Evaluation of 3D Printing Filaments for Radiation Shielding using High Density Polyethylene and Bismuth

고밀도 폴리에틸렌과 비스무트를 이용한 3D 프린팅용 방사선 복합필라멘트 개발 및 차폐능력 평가

Abstract

Research on the presence or absence of radiation shielding for FDM-type filaments has recently begun to be studied, but filaments with shielding capabilities are not sold in Korea, and not studies yet. Therefore, in this research, we will use HDPE (High Density Polyethylene) as a base material, select bismuth as a reinforcing material to manufacture a composite filament, evaluate the shielding ability, and provide basic data for the development of a radiation shielding composite material using 3D printing.A filament is produced by mixing Bismuth with an effective atomic number 83 with HDPE of PE series and adjusting the content of Bismuth to 20% wt, 30% wt, 40% wt. Compounded filaments were evaluated for their physical properties and shielding capabilities by ASTM evaluation methods. As the bismuth content increases, the density, weight, and tensile strength increase, and the shielding capacity is confirmed to be excellent. As a result of the radiation shielding capacity evaluation, it was confirmed that HDPE (80%) + Bi (20%) showed a shielding rate of 82% at 60 kV and a shielding rate of up to 94% or more at 40% bismuth content. In this study, we confirmed that it was possible to produce a radiation shield that is lighter than the metal particle-containing filaments. Furthermore, that have been shield radiation by using HDPE + Bi filaments, and radiation in the medical and radiation industries. The possibility of using it as a shielding complex was confirmed.

용융적층 방식의 필라멘트에 대한 방사선의 차폐유무의 관한 연구가 최근 연구되어지기 시작하였지만 차폐능력을 가진 필라멘트는 국내에 판매되지 않고 있으며 관련 연구도 미비하다. 이에 본 연구는 고밀도 폴리에틸렌을 기지재로 하고 강화재로 비스무트를 선정하여 복합 필라멘트를 제작한 후 차폐능력을 평가하고 3D 프린트를 이용한 방사선 차폐 복합물질 개발의 기초자료를 제공하고자 한다. 고밀도 폴리에틸렌에 실효 원자번호가 83인 비스무트를 혼합하였고 비스무트의 함유량을 20 wt%, 30 wt%, 40 wt%로 조절하여 필라멘트를 제작하였다. 제작된 필라멘트는 ASTM의 평가방법을 이용하여 물성 및 차폐능력을 평가하였다. 비스무트 함유량이 증가할수록 밀도, 무게, 인장강도는 증가하였고 차폐능력이 우수해짐을 확인 할 수 있었다. 방사선 차폐능력 평가 결과 HDPE(80%) + Bi(20%)의 경우 60 kV일 때 82%의 차폐율을 보였으며 비스무트 함유량이 40% 일 때는 최대 94.57%이상의 차폐율을 나타내는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 HDPE + Bi 필라멘트를 사용하면 기존에 연구되어진 금속 입자 함유 필라멘트들보다 가볍고 방사선을 차폐할 수 있는 방사선 차폐체 제작이 가능하다는 것을 확인하였고 의료 및 방사선 산업에 있어 방사선 차폐 복합물질로서의 사용가능성을 확인하였다.

Ⅰ. INTRODUCTION

3D 프린팅은 원하는 형태를 모델링하여 제작할 수 있기에 신체의 특성에 따라 다양한 형태의 결과물이 있어야 하는 의료분야에 적합하다. 방사선 차폐 분야 중 3D 프린팅 재료 분야의 국내 현황은 방사선 차폐 능력을 갖추고 있는 3D 프린팅 재료들을 판매하지 않고 있으며 이에 관한 연구도 미비하다. 하지만 일부 연구들은 용융적층 방식 (FDM, Fused Deposition Modeling) 방식 3D 프린터를 이용하여 임상에서 보편적으로 가장 많이 사용되고 있는 납 차폐체의 대체재 제작 연구들이 진행되고 있다^{[1, 2]}.

금속 복합 필라멘트 활용은 의료분야에 맞춤형 차폐체를 제작 등 다양하게 할 수 있다. 3D 프린팅의 방식 중 가장 보편화되어 있는 FDM 방식은 필라멘트를 주된 재료로써 가장 많이 사용하고 있으며, 대표적으로 PLA, ABS, Nylon, TPE 등이 있다^[3]. 방사선 차폐 물질 개발은 고분자기지재인 필라멘트로 제품을 구현하는데 많은 제약이 따르기 때문에 어렵다. 이러한 이유로 고분자기지재에 기능적인 강화재를 첨가하여 특수 필라멘트를 제작 및 차폐 능력을 평가하는 연구들은 미비한 상황이다.

본 연구는 기존 시장에서 판매되고 있는 금속 분말을 강화재로 설정하여 금속복합필라멘트의 제작 가능성을 파악하고자 한다. 그리고 기계적 기능적으로 향상된 필라멘트를 제작하기 위해 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE, High Density Polyethylene)에 방사선 차폐 능력을 갖춘 비스무트 금속 입자가 함유된 필라멘트를 제작하여 물성 및 방사선 차폐 능력을 평가한다. 이를 통해 방사선 차폐체 제작이 3D 프린팅으로 제작 가능성 및 임상에서 활용 가능성을 제시하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험 재료

1.1. 기지재

기지재는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)에 실효 원자번호가 83인 비스무트(Bismuth)를 혼합한 새로운 금속 복합 필라멘트를 제작하였다.

HDPE는 에틸렌을 주원료로 하는 합성수지로서 고강도, 변현성에 우수한 특성이 있는 무독성 친환경 플라스틱이다. 3D 프린트 필라멘트로 사용되는 기지 재들은 보통 펠렛 형태로 많이 제작되고 있지만 본 실험은 기지재와 강화재의 원활한 혼합을 위하여 Fig. 1과 같이 분말 형태의 HDPE가 사용하였다. 실험에 사용된 HDPE는 Dalian Great Fortun Chemical 사에서 판매되었으며 물성은 Table 1과 같다.

Table 1. Composition table of high density polyethylene

Fig. 1. High density polyethylene.

1.2. 강화재

강화재로 사용된 Bismuth 는 Avention 사의 Bismuth Powder를 사용하였으며 물성은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2. Composition table of Bismuth powder.

2. 연구방법

2.1. 시편 모형화

시편 출력은 STL 파일로 변환된 데이터를 가지고 Fusion 360 Student Version(Autodesk) 프로그램을 사용하였다. 인장 강도 시편은 두께가 1 mm ~ 14 mm 사이의 경질 플라스틱 시편을 평가하는 방법인 ASTM D638 에 따라 설계하였다. 밀도 시험은 ASTM D792에 따라 30 mm × 30 mm × 3 mm, XRD 시험에 사용되는 시편은 25 mm × 25 mm × 3 mm로 설계하였다.

방사선 차폐 성능 평가에 사용된 시편의 크기는 50 × 50 mm의 시편을 각 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm로 설계하여 실험하였다^{[4, 5]}.

2.2. 필라멘트 제작

방사선 차폐 복합 필라멘트 제작은 기지재인 HDPE와 강화재인 Bismuth 분말을 혼합하였다. HDPE에 금속 입자 강화재인 Bismuth를 20% wt, 30% wt, 40% wt 함유시켜 돌담 테크 사의 압출기를 사용하여 필라멘트를 출력하였다.

압출기 구조는 Fig. 4와 같다. 압출기의 Hopper로 들어간 입자들은 Screw 영역을 지나 Heater 영역으로 이동되고 열에 의해서 고체 입자들이 반 고체의 상태로 변형되면서 Exturder를 통하여 Fig. 5와 같이 출력된다^[6].

Fig. 4. Filament Extruder and Schematic.

Fig. 5. Filament Fabrication Process.

2.3. 시편의 물성 및 차폐 능력 평가

물성 평가는 제작된 시편들을 국제공인 시험기관인 한국 고분자연구소에 의뢰하여 시행했다. 차폐 능력 평가는 Fig. 6과 같이 한국산업표준의 X선 방호용품류의 납 당량 시험방법의 좁은 선속 사용 시험에 적용되는 기하학적 조건과 같게 구현하여 10회씩 촬영하고 차폐율을 측정하였다^[7].

Fig. 3. 3D Printing modeling of the test piece.

Fig. 6. Radiation Shielding Test Tool (narrow beam).

Ⅲ. RESULT

1. HDPE + Bi (Bismuth) 복합재료 시편 출력물

HDPE에 Bismuth 가 함유된 복합 필라멘트 출력물은 Fig. 7과 같다.

베드 안착률은 입자 강화재의 함유량이 증가할수록 불안정하였다. 또한, HDPEe 수축률이 높아 베드의 안착이 불안정하여 Fig. 8과 같이 출력 난이도가 높았다.

Fig. 7. 3D Printed Sample.

Fig. 8. 3D printing fail sample.

2. 물성 평가

물성 평가는 HDPE + Bi 로 출력된 시편들을 가지고 인장강도, 밀도, X선회절분석, 무게를 진행하였다.

HDPE + Bi 로 출력된 각 시편 출력물의 인장강도는 Table 2와 같다.

Table 2. Tensile Strength of 3D Printed Samples

HDPE + Bi 로 출력된 각 시편 출력물의 밀도측정 결과는 Table 3과 같다. 밀도 측정 결과는 비중측정 후 ASTM D792에 따라 밀도로 환산하였다. HDPE + Bi 20% wt 는 0.89g/cm³, HDPE + Bi 30% wt 는 0.98g/cm³ 로 나타났다. HDPE + Bi 40% wt 는 1.14g/cm³로 나타났다.

Table 3. Density of 3D Printed Samples

HDPE + Bi 로 출력된 각 시편 출력물의 회절 분석(XRD) 결과는 Fig. 9와 같다. X선 회절 분석 결과는 시편에 대한 패턴이 각 시료의 고유 패턴과 유사하였다.

Fig. 9. X-ray Diffraction Analysis.

HDPE + Bi 로 출력된 각 시편 출력물의 무게 측정 결과는 Table 4와 같다.

Table 4. Weight of 3D Printed Samples (unit: g)

3. 차폐 능력 평가

차폐 능력 평가는 한국산업표준의 X선 방호 용품류의 납 당량 시험방법에 좁은 선속 사용 시험에 적용되는 기하학적 조건과 동일하게 구현하여 차폐체를 놓지 않고 실험하였다^[7]. 선량 측정 결과는 Table 5와 같다. 실험 조건은 관전압 60 kVp, 80 kVp, 100 kVp로 설정하였다.

Table 5. Absorbed dose (None) (unit: mGy)

HDPE + Bi (20% wt)의 60 kVp, 80 kVp, 100 kVp 에서 선량측정 결과는 Table 6과 같다.

Table 6. Absorbed dose of HDPE + Bi 20% wt

HDPE + Bi (30% wt)의 60 kVp, 80 kVp, 100 kVp 에서 선량 측정 결과는 Table 7과 같다.

Table 7. Absorbed dose of HDPE + Bi 30% wt

HDPE + Bi(40% wt)의 60 kVp, 80 kVp, 100 kVp 에서 선량 측정 결과는 Table 8과 같다.

Table 8. Absorbed dose of HDPE + Bi 40% wt

차폐율은 HDPE + Bi(20% wt)경우 60 kVp일 때 31.51% ∼ 82.13% 나타났다. 최대 차폐율은 40% wt 이상 5 mm의 두께에서 94.57%로 측정되었다. 이때 차폐율은 Bismuth의 두께가 증가하고 함량이 높아질수록 차폐율이 증가한다는 사실을 알 수 있었다.

Ⅳ. DISCUSSION

방사선 이용이 의료분야에서는 방사선 작업종사자, 환자와 보호자의 방사선 피폭을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 현대의학의 진단에 있어 영상의학의 중요성이 대두되면서 방사선의 활용은 증가하고 있으며 피폭선량 저감을 위한 차폐체에 관한 연구들이 지속해서 진행되고 있다.

주성분이 납인 차폐체가 현재 의료기관에서 가장 일반적으로 사용한다. 납은 방사선에 대한 차폐력이 뛰어나므로 다양한 형태의 차폐체로 제작되어 사용된다. 납의 단점은 무게가 무거우므로 장시간 착용 시 인체의 근골격계에 손상이 올 수 있다. 그뿐만 아니라 납은 중금속으로 분류되어 과다하게 접촉될 때 납중독이 발생할 수 있는 물질이다. 납에 대한 대체제로서 새로운 방사선 차폐 물질을 만들기 위한 노력이 이루어지고 있다^[8]. 그 일환이 3D 프린터를 이용하여 차폐체를 만드는 것이다.

가장 보편적으로 사용되는 3D 프린팅 기술은 FDM 방식이다. 주된 재료는 필라멘트가 가장 많이 사용되고 있는데 필라멘트는 주로 열가소성 플라스틱으로 많이 사용되고 있다^{[3, 9]}. 방사선 차폐 물질개발은 고분자 기지재인 필라멘트로 제품을 구현하는 데 있어 많은 제약이 있다.

필라멘트 개발은 고분자 기지재에 기능적인 강화 재를 첨가하여 기능적, 기계적 능력을 향상하는 연구들이 진행되고 있다. 강화재로 사용되는 금속분말은 방사선을 차폐시킬 수 있는 금속이며 실효 원자번호가 높은 Bismuth와 텅스텐이 대표적이다^[10].

특수 필라멘트의 방사선 차폐 능력 연구는 아직 미미한 상황이다. 이에 본 연구는 Bismuth를 이용하여 방사선 차폐용 필라멘트를 제작하고 물성 및 방사선 차폐 능력을 평가하였다.

사용된 기지재를 HDPE로 선정한 이유는 독성이 없고 안정성이 뛰어나 재활용이 가능하다는 장점이 있었기 때문이다. 강화재로 선정된 Bismuth는 물리적 성질이 납과 비슷하며 독성이 거의 없고 녹는점이 낮아 3D 프린팅에 적합한 금속이다. 그리고 Bismuth는 표면 장기선량의 차폐에 있어 효과적이다는 연구 결과가 있다^[11].

Bismuth 함유량은 20% wt , 30% wt, 40% wt로 하여 필라멘트를 제작하였다. 필라멘트의 시편 제작 결과 HDPE의 시편의 출력난이도는 기존 타 필라멘트들보다 높았다. 그 이유는 HDPE의 높은 수축력 때문에 베드 안착률이 떨어졌기 때문이다. HDPE + Bi 의 인장강도 평가는 Bismuth의 함유량이 증가할수록 인장 강도 역시 증가하였다. 밀도측정 결과 Bismuth의 함유량이 많아질수록 밀도가 높아졌다. XRD 분석 결과에서는 Bismuth 분말의 peak과 유사하여 필라멘트로 만든 시편에 Bismuth 가 함유되어 있다는 것을 확인할 수 있었다. 무게는 5 mm의 두께에서 10 g 으로 측정되었다.

방사선의 차폐 능력 평가 결과는 HDPE + Bi (20% wt)경우 60 kVp 차폐율은 31.51% ∼ 82.13% 나타났다. 차폐 능력은 Bismuth의 함량이 높아지고 두께가 증가할수록 향상되었다. 최대 차폐율은 40% wt 이상 5 mm의 두께에서 94.57%로 나타났다. 향후, 3D 프린트로 방사선 차폐체를 제작은 일정 기준이상의 최소 두께 확보가 필요할 것으로 생각된다.

V. CONCLUSION

본 연구는 HDPE와 Bismuth를 혼합한 금속 복합필라멘트 차폐능력을 평가하여 차폐체를 개발할 수 있다는 점을 확인하였다.

향후 연구는 납을 대체할 수 있는 차폐체로 제작하기 위해서 Bismuth의 혼합 비율을 높이기 위한 혼합 기술에 관한 연구가 필요하다. 또한, 차폐체의 효율을 평가하기 위해서 현재 임상에서 사용되고 있는 납 차폐체와 차폐 능력을 비교하는 추가 연구가 이루어진다면 현재 납 차폐체를 대체 할 수 있는 차폐체 개발을 위한 기초자료로 사용될 것으로 사료된다.