Space holder 공정으로 제조된 치과 임플란트용 타이타늄 다공체의 파손 분석
*이승미1․장진만2․이원식2․변재원1†
1서울과학기술대학교 신소재공학과, 2한국생산기술연구원
Fracture Analysis of Porous Titanium for Dental Implant Fabricated by Space Holder Process
*Seung-Mi Lee1․Jin-Man Jang2․Won-Sik Lee2․Jai-Won Byeon3†
1Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University of Science and Technology
2Advanced Process and Materials R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology
Purpose: The purpose of this study is to analyze fracture behavior and failure mechanism of
porous titanium for dental implant fabricated by space holder process.Method: Three porous titanium specimens with a specific volume fraction of open pore were test by 3 point bending and compression stress condition, respectively. Fracture appearance was observed by scanning electron microscope and discussed in relation with oxygen content.
Results: For compression-tested specimens, two specimen showed brittle failure, while the other one showed normal failure after deformation. High oxygen content was detected in the brittle-fractured specimen. Several micro-cracks initiated at the struts propagated down to the bottom of the specimen resulting in normal failure.
Conclusion: Oxygen contamination during the fabrication process can leads brittle premature failure, and hence quality problem of the porous titanium for dental implant.
1)
Keywords: Failure Analysis, Production Quality, Porous Titanium, Implant, Brittle Fracture
1. 서 론
치과용 임플란트는 생체적합성이 우수한 타이타늄 금속을 주로 사용하며, 하중의 분산이 효과적이고 기 계 가공이 용이한 나사형태로 제조되는 경우가 많다.
그러나 나사형태의 임플란트는 낮은 비표면적으로 인한 초기 고정력 부족하다. 기존의 벌크(bulk) 티타
늄 임플란트의 경우, 치조골 조직과의 접촉 면적이 일 부에 불과하여 골조직의 생착에 3개월 이상의 오랜 시간이 소요된다. 특히 골량과 골질이 부족한 고령환 자의 경우 임플란트와 골조직간의 접착력이 현저히 떨어지기 때문에 시술 실패의 주요 원인이 되고 있다.
골량과 골질이 부족한 환자도 임플란트 식립이 잘 이 루어질 수 있도록 치조골과 접촉하는 임플란트 표면
* 본 연구는 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업(SLS 기반 하이브리드형 3D프린팅 기술을 이용한 개인맞춤형 메디컬 디 바이스(치아교정장치 및 임플란트)의 디지털 쾌속금형기술 개발, No. 10049237)의 연구비 지원에 의해 이루어진 것임.
†교신저자 [email protected]
2016년 4월 28일 접수; 2016년 5월 13일 수정본 접수; 2016년 5월 13일 게재 확정.
Fig. 1 Photos of titanium foam for (a) 3-point bending test and (b) compression test
Fig. 2 Photos of test jig for (a) 3-point bending test and (b) compression test
을 치조골의 망상구조와 유사한 다공성 구조로 형성 하기 위한 표면처리에 관한 연구가 이루어져왔다.
또한, 타이타늄은 치조골에 비해 높은 탄성계수로 인한 응력차폐현상의 문제가 있다. 따라서 타이타늄 벌크 자체를 다공체로 만들어 기계적 특성을 조절하 여 인체의 골조직과 유사한 물성을 지니면서, 골조직 과의 접촉면적을 높이기 위한 방법으로 다공체 금속 에 관한 연구가 이슈가 되고 있다. 다공체 제조 방법 은 주조나 분말소결을 응용하는 방법 등이 있다. 다공 체를 제조하는 공정의 하나인 분말소결방법은 금속 산화물 슬러리를 이용하거나 분말가압성형으로 다공 체를 제조하는 방법이다. 이는 공정이 단순하고 공정 재현성이 높게 복제 생산이 가능한 장점이 있지만, 50% 이상의 기공률을 넘지 못하는 한계가 있다[1-2].
최근에는 높은 기공률을 가지는 다공체를 제조하는 방법으로 space holder법이 사용되고 있다[3]. Space holder법은 다공체를 제조함에 있어서 원소재의 특성 을 이용해서 유도되는 기공 이외에 추가적인 기공을 생성시키기 위해 일시적으로 공간을 차지하는 물질 을 첨가하여 성형 후에 제거하여 기공률이 높은 다공 체를 제조하는 방법이다. 본 공정은 기공률이 높은 다 공체를 제조할 수 있는 최근의 소재 제조 공정이지만, 기공률이 높아질 경우 동일 하중에서도 균열 발생에 의한 파손 확률이 높아질 수 있다. 실제 치과 임플란 트에 사용 중에 조기 파손이 발생할 경우, 수명감소 및 장기 사용 신뢰성 문제가 발생하므로, 균열 발생 및 파괴 특성에 대한 이해가 필요하다. 따라서 본 연 구에서는 space holder를 이용한 분말사출방법으로 타 이타늄 다공체를 제조하여 압축 및 굽힘 하중 조건에 서 기계적 물성을 측정하고, 파단면을 관찰하여 균열 전파 및 파괴 특성을 분석하였다.
2. 실험 방법
TiH
2분말과 PMMA(Polymethyl methacrylate) 고분 자를 일정 부피 비율로 혼합한 mixture feedstock(피드 스탁)을 이용하여 100℃ 이상의 온도에서 약 50bar 압 력 조건으로 사출 성형체(preform)를 제조하였다. 제 조된 성형체를 탈지공정을 거친 후 진공 분위기에서 고온 소결하여 최종 다공체를 제조하였다.
다공체 금속의 파괴강도 측정을 위한 표준 시험법
이 정립되어 있지 않아서, 일반적으로 세라믹에서 사 용하는 3점 굽힘 시험(3-point bending)규격을 적용하 여 시험하였다[4-6]. <Fig. 1>과 <Fig. 2>는 시험에 사 용된 시편과 시험장치의 사진이다. <Fig. 1>의 (a)는 3 점 굽힘 시험편, (b)는 압축시험편의 이미지이다. 3점 굽힘 시험편은 21×3.5×3.5mm크기로 가공한 후 100 N 의 로드 셀의 만능 인장 시험기(model, Instron 5848) 를 사용하여 cross head speed 1.5 mm/min의 조건으로 시험하였다. 압축시험편은 4×4×4 mm의 정육면체 시 편에 대해 2 kN의 로드셀을 사용하여 3점 굽힘 시험 과 같은 조건으로 실험하였다. 3점 굽힘 시험을 위해 상부 지그 너비를 5mm, 시편을 지지하고 있는 하부 지그의 간격을 7.5mm로 설정하였다. 만능 인장 시험 기로 얻은 변위-압축 하중 곡선으로부터 식 (1)을 이 용하여 3점 굽힘 강도를 계산하였다. 파단된 시편은 주사전자현미경(TESCAN VEGA3, Scanning Electron Microscope(SEM))을 이용하여 기공의 크기와 분포를 관찰하였다.
(1)
여기서,
= flexural strength, = breaking load ,
=
specimen width, = upper span length,
= lower span
length,
= specimen thickness이다.
Fig. 3 SEM image of porous titanium: (a)top, (b)front, (c)side
Fig. 4 Deformation behavior of titanium foam during 3-point bending test
Fig. 5 Bending fracture strength of porous titanium
3. 실험 결과
<Fig. 3>은 제조된 타이타늄 다공체를 윗면, 정면, 측면의 3방향에서 관찰한 미세조직 이미지를 이용하 여 3차원으로 나타낸 것이다. 다공체의 기공률은 약 69%로 측정되었다. 기공 크기는 약 0.18mm이었으며, 3방향에서 모두 균일한 기공 크기와 분포를 나타냈다.
<Fig. 4>는 동일 공정으로 제조된 3개의 타이타늄 다공체 시편의 굽힘 시험을 통해 얻은 변위- 하중 곡선 과 각 변위에서의 시편의 이미지를 나타낸 것이다. 변 위-하중 곡선은 응력증가 구간(linear elasticity), 응력 의 변화가 없는 구간(plateau), 그리고 다시 응력이 증 가하는 구간(densification)의 전형적인 다공체의 변형 특성을 나타내고 있다. 첫 번째 단계인 linear elasticity 구간에서의 기울기는 탄성계수를 의미하며, 최대 응 력점이 plastic collapse strength(
)를 의미한다. 두 번 째 단계인 plateau의 구간이 길게 지속되는데 이 영역 은 다공체 벽의 변형, 붕괴, 균열이 진행되는 구간으로 다공체 기공 벽이 다 붕괴될 때 까지 응력의 증가가 거 의 일어나지 않는다. 이후는 치밀화(densification) 구 간으로 다공체의 기공 구조가 무너진 후 시험 종료 시 까지 하중은 계속해서 증가하며, 다공체 특성이 아닌 벌크의 기계적 특성이 반영된 것이다. 동일한 조건으 로 제조한 3개의 시편(<Fig. 4>의 #1, #2, #3)을 시험한 결과 두 개의 시편(#1, #3)은 다른 한 개(#2)에 비해 pla- teau 구간이 짧고 빠른 파단이 일어났으며, 시편 간의 파단변위가 차가 큰 것으로 보아 두 개의 시편은 취성 이나 불균일 기공분포에 의한 조기파손의 가능성이 있을 것으로 생각된다.
<Fig. 5>는 3개의 타이타늄 다공체 시편에서 측정 된 굽힘 강도를 나타낸 그래프이다. 평균 0.72 MPa의 굽힘 강도를 가지며, 표준편차 0.01 MPa로 거의 편차 가 없는 것을 확인하였다. 다공체 굽힘 강도는 일반적 으로 기공 분율, 크기, 균일성, 형태 등에 영향을 받으 며, 특히 기공율의 형향이 크다. 본 시험에 사용된 3개 의 다공체는 기공률이 동일한 시편이어서 굽힘 강도
는 유사하게 나타난 것으로 보인다. 굽힘 시험 후 시 편의 파단면을 관찰한 결과를 <Fig. 6>에 나타내었다.
파단면 전체이미지와 기공 분포를 확인하기 위해 임
의의 세군데 영역을 확대하여 관찰하였다. <Fig. 1>의
SEM 이미지에서와 같이 다공체 표면은 균일한 기공
크기와 분포를 갖는 반면 다공체 내부는 기공의 크기
및 분포가 불균일하게 관찰되었다. 특히 시편의 하중
을 받는 시편 상단부인 a영역과 b영역에서는 크고 작
Fig. 6 SEM image of fractured porous titanium: (a) A area, (b) B area, (c) C area
Fig. 7 Compressive strain-stress curve of porous titanium
Fig. 8 Compressive fracture strength of porous titanium
Fig. 9 Fractured porous titanium of (a) #1 and (b) #2
Fig. 10 SEM image of fractured porous titanium:
(a) fracture surface(x40), (b) A area (x200), (c) B area(x1,000), (d) C area (x1,000) 은 기공들이 밀집되어 분포하고 c 영역에서는 기공이
거의 없는 것을 관찰하였다. 이러한 다공체 내부의 불 균일한 기공분포로 인해 <Fig. 4>의 변위-하중 곡선에 서 시편마다 plateau 구간의 길이가 차이가 발생한 것 으로 판단된다.
동일공정으로 제조된 3개의 타이타늄 다공체에 대 한 압축 시험 결과를 <Fig. 7>과 <Fig. 8>에 나타내었다.
<Fig. 7>은 타이타늄 다공체의 압축시험시의 응력-변 형률 곡선이다. 시편 #1, #3의 경우 변위가 증가함에 따라 하중은 선형적으로 증가한 후 파단 되는 벌크 금
속의 특징을 보였다. 소성변형이 거의 없이 바로 파단 되는 것으로 보아 강한 취성을 갖고 있는 것으로 보인다.
반면 시편 #2는 전형적인 다공체 변형 특성인 plateau 구간이 나타나며, 이 구간에서는 다공체의 균열 및 붕 괴 과정에서 응력 fluctuation이 관찰된다. <Fig. 8>은 3개의 타이타늄 다공체의 압축강도 측정치를 나타낸 그래프이다. 시편 #1, #3이 시편 #2보다 높은 압축강 도를 나타내었다.
<Fig. 9>는 압축시험 후의 파단된 시편의 이미지이다.
<Fig. 9>의 (a)는 시편 1번, (b)는 시편 2번의 이미지이다.
Fig. 11 EDS analysis showing main elements of porous titanium(#1)
시편 1번의 경우 다공체가 여러 조각으로 부서지면서 취성 파단 되었다. 반면 plateau 구간이 나타난 시편 2 의 경우 변형의 흔적이 관찰되고 응력방향으로 시편 하단까지 균일이 전파되어 파단 된 양상을 나타낸다.
시편 #1, #3은 변형의 흔적 없이 다공체가 잘게 부서 지면서 취성파단 되어 파단면의 미세조직을 관찰하 기 불가능하였다. 다공체 내부에서 균열이 어느 부분 에서 발생하여 전파되었는지 확인하고자 변형이 관 찰된 시편 #2의 파단면을 관찰하여 <Fig. 10>에 나타 내었다. 다공체의 여러 영역의 미세조직 이미지를 확 대하여 관찰한 결과 모든 영역의 기공 벽에서 균열이 관찰되었다. 표면에 노출된 기공 벽(strut)에서부터 깨 지면서 내부의 약한 기공 벽을 따라 응력방향으로 균 열이 전파된 것으로 생각된다.
<Fig. 11>은 취성파괴를 보인 1번 시편(<Fig. 9 (a)>
시편)의 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 화학성 분 분석 결과를 나타낸 것이다. 86.6%의 타이타늄과 약 7.9%의 산소, 5.5%의 니켈이 검출되었다. 산소 함
유량이 높을수록 타이타늄 다공체는 높은 취성을 갖 게 된다. 산소가 포함되지 않은 원소재 TiH
2분말을 이용하여 다공체를 제작하였지만 다공체 제작 과정 중에서 볼밀, 탈지, 소결 등의 여러 공정을 거치면서 산소가 혼입되었을 것으로 추정된다. 특히 바인더로 사용한 고분자에서 산소기가 있기 때문에 고온 소결 공정에서 반응이 일어났을 가능성이 있다. 따라서 취 성이 없는 정상적인 다공체를 제조하기 위해서는 산 소가 혼입되는 공정을 개선하여야 제조 불량을 줄 일 수 있을 것으로 보인다.
4. 결 론
사람의 치조골과 유사한 기공률을 갖는 타이타늄 다공체를 space holder법을 이용하여 제조하였으며, 3 점 굽힘 시험 및 압축시험을 통해 다공체 파괴 특성 분석하였다. 타이타늄 다공체의 3점 굽힘 변형 거동 은 다공체 금속에서 발생되는 전형적 3단계(linear elasticity-plateau-densification)의 거동을 보였다. 그러 나 제조 공정 재현성이 낮아 내부 기공 분포가 불균일 했으며 이에 따라 plateau 구간의 길이와 압축강도에 큰 편차를 발생시켰다. 3개의 동일 조성 시편에 대한 압축시험 결과, 2개의 시편은 소성변형구간 없이 바 로 취성파괴가 일어났으며, 다른 1개는 변형 후 균열 전파에 의해 파괴가 일어났다. 변형 후 파괴된 다공체 시험편의 파단면 관찰 결과, 기공 벽(strut)에서 균열 이 발생하여 기공의 벽을 따라 내부로 균열이 전파되 면서 시편의 파단이 발생한 것을 확인하였다. 취성 파 괴를 보인 시편의 화학 성분 분석 결과 산소의 함량이 매우 높게 나타났으며 이는 유기 바인더를 사용하는 공정 중의 산소 혼입에 의한 결과로 추정된다. 다공체 제조 공정 재현성을 확보하고 품질불량(취성)을 줄이 기 위해서는 공정 중 산소 혼입을 억제하는 것이 중요 한 요소로 판단된다.
References
