[논문]3D 프린팅 가동 조건 별 발생 입자크기 분포와 흡입 노출량 추정

박지훈; 전혜준; 박경호; 윤충식

doi:10.5668/jehs.2018.44.6.524

3D 프린팅 가동 조건 별 발생 입자크기 분포와 흡입 노출량 추정
Size Distributions of Particulate Matter Emitted during 3D Printing and Estimates of Inhalation Exposure 원문보기

韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences, v.44 no.6, 2018년, pp.524 - 538

박지훈 (서울대학교 보건환경연구소) , 전혜준 (서울대학교 보건대학원 환경보건학과) , 박경호 (한국건설생활환경시험연구원 건축유해성평가센터) , 윤충식 (서울대학교 보건환경연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Objective: This study aimed to identify the size distributions of particulate matter emitted during 3D printing according to operational conditions and estimate particle inhalation exposure doses at each respiratory region. Methods: Four types of printing filaments were selected: acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polylactic acid (PLA), Laywood, and nylon. A fused deposition modeling (FDM) 3D printer was used for printing. Airborne particles between 10 nm and $10{\mu}m$ were measured before, during, and after printing using real-time monitors under extruder temperatures from 215 to $290^{\circ}C$. Inhalation exposures, including inhaled and deposited doses at the respiratory regions, were estimated using a mathematical model. Results: Nanoparticles dominated among the particles emitted during printing, and more particles were emitted with higher temperatures for all materials. Under all temperature conditions, the Laywood emitted the highest particle concentration, followed by ABS, PLA, and nylon. The particle concentration peaked for the initial 10 to 20 minutes after starting operations and gradually decreased with elapsed time. Nanoparticles accounted for a large proportion of the total inhaled particles in terms of number, and about a half of the inhaled nanoparticles were estimated to be deposited in the alveolar region. In the case of the mass of inhaled and deposited dose, particles between 0.1 and $1.0{\mu}m$ made up a large proportion. Conclusion: The number of consumers using 3D printers is expected to expand, but hazardous emissions such as thermal byproducts from 3D printing are still unclear. Further studies should be conducted and appropriate control strategies considered in order to minimize human exposure.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The methodological scheme of experimental process in this study.
표 Table 1. Information on the used filaments and printing conditions
표 Table 2. Explanations of ICRP models for exposure estimation
그림 Fig. 2. Comparison of total number (upper) and mass concentrations(lower) according to materials and extruder temperature during 3D printing.
표 Table 3. Levels of emitted particle number concentration before, during and after 3D printing according to operational conditions
그림 Fig. 3. Particle size distributions of each material under various extruder temperature conditions.
표 Table 4. Differences of particle number concentrations by elapsed time during printing
그림 Fig. 4. Temporal variations of total particles before, during, after printing according to materials.
그림 Fig. 5. Estimates of inhalation exposure during printing by operational conditions.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나, 열가소성 수지의 특성 상 고온의 열이 가해질수록 발생되는 유해 인자의 양이 많아지는 것으로 보고됨에 따라,^8-10) 사용되는 재료와 온도 조건이 유해인자의 발생에 직접적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 이를 검정하기 위한 본 연구의 목적은 유해 인자 중 입자상 물질에 초점을 맞추어 3D 프린팅 조건, 즉, 사용되는 필라멘트 재료와 가동 온도조건에 따라 프린터 가동 중 발생하는 입자상 물질의 크기 분포 특성을 규명하며, 분포 자료를 이용하여 실제 사용자의 호흡기 부위별 흡입 가능한 노출량을 추정하는 것이다.
본 연구에서는 주로 많이 사용되는 프린팅 재료들을 이용하여 다양한 가동 온도 조건에서 입자상 물질을 평가하였다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 같은 재료, 예를 들어 동일한 ABS 필라멘트를 사용하더라도 제조사별 또는 색상에 따른 차이를 보일 수 있는데, 본 연구에서는 이러한 측면을 고려하지 못하였고, 입자 상 물질 외 다른 유해인자에 대해 폭 넓게 다루지 못하였다.

제안 방법

3D 프린팅 실험은 일반 공기 중 배경 입자에 의한 영향을 최소화하기 위해 무정전(antistatic) 재질의 실험용 챔버(2.5 m³) 내에서 실시하였다. 챔버 구성 및 실험 전체에 대한 개략적인 도식은 Fig.
4,5,7) 본 연구에서 사용된 프린팅 재료는 다양하지는 않으나 주로 많이 사용되는 재료들을 선정하여 제조사 권장 압출 온도를 포함한 여러 온도 조건 하에서 발생하는 입자의 특성 평가를 시도하였다. 이전 연구에서는 각 재료별로 여러 온도 조건에서의 평가는 미흡한 측면이 있었다.
일부 연구에서는 주요 재료 외에도 Coplolyester, Nylon, Laywood, PVA (polyvinyl alcohol), PET (polyethylene terephthalate), HIPS(high impact polystyrene) 등 시중에 판매되는 여러 재료들을 이용하여 각 권장 온도 조건에서 평가를 수행한 바 있다.^7,8,10,12) 본 연구에서는 보급형 3D 프린터(FDM 방식)의 가동 조건, 재료에 따른 발생 유해 인자, 특히, 권장 온도를 포함한 가동 온도 조건을 달리하여 입자상 물질의 크기 별 분포 특성을 파악하고, 각 입자 크기 별로 인체 호흡기로 노출되는 정도를 추정하였다.
SMPS의 입자 크기 채널 구분은 10-420 nm 범위를 14개 채널로 구분하여 각 채널 별 입자 수 농도 측정이 가능하며, OPS의 경우 300 nm-10 µm 범위를 사용자의 의도에 맞게 채널을 최대 16개까지 세부적인 구분이 가능하나 본 실험에서는 5개 채널로 구분하였다.
각 재료는 가로, 세로, 높이가 3.5 cm로 모두 동일한 정육면체 물체 인쇄를 프린터 프로그램상에 입력하여 최종 인쇄되도록 하였다. 프린팅 가동을 위한 필라멘트 노즐(extruder) 온도 조건은 각 재료별로 215, 245, 275℃로 30℃씩 증가시켜 대상 물체를 인쇄하였으며, 추가로 프린터의 최고 고온 조건인 290℃에서도 각 물체를 인쇄하여 입자의 발생 특성을 평가하였다(Table 1).
SMPS의 입자 크기 채널 구분은 10-420 nm 범위를 14개 채널로 구분하여 각 채널 별 입자 수 농도 측정이 가능하며, OPS의 경우 300 nm-10 µm 범위를 사용자의 의도에 맞게 채널을 최대 16개까지 세부적인 구분이 가능하나 본 실험에서는 5개 채널로 구분하였다. 각 측정 기기는 3D 프린터로부터 약 1 m 거리에 위치하도록 하였으며, 측정 높이는 약 0.5 m에 위치시켜 측정하였다. 프린팅에 사용된 네 종의 필라멘트는 온도 조건 별로 각 3회씩 반복 인쇄를 실시 하였으며, 실시간 기기를 이용하여 해당 인쇄 시 마다 반복 측정하였다.
프린팅 가동을 위한 필라멘트 노즐(extruder) 온도 조건은 각 재료별로 215, 245, 275℃로 30℃씩 증가시켜 대상 물체를 인쇄하였으며, 추가로 프린터의 최고 고온 조건인 290℃에서도 각 물체를 인쇄하여 입자의 발생 특성을 평가하였다(Table 1). 단, Nylon 재질의 필라멘트의 경우 215℃ 조건에서 인쇄가 되지 않은 재료의 특성 상 245, 275, 290℃ 조건에서 인쇄를 진행하였다. 또한, 각 필라멘트 제조사 별로 권장하는 온도 조건이 있는데, Table 1에 나타낸 바와 같이 실험을 위한 설정 온도가 각 필라멘트 제조사의 권장온도를 포함시켜 진행하였다.
단, Nylon 재질의 필라멘트의 경우 215℃ 조건에서 인쇄가 되지 않은 재료의 특성 상 245, 275, 290℃ 조건에서 인쇄를 진행하였다. 또한, 각 필라멘트 제조사 별로 권장하는 온도 조건이 있는데, Table 1에 나타낸 바와 같이 실험을 위한 설정 온도가 각 필라멘트 제조사의 권장온도를 포함시켜 진행하였다. 프린터의 가동 시간은 본격적인 인쇄에 앞서 60분 간 챔버 내부의 배경 입자의 농도와 분포를 측정하였으며, 본격적인 출력 가동을 위한 가동 중(예열 시간 약 10분 내외를 포함한 총 프린팅 시간은 약 140분), 최종 인쇄물이 완성된 후 전원을 차단한 상태(60분)로 구분하여 입자의 농도와 분포를 측정하였다.
4는 각 재료에 대한 프린팅 전, 중, 후의 입자 수 농도 변화를 시간 대 별로 나타낸 것이다. 모든 재료에 대한 비교가 용이하도록 215℃를 제외한 245, 275, 290℃ 조건에서의 농도 변화 그래프로 나타내었다. 앞서 언급한 바와 같이 시간 대별 그래프에서도 온도 증가에 따라 발생하는 입자의 농도 또한 높아지는 경향을 보였다.
본 연구를 통해 주요 3D 프린팅 재료 및 가동 온도 조건에 따른 입자의 크기별 분포를 평가하고, 인체 흡입 노출량을 추정하였다. 재료에 따라, 그리고 가동 온도가 높아질수록 프린팅 과정에서 많은 입자들이 발생되는 것으로 확인되었는데, 특히 가동 온도의 경우 높은 온도 조건보다는 가능한 제조사에서 권장하는 온도를 기준으로 최대한 낮게 유지하는 것이 입자의 발생 저감은 물론 사용자의 노출 저감을 위해서도 바람직할 것이다.
0 µm의 각 시간대별 평균 입자 수 농도에 대한 통계적 차이를 비교한 결과는 Table 4에 나타내었다. 시간대 별 입자 수 농도의 평균 차이 비교는 245℃와 290℃ 조건을 기준으로 비교하였다. 245℃ 조건에서의 나노 크기의 입자 수 농도는 Nylon(p=0.
실시간 자료를 이용하여 측정한 입자 수 농도는 측정기기의 크기 분포 채널별로 평균 수 농도(particles/cm3)를 나타내므로 기기 제조회사에서 제공하는 MultiInstrument Manager 2.0 소프트웨어 프로그램(MIM2, TSI Inc., Shoreview, MN, USA)을 이용하여 채널 당 총 입자 수 농도(dN/dlogDp, particles/cm3)와각 필라멘트 재료의 밀도(ABS: 1.00 g/cm3, PLA: 1.26 g/cm3 Laywood: 1.13 g/cm3, Nylon: 1.13 g/cm3)를 이용한 입자 크기 별 중량 농도(µg/m3)를 환산하였다.
1에나타내었다. 실험용 챔버는 후단에 설치된 송풍기(fan)에 의해 외부 공기를 유입, 챔버 내부 공기를 배출시켜 공기 순환이 가능하도록 설계되었으며, 공기 유입구 및 배출구에는 헤파 필터를 설치하여 공기 중에 존재하는 배경 입자는 물론 실험 후 챔버 내 오염물질을 제거 후 순수 공기만을 배출시키도록 하였다. 프린팅 과정에서 발생하는 입자들의 크기 분포 특성을 파악하기 위해 보급형 3D 프린터로 가장 널리 보급되어 있는 FDM 방식의 3D 프린터(Model.
본 연구를 포함하여 여러 3D 프린팅 관련 연구에서 입자의 농도와 발생량을 제시하고 있으나, 궁극적으로는 실제 사용자가 초 미세 입자에 대해 어느 정도 수준으로 노출이 많이 되는지가 중요하다. 이를 고려하여 본 연구에서는 ICRP 모델을 이용한 흡입량과 호흡기 부위별 침착량을 추정하였다. 프린팅 과정에서 나노 크기의 입자부터 1 µm 이하의 작은 입자들이 전체 발생하는 입자 중 대부분을 차지하여 흡입량과 침착량 추정에 있어서도 입자 수를 기준으로 했을 때 작은 크기의 초 미세 입자들이 흡입을 통한 노출량에 기여하였다.
4 mm)로 구성되어 있으나 실제 프린팅 실험에서는 한 개의 압출기와 노즐 만을 이용하였다. 프린터 내부에 위치한 출력물 지지판(bed)는 인쇄되는 대상 물체를 고정시키기 위해 전용 tape와 glue를 이용하여 가동 전 사전 전처리 작업을 수행하였다. 프린팅에 사용될 재료로는 FDM 방식의 프린터에서 가장 많이 사용되고 있는 ABS (acrylonitrilebutadiene-styrene), PLA (polylactic acid), Laywood, Nylon 재질의 필라멘트를 본 실험을 위한 프린팅 재료로 선정하였으며, 모든 재료는 동일한 조건에서 실험을 진행하였다.
또한, 각 필라멘트 제조사 별로 권장하는 온도 조건이 있는데, Table 1에 나타낸 바와 같이 실험을 위한 설정 온도가 각 필라멘트 제조사의 권장온도를 포함시켜 진행하였다. 프린터의 가동 시간은 본격적인 인쇄에 앞서 60분 간 챔버 내부의 배경 입자의 농도와 분포를 측정하였으며, 본격적인 출력 가동을 위한 가동 중(예열 시간 약 10분 내외를 포함한 총 프린팅 시간은 약 140분), 최종 인쇄물이 완성된 후 전원을 차단한 상태(60분)로 구분하여 입자의 농도와 분포를 측정하였다.
5 cm로 모두 동일한 정육면체 물체 인쇄를 프린터 프로그램상에 입력하여 최종 인쇄되도록 하였다. 프린팅 가동을 위한 필라멘트 노즐(extruder) 온도 조건은 각 재료별로 215, 245, 275℃로 30℃씩 증가시켜 대상 물체를 인쇄하였으며, 추가로 프린터의 최고 고온 조건인 290℃에서도 각 물체를 인쇄하여 입자의 발생 특성을 평가하였다(Table 1). 단, Nylon 재질의 필라멘트의 경우 215℃ 조건에서 인쇄가 되지 않은 재료의 특성 상 245, 275, 290℃ 조건에서 인쇄를 진행하였다.
5 m에 위치시켜 측정하였다. 프린팅에 사용된 네 종의 필라멘트는 온도 조건 별로 각 3회씩 반복 인쇄를 실시 하였으며, 실시간 기기를 이용하여 해당 인쇄 시 마다 반복 측정하였다.
프린팅에 의한 입자의 크기 분포 측정을 위해 10-420 nm 범위의 입자 수 농도 측정이 가능한 Scanning Mobility Particle Sizer(SMPS, Model Nanoscan 3910, TSI Inc., Shoreview, MN, USA)와 300 nm10 µm 범위의 입자 수 농도 측정이 가능한 Optical Particle Sizer (OPS, Model 3330, TSI Inc., Shoreview, MN, USA)를 이용하여 1분 간격으로 실시간 입자 수 농도를 측정하였다.

대상 데이터

프린터 내부에 위치한 출력물 지지판(bed)는 인쇄되는 대상 물체를 고정시키기 위해 전용 tape와 glue를 이용하여 가동 전 사전 전처리 작업을 수행하였다. 프린팅에 사용될 재료로는 FDM 방식의 프린터에서 가장 많이 사용되고 있는 ABS (acrylonitrilebutadiene-styrene), PLA (polylactic acid), Laywood, Nylon 재질의 필라멘트를 본 실험을 위한 프린팅 재료로 선정하였으며, 모든 재료는 동일한 조건에서 실험을 진행하였다.

데이터처리

한편, 3D 프린터 가동 중 시간 경과에 따른 입자의 크기별 분포 변화를 확인하기 위해 일원배치분산분석(one-way analysis of variance, ANOVA)과 사후검정(post-hoc test)방법을 적용하여 평가하였다. 본 연구에서 수행한 자료 분석는 SAS 9.4 (SAS Institute, Cary, NC, USA) 통계 프로그램을 이용하였다.
본 소프트웨어 프로그램은 SMPS와 OPS의 측정 가능 범위 중 300-420 nm 구간 일부가 겹치므로 이를 병합하기 위한 용도로 사용되었으며, 병합 후 최종 입자의 크기 범위는 10 nm-10 µm로 나타내었다. 실시간 측정 자료는 Shapiro-Wilk 검정을 통해 대수 정규 분포를 확인하였으며, 3D 프린터의 가동 전, 중, 후의 입자 크기 별 수 농도와 중량 농도는 대표값으로써 기하 평균(geometric mean, GM)과 기하표준편차(geometric standard deviation, GSD)로 나타내었다. 단, 흡입 노출량의 경우 각 재료별 3회 반복 결과 값을 산술평균(arithmetic mean)과 산술표준편차(arithmetic standard deviation, SD)로 나타내었다.
단, 흡입 노출량의 경우 각 재료별 3회 반복 결과 값을 산술평균(arithmetic mean)과 산술표준편차(arithmetic standard deviation, SD)로 나타내었다. 한편, 3D 프린터 가동 중 시간 경과에 따른 입자의 크기별 분포 변화를 확인하기 위해 일원배치분산분석(one-way analysis of variance, ANOVA)과 사후검정(post-hoc test)방법을 적용하여 평가하였다. 본 연구에서 수행한 자료 분석는 SAS 9.

이론/모형

실험용 챔버는 후단에 설치된 송풍기(fan)에 의해 외부 공기를 유입, 챔버 내부 공기를 배출시켜 공기 순환이 가능하도록 설계되었으며, 공기 유입구 및 배출구에는 헤파 필터를 설치하여 공기 중에 존재하는 배경 입자는 물론 실험 후 챔버 내 오염물질을 제거 후 순수 공기만을 배출시키도록 하였다. 프린팅 과정에서 발생하는 입자들의 크기 분포 특성을 파악하기 위해 보급형 3D 프린터로 가장 널리 보급되어 있는 FDM 방식의 3D 프린터(Model. 3DISON Multi-2, ROKIT Inc., Seoul, Republic of Korea)를 이용하였다. 프린터의 본체는 여닫이가 가능한 문이 달려 있어 밀폐형으로 되어 있으나, 실제 유해 물질 제어 목적으로 설계된 것은 아니다.
3D 프린팅에 의해 발생되는 입자 크기 별 분포 자료는 사용자 호흡기로의 흡입 노출량 산정에 이용되었다. 흡입 노출량 산정을 위한 모델은 국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP)에서 방사성 입자의 흡입으로 인한 체내 장기 또는 조직에 대한 선량 추정을 위해 개발한 모델을 이용하였다.¹¹⁾ 이 모델은 이론과 실험자료에 기초한 경험적 함수식을 이용하여 호흡기 영역, 즉 (1) 비강 부위(head airway), (2) 흉곽 부위(tracheobronchial region), (3) 폐포 부위(alveolar region)등으로 구분하여 부위별 입자의 침착량을 추정할 수 있다.

성능/효과

0.1-1.0 µm 범위의 입자 수 농도는 ABS, PLA, Laywood 모두 시간 경과에 따른 농도 차이가 없었으며, Nylon만 가동 초기 10분 보다 30분 동안 입자 수 농도가 오히려 증가하다 이후 감소하는 경향을 보였다(p<0.0001).
100 nm 이상 1 μm 이하 크기의 입자의 수 또한 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였고, 각 재료별 권장 온도 조건 대비 최고 온도 조건에서의 입자 수 농도 변화도 큰 차이를 보였다.
즉, ABS의 경우 권장 온도 조건 대비 최고 온도 조건에서 약 18배, Nylon은 약 43배까지 증가하였다. 215℃가 권장 온도인 PLA와 Laywood도 동일하게 온도가 증가할수록 입자 수 발생이 증가하는 경향을 보였는데, PLA와 Laywood는 각각 권장 온도에서 3,241 particles/cm³(GSD: 1.5), 9,102 particles/cm³(GSD: 3.9), 최고 온도 조건에서는 458,608 particles/cm³(GSD: 3.6), 1,156,605 particles/cm³(GSD: 3.9)로 증가하였다.
245℃ 조건에서의 나노 크기의 입자 수 농도는 Nylon(p=0.3530)을 제외한 모든 재료에서 시간에 따른 농도 차이가 유의한 것으로 나타났으나(p<0.0001), 사후 검정 결과 각 개별 시간대 별로 유의한 차이를 보이지 않는 경우도 있었다.
측정 대상 범위에 속하는 입자 크기 중 1 μm 이상의 입자는 프린팅 전이나 중, 후에 따른 변화가 거의 없었으며, 주로 발생하는 입자는 1 μm 이하의 작은 입자들이었다. ABS와 PLA, Laywood, Nylon 모두 나노미터 범위에서는 가동 온도가 30℃씩 증가할 때마다 입자 수가 많이 발생하는 것으로 확인되었다. 특히, 각 재료별로 제조사에서 권장하고 있는 온도와 최고 가동 온도를 비교했을 때 현저한 차이를 보였다.
3)로 증가하였다. PLA와 Laywood도 권장 온도 조건에서는 364 particles/cm³(GSD: 1.5), 671 particles/cm³(GSD:1.9)의 농도 수준을 보였으나, 최고 온도 조건에서는 16,197 particles/cm³(GSD: 3.2), 21,420 particles/cm³(GSD: 4.1)로 온도 상승에 따라 큰 차이를 보였다.
각 가동 온도 조건 및 사용한 재료별 발생하는 입자가 대부분 나노 크기의 입자였던 점을 고려했을 때, 실제 사용자의 호흡기로 흡입되는 입자 또는 각 호흡기 영역별로 침착 될 것으로 추정되는 양도 입자 수와 입자의 중량 측면에서 다른 양상을 보였다(Fig. 5). 모든 재료가 공통적으로 온도 증가에 따라 발생하는 입자의 양도 많으므로 호흡기로의 흡입량 및 각 영역별 침착량에 있어서도 온도 조건과 비례하여 증가하였다.
각 재료 중 Laywood, ABS, Nylon, PLA 순으로 흡입 가능한 입자 수가 많았는데, 특히, 흡입 가능한 입자 수가 모든 온도 조건에서 가장 적었던 PLA는 245℃에서 6.3×107±1.0×105 particles/kgbw/g, 290℃에서 7.4×108±1.3×108 particles/kgbw/g (사용량 및 체중 단위 당 흡입량)의 나노 입자가 흡입되는 것으로 추정되었다.
각 재료를 이용하여 프린팅을 할 때 재료에 따라, 그리고 가동 온도 조건에 따라 입자 분포에도 차이를 보였다. Fig.
모든 재료에서 215℃를 시작으로 온도가 30℃씩 증가함에 따라 프린팅 중 총 입자 수 농도와 중량 농도도 증가하였다(단, Nylon 재료는 245℃가 프린팅이 가능한 최소 온도임). 개별 재료 중에서는 PLA가 권장 온도(215℃)에서는 가장 낮은 농도 수준을 보였으나, 최고 온도조건(290℃)에서는 농도의 증가 폭이 가장 높았다. 프린팅 전 챔버 내 10 nm-10 μm 범위의 입자 수 농도(배경 농도)는 약 3,000 particles/cm³ 수준이었다.
3D 프린팅과 관련하여 호흡기를 통한 흡입량과 침착량 추정 관련 연구는 현재까지 진행된 바 없다. 그러나 직접적인 비교는 어려우나 기존에 수행된 분사형 생활화학제품으로부터 발생하는 입자상 물질에 대한 흡입량 및 침착량 추정 연구 결과와 비교 했을 때, 프린팅 과정에서 노출 가능한 초 미세 입자량은 상당한 수준이었다. Park et al.
또한 중량에 기여했던 비율이 높았던 0.1-1.0 µm 크기의 입자도 호흡기 깊숙이 침투가 가능하므로 전체 침착량 중 약 60%가 폐포 부위에 침착 가능한 것으로 나타났다.
특히, 프린팅 가동 직후 약 10분 내 농도가 급격히 증가하다가 이후 시간이 경과함에 따라 점차적으로 감소하는 형태를 보였다. 모든 온도 조건에서 Laywood가 다른 재료에 비해 지속적으로 고 농도의 입자를 발생시켰으며, 275℃ 이상 고온 조건에서는 Laywood와 ABS가 PLA와 Laywood에 비해 상대적으로 고농도를 보였다. 가동 후 10분 내 245℃ 조건에서의 최고 농도는 Laywood가 987,095±574,630 particles/cm³, 290℃ 조건에서도 2,120,321±519,665 particles/cm³로 다른 재료보다 높은 농도 수준을 보였다.
5). 모든 재료가 공통적으로 온도 증가에 따라 발생하는 입자의 양도 많으므로 호흡기로의 흡입량 및 각 영역별 침착량에 있어서도 온도 조건과 비례하여 증가하였다. 입자 수를 기준으로 각 온도 조건 및 재료별로 추정한 호흡기 흡입량은 0.
2는 각 재료를 프린팅 하는 과정에서 발생하는 총 입자 수와 입자의 총 중량 농도를 온도 조건 별로 나타낸 것이다. 모든 재료에서 215℃를 시작으로 온도가 30℃씩 증가함에 따라 프린팅 중 총 입자 수 농도와 중량 농도도 증가하였다(단, Nylon 재료는 245℃가 프린팅이 가능한 최소 온도임). 개별 재료 중에서는 PLA가 권장 온도(215℃)에서는 가장 낮은 농도 수준을 보였으나, 최고 온도조건(290℃)에서는 농도의 증가 폭이 가장 높았다.
3은 각 재료별로 모든 온도 조건에서 발생하는 입자들의 크기 별 수 농도 분포를 나타낸 것이다. 모든 재료에서 권장 온도 조건 이상 일 때 100nm 이하의 나노 입자가 발생하는 모든 입자 중 큰 비율을 차지하였다. 재료에 따른 입자 수 농도의 차이는 있으나 각 재료별 권장 온도 조건에서는 ABS, PLA, Nylon, Laywood 순으로 높은 농도를 보였다.
사후 검정 결과, ABS는 초기 10분 동안의 평균 농도를 비롯하여 각 시간대별 평균 농도가 모두 유의한 차이를 보였고, PLA와 Nylon의 경우에는 초기 30분까지의 농도가 높았다. 반면, 245℃ 조건에서 초기 10분 동안의 농도가 현저히 높았던 Laywood는 290℃에서는 가동 후 지속적으로 높은 농도 수준을 유지하고 있었으며, 따라서 가동 후 60분 동안의 평균 농도는 유의한 차이를 보이지 않았다. 0.
반면, 중량 단위를 기준으로 했을 때는 나노 크기 입자보다는 상대적으로 큰 100 nm-1 µm의 입자가 노출에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
그러나 이전에 발표된 관련 연구에서는 다양한 온도 조건 범위가 아닌 특정 온도 조건에서의 입자 발생 특성을 평가한 내용이 다수이다. 본 연구결과에서 프린터 노즐 온도가 높게 설정될수록 발생하는 입자가 증가함과 동시에 그 만큼 사용자가 고농도의 초미세입자에 노출될 가능성도 높아지는 것으로 밝혀진 바와 같이 특정 온도가 아닌 다양한 온도 조건에서 발생하는 입자의 크기 분포를 평가하는 것도 사용자의 흡입 노출 저감 방안 마련을 위한 기초 연구로서 의의가 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 발생량을 산정하지 않고 공기 중 농도로 결과 값을 제시하였는데 프린팅 가동 중 ABS와 Laywood가 여러 온도 조건에서 PLA와 Nylon 보다 높은 입자 수 농도를 보였다(290℃ 조건, 나노 크기 입자 기준, Laywood: 1.2×106 particles/cm3> ABS: 1.1×106 particles/cm3> PLA: 4.6×105 particles/cm3> PLA: 4.0×105 particles/cm3).
사용자의 흡입 노출 측면에서는 1 µm 이하의 작은 입자들이 전체 호흡기 흡입량 중 대부분을 차지하였으며, 이는 호흡기 깊숙한 영역까지 침착 되는 것으로 추정되었다.
0001). 사후 검정 결과, ABS는 초기 10분 동안의 평균 농도를 비롯하여 각 시간대별 평균 농도가 모두 유의한 차이를 보였고, PLA와 Nylon의 경우에는 초기 30분까지의 농도가 높았다. 반면, 245℃ 조건에서 초기 10분 동안의 농도가 현저히 높았던 Laywood는 290℃에서는 가동 후 지속적으로 높은 농도 수준을 유지하고 있었으며, 따라서 가동 후 60분 동안의 평균 농도는 유의한 차이를 보이지 않았다.
그러나 215℃ 조건에서 프린터를 가동했을 때, ABS와 PLA는 프린팅 전 배경 농도와 유사하였으나, Laywood의 경우 약 5배 증가하였다. 이후 30℃씩작동 온도를 증가시킬 때마다 모든 재료에 있어서 프린팅 증가하는 경향을 보였으며, 특히 각 재료의 권장 온도에 비해 최고 온도 조건에서는 약 20-173배 높은 농도 수준을 보였다(ABS: 20배, PLA: 173배, Laywood: 97배, Nylon: 24배). 입자의 중량 농도의 경우에도 온도가 증가함에 따라 입자 수 농도와 동일하게 증가하는 경향을 보였다.
입자 수를 기준으로 각 온도 조건 및 재료별로 추정한 호흡기 흡입량은 0.011-1.0 µm크기의 호흡성 입자가 전체 흡입 되는 입자 중 약95% 이상인 것으로 나타났으며, 이에 따라 전체 입자 중 폐포 부위에 침착 가능한 입자 수도 많았다(Fig.
이후 30℃씩작동 온도를 증가시킬 때마다 모든 재료에 있어서 프린팅 증가하는 경향을 보였으며, 특히 각 재료의 권장 온도에 비해 최고 온도 조건에서는 약 20-173배 높은 농도 수준을 보였다(ABS: 20배, PLA: 173배, Laywood: 97배, Nylon: 24배). 입자의 중량 농도의 경우에도 온도가 증가함에 따라 입자 수 농도와 동일하게 증가하는 경향을 보였다. 특히, 발생하는 다수의 입자가 나노미터 수준이었기 때문에 중량농도의 증가폭은 작았는데, 권장 온도와 비교했을 때 최고 온도조건에서의 중량 농도는 각 재료별로 6-56배 높았다(ABS: 8배, PLA: 56배, Laywood: 35배, Nylon: 6배).
본 연구를 통해 주요 3D 프린팅 재료 및 가동 온도 조건에 따른 입자의 크기별 분포를 평가하고, 인체 흡입 노출량을 추정하였다. 재료에 따라, 그리고 가동 온도가 높아질수록 프린팅 과정에서 많은 입자들이 발생되는 것으로 확인되었는데, 특히 가동 온도의 경우 높은 온도 조건보다는 가능한 제조사에서 권장하는 온도를 기준으로 최대한 낮게 유지하는 것이 입자의 발생 저감은 물론 사용자의 노출 저감을 위해서도 바람직할 것이다. 사용자의 흡입 노출 측면에서는 1 µm 이하의 작은 입자들이 전체 호흡기 흡입량 중 대부분을 차지하였으며, 이는 호흡기 깊숙한 영역까지 침착 되는 것으로 추정되었다.
모든 재료에서 권장 온도 조건 이상 일 때 100nm 이하의 나노 입자가 발생하는 모든 입자 중 큰 비율을 차지하였다. 재료에 따른 입자 수 농도의 차이는 있으나 각 재료별 권장 온도 조건에서는 ABS, PLA, Nylon, Laywood 순으로 높은 농도를 보였다. PLA와 Nylon, Laywood는 권장 온도 이상에서 프린터 가동 후 30 nm 이하의 입자 수가 증가한 반면, ABS는 30-60 nm 크기의 입자가 많이 발생하였다.
Table 3에 나타낸 바와 같이 가동 시간에 따른 입자 분포도 차이를 보이고 있다. 전체 시간을 프린터 가동 전(배경 농도), 중, 후로 구분했을 때, 프린터 가동 중에 입자 수와 중량 농도가 현저한 차이를 보였으며, 가동 후에도 대체적으로는 배경 농도보다는 높은 수준을 유지하였다. Fig.
중량을 기준으로 한 흡입량 또한 Laywood가 가장 높은 수준을 보였는데, 245℃ 조건에서 총 흡입되는 입자 중량은 84.5±3.6 ng/kgbw/g, 290℃에서 276.5±39.4 ng/kgbw/g의 입자가 흡입되며, 이 중 약 20% 수준이 호흡기 각 영역에 침착 될 수 있는 것으로 추정되었다.
PLA와 Nylon, Laywood는 권장 온도 이상에서 프린터 가동 후 30 nm 이하의 입자 수가 증가한 반면, ABS는 30-60 nm 크기의 입자가 많이 발생하였다. 최고 온도 조건에서는 네 가지 재료 모두 나노 크기의 입자의 증가가 뚜렷하였는데, 권장 온도 조건과는 달리 Nylon, ABS, Laywood, PLA 순으로 높은 농도를 보였다. 특히, Nylon과 Laywood의 경우 권장 온도 대비 최고 온도 조건에서 농도의 증가 폭이 크게 나타났다.
측정 대상 범위에 속하는 입자 크기 중 1 μm 이상의 입자는 프린팅 전이나 중, 후에 따른 변화가 거의 없었으며, 주로 발생하는 입자는 1 μm 이하의 작은 입자들이었다.
측정한 입자 중 2.5-10 µm의 입자가 물리적 크기가 크기 때문에 이론적으로는 중량이 높을 것으로 기대되나 실제 측정된 입자 수가 적어 전체 흡입량 중 차지하는 비율은 낮았다.
0 µm 크기의 입자의 기여가 컸다. 특히, PLA는 입자 수를 기준으로 했을 때 모든 재료 중에 가장 낮은 농도 수준을 보였으나, 중량을 기준으로 했을 경우에는 Nylon 보다 높았다. 중량을 기준으로 한 흡입량 또한 Laywood가 가장 높은 수준을 보였는데, 245℃ 조건에서 총 흡입되는 입자 중량은 84.
ABS와 PLA, Laywood, Nylon 모두 나노미터 범위에서는 가동 온도가 30℃씩 증가할 때마다 입자 수가 많이 발생하는 것으로 확인되었다. 특히, 각 재료별로 제조사에서 권장하고 있는 온도와 최고 가동 온도를 비교했을 때 현저한 차이를 보였다. ABS와 Nylon의 가동 권장 온도인 245℃에서는 각각 프린팅 중 기하평균(GM)은 59,682 particles/cm³(GSD:1.
입자의 중량 농도의 경우에도 온도가 증가함에 따라 입자 수 농도와 동일하게 증가하는 경향을 보였다. 특히, 발생하는 다수의 입자가 나노미터 수준이었기 때문에 중량농도의 증가폭은 작았는데, 권장 온도와 비교했을 때 최고 온도조건에서의 중량 농도는 각 재료별로 6-56배 높았다(ABS: 8배, PLA: 56배, Laywood: 35배, Nylon: 6배).
앞서 언급한 바와 같이 시간 대별 그래프에서도 온도 증가에 따라 발생하는 입자의 농도 또한 높아지는 경향을 보였다. 특히, 프린팅 가동 직후 약 10분 내 농도가 급격히 증가하다가 이후 시간이 경과함에 따라 점차적으로 감소하는 형태를 보였다. 모든 온도 조건에서 Laywood가 다른 재료에 비해 지속적으로 고 농도의 입자를 발생시켰으며, 275℃ 이상 고온 조건에서는 Laywood와 ABS가 PLA와 Laywood에 비해 상대적으로 고농도를 보였다.

후속연구

1) 기존 제조업의 핵심이 탑 다운(top-down)방식의 절삭 가공(subtractive manufacturing) 방식이었다면, 3D 프린팅은 아래로부터 층을 쌓아 올려 제조(bottom-up)하는 적층 가공(additive manufacturing)의 한 형태로, 제조업 분야를 비롯하여 바이오, 의료, 항공우주, 건축 및 소비재 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 향후 그 범위도 지속적으로 확대될 것으로 예상된다. 3D 프린팅 기술은 적층 방식과 사용되는 재료의 물리적 특성에 따라 압출형, 분말형, 접합형, 광조형 등 여러방식으로 구분할 수가 있는데, 이 중 압출 방식이 보급형 3D 프린터에 가장 많이 적용되는 기술이다.
본 연구에서는 주로 많이 사용되는 프린팅 재료들을 이용하여 다양한 가동 온도 조건에서 입자상 물질을 평가하였다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 같은 재료, 예를 들어 동일한 ABS 필라멘트를 사용하더라도 제조사별 또는 색상에 따른 차이를 보일 수 있는데, 본 연구에서는 이러한 측면을 고려하지 못하였고, 입자 상 물질 외 다른 유해인자에 대해 폭 넓게 다루지 못하였다. 또한 입자상 물질의 발생에 영향을 줄 수 있는 요인으로서 여러 요인들을 고려하기보다 제조사 권장 온도를 포함한 노즐 온도 만을 조절하여 프린팅 과정에서의 입자 발생 특성을 비교한 점도 실험 과정상의 중요한 한계점이라 할 수 있다.
그러나 앞서 언급한 바와 같이 같은 재료, 예를 들어 동일한 ABS 필라멘트를 사용하더라도 제조사별 또는 색상에 따른 차이를 보일 수 있는데, 본 연구에서는 이러한 측면을 고려하지 못하였고, 입자 상 물질 외 다른 유해인자에 대해 폭 넓게 다루지 못하였다. 또한 입자상 물질의 발생에 영향을 줄 수 있는 요인으로서 여러 요인들을 고려하기보다 제조사 권장 온도를 포함한 노즐 온도 만을 조절하여 프린팅 과정에서의 입자 발생 특성을 비교한 점도 실험 과정상의 중요한 한계점이라 할 수 있다. 그러나 이전에 발표된 관련 연구에서는 다양한 온도 조건 범위가 아닌 특정 온도 조건에서의 입자 발생 특성을 평가한 내용이 다수이다.
사용자의 흡입 노출 측면에서는 1 µm 이하의 작은 입자들이 전체 호흡기 흡입량 중 대부분을 차지하였으며, 이는 호흡기 깊숙한 영역까지 침착 되는 것으로 추정되었다. 향후에도 개인용 3D 프린터 보급이 확대될 것으로 예상됨에 따라 발생 유해인자에 대한 사용자의 노출 저감 방안 조치가 필요할 것이다. 현재 사용되는 보급형 프린팅 재료가 폴리머 재질이 다수이며, 이러한 재료들이 보통 200℃ 이상의 고온 조건에서 인쇄된다는 점, 열 부산물에 대한 규명이 아직 확실히 이루어지지 않는 점은, 향후에도 환경보건학적 측면에서 3D 프린팅 영역에 대한 지속적인 관심 및 연구의 필요성을 불러 일으키기에 충분하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D (three dimensional) 프린팅 기술이란?	3D (three dimensional) 프린팅 기술은 어떤 대상 물체의 3차원 형상을 정밀하게 구현하는 기술로써 설계단계부터 구현까지의 전 과정이 기존의 제조 방식에 비해 매우 빠른 특징을 가진다.1) 기존 제조업의 핵심이 탑 다운(top-down)방식의 절삭 가공(subtractive manufacturing) 방식이었다면, 3D 프린팅은 아래로부터 층을 쌓아 올려 제조(bottom-up)하는 적층 가공(additive manufacturing)의 한 형태로, 제조업 분야를 비롯하여 바이오, 의료, 항공우주, 건축 및 소비재 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 향후 그 범위도 지속적으로 확대될 것으로 예상된다.
	3D 프린터의 보급이 확대될 수 있었던 배경은?	흔히 수지 압출 적층 조형(fused deposition modeling, FDM)으로 대표할 수 있는 압출형 방식은 고체 형태의 수지를 고온 조건에서 압출(extrusion)시킴으로써 반 액상 상태로 표면에 증착시키는 원리이다.2,3) 2009년 FDM 프린팅 기술에 대한 특허 기술이 만료됨에 따라 이전에는 수 천만원 이상을 호가하던 3D프린터를 이제는 일반 생활에서도 저렴하게 구입하여 사용할 수 있게 되었다. 따라서 3D 프린터의 보급이 확대되고, 이에 따른 접근 기회가 많아짐에 따라 기존의 프린터와 마찬가지로 프린팅 과정에서 발생 가능한 여러 유해 인자에 대한 보건학적 연구 결과 또한 최근 몇 년 새에 꾸준히 발표되고 있다.
	3D 프린팅의 활용 분야는?	3D (three dimensional) 프린팅 기술은 어떤 대상 물체의 3차원 형상을 정밀하게 구현하는 기술로써 설계단계부터 구현까지의 전 과정이 기존의 제조 방식에 비해 매우 빠른 특징을 가진다.1) 기존 제조업의 핵심이 탑 다운(top-down)방식의 절삭 가공(subtractive manufacturing) 방식이었다면, 3D 프린팅은 아래로부터 층을 쌓아 올려 제조(bottom-up)하는 적층 가공(additive manufacturing)의 한 형태로, 제조업 분야를 비롯하여 바이오, 의료, 항공우주, 건축 및 소비재 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 향후 그 범위도 지속적으로 확대될 것으로 예상된다. 3D 프린팅 기술은 적층 방식과 사용되는 재료의 물리적 특성에 따라 압출형, 분말형, 접합형, 광조형 등 여러방식으로 구분할 수가 있는데, 이 중 압출 방식이 보급형 3D 프린터에 가장 많이 적용되는 기술이다.

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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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