KR20190083784A - 지반 개량용 차수재, 이를 이용하는 지반 내 차수를 위한 개량 방법, 및 이를 테스트하기 위한 실험 장치 - Google Patents
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Abstract
바이오폴리머를 포함하는 지반 개량용 차수재, 이를 이용하는 지반 내 차수를 위한 개량 방법, 및 상기 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한 실험 장치에 관한 것이다.
Description
본원은, 바이오폴리머를 포함하는 지반 개량용 차수재, 상기 차수재를 이용하는 지반 내 차수 개량 방법, 및 상기 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한 장치에 관한 것이다.
토양의 지반공학적 구성, 엄밀히 말하면 입도 분포, 함수비, 유기질 함량은 흙의 침식에 직접적인 영향을 미친다. 오늘날 흙의 침식이 중요한 환경 문제로 대두됨은 토양의 침식이 사막화 및 기후변화와 직간접적인 영향이 있기 때문이다. 현재 토양 침식이 수반되는 사막화는 전세계 육지의 1/3에서 진행 중이며, 매년 1천 2백만 ha의 새로운 사막을 생성하며 그 영역을 확대하고 있다. 토양의 침식은 생태계 교란뿐만 아니라 농경지의 생산력 저하를 초래하기 때문에 이를 저감 또는 억제할 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다.
또한, 최근 친환경 건설 기술에 대한 필요성 및 사회적 수요가 증대하고 있다. 개발 중심 건설 패러다임에서 이제는 자연과 조화를 이루는 개발, 환경에 대한 부작용이 없는 건설로의 사회적 인식이 바뀌고 있는 상황에서 기존 화학적 지반 처리 방법에 대한 문제점들이 지적되고 있다. 시멘트는 생산과정에서 막대한 양의 이산화탄소를 발생시켜 지구온난화를 촉진한다는 사실이 널리 알려져 있고, 수화 과정에서 높은 pH 환경을 조성하여 생태계 교란을 일으킨다. 육상에 주입된 시멘트 또는 화학적 첨가제는 지하수 유동 등에 따라 유출될 시 지하수를 오염시킬 수 있는 위험성을 지니는 등 여러모로 화학적 지반 처리에 대한 사회적 제약이 증가하는 추세이다.
[선행문헌]
대한민국 공개특허 제10-2005-0008450호
본원은, 바이오폴리머를 포함하는 지반 개량용 차수재, 이를 이용하는 지반 내 차수를 위한 개량 방법, 및 상기 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한 실험 장치에 관한 것이다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 바이오폴리머(biopolymer)를 함유하는, 지반 개량용 차수재를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 지반 개량용 차수재와 흙을 포함하는, 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토를 제공한다.
본원이 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 지반 개량용 차수재를 토양에 주입하는 것을 포함하는, 지반 내 차수를 위한 개량 방법을 제공한다.
본원의 제 4 측면은, 제 1 측면에 따른 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한, 실험 장치로서, 지반 내 유효응력 및 수압 조건을 모사할 수 있는, 실험 장치를 제공한다.
본원에 의하면, 바이오폴리머를 이용하는 환경친화적인 지반 개량용 차수재를 제공할 수 있다. 바이오폴리머는 친환경 재료로써 많은 분야에 적용가능 하다.
본원에 따른 바이오폴리머를 이용하는 지반 개량용 차수재를 이용하는 차수 방법은 지반 내의 유효응력이나 수압 등의 다양한 조건들을 예측하여 적용할 수 있다.
본원에 의하면, 바이오폴리머는 즉시 효율을 발휘하기 때문에, 본원의 지반 개량용 차수재는 급속 차수재로써 효용성을 가지며, 사용자의 기술에 의한 영향이 적으므로 실 적용에 용이성을 갖는다.
본원에 따른 바이오폴리머를 이용하는 지반 개량용 차수재는 흙에 대한 환경적인 영향이 없는 친환경적인 재료이다.
본원에 따른 바이오폴리머를 이용하는 지반 개량용 차수재는 상기 바이오폴리머에 의해 수중 불분리성의 특성을 지님으로써 투수성 저감 효과를 가진다.
본원에 따른 지반 개량용 차수재는 친수성과 겔화를 통해 토양의 공극을 충진하는 효과를 지니고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 본원에 따른 지반 개량용 차수재는 친환경 차수재로서 사용될 수 있으며, ASTM 규격에 맞춘 시험을 통해 무처리 대비 약 10,000배의 투수계수 저감 효과를 지니고 있음을 확인했다. 더 나아가 본원에 따른 지반 개량용 차수재에 포함된 상기 바이오폴리머는 그 자체로서 또는 주변 환경의 pH, 이온 농도, 및/또는 온도 변화 등에 따라 그 강도 및 점성이 급격히 변하는 특성에 따라 즉시 효율을 발현하기 때문에, 본원에 따른 상기 지반 개량용 차수재는 급속 차수재로서 그 효용성을 가지고 있으며 사용자의 기술에 의한 영향이 적기 때문에 실 적용에도 용이성을 갖는다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙 알갱이의 상호작용을 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 SEM 이미지이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 바이오폴리머 함량에 따른 차수 효과 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 유효응력에 따른 차수 효과 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙과 순수 흙의 투수성 차이를 비교한 모식도이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 차수 성능 발현 시간(a) 및 유효응력에 따른 차수 성능(b)을 관찰한 결과 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 수압 조건에 따른 차수 성능(a) 및 유효응력에 따른 붕괴압력 경향(b)을 관찰한 결과 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 구현예에 따른 지반 개량용 차수재의 적용을 위한 지반의 유효응력 및 수압 조건을 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는, 각각 본원의 일 구현예에 따른 지반 개량용 차수재 실험용 장치의 도면 및 사진이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 SEM 이미지이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 바이오폴리머 함량에 따른 차수 효과 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 유효응력에 따른 차수 효과 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 구현예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙과 순수 흙의 투수성 차이를 비교한 모식도이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 차수 성능 발현 시간(a) 및 유효응력에 따른 차수 성능(b)을 관찰한 결과 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따른 지반 개량용 차수재 처리된 흙의 수압 조건에 따른 차수 성능(a) 및 유효응력에 따른 붕괴압력 경향(b)을 관찰한 결과 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 구현예에 따른 지반 개량용 차수재의 적용을 위한 지반의 유효응력 및 수압 조건을 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는, 각각 본원의 일 구현예에 따른 지반 개량용 차수재 실험용 장치의 도면 및 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "화학적 결합" 또는 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 바이오폴리머(biopolymer)-함유 용액을 포함하는, 지반 개량용 차수재를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머-함유 용액은 용매 약 100 중량부에 대하여 상기 바이오폴리머 0 초과 내지 약 100 중량부 이하, 약 0.01 중량부 이상 내지 약 100 중량부 이하, 또는 약 0.1 중량부 이상 내지 약 100 중량부 이하로 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오폴리머-함유 용액은, 상기 용매 약 100 중량부에 대하여, 상기 바이오폴리머 0 초과 내지 약 100 중량부 이하, 약 80 중량부 이하, 약 60 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 20 중량부 이하, 약 10 중량부 이하, 약 1 중량부 이하, 약 0.5 중량부 이하, 약 0.1 중량부 이하, 약 0.01 중량부 이하를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기와 같이 다양한 바이오폴리머-함유 용액을 가지는 지반 개량용 차수재를 제조할 수 있으나, 바이오폴리머의 비율이 너무 낮은 경우 농도가 옅어 차수 효과가 제대로 발휘되지 않을 수 있으며, 반대로 바이오폴리머의 농도가 너무 높은 경우 점성이 커서 단단해지고 현장 적용이 난해할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는 생물체로부터 생성되는 고분자 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 바이오폴리머는 글루코오스(glucose)를 기본 단위(monomer)로서 가지는 물질을 포함하는 것일 수 있고, 크게 다당류(polysaccharide)와 아미노산(amino-acid) 계열로 분류할 수 있으며, 상기 다당류 계열의 바이오폴리머는 그 형상에 따라 고분자 사슬형(high-molecular chains) 바이오폴리머와 겔화(gelation) 바이오폴리머로 구분할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 사슬형 바이오폴리머는 베타-1,3/1,6-글루칸(PolycanTM), 알파글루칸, 커들란 (curdlan) 등을 포함할 수 있고, 상기 겔화 바이오폴리머로는 웰란검(wellan gum), 젤란검(gellan gum), 잔탄검(xanthan gum), 아가검(agar gum), 석시노글리칸검(succinoglycan gum) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 아미노산 계열의 바이오폴리머는 키토산(chitosan)과 감마피지에이(γPGA) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
바이오폴리머는 생물이 생성하는 고분자 물질로 생물체를 구성하는 탄수화물, 지방, 단백질, 핵산과 이들의 복합체 등이 생물체 내에서 합성되어 체외로 분비하는 다양한 종류의 고분자 물질을 일컫는다 [이진우, 2001, "미생물을 이용한 껌류의 생산", 미생물과 산업, 제27권, 23-32쪽]. 특히, 수용성 또는 불용성 다당류(polysaccharide)들은 10 개 이상의 단당 또는 유도 단당이 글리코시드(glycosidic) 결합에 의하여 생성된 고분자로 자연계에 가장 풍부하게 존재하면서 인간에게 유용한 대표적인 바이오폴리머이다. 이들은 화학적 합성고분자와 달리 환경친화적이며, 구조적 특성에서 비롯되는 겔 (gel) 형성, 유화 안정능, 표면장력 조절능, 물 흡수능, 접착능, 윤활능, 및 바이오필름 형성능 등의 기능적 특성으로 인해 각종 산업분야에서 주요 소재로 사용되고 있다 [이홍금, 2001, "해양 미생물로부터 바이오폴리머 개발동향", BioWave, 제3권, 제4호, Sub No. 7].
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는, 고온에서는 낮은 점성을 나타내고, 냉각됨에 따라 점성이 급격히 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는 열처리 후 냉각 시 젤(gel)을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 용매는 물, 증류수 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 바이오폴리머는 물에 녹는 수용성이며 온도, 함수비, 및 pH의 영향을 받는다. 또한, 열적 젤화 현상이 나타나기 때문에 성형이 용이하다. 상기 바이오폴리머는 온도가 높을수록 저점성을 나타내며 온도가 낮을수록 고점성을 나타낸다. 또한, 함수비가 높을수록 탄성도가 낮으며 함수비가 낮을수록 탄성도는 높아진다. 열적 젤화를 거친 바이오폴리머는 한번 조성되고 나서 끝나는 것이 아니라, 온도를 가해주면 다시 점성이 낮아져서 토양과의 재성형이 가능하며, 냉각되면서 다시 굳어지는 조건부 가역성이 있어 반복성이 우수하고, 재사용할 수 있는 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 지반 내 양이온의 농도가 높아짐에 따라 상기 바이오폴리머의 추가적 겔화를 유도함으로써 점성이 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 점성은 상기 바이오폴리머의 점성, 상기 지반 개량용 차수재의 점성, 또는 상기 지반 개량용 차수재를 포함하는 차수기능성 바이오폴리머-흙 혼합토의 점성을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는, pH가 높은 경우(환경에서) 낮은 점성을 나타내고, pH가 낮아짐에 따라 점성이 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 pH는 상기 바이오폴리머의 pH, 상기 지반 개량용 차수재의 pH, 상기 지반 개량용 차수재를 포함하는 차수기능성 바이오폴리머-흙 혼합토의 pH, 또는 상기 지반 자체의 pH를 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머는, 단일 바이오폴리머에 비하여, 이종 이상의 바이오폴리머가 혼배합되면서 교차-결합(cross-linking)을 통해 점성이 증가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 점성은 상기 바이오폴리머의 점성, 상기 지반 개량용 차수재의 점성, 또는 상기 지반 개량용 차수재를 포함하는 차수기능성 바이오폴리머-흙 혼합토의 점성을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재는 상기 바이오폴리머가 지반 내 공극을 충진하여 물 분자의 이동을 제한함으로써 차수 효과가 나타나는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재는 상기 바이오폴리머가 흙 알갱이 표면 상에 필름 형태의 층을 하나 이상 형성함으로써 지반 내 공극으로의 수분을 차단하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 필름 형태의 층은 상기 바이오폴리머의 이온 결합에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 지반 내 압력이 증가할 수록 상기 지반 개량용 차수재의 바이오폴리머의 투수계수가 감소하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 내 압력은 유효응력 및 수압을 합산한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른, 바이오폴리머(biopolymer)-함유 용액을 포함하는 지반 개량용 차수재와 흙을 포함하는, 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토를 제공한다.
본 측면에 따른 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토에 대하여, 본원의 제 1 측면에 따른 상기 지반 개량용 차수재에 대하여 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙은 모래, 점토, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙은 모래와 점토를 포함하는 것으로서, 상기 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토가 상기 점토와 바이오폴리머를 함께 포함함으로써, 상기 흙의 점성이 증가되고 상기 흙 속 투수성이 낮아지는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙이 모래와 점토를 포함하는 경우, 상기 모래와 점토의 중량비는 모래 : 점토 = 약 0.1 내지 약 100 : 1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 예를 들어, 상기 모래와 점토의 중량비는 모래 : 점토 = 약 0.1 내지 약 100 : 1, 약 0.1 내지 약 80 : 1, 약 0.1 내지 약 60 : 1, 약 0.1 내지 약 40 : 1, 약 0.1 내지 약 20 : 1, 또는 약 0.1 내지 약 10 : 1 일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토는, 상기 흙 약 100 중량부에 대하여, 상기 지반 개량용 차수재 0 초과 내지 약 100 중량부 이하, 약 0.01 중량부 이상 내지 약 100 중량부 이하, 또는 약 0.1 중량부 이상 내지 약 100 중량부 이하로 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토는, 상기 흙 약 100 중량부에 대하여, 상기 지반 개량용 차수재 약 100 중량부 이하, 약 80 중량부 이하, 약 60 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 20 중량부 이하, 약 10 중량부 이하, 약 1 중량부 이하, 약 0.5 중량부 이하, 약 0.1 중량부 이하, 또는 약 0.01 중량부 이하를 주입하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 상기 지반 개량용 차수재를 토양(흙)에 주입하는 것을 포함하는, 지반 내 차수를 위한 개량 방법을 제공한다.
본 측면에 따른 지반 내 차수를 위한 개량 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면에 따른 상기 지반 개량용 차수재에 대하여 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재의 적용 시, 흙 약 100 중량부에 대하여 상기 지반 개량용 차수재 0 초과 내지 약 100 중량부 이하, 약 0.01 중량부 이상 내지 약 100 중량부 이하, 또는 약 0.1 중량부 이상 내지 약 100 중량부 이하를 흙에 주입하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 지반 개량용 차수재의 적용 시, 상기 흙 약 100 중량부에 대하여 상기 지반 개량용 차수재 약 100 중량부 이하, 약 80 중량부 이하, 약 60 중량부 이하, 약 40 중량부 이하, 약 20 중량부 이하, 약 10 중량부 이하, 약 1 중량부 이하, 0.5 중량부 이하, 0.1 중량부 이하, 또는 0.01 중량부 이하를 주입하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 흙에 주입하는 것은, 상기 지반 개량용 차수재를 상기 토양의 흙에 살포하는 것, 흙과 교반시키는 것, 및/또는 흙 내에 주입하는 것에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흙은 세립질 (점토), 조립질 (모래), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 흙에 주입하는 것은, 이후 열처리 또는 화학적 처리를 수행하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 흙에 주입한 후, 물, 산성 수용액, 및/또는 양이온계 수용액을 살수하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상온 이상의 따뜻한 물을 살수함으로써, 상기 지반 개량용 차수재가 잘 용해될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 토양 내에 주입하는 것은, 주입장치를 이용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 상기 토양에 첨가한 후, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 양이온을 첨가하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, Na+, K+ 등과 같은 알칼리 금속의 양이온 또는 Ca2 +, Mg2 + 등과 같은 알칼리 토금속의 양이온을 첨가하여 상기 바이오폴리머의 추가적 겔화를 유도하여 더 견고한 토양을 조성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 상기 토양에 첨가한 후, pH 약 5 이하의 산성 수용액 또는 양이온계 (cationic) 수용액을 첨가하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 양이온계 수용액은, 예를 들어, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 함유하는 수용액을 포함할 수 있다.
본원에 따른 바이오폴리머는 표면이 음전하를 띠고 있기 때문에, 상기 지반 개량용 차수재를 토양에 첨가된 후 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온을 추가하면 토양과의 결합 특성이 더욱 향상될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 토양에 첨가한 후, 토양을 가열 및 냉각하는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 바이오폴리머의 함량이 증가함에 따라 투수성이 감소하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원에 따른 상기 지반 개량용 차수재는, 상기 바이오폴리머의 우수한 결속력으로 인해 흙이 안정화 되도록 도와주는 역할을 한다.
본원의 일 구현예에 따른 상기 바이오폴리머를 포함하는 지반 개량용 차수재는 투수성 저감을 위해 상이한 조건에서 사용될 수 있으니, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오폴리머를 포함하는 지반 개량용 차수재의 적용성은 토양의 유효응력(토양의 깊이) 및/또는 공극 압력에 따라 변화한다. 도 8은 본원의 일 구현예에 따른 상기 바이오폴리머를 포함하는 지반 개량용 차수재의 투수성 저감 분야 적용을 위한 적합한 압력 환경에 대한 설명을 나타낸다. 본원의 일 구현예에 따른 상기 바이오폴리머를 포함하는 지반 개량용 차수재는 공극 압력이 바이오폴리머 자체의 강도/점성 보다 낮은 환경에서 그 적용성이 증진된다.
본원의 일 구현예에 따른 상기 바이오폴리머-함유 용액을 포함하는 지반 개량용 차수재의 투수성을 증진시키기 위하여, 또는 강도 또는 점성을 증진시키기 위하여, 상기 바이오폴리머-함유 용액의 pH, 양이온 농도, 및/또는 온도 조절 등이 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 지반 내 차수를 위한 개량 방법은, 상기 바이오폴리머-함유 용액을 포함하는 지반 개량용 차수재에 대하여, 지반 내 pH, 지반 내 양이온 농도, 상기 지반 개량용 차수재의 온도, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것의 조절을 통하여 투수 효과를 증진시키는 것일 수 있으며, 및/또는 상기 지반 개량용 차수재에 함유된 상기 바이오폴리머를 이종 이상 혼배합함으로써 교차-결합(cross-linking)을 형성하여 투수 효과를 증진시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 4 측면은, 제 1 측면에 따른 상기 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한, 실험 장치로서, 지반 내 유효응력 및 수압 조건을 모사할 수 있는, 장치를 제공한다.
본 측면에 따른 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한 실험 장치에 대하여, 상기 지반 개량용 차수재에 대하여 본원의 제 1 측면에 대하여 기재된 내용이 모두 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한 실험 장치는, 공압 로더 및 고압 정밀주사기 펌프를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 상기 지반 개량용 차수재 테스트용 실험 장치에 대한 도면 및 사진을 각각 도 9a 및 도 9b에 나타내었다.
도 9a를 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 상기 지반 개량용 차수재 테스트용 실험 장치는 샘플 셀 (sample cell: 100), 고압 주입기 (고압 정밀주사기 펌프; high pressure precision syringe pump: 110), 물 유입부 (water inlet: 120), 공압 로더(pneumatic air compressor: 130), 및 물 배출부 (water outlet: 140)를 포함하여 형성될 수 있다. 이러한 구성 요소를 포함하는 상기 지반 개량용 차수재 테스트용 실험 장치는 정수압 환경을 모사하여 수행되고, 상기 공압 로더(pneumatic air compressor; 뉴매틱 공기 압축기)를 사용하여 지반 내 유효응력을 적용하며, 이는 토양 깊이를 모사한다. 또한, 상기 고압 주입기(고압 정밀주사기 펌프; high pressure precision syringe pump)를 사용하여 높은 수두차를 발생시키며, 이를 통해 다양한 토양 수압 조건(상이한 지하수 수위)을 모사할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 장치를 이용함으로써, 지반 상황에 따라 상기 지반 개량용 차수재 농도나 양을 조절하여 적용할 수 있다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀 더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
바이오폴리머의 지반 내 차수 효과를 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 본 실시예에서는, 열적 겔화(gelation) 바이오폴리머로서 순수 분말상태의 젤란 검(gellan gum; Sigma-Aldrich), 모래(주문진), 및/또는 점토(카올리나이트)를 사용하였다.
실시예
1:
젤란
검-처리된 모래의 제조
고온(100)의 증류수에 젤란 검을 원하는 농도로 용해시킨 후 이를 예열된 모래와 혼합함으로써 젤란 검-모래 혼합물 샘플(젤란검: 0.5%, 1.0%, 1.5%, 및 2.0%)을 제조하였다. 상기 샘플을 큐브 모양(50 mm * 50 mm * 50 mm) 또는 원판 모양(지름: 60 mm, 높이: 20 mm)으로 제조하였다.
주사 전자 현미경 (
SEM
)
도 2는 상기 제조된 1% 젤란 검-모래 혼합물의 SEM 이미지다 [(a)100 배율, (b)1,000 배율]. 교란되지 않은(undisturbed) 젤란 검-처리 모래는 젤란 검 바이오폴리머가 젤란 검 필름으로 응집되어 인접한 입자들 사이에 연결 다리를 형성하는 것을 확인하였다. 이것은 베타-글루칸(Chang and Cho 2012)과 잔탄 검(Chang et al., 2015a, 2016)에 대한 연구를 포함하는, 이전의 바이오폴리머 연구에서도 역시 관찰되었던, 피크 강도와 탄성 계수 모두의 증가를 야기한다. 따라서, 상기 젤란 검-모래 매트릭스 형성과 탈수를 통한 경화 메커니즘은 모래 기공 내부의 젤란 검 하이드로겔의 치밀화에 의해 지배되는 것으로 예상된다.
겔란
검-처리된 모래의 거동에 대한 물의 영향
젤란 검-처리된 모래의 강화 메커니즘에 대한 한 가지 결점은 일차 건조 젤란 검-모래 혼합물이 물에 재-입수될 때 강도가 감소한다는 것이다. 탈수와 함께, 축합 젤란 검 하이드로겔은 모래 입자들을 더 직접적으로 빽빽하게 상호작용하게 하는데, 이는 상기 젤란 바이오폴리머가 증가된 입자 상호작용들(도 2) 및 섬유질 클럼프(fibrous clumps)를 형성하여, 상기 젤란 검-처리된 모래 샘플들의 강도를 향상시키기 때문이다. 건조된 젤란 검-처리된 모래가 다시 물에 노출되었을 때, 친수성 젤란 검-물 상호작용 및 수반된 팽창은 강도와 강성뿐만 아니라 젤란 검과 모래 비율에 관계없이 토양 내부의 젤란 검 겔의 입자 간 응집력 같은 강도 특성을 저하시키는 것으로 나타났다. 따라서, 젤란 검 겔이 탈수를 통해 응축되면, 겔란 검 하이드로겔의 초기 상태 및 강도는 회복되지 않는다고 결론지을 수 있다.
수분 함량이 다른 젤란 검-처리된 모래는 상이한 지질 공학적 거동을 가진다는 가설이 도 1에 제시되어 있다. 초기 상태에서는 젤란 검 하이드로콜로이드가 모래 입자들 사이에 균일하게 분산되고, 열적 교화(thermogelation) (냉각)에 의해 점도가 증가한다 (도 1a). 상기 젤란 검 하이드로겔이 탈수됨에 따라, 농축된 겔은 모래 입자 주변에서 응고되기 시작하고, 체적 수분 함량의 감소는 상기 젤란 검 젤을 따라 분리된 공극을 형성하게 된다 (도 1b). 젤란 검 젤이 건조되면, 응축된 필름 같은 젤란 검 겔은 모래 입자들 사이의 바이오폴리머 매트릭스 형성(도 2)을 통해 입자 간 상호 작용을 향상시킨다 (도 1c). 그러나, 건조된 젤란 검-처리된 모래가 재-입수된다면(re-submerged)(도 1d), 상기 건조된 겔은 친수성에 의해 물을 흡수할 것으로 예상된다. 외부 테두리(rim)에서부터 상기 젤란 검 겔이 점차적으로 팽창하는 것은 초기의 균일한 하이드로콜로이드 상태 (도 1a)에 비해 재-수화된(re-hydrated) 상기 젤란 검 겔의 점도 (또는 강성)가 약해지는 결과를 야기한다. 초기 및 재-입수 조건들 간의 젤란 검 겔의 강도 차이는 이후 열처리 없이 탈수된 바이오폴리머 겔의 재-습윤(re-wetting)과 수반되는 팽창에 의해 균일한 초기 겔 매트릭스가 회복될 수 없음을 의미한다.
실험예
1:
젤란
검-처리된 모래의 차수
성능 시험
바이오폴리머 처리 흙의 투수 성능은 ASTM D5084 표준에 근거한 유연성 벽 실험(flexible wall test)를 통해 검증할 수 있다. 이 경우, 실험은 정수위, 변수위에서 다양하게 수행 가능하며 이를 통해 복합적인 상황에서의 바이오폴리머 투수 성능 검진이 가능하다.
상기 제조된 1% 젤란 검-모래 혼합물의 차수 성능을 측정하였다.
건조 과정을 거치지 않은 초기 상태의 투수 전도도를 측정한 결과, 젤란검 무처리 시 약 2.1×10-4 cm/s의 투수 계수를 보인 반면, 상기 1% 젤란 검-모래 혼합물의 경우 약 2.6×10-8 cm/s의 투수 계수를 발현한다 (도 3). 따라서 바이오폴리머 1% 처리 시 무처리 대비 약 10,000배의 투수 계수 저감 효과를 발현함을 알 수 있다. 이는 일반적인 차수재가 보이는 투수계수를 대체하는 (불투수성 층으로 간주가 가능한 정도) 친환경 소재로써 적합한 수준의 투수계수이다.
실시예
2:
젤란
검-처리된 모래/점토 혼합물의 제조
상기 실시예 1의 혼합물 제조와 동일한 방법을 이용하되, 모래를 모래/점토 혼합물로 대체하였다. 점토(카올리나이트):모래의 비는 1:9로 혼합하였다.
실험예
2:
젤란
검-처리된 모래/점토 혼합물의 고압 하에서 차수
성능 시험
상기 실시예 2에서 제조된 0.5% 젤란 검-처리된 모래/점토 혼합물을 이용하여 압력하에서 차수 성능을 시험하였다.
높은 유효응력(100 kPa, 400 kPa), 수압(500 kPa) 환경에서도 젤란검의 적용 시(6.37×10-8 cm/s), 투수 성능이 무처리 (3.3×10-4 cm/s) 대비 약 500,000배 감소하는 것을 도 4의 결과를 통해 확인할 수 있다.
이러한 특성은 바이오폴리머가 가진 친수성, 바이오폴리머가 공극을 채움으로 인한 공극율 감소에 기인한다. 바이오폴리머가 공극내에 젤을 형성하여, 물 분자의 이동을 제한하기 때문에 투수성이 감소하는 것이다. 또한, 바이오폴리머가 필름 형태의 층을 형성하여 공극으로의 물의 침투를 막음으로써 투수성을 감소시키는 효과를 발현한다 (도 5 참조). 이를 통해 바이오폴리머가 친환경 수자원 제어 재료(차수재) 목적으로 적용할 수 있는 유망한 성능을 지님을 결론지을 수 있다.
바이오폴리머의 투과성 감소 효율은 바이오폴리머 함량에 의해 좌우되며, 공극 내부의 물 분자가 바이오폴리머와 모두 반응하는 함량을 지나면 투수계수가 하한까지 안정화되며, 추가되는 바이오폴리머는 더 이상 투수계수를 감소시키지 않는다. 따라서 이러한 하한에서의 안정화되는 농도를 산정하는 것이 주요한 설계 인자 중 하나이다. 그러나, 지반의 압력이 높아지면 안정화를 위한 농도가 증진되며, 대형 수압 조건, 변수위 조건에서의 바이오폴리머 처리 토양의 투수 검증 또한 주요한 설계 인자가 된다.
실험예
3:
젤란
검-처리된 모래의 차수 거동 특성 분석
상기 실시예 1에서 제조된 1% 젤란 검-처리된 모래의 차수 효과는 투수 계수가 1×10-4 m/s 이상 저감되는 효과를 나타내며, 약 1 일 동안에 상기 차수 효과가 거의 발현되는 것으로 확인되었다. 반면에, 비교예로서 사용된 25% 시멘트 혼합 흙은 동일한 효과를 발현하는데 약 28 일이 소요되는 것을 확인하였다 [도 6(a) 참조].
또한, 상기 실시예 1에서 제조된 2% 젤란 검-처리된 모래의 차수 효과를 유효응력(깊이)에 따라 측정한 결과, 젤란 검 처리되지 않은 모래에 비해 2% 상기 젤란 검-처리된 모래는 1×10-4 m/s 이상 저감된 유사한 차수 성능을 ~500 kPa 유효응력까지 지속적으로 발현하는 것으로 확인되었다 [도 6(b) 참조].
실험예
4:
젤란
검-처리된 모래의 수압조건에 따른 차수 거동 특성 분석
상기 실시예 1에서 제조된 2% 젤란 검-처리된 모래의 차수 효과를 상이한 유효응력(100, 200, 400 kPa) 조건에서 수압을 ~600 kPa까지 증가시켜 차수 성능을 관찰하였다. 측정 결과, 젤란 검 처리되지 않은 모래에 비해 2% 상기 젤란 검-처리된 모래는 훨씬 저감된 차수 성능을 나타내었으나, 수압 증가에 따라 차수 성능이 저하되는 경향을 확인하였다 [도 7(a) 참조].
한편, 상기 2% 상기 젤란 검-처리된 모래는 유효응력이 증가할수록 붕괴압력(breakdown pressure)도 증가하는 경향도 확인하였다 [도 7(b) 참조].
상기한 젤란 검-처리된 모래의 차수 거동 특성에 따라, 현장 적용 시, 유효응력, 지하 수위(수압) 및 유동특성 등을 고려하여 바이오폴리머의 종류 및 주입양(농도)를 결정하는 것이 중요하다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 샘플 셀 (sample cell)
110: 고압 주입기 (고압 정밀주사기 펌프; high pressure precision syringe pump)
120: 물 유입부 (water inlet)
130: 공압 로더(pneumatic air compressor)
140: 물 배출부 (water outlet)
110: 고압 주입기 (고압 정밀주사기 펌프; high pressure precision syringe pump)
120: 물 유입부 (water inlet)
130: 공압 로더(pneumatic air compressor)
140: 물 배출부 (water outlet)
Claims (21)
- 바이오폴리머(biopolymer)-함유 용액을 포함하는, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오폴리머-함유 용액은, 용매 100 중량부에 대하여 상기 바이오폴리머 0 초과 내지 100 중량부 이하를 포함하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오폴리머는 베타-1,3/1,6-글루칸, 알파글루칸, 커들란(curdlan), 웰란 검(wellan gum), 젤란 검(gellan gum), 잔탄 검(xanthan gum), 아가 검(agar gum), 석시노글리칸 검(succinoglycan gum), 키토산(chitosan), 감마피지에이(γPGA), 카제인(casein), 폴리리신(polylysine), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오폴리머는, 고온에서는 낮은 점성을 나타내고, 냉각됨에 따라 점성이 증가하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
지반 내 양이온의 농도가 높아짐에 따라 상기 바이오폴리머의 추가적 겔화를 유도함으로써 점성이 증가하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오폴리머는, pH가 높은 경우 낮은 점성을 나타내고, pH가 낮아짐에 따라 점성이 증가하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오폴리머는, 단일 바이오폴리머에 비하여, 이종 이상의 바이오폴리머가 혼배합되면서 교차-결합(cross-linking)을 통해 점성이 증가하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오폴리머가 지반 내 공극을 충진하여 물 분자의 이동을 제한함으로써 차수 효과가 나타나는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바이오폴리머가 흙 알갱이 표면 상에 필름 형태의 층을 하나 이상 형성함으로써 지반 내 공극으로의 수분을 차단하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항에 있어서,
지반 내 압력이 증가할수록 상기 지반 개량용 차수재의 바이오폴리머의 투수계수가 감소하는 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 10 항에 있어서,
상기 지반 내 압력은 유효응력 및 수압을 합산한 것인, 지반 개량용 차수재.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른, 바이오폴리머(biopolymer)-함유 용액을 포함하는 지반 개량용 차수재와 흙을 포함하는, 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토.
- 제 12 항에 있어서,
상기 흙은 모래, 점토, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토.
- 제 12 항에 있어서,
상기 흙은 모래와 점토를 포함하는 것으로서, 상기 혼합토가 상기 바이오폴리머와 점토를 함께 포함함으로써, 상기 흙의 점성이 증가되고 상기 흙 속 투수성이 낮아지는 것인, 차수 기능성 바이오폴리머-흙 혼합토.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른, 바이오폴리머(biopolymer)-함유 용액을 포함하는 지반 개량용 차수재를 흙에 주입하는 것
을 포함하는, 지반 내 차수를 위한 개량 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 흙 100 중량부에 대하여 상기 지반 개량용 차수재 0 초과 내지 100 중량부 이하를 주입하는 것인, 지반 내 차수를 위한 개량 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 바이오폴리머의 함량이 증가함에 따라 투수성이 감소하는 것인, 지반 내 차수를 위한 개량 방법.
- 제 15 항에 있어서,
지반 내 pH, 지반 내 양이온 농도, 상기 지반 개량용 차수재의 온도, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것의 조절을 통하여 투수 효과를 증진시키는 것인, 지반 내 차수를 위한 개량 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 지반 개량용 차수재에 함유된 상기 바이오폴리머를 이종 이상 혼배합함으로써 교차-결합(cross-linking)을 형성하여 투수 효과를 증진시키는 것인, 지반 내 차수를 위한 개량 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 흙은 모래, 점토, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 지반 내 차수를 위한 개량 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 지반 개량용 차수재를 테스트하기 위한, 실험 장치로서,
공압 로더 및 고압 정밀주사기 펌프를 포함하며,
지반 내 유효응력 및 수압 조건을 모사할 수 있는,
실험 장치.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180001644A KR102040869B1 (ko) | 2018-01-05 | 2018-01-05 | 지반 개량용 차수재, 이를 이용하는 지반 내 차수를 위한 개량 방법, 및 이를 테스트하기 위한 실험 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
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KR20210038321A (ko) * | 2019-09-30 | 2021-04-07 | 서울시립대학교 산학협력단 | 미생물을 포함하는 지중 오염 확산 방지용 차수재 |
Citations (3)
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---|---|---|---|---|
KR20130018017A (ko) * | 2011-08-12 | 2013-02-20 | 한국지질자원연구원 | 압축 및 비압축 조건하에서의 투수 및 압밀시험장치 |
KR20140045871A (ko) * | 2012-10-09 | 2014-04-17 | 한국과학기술원 | 바이오폴리머를 이용한 흙 침식 저항 증진 방법 |
KR20150122092A (ko) * | 2014-04-22 | 2015-10-30 | 한국과학기술원 | 바이오폴리머를 이용한 흙 건축 재료 |
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2018
- 2018-01-05 KR KR1020180001644A patent/KR102040869B1/ko active IP Right Grant
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