KR100845156B1 - 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사및 그 제조방법 - Google Patents

타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 치과용 임플란트 시술 후 지대주 나사의 박리 및 풀림을 억제하여 사용연한을 연장하는 한편 공정의 재현성을 높여 양산에 적용가능한 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금(Au)이 피복된 지대주 나사 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사에 금을 물리적으로 증착하여 제 1금속층을 형성하는 제 1단계와; 제 1단계가 완료되면, 열처리하여 상기 제 1금속층의 접착력을 향상시키는 제 2단계와; 제 2단계가 완료되면, 열처리된 제 1금속층에 금을 전기도금하여 기 설계두께로 제 2금속층을 형성하는 제 3단계 및; 제 3단계가 완료되면, 열처리하여 지대주 상에 금 피복층을 완성시키는 제 4단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 구성에 따르면, 물리적 증착방법에 의해 제 1금속층을 형성하고 전기도금법에 의해 제 2금속층을 형성하여, 각 단계별로 열처리함으로써 도금층의 접합강도를 높여 나사 풀림을 억제하는 한편 공정의 재현성을 높일 수 있어 양산에 적용가능하다는 효과가 있다.
임플란트, 타이타늄 지대주 나사, 물리적 증착, 전기도금법, 공정 재현성

Description

타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사 및 그 제조방법{Abutment screw}
도 1은 일반적인 임플란트의 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 지주대 나사 제조 공정도,
도 3은 본 발명에 따른 지주대 나사 도금층 단면도,
도 4는 종래기술에 의한 지주대 나사 도금층 단면도,
도 5는 종래기술에 의한 실제 층간 박리 현상을 보인 참고도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 고정나사(fixture)
2 : 지대주(abutment)
3 : 지대주 나사(abutment screw)
4 : 인공치아
본 발명은 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금(Au)이 피복된 지대주 나 사(abutment screw) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 치과용 임플란트 시술 후 지대주 나사의 박리 및 풀림을 억제하여 사용연한을 연장하는 한편 공정의 재현성을 높여 양산에 적용가능한 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금(Au)이 피복된 지대주 나사 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 치과에서 시술되고 있는 임플란트는 구강 내에서 부분적으로 또는 전체적으로 치아가 상실된 부위에 치아의 뿌리 형태를 갖는 금속을 뼈와 유착하게 한 다음 치아를 형성하는 것을 말한다.
이러한 임플란트는 도 1에 도시한 바와 같이, 환자의 치근에 식재되는 고정나사(fixture;1), 인공치아를 고정하는 지대주(abutment;2), 고정나사(1)와 지대주(2)를 체결하는 지대주 나사(abutment screw;3)로 이루어진다. 미설명부호 4는 인공치아이다.
이러한 구조의 임플란트를 환자에 이식하는 과정을 설명하면, 환자의 시술 부위에 임플란트 식재 대상 부분을 국소마취한 뒤, 고정나사가 삽입되어질 치근을 드릴로 뚫고 식립한다. 고정나사의 식립이 완료되면 일정한 상처치유기간을 거친 후 지대주에 인공치아를 형성한 보철물을 고정나사의 육각 홈에 일치하도록 올리고, 지대주 나사로 고정나사와 지대주를 체결하는 과정을 거친다.
이 지대주 나사(abutment screw)의 강력한 고정력을 갖추고, 풀림을 방지하기 위하여 고정나사에 대해 토크렌치로 약 30~32N·㎝ 정도의 외력이 가해진다. 이러한 구조에서의 지대주 나사는 장기간 사용에 따른 풀림을 방지할 수 있는 조건이 갖추어진다.
지대주 나사의 경우, 주요 소재로 사용되는 타이타늄 또는 타이타늄 합금은 그 표면에 안정된 산화티탄의 산화막을 형성하고 있어, 전기도금을 적용할 경우 도금층과 소재 금속 간에 산화피막이 형성되어 있어서 완료된 후에는 쉽게 박리되거나 균일한 도금피막을 제조하기가 어려울 뿐만 아니라 불균일한 조건으로 인하여 피막의 색상에도 영향을 줄 수 있는 문제점이 있다.
예컨대, 금을 지대주 나사의 표면에 도금하는 기술로 일본국 공개특허공보 소62-247095(1987.10.28)호에는 타이타늄 및 타이타늄 합금의 금 도금액의 성분으로서 염화불소(HF)를 사용하는 방법이 개시되어 있다.
그런데 상기 종래 기술은 지대주 나사가 인체에 사용되는 점을 감안할 때 도금과정에서 인체에 매우 유해한 염화불소가 도금층에 혼입될 가능성이 있다는 문제점이 있었다.
또한, 본 발명자가 상기 도금액을 사용하여 도금을 해본 결과 도금 공정이 어렵고 도금액의 조성이 조금만 변하거나 조건이 약간 달라져도 도금이 균일하지 않아 공정 재현성을 확보하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 치과용 임플란트 시술 후 지대주 나사의 박리 및 풀림을 억제하여 사용연한을 연장하는 한편 공정의 재현성을 높여 양산에 적용가능한 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금(Au)이 피복된 지대주 나사 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사에 금을 물리적으로 증착하여 제 1금속층을 형성하는 제 1단계와; 제 1단계가 완료되면, 열처리하여 제 1금속층의 접착력을 향상시키는 제 2단계와; 제 2단계가 완료되면, 열처리된 제 1금속층에 금을 전기도금하여 기 설계두께로 제 2금속층을 형성하는 제 3단계 및; 제 3단계가 완료되면, 열처리하여 지대주 상에 금 피복층을 완성시키는 제 4단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1단계는 지대주 나사의 표면 불순물을 제거하고, 아르곤 분위기의 진공도 5㎜torr, 온도 250℃, 바이어스(bias) 200W의 조건에서 450W의 출력을 가하여 5분 이내에 스퍼터를 실시하여 100~150㎚ 두께의 금을 증착하고, 제 2단계는 제 1단계의 증착과정에서 발생할 수 있는 잔류응력을 해소하고, 타이타늄 합금과의 접착력을 개선하기 위하여 진공도 10-3Torr, 온도 300~360℃에서 2~8시간 동안 실시하고, 제 3단계는 시안화금칼륨[KAu(CN)2]의 10 내지 15g/ℓ, 시안화칼륨의 0.2 내지 0.7g/ℓ, 구연산의 3 내지 7g/ℓ로 구성된 도금욕에서 산도(pH) 4 내지 5, 온도 60 내지 65℃를 유지하여 0.1 내지 0.2dm/㎠의 전류밀도로 기 설정된 시간 동안 실시하고, 제 4단계는 200~300℃의 온도가 유지되고 불활성 분위기 또는 진공분위기 하에서 2~3시간 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.
그리고 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사에 금을 물리적으로 증착한 다음 열처리하여 제 1금속층을 형성하고, 제1 금속층에 금을 전기도금법으로 기 설정된 두께로 피복한 다음 열처리하여 제 2금속층을 형성시킨 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사 및 그 제조방법의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 금 피복된 지대주의 제조 방법은 도 2에 도시한 바와 같이, 타이타늄 또는 타이타늄 합금으로 이루어진 지대주 나사에, 금을 물리적으로 증착하는 제 1금속층 형성단계(S1); 제 1금속층을 열처리하는 단계(S2); 제 1금속층 위에 금을 전기도금하는 제 2금속층 형성단계(S3); 그리고 제 2금속층을 열처리하는 단계(S4)를 포함하고 있다.
즉, 건식과 습식 도금법에 의해 금 도금층을 형성함을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 1금속층의 형성은 대표적으로 사용되고 있는 타이타늄 합금(Ti-6Al-4V)에 물리적 증착에 의한 방법으로서, 좀 더 상세하게는 스퍼터링(sputtering)법으로서 형성한다.
이 방법은 초기 진공도는 10-5torr, 온도 약 250~300℃를 유지하고, 지대주 나사의 표면 불순물을 제거하기 위하여 이온세정(ionbombardment)을 고순도 아르곤(Ar)의 가스를 사용하여, 압력은 30sccm, 진공도는 20㎜torr에서 바이어스(bias) 900W를 가하고 약 30분 이상 실시한다.
이 과정에서 초기에 산화티탄으로 형성되었던 산화피막과 표면 불순물을 제거한다.
제 1금속층은 아르곤 분위기의 진공도 5㎜torr, 온도 250℃, 바이어스(bias) 200W의 조건에서 450W의 출력을 가하여 약 5분 이내에 스퍼터를 실시한다. 이와 같이 형성된 제 1금속층이 약 100~150㎚의 두께를 갖도록 한다(S1).
제 2단계(S2)인 열처리 단계는 상기와 같이 형성된 제 1도금층이 증착과정에서 발생될 수 있는 잔류응력을 해소하고, 타이타늄 합금과의 접착력을 개선하기 위한 단계로서, 진공도 10-3Torr, 온도 300~360℃에서 2~8시간 동안 유지한다.
좀 더 바람직하게는 온도 320℃에서 6시간 동안 열처리하는 방법이다. 이러한 과정을 거치게 되면 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사와 금 도금층 간의 접착력이 향상된다.
제 3단계(S3)인 전기도금은 제 1금속층에 제 2금속층을 기 설계 두께로 형성하는 단계이다. 전기도금은 양극에 불용성 금속인 스테인레스, 백금망 또는 백금이 코팅되어진 타이타늄을 사용하고 음극에는 제 1금속층이 형성된 지대주 나사를 적용하여 도금을 실시한다.
도금욕은 시안화금칼륨[KAu(CN)2], 시안화칼륨, 및 구연산으로 구성되며, 이에 대한 각각의 성분비는 10 내지 15g/ℓ, 0.2 내지 0.7g/ℓ, 3 내지 7g/ℓ으로 적용하는 것이 바람직하다.
또한 도금시 석출속도를 조절하고 자기분해 방지를 위하여 산도(pH)를 4 내지 5로 유지한다. 그리고 이때의 온도는 60 내지 65℃로 유지한다. 도금 시 전류밀도는 0.1 내지 0.2dm/㎠로 하게 되면, 시간에 따라 수 마이크로(㎛)의 두께까지 가능하다. 일반적으로 석출되는 두께는 전류밀도와 단면적을 조절하여 시간당 5 내지 10㎛까지 가능하다.
그리고 마지막 제4단계(S4)인 후처리는 금(Au) 전기도금에 의해 형성된 지대주 나사를 약 200~300℃의 온도가 유지되고 있는 불활성 분위기 또는 진공분위기 하에서 약 2~3시간 동안 열처리를 실시한다.
더욱 바람직하게는 약 200℃의 불활성 분위기에서 열처리를 2시간 동안 실시하는 것이 양호한 금 피막을 얻을 수 있다.
상기와 같은 방법으로 적용한 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사와 종래의 전해도금법에 의해 코팅한 조직 구조를 관찰한 사진이 도 3 및 4에 개시되어 있다.
도 3은 본 발명에 의한 제조방법에 따라 타이타늄 또는 타이타늄 합금으로 이루어진 지대주 나사에 금을 도금처리한 결과를 보여주고, 도 4는 종래의 도금방법으로 타이타늄 합금에 직접 금 도금을 실시한 결과를 보여주고 있다.
도 3과 4에서 비교한 바와 같이 본 발명에 의해 형성된 금(Au) 금속층과 지대주 나사 사이의 계면이 잘 융합되어 높은 결합력을 갖게 되어 있다. 반면에 종래의 기술로 이루어진 방법으로는 적층한 금(Au)가 구조적으로 계면에서의 융합구조가 없어 층간 박리가 쉽게 일어날 수 있음을 예측할 수 있다.
첨부도면 5는 종래의 도금방법에 의한 실제 층간 박리 현상을 보인 참고도이다.
또한, 접합강도를 비교한 결과 종래 기술로 이루어진 조건에서는 약 10N/㎠에서 쉽게 박리가 이루어지는 반면에 본 발명에 의한 기술로 이루어진 조건에서는 약 40N/㎠까지 견딜 수 있다.
이러한 결과는 종래 기술에 비해 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금의 접착성이 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 지대주 나사의 제조방법은 종래의 금 합금에 금을 도금하는 방법을 개선할 수 있으며, 대용량의 생산이 용이한 장점을 제공하고, 기존 금 또는 금합금으로 이루어진 지주대 나사의 대체가 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사는 전술한 제 1단계 내지 제 4단계에 의해, 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사에 금을 물리적으로 증착한 다음 열처리하여 제 1금속층을 형성하고, 상기 제1 금속층에 금을 전기도금법으로 기 설정된 두께로 피복한 다음 열처리하여 제 2금속층을 형성한 것을 특징으로 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 물리적 증착방법에 의해 제 1금속층을 형성하고 전기도금법에 의해 제 2금속층을 형성하여, 각 단계별로 열처리함으로써 도금층의 접합강도를 높여 나사 풀림을 억제하는 한편 공정의 재현성을 높일 수 있어 양산에 적용 가능하다는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사에 금을 물리적으로 증착하여 제 1금속층을 형성하는 제 1단계와;
    상기 제 1단계가 완료되면, 열처리하여 상기 제 1금속층의 접착력을 향상시키는 제 2단계와;
    상기 제 2단계가 완료되면, 열처리된 제 1금속층에 금을 전기도금하여 기 설계두께로 제 2금속층을 형성하는 제 3단계 및;
    제 3단계가 완료되면, 열처리하여 상기 지대주 상에 금 피복층을 완성시키는 제 4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1단계는 상기 지대주 나사의 표면 불순물을 제거하고, 아르곤 분위기의 진공도 5㎜torr, 온도 250℃, 바이어스(bias) 200W의 조건에서 450W의 출력을 가하여 5분 이내에 스퍼터를 실시하여 100~150㎚ 두께의 금을 증착하고,
    상기 제 2단계는 상기 제 1단계의 증착과정에서 발생할 수 있는 잔류응력을 해소하고, 타이타늄 합금과의 접착력을 개선하기 위하여 진공도 10-3Torr, 온도 300~360℃에서 2~8시간 동안 실시하고,
    상기 제 3단계는 시안화금칼륨[KAu(CN)2]의 10 내지 15g/ℓ, 시안화칼륨의 0.2 내지 0.7g/ℓ, 구연산의 3 내지 7g/ℓ로 구성된 도금욕에서 산도(pH) 4 내지 5, 온도 60 내지 65℃를 유지하여 0.1 내지 0.2dm/㎠의 전류밀도로 기 설정된 시간 동안 실시하고,
    상기 제 4단계는 200~300℃의 온도가 유지되고 불활성 분위기 또는 진공분위기 하에서 2~3시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사 제조방법.
  3. 타이타늄 또는 타이타늄 합금의 지대주 나사에 금을 물리적으로 증착한 다음 열처리하여 제 1금속층을 형성하고, 상기 제1 금속층에 금을 전기도금법으로 기 설정된 두께로 피복한 다음 열처리하여 제 2금속층을 형성한 것을 특징으로 하는 타이타늄 또는 타이타늄 합금에 금이 피복된 지대주 나사.
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