KR100808801B1

KR100808801B1 - 세라믹 의치를 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR100808801B1
Application number: KR1020060017111A
Authority: KR
Inventors: 이춘희; 이재우
Original assignee: (주)덴타임
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2008-02-29
Also published as: KR20070084839A

Abstract

본 발명은, 세라믹으로 된 의치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

종래에는, 의치용의 세라믹 재료의 제조 비용 중에서, 절삭 공구의 비용이 가장 높으며, 공구 마모, 절삭면의 표면 거칠기 및 수축률을 고려한 가장 적절한 예비 소결 온도가 아직 규명되지 않아서, 적절하지 않은 온도에서 예비 소결이 행해지고 있어서, 세라믹 의치의 제조업체에서는 제조 경비가 높아지는 문제가 있었다. 또한, 세라믹 의치를 가공하기 위한 절삭공구로는 볼엔드밀 공구가 사용되고 있는데, 볼엔드밀 공구의 형상 및 재종은 세라믹 의치 절삭시의 공구 마멸 및 공구 수명에 큰 영향을 미친다. 볼엔드밀의 형상 및 재질이 피삭재인 예비소결체의 성질과 맞지 않는 경우에는, 공구 수명이 현저히 짧아지는 문제가 있었다.

이를 위하여 본 발명은, a) ZrO₂가 98％ 이상인 지르코니아(산화지르코늄) 세라믹을 100～200MPa 범위의 압력으로 프레스에서 성형을 행한 후에, 540℃～570℃ 범위의 온도에서 예비 소결을 행하여 예비소결체를 얻고, b) 볼엔드밀의 재종은 초경공구 K10으로 하며, K10 초경 합금의 모재에 제 1층은 TiN 코팅으로 되어 있으며, 표면층인 제 2층은 Ti와 AℓN의 복합 질화물층으로 이루어지며 당해 복합 질화물층은 주사전자현미경에 의한 조직관찰에서 질화 알루미늄상이 20～30 면적％ 범위의 비율로 분산 분포된 조직을 가지며, 볼엔드밀의 직경이 0.8～4㎜ 범위, 경사각이 -2～-4도 범위, 여유각이 9～11도 범위로 된 볼엔드밀을 사용하여 상기의 예비소결체를 절삭하며, c) 절삭속도는 16000～ 18000rpm 범위, 이송은 700～800㎜/min 범위, 절삭깊이는 0.5～1.0㎜ 범위로 하여 상기의 예비소결체를 절삭하는 것을 특징으로 하는 세라믹 의치의 제조 방법을 제공한다.

지르코니아 세라믹 의치를 제조함에 있어서, 본 발명의 예비소결온도 조건과 볼엔드밀의 조건을 적용하는 경우에, 완전 소결후의 표면거칠기와 완전 소결시의 수축률의 관점에서 문제가 없고, 예비소결체 절삭시의 공구수명은 3배 이상 향상된다.

의치, 세라믹, 지르코니아, 예비소결온도, 볼엔드밀, 공구수명

Description

세라믹 의치를 제조하기 위한 방법{Method for producing a ceramic dental prosthesis}

도 1은 볼엔드밀의 마모면에 생성된 마모 억제층을 나타내는 볼엔드밀의 마멸면을 나타내는 전자현미경 사진.

도 2는 볼엔드밀의 마모면에 생성된 마모 억제층의 Zr 성분 분석 결과를 나타내는 면분석 사진.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 볼엔드밀의 마모부 2 : 마모 억제층

3 : 볼엔드밀의 마모되지 않은 면

의치에 사용되는 재료로는 금속과 세라믹 재료가 알려져 있다. 높은 정밀도의 복잡한 형태를 가진 의치를 제조하기 위해서는, 주로 금속이 사용된다. 의치에 이용되는 금속으로는 티탄 합금(TiAℓ6N, TiAℓ6Nb)가 알려져 있으며, 당해 티탄 합금은 다른 치과 보정학에서 잘 알려져 있는 금속과는 달리, 구강 내에서 생기는 구강 내액의 pH 값의 변동에 대하여 저항력을 가진다. 티탄 및 그 합금은 잘 알려진 금속가공법으로 극히 용이하게 가공할 수 있으므로, 용이하게 복잡한 형태의 의치를 극히 높은 정밀도로 제조할 수가 있다. 그러나 티탄 및 티탄 합금으로 된 의치의 결점은, 그 강도가 만족되지 못하는 경우가 많다는 것이다. 또 하나의 결점은 금속 의치는 미적 이유로부터 금속 고유의 색깔을 감추고 자연 치아와 같은 색깔을 나타내기 위하여 피막 처리를 하여야 한다는 점이다.

의치로서 세라믹 재료가 사용되는 경우에 강도가 우수하고, 금속 의치에 필수불가결한 색깔 맞추기가 필요 없음에도 불구하고, 가격이 금속 의치에 비하여 현저히 높기 때문에 치과 환자가 사용하기 어려운 문제가 있었다.

세라믹 의치는, 그 특정의 목적을 만족시키기 위하여 형상 및 치수가 정확하게 가공되어야 한다. 형상 및 치수를 정확하게 제조하는 것은, 세라믹 의치에서는 의치가 다공성의 비교적 연질 상태에서 가공되는 경우에만 가능하다. 이 상태에서는 금속 의치의 허용차에 필적하는 허용차를 달성할 수가 있다. 그러나, 다공성 상태의 세라믹 의치는 강도가 및 내마모성이 낮아서 사용이 곤란하다.

또한, 세라믹 재료의 고밀도 소결 후에는 경도가 높으므로 다이아몬드 공구 이외에는 절삭 가공이 불가능한데, 다이아몬드 공구는 가격이 높을 뿐만 아니라 다이아몬드 공구라 하더라도 마모가 심하게 되어, 절삭 도중의 다이아몬드 공구의 마모에 따라서 형상 및 치수 정밀도가 나빠지게 된다.

따라서 다이아몬드 공구에 비하여 저렴한 절삭 공구를 사용하여 가공할 수 있도록 하기 위해서는, 완전 소결온도보다 낮은 온도에서 예비 소결한 상태에서 절 삭가공을 행하고, 그 후에 완전 소결을 행하는 방식을 취하여야 한다. 그러나 예비소결후에 예비소결체의 절삭가공에 의하여 적절한 요구 형상 및 치수로 가공하더라도 완전 소결시에 수축이 발생하며, 또한 의치는 단순한 형상이 아니라 복잡한 3차원의 형상을 가지고 있기 때문에 그 수축률이 각 지점에서 다르게 나타나므로 요구되는 의치의 형상 및 치수를 맞출 수 없는 문제가 발생한다.

따라서 완전 소결시의 수축률을 최소화하기 위해서는 예비 소결 온도를 가급적 높게 할 필요가 있으나, 예비 소결 온도가 높은 경우에는 경도가 필연적으로 높아지게 되어서 일반적으로 공구의 마모가 증대하는 문제가 있다. 앞서 설명하였듯이 공구의 마모가 빠르다는 것은 2가지 중요한 의미를 가진다. 그 하나는 공구의 수명이 짧아져서 가공 비용이 높아진다는 것과, 또 다른 하나는 의치는 3치원적인 복잡한 형상을 가지기 때문에 CNC 가공을 하여야 하는데, CNC 프로그램에 의하여 가공되는 중에 절삭 공구가 마멸되어 정확한 CNC 프로그램에 의하여 절삭 가공하더라도 절삭 공구에 마멸에 따라서 그 만큼 형상 및 치수가 달라지는 문제가 있다.

또한, 취성 재료의 절삭은, 일반적인 금속 재료의 절삭과는 달리 취성 파괴에 의한 절삭 기구에 의하여 절삭이 행해지므로, 예비 소결 온도가 높을수록 즉 경도가 높을수록 반드시 공구마멸이 빨라지지는 않으며, 또한 예비 소결 온도가 낮을수록 즉 경도가 낮을수록 반드시 공구마멸이 길어지지는 않는다. 세라믹 재료도 취성 재료이므로 상기와 같은 공구 마멸 특성을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.

한편 완전 소결된 세라믹 재료의 표면거칠기는, 예비 소결온도가 낮은 예비 소결체를 절삭할수록 완전 소결후의 표면 거칠기 값이 낮아지는 경향이 있다. 달리 말하자면 예비 소결온도가 높은 예비 소결체를 절삭할수록 완전 소결후의 표면 거칠기 값이 커질 수가 있다.

지르코니아(산화 지르코늄) 세라믹은, 다른 세라믹 재료에 비하여 강도에 비해 인성이 높으며, 인체의 구강 내에서 안정성이 높고, 천연이(천연치)의 색깔에 가깝게 할 수 가 있으므로, 최근 세라믹 의치의 재료로 많이 사용되게 되었다.

지르코니아 세라믹 의치의 제조 비용 중에서, 절삭 공구의 비용이 가장 높으며, 공구 마모, 절삭면의 표면 거칠기 및 수축률을 고려한 가장 적절한 예비 소결 온도가 아직 규명되지 않아서, 적절하지 않은 온도에서 예비 소결가 행해지고 있어서, 세라믹 의치의 제조업체에서는 제조 경비가 높아지는 문제가 있었다.

또한, 지르코니아 세라믹 의치를 가공하기 위한 절삭공구로는 볼엔드밀 공구가 사용되고 있는데, 볼엔드밀 공구의 형상 및 재종은 세라믹 절삭시의 공구 마멸 및 공구 수명에 큰 영향을 미친다. 볼엔드밀의 형상 및 재질이 피삭재인 예비소결체의 성질과 맞지 않는 경우에는, 공구 수명이 현저히 짧아지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지르코니아 세라믹 의치를 제조함에 있어서, 완전 소결후의 표면거칠기와 완전 소결시의 수축률의 관점에서 문제가 없고, 공구수명의 관점에서는 최적인 예비소결온도와 최적의 볼엔드밀 조건을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 있어서, 세라믹으로는 ZrO₂가 98％ 이상인 지르코니아 세라믹을 사용한다.

본 발명자들은 세라믹 의치의 최적인 제조 조건을 도출하기 위하여 많은 실험을 행한 결과, 세라믹 의치를 제조함에 있어서, a) ZrO₂가 98％ 이상인 지르코니아 세라믹을 100～200MPa 범위의 압력으로 프레스에서 성형을 행한 후에, 540℃～570℃ 범위의 온도에서 예비 소결을 행하여 예비소결체를 얻고, b) 볼엔드밀의 재종은 초경공구 K10으로 하며, K10 초경 합금의 모재에 제 1층은 TiN 코팅으로 되어 있으며, 표면층인 제 2층은 Ti와 AℓN의 복합 질화물층으로 이루어지며 당해 복합 질화물층은 주사전자현미경에 의한 조직관찰에서 질화 알루미늄상이 20～30 면적％ 범위의 비율로 분산 분포된 조직을 가지며, 볼엔드밀의 직경이 0.8～4㎜ 범위, 경사각이 -2～-4도 범위, 여유각이 9～11도 범위로 된 볼엔드밀을 사용하여 상기의 예비소결체를 절삭하며, c) 절삭속도는 16000～18000rpm 범위, 이송은 700～800㎜/min 범위, 절삭깊이는 0.5～1.0㎜ 범위로 하는 경우에, 볼엔드밀의 마모면에 공구의 마모를 억제하는 마모 억제층이 생성됨을 확인하였다.

따라서 본 발명에서는 a) ZrO₂가 98％ 이상인 지르코니아 세라믹을 100～200MPa 범위의 압력으로 프레스에서 성형을 행한 후에, 540℃～570℃ 범위의 온도에서 예비 소결을 행하여 예비소결체를 얻고, b) 볼엔드밀의 재종은 초경공구 K10으로 하며, K10 초경 합금의 모재에 제 1층은 TiN 코팅으로 되어 있으며, 표면층인 제 2층은 Ti와 AℓN의 복합 질화물층으로 이루어지며 당해 복합 질화물층은 주사전자현미경에 의한 조직관찰에서 질화 알루미늄상이 20～30 면적％ 범위의 비율로 분산 분포된 조직을 가지며, 볼엔드밀의 직경이 0.8～4㎜ 범위, 경사각이 -2～-4도 범위, 여유각이 9～11도 범위로 된 볼엔드밀을 사용하여 상기의 예비소결체를 절삭하며, c) 절삭속도는 16000～18000rpm 범위, 이송은 700～800㎜/min 범위, 절삭깊이는 0.5～1.0㎜ 범위로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 예비 소결 온도를 540℃～570℃ 범위로 한 것은, 539℃ 이하의 온도와 571℃ 이상의 온도에서 예비 소결을 행한 예비 소결체를 절삭한 경우에는 볼엔드밀(1)의 마모면에 마모를 억제하는 마모 억제층(2)이 생성되지 않기 때문이다.

본 발명에서 절삭에 사용되는 볼엔드밀의 재종은 초경공구 K10으로 하며, K10 초경 합금의 모재에 제 1층은 TiN 코팅으로 되어 있으며, 표면층인 제 2층은 Ti와 Al의 복합 질화물층으로 이루어지며 이 복합 질화물층은 주사전자현미경에 의한 조직관찰에서 20～30 면적％ 범위의 비율로 분산 분포된 조직을 가지는 것으로 구성되며, 볼엔드밀의 경사각이 -2～-4도 범위, 여유각이 9～11도 범위로 된 볼엔드밀을 사용하는 것은, 이러한 조건에서만 볼엔드밀의 마모면에 마모를 억제하는 마모 억제층이 용이하게 생성되기 때문이다.

또한, 절삭속도는 16000～18000rpm 범위, 이송은 700～800㎜/min 범위, 절삭 깊이는 0.5～1.0㎜ 범위로 한 것은, 이러한 조건에서만 볼엔드밀의 마모부(1)에 형성된 마모면에 마모를 억제하는 마모 억제층(2)이 용이하게 생성되기 때문이다.

[실시예]

표 1내지 표 4의 실시예 1은 a) ZrO₂가 98％ 이상인 지르코니아 세라믹을 150MPa의 압력으로 프레스에서 성형을 행한 후에, 560℃의 온도에서 예비 소결을 행하여 예비소결체를 얻고, b) 볼엔드밀의 재종은 초경공구 K10으로 하며, K10 초경 합금의 모재에 제 1층은 TiN 코팅으로 되어 있으며, 표면층인 제 2층은 Ti와 AℓN의 복합 질화물층으로 이루어지며 당해 복합 질화물층은 주사전자현미경에 의한 조직관찰에서 질화 알루미늄상이 25 면적％의 비율로 분산 분포된 조직을 가지며, 볼엔드밀의 직경이 3㎜, 경사각이 -3도, 여유각이 10도로 된 볼엔드밀을 사용하여 상기의 예비소결체를 절삭하며, c) 절삭속도는 17000rpm, 이송은 750㎜/min, 절삭깊이는 0.8㎜로 하여 절삭 실험을 행한 것이다.

표 1의 비교예 2내지 비교예 5는 예비소결온도를 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이다.

표 2의 비교예 6내지 비교예 7은 표면층 코팅부의 질화알루미늄상의 면적율을 달리한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이다. 비교예 8은 제 1층 코팅을 TiCN으로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이며, 비교예 9내지 비교예 10은 공구재종을 달리한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이다. 비교예 11은 제 1층 코팅 및 표면층 코팅을 달리한 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이고, 비교예 12내지 비교예 13은 제 1층 코팅만을 실시한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이며, 비교예 14는 공구재종을 달리하고 제 1층 코팅만을 실시한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이며, 비교예 15는 코팅을 전혀 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이며, 비교예 16은 공구의 재종을 달리하고 코팅을 전혀 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이다.

표 3의 비교예 17내지 비교예 21은 볼엔드밀의 경사각 또는 여유각을 달리한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이다.

표 4의 비교예 22내지 비교예 26은 볼엔드밀로 상기의 예비소결체를 절삭할 때에, 절삭속도, 이송 또는 절삭깊이를 달리한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 조건이다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

상기의 표 1내지 표 4에서 보이는 바와 같이, 본 특허에서의 제조 방법의 범위 안에 있는 실시예 1의 경우는 도 1에서 보이는 바와 같은 볼엔드밀의 마모부(1)에 형성된 마모면에 마모를 억제하는 마모 억제층(2)이 생성되었으나, 비교예 2내지 비교예 26에서는 볼엔드밀의 마모면에 마모를 억제하는 마모 억제층이 생성되지 않았다. 물론 볼엔드밀의 마모되지 않은 면(3)에는 마모 억제층이 생성되어 있지 않다. 도 2는 볼엔드밀의 마모면에 생성된 마모 억제층(2)의 Zr 성분 분석을 행한 것이다. 흰색의 점은 그 지점에 Zr 성분이 많이 있음을 나타내고 있다.

표 5에는 볼엔드밀의 마모면에 마모 억제층(2)이 생성된 경우와 생성되지 않은 경우의 평균 공구수명 시간을 보인다. 볼엔드밀의 마모부(1)에 형성된 마모면에 이러한 마모 억제층(2)이 생성된 경우는 마모 억제층이 생성되지 않은 경우에 비하여, 공구 수명이 3배 길어지는 효과가 있다. 볼엔드밀의 초기 성분에는 Zr 성분이 없으므로, 피삭재인 지르코니아 세라믹의 Zr 성분이 볼엔드밀에 부착되었으며, 이러한 Zr 성분이 다른 원소와 반응하여 강력한 마모 억제층을 형성한 것으로 판단된 다. 물론 볼엔드밀의 마모되지 않은 면(3)에는 Zr 성분이 나타나 있지 않다.

[표 5]

Claims

세라믹 의치를 제조함에 있어서, a) ZrO₂가 98％ 이상인 지르코니아 세라믹을 100～200MPa 범위의 압력으로 프레스에서 성형을 행한 후에, 540℃～570℃ 범위의 온도에서 예비 소결을 행하여 예비소결체를 얻고, b) 볼엔드밀의 재종은 초경공구 K10으로 하며, K10 초경 합금의 모재에 제 1층은 TiN 코팅으로 되어 있으며, 표면층인 제 2층은 Ti와 AℓN의 복합 질화물층으로 이루어지며 당해 복합 질화물층은 주사전자현미경에 의한 조직관찰에서 질화 알루미늄상이 20～30 면적％ 범위의 비율로 분산 분포된 조직을 가지며, 볼엔드밀의 직경이 0.8～4㎜ 범위, 경사각이 -2～-4도 범위, 여유각이 9～11도 범위로 된 볼엔드밀을 사용하여 상기의 예비소결체를 절삭하며, c) 절삭속도는 16000～18000rpm 범위, 이송은 700～800㎜/min 범위, 절삭깊이는 0.5～1.0㎜ 범위로 하여 상기의 예비소결체를 절삭하는 것을 특징으로 하는 세라믹 의치의 제조 방법.