 비춰 육안으로 확인하는 것입니다. 사진에 영향을 줄 만한 큰 먼지는 대부분 확인할 수 있지만, 확인하는 과정에서 오히려 먼지가 더 많이 붙게 될 확률이 많으므로 아주 깨끗한 장소가 아니면 CCD를 직접 확인하지 않는 것이 좋습니다.

먼지 유입을 최소화 하는 방법


셔터 박스 내에 먼지가 들어가는 것을 최대한 방지하는 방법은 역시 불필요한 렌즈 교환을 자제하는 것입니다. 렌즈를 교환할 때마다 CCD는 먼지에 노출될 수 밖에 없기 때문입니다. 그러나 렌즈 교환식 카메라를 사용하면서 먼지 때문에 렌즈를 교환하지 않는 것은 말그대로 구더기가 무서워 장을 담그지 못하는 격입니다. 이처럼 어쩔 수 없이 렌즈를 교환해야 하는 DSLR 카메라에서 먼지 유입을 최소화 하는 방법은 무엇이 있을까요?

첫째, 먼지가 많은 도로변이나 인파가 많이 몰리는 곳에서는 되도록 렌즈를 교환하지 않는 편이 좋습니다. 실내에서는 되도록 먼지가 적은 화장실에서 렌즈를 교환하면 먼지가 들어갈 확률이 줄어듭니다.

둘째, 가능하면, 카메라의 마운트를 아래로 하고 렌즈를 교환해야 합니다. 먼지는 밑으로 가라앉기 때문에 마운트를 위로 하면 먼지가 들어갈 확률이 더 높습니다. 상당수의 DSLR 카메라 유저들은 단순히 편리하다는 이유만으로 마운트를 위쪽으로 향한 채 렌즈를 교환하고 있지만, 먼지 유입을 막기 위해서는 마운트를 아래로 향한 상태에서 렌즈를 교환하는 것이 좋습니다.

마지막으로, 카메라는 카메라 가방속에 보관해야 합니다. 먼지가 많은 환경에 오래 노출시키면 쉽게 먼지가 들어갑니다. 비단 렌즈 뿐만 아니라, 바디의 틈새나 뷰파인더로도 먼지가 들어갈 수 있기 때문에 카메라를 보관할 때는 반드시 전용 가방에 넣어 두는 것이 좋습니다.

간단한 먼지 제거 방법


CCD에 먼지가 있을 때, 야외에서 먼지를 제거하려는 노력은 그다지 쓸모가 없습니다. 되도록 먼지가 적은 실내에서 제거하는 것이 좋습니다.

위에서 설명했다시피, 먼지가 없는 깨끗한 장소에서 작업해야 합니다. 청소 도구인 블로어로 렌즈 마운트 부분의 먼지를 제거하고 렌즈를 본체에서 분리합니다. 미러를 올리기 전에 마운트 주변을 깨끗이 닦고, 블로어를 이용해 셔터박스 내의 먼지를 먼저 제거해줍니다.

크리닝 미러 락업 기능을 이용해 미러를 올립니다. 그리고 마운트를 아래로 향한 후 블로어로 수차례 공기를 불어주면 됩니다. 블로어 대신 시중에서 판매하는 압축 공기를 분사하는 유저들도 있는데 가능하면 사용하지 않는 것이 좋습니다.  눈에는 보이지 않는 미세한 액체가 함께 분사될 우려가 많기 때문입니다.

먼지를 제거하는 또다른 방법은 메탄올같은 중성 용액을 미세한 천이나 면봉에 살짝 묻혀 직접 CCD 표면의 먼지를 제거하는 것입니다. 이 방법을 사용할 때는 절대로 용액을 많이 사용해서는 안됩니다.  또한 힘을 줘서 CCD를 문지르지 않아야 합니다. CCD에 오랫동안 붙어있는 먼지들은 CCD에 접착되어 있는 경우도 있으므로 힘을 줘서 제거하려 한다면 CCD에 흠집이 생길 수 있습니다. 따라서 용액을 면봉이나 천에 살짝 묻히고 아주 부드럽게 여러 번 청소해야 합니다. 수전증이 있거나 숙련되지 않은 유저들은 CCD를 직접 청소하려다가 오히려 손상을 줄 수도 있으므로 개인적으로는 추천하고 싶지 않습니다. 집에서 CCD 청소를 할 수 있도록 도와주는 전용 크리닝 세트가 판매되기는 하지만 가격이 7만원 정도로 매우 비싼 편입니다.

     


CCD 클리닝 세트

니콘 D100이나 캐논 300D처럼 미러 락업 기능이 없는 카메라들은 되도록 서비스 센터에서 먼지를 제거하는 것이 안전합니다. 일부 서비스 센터에서는 돈을 받는 경우도 있지만 대부분의 서비스 센터에서는 정품에 한해 무료로 서비스 해줍니다. 벌브 모드를 이용하면 셔터막을 오래 열어놓은 채 청소할 수 있지만 그다지 좋은 방법이 아닙니다. 왜냐하면 전원을 켠 상태라면 CCD에 미세한 전기가 흐르고 있어 먼지를 오히려 더욱 달라붙게 하며, 붙어있는 먼지도 잘 떨어지지 않기 때문입니다. 또한, 청소 중 배터리가 소모되어 갑작스럽게 셔터막이 닫히게 되면 셔터막이 손상될 가능성도 있습니다.

마치며…


CCD에 붙어있는 먼지를 제거하는 가장 확실한 방법은 각 제조사의 서비스 센터로 가서 점검을 받는 것입니다. 먼지라는 것은 아무리 조심해도 어쩔 수 없이 들어오는 것이므로, 사진에 크게 영향을 주지 않는 먼지들은 신경 쓰지 않는 편이 정신 건강에 이롭습니다. *^^* 다만, 풍경 촬영을 주로하는 출사를 나가거나 장기간 해외 여행을 간다면 출발하기 전에 한 번쯤 서비스 센터에 들러서 카메라를 점검하는 것이 좋을 것입니다. 서비스 센터에 방문하는 것은 꽤나 귀찮은 일이지만, 촬영 후 집에서 깨끗한 이미지를 감상하는 것으로 충분히 보상받을 수 있지 않을까요? ^^ 다음 시간에는 CCD에 흡착되는 먼지를 제거하는 SSWF(초음파 방진 필터) 기술에 대해 알아보겠습니다.

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CCD란 무엇인가?





디지털 카메라에 대해 조금이라도 아시는 분이라면 디지털 카메라에는 필름이 없다는 것 정도는 아실 겁니다. 그리고 조금 더 지식이 있다면 필름 대신 이미지를 저장하는 것이 CCD라는 것 정도는 아시겠죠. 그렇습니다. CCD(Charge Coupled Device)는 디지털 카메라에서 이미지의 저장을 담당하는 필름 카메라의 필름에 해당하는 부분입니다. 디지털 카메라의 핵심이라고 할 수 있겠죠. 이번에는 CCD에 대해서 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.




CCD에는 미세한 화소가 세밀하게 배치되어 있습니다. CCD에 배치되어 있는 화소수는 사양표의 가장 중요한 부분을 차지합니다. 100만 화소 카메라, 200만 화소 카메라, 300만 화소 카메라 같은 말들이 바로 CCD에 배치되어 있는 화소의 수를 말하는 것입니다. 그렇다면 화소가 하는 일이 무엇이기에 화소수가 많은 카메라들이 고급 기종으로 분류되는 걸까요? 100만 화소급 카메라라면 CCD에100만개의 화소가 있다는 말입니다. 그 각각의 화소들은 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전하의 형태로 바꾸어 지니고 있습니다. 각각의 화소의 위치가 모두 다르고 포함한 전하의 크기 역시 다르기 때문에 화소들의 정보를 종합하면 피사체의 대한 정보를 만들어 낼 수 있는 것입니다. 마치 어린 아이들이 가지고 노는 블록과 같다고 할 수 있겠죠. 화소수가 많으면 그만큼 높은 해상도의 이미지를 만들어 낼 수 있는 것입니다.  CCD의 화소수와 크기는 카메라의 가격을 결정하는데 가장 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있겠습니다. CCD가 크면 그만큼 받아들일 수 있는 광량과 정보가 많아지지만 그만큼 가격이 상승하기 때문에 좁은 공간에 최대한의 화소를 집적 시키기 위해 많은 시간과 노력이 투자되고 있습니다. 그림에서 보이는 것처럼 일반 334만 화소급 CCD가 5.52mm x  4.14mm인 것에 반해 니콘 D1의 CCD는 23.7 x 15.6mm 엄청나게 크다는 것을 알 수 있습니다. 같은 공간에서 화소수가 적으면 그 만큼 하나의 픽셀이 받아들일 수 있는 광량이 늘어나기 때문에 저 광량시에도 선명한 이미지를 만들 수 있는 것입니다. 그런 이유에서 260만 화소인 니콘 D1이 334만 화소급 카메라들 보다 훨씬 비싼 것입니다.

올 11월에 올림푸스에서 400만 화소급 카메라 E-10이 발표되었고 소니에서는 내년부터 500만 화소급 CCD의 양산에 착수할 것임을 발표한 바 있습니다. 물론 CCD의 발달은 해상도와 화질에 큰 영향을 미치게 될 것입니다. 하지만 꼭 화소수가 많은 카메라가 좋은 카메라라는 생각을 가지고 보다는 자신의 용도에 가장 적절한 카메라를 선택하여 사용하는 것이 디지탈 카메라 선택에 꼭 필요한 지혜입니다.

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CCD의 실제 크기

디지탈 카메라에서 가장 중요한 부품은 무엇일까요? 사람에 따라 많은 의견이 있을 수 있겠으나 역시 가장 많이 언급되는 부품은 CCD와 렌즈가 될 것 같습니다. 이미지를 카메라로 받아 들이는 렌즈와 렌즈를 통해 들어온 이미지를 분석하여 저장하는 CCD의 역할은 디지탈 카메라의 핵심이라 할 수 있겠습니다. 특히 CCD는 렌즈가 필름 카메라에도 탑재되어 있는 것과는 달리 디지탈 카메라에만 있기 때문에 좀더 관심을 끌게 됩니다.




디지탈 카메라 사양표 중 CCD 부분을 살펴보면 크기와 화소수가 표시되어 있은 것을 발견할 수 있습니다. 일반적인 사양표를 보면 1/1.8인치 유효 화소수 380만 화소(총 화소수 400만)와 같이 쓰여 있습니다. 여기에서 1/1.8인치는 CCD의 크기, 유효 화소수 380만 화소(총화소수 400만)는 화소수를 의미 하는 것입니다. 그렇다면 1/1.8인치로 표시된 CCD의 크기는 정말 1/1.8인치가 맞을까요? 사양표가 거짓말을 할 리는 없으니 당연히 “맞다!”라고 생각하시는 분들이 많겠지만 실제로는 그렇지가 않습니다. 그렇다면 사양표가 왜 틀린 값을 표시하고 있는지, 값이 틀리다면 얼마나 틀린지 궁금증이 생기게 됩니다.  오늘은 바로 사양표가 왜 틀린 값을 표시하고 있는지, 그렇다면 실제 크기와는 얼마나 차이가 있는지에 대해  알아보도록 하겠습니다.



한 가지 예로 1/1.8인치로 표시된 CCD를 살펴보겠습니다. 1/1.8인치를 실수 단위로 바꾸면  0.555인치가 되며 다시 mm로 환산하면 14.1mm가 됩니다. 그렇다면 1/1.8인치 CCD의 대각선 길이는 14.1mm일까요? 실제 길이가 14.1mm라면 아무 문제가 없겠지만 불행하게도 실제 1/1.8인치 CCD의 대각선 길이는 8.93mm 밖에 되지 않습니다. 이것은 숫자상의 길이인 14.1mm의 2/3 정도의 길이에 해당합니다.


그렇다면 실제 거리의 약 1/3에 해당하는 5.17mm는 어디로 사라진 것일까요?


이렇게 표시된 크기와 실제 크기 사이에 차이가 발생하는 것은 1/1.8인치라는 숫자가 센서의 크기를 나타내는 것이 아니라 비디콘 튜브(진공관)의 크기를 표시하기 위한 것이기 때문입니다. 진공관의 크기를 나타내기 위해 사용되어온 1/1.8인치와 같은 방식은 1950년대부터 활용되어 왔는데 위에서 말한 1/1.8인치는 센서의 대각선 길이를 나타내는 것이 아니라 센서를 둘러싸고 있는 진공관의 지름을 표시하는 것입니다. 이해를 돕기 위해 개념도를 살펴보도록 하겠습니다..












위의 그림 중 검정색 원은 진공관, 녹색 사각형은 센서를 의미합니다. 1/1.8인치의 경우 센서를 둘러싸고 있는 진공관 (원)의  지름이 1/1.8인치 (14.1mm)이지만 녹색으로 표시된 센서의 대각선 길이는 8.93mm 밖에 되지 않습니다. 약 5.71mm의 차이가 발생하는 것을 발견 할 수 있는데 한 가지 주의해서 보아야 할 점은 센서의 넓이(녹색 사각형)가 진공관(원) 넓이의 약 2/3 정도에 해당된다는 것입니다.

언뜻 보아서는 진공관의 지름과 센서 사이즈는 특별한 수학적 연관성을 발견하기 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 진공관의 면적과 CCD의 면적이 진공관의 실제 효용 영역과 마찬가지로 2/3 정도 수준을 유지하기 때문에 아직도 진공관 표시법이 활용되고 있는 것입니다.





그냥 쉽게 mm 단위로 쓰면 좋지 않겠는가? 라는 생각도 하게 되겠지만 TV나 컴퓨터 모니터와 마찬가지로 대각선 길이를 표시하는 데는 인치를 사용하는 것이 보편적으로 많이 사용되었으며, 진공관 표시 방식을 사용하는 것이 좀더 CCD의 크기를 커보이게 하는 효과가 있기 때문에 앞으로도 한동안은 디지탈 카메라 사양표에 CCD 크기는 1/1.8인치와 같은 형식으로 표시될 것 같습니다.





마지막으로 좀더 정확한 이해를 위해 실제 CCD의 크기를 mm로 바꾸어 보도록 하겠습니다. 최근에 등장한 대형 CCD인 2/3인치 역시 실제 지름은 1cm 정도에 불과합니다. 참고로 지금까지 출시된 제품 중 가장 큰 CCD를 장착한 제품은 콘탁스의 N 디지탈로 36.0 ×24.0mm의 CCD를 장착하고 있습니다.







* 스펙에 표시된 CCD의 크기와 실제 크기


































스펙 표시


원지름


센서 대각선 길이


센서가로


센서 세로


1/2.7 인치


9.407


6.592


5.270


3.960


1/2 인치


12.700


8.000


6.400


4.800


1/1.8 인치


14.111


8.933


7.176


5.319


2/3 인치


16.933


11.000


8.800


6.600








손민수 chapter3@nate.com