KR101182009B1 - 표면 처리된 다결정성 세라믹 치열교정용 브래킷 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아치와이어(archwire; 20)를 치아와 커플링(coupling)시키기 위한 치열교정용 브래킷(orthodontic bracket; 10)에 관한 것이다. 당해 치열교정용 브래킷(10)은 아치와이어(20)를 내부에 수용하도록 배열된 아치와이어 슬롯(18)를 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체(12)를 포함한다. 이러한 CIM 브래킷 본체(12)는 다결정성 세라믹을 포함한다. 알루미나 또는 이산화규소의 피막(14)은 적어도 아치와이어 슬롯(18)의 표면과 연속적으로 직접 접촉한다. 치열교정용 브래킷(10)은 예기치 못하게 높은 토크 강도(torque strength)를 특징으로 한다. 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체(12)는 3.4㎛ 초과 내지 약 6㎛ 범위의 평균 입자 크기를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹을 포함할 수 있어, 치열교정용 브래킷은 또한 예기치 못하게 높은 파괴 인성(fracture toughness)을 특징으로 한다. 이러한 치열교정용 브래킷(10)의 제조방법은 세라믹 분말을 사용하여 브래킷을 사출 성형시키는 단계, 성형된 브래킷을 소결(sintering)시키는 단계 및 세라믹 사출 성형된 브래킷을 피복시키는 단계를 포함한다.
세라믹 사출 성형된 브래킷, 아치와이어, 치열교정용 브래킷, 다결정성 세라믹, 피막. 토크 강도, 입자 크기 분포, 파괴 인성.

Description

표면 처리된 다결정성 세라믹 치열교정용 브래킷 및 이의 제조방법 {SURFACE TREATED POLYCRYSTALLINE CERAMIC ORTHODONTIC BRACKET AND METHOD OF MAKING SAME}
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은 전문이 본원에 참고로 인용되어 있는, "표면 처리된 다결정성 세라믹 치열교정용 브래킷(surface treated polycrystalline ceramic orthodontic bracket) 및 이의 제조방법"이라는 발명의 명칭으로 2008년 11월 14일자로 출원된 미국 특허원 제61/114,565호의 출원일의 이익을 청구한다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 치열교정용 브래킷, 특히, 표면 처리된 다결정성 세라믹 치열교정용 브래킷에 관한 것이다.
치열교정용 브래킷은 환자의 교합을 개선시키는데 주력하는 교정적 치열교정 치료의 주요 구성요소를 나타낸다. 종래의 치열교정 치료에서, 치열교정의는 브래킷을 환자의 치아에 고정하고 아치와이어(archwire)를 각 브래킷의 슬롯(slot)에 맞물리게 한다. 아치와이어는 오정렬된 치아를 치열교정에 의한 교정 위치로 억지로 이동시키는 교정압을 적용한다. 작은 탄성중합체성 O-링 또는 미세 금속 와이어와 같은 결찰(ligature)이 각각의 브래킷 슬롯 내에 아치와이어를 보유하는 데 사용된다. 대안적으로, 결찰시킬 필요가 없는 자가-결찰 치열교정용 브래킷이 개발되었다. 결찰을 사용하는 대신에, 자가-결찰 브래킷은 이동 가능한 래치(latch) 또는 슬라이드에 의존하여 아치와이어를 브래킷 슬롯 내에 붙들어 둔다.
종래의 치열교정용 브래킷은 원래, 강하고 비흡수성이며 용접 가능하고 형성 및 기계가공이 비교적 용이한 스테인레스 강으로부터 형성된다. 그러나, 금속 치열교정용 브래킷을 사용하여 치열교정 치료를 받는 환자들은, 무심결에 보아도 치료중이라는 것을 대번에 알 수 있고 보다 중요하게는 미용상으로 보기좋지 않은 금속 브래킷의 가시성에 의해 당황할 수 있다. 미용상의 외관을 개선시키기 위해, 특정 치열교정용 브래킷은 중합체 수지 또는 세라믹과 같은 투명 또는 반투명 비-금속 물질로 이루어진 브래킷 본체를 사용한다. 브래킷의 투명 또는 반투명 성질은 밑에 있는 치아의 색 또는 음영이 브래킷을 통해 보이도록 할 수 있다. 이러한 이유로, 그리고 금속 브래킷과 비교하여, 투명 또는 반투명 브래킷이 덜 눈에 띄므로 보다 바람직할 수 있다.
세라믹 브래킷이 미관상 금속 브래킷을 능가하기는 하지만, 세라믹 브래킷은 예상치 않게(catastrophically) 고장나기 보다는 더 잘 변형되는 금속 브래킷보다 더 쉽게 파괴되는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 인장 및 굴곡 응력에 대한 내성이 더 우수하고 공지된 세라믹 브래킷의 다른 결함을 극복하는 세라믹 브래킷이 요구되고 있다.
이러한 목적을 위해, 본 발명의 하나의 양태에서, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷은, 치아에 장착되도록 배열되고 내부에 아치와이어를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯을 포함하는 세라믹 사출 성형된(ceramic injection molded; CIM) 브래킷 본체를 포함한다. CIM 브래킷 본체는 다결정성 세라믹, 및 아치와이어 슬롯의 표면을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 적어도 일부와 연속적으로 직접 접촉하는 알루미늄 또는 이산화규소의 제1 피막(first coating)을 포함한다.
또 다른 양태에서, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷은, 치아에 장착되도록 배열되고 내부에 아치와이어를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯을 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체를 포함한다. CIM 브래킷 본체는 다결정성 세라믹, 및 아치와이어 슬롯의 표면을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 적어도 일부와 접촉하는 알루미나로 본질적으로 이루어진 제1 피막을 포함한다.
또 다른 양태에서, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷은, 치아에 장착되도록 배열되고 내부에 아치와이어를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯을 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체를 포함한다. CIM 브래킷 본체는 3.4㎛ 초과 내지 약 6㎛ 범위의 평균 입자 크기(average grain size)를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹, 및 아치와이어 슬롯의 표면을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 적어도 일부와 연속적으로 직접 접촉하는 알루미나 또는 이산화규소의 제1 피막을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷의 제조방법은 세라믹 분말과 결합제의 혼합물을 제공하는 단계; 혼합물을 금형 캐비티(mold cavity)에 주입하여 성형된 브래킷 본체를 형성하는 단계; 성형된 브래킷 본체를 가열하여 성형된 브래킷 본체로부터 결합제를 실질적으로 제거하는 단계; 성형된 브래킷 본체를 소결시켜, 치아에 장착되도록 배열된 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체를 형성하는 단계; 아치와이어를 내부에 수용하도록 배열된 CIM 브래킷 본체에 아치와이어 슬롯을 형성하는 단계; 및 아치와이어 슬롯을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 적어도 일부에 걸쳐 CIM 브래킷 본체와 연속적으로 직접 접촉하는 알루미나 또는 이산화규소의 피막을 형성하는 단계를 포함한다.
여전히 또 다른 양태에서, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷은, 치아에 장착되도록 배열되고 내부에 아치와이어를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯을 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체를 포함한다. CIM 브래킷 본체는 3.4㎛ 초과 내지 약 6㎛ 범위의 평균 입자 크기를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹, 및 아치와이어 슬롯의 표면을 포함한, CIM 브래킷 본체의 적어도 일부와 연속적으로 직접 접촉하는 세라믹의 피막을 포함한다.
본 발명에 따라 제조된 치열교정용 브래킷은 핸들링, 설치 또는 보다 중요하게는 임상 사용 동안 파괴될 가능성이 덜하다. 따라서, 환자에 의한 파손된 브래킷의 섭취 또는 흡입의 위험이 덜하고; 환자가 브래킷을 덜 교체할 수 있고; 치열교정 처리가 보다 신속하게 진행된다. 또한, 본 발명의 브래킷은 환자가 치료 동안 남의 이목을 덜 의식하도록 미관상으로 만족스럽다.
본 발명의 하나의 양태에 따르는 예시적인 치열교정용 브래킷(10)이 도 1에 도시되어 있다. 치열교정용 브래킷(10)은 다결정성 세라믹을 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체(12), 및 CIM 브래킷 본체(12)의 적어도 일부를 피복하는, 알루미나(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 기타의 세라믹, 예를 들면, 기타의 산화물, 질화물 또는 붕소화물의 피막(14)을 포함한다. 본 발명자들은 피막(14)이 CIM 브래킷 본체(12)의 토크 강도를 예상외로 개선시키고 다른 제조방법을 통해서는 전형적으로 직면하지 못하는 세라믹 사출 성형 공정과 관련된 독특한 표면 결함의 효과를 약화시키는 것을 밝혀냈다. 피막(14)은 아래에 보다 상세하게 기재되어 있다.
치열교정용 브래킷(10)은 또한 CIM 브래킷 본체(12)에 커플링된 이동 가능한 밀폐 부재(closure member)를 포함할 수 있다. 이동 가능한 밀폐 부재는 CIM 브래킷 본체(12)와 커플링되는 결찰 슬라이드(ligating slide)(16) 또는 기타의 기계적 래치(mechanical latch)를 포함할 수 있다. 결찰 슬라이드(16)는 도 1에 도시된 바와 같은 개방된 위치와 폐쇄된 위치(도시되지 않음) 사이에서 이동할 수 있다. 자가-결찰 브래킷이 도 1에 도시되어 있지만, 본 발명의 양태는 자가-결찰 브래킷에 제한되지 않으며, 치열교정 치료 분야에 공지된 타이윙형(tiewing-type) 치열교정용 브래킷을 포함한 다른 유형의 각종 치열교정용 브래킷(즉, 결찰을 필요로 하는 것)에 동일하게 적용 가능하다.
도 1을 참고로 하여, CIM 브래킷 본체(12)는, CIM 브래킷 본체(12)가 환자의 치아에 고정되는 경우 치아에 교정력을 적용하기 위해 내부에 형성되고 아치와이어(20)(가상선으로 도시됨)를 수용하는 데 적합한 아치와이어 슬롯(18)을 포함한다. 환자의 상악에 지탱된 치아의 순측면(labial surface)에 장착되는 경우, CIM 브래킷 본체(12)는 설측면(22), 교합면(24), 잇몸면(26), 근심면(28), 원심면(30) 및 순측면(32)을 갖는다. CIM 브래킷 본체(12)의 설측면(22)은 통상의 방식으로, 예를 들면, 적합한 치열교정 시멘트 또는 접착제에 의해 또는 인접 치아(도시되지 않음) 주위의 밴드에 의해 치아에 고정되도록 배열된다. 설측면(22)에는, 치아의 표면에 고정하기에 적합한 결합 베이스(bonding base)(34)를 한정하는 패드(33)가 추가로 제공될 수 있다. CIM 브래킷 본체(12)는 근심면(28)에서 원심면(30)으로 근심-원심 방향으로 연장되는 아치와이어 슬롯(18)을 집합적으로 한정하는 베이스 표면(36)으로부터 입술쪽으로 돌출된 한 쌍의 반대되는 슬롯 표면(38, 40) 및 베이스 표면(36)을 포함한다.
따라서, 도 1을 참고로 하여, 본 발명의 하나의 양태에서, 피막(14)은 적어도 아치와이어 슬롯(18)의 표면(36, 38 및 40)을 피복한다. 그러나, 피막(14)은 CIM 브래킷 본체(12)의 다른 표면 위에, 예를 들면, 측면(22, 24, 26, 28, 30 및 32) 중의 하나 이상에 배치할 수 있다. 예를 들면, 피막(14)은 아치와이어(20)와의 접촉을 겪는 표면, 사출 성형 공정으로부터의 결함이 일어나는 것으로 공지된 CIM 브래킷 본체(12)의 영역, 및/또는 사용 또는 설치 동안에 인장 응력을 겪는 표면에 배치할 수 있다. 대안적으로, 피막(14)은 CIM 브래킷 본체(12)의 실질적으로 모든 가시적인 표면을 피복할 수 있다. 피막(14)의 배치는 피막(14)을 형성하는 데 사용되는 공정에 따라 좌우될 수 있음을 인지할 것이다.
앞서 제공된 바와 같이, CIM 브래킷 본체(12)는 당해 기술분야에 공지된 바와 같은 세라믹 사출 성형 공정으로 형성되며, 세라믹 사출 성형 업체, 예를 들면, 일본 도쿄에 소재하는 토소 코포레이션(Tosoh Corporation) 및 캘리포니아 코스타 메사에 소재하는 세라딘 인코포레이티드(Ceradyne Inc.)에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, CIM 브래킷 본체(12)는 알루미나 분말과 같은 세라믹 분말을 하나 이상의 결합제와 혼합하여 페이스트 또는 증점성 슬러리를 형성함으로써 제조할 수 있다. 결합제(예를 들면, 열가소성 또는 열경화성 중합체 또는 왁스)는 사출 동안의 페이스트의 유동 및 이후의 탈결합 또는 예비소결 작업 동안의 번아웃(burnout) 또는 제거 둘 다를 촉진시키도록 제형화될 수 있다. 페이스트는 사출 전에 100℃ 내지 200℃로 가열할 수 있다. 고압 유압 프레스(hydraulic press)를 사용하여 가열된 페이스트를 100MPa 이하의 압력에서 금형 캐비티에 주입시킬 수 있지만, 페이스트의 점도, 분말 유형 및 기타의 공정 요소에 따라 보다 크거나 작은 압력을 사용할 수 있다. 금형 캐비티는 적어도 부분적으로, 있다면 후속적인 소결 작업 동안의 수축을 고려하여 조절된 CIM 브래킷 본체(12)의 형태에 상응한다. 또한, 아치와이어 슬롯(18)은 금형 캐비티에 의해 완전히 형성되거나 부분적으로 형성되거나 또는 형성되지 않을 수 있다.
사출 성형 후, 성형된 CIM 브래킷 본체를 결합제를 제거하기 위해 당업계에 공지된 온도로 가열한다. 예를 들면, 알루미나의 경우, 결합제 제거는 200℃ 내지 700℃의 온도에서 일어날 수 있다. 결합제 제거 후, 성형된 CIM 브래킷 본체를 추가의 가열에 의해 예비소결시킬 수 있다. 고순도 알루미나(알루미나 약 99.95중량%)의 예비소결은 900℃ 내지 1200℃의 온도에서 일어날 수 있다. 예비소결 후, 예비소결된 CIM 브래킷 본체(12)를 소결시킨다. 소결 온도는, 예를 들면, 출발 분말의 입자 크기 분포, 다른 공정 요소, 및 아래에 보다 상세하게 기재되어 있는 다결정성 세라믹의 입자 크기 분포에 따라 1400℃ 내지 1800℃일 수 있다. 다른 양태에서, 예비소결된 사출 성형 CIM 본체는 당업계에 공지된 바와 같이 1300℃ 내지 1600℃의 온도로, 68MPa 내지 207MPa의 압력에서 고온 등압 방식으로 프레싱(hot isostatically pressed)(HIPed)할 수 있다. 소결 작업 이외에 HIPing이 사용될 수 있음을 인지할 것이다. 소결 및/또는 HIPing 후, CIM 브래킷 본체(12)는 입자의 분포를 특징으로 하는 다결정성 세라믹을 포함한다. 하나의 양태에서, 다결정성 세라믹은 3.4㎛ 초과 내지 약 6㎛ 범위의 평균 입자 크기를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 알루미나를 포함한다. 아래에 기재된 바와 같이, 이러한 범위의 평균 입자 크기를 갖는 다결정성 세라믹은 예상외로 높은 파괴 인성을 나타낸다.
하나의 양태에서, 소결 및/또는 HIPing 후, CIM 브래킷 본체(12)를 어닐링(annealing), 즉 입자 크기 분포를 추가로 개질시키기에 충분한 온도로 가열하고 그 시간 동안 유지시킨다. 입자 크기 분포의 개질은 약 1300℃ 이상의 온도에서 일어날 수 있다. 그러나, CIM 브래킷 본체(12)가 어닐링 온도에서 유지되는 시간에 따라 1300℃보다 더 높거나 낮은 온도가 입자 크기 분포를 개질시킬 수 있다. 예를 들자면, CIM 브래킷 본체(12)는 약 1300℃에서 약 1시간 동안 유지시킬 수 있다. 또한, 브래킷 본체는, 예를 들면, 수소(H2), 질소(N2), 산소(O2) 및 아르곤(Ar)을 포함하는 다양한 대기에서 가열할 수 있다.
상기한 작업에 이어서, 예를 들면, 아치와이어 슬롯(18)이 사출 성형 공정에 의해 단지 부분적으로 형성되거나 사출 성형 공정에 의해 형성되지 않은 경우, CIM 브래킷 본체(12)에 아치와이어 슬롯(18)을 완전히 형성하기 위해 연마 작업(grinding operation)이 요구된다. 제한하지 않으면서 예를 들자면, 아치와이어 슬롯(18)은 240/320 메쉬 다이아몬드 함침 휠(mesh diamond impregnated wheel)을 사용하여 연마할 수 있다.
세라믹 사출 성형이 치열교정용 브래킷과 같은 복잡한 형태를 형성하기 위한 경제적인 방법이기는 하지만, 이것은 세라믹 분말 형성 작업 동안 독특한 결함을 야기한다. 이러한 결함은 특히 불량한 혼합, 사출 동안의 불량한 압력 또는 온도 조절, 금형 설계, 또는 작업상 마모로부터의 금형의 결함의 결과일 수 있다. 세라믹 사출 성형과 관련된 표면 결함의 예가 도 2a, 2b, 2c 및 2d에 도시되어 있다. 결함은 결합제 풍부 영역에서 표면 결함, 예를 들면, 블리스터(blister)를 야기할 수 있는 CIM 브래킷 본체(12)에서의 편재된 분말/결합제 밀도 변화를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 블리스터는 종종 도 2a에 도시된 바와 같은 표면 결함을 남기는 결합제 번아웃 작업 동안 갑작스레 나타난다. 추가의 예를 들자면, 도 2b는 다중 결함을 갖는 아치와이어 슬롯의 표면의 바닥 엣지(bottom edge)를 도시한다. 유사하게, 도 2c는 아치와이어 슬롯에서의 다른 결함을 예시하며, 보다 낮은 배율로 촬영한 도 2d는 아치와이어 슬롯의 표면에서의 결함의 만연을 나타낸다. 다른 결함은 균열, 기공, 또는 균열과 기공 둘다를 포함한다. 이러한 결함들은 몇가지만 언급하자면 도구 마모, 결합제와 금형 표면 사이의 접착, 또는 블리스터의 결과일 수 있다. 몇몇 경우에서, 분말/결합제 밀도 변화는 미세균열에 의해 이후에 완화되는 CIM 브래킷 본체(12)에서의 잔류 응력을 생성하는 불균질 영역을 야기한다.
결함은, 이들이 도 2a 내지 2d에 도시된 바와 같이 아치와이어 슬롯(18)에서 또는 그 주위에서 발생하거나 또는 높은 인장 응력 영역에서 발생하는 경우에 특히 문제가 된다. 당업계의 숙련가들은, 치아의 오정렬을 교정하기 위해 아치와이어(20)가 토크를 CIM 브래킷 본체(12)에 적용하여 치아가 치열교정에 의한 교정 위치로 가도록 할 수 있음을 인지할 것이다. 아치와이어(20)로부터의 토크는 치열교정용 브래킷(10)에서 인장 응력을 형성한다. 인장 응력은 상기한 결함의 존재에 의해 확대된다. 인장 응력이, 특정한 단일 결함에 의해 확대되는 경우, 세라믹 브래킷의 강도를 초과하면, 세라믹 브래킷이 파괴된다. 전형적으로, 세라믹 브래킷은 세라믹 물질의 이론적 강도를 기초로 하여 예측되는 정도보다 훨씬 낮은 응력 수준에서 부서진다.
세라믹 사출 성형에 의해 제조된 브래킷 본체와 특이적으로 관련된 문제를 해결하기 위한 노력으로, 본 발명자들은 아치와이어 슬롯(18)의 표면(36, 38 및 40)을 포함한 CIM 브래킷 본체(12)의 일부 위의 피막(14)이 예기치 못하게도 치열교정용 브래킷(10)의 토크 강도를 개선시킴을 밝혀냈다. 특히, 본 발명의 치열교정용 브래킷(10)은 피막(14)이 없는 동일 설계의 브래킷 본체보다 더 높은 토크 강도를 특징으로 한다. 단지 예를 들자면, 성형된 상태의 브래킷 본체를 능가하는 토크 강도의 개선도는 대략 5% 이상일 수 있으며; 추가의 예에서, 토크 강도의 개선도는 대략 20% 이상일 수 있고; 추가의 예에서 대략 60% 이상일 수 있다. 유리하게는, 치열교정용 브래킷(10)은 취급, 설치 또는 보다 중요하게는 임상 사용 동안 파괴될 가능성이 덜하다. 따라서, 환자가 파손된 브래킷을 섭취 또는 흡입할 위험이 적어지고; 환자가, 존재하는 경우, 브래킷을 보다 적게 교체하고; 치열교정 치료가 보다 신속하게 진행된다. 또한, 치열교정용 브래킷(10)은 환자가 치료 동안 남의 이목을 덜 의식하도록 미관상으로 만족스럽다.
하나의 양태에서, 피막(14)은 무정형이다(무정형 물질은 원자 구조에 있어서 장범위 규칙성(long range order)이 결여되고 첨예하게 정의된 x선 회절 피크를 특징으로 하지 않는다). 무정형이기보다는, 또 다른 양태에서, 피막(14)은 나노결정을 포함하며, 이것은 단지 2개 또는 3개 단위 셀을 측정할 수 있지만 일반적으로 하나의 치수를 가로질러 100nm 미만이다. 하나의 양태에서, 피막(14)은, 피막(14)의 미세구조가 CIM 브래킷 본체(12)의 미세구조보다 더 미세하도록 하는 결정을 포함한다. 예를 들자면, 피막(14)에서 결정의 평균 크기는 CIM 브래킷 본체(12)의 평균 입자 크기보다 작을 수 있다. 하나의 양태에서, 피막(14)은 고순도 알루미나 또는 이산화규소를 포함한다. 알루미나 또는 이산화규소의 결정 또는 나노결정은, 심지어 부분적으로도, 유리 매트릭스와 같은 다른 물질의 매트릭스에 의해 함유되지 않는다. 대신, 나노결정 형태 또는 무정형 형태의 알루미나 또는 이산화규소는 CIM 브래킷 본체(12)와 연속해서 직접적으로 연통한다. 추가로, 또 다른 양태에서, 알루미나의 피막(14)은 약 87.5중량% 이상 알루미나이다. 추가의 예에서, 알루미나는 약 99중량% 이상 알루미나이다. 또 다른 예에서, 알루미나는 약 99.5중량% 이상 알루미나이다. 하나의 양태에서, 피막(14)은 알루미나로 본질적으로 이루어진다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "본질적으로 이루어진"은 어떠한 다른 요소도 피막(14)에 의도적으로 첨가되지 않음을 의미한다. 그러나, 원료 또는 제조공정으로부터의 다른 요소의 불순물 함량을 고려할 수 있다.
하나의 양태에서, 피막(14)은 피막(14)을 증착시켜 형성한 알루미나 또는 이산화규소의 박막일 수 있다. 증착된 피막은 당업계에 공지된 필름 증착 기술, 예를 들면, 물리적 증착(PVD) 또는 화학적 증착(CVD)으로 형성시킬 수 있지만, 다른 필름 증착 기술이 동등하게 적합할 수 있다.
피막(14)은 수 Å(예를 들면, 알루미나 또는 이산화규소의 2개 또는 3개 프리미티브(primitive) 단위 셀 두께) 내지 약 15㎛의 두께를 갖거나, 또는 개선된 토크 강도를 제공하면서 CIM 브래킷 본체(12)의 외관을 저하시키지 않는 다른 두께일 수 있다. 예를 들면, 피막(14)은 CIM 브래킷 본체(12)의 표면 조도(surface roughness)를 고려하여 연속 피막을 제공하도록 하는 최소 두께일 수 있다. 구체적으로, CIM 브래킷 본체(12)의 표면 조도가 0.1㎛ Ra인 경우, 피막 두께는 CIM 브래킷 본체(12)의 표면을 가로질러 연속 피막을 생성하도록 평균 약 0.1㎛ 두께이거나 이 보다 약간 더 두꺼울 수 있다. 추가의 예에서, 피막 두께는 약 1㎛ 내지 약 2㎛의 두께일 수 있으며, 또 다른 예에서, 피막(14)은 약 1.5㎛ 두께이다.
도 3을 참고로 하여, 또 다른 양태에서, 추가의 피막을 피막(14) 위에 형성하여 CIM 브래킷 본체(12) 위에 다층 피막(42)을 생성한다. 예를 들면, 제2 피막(44)을, 상기한 피막(14)를 형성하는 데 사용된 유사한 방법으로 피막(14)의 적어도 일부에 걸쳐 형성할 수 있다. 도 3에 도시된 하나의 양태에서, 제2 피막(44)은 피막(14)과 연속적으로 직접 연통한다. 제2 피막(44)은 피막(14)에 부착되는 세라믹, 예를 들면, 알루미나, 다른 투명 산화물, 질화물 또는 붕소화물일 수 있다. 대안적으로, 제2 피막(44)은 본래부터 투명하거나 반투명하지는 않지만 제2 피막(44)을 포함하는 다층 피막(42)을 용이하게 투명 또는 불투명하게 만들도록 충분히 얇은 두께를 갖는 물질일 수 있다. 제2 피막(44)은 수 Å 내지 약 15㎛의 두께일 수 있다. 추가의 예에서, 제2 피막(44)은 약 1㎛ 내지 약 2㎛의 두께이거나, 또는 다른 예에서, 약 1.5㎛ 두께일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 또 다른 양태에서, 제3 피막(46)을 제2 피막(44)의 적어도 일부 위에 형성할 수 있다. 제3 피막(46)은 제2 피막(44) 또는 피막(14)과 동일한 물질일 수 있거나, 또는 제3 피막(46)은 제2 피막(44) 및 피막(14)의 일부 및 제2 피막(44)에 의해 피복되지 않은 CIM 브래킷 본체(12)에 부착되는 상이한 세라믹일 수 있다. 각각의 피막(14, 44, 46)은, (도 3에 도시된 바와 같이) 실질적으로 동일한 두께라기 보다는, 상이한 두께일 수 있다. 다층 피막(42)은, 전반적으로, 브래킷의 미관상 특징이 다층 피막(42)에 의해 손상되지 않도록 투명하거나 반투명하다. 다층 피막(42)이 3층을 포함하는 것으로 묘사되어 있지만, 당업계의 숙련가들은 본원에 기재된 원리에 따라 추가의 층들이 추가될 수 있음을 인지할 것이다.
도 3에 도시된 바와 같은 다층 피막(42)을 형성하는 추가의 층은, 예를 들면, 하나의 피복 공정으로부터 하나 이상의 추가의 피복 공정으로 이전에 도포된 피막을 갖는 CIM 브래킷 본체(12)를 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 다층 피막(42)은 하나 이상의 추가의 별도의 층이 형성되도록 피복 공정의 전원을 펄싱(pulsing) 또는 사이클링(cycling)하여 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, CIM 브래킷 본체(12)의 표면의 일부는 피복 전에 제거한다. 예를 들자면, 제거된 표면의 일부는 CIM 브래킷 본체(12)의 모든 가시적인 표면을 포함할 수 있거나, 또는 아치와이어 슬롯 내의 표면을 포함할 수 있다. CIM 브래킷 본체(12)를 피복하기 전에 CIM 브래킷 본체(12)로부터 형성된 상태(as-formed)의 표면 결함을 제거하는 것은 토크 강도를 더욱 증진시킬 것으로 여겨진다. 성형된 상태의 브래킷 본체를 능가하는 토크 강도에 있어서의 개선은 대략 5% 이상일 수 있으며; 추가의 예에서, 토크 강도의 개선은 대략 20% 이상일 수 있고; 추가의 예에서, 대략 60% 이상일 수 있다. 제거되는 깊이는 사출 성형 및 상기한 후속적인 공정들과 관련된 결함을 제거하기에 충분한 정도이다. 하나의 양태에서, CIM 브래킷 본체(12)의 표면의 약 15㎛ 이하가 피복전에 제거된다. 표면의 일부를 제거하는 것은 연마, 플라스마 공급원을 사용한 표면의 에칭, 산(예를 들면, 인산, 황산, 또는 세라믹 물질을 에칭시킬 수 있는 기타의 산)을 사용한 표면의 에칭, 표면의 이온 밀링(ion milling) 또는 레이져를 사용한 표면의 용융, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, CIM 브래킷 본체(12)의 표면은, 표면에 이온으로 충격을 가함으로써 처리할 수 있다. 이온 충격(ion bombardment)은 CIM 브래킷 본체(12)의 표면의 일부를 제거한 후 또는 성형된 상태의 표면을 피복하기 전에 일어날 수 있다. 이온 충격은 이온을 CIM 브래킷 본체(12)의 표면에 이식(implanting)하는 금속 이온 충격을 포함할 수 있거나, 또는 혼합된 금속 이온 충격에 이은 희가스 이온 충격을 포함할 수 있다. 이온을 상기한 공정들 중의 하나 이상을 통해 표면에 이식하는 것은 CIM 브래킷 본체(12)의 표면에 압축 잔류 응력을 부가할 것으로 여겨진다. 토크 강도는 성형된 상태의 브래킷 본체보다 대략 5% 이상까지 증가하는 것을 관찰할 수 있으며; 추가의 예에서, 토크 강도의 개선은 대략 20% 이상일 수 있고; 추가의 예에서, 성형된 상태의 브래킷 본체보다 대략 60% 이상일 수 있다. 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만 도 1을 참고로 하면, 본 발명자들은 알루미나 또는 산화규소의 피막(14)이 아치와이어(20)와 아치와이어 슬롯(18) 사이의 마찰을 감소시키고 아치와이어(20)가 단일 위치에서 또는 아치와이어 슬롯(18) 내의 라인을 따라 CIM 브래킷 본체(12)로 마모되거나 파고드는 것을 방지하기 때문에 피막(14)이 예상치 못하게도 CIM 브래킷 본체(12)의 평균 토크 강도를 향상시킨다고 믿고 있다. 이것은 CIM 브래킷 본체(12)에서 미세균열을 유도할 가능성을 최소화시킨다. 추가로, 피막(14)은 인장 하중에 적용되는 경우 CIM 브래킷 본체(12)의 표면에서의 표면 흠(surface flaw)(예를 들면, 도 2a 내지 2d에 도시된 것)이 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 피막(14)은 또한 CIM 브래킷 본체(12)의 표면에 압축 응력을 형성할 수 있다. 따라서, 순수 인장 응력이 CIM 브래킷 본체(12)의 표면에서 경험되기 전에, 아치와이어(20)로부터의 토크에 의해 발생된 인장 응력이 먼저 표면에서 유도된 압축 응력을 압도해야 한다.
몇몇 예에서, 형성되는 균열이 CIM 브래킷 본체(12)에서보다는 피막(14)의 표면에서 더 많이 형성되도록, 응력을 피막(14)으로 우회시킬 수 있다. 피막(14)의 표면에서 개시되는 균열은 피막(14)과 CIM 브래킷 본체(12) 사이의 경계면으로 이동하여 여기서 이들이 편향되는 것으로 생각된다. 균열을 편향시킴으로써, 균열의 길이가 반드시 증가되어야 한다. 균열의 길이를 증가시킴으로써, 균열을 CIM 브래킷 본체(12)로 전파하는 데 필요한 인장 응력이 증가하고, 그 결과, 토크 강도가 개선된다. 도 3을 참고로 하여, 다중 피복 층이 사용되는 경우, 균열 전파 경로(crack propagation pathway)(48)는 각 층의 두께 뿐만 아니라 도시된 바와 같은 각 층 사이의 경계면을 따라 균열이 전파되는 경향에 의해 더욱 연장될 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해를 촉진하기 위해, 다음의 비제한적인 실시예가 제공된다.
실시예
2개의 상이한 자가-결찰 브래킷 설계의 샘플 브래킷(각각 금형 A 및 금형 C)을 일본 도쿄에 소재하는 토소 코포레이션으로부터 구입하였다. 2개의 상이한 다결정성 알루미나 조성물을 사용하여 금형 A 및 금형 C 브래킷을 성형하였다. 토소 코포레이션으로부터의 알루미나 조성물 중의 하나는 명칭 PXA-800-A(이하, "#1 알루미나 조성물")로 확인되었고, 다른 하나는 PXA-801-A(이하, "#2 알루미나 조성물")로 확인되었다. 2개의 알루미나 조성물 간의 공지된 차이는 세라믹 사출 성형 공정 동안 사용되는 결합제/분말 비이다. #2 알루미나 조성물은 #1 알루미나 조성물보다 더 많은 결합제를 갖는다. 브래킷을 형성하는 알루미나 조성물(즉, #1 알루미나 조성물 또는 #2 알루미나 조성물)을 명시하는 이외에, 브래킷의 미세구조의 목적하는 평균 입자 크기를 또한 명시한다. 제한하지 않고 다시 예를 들자면, 토소로부터 제공받은 CIM 브래킷 본체의 외부 표면의 미세구조가 도 4a에 도시되어 있으며, CIM 브래킷 본체의 내부 미세구조는 도 4b에 도시되어 있다. 제공받은 대로의 브래킷의 일부를 아래에 기재된 바와 같이 추가로 표면 처리하고 이에 따라 그룹화하였다. 각각의 브래킷의 토크 강도를 다음과 같이 측정하였다.
도 5a를 참고로 하여, 각각의 샘플 브래킷(50)을, 표면 처리 후, 접착제(예를 들면, Loctite® 480, P/N 48040, 제조원; Henkel Loctite Corporation, Rocky Hill, Connecticut)를 사용하여 1/2 인치 스틸 볼 베어링(52)(스틸 볼의 표면은 부착 전에 에칭시켰다)에 개별적으로 부착시켰다. 상기 베어링(52)과 샘플 브래킷(50)의 조립체에 촉진제(예를 들면, Loctite® 712)를 분무하여 접착제를 완전히 경화시켰다. 직사각형 아치와이어(54)(예를 들면, 0.018 인치 × 0.025 인치 스테인레스 강 아치와이어, Ormco Part No. 254-1825, 또는 0.0215 인치 × 0.028 인치 스테인레스 강 아치와이어, Ormco Part No. 254-1528)를 브래킷에 사용하기 위해 1인치 길이로 절단하였다. 상이한 치수의 다른 아치와이어를 또한 아래에 나타낸 바와 같이 사용하였다. 각각의 브래킷의 자기-결찰 특성을 제거하였다. 적당한 크기의 절단된 아치와이어를 각각의 샘플 브래킷(50)의 아치와이어 슬롯에 삽입하였다. 아치와이어와 아치와이어 슬롯 간의 끼워맞춤이 느슨해지는 것을 피하도록 주의하면서 탄성 포지셔너(elastic positioner)(Ormco Part No. 801-0039)를 사용하여 탄성중합체성 o-링, 즉 오름코 코포레이션으로부터의 몰디드 파워(Molded Power) "O" (0.110인치)(Ormco Part No. 640-0074)로 각각의 아치와이어(54)를 브래킷에 결찰시켰다. 즉, 아치와이어를 아치와이어 슬롯 내에 편안하면서도 딱 맞게 끼워지도록 선택하였다.
도 5a 및 5b를 참고로 하여, 인스트론(Instron) 5542에서의 토크 강도 측정을 위해, 볼 베어링(52)에 부착된 샘플 브래킷(50)의 결찰된 아치와이어(54)를 토크 암(torque arm)(56)과 맞물리도록 하였다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 브래킷(50)의 잇몸면을 상향 방식으로 대면하도록 배향하여 토크 암(56)과 커플링시켰다. 토크 암(56)은, 도 5b 및 5c에 도시된 바와 같이, 브래킷(50) 주위의 정리를 위해 수직 방향 및 샘플 브래킷(50)의 각 측면으로부터 돌출된 아치와이어(54)와 맞물리도록 하기 위해 수평 방향 둘 다로 노치(notch)를 갖는 포크형 말단(forked end)(57)을 지닌 강철 봉이다. 상이한 아치와이어 크기를 수용하기 위해, 각각 상이한 수평 노치 크기를 갖는 다수의 토크 암을 사용하였다. 포크형 말단(57)의 수평 노치는 하나의 아치와이어 크기를 수용하도록(예를 들면, 0.019 인치 × 0.025 인치, 0.021 인치 × 0.028 인치, 또는 0.021 인치 × 0.025 인치 아치와이어를 수용하도록) 하는 크기이었다. 그러나, 다른 치수의 토크 암은 동일하게 두었다. 각각의 토크 암(56)은 포크형 말단(57)에서부터 하중이 적용되는 토크 암 피봇(62)까지 대략 1.6인치(4.06cm) 길이이었다. 이러한 길이에 추가하여, 포크형 말단(57)의 일부에서 수직 노치의 각 면까지의 폭은 0.150인치로 측정되었고, 브래킷(50) 주위의 정리를 위한 수직 노치는 0.200인치 폭 × 0.150인치 깊이로 측정되었다. 도 5c를 참고로 하여, 토크 암(56)은 인스트론 5542과 협력하는 암 포지셔너(arm positioner)(60)의 홀딩 슬롯(holding slot)에 유지시켰다. 볼 베어링(52)을 1/2 인치 5C 콜릿(collet)(도시되지 않음)에 클램핑시켜 토크 암(56)과 암 포지셔너(60)를 도 5d에 도시된 바와 같이 인스트론 5542의 압축 램(58)에 의해 적용되는 하중의 방향에 수평 및 수직으로 유지시켰다. 도 5e를 참고로 하여, 암 포지셔너(60)를 압축 램(58)의 말단에 형성된 오목부(64)에서 토크 암 피봇(62)과 정렬시켰다. 인스트론 5542는 ±100N 정적 로드 셀을 가지며 블루힐 2 소프트웨어(Bluehill 2 software) 버젼 2.13로 작동하였다.
각 샘플의 토크 강도는, 샘플 브래킷이 파괴될 때까지, 토크 암/암 포지셔너(토크 암 피봇(62)에서)를 20mm/min의 속도로 압축 램(58)으로 변위시켜 측정하였다. 각 그룹의 평균 토크 강도를 선행 과정에 따라 각각의 브래킷의 파단시 하중(load at failure)으로부터 계산하였다.
금형 A 브래킷
그룹 평균 토크 강도
(N)		 시험한 브래킷의 수 CIM 브래킷 본체 물질 표면 제조
A 1.27±0.12 5 알루미나1 성형된 상태
B 1.30±0.09 4 알루미나1 붕산나트륨 용액으로 에칭시킴
C 1.36±0.17 6 알루미나1 PVD, RF 스퍼터링된 알루미나로 피복시킴
D 1.11±0.06 5 알루미나2 성형된 상태
E 1.39±0.20 5 알루미나2 240/320 그릿 다이아몬드 가공(finish)
F 1.64±0.12 2 알루미나2 PVD, RF 스퍼터링된 알루미나로 피복시킴
G 1.57±0.09 5 알루미나1 알루미나의 3개 피복물
주의:
1 #1 알루미나 조성물로부터의 다결정성 알루미나
2 #2 알루미나 조성물로부터의 다결정성 알루미나
표 1의 샘플 브래킷은 모두 "금형 A"라고 하는 자가-결찰 브래킷 설계이었다. 모든 브래킷에 대해, 아치와이어 슬롯 모서리 반경은 0.005인치이었다.
그룹 A, B 및 C 브래킷은 평이한 기저 설계(plain base design)를 갖고 #1 알루미나 조성물로 이루어졌다. 그룹 A, B 및 C의 브래킷을 형성하는 데 사용된 금형은 연마하지 않았다. 그룹 A, B 및 C 브래킷에 결찰된 아치와이어는 스테인레스 강으로 이루어지며, 0.021 인치 × 0.028 인치의 단면을 갖는다.
그룹 D, E 및 F 브래킷은 타원형 기저 설계를 갖고 #2 알루미나 조성물로 형성되었다. 그룹 D, E 및 F 브래킷의 아치와이어 슬롯을 형성하는 금형의 일부는 연마하였다. 그룹 E 브래킷에 사용된 아치와이어는 스테인레스 강으로 이루어지며 0.021 인치 × 0.028 인치의 단면을 갖는다. 그룹 D, F 및 G 브래킷에 사용된 아치와이어 또한 스테인레스 강으로 이루어지지만 치수가 0.019 인치 × 0.025 인치이었다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 그룹 A 및 D의 브래킷은 성형된 상태에서 시험하였으며, 즉 이들은 이후에 표면 기계가공, 에칭 또는 피복 공정을 거치지 않았다.
그룹 B의 샘플 브래킷을 과포화 사붕산나트륨 용액으로 에칭시켰다. 과포화 사붕산나트륨 용액으로 에칭된 샘플 브래킷을 적어도 30초 내지 수 분 동안 용액에 침지시켰다. 이어서, 샘플 브래킷을 약 15℃/분으로 하여 약 850℃ 내지 약 900℃의 온도로 가열하고, 이 온도 범위에서 15분 내지 30분 동안 유지시켰다.
그룹 C 및 F의 샘플 브래킷을 아치와이어 슬롯을 포함한 브래킷의 가시적인 표면에 걸쳐 두께가 약 1㎛ 내지 약 2㎛인 PVD 무선 주파수(RF) 스퍼터링된 알루미나로 피복시켰다. 일부 피막의 X선 회절 분석은 피막이 무정형인지 결정형인지에 대해서는 결론에 이르지 못하였다. X선 회절 데이타에 따르면, 피막 중의 일부는 무정형인 반면, 다른 피막은 약간의 결정성을 나타냈으며, 이는 피막이 경계 결정형(borderline crystalline)일 수 있거나 또는 무정형 및 결정형 영역 둘 다를 가질 수 있음을 나타낸다. x선 회절 피크가 무정형 물질의 경우와 같이 비교적 넓다는 것을 주지해야 하는데, 이는 피막이 매우 미세한 결정성 입자를 함유할 수 있음을 나타낸다.
그룹 E의 샘플 브래킷은 240/320 그릿 다이아몬드 휠로 연마하여 브래킷의 성형된 상태의 표면을 앞서 요약한 사출 성형 및 소결 공정과 관련된 결함을 제거하기에 충분한 깊이로 제거하였다.
그룹 G의 샘플 브래킷을 각각 대략 동일한 두께(각각 약 1㎛ 내지 약 2㎛)의 PVD RF 스퍼터링된 알루미나의 3개의 층으로 피복시켰다.
도 1의 데이타에 나타낸 바와 같이, #1 알루미나 조성물의 경우, 본 발명의 하나의 양태에 따르는 알루미나 피복된 샘플 브래킷의 토크 강도는 약 1.36N(그룹 C)의 평균 토크 강도를 나타냈으며, 이것은 평균 토크 강도의 상당한 개선, 즉 성형된 상태의 브래킷(그룹 A)에 대한 약 1.27N과 비교하여 약 7.1%의 증가 및 에칭된 브래킷(그룹 B)에 대한 약 1.30N과 비교하여 약 4.6%의 개선을 나타낸다.
추가의 예에서, #2 알루미나 조성물의 경우, 본 발명의 하나의 양태에 따르는 샘플 브래킷(그룹 F)은 약 1.64N의 평균 토크 강도를 가지며, 이것은 약 1.11N의 평균 토크 강도를 갖는 그룹 D의 성형된 상태의 브래킷 및 약 1.39N의 평균 토크 강도를 갖는 그룹 E의 다이아몬드 가공된 브래킷 둘 다를 능가하는 토크 강도에 있어서의 개선을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 하나의 양태에 따르는 피복된 브래킷(그룹 F)은 성형된 상태의 브래킷(그룹 D)보다 대략 47.7% 이상 및 다이아몬드 가공된 브래킷(그룹 E)보다 대략 18.0% 이상의 평균 토크 강도의 예상치못한 증가를 특징으로 한다.
금형 C 브래킷
그룹 평균 토크 강도
(N)		 시험한 브래킷의 수 CIM 브래킷 본체 물질 표면 제조
H 1.4±0.10 5 알루미나1 성형된 상태
I 1.84±0.19 5 알루미나1 PVD, RF 스퍼터링된 알루미나
J 1.32±0.09 4 알루미나1 붕산나트륨 용액으로 에칭시킴
K 1.29±0.08 5 알루미나2 성형된 상태
L 2.06±0.41 5 알루미나2 PVD, RF 스퍼터링된 알루미나로 피복시킴
M 1.28±0.07 5 알루미나2 붕산나트륨 용액으로 에칭시킴
주의:
1 #1 알루미나 조성물로부터의 다결정성 알루미나
2 #2 알루미나 조성물로부터의 다결정성 알루미나
이하 표 2를 참고로 하여, 상이한 자가-결찰 브래킷 설계(금형 C)의 토크 강도를 또한 측정하였다. 모든 샘플 브래킷은 평이한 기저 설계를 가지며, 각각의 브래킷을 형성하는 데 사용된 금형은 브래킷을 제조하기 전에 연마하였다. 아치와이어 슬롯 모서리 반경은 성형된 상태 0.005인치의 반경이었다.
그룹 H, I 및 J의 브래킷은 #1 알루미나 조성물로 세라믹 사출 성형하였다. 그룹 H, I 및 J에서 브래킷에 사용된 아치와이어는 각각 단면이 0.021 인치 × 0.025 인치인 스테인레스 강으로 이루어졌다.
그룹 K, L 및 M의 브래킷은 #2 알루미나 조성물로 세라믹 사출 성형하였다. 그룹 K, L 및 M에서 브래킷에 사용된 아치와이어 또한 스테인레스 강으로 이루어지지만, 각각 0.019 인치 × 0.025 인치의 단면을 갖는다.
표 2는 표 1과 관련하여 상기한 바와 같이, 성형된 상태에서, 과포화 붕산나트륨 용액으로 에칭시킨 후, 및 알루미나로 피복시킨 후 측정한 샘플의 평균 토크 강도 데이타를 제공한다.
#1 알루미나 조성물로 이루어진 금형 C 브래킷 설계의 경우, 본 발명의 하나의 양태에 따르는 알루미나 피막을 갖는 브래킷(그룹 I) 및 성형된 상태의 브래킷(그룹 H) 사이의 평균 토크 강도의 개선은 대략 31.4% 이상이었다. 또한, 알루미나 피복된 브래킷(그룹 I)은 에칭된 브래킷(그룹 J)보다 대략 39.4% 이상의 토크 강도의 개선을 나타내었다.
유사하게, #2 알루미나 조성물로 이루어진 브래킷의 경우, 본 발명의 하나의 양태에 따르는 그룹 L의 알루미나 피복된 브래킷은 그룹 K의 성형된 상태의 브래킷의 평균 토크 강도보다 대략 59.7% 이상 더 높은 평균 토크 강도를 갖는다. 그룹 L의 알루미나 피복된 브래킷의 평균 토크 강도는 그룹 M의 에칭된 브래킷보다 대략 60.9% 이상 더 높다.
앞서 제공된 바와 같이, 형성된 상태의 브래킷, 다이아몬드 가공된 브래킷 및 에칭된 브래킷을 능가하는 치열교정용 브래킷(10)의 토크 강도의 개선은 예상치못한 것이다. 이러한 예상치못한 개선은 부분적으로, 크랙 길이의 증가를 야기하는 피막/CIM 브래킷 본체 경계면에서의 균열의 편향으로 인한 것이다. 도 6a는 치열교정용 브래킷(10)의 하나의 양태의 파손 표면을 나타낸다. 도 6a에 도시된 치열교정용 브래킷(10)은 표 2 - 금형 C 브래킷의 그룹 I로부터의 브래킷이었다. 도 6a에 예시된 바와 같이, 피막(14)에서의 균열 개시는 CIM 브래킷 본체(12)를 통해 파손면으로부터 오프셋되는 (도 6a에서 화살표(66)으로 나타내어지는) 위치에서 발생하는 것으로 보인다. 따라서, CIM 브래킷 본체(12)를 통해 진행되기 전에 크랙이 피막(14)과 CIM 브래킷 본체(12) 사이의 경계면에서 경계면을 따라 고응력 영역으로 전파되도록 크랙이 피막/CIM 브래킷 본체 경계면에서 편향되는 것으로 믿어진다. 도 6b는 치열교정용 브래킷(10)의 하나의 양태의 또 다른 파손 표면을 예시한다. 도 6b에 도시된 치열교정용 브래킷(10)은 표 1 - 금형 A 브래킷의 그룹 C로부터의 브래킷이었다. 그러나, 이 경우, 크랙은 보다 직접적인 평면 방식으로 피막(14)으로부터 아래에 있는 CIM 브래킷 본체(12)로 전파되는 것으로 보인다.
위에 도입된 바와 같이, 본 발명의 하나의 양태에서, CIM 브래킷 본체(12)는 부분적으로 3.4㎛ 초과 내지 약 6㎛ 범위의 평균 입자 크기로 기재된 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹으로 이루어진다. 이러한 범위의 평균 입자 크기를 갖는 다결정성 세라믹의 양태가, 본원에 참고로 충분히 인용되어 있는 2008년 10월 17일자로 "미용 치열교정용 브래킷 및 이의 제조방법"이라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 특허원 제61/106,358호에 기재되어 있다. 이러한 범위의 평균 입자 크기는 CIM 브래킷 본체(12)에 예기치 못하게 높은 파괴 인성을 부여하는 것으로 믿어진다. 따라서, 상기한 바와 같은 피막(14)과 상기한 범위의 평균 입자 크기를 갖는 CIM 브래킷 본체(12)를 포함하는 치열교정용 브래킷(10)의 양태는 예기치 못하게 높은 파괴 인성과 예기치 못하게 높은 토크 강도 둘 다를 가질 수 있다.
파괴 인성과 관련하여, 다결정성 세라믹은, 예를 들면, 약 3.85MPaㆍm1/2 이상의 평균 파괴 인성을 나타내고, 추가의 예에서, 약 4㎛ 내지 약 4.3㎛의 평균 입자 크기를 갖는 다결정성 세라믹은 약 5.0MPaㆍm1/2를 초과하는 평균 파괴 인성을 갖는다. 즉, 평균 파괴 인성은 3.4㎛ 이상 내지 약 6㎛ 이하의 범위, 가장 가능하게는 약 3.5㎛ 내지 약 5.0㎛의 범위 근처에서 최대인 것으로 여겨진다.
본원에 언급된 바와 같은 평균 입자 크기는 접선법(line intercept method)에 따라 다결정성 세라믹의 연마된 단면에서 다수의 입자 길이를 측정함으로써 결정할 수 있다. 특히, 평균 입자 크기는 방정식 D = 1.56(L)에 따라 입자 길이 측정으로부터 계산할 수 있으며, 여기서, D는 평균 입자 크기이고, L은 입자의 평균 길이이다. 평균 입자 크기 및 입자 크기 분포는 또한 입자 크기 모듈을 사용하여 펜실베니아주 센터 밸리에 소재하는 올림푸스 아메리카 인코포레이티드(Olympus America Inc.)에서 시판하는 analySIS 소프트웨어와 같은 시판 소프트웨어를 사용함으로써 측정할 수 있다.
다결정성 세라믹의 파괴 인성은 둘 이상의 방법으로 측정할 수 있다. 한가지 방법은 한면에 조절되거나 공지된 크기의 흠 또는 균열을 함유하는 다결정성 세라믹의 바를 파괴하는 3점 벤드 셋업(three-point bend setup)을 사용한다. 3점 벤드 셋업에서, 물질의 바(bar)를 바의 길이를 따라 2개 위치에서 한면에 지지시킨다. 각각의 위치는 바의 가장자리 중의 하나와 가깝다. 대향하는 지지체 간의 간격을 지지체 스팬(support span)이라고 한다. 하중을 지지체와 조절된 흠 둘 다와 반대되는 면 상의 바 중심에 적용한다. 바가 파괴될 때까지 하중을 점진적으로 증가시킨다. 이러한 배열(즉, 한면 위의 2개의 지지체 및 대향하는 면 위의 지지체 사이에 적용된 하중)은 조절된 크기의 흠을 함유하는 바의 표면에 인장 응력을 생산한다.
3점 벤드 시험용 샘플은 일반적으로 직사각형 바의 형태이다. 예를 들면, 파괴 인성 시험용 다결정성 세라믹의 샘플은 약 1.00±0.1mm의 두께, 약 3.00±0.01mm의 폭 및 약 12.00±0.01mm의 길이를 가질 수 있다. 또한, 약 0.050mm 내지 약 0.100mm의 깊이를 갖는 노치를 다이아몬드 연마제를 사용하여 대략 바의 중간점에서 바의 한면으로 절단하여 조절된 크기의 흠을 형성한다. 바를 지지체 스팬에 배치하며, 지지체 스팬은, 예를 들면, 약 9mm로 측정될 수 있다. 바가 파괴될 때까지 노치에 반대되는 표면에 하중을 적용한다. 파괴 인성은 다음 수학식 1 및 2에 따라 파괴시 하중으로부터 계산할 수 있다:
Figure 112009069533706-pat00001
Figure 112009069533706-pat00002
위의 수학식 1에서,
KIC는 균열에 수직으로 배향된 인장 응력하에서의 물질의 파괴 인성이고,
P는 파괴시 하중이며,
S는 지지체 스팬이고,
w는 바 폭(bar width)이며,
t는 바 두께이다.
Figure 112009069533706-pat00003
위의 수학식 2에서,
a는 3개 균열 길이 측정치의 평균이고,
a1, a2 및 a3은 공지된 크기의 균열의 깊이이다.
또 다른 방법에 따르면, 파괴 인성은 빅커스 경도 측정(Vickers hardness measurement)으로부터 계산할 수 있다. 이 경우에, 파괴 인성은 다음 수학식 3에 따라 계산할 수 있다.
Figure 112009069533706-pat00004
위의 수학식 3에서,
Kc는 파괴 인성이고,
P는 프레싱 하중이며,
E는 모듈러스(modulus)이고,
HV는 측정된 빅커스 경도(Vickers hardness)이며,
c는 빅커스 경도 인덴터(Vickers hardness indenter)에 의해 산출된 균열 길이의 평균의 1/2이다.
하나의 양태에서, 상기한 평균 입자 크기 이외에, 다결정성 세라믹은 큰 입자와 작은 입자 둘 다의 혼합물이다. 예를 들자면, 3.4㎛ 초과 내지 약 6㎛ 범위의 평균 입자 크기로 기재된 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹은 크기가 6㎛보다 큰 입자와 크기가 3.4㎛보다 작은 입자를 추가로 포함할 수 있다.
추가로, 치열교정용 브래킷(10)의 하나의 양태에서, CIM 브래킷 본체(12)는 로그 정규 분포가 아닌 입자 크기 분포를 특징으로 하는 다결정성 세라믹이다. 정의하자면, 로그 정규 분포는 로그가 평균 주위에 정규 분포되어 있는 확률 변수를 특징으로 한다. 예를 들자면, 다결정성 세라믹에 따르는 입자 크기 분포는 다정 분포이다. 특히, 입자 크기 분포는 이정 분포(bimodal distribution)일 수 있다.
하나의 양태에서, 입자 크기 분포는 약 1㎛ 내지 약 5㎛의 입자 크기 사이에서 제1 피크 또는 모드를 갖고 약 5㎛보다 큰 입자 크기에서 제2 피크 또는 모드를 갖는 이정 분포이다. 예를 들자면, 제2 피크는 약 5.5㎛ 내지 약 7㎛ 사이에 있을 수 있다. 그러나, 제2 피크 또는 추가의 피크가 7㎛보다 큰 입자 크기에서 발생할 수 있음을 인지할 것이다. 또한, 이정 입자 크기 분포가 이중 미세구조를 설명하는 것은 아님을 인지할 것이다. 하나의 양태에서, 평균 입자 크기가 3.4㎛ 초과 내지 약 6㎛이고 적어도 이정 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹에 대한 평균 파괴 인성은 약 4.0 MPaㆍm1/2보다 크다.
또한, 본 발명자들은 약 3㎛보다 작은 입자와 보다 큰 입자 사이의 특정 비를 가짐을 특징으로 하는 입자 크기 분포가 균열 전파에 대한 내성을 더욱 증진시킬 수 있음을 확인하였다. 예를 들자면, 다결정성 세라믹은 크기가 약 3㎛ 미만인 입자를 총 수의 약 50% 이하로 갖는 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 추가의 예를 들자면, 다결정성 세라믹은 크기가 3㎛ 미만인 입자의 수가 10% 이상인 입자 크기 분포를 가질 수 있다. 하나의 양태에서, 크기가 3㎛ 미만인 입자의 수는, 예를 들면, 입자의 총 수의 약 10% 내지 약 50%이다. 또 다른 예에서, 다결정성 세라믹은 크기가 10㎛ 미만인 입자의 총 수가 약 90% 이하인 입자 크기 분포를 특징으로 할 수 있다. 추가의 예에서, 크기가 10㎛ 미만인 입자의 총 수는 70% 이상이다. 따 라서, 하나의 양태에서, 크기가 10㎛ 미만인 입자의 총 수는 입자의 약 70% 내지 약 90%이다.
체적 분율(volume fraction) 측면에서, 하나의 양태에 따르면, 다결정성 세라믹은 크기가 10㎛보다 큰 입자가 총 체적의 50% 이하를 차지할 수 있는 입자 크기 분포를 특징으로 한다. 예를 들자면, 하나의 양태에서, 크기가 10㎛보다 큰 입자는 10% 이상일 수 있으며, 추가의 예에서, 크기가 10㎛보다 큰 입자는 총 체적의 약 10% 내지 50%일 수 있다. 10㎛보다 큰 입자의 체적 분율은, 특정 크기 범위의 입자의 체적을 측정하고 이 체적을 이러한 크기 범위의 입자의 총 수와 곱한 다음 전체 입자의 총 체적으로 나눔으로써 계산할 수 있다.
이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 상기한 바와 같은 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹은 이러한 범위를 벗어나는 평균 입자 크기를 갖는 다결정성 세라믹과 비교하여 균열 전파 경로를 연장시키는 것으로 생각된다. 입자 크기 분포는 전파되는 균열의 방향을 변화시키고/시키거나 균열 전파의 모드를 변화시키는 것으로 여겨진다. 특히, 입자 경계의 존재가 균열의 전파 방향 및/또는 균열의 전파 모드에 영향을 미칠 수 있다. 방향의 변화 및/또는 모드의 변화는 직선 경로를 따라 균열을 전파하는 데 필요한 에너지보다 경쟁적으로 더 큰 에너지를 소모할 수 있다. 다결정성 세라믹에서의 균열 전파 모드는 입자간(intergranular) 또는 입내(transgranular) 또는 이들 둘 다이다. 입자간 균열 전파는 입자 경계(즉, 입자들 사이)를 따라 일어나는 반면, 입내 균열 전파는 입자를 통해 일어난다. 따라서, 전파되는 균열이 입자 경계 또는 입자와 부딪치는 경우, 균열이 전파 방향, 전파 모드(즉, 입내에서 입자간으로 또는 그 반대로)를 변화시키거나 또는 전파 방향과 모드 둘 다를 변화시킬 할 수 있다. 균열 전파 방향 및/또는 모드가 변화되도록 함으로써, 균열 경로의 길이가 증가하고, 이것이 더 많은 에너지를 소모시키고, 이에 따라 파괴 인성이 증가될 수 있다.
상기한 균열 전파 모드의 변화에 따라, 하나의 양태에서, 본 발명자들은 다결정성 세라믹을 통한 균열 전파가 혼합 모드일 수 있다고 믿고 있다. 즉, 균열이 다결정성 세라믹으로 전파되는 경우, 다결정성 세라믹은 균열이 다결정성 세라믹을 통해 진행됨에 따라 균열이 1회 또는 다수회 이의 전파 모드를 변화시키도록 할 수 있다. 크기가 10㎛ 미만인 입자의 존재는 입자간 균열 전파를 촉진시킬 수 있다. 그러나, 크기가 10㎛ 이상인 입자에 의해 직면하게 되는 균열은 입내 전파 모드로 변화되도록 할 수 있다. 따라서, 혼합된 균열 전파 모드는 전파 경로를 더욱 연장시킬 수 있고, 이에 따라 다결정성 세라믹의 파괴 인성을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 발명이 이의 하나 이상의 양태의 설명에 의해 예시되어 있고, 양태들이 상당히 상세하게 기재되어 있지만, 이들은 첨부된 청구의 범위를 이러한 상세한 설명으로 한정하거나 어떠한 방식으로든 제한하려는 것은 아니다. 추가의 장점 및 변화가 당업계의 숙련가들에게 용이하게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 보다 넓은 국면에서 제시하고 기재한 구체적인 상세한 설명 및 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 따라서, 일반적인 발명의 개념의 범위를 이탈하지 않으면서 이러한 상세한 설명으로부터 변화가 이루어질 수 있다.
본 명세서에 삽입되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 양태를 예시하며, 앞서 제공된 일반적인 설명은 아래에 제공된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 다양한 측면을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 치열교정용 브래킷의 사시도이고;
도 2a, 2b 및 2c는 세라믹 사출 성형 공정과 관련된 결함을 나타내는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체의 형성된 상태의 아치와이어 슬롯 표면을 500X의 배율로 촬영한 전자 현미경 사진이고;
도 2d는 세라믹 사출 성형 공정과 관련된 다수의 결함을 나타내는 CIM 브래킷 본체의 형성된 상태의 아치와이어 슬롯 표면을 160X의 배율로 촬영한 전자 현미경 사진이고;
도 3은 본 발명의 하나의 양태에 따르는 CIM 브래킷 본체 위의 다층 피막의 개략도이고;
도 4a는 본 발명의 하나의 양태에 따르는 CIM 브래킷 본체의 표면의 미세구조를 나타내는 CIM 브래킷 본체의 표면을 1000X의 배율로 촬영한 전자 현미경 사진이고;
도 4b는 본 발명의 하나의 양태에 따르는 CIM 브래킷 본체 내부의 미세구조를 나타내는 CIM 브래킷 본체의 단면의 전자 현미경 사진이고;
도 5a는 치열교정용 브래킷의 토크 강도를 측정하기 위한 과정에 따라 스테인레스 강 볼 베어링(stainless steel ball bearing)에 고정된 브래킷의 사시도이고;
도 5b는 치열교정용 브래킷의 토크 강도를 측정하기 위한 과정에 따라 토크 암과 조립된 도 5a의 브래킷/볼 베어링 조립체의 사시도이고;
도 5c는 치열교정용 브래킷의 토크 강도를 측정하기 위한 과정에 따라 암 포지셔너와 조립된 도 5b에 도시된 토크 암의 사시도이고;
도 5d는 인스트론 5542의 압축 램(compression ram)에 대한 상대적인 위치를 예시하는 도 5c의 암 포지셔너와 조립된 도 5b의 토크 암의 측면 입면도이고;
도 5e는 압축 램에서 오목부(recess)와 정렬된 토크 암 피봇(torque arm pivot)을 예시하는 인스트론 5542의 압축 램 및 암 포지셔너의 정면 입면도이고;
도 6a 및 6b는 본 발명의 양태의 노출된 파괴 표면을 1,000X의 배율로 촬영한 전자 현미경 사진이다.

Claims (45)

  1. 치아에 장착되도록 배열되고, 내부에 아치와이어(archwire)를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯(archwire slot)을 포함하는 세라믹 사출 성형된(ceramic injection molded; CIM) 브래킷 본체(여기서, CIM 브래킷 본체는 다결정성 세라믹을 포함한다); 및
    아치와이어 슬롯의 표면을 포함한 CIM 브래킷 본체의 일부 또는 전부와 연속적으로 직접 접촉하는 알루미나 또는 이산화규소의 제1 피막을 포함하는, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷.
  2. 제1항에 있어서, 제1 피막이 다결정성 세라믹의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 미세구조(microstructure)를 포함하는 치열교정용 브래킷.
  3. 제1항에 있어서, 제1 피막이 증착된 알루미나를 포함하는 치열교정용 브래킷.
  4. 제1항에 있어서, 제1 피막이 무정형인 치열교정용 브래킷.
  5. 제1항에 있어서, 제1 피막이 나노결정성인 치열교정용 브래킷.
  6. 제1항에 있어서, 제1 피막이 CIM 브래킷 본체의 표면 조도(surface roughness)와 같거나 이 보다 더 큰 두께를 갖는 치열교정용 브래킷.
  7. 제1항에 있어서, 제1 피막이 1㎛ 내지 2㎛ 두께인 치열교정용 브래킷.
  8. 제1항에 있어서, 제1 피막이 없는 CIM 브래킷 본체의 토크 강도(torque strength)의 105% 내지 160%인 토크 강도를 특징으로 하는 치열교정용 브래킷.
  9. 제1항에 있어서, 제1 피막이 없는 CIM 브래킷 본체의 토크 강도의 120% 내지 160%인 토크 강도를 특징으로 하는 치열교정용 브래킷.
  10. 제1항에 있어서, 제1 피막이 없는 CIM 브래킷 본체의 토크 강도의 105% 내지 120%인 토크 강도를 특징으로 하는 치열교정용 브래킷.
  11. 제1항에 있어서, 다결정성 세라믹이 알루미나를 포함하는 치열교정용 브래킷.
  12. 제1항에 있어서, 세라믹을 포함하고 제1 피막의 일부 또는 전부를 피복하는 제2 피막을 추가로 포함하는 치열교정용 브래킷.
  13. 치아에 장착되도록 배열되고, 내부에 아치와이어를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯을 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체(여기서, CIM 브래킷 본체는 다결정성 세라믹을 포함한다); 및
    아치와이어 슬롯의 표면을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 일부 또는 전부와 접촉하는 알루미나로 이루어진 제1 피막을 포함하는, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷.
  14. 제13항에 있어서, 제1 피막이 나노결정성인 치열교정용 브래킷.
  15. 제13항에 있어서, 제1 피막이 무정형인 치열교정용 브래킷.
  16. 제13항에 있어서, 제1 피막이 다결정성 세라믹의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 미세구조를 포함하는 치열교정용 브래킷.
  17. 제16항에 있어서, 다결정성 세라믹이 3.5㎛ 내지 6㎛ 범위의 평균 입자 크기를 갖는 알루미나인 치열교정용 브래킷.
  18. 제13항에 있어서, 제1 피막 위에 놓여있는 알루미나로 이루어진 하나 이상의 추가의 피막을 추가로 포함하는 치열교정용 브래킷.
  19. 제18항에 있어서, 각각의 제1 피막 및 추가의 피막이 수 Å 내지 15㎛의 두께를 갖는 치열교정용 브래킷.
  20. 치아에 장착되도록 배열되고, 내부에 아치와이어를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯을 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체(여기서, CIM 브래킷 본체는 3.5㎛ 내지 6㎛ 범위의 평균 입자 크기를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹을 포함한다); 및
    아치와이어 슬롯의 표면을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 일부 또는 전부와 연속적으로 직접 접촉하는 알루미나 또는 이산화규소의 제1 피막을 포함하는, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷.
  21. 제20항에 있어서, 평균 입자 크기가 3.5㎛ 내지 5㎛인 치열교정용 브래킷.
  22. 제20항에 있어서, 평균 입자 크기가 4㎛ 내지 4.3㎛인 치열교정용 브래킷.
  23. 삭제
  24. 제20항에 있어서, 다결정성 세라믹의 파괴 인성이 4.0 MPaㆍm1/2 내지 5.0 MPaㆍm1/2인 치열교정용 브래킷.
  25. 제20항에 있어서, 입자 크기 분포가 로그 정규 분포(lognormal distribution)를 특징으로 하지 않는 치열교정용 브래킷.
  26. 제20항에 있어서, 입자 크기 분포가 다정 분포인 치열교정용 브래킷.
  27. 제20항에 있어서, 입자 크기 분포가 이정 분포인 치열교정용 브래킷.
  28. 제27항에 있어서, 이정 입자 크기 분포(bimodal grain size distribution)가 1㎛ 내지 5.5㎛의 입자 크기에서 제1 피크를 갖고 5.5㎛ 내지 10㎛의 입자 크기에서 제2 피크를 갖는 치열교정용 브래킷.
  29. 제28항에 있어서, 제2 피크가 5.5㎛ 내지 7㎛의 입자 크기에 존재하는 치열교정용 브래킷.
  30. 제20항에 있어서, 입자의 10% 내지 50%가, 크기가 0㎛ 내지 3㎛인 치열교정용 브래킷.
  31. 제20항에 있어서, 입자의 70% 내지 90%가, 크기가 0㎛ 내지 10㎛인 치열교정용 브래킷.
  32. 삭제
  33. 제20항에 있어서, 다결정성 세라믹이 알루미나를 포함하는 치열교정용 브래킷.
  34. 제20항에 있어서, 다결정성 세라믹을 포함하는 결찰 슬라이드(ligating slide)를 추가로 포함하는 치열교정용 브래킷.
  35. 세라믹 분말과 결합제의 혼합물을 제공하는 단계;
    혼합물을 금형 캐비티(mold cavity)에 주입하여 성형된 브래킷 본체를 형성하는 단계;
    성형된 브래킷 본체를 가열하여 성형된 브래킷 본체로부터 결합제를 제거하는 단계;
    성형된 브래킷 본체를 소결(sintering)시켜, 치아에 장착되도록 형성된 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체를 형성하는 단계;
    아치와이어를 내부에 수용하도록 형성된 CIM 브래킷 본체에 아치와이어 슬롯을 형성하는 단계; 및
    아치와이어 슬롯을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 일부 또는 전부에 걸쳐 CIM 브래킷 본체와 연속적으로 직접 접촉하는 알루미나 또는 이산화규소의 피막을 형성하는 단계를 포함하는, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷의 제조방법.
  36. 제35항에 있어서, 세라믹 분말을 제공하는 단계가 알루미나 분말을 제공함을 포함하는 방법.
  37. 제35항에 있어서, CIM 브래킷 본체가 3.5㎛ 내지 6㎛ 범위의 평균 입자 크기를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹으로 제조되는 방법.
  38. 제35항에 있어서, 피막을 형성하는 단계가 CIM 브래킷 본체의 평균 입자 크기보다 작은 평균 입자 크기를 갖는 피막을 형성함을 포함하는 방법.
  39. 제35항에 있어서, 피막을 형성하는 단계가, CIM 브래킷 본체를 알루미늄 또는 알루미나 또는 규소 또는 이산화규소의 공급원으로부터의 개개의 원자 또는 분자에 노출시켜서 공급원으로부터의 원자 또는 분자가 CIM 브래킷 본체 위에 부착되도록 함을 포함하는 물리적 증착 또는, CIM 브래킷 본체를 알루미늄 또는 규소를 포함하는 반응물 대기 기체에 노출시키고 CIM 브래킷 본체의 표면의 반응물 대기 기체를 분해시켜 알루미늄 또는 규소를 부착시킴을 포함하는 화학적 증착에 의해 피막을 증착시킴을 포함하는 방법.
  40. 제35항에 있어서, 피막을 형성하기 전에, CIM 브래킷 본체의 표면의 일부를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  41. 제40항에 있어서, 표면의 일부를 제거하는 단계가, 사출, 소결 또는 성형 중의 어느 하나와 관련된 표면 결함과 동등한 깊이 내지 CIM 브래킷 본체의 표면의 15㎛를 제거함을 포함하는 방법.
  42. 제40항에 있어서, 표면의 일부를 제거하는 단계가 플라스마 공급원(plasma source)을 사용한 표면의 에칭, 산을 사용한 표면의 에칭, 표면의 이온 밀링(ion milling) 또는 레이져를 사용한 표면의 용융, 또는 이들의 조합을 포함하는 방법.
  43. 제35항에 있어서, 피막을 형성하기 전에, CIM 브래킷 본체의 표면에 이온 충격(ion bombarding)을 가하여 이온을 CIM 브래킷 본체의 표면에 이식시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  44. 제35항에 있어서, 피막을 형성하기 전에, CIM 브래킷 본체의 표면에 혼합-금속 이온 충격을 가한 다음, 표면에 희가스 이온 충격을 가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  45. 치아에 장착되도록 형성되고, 내부에 아치와이어를 수용하도록 형성된 아치와이어 슬롯을 포함하는 세라믹 사출 성형된(CIM) 브래킷 본체(여기서, CIM 브래킷 본체는 3.5㎛ 내지 6㎛ 범위의 평균 입자 크기를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 다결정성 세라믹을 포함한다); 및
    아치와이어 슬롯의 표면을 포함하는 CIM 브래킷 본체의 일부 또는 전부와 연속적으로 직접 접촉하는 세라믹의 피막을 포함하는, 아치와이어를 치아와 커플링시키기 위한 치열교정용 브래킷.
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