KR102022244B1 - 3d 프린터용 유해가스 제거 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에서 발생하는 각종 유해가스를 제거할 수 있는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치에 관한 것이다. 본 발명은 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에 설치되며, 토출되는 용융 수지에서 발생하는 유해가스를 포집하는 필터부, 및 상기 필터부에 연결되어 상기 유해가스를 상기 필터부쪽으로 흡입시키는 흡기부를 포함한다.

Description

3D 프린터용 유해가스 제거 장치{HARMFUL GAS ELIMINATING APPARATUS FOR 3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에서 발생하는 각종 유해가스를 제거할 수 있는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치에 관한 것이다.

최근 제조업의 혁명이라고 하는 3D 프린터의 발전이 눈부시다. 흔히 수지 혹은 고분자 탄소화합물로 불리는 플라스틱 또는 세라믹/금속 등과 관련된 복합 원재료, 또는 광경화성 수지 등의 재료를 이용하여, 만들고자 하는 조형물을 사출과 압출 같은 고비용의 금형 제작을 거치지 않고, 직접적으로 프로그램에 따라, 가열된 다양한 형태의 소형 노즐을 통해, 재료를 녹여서 적층 가공의 형태로 3차원 형상의 조형물은 만드는 3D 프린터는 과히 제조업의 혁명이라고 할 수 있다.

이는 개인 맞춤형 제조 시대로 나아가는 것이 한걸음 당겨졌으며, 다품종 소량 생산에 있어서 지금까지의 산업에서는 보지 못했던 놀라운 산업 분야의 핵심적 역할이 기대된다.

예를 들면, 의료용품(보청기, 치아, 의족 등) 제조, 1인 제조업의 가능(피규어와 같은 예술성을 가진 다품종 소량 제조 산업), 제품 디자인의 혁신적인 발달, 마이크로 단위의 초정밀 성형 등이 가능해짐에 따라 새로운 개척이 이루어질 것이다.

그러나, 1인 사업장도 가능하게 하는 3D 프린터의 가장 뛰어난 장점 중의 하나인 소형화된 장치의 특성상, 전통적인 프린터 장치와 같이 실내에서 그 사용과 작동이 대부분 이루어진다는 점에서 문제가 발생한다.

더욱이, 현재까지 개발된 3D 프린터에서 주로 사용되는 재료 대부분이 공정 중에 유독성 혹은 유해 환경 물질을 배출한다.

사실 석유화학의 근간이 되는 탄소를 주쇄로 하는 폴리머는 성형물이 완성된 뒤에는 자체적으로 상당히 안정적이다. 하지만 이는 어디까지나 상온에서의 현상이며, 열을 가하여 성형하는 과정에서는 플라스틱을 합성하는 과정에서 활용된 각종 첨가제의 용출, 붕괴, 그리고 폴리머 자체의 고분자를 형성하기 위해, 또는 고분자의 기능성을 부여하기 위해 추가된 반응성 기가 용출, 분해, 해리, 또는 산소와의 접촉 등을 통하여 독립적인 유해가스로 배출되게 된다.

이는 지금까지 개발된 거의 모든 3D 프린터가 열을 가하여 조형물을 완성하는 적층 성형의 형태로서, 그것의 원재료가 고분자 탄소화합물 계열이든 세라믹계열이든 금속계열이든간에 모두 유해물질이 발생하며, 일부 광경화성 및 생분해성 수지를 원료로 하는 경우에도 예외 없이 발생한다.

더욱더 심각한 것은, 이른바 작동 상용 온도에 도달했을 경우에 성형 공정이 진행되는데, 이때 발생하는 가스는 분자량이 작은 분해가스가 아닌, 잔류 모노머 혹은 모노머의 독성기를 그대로 분리시키게 되고, 고분자 혹은 유독성 사슬이 붕괴, 해리된 채로 그대로 발생하게 된다는 것이다.

이에 대한 가장 적절한 비유는 “허가받지 않은 소각로에서 불법으로 환경기준에 맞지 않게 소각한다"는 것이며, 단지 “서서히 소각하는 효과”일뿐 발생되는 가스는 불법 소각로에서와 다름없다.

예를 들면, 현재 3D 프린터에서 가장 각광받는 원재료인 ABS 재질의 경우, 이 원재료의 용융작동 사용온도는 180~250℃이고, 이 온도에서 벤젠 화합물이 그대로 붕괴, 해리되어 나온다(이산화탄소, 일산화탄소. 수소, 수분, 아닐린 등도 같이 발생한다). 이는 인체에 치명적이며 환경적으로도 배출이 금지되어 있다.

이 물질에 대한 환경규제는 매우 엄격하여, 법적으로 정기적으로 관리받는 소각로에서는 소각로의 온도가 1500℃ 이상이 유지되는 경우에만 소각이 가능하며, 또한 그 잔류가스를 채집하여, 직경 5mm 이하의 동관에서 980℃에서 3초 이상 가열 분해하여 배출해야만 한다.

이 경우는 한 예를 든 것이며, 현재 개발된 대부분의 3D 프린터의 공정상, 그것의 기능, 형태, 가격에 상관없이, 사용되는 대부분의 원재료가 대량의 잔류 모노머 가스, 일산화탄소, 재질에 따라 독성 포스겐 가스, 황산 가스, 또는 생물의 호르몬 기능을 파괴하는 환경호르몬 물질 등이 발생한다.

도 1은 플라스틱 가공 공장에서 압출성형 또는 사출성형시에 수지가 용융되는 과정(정확히는 유리전이온도 Tg)에서의 일반적인 가스의 발생비율을 각 구간별로 나타낸 것이다.

피딩존 (가)는 수지가 최초로 녹기 시작하는 구간으로 전체 발생 가스량의 50%가 이때 발생하며, 스크류의 배출구를 경유하여 기어박스 부분(역방향)으로 집진 설비를 통하여 상당량이 배출된다.

(나), (다) 구간은 각 혼합/용융 구간으로 이때 발생되는 가스는 금형에 설치된 배출구를 경유하여 집진 설비를 통하여 배출된다.

3D 프린터는 이러한 성형 구조와 그 원리와 진행 과정이 매우 유사함에도 불구하고, 발생 가스에 대한 포집, 흡착 또는 법적기준 내의 배출가스 제거 및 처리 장치를 갖추지 못하고 있다.

현재 이러한 폴리머로부터 야기되는 위험성에 대한 것은 사실 갑자기 대두된 문제는 아니다. 단지 현재 3D 프린터를 제작하거나 개발하려는 회사들이 전기, 전자, 기계, 제어계측 분야의 전문가들이 대다수 활동하는 반면, 3D 프린터의 원재료를 사용하는 부분에 대해서는 기존의 석유화학 회사의 원재료를 그대로 사용하기 쉽게, 필라멘트, 분말, 세라믹 등의 혼합, UV 등에 반응하는 액상 경화 등의 형태로 그대로 차용하여 사용하고 있어서, 고분자 메커니즘을 이해하고 있는 화학, 환경 전공자들이 장치제작에 참여하지 못하기 때문에 인식되지 못했을 것이라 생각된다.

한편, 고무와 같이 유연한 재질은 열가소성 수지로서 3D 프린터에서 가장 먼저 사용된 것으로, 피규어, 인조피부, 학용품 등과 같이 다양한 다품종 소량 생산 산업분야의 하나로서, 현재 주요 3D 프린터용 원재료 중의 하나이다. 대부분의 열가소성 합성수지는 가소제를 사용하여 유연한 수지의 형태로 제조 성형하게 된다. 이러한 가소제는 상온에서도 검출되며, 상당수의 가소제가 사용 금지 또는 사용량을 줄이도록 법제화되어 있다. 그럼에도 불구하고, 품질 또는 가격에 대한 불만으로 불법적으로 지속 사용되고 있어 규제와 단속이 점차 강화되고 있다.

한편, 본 발명자가 보는 3D 프린터의 가장 치명적인 문제는 "3D 프린터는 상온에서 작동되는 장치가 아니다"라는 것이다.

현재의 규제법과 상관없이 열가소성 합성수지는 3D 프린터 작동 온도 범위에서 유해가스(상당수가 거의 치명적인 독가스 수준으로, 2차 대전 중 나치가 학살에 사용한 포스겐 가스(COCl₂)가 발생하는 경우도 있다)를 방출한다는 것이다.

3D 프린터로 고온에서 성형품을 용융 제조하는 경우에는 폴리머 화학 공장에서 성형품을 용융 제조하는 경우와 거의 동일한 환경처리 상황에 놓이게 된다. 실제로, 대부분의 폴리머 화학 공장은 관련 법 제도에 의하여 철저하고 엄격하게 생산시의 배출가스에 대하여 내외부에서 2중, 3중으로 규제와 통제가 이루어지고 있으나, 3D 프린터의 사용에 있어서는 이러한 규제나 통제가 전혀 이루어지지 않고 있다.

이제 3D 프린터의 기술은 빠르게 진화하고 있고, 그 기능을 확대하기 위해 원재료 역시 빠르게 진화하고 있다. 그러나, 그 원재료의 개발 역시 기능적 역할에만 몰두한 나머지, 그 취급은 완성된 안정화된 상온 상태의 플라스틱의 관점에서 시장이 형성되고 있고, 3D 프린터와 같은 관련 장치에 대한 보완이 전혀 이루어지지 않고 있다.

더욱이, 일부 국가에서는 3D 프린터를 제3의 산업혁명이라 간주하여 국가적 차원에서 적극적인 지원으로 대량 보급이 실현되었으며, 초중고 등으로 확대 보급할 계획도 속속 발표되고 있어, 자라나는 어린이와 청소년들에게도 치명적인 위협이 되고 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로서, 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에서 발생하는 각종 유해가스를 제거할 수 있는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 3D 프린터용 유해가스 제거 장치는,

3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에 설치되며,

토출되는 용융 수지에서 발생하는 유해가스를 포집하는 필터부; 및

상기 필터부에 연결되어 상기 유해가스를 상기 필터부쪽으로 흡입시키는 흡기부를 포함한다.

본 발명에 의한 3D 프린터용 유해가스 제거 장치는 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에서 발생하는 각종 유해가스를 제거할 수 있다.

도 1은 플라스틱 가공공장의 압출성형 또는 사출성형시에 노즐에서 수지가 용융되는 과정에서의 일반적인 가스의 발생비율을 각 구간별로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치(가압형)를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치(압력분산형)를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치에 있어서 유해가스 흡입방향에 대한 몇가지 예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치의 설치방향에 대한 몇가지 예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치의 설치위치에 대한 몇가지 예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치에 있어서 필터부의 한 구성예를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치에 있어서 필터부의 다른 구성예를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치에 있어서 필터부의 또 다른 구성예를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치에 있어서 흡기부에 사용되는 소형 진공모터 및 컴프레서, 후드팬 등을 예시한 것이다.

본 발명은 3D 프린터의 상용 작동 중, 현재 사용하는 원재료로부터 발생할 수 있는 잔류 모노머 가스, 폴리머 분해 유해가스, 오존가스, 환경호르몬, 나노물질, 첨가제, 해리/붕괴 생성물 등 인체에 독성을 유발할 수 있는 물질, 및 환경에 유해하며, 규제 또한 이루어지는 배출 가스 처리에 관한 것이다.

3D 프린터의 대부분의 원재료는 폴리머 또는 세라믹, 금속분, 각종 기능성 첨가제가 첨가된 폴리머 화합물로 이루어져 있으며, 용융 온도(분해/해리/응집 상용 온도) 내에서 용출되거나 분해 또는 붕괴, 가스화되어 방출된다.

3D 프린터가 대형 화학공장과 그 생산 규모면에서 차이가 있다고 하지만, 그 공정의 유사성과 폴리머 가스가 발생하는 제조상의 상용 온도 범위가 일치하고 공정이 일치하므로, 치명적인 유해가스가 발생하는 것은 마찬가지다.

더욱이 작은 실내 공간에서 장치가 설치되는 것을 고려하지 않더라도, 3D 프린터의 단위시간당 원재료 소모에 대한 유해가스 발생량만으로도 충분히 위협적이며 위험하다.

부연하자면, 현재 3D 프린터의 프린팅 방식은 FDM(fused deposition modeling) 방식, DLP(disital light processing) 방식(DLP 프로젝트를 사용하는 방식), SLA(stereolithography apparatus) 방식, SLS(selective laser sintering) 방식의 네 가지가 대표적이라 할 수 있다. 이들 모두 열을 가하거나, 광경화를 유도하거나, 분말소결하여 진행되는 과정으로, 분해 메커니즘은 고분자의 분해, 붕괴, 경화, 해리, 용출, 휘발성 유기화합물 배출을 통한 경화 등을 동반하며, 흔히 환경 규제 대상으로 여겨지는 소각과 분해 메커니즘은 동일하다고 볼 수 있다.

이러한 과정들은 대부분 인체에 유해하며 또 환경에 유해하다. 본 발명은 거의 완벽하게, 또한 엄격한 배출가스 관련법에 부합하게 유해가스를 제거하기 위한 장치에 관한 것이다.

그러나, 이를 개발하기 위해서는 선결해야 할 문제가 많이 있다. 이는 현재 사용되는 3D 프린터용 원재료가 매우 다양하게 개발되어 판매되고 있으며, 시장의 요구로 기능성이 추가되어 복잡성이 더해지기 때문이다.

먼저, 본 발명을 개발하기에 앞서 선결해야 할 문제에 대하여 다음과 같이 정리하였다.

(1) 3D 프린터가 소형임에도 불구하고, 각종 폴리머로부터 나오는 비반응 모노머 또는 분해가스는 사용 플라스틱 재료의 다양성으로 인하여 그 발생 가스의 종류 역시 수십~수백 종에 달한다. 그러나 원재료에 따라서 유해가스 제거 장치를 달리할 수 없으므로(일반 사용자가 화학적 지식이 부족한 상태에서 효과적으로 원재료의 종류에 따라 유해가스 제거 장치를 선택 교환하기는 매우 어려운 문제이다), 범용적으로 간단히 사용할 수 있어야 하며, 그럼에도 불구하고 모든 발생 유해가스를 공통적으로 대부분 잡을 수 있어야 한다.

고상 또는 액상의 고분자(플라스틱) 화합물 또는 세라믹/고분자 혼합물, 금속/고분자 혼합물, 금속/세라믹/고분자를 원료로 사용하며, 열가소성, 열경화성, 광경화성 등 성형 과정을 거치는 거의 모든 3D 프린터는, 작동 온도에 있어서 유해가스가 발생한다. 이는 인체와 환경에 매우 유해하므로 반드시 제거 장치를 장착해야 하며, 이 장치를 개발하기 위해 발생 가스의 종류를 파악, 분석, 분류하여야 한다.

(2) 대부분의 3D 프린터는 가로 1~2미터, 세로 1미터, 높이 0.5~1.5미터 정도이며, 컴퓨터 장치와 함께 실내에 놓여지므로 장치가 소형화되어야 하고, 가격적인 부담/전력 부담이 없는 장치 구조를 지향해야 한다. 이는 3D 프린터가 대중화되면서 일반가전의 개념으로 자리잡아가고 있기 때문이다.

(3) 3D 프린트의 상용 작동 범위 80~400℃에서 발생하는 유해가스에 대한 포집이 가능해야 하며, 환경 또는 인체에 무해한 농도(법적 조건 만족)로 유해가스를 배출하는 초소형 포집 장치여야 한다.

이를 위해, 발생가능한 가스를 예측하고 메커니즘을 파악하여 포집/흡착 가능한 장치여야 하며, 구동 조건에서의 내화학성, 내열성, 내구성 등을 만족하는 장치여야 한다.

일부 플라스틱의 기능성을 부여하기 위해 세라믹, 금속 또는 금속염 계열이 포함된 플라스틱의 경우, 폴리머의 탄소, 수소, 산소 등과 결합하여 유해한 나노가스화하며, 입자 거동(브라운 운동)한다.

이와 동시에 수분과 미세분진도 같이 발생하여 활성탄 교체 주기를 짧게 할 수 있다. 그러므로 저분자량 미세분진, 모노머의 흡착/필터링 등 유해가스 및 유해가스와 동시에 발생하는 다양한 형태와 성상을 고려하여 설계해야 한다.

이는 단지 몇 종의 플라스틱 재료를 생산하는 대규모의 화학공장과 달리, 다품종 소량생산 등 다양한 원재료를 사용하는 3D 프린터의 경우, 유해가스의 처리에 있어서 훨씬 더 복잡한 장치설계와 처리 방식이 요구된다

폴리머 모노머의 경우 판데르발스 정전기에 의한 흡착 포집이 이루어진다.

(4) 흡착에 대한 공학적 근거를 명확히 하여 표준화할 수 있어야 하며, 소비자가 제때에 필터를 교환할 수 있는 근거 또는 공학적 판단이 있어야 한다(환경 배출가스 법규에 부합하는 기준으로도 제작되어야 한다).

장치를 발명하는데 있어서, 장치의 작동공정, 장치의 재료, 포집/흡착 장치의 고안(발생가스의 종류 파악, 포집/흡착/제거에 대한 메커니즘)이 포함되어 있어야 한다.

(5) 소비자의 가격적 부담이 없어야 하고, 필요시에 안전하게 필터를 교체할 수 있어야 한다.

이하에서는 3D 프린터의 작동온도에서의 발생가스의 예측과 발생 메커니즘에 대한 분석을 해 본다.

발생하는 가스의 종류를 파악하기 위해 흡착 대상이 되는 원재료에 대하여 분석 정리가 필요하다.

현재 일반적으로 사용, 판매되고 있는 3D 프린터의 원재료에 대해 기본적 기저 폴리머에 대한 내용만을 간략히 정리하면 다음과 같다.

원재료에는 스타이렌 계열(ABS, HIPS, GPPS), 폴리카보네이트 계열, 폴리아미드(나일론) 계열, 합성 고무 계열, PVC 계열, 폴리올레핀(HDPE, LDPE, LLDPE, PP), PVA 계열(자가 접착성), 그리고 흔히 무독성이라 착각하기 쉬운 친환경(bio-degradable) 소재 계열(PLA: polylatic acid) 등이 있다.

무독성과 친환경성은 엄밀히 다른 것으로, 친환경 플라스틱은 자연계에서 생분해/붕괴되어 CH₄, CO₂, N₂, 카본 등 자연계로 회귀되는 것을 말하며, 인체의 유해성과는 구분된다. 옥수수를 발효하여 젖산(lactic acid)을 얻은 후 중합 과정을 거친 PLA와 같은 플라스틱 역시 용융 제조 과정에서 일산화탄소, 메탄가스, 다이옥신과 같은 유해가스를 동반한다.

유독가스는 고분자 물질(플라스틱)이 용융, 혼합, 가압, 연소시에 발생되어 나온다.

가장 간단한 고분자이면서, 3D 프린터 및 일반적 플라스틱 성형물에 범용적으로 사용되는 폴리에틸렌의 구조를 보면 ...CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂...와 같다. 일반적인 저분자 물질 H₂C=CH₂(에틸렌)이 길게 연결된 형태이다.

먼저 에틸렌이 용융 연소 중에 붕괴를 수반하면 H₂C=CH₂ + 3O₂ --> 2C0₂ + 2H₂O 의 과정을 거치며, 최종적으로 에틸렌이 연소되면 물과 이산화탄소가 나온다. 폴리에틸렌을 태울 때 CO₂와 H₂O만 나온다면 문제가 될 것이 없으나, 고분자 물질은 사슬이 긴데, 연소시 사슬의 어느 부분이 끊어져 산소와 결합할지 알 수 없다. 불안정한 온도와 압력하에서 일산화탄소를 다량 발생시키며, 메탄가스 역시 중독을 유발할 수 있다. 또한, 작업 환경에 따라 CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂ + O₂ 가 될수도 있고, CH₂CH₂CH₂ + O₂ 가 될 수도 있으며, 이밖에 다양한 형태의 결합이 이루어진다.

이는 안정적으로 인식되어온 플라스틱이, 고온고압 환경이 조성되는 3D 프린터의 가열히터, 노즐에서 용융되기 때문에, 다이옥신과 같은 유독가스가 나오는 것을 피할 수 없게 된다.

더욱이 폴리에틸렌의 사용목적 또는 가공성을 위해 투입되는 (성형품이 완성된 상온에서는 전혀 문제될 것이 없는) 첨가제 역시, 다양한 형태의 해리(붕괴), 잔류 모노머, 유독 가스를 유도하거나 유발한다.

게다가, 폴리에틸렌은 C와 H로만 이루어져 있기 때문에 비교적 단순하다고 할 수 있으나, Cl이나 S 같은 다른 원소들이 첨가되어 있는 고분자 물질이라면, 또 다른 독성물질이 생성될 수 있다. 일반적으로 Cl이 있는 물질을 태울 때 나오는 가스는 독성이 상당히 강하다. 대표적인 예로 다이옥신을 들 수 있다.

다음은 3D 프린터에서 범용적으로 사용되는 원재료 중 가장 많이 사용되는 재료를 몇 가지 예로서 선택하여, 발생 가능한 가스에 대해 분석한 것이다.

(1) ABS

ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene)는 하기 구조를 가지며,

하기 모노머들의 중합으로 제조된다.

ABS는 아모퍼스 상태로 엄밀한 의미에서의 용융이 존재하지 않는다. 그러므로 가압 상태에서 105℃에서 중합이 가능하며, 이는 3D 프린터의 ABS 상용 작동온도(220℃)에서 모노머 가스를 발생시킨다.

이 경우 프린터가 작동될 때 용융되면서 예상되는 해리(붕괴) 가스, 잔류 모노머 가스 등은 하기와 같이 예측 가능하며, 실제로도 투입량의 0.5%(중량비) 정도가 평균 발생하고, 3D 프린터의 속도를 높이기 위해 온도를 높이는 경우 1%를 넘기도 한다.

이는 수지에 함유/함침되어 있는 발생 수분의 함량(발생가스 중 80%)을 제외하더라도 33평의 공간에서 중독을 유발하기에 충분한 가스이다.

중합시에 원재료로 사용된 아크릴로나이트릴, 최근 발암물질로 밝혀진 부타디엔, 스타이렌 등이 잔류 모노머의 형태로 발생되며, 고온 작동에 의한 사슬의 붕괴로 메탄 가스, 일산화탄소, 이산화탄소, 나프타 가스(벤젠형, 톨루엔형 등), 수소, 수분 등이 발생한다.

발생 가스의 유독성은 여기서 그치지 않는다. 수지를 여러 목적하는 바에 따라 개질(광택 개선, 유동성 개선, 수지의 산화방지, 강도 보강, 난연성 부여, 컬러를 위한 안료 분산 등)하기 위해 첨가되는 물질(첨가제)로부터 발생하는 가스는 더욱더 치명적이다. 첨가제의 예를 들면 다음과 같다.

안정제: (Mg₃Zn₁)Al₂(OH)₁₂CO₃·3H₂O

촉매제: (C₁₇H₃₅COHN)₂C₂H₄

활제: (C₁₇H₃₅COO)₂Zn, (C₁₇H₃₅COO)₂Ca, Ca-Mg-Zn

분산제, 난연제: Ba-Zn, Mg(OH)₂

이들은 현재 폴리머 공정 중에 사용되는 가장 범용적이고 안정적인(법으로 허용) 첨가제임에도 불구하고, 작용 온도는 140℃ 전후이며, 가공(용융을 거치는 공정)은 반드시 유해가스 제거 설비(집진 설비)를 갖춘 곳에서만 이루어지도록 법으로 정해져 있다.

상기한 첨가제의 예를 보면, 수지 가공 성형의 보조제나 개질 목적으로 사용 되는 첨가제는 주로 금속스테아레이트 계열 등을 포함하고 있어, 연소 가스는 인체의 뇌신경계 등에 치명적인 위해를 가할 수 있다. 또, 일부 제조업체에서는 환경호르몬인 할로겐 계열의 첨가제를 사용하기도 한다.

또한 대부분의 첨가제는 수지 용융시에 먼저 반응하도록 하기 위해, 일반적으로 수지 용융보다 40~50℃ 낮은 온도에서 작용하기 때문에 더 쉽게 잔류 모노머가 발생하거나 해리/붕괴된다.

예) ABS 용융온도 210℃, 안정제, 촉매제, 활제, 분산제의 작용온도 140~160℃

이외에 연질로 하기 위해 가소제 등을 사용하기도 한다. 현행법은 가소제를 완전히 규제하지 않고 그 사용량(투입량)만을 규제하고 있으나, 이는 완성된 성형품에서 위해범위를 산정한 것이고, 3D 프린터 작동 온도 범위에서는 매우 치명적이다.

상기 예시한 첨가제는 현재 법적으로 사용이 허용된 것 중 그나마 무해하다고 검증된 것이며, 프탈레이트 계열 가소제, 할로겐 계열 첨가제 등의 위해성은 말할 필요도 없다.

실질적으로 최근 유해물질 규제강화로 인하여 인체에 무해한 첨가제를 사용한다고 하더라도 이는 최종 완성된 성형물의 상태에서 안정적인 것이지, 용융과정에서는 매우 유독하다. 전술한 ABS만 보더라도 최종 완성된 성형물은 -20~80℃에서만 안정적이다.

(2) 폴리스타이렌

폴리스타이렌은 합성 방향족 화합물로 스타이렌으로부터 중합된다. 가격에 비해 물성, 광택 등이 뛰어나 HIPS(high impact polystyrene)로서 3D 프린터용 원재료로 많이 사용된다.

그러나, 환경호르몬과 다이옥신이 발생될 수 있고, 전술한 ABS와 같이 3D 프린터의 작동온도 범위에서 대부분 모노머 가스를 발생시키며, 사용되는 첨가제 역시 ABS와 동종의 것을 사용한다. 그러므로 발생되는 가스도 전술한 ABS와 큰 차이가 없다.

(3) 폴리카보네이트

폴리카보네이트는 고강성에 투명한 성질을 가지고 있어 3D 프린터용 원재료로서 많이 사용되고 있다. 폴리카보네이트는 비스페놀 A와 포스겐 가스를 중합하여 얻어지며, 이 둘은 모두 인체에 매우 치명적이다.

성형품은 80℃ 이하에서는 안정적이나, 모노머를 이용한 중합 공정 및 성형 가공을 위한 압출, 사출 공정시에는 그 발생가스로 인하여 법규에 따른 집진설비를 갖춘 상태에서 가공 생산하여야 한다.

3D 프린터의 재료로서 폴리카보네이트 재료가 이미 상품화되어 판매되고 있으나, 이러한 위해성에 대한 제도적 규제, 유해가스 처리 배출 장치 등이 전혀 없는 상태에서 사용되고 있다.

(4) PVC

가소제(상온에서도 대부분이 치명적이라 투입량을 법적으로 규제하고 있으므로, 공정 중에 발생하는 유해가스에 있어서는 거의 모든 가소제가 치명적이라 할 수 있다)를 다량으로 함유하여 사용하는 PVC 계열은 그 자체로 할로겐(Cl) 화합물로서 다이옥신 등이 다량으로 발생되는 환경물질이다.

염소가스 또는 염소와 결합한 혼합가스, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄가스 등이 나오며, PVC를 중합할 때 사용하는 개질제가 매우 치명적이다. PVC를 개질하기 위하여 CPE(chlorinated polyethylene) 등이 8~10% 첨가되며, 충격보강재로 ABS 계열이 혼용성이 좋아 첨가되기도 한다. 가소제는 그 사용량을 규제하나, 기준치만을 규제하며, 법적으로 허가된 가소제 역시 상온에선 문제없으나 작동 상용온도에서는 유해 가스화하여 용출 또는 배출된다.

(5) 폴리아미드(나일론)

기계적 특성과 강성이 좋아 3D 프린터에서 많이 사용되는 폴리아미드(나일론)는 카프롤락탐을 모노머로 하여 중합한 것으로 대표적인 환경규제 및 공해 물질이다. 이 또한 기계적 특성과 물성을 개질하기 위하여 처방하는 첨가제로 인해 유해가스가 다량으로 발생된다

상용온도에서 작동시에 수분과 반응하여 열화(해리)가 심하게 일어나 가스로 방출되는데, 아질산 가스, 질산 가스, 암모니아 가스, 메탄 가스, 일산화탄소, 이산화탄소 등이 발생한다.

조금만 과열되어도 락탐 계열의 화합물이 치명적으로 발생한다. 나일론은 기계적 특성상 매우 범용적으로 사용되고, 그에 따라 생산하는 업체에 따라 수많은 개질제에 의해 개질되어 개질제로 인한 가스의 종류도 매우 다양하다.

(6) 합성고무

3D 프린터에서 각종 피규어 및 지우개 용도로 사용되는 합성 고무는 완제품 상태에서도, 유연제, 개질제 등의 투입량을 엄격히 규제하고 있는 대표적인 환경물질로, 가공 중에 유해가스와 환경가스를 다량으로 발생 배출한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치를 모식적으로 나타낸 것으로, 도 2는 가압형을, 도 3은 압력분산형을 나타낸다.

본 발명은 전술한 유해가스를 제거하여 위해, 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에 설치되며, 토출되는 용융 수지에서 발생하는 유해가스를 포집하는 필터부(10), 및 상기 필터부에 연결되어 상기 유해가스를 상기 필터부쪽으로 흡입시키는 흡기부(20)를 포함하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치를 제공한다.

상기 필터부(10)는 2 이상의 층으로 구성되고, 활성탄이 투입되는 활성탄층 및 규조토가 투입되는 규조토층을 적어도 1층씩 포함하는 것이 바람직하다.

상기 필터부(10)에서의 흡착은 물리적 흡착과 기상 흡착을 기반으로 하며, 약간의 고체염을 통하여 화학적 흡착을 보조적으로 적용할 수 있다.

아래 표 1은 물리적 흡착에 대해 간단히 정리한 것이다. 흡착은 흡착 형태에 따라 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 분류하는데, 물리적 흡착을 지배하는 힘은 비교적 약한 정전기적 힘(van der Waals force) 또는 가스에 함유된 전하의 끌림이고, 화학적 흡착을 지배하는 것은 강한 이온 결합 또는 공유 결합 등의 화학 결합이다.

흡착은 발생가스가 흡착재의 표면에 부착되는 것으로 주로 판데르발스 결합이 주를 이루며, 이외에 여과와 탈수소 반응(화학적 흡착)에 의한 응집, 포집도 이루어진다. 이는 3D 프린터의 노즐에서 발생되는 가스는 잔류 모노머 등의 비중이 낮은 복합적인 유동성 가스로서, 흡착재를 통과하므로 오로지 흡착재의 계면에서만 반응이 일어나기 때문이다. 대부분의 판데르발스 결합 역시 표면적이 넓을수록(즉 다공성일수록) 흡착성은 증가하게 된다.

또한, 3D 프린터에서 발생하는 가스는 최초 노즐에서 포집될 때는 가스의 형태이므로 상의 형태는 기상이고, 기상에서는 온도가 상승할수록 흡착량이 감소한다. 따라서 필터부(10)를 길쭉한 형태로 설계하는 것이 바람직하며, 이는 가스가 이동 중에 냉각되도록 하기 위함이다.

또한 혼합가스(대부분의 가스는 혼합가스의 형태로 발생한다)는 어느 한 가스종이 강하게 결합하는 특성이 있다면, 다른 가스종 역시 전하적 끌림에 의하여 흡착력이 증가하게 된다. 이로 인해, 물리적 흡착에 있어서 활성탄, 규조토 등과 같이 표면기공률이 높은 고체흡착에서는 효과가 매우 뛰어나게 된다.

3D 프린터의 노즐에서 발생되는 가스의 온도는 이동 중에 빠르게 냉각되어 유해가스 제거 장치의 입구에 도달할 경우 실온(평균 23℃)~40℃ 정도이므로, 필터부(10)를 둘러싸는 하우징(12)의 재질은 금속부터 플라스틱, 세라믹 등 열변형온도가 60℃를 넘는 것을 다양하게 선택할 수 있다.

경제성과 생산성을 고려하여, 폴리올레핀(HDPE, LDPE, PP, LLDPE) 혹은 ABS, HIPS, GPPS 등의 내구성을 고려한 수지나, 내부가 보이는 투명한 PC, SAN과 같은 재질을 선택하여 대량 생산 방식 중 하나인 사출성형을 통하여 제조한다. 폴리올레핀의 경우에는 내열도(heat deflection temperature, HDT)가 낮은 경우에는 마이카, 유리섬유, 탈크 등의 미네랄을 넣어 보강하거나 내열도가 높은 소재와 공중합 제조하여 사용한다.

하우징(12)의 형태는 3D 프린터의 크기, 형태, 기능, 구조에 따라 원통형, 사각통형, 원뿔형, 뿔대형 등으로 할 수 있다.

유해가스의 흡입 방향에는, 도 4에서 보는 바와 같이, 아래에서 위 방향(주로 전기동력을 사용하는 경우), 위에서 아래 방향(유해가스의 비중이 높고, 분진과 정전기로 결합하여 브라운 운동/흡착하는 경우, 후드팬과 같은 자연통풍 활용하는 경우, 액상 방식 사용시 등), 및 수평 방향이 있으며, 이 중 어느 하나를 용도에 맞게 선택하여 사용한다.

본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치의 설치방향에 있어서, 도 5와 같이, 수직형, 수평형, 3D 프린터 부착형 중 어느 하나를 선택할 수 있다.

또, 도 6과 같이, 본 발명의 3D 프린터용 유해가스 제거 장치는 3D 프린터 외장형이나 내장형으로 설치될 수 있고, 노즐 부착형(유연한 관을 통한 흡입)으로 설치될 수도 있다.

도 7은 본 발명의 필터부(10)의 한 예시로서, 액상 물질 고임부(14), 고분자량 유해가스 흡착 영역(16) 및 저분자량 유해가스 흡착 영역(18)을 나타낸 것이다.

필터부(10)의 하부에, 유해가스의 포집 과정에서 생성된 액상 물질(15)이 낙하하여 고이는 액상 물질 고임부(14)가 설치된다. 액상 물질 고임부(14)는 필터부(10)의 하부 테두리쪽에 액상 물질(15)이 고일 수 있도록 원뿔형과 같은 구조를 가지는 것이 바람직하다.

액상 물질(15)은 주로 고분자량 유해가스가 고분자량 유해가스 흡착 영역(16)에서 이동 중 냉각되어 콜로이드화하여 형성되며, 점성을 가진다. 저분자량의 해리, 붕괴 가스 등은 저분자량 유해가스 흡착 영역(18)에서 흡착된다.

3D 프린터 노즐에서 발생하는 다종 다양한 유해가스를 동시에 흡착 또는 제거하기 위해서는 필터에 투입되는 흡착재도 다양한 재료를 복합적으로 처방하여 사용할 수밖에 없다.

사용되는 흡착재의 성상은 액상, 고상의 형태가 혼재되어 사용할 수 있지만, 가전과 같은 개념으로 사용되는 3D 프린터의 경우, 다루기 쉽게 고상의 형태를 선택하는 것이 바람직하다. 이 경우, 매우 미세한 분말, 그래뉼, 벌크 파우더 등 흡착재의 종류와 용도에 따라 다양한 형태가 존재한다.

복합적인 필터 처방에 따라, 예를 들어 ABS 소재 또는 금속분말과 첨가제가 혼합된 올레핀 계열 소재를 동시에 사용하는 3D 프린터의 경우, 필터부(10)는 사용자가 하우징(12)에 쉽게 탈부착하여 교환하기 쉽도록 카트리지처럼 사용하는 것이 좋다.

필터부(10)는 흡착재를 담는 망의 재료와 망의 눈 크기, 흡착재의 종류 및 입자크기에 따라 다양한 조합이 가능하다. 3D 프린터에서 사용하는 원재료에 따라 단일종의 흡착재를 사용할 수도 있지만, 서로 다른 성질 및 형상의 유해가스를 효율적으로 흡착하기 위하여, 또는 거의 모든 원재료에 대해 효율적으로 대처하기 위하여, 다층 형태로 흡착재를 조합하여 사용할 수 있다.

본 발명은 기본적으로 물리적 방법에 의한 포집으로 여과 포집, 백필터형 포집 방식을 취한다.

도 8은 본 발명의 필터부의 일례를 나타낸다.

이 필터부(10)는 위로부터 압력 조절층(19), 목탄층, 활성탄층, 칼슘카보네이트 및/또는 다공성 규조토층, 압력 조절층(19) 및 액상 물질 고임부(14)로 구성된다.

압력 조절층(19)은 필터부(10)에서 유해가스가 투과하는 압력을 조절하는 층으로, 분진 제거의 역할도 한다. 종이필터, 부직포, 여과사, 여과사리 등이 사용된다.

목탄층은 입도 3~10mm의 체질한 목탄이 사용되는 것이 바람직하며, 이러한 목탄을 담는 망의 재질로는 폴리머, 부직포, 섬유직조 원단, 종이필터 등이 바람직하다.

활성탄층은 입도 3~4mm의 활성탄 그래뉼을 폴리머, 부직포, 섬유직조 원단, 종이필터 등으로 된 망에 담아 형성하는 것이 바람직하다.

칼슘카보네이트 및/또는 다공성 규조토층은 입도 1mm 미만의 칼슘카보네이트 및/또는 다공성 규조토를 폴리머 분말이 코팅된 부직포, 섬유직조 원단 등으로 된 망에 담아 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 흡착재를 담는 망의 종류, 망 눈의 크기는 흡착재의 입자 크기에 따라 달라진다. 또한, 망은 2차 오염을 피하기 위하여 내열성, 내화학성을 가져야 하며, 흡착/포집/분해포집 등의 망 재질의 성격에 따라 체류시간(흡착에 필요한 시간) 및 압력이 적정히, 그리고 막힘없이 가능한 한 지속적으로 유지되어야 한다.

이 망이 중요한 이유는, 최초 3D 프린터의 노즐로부터 배출되기 시작하는 유해가스가 필터부를 따라 이동하면서 냉각되어 분자량이 높은 모노머는 액상화되기 쉬우며, 망이 너무 성기면 흡착 시간이 줄어들어 유해가스가 그대로 배출될 수 있기 때문이다.

흡착이 되어가고 시간이 지나갈수록 망이 막히게 되어 필터부 투과 압력은 증가한다. 이때가 필터부의 교체 시기가 된다.

적당한 시간과 적당한 압력이 가능한 한 지속적으로 작용하기 위해서는 망의 선택, 망 눈의 크기 선택, 재질 선택 역시 신중해야 한다.

아래 표 2는 본 발명에 적용될 수 있는 망의 종류 및 재질을 정리한 것이다.

본 발명에서 사용되는 흡착재에 대해 설명하면 다음과 같다.

(1) 활성탄

탄소성분을 주재료로 한 것으로 소수성 성격으로 인하여 높은 흡착력을 가지고 있으며, 다공성의 기공을 형성하여 흡착 비표면적이 극대화된 것으로(보통 상업화된 비표면적은 1.000m²/g), 잔류 모노머, 단분자 형태의 유해가스 제거에 뛰어나다. 크기에 따른 형상에 따라 조립 성형탄, 파쇄탄, 활성카본(분) 등으로 나뉜다. 가스 흡착량은 흡착될 가스의 비점, 분자량, 농도, 압력, 온도 등의 함수이므로 이를 설계시에 주목하여 고려하여야 한다.

입자의 크기가 0.3~8mm인 입상형과 0.03~0.3mm인 분말형을 사용하는데, 본 발명에서는 입상형과 분말형의 다층형으로 구성하여 사용하는 것이 효과가 좋다. 입상형만으로는 가스가 쉽게 빠져나가 흡착성이 떨어지거나 교체 주기가 빨라지며, 분말형만으로는 흡착이 도입 부분의 층에서만 이루어져, 전체 가스의 이동을 방해하고 압력감소가 심하게 일어나, 배출 압력이 증가하여 유체의 흐름을 방해한다. 그러므로 입도별 다층 구조로 제조하는 것이 좋다.

(2) 규조토

단세포 조류인 규조의 규산질 유해로서 주로 규산(SiO₂)으로 되어 있으며, 미세한 다공질로 흡수성이 매우 강하다. 매우 경제적이면서도 강한 흡수성으로 잔류 모노머와 같은 휘발성 유기화합물과, 원재료 고분자의 측쇄로부터 붕괴되어 발생된 저분자량 가스의 여과재로서도 뛰어나다. 본 발명에서는 입도가 굵은 활성탄과 혼합하여 사용하거나, 단일의 얇은 층으로 복합구조를 형성하여 사용한다.

(3) 다공질 재료

칼슘카보네이트(CaCO₃, 경탄), 코코넛 카본(입상, 페이퍼 적층형), 코디어라이트의 다공성 입상질 또는 분말, 합성 셀룰로스, 분말화한 실리카(fumed silica) 및 실리카겔, 보크사이트, 마그네시아(휘발성 잔류 모노머에 탁월) 이외에, 다공성의 금속염 계열(MgO, AlO₃. TiO₂, ZrO, 비석-제올라이트)을 사용한다.

일부 고분자 모노머 가스는 콜로이드화되기 전에 응집이 가능한데, 이는 화학적 방법이지만, 일부 망을 이용하여 얇은 층의 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 수산화알루미늄(Al(OH)₃)을 도포하고, 다층으로 하여 화학적 공유 흡착이 가능하며, 이를 이용하여, 일부 콜로이드화를 막고(압력감소를 예방) 포집하거나, 서브미크론 단위의 분진회합이 가능해져 좀 더 효율적인 포집이 가능하다. 본 발명은 물리적 흡착이 기본 방식이나, 일부 금속염을 이용하여 화학적 공유흡착도 병행하여 사용할 수 있다.

(4) 여과사(정화사), 여과사리(정화사리)

필터부의 압력을 조절하거나, 필터부 내의 가스의 분산, 가스의 체류시간을 조절하는데 있어서 흡착재의 보조제로 사용한다.

(5) 포졸란

탈취효과를 높이기 위하여 천연 포졸란 분말을 사용한다.

(6) 목탄

목재를 탄화시켜 얻은 탄소를 주성분으로 하는 고체 생성물로서, 입도 3~10mm의 체질한 목탄을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 흡착재는 (1) 활성탄 및/또는 (2) 규조토를 주재로 하며, (3) 다공질 재료, (4) 여과사 및/또는 여과사리, (5) 포졸란 및 (6) 목탄 중 적어도 하나를 사용목적에 따라 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다. (3) 다공질 재료에 있어서는 상기 예시된 구체적인 물질 중 적어도 하나를 선택하여 사용한다.

교체시기가 되어 수명이 다한 필터부는 수거하여 전문업체에 의뢰하여 폐기물 처리(고온소각)해야 한다.

어떠한 흡착재를 사용할 것인지, 또 어떠한 흡착재의 조합을 사용할 것인지는 발생되는 유해가스의 종류에 따라 달라진다. 또 발생되는 유해가스는 3D 프린터에서 어떠한 원재료를 사용하느냐에 따라 달라진다. 이하에서, 사용하는 원재료에 따라 어떠한 흡착제의 조합을 사용하는 것이 좋을지 정리해 본다.

(a) 스타이렌 계열

ABS, HIPS, GPPS, PVC, PPS, PC/ABS ALLOY를 그대로 사용한 원재료, 및 이와 같은 소재를 기저 폴리머로 하여 기능과 목적에 따라 유리섬유, 탈크, CaCO₃, Sb₂O₃, TiO₂, N₂S₄, DOP, DOA, UV 첨가제, 광택제, 솔벤트나프타 계열 개질제 등과 같은 기능제, 강화제, 유연제, 유화제, 난연제, 난연보조제, 이형제, 윤활제, 기능성 나노첨가제(예: 은나노 먼지제거 대전방지제 등), 내외부 활제 (주로 스테아레이트 계열, 금속염 계열), 안정제(예: MgO 계열 등의 1, 2차 산화 방지제), 착색제(천연성분이라도 100℃ 이상에서 유해가스 발생) 등을 사용하여 개질된 것 일체.

이러한 계열은 환경호르몬이 발생하는 첨가제와 개질제를 주로 사용하는 폴리머 계열이며, 외관이 좋아 현재 3D 프린터에서 아이들의 장난감 또는 학습교재 용품에 가장 많이 채택되어 사용되고 있다. 현재 이 계열의 유해가스가 가장 심각하다.

이에 대응한 흡착재로서 (1) 활성탄 및/또는 (2) 규조토와, (3) 다공질 재료 및 (4) 여과사 및/또는 여과사리 중 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적인 예로서 도 9의 조합을 들 수 있다.

(b) 올레핀 계열

HDPE, LDPE, LLDPE, MDPE, PP, 및 이와 같은 소재를 기저 폴리머로 하여, 강화제, 유화제, 난연제, 충전제(비중, 수축 안정 목적으로 금속 또는 세라믹 분말 계열), 광택제, 안정제, 나노첨가제, 윤활제, 유동성 목적의 내외부 활제(금속, 스테아레이트, 왁스 계열 전체가 현재 무작위로 사용 중), 가소제(미네랄 계열, 글리콜 및 디옥시메탄올 등 알코올 계열 전체) 등을 사용하여 개질된 것 일체.

이에 대응한 흡착재로서 (1) 활성탄과, (3) 다공질 재료 및 (4) 여과사 및/또는 여과사리 중 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적인 예로서 도 9의 조합을 들 수 있다.

비교적 가공온도가 낮고 액상화(콜로이드화)가 쉽게 이루어지므로, 필터부(10) 제작시 액상 물질 고임부(14) 설치 공간을 고려하여 제작한다.

(c) 폴리아미드 계열, 폴리카보네이트 계열, 폴리이미드 계열, PPM 계열, PET, PBT, PETG 계열, 생분해성 수지 계열(polylactic acid, 글리세린/올레핀 합성 계열 등)

현재 3D 프린터의 원재료가 고강성과 별도의 기능성을 추구하는 경우가 많아 이 원재료 역시 폭넓고 광범위하게 개질된 것이 많다. 또한 강성 및 가공성을 위하여 첨가제는 대부분의 구성성분이 고무, 황, 인, 할로겐 계열, 방향족 계열이 많아 매우 유독한 가스를 발생한다.

이에 대응한 흡착재로서 (1) 활성탄 및/또는 (2) 규조토와, (3) 다공질 재료, (4) 여과사 및/또는 여과사리 및 (5) 포졸란 중 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적인 예로서 도 9의 조합을 들 수 있다. 도 9에서와 같이, (2) 규조토와 (3) 다공질 재료를 얇게 도포한 층을 가급적 여러 층으로 배치하는 것이 좋다.

(d) 열가소성 엘라스토머 계열(TPA, CPE, IBS, IR, BR, IIS, TPU 등)

이 계열은 실내에서 사용되는 3D 프린터의 원재료로서 가급적 사용하지 않는 것이 좋다. 특히 우레탄 계열은 공기 중에 극소량만으로도 중독되어 인체에 매우 유해하다.

따라서, (1) 활성탄, (2) 규조토, (3) 다공질 재료, (4) 여과사 및/또는 여과사리, (5) 포졸란, (6) 목탄 전체를 다층으로 처방하고, 필터부(10)를 이중으로 설치하거나, 실내 공간 전체에 집진 구조가 되어 있는 곳에서 사용하는 것이 좋다. 또는 대형화된 팬 용량, 필터 용량을 사용한다.

(e) 금속 계열(알루미늄, 철, 구리 등)

금속 산화물이 공기 중에서 유독한 가스를 유발하며, 금속 가공/보존시의 화학재료 역시 유해가스를 발생시킨다. 브라운 운동하는 회집/미세분진의 경우가 많다.

이에 대응한 흡착재로서 (1) 활성탄 및/또는 (2) 규조토와, (4) 여과사 및/또는 여과사리를 사용하는 것이 바람직하다.

도 9에 나타낸 3개의 얇은 층과 같이 미세분말 형태의 흡착재층은 가능한 두께를 얇게 하고, 여러 층을 형성하도록 하여 압력 감소(유체속도 감소) 요인을 줄여야 한다. 주로 흡착재의 흡착 밀도가 높으면 빠르게 압력감소를 유발한다.

이는 고분자에서 붕괴 또는 해리 중에 발생하는 가스는 유분과 같은 성격으로 수증기(고분자 자체에 0.05% 정도 통상적으로 함유되어 있으며, 측쇄 또는 주쇄의 하이드로기가 해리되고 금속 표면에서 산소와 혼합되어 발생하는 양이 통상적으로 0.01%)를 포함하고 있어 점성과 부착성이 높아, 표면에 액상화(콜로이드화)되어 유체의 흐름을 방해하기 때문이다. 그러므로, 도 9와 같이 얇게 여러 층을 복합층으로 사용하는 것이 매우 중요하다.

한편, 하부 방향에 코팅된 규조토와 여과사를 혼합하여 사용해도 비슷한 압력감소 예방효과가 나타난다. 또는 일부 모노머 가스의 콜로이드화되기 전에 응집이 가능하게 하기 위하여, 금속염 계열의 얇은 흡착층으로 수산화마그네슘, 수산화알루미늄을 도포하고 다층으로 하여 사용한다.

화학적 공유흡착 방식을 부가함으로써 훨씬 더 높은 포집 효율을 얻을 수 있다. 단, 제작 비용이 상승하고, 필터부 교체시기가 빨라질 수 있다는 경제적인 문제가 발생하므로, 이 역시 같이 고려하여야 한다

본 발명에서 사용되는 흡기부(20)는 흡입 블로워 형태로 일정한 풍량의 속도로 유해가스를 흡입하는 소형 장치로서, 진공 방식이든 일반적 블로워 방식이든 흡입만 가능하면 된다. 중요한 것은 일정한 풍량의 선속도이다.

이러한 흡기부(20)로서는 소형 진공모터, 소형 컴프레서, 소형 후드팬(컴퓨터 쿨링팬), 소형 블로워 등 전기를 동력으로 사용하는 모델을 사용하면 된다. 이밖에 자연상태의 환기장치 역시 일정한 압력에 의한 유체유동만 가능하다면 사용할 수 있다. 3D 프린터의 용량에 따라 3~24V의 DC 전압 모터를 장착하여 사용하면 좋다. 전원 연결부는 일반적인 어댑터 및 전원코드를 사용하고, 3D 프린터 본체에 직접 연결할 수 있도록 USB 포트를 사용할 수도 있다.

도 10은 시중에서 입수 가능한 일반적인 소형 진공모터 및 컴프레서, 후드팬 등을 예시한 것이다.

이들 모두 사용 가능하며, 전기장치든 자연풍 또는 자연적인 압력상황의 팬이든 흡입가능한 후드속도 0.5~20m/sec만 발생시키면 된다.

이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10: 필터부 12: 하우징
14: 액상 물질 고임부 15: 액상 물질
16: 고분자량 유해가스 흡착 영역 18: 저분자량 유해가스 흡착 영역
19: 압력 조절층 20: 흡기부

Claims (13)

1. 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에 설치되는 유해가스 제거 장치로서,
   토출되는 용융 수지에서 발생하는 유해가스를 포집하는 필터부; 및
   상기 필터부에 연결되어 상기 유해가스를 상기 필터부쪽으로 흡입시키는 흡기부를 포함하고,
   상기 필터부는 아래로부터 순차적으로 제1층 내지 제6층으로 이루어지며,
   제1층은 활성탄, 규조토, 여과사 및 여과사리 중 적어도 하나를 포함하고,
   제2층 및 제4층은 각각 다공질 재료를 포함하며,
   제3층 및 제5층은 각각 활성탄 및 규조토 중 적어도 하나를 포함하고,
   제6층은 활성탄, 규조토, 여과사, 여과사리, 포졸란 및 다공질 재료 중 적어도 하나를 포함하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1층 내지 제6층의 각 층이 망으로 둘러싸여 있고, 상기 망이 폴리머망, 부직포망, 여과지망, 금속망, 유리섬유망 또는 유리섬유 함유 폴리머망, 펠트망, 천연직조 섬유망, 및 천연소재 함유 합성섬유망으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 다공질 재료가 칼슘카보네이트, 코코넛 카본, 코디어라이트, 합성 셀룰로스, 실리카, 실리카겔, 보크사이트, 마그네시아, 알루미나, 티타니아, 지르코니아 및 비석-제올라이트로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 필터부가 목탄이 투입되는 목탄층을 적어도 1층 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치.
8. 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에 설치되는 유해가스 제거 장치로서,
   토출되는 용융 수지에서 발생하는 유해가스를 포집하는 필터부; 및
   상기 필터부에 연결되어 상기 유해가스를 상기 필터부쪽으로 흡입시키는 흡기부를 포함하고,
   상기 필터부는 고분자량 유해가스 흡착 영역 및 저분자량 유해가스 흡착 영역으로 이루어지며,
   상기 고분자량 유해가스 흡착 영역의 하부에, 상기 유해가스의 포집 과정에서 생성된 액상 물질이 낙하하여 고이는 액상 물질 고임부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치.
9. 3D 프린터에서 용융 수지가 토출되는 노즐 부근에 설치되는 유해가스 제거 장치로서,
   토출되는 용융 수지에서 발생하는 유해가스를 포집하는 필터부; 및
   상기 필터부에 연결되어 상기 유해가스를 상기 필터부쪽으로 흡입시키는 흡기부를 포함하고,
   상기 필터부는 아래로부터 순차적으로 제1층 내지 제3층으로 이루어지며,
   제1층은 칼슘카보네이트 및 다공성 규조토 중 적어도 하나를 포함하고,
   제2층은 활성탄을 포함하며,
   제3층은 목탄을 포함하고,
   상기 필터부의 하부에, 상기 유해가스의 포집 과정에서 생성된 액상 물질이 낙하하여 고이는 액상 물질 고임부가 설치되어 있으며,
   상기 필터부의 상부, 및 상기 필터부와 상기 액상 물질 고임부 사이에, 상기 필터부의 압력을 조절할 수 있는 재질의 압력 조절층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 필터부의 압력을 조절할 수 있는 재질이 종이필터, 부직포, 여과사 및 여과사리로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 유해가스 제거 장치.
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