[논문]고속원심분리 사이클론을 이용한 오일 미스트 제거 성능 연구

김수연; 김진선; 성진호; 한방우; 김용진; 김학준

doi:10.11629/jpaar.2019.15.4.139

고속원심분리 사이클론을 이용한 오일 미스트 제거 성능 연구
A Study on Performance Evaluation for Oil Mist Removal using a High-speed Centrifugal Cyclone 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.15 no.4, 2019년, pp.139 - 148

김수연 (한국기계연구원 환경기계연구실) , 김진선 (한국기계연구원 환경기계연구실) , 성진호 (한국기계연구원 환경기계연구실) , 한방우 (한국기계연구원 환경기계연구실) , 김용진 (한국기계연구원 환경기계연구실) , 김학준 (한국기계연구원 환경기계연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed for the application of a high-speed centrifugal cyclone to shale gas mining process. This device uses the centrifugal force to control particles similar to typical cyclones, and the disk located inside the cyclone is forced to rotate using a motor. The pressure difference occurred during the rotating of disk. Hence, inflow rate was generated without a blower fan. In addition, flow rate increased with elevating rpm of motor. The installing the disk in multiple stages on the inner rotor increased the instantaneous disk outlet flow. Hence, the control efficiency of oil particle increased from 1.05% to 31.2%. By modifying the structure of the disk so that the air flow to the opposite direction of the cyclone, the control efficiency of oil particles increased to 81.5%. By increasing the capacity of the motor and the size of the disk, the flow rate was increased to 2.5 ㎥/min because the rpm of motor and pressure difference increased. As rpm of motor increased, the cut-off diameter (dpc) became smaller. Unlike the Lapple's equation, dpc was inversely proportional to the effective number of rotations (Ne). The control efficiency was maintained even if the concentration of oil particles increased, for this reason, the higher the oil concentration, the more particles were accumulated and controlled.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Schematic diagram of a high-speed centrifugal cyclone.
그림 Figure 2. Experimental setup to evaluate a high-speed centrifugal cyclone.
그림 Figure 3. Schematics of disk; (a) propeller, (b) propeller + flat disk, (c) propeller + cone disk.
그림 Figure 4. Variation of flow rate according to disk geometry at different RPM in a high-speed centrifugal cyclone (120 W).
그림 Figure 5. Comparison of (a) particle size distribution at inlet with different flow rate (b) PM₁₀ removal efficiency at 3500 rpm with different disk type.
그림 Figure 6. Comparison of flow rate according to motor capacity and disk diameter at different RPM in a high-speed centrifugal cyclone (120 W and 750 W).
그림 Figure 7. Comparison of (a) oil mist removal efficiency distribution and (b) PM₁₀, PM_2.5 and PM₁ removal efficiency distribution with different RPM in a high-speed centrifugal cyclone (120 W and 750 W).
그림 Figure 8. Velocity inside of dist by RPM of a high-speed centrifugal cyclone.
그림 Figure 9. Experimental cut off size according to inlet velocity and RPM of a high-speed centrifugal cyclone.
그림 Figure 10. Oil mist removal capacity according to inlet velocity of a high-speed centrifugal cyclone.
그림 Figure 11. Oil mist removal capacity according to flow rate of parts at a high-speed centrifugal cyclone.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

앞서 언급한 바와 같이 디스크가 회전하는 과정에서 설비 전·후단의 압력 차이가 발생하여 공기의 흐름이 형성되었다. 따라서 본 연구에서는 회전수에 따른 유입유량을 측정하였고, 다양한 형상의 디스크에 따른 유입유량을 비교하였다. 디스크의 형상은 회전 날개, 회전 날개에 원판 디스크 적용, 회전 날개에 콘 디스크 적용으로 구분하였다.
본 연구에서는 디스크 형상에 따른 유량 및 오일입자 집진효율 결과를 통해 디스크 형상을 최적화하였다. 또한 회전 날개의 스케일 업 및 모터출력을 120 W (JungWoo, K9DS120N3)급에서 750 W (JungWoo, JEA00047)급으로 증가시켜 장비를 대용량화하고자 하였다.
본 연구에서는 기존 사이클론의 이론 집진효율을 결정하는 d_pc을 계산하기 위해 Lapple (1951)의 준경험식을 바탕으로 이론적 연구를 진행하였으며, 사이클론의 회전특성과 유입속도가 집진효율에 미치는 영향을 파악하였다. 그림 8은 모터 회전수에 따른 디스크 출구의 유속 계산한 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 기존 사이클론의 집진원리인 원심력을 이용한 새로운 구조의 고속원심 분리방식 사이클론(이하 사이클론)을 개발하였으며, 내부 회전체의 구조 등을 변경하여 대용량 설비로 발전시키고자 하였다. 본 연구에서 개발한 사이클론의 성능평가는 오일 미스트를 대상입자로 하였으며, 내부 회전체의 회전수에 따라 오일 미스트의 입경별 집진효율과 제거량을 산정하였다.
디스크의 형상은 회전 날개, 회전 날개에 원판 디스크 적용, 회전 날개에 콘 디스크 적용으로 구분하였다. 본 연구에서는 디스크 형상에 따른 유량 및 오일입자 집진효율 결과를 통해 디스크 형상을 최적화하였다. 또한 회전 날개의 스케일 업 및 모터출력을 120 W (JungWoo, K9DS120N3)급에서 750 W (JungWoo, JEA00047)급으로 증가시켜 장비를 대용량화하고자 하였다.
그림 3(b)는 회전날개에 원판 디스크를 부착한 모식도이며, 원판 직경 110 mm, 두께 3 mm로 약 30단으로 구성되어있다. 본 연구에서는 디스크를 추가하며 출구 직경을 감소시켰으며, 이를 통해 디스크의 통과유속을 증가시키고자 하였다. 앞서 언급한 것과 같이 통과유속이 증가함에 따라 오일입자는 외벽으로 이동하는 관성력이 커지므로 집진효율이 증가할 수 있다.
그림 3(c)는 콘형 디스크로, 수평면으로부터 60°의 경사를 가지며, 직경 110 mm, 두께 3 mm로 원판 디스크와 동일한 개수(30단)로 구성되어있다. 앞서 언급한 것과 같이 콘형 디스크의 출구 유속을 순간적으로 증가시키며, 유선의 방향을 사이클로 후단과 역방향으로 향하게 하여 입자의 집진효율을 증가시키고자 하였다.

가설 설정

Figure 7. Comparison of (a) oil mist removal efficiency distribution and (b) PM₁₀, PM_2.5 and PM₁ removal efficiency distribution with different RPM in a high-speed centrifugal cyclone (120 W and 750 W).

제안 방법

디스크 사이의 유속은 전·후단에 유량을 디스크와 디스크 사이의 면적으로 나누어 계산하였다.
이 장치는 기존 사이클론과 같이 원심력을 이용하여 입자를 분리하며, 유입되는 입자에 원심력을 가하기 위해 디스크를 회전시켰다. 디스크는 사이클론 내부 회전축에 모터(JungWoo, JEA00047)를 설치를 통해 회전시켰으며, 인버터(Invertor)를 통해 모터의 회전수를 조절하였다. 디스크의 회전과정에서 디스크 전/후단에서 압력 차이가 발생하였으며, 이로 인해 송풍기를 이용하지 않아도 사이클론 내로 유입되는 공기의 흐름이 형성되었다.
따라서 본 연구에서는 회전수에 따른 유입유량을 측정하였고, 다양한 형상의 디스크에 따른 유입유량을 비교하였다. 디스크의 형상은 회전 날개, 회전 날개에 원판 디스크 적용, 회전 날개에 콘 디스크 적용으로 구분하였다. 본 연구에서는 디스크 형상에 따른 유량 및 오일입자 집진효율 결과를 통해 디스크 형상을 최적화하였다.
본 연구에서는 기존 사이클론의 집진원리인 원심력을 이용한 새로운 구조의 고속원심 분리방식 사이클론(이하 사이클론)을 개발하였으며, 내부 회전체의 구조 등을 변경하여 대용량 설비로 발전시키고자 하였다. 본 연구에서 개발한 사이클론의 성능평가는 오일 미스트를 대상입자로 하였으며, 내부 회전체의 회전수에 따라 오일 미스트의 입경별 집진효율과 제거량을 산정하였다.
오일입자의 유동을 가시화하기 위해 사이클론의 전·후단에 투명 아크릴 파이프를 설치하였고, 2개의 샘플링 관(유속, 오일입자 농도 측정용)을 설치하였다. 본 연구에서 종합 계측기 (Testo, Teato 454)를 이용하여 관내유속을 측정하였으며, 광학입자계수기(OPC, Optical particle counter, Grimm, 1.109)를 이용해 오일입자의 수농도를 측정하였고, 입자 밀도를 1.0 g/cm³로 적용하여 질량농도로 환산하였다. 측정 결과는 아래의 식 (1)을 통해 집진효율을 계산하였다.
본 연구에서는 사이클론의 성능 평가를 위해 오일입자를 사용하였으며, 의료용 nebulizer (Salter labs, 8900-7)를 이용하여 오일을 입자화하였으며, 1.2 bar의 압축공기를 MFC (mass flow controller, Mykrolis, FC-2900)를 이용하여 3 ∼ 4.3L/min로 공급하였다.
본 연구에서는 셰일가스를 시추할 때 가스 내에 포함된 오일입자를 분리할 수 있는 컴팩트형 고효율 가스-입자 분리장치를 개발하였고, 회전속도에 의해 변하는 유속에 따른 오일미스트의 입경별 제거효율을 정성적/정량적으로 비교 분석하였다.
앞서 진행한 연구와 같이 회전수의 증가에 따라 유량이 증가하기 때문에 본 연구에서는 집진효율을 처리용량을 환산하여 계산하였다. 이때 입자 저감량은 식 (6)과 같이 정의하였다.
오일입자의 유동을 가시화하기 위해 사이클론의 전·후단에 투명 아크릴 파이프를 설치하였고, 2개의 샘플링 관(유속, 오일입자 농도 측정용)을 설치하였다.
압축공기가 아토마이저 노즐로 공급되는 과정에서 압력의 역구배가 발생하며, 이로 인해 nebulizer의 기계유가 노즐로 흡입되어 미스트화되어 분사된다. 이 때의 오일미스트 양은 노즐을 통과하는 유량과 아토마이저의 노즐직경, 노즐 밸브를 통해 조절하였다. 오일입자의 유동을 가시화하기 위해 사이클론의 전·후단에 투명 아크릴 파이프를 설치하였고, 2개의 샘플링 관(유속, 오일입자 농도 측정용)을 설치하였다.
아래의 그림 1과 같이 회전축을 중심으로 회전날개 및 콘 형상의 디스크가 다단으로 겹쳐있다. 이 장치는 기존 사이클론과 같이 원심력을 이용하여 입자를 분리하며, 유입되는 입자에 원심력을 가하기 위해 디스크를 회전시켰다. 디스크는 사이클론 내부 회전축에 모터(JungWoo, JEA00047)를 설치를 통해 회전시켰으며, 인버터(Invertor)를 통해 모터의 회전수를 조절하였다.
디스크의 회전과정에서 디스크 전/후단에서 압력 차이가 발생하였으며, 이로 인해 송풍기를 이용하지 않아도 사이클론 내로 유입되는 공기의 흐름이 형성되었다. 특히 기존 사이클론은 유체가 장치의 측면에서 유입되어 상부로 토출되지만(Cooper and Alley, 2011), 본 연구에서 개발한 사이클론은 장치의 하단에서 유입되어 상부로 토출된다. 고속 회전 시 회전 날개를 통해 유입되는 오일 입자는 디스크의 회전에 의해 벽면방향으로 원심력을 받으며, 벽면과 충돌하여 제거되었다.

대상 데이터

사이클론의 디스크 회전에 의해 생성된 원심력을 통해 오일입자는 사이클론 내부에서 외부로 이동하고, 충돌하여 제거된다. 그림 3(a)는 사이클론의 회전날개이며, 외경 약 100 mm, 내경 약 55 mm, 높이 약 118 mm의 구조로 제작하였다. 그림 3(b)는 회전날개에 원판 디스크를 부착한 모식도이며, 원판 직경 110 mm, 두께 3 mm로 약 30단으로 구성되어있다.
1. 고속 원심 분리 장치의 회전 날개 및 디스크 형상에 최적화하는 과정에서 동일한 출력을 가진 120 W급 모터를 사용하였다. 3500 rpm일 때 유량을 측정한 결과, 공기를 흡입하여 원심력을 발생시키는 회전 날개만 적용하였을 경우 1.
그림 1은 본 연구에서 개발한 고속원심 분리방식 입자제거 설비를 나타내었다. 이 장치의 전체 높이는 300 mm, 직경 130 mm이며, 입구와 출구는 투입 및 세정 후 입자농도를 측정하기 위해 동일한 지름 55 mm 원형 파이프를 사용하였다. 아래의 그림 1과 같이 회전축을 중심으로 회전날개 및 콘 형상의 디스크가 다단으로 겹쳐있다.

이론/모형

본 연구에서는 기존 사이클론의 이론 집진효율을 결정하는 d_pc을 계산하기 위해 Lapple (1951)의 준경험식을 바탕으로 이론적 연구를 진행하였으며, 아래의 식 (2)를 통해 계산할 수 있다.

성능/효과

2. 모터 출력이 120 W에서 750 W로 증가는 회전축의 회전수를 증가시킴에 따라 처리 유량이 선형적으로 증가하였으며, 회전 날개 크기가 직경 80mm에서 130 mm로 증가할 때 같은 회전수에서 유량이 2배정도 증가함을 확인하였다. 모터 출력이 750 W이며, 회전 날개의 직경이 130 mm 일 때 최대 6000 rpm 정도의 고속 회전시 처리 유량이 2.
3. 투입된 오일 입자 농도는 약 33 mg/m³으로 유지하여 실험을 진행하였을 때, 1 ㎛ 이상의 입자 집진효율이 매우 높은 것으로 나타났다.
3500 rpm일 때 유량을 측정한 결과, 공기를 흡입하여 원심력을 발생시키는 회전 날개만 적용하였을 경우 1.10 m³/min에서 회전 날개에 콘 디스크를 결합하였을 경우 0.85 m³/min으로 0.25 m³/min 정도 감소한 결과를 보였다.
4. 기존 사이클론의 이론 집진효율을 결정하는 절단입경을 계산하기 위해 Lapple (1951)의 준경험식을 바탕으로 이론적 연구를 진행하였으며, 실험 결과를 통해 절단입경은 회전수 또는 유입속도에 반비례하며, 유입속도는 회전수에 비례함을 확인하였다.
5. 오일 입자 투입농도를 33, 100 mg/m³ 조건에서 회전수 증가에 따른 저감량을 계산한 결과를 비교하였으며, 3600 rpm에서의 집진효율은 약 81%로 유사하여 농도에 크게 영향받지 않음을 확인하였다. 그 결과, 유입농도가 3배 증가함에 따라 누적 저감량은 3배로 증가하였다.
그림 10은 오일 입자 투입농도를 33, 100 mg/㎥ 조건에서 회전수 증가에 따른 저감량을 계산한 결과를 비교하였으며, 3600 rpm에서의 집진효율은 약 81%로 유사하여 농도에 크게 영향받지 않음을 확인하였다. 그 결과, 유입농도가 3배 증가함에 따라 누적 저감량은 3배로 증가하였다. 일반적으로 고농도의 조건에서 많이 사용되는 사이클론이 고속 원심 분리 장치로 변경되어 적용될 경우 매우 높은 집진효율을 보일 것으로 판단된다.
(2019)의 연구에서는 사이클론에 콘형 디스크를 적용하여 유속을 향상시켰다. 그러나 본 연구에서는 모터 회전수가 1500 rpm이하에서는 원판형과 콘형의 유량은 유사하였으나, 모터의 회전수가 지속적으로 증가함에 따라 유선의 방향에 변화를 준 콘형 디스크의 유량이 원판형 디스크를 설치한 유량보다 더 작은 유량을 얻게 되었다. 이는 유선의 방향에 변화를 주어 생성된 와류에 의해 유속이 감소한 것으로 판단된다.
이 논문에 의하면 사이클론 내부에서의 회전수가 작을 경우 입구에서 출구로 이어지는 유속이 사이클론의 내부에서의 회전유동보다 강하여, 입구에서 출구로 오일 미스트가 유동을 따라 이동을 하여 출구부분 근처에서 오일 미스트가 밀집되었다. 그러나 사이클론의 회전수가 급격히 증가하면, 오일 미스트도 따라서 회전 날개 입구를 통과하자마자 회전벽 근처로 모이는 것을 확인하였다. 본 연구에서도 회전수의 증가에 따라 유속이 증가하며, 이에 따라 원심력이 증가하거나 벽면에 충돌하는 입자의 수가 많아지며 집진효율이 증가하고, d_pc이 작아진 것으로 판단된다.
: 고속 원심 분리 장치 후단에서의 입자 질량 농도(μg/㎥)를 의미한다. 그림 10은 오일 입자 투입농도를 33, 100 mg/㎥ 조건에서 회전수 증가에 따른 저감량을 계산한 결과를 비교하였으며, 3600 rpm에서의 집진효율은 약 81%로 유사하여 농도에 크게 영향받지 않음을 확인하였다. 그 결과, 유입농도가 3배 증가함에 따라 누적 저감량은 3배로 증가하였다.
기존 사이클론에서의 d_pc은 회전수와 유입속도의 제곱근에 반비례하지만 본 연구에서 개발한 사이클론에서 d_pc은 회전수 또는 유입속도에 반비례하는 결과를 나타내었다. 유입속도는 회전수에 비례함을 아래의 그림 9를 통해 확인하였다.
따라서 사이클론의 처리유량은 모터와 회전날개의 출력과 크기변화를 통해 조절이 가능하며, 이는 디스크 전·후단의 압력 차이가 증가하여 유입유량이 증가한 것으로 판단된다.
25 m³/min 정도 감소한 결과를 보였다. 또한, 오일 입자의 집진효율은 회전 날개에 원판 디스크를 적용한 경우 오일 입자의 집진효율은 31%이며, 콘 디스크를 적용한 경우 80% 이상이었고 최종적으로 회전날개에 콘 디스크 적용하여 실험을 진행하게 되었다.
모터의 회전수가 증가함에 따라 디스크 전·후단의 압력 차이는 증가하였고, 이로 인해 유량은 선형적으로 증가하였다.
그림 6은 사이클론의 모터출력과 회전날개 스케일 업에 따른 사이클론 유입유량의 비교결과이다. 모터출력이 120 W에서 750 W로 증가함에 따라 모터 회전수와 유입유량이 선형적으로 증가하였으며, 회전날개 직경이 80 mm에서 130 mm로 증가할 때 같은 회전수에서 유입유량이 약 2배정도 증가함을 확인하였다. 모터출력 750 W, 회전날개 직경이 130 mm 일 때, 회전수가 6000 rpm에서 사이클론 유입유량 2.
원심력에 의해 입자 집진효율이 변화하는 사이클론의 이론계산을 위해서는 위의 식 (2)와 같이 d_pc을 도출해야 하며, d_pc는 회전수의 제곱근에 반비례한다. 본 연구 장비에서는 회전수가 증가함에 따라 d_pc가 반비례하는 결과를 나타내었다. Han et al.
그러나 사이클론의 회전수가 급격히 증가하면, 오일 미스트도 따라서 회전 날개 입구를 통과하자마자 회전벽 근처로 모이는 것을 확인하였다. 본 연구에서도 회전수의 증가에 따라 유속이 증가하며, 이에 따라 원심력이 증가하거나 벽면에 충돌하는 입자의 수가 많아지며 집진효율이 증가하고, d_pc이 작아진 것으로 판단된다.
입자의 직경이 클수록 강한 원심력을 받아 집진 효율이 증가함을 확인하였다. 비록 평균 0.34 ㎛의 크기를 가지는 오일은 거의 제거되지 않았지만, 일반적인 형태의 사이클론보다 절단입경이 작기 때문에 미세한 입자까지 제거가능함을 확인하였다.
26 ㎥/min로 2배 증가함에 따라 제거량이 3배 이상 증가함을 확인하였으며, 제거량은 유입유량에 따라 선형적으로 증가하였다. 입자의 직경이 클수록 강한 원심력을 받아 집진 효율이 증가함을 확인하였다. 비록 평균 0.
5, PM₁의 집진효율은 각각 92%, 78%, 10%를 나타내었다. 특히 모터의 회전수가 3000 rpm이하인 조건에서 오일입자의 쪼개짐 현상이 발생하여 PM₁의 입자수가 증가한 것으로 판단되며, 이로 인해 오히려 초기농도보다 높은 결과를 나타내었다. 입자의 쪼개짐에도 불구하고 PM₁의 집진효율을 확보하기 위해서는 3000 rpm이상 조건에서 사이클론을 운전해야하며, 회전수를 증가시킬 경우 집진효율은 증가할 것이다.
그림 11은 입자의 크기를 임의 구간을 나누어 제거량을 비교한 결과이다. 평균 3.05 ㎛의 크기를 가지는 오일 입자는 유량이 0.6 ㎥/min에서 1.26 ㎥/min로 2배 증가함에 따라 제거량이 3배 이상 증가함을 확인하였으며, 제거량은 유입유량에 따라 선형적으로 증가하였다. 입자의 직경이 클수록 강한 원심력을 받아 집진 효율이 증가함을 확인하였다.
5%까지 증가하였다. 회전날개에 디스크가 추가됨에 따라 디스크를 통과하는 입자가 외벽에 충돌하는 속도가 빨라졌으며, 이로 인해 집진효율이 증가하였다. 비록 디스크 형상의 변화를 통해 유선 방향을 변경할 경우 고속 회전조건에서 유량 차이가 발생하였지만, 콘형 디스크는 사이클론의 출구각과 역방향으로 유선이 형성되어 입자의 집진효율이 급격하게 증가하였다.
5, PM₁ 집진효율은 각각 92%, 78%, 10%를 나타내었다. 회전수 증가에 따라 유량이 증가하였으며, 입자의 집진효율도 함께 상승하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사이클론은 무슨 힘으로 입자를 제거하는가?	하지만 여과 집진기와 마찬가지로 셰일가스 채굴공정과 같이 유속이 빠른 조건에서는 충분한 집진면적을 확보해야 하므로, 설비의 설치공간이 매우 커져야 한다(Cooper and Alley, 2011). 사이클론은 원심력을 이용하여 입자를 제거하며, 유지보수 및 운영비가 매우 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 일반적인 사이클론은 입자의 집진효율이 높지 않으며, 대부분 전기 집진기 또는 여과 집진기 전단의 전 처리용으로 사용되고 있다.
	기존 수분 분리기의 단점은?	기존 석유 및 가스 추출공정에서는 수분을 제거하기 위해 응축기를 이용한 수분 분리기를 사용하거고, 오일 및 수분을 동시에 제거하기 위해 이상 또는 삼상 분리기(Two-phase or three-phase separator)를 적용하고 있다. 기존 개발되고 상용화된 수분 분리기는 대부분 수평형태로 큰 설치공간을 요구한다는 단점이 있다(Stewart and Arnold, 2008). 또한 셰일가스 채굴공정의 특성상 설치 및 운영이 간단해야하며, 이동형 설비로 구성되어야 한다.
	여과 집진기의 한계는?	여과 집진기는 유체 내 입자가 여과재 구성물에 충돌하여 제거되며, 매우 높은 입자 집진효율을 가진다. 하지만 여과제의 내구성 등에 의해 설치 가능한 유속조건이 한정적이며, 특히 설비 전후단의 압력 차이가 매우 크다는 단점이 있다. 따라서 대형시설에서는 차압에 따른 운영비의 문제가 되며, 셰일가스 채굴공정과 같이 유속이 빠른 조건에서는 여과재 내구성에 대한 문제가 있다. 전기 집진기는 정전기력을 이용하여 입자를 제거하며, 여과 집진기와 유사하게 매우 높은 입자 집진효율을 가진다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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