KR101181449B1 - 인공 관절용 고분자 소재의 내마모성 향상 방법 및 그 장치 - Google Patents

인공 관절용 고분자 소재의 내마모성 향상 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인공 관절용 고분자 소재, 특히 초고분자량 폴리에틸렌의 내마모성 향상을 위한 것으로, 고체 이온을 위 고분자 소재의 표면에 효율적으로 이온 주입하기 위하여 고안된 것으로, 동기화된 펄스전압이 인가된 마그네트론(magnetron) 스퍼터링 증착원과 고전압 펄스를 이용함으로써 고체 원소 이온의 플라즈마 형태로의 주입을 가능하게 하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
종래 박막증착을 위한 증착원으로서 이용되고 있었던 마그네트론 스퍼터링 증착원으로서 생체적합성이 뛰어나고 시료 내부로 이온주입되어 세라믹 입자를 형성할 수 있는 원소의 스퍼터링 증착원을 장착하여 펄스직류 전원을 이용한 펄스 모드로 작동하고, 이와 동기화된 고전압 펄스를 시료에 인가함으로써 펄스 모드의 마그네트론 스퍼터링 증착원으로부터 발생된 이온을 가속하여 시료의 표면에 이온주입을 할 수 있게 한다.
본 발명에 의한, 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법은, 펄스 마그네트론 스퍼터링 증착원과 동기화된 고전압 펄스를 이용함으로써, 소재의 표면에 고체 이온을 효율적으로 이온 주입할 수 있으며, 이로 인하여 인공 관절용 소재의 내마모성 향상을 구현할 수 있다.

Description

인공 관절용 고분자 소재의 내마모성 향상 방법 및 그 장치{Method of improving wear resistance of polymeric material for artificial joint and apparatus thereof}
본 발명은 동기화된 펄스 마그네트론 스퍼터링 증착원과 고전압 펄스를 이용한 고체 원소 플라즈마 이온 주입장치, 및 이를 이용하여 인공 관절용 소재로 많이 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌 소재의 내마모성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
최근 고령인구의 증가 및 인공관절 시술자의 저연령화 추세로 인해 인공관절의 필요성이 심각하게 대두되고 있다. 인공관절은 퇴행성 관절염, 염증성 관절염, 외상에 의한 관절염 등이나 골종양 등으로 인하여 관절부의 연골이나 뼈가 손상되어 관절로서의 기능을 할 수 없게 된 경우와 같이 사고나 질병으로 인한 관절의 손상시 인체에 삽입되어 관절운동을 수행하는 인공 대체물로서, 신체의 어깨, 팔꿈치, 손목, 발목, 무릎, 고관절 등에서 시술된다. 이러한 인공관절 중 인공 고관절에서는 관절운동을 하는 라이너(Liner)와 헤드(Head) 부분이 매우 중요한데, 일반적으로 세라믹, 금속, 고분자 소재의 조합으로 구성되며, 주로 금속(CoCrMo, Ti64) 헤드와 고분자 라이너로 이루어진 제품이 이용되고 있다.
초고분자량 폴리에틸렌은 탄소와 수소만으로 구성된 중량 평균 분자량 2.0 X 106 g/mol 이상의 선형고분자로서 생체적합성이 우수하고 마찰계수가 낮으며, 내마모성(abrasion resistance)과 충격강도(impact resistance)가 다른 엔지니어링 플라스틱보다도 월등히 우수할 뿐만 아니라, 마찰계수가 작으며 생체적합성이 뛰어나 이러한 특성들이 요구되는 라이너에 적합한 좋은 재료라고 할 수 있다. 하지만 관절운동의 결과, 초고분자량 폴리에틸렌 소재의 마모로 파편이 발생하며, 이러한 파편은 파골세포를 활성화시켜 골용해(osteolysis) 및 조직괴사를 일으킴에 따라 재시술을 피할 수 없게 된다. 현재 대략 10년 정도의 수명을 가진 인공관절의 수명을 연장시키기 위해서는 초고분자량 폴리에틸렌의 내마모성을 향상시켜 폴리에틸렌 마모입자의 형성을 억제하는 것이 무엇보다도 중요하며 이를 통해 환자의 고통과 경제적 부담을 경감하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다.
초기의 연구는 주로 헤드 부분에 사용되는 세라믹이나 금속 소재를 중심으로 진행되었다. 미국 특허 제5,780,119호에서와 같이 초고분자량 폴리에틸렌의 상대재인 코발트크롬(CoCr)합금에 실리콘 또는 게르마늄을 코팅하고 그 위에 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅을 함으로써 폴리에틸렌의 마모를 감소시키는 방법이 있었다. 여기서 실리콘 또는 게르마늄은 버퍼층으로써 코발트크롬 합금과 DLC 코팅 사이에 강한 접합력을 갖도록 하기 위하여 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)공정을 통해 증착되었다.
하지만, 헤드 부분의 표면특성 향상을 통한 초고분자량 폴리에틸렌의 내마모성 증가는 제한적이었으므로, 인공관절의 수명을 획기적으로 향상시키기 위해 초고분자량 폴리에틸렌 자체의 내마모성을 증가시키는 방향으로 연구가 집중되고 있다.
초고분자량 폴리에틸렌 소재의 내마모성의 증가를 통한 인공관절의 내구성 향상 방법으로는, 대한민국 특허 제264153호에서와 같이 초고분자량 폴리에틸렌의 표면에 크기가 작고 생체에 무해한 이온을 선택하여 이온빔주입 방법을 통해 이온주입하고, 첨가하는 이온 입자의 종류, 침투되는 깊이와 개수를 제어함으로써 초고분자량 폴리에틸렌의 내마모성을 향상시키는 방법이 있다. 또한, 대한민국 특허 제307799호에서와 같이 초고분자량 폴리에틸렌을 압축가공 후 즉시 급랭한 다음 질소나 진공 중에서 방사선조사(irradiation)하여 가교결합을 극대화함으로써 내마모성을 향상시키는 방법으로서 가교결합을 통한 분자 상호간의 그물형 구조를 형성하는 방법이 있다.
그러나, 상기한 이온주입 기술은 이온원으로부터 이온을 추출한 후 가속시켜 이온빔의 형태로 시료에 입사시키게 되므로, 균일한 이온 주입을 위해서는 이온빔을 흔들어 주어야 한다. 이러한 이온빔 형태로 이온을 주입하는 방법은 견통선(line-of-sight) 이온주입이라는 원리상의 제약 때문에, 복잡한 형상을 갖는 인공관절에의 이온 주입이 어려운 기술적인 약점을 갖고 있으며, 또한 장비 가격이 매우 비싸다는 단점이 있어, 이러한 점들이 실제 이온주입 분야에의 응용을 어렵게 하는 요인이라 할 수 있다.
또한 방사선조사를 통해 가교결합을 극대화함으로써 내마모성을 향상시키는 방법은 현재까지 가장 많이 연구되어 온 방법이지만, 고분자의 가교결합만으로 인한 내마모성 향상에는 한계가 있으며, 방사선조사 후 열처리 등의 추가 공정을 필요로 한다.
본 발명은 인공관절용 고분자 소재, 예컨대 초고분자량 폴리에틸렌 등의 내마모성 향상을 목적으로 시료 내부에 생체적합성이 뛰어나고 세라믹 입자를 생성할 수 있는 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등의 이온을 시료의 표면에 효과적으로 이온주입하여 고분자의 가교 효과를 달성하기 위한 것으로, 동기화된 펄스 마그네트론 스퍼터링 증착원과 고전압 펄스를 이용함으로써 고체 원소 플라즈마 이온주입을 가능하게 하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원은 상기한 목적을 달성하기 위해, 진공조; 상기 진공조에 장착된 플라즈마 발생 가스 도입장치; 상기 진공조 내에 장착되는 마그네트론 스퍼터링 증착원; 상기 진공조 내에 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원에 이격되어 설치되고 시료가 장착되는 시료 장착대; 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원과 상기 시료 장착대 사이에 전도성 그리드가 위치하도록 상기 시료 장착대에 장착되는 전도성 그리드; 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원에 펄스 직류 전원을 인가하여 플라즈마 이온이 발생하도록 하는 펄스직류 전원 장치; 상기 펄스직류 전원 장치에 의해 전원이 인가되어 발생된 플라즈마 이온을 시료 장착대의 시료 방향으로 가속되도록, 상기 사료 장착대에 상기 펄스 직류 전원와 동일한 주파수로 동기화된 음(-)의 고전압 펄스를 인가하는 고전압펄스 전원 장치를 포함하는 고체이온 주입 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 진공조 내부에서 전도성 그리드가 장착된 시료 장착대 위에 고분자 시료를 위치시켜 상기 고분자 시료가 마그네트론 스퍼터링 증착원과의 사이에 전도성 그리드를 두고 시료 장착대 위에 놓이도록 하는 단계; 상기 진공조 내부가 진공 상태가 되도록 배기하는 단계; 상기 진공조 내부에 플라즈마 발생 가스를 공급하는 단계; 마그네트론 스퍼터링 증착원을 이루는 마그네트론 스퍼터링 타겟에 펄스 직류를 인가함과 동시에 상기 시료장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 상기 펄스직류와 동일한 주파수로 동기화시켜 인가하는 단계; 및 상기 타겟으로부터 발생된 고체이온가 전도성 그리드를 통과하여 플라즈마 이온 형태로 고분자 시료의 표면에 주입되는 단계;를 포함하는, 고분자를 처리하는 방법을 제공한다.
본 발명은, 박막증착을 위한 증착원으로 흔히 이용되고 있는 마그네트론(magnetron) 스퍼터링 증착원으로서 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등의 원소를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 타겟을 장착하여 펄스직류 전원을 이용한 펄스 모드로 작동하고, 이와 동기화된 고전압 펄스를 시료에 인가함으로써 펄스 모드의 마그네트론 스퍼터링 증착원으로부터 발생된 이온을 가속하여 시료의 표면에 이온주입을 할 수 있게 한다. 마그네트론 스퍼터링 증착원을 연속적인 작동이 아닌 펄스 모드로 작동시키는 이유는, 마그네트론 스퍼터링 증착원의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서도, 펄스가 인가되는 순간 매우 높은 전력을 인가할 수 있으므로 마그네트론 스퍼터링 증착원의 표면에 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이는 마그네트론 스퍼터링 증착원 표면으로부터 방출되는 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 다량의 이온들은 시료에 가해지는 동기화된 음(-)의 고전압 펄스에 의하여 시료 쪽으로 가속되며 시료의 표면에 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등의 이온이 효과적으로 주입되게 된다.
본 발명의 일실시태양에서는 진공조, 상기 진공조에 장착된 플라즈마 발생 가스 도입장치, 상기 진공조 내에 장착된 고체이온 플라즈마 발생기, 및 상기 고체이온 플라즈마 발생기에 이격되어 설치되는 시료장착대를 포함하는 고체이온 주입 장치가 제공된다. 고체이온 플라즈마 발생기는 고분자 시료에 주입될 고체 이온의 플라즈마를 발생하는 장치로서 당업계에 일반적으로 사용되는 플라즈마 발생기를 사용할 수 있으나, 바람직하게는 펄스직류 전원장치 및 마그네트론 스퍼터링 증착원을 포함한다. 마그네트론 스퍼터링 증착원은 펄스직류가 인가될 때 플라즈마를 발생시키기 위한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시태양에서 마그네트론 스퍼터링 증착원은 시료 내부에 생체적합성이 뛰어나고 세라믹 입자를 생성할 수 있는 원소를 포함한다. 그러한 원소의 예로는 위와 같은 목적을 달성하는 것이면 어느 것이나 사용가능하며, 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등을 들 수 있다.
본 발명의 또다른 실시태양에서는 진공조 내의 시료장착대 위에 고분자 시료를 위치시키는 단계; 진공조 내에 플라즈마 발생 가스를 공급하는 단계; 마그네트론 스퍼터링 증착원에 펄스직류를 인가함과 동시에 시료장착대에 고전압 펄스를 상기 펄스직류와 동일한 주파수로 동기화시켜 인가하는 단계; 및 마그네트론 스퍼터링 증착원으로부터 발생된 고체이온을 플라즈마 형태로 고분자 시료의 표면에 주입시키는 단계를 포함하는, 고분자를 처리하는 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 실시태양에서는 상기한 장치 및 방법을 사용하여 처리한 고분자를 포함하는 인공관절이 제공된다.
본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 기술의 특징은 다음과 같다. 즉, 박막증착을 위한 증착원으로 흔히 이용되고 있는 마그네트론 스퍼터링 증착원으로서 생체적합성이 뛰어나고 세라믹 입자를 생성할 수 있는 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등의 원소의 마그네트론 스퍼터링 타겟을 장착하여 펄스직류 전원을 이용한 펄스 모드로 작동시키고, 이와 동기화된 음(-)의 고전압 펄스를 시료에 인가함으로써 펄스 모드의 마그네트론 스퍼터링 증착원으로부터 발생된 이온을 효과적으로 가속하여 복잡한 형상의 시료인 경우에도 시료의 표면에 이온주입을 가능하게 한다. 마그네트론 스퍼터링 증착원(타겟)을 연속적인 작동이 아닌 펄스 모드로 작동할 경우, 마그네트론 스퍼터링 증착원의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 매우 높은 펄스전력을 인가할 수 있으므로 마그네트론 스퍼터링 증착원의 표면에 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이는 마그네트론 스퍼터링 증착원 표면으로부터 방출되는 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 원소의 이온들은 시료에 가해지는 동기화된 음(-)의 고전압 펄스에 의하여 시료 쪽으로 가속되며 시료의 표면에 효과적으로 생체적합성이 뛰어나고 세라믹 입자를 생성할 수 있는 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등의 이온이 주입되게 된다. 한편, 마그네트론 스퍼터링 증착원과 시료 사이에 안테나를 장착하여 RF 전력을 인가할 경우, 유도결합 플라즈마를 발생시킴으로써 방출된 원소의 이온화율을 한층 증대시킬 수 있을 뿐 아니라, 일반적인 마그네트론 스퍼터링 증착원의 작동 압력보다 낮은 압력에서의 작동이 가능하게 함으로써, 고체 원소 플라즈마 이온주입시 가스 입자와의 충돌을 최소화하여 고체 원소 플라즈마 이온주입을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 의한 플라즈마 이온주입 방법은, 펄스 마그네트론 스퍼터링 증착원과 동기화된 고전압 펄스를 이용함으로써, 소재의 표면에 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등의 이온을 시료의 형상과 관계없이 효율적으로 이온 주입할 수 있으며, 이로 인하여 고분자 소재의 우수한 내마모 특성을 구현할 수 있다.
도 1는 본 발명에 따른 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치의 도식도이다.
도 2는 티타늄 이온 주입되지 않은 초고분자량 폴리에틸렌 시험편과, 티타늄 이온주입 양(dose)이 상이한 초고분자량 폴리에틸렌 시험편의 마모량의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 3는 (a) 티타늄 이온 주입되지 않은 초고분자량 폴리에틸렌 시험편과 (b) 티타늄 플라즈마 이온주입된 초고분자량 폴리에틸렌 시험편의 퓨리에변환 적외선분광기 분석 결과이다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부도면 및 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 고체 이온 주입 장치의 개략적인 구조도이다. (1)은 고체 원소 플라즈마 이온주입을 위한 진공조를 의미하며, (4)는 고체 이온 발생을 위한 마그네트론 스퍼터링 증착원을 나타낸다. (2)는 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)에 펄스직류(3) 전력을 인가하기 위한 펄스직류 전원장치이다. (5)는 스퍼터링 증착원(4)에 의하여 발생된 펄스 플라즈마를 나타내고 있으며, (6)은 전도성 시료장착대(7)에 장착된 시료를 나타낸다. (14)는 고분자 시료에 차징(charging) 현상을 막기 위하여 전도성 시료장착대 상부에 장착된 전도성 그리드를 나타내고 있다. (8)은 플라즈마 발생에 이용되는 플라즈마 발생 가스(9)의 유량을 조절하기 위한 플라즈마 발생 가스 도입장치를 나타낸다. 또한, (12)는 전도성 시료장착대(7)에 음(-)의 고전압 펄스(11)를 인가하기 위한 고전압 펄스 전원 장치를 나타낸다. (10)은 진공조의 진공을 유지하기 위한 진공펌프이며, (13)은 진공조가 전기적으로 접지되어 있음을 의미하는 진공조 접지이다.
본 발명에 의한 고체 원소 플라즈마 이온주입 방법의 원리는 다음과 같다. 즉, 진공조(1) 내부에 위치한 전도성 시료장착대(7)에 시료(6)을 장착한 후, 진공펌프(10)을 이용하여 진공조(1) 내부의 진공도를 고진공 영역까지 배기한다. 이후, 플라즈마 발생에 이용되는 플라즈마 발생 가스(9)를 플라즈마 발생 가스 도입장치(8)를 통하여 인입시켜 진공조 내부의 압력을 일정 수준으로, 예를 들면, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만 바람직하게는 0.5 mTorr 내지 5 mTorr 의 압력, 더욱 바람직 하게는 1 mTorr 내지 3 mTorr 의 압력으로 조절한다. 그 이유로는, 진공조 내부의 가스 압력이 0.5 mTorr 이하인 낮은 압력에서는 플라즈마의 발생이 어려운 반면, 5 mTorr 이상인 높은 압력에서는 고체 원소 플라즈마 이온 주입시 가속되는 고체 이온과 주위 가스입자들과의 빈번한 충돌로 인하여 가속되는 고체 이온의 에너지 손실이 매우 심하기 때문이다. 상기 플라즈마 발생 가스로는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 크세논, 이들의 혼합가스 등이 포함된다.
상기한 바와 같이, 플라즈마 발생가스 인입 후 진공조 내부의 압력이 안정화 되면, 진공조에 장착된 고체 원소 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)에 펄스직류 전원장치(2)를 이용하여 펄스직류(3) 전력을 인가하여 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)을 작동시킴과 동시에, 고전압 펄스 전원장치(12)를 이용하여 전도성 시료장착대(7)에 음(-)의 고전압 펄스(11)을 인가함으로써 고체 원소 플라즈마 이온 주입 공정을 수행한다. 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)에 인가하는 펄스직류(3) 전력과 전도성 시료장착대(7)에 인가하는 음(-)의 고전압 펄스(11)은 동기화시켜 같은 주파수로 작동되도록 하는데, 그 이유는 다음과 같다. 즉, 펄스직류(3) 전력에 의하여 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)이 작동(pulse-on)되는 순간 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)으로부터 스퍼터링되는 원소는 고밀도의 플라즈마에 의하여 이온화되며, 이와 같이 발생된 이온들은 전도성 시료장착대(7)에 인가되는 음(-)의 고전압 펄스(11)에 의하여 시료(6) 방향으로 가속되어 시료의 표면에 이온주입되므로 반드시 동기화가 이루어져야 한다.
상기의 고체 원소 플라즈마 이온주입 공정에 이용되는 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)의 종류는 생체적합성이 뛰어나고 시료 내부에 이온주입되어 세라믹 입자를 형성할 수 있는 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀, 탄탈륨 등의 원소를 포함하는 것을 사용하도록 한다.
상기의 고체 원소 플라즈마 이온주입 공정에 이용되는 펄스직류 전력 밀도는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 10 W/cm2 내지 10 kW/cm2, 더욱 바람직하게는 100 W/cm2 내지 5 kW/cm2의 값을 갖도록 한다. 그 이유로는, 10 W/cm2 이하의 낮은 펄스직류 전력으로는 마그네트론 스퍼터링 증착원(4)을 이루는 마그네트론 스퍼터링 타겟으로부터 이온화율이 높은 고밀도의 플라즈마 발생이 어려운 반면, 10 kW/cm2 이상의 값을 이용하기에는 현실적으로 펄스직류 전원장치(2)의 제작에 어려움이 많기 때문이다.
상기의 고체 원소 플라즈마 이온주입 공정에 이용되는 펄스직류 전원의 작동 주파수 및 펄스폭은, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 0.1 Hz 내지 100 Hz, 더욱 바람직하게는 1 Hz 내지 50 Hz의 주파수와 10 μsec 내지 1 msec, 더욱 바람직하게는 50 μsec 내지 500 μsec의 펄스폭을 갖도록 한다. 그 이유로는, 0.1 Hz 이하의 낮은 주파수로는 고체 원소 플라즈마 이온주입 공정시간이 너무 많이 소요되므로 경제적인 가치가 감소하며, 100 Hz 이상의 높은 주파수의 경우 시료의 온도상승으로 인하여 시료로 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌이 녹아서 공정을 수행할 수 없다. 펄스폭의 경우, 10 μsec 이하의 짧은 펄스폭으로 작동할 경우, 고밀도 고체 원소 플라즈마의 발생이 충분하지 않으므로 발생된 마그네트론 스퍼터링 타겟의 원소의 이온화율이 낮으며, 1 msec 이상의 긴 펄스폭을 이용할 경우, 높은 펄스 전력으로 인하여 상기 타겟에 아크가 발생할 확률이 높아 공정이 불안정하기 때문이다.
상기의 고체 원소 플라즈마 이온주입 장치의 전도성 시료장착대(7)에 인가되는 고전압 펄스(11)의 작동 주파수, 펄스폭 및 음(-)의 펄스 고전압에 대해서는, 작동 주파수의 경우 상기 타겟에 인가되는 펄스직류 전력과 동일한 주파수인 0.1 Hz 내지 100 Hz 의 주파수와 동기화시켜 이용하여야 하며, 펄스폭은 1 μsec 내지 200 μsec, 바람직하게는 5 μsec 내지 100 μsec를 사용하고, 음(-)의 펄스 고전압은 -1 kV 내지 -100 kV, 바람직하게는 -5 kV 내지 -80 kV의 값을 이용한다. 그 이유로는 펄스폭의 경우, 1 μsec 이하의 짧은 펄스폭으로는 고체 원소 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어지지 않으며, 200 μsec 이상의 긴 펄스로 작동하면 전도성 시료장착대(7)에 인가되는 음(-)의 고전압에 의한 플라즈마 쉬스(plasma sheath)가 너무 많이 팽창하여 진공조(1)의 벽에 닿으면서 플라즈마가 꺼질 우려가 있으며, 시료장착대에 고전압이 인가되는 시간이 길어짐에 따라 시료장착대(7)에 아크가 발생할 가능성이 높기 때문이다. 또한, -1 kV 이하의 낮은 전압으로는 시료의 표면에 이온이 주입되는 깊이가 너무 얕은 단점이 있으며, -100 kV 이상의 고전압 펄스 전원 장치(12)의 제작에는 현실적으로 많은 어려움이 따르기 때문이다.
실시예 1
본 발명에 의한 방법에 따른 티타늄 플라즈마 이온주입 실험을 다음과 같이 실시하였다. 직경 7.5 mm 반구 형태의 핀 모양 초고분자량 폴리에틸렌(GUR-4150, 중량 평균 분자량:920만)을 준비하고 핀 끝부분의 지름을 450 μm 가 될 때까지 마모시킨 후 시험에 사용하였다. 이는 마모시험 초기의 순간적인 점접촉으로 인한 무한대의 하중으로 인해 잘못된 결과가 발생하는 것을 막기 위함이다. 마그네트론 스퍼터링 증착원으로는 직경 75 mm, 두께 6 mm 의 티타늄 타겟을 이용하였으며, 이온주입 시료로는 초고분자량 폴리에틸렌을 이용하였다. 초고분자량 폴리에틸렌 시료를 상부에 전도성 그리드가 장착된 전도성 시료장착대에 장착한 뒤, 진공조를 5 × 10-6 Torr 의 진공도로 배기한 후, 아르곤 가스를 인입시켜 진공조 내부의 아르곤 압력을 2 mTorr로 유지하였다. 곧 이어, 플라즈마 발생용 안테나에 13.56 MHz, 200 Watt 의 RF 전력을 인가하여 아르곤 플라즈마를 발생시키고, 마그네트론 스퍼터링 증착원에 펄스직류 전력을 인가하여 마그네트론 스퍼터링 증착원을 작동시켰다. 인가한 펄스직류 전압은 -0.7 kV, 펄스전류는 50 mA 로 하여 약 600 W/cm2 의 펄스전력을 사용하였다. 또한, 펄스직류 전력의 주파수는 10 Hz, 펄스폭은 130 μsec 로 행하였으며, 따라서, 평균 전력은 35 W 로 마그네트론 스퍼터링 증착원의 냉각에 문제가 없도록 하였다.
또한, 상기한 방법으로 티타늄 마그네트론 스퍼터링 증착원을 작동시킴과 동시에, 초고분자량 폴리에틸렌 시료에 음(-)의 고전압 펄스를 인가함으로써 플라즈마 이온주입 공정을 각각 15, 30, 45 분간 행하였다. 실험시 이용된 고전압 펄스값은, -60 kV, 20 μsec 로 하였으며, 주파수는 티타늄 마그네트론 스퍼터링 증착원과 동일한 10 Hz 로 하여 동기화시켰다. 또한, 130 μsec 의 티타늄 마그네트론 스퍼터링 증착원용 펄스직류가 인가된 후, 약 100 μsec 후에 시료에 20 μsec 의 고전압 펄스가 인가되도록 함으로써, 티타늄 플라즈마 이온밀도가 충분히 높은 상태에서 티타늄 플라즈마 이온주입이 이루어지도록 하였다.
상기의 방법으로 티타늄 플라즈마 이온 주입된 초고분자량 폴리에틸렌 시료는 아래와 같은 방법으로 스텐레스 스틸(SUS 316L)에 대한 마모특성 실험을 하였다.
상대재로 사용된 스텐레스 스틸은 직경 30 mm, 두께 8 mm 로 기계 가공되었으며 600# 부터 2400# 까지 그라운딩 후에 1 ㎛ 다이아몬드 서스펜션으로 폴리싱하여 표면 조도값을 0.015 ㎛ 까지 맞춘 뒤 사용하였다. 윤활유로는 증류수에 티타늄 플라즈마 이온주입이 이루어진 초고분자량 폴리에틸렌 핀(이하 시편이라 함)과 스텐레스 스틸을 담궈 실험을 진행하였으며, 시편은 상부에 고정시킨 채로 스텐레스 스틸을 하부 회전축을 중심으로 100 rpm 의 속도로 회전시켜 1000 분 동안 마모특성 실험을 진행하였다. 마모 실험 중 하중은 250 gf 로 고정시킨 후 마모된 단면적을 측정하여 마모도를 평가하였다.
도 2에서 보는 바와 같이, 이온 주입되지 않은 초고분자량 폴리에틸렌 핀의 마모량에 비해, 30 분간 티타늄 이온 주입된 초고분자량 폴리에틸렌 핀의 마모량이 현저히 적음을 알 수 있으며, 이로부터 티타늄 플라즈마 이온주입된 초고분자량 폴리에틸렌 핀의 내마모 특성이 매우 우수함을 알 수 있다.
티타늄 플라즈마 이온주입 실험을 통해 만들어진 시편의 가교도를 퓨리에변환 적외선분광기(Fourier transform infrared spectrometer, THERMO MATTSONMODEL INFINITY GOLD FT-IR)를 통하여 측정하였다. 티타늄 플라즈마 이온 주입된 초고분자량 폴리에틸렌과 이온주입하지 않은 초고분자량 폴리에틸렌을 통해 가교 정도를 비교하였다. 도 3에서 보는 바와 같이 가교와 관련된 965 cm-1, 1646 cm-1 의 피크가 티타늄 플라즈마 이온 주입된 초고분자량 폴리에틸렌(b)에서만 확인된 점을 볼 때 티타늄 플라즈마 이온 주입된 초고분자량 폴리에틸렌에서만 가교가 일어남을 알 수 있다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1.진공조 2.펄스직류 전원장치
3.펄스직류 4.마그네트론 스퍼터링 증착원
5.펄스 플라즈마 6.시료
7.시료장착대 8.플라즈마 발생 가스 도입장치
9.플라즈마 발생 가스 10.진공펌프
11.고전압 펄스 12.고전압 펄스 전원장치
13.진공조 접지 14.전도성 그리드

Claims (13)

  1. 진공조;
    상기 진공조에 장착된 플라즈마 발생 가스 도입장치;
    상기 진공조 내에 장착되는 마그네트론 스퍼터링 증착원;
    상기 진공조 내에 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원에 이격되어 설치되고 시료가 장착되는 시료 장착대;
    상기 마그네트론 스퍼터링 증착원과 상기 시료 장착대 사이에 전도성 그리드가 위치하도록 상기 시료 장착대에 장착되는 전도성 그리드;
    상기 마그네트론 스퍼터링 증착원에 펄스 직류 전원을 인가하여 플라즈마 이온이 발생하도록 하는 펄스직류 전원 장치; 및
    상기 펄스직류 전원 장치에 의해 전원이 인가되어 발생된 플라즈마 이온을 시료 장착대의 시료 방향으로 가속되도록, 상기 시료 장착대에 상기 펄스 직류 전원와 동일한 주파수로 동기화된 음(-)의 고전압 펄스를 인가하는 고전압펄스 전원 장치를 포함하는, 고체이온 주입 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 마그네트론 스퍼터링 증착원을 이루는 마그네트론 스퍼터링 타겟은 붕소, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 나이오븀 및 탄탈륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 것인 고체이온 주입 장치.
  4. 삭제
  5. 진공조 내부에서 전도성 그리드가 장착된 시료 장착대 위에 고분자 시료를 위치시켜 상기 고분자 시료가 마그네트론 스퍼터링 증착원과의 사이에 전도성 그리드를 두고 시료 장착대 위에 놓이도록 하는 단계;
    상기 진공조 내부가 진공 상태가 되도록 배기하는 단계;
    상기 진공조 내부에 플라즈마 발생 가스를 공급하는 단계;
    마그네트론 스퍼터링 증착원을 이루는 마그네트론 스퍼터링 타겟에 펄스 직류를 인가함과 동시에 상기 시료장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 상기 펄스직류와 동일한 주파수로 동기화시켜 인가하는 단계; 및
    상기 타겟으로부터 발생된 고체이온가 전도성 그리드를 통과하여 플라즈마 이온 형태로 고분자 시료의 표면에 주입되는 단계;
    를 포함하는, 고분자를 처리하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 타겟에 인가되는 상기 펄스직류의 전력밀도가 10 W/cm2 내지 10 kW/cm2 인 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 타겟에 인가되는 상기 펄스직류의 주파수와 펄스폭이 각각 0.1 Hz 내지 100 Hz 및 10 μsec 내지 1 msec 인 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 시료장착대에 인가되는 고전압 펄스의 펄스폭 및 음(-)의 펄스 고전압이 각각 1 μsec 내지 200 μsec, 및 -1 kV 내지 -100 kV 인 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 가스가 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 및 크세논 중 1종 이상을 포함하는 것인 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 진공조 내부의 플라즈마 발생 가스의 압력이 0.5 mTorr 내지 5 mTorr 가 되도록 플라즈마 발생 가스를 공급하는 방법.
  11. 제5항에 있어서, 상기 고분자가 폴리에틸렌인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고분자가 초고분자량 폴리에틸렌인 방법.
  13. 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 처리된 고분자를 포함하는 인공관절.
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