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2024년 12월 18일 (수) 23:06 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

PFAS 물질의 관리를 위한 탈부착식 소방폐수 전처리 필터 설계 :

Design of a Detachable Pre-treatment Filter for the Management of PFAS Substances in Firefighting Wastewater

과제 팀명

창지기

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890070 최*성(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890001 강*진

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890005 김*수

서울시립대학교 환경공학부·과 2019890018 김*우

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

차량화재 시 발생한 소방폐수 중 PFAS 물질을 빗물받이 필터를 이용해 제어할 수 있는 장치를 설계한다.

개발 과제의 배경

소방청에서 제공하고 있는 데이터에 따르면 2023년 기준 화재 발생 건수는 193,999건이며, 이중 차량 화재는 19,359건으로 약 10%에 해당한다. 내연기관 차량화재 진압 시 발생하는 폐수 내 PFAS 농도는 888ng/L, 전기차는 196 ng/L, 리튬 배터리는 4,664 ng/L이다. (J Hynynen et al., 2023) 일반적인 차량 화재의 진압에 필요한 용수는 1,000L인 것으로 알려져 있기 때문에, 차량 한 대의 화재 진압 시 발생하는 PFAS는 내연기관의 경우 0.888 mg, 전기차는 0.196 mg, 리튬 배터리는 4.664 mg이다. 이렇게 발생한 소방폐수는 빗물받이로 흘러들어가며, 분류식 하수도의 경우 별도의 처리 없이 하천으로 방류되고, 합류식 하수도의 경우 하수처리장으로 이송되지만 별도의 PFAS 처리는 이루어지지 않고 있다. PFAS의 인체 및 환경 위해성에 관한 정보는 많이 알려져 있는 데 반면, 현재까지 소방폐수에 관한 환경 규제는 없는 것으로 알려져 있다. 적절하게 처리되지 않은 채 하천으로 방류되는 PFAS는 수생환경 오염을 유발하며, 식수원으로 유입될 시 인체에 피해를 미칠 위험까지 있는 상황이다. 이에 본 프로젝트는 화재 진압 시 발생하는 소방 폐수에 포함된 PFAS(Per- and Polyfluoroalkyl Substances) 물질을 차단하기 위한 필터시스템을 설계하는 데 목적을 둔다. PFAS로 인한 오염을 예방하고 하수 처리장의 부담을 경감하기 위한 필터 시스템 설계가 요구된다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 연구는 소방 폐수 내 PFAS를 차단하여 하수구 유입 전부터 오염을 방지하고, 하수 처리장의 한계를 보완하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 환경 오염 문제를 해결하며 경제적 비용 절감에도 기여하고자 한다. 구체적인 설계 목표는 다음과 같다.

1. PFAS 물질의 효과적인 처리 방법을 선정하고 필터에 적용하기.

2. 필터 막힘 방지를 위한 전처리 및 스크리닝 장치 설계.

3. 실제 빗물받이와 하수구에 적용 가능한 구조 설계와 긴급 상황에서의 설치 방안 마련.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

[PFAS 제어]

1. 활성탄 처리 활성탄은 식수 처리에 사용되어 PFAS와 같은 유기 화합물을 흡착한다. 분말 활성탄(PAC)과 입상 활성탄(GAC)으로 나뉘며, PAC는 일부 PFAS 제거에 효과적이지만 자주 교체해야 하고, GAC는 긴 사슬 PFAS를 효과적으로 제거하지만 짧은 사슬 PFAS의 흡착은 비효율적이다.

2. 이온 교환 처리 음이온 교환 수지(AER)는 PFAS와 같은 음전하를 띤 오염물질을 효과적으로 제거하며, 재생이 필요 없는 단일 사용 모드가 특징이다. AER은 사용 후 폐기하거나 소각해야 하며, 처리 효율은 여러 요인에 의해 달라질 수 있다.

3. 고압 멤브레인 나노여과와 역삼투 멤브레인은 PFAS 제거에 매우 효과적이며, 대부분의 PFAS를 90% 이상 제거한다. 고압 멤브레인은 처리수의 80%를 배출하고 나머지 20%는 농축 폐기물로 남아 처리와 폐기가 어렵다.

4. 고급 산화 공정 (AOPs) AOPs는 hydroxyl 및 sulfate radical을 이용하여 C-F 결합을 파괴하고 PFAS를 분해한다. 처리 공정이 빠르고 효과적이지만, 짧은 사슬 PFAS의 독성 유지 및 높은 비용으로 인해 추가적인 후처리가 필요하다.

[여과 시설]

1. 중력식 여과 중력을 이용하여 물을 여과 매체에 통과하게 하는 방식이다. 물이 여과층의 상단에서 하단으로 흐르며, 여재가 오염물질을 걸러낸다. 별도의 펌프 없이 중력만으로 작동하기 때문에 유지비가 낮다. 하지만 여과층이 오염물질로 막히면 여과 속도가 느려지고 효율이 감소하기 때문에 주기적인 관리가 필요하다.

2. 스크리닝(Screening) 비교적 큰 입자와 부유 물질을 제거하는 가장 초기 단계의 전처리 과정이다. 주로 후속 여과 및 처리 공정에 걸리는 부담을 줄이고 설비 보호 및 효율을 높이기 위해 사용된다.

3. 정류판(Baffle) 필터 내에서 유체의 흐름을 고르게 분산시켜 전체 여과층이 고르게 사용되도록 한다. 주로 미세한 구멍이나 슬롯이 규칙적으로 분포되어 유체의 흐름을 조절하며, 이를 통해 여과층 전체에 걸쳐 균일하게 오염물질이 제거된다. 필터의 일부만 사용하는 현상을 방지하기 때문에 여과 능력을 최적화할 수 있다. 또한 여재의 특정 부분이 과부하되는 것을 방지하여 여재의 수명을 늘리고 안정적인 압력을 유지할 수 있다.

• 기술 로드맵

• 특허조사 및 특허 전략 분석

시장상황에 대한 분석

• 특허조사

• 경쟁제품 조사 비교

• 마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) PFAS 제거 효율 향상 및 환경 보호 소방 폐수에 포함된 PFAS를 효과적으로 제거하는 필터 시스템을 설계해 하천과 수생 생태계로의 오염물질 유입을 차단한다. 이를 통해 수질 오염과 식수원 오염을 예방하고, PFAS로 인한 인체 유해성을 줄일 수 있다.

2) 필터 시스템 최적화 및 성능 향상 필터 막힘을 방지하는 전처리 및 스크리닝 장치를 설계해 시스템의 안정성을 높인다. 긴급 상황에서도 신속하게 설치 및 운영할 수 있는 구조를 마련해 현장에서의 적용 가능성을 극대화한다.

3) 하수 처리장 부담 경감 및 운영 효율 향상 소방폐수 내 PFAS를 사전에 필터링해 하수 처리장으로 유입되는 오염물질을 줄임으로써, 처리 효율을 높인다. 이를 통해 처리 용량에 대한 부담을 줄이고, 운영 및 유지 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1) 복구 및 운영 비용 절감 초기 단계에서 PFAS를 차단함으로써 오염 확산 후 복구에 소요되는 비용을 크게 절감한다. 하수 처리 시설의 PFAS 제거를 위한 추가 설비 도입이 불필요해지며, 이에 따른 설치 및 유지보수 비용도 최소화할 수 있다.

2) 비용 대비 효율적인 설계와 자원 활용 극대화 효율적인 필터 설계를 통해 운영 및 유지보수 과정에서 발생하는 비용을 절감할 수 있다. 이는 자원 배분의 최적화를 가능하게 하며, 다른 필수 소방 예산 및 환경 관련 예산에 재투자가 가능하다.

3) 장기적인 비용 효율성 확보 하수 처리장으로의 PFAS 유입을 사전에 차단함으로써 장기적인 운영 효율을 유지할 수 있으며, 정수장에 유입된 소량의 PFAS를 대량의 유량과 함께 처리하는 데 드는 비용을 절감할 수 있다.

4) 공공 건강 및 환경 보호 강화 PFAS의 하천 및 식수원 유입을 차단해 오염으로 인한 인체 건강 피해를 예방함으로써 시민의 건강과 안전을 보호한다. 이는 공공 안전과 환경 보호에 대한 사회적 신뢰를 증진시킨다.

5) 환경 규제 선도 및 사회적 책임 강화 현재 규제가 부재한 소방 폐수의 PFAS 처리 문제에 선제적으로 대응함으로써, 향후 강화될 수 있는 환경 규제에 미리 대비할 수 있다. 이를 통해 소방 기관의 환경적 책임을 강화하고, 사회적 책임을 다하는 모범적인 역할을 수행할 수 있다.

경제성 분석

[소방폐수 필터의 경제성 분석]

필터의 총 부피: 23,845 cm^3

활성탄 층의 부피: 12,350 cm^3

필터 개당 활성탄 요구량: 6.04 kg

필터 요구량: 3개/1회

화재 1회 발생 시 활성탄 요구량(발생 소방폐수의 100% 유입, 3개 필터 사용): 18.12 kg

여과층의 부피: 11,495 cm^3

여과층 부피당 가격 : 8900원/10,125 cm^3

연간 발생하는 소방필터운용 비용(4500건 발생): (18.12kg/1건 × 6000원/kg + 10,104원/1건) × 4500건 = 534,708,000원

[하천 유지관리 비용 분석]

2024년 1월 경기도 화성 한 창고에서 불이 나면서 근처 평택 하천 일대에 화학물질이 노출됐다. 하천 7.4km에 걸쳐 오염수가 유입되었고 최대 7만 ton에 이르는 것으로 예상됐다. 평택시에 따르면 유해물질 노출 방제 작업 시 약 1000억원 넘게 들 것으로 추산하고 있다. 실제로 20 t 차량 1대분의 폐수를 처리하는데 약 400~600만원이 소요된다.

[소방폐수 하천 유입 시 하천 복구 비용 분석]

필터에서 제거되는 PFAS의 양과 하천에서 제거하는 PFAS의 양이 같다고 가정하고 하천 복구 비용을 추정하였다.

소방폐수 발생량: 1000L/건 * 4500건

소방폐수 PFOA 농도: 19ng/L

소방폐수 PFOS 농도: 447ng/L

소방폐수 필터의 PFOA 처리 효율: 19%

소방폐수 필터의 PFOS 처리 효율: 67%

소방폐수 필터로 제거되는 단위부피 당 PFOA+PFOS 양

19ng/L * 0.19 + 447ng/L * 0.67 = 303.1ng/L

하천 평균 PFOA+PFOS 농도: 73.15ng/L

처리해야 하는 하천 유량(부피)

303.1ng/L * 1000L * 4500 = 73.15ng/L * x

x = 18,645.93m^3

하천수 폐수처리 차량: 20ton 당 500만원 소요 => 1년 기준 소방폐수 하천 유입 시 하천 복구 비용 : 약 46억 6천만원

결과적으로 소방폐수 필터를 운용하지 않을 경우 연간 약 41억원 이상의 비용이 더 발생한다. 따라서 소방폐수 필터를 운용하는 것이 경제성 측면에서 유리할 것으로 보인다.

[정수장 활성탄 처리시 처리 수량 분석]

필터에서 제거되는 PFAS의 양과 정수장에서 제거하는 PFAS의 양이 같다고 가정하고 정수 처리량을 산정하였다.

소방폐수 발생량: 1000L/건 * 4500건

소방폐수 PFOA 농도: 19ng/L

소방폐수 PFOS 농도: 447ng/L

소방폐수 필터의 PFOA 처리 효율: 19%

소방폐수 필터의 PFOS 처리 효율: 67%

소방폐수 필터로 제거되는 단위부피 당 PFOA+PFOS 양

19ng/L * 0.19 + 447ng/L * 0.67 = 303.1ng/L

정수장 유입수 PFOA 농도: 2.93ng/L

정수장 유입수 PFOS 농도: 1.55ng/L

정수장 유입수 PFOA+PFOS 농도: 4.48ng/L

처리해야 하는 정수량(부피)

300ng/L * 1000L * 4500 = 4.48ng/L * x

x = 304,453.13m^3

[비용편익(BC) 분석]

소방폐수 필터를 활용하여 고농도 저유량의 폐수를 발생원에서 처리하게 된다면, 저농도 다량의 폐수를 따로 처리하지 않아도 된다. 이에 따라 연간 하천 복구 비용인 46억 6천만원을 환경 편익으로 계산할 수 있다.

또한, 오염으로 인한 수생 생물을 보호할 수 있으며 수변 구역 인근 거주민들의 인체 및 재산 상의 피해에 대한 보상액을 절약할 수 있기 때문에 환경 편익은 이보다 클 것으로 예상된다. 서울시의 경우 수돗물을 음용한 후 신체에 이상 현상이 발생한 경우 사고 당 20억원의 범위 내에서 시민들이 입은 피해를 보상하는 '아리수건강책임보험'을 운용 중이다. 아직까지 소방폐수로 인한 PFAS 오염으로 시민이 보상액을 지급받은 사례는 없지만, 본 필터를 운용할 경우 이러한 추가비용에 대해서도 선제적으로 대비할 수 있다.

필터의 연간 운용 비용인 5억3500만원과 하천 복구 비용인 46억 6천만원을 기준으로 B/C ratio를 계산하면 8.7 이상으로, 비용 대비 효율적이라 할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

1. 과제 제안서 준비 단계 (9월 1주차 ~ 10월 1주차)

•문제 분석

- 화재로 인한 소방폐수 문제를 분석하고 해결 방향 설정 (9월 1주차)

•프로젝트 범위 및 목표 설정

- 빗물받이 소방폐수 필터의 목표와 기능 정의

- 기존 시스템 및 사례 분석 (9월 2주차 ~ 9월 3주차)

•설계 아이디어 도출

- 시스템 설계 아이디어 구체화 (9월 3주차 ~ 9월 4주차)

•과제 제안서 작성 및 발표 준비

- 과제 제안서 작성 및 발표용 PPT 준비 (9월 5주차)

2. 개념설계 진행 (10월 2주차 ~ 10월 5주차)

•시스템 구성요소 정리

- PFAS 제어 기술 및 전처리 등 주요 구성요소 개념화 (10월 2주차)

•디자인 설계

- 빗물받이 규격, 안전성, 편의성을 고려한 시스템 디자인 설계 (10월 3주차 ~ 10월 4주차)

•기초 공정 설계

- 유량 측정을 위한 이론적 계산을 기반으로 기초 공정 설계 (10월 4주차 ~ 10월 5주차)

•개념설계 보고서 작성 및 발표 준비

- 개념설계 보고서 작성 및 발표용 자료 준비 (10월 5주차)

3. 상세설계 수행 (11월 1주차 ~ 11월 3주차)

•시스템 구성요소 세부화 및 선정

- 공정에 적합한 재료 선정 및 필터 컬럼 테스트 준비

- 컬럼 테스트를 통해 유량 계산 (11월 1주차)

•공정 설계 구체화

- 필터 개수 및 배수 능력 산정, 경제성 분석

- 3D 프린팅을 통한 필터 제작 (11월 2주차 ~ 11월 3주차)

•상세설계 보고서 작성 및 발표 준비

- 상세설계 보고서 작성 및 발표 자료 준비 (11월 3주차)

4. 경쟁력 분석 실시 (11월 3주차 ~ 11월 4주차)

•경쟁력 분석

- 필터 제작 비용과 기존 정수장 처리 비용 및 하천 복구 비용 비교를 통한 경쟁력 평가 (11월 3주차 ~ 11월 4주차)

•경쟁력 분석 보고서 작성 및 발표 준비

- 경쟁력 분석 보고서 작성 및 발표 자료 준비 (11월 4주차)

5. 시연물 제작 및 평가 (12월 1주차 ~ 12월 2주차)

•발표 포스터 제작

- 연구 내용을 요약한 발표 포스터 제작 (12월 1주차)

•시연물 제작 및 평가

- 3D 프린팅을 활용한 시연물 제작 및 성능 평가 진행 (12월 1주차 ~ 12월 2주차)

구성원 및 추진체계

[공통 분담]

주제 선정을 위한 자료 조사 및 선정 관련 기술 조사 및 분석과 주제의 경쟁력 분석 상세 설계 재료 선정과 모형 제작 최종 설계

[개별 분담] 최지성: 과제제안서 발표, 소방폐수 유량 및 필터 용량 선정, 소방폐수 필터 개념 설계, 경제성 분석, 유량 실험

강창진: 개념설계 및 경제성 분석 발표, 경제성 분석 보고서 작성, 경재성 분석, PFAS 처리효율 조사, 유량 실험

김기수: 상세설계 발표, 경제성 분석, 상세설계 보고서 작성, 필터 수두 손실 및 여과속도 계산 ,유량실험

김창우: 기초설계 발표, 경제성분석 보고서 작성, 상세 설계도 작성, 소방폐수 유량 산정, 유량 실험

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

[차량 소방 폐수 발생 유량]

먼저 차량 화재 소화시 발생하는 분당 유량 값을 구하기 위해 공공데이터포털의 소방청 데이터 ‘서울시 읍면동 단위 화재 발생 현황’을 활용하였다. 데이터의 장소 대분류 중 ‘자동차 및 철도차량’ 분류의 ‘화재진압시간(초)’의 평균을 계산하였다. 이를 계산하기 위해 이상치를 IQR 통계 방식으로 제어 하였다. 이상치를 제거한 후 계산한 결과 592초가 소모되었다. 내연기관차량의 경우 진압에 소모되는 물은 약 1000L이다. 이를 기준으로 1분당 발생하는 유량은 101.4L/min이다. 일반적인 도로의 유출계수(C = 0.8)를 가정했을 때 빗물받이에 유입되는 유량은 약 81.12L/min이다.

[전처리 시스템]

높은 다공성과 모래보다 높은 여과율을 가지는 폴리나젤 폼 여과재를 선정했다.

[PFAS 제어 기술]

먼저 PFAS 제어 기술로는 입상 활성탄(GAC), 분말 활성탄(PAC), 음이온 교환 수지(AER), 나노필터 및 역삼투 기술이 있다. 입상 활성탄(GAC)의 장점은 PFOA, PFOS와 같은 긴 사슬 PFAS를 제거하는 데 효과적이다. 가장 많은 연구가 된 방법이다. 또한 4가지 기술에 비해서 가장 경제적이다. 단점으로는 짧은 사슬 PFAS(PFBS, PFBA)는 흡착이 잘 이루어지지 않아 교체 빈도가 올라간다는 것이다. 또한 재생 시 제거된 PFAS의 폐기 방법을 고려해야 한다. 분말 활성탄(PAC)의 경우에 PFAS 제어에는 크게 장점이 없으며, 단점으로는 경제적이지 못하고 제거 효율이 낮다는 것이다. 음이온 교환 수지(AER)의 경우 장점으로는 높은 제거 효과, 액체 오염 폐기물이 존재하지 않다는 것이며 단점으로는 수지를 폐기하는 과정 및 소각의 문제와 경제적이지 못하다는 것이다. 마지막으로 나노필터 및 역삼투의 경우 장점으로는 짧은 사슬 PFAS의 높은 제거 효과를 가진다는 점이고, 단점으로는 부식상이 강한 처리수의 생성으로 하수 유입시 치명적이라는 것과 높은 압력이 요구되어 설계 조건에 부적합하다는 것이다. 위를 고려하였을 때 빗물받이 필터 설계에 들어갈 PFAS 제어 기술은 입상 활성탄(GAC)로 결정하였다.

[소방폐수의 PFAS 제거 필터]

1) 소방관계자는 차랑 화재 발생시 빗물받이 상단의 스틸 그레이팅을 걷어낸 뒤 빗물받이 내부에 필터를 설치한다. 발생한 소방 폐수는 도로의 안정적인 유하 설계로 인해 빗물받이로 들어가게 된다.

2) 빗물받이로 들어간 소방 폐수는 먼저 돌, 나뭇가지 등의 큰 물질들을 제거하기 위해 스크린을 통과하게 된다. 스크린을 통과한 이후 유량 분배를 할 수 있는 정류판(flow straightener)을 통과하여 물이 특정 구역에 쏠리지 않도록 전체 구역에 유량을 균등하게 분배한다.

3) 균등하게 분배된 물은 필터의 폴리나젤 폼 필터층을 통과하여 입자가 큰 소화기 분말 및 입자들을 제어할 수 있다.

4) 1차적으로 처리된 물은 GAC 활성탄 층을 통과하여 중금속, PFAS 그리고 COD와 SS가 제거된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

[설계 용량]

필터가 들어가는 용량은 콘크리트 빗물받이를 기준으로 설치할 수 있도록 설계하고자 한다. 빗물받이도 다양한 크기가 있는데, 가장 작은 빗물받이 기준으로 설계하여 300mm x 400mm x 600mm에 적합한 필터를 설계하고자 한다. 폴리나젤폼이 존재하는 전처리단의 경우, 필터의 구조적 안정성, 여과 효율을 고려하여 사각뿔대형으로 설계하였다. 활성탄 필터층의 경우에는, 발생하는 소방폐수를 원활하게 배수할 수 있으면서도 일정 수준 이상의 접촉시간을 확보할 수 있는 크기의 직육면체형으로 설계하였다. 추가적으로, 빗물받이 내 벽면 토출구가 지면으로부터 150mm 높이에 있기 때문에 필터의 최하단부를 바닥면으로부터 180mm 이격시켰다.

[설계 유량 실험]

[Column Test 결과]

상세설계 내용

[소방필터 적용시]

[PFAS 제거 효율]

용액 내 미량오염물질인 PFAS의 농도를 측정하기 위해서는 LC/MS 장비를 이용해야 한다. 하지만 본 설계의 예산 한도 내에서 해당 장비로 PFAS를 측정하는 것에는 한계가 있기 때문에 문헌자료 상에 명시된 GAC 필터의 PFAS 제거 효율로 대체한다. (Tarun Anumol et al., 2015)에서 POU(point-of-use) 장치의 PFAS제거 효율을 계산하였다. 연구에 사용된 POU 장비의 규격은 50*210mm이며, 필터의 출수 유량은 1.89 L/min이다. 이를 바탕으로 필터의 토출 유속을 계산하면 0.016 m/s이기 때문에, 필터 내 활성탄층의 접촉 시간은 13.125초이다. 해당 체류시간으로 PFOS는 67%, PFOA는 19%의 제거율을 보였다. 본 프로젝트에서 설계하는 필터의 경우 활성탄 층의 체류시간이 23초로 해당 연구의 체류시간 보다 길다. 또한, 필터 전단부의 폴리나젤폼 층에서 제거되는 입자에도 PFAS가 부착되어 있을 가능성이 있으므로 본 프로젝트에서 설계한 필터의 과불화화합물 제거율은 PFOS의 경우 67%, PFOA는 19%를 상회할 것으로 전망된다.

[필터 구조물 재질 선정]

강도, 내열성, 화학물질 용출 가능성을 고려하여 본 필터 프레임의 재질을 HDPE로 선정했다.

[조립도]

[부품도]

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

내용 표 7. 개발사업비 내역서 넣으면 됨

완료작품의 평가

향후계획

- 국내에서 발생하는 소방폐수의 성상을 분석하는 과정이 필요하다. (본 설계에서는 해외의 성상 분석 자료로 대체)

- LC/MS 장비를 이용하여 필터의 PFAS 제거율을 분석하는 과정이 필하다. (본 설계에서는 비용에 제약이 있어 문헌 값으로 대체)

- LC/MS를 이용하여 입상활성탄의 PFAS 흡착 파과점을 계산하고, 이를 운용 가이드라인에 추가하는 과정이 필요하다.

- 필터를 설치하는 데 소요되는 시간을 재측정하는 것이 필요하다. (본 설계에서는 도보 이동 시간을 중심으로 고려함)

- 필터 운용 시 소방 관계자들의 운용 가이드라인 및 안전 관련하여 교육이 필요하다.

- 필터의 비용 관련하여 관할 기관의 예산 증액이 필요하다.

특허 출원 내용

내용