“物質轉換에 의한 化石에너지物質 循環處理 技術”

기술/연구/보고서    













지적재산권자 : 김영목

지적재산권자 : 김대건



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“物質轉換에 의한 化石에너지物質 循環處理 技術”

기술/연구/보고서    




1. 硏究의 目的


제2차 세계대전 이후 石油産業의 급속한 발달은 人類에게 각종 편의를 제공하였는데, 그 가운데 C6H6, C2H4 물질을 C6H5CHCH2 물질로 轉換시키는 기술의 개발은 급기야 인류에게 플라스틱 시대를 누리게 하여 주었으며 原子力發電(nuclear Power generation)에 의한 무한의 전기에너지는 인간을 물질적으로 풍요롭게 하였다. 


그러나 현대의 풍요로운 물질생활은 극복하기 어려운 致命的 難題도 인류에게 안겨 주었으니, 資源의 枯渴이 임박한 가운데 매일같이 엄청나게 쏟아져 나오는 쓰레기를 소각하는 과정에서 배출되는 다이옥신과 자동차의 매연, 화력발전소에서 내뿜는 각종 유해가스 등의 부산물은 지구 기후의 변화, 토양오염, 수질오염, 해양오염, 오존층 파괴, 남북극 대륙과 고산지대 만년설의 해빙 등으로 자연의 균형을 파괴하고 있다. 이는 인간과 동·식물에게 일반疾病을 일으킬 뿐만 아니라 變種, 치명적 난치병을 발생시켜 生物界 전체를 멸종의 위기로 몰아넣고 있다. 이 재앙의 시나리오가 인간 의식의 근본적 변화와 함께 획기적인 環境 新技術의 개발 및 汎地球的 適用이 실행되지 않으면 지구는 머지않은 장래에 滅亡을 告하고 말 것이다.


이러한 위기를 인식한 서방 선진 7개국(G7) 정상들이 논의하여 1985년에 협약한 오존층 보호를 위한 비엔나 협약과, 1992년 같은 취지로 협약된  기후 변화에 관한 국제연합 기본 협약에 명시적으로 제기된 시급한 과제로서 오존층을 보호하고, 지구기후변화의 “adverse effet”를 감

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소 또는 제거, 방지할 수 있는 “대체방법”, “대체장비(기계)”, “대체기술”과 “대체물질”을 발견 또는 발명하는 데에 본 기술 硏究의 目的이 있다.



2. 국제환경규제의 벽을 어떻게 넘을 것인가

○ 환경기술개발 없이는 경제재앙 불가피

○ 기후변화협약과 교토의정서는 위기이자 기회


1) 기후변화협약


‘기후변화협약’이란 지구의 온난화를 규제하고 방지하기 위한 국제협약으로 정식명칭은 '기후변화에 관한 유엔 기본협약'[United Nations Framework Convention on Climate Change]이다. 1992년 5월 9일 미국 뉴욕에서 정식으로 체결되었으며 목적은 이산화탄소를 비롯한 온실가스의 방출을 제한하여 지구 온난화를 방지하고자 하는 데에 있다. 


협약의 내용은 기본원칙, 온실가스 규제문제, 재정지원 및 기술이전 문제, 특수상황에 처한 국가에 대한 고려로 구성되어 있으며 이산화탄소(CO2), 메탄가스, 프레온가스(CFC- 11, CFC- 12, CFC- 115) 등이 대표적인 규제대상의 물질이다. 기후변화협약 체결국은 염화불화탄소(CFC)를 제외한 모든 온실가스의 총배출량과 그 제거량을 조사하여 이를 협상위원회에 보고해야 하며 기후변화 방지를 위한 국가 계획도 작성해야 한다. 


한국은 1993년 12월에 47번째로 이 협약에 가입하여, 1994년 3월 21일을 기준으로 적용받기 시작하였다. 기후변화협약에서는 정도의 차이는 있지만 모든 나라에 지구 온난화의 책임이 있으므로 능력에 따라 의무를 부담하되, 지금까지 에너지를 많이 사용해왔고 기술적, 경제적 능력이 있는 선진국이 선도적 역할을 하면서 개도국의 사정을 배려한다는 원칙하에 당사국들을 부속서Ⅰ 국가와 부속서II 국가, 기타 국가(개도국)로 구분하여 각기 다른 의무를 부과하고 있다. 

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2) 교토의정서(Kyoto Protocol)


환경 파괴에 관해 가장 시급한 것은 온실가스를 줄이는 길이다. 지구표면의 온도를 덥게 하여 양극지방의 얼음을 녹이고 생태계를 파괴하는 것이 바로 온실가스 효과 때문에 그러하다. 교토의정서는 지구 온난화의 주범인 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 줄이기 위한 국제 협약으로, 1997년 일본 교토(京都)에서 열린 기후변화협약 3차 총회에서 채택되었다. 본 의정서는 선진국이 의무적으로 온실가스를 감축하도록 구속하고 있으며 이를 위한 방법으로 배출권거래제도, 청정개발사업 실시 등을 적시하고 있다. 


교토의정서는 우리에게 커다란 경제적 부담을 요구하고 있다. 우리나라는 2008년부터 규제를 받는 의무감축 대상국에는 포함되지 않아 당장 일률적으로 온실가스 배출량을 줄여야 하는 것은 아니다. 한국의 경우 2차 기간인 2013∼2017년에 의무감축 대상국이 될 가능성이 크다는 게 대체적인 전망이다. 얼핏 보면 아직 8년이라는 긴 시간이 남아 있는 것 같지만 실상은 ‘발등의 불’이다. 


우리나라가 온실가스 배출량을 10% 줄여야 할 때 들어가는 비용은 2020년을 기준으로 최대 28조 6,323억 원에 이를 것으로 추산된다. 특히 철강, 화학, 전력산업 등은 생산과 수출에 있어서 심각한 차질이 우려된다. 지금과 같은 무방비 상태로 교토의정서에서 제시하는 감축의무를 이행하게 되면 ‘환경재앙’은 물론 ‘경제적 손실’이 매우 크다고 하겠다.


우리나라의 일부 산업은 이미 교토의정서의 실질적인 영향 아래 놓여 있다. 자동차업계가 유럽연합(EU)으로 수출하는 자동차의 이산화탄소 배출량을 현행 km당 186g에서 2009년까지 140g으로 줄이기로 EU 집행위원회와 협약을 맺은 것이 하나의 사례이다. 교토의정서 발효를 계기로 이와 유사한 형태의 환경규제는 더욱더 커질 가능성이 크다. 따라서 다른 업계나 기업들도 온실가스를 감축하기 위한 대책 마련을 서둘러야 한다. 


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3) 환경 신기술 개발의 절박성


"오존층 보호를 위한 비엔나 협약"(1985)과 "오존층 파괴물질에 대한 몬트리올 의정서"(1987) 그리고 “기후변화협약”(1992)과 “교토의정서”(1997) 등 국제환경규제협약은 일관되게 환경재앙을 경고하면서 이에 대처하기 위한 환경신기술의 개발을 촉구하고 있다. “대체기술 •  대체장비 • 대체방법 •  대체물질”이 바로 이것을 의미한다. 


유엔은, 환경규제의 실행 효율을 높이기 위해 국가간 경제적 이해관계를 활용하고 있는데, 청정개발체제(Clean Development Mechanism), 공동이행제도(Joint Implementation), 배출권거래제도(Emission Trading)가 이에 속한다. 개발된 기술은 협약 규정에 따라 신속히 전 세계 정보교류 및 기술협력 형태로 보급되는데, 이 과정에서 기술을 先개발, 先보급하는 국가는 온실가스 저감 실적을 인정받아 막대한 경제적 이익을 얻게 된다.


본 기술은 기존 기술의 原理的 限界를 극복하여 不연소, 不소각의 원리에 의거, 화학에너지 물질을 처리하므로 어떠한 有害가스도 배출하지 않고 100%에 가까운 자원 순환율을 보인다는 점에서 環境危機, 資源危機의 시대에 요구되는 핵심 원천기술로서 손색이 없다 할 것이다.



3. 국내외 환경기술의 現況과 問題點 


일반적인 산업폐기물과 생활폐기물의 처리방법은 재활용 가능 여부에 따라 재활용하거나 폐기 처리되고, 재활용이 불가능한 폐기물 중 부식물은 매립하여 처리하며 부식되지 않는 폐기물은 연소 가능 여부에 따라 소각처리하거나 용융 고화시켜 건설자재로 활용한 후, 두 번째 再活用은 불가하여 결국 소각처리하게 된다. 


폐플라스틱 처리 및 내연기관으로 화석연료 소각 시, 많은 먼지와 다이옥신(CH3Cl, CCl2F2, CCl4, CH3CCl3, CHBr3, CH3Br 등)을 포함, 유해 

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가스(CO, CO2, HCN, NO2, NH3, NOx, CH3 등)을 배출하여 환경오염의 원인이 되고, 특히 다이옥신은 인간, 동·식물 생명체에 致命的인 영향을 미치는 문제점이 있다.


폐플라스틱 소각에 의해 발생되는 ClOx, BrOx은 파괴되지 아니하고 오존층에 도달하여, O3를 파괴하게 되며, 폐기물 소각 또는 화력발전소의 가동 시, 그리고 각종 내연기관에서 화석연료 연소 시에 배출되는 CO, CO2, NO2 등과 같은 酸化物은 地表面에 溫室效果를 일으켜 지구온난화로 이어진다. 온난화는 남극, 북극, 고산지대 만년설의 해빙을 일으켜 저지대 국가는 물에 잠겨 영토가 없어지는가 하면, 지구촌에 각종 천재지변이 속출하고 大陸은 사막화로 이어져 지구가 멸망의 위기에 처하게 되는 것이다.


다이옥신은 대략 350℃~750℃에서 발생하고, 750℃ 이상에서 파괴되는 것으로 알려져 있다, 400℃ 정도의 온도로 소각 처리할 경우, 다이옥신이 발생하므로, 다이옥신을 구속시킨 상태에서 이를 파괴하는 온도까지 상승시켜야 하므로 처리비용이 상승하게 된다, 더욱이 폐기물의 혼합이 제대로 이루어지지 않을 경우, 부분적인 저온구간이 발생하기도 하는데, 전체온도를 일정 온도 이상으로 균일하게 상승시키기가 결코 쉽지 않다. 또한 380℃(화학물질의 인화점 380℃) 이상에서 소각 처리할 경우, 목재나 섬유와 같은 유기물질은 완전 연소되나, 합성수지와 같은 화학물질은 불완전 연소되어 다이옥신류와 유해가스를 발생시키는 문제점이 있다. 


이에 모래나 콘크리트와 같은 무기물질과 유기물질 및 화학물질을 單一種으로 분류하여 별도로 소각 또는 재활용할 필요가 있는데, 이 분류공정에 막대한 시간과 노력이 들어 폐기물 처리비용이 현격하게 상승하게 되므로 이를 실행하기는 현실적으로 어려운 실정이다.


그동안 선진 G7 국가는 20년 동안 자체기술로, 대한민국은 10년 동안을 국제기금 지원과 선진국 환경기술을 移轉 받아 폐플라스틱을 소각열분해 기술로 처리하여 왔으나, 이성질체 분류에 막대한 人力이 소모되므

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로 부득이 여러 종류의 폐기 화학에너지물질을 동시에 투입하다보니 유해가스가 대량 발생하고, 기계내부에 코킹현상이 발생할 뿐 아니라 처리 후에도 25%의 소각재가 발생한다. 결국 매립 처리할 수밖에 없는 한계에 봉착하였고 또한 재활용 노력에 비해 경제성이 없어 2005년12월30일 일본에서 GE DO보고서로 소각열분해 방법은 실패하였음을 선언하였다.


화석연료의 고갈과 화석연료 연소 시 배출되는 탄소 등 유해가스 때문에 세계 각국이 H2O를 전기 분해하여 H2 청정에너지로 대체하려고 하였으나, H2 1ℓ의 값이 화석연료 10배 이상 高價여서 H2의 대체연료화에 실패하여, 수소자동차가 상용화되지 못하고 있는 실정이다.


4. 본 기술의 兩大 原理

◎ 폐플라스틱 처리방법 및 그 장치


1. 출원번호 : 10- 2008- 0032867(출원일자:2008.04.08.)

2. 국제출원번호 : PCT/KR2008/006597(출원일자:2008.11.10.)

3. 국제공개번호 : WO/2009/048312 A1(공개일:2009.04.16.)

4. 심사청구(우선심사신청)서 (신청일:2008.04.28.)

5. IPC 국제분류기호 : B29B 17/02 (2006.01), B09B 3/00.

◎ 청정 대체에너지 수소의 생산방법 및 그 장치


1. 출원번호 : 10- 2012- 0065326(출원일자:2012.06.19.)

2. 심사청구(우선심사신청)서 (신청일:2012.06.19.)

3. 우선심사신청관련 대응출원 보완설명서(신청일:2012.07.04.)

4. 등록번호 : 10- 1218661- 00- 00 (등록일:2012.12.28.)

5. IPC 국제분류기호 : C01B 3/02, C01B 3/50(2006.01)



본 기술은 두 가지의 兩大原理에 기초하여 연구 개발되었다.


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첫째, 不연소, 대체물질 클린에너지 제조 융합기술의 原理이다.


지구의 모든 環境 災殃은 화석연료의 연소와 폐기물의 소각, 매립에서 시작된다. 연소와 소각행위에 의해 다량의 탄소와 치명적 수준의 맹독성 다이옥신이 대기권으로 대량 방출되면서 환경오염, 지구온난화, 오존층 파괴 등 환경 재앙의 비극이 연출되고 있는 것이다.


그러므로 지구와 인류가 살아남기 위해서는 전 지구상에서 일체의 화석연료 연소 및 폐기물 소각행위가 즉각 중단되어야 한다. 즉 쓰레기 등 폐기물을 차단형매립시설, 관리형매립시설(침출수처리시설, 가스소각, 열병합발전, 연료화처리시설)이 아닌 새로운 방법으로 최종 처리할 수 있어야 하고, 사용이 중단되는 화석 연료를 대체할 보다 우수한 火力의 청정대체에너지를 안정적으로 대량 생산, 공급할 수 있어야 한다. 


둘째, 물질 전환에 의한 循環의 原理이다.


현대의 기술 문명은 우리에게 풍부한 소비생활을 가능하게 해주었지만, 제한된 기술 수준은 유한자원의 필연적 고갈을 막지는 못하고 있다. 임박한 자원 고갈을 막기 위해 인류는 기존의 물질을 消耗하는 것이 아니라 리사이클링의 방식으로 순환, 再使用할 수 있는 방법과 기술을 신속하게 찾아야 한다. 


본 환경 신기술, “물질전환에 의한 화석에너지 순환처리기술”은 폐비닐, 폐플라스틱, 무연탄, 나무 등을 포함하는 일체의 폐 재료 화학물질로부터 물질구성 성분들을 회수하여 지구와 생물계에 유익하고 무해한 물질로 전환시키고, 그 처리 과정에서 생산되는 RESIN으로 볼(BALL)을 제작하여 에너지 원료의 투입이 없이 클린에너지 H2가스를 무한으로 생산해 낸다. 


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無公害 클린에너지 H2가스를 動力源으로 하여 전기를 생산하고, 전기 생산 과정에서 생산되는 맑은 물은 자연에 환원시키며, 순환 회수된 RESIN은 生活必需品인 플라스틱 제품을 생산하는데 재사용함으로써 인류는 자원의 고갈 없이 풍요한 소비생활을 持續할 수 있게 되는 것이다.


5. 技術의 兩大理論 (化學에너지物質의 鎔融處理 方法) 


1) 理論 敍述


폐기 化學에너지物質을 리사이클링하여 H2 에너지와 RESIN을 생산하는 기술의 학술적 이론(방법)은 다음과 같다. 


◎ 융점이 상이한 A群 물질 ····· PP, PE 등 저밀도 고분자 물질계 

◎ 융점이 상이한 B群 물질 ···· Poly, PVC 등 고밀도 고분자 물질계

◎ 음식물 슬러지 C群 물질·····셀룰로오스(C.H.O) 유기물  물질계



上記 系에서 A群 저밀도 고분자 물질과 B群 고밀도 고분자 물질 및 C군 유기물 물질을 1 : 1 : 1 비율로 혼합하여 전기 용융로에 無差別 投入한 후에, 260℃까지 외부 전기로 가열시킴과 동시에 200HP의 강력한 압축굴림마찰열을 가하게 되면, 3㎾ 2,450㎒ 유전가열에 의한 고주파 放射로 분자 간 충돌 및 수소분자 내부에 내부마찰열을 발생시켜 물질구성분자(C·H)를 분리(註1)시키면, A·B·C군 물질은 동일 시간에 동일 성질의 융합물질(註2)이 된다. 


이 융합물질이 수산화알루미늄 Al(OH)3의 담체(matrix)에 의해 감압증류장치로 운반되면 그 내부에서 C와 H가 친화성 온도에 접근하면서 水素

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化反應을 일으켜 C8와  H10 이 氣體 合成되고, 이것이감압증류장치에 의해 배출구로 배출되어 냉각장치로 들어가 냉각된 것이 곧 융합결정화(註3)된 물질이고 液體相 原料인 C8H10이다. 


또한 폐기 化學物質을 물질전환의 방법으로 순환처리하면 그 과정에서 석유, 가스 등 기존 화석연료의 대체청정에너지인 水素에너지를 대량으로 생산할 수 있게 되는데, 이 수소를 燃燒材로 하는 H2 발전소를 건설하여 電力을 생산, 기존의 火力發電 또는 原子力發電의 방식이 가져오는 환경오염과 지구기후변화의 모든 “adverse effet”를 완전히 해결함으로써 地球와 그 생명체를 救할 수 있게 된다. 


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(註1) 수소분자물질 분자분리 방법

고밀도 고분자 물질에 3㎾ 2,450㎒를 放射하면,  C와 H 분자가 마찰에 의한 물질 내부 열의 급격한 증가로 상호 분자 분리된다. 즉 고밀도 고분자 물질에 交流電氣를 투입, 음양 교차를 시키면 陰電氣에는 +물질분자가, 陽電氣에는 - 물질분자가 배열하게 되는데, 이 과정이 연속적으로 急速히 이루어지는 과정에서 물질은 내부마찰열을 일으키게 되고, 마침내 물질 구성 요소인 C와 H 분자는 상호 분리된다. 


(註2) 융합물질 

녹는점[融點]이 다른 異性質體 物質을 동일 시간대에 녹여 혼합시킨 동일 성질의 液體相 物質을 말한다.


(註3) 융합결정화

융합물질이 수소화 반응을 일으켜 만들어진 물질






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2) 이성질체 화학물질의 동일물질화의 방법에 대한 圖解



<그림1  異性質體 化學物質의 熱平衡化學反應에 의한 同一物質化 方法>




엔트로피증가                          마찰열발생

誘電加熱 3㎾ 2450㎒

열화학반응 

110℃ A·C군 물질

210℃ B군 물질


자유에너지 감소                        자유에너지 증가




<그림1 說明>


“열에너지 열역학열운동, 물리적 마찰열운동, 무질서분자운동, 질서분자운동, 열평형화학반응,  유전가열 3㎾ 2,450㎒에 의한 수소분자 내부 마찰열 발생의 결과, A군·B군·C군 물질이 혼합되어 동일 융합물질이 된다.”







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3) 이성질체 화학물질의 동일물질화의 과정에 대한 圖解



<그림2  異性質體 化學物質의 熱平衡化學反應에 의한 同一物質化 過程>



NO.1     NO.2                    NO.3 


 ⓛ 


󰍽󯐍

Ⓑ Ⓑ  ⓐ 󰍽ⓐⒷⓑⒷ󰍽Ⓑ

󰍽 ⓐ 󰍽   ⓒ Ⓑ ⓑ    Ⓑ 󰍽Ⓑ󰍽Ⓑ


NO.4   NO.5 NO.7  NO.6       NO.8


NO.1 ....... 원료 투입구         NO.2 ....... 진공 시설

NO.3 ....... 전기가열            NO.4 ....... 200HP 압력

NO.5 ....... A군 물질            NO.6 ....... B군 물질

NO.7 ....... C군 물질

NO.8 ...... 분자 무질서운동, 수소분자 내부마찰열, 물질분자열 증가, 물질분자 분리


<그림2 說明>


① 컨트롤 박스에서, 용융로 외부에 전기 세라믹 가열하여 온도가 260℃에 도달하면 NO.4의 압출구동부에 200HP의 강력한 압축을 가하고, NO.1의 원료투입구에 A군 물질 + B군 물질 +C군 물질의 원료를 無差別 投入한다.


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② 원료투입구에 無差別 投入된 물질 중, 고밀도고분자물질에 誘電加熱 3㎾, 고주파 2450㎒를 放射하면, 수소분자 내부에서 급격히 내부마찰열 온도가 증가하여 C와 H의 분자 간 결합이 분리되어 液化된다.


③ A군의 저밀도 고분자 물질과 C군 유기물 물질은 共히 저밀도 물질이므로 誘電加熱의 영향을 받지 아니하여 마찰열 발생이 없으므로 자유에너지는 감소되고 엔트로피는 상승하게 되며, B군의 고밀도 고분자 물질은 용융로 내부의 스크류 회전과 압축에 의해 발생되는 마찰열을 흡수하여 자유에너지가 증가한다.


④ 용융로 내부의 스크류를 30회/分 속도로 回轉시키면 각 群의 물질은 7m 길이의 용융로를 통과하면서 1단계로 전기가열에 의해 160℃에서 A군과 C군의 저밀도 물질이 용융 분해되고, 2단계로 전기가열온도 160℃와 유전가열 3㎾ 2,450㎒ 高周波 放射에 의해 100℃ 증가, 총 260℃가 되어 B군의 고밀도 고분자 물질까지 완전 용융됨으로써 A·B·C군 물질 전체가 마침내 동일 성질의 液體相 物質, 즉 原油 상태가 된다. 


⑤ 위 ④의 액체상 물질은 260℃ 온도에서 C분자와 H분자의 연결고리가 끊어진 상태의 물질로서, Al(OH)3 담체에 의해 감압증류탑으로 이송되어 감압장치에 의해 45㎜Aq 감압하면, 증류탑 내부의 온도가  C분자와 H분자의 親和性 溫度인 375∼380℃가 되어, 증류탑 내부에서 C8와 H10이 합성 증류되고 이것이 다시 냉각장치로 이송되어 기름으로 생산된다.


⑥ 물질 분자 마찰열에 의해 화학반응이 일어나는데, 熱力學 제2법칙, 즉 엔트로피 증가의 법칙에 따라 에너지는 그 수준이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 옮겨가면서 熱平衡狀態를 이룬다. 물질의 化學反應이 계속 진행될 때 有效한 일을 하는 자유에너지가 增加 또는 減少하면서 異性質體의 물질이 열평형상태를 갖춘 同一 性質의 물질로 轉換된다. 따라서 다음과 같은 現象이 나타나게 된다. 

= 發熱反應을 진행했을 때 : 그 系가 갖는 자유에너지는 감소하며

= 吸熱反應을 추진했을 때 : 系 내부의 자유에너지는 증가한다.

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4) 학술이론에 의한 리사이클링 圖解


 


<그림3 학술이론에 의한 리사이클링 흐름도>

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6. 裝置[기계]의 발명


1) 발명의 특징


본 발명의 특징은 첫째, 이성질체 화학폐기물을 저밀도물질, 난해성물질, 고밀도물질로 따로 분류하지 아니하고 동시에 처리함으로써 처리 비용을 대폭 절감할 수 있다는 점과 둘째, 소각하지 아니하고 高周波로 융합시켜 유익물질로 물질 전환하는 방법을 사용하기 때문에 유해 가스 배출이 전무하고 폐기물로부터 각종 유익한 물질을 성분별로 회수하므로 자원 고갈을 방지할 수 있다는 점이다. 특히 물질전환 과정을 통해 청정에너지 H2를 대량으로 포집해 낼 수 있다는 점은 미래의 代案 에너지 확보에 기여하는 바가 큰데, 이는 1985년 비엔나 협약에 명시된 지구기후변화의 “adverse effect”에 대처하기 위한 “代替裝置” 발명을 의미하는 것이다. 


본 장치에 의한 폐기 화학에너지물질의 처리 과정은 다음과 같다. 

㉠ 저밀도 플라스틱 : PC. PE 등.

㉡ 고밀도 플라스틱 : Poly, Nylon, 각종 필름 등.

㉢ 난해성 플라스틱 : PVC. ABS 등의 화학물질을 인위적으로 분리하 지 아니하고,


① 전기 세라믹 히터 외부 가열과

② 강력한 스큐류 압축 마찰열 가열

③ 고밀도 고분자 물질 내부의 수소분자 내부마찰열 유발, 분자분리 방 법으로 가열하면, 


ⓐ 저밀도 플라스틱은 110℃~130℃에서 분리 액화되기 시작하고

ⓑ 고밀도 플라스틱은 180℃~210℃에서 분리 액화되기 시작하며

ⓒ 난해성 플라스틱은 170℃~180℃에서 분리 액화되는 시간이 동일하 므로 3가지 이성질체는 녹는 온도는 다르지만, 동일 시간대에 녹아 혼합된 액체가 된다.

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이성질체 화학물질에 외부가열, 수소분자 내부마찰열을 동시에 일으키면, 저밀도 플라스틱은 분자량의 수(500 이하)가 적어, 수소분자 내부마찰열의 발생 없이 세라믹히터 외부가열 온도 130℃에 녹기 시작하고, 고밀도 플라스틱은 분자량의 수(15,000이상)가 많아 수소분자 내부마찰열이 발생, 세라믹히터 온도 130℃ + 수소분자 내부마찰온도 90℃ = 220℃가 되어 녹기 시작하며, 난해성 플라스틱은 분자량의 수(5,000정도)가 수소분자 내부마찰열 발생에 적당하여, 세라믹히터 온도 130℃ + 수소분자 내부마찰열 40℃ = 170℃가 되어 녹기 시작한다. 그러므로 전술한 저밀도 플라스틱, 고밀도 플라스틱, 난해성 플라스틱은 소각되지 아니하고도 동일시간 내에 액체물질의 원유를 합성시킨다. 


2) 기계의 구조와 각 장치의 기능


본 발명 기계는 폐기물 압출성형장치로서 그 구조는 다음과 같다. (관련 도면과 세부 설명은 첨부 자료를 참조한다.)


○ 압출유로의 내부에 축회전 가능하게 구비되는 압출이송스크류 

○ 압출이송스크류를 구동시키는 압출구동부 

○ 압축유로의 내부 공기를 진공시키는 진공펌프 

○ 수평방향으로 이송되는 고밀도고분자에 유전마찰열 가열장치

○ Al(OH)3 수소화반응장치

○ 압출유로에 연직방향으로 연동되어 구비되는 수직주입유로

○ 수직주입유로의 내부에 축회전 가능하게 구비되는 수직이송스크류 

○ 수직이송스크류를 구동시키는 수직구동부 

○ 수직주입유로에 수평방향으로 연동되어 구비되는 수평주입로 

○ 수평주입로의 내부에 축회전이 가능하게 구비되는 수평이송스크류 

○ 수평방향으로 이송되는 고밀도 고분자에 2,450㎒ 유전마찰열가열장치

○ 가열 화학반응에 따른 HCL 회수장치 

○ 수평이송스크류를 구동시키는 수평구동부



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위 요소들이 폐플라스틱 (이성질체)을 동일시간 내에 용해시켜, 폐플라스틱의 구성성분을 회수하여, C6H6와 C2H4를 친화성온도 370℃~380℃에서 합성시키는 기계 구성 장치이다.


수평주입유로에 플라스틱 폐기물이 무차별 투입되면, 수직주입유로를 통해 상기 압출유로에 유입되고, 이때 수평이송스크류와 수직이송스크류에 의한 압축력으로 폐기물은 압출유로로 압송되면, 압출유로에서는 진공상태에서 압출이송스크류 회전에 의한 압축마찰열, 세라믹히터가열 온도, 폐기물 물질 분자내부마찰열 발생을 통해 폐기물이 고온의 상태로 용융되어, 액체상 원유로 배출된다.


상기 주입유로에는 이송스크류가 축방향으로 구비되므로 수직주입유로의 측면으로 폐기물을 투입할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이에 수직유로를 가로지르는 방향으로 수평주입유로를 적어도 1개 이상 구비하여, 수직주입유로에 GEL화된 폐기물을 공급하여, 수직주입유로를 중심으로 여러 개를 일정 간격을 두고 구비하는 것도 가능하다. 이 경우 여러 개의 유로에서 하나의 유로로 폐기물을 공급하게 되어, 압밀상태의 폐기물을 압출유로를 통해 공급하게 된다. 상기 수평주입유로에도 이송스크류가 구비되어 폐기물을 압송하게 된다.


상기 압출유로는 이송 스크류의 축 회전 시 압축마찰열, 세라믹히터가열, 유전가열 물질분자 내부마찰열 발생에 의해 폐기물의 온도를 상승시키면서 폐기물을 압송시키고, 외부로 배출되기 전에 저밀도 · 고밀도 · 난해성 고분자 물질, 즉 이성질체 물질을 동일시간 내에 용융점까지 온도를 상승시켜 폐기물을 완전히 용융시켜야 하므로 이송 스크류를 여러 개 구비하여 구간온도와 압축속도를 독립적으로 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.


상기 압출유로와 수평주입유로에 구비되는 이송 스크류는 여러 개를 서로 일정 간격을 두고 평행상태로 구비, 폐기물의 혼합과 마찰을 극대화하는 것이 바람직하다.

(이하 본 장치의 바람직한 실시 사례는 첨부서류 중, 특허관련 서류의 도면을 참조한다. ) 

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7. 기술 인프라와 연계 방안


1) 기술 인프라 연계의 필요성


본 기술은 폐기 플라스틱, 폐기 비닐, 폐기 화학섬유 등 難分解性 물질과 음식물 슬러지, 무연탄, 나무 등 일체의 화학에너지물질을 이성질 상태로 별도의 分類없이 또한 소각하지 아니하는 방법으로 무차별 용융하여 단일 성질의 액체상 물질로 전환시키는 기술이다. 無差別 完全鎔融, 바로 이 점이 본 기술이 지니는 決定的 價値이다. 


본 기술에 의해 일체의 공해물질 배출 없이 생산 확보된 대량의 완전용융물질이 인접 수소화반응기술, 감압증류결정화기술, 중합기술, 수소포집저장기술, 수소발전기술 등의 인프라와 연계되어 처리된다면, 우리는 용융물질로부터 高純度의 無制限 再使用 가능한 화학물질인 레진(플라스틱의 원료물질)은 물론 대량의 水素에너지와 산소, 공업용 염산(HCl), 맑은 물 등 유익한 물질을 안정적으로 획득할 수 있게 되는 바, 그 환경적 가치와 아울러 산업적 가치는 실로 엄청나다 할 것이다.


따라서 본 환경 신기술은 自體만으로도 적지 않은 환경적, 산업적 가치를 지니고 있지만 관련 기술 인프라와 연계된다면 시너지효과를 얻게 될 것이 분명하므로, 본 연구자는 特許法 제45조(1특허출원의 범위)와 同法 시행령 제6조(1群의 發明에 대한 1特許出願의 要件) 규정에 의거, “연계 기술 인프라”를 구축할 것을 강력히 提案한다. 



2) 연계 가능 기술의 소개


(1) 水素化反應技術


본 기술에 의해 완전 용융된 물질을 수산화알루미늄 Al(OH)3 담체

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(matrix)로 운반, 감압증류 및 냉각 장치로 이송하는 工程으로, 이 공정을 통해 용융물질은 310℃로 온도가 증가된 상태에서 수소화반응이 발생한다. 즉 水素분자가 분리되고, 유익한 물질인 O2가 발생하고 工業用 염산(HCl)을 획득할 수 있다. 



(2) 減壓蒸溜結晶化技術 (감압증류 결정화 기술)


Al(OH)3 담체에 의해 감압증류탑으로 이송된 액체상 용융물질을 감압장치에 의해 45㎜Aq 감압하면, 증류탑 내부의 온도가 C분자와 H분자의 親和性 溫度인 375∼380℃가 되어 C와 H분자가 연결 고리가 완전히 끊어져 C2H4(에틸렌)와 C6H6(벤젠)으로 분리된 후 증류탑 내부에서 합성 증류되고 이것이 다시 냉각장치로 이송되어 기름 상태로 변한다.


(3) 重合技術


감압증류결정화 물질을 촉매제로 탈수소처리(액체의 고체화)하는 공정에 해당된다. 이 공정에서 모노머(C6H6CHCH2) 즉 高純度의 RESIN이 생산되고, 副産物로 청정에너지 H2 등 유용한 물질이 구성 성분별로 회수된다. 


(4) 水素捕執貯藏技術


본 기술이 내포하는 환경적, 산업적 가치 중에서 가장 중대한 의미를 띠는 것은 화석연료의 대체에너지인 수소를, 일반 폐기 화학물질로부터 물질전환에 의한 무차별 완전용융과 그 일련의 처리 공정을 통해 副産物 형태로 대량 포집할 수 있다는 점이다. 水素는 채굴하여 얻는 1차 에너지가 아니라 전기분해 등 특별한 생산공정을 가해야 획득할 수 있는 2차 에너지이다. 생산공정에 투입되는 費用 대비, 생산량은 극히 微微하므로 수소의 販賣 單價는 일반 화석연료의 10배 정도로 비쌀 수밖에 없다. 현재 수소를 포집, 저장하는 기술로는 “수소저장합금” 같은 특수철강물질을 이용하는 기술이 주류을 이루고 있고, 최근에는 얼음 粒子 내부의 나노 공간을 이용하는 기술도 개발되었다. 향후 과제는 수소를 저비용으

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로 대량 생산해내는 것인 바, 본 기술은 이 과제를 근본적으로 해결하였다. 본 기술의 연계 인프라 중에 중합공정에서 탈수소처리의 결과 추출되는 水素를 포집하여 저장시설로 옮긴 후, 현재 시범 운영 중인 수소 스테이션에 충분한 양을 공급, 수소 자동차 운행을 본격화하고, 고효율 무공해 수소연료전지를 상용화 할 수 있다.


(5) 水素發電技術


본 기술의 인프라를 통해 생산된 수소를 연료재로 하는 발전 기술로서, 현재 화력발전用의 1,300℃ 내화벽돌의 대체재로 3,000℃ 내열 알루미늄강판을 설치, 염가로 공급된 수소를 고압 분사, 발화하여 高熱을 일으키고, 그 열로 인해 발생하는 수증기가 터빈을 돌림으로써 전력을 생산하는 기술이다. H2 1㎏ 80% 사용 시 28.67㎉ 열이 발생하는데, 이는 26.67㎾의 전기를 생산할 수 있는 에너지이다. 수소발전 과정에서 음용 가능한 대량의 물도 副産物로 얻게 되며, 수소발전기술을 본격화하면 현재 국내에서 생산되고 있는 전체 전력량의 3~4배를 저비용으로 생산할 수 있다. 생산된 전기는 韓國電力과의 전기판매권 계약을 통해 기존 전력 공급망을 이용, 각 가정과 산업 시설에 저렴한 가격으로 공급하고 잉여분은 수출할 수 있게 되는 바, 이상의 계획이 국책 사업으로 채택되어 강력히 추진된다면 대한민국은 환경대국, 에너지대국의 선두에 설 수 있게 된다. 



3) 연계 기술 인프라 구축도 圖示


별도의 面으로, 1群 발명 1특허출원에 의한 연계 기술 인프라 구축도를 소개한다. 이것은 기술 간 연계에 의한 시너지 효과 창출을 위해 필수적으로 요구되는 과업이다.




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1群 발명 1특허출원에 의한 연계 기술 인프라

단계별

1공장/1단계

1공장/2단계

1공장/3단계

1공장

중합기술

기술명

물질전환에 의한 화석에너지물질 순환처리기술

수소화반응기술

감압증류결정화기술

공통적 원리

RECYCLING에 의한 폐플라스틱 처리방법 및 그 장치

기술별

원리

◎ 不연소, 不소각

◎ 물질전환

◎ 물질회수, 순환의 원리

⇒ 자연 균형 회복

Al(OH)3 담체 운반에 의한 용융물질 가열, 310℃ 상태에서 수소화반응유발

감압에 의한 온도 상승,

C와 H분자간 친화성 온도 조성

(375~380℃)

촉매제에 의한 탈수소처리

(액체의 고체화) 


주요

기계

◎ 7m 전기세라믹가열 및 스크류

굴림마찰열 용융로(4개 爐 1라인)

◎ 3㎾ 2,450㎒ 유전가열기

Al(OH)3 담체(matrix)



감압증류기계



중합기계



결과

◎ 이성질체물질인 C와 H분자물질 (저밀도고분자물질,고밀도고분자 물질, 셀룰로오스 유기물 물질)을 무차별 용융 및 분자분리하여 

단일성질체의 물질로 만든다. 

◎ 不연소의 원리에 의거, 일체의 

다이옥신 및 유해GAS 차단

용융물질에 대한 수소화 반응 발생

(水素분자분리)


◎ O2 발생

◎ 염산(HCL) 생산





◎ C와 H분자의 완전분리

C2H4(에틸렌)와 C6H6 (벤젠)으로 분리







유익한 물질만 생산  


◎ 모노머(C6H5CHCH2)







산업적

가치

1개 라인, 용융로4기 총100t 물질생 산, 부가가치 극대화

◎ 1인관리, 人件費 절감

◎ 低에너지투입, 물질 분자 내부마찰열 유발, 완전용융

유익무해한 물질 획득






유익무해한 물질 획득






◎ 高純度 RESIN 생산

◎ 청정에너지 H2 생산

◎ 유용한 물질 구성성분      回收



환경적가치

오존층 보호 / 지구기후변화 방지 / 대체에너지 생산 / 인간·동·식물 보호 / 물不足 해결 / 자연환경 정화 / 사막화 방지 / 자원고갈 해소

식량난 해결/ 적도 무풍지대 폐플라스틱/ 산소부족 해결 등



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1群 발명 2특허출원에 의한 연계 기술 인프라

단계별

1공장/1단계

1공장/2단계

1공장/3단계

1공장

중합기술

기술명

POLY IMIDE Ball 생산

융합 흭스 열 생산

H2 GAS 제조

공통적 원리

청정대체에너지 생산방법 및 그 장치(H2 GAS 에너지 제조)

기술별

원리

◎ 不연소, 不소각

◎ 물질순환

◎ 물질회수, 순환의 원리

⇒ 자연 균형 회복

POLY IMIDE Ball 제작

H2O 흭스 열에 따른 H2 GAS 분리생산

◎ 수소 백금 촉매에 따른 발전



주요

기계

◎ 15mm POLY IMIDE Ball 제작



신의 열 500℃ 상승



H2 GAS 액체화



◎ 3,000℃ 내열 텅스텐 강판 및 내화벽돌 1,300℃ 대체제

결과

◎ POLY IMIDE Ball 진공제작


수소물질에 대한 수소화 반응 발생

(水素분자분리)





◎ O2 GAS 생산







◎ 염가로 수소생산 및 액체화


◎ 수소 스테이션에 공급





산업적

가치

1개 라인 H2O 분해방법, 부가가치 극대화

◎ 1인관리, 人件費 절감

◎ 무형체 물질 클린에너지화

◎ 유해물질 근절

◎ 투입 원자재 없음

◎ 유익물질 생산


◎ 클린에너지 생산

◎ O2 GAS 생산

◎ H2 GAS 생산


◎ 미래에너지 생산

◎ 고효율 무공해 수소 연료전지, 수소자동차 본격제작

◎ 유용한 물질 구성성분 

◎ 전력생산 및 판매 



환경적가치

오존층 보호 / 지구기후변화 방지 / 대체에너지 생산 / 인간·동·식물 보호 / 물不足 해결 / 자연환경 정화 / 사막화 방지 / 자원고갈 해소

식량난 해결/ 적도 무풍지대 폐플라스틱/ 산소부족 해결 등


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도면 및 설명


상기 수직주입유로(30)는 압출유로(11)의 폐기물 유입구(13)에 연직방향으로 연통되어 구비되고, 내부에 수직이송스크류(31)가 축회전 가능하게 구비되며, 그 수직스크류(31)는 수직구동부(32)에 의해 구동된다.


도 2에 도시된 바와 같이,


상기 수직주입유로(30)의 외축에는 4개의 수평주입유로(40)가 원주방향을 따라 소정간격을 두고 방사형으로 구비되어 연통되고, 각각의 수평주입유로(40)의 내부에는 수평이송스크류(41)가 각각 축회전 가능하게 구비되며, 각 수평스크류(41)는 각각의 수평구동부(42)에 의해 구동되고, 각 수평주입유로(40)의 일축에는 폐기물 투입구(40a), 진공펌프(20,) 세라믹히터가열(40- 1), 유전마찰가열(40b), HCl의 회수장치(40c)가 각각 구비되어 있다.


상기 수평주입유로(40)의 폐기물 투입구(40a)로 투입되는 폐기물은 수평이송스크류(41)에 의해 수직주입유로(30)쪽으로 이송된다, 이때 4개의 수평주입유로(40)에서 1개의 수직주입유로(30)로 동시에 폐기물을 이송시킴으로써, 수직주입유로(30)에는 GEL화된 상태의 폐기물이 공급된다, 한편 상기 압출유로(11)의 내부가 진공펌프(20- 1)에 의거 진공상태로 됨에 따라 외부의 압력에 의해 상기 수직주입유로(30)에서, 압출유로(11)쪽으로 폐기물을 이동하는 힘을 받게 된다.


상기 4개의 수평주입로(40)을 통과하는 폐기물은 진공펌프(20)에 의해 진공 밀착된 상태에서 수평이송스크류(41)에 의해 마찰력과 압력에 의한 마찰열증가, 외부 세라믹히터 가열온도증가(40- 1), 유전분자운동마찰열(40b)에 의해 플라스틱은 용융 융화되어 수직주입유로(30) 이송된 폐기물은, 수직이송스크류(31)에 의해 압출유로(11)로 압송되며, 이때 폐기물이 수직주입유로(30)을 통과하면서 수직이송 스크류(31)과의 마찰접촉 및 압력에 의해 온도는 상승하게 된다.


상기 수직주입유로(30)의 내부는 4개의 수평주입유로(40)로부터 공급되는 폐기물이 압밀상태로 이송됨으로, 폐기물이나 내부의 유체가 역류하지 못하게 되고, 다만 상기 수평주입유로(40)상의 폐기물에서 발생하는 수증기가 폐기물투입구(40a) 및 수증기배출구(40c)에 의해 외부로 배출된다.


상기 4개의 수평주입유로(40)의 내부에서는 흙이나 모래, 콘크리트와 같은 무기질 물질과, 목재와 섬유와 같은 유기질 물질의 수분이 증발하여 건조되고, 수직유로(30)을 통과하면서, 내부온도가 지속적으로 상

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승하여 완전하게 건조된 상태가 되며, 용융되기 시작하여, GEL화된 탄화수소화합물은 수직주입유로(30)로 압송되고 GEL화 되지못한 화학물질은 고체 상태로 압출유로(11)로 투입된다.


도 1에 명시된 바와 같이


상기 압출유로(11)은 상기 수직주입유로(30)로부터 폐기물을 공급받는1차 압출유로(11), 진공펌프(20- 1), 유전가열 2,450㎒(12- 1), 길이 500㎜의 원유 Al(OH)3 수소화반응기(11- 1), 후렌지연결(18)로 되어있으며, 상부에 Al(OH)3 담체알루미나투입구(12), 담체를 원유증류탑(16)으로, 담체를 증류탑으로 운반하기위한, 감압장치 (14)로 구성되어 있다.



상기 압출유로(11)에는 1쌍의 압출이송스크류(15)가 축회전가능하게 구비되고, 상기 압출이송스크류(15)는 압출구동(17)에 의해 구동된다.


상기 압출유로(11)의 일축에는 Gel화된 탄수화물 유입구(13) 형성되어 상기 수직주입유로(30)로부터 Gel화된 탄수화물을 공급받게 되고, Gel화된 화학물질은 압출유로(11) 내부를 통과하면서, 남은 수증기는 진공펌프(20- 1)에 의해 외부로 배출되고, 진공 속 화학물질은 세라믹전기히터(40- 1), 유전가열 2,450㎒(12- 1) 수소분자분리로 완전 액화된 원유는 Al(OH)3 투입구(12), 알루미나 370℃ Al(OH)3기 수소화 반응기(11- 1)에서 원유를 담아, 증류탑 감압(- 40㎜Aq) (14)에 의거 담체는 원유를 증류탑(16)으로 이송한다.


상기 증류탑(16)으로 이송된 원유는 증류탑 감압온도 상승원리에 의거 C6H6, C2H4의 친화성 온도(370℃~380℃)에 의거 C6H6와 C2H4는 합성되어 가벼운 C2H4(16- 1) 무거운 C6H6(16- 2)로 배출됨으로 냉각시켜서 나프타를 제조하게 되는 것이다.

끝.








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8. 1群 발명 2특허출원에 의한 연계 기술 인프라
 

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우선심사 신청 보완설명서                   140408- 2


※ 특허출원 : 10- 2012- 0065326 (출원일자: 2012.06.19.)

※ 발명의 명칭 :청정 대체에너지 수소의 생산방법 및 그 장치

※ 출원인(발명자) : 김영목,   김대건,   김대암


【신청이유】


① WIPO 국제등록 : WO 2009/048312 A1(국제공개일: 2009.04.16.) 특허권자(발명자) : 김영목, 김대건의 “국제표준 녹색기술”의 발명은, 특허법시행령 제9조2호 (“저탄소 녹색성장기본법” 제2조3호) : “녹색기술” [온실가스 감축기술, 에너지 이용 효율화기술, 청정생산기술, 청정 에너지기술, 자원순환 및 친환경기술 (관련융합기술을 포함한다)등 사회·경제활동의 전 과정을 거쳐 에너지와 자원을 절약하고 효율적으로 사용하여 온실가스 및 오염물질의 배출을 최소화 하는 기술을 말한다.]의 발명으로, 자연법칙에 의한 기술적 사상의 창작으로 융합기술에 따라 대체물질 H2가스를 생성하는 발명으로, 특허청장이 미국특허상표청장과 우선심사할 것을 합의한 특허출원으로, 해당 출원의 모든 청구항이 대한민국이나 국제사무국에서 수행한 국제조사나 국제예비심사에서 신규성, 진보성 및 산업상 이용가능성이 모두 있다고 판단한 청구항과 실질적으로 동일한 경우에 해당이 되어 세계 지적재산 소유권 기구 “국제표준 녹색기술”로 등록된 발명입니다.


②. WIPO에 국제등록 된 A METHOD FOR TREATING WASTE PLASTIC의 선행기술은 유해한 부산물은 발생되지 아니하나, 대체물질의 생성량이 적어 세계 모든 국가의 대체에너지를 해결하기엔 한계가 있었습니다. 


③. 특허권자(발명자)는 모든 국가의 대체에너지를 해결하고자 WIPO 국제등록 : WO 2009/048312 A1(국제공개일: 2009.04.16.)특허법시행령 제9조2호 (“저탄소 녹색성장기본법” 제2조3호) : “녹색기술”과 직접관련 된 발명에 따라, 특허출원 10- 2012- 0065326 특허출원하였으며, 우선심사 신청에 관한 고시 제2조4호 및 제4조4호에 해당되는 요건에 해당되는 특허출원으로, 대

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한민국 수리관청 전문기관에서 선행기술로 확정하여 국제사무국 “국제표준 녹색기술”로 확정된 융합기술을 기초로 하여, 스티렌모노머(C6H5CHCH2)로 고밀도고분자물질로 볼(Ball)을 만들어 볼(Ball)에 열을 발생시켜, 물로부터 대체에너지 건수소를 생산하는 방법으로, 고밀도고분자물질을 상호 충돌시켜 마찰열을 발생시킴으로 고분자물질에 정전기를 발생시키고, 고분자물질용융점 80%까지 온도를 고온화 시켜, 고온의 상기물질에 물을 직접 분사시켜 상기 물분자를 H원자와 O원자로 해리시켜 H2분자와 O2분자로 합성전환하고, 남은 물은 리사이클링 시키면서 청정대체에너지 건수소를 대량 생산할 수 있어, 화력발전소, 원자력발전소 및 내연기관의 화석연료를 대체하여 무한의 전기에너지를 생산할 수 있음으로, 지구기후변화의 “역효과”로부터 지구와 인간 동ㆍ식물의 건강과 환경을 보호하고, 무한의 H2가스 생산은 인류의 모든 난제를 해결하는 발명입니다.


③. 【국제표준 녹색기술의 도면과 수소생산 방법 및 그 장치 도면의 비교】




(1). 국제표준 녹색기술의 도면 (폐플라스틱 처리방법 및 그 장치)




(2). 청정대체에너지 수소의 생산방법 및 그 장치의 도면


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