[논문]발전플랜트 시설 내부 비구조요소의 내진 안전성 향상을 위한 해석적 연구

방진수; 권양수; 임홍재

doi:10.11112/jksmi.2020.24.2.1

발전플랜트 시설 내부 비구조요소의 내진 안전성 향상을 위한 해석적 연구
Analytical Study for Seismic Capacity Enhancement for Non-structural Elements in Power Plants 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.2, 2020년, pp.1 - 8

방진수 (경북대학교 건설방재공학과) , 권양수 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) , 임홍재 (부산대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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원자력발전소와 같은 발전플랜트 시설의 경우 건물 자체뿐만 아니라 내부에 설치된 비구조요소의 내진안정성 또한 중요하다. 특히, 전기기기가 부착되는 캐비닛 구조물 등은 지진에 대비하여 기능적 안전성이 확보되어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 기존 발전플랜트 내부에서 운용 중인 전기기기 캐비닛 구조물의 동특성을 파악하고, 동적거동 시 발생되는 응답 수준을 분석하였다. 그리고 내진보강 방법 중 제진 방식을 적용하기 위해 강재 플레이트 댐퍼를 채택하고 대상기기의 크기에 적합하게 조정하였다. 또한, 최적의 보강방안을 도출하기 위해 부착위치에 따른 변수를 설정하고 보강 전·후의 지진동 입력에 의한 응답에 대하여 분석하는 연구를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the case of power plant facilities, seismic stability of non-structural elements is important. In particular, Cabinet structures to which electrical equipment is attached, should have functional safety against earthquakes. Therefore, in this study the dynamic characteristics of non-structural elements inside existing power plant buildings were identified and the response level generated during dynamic behavior was analyzed. In addition, The steel plate dampers were adopted and adjusted to suit the size of the target equipment. In order to derive the optimal seismic reinforcement, the variables according to the attachment location were set and the responses were analyzed by the seismic movement input before and after reinforcement.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 FE model of Cabinet
표 Table 1 Property of cabinet
그림 Fig. 2 Modal analysis result
그림 Fig. 3 Input data for dynamic analysis
그림 Fig. 4 Dynamic analysis result
그림 Fig. 5 Modal analysis result of side element in cabinet
그림 Fig. 6 Retrofitted cabinet
그림 Fig. 7 Mode shape of retrofitted cabinet
표 Table 2 Modal analysis result of retrofitted cabinet
그림 Fig. 8 Dynamic analysis result of retrofitted cabinet

AI 본문요약
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문제 정의

, 2017), 강재 플레이트 댐퍼의 기본 단위형상인 X형상을 캐비닛의 외부프레임 면적에 맞추어 모델링하였다. 강재댐퍼는 SS275의 물성으로 10mm의 두께로 구성하여 내진보강에 의한 응답경향성을 뚜렷하게 확인하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 발전플랜트 시설에서 운영 중인 전기기기 캐비닛을 선정한 뒤 기본 동특성을 파악하였으며, 동적 거동에 의한 응답 수준을 파악하고 내진보강 방안을 도출하기 위한 해석적 연구를 수행하였다. 건물 내부 기 설치된 전기기기 캐비닛은 지진에너지의 유입 시 내부프레임에 설치되어있는 전기기기의 직접적인 손상을 발생시킬 수 있다.
본 연구는 발전플랜트 및 일반산업계에서 설치되어 운영중인 전기기기 캐비닛 구조물에 대한 지진 안전성을 확보하기 위해 유한요소모델을 구성하여 동특성을 파악하였다. 또한 제진보강 장치를 이용하여 내진 안정성을 증대시키기 위해 보강위치별 변수를 설정하여 해석적 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 원자력 발전소 및 산업 시설에 설치된 전기 기기 캐비닛의 내진성능 보강 방안 연구를 수행하였다. 일반적으로 내진해석 및 시험을 통해 동특성을 파악할 수 있으며, 임팩트 해머 시험과 같은 현장 비파괴 시험 또한 사용될 수 있다.

가설 설정

발전 플랜트 내부에 설치되기 때문에 정확한 수치해석을 위해서는 앵커볼트 고정이나 용접과 같은 정착조건 또한 반영되어야 한다. 그러나 본 연구의 목적은 캐비닛의 내부 증폭 등 가속도 응답수준 파악에 있기 때문에 캐비닛의 바닥전면이 건물과 부착된 것으로 가정하여 해석을 진행하였다.
강재댐퍼의 부착위치는 실제 내진보강 시공 시 접근성을 감안하기 위해 기본적으로 캐비닛 외부프레임에 대해서만 고려하였다. 또한 효과적인 강재댐퍼의 제진 거동을 확인하기 위해 부착위치에 대한 검토를 캐비닛의 최상단면과 외부 두 옆면, 전･후면으로 총 3가지의 변수로 설정하였으며, 캐비닛 외부 면과 강재댐퍼가 접촉되어 있는 면은 모두 용접인 상황으로 가정하였다(Fig. 6).
지진동에 의한 동적거동을 파악하기 앞서, 캐비닛 구조물의 기본 동특성을 파악하기 위해 실제 조건과 유사하게 캐비닛의 바닥면 전체를 고정조건으로 가정하여 모드해석을 진행하였다. 또한, 모드해석으로 도출된 결과를 통해 유효질량 참여율을 분석하여 국부모드를 제외하고 확인하였으며, 지진동의 진동수 대역을 포함할 수 있도록 그 범위를 산정하였다.
2mm로 전기기기가 부착되는 내부프레임을 고려하여 가속도 이력에 의한 응답을 도출할 수 있도록 구현하였다. 캐비닛의 내･외부프레임은 SS275 재질의 재료물성을 입력하여 탄성거동으로 가정하였다(Table 1, Fig. 1). 발전 플랜트 내부에 설치되기 때문에 정확한 수치해석을 위해서는 앵커볼트 고정이나 용접과 같은 정착조건 또한 반영되어야 한다.

제안 방법

(2) 3~17Hz의 광대역 진동수에서 높은 가속도 값을 가지는 GERS 응답스펙트럼을 외부하중으로 구성하여 응답스펙트럼해석 및 시간이력해석을 진행하였다. 그 결과 응력은 5MPa으로 구조적 건전성에는 낮은 수준의 응력이 발생하였고, 가속도의 응답을 진동수영역으로 응답스펙트럼 변환한 결과 약 15Hz에서 그 값이 증폭되었다.
14을 사용하고 설계도면을 참조해서 구성하고 있는 모든 요소를 반영하였다. 구성한 유한요소모델은 동적 거동으로 인해 발생되는 유한요소의 축력과 휨, 비틀림까지 고려하기 위해 3차원에 대한 계산이 가능한 고체요소로 구성하였다.
25h에 해당되는 위치). 그리고 가속도 결과의 경우 관심 진동수 영역인 100Hz으로 응답스펙트럼 변환하고 진동수에 따른 스펙트럼가속도로 정리하였고, 응답스펙트럼해석을 RSA, 시간이력해석을 THA로 정리하였다.
5s으로 5%감쇠비를 적용하여 생성하였다(MOIS, 2017). 그리고 본 해석에서 가정한 기기와 건물의 전면적 접촉조건을 반영하기 위해 캐비닛의 바닥면 전체에 응답스펙트럼해석 하중입력의 방향과 동일하게(x방향)가속도 시간이력 데이터를 입력하여 모델을 구성하였다.
다자유도 시스템을 단자유도로 분리하여 가속도에 대한 고유 특성에 따른 최대응답을 도출하는 응답스펙트럼해석법을 통해 캐비닛구조물 내부프레임에 발생되는 최대응답 수준을 파악하였다. 더욱이 GERS 스펙트럼의 영주기가속도(Zero Period Acceleration, ZPA)는 33Hz이후에서 형성되며, 이는 구성한 캐비닛 모델의 1차 모드에 대한 동적거동의 영향을 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
동적거동에 의한 캐비닛의 결과는 전기기기 부속품이 설치되는 내부프레임(In-frame)에서의 상･하, 중앙부 각 지점에 대한 결과를 도출하였다(상･중앙부 및 하부는 내부프레임 총높이를 1h를 기준으로 0.75, 0.5, 0.25h에 해당되는 위치). 그리고 가속도 결과의 경우 관심 진동수 영역인 100Hz으로 응답스펙트럼 변환하고 진동수에 따른 스펙트럼가속도로 정리하였고, 응답스펙트럼해석을 RSA, 시간이력해석을 THA로 정리하였다.
따라서 캐비닛구조물에 적용 시 초기 단면강성과 모멘트 저항성이 상대적으로 높은 스트럿폭 60mm 강재 플레이트 댐퍼를 선정하였고(Youn et al., 2017), 강재 플레이트 댐퍼의 기본 단위형상인 X형상을 캐비닛의 외부프레임 면적에 맞추어 모델링하였다. 강재댐퍼는 SS275의 물성으로 10mm의 두께로 구성하여 내진보강에 의한 응답경향성을 뚜렷하게 확인하고자 하였다.
본 연구는 발전플랜트 및 일반산업계에서 설치되어 운영중인 전기기기 캐비닛 구조물에 대한 지진 안전성을 확보하기 위해 유한요소모델을 구성하여 동특성을 파악하였다. 또한 제진보강 장치를 이용하여 내진 안정성을 증대시키기 위해 보강위치별 변수를 설정하여 해석적 연구를 수행하였다. 본 연구를 통한 결론은 다음과 같다.
지진동에 의한 동적거동을 파악하기 앞서, 캐비닛 구조물의 기본 동특성을 파악하기 위해 실제 조건과 유사하게 캐비닛의 바닥면 전체를 고정조건으로 가정하여 모드해석을 진행하였다. 또한, 모드해석으로 도출된 결과를 통해 유효질량 참여율을 분석하여 국부모드를 제외하고 확인하였으며, 지진동의 진동수 대역을 포함할 수 있도록 그 범위를 산정하였다.
또한, 시간이력해석을 수행하기 위해 구성한 응답스펙트럼GERS에 대한 포락함수를 형상화할 수 있는 P.CARES (Nie et al., 2007)를 통해 가속도 시간이력 데이터로 변환하였다(Fig. 3(b)).
또한, 지진동의 관심 진동수 대역 100Hz이내 도출되는 고유모드형상을 참조하여 스펙트럼 가속도를 1방향(x방향)으로 입력하였고, Summation of the Absolute value method(ABS)의 모드조합을 사용하여 최대 응답을 도출하였다(식 (1), Fig. 3(a)). 일반적으로 설계에서는 SRSS방법을 사용하지만, 구성한 모델은 모드해석을 통해 확인한 모드중 국부거동하는 인접한 모드상 진동주기가 비슷하기에 1방향성에 대한 뚜렷한 경향을 확인하고자 ABS를 적용하였고, SRSS의 결과와 유사한 값을 도출할 수 있었다.
보강 전･후 캐비닛 구조물의 고유특성 변화를 확인하기 위해 전술하였던 모드해석의 방법으로 수행하였고, 기본 캐비닛에 대한 동적해석 시 사용하였던 하중 값을 보강 캐비닛에 적용하여 그 결과를 도출하였다.
본 연구에서 검토한 전기기기 캐비닛은 실제 국내원전 적용을 위해 설계된 캐비닛을 기반으로 연구용으로 제작한 구조 프레임을 해석모델을 작성하였다(Kim, 2019). 실제 해당 캐비닛은 전기신호를 아날로그와 디지털 신호 간 변환 및 전송하는 기능을 수행하며 이를 위한 전기적 부품으로 구성되어 있다.
따라서 이를 방지하기 위한 제진 보강 적용이 지진 하중 유입에 의한 응답의 감소 측면에서 가장 효율적인 내진보강이라 할 수 있다. 본 연구에서는 이를 수행하기 위해 제진 보강재의 일종인 강재댐퍼를 설치 위치에 따른 변수를 설정하고 해석을 진행하였으며, 가속도 이력에 의한 기존 캐비닛의 응답과 제안하고자 하는 내진 보강 캐비닛의 응답을 비교･분석하였다.
선정한 캐비닛 구조물의 유한요소모델링은 범용구조해석 프로그램인 Abaqus 6.14을 사용하고 설계도면을 참조해서 구성하고 있는 모든 요소를 반영하였다. 구성한 유한요소모델은 동적 거동으로 인해 발생되는 유한요소의 축력과 휨, 비틀림까지 고려하기 위해 3차원에 대한 계산이 가능한 고체요소로 구성하였다.
실제 해당 캐비닛은 전기신호를 아날로그와 디지털 신호 간 변환 및 전송하는 기능을 수행하며 이를 위한 전기적 부품으로 구성되어 있다. 원전기기 내진검증(Seismic Qualification) 측면에서는 내부의 전기적 부품까지 반영하여 해석 모델을 구성하여야 하지만, 본 연구에서는 캐비닛 구조체의 동특성에 따른 증폭 및 응답 저감 가능성 검토함이 목적이므로 실제 제작된 캐비닛 구조물과 동일하게 외부 프레임 구조물만을 내진해석 범위로 설정하였다.
5(a), (b)). 응력의 경우 벽면에 대한 모드해석 결과를 관심주파수로 설정한 100Hz에 대해 주요모드를 산정하고, 이에 대한 각 차수별발생된 변위, 질량참여율을 분석하였다. 이를 x방향에 대한 참여도로 정리하면 Fig.
3(a)). 일반적으로 설계에서는 SRSS방법을 사용하지만, 구성한 모델은 모드해석을 통해 확인한 모드중 국부거동하는 인접한 모드상 진동주기가 비슷하기에 1방향성에 대한 뚜렷한 경향을 확인하고자 ABS를 적용하였고, SRSS의 결과와 유사한 값을 도출할 수 있었다.
캐비닛 구조물의 설계 시 내진 실험 및 해석의 과정에서 사용되고 있는 Generic Equipment Ruggedness Spectra (GERS) 를 기준으로 구성한 캐비닛 모델에 대한 응답스펙트럼해석및 시간이력해석을 수행하였다. GERS 스펙트럼은 미국 내 원자력 발전소를 대상으로 다수의 발전소 및 설치위치에 따른 층응답스펙트럼을 포괄할 수 있도록 제작된 것으로 다양한 진동수 영역에서 상대적으로 높은 가속도를 갖도록 구성이 되어 있으므로 고유진동수에 따른 증폭 및 영향을 확인할 수 있을 것으로 판단하였다(EPRI NP-5223, EPRI NP-7147).

대상 데이터

전기기기 캐비닛 구조물은 캐비닛이 설치되는 건물의 층응답스펙트럼 등 설계조건 이상의 역량을 보유하면 되기에 다양한 크기와 형상이 존재한다. 이에 따라 비구조요소에 대한 제진보강 실효성에 관한 연구를 진행하기 위해 원자력 발전소와 같은 발전플랜트 내 운용되고 있는 전기기기 캐비닛을 대상 구조물로 선정하여 해석적 연구를 수행하였다.

성능/효과

(1) 캐비닛 모델에 대해 모드해석을 진행한 결과, 1차 고유 진동수는 24.56Hz으로 지진 진동수 대비하여 높은 구간에서 도출되었으며, 이후 고차모드는 100Hz이상으로 강성구조물임을 알수 있다.
(3) 이에 따라 강재댐퍼를 캐비닛의 형상에 맞추어 내진보강재로 이용한 결과, 동일한 하중 조건에서 기본 캐비닛은 최대 가속도 증폭이 4.93g이고 외부 두 옆면 및 최상 단면에 보강한 캐비닛은 4.8g, 5.21g로 보강에 대한 효과가 나타나지 않았다. 그러나 전･후면 보강캐비닛의경우 2.
일반적인 전기기기 캐비닛은 10Hz이상에서 1차 고유진동수가 발생하는 것으로 알려져있으나(Merz, 1991(a)), 본 연구에서 수행한 캐비닛 구조물은 상대적으로 고진동수인 24.56Hz에서 1차 모드 고유진동수가 발생하였으며, 고차모드로 산정된 각 차수별고유 진동수는 100Hz이상으로 고차모드에 대해서는 비교적 강성거동을 보이는 것으로 판단된다(Fig. 2). 그러나 지진 하중으로 인한 캐비닛 구조물 자체의 구조건전성이 확보되어도, 실제 전기기기 캐비닛에서 내부프레임에 부착되는 계전기(relay) 전기기기들은 오작동 및 신호 왜곡발생 등 고진동수 진동에 민감한 것으로 알려져 있기 때문에(Merz, 1991(b)), 고진동수 대역에서의 캐비닛 내부프레임의 응답 수준의 저감 및 안전성이 확보되어야 할 것으로 판단된다.
우선, 참조한 위치별발생한 Fig. 8(a)에서 알 수 있듯이, 참조한 위치별 발생한 응력의 수준은 기본 캐비닛의 상부에서 발생한 최대 응력 4.49MPa에 대비하여 RC Door는 0.83MPa 으로 81.5% 감소되는 것을 알 수 있는 반면, RC Top의 경우 5.24MPa이 발생하고 BC에서 발생한 응력 대비하여 16.7%가 증가하였고, 시간이력해석으로 얻어진 응력수준(Fig. 8(b))도 응답스펙트럼해석으로 도출된 결과와 비슷한 수준이었다.
GERS 스펙트럼으로 인한 캐비닛 구조물의 응답을 정리한 결과는 Fig. 4에 정리된 바와 같으며, 응답스펙트럼해석으로 얻어진 내부프레임의 최대 응력결과, 상･중･하 각각의 지점에서 4.51, 1.14, 4.48MPa으로 도출되었고, 시간이력해석에서 얻어진 최대 응력수준 또한 비슷하였다.
캐비닛 구조물의 설계 시 내진 실험 및 해석의 과정에서 사용되고 있는 Generic Equipment Ruggedness Spectra (GERS) 를 기준으로 구성한 캐비닛 모델에 대한 응답스펙트럼해석및 시간이력해석을 수행하였다. GERS 스펙트럼은 미국 내 원자력 발전소를 대상으로 다수의 발전소 및 설치위치에 따른 층응답스펙트럼을 포괄할 수 있도록 제작된 것으로 다양한 진동수 영역에서 상대적으로 높은 가속도를 갖도록 구성이 되어 있으므로 고유진동수에 따른 증폭 및 영향을 확인할 수 있을 것으로 판단하였다(EPRI NP-5223, EPRI NP-7147).
(2) 3~17Hz의 광대역 진동수에서 높은 가속도 값을 가지는 GERS 응답스펙트럼을 외부하중으로 구성하여 응답스펙트럼해석 및 시간이력해석을 진행하였다. 그 결과 응력은 5MPa으로 구조적 건전성에는 낮은 수준의 응력이 발생하였고, 가속도의 응답을 진동수영역으로 응답스펙트럼 변환한 결과 약 15Hz에서 그 값이 증폭되었다. 이는 캐비닛의 구성요소인 한 벽면의 고유치 분석을 통해 다양한 기하학적인 요소로 구성된 캐비닛의 국부거동으로 인해 발생된 결과임을 확인하였다.
21g로 보강에 대한 효과가 나타나지 않았다. 그러나 전･후면 보강캐비닛의경우 2.55g로 기본 캐비닛 대비 약 48% 가속도응답이 감소됨을 알수 있다.
기본 캐비닛의 양 옆면, 최상단면(RC Side, RC Top)에 강재댐퍼를 부착한 경우 1차 모드거동은 기본 캐비닛과 동일하였으며, 강성과 질량이 추가됨에 따라 RC Side, Top 위치에서 25.08, 22.82Hz으로 각각 도출되었다. 그러나 전･후 프레임(RC Door)에 부착한 경우 강재댐퍼의 로컬거동으로 14.
이는 캐비닛의 구성요소인 한 벽면의 고유치 분석을 통해 다양한 기하학적인 요소로 구성된 캐비닛의 국부거동으로 인해 발생된 결과임을 확인하였다. 또한 동적 해석으로 도출된 가속도의 증폭 효과는 발생된 응력 수준만을 고려하여 캐비닛의 기능적 안전성을 확보할 수 없는 것으로 판단된다.
또한, 가속도 이력에 따른 응답의 결과 값을 진동수의 영역으로 정리한 결과, 입력한 가속도는 약15Hz의 진동수영역에서 상부 지점으로 진행될수록 증폭되는 것을 확인하였다.
본 전기기기 캐비닛 구조물의 경우 동적 거동의 결과로 도출된 캐비닛의 응력 수준을 고려하면 참조한 캐비닛은 높은 강성체로 GERS 스펙트럼에 의한 구조적 안전성은 확보되는 것으로 판단된다. 하지만, 캐비닛에 발생되는 낮은 응력 수준의 결과는 캐비닛 내부에 설치되는 전기부품이 가속도 이력시 발생되는 증폭에 대해 기능적 안전성을 입증할 수 없다.
진동수 영역에 따른 가속도의 증폭 수준을 비교한 결과, 동일한 외부 하중에 대하여 RC Door의 응답은 약2.55g이고 BC의 경우 약4.93g으로 약48% 감소된다는 것을 확인할 수 있었으며, 증폭되는 진동수 영역은 비슷하였다. 하지만, 제진 장치를 부착하였음에도 RC Side와 Top의 최대 증폭수준은 BC와 유사하였으며, RC Door를 제외한 내부프레임 중앙부와 하부는 일치 거동함을 보여주고 있다(Figs.

후속연구

(4) 본 연구에서는 단일 응답스펙트럼만을 고려하였기에 구성한 캐비닛 모델 동적거동의 경향을 일반화 할 수 없다. 그리고 고려한 변수 이외에도 볼트 접합 등 강재 댐퍼를 기기에 부착하는 다양한 방법의 연구와 댐퍼의 두께와 같은 제원 등에 관한 추가적인 연구를 진행되어야 하며 실제 효과적인 적용을 위한 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
(4) 본 연구에서는 단일 응답스펙트럼만을 고려하였기에 구성한 캐비닛 모델 동적거동의 경향을 일반화 할 수 없다. 그리고 고려한 변수 이외에도 볼트 접합 등 강재 댐퍼를 기기에 부착하는 다양한 방법의 연구와 댐퍼의 두께와 같은 제원 등에 관한 추가적인 연구를 진행되어야 하며 실제 효과적인 적용을 위한 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
다자유도 시스템을 단자유도로 분리하여 가속도에 대한 고유 특성에 따른 최대응답을 도출하는 응답스펙트럼해석법을 통해 캐비닛구조물 내부프레임에 발생되는 최대응답 수준을 파악하였다. 더욱이 GERS 스펙트럼의 영주기가속도(Zero Period Acceleration, ZPA)는 33Hz이후에서 형성되며, 이는 구성한 캐비닛 모델의 1차 모드에 대한 동적거동의 영향을 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
, 2008; Eem and Choi, 2018). 이처럼 구조물 자체에 대한 내진검증뿐만 아니라 비구조물에 대한 내진성능 검증 및 향상에 관한 연구가 수행되고 있으나, 기존 설치되어 운영 중인 전기기기 캐비닛에 대한 내진안전성과 캐비닛 내부 부착되어있는 전기기기에 대한 오작동의 안전성을 확보하기 위한 연구 또한 필요한 것으로 판단된다.

참고문헌 (14)

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Nie, J., Xu, J., and Costantino, C. (2007), P-CARES: probabilistic computer analysis for rapid evaluation of structures. Division of Fuel, Engineering and Radiological Research, Office of Nuclear Regulatory Research, US Nuclear Regulatory Commission.
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Youn, I.R., Kim, C.H., Do, C.G., and Jang, W. (2017), A Study on the Structural Performance of Steel Plate Damper, Journal of Korean Society of Steel Construction, 29(2), 159-167.

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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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