KR101088492B1 - 피로수명이 향상된 치과용 임플란트 지대주 나사 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 치과용 임플란트 지대주 나사 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 치과용 임플란트 시술에 사용되는 지대주 나사가 이식후 피로균열의 발생으로 인해 파손되는 일이 없도록 그 피로수명을 향상시킨 치과용 임플란트 지대주 나사 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 지대주 나사는, 표면 산화물층이 제거된 후 질화처리되어 그 표면으로부터 질화경화층(Ti_xN), 질소확산층(α-Ti)이 순차적으로 형성된 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 지대주 나사에 있어서, 지대주 나사의 표면에 형성된 질화경화층(Ti_xN)을 제거한 것을 특징으로 한다.

임플란트, 피로수명, 지대주 나사

Description

피로수명이 향상된 치과용 임플란트 지대주 나사 및 그 제조방법 {Dental Implant Abutment Screw With Enhanced Fatigue Life And Its Manufacturing Method}

본 발명은 치과용 임플란트 지대주 나사 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 치과용 임플란트 시술에 사용되는 지대주 나사가 이식후 피로균열의 발생으로 인해 파손되는 일이 없도록 그 피로수명을 향상시킨 치과용 임플란트 지대주 나사 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 노화방지 및 생명연장에 관한 기술로서 장기 이식 또는 대체기술 등이 매우 중요한 분야로 되어가고 있다. 이러한 대체기술의 하나로 치의학 분야에서는 임플란트 시술에 의한 치아 대체기술이 적용되고 있다.

이러한 임플란트와 관련된 기술을 살펴보면, 그 초기에는 치조골에 고정되어 치근 역할을 담당하는 고정체, 지대주 나사 및 지대주 나사에 연결되는 인공 치관의 재질로 생체에 적합한 것을 찾기 위한 연구가 주를 이루었다. 근래에는 지대주 나사의 재질로서는 우수한 강도 및 부식저항성과 인체 친화성을 가진 티타늄 또는 티타늄계 합금을 주로 채택하는 경우가 많고, 인공 치관로서는 세라믹 등을 사용하여 자연치아와 유사한 성질을 갖는 재료를 주로 채택하고 있다.

재료선택에 대한 기술적 발전이 이루어짐과 함께 최근에는 지대주 나사가 고정체와 함께 치조골에 매식된 후 체결이 유지되도록 하는 것과 지대주 나사의 내구성이 문제점으로 새롭게 대두되고 있다.

나사결합의 체결유지와 관련되어 TiN이나 ZrN과 같은 코팅층을 지대주 나사에 형성하여 나사산의 표면거칠기를 높여서 마찰계수를 높이려는 시도(대한민국 등록특허 제540345호)가 있었으며, 또한 나사산 수를 늘임에 따라 접촉면적을 넓히려는 시도(대한민국 등록특허 제598938호) 등이 있었다.

또한, 지대주 나사는 임플란트 시술후 환자의 반복되는 저작력을 견뎌야 하므로 높은 내마모성 및 피로강도가 요구된다. 이러한 내마모성 및 피로강도를 확보하기 위하여 지대주 나사에는 가스질화 또는 플라즈마 이온질화와 같은 질화처리를 행하여 지대주 나사의 표면에 질화 경화층(Ti_xN)을 형성하여 피로강도 및 내마모성을 도모하고 있다. 통상 지대주 나사의 재질로 많이 사용되는 Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금에 상기 질화처리를 하게 되면, 지대주 나사는 도 1의 사진에 나타난 바 와 같이 그 표면으로부터 질화 경화층(Ti_xN), 질소 확산층(α-Ti), 모재의 기지조직((α+β)-Ti)순으로 조직층이 형성된다. 그런데, 질화 경화층의 경도는 Hv=2000 정도로 내마모성은 확보할 수 있지만 질소 확산층의 경도(Hv=600~700) 및 모재의 경도(Hv=340)와 큰 차이를 보인다. 일반적으로 재료의 경도 값은 그 탄성계수와 비례하며, 고탄성의 질화 경화층과 저탄성의 질소 확산층 및 모재 사이의 탄성계수 차이는 그 경계층에 응력집중을 발생시키게 된다. 이러한 응력집중은 경계층에서 취성벽개 균열을 발생시키고, 이러한 취성벽개 균열은 피로균열의 시발점이 되어 오히려 피로강도를 낮추는 역효과를 가져오게 된다.

따라서, 질화처리된 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어진 지대주 나사에 있어서, 피로강도를 향상시킬 수 있는 지대주 나사 및 이를 제조하는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 질화처리한 지대주 나사의 피로강도를 향상시키며, 이와 같은 지대주 나사를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 지대주 나사는,

표면 산화물층이 제거된 후 질화처리되어 그 표면으로부터 질화경화층(Ti_xN), 질소확산층(α-Ti)이 순차적으로 형성된 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 지대주 나사에 있어서,

지대주 나사의 표면에 형성된 질화경화층(Ti_xN)을 일부 제거한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 지대주 나사는

지대주 나사의 표면에 형성된 질화경화층(Ti_xN)을 완전히 제거하여 질소확산층(α-Ti)이 지대주 나사의 표면으로 노출되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 지대주 나사를 제조하는 방법은

표면 산화물층이 제거된 후 질화처리된 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 지대주 나사를 구비하는 단계와,

상기 지대주 나사의 표면에 질화처리에 의해 형성된 질화경화층(Ti_xN)을 제거하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 질화경화층(Ti_xN)을 제거하는 단계는 전해연마, 정밀입자가공, 연삭가공 중 하나 이상에 의한 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 의하면 지대주 나사의 피로강도가 향상되는 효과가 있으며, 또한 피로강도가 향상된 지대주 나사를 제조할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 보다 상세하게 설명한다.

본 실시예에서 사용된 도 2와 같은 형상의 지대주 나사의 재질은 Ti-6Al-4V 티타늄 합금이다.

본 실시예에서는 상기 티타늄 합금으로 이루어진 지대주 나사를 섭씨 900도의 진공분위기에서 99.99%의 질소를 미량 주입하여 24시간 유지하는 통상의 진공가스 질화처리를 하였다. 질화처리 전 지대주 나사의 표면 산화물층을 제거하는 것은 당연하다 할 것이다.

이러한 질화처리에 따라, 도 1과 같이 표면에는 질화 경화층(Ti_xN)이 형성되며 그 아래로는 질소확산층(α-Ti)과 모재의 기지조직((α+β)-Ti)순으로 조직이 형성된다.

이때 질화경화층(Ti_xN)은 진공 챔버내에 주입되는 질소의 양에 따라 TiN, Ti₂N, Ti₃N, ... 과 같이 Ti 와 N의 결합비가 다르게 형성될 수 있다.

한편 질화경화층 밑 부분은 질화처리시의 온도변화에 따라 α-Ti의 조밀육방격자 조직으로 변경된 질소확산층으로 피로균열 발생에 큰 저항성을 가지게 된다.

본 실시예의 Ti-6Al-4V 티타늄 합금이 아닌 순수 티타늄인 경우에도 질화처리를 통하여 질화경화층 및 질소확산층은 동일하게 형성되므로, 본 발명은 Ti-6Al-4V 티타늄 합금를 대상으로 한 본 실시예에 의해 국한되지 않는다.

본 실시예에서 질화경화층/질소확산층/모재의 경도는 각각 Hv=2000, 650, 340으로 측정되었다. 통상 재료의 경도 값을 비례관계에 있는 탄성계수로 환산할 수 있는 식이 여러가지 알려져 있고, 문헌에 의하면 질화경화층(Ti_xN)의 탄성계수는 약 430 GPa, 질소확산층(α-Ti)의 탄성계수는 200~250 GPa, Ti-6Al-4V 티타늄 합금의 탄성계수는 약 110 GPa로 알려져 있다.

이와 같은 각 층의 탄성계수 차이는 그 경계층에 응력집중을 유발하게 되며, 이러한 응력집중에 의해 경계층에서 취성벽개 균열이 발생하게 되며, 이러한 취성벽개 균열은 피로균열의 시발점이 되어 피로수명을 저하시킨다. 이러한 벽개균열에 의한 피로수명의 저하는 지대주 나사가 설치되는 생체 내부와 같은 분위기에서는 더욱 심해지게 되는 것이다.

도 3은 지대주 나사의 피로시험 결과를 나타낸 그래프이다.

피로시험을 위해서는 R&B 사의 RB303 Nanodyn-D 모델을 사용하였으며, 지대주 나사에는 응력비(최소하중/최대하중) 0.1의 정현파를 15Hz로 가하였다. 또한 생체 유사환경하의 지대주 나사의 피로강도를 측정하는 경우 시편에 전류밀도 10mA/cm2 의 전류를 가하며 섭씨 37도의 0.9% 생리식염수 내에 침적시켜서 시험을 수행하였다. 생체 유사환경하의 피로시험의 경우 정현파의 주파수를 2Hz로 가하였다.

도 3의 부호 ○은 지대주 나사를 통상의 대기환경에서 피로시험한 결과를 나타낸 것이며, 부호 ●은 생체 유사환경하의 지대주 나사의 피로시험 결과를 나타낸 것으로, 생체 유사환경하에서는 통상의 대기환경에 비해 피로강도의 저하가 심해짐을 알 수 있다.

ISO 14801에서는 생체 유사환경하에서 평균 저작력 250N을 500만회 가하더라도 균열이 발생하지 않을 것을 규정하고 있으나, 질화처리한 국내 제조사의 지대주 나사는 이러한 기준에 못 미치고 있음을 확인할 수 있다.

본 발명자는 질소확산층의 α-Ti 조밀육방격자 조직의 피로강도가 높음에도 불구하고, 지나치게 고탄성계수를 구비하게 된 질화 경화층에 의해 이러한 피로수명의 저하가 발생하게 된다는 점에 착안하여, 이러한 질화경화층을 제거하거나 그 두께를 얇게 가공한 지대주 나사를 고안하게 된 것이다.

질화경화층을 제거하기 위해서는 일반적으로 알려진 연삭가공을 하여도 무방하지만, 본 실시예에서는 보다 정밀한 가공을 위하여 전해연마를 실시하였다. 전해연마 대신 정밀입자가공을 하거나, 이들 가공방법을 복합적으로 사용하는 것도 가능할 것이다.

본 실시예에서는 무수초산과 과염소산을 4.4:1로 배합한 전해액에 지대주 나사를 침전시켜 9.1V의 전압을 가하는 방식으로 질화경화층을 제거하였다.

도 4는 전해연마시간에 따른 피로수명의 변화를 나타낸 것으로, 하중조건은 최대하중 350N, 응력비 0.1이다.

전해연마시간이 증가함에 따라 피로수명이 점차 증가하여 7.5~9.3분의 전해연마시간에서 최대치를 보인후, 다시 피로수명은 감소하게 된다.

이러한 결과는 전해연마를 시작하여 질화경화층이 제거됨에 따라 피로수명이 향상되며, 질화경화층이 완전히 제거된 8분 정도에서 질소확산층에 의해 피로강 도가 최대를 보이다가 질소확산층이 제거되기 시작하면 다시 피로수명이 감소하는 것을 보여주고 있다.

도 3에서는 이와 같은 전해연마에 의해 질화경화층을 제거한 지대주 나사에 대한 피로시험결과를 부호 ▲로 나타내었다. 4개의 부호 ▲는 도면 4의 전해연마조건에 따른 각 지대주 나사의 피로수명을 각각 나타낸 것이다. 5분의 전해연마만을 행하여 질화경화층을 일부라도 제거하게 되면 질화처리한 그대로의 지대주 나사에 비해 생체 유사환경하에서의 피로강도가 대폭 증가하며, 이러한 피로강도는 통상의 대기환경에서 피로시험한 결과(부호 ○)보다 높은 것이므로, ISO 14801의 규정을 충분히 만족할 수 있게 되는 것이다.

지대주 나사의 일부 영역, 즉 나사부나 나사부중 형상에 따라 응력집중이 많은 일부 영역만을 선택하여 제거하는 것도 가능할 것이다. 즉, 나사의 선단이나 지대주 나사의 헤드 외부부분과 같이 큰 하중이 작용하지 않은 부분에는 질화경화층을 제거할 필요가 없기 때문에 질화 경화층을 제거하는 것을 생략할 수 있을 것이다.

도 1은 지대주 나사의 표면으로부터의 조직층 분포를 나타낸 사진.

도 2는 지대주 나사의 외관 형상을 나타낸 도.

도 3은 지대주 나사의 하중 대 피로수명 선도.

도 4는 지대주 나사의 전해연마에 따른 피로수명분포를 나타낸 선도.

Claims (4)

1. 표면 산화물층이 제거된 후 질화처리되어 그 표면으로부터 질화경화층(Ti_xN), 질소확산층(α-Ti)이 순차적으로 형성된 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 지대주 나사에 있어서,

   지대주 나사의 표면에 형성된 질화경화층(Ti_xN)을 일부 제거한 것을 특징으로 하는 피로수명이 향상된 치과용 임플란트 지대주 나사.
2. 표면 산화물층이 제거된 후 질화처리되어 그 표면으로부터 질화경화층(Ti_xN), 질소확산층(α-Ti)이 순차적으로 형성된 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 지대주 나사에 있어서,

   지대주 나사의 표면에 형성된 질화경화층(Ti_xN)을 완전히 제거하여 질소확산층(α-Ti)이 지대주 나사의 표면으로 노출되도록 한 것을 특징으로 하는 피로수명이 향상된 치과용 임플란트 지대주 나사.
3. 표면 산화물층이 제거된 후 질화처리된 티타늄 또는 티타늄 합금 재질의 지대주 나사를 구비하는 단계와,

   상기 지대주 나사의 표면에 질화처리에 의해 형성된 질화경화층(Ti_xN)을 제거하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 피로수명이 향상된 치과용 임플란트 지대주 나사의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 질화경화층(Ti_xN)을 제거하는 단계는 전해연마, 정밀입자가공, 연삭가공 중 하나 이상에 의한 것을 특징으로 하는 피로수명이 향상된 치과용 임플란트 지대주 나사의 제조방법.

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