KR102531516B1 - 폐 PET(polyethylene)병을 활용한 콘크리트 2차 제품 및 이를 통한 온실가스 감축기술 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기후변화 원인물질인 온실가스를 감축하기 위한 기술로써, 폐모르타르 슬러리, 내부 공간을 포함하는 폐플라스틱, 및 콘크리트 조성물을 포함하는, 콘크리트 2차 제품에 관한 것이다.
Description
본 발명은 온실가스를 감축하기 위한 기술로써, 보다 상세하게는 폐모르타르 슬러리, 내부 공간을 포함하는 폐플라스틱 및 콘크리트 조성물을 포함하는, 콘크리트 2차 제품에 관한 것이다.
시멘트의 생산과정에서, 주원료인 석회석을 초고온으로 가열하는 소성공정을 거치고 이를 통해 다량의 이산화탄소가 발생된다. 특히 시멘트 산업의 경우 전체 산업에서 이산화탄소 배출량이 4% 이상에 해당하여 이산화탄소의 발생량이 상당히 많은 기술분야에 해당하는 것으로 알려져 있다. 다만, 유엔기후변화협약, 교토 의정서, 탄소중립 등을 통해 전 세계적으로 온실가스의 배출량을 감소시키려는 노력이 이루어지고 있고, 그에 따라 친환경 시멘트 등이 개발되어 왔다. 일반적으로, 시멘트나 콘크리트의 제조에 사용되는 각 부분을 대체재로 폐기물을 사용하는 방법에 의해 친환경적인 시도가 이루어지고 있다. 또한, 친환경적인 시멘트, 콘크리트의 제조를 위하여 폐플라스틱을 활용하는 방안이 다수 연구되어 왔고, 소성 과정에서 이용되는 유연탄을 대신하여 폐플라스틱을 연료로 활용하여 시멘트를 제조하는 방법 등을 통해 친환경적인 시도가 이루어지고 있다.
친환경 문제를 해결하기 위하여, 각 나라에서는 온실가스 감축을 위하여 온실가스 포집 및 저장, 활용기술 개발을 위해 지속적으로 노력하고 있다. 이러한 노력의 결과로 온실가스 포집과 관련된 기술은 많은 발전을 이루어 왔으나, 재활용 기술은 이산화탄소의 사용처가 적어 많은 진전을 보이지 못하는 실정으로 대부분 식물의 광합성을 이용한 이산화탄소 흡수, 즉 농업분야에서 일부 이용하고 있다. 또한, 저장기술은 폐유전, 폐가스전, 심해바다 등 지하 깊숙한 부분에 온실가스를 대량 매립하는 기술로써 포집, 운반, 저장에 많은 비용이 들어가며, 누설 또는 바다 산성화 등 환경적인 문제가 발생할 수 있으며 특히, 우리나라의 경우는 온실가스 저장소가 거의 없다.
이와 관련하여, 대한민국공개특허 제10-2021-0045355호에서는 배기가스에서 이산화탄소를 분리시키고, 이를 액화시키는 단계를 포함하여 레디믹스 콘크리트를 제조하는 방법과 이러한 작업과정에서 이산화탄소를 포집하는 방법을 개시하고 있고, 대한민국등록특허 제10-2162987호에서는 시멘트 소성로에서 배출되는 배기가스에 함유된 이산화탄소를 직접 포집하는 방법을 개시하고 있으며, 대한민국공개특허 제10-2020-0034144호에서는 시멘트 소성공정의 폐열을 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방법을 개시하고 있다.
다만, 이는 제조과정에서 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 것으로 폐플라스틱을 함께 이용하여 시멘트, 콘크리트를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 개시된 바 없다. 이에 본 발명자는, 폐자원인 폐플라스틱을 이용하여 온실가스를 저장하고 안정화할 수 있는 공간과 이를 포함하는 콘크리트 2차 제품을 제조할 수 있음을 밝힘에 따라 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 온실가스를 저장하고 안정화할 수 있는 온실가스 미니저장소를 제공하고자 한다. 또한, 폐콘크리트, 폐플라스틱을 이용하고, 이산화탄소 포집 기술을 이용한 콘크리트 2차 제품 및 이를 이용한 온실가스 감축 기술을 제공하고자 한다.
본 발명에서, 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서, 어떤 구성 요소를 더 포함한다고 할 때, 이는 원 조성물의 일부를 제외하지 않고 다른 구성 요소를 더 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에서, 부피%는 각 구성의 총합 대비 부피%를 의미하며, 각 구성의 균일, 불균일 여부와 무관하게 공간을 차지하고 있는 부피%를 의미하고, 각 구성의 부피%를 합하여 100%가 될 수 있는 것을 의미한다.
상기 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은 폐모르타르 슬러리, 내부 공간을 포함하는 폐플라스틱 및 콘크리트 조성물을 포함하는, 콘크리트 2차 제품을 제공한다.
본 발명에서, 상기 콘크리트 2차 제품은 콘크리트 조성물을 사용하여 경화후 만들어진 제품을 총칭하는 것으로, 예를 들면 벽돌, 수로관, 맨홀, 경계석, 전신주, 실외 바닥 벽돌, 정원용 경계석 등의 모든 형태를 포함한다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 폐모르타르 슬러리는 폐모르타르 분말 및 물을 혼합하여 제조된 것이다. 구체적으로, 상기 폐모르타르 슬러리는 폐콘크리트의 모르타르 부분을 분말화한 폐모르타르 분말 및 물을 혼합하여 제조된 것이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 폐모르타르 슬러리는 혼합비(물중량/모르타르중량)가 0.5 내지 2로 제조된 것이다.
구체적으로, 본 발명에서 상기 모르타르 분말은 1mm 이하의 입자일 수 있다. 또한, 상기 폐모르타르 슬러리에서 물의 혼합 중량비는 40 내지 60 중량%일 수 있다. 이때, 나머지는 폐모르타르 분말의 중량%이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 폐플라스틱은 폐 PET병이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 폐플라스틱은 콘크리트 2차 제품에서 내부 아치형상을 형성하는 것이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 폐플라스틱은 내부 공간에 폐모르타르 슬러리를 포함한다.
구체적인 본 발명의 일 양태에서, 상기 폐플라스틱은 내부 공간에 폐모르타르 슬러리 및 이산화탄소를 포함한다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 콘크리트 2차 제품 제조용 조성물은 20 내지 40 부피%의 폐모르타르 슬러리 및 내부 공간을 포함하는 폐플라스틱; 및 60 내지 80 부피% 콘크리트 조성물을 포함한다.
본 발명에서, 모르타르 조성물, 콘크리트 조성물로써, 모르타르, 지오폴리머 콘크리트, 물리화학적으로 활성화 처리하여 산화칼슘 함량이 높은 슬래그 등의 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 폐 PET병은 원통형 모양으로 되어있어 콘크리트 2차 제품 내부에 아치모양을 구현할 수 있고, 상온에서 이산화탄소 가스압력 2.0기압 이상을 견디도록 설계되어 과량의 이산화탄소를 주입하여도 기체 압력에 의해 손상되지 않는다. 또한, 폐 PET병으로 폐콘크리트 중 모르타르부분 분말과 물을 넣어 슬러리화 액체를 충진하고 이산화탄소 주입시 이산화탄소 포집반응과 관련한 변형이 거의 없다. 그에 따라, 콘크리트 2차 제품의 변형없이 이산화탄소 포집 및 저장이 가능하다.
본 발명에서, 상기 콘크리트 조성물은 시멘트, 모래, 자갈의 비율을 조절할 수 있고, 이 때 사용되는 시멘트는 저강도 분야에서는 포틀랜드 시멘트, 고강도가 필요한 분야에서는 강도 강화 효과가 있는 혼화재 시멘트를 사용할 수 있다. 구체적으로, 저강도 분야에서 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우, 포틀랜드 시멘트 15 내지 25 중량%, 모래 20 내지 30 중량%, 자갈 50 내지 60 중량%의 비율로 혼합한 콘크리트 조성물을 사용할 수 있고, 고강도 분야에서 강도 강화제를 포함한 혼화재 시멘트를 사용하는 경우, 석탄가스화기 플라이애시 3 내지 8 중량%, 포틀랜드 시멘트 8 내지 16 중량%, 모래 20 내지 30 중량%, 자갈 50 내지 60 중량%의 비율로 혼합한 콘크리트 조성물을 사용할 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시양태에 따르면, 건설폐기물인 콘크리트의 모르타르부분(시멘트+모래)을 분쇄하고 물과 섞어 슬러리화하여 폐 PET병에 투입하고 슬러리화 된 굳은 시멘트가 탄산화(이산화탄소 흡수)할 수 있다. 이때, 이산화탄소는 시멘트의 이산화탄소 흡수량 대비 과잉으로 주입될 수 있고, 모르타르 슬러리화에 따라 다량의 이산화탄소를 포집 및 저장할 수 있다.
또한, 본 발명의 구체적인 실시양태에 따르면, 상기 폐 PET병을 콘크리트 2차 제품 제조시 내부에 충진하여 시멘트, 모래, 자갈, 물 등 콘크리트 2차 제품의 제조시 사용되는 원료를 20~40% 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 구체적인 실시양태에 따르면, 본 발명인 콘크리트 2차 제품이 사용기한이 넘어 폐기될 시, 이산화탄소와 반응한 PET병 내부의 슬러리, 즉 탄산칼슘이 12% 함유된 슬러리를 콘크리트의 알칼리골재반응 억제제로 재사용할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 콘크리트 2차 제품은 관류, 맨홀, 벽돌, 블록, 타일 또는 경계석으로 이용될 수 있다. 구체적으로, 상기 콘크리트 2차 제품은 실외 바닥 벽돌 또는 정원용 경계석으로 이용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 콘크리트 2차 제품은 폐플라스틱을 이용하지 않은 콘크리트 2차 제품과 비교하여, 이산화탄소 발생량이 70% 이하이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 콘크리트 2차 제품은 폐플라스틱을 이용하지 않은 콘크리트 2차 제품과 비교하여, 압축강도 및 휨강도가 80 내지 120%이다.
구체적인 본 발명의 실시양태에 따르면, 폐자원인 PET병(보다 구체적으로는 이산화탄소 기체 압력을 어느 정도 (약 2.0기압) 견디도록 설계된 탄산음료 PET병)과 이산화탄소를 흡수할 수 있는 수산화칼슘 등 알칼리성분이 남아있는 폐콘크리트를 사용할 수 있고, 이 때 폐 PET병의 원기둥모양을 이용한 콘크리트 2차 제품 내부 아치모양을 형성하여, 콘크리트 2차 제품은 KS규격을 만족시키는 형태로 제조될 수 있고, 폐 PET병을 이용함에 따라 제조과정에서 온실가스 발생량을 20~40% 저감할 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시 형태에 따르면, 본 발명 콘크리트 2자 제품을 통해 온실가스 미니저장소를 확보할 수 있다. 예를 들어, 도로경계석에 본 발명기술을 적용할 경우 모래, 자갈, 콘크리트에 사용되는 물 등에서 감축되는 이산화탄소를 제외하고도 도로경계석(규격 100×100×1000mm) 1 km당 130 kg의 온실가스 포집 및 저장소를 확보할 수 있으며, 콘크리트 원료저감에 따라 1.9톤의 온실가스를 감축할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것으로 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 더 상세하게는, 본 발명이 도로경계석(규격 100×100×1000mm)에 적용되었을 경우 하기와 같은 온실가스 감축효과를 나타낼 수 있다.
예를 들면, 중량이 27.0 kg인 도로경계석은 시멘트, 모래, 자갈, 물의 중량% 비율이 대략적으로 17.0 : 24.3 : 53.5 : 5.1이고, 중량 %를 근거로 사용된 재료의 양을 계산해 보면 시멘트 4.6kg, 모래 6.6kg, 자갈 14.5kg, 물 1.4Kg이다. 상기 도로경계석에 둥근모양의 0.8ℓPET병 3개를 삽입할 경우 시멘트, 모래, 자갈의 감소량은 약 24%이고, 이 때 시멘트 사용량이 저감되는 만큼 온실가스가 감축되며, 여기서 저감되는 이산화탄소 양은 1.0kg*1)이 저감된다. 또한, 폐 PET병에 자갈부분을 제외한 폐콘크리트(모르타르 부분 분말)을 각각 0.6kg*2), 총 1.8kg을 주입하고 슬러리화 하였을 경우 폐 모르타르 슬러리는 최대 0.13kg*3)의 이산화탄소를 포집할 수 있다. 또한, 콘크리트 2차 제품의 강도강화제로 시멘트를 석탄가스화기 플라이애시 등으로 30%를 대체하였을 경우 추가적으로 이산화탄소를 0.94kg 저감할수 있다. 따라서, 상기 도로경계석 제조시 기존 제품은 시멘트의 이산화탄소 배출량을 적용할 경우 4.14kg이 발생하나, 본 발명은 콘크리트 경계석 제조에 이산화탄소 배출량이 2.2kg으로써 PET병에서 0.13kg을 흡수함에 따라 콘크리트 2차 제품의 이산화탄소 총 발생량은 2.07kg으로 약 50%에 불과한 이산화탄소 배출량으로 도로경계석을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명이 사용기한이 초과, 파손 등에 의하여 폐기될 시, 폐 PET병 내의 슬러리를 콘크리트 2차 제품의 알칼리골재반응 억제제로 사용할 수 있어, 추가로 이산화탄소를 약 2~5% 저감할 수 있다.
*1) 0.9 kg CO2/kg시멘트(시멘트사 발표자료) * 4.6 kg시멘트 * 24% = 0.864 kg CO2
*2) 폐 콘크리트 중 모르타르 분말의 비중을 2.0으로 가정하고 충진량 설정(경계석 비중 2.7)
*3) 폐 콘크리트 중 모르타르(시멘트 41%, 모래 59%)내 시멘트 중 수산화칼슘 30%로 가정하여 수산화칼슘 전량이 탄산화 반응하여 포집되는 이산화탄소의 이론적 양
또한, 본 발명은 상기 콘크리트 2차 제품을 통한 온실가스 저감 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 온실가스는 이산화탄소이다.
본 발명은 폐플라스틱, 폐모르타르를 이용함에 따라 콘크리트 제조시 사용되는 원료, 특히 온실가스 배출량이 많은 시멘트의 사용량을 절감하여 온실가스 발생을 감축할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 폐플라스틱인 PET병의 특성을 이용하여 온실가스의 저장, 콘크리트 2차 제품의 품질저하 문제해결이 가능하며, 폐모르타르를 온실가스 흡수 및 저장에 이용하여 향후 알칼리골재반응 억제제로 사용할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 시멘트 모르타르의 탄산화를 나타낸 도이다.
도 2은 폐 콘크리트 중 모르타르 부분을 분말화한 도이다.
도 3는 분말화된 폐 콘크리트을 슬러리화하여 폐 PET병 내부에 충진한 것을 나타낸 도이다.
도 4는 PET병에 기체의 이산화탄소를 대체하여 드라이아이스(고체 이산화탄소)를 충진한 것을 나타낸 도이다.
도 5는 PET병의 마개를 막고 이산화탄소의 흡수 상태를 나타낸 사진으로 PET병은 슬러리가 이산화탄소를 흡수하여 진공이 형성됨을 나타낸 도이다. (진공을 보여주기 위하여 PET병의 두께가 얇은 생수병을 활용하여 사진 촬영)
도 6은 PET병이 충진되어 있지 않은 콘크리트 공시체와 PET병이 충진된 콘크리트 시편을 절단한 단면을 나타낸 도이다.
도 2은 폐 콘크리트 중 모르타르 부분을 분말화한 도이다.
도 3는 분말화된 폐 콘크리트을 슬러리화하여 폐 PET병 내부에 충진한 것을 나타낸 도이다.
도 4는 PET병에 기체의 이산화탄소를 대체하여 드라이아이스(고체 이산화탄소)를 충진한 것을 나타낸 도이다.
도 5는 PET병의 마개를 막고 이산화탄소의 흡수 상태를 나타낸 사진으로 PET병은 슬러리가 이산화탄소를 흡수하여 진공이 형성됨을 나타낸 도이다. (진공을 보여주기 위하여 PET병의 두께가 얇은 생수병을 활용하여 사진 촬영)
도 6은 PET병이 충진되어 있지 않은 콘크리트 공시체와 PET병이 충진된 콘크리트 시편을 절단한 단면을 나타낸 도이다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.
단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
이산화탄소를 포집할 슬러리를 제조하기 위하여, 굳은 모르타르를 직경 1mm 이하로 분쇄하였다. 이후, 분쇄된 모르타르를 슬러리화하기 위하여 물/굳은모르타르미분말 중량비를 1로 하여 슬러리를 제조하였다.
제조된 슬러리를 500ml PET병에 100g 투입하고 드라이아이스를 2g 주입하였다. PET병 내의 공기가 빠져나가는 것을 육안으로 확인하고 마개를 닫았다. 마개를 닫은 후, 10분 간격으로 이산화탄소가 흡수되는 상황을 관찰하였다. 이 때, 이산화탄소 흡수가 잘 되도록 PET병을 각 단계 촬영 전 10회 흔들고 촬영했다.
측정결과, 모르타르 분말 슬러리가 이산화탄소를 거의 흡수하였으며, 구체적인 실험결과는 아래 표 1에 나타난과 같다.
| 구분 | 마개닫은 후 즉시 | 10분 후 | 20분후 |
| PET병 부피변화 |
 |
 |
 |
실시예 2
공시체, 포틀랜드 시멘트와 모래, 자갈의 중량% 비율을 18.0 : 25.6 : 56.4로하고 KS F 4006의 물/결합재비(W/B) 비율 0.3을 적용하여, 100×100×400mm 공시체를 제작하고 15일 후 휨강도를 측정하였다. 이 때, 콘크리트 공시체의 휨강도는 24kN을 구현하였다.
시편1. 포틀랜드 시멘트와 모래, 자갈의 중량 비율을 18.0 : 25.6 : 56.4로하고 물/결합재비(W/B) 비율을 0.3으로 하여, 실시예 1에서 만들어진 PET병을 100×100×400mm 형틀에 삽입하고 시편을 제작하였다.
시편1의 휨강도를 측정한 결과, 휨강도는 19kN으로 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트 공시체보다 5kN 낮게 나타났으나 그 정도가 유의미할 정도로 크지 않아, 휨강도가 포틀랜드 시멘트 콘크리트와 비슷한 수준으로 나타나는 것을 확인하였다.
시편2. 석탄가스화기 플라이애시, 포틀랜드 시멘트, 모래와 자갈의 중량비율을 5.4 : 12.6 : 25.6 : 56.4로하고 물/결합재비(W/B) 비율을 0.3으로하여, 실시예 1에서 만들어진 PET병을 100×100×400mm 형틀에 삽입하고 시편을 제작하였다.
시편2의 휨강도는 21 kN으로 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트 공시체대비 2kN 낮았으나, 일반 시멘트를 활용한 시편 1보다는 3kN 높은 휨 강도를 구현하였다. 또한, KS 규격과 발명한 시편의 휨강도를 직접적으로 비교할 수는 없었으나, 시편 1과 유사하게 휨강도 변화가 유의미할 정도로 크지 않아, 휨강도가 포틀랜드 시멘트 콘크리트와 비슷한 수준으로 나타나는 것을 확인하였다.
| 구분 | 120×120×500mm | 100×100×400mm | ||
| KS 규격 (도로경계블럭, SA) |
공시체 | 시편 1 | 시편 2 | |
| 휨 강도(kN) | 10 | 24 | 19 | 21 |
따라서, 본 발명 콘크리트 2차 제품은 제조과정에서 폐플라스틱, 폐모르타르를 활용함에 따라 이산화탄소의 발생을 저감시킬 수 있고, 제조된 2차 제품은 이산화탄소를 포집할 수 있다.
Claims (7)
- 폐모르타르 슬러리, 내부 공간을 포함하는 폐플라스틱, 및 콘크리트 조성물을 포함하며,
상기 폐모르타르 슬러리는 폐모르타르 분말 및 물을 혼합하여 제조된 것이고,
상기 폐플라스틱은 폐 PET 병으로서, 내부에 상기 폐모르타르 슬러리 및 이산화탄소를 충진하고 마개를 막아, 폐모르타르 슬러리가 이산화탄소를 흡수하여 진공이 형성된 것인,
콘크리트 2차 제품.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 폐모르타르 슬러리는 혼합비(물중량/모르타르중량)가 0.5 내지 2로 혼합하여 제조된 것인, 콘크리트 2차 제품.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 폐플라스틱은 콘크리트 2차 제품에서 내부 아치형상을 형성하는 것인, 콘크리트 2차 제품.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 콘크리트 2차 제품 제조용 조성물은 20 내지 40 부피%의 폐모르타르 슬러리 및 내부 공간을 포함하는 폐플라스틱; 및 60 내지 80 부피% 콘크리트 조성물을 포함하는 것인, 콘크리트 2차 제품.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220041555A KR102531516B1 (ko) | 2022-04-04 | 2022-04-04 | 폐 PET(polyethylene)병을 활용한 콘크리트 2차 제품 및 이를 통한 온실가스 감축기술 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220041555A KR102531516B1 (ko) | 2022-04-04 | 2022-04-04 | 폐 PET(polyethylene)병을 활용한 콘크리트 2차 제품 및 이를 통한 온실가스 감축기술 |
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|---|---|
| KR102531516B1 true KR102531516B1 (ko) | 2023-05-15 |
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ID=86394879
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020220041555A KR102531516B1 (ko) | 2022-04-04 | 2022-04-04 | 폐 PET(polyethylene)병을 활용한 콘크리트 2차 제품 및 이를 통한 온실가스 감축기술 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102531516B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100950099B1 (ko) * | 2009-12-04 | 2010-03-29 | 한국건설기술연구원 | 촉진탄산화 반응을 이용한 순환골재 제조방법 |
-
2022
- 2022-04-04 KR KR1020220041555A patent/KR102531516B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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