KR100879941B1 - 천연 무기물 광 촉매 코팅액 및 그 제조 방법과, 이를사용하여 제조된 광 촉매 코팅 막 - Google Patents

천연 무기물 광 촉매 코팅액 및 그 제조 방법과, 이를사용하여 제조된 광 촉매 코팅 막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제올라이트 담체와, 이 제올라이트 담체에 담지되며 이산화티탄과 일라이트가 혼합된 광 촉매 분말과, 무수규산과 글리세린이 혼합된 바인더를 함유하는 광 촉매 코팅액 및 그 제조 방법과, 이를 사용하여 코팅 후 건조된 광 촉매 코팅 막을 제공한다. 본 발명에 의한 광 촉매 코팅 막은 원적외선을 방사하고 음이온을 발산하며, 친환경적이고, 반영구적인 코팅력과 고효율의 광 활성을 발현한다.
이산화티탄, 일라이트, 제올라이트, 음이온, 광 촉매,

Description

천연 무기물 광 촉매 코팅액 및 그 제조 방법과, 이를 사용하여 제조된 광 촉매 코팅 막 {NATURAL INORGANIC PHOTOCATALYST COATING LIQUID AND THE FABRICATION METHOD THEREOF, PHOTOCATALYST COATING FILM USING THE SAME}
본 발명은 광 촉매 코팅액 및 그 제조 방법과, 이 광 촉매 코팅액을 사용하여 제조된 광 촉매 코팅 막에 관한 것이다.
광 촉매는 그 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광을 조사하면 여기되어 강력한 산화 환원 능력을 갖게 된다. 이러한 산화 환원 능력을 이용하여, 탈취, 방오, 항균, 살균하는 데 사용하거나, 폐수 속이나 폐 가스 속에 있는 환경오염 물질을 분해하여 제거하는 데 사용한다.
또한, 광 촉매의 다른 기능으로서, 광 촉매가 광 여기되면 광 촉매 표면은 물과의 접촉 각이 10도 이하가 되는 초친수화를 발현한다. 이러한 초친수화 기능을 응용하여, 터널 내 조명 및 가로등 표면에 코팅함으로써 자동차의 배기 가스에 포함된 매연 등에 의한 오염을 방지하거나, 자동차의 사이드 미러용 필름으로 사용할 수 있다.
이러한 광 촉매로는 반도체 특성을 갖는 화합물, 예를 들어 이산화티탄, 산 화철, 산화텅스텐, 산화아연 등의 금속산화물과, 황화 카드뮴이나 황화아연 등의 금속황화물이 알려져 있는데, 이들 중에서 이산화티탄, 특히 아나타제형 이산화티탄은 실용적인 광 촉매로서 유용하다. 이 이산화티탄은 태양광이나 형광등에 포함된 자외선 영역의 특정 파장의 광을 흡수함으로써 우수한 광 촉매 활성을 나타낸다.
광 촉매로서 가장 많이 사용되는 이산화티탄 분말은 평균 입경이 30㎚ 정도이고, 표면적이 50㎡/g 정도인 제품이다. 광 촉매의 입자 크기를 줄이면 양자효과에 의해 광 촉매의 활성이 증가하고 입자의 비표면적이 증가하는 장점이 있으므로, 이산화티탄 분말의 입자 크기를 미세하게 하고, 그 응집 상태를 잘 제어할 필요가 있다.
이를 위해, 일본특허 평96-338671호는 금속알콕사이드를 사용하고 있다. 그러나, 이 방법에 의하면 부분적으로는 결정의 크기가 작아지지만, 작은 입자들이 응집되므로 입자의 크기가 오히려 커지는 문제가 있다.
또한, 한국공개특허 2002-41604호는 제올라이트 동공 속에 이산화티탄 분말을 흡착 분포시켜 사용함으로써 이산화티탄 분말의 2차 응집을 방지하여 양자효율을 극대화시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법에 의해 제조된 광 촉매는 단순히 분말에 불과한 것으로서, 이를 실제 코팅액으로 제조하여 광 촉매 코팅 막에 적용할 경우 발생하는 여러 문제에 대한 해결책을 제시하고 있지는 않다.
예컨대, 밝은 곳뿐만 아니라 어두운 곳에서도 광 촉매의 초친수 유지 성능을 발현시키기 위해 광 촉매 코팅액에는 콜로이달 실리카(무수규산)를 사용할 필요가 있는데, 이 경우 광 촉매 코팅 막의 두께가 제한되는 문제가 있다. 즉, 콜로이달 실리카를 함유하는 광 촉매 코팅 막의 두께가 30㎚ 미만이면 광 촉매 기능이 부족하고, 두께가 150㎚를 초과하면 크랙(crack)이 쉽게 발생하여 약간의 충격만 받아도 파손되는 문제가 있다.
한편, 광 촉매 반응에서 발생하는 활성종은 인체의 노화 촉진에 관여하는 것으로 알려져 있는데, 이는 주택의 실내 내장재나 터미널 및 실내 주차장 등에 광 촉매 코팅 막을 사용하는 것을 곤란하게 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다음과 같은 목적이 있다.
첫째, 광 활성 표면적을 확대하여 넓은 표면적의 광 활성점을 유지하고, 이산화티탄 분말의 2차 응집을 억제함으로써 광 촉매의 효율을 개선하는 데 그 목적이 있다.
둘째, 밝은 곳뿐만 아니라 어두운 곳에서도 광 촉매의 초친수 유지 성능을 발현시킴과 동시에, 광 촉매 코팅 막의 두께에 대한 제한을 걷어냄으로써 광 촉매 코팅 막의 기능을 확보하고 크랙 및 파손을 방지하여 누구든지 특별한 주의사항 없이 쉽게 도공할 수 있게 하는 데 그 목적이 있다.
셋째, 인체의 노화 방지에 좋은 효과가 있는 원적외선 방사 물질을 광 촉매 코팅액에 함유시킴으로써 활성종의 악영향을 억제하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 촉매 코팅액은,
- 제올라이트 담체와,
- 상기 제올라이트 담체에 담지된 광 촉매 분말과,
- 물질 X와 글리세린이 혼합된 바인더(여기서, 상기 물질 X는 무수규산, 규산나트륨, 이산화규소, 탄산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나임)를 함유하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 광 촉매 분말은 이산화티탄이거나, 혹은 이산화티탄과 일라이트가 혼합된 혼합 분말일 수 있다. 여기서, 상기 혼합 분말은 이산화티탄과 일라이트가 질량비로 1:1∼3:1의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 촉매 코팅 막은,
상기 광 촉매 코팅액을 분무 또는 도포하고 건조된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 촉매 코팅액의 제조방법은,
(가) 이산화티탄과 일라이트와 용해제를 혼합하여 혼합용액 A를 만드는 공정,
(나) 상기 혼합용액 A에 제올라이트를 첨가하여 혼합용액 B를 만드는 공정,
(다) 상기 혼합용액 B에 물질 X와 글리세린과 계면활성제를 혼합한 바인더를 첨가하여 혼합용액 C를 만드는 공정(여기서, 상기 물질 X는 무수규산, 규산나트륨, 이산화규소, 탄산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나임),
(라) 상기 혼합용액 C를 희석시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광 촉매 코팅액은 광 촉매 분말과, 이를 담지하는 제올라이트 담체와, 바인더를 함유한다.
광 촉매 분말로서 이산화티탄(TiO2) 분말을 단독으로 사용하거나, 혹은 이산화티탄 분말과 일라이트의 혼합 분말을 사용할 수 있다.
이산회티탄은 자외선 광을 받으면 전자가 형성되어 강한 산화력을 가진 하이드록시 라디칼(-OH)과 슈퍼옥사이드(O2)를 생성한다. 이 하이드록시 라디칼과 슈퍼옥사이드가 유기 화합물을 분해시켜 물과 탄산가스로 변화시킨다. 이러한 원리로 공기 중의 오염 물질이나 수중의 오염 물질을 분해시켜 무해한 물과 탄산가스로 변화시킨다. 세균도 유기 화합물이므로 광 촉매의 강한 산화 작용에 의하여 산화 분해되어 살균된다. 이러한 이산화티탄은 아나타제 형, 루틸 형, 부르카이트 형의 3종류가 있는데, 그 중 광 활성이 가장 높은 아나타제 형을 사용하는 것이 바람직하다.
일라이트((K,H3O)Al2(Si,Al)4O10(H2O,OH)2)는 점토질인 미세한 함수규산염 광물로 Montmorillonite와 Muscovite의 중각 구조를 갖는 희소한 운모질 점토 광물(Micalikeclay Minerals)이다. 일라이트는 상온에서 2~25㎛ 파장의 원적외선을 89~92% 방사하는데, 이는 인체의 노화 방지에 효과가 크다. 또한, 탈취력이 98%로서 대단히 강하며, 물 분자를 활성화시켜 용존 산소를 3배 이상 확보하고 산소 응집력이 강하다. 또한, 보습 효과(함수 기능)가 크고, 직사 자외선을 방지하며 활도 가 대단히 높으며, 음이온을 건조 분말 상태에서 141 on/cc까지 발산하는 능력을 가지고 있다. 또한, 산업 폐수 처리 및 정수처리 효과가 크며, 공기 중 악취 제거, 산업 유독 가스(H2, S, SO2, CO, NH3) 제거 등 오염된 환경을 쾌적한 환경으로 바꾸는 데 필요한 친환경 소재이다.
본 발명에서는 이러한 일라이트의 특성을 이용하여 이산화티탄과 함께 광 촉매 분말로서 사용할 수 있다. 구체적으로, 광 촉매 반응에서 발생하는 활성종이 인체의 노화 촉진에 관여하는 것으로 알려져 있고, 인체의 노화 방지에는 원적외선이 좋은 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 상온에서 2~25㎛ 파장의 원적외선을 방사하는 일라이트를 이산화티탄과 적정 질량 비율로 혼합하여 사용함으로써, 활성종으로 작용하는 이산화티탄을 일라이트의 원적외선 방사 작용으로 합성 방지하는 것이다. 이산화티탄과 일라이트는 질량비로 1:1∼3:1로 혼합하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 3:2로 혼합하는 것이 좋다.
종래 기술의 광 촉매의 성능은 타 처리 방법에 비하여 상대적으로 효율이 낮은 것으로 알려져 있다. 이와 같이 낮은 광활성 효율을 높이기 위해서는 광 촉매 분말의 광 활성 표면적을 확대하여 넓은 표면적의 광 활성점을 유지할 필요가 있다. 이를 위해, 본 발명에서는 광 촉매 분말을 제올라이트 담체 상에 담지한다. 이산화티탄의 표면적은 30㎡/g이고, 제올라이트의 표면적은 1000㎡/g이므로, 넓은 표면적을 갖는 제올라이트의 세공 속에 이산화티탄 분말 혹은 이산화티탄과 일라이트의 혼합 분말을 흡착 분포시켜 30㎡/g의 광 활성점을 1000㎡/g의 광 활성점으로 약 30배 이상 확대시킴으로 낮은 광 촉매 효율을 고효율로 개선하는 것이다. 또한, 광 촉매 분말을 제올라이트의 세공 속에 균일하게 분포시킴으로써 광 촉매 분말의 2차 응집을 방지한다.
또한, 도시 공간의 공기를 정화하는 경우 광 촉매 반응이 일어나는 곳은 이산화티탄의 표면에 한정되기 때문에, 오염 물질이 이산화티탄의 표면에 효율적으로 도달하도록 하는 것이 매우 중요하다. 제올라이트는 물리적 흡착, 흡장 작용과 화학적 치환작용(70~140meg/100g)이 뛰어나 수분 외 다른 물질 가스 등을 20배까지 강력히 흡수 흡착하여 보관하면서 서서히 배출하는 능력을 가지고 있다. 따라서, 이러한 제올라이트의 특성을 이용하면 도시 공간의 오염된 공기를 제올라이트의 강력한 흡수력으로 흡수하여 제올라이트 표면에 흡착 분포된 이산화티탄의 광 활성점에 효율적으로 도달하도록 하여 고효율의 광 촉매 성능을 발현하게 한다.
이러한 광 촉매 분말과 제올라이트 담체는 질량비로 1:1∼1:3의 비율로 혼합하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 2:3으로 혼합하는 것이 좋다.
한편, 본 발명의 광 촉매 코팅액은 바인더로서 물질 X와 글리세린의 혼합 용액을 사용한다. 여기서, 물질 X는 무수규산(콜로이달 실리카), 규산나트륨, 이산화규소, 탄산마그네슘 중 적어도 하나의 물질을 의미한다. 이때, 1.5∼5 M(몰농도)의 물질 X 용액과 0.005∼0.075 M의 글리세린 용액이 부피 비로 1:1∼1:3으로 혼합된 바인더 용액 54∼90 ㎖에, 광 촉매 분말 9∼18 g이 혼합될 수 있다.
광 촉매는 오염 물질의 표면에 덮어 놓고 밝은 곳에 놓아두는 것만으로도 더러움이나 냄새 성분이 자연스럽게 분해된다. 그러나, 광 촉매를 산업에 적용하기 위해서는 밝은 곳뿐만 아니라 어두운 곳에서도 광 촉매의 초친수 유지 성능을 발현시키는 것이 필요하다. 이를 위해, 본 발명에서는 콜로이달 실리카(무수규산) 등을 사용한다. 콜로이달 실리카 등은 평균 입경이 10∼20㎛ 정도의 초미립자 콜로이드 용액이 사용될 수 있는데, 세밀한 공간에도 쉽게 침투하고 흡착력이 강하며 부착력도 매우 강하다.
또한, 광 촉매 분말로 사용되는 이산화티탄 분말은 경도가 높고, 이를 둘러싸는 콜로이달 실리카도 경도가 높으므로, 이들을 함유하는 광 촉매 코팅막은 두께가 제한될 수 있다. 즉, 광 촉매 기능을 확보하기 위해서는 일정 두께 이상으로 광 촉매 코팅 막을 제조할 필요가 있는데, 두께가 150㎚를 초과하면 크랙(crack)이 쉽게 발생하여 약간의 충격만 받아도 파손되는 문제가 있다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 콜로이달 실리카에 글리세린을 중합시켜 연화성을 촉진함으로써 콜로이달 실리카의 경도를 낮춘다. 이때, 콜로이달 실리카과 글리세린의 혼합비는 몰 비로 1:0.001∼1:0.05인 것이 바람직하다. 이에 따라, 밝은 곳뿐만 아니라 어두운 곳에서도 광 촉매의 초친수 유지 성능을 발현시킴과 동시에, 광 촉매 코팅 막의 두께에 대한 제한을 걷어냄으로써 광 촉매 코팅 막의 기능을 확보하고 크랙 및 파손을 방지하여 누구든지 특별한 주의사항 없이 쉽게 도공할 수 있다. 또한, 콜로이달 실리카와 글리세린 혼합물에 노닐페놀 같은 계면활성제를 첨가할 수도 있는데, 이 계면활성제는 콜로이달 실리카와 글리세린의 혼합을 균일하게 해주고, 균일 상태를 장시간 지속시켜 준다. 계면활성제의 첨가량은 콜로이달 실리카 1몰에 대하여 0.05∼0.5몰인 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 광 촉매 코팅액을 제조하는 방법의 일례에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 광 촉매 분말이 함유된 혼합용액 A를 제조한다. 광 촉매 분말로서 이산화티탄과 일라이트의 혼합 분말을 사용할 경우에는, 이산화티탄과 일라이트를 질량비로 1:1∼3:1이 되도록 혼합하고, 이 혼합 분말을 노닐페놀 같은 용해제에 넣고 교반하여 혼합용액 A를 제조한다. 이때, 용해제의 첨가량은 혼합 분말 1 g 당 5∼50 ㎖인 것이 바람직하다. 용해제 외에 침전방지제와 분산제를 더 첨가할 수도 있다. 침전방지제로는 마그네슘카보네이트를 사용할 수 있고, 분산제로는 폴리글리세린 지방산에스테르, 폴리에틸렌글리콜 지방산에스테르, 알킬페롤포르말린 축합물의 산화에틸유도체, 폴리옥시에틸렌 글리세린지방산에테르, 폴리인산나트륨, 탄산칼륨, 트리데실알코올 등을 사용할 수 있다.
그 다음, 상기 혼합용액 A에 제올라이트를 첨가하여 혼합용액 B를 제조한다. 이때, 혼합용액 A에 포함된 광 촉매 분말과 제올라이트의 혼합비는 질량비로 1:1∼1:3이 되도록 한다. 이에 따라, 광 촉매 분말은 넓은 표면적을 가진 제올라이트의 세공 속 표면에 담지된다.
그 다음, 상기 혼합용액 B에 물질 X와 글리세린과 계면활성제를 혼합한 바인더를 첨가하여 혼합용액 C를 제조한다. 여기서, 상기 물질 X는 무수규산, 규산나트륨, 이산화규소, 탄산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나이고, 계면활성제로는 음이온계 계면활성제나 비이온계 계면활성제가 사용될 수 있으며, 예컨대 노닐페놀이 사용될 수 있다. 이때, 물질 X 1몰에 대하여 글리세린 0.001∼0.05몰과 계면활성제 0.05∼0.5몰이 되도록 혼합한다. 물질 X 용액과 글리세린 용액의 부피 비는 1:1∼1:3으로, 물질 X와 계면활성제 용액의 부피 비는 1:1∼1:5로 하는 것이 바람직하다. 또한, 혼합용액 C에 위에서 열거한 종류의 분산제를 첨가할 수도 있다.
그 다음, 상기 혼합용액 C를 희석시킨다. 상기 혼합용액 C에 깨끗한 증류수를 첨가하여 분무 또는 도포하기에 적정한 농도가 되도록 한다. 이 희석된 혼합용액에 분산 안정제를 첨가하여 나노 사이즈로 균일하게 분산된 용액 상태를 유지시킬 수도 있다. 분산 안정제로는 스테아린산아연, 스테아린산칼슘, 염화카드뮴, 염화바륨 등이 사용될 수 있으며, 첨가량은 희석된 혼합용액 1㎖에 대해 0.05~0.08g 정도가 적당하다.
이와 같이 제조된 광 촉매 코팅액은 강한 침투력과 반영구적인 코팅력을 가지게 되고, 원적외선을 방사하고 음이온을 발산하며, 고효율의 광 촉매 성능을 발현한다. 본 발명의 광 촉매 코팅액은 무색 투명한 액상수성이며, 1액형으로 상온 경화 건조형이다.
본 발명의 광 촉매 코팅액을 사용한 광 촉매 코팅 막을 주택의 실내 내장재에 적용하면, 실내 내장재에서 발산하는 휘발성 유기 화합물과 각종 유해 물질을 고효율로 분해 제거하고, 원적외선 방사로 인체 노화에 관여하는 광 활성종을 방지하며, 음이온 발산으로 실내 공기 질을 높여 쾌적한 환경을 만든다.
또한, 본 발명은 종래의 기술과 달리 강한 침투력과 코팅력으로 반영구적인 사용이 가능하고, 동결융해를 방지하는 효과가 있으며, 내구성과 내수성과 내마모성은 물론, 고온에서도 견뎌내는 방화 기능이 우수하다.
본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에 의하면, 강력한 광 활성 및 원적외선 방사, 음이온 발산을 효율적으로 발현하면서 지속적인 유지 성능 및 우수한 안전성과 양호한 내구성을 가진 고효율의 천연 무기물 광 촉매 코팅액을 제조할 수 있다.
본 발명의 광 촉매 코팅액 내지 광 촉매 코팅 막을 이용하면, 주택의 실내 내장재에서 발산하는 휘발성 유기 화합물과 각종 유해 물질을 제거하고, 지하 역사, 터미널, 실내 주차장, 다중 이용 시설 등 도시 공간의 오염된 공기를 정화하며, 원적외선 방사와 음이온 발산으로 청정한 공기와 쾌적한 환경을 조성하고, 탁월한 코팅 성능과 방오의 기능으로 청결한 환경을 이룰 수 있다.

Claims (13)

  1. 제올라이트 담체와,
    상기 제올라이트 담체에 담지된 광 촉매 분말로서 이산화티탄과 일라이트가 혼합된 혼합 분말과,
    물질 X와 글리세린이 혼합된 바인더, 여기서 상기 물질 X는 무수규산, 규산나트륨, 이산화규소, 탄산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나임,를 함유하는
    광 촉매 코팅액.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 분말은 이산화티탄과 일라이트가 질량비로 1:1∼3:1의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 촉매 분말과 제올라이트 담체는 질량비로 1:1∼1:3의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 물질 X와 글리세린이 몰 비로 1:0.001∼1:0.05의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 콜로이달 실리카 1몰에 대하여 0.05∼0.5몰의 계면활성제를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액.
  7. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 광 촉매 코팅액을 코팅하여 건조된 광 촉매 코팅 막.
  8. (가) 이산화티탄과 일라이트와 용해제를 혼합하여 혼합용액 A를 만드는 공정,
    (나) 상기 혼합용액 A에 제올라이트를 첨가하여 혼합용액 B를 만드는 공정,
    (다) 상기 혼합용액 B에 물질 X와 글리세린과 계면활성제를 혼합한 바인더를 첨가하여 혼합용액 C를 만드는 공정, 여기서 상기 물질 X는 무수규산, 규산나트륨, 이산화규소, 탄산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나임,
    (라) 상기 혼합용액 C를 희석시키는 공정을 포함하는
    광 촉매 코팅액의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (가) 공정에서, 상기 용해제의 첨가량은 이산화티탄과 일라이트의 혼합 분말 1 g 당 5∼50 ㎖인 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 (다) 공정에서, 상기 바인더는 물질 X 1몰에 대하여 글리세린 0.001∼0.05몰과 계면활성제 0.05∼0.5몰이 되도록 혼합한 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 (가) 공정에서, 상기 혼합용액 A에 침전방지제 및 분산제를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 (다) 공정에서, 상기 혼합용액 C에 분산제를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 코팅액의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 (라) 공정 후 희석된 혼합용액에 분산 안정제를 더 첨가하는 것을 특징 으로 하는 천연 무기물 광 촉매 코팅액의 제조 방법.
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