3D 프린팅 소재의 자외선 노화

여기서 비교하는 4가지 3D 프린팅 소재 중 ASA만이 실외에서의 지속적인 자외선(UV) 및 내후성 노출을 견디도록 설계되었으며, PLA와 일반 PETG는 이에 적합하지 않습니다. 단기 UV-C 조사(照射) 시에는 이 두 소재의 순위가 뒤바뀝니다. 254 nm에서 24시간 조사 후 PETG는 인장강도의 38%를 잃는 반면, PLA는 9%만 잃습니다 [1]. 따라서 "햇빛에 강함"과 "UV-C에 강함"은 서로 바꿔 쓸 수 없는 특성입니다.

실외에서 사용되거나 자외선(UV)에 조사(照射)되는 3D 프린팅 플라스틱 부품은 시간이 지남에 따라 변화합니다. 즉, 색이 바래거나 부서지기 쉬워지거나 강도를 잃을 수 있습니다. 그 원인은 고에너지 자외선(UV)으로, 이는 고분자 내의 화학 결합을 끊을 수 있으며 이러한 과정을 광산화 노화라고 합니다. 일반적으로 다음 세 가지 범위로 구분됩니다:

UV-A(315~400 nm): 태양광 자외선 중 가장 큰 비중을 차지하며, 수개월에서 수년에 걸친 느린 노화를 유발합니다.
UV-B(280~315 nm): 태양광 중 에너지가 더 높은 부분으로, 노화를 더욱 가속화합니다.
UV-C(200~280 nm): 자연 상태에서는 지표면에 거의 도달하지 않지만, 미생물을 특히 효과적으로 불활성화하기 때문에 소독 장비에 의도적으로 사용되며, 같은 이유로 플라스틱을 특히 강하게 손상시킬 수 있습니다 [8].

그렇다면 일반적인 3D 프린팅 소재인 PLA, TPU, PETG, ASA는 자외선(UV) 및 UV-C 조사(照射)에 대해 얼마나 안정적일까요? 다음 개요에서는 측정 데이터로 뒷받침되는 부분과 근거가 부족한 부분을 정리합니다.

스펙트럼 범위 자체는 자외선이란 무엇인가?에서 자세히 다루며, 소재의 노화 메커니즘은 자외선 노화, 내광성 및 광안정성에서 다룹니다. 프린팅 및 후경화 공정을 위한 측정 기술은 적층 제조 및 3D 프린팅을 위한 자외선(UV) 측정에서 다룹니다.

주요 파라미터 간략 설명

인용된 연구들은 UV 손상을 세 가지 기계적 물성으로 설명합니다. 각각은 서로 다른 의미를 갖습니다:

인장강도: 부품이 파단되기 전까지 견딜 수 있는 단위 면적당 힘입니다. UV 조사 후 인장강도가 감소하면 재료가 약해졌다는 것을 의미합니다.
파단 시 신율: 재료가 파단되기 전까지 늘어날 수 있는 정도입니다. 파단 시 신율이 감소하면 재료가 더 취약해지고 있음을 나타냅니다.
취화: 폴리머가 탄성을 잃고 더 쉽게 파손되는 현상으로, 흔히 UV 손상의 눈에 보이는 초기 징후입니다.

핵심 결과: 실외에서는 ASA, UV-C에서는 PLA가 PETG보다 견고

비교한 네 가지 소재 중 ASA가 자외선 및 내후성에 대한 장기 노출에 가장 적합하며, PLA와 표준 PETG는 이에 적합하지 않습니다. 한 가지 핵심 결과는 일반적인 예상과 반대되는데, 24시간 동안의 제어된 UV-C 조사(照射) 시 PETG는 PLA(−9 %)보다 훨씬 더 큰 강도 저하(−38 %)를 보였습니다 [1]. 이는 "햇빛에 강함"이 반드시 "UV-C에 강함"을 의미하지는 않는다는 것을 보여주며, 두 종류의 방사선이 동일한 고분자에 서로 다르게 작용함을 나타냅니다.

네 가지 소재의 UV 및 UV-C 거동

다음 표는 자연 풍화 조건에서의 거동과 UV-C 조사(照射) 조건에서의 거동을 나란히 제시합니다. PLA와 PETG의 UV-C 값은 동일한 시험 시리즈에서 얻어졌으므로 직접 비교가 가능하며, TPU와 ASA의 경우에는 비교 가능한 방법론에 따른 측정값이 없습니다.

소재	자연 풍화 조건에서의 거동	UV-C 조건에서의 거동 (24 h, 254 nm, 10 W/m²)	평가
PLA	UV 안정성 없음: 장기간 야외 사용 시 취화 및 변색 발생 [2].	육안상 변화 없음; 인장강도 -9.1%, 압축강도 -13.1%, 영률은 거의 변화 없음 [1].	실내 용도에 적합; 짧은 UV-C 주기는 기계적으로 허용 가능.
TPU	표준 등급은 UV 안정성이 없음; UV 첨가제 사용 시 현저히 개선됨 [3].	신뢰할 수 있는 데이터 없음.	UV 안정화 첨가제를 사용한 경우에만 야외 사용 가능.
PETG	PLA보다 내후성이 우수하지만 지속적인 UV 조사(照射)를 견디도록 설계되지 않음; 지속적인 햇빛 노출 시 고무처럼 물러질 수 있음 [4].	PLA보다 손상이 훨씬 큼: 인장강도 -38.1%, 압축강도 -33.9%, 파단 신율 3.06%에서 1.36%로 감소, 육안상 황변 및 광택 저하 관찰 [1].	반복적인 UV-C 조사(照射)에는 부적합.
ASA	UV 및 내후성을 위해 특별히 개발됨; ASTM G154에 따라 2,000 h 후에도 인장강도의 약 85%를 유지 [6]; 야외에서 122일간 노출되어도 유의미한 손실 없음 [7].	정량화된 측정값 없음.	지속적인 UV 및 풍화 하중에 대한 최우선 선택.

PLA: UV-C에서는 양호하나 실외 사용에는 부적합

PLA는 3D 프린팅용 입문 소재로, 저렴하고 프린팅이 용이하지만 열과 자외선에 민감합니다.

일반적으로 자외선에 안정적이지 않음: 장기간 실외 사용 시 취화 및 변색 발생 [2].
UV-C 조사(24 h, 10 W/m², 254 nm) 시: 육안상 변화 없음, 인장강도 −9.1% (29.54에서 26.86 MPa로 감소), 압축강도 −13.1%, 영률은 사실상 변화 없음(−1.9%, 통계적으로 유의하지 않음) [1].
결론: 단기간 UV-C 조사는 기계적 측면에서 비교적 잘 견디지만, 지속적인 실외 풍화에는 적합하지 않습니다.

TPU: 자외선 첨가제가 있어야 실외에서 사용 가능

TPU는 씰이나 그립 등에 사용되는, 구부리고 늘일 수 있는 고무와 같은 유연한 소재입니다.

표준 TPU는 자외선에 안정적이지 않습니다 [3].
자외선을 흡수하는 이산화티타늄이나 산화아연과 같은 충전재인 자외선 첨가제를 사용하면 내자외선성과 자외선 노화 후 인장강도 및 파단신율 유지가 뚜렷하게 향상되지만, 출처에는 구체적인 수치가 제시되어 있지 않습니다 [3].
UV-C에 특화된 신뢰할 만한 데이터는 없습니다.

PETG: PLA보다 UV-C에서 훨씨 더 크게 손상됨

PETG는 PLA보다 더 강하고 내충격성이 우수하여 기능성 부품에 자주 사용됩니다.

PLA보다 내후성이 우수하지만 지속적인 자외선 노출에 적합하게 설계되지 않았으며, 지속적인 태양광 아래에서 고무처럼 변하고 물러질 수 있습니다 [4].
UV-C 하에서(PLA와 동일한 조건): PLA보다 훨씨 더 큰 손상 - 인장강도 -38.1% (31.30에서 19.48 MPa로), 압축강도 -33.9%, 파단신율은 3.06%에서 1.36%로 감소(심각한 취화), 눈에 보이는 황변 및 광택 손실 [1].
야외 응용을 위해 특별히 UV 안정화된 PETG 등급이 존재합니다(최대 연속 사용 온도 70 °C), 그러나 이는 3D 프린팅용 표준 PETG와 동일하지 않습니다 [5].

ASA: 지속적인 자외선 및 기후 부하를 위해 개발

ASA는 특히 실외 사용을 위해 개발되었으며, 여기에서 비교한 프린팅 소재 중 내후성이 가장 뛰어난 소재로 평가됩니다.

자외선 및 내후성을 목표로 특별히 개발됨: ABS의 자외선에 민감한 고무 성분이 자외선에 더 안정적인 아크릴 에스터로 대체되었습니다 [2].
ASTM G154에 따른 실험실 시험에서 2,000시간의 자외선 조사(照射) 후에도 인장강도의 약 85 %를 유지합니다 [6].
122일간의 실외 시험: 강한 자외선 노출에서도 유의미한 물성 저하가 없었습니다 [7].
UV-C에 특화된 정량적 측정값은 확보되어 있지 않습니다. 직접적인 UV-C 조사(照射) 100 h 동안 식별 가능한 변화가 없었다는 실험실 보고는 일반적인 자외선 견고성을 고려하면 타당하지만, 방법론적으로 PLA/PETG 연구와 비교할 수는 없습니다.

UV-C 값 측정 방법

PLA 및 PETG에 대한 UV-C 값은 2021년 Polymers에 게재된 시험 시리즈에서 나온 것입니다 [1]. 인쇄된 시험편은 254 nm, 10 W/m²에서 24시간 동안 조사(照射)되었으며, 후면 패널 온도는 50 °C였습니다. 이후 인장 및 압축 시험을 수행하기 전에 시료를 실온에서 4시간 동안 냉각하였습니다. 해당 논문에서는 조사 장비로 Opsytec Dr. Gröbel의 UV 조사 챔버 BS-02를 명시하고 있습니다.

이러한 값을 귀사의 응용 분야에 적용할 수 있는지는 두 가지 요소로 결정됩니다. 첫째, 이 값들은 시료 위치에서 측정된 복사조도와 그로부터 산출된 조사량을 기준으로 한 것이며, 장비 설정값을 기준으로 한 것이 아닙니다. 측정 없이는 노출 조건을 서로 비교할 수 없습니다. 둘째, 이 값들은 정해진 층 두께, 방향 및 충전 밀도를 가진 시험편에 적용되는 것으로, 벽 두께, 충전율 및 색상 안료는 결과에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 특정 부품의 자외선 내성을 입증해야 하는 경우에는 자체 설비를 이용한 시험을 실시해야 합니다. UV 조사 챔버는 재현 가능한 경계 조건을 제공하며, 관련 표준 및 가이드라인은 시험 조건에 대한 프레임워크를 제공합니다.

자외선(UV) 응용을 위한 권장 사항

높은 자외선(UV) 조사(照射)를 받는 상시 옥외 사용: ASA를 권장합니다.
수 시간 단위의 짧거나 반복적인 UV-C 소독 주기: 현재까지 확인된 유일한 비교 연구에서 PLA는 표준 PETG보다 기계적 물성 손실이 더 작은 것으로 나타났습니다.
UV-C 하의 ASA: PLA 및 PETG와 동일한 방법론으로 비교한 데이터는 아직 존재하지 않습니다. 안전과 관련된 부품의 경우, 예를 들어 UV-C 조사 챔버에서 직접 테스트해 보실 것을 권장합니다.
TPU: 옥외용 및 자외선(UV) 응용에는 자외선 안정화 첨가제가 포함된 경우에만 사용하시기 바랍니다.

인쇄가 아닌 접착 또는 포팅 방식으로 제작되는 부품은 별도의 조건이 적용되며, 이에 대해서는 자외선(UV) 경화형 접착제, 코팅제 및 포팅 컴파운드에서 다루고 있습니다.

출처

Amza CG, Zapciu A, Baciu F, Vasile MI, Popescu D: 살균 UV-C 조사 하에서의 3D 프린팅 폴리머의 노화. Polymers 13(24):4467, 2021.
Spectrum Filaments: ASA 275 설명 – 야외 사용에 적합한 필라멘트.
Wang A, Guo J, Shao C, Chen C: 융합 적층 모델링(FDM) 3D 프린팅을 위한 자외선 저항성 유연 열가소성 폴리우레탄 복합재. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2024.
Makelab: PETG 대 ASA 비교.
Noltewerk: PETG UV 기술 데이터시트 (PDF).
Forge Labs: ASA 소재 특성.
Habr: 3D 프린팅 소재에 대한 122일간의 UV 비교 테스트.
Teska P (NIST): UV-C 노출로 인한 일반 의료용 폴리머 표면의 손상 (PDF).

편집 상태: 2026년 9월 3일.

인쇄 부품의 자외선(UV) 시험에 대한 조언

인쇄 부품이 사용 장소의 자외선(UV) 조사(照射)를 견디는지 여부는 정의된 조사(照射)와 측정된 조사량을 통한 시험으로만 답할 수 있습니다. 당사는 이를 위한 측정 기술을 공급합니다: 실험실에서 재현 가능한 노화 시험을 위한 BS-02와 같은 자외선(UV) 조사 챔버, 부품 자체에서 스펙트럼, 복사조도 및 조사량을 측정하기 위한 UVpad 분광복사계 및 Radiometer RMD Pro가 있습니다. 문의하여 주시기 바랍니다.