KR102348287B1

KR102348287B1 - 나노입자 다중 발생장치

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Publication number: KR102348287B1
Application number: KR1020200097259A
Authority: KR
Inventors: 이성배; 김태현
Original assignee: 한국산업안전보건공단
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2022-01-10

Abstract

본 발명은 나노입자 다중 발생장치에 관한 것으로서, 3D 프린터에서 성형품 제작시 발생하는 나노입자 및 HAPs가 인체에 미치는 잠재적 위험을 평가하는데 사용할 수 있는 나노입자 다중 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 필라멘트(F)가 코일상으로 감겨진 필라멘트 롤(6)과, 상기 필라멘트 롤(6)에 감긴 필라멘트를 가열 코어(2)측으로 밀어 이송시키는 익스트루더 스텝퍼(1)와, 상기 필라멘트를 가열하기 위한 가열 코어(2)와, 상기 가열 코어(2)로부터 공급되는 필라멘트를 압출하는 익스트루더(9)와, 밀폐된 공간을 형성하여 상기 익스트루더(9)의 압출작용에 의해 나노입자가 발생되도록 하는 챔버(3)와, 상기 챔버(3) 내부로 공기를 공급하기 위한 에어 인렛(5)과, 상기 챔버(3) 내부의 공기를 외부로 배출시키는 에어 아웃렛(4)과, 나노입자 발생장치를 제어하기 위한 제어부(7)를 포함하고, 상기 필라멘트 롤(6)과, 익스트루더 스텝퍼(1)와, 가열 코어(2)를 복수로 구성하여 단일 재질의 필라멘트 또는 서로 다른 재질의 필라멘트를 공급할 수 있도록 하며, 상기 제어부(7)에서 익스트루더 노즐의 토출온도와 토출속도 및 상기 챔버(3)로 공급되는 공기유량을 조절하여 원하는 크기와 농도의 나노입자를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

Description

나노입자 다중 발생장치{MULTIPLE GENERATING APPARATUS OF NANO PARTICLE}

본 발명은 나노입자 다중 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 3D 프린터에서 성형품 제작시 발생하는 나노입자 등이 인체에 미치는 잠재적 위험을 평가할 수 있도록 하기 위해 챔버 내에서 나노입자를 발생시키되, 나노입자의 크기 와 농도를 자유롭게 조절할 수 있도록 하여 유해물질에 대한 유해성 규명 및 평가를 수행할 수 있도록 한 나노입자 다중 발생장치에 관한 것이다.

최근 3차원 도면 데이터를 이용하여 입체 형상의 성형품을 제작하는 3차원 프린터(이하 '3D 프린터'라 한다)가, 사업장 뿐만 아니라 사무실 및 가정에서도 널리 사용되고 있다.

이에 따라 다양한 재질의 플라스틱을 사용하여 3D 프린터로 성형품을 제작할 때 발생하는 나노입자 및 HAPs(Hazardous Air Pollutants: 유해대기오염물질)의 유해성에 대한 관심도 증가하고 있다.

상기한 3D 프린터는, 액체나 파우더 형태의 폴리머, 금속 등의 재료를 적층 방식으로 쌓아올려 입체 형상의 성형품을 제조한다.

상기 3D 프린터를 이용하게 되면, 제작비용과 제조시간을 대폭 단축할 수 있고, 개인 맞춤형 제조가 가능하며, 복잡한 입체 형상도 간편하게 제조할 수 있다는 장점이 있다.

이에 따라, 실제 제품 제작시 용이하게 형상을 수정할 수 있고, 제작비, 재료비 및 인건비를 절감할 수가 있다.

위와 같은 장점을 갖는 3D 프린터는, 자동차, 항공, 건축, 의료, 가전, 완구 등 다양한 산업 분야에 널리 이용되고 있다.

상기한 3D 프린터에 의한 성형품 제조방식으로는, 필라멘트 재료를 가열하여 압출하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식, 광경화 수지에 레이저를 주사하여 주사된 부분이 경화되도록 하는 SLA(Stereo Lithography Apparatus)방식, 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 소결시키는 SLS(Selective Laser Sintering)방식, 고출력 레이저 빔으로 금속을 직접 성형하는 DMT(Laser-aid Direct Metal Tooling)방식, 기계접합 조형 방식인 LOM(Laminated Object Manufacturing)방식, 광경화성 수지가 저장된 저장조의 하부로 광을 조사하여 경화시키는 DLP(Digital Light Processing)방식 등이 있다.

상기한 방식 중 FDM 방식은, 필라멘트 재료를 일정 온도로 가열하면서 익스트루더(Extruder)로 압출하여 성형품을 적층하기 때문에, 프린터의 구조가 비교적 간단하고 이를 제어하기 위한 프로그램도 간단하다.

또한 FDM 방식 3D 프린터는, 가격이 저렴하고 유지보수가 용이하며 다양한 재료를 사용할 수 있다는 장점이 있어 널리 사용되고 있다.

도 1은 상기한 FDM 방식 3D 프린터의 일례를 도시한 것이다.

종래의 FDM 방식 3D 프린터는, 도 1에 도시된 바와 같이, 3D 프린터를 제어하는 제어부(도시 생략)와, 필라멘트(F) 재료를 적층하여 성형품(A)을 제조하는 프린팅부(10)를 포함하여 구성된다.

상기 프린팅부(10)는, 권취된 필라멘트(F) 재료를 프린팅부(10)로 공급하는 재료 공급부(19)와, 상기 재료 공급부(19)로부터 공급되는 필라멘트(F)를 일정 온도로 가열하여 압출하는 익스트루더(Extruder)(11)와, 상기 익스트루더(11)의 선단에 구비되어 가열된 재료에 의해 성형품(A)을 적층하는 노즐(12)과, 상기 익스트루더(11)를 X축 및 Y축 방향으로 이동시키기 위한 익스트루더 구동부(17)와, 상기 노즐(12)의 아래쪽에 구비되어 성형품(A)을 지지하는 조형판(13)과, 상기 조형판(13)의 하부에 구비되어 조형판을 일정 온도로 가열하는 히팅 베드(14)와, 상기 히팅 베드(14)를 가열하는 히터(15)와, 프린팅부(10)의 일측에 수직으로 구비되는 수직축(16)과, 상기 수직축(16)을 회전시켜 조형판(13) 및 히팅 베드(14)를 승강시키기 위한 수직축 구동부(18)를 포함하여 이루어진다.

여기서 상기 필라멘트(F) 재료로는, ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 수지, PLA(Polylactic Acid) 등이 주로 사용된다.

또한 상기 익스트루더(11)의 내부에는, 필라멘트(F)를 가열하기 위한 히터와, 상기 필라멘트(F)를 노즐(12)을 향해 이송시키기 위한 롤러(11a)가 구비되어 있다.

상기 노즐(12)은 제어부(도시 생략)에 의해 X축 및 Y축 방향으로 이동하면서 가열된 필라멘트(F)를 조형판(13) 상에 한 층씩 적층해 나간다.

또한 상기 조형판(13)의 하부에는 상기 조형판(13)을 일정 온도로 가열하기 위한 히팅 베드(14) 및 히터(15)가 구비되어 있다.

상기 히팅 베드(14)는, 조형판(13)을 일정 온도로 가열하여 필라멘트(F)의 급속한 냉각으로 인한 성형품(A)의 수축 변형을 방지하기 위한 것이다.

한편 상기 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 플라스틱 제품을 생산하게 될 경우, 플라스틱 재질의 필라멘트 가열에 의해 나노입자와 HAPs가 발생하게 된다.

상기 나노입자는, 100nm보다 작은 입자로서 재료의 연소 등의 과정에 의해 생성된다.

그런데 이러한 나노입자와 HAPs가 인체의 호흡기를 통해 흡입될 경우, 인체에 미치는 잠재적 위험에 대한 연구는 아직 미흡한 실정에 있다.

즉 나노입자나 HAPs를 어느 정도 흡입하였을 때 인체에 어떠한 영향을 미치는 가에 대해서는 아직 명확하게 규명되어 있지 않다.

또한 3D 프린터 작업시 발생하는 나노입자나 HAPs에 대한 인체 유해성을 판단하는 기준도 확립되어 있지 않다.

그리고 상기 3D 프린터에서 발생하는 나노입자는, 그 양이 너무 적어 이를 포집하여 유해성을 평가하기에 어려움이 있다.

즉 상기 3D 프린터는 성형품 제작의 목적으로 제조되기 때문에, 3D 프린터 작업시 발생된 물질을 포집, 이송하여 유해성을 평가하기에 적합하지 않다.

또한 3D 프린터에서 발생하는 나노입자는, 3D 프린터 내부에서의 위치에 따라 입자수 농도와 중량 농도의 편차가 매우 커서 정밀한 유해성 평가에 사용할 수가 없다.

이에 따라, 다량의 나노입자를 발생시키고 이를 실험 챔버로 이송하여 그 유해성을 평가할 수 있는 시스템의 구축이 필요한 실정에 있다.

1): 국내 공개특허 10-2019-0027284(2019. 03. 14. 공개) 2): 국내 공개특허 10-2014-0053179(2014. 05. 07. 공개) 3): 국내 공개특허 10-2013-0039996(2013. 04. 23. 공개)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 3D 프린터에서 성형품 제작시 발생하는 나노입자 및 HAPs가 인체에 미치는 잠재적 위험을 평가할 수 있도록 하는 나노입자 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 나노입자의 크기 및 발생량을 간편하게 조절할 수 있도록 하여 다양한 산업현장에 대한 유해성 규명 및 평가가 가능하도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 물질의 종류, 나노입자의 크기, 농도 등을 조절하여 실험장비에 공급함으로써, 실험동물을 이용한 유해성 실험을 수행할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 나노입자 및 HAPs에 노출되어 있는 근로자들의 건강을 확보할 수 있는 유해성 판단기준을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 3D 프린터 작업에 사용되는 필라멘트를 가열하여 나노입자를 발생시키는 나노입자 발생장치에 있어서, 필라멘트가 코일상으로 감겨진 필라멘트 롤과, 상기 필라멘트 롤에 감긴 필라멘트를 가열 코어 측으로 밀어 이송시키는 익스트루더 스텝퍼와, 상기 필라멘트를 가열하기 위한 가열 코어와, 상기 가열 코어로부터 공급되는 필라멘트를 압출하는 익스트루더와, 밀폐된 공간을 형성하여 상기 익스트루더의 압출작용에 의해 나노입자가 발생되도록 하는 챔버와, 상기 챔버 내부로 공기를 공급하기 위한 에어 인렛과, 상기 챔버 내부의 공기를 외부로 배출시키는 에어 아웃렛과, 나노입자 발생장치를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 필라멘트 롤과, 익스트루더 스텝퍼와, 가열 코어를 복수로 구성하여 단일 재질의 필라멘트 또는 서로 다른 재질의 필라멘트를 공급할 수 있도록 하며, 상기 제어부에서 익스트루더 노즐의 토출온도와 토출속도 및 상기 챔버로 공급되는 공기유량을 조절하여 원하는 크기와 농도의 나노입자를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 필라멘트는, 안내튜브에 의해 익스트루더 스텝퍼 및 가열 코어에 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 익스트루더에 냉각 팬이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어부는, 상기 익스트루더를 구동하기 위한 트랙션 모터 스위치와, 나노입자 발생장치의 상태 표시 및 구동을 위한 컨트롤 모니터와, 가열 코어의 온도를 조절하기 위한 온도조절기와, 필라멘트의 토출속도를 제어하는 익스트루더 속도 제어기와, 챔버 내부의 압력을 표시하는 압력 게이지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 챔버는, 개폐 도어의 밀폐 유지를 위한 루프 형태의 실리콘 씰링부재와, 상기 개폐 도어의 상,하단에 구비되는 보조 밀폐장치를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 에어 인렛의 전방에 공기유량조절장치가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 헤파필터에 의해 여과된 압축공기를 상기 공기유량조절장치로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 에어 인렛의 단부에 공기 희석장치를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 에어 아웃렛에 분배 매니폴드가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 챔버의 상부에 복수의 익스트루더를 추가로 장착하기 위한 추가 장착부가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치에 의하면, 익스트루더 노즐의 토출온도, 토출속도 및 챔버 내부로 공급되는 공기유량을 간편하게 조절할 수 있으므로, 원하는 크기와 농도의 나노입자를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 작은 공간과 비교적 적은 비용으로 나노입자를 효율적으로 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 나노입자를 균일한 농도로 지속적으로 발생시킴으로써 유해성 평가의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한 하나의 장치에서 다수의 복합재료를 사용할 수 있으므로, 단일 물질 및 다양한 혼합물질에 대한 유해성 평가를 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한 고분자 물질의 나노입자 및 HAPs가 인체에 미치는 영향을 예측·평가하여, 작업환경 노출기준의 설정 근거를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한 유해성 평가를 통해 산업현장의 노동자 및 일반인의 건강장해를 미리 예방할 수 있는 효과가 있다.

또한 나노입자를 실험동물에 노출시킴으로써 생체독성 영향 연구에 활용할 수 있고, 세포분야 실험에도 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 FDM 방식의 3D 프린터의 일례를 간략히 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 개략적인 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 요부 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 제어부를 나타낸 도면.
도 6 및 7은 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 챔버 밀폐구조를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 분배 매니폴드를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 필라멘트 롤을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 실험결과로서, 노즐 직경, 노즐온도, 노즐속도, 공기유량의 변화에 따른 입자수 농도 및 질량 농도를 나타낸 도표.
도 11은 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 장시간 가동시 농도와 입자크기를 나타낸 도표.
도 12는 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치에서 노즐온도, 토출속도, 공기유량의 변화에 따른 입자크기의 분포도.
도 13은 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치에서 노즐온도, 토출속도, 공기유량의 변화에 따른 입자수 농도 및 중량농도의 회귀분석 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 장시간 가동시 입자수 농도 및 중량농도 변화를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

본 발명의 나노입자 다중 발생장치는, 3D 프린터 작업에 사용되는 필라멘트(Filament)를 가열하여 나노(Nano)입자를 발생시키는 나노입자 발생장치로서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 필라멘트(F)가 코일상으로 감겨진 필라멘트 롤(6)과, 상기 필라멘트 롤(6)에 감긴 필라멘트(F)를 가열 코어(2) 측으로 밀어 이송시키는 익스트루더 스텝퍼(Extruder Steeper, 1)와, 상기 필라멘트(F)를 가열하기 위한 가열 코어(Core, 2)와, 상기 가열 코어(2)로부터 공급되는 필라멘트(F)를 압출하는 익스트루더(Extruder, 9)와, 밀폐된 공간을 형성하여 상기 익스트루더(9)의 필라멘트 압출작용에 의해 나노입자가 발생되도록 하는 챔버(Chamber, 3)와, 상기 챔버(3) 내부로 공기를 공급하기 위한 에어 인렛(Air Inlet, 5)과, 상기 챔버(3) 내부의 공기를 외부로 배출시키는 에어 아웃렛(Air Outlet, 4)과, 나노입자 발생장치를 제어하기 위한 제어부(7)를 포함하여 구성된다.

즉 본 발명은, 3D 프린터 작업시 사용되는 필라멘트(F)를 가열 및 압출하여 나노입자를 발생시키고, 이때 발생된 나노입자가 포함된 공기를 실험장비로 공급하여 필요한 실험을 수행할 수 있도록 장치이다.

여기서 상기 필라멘트 롤(6)과, 익스트루더 스텝퍼(1)와, 가열 코어(2)는 복수로 구비되는 것이 바람직하다.

이에 따라 단일의 재료 및 다양한 재질의 복합재료를 사용하여 나노입자를 발생시킬 수 있다.

도면에는 상기 필라멘트 롤(6), 익스트루더 스텝퍼(1) 및 가열 코어(2)가 6개로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 아니한다.

또한 본 발명은, 상기 제어부(7)에서 필라멘트의 토출온도와 토출속도 및 상기 챔버(3)로 공급되는 공기유량을 조절하여, 원하는 크기와 농도의 나노입자를 발생시킬 수 있다.

상기 필라멘트(F)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 안내튜브(1a)에 의해 익스트루더 스텝퍼(1) 및 익스트루더(9))에 공급된다.

상기 안내튜브(1a) 및 익스트루더 스텝퍼(1)에 의해, 필라멘트(F)를 익스트루더(9)로 안정적으로 공급할 수가 있다.

또한 상기 익스트루더(9)에는 냉각 팬(8)이 더 구비되어, 익스트루더(9)의 단부에 구비된 노즐의 토출온도를 조절할 수 있다..

그리고 본 발명은, 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(7)를 구비한다.

상기 제어부(7)는, 상기 익스트루더(9)를 구동하기 위한 트랙션 모터 스위치(Traction Motor Switch, 7a)와, 나노입자 발생장치의 상태 표시 및 구동을 위한 컨트롤 모니터(Control Monitor, 7b)와, 가열 코어(2)의 온도를 조절하기 위한 온도조절기(7c)와, 필라멘트(F)의 토출속도를 제어하는 익스트루더 속도 제어기(7f)와, 챔버(3) 내부의 압력을 표시하는 압력 게이지(7g)를 포함하여 구성된다.

상기 제어부(7)에 의해, 익스트루더 노즐의 토출온도 및 토출속도, 챔버 내부로 공급되는 공기유량을 조절함으로써, 나노입자의 크기 및 발생량을 조절할 수가 있다.

또한 상기 챔버(3)는, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 개폐 도어의 밀폐 유지를 위한 루프(Loop) 형태의 실리콘 씰링부재(3a)와, 상기 개폐 도어의 상,하단에 구비되는 보조 밀폐장치(3b)를 더 구비한다. 상기한 구조에 의해 챔버(3)를 완전히 밀폐시킬 수가 있다.

또한 상기 챔버(3)의 상부에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 익스트루더(9)를 추가로 장착하기 위한 추가 장착부(E)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

상기한 구조에 의해, 6개의 익스트루더(9) 후방에 6개의 익스트루더를 더 장착하여 챔버(3) 내부의 나노입자 농도를 더 높일 수가 있다.

또한 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 에어 인렛(5)의 전방에 공기유량조절기(C)가 더 구비된다.

여기서 상기 공기유량 조절기(C)로 공급되는 공기는, 헤파필터(HEPA Filter: High Efficiency Particulate Air Filter)에 의해 여과된 압축공기를 사용하는 것이 바람직하다. 이로써 실험결과의 신뢰성을 확보할 수가 있다.

상기 헤파 필터는, 공기 중의 미세한 입자를 제거하는 고성능 필터의 일종으로서 유리 섬유를 압축시켜 제작하며, 그물과 유사한 구조로 되어 있어 공기를 통과시키면서 미립자들의 통과를 막는다.

그리고 본 발명은, 에어 인렛(5)의 단부에 공기 희석장치(도시 생략)를 더 구비한다. 상기 희석장치에 의해, 챔버(3) 내부로 공급되는 압축공기를 분산 및 희석시킬 수 있다.

또한 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 에어 아웃렛(4)에 분배 매니폴드(Manifold)가 더 구비된다.

상기 분배 매니폴드(M)에 의해, 나노입자가 포함된 공기를 복수의 분석장비에 공급할 수가 있다.

이하 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 작동 순서를 도 3 내지 도 5를 참고로 하여 설명한다.

먼저 전원스위치(S)를 온 시켜, 제어부(7) 및 챔버(3)에 전원을 인가한다.

그리고 온도조절기(7c)에서 모드를 선택하여 익스트루더 노즐 온도를 세팅하고, 컨트롤 모니터(7b) 에서 세팅 버튼을 선택하여 익스트루더 속도 제어기(7f)의 압출속도를 세팅한다.

이어서 6개의 트랙션 모터 스위치(7a) 중 구동시킬 트랙션 모터를 선택하여 작동시키고, 공기유량조절부(7d)에서 공기 유량을 세팅한다.

이어서 제어부 파워스위치(7e)를 눌러 챔버(3) 내부에 청정공기를 20분 이상 공급하여, 챔버(3) 내부에 잔존하는 입자를 완전히 제거한다.

이어서 온도 조절기(7c)에서 가열 코어(2)의 온도를 높여 설정된 온도에 도달하면, 컨트롤 모니터(7b)에서 'F1:RUN' 버튼을 눌러 익스트루더 스텝퍼(1)를 작동시켜 필라멘트(F)가 익스트루더(9)를 향해 공급되도록 한다.

그러면 익스트루더 노즐을 통해 필라멘트가 압출되면서 챔버(3) 내부에 100㎚ 내외의 나노입자가 발생하게 된다.

나노입자 발생장치의 작동을 중지시킬 경우에는, 컨트롤 모니터(7b)에서 'F2:STOP' 버튼을 눌러 익스트루더 스텝퍼(1)의 작동을 중지시킨다. 그러면 필라멘트(F)의 공급이 중단된다.

이어서 온도조절기(7c)에서 익스트루더 노즐의 온도를 내리면 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 나노입자 다중 발생장치의 실험결과를 도 10 내지 도 14를 참조하여 설명한다.

실험재료로는 ABS 필라멘트를 사용하였고, 측정장비는 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)와 OPC를 사용하였다.

상기 SMPS는 독일 Grimm Aerosol Tecknik사의 모델 5.416을 이용하였고, Long DMA(Differential Mobility Analyzer)를 사용하여 입자를 5㎚∼1㎛의 크기로 분류하고, CPC로 입자를 응축시킨 후 광학검출기로 감지하여 입자 수 농도, 질량 농도를 실시간으로 측정하였다. 중화기(Neutralizer)는 Am-241을 장착하여 입자의 하전을 중화시켜 사용하였다.

상기 OPC는 0.25㎛∼32㎛ 범위의 입자를 측정할 수 있는 장비로서, 장비의 후단에 독일 Grimm Aerosol Tecknik사의 테프론 필터를 장착하여, 상기 SMPS로 측정할 수 없는 범위를 커버하였다.

또한 익스트루더 노즐은 6개로 구성하고, 공기유량조절장치는 일본 HORIBA METRON사의 S48 32/HMT모델을 사용하였다.

그리고 익스트루더(9) 노즐의 토출직경을, 0.4mm, 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm, 1.2㎜, 토출온도를 210℃, 240℃, 270℃, 300℃, 토출속도를 5, 10, 15, 20 level, 공기유량을 20, 30 40, 50LPM으로 변경하면서 실험을 수행하였다.

도 10은, 위 조건에 따른 입자수 농도(Number Concentration) 및 중량 농도(Mass Concentration)를 나타낸 것이이고, 도 11은 장시간 가동시 농도와 입자크기를 나타낸 것이다.

도 12는, 조건 변화에 따른 입자크기 분포를 그래프로 나타낸 것인데, 익스트루더 노즐의 토출온도가 210℃일 경우에(붉은색), 입자수 농도(Number Concentration)의 GM(기하평균)이 44.30nm로 나타났고, 토출온도가 증가함에 따라 입자 크기도 증가하여 300℃일 경우에는(하늘색) GM(기하평균)이 74.79nm로 나타났다.

그리고 중량 농도의 GM(기하평균)은 92.64nm에서 142.22nm로 증가하였다.

즉 노즐의 토출속도가 증가함에 따라, 나노 입자의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

그리고 공기 유량을 변경할 경우, 입자수 농도는 위 패턴과 유사하지만, 공기유량이 증가할수록 입자 크기가 작아지는 것으로 나타났다.

위 실험결과로부터, 익스트루더 노즐의 토출온도, 토출속도 및 챔버로 공급되는 공기 유량을 조절함으로써, 나노입자를 원하는 크기 및 농도로 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.

또한 도 13은, 위 변동 조건에 따른 입자수 농도와 중량 농도를 회귀분석 그래프로 나타낸 것이다.

통상적으로 100nm 이하는 초미세입자(나노입자), 1um~100nm는 미세입자로 구분하고 있는 점을 고려하여, 도 13에서는 2종류로 구분하여 나타내었다.

도 13에서 기울기가 양의 값이면 조건값이 증가함에 따라 농도가 비례해서 증가하는 것을 나타내고, 기울기가 음의 값이면 조건값이 증가함에 따라 농도가 감소하는 것을 나타낸다.

그런데 도 13을 보면, 익스트루더 노즐의 토출속도에 따른 입자수 농도 및 공기 유량에 따른 중량 농도의 경우에는, 2종류의 그래프가 서로 상반되게 표시되어 있다.

그러나 100nm 크기의 입자는 수량이 많다고 하여 중량에 크게 영향을 미치지 않고, 전체 농도는 큰 입자의 영향을 받기 때문에, 전체값은 붉은색 그래프(100~1,00nm)의 영향을 받게 된다.

따라서 익스트루더 노즐의 토출온도, 토출속도 및 챔버로 공급되는 공기유량을 변화시킴으로써, 발생되는 나노입자의 농도를 컨트롤할 수 있다고 결론지을 수 있다.

또한 도 14는, 장시간 장치를 가동시켰을 경우 입자수 농도와 중량 농도의 변화를 나타낸 그래프이다.

여기서 SMPS 장비의 분석 구간이 넓어 입자의 크기를 3종류로 구분하여 나타내었는데, 1um ~ 34um 크기의 나노입자(연두색)는 거의 발생되지 않았다.

도 14를 보면, 실험시작 약 25분부터 종료시점(약 6시간 20분)까지 나노입자가 균질하게 발생하고 있음을 알 수 있다.

즉 본 발명에 따른 나노입자 발생장치에 의하면, 농도편차(GSD)가 크지 않으면서 장시간 동안 일정하게 나노입자를 발생시킬 수 있다.

최근에 사업장 뿐만 아니라 사무실이나 가정에서도 3D 프린터를 이용하여 각종 성형품을 제작하는 사례가 증가하고 있다.

그런데 3D 프린터 작업시 발생되는 나노입자 및 HAPs(유해대기오염물질)가 인체에 어떠한 영향을 미치는 가에 대해서는 아직 명확하게 규명되어 있지 않다.

3D 프린터 내부에서 발생되는 가스를 포집하여 유해성 분석을 하는 방안을 생각해 볼 수 있으나, 3D 프린터 내부에서 발생되는 물질은 미량이기 때문에 유해성 평가 실험에 사용될 수가 없다.

또한 3D 프린터 내부에서 발생되는 나노입자의 입자수 농도와 중량 농도는 상하좌우 위치에 따라 농도편차가 아주 상이하다, 이에 따라 유해성 규명을 위한 시료로 사용하기에 적합하지 않다.

이에 비해 본 발명은, 3D 프린터로 성형품을 제조하는 방식과 동일하게 필라멘트를 가열 압출하여 나노입자를 발생시킨다.

특히 본 발명은, 단순히 나노입자를 발생시키는 것이 아니라, 익스트루더 노즐 토출온도, 토출속도 및 공기 유량을 조절하여 원하는 크기 및 농도의 나노입자를 얻을 수가 있다.

이에 따라, 3D 프린터 작업시 발생하는 나노입자의 유해성을 평가하여 작업자의 건강을 확보할 수 있고, 유해 작업환경의 노출기준을 설정하는 자료로 활용할 수 있다.

또한 복수의 익스트루더에 의해 단일의 재료 뿐만 아니라 여러개의 복합재료를 동시에 사용하여 나노입자를 발생시킬 수 있으므로, 다양한 혼합물질에 대한 유해성 평가도 수행할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능 하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

1: 익스트루더 스텝퍼(Extruder Stepper)
1a: 안내튜브(Tube) 2: 가열 코어(Core)
3: 챔버(Chamber) 3a: 씰링(Sealing)부재
3b: 보조 밀폐장치 4: 에어 아웃렛(Air Outlet)
5: 에어 인렛(Air Inlet) 6: 필라멘트 롤(Filament Roll)
7: 제어부
7a: 트랙션 모터 스위치(Traction Motor Switch)
7b: 컨트롤 모니터(Control Monitor) 7c: 온도조절기
7d: 공기유량 조절부 7e: 제어부 파워스위치
7f: 익스트루더 속도 제어기 7g: 압력 게이지(Gauge)
8: 냉각 팬(Fan) 9: 익스트루더(Extruder)
10: 프린팅(Printing)부 11: 익스트루더(Extruder)
12: 노즐(Nozzle) 13: 조형판
14: 히팅 베드(Heating Bed) 15: 히터(Heater)
16: 수직축 17: 익스트루더 구동부
18: 수직축 구동부 19: 재료 공급부
A: 성형품 C: 공기유량조절장치
E: 추가 장착부 F: 필라멘트(Filament)
S: 전원 스위치

Claims

3D 프린터 작업에 사용되는 필라멘트를 가열하여 나노입자를 발생시키는 나노입자 발생장치에 있어서,
필라멘트(F)가 코일상으로 감겨진 필라멘트 롤(6)과,
상기 필라멘트 롤(6)에 감긴 필라멘트(F)를 가열 코어(2)측으로 밀어 이송시키는 익스트루더 스텝퍼(1)와,
상기 필라멘트(F)를 가열하기 위한 가열 코어(2)와,
상기 가열 코어(2)로부터 공급되는 필라멘트(F)를 압출하는 익스트루더(9)와,
밀폐된 공간을 형성하여 상기 익스트루더(9)의 압출작용에 의해 나노입자가 발생되도록 하는 챔버(3)와,
상기 챔버(3) 내부로 공기를 공급하기 위한 에어 인렛(5)과,
상기 챔버(3) 내부의 공기를 외부로 배출시키는 에어 아웃렛(4)과,
나노입자 발생장치를 제어하기 위한 제어부(7)를 포함하여 구성되고,
상기 필라멘트 롤(6)과, 익스트루더 스텝퍼(1)와, 가열 코어(2)를 복수로 구성하여, 단일 재질의 필라멘트 또는 서로 다른 재질의 필라멘트를 공급할 수 있도록 하며,
상기 제어부(7)에서 익스트루더 노즐의 토출온도와 토출속도 및 상기 챔버(3)로 공급되는 공기유량을 조절하여 원하는 크기와 농도의 나노입자를 발생시키는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 필라멘트(F)는, 안내튜브(1a)에 의해 익스트루더 스텝퍼(1) 및 가열 코어(2)에 공급되는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 익스트루더(9)에 냉각 팬(8)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부(7)는,
상기 익스트루더(9)를 구동하기 위한 트랙션 모터 스위치(7a)와,
나노입자 발생장치의 상태 표시 및 구동을 위한 컨트롤 모니터(7b)와,
가열 코어(2)의 온도를 조절하기 위한 온도조절기(7c)와,
필라멘트의 토출속도를 제어하는 익스트루더 속도 제어기(7f)와,
챔버(3) 내부의 압력을 표시하는 압력 게이지(7g)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 챔버(3)는,
개폐 도어의 밀폐 유지를 위한 루프 형태의 실리콘 씰링부재(3a)와,
상기 개폐 도어의 상,하단에 구비되는 보조 밀폐장치(3b)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 에어 인렛(5)의 전방에 공기유량조절장치(C)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 6 항에 있어서,
헤파필터에 의해 여과된 압축공기를 상기 공기유량조절장치(C)로 공급하는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 에어 인렛(5)의 단부에 공기 희석장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 에어 아웃렛(4)에 분배 매니폴드(M)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 챔버(3)의 상부에 익스트루더(9)를 추가로 장착하기 위한 추가 장착부(E)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노입자 다중 발생장치.