실내에서의 3D프린터 사용, 과연 안전한가?

저는 예전부터 3D 프린터를 실내에서 사용하고 있습니다. 그것도 2개나요. 하나는 SLA 방식의 3D프린터인 Form 1+이고, 다른 하나는 FDM 방식의 Printrbot plus이지요. Form 1+야 덮개를 덮어놓으면 되고 출력 후에도 말리는 동안에만 냄새가 나며 주로 화장실에서 팬 켜놓고 사용하고 출력 도중에는 그렇게까지 냄새가 나거나 하지 않아서 별 걱정을 하진 않았지만, 프린터봇 플러스인 경우에는 주로 PLA를 사용함에도 불구하고 꽤나 냄새가 많이 나는 것을 느낄 수 있었지요. 그래도 PLA는 몸에 별 해가 없다고 알려져 있어 별로 큰 생각을 하진 않았었습니다.

그래도 3D프린팅하면 플라스틱 녹는 냄새가 나긴 나니까 과연 3D프린터를 실내에서 사용하는 것이 안전할까 하는 의문을 가지고 있던 와중에 다음 논문과 뉴스을 보게 되었습니다.

Emissions of Ultrafine Particles and Volatile Organic Compounds from Commercially Available Desktop Three-Dimensional Printers with Multiple Filaments, Parham Azimi, Dan Zhao, Claire Pouzet, Neil E. Crain, and Brent Stephens, Environ. Sci. Technol., 2016, 50 (3), pp 1260–1268.

Is 3D Printing Hazardous for Your Health? Researchers from University of Texas Weigh In

논문이 오픈액세스 형식이었기 때문에 무료로 다운로드가 가능해서 한번 읽어보았습니다. 3D 프린팅을 많이 하시는 분들께 도움이 되는 내용인 것 같아 정리해보려고 합니다. 오랜만에 논문정리하려고 하니 빡세군요;; 최대한 쉽게 써보겠습니다.

실험 설계는 이렇습니다. 3.6m^3 부피를 가진 스테인레스 스틸로 된 방 내부에 3D프린터와 방안 공기를 섞어주는 작은 선풍기(fan)이 있습니다. 3D프린터와 연결되는 컴퓨터는 방 바깥에 위치시키며, 이 방으로 들어가는 공기는 모두 필터링되게 합니다.

3D프린터를 작동시킨 후, 모두 동일한 모양의 3D모델링 파일을 3D프린팅합니다. 3D프린팅하는데에는 3D프린터 종류, 사용한 필라멘트, 3D모델링 파일 모양에 따라 2.5~4시간 정도 소요되었다고 하는군요.

3D프린팅하는 동안 방바깥으로 연결된 배기관을 통하여 방안 내부공기를 전달받아 입자 분석기(TSI model 3007 condensation particle counter, CPC)로 1분마다 분석을 시행하였다고 합니다.

또한 volatile organic compounds(VOC, 휘발성 유기화합물)의 양(Total VOC, TVOC)을 분석하기 위해 TSI Q-Trak model 7575 indoor air quality monitor와 model 982 photoionization detection(PID)를 사용했다고 하는군요.

즉, 3D프린팅하는 동안 밀폐된 방안의 공기에 어떠한 입자가 형성되는지, 형성된 입자의 양은 얼마나 되는지 본 것이지요. 여기서 형성된 입자중에 100nm 이하의 크기인 ultrafine particles(UFP, 초미립자)을 측정했다고 하는군요.

논문 중간에 복잡한 수식같은게 많은데 가볍게 스킵해주고요..

총 5개의 3D프린터(flashforge creator, dremel 3D idea builder, XYZprinting da Vinci 1.0, LulzBot Mini, MakerBot Replicator 2X)를 대상으로 다양한 재료들로 16개 조합을 만든 후 실험을 시행했습니다.

결과는 어땠을까요?

초미립자(UFP) 방출율은 ABS를 사용했을 때 높았으며(2x10^10 ~ 9x10^10 min^-1), PLA를 사용했을 때 낮았습니다(10^8 min^-1). 조금 신기했던 것은 ABS를 사용할 때 enclosure를 하든 안하든 상관없이 UFP 방출율이 높았다고 하네요. 초미립자 방출율의 중간값에서 35% 감소된 값을 보인게 MakerBot-ABS 조합이었는데요, 그래도 큰 감소는 아니었다고 하는군요. 아무래도 chamber를 가진 3D프린터라도 완전히 밀폐된 것이 아니니 그럴 것이라고 생각하더군요.

휘발성 유기화합물(VOC)은 무엇이 나왔을까요?

ABS 필라멘트를 사용한 6개의 3D프린터-필라멘트 조합과, HIPS(high-impact polystyrene) 필라멘트를 사용한 1개의 3D프린터-필라멘트 조합에서 스티렌(styrene)이 검출되었습니다.

nylon, PCTPE(semitransparent nylon-based plasticized copolyamide thermoplastic elastomer), laybrick, laywood 필라멘트를 사용했을 때에는 카프로락탐(Caprolactam)이라는 물질이 검출되었습니다.

PLA 필라멘트를 사용했을 때에는 락티드(lactide)라는 물질이 검출되었다고 하네요.

이 연구팀은 노즐온도와 히팅베드 온도가 UFP 방출율에 얼마나 영향을 주는지도 분석했는데요, 히팅베드 온도를 45도 미만, 60~65도, 100~110도 이렇게 세 그룹으로 나누어서 분석했습니다. 그 결과, 히팅베드의 온도가 낮거나 높을때에는 노즐 온도가 UFP 방출율에 그리 영향을 끼치지 못하나, 히팅베드의 온도가 중간일때에는 노즐온도가 높을수록 UFP 방출율이 높아짐을 확인하였습니다.

또한 히팅베드 온도를 단독으로 놓고 보았을 때 히팅베드 온도가 가장 높았던 3D프린터-필라멘트 조합에서 UFP 방출율이 가장 높았고, 히팅베드 온도가 가장 낮았던 3D프린터-필라멘트 조합에서 UFP 방출율이 가장 낮았습니다.

이상의 연구결과가 왜 중요하냐면, 우리 몸에 영향을 주는 것으로 알려져있는 물질들이 3D프린터를 사용하는 도중 발생한다는 것이지요.

ABS와 HIPS 필라멘트를 사용했을 때 발생한 스티렌(styrene)의 경우 발암물질로 알려져있구요, 나일론과 PCTPE, laybrick, laywood 필라멘트를 사용했을 때 발생한 카프로락탐(Caprolactam)은 비록 발암물질은 아니지만 California Office of Environmental Health Hazard Assessment (OEHHA)에서는 이 카프로락탐에 노출되더라도 적은 양에만 노출될 것을 권고하고 있습니다.

PLA 필라멘트를 사용했을 때 발생되었던 락티드(lactide)는 흡입했을 때 인체에 나쁜 영향을 주는지 어쩐지는 모른다고 하네요. 그나마 앞서 언급한 필라멘트들 보다는 낫네요-_-;;

특히 여기서 기억해야할 것은 스티렌의 방출인데, 방안의 높은 스티렌 농도는 상대적으로 높은 lifetime cancer risk를 발생시킨다고 여러 연구에서 밝혀져 있으며 특히 중간 정도(moderate)의 스티렌 농도로도 소아에서 폐질환의 위험을 높힌다고 알려져있는 만큼 사용에 주의를 요합니다.

그리고 일반적인 상황에서의 3D프린터를 이용한 3D프린팅을 하는 상황을 가정하였을 때 UFP의 농도는 전형적인 사무실 내의 공기나 학교 내의 공기에서 발견되는 농도보다 약 10배정도 높다고 하는군요. 비록 이 UFP의 실내에서의 허용 기준 등이 명확히 존재하는 것은 아니지만, 인체에 안전하다는 보고도 없으니 주의를 해야겠지요.

결과적으로 이 연구팀은 제대로 환기가 되지 않는 환경에서의 많은 3D프린터 사용은 주의를 요한다고 경고하고 있습니다. 특히나 스티렌이나 나일론 기반의 필라멘트를 사용할 경우에는 더더욱 신경써야하겠습니다.

아직 PLA를 사용할 때 발생한 락티드가 인체에 유해하다는 보고는 없으나, 그래도 어떻게 작용할지 확실히 밝혀진게 없을 뿐이지 안전하다는 것은 아니므로, 왠만하면 3D프린터를 사용할 때 환기가 되도록 신경써야겠습니다.

이제까지 메이드인네버랜드였습니다~!