PHA란 무엇이며, 가장 지속 가능한 3D 프린팅 소재가 될 수 있을까?

저는 이런 소재가 3D 프린팅 커뮤니티에 무척 중요하다고 믿습니다. 한 가지 이유는 복잡한 형태를 출력하려면 서포트가 필요한 경우가 많은데, 그 소재가 브림, 테스트 출력물, 실패한 출력물과 함께 모두 폐기물이 되기 때문입니다.

많은 사람이 재활용 방법을 찾고 있습니다. 오래된 출력물을 분쇄해 새 필라멘트로 압출하는 방식입니다. 하지만 이 과정은 어려움이 많고, 생각만큼 간단하지 않습니다. 잘 되더라도 투자가 필요한데, 대형 스튜디오라면 괜찮을 수 있어도 프린터가 한 대뿐인 소규모 크리에이터에게는 대개 경제적이지 않습니다.

그래서 저는 PHA에 큰 관심을 두고 있습니다. PHA는 100% 바이오 기반이며, 거의 모든 자연환경에서 생분해될 수 있습니다. 하지만 본격적으로 살펴보기 전에, 우리 커뮤니티에서 가장 인기 있는 소재인 PLA부터 알아보겠습니다.

PLA가 몇 주 안에 분해되려면 산업용 퇴비화 시설의 약 50~65°C 열이 필요합니다. 토양에서는 같은 과정에 수년이 걸릴 수 있고, 바닷물에서 진행된 연구에서는 분해가 거의 또는 전혀 관찰되지 않았습니다(Catarci Carteny & Blust, 2021).

PLA는 바이오 기반이지만, 진정한 의미에서 생분해되는 곳은 산업용 퇴비화 시설뿐입니다. 자연에서 빠르게 분해된다는 것을 입증한 연구는 많지 않으며, 아마 환경에 아주 오랫동안 남아 있을 것입니다. 게다가 많은 지역에는 애초에 이를 처리할 수거 체계나 퇴비화 인프라가 없습니다.

‘바이오 기반’은 소재가 어디에서 왔는지를 알려 줍니다. ‘생분해성’은 수명이 다한 뒤 어디로 갈 수 있는지를 알려 줍니다. PLA는 앞의 것에는 해당하지만, 뒤의 것에는 일부만 해당합니다.

화석 연료로 만드는 기존 플라스틱과 달리, PHA는 자연 발효 과정을 거쳐 만들어집니다.

저는 PHA가 특성과 지속 가능성 모두에서 PLA보다 훨씬 뛰어난 소재라고 생각합니다. 그 이유를 알려면 PHA가 어떻게 만들어지는지 살펴보는 것이 좋습니다.

제조사는 박테리아 같은 미생물에게 천연 당과 기름을 먹이고, 박테리아는 PHA를 에너지 저장용으로 세포 안에 쌓아 둡니다. colorFabb의 표현을 빌리면 거의 “박테리아의 지방”과 같습니다. 이렇게 만들어진 PHA를 추출해 펠릿과 필라멘트로 가공합니다.

PHA는 100% 천연이기 때문에 진정한 순환형 소재입니다.

1. 1식물이 당과 기름을 공급합니다.
2. 2박테리아가 이를 PHA로 바꿔 세포에 저장합니다.
3. 3PHA를 추출해 필라멘트로 만듭니다.
4. 4우리는 제품을 출력해 사용합니다.
5. 5수명이 다하면 미생물이 PHA를 다시 먹어 CO₂와 물로 분해합니다.
6. 6식물이 그 CO₂를 흡수하고, 순환이 다시 시작됩니다.

제품을 다 쓰고 나면 미생물이 이를 다시 먹어 CO₂, 물, 바이오매스로 분해할 수 있습니다. colorFabb에 따르면 allPHA는 이 과정에서 미세플라스틱을 남기지 않습니다.

다만 하룻밤 사이에 일어나는 일은 아닙니다. 분해 속도는 출력물의 두께, 온도, 수분, 미생물 활동에 따라 달라집니다. 해양 연구를 종합한 한 메타 연구는 PHA 물병이 바다에서 완전히 생분해되는 데 1.5~3.5년이 걸린다고 추정했습니다(Dilkes-Hoffman et al., 2019). 차가운 물에서는 분해가 느려집니다. 온대 바다를 모사한 환경에서 6개월 동안 진행한 시험에서 PHA 필름에는 초기 풍화 흔적만 나타났습니다(Catarci Carteny & Blust, 2021).

제게는 이것이 진짜 장점입니다. PHA 출력물이 결국 자연에 남게 되더라도 실제로 자연으로 돌아갈 수 있기 때문입니다. 그렇다고 출력물을 버려도 된다는 핑계가 될 수는 없지만, 최악의 경우를 놓고 보면 PLA보다 훨씬 낫습니다.

저는 colorFabb의 allPHA로 이 램프 갓을 출력했습니다. 출력 과정은 PLA만큼 쉽지 않습니다. 출력 중 워핑(뒤틀림)에 민감한 소재라서, 베드 안착을 잘 시키려면 브림과 접착제가 꼭 필요합니다.

또 하나의 큰 차이는 히팅 베드가 필요 없다는 점입니다. 저는 베드 온도를 0°C로 설정했는데, 이는 단순히 히터를 끈 상태를 뜻합니다. 이상하게 들리겠지만 PHA에는 이 조건이 필요합니다. 가열된 베드는 초기 레이어에서 결정화를 일으키고, 이것이 워핑으로 이어지기 때문입니다. 덤으로, 베드를 가열하지 않으니 출력할 때마다 에너지도 절약됩니다.

또한 출력 속도가 PLA보다 훨씬 느립니다. 이 느린 속도를 보완하려고 이 램프 갓에는 0.8mm 노즐을 사용했습니다. 구경이 큰 노즐은 한 번 지나갈 때마다 더 많은 소재를 쌓기 때문에, 속도가 느려도 출력이 더 빨리 끝납니다.

PHA 권장 출력 설정

• 노즐 온도

  시작값

  190~200°C

  참고

  중간값에서 시작해 사용하는 핫엔드에 맞게 조정하세요

• 베드 온도

  시작값

  가열 안 함(히터 끔)

  참고

  가열된 베드는 결정화를 일으켜 초기 레이어에 워핑이 생깁니다

• 베드 안착

  시작값

  접착제(3DLac 스프레이 또는 물에 희석한 목공풀)와 브림

  참고

  colorFabb은 모서리 들뜸을 막기 위해 브림 라인을 약 20개 사용합니다

• 파트 쿨링 팬

  시작값

  100%, 2번째 또는 3번째 레이어부터

  참고

  열을 빠르게 빼 주면 결정화를 제어할 수 있습니다

• 출력 속도

  시작값

  40~80mm/s

  참고

  PLA보다 훨씬 느립니다. 0.8mm 노즐이 시간을 만회하는 데 도움이 됩니다

• 리트랙션

  시작값

  PLA보다 약간 낮게

  참고

  외벽에 작은 틈이 생기면 리트랙션이 너무 높은 것입니다

• 건조

  시작값

  필요 없음

  참고

  PHA는 수분을 잘 흡수하지 않습니다

시작값은 colorFabb의 allPHA 출력 설정과 기술 데이터 시트를 참고했습니다. 사용하는 프린터에 맞게 미세 조정하세요.

과정은 조금 까다롭지만, 저는 이 소재의 잠재력이 크다고 생각합니다. 매우 튼튼하고 120°C가 넘는 온도에서도 변형 없이 견딥니다. colorFabb의 데이터 시트에는 allPHA의 열변형 온도(HDT)가 153°C로 나와 있으며, 회사 측은 층간 접착력도 뛰어나다고 밝힙니다.

램프에서는 이 점이 아주 중요합니다. PLA는 약 44~60°C에서 부드러워지기 시작하므로, PHA를 쓰면 광원 가까이에서도 훨씬 여유가 있습니다. 어떤 소재로 출력하든 LED 전구를 사용하세요. 할로겐이나 백열전구보다 훨씬 덜 뜨거워집니다.

• 원료

  PHA (colorFabb allPHA)

  박테리아가 발효한 당과 기름, 100% 바이오 기반

  PLA

  옥수수 등 식물성 당을 발효한 것, 바이오 기반

• 생분해 환경

  PHA (colorFabb allPHA)

  토양, 담수, 해양

  PLA

  산업용 퇴비화 시설에서만(약 50~65°C)

• 생분해 기간

  PHA (colorFabb allPHA)

  수개월에서 몇 년, 바다 속 병은 약 1.5~3.5년

  PLA

  산업용 퇴비화 시 수 주, 자연에서는 수년 이상

• 내열성

  PHA (colorFabb allPHA)

  120°C 이상에서도 안정적(HDT 153°C)

  PLA

  약 44~60°C에서 부드러워짐

• 베드

  PHA (colorFabb allPHA)

  가열 안 함(히터 끔)

  PLA

  가열함

• 출력 속도

  PHA (colorFabb allPHA)

  40~80mm/s

  PLA

  최신 프린터에서는 훨씬 빠름

• 출력 난이도

  PHA (colorFabb allPHA)

  더 어려움(워핑이 생기고, 접착제와 브림 필요)

  PLA

  쉽고 까다롭지 않음

PHA는 100% 바이오 기반이며, PLA와 달리 토양, 담수, 해양에서 분해될 수 있습니다.

감수해야 할 점도 분명히 있습니다. 출력이 더 느리고 까다로우며, 생산 비용도 PLA보다 높습니다(Catarci Carteny & Blust, 2021). 하지만 한 번 출력해 몇 년이고 두고 쓰는 램프 같은 작품이라면, 저는 그만한 가치가 있다고 생각합니다.

이 램프를 3D 프린팅하고 싶다면 e-leora.com에서 파일을 받을 수 있습니다. Leora 라이브러리의 모든 디자인은 STL, OBJ, 3MF 파일로 제공되며, 3MF 파일은 Bambu Studio와 OrcaSlicer에서 바로 쓸 수 있는 프로젝트이며 모든 모델에 상세한 출력 가이드가 함께 제공됩니다. 상업용 라이선스 옵션도 있어, 직접 만든 램프를 출력해 판매할 수도 있습니다(라이선스 보기).

PHA에 대해 어떻게 생각하시는지, 3D 프린팅 과정에서 또 무엇을 알고 싶으신지 알려 주세요! 영상에 댓글을 남기거나 메시지를 보내 주세요.