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[3D 프린터·펜] ①유해성 연구와 논란
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[3D 프린터·펜] ①유해성 연구와 논란
  • 이민준 기자
  • 승인 2021.10.26 11:11
  • 댓글 0
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3D 프린터·펜의 작동 방식과 국내외 유해성 연구
기본 원료를 녹이는 온도가 높을수록 더 많은 입자 배출
첨가제 사용에 따른 배출량 영향
막연한 공포심말고 안전 수칙 인지 필요

연속적인 계층으로 물질이 뿌려지면서 3차원의 자유롭고 다양한 구조물을 만들어 낼 수 있는 3D 프린터 시장이 지속 성장하고 있다. 게다가 단점들을 보완하며 전동장치 등을 제거하고 노즐과 모터만으로 간편하게 작동이 가능하도록 만든 창작 도구, 3D 프린팅 펜(3D 펜) 시장 또한 성장세다.

다양한 3D 펜 제품들 /구글 쇼핑 갈무리

현재 온라인 쇼핑몰에는 일반형, 고급형, 어린이용 등 다양한 3D 펜 제품들이 판매되고 있다.

초등학교 1학년 아들을 둔 40대 직장인 A씨는 종이접기를 좋아하는 아들이 얼마 전 3D 펜을 사용해서 여러 가지 물체들을 만들 수 있어 제품을 사고 싶다는 이야기를 했다고 말했다. 제품들을 살펴봤는데 창의력을 향상하는데 도움이 될 것으로 판단되었지만 아이 건강에 유해한 것은 아닌지 걱정도 된다고 했다. 

그도 그럴 것이 2014년부터 정부에서 학교에 3D 프린터 보급을 시작한 이후 지난해 기준 전국 5222개교에 1만 8천만여 개의 기기가 보급된 가운데 3D 프린터를 사용한 몇 년 후 학교 현장에서 자주 기기를 사용하던 교사 2명이 잇달아 육종암 확진을 받고 그중 한 명이 사망했다는 소식이 알려지면서 논란이 된 바 있다.

지난해 9월에는 한 커뮤니티에 3D 프린터 업계에 있다는 B씨는 3D 프린터 필라멘트 유해성 기사로 인해 제품이 전국적으로 반품되기 시작했는데, 자신이 몸담은 업체의 제품은 제품의 성분분석과 안전인증을 가지고 있어 이러한 현상이 억울하다고 주장하기도 했다. 여러 기관에 문의를 했지만 돌아오는 답변은 뾰족한 수가 없었다며 분통을 터트렸다. 또 해외 제품 대비 국내 제품의 우수성에 대해서도 추천하는 의견을 남겼다.

3D 프린터·펜의 작동 방식과 국내외 유해성 연구

3D 프린팅의 일반적인 위험성은 프린터 종류와 사용된 재료에 따라 다르다. 가루 형태의 인쇄물은 다른 것들보다 흡입이나 피부 트러블 가능성이 더 크고, 레이저를 사용하는 3D 프린터는 고온을 사용해 재료를 녹이는 프린터 기기와는 다른 잠재적 위험이 있다. 유해물질 흡입과 피부 접촉 외에도 일부 재료는 가연성이 있어 화상의 위험도 있다.

교육용으로 사용되는 3D 프린터는 일반적으로 플라스틱 필라멘트, 나노입자, 금속, 열가소성 수지 등과 같은 기타 기본 재료를 녹인 다음 재료가 층층으로 쌓여 물체를 형성하는 방식으로 작동한다. 

FDM 방식 /이미지=에이엠코리아 갈무리

대표적인 FDM(Fused Deposition Modeling) 공정은 재료를 열에 의해 녹여 일정 압력으로 노즐을 통하여 압출해가며 적층 조형하는 방식이다. 재료는 필라멘트나 와이어 형태로 실타래처럼 감겨 지속 공급되고 용융압출헤드를 통과하면서 부드러운 재질로 연화·압출되어 입체 모양으로 만들어지게 된다.

하지만 플라스틱이나 기타 재료가 가열되어 녹으면 휘발성 화합물이 프린터와 물체 근처의 공기 중으로 방출된다.

2019년 말에 발표된 산업안전보건연구원의 '3D 프린터에 사용되는 소재의 종류 및 유해 물질 특성 연구'에서 ABS가 공정 부산물로 유해한 나노입자를 분당 2천억여 개를 방출시킨다고 지적되었다.

2020년 위험분석학회(SRA, Society for Risk Analysis) 연례 회의에서 발표된 연구에 따르면 인쇄 과정에서 방출되는 입자가 실내 공기질과 공중 보건에 영향을 미칠 수 있다고 밝혀지기도 했다. 

ICP-MS로 측정된 소화필라멘트의 금속 함량인쇄 공정 후 PLA 클리어 필라멘트의 금속 함량 증가 /JoVE 저널 '3D 프린팅 펜의 입자 배출 평가(2020년)' 

이러한 공정 중에 환경으로 방출되는 화학 부산물과 입자들이 축적되고 일부는 폐에 침투해 손상을 유발할 수 있는 것으로 특히 연구의 시뮬레이션 모델에서 9세 이하 어린이의 폐 표면에 더 높은 침착을 예측하게 했으며, 흡입 용량이 얼마인지 결정하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 밝히고 있다.

3D 프린팅 공정에서 샘플의 TEM-이미지 : (C)PLA-구리 필라멘트는 PLA 이외에 구리 결정(120-150 nm)을 초래한다. (D)CNT 방출의 결과 PLA-CNT 필라멘트. (E)PLA-강철 필라멘트가 방출되어 강철 파편이 방출된다. (F)PLA-알루미늄 필라멘트가 큰 알루미늄 입자를 생성한다. /JoVE 저널 '3D 프린팅 펜의 입자 배출 평가(2020년)' 

미국 산업안전보건연구소(NIOSH)에서 수행한 또 다른 연구에서는 흡입을 통해 노출된 인간의 폐 세포와 쥐를 검사해 3D 프린팅 중에 생성된 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 배출의 잠재적 독성을 조사했다. 배출된 입자가 인간의 폐세포에는 중간 정도의 독성을, 쥐에게는 최소한의 독성을 유발한다는 사실이 밝혀졌다.

기본 원료를 녹이는 높은 온도와 첨가제 사용에 따른 배출

이전 연구에서는 필라멘트를 녹이는 데 필요한 온도가 높을수록 더 많은 배출량이 발생하고, ABS 입자가 ABS 필라멘트와 다른 화학적 특성을 가짐이 발견되었다. 특정 유형의 필라멘트를 제조할 때 특성을 위해 첨가되는 소량의 다른 화합물이 무엇인지 공개되지 않았다는 지적도 있어왔다. 첨가제가 ABS 배출량에 영향을 미치기 때문에 점점 다양한 장소에 3D 프린터가 보편화됨에 따라 특히 중요한 문제로 지적됐다.

3D 프린팅 공정에서 샘플의 TEM-이미지 : (C)PLA-구리 필라멘트는 PLA 이외에 구리 결정(120-150 nm)을 초래한다. (D)CNT 방출의 결과 PLA-CNT 필라멘트. (E)PLA-강철 필라멘트가 방출되어 강철 파편이 방출된다. (F)PLA-알루미늄 필라멘트가 큰 알루미늄 입자를 생성한다. /JoVE 저널 '3D 프린팅 펜의 입자 배출 평가(2020년)' 

사람뿐만 아니라 3D 프린팅으로 인한 플라스틱 입자가 물고기의 기관에 미치는 영향에 대한 연구도 있다. 이렇게 분해되고 통합된 나노물질이 환경에 노출되어 물고기를 사람이 먹었을 때 인체에 방출되는 오염물질의 양을 알아내는 데 사용할 수 있는 매트릭스 방출 계수를 제공했다. 3D 프린팅 기술이 더 널리 보급됨에 따라 규제기관과 제조업체, 사용자가 이러한 위험을 더 잘 관리하는 데 관심을 집중해야 하는 이유다.

일반 대중이 이러한 유해물질 노출 가능성과 어린이의 더 높은 감수성에 대한 인식을 높이기 위해서 이러한 연구가 지속해서 필요하다.

어린이의 3D 펜 사용(해당 사진은 기사 내용과 직접적 관련 없음) /사진=픽사베이

요즘은 낮은 온도에서 사용할 수 있는 저온형 필라멘트 지원, 생분해성 소재 등 입문자나 아이들용 3D 펜이 주목받고 있으며, 취미생활을 비롯해 일상에서 망가진 소품 보수, 물건 고정 등 활용 분야가 확대되고 있는 추세다. 무작정 유해성에 대한 막연한 공포심이 아니라 정보를 정확히 알고 안전 사용법을 숙지하여 시대의 유용한 기술을 안전사고 없이 사용하는 것이 필요하다.

'3D 프린터·펜' 다음 편은 3D 펜의 안전사용법과 주의사항에 대한 내용이 예정되어있다.

[케미컬뉴스=이민준 기자]



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