"02분반 1조 먼지살인마조"의 두 판 사이의 차이

2023년 12월 17일 (일) 23:09 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 우수 재활용 습식 전기집진기를 이용한 지하철 터널 내 미세먼지 저감

영문 : Reduce fine dust in subway tunnels by using recycled rainwater wet electrostatic precipitator

과제 팀명

1호선 먼지살인마

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2018890054 이규열(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2018890014 김민섭

서울시립대학교 환경공학부·과 2018890020 김유승

서울시립대학교 환경공학부·과 2018890029 민경석

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

서울의 지하철은 하루 수백만 명이 이용하는 중요한 교통수단이자 시민의 생활공간으로, 깨끗하고 쾌적한 환경을 조성하는 것은 매우 중요하다. 하지만 환경부의 ｢제3차 지하역사 공기질 개선대책(2018~2022)｣(2018)에 따르면, 21개 다중이용시설군 중 지하역사의 미세먼지 농도는 실내주차장에 이어 두 번째로 높았다. 특히 지하역사 대비 2~3배 높은 미세먼지 농도가 측정되고 있는 본선터널의 경우, 승강장, 대합실, 그리고 차량으로의 심각한 미세먼지 유입 및 오염을 초래하고 있어 본선터널 내의 확실한 미세먼지 저감이 매우 절실하다. 이러한 미세먼지는 지하철역 내부의 공기질을 매우 악화시킬 뿐만 아니라 이용객의 호흡기 질환을 유발한다는 점에서도 매우 심각한 문제라고 볼 수 있다.
따라서 본 연구는 지하철역 내부의 미세먼지 농도 저감을 주요 목표로 하고 있으며, 현재 지하철 내부의 집진장치 및 설비의 부족을 개선하고자 추가적인 집진장치를 설치하고자 한다. 본 연구에서는 지하철역 내부의 스크린도어 밑의 빈 공간에 습식 전기집진장치를 설치하여 미세먼지 농도를 저감하는 것을 설계하고자 한다. 지하철이 도착하여 문이 열릴 때 미세먼지의 유입은 가장 큰 요인 중 하나이며 스크린도어 밑의 공간에 습식 전기집진장치를 설치한다면 미세먼지 농도를 크게 저감해줄 수 있을거라 판단된다. 또한 습식 전기집진장치에 사용되는 물은 빗물을 재사용하여 공급하는 방안을 고려해 터널 내 습식 전기집진장치와 빗물저장 및 공급시설로 구성된 저감 시스템 설계를 본 연구의 최종 목표로 한다.

개발 과제의 배경

1. 기존 현황 및 문제점

지하철은 현재 우리나라 국민이 가장 많이 이용하는 대중교통 중 하나이다. 지하철은 교통혼잡의 영향을 거의 받지 않고, 정해진 시간표에 따라 자주 운행된다는 특성을 지녔기에 많은 사람들이 애용한다. 하지만 지하철 역사의 미세먼지 문제는 매우 심각한 사항으로 떠오르고 있다. 특히 미세먼지가 심한 날의 경우, 백화점이나 지하매장과 같은 다른 장소에 비해 많게는 3배 이상 초미세먼지가 많은 것으로 관측된다. 지난해 전국 지하역사 승강장의 초미세먼지 자동측정기기 평균농도는 29μg/m3이었다.
지하역사는 자연 환기가 어렵고, 좁은 공간에 다수의 이용객이 밀집한 탓에 공기질 관리가 쉽지 않은 것이 사실이다. 실제로 2021년 지자체 오염도 검사 결과 22개 다중이용시설 가운데 지하역사의 초미세먼지 농도는 23.6μg/으로 가장 높게 나타났다. 이는 조사대상 전체 평균 15.1μg/m3을 크게 웃도는 수치이다. 또한 2021년 1호선 종로3가역의 미세먼지 최고 농도는 112μg/m3까지 치솟은 것으로 기록되었다. 이는 지하철 역사 초미세먼지 법정관리 기준인 50μg/m3의 2배 이상을 웃도는 수치로, 지하철 역사 내 미세먼지 문제가 얼마나 심각한지를 보여준다.
2021년 환경부의 자료에 따르면, 평균 초미세먼지 농도가 50μg/을 넘긴 역사는 23곳에 달했으며, 이 가운데 4호선 11곳(48%), 1호선 7곳(30%)으로 1, 4호선이 약 80%를 차지하였다. 1호선은 특히 서울시립대학교 학생들이 자주 이용하는 호선인데다가, 학교 근처 청량리역과 회기역을 모두 지나가는 호선이기에 1호선을 중점적인 조사대상으로 설정하였다. 지하철 역사 내의 미세먼지는 다양한 요인에 의해 발생하며 그 요인은 크게 다음과 같다.
①전동차 운행 전원공급을 위한 집진장치와 전차선과의 마모 ②열차의 제동 브레이크패드 마모 ③바닥에 가라앉은 먼지가 열차 바람에 의해 비산

특히 이러한 미세먼지는 열차가 도착하고 스크린도어가 열릴 때, 급격하게 들어온다. 그러한 미세먼지는 지하철 역사 내의 미세먼지 농도를 높이는데 큰 비중을 차지하며, 타고 내릴 때 이용객들의 호흡기로 들어가 건강을 악화시킬 수 있는 위험 또한 존재한다. 따라서 지하철 역사 내 미세먼지의 농도를 저감하기 위해서는 열차가 도착하고 스크린도어가 열릴 때에 발생하는 미세먼지를 흡수하여 제거하는 것이 중요해보이며, 스크린도어 밑의 빈 공간에 집진장치를 설치한다면 지하철 역사 내의 미세먼지 농도를 크게 저감시킬 수 있을 것이라 판단된다.
현재 지하철 역사 내에 오염물질이 지하철 객차 안으로 들어오는 것을 막기 위한 에어커튼과 공기질 개선을 위한 공기청정기가 설치되어있다. 에어커튼의 경우, 미세먼지가 객차 안으로 들어오는 것을 막는데는 어느 정도 효과가 있지만, 지하철 내부 외 공간의 미세먼지 저감에는 효과가 거의 없다. 또한 공기청정기도 미세먼지를 직접적으로 제거하는 것이 아니므로 근본적인 해결책이 될 수 없다.
따라서 다음과 같은 기본 현황 및 문제점을 고려하였을 때, 지하철 내의 효율성이 높은 집진장치를 설치하는 것이 바람직하다고 여겨진다.

2. 개발과제의 효과

지하철 터널에서 발생하는 미세먼지는 지하철 바퀴와 레일 마모, 외부 오염된 공기 유입 등 다양한 경로로 생성될 수 있으며 지하역사 미세먼지 농도를 높이는 주요 원인으로 지적되고 있다. 특히 스크린도어 앞의 이용객들이 열차를 기다리거나 대기하는 공간은 지하철이 역으로 진입할 때 부는 바람과 함께 터널 안의 미세먼지를 끌고 오기 때문에 농도가 더 높은 것으로 확인됐다. 본 연구에서 사용하고자 하는 습식 전기집진장치는 기존 건식 전기집진장치의 분진 탈착과정에서 재비산, 역코로나 등의 문제로 인해 집진효율이 떨어지는 문제를 해결하여 집진효율을 높일 것이다. 또한 건식의 방식과는 다르게 집진극에 부착된 먼지를 탈착이 아닌 물로 씻어내는 습식처리 과정에서 사용하는 세정수를 빗물을 재사용하는 방안을 도입하여 친환경적이고 경제적인 저감방안이 될 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. ㈜퓨어린 사의 전기집진장치(AMH-200)

최장 길이가 102cm에 해당하는 소형화된 습식전기집진장치로 10~20μm 이하의 작은 입경을 가진 분진들의 집진에 효과적이다.

또한 집진극에 세정수를 공급하여 수막을 형성시킴으로써 포집된 입자를 제거하는 방식이다.

2. 빗물저금통

물과미래에서 개발한 빗물집수 전용 물통은 높이가 낮아서 청소가 쉽고 입수와 출수가 모두 바닥에서 이루어지므로 슬러지가 자연스럽게 배출된다. 물과미래 빗물집수 전용 물통은 소규모의 물통이 여러개로 연결되어 구성되므로 옥상에 놓을 경우 하중으로 인한 고민을 하지 않아도 되는 이점이 있다. 또한 빗물집수 전용 물통과 같이 설치되는 유도용 필터는 큰 물질이 바닥으로 떨어지고 빗물만 유도하므로 막히는 현상이 없다. 이 필터는 물통의 수위를 조절해주기 때문에 물통에서 빗물이 넘치지 않으며 두 번의 여과작업으로 양질의 빗물을 받을 수 있다. 뿐만 아니라 전용 필터는 초기우수를 배제하는 기능이 있기에 벨브를 개방시키면 초기우수의 혼탁한 빗물을 배제 시킬 수 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1. 습식 전기 집진 장치 (출원번호: 10-2018-0148882)

본 발명은 내부에 미세 액적의 세정액을 미립 분사하여, 내부로 유입되는 분진 입자 중 전기적으로 대전된 입자는 쿨롱력에 의해 전기 집진되며, 미하전된 입자는 대전되어 있는 세정액과 응집하여 습식세정 되거나 전기적으로 대전 및 집진되는 습식 전기 집진장치를 제공한다. 본 발명은 세정수가 유입되어 저장되며, 상기 집진판의 상부에 구비되는 세정수 저장조; 및 상기 세정수 저장조에 세정수를 공급하는 세정수 공급부; 를 포함하여 이루어져, 상기 세정수 공급부로부터 상기 세정수 저장조로 세정수가 지속적으로 유입됨에 따라 상기 세정수가 오버플로우 되어 상기 집진판의 상부에서 하부로 흘러내리면서 상기 집진판 표면의 먼지를 제거하는 것을 특징으로 하는 집진판 세정 장치가 개시되어 있다. 본 발명의 효과는, 집진장치 내부에 미세 액적의 세정액을 분사하여, 집진장치 내로 유입되는 분진 입자 중 비하전된 입자를 습식 세정할 수 있어, 종래 집진장치의 집진효율을 개선할 수 있다는것이다.

2. 사이클론형 습식 전기집진 장치 (출원번호: 10-2021-0152424)

본 발명은 배기가스 중 입자상 먼지 등의 제거를 위하여 벤츄리 효과와 관성 충돌력 효과 및 사이클론 효과를 이용한 제거 작용 및 정전 필터링 효과를 이용한 제거 작용을 포함하는 복합적이고 체계적인 다중 제거작용을 통하여 확실한 오염물질 제거와 깨끗한 공기의 배출을 극대화할 수 있는 사이클론형 습식 전기집진 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 배기가스가 선회 흐름을 갖고 흘러 원심력으로 배기가스 중의 오염물질을 제거하도록 구성되는 사이클론 스크러버 하우징; 상기 사이클론 스크러버 하우징의 배기가스 유입측에 구비되어 오염물질을 포함하는 배기가스를 습식으로 전처리 하여 오염물질을 제거하도록 구성되는 습식 전처리 모듈; 및 상기 사이클론 스크러버 하우징의 내부에 구비되어 정전식으로 배기가스의 오염물질을 제거하도록 구성되는 정전식필터 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 사이클론형 습식 전기집진 장치가 제공된다. 본 발명은 배기가스 오염물질의 확실한 제거와 매우 깨끗한 공기를 배출할 수 있고 배기가스의 흐름상에서 최적화 된 제거 모듈의 배치를 통해 미세먼지 제거효율을 극대화할 수 있고 가스상 물질과입자상 먼지를 동시에 저감 할 수 있어 경제적인 효과를 얻을 수 있다.

• 기술 로드맵

현재 지하철 먼지 저감기술의 로드맵은 다음과 같다. 2014년 이전 환기구에 고효율 필터를 설치하였고, 스크린도어 설치가 의무화되었다. 따라서 먼지저감 뿐만 아니라 승객들의 안전도 도모하였다. 이후 2014~2016년에는 지하철 차체 하부에 자동기취 장치를 설치하였고, 자석청소기를 도입하였다. 2018~2020년에는 역사 내 방풍문을 추가로 설치했으며, 양방향 전기집진기와 정전분무를 실시하였다. 2020년 이후부터는 먼지 분포 및 이용객 관련 딥러닝 알고리즘과 IoT 기술을 접목하여 스마트한 먼지 저감기술을 실시하려는 노력 중이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

① 지하철 역사 내 사용하지 않는 공간 재활용으로 공간 활용 극대화 가능

여유 공간 확보가 쉽지 않은 지하철 역사의 공간을 최대한 활용하는 것이 중요한데 본 설계의 경우 지하철 선로 내 승강장 하부에 비어있는 공간을 활용할 계획이므로 이 점을 충족시켜 지하철 이용객들의 불편을 최소화하고 쾌적한 이용환경 유지가 가능하다.

② 습식 전기집진기의 높은 포집 효율

99% 이상의 높은 집진 효율을 보이며 대용량 처리가 가능한 습식 전기집진기는 약 0.1μm이상의 극 미립자도 포집이 가능하다. 또한 대부분의 분체, 미스트, 연무질을 집진할 수 있으며, 압력손실이 적고 팬 동력비가 적다는 장점이 있다. 특히 건식형에 비해 습식 전기집진기는 분진 탈착과정에서의 먼지 재비산, 역코로나 등의 문제에서 자유롭고 이로 인해 집진효율의 저감을 걱정하지 않아도 된다는 장점이 있다. 

③ 우수 재이용을 통한 수자원 재활용

습식 전기집진장치는 포집된 먼지를 세정수를 이용하여 탈착하는 과정을 거친다. 이러한 세정수를 우수저금통에 저장된 우수를 재활용하여 사용하는 방법을 고안하였다. 낭비되는 물을 줄일 수 있고, 세척 전 과정을 친환경적으로 처리 가능하다는 장점이 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

① 우수 재활용을 통한 세정수 비용 절감

습식 전기집진기에 활용되는 세정수를 우수로 재활용하여 사용하기 때문에 세정수 비용을 절감하였다. 

② 기존 설비에 적용하기 때문에 설계상 용이성

본 설계에서 설치되는 모든 설비는 새로운 공간이 필요하지 않다. 습식 전기집진기는 역사 아래 선로측의 빈 공간을 활용하고, 우수 포집 및 저장시설은 환기구를 이용할 계획이기 때문이다. 환기구의 경우 지하철 선로 및 승강장까지 직접적으로 이어진 시설이고, 모든 지하철역에 존재하는 시설이다. 이러한 환기구에 우수 관로를 설치 및 연결하고, 저장된 우수를 습식 전기집진기에 유입시켜 세정수로 활용할 계획이다. 따라서 다른 기술에 비해 설치비용을 절감할 수 있고, 이렇게 아낀 공간을 새롭게 활용 가능하기 때문에 경제적이라 할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

◇ 공통 분담

- 개발 과제의 목표 배경, 목표, 내용 설정

- 관련 기술 및 시장에 대한 분석

- 설계 추가 기술 제안

- 시연품 제작 및 시연

◇ 개별 분담

김민섭 - 집진장치 배치 및 구조 설계, 개념 설계 보고서 발표

김유승 - 집진장치 설계 및 효율성 분석, 상세설계 보고서 발표

민경석 - 집진장치 설계 및 효율성 분석, 과제 제안서 발표

이규열 - 우수관로 및 저장탱크 설계, 경쟁력 분석 보고서 발표

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

습식전기집진장치를 이용한 터널 내 먼지 제거율

본 설계에서 사용하려는 습식전기집진장치의 경우 90~99.9%의 높은 집진 효율을 보이며, 극 미립자까지 포집할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 선로측 빈 공간의 제한된 크기와 미세먼지를 제거해야하는 지하철 역사의 크기를 계산하여 최적의 집진장치의 사양을 결정해야 할 것이다. 코레일에 문의한 결과 지하철 승강장의 유효길이는 전동차의 길이에 정차시의 여유 및 역무원의 앞뒤 방향 표지판의 확인을 위한 여유를 고려하여 전동차 길이 200m 여유길이 5m를 포함한 205m임을 확인하였다. 또한 지하철 승강장의 폭의 경우 입지여건을 고려하여 섬식 승강장의 경우 최소 4m~최대 12m이며, 상대식 승강장의 경우 최소 4m~최대 6.5m임을 확인하였다. 또한 전지집진장치를 설치할 계획인 승강장 하부 선로측의 빈공간의 높이와 너비는 각각 110cm임을 확인하였다. 전기집진기의 집진효율 식은 처리가스 중 분진의 입도와 이동속도가 균일하며, 집진장치의 모든 단면에 처리가스의 속도가 동일하고, 호처로부터 분진의 재비산이 일어나지 않는 이상적 조건 하에 적용 가능하다. 집진효율은 집진극의 형식에 따라 다르며, Deuche-Enderson 식이 적용된다. 형식은 관형 및 원통형과 평판형 두 가지로 나뉘며, 두 가지 형식에 따른 효율식은 다음과 같다.

선로 내 빈 공간에 설치하기 위한 소형화

본 설계는 이용객들의 불편을 최소화하고, 추가적인 설치 공간 확보가 필요하지 않도록 선로 내 빈 공간에 습식전기집진장치를 설치하도록 계획하였다. 따라서 이렇게 제한된 공간에 장치를 설치하기 위해서는 소형화 기술이 필수적이다. 코레일에 따르면 이 공간은 높이와 너비가 각각 110cm이다. 따라서 집진장치의 최장길이가 110cm를 넘지 않도록 해야 할 것이다. 음 사진은 ㈜퓨어린 사의 전기집진장치(AMH-200)이다. 최장 길이가 102cm에 해당함을 확인하였고, 이처럼 습식전기집진장치도 소형화된 장치가 존재함을 확인하였다. 이처럼 소형화 기술이 존재함을 확인했지만, 이 공간만으로는 집진 효율이 부족할 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우에 양 방향 전동차 사이 공간을 활용하는 방안도 생각해 볼 수 있다. 이 양 방향 전동차의 공간너비는 120cm에 해당하며, 높이에는 크게 제한이 없다. 따라서 공간이 추가적으로 필요할 경우 이 공간을 활용하여 추가적인 설치 공간을 확보할 수 있을 것이다.

집진장치 세정수 공급을 위한 수량확보

습식전기집진장치에 사용되는 세정수는 우선 기본적으로 우수를 재활용하고자 한다. 1호선 회기역과 같이 철로가 터널 형식이 아닌 경우에는 외부 우수를 집수하기 용이할 것이라 생각한다. 따라서 철로 위 지붕부분에 우수를 받을 수 있는 관로를 설치하고 우수를 집수하여 재활용할 계획이다. 이후 집수된 우수는 승강장에 설치된 우수저장시설에 집수되도록 관로를 설치한다. 여기서 습식전기집진장치로의 원활한 세정수 공급을 위해 우수받이 관로, 습식전기집진장치 설치위치와 가까운 곳에 우수저장시설을 설치하여 설계하고자 한다. 만약 철로가 지하터널과 같이 야외 우수를 집수하기 어려운 경우에는 지하철역 야외에서 따로 우수를 집수한 이후 관로를 연장하여 세정수를 공급하거나 지하철역 상수도의 수돗물을 재활용하여 세정수에 필요한 수량을 확보하고자 한다. 이 경우에도 마찬가지로 집진장치에 원활한 세정수 공급을 위해 최대한 집진장치와 가까운 곳에 우수저장시설을 설치하고자 한다.

우수 재활용을 통한 경제성 확보

본 연구는 지하철역 내 미세먼지를 저감하기 위해 스크린도어 밑의 빈 공간에 습식 전기집진장치를 사용하고자 한다. 습식 전기집진장치는 집진극에 부착된 먼지를 탈착하는 과정에서 물을 사용하므로 적당량의 물을 공급하는 것이 중요하다. 습식 전기집진장치에 사용되는 물을 우수 및 지하유출수를 이용하여 경제성을 확보하고 집진장치의 초기비용 및 유지보수관리에 드는 비용을 어느 정도 충당할 수 있을 것이라 판단된다. 우수저장탱크를 설치하여 빗물을 모으고 저장탱크와 습식 전기집진장치를 연결하는 관로를 설치하여 주기적으로 우수를 공급하는 시스템을 도입하여 경제성을 확보하고 추가적인 물 사용을 막아 수자원 절약의 효과를 거둘 수 있을 것으로 보인다. 현재 우수를 저장하는 장치의 일종인 빗물저금통 기술(회사: 물과 미래)이 존재하고 있으며 이는 본 연구에 적용하기 적합해보인다. 따라서 우수를 받을 수 있는 지하철역 내부 및 외부의 공간에 설치하고자 하며, 입수와 출수가 모두 바닥에서 이루어져 고형물 배출이 쉽고 높이가 낮아서 청소가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 또한 저금통 내부에 유도용 필터가 설치되어 있어 여과작업을 거쳐 양질의 빗물을 수거가 가능하다. 또한 습식 전기집진장치와 우수저장탱크(빗물저금통)와 연결하는 관로를 설치해야 하며, 이는 기존에 지하철 역내에 설치되어 있는 지하유출수 배출관로 또는 환풍구를 이용하여 설치하는 것을 목표로 한다. 추가적인 관로를 설치하는 것보다 기존의 지하유출수 배출관로를 이용하는 것이 경제적이며 본 연구에서 집진장치를 설계하고자 하는 스크린도어 밑의 빈 공간에 위치하여 활용도도 높을 것으로 기대된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

집진기 저감 효율 계산 본 설계에서 사용할 습식전기집진장치는 ㈜퓨어린 사의 AMH-200을 기준으로 설계하였다. 저감 효율을 구하기 위해 Deuche-Enderson 식의 평판형 공식을 사용하였고, 설계 인자는 다음과 같다. 지하철 역사의 평균 높이와 폭은 각 5m, 20m에 해당하였고, 이 값을 이용한 지하철 역사 내 가스유량은 150m^3/sec에 해당하였다. 또한 ㈜퓨어린 사의 AMH-200 하단부 발판을 제거하여 확보한 공간을 집진극으로 만드는 과정을 거치고, 집진판 개수를 3개로 설정한 결과, 해당 설계에서 사용할 습식전기집진기의 제원은 다음과 같다.(집진판 개수에 따른 집진면적은 2n-2에 해당)

해당 인자들을 Deuche-Enderson 식에 대입하여, 한 지하철 역사 당 필요한 최소 집진기의 개수를 구한 결과, 양 방향에 걸쳐 최소 20개의 집진기가 필요한 것으로 나타났다. 따라서 지하역사 내의 초미세먼지 발생량을 기준치 이내로 하기 위해 선로의 한 측면당 10개의 전기집진기가 필요함을 도출해내었다.

세정수 소요수량 계산

본 설계에서 사용되는 세정수의 소요수량을 계산하기 위해 습식 전기집진기를 이용하여 PM2.5를 제거한 실제 공정 사례를 조사하였다. 한국기계연구원 그린환경에너지기계연구본부의 Pilot system의 경우 본 설계와 비슷한 소형 습식전기집진기(가로, 세로 길이 각 1.1m, 2.2m, 집진판 4개)를 사용하였고, PM2.5의 동일한 제거 입자를 기준으로 설계하였으므로 소요수량을 참고하기에 적절한 자료라 판단하였다. Pilot system의 경우 입자의 이동속도가 2.0m/s일 때 제거효율은 95%에 해당하였고, 이에 따른 수막 집진극을 형성하기 위한 물 공급량은 6L/min/m로 설정하였다. 이를 바탕으로 Pilot system과 본 설계의 설계 인자를 비교하여 설정한 소요수량을 다음 표로 정리하였다. 따라서 각 설계 인자를 고려하여 설정한 세정 소요수량은 전체 20대당 1.11L/min/m이다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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