KR101028889B1 - 의료용 드릴 및 이의 제조방법 - Google Patents

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백승호
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Abstract

특히 임플란트의 식립을 위해 식립각도의 조절이 용이한 의료용 드릴 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴은 몸체부, 상기 몸체부의 일측에 상기 몸체부와 일체로 형성된 날부, 그리고 상기 날부상에 형성되며 적어도 하나 이상의 측방향 날을 제공하는 측면날부를 포함하고, 상기 날부 및 측면날부는 분말을 포함하는 피드스탁을 이용하여 일체로 사출 형성된다. 이와 같은 구성에 의하면, 린데만 드릴과 같이 측면에도 날부가 형성되며 한번의 공정만을 사용하여 측면에 날부가 형성된 의료용 드릴이 제조된다. 따라서, 제조비용이 절감되고 대량생산이 용이해진다.

Description

의료용 드릴 및 이의 제조방법{MEDICAL DRILL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
의료용 드릴 및 이의 제조방법이 개시된다. 보다 자세하게는 특히 임플란트의 식립을 위해 식립각도의 조절이 용이한 의료용 드릴 및 이의 제조방법이 개시된다.
일반적으로 임플란트는 치조골에 식립되는 고정체(픽스츄어)와 의료용으로 사용할 경우 지대주가 추가되어 구성된다. 이때 이중 고정체가 식립되는 위치에 적정 크기와 각도로 드릴을 이용하여 치조골을 천공하게 된다. 이 경우, 치조골의 천공시 천공각도가 어긋나면 고정체의 최적의 위치 설정이 어렵고 조기에 천공각도가 수정되어야 하는데 기존의 드릴은 이러한 기능이 부족하여 측면에 삭제날을 가져 식립각도를 조정할 수 있는 린데만(Lindemann) 드릴을 널리 사용된다.
도 1은 일반적인 린데만 드릴을 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면, 일반적인 린데만 드릴(10)은 생크(shank)부(11)와 날부(12)로 이루어진다. 그리고 날부(12)에는 톱니형상의 측면날(13)이 더 형성되어 린데만 드릴(10)은 측방향의 날을 포함한다.
이러한 린데만 드릴(10)의 일반적인 제작공정은 날부(12)를 연삭공정을 통해 제작한 후 날부(12)의 측면에 추가적으로 톱니모양인 측면날(13)을 가공하는 공정을 거친다. 이때 측면날(13)의 깊이는 매우 낮으므로 정밀가공이 필요하고 따라서 가공시간이 늘어나고 가공비용이 높아지게 된다.
또한 이러한 린데만 드릴(10)의 경우 고정밀, 고난이도의 가공이 필요하기 때문에 초경합금 등 가공이 어려운 소재를 사용하기 어렵다. 따라서 가공이 상대적으로 용이한 스테인레스강 소재를 주로 사용한다. 하지만, 스테인레스강 소재는 경도가 낮아 쉽게 날부가 손상되어 삭제력이 떨어지게 된다. 이렇게 드릴의 날부가 손상되어 삭제력이 떨어지는 경우에는 치조골 천공 시 드릴의 사용시간이 늘어나게 된다. 이로 인해 치조골과 드릴 날부의 마찰에 인한 열발생이 많아지고 뼈조직을 손상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분말사출성형 공정을 통하여 측면에도 날부가 후가공 없이 일체로 형성될 수 있는 의료용 드릴 및 이의 제조방법이 개시된다.
또한, 스테인리스강보다 훨씬 경도가 높고 생체 적합성이 우수한 세라믹이나 초경소재를 이용하여 손쉽게 제조할 수 있는 의료용 드릴 및 이의 제조방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴은 몸체부, 상기 몸체부의 일측에 상기 몸체부와 일체로 형성된 날부, 그리고 상기 날부상에 형성되며 적어도 하나 이상의 측방향 날을 제공하는 측면날부를 포함하고, 상기 날부 및 측면날부는 분말을 포함하는 피드스탁을 이용하여 일체로 사출 형성된다.
일측에 따르면, 상기 측면날부의 날의 형성 방향은 상기 날부의 진행방향과 수직하도록 측방향을 향하는 것이 바람직하다.
일측에 따르면, 상기 측면날부는 상기 날부의 상기 몸체부와 연결된 일측에서부터 반대편 타측까지 연장 형성되고, 상기 측면날부의 날과 날 사이에는 상기 측면날부를 따라 연장되게 형성되며 상기 측면날부에 의해 절삭된 피절삭물을 배출할 수 있는 배출홈이 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 분말은 지르코니아를 포함하는 세라믹, 초경, 및 스테인리스강 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴의 제조방법은 분말을 포함하는 피드스탁을 형성하는 단계, 상기 피드스탁을 금형을 이용해 사출성형하여, 몸체부, 상기 몸체부의 일측에 형성된 날부, 및 상기 날부의 측면에 적어도 하나 이상의 측방향 날을 포함하는 측면날부가 일체로 형성되어 사출체를 형성하는 단계, 상기 사출체에서 바인더를 제거하는 탈지 단계, 상기 사출체를 소결하여 소결체를 얻는 단계, 그리고 상기 소결체의 물성 증대를 위하여 열간 등가압 성형(Hot Isostatic Pressing)을 하는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 금형은 상기 측면날부를 상기 날부와 일체로 사출성형한 후 취출이 용이하도록 적어도 2조각 이상으로 파팅되고, 상기 사출체의 표면에 상기 사출체의 길이방향으로 파팅된 금형 코아에 의한 파팅선이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 린데만 드릴과 같이 측면에도 날부가 형성되며 그 측면의 날부는 분말사출성형 공정을 통하여 후가공 없이 일체로 형성된 의료용 드릴이 제조된다. 따라서, 제조비용이 절감되고 대량생산이 용이해진다.
또한, 분말사출성형 공정을 이용하는 바 소재의 제약이 없으므로 기존에 사용하였던 스테인리스강 소재보다 훨씬 경도가 높고 생체 적합성이 우수한 세라믹이나 초경소재를 이용하여 측면에 날부가 형성된 의료용 드릴을 손쉽게 제조할 수 있다. 이로 인해 의료용 드릴의 천공 효율이 좋아지고 치조골의 천공시간을 단축할 수 있다. 또한 천공 중 발생하는 열의 발생을 최소화 함으로써 뼈조직의 손상 위험이 줄어든다.
도 1은 종래의 린데만드릴을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 도 2의 의료용 드릴을 “Ⅲ”의 방향으로 바라본 모습을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 2의 의료용 드릴을 사출성형하기 위해 사용되는 금형을 개략적으로 도시한 도면, 그리고
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴의 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴(100)은 가공기계에 결합되어 가공기계로부터 전달되는 회전력에 의해 피가공물을 절삭하기 위한 공구로서, 의료용 진료 또는 수술 등에 사용되는 수술용 드릴로 예시한다. 특히 치조골의 식립각도가 매우 중요한 요소로 작용하는 임플란트의 경우에는 본 발명에 따른 의료용 드릴(100)이 식립각도를 조절하면서 효과적으로 사용될 수 있다. 그러나 위와 같은 예에 한정하는 것은 아니며, 환자의 치조골을 포함하여 뼈의 천공이 필요한 모든 의료분야에서 적용이 가능할 것이다.
이러한 의료용 드릴(100)은 몸체부(110), 및 날부(120)를 포함하고, 특히 날부는(120) 그 측면에 일체로 형성된 측면날부(121)를 포함한다. 보다 자세한 설명을 위해 도 2 및 도 3을 제시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 의료용 드릴을 “Ⅲ”의 방향으로 바라본 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
몸체부(110)는 소정 직경의 봉 형태를 갖는다. 몸체부(110)는 일반적으로 가공기계에 홀더(미도시)에 의해 결합되어 가공기계의 회전력을 전달받아 의료용 드릴(100)을 회전시킨다. 이러한 몸체부(110)는 결합될 가공기계에 따라 적절한 직경 및 단면형태를 갖고 용도에 맞는 다양한 길이를 갖는다.
날부(120)는 몸체부(110)의 일측에 몸체부(110)와 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 날부(120)는 몸체부(110)의 회전에 의해 같이 회전하면서 피가공물 특히 치조골을 절삭한다. 이러한 날부(120)는 측면날부(121) 및 배출홈(122)를 포함한다.
측면날부(121)는 적어도 하나 이상의 측방향 날을 제공한다. 본 실시예 에서는 측면날부(121)가 4 개의 측방향 날을 포함하는 것으로 예시하나 당연히 이를 한정하는 것은 아니며 수술 용도에 따라 다양한 갯수가 가능하다.
측면날부(121)의 날의 형성 방향은 날부(120)의 진행방향과 수직하도록 측방향을 향하는 것이 바람직하다. 즉, 날부(120)가 몸체부(110)와 연결되는 일측(123)의 반대편 타측(124)에 날부(120)의 절삭 시 진행방향으로 날이 형성되고, 상기 진행방향과 수직한 측 방향으로는 측면날부(121)가 형성된다. 보다 자세히 말하면, 측면날부(121)의 형성으로 인해 날부(121)는 치조골로 예시되는 피가공물과 맞닿는 일단에도 날이 형성되면서 동시에 상기 피가공물과 맞닿는 날과 수직한 방향의 측방향에도 날이 형성되는 것이다.
이러한 측면날부(121)의 형성으로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴(100)은 린데만드릴과 같이 드릴의 측면에 날이 형성됨으로써 치조골의 천공시 천공각도(예를 들어 임플란트의 식립각도)를 조절할 수 있다.
이때 측면날부(121)는 분말을 포함하는 피드스탁(feedstock)을 이용하여 분말사출성형(powder injection molding)공정을 이용하여 날부(120)와 일체로 형성된다. 즉, 날부(120)를 형성한 후에 추가적인 연삭공정을 통하여 측면날을 다시 형성하는 것이 아니라 분말사출성형 공정을 통해 날부(120)와 측면날부(121)가 일체로 형성되는 일체형 드릴을 제조하는 것이다. 따라서 공정이 단축되고, 제조 단가가 절감되며, 대량생산이 용이하게 된다. 자세한 제조방법은 후술한다.
측면날부(121)는 날부(120)의 측면에 날부(120)를 따라 길게 연장형성 되는 것이 바람직하다. 즉, 측면날부(121)는 날부(120)가 몸체부(110)와 연결되는 일측(123)에서부터 반대편 타측(124)까지 연장 형성된다. 이때 측면날부(121)는 스크류 형태로 날부(120)의 외주면을 감싸면서 형성될 수 있다.
측면날부(121)의 날과 날 사이에는 배출홈(122)이 형성된다. 배출홈(122)은 측면날부(121)의 날과 날 사이에서 요입 형성된 부분으로써, 가공 시 절삭된 피절삭물의 칩이 배출되는 통로의 역할을 한다. 즉, 분말사출성형을 통해 날부(120)와 측면날부(121)를 일체로 사출하면, 형성된 측면날부(121)의 날들 사이사이가 배출홈(122)이 되는 것이다.
일측에 따르면 본 발명에 따른 의료용 드릴(100)을 분말사출성형하기 위해 사용되는 분말은 지르코니아를 포함하는 세라믹, 초경, 및 스테인리스강 중 어느 하나를 포함한다. 이때 상기 세라믹은 지르코니아에 비하여 경도와 굽힘 강도가 우수한 알루미나 강화 지르코니아(Alumina Toughened Zirconia)를 포함한다. 특히 지르코니아와 같은 세라믹 재료가 사용된 드릴의 경우 생체적합성이 매우 우수하고 내마모성과 내식성이 우수하여 의료용 드릴로 매우 유망하다. 용도에 따라서 초경또는 스테인리스강이 선택적으로 재료로 사용될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 의료용 드릴(100)의 제조 방법을 도 4및 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 도 2의 의료용 드릴을 사출하기 위해 사용되는 금형의 코아를 “Ⅲ” 방향에서 바라본 모습을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 드릴의 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 흐름도이다.
먼저, 의료용 드릴(100)을 형성하기 위한 소정의 분말과 바인더를 혼합하여 피드스탁을 제조한다(S10). 이때 피드스탁은 사출을 위한 공급이 용이하게 이루어질 수 있도록 용도 및 환경에 따른 적정한 온도에서 혼합된다.
바인더는 사출과정에서 원재료인 분말이 금형(130) 내부로 균일하게 사출될 수 있도록 유동성을 부여한다. 그리고 금형(130)에서 성형되는 사출체의 강도를 향상시킨다. 이러한 바인더로서는 통상의 단일 바인더가 사용될 수 있으며, 경우에 따라서는 서로 다른 용융점(melting point)을 갖는 여러 종류의 바인더가 함께 사용될 수 있다. 일 예로, 바인더는 파라핀왁스(paraffin wax), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 스테아릭산(stearic acid) 등이 정량 혼합된 구성으로 이루어질 수 있다. 이외에도 바인더로서 결합재, 윤활제, 가소제 및 계면활성제 등이나 그 혼합물이 첨가될 수 있다.
다음으로 사출성형기(미도시)를 이용하여 피드스탁을 금형(130)내로 사출하여 사출체를 형성한다. 이때, 몸체부(110), 날부(120), 그리고 측면날부(121)가 일체로 사출되는 것이 바람직하며, 특히 날부(120)와 측면날부(121)는 일체로 사출 성형된다(S20).
이때, 금형(130)은 날부(120)와 측면날부(121)를 일체로 형성한 후 취출이 가능하도록 2조각 이상으로 파팅(parting)되는 것이 바람직하다. 즉, 도 4를 참고하면, 금형(130)은 상부코아(131), 하부코아(132), 좌측 슬라이드 코아(133), 그리고 우측 슬라이드 코아(134)로 구분될 수 있다. 하지만 금형(130)이 이렇게 4개의 코아로 구분되는 것으로 한정하는 것은 당연히 아니며 필요에 따라 2조각 이상의 코아로 구분될 수 있다. 의료용 드릴의 취출시 좌, 우측 슬라이드 코아(133, 134)가 슬라이드 되고, 하부코아(132)가 하부로 이동하여 의료용 드릴이 취출된다. 이렇게 2조각 이상으로 파팅된 금형을 이용하여 분말사출성형을 함으로 인해 날부(120)와 측면날부(121)가 일체로 성형된 후 취출이 용이하다.
상부코아(131), 하부코아(132), 좌측 슬라이드 코아(133), 그리고 우측 슬라이드 코아(134)가 만나는 지점에는 날부(120)와 측면날부(121)가 일체로 형성될 수 있도록 소정 형상의 캐비티(cavity)가 형성된다. 따라서 상기 캐비티로 피드스탁이 사출되고 냉각 고화됨으로써 사출체가 형성된다. 이때 2조각 이상으로 파팅된 금형(130)에 의해 사출체의 표면에 사출체의 길이방향으로 파팅된 금형 코아에 의한 파팅선이 형성된다.
이때 측면날부(121)를 성형한 후 취출하기 위해서는 금형 코아의 파팅이 필수적이며, 제품 표면에 파팅선의 개수로 금형 코아의 개수를 알 수 있다.
다음으로 사출체에 함유된 바인더를 제거하기 위한 탈지 단계가 수행된다(S30). 이러한 탈지 단계는 다양한 방법이 사용될 수 있는다. 예를 들어 용매를 이용하여 바인더를 제거하는 용매탈지방법, 그리고 열을 가하여 바인더를 제거하는 열간탈지 방법 등이 사용될 수 있다. 또한, 서로 다른 용융점을 갖는 복수개의 바인더가 사용된 경우에는 실질적으로 복수의 공정을 통해 탈지 단계가 수행될 수 있다.
탈지 단계를 거치면 사출체를 소결한다(S40). 이때 탈지된 사출체의 기공을 제거하고 목표하는 기계적 강도를 갖도록 일정한 온도조건과 진공, 환원, 불활성분위기, 또는 대기분위기에서 소결이 이루어진다. 또한 분말의 종류, 입도, 및 첨가물의 종류에 따라 적절한 온도조건과 유지시간 및 분위기에서 소결이 수행된다.
소결단계를 거치면 소결체가 형성되고 소결체를 열간 등가압 성형(Hot Isostatic Pressing)한다(S50). 특히 세라믹이나 초경합금 소재를 사용하는 경우에는 이러한 열간 등가압 성형에 의하여 소결체 밀도의 증대, 굽힘강도(bending strength)와 파괴인성(fracture toughness) 향상 등의 물성 증대를 이룰 수 있다. 열간 등가압 성형의 열처리 온도는 통상 1000 ℃ ~ 1600 ℃ 범위에서 수행되며 가압 압력은 통상 300 bar ~ 2000 bar의 범위에서 수행된다. 한편, 소결체가 요구물성을 충족시키는 경우 소결단계 이후 추가적인 열간 등가압 성형이 생략될 수도 있다.
임플란트의 식립각도를 조절하기 위하여 드릴의 측면에 날을 형성하기 위해 부가적인 연삭공정이 수행되었던 종래와는 다르게, 상기와 같이 날부(120)와 측면날부(121)가 일체로 형성됨으로 인해 무엇보다 제조 공정의 단축으로 인한 제조단가의 절감뿐만 아니라 제조시간의 단축으로 인하여 양산성이 증대된다.
또한, 기존 스테인리스강보다 경도가 높고 생체 적합성이 뛰어난 세라믹소재를 이용하여 드릴 제작이 가능하기 때문에 기존 드릴에 비하여 천공효율이 좋아져서 치조골의 천공시간을 단축할 수 있다. 따라서 천공 중 발생하는 열 발생을 최소화 함으로써 뼈조직의 손상 위험이 줄어든다는 장점을 갖는다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 종래의 린데만 드릴 100: 의료용 드릴
110: 몸체부 120: 날부
121: 측면날부 122: 배출홈
130: 금형

Claims (9)

  1. 몸체부;
    상기 몸체부의 일측에 상기 몸체부와 일체로 형성된 날부; 및
    상기 날부상에 형성되며 적어도 하나 이상의 측방향 날을 제공하는 측면날부;
    를 포함하고, 상기 날부 및 측면날부는 분말을 포함하는 피드스탁을 이용하여 일체로 사출 형성된 의료용 드릴.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측면날부의 날의 형성 방향은 상기 날부의 진행방향과 수직하도록 측방향을 향하는 의료용 드릴
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측면날부는 상기 날부의 상기 몸체부와 연결된 일측에서부터 반대편 타측까지 연장 형성되고,
    상기 측면날부의 날과 날 사이에는 상기 측면날부를 따라 연장되게 형성되며 상기 측면날부에 의해 절삭된 피절삭물을 배출할 수 있는 배출홈이 형성된 의료용 드릴.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분말은 지르코니아를 포함하는 세라믹, 초경, 및 스테인리스강 중 어느 하나를 포함하는 의료용 드릴.
  5. 분말을 포함하는 피드스탁을 형성하는 단계;
    상기 피드스탁을 금형을 이용해 사출성형하여, 몸체부, 상기 몸체부의 일측에 형성된 날부, 및 상기 날부의 측면에 형성되어 적어도 하나 이상의 측방향 날을 포함하는 측면날부가 일체로 형성되어 사출체를 성형하는 단계;
    상기 사출체에서 바인더를 제거하는 탈지 단계;
    상기 사출체를 소결하여 소결체를 얻는 단계; 및
    상기 소결체의 물성 증대를 위하여 열간 등가압 성형하는 단계;
    를 포함하는 의료용 드릴의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측면날부의 날의 형성 방향은 상기 날부의 진행방향과 수직하도록 측방향을 향하도록 형성된 의료용 드릴의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 사출체를 형성하는 단계는,
    상기 측면날부를 상기 날부의 상기 몸체부와 연결된 일측에서부터 반대편 타측까지 연장 형성시키고,
    상기 측면날부의 날과 날 사이에는 상기 측면날부를 따라 연장되게 형성되며 상기 측면날부에 의해 절삭된 피절삭물을 배출할 수 있는 배출홈이 형성되는 의료용 드릴의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 분말은 지르코니아를 포함하는 세라믹, 초경, 및 스테인리스강 중 어느 하나를 포함하는 의료용 드릴의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 금형은 상기 측면날부를 상기 날부와 일체로 사출성형한 후 취출이 용이하도록 적어도 2조각 이상으로 파팅되고,
    상기 사출체의 표면에 상기 사출체의 길이방향으로 파팅된 금형 코아에 의한 파팅선이 형성되는 의료용 드릴의 제조방법.
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