LSZH
개요
LSZH(Low Smoke Halogen, 저연무 무할로겐)는 전기·전자 기기 및 통신 장비, 건축 구조물 등에서 사용되는 특수연 재료의종으로, 화재 발생 시 유독 가스와 연기의 발생을 최소화하기 위해 설계된 고성능 절연 소재입니다. LSZH는 전통적인 PVC(폴리염화비닐) 절연재와 비교해 안전성과 환경 친화성이 뛰어나며, 특히 인명 밀집 지역이나 밀폐된 공간(지하철, 항공기, 선박, 데이터센터 등)에서 널리 사용됩니다.
이 문서에서는 LSZH의 정의, 구성 성분, 특성, 응용 분야, 장단점, 관련 규격 및 표준 등을 종합적으로 설명합니다.
LSZH란 무엇인가?
LSZH는 "Low Smoke Zero Halogen"의 약자로, 다음과 같은 두 가지 핵심 특성을 의미합니다:
- Low Smoke: 화재 시 발생하는 연기의 양이 매우 적음.
- Zero Halogen: 할로겐 원소(염소, 브롬 등)를 포함하지 않음 → 유독 가스 및 부식성 가스 배출 없음.
할로겐이 포함된 절연재(예: PVC)는 연소 시 염화수소(HCl)와 같은 강한 산성 가스를 방출하여 인체에 치명적일 뿐만 아니라 전자 장비나 구조물에 부식을 유발할 수 있습니다. 반면 LSZH 재료는 이러한 위험을 크게 줄여줍니다.
구성 및 화학적 특성
LSZH 절연재는 일반적으로 다음과 같은 폴리머 기반으로 구성됩니다:
주요 반응 예시 (수산화알루미늄 기준):
이 반응은 흡열 반응으로, 열을 흡수하여 화재 확산을 억제하며, 생성된 물 증기는 연기 희석과 냉각 효과를 제공합니다.
주요 특성
| 특성 |
설명 |
| 연기 발생량 |
매우 낮음. 화재 시 시야 확보에 유리함. |
| 유독 가스 배출 |
할로겐이 없어 HCl, HBr 등의 유해 가스 배출 없음. |
| 난연성 |
높은 난연성을 가지며, 불이 붙기 어렵고 확산이 느림. |
| 부식성 감소 |
산성 가스 배출 없어 전자 장비 및 금속 구조물 보호. |
| 환경 친화성 |
폐기 시 유해 물질 배출이 적어 환경 부담이 낮음. |
응용 분야
LSZH 절연재는 다음과 같은 분야에서 필수적으로 사용됩니다:
1. 철도 및 지하철 시스템
- 밀폐된 터널 환경에서 화재 시 인명 구조 및 대피가 중요하므로, LSZH 케이블이 의무화된 경우가 많음.
- 예: 유럽의 EN 45545 철도 차량 안전 표준.
2. 항공기 및 선박
- 항공기 내장재, 선박의 전선 피복 등에서 안전 기준 충족을 위해 사용.
- 화재 시 조종실이나 갑판의 가시성 확보가 중요.
3. 데이터센터 및 통신 기지국
- 고가의 전자 장비를 보호하고, 화재 시 부식으로 인한 2차 피해 방지.
- TIA/EIA-568 등 통신 케이블 표준에서 권장.
4. 고층 빌딩 및 공공시설
- 대피로, 지하 주차장, 병원, 학교 등 인명 밀집 지역에서의 안전성 확보.
장점과 단점
장점
- 🔥 화재 안전성 우수: 연기 및 유독 가스 감소로 인한 인명 보호.
- 🌱 환경 친화적: 재활용이 용이하고, 소각 시 다이옥신 발생 없음.
- 💧 부식 방지: 전기적 단락 및 장비 손상 위험 감소.
- ✅ 규제 준수: 국제 안전 기준(IEC, UL, EN 등) 충족 용이.
단점
- 💸 비용 상승: PVC 대비 원가가 20~30% 높음.
- 🛠️ 기계적 강도 낮음: 인장 강도 및 유연성이 상대적으로 낮아 취급 시 주의 필요.
- 📦 공간 효율 저하: 동일 전도성 유지 위해 두께 증가 필요할 수 있음.
관련 규격 및 표준
LSZH 재료는 다음과 같은 국제 및 국내 표준에 따라 성능이 평가됩니다:
| 표준 |
설명 |
| IEC 60754 |
할로겐 가스 방출량 시험 방법 (Part 1: 가스의 산성도 측정, Part 2: 전도도 측정) |
| IEC 61034 |
연기 발생량 측정 시험 (투과율 기준) |
| UL 1685 |
케이블의 수직 화재 확산 및 연기 배출 시험 (수직 트레이 시험) |
| EN 50399 |
유럽 건축용 케이블의 화재 성능 평가 |
| KS C IEC 60754 |
한국 산업 표준에서의 무할로겐 시험 방법 |
관련 문서 및 참고 자료
- IEC 60754-1: "Test on gases evolved during combustion of materials from cables – Part 1: Determination of the halogen acid gas content"
- IEC 61034-2: "Measurement of smoke density of cables burning under defined conditions"
- NFPA 70 (National Electrical Code): 케이블 안전 기준
- 한국전기기술규격(KS), 전선 케이블 안전 기준
LSZH 절연재는 현대 사회에서 안전과 환경을 동시에 고려해야 하는 핵심 재료 중 하나입니다. 기술 발전과 함께 성능 개선이 지속되고 있으며, 특히 스마트시티, 자율주행, 5G 인프라 등 미래형 시스템에서 그 중요성이 더욱 커질 것으로 전망됩니다.
소재별 특성 비교 분석
LSZH는 안전성과 환경성에서 압도적이지만, 물리적 성질과 비용 면에서는 기존 소재와 뚜렷한 차이를 보입니다. 아래는 주요 절연 소재와의 비교 분석표입니다.
| 비교 항목 |
LSZH |
PVC |
PE (폴리에틸렌) |
PTFE (테플론) |
| 할로겐 함유 |
없음 (Zero) |
높음 (염소) |
없음 |
높음 (불소) |
| 연기 발생량 |
매우 낮음 |
높음 |
매우 높음 |
낮음 |
| 독성 가스 |
거의 없음 |
매우 높음 (HCl) |
낮음 |
중간 (HF) |
| 난연성 |
우수 |
우수 (첨가제 시) |
매우 낮음 |
매우 우수 |
| 기계적 강도 |
보통/낮음 |
우수 |
우수 |
매우 우수 |
| 내열 온도 |
중간 |
낮음 |
낮음 |
매우 높음 |
| 비용 효율성 |
낮음 (고가) |
매우 높음 (저가) |
높음 |
매우 낮음 (최고가) |
분석: PVC는 경제성과 가공성이 뛰어나지만 화재 시 치명적인 염화수소 가스를 배출합니다. PE는 전기적 특성은 좋으나 가연성이 매우 높습니다. LSZH는 이들의 절충안으로서, 비용 상승을 감수하더라도 인명 안전과 장비 부식 방지가 최우선인 환경에서 최적의 선택지가 됩니다.
무기 난연제 및 폴리머 블렌딩 상세
LSZH의 화학적 성능은 사용되는 무기 난연제의 종류와 폴리머의 혼합 방식에 따라 결정됩니다.
1. 난연제별 작동 온도 및 특성
- 수산화알루미늄 ($\text{Al(OH)}_3$): 약 $200^\circ\text{C}$ 부근에서 분해되며 물을 방출합니다. 일반적인 저전압 케이블 및 범용 LSZH 소재에 주로 사용됩니다.
- 수산화마그네슘 ($\text{Mg(OH)}_2$): 약 $330^\circ\text{C}$의 더 높은 온도에서 분해됩니다. 고온 공정의 압출 성형이 가능하며, 내열성이 요구되는 특수 산업용 케이블에 적용됩니다.
2. 폴리머 블렌딩(Blending)을 통한 물성 개선
단일 폴리머만으로는 난연제(충진제)의 높은 함량(보통 50~60% 이상)으로 인해 재료가 딱딱해지고 깨지기 쉽습니다. 이를 해결하기 위해 다음과 같은 블렌딩 기법이 사용됩니다.
- EVA/PE 블렌딩: 유연성을 부여하기 위해 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)를 혼합하여 저온 유연성과 가공성을 높입니다.
- 커플링제(Coupling Agent) 첨가: 유기 폴리머와 무기 난연제 사이의 계면 접착력을 높여 기계적 강도 저하를 최소화합니다.
시공 시 기계적 제약 및 실무 이슈
LSZH는 PVC 대비 유연성이 떨어지고 취성(Brittleness)이 강해 실제 시공 현장에서 다음과 같은 물리적 제약이 발생합니다.
1. 굴곡 반경(Bending Radius) 문제
LSZH 케이블은 과도하게 굽힐 경우 피복에 미세 균열(Stress Cracking)이 발생할 가능성이 큽니다.
- 구체적 사례: 일반 PVC 케이블의 허용 굴곡 반경이 외경의 4~6배라면, LSZH 케이블은 소재의 강성으로 인해 외경의 8~12배 이상의 굴곡 반경을 확보해야 안전한 시공이 가능합니다. 이를 무시하고 급격하게 굴곡 시 절연층 파괴로 인한 단락 사고 위험이 증가합니다.
2. 내마모성 및 마찰 특성
무기 충진제 함량이 높기 때문에 표면 마찰 계수가 PVC보다 높습니다. 이는 케이블 풀링(Pulling) 작업 시 관로 벽면과의 마찰로 인해 피복이 벗겨지는 현상을 유발할 수 있어, 전용 윤활제(Cable Lubricant) 사용이 필수적입니다.
표준별 필수 적용 환경 예시
국제 표준은 단순히 재료의 특성을 정의하는 것을 넘어, 특정 환경에서의 필수 적용 여부를 규정합니다.
| 적용 표준 |
필수 적용 환경 예시 |
적용 이유 |
| EN 45545 |
유럽 철도 차량 내부 및 터널 내 배선 |
화재 시 밀폐된 터널 내 가시성 확보 및 유독가스 질식 방지 |
| IEC 60332-3 |
고층 빌딩의 수직 라이저(Riser) 케이블 |
화재가 층간으로 빠르게 확산되는 '굴뚝 효과' 억제 |
| UL 1685 |
데이터센터의 서버 랙 및 네트워크 트레이 |
고가의 서버 장비가 산성 가스에 의해 부식되어 영구 손상되는 것 방지 |
| IMO FTP Code |
선박의 거주 구역 및 엔진룸 케이블 |
해상 사고 시 탈출 경로 확보 및 선체 구조물 부식 방지 |
LSZH의 한계 및 최신 기술 동향
기존 LSZH의 최대 약점인 '기계적 강도 저하'와 '높은 비용'을 극복하기 위한 차세대 기술이 개발되고 있습니다.
1. 나노 복합재료(Nano-composites) 적용
수산화알루미늄의 함량을 줄이면서도 동일한 난연 성능을 내기 위해 나노 클레이(Nano-clay)나 탄소 나노튜브(CNT)를 소량 첨가합니다. 이는 연소 시 표면에 얇은 탄화층(Char layer)을 형성하여 산소 유입을 차단함으로써, 충진제 함량을 낮추고 기계적 강도와 유연성을 획기적으로 개선합니다.
2. 친환경/고효율 난연제 개발
- 인계 난연제(Phosphorus-based): 할로겐 없이도 매우 높은 난연성을 제공하며, 폴리머 매트릭스와의 상용성이 좋아 가공성이 우수합니다.
- 바이오 폴리머 기반 LSZH: 석유 화학 기반의 PE/PP 대신 생분해성 또는 바이오매스 기반 폴리머를 적용하여 탄소 배출량을 줄이는 연구가 진행 중입니다.
# LSZH
## 개요
**LSZH**(Low Smoke Halogen, 저연무 무할로겐)는 전기·전자 기기 및 통신 장비, 건축 구조물 등에서 사용되는 특수연 재료의종으로, 화재 발생 시 유독 가스와 연기의 발생을 최소화하기 위해 설계된 고성능 절연 소재입니다. LSZH는 전통적인 PVC(폴리염화비닐) 절연재와 비교해 안전성과 환경 친화성이 뛰어나며, 특히 인명 밀집 지역이나 밀폐된 공간(지하철, 항공기, 선박, 데이터센터 등)에서 널리 사용됩니다.
이 문서에서는 LSZH의 정의, 구성 성분, 특성, 응용 분야, 장단점, 관련 규격 및 표준 등을 종합적으로 설명합니다.
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## LSZH란 무엇인가?
LSZH는 "**Low Smoke Zero Halogen**"의 약자로, 다음과 같은 두 가지 핵심 특성을 의미합니다:
- **Low Smoke**: 화재 시 발생하는 연기의 양이 매우 적음.
- **Zero Halogen**: 할로겐 원소(염소, 브롬 등)를 포함하지 않음 → 유독 가스 및 부식성 가스 배출 없음.
할로겐이 포함된 절연재(예: PVC)는 연소 시 염화수소(HCl)와 같은 강한 산성 가스를 방출하여 인체에 치명적일 뿐만 아니라 전자 장비나 구조물에 부식을 유발할 수 있습니다. 반면 LSZH 재료는 이러한 위험을 크게 줄여줍니다.
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## 구성 및 화학적 특성
LSZH 절연재는 일반적으로 다음과 같은 폴리머 기반으로 구성됩니다:
- **폴리올레핀**(Polyolefin) 계열 수지: 예를 들어 **EVA**(에틸렌-비닐 아세테이트), **PE**(폴리에틸렌), **PP**(폴리프로필렌) 등.
- **난연제**(Flame retardant): 할로겐 대신 **수산화알루미늄**(Al(OH)₃) 또는 **수산화마그네슘**(Mg(OH)₂)과 같은 무기 난연제를 사용. 이들은 고온에서 분해되며 물을 방출함으로써 열을 흡수하고 연소를 억제합니다.
### 주요 반응 예시 (수산화알루미늄 기준):
```text
2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O
```
이 반응은 흡열 반응으로, 열을 흡수하여 화재 확산을 억제하며, 생성된 물 증기는 연기 희석과 냉각 효과를 제공합니다.
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## 주요 특성
| 특성 | 설명 |
|------|------|
| **연기 발생량** | 매우 낮음. 화재 시 시야 확보에 유리함. |
| **유독 가스 배출** | 할로겐이 없어 HCl, HBr 등의 유해 가스 배출 없음. |
| **난연성** | 높은 난연성을 가지며, 불이 붙기 어렵고 확산이 느림. |
| **부식성 감소** | 산성 가스 배출 없어 전자 장비 및 금속 구조물 보호. |
| **환경 친화성** | 폐기 시 유해 물질 배출이 적어 환경 부담이 낮음. |
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## 응용 분야
LSZH 절연재는 다음과 같은 분야에서 필수적으로 사용됩니다:
### 1. **철도 및 지하철 시스템**
- 밀폐된 터널 환경에서 화재 시 인명 구조 및 대피가 중요하므로, LSZH 케이블이 의무화된 경우가 많음.
- 예: 유럽의 EN 45545 철도 차량 안전 표준.
### 2. **항공기 및 선박**
- 항공기 내장재, 선박의 전선 피복 등에서 안전 기준 충족을 위해 사용.
- 화재 시 조종실이나 갑판의 가시성 확보가 중요.
### 3. **데이터센터 및 통신 기지국**
- 고가의 전자 장비를 보호하고, 화재 시 부식으로 인한 2차 피해 방지.
- TIA/EIA-568 등 통신 케이블 표준에서 권장.
### 4. **고층 빌딩 및 공공시설**
- 대피로, 지하 주차장, 병원, 학교 등 인명 밀집 지역에서의 안전성 확보.
---
## 장점과 단점
### 장점
- 🔥 **화재 안전성 우수**: 연기 및 유독 가스 감소로 인한 인명 보호.
- 🌱 **환경 친화적**: 재활용이 용이하고, 소각 시 다이옥신 발생 없음.
- 💧 **부식 방지**: 전기적 단락 및 장비 손상 위험 감소.
- ✅ **규제 준수**: 국제 안전 기준(IEC, UL, EN 등) 충족 용이.
### 단점
- 💸 **비용 상승**: PVC 대비 원가가 20~30% 높음.
- 🛠️ **기계적 강도 낮음**: 인장 강도 및 유연성이 상대적으로 낮아 취급 시 주의 필요.
- 📦 **공간 효율 저하**: 동일 전도성 유지 위해 두께 증가 필요할 수 있음.
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## 관련 규격 및 표준
LSZH 재료는 다음과 같은 국제 및 국내 표준에 따라 성능이 평가됩니다:
| 표준 | 설명 |
|------|------|
| **IEC 60754** | 할로겐 가스 방출량 시험 방법 (Part 1: 가스의 산성도 측정, Part 2: 전도도 측정) |
| **IEC 61034** | 연기 발생량 측정 시험 (투과율 기준) |
| **UL 1685** | 케이블의 수직 화재 확산 및 연기 배출 시험 (수직 트레이 시험) |
| **EN 50399** | 유럽 건축용 케이블의 화재 성능 평가 |
| **KS C IEC 60754** | 한국 산업 표준에서의 무할로겐 시험 방법 |
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## 관련 문서 및 참고 자료
- IEC 60754-1: "Test on gases evolved during combustion of materials from cables – Part 1: Determination of the halogen acid gas content"
- IEC 61034-2: "Measurement of smoke density of cables burning under defined conditions"
- NFPA 70 (National Electrical Code): 케이블 안전 기준
- 한국전기기술규격(KS), 전선 케이블 안전 기준
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LSZH 절연재는 현대 사회에서 안전과 환경을 동시에 고려해야 하는 핵심 재료 중 하나입니다. 기술 발전과 함께 성능 개선이 지속되고 있으며, 특히 스마트시티, 자율주행, 5G 인프라 등 미래형 시스템에서 그 중요성이 더욱 커질 것으로 전망됩니다.
## 소재별 특성 비교 분석
LSZH는 안전성과 환경성에서 압도적이지만, 물리적 성질과 비용 면에서는 기존 소재와 뚜렷한 차이를 보입니다. 아래는 주요 절연 소재와의 비교 분석표입니다.
| 비교 항목 | LSZH | PVC | PE (폴리에틸렌) | PTFE (테플론) |
| :--- | :---: | :---: | :---: | :---: |
| **할로겐 함유** | 없음 (Zero) | 높음 (염소) | 없음 | 높음 (불소) |
| **연기 발생량** | 매우 낮음 | 높음 | 매우 높음 | 낮음 |
| **독성 가스** | 거의 없음 | 매우 높음 (HCl) | 낮음 | 중간 (HF) |
| **난연성** | 우수 | 우수 (첨가제 시) | 매우 낮음 | 매우 우수 |
| **기계적 강도** | 보통/낮음 | 우수 | 우수 | 매우 우수 |
| **내열 온도** | 중간 | 낮음 | 낮음 | 매우 높음 |
| **비용 효율성** | 낮음 (고가) | 매우 높음 (저가) | 높음 | 매우 낮음 (최고가) |
**분석:** PVC는 경제성과 가공성이 뛰어나지만 화재 시 치명적인 염화수소 가스를 배출합니다. PE는 전기적 특성은 좋으나 가연성이 매우 높습니다. LSZH는 이들의 절충안으로서, 비용 상승을 감수하더라도 인명 안전과 장비 부식 방지가 최우선인 환경에서 최적의 선택지가 됩니다.
## 무기 난연제 및 폴리머 블렌딩 상세
LSZH의 화학적 성능은 사용되는 무기 난연제의 종류와 폴리머의 혼합 방식에 따라 결정됩니다.
### 1. 난연제별 작동 온도 및 특성
- **수산화알루미늄 ($\text{Al(OH)}_3$):** 약 $200^\circ\text{C}$ 부근에서 분해되며 물을 방출합니다. 일반적인 저전압 케이블 및 범용 LSZH 소재에 주로 사용됩니다.
- **수산화마그네슘 ($\text{Mg(OH)}_2$):** 약 $330^\circ\text{C}$의 더 높은 온도에서 분해됩니다. 고온 공정의 압출 성형이 가능하며, 내열성이 요구되는 특수 산업용 케이블에 적용됩니다.
### 2. 폴리머 블렌딩(Blending)을 통한 물성 개선
단일 폴리머만으로는 난연제(충진제)의 높은 함량(보통 50~60% 이상)으로 인해 재료가 딱딱해지고 깨지기 쉽습니다. 이를 해결하기 위해 다음과 같은 블렌딩 기법이 사용됩니다.
- **EVA/PE 블렌딩:** 유연성을 부여하기 위해 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)를 혼합하여 저온 유연성과 가공성을 높입니다.
- **커플링제(Coupling Agent) 첨가:** 유기 폴리머와 무기 난연제 사이의 계면 접착력을 높여 기계적 강도 저하를 최소화합니다.
## 시공 시 기계적 제약 및 실무 이슈
LSZH는 PVC 대비 유연성이 떨어지고 취성(Brittleness)이 강해 실제 시공 현장에서 다음과 같은 물리적 제약이 발생합니다.
### 1. 굴곡 반경(Bending Radius) 문제
LSZH 케이블은 과도하게 굽힐 경우 피복에 미세 균열(Stress Cracking)이 발생할 가능성이 큽니다.
- **구체적 사례:** 일반 PVC 케이블의 허용 굴곡 반경이 외경의 4~6배라면, LSZH 케이블은 소재의 강성으로 인해 **외경의 8~12배 이상의 굴곡 반경**을 확보해야 안전한 시공이 가능합니다. 이를 무시하고 급격하게 굴곡 시 절연층 파괴로 인한 단락 사고 위험이 증가합니다.
### 2. 내마모성 및 마찰 특성
무기 충진제 함량이 높기 때문에 표면 마찰 계수가 PVC보다 높습니다. 이는 케이블 풀링(Pulling) 작업 시 관로 벽면과의 마찰로 인해 피복이 벗겨지는 현상을 유발할 수 있어, 전용 윤활제(Cable Lubricant) 사용이 필수적입니다.
## 표준별 필수 적용 환경 예시
국제 표준은 단순히 재료의 특성을 정의하는 것을 넘어, 특정 환경에서의 필수 적용 여부를 규정합니다.
| 적용 표준 | 필수 적용 환경 예시 | 적용 이유 |
| :--- | :--- | :--- |
| **EN 45545** | 유럽 철도 차량 내부 및 터널 내 배선 | 화재 시 밀폐된 터널 내 가시성 확보 및 유독가스 질식 방지 |
| **IEC 60332-3** | 고층 빌딩의 수직 라이저(Riser) 케이블 | 화재가 층간으로 빠르게 확산되는 '굴뚝 효과' 억제 |
| **UL 1685** | 데이터센터의 서버 랙 및 네트워크 트레이 | 고가의 서버 장비가 산성 가스에 의해 부식되어 영구 손상되는 것 방지 |
| **IMO FTP Code** | 선박의 거주 구역 및 엔진룸 케이블 | 해상 사고 시 탈출 경로 확보 및 선체 구조물 부식 방지 |
## LSZH의 한계 및 최신 기술 동향
기존 LSZH의 최대 약점인 '기계적 강도 저하'와 '높은 비용'을 극복하기 위한 차세대 기술이 개발되고 있습니다.
### 1. 나노 복합재료(Nano-composites) 적용
수산화알루미늄의 함량을 줄이면서도 동일한 난연 성능을 내기 위해 **나노 클레이(Nano-clay)**나 **탄소 나노튜브(CNT)**를 소량 첨가합니다. 이는 연소 시 표면에 얇은 탄화층(Char layer)을 형성하여 산소 유입을 차단함으로써, 충진제 함량을 낮추고 기계적 강도와 유연성을 획기적으로 개선합니다.
### 2. 친환경/고효율 난연제 개발
- **인계 난연제(Phosphorus-based):** 할로겐 없이도 매우 높은 난연성을 제공하며, 폴리머 매트릭스와의 상용성이 좋아 가공성이 우수합니다.
- **바이오 폴리머 기반 LSZH:** 석유 화학 기반의 PE/PP 대신 생분해성 또는 바이오매스 기반 폴리머를 적용하여 탄소 배출량을 줄이는 연구가 진행 중입니다.