KR101229213B1 - 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법, 이에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 및 생체용 다공성 금속 지지체 제조 장치 - Google Patents

동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법, 이에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 및 생체용 다공성 금속 지지체 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹이 아닌 금속 분말을 이용하여 슬러리를 제조하고 이러한 슬러리 내에서의 금속의 침전을 방지하기 위해 슬러리를 회전시키면서 동결 성형을 수행하는 것을 특징으로 하는, 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법 및 이에 의해 제조된 다공성 금속 지지체에 관한 것이다.

Description

동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법, 이에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 및 생체용 다공성 금속 지지체 제조 장치{Method for manufacturing porous metal scaffold using freeze casting, porous metal scaffold manufactured by the same and device for manufacturing porous metal scaffold for living body}
본 발명은 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법, 이에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 및 생체용 다공성 금속 지지체 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 세라믹이 아닌 금속 분말을 이용하여 슬러리를 제조하고 이러한 슬러리 내에서의 금속의 침전을 방지하기 위해 슬러리를 회전시키면서 동결 성형을 수행하는 것을 특징으로 하는 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법, 이에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 및 생체용 다공성 금속 지지체 제조 장치에 관한 것이다.
의료용 임플란트, 인공 고관절, 골지지체 등(이하 '생체 이식용 임플란트')으로서, 티타늄, 스테인레스 스틸 합금, 코발트-크롬 합금과 같은 금속 재료, 알루미나, 지르코니아와 같은 생체 불활성 세라믹 재료 및 수산화아파타이트(Hydroxyapatite)와 같은 생체 활성 세라믹 재료가 널리 사용되고 있다.
이러한 생체 이식용 임플란트의 재료 중에서, 티타늄은 생체 적합성이 높고, 물성이 강하며, 높은 피로(fatigue) 저항성을 갖고 있으며, 특히 코발트-크롬 합금이나 스테인레스 스틸 합금과 비교할 때 약 절반 정도의 낮은 탄성계수를 가지고 있어 생체 이식용 임플란트의 재료로 많이 사용되고 있다.
그러나, 티타늄이 비록 낮은 탄성계수를 갖고 있지만 뼈와의 탄성계수 차이로 인하여 생체 이식용 임플란트로 티타늄이 사용되는 경우 뼈에 응력 전달이 제대로 이루어지지 않는 응력 차폐(stress shielding) 현상이 발생할 수 있으므로 최근에는 보다 낮은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금을 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다.
또한, 생체 이식용 임플란트로 사용되는 재료는 충분한 강도와 더불어 장기간에 걸친 하중에도 견딜 수 있고, 주위 조직과도 친화성이 양호해야 한다는 특성이 요구된다. 따라서 이와 같은 관점에서 최근 경조직으로 적용을 위한 다공성 지지체를 개발하려는 연구도 활발히 진행되고 있는 실정이다.
이러한 생체 이식용 임플란트로서 다공성 지지체 또는 다공체의 개발 연구 및 상업화는 미국, 유럽 등 선진국을 중심으로 현재 경쟁이 매우 치열한 상황이며, 국내에서도 개발 연구와 더불어 상업화가 최근 급증하는 추세에 있다. 현재 국내외적으로 그 개발에 활용되고 있는 제조기술을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 스폰지 복제법(Sponge replication)은 가장 보편적인 방법으로서, 폴리우레탄 스폰지 표면에 세라믹 슬러리를 코팅한 후, 열처리를 통해 폴리머 스폰지를 태우고 세라믹을 치밀하여 다공체를 제조하는 공정이다. 이 제조기술은 매우 높은 기공율(약 80% 이상)과 3 차원적으로 연결된 큰 기공을 얻는데 매우 유용하나, 열처리도중 균열의 발생이 쉽고 상대적으로 다른 방법에 비해 강도가 취약하고 인위적인 기공 구조 제어가 불가능하다는 문제점이 있다.
공압출법(Co-extrusion)은 세라믹 그린(Green) 파이버를 공압출법을 이용하여 제조하고 이들을 적층하여 열처리를 통해 다공체를 제조하는 기술로서, 기공율, 기공 크기 및 기공 배열 제어가 용이하나, 과도한 열처리 시간 및 열처리도중 종종 균열 등의 결함이 발생하는 단점이 있다.
자유형상 제조방법(Solid freeform fabrication)은 컴퓨터 3축 조형기를 이용하여 다공체를 제조하는 기술로서, 복잡한 형태의 기공 구조가 가능하나, 고가의 장비 필요 및 생산량 제한, 과도한 열처리 시간 등 고가 비용 발생하는 단점이 있다.
동결 성형(Freeze casting)법은 세라믹 슬러리를 동결한 후, 얼음을 제거하고 열처리를 통해 세라믹 다공체를 제조하는 기술로서, 전형적인 세라믹 습식공정으로 친환경적이며 매우 경제적인 방법이다. 그러나 이러한 동결 성형법을 사용하여 다공체를 형성하는 경우에는 상대적으로 작은 기공 크기로 인하여 실제적으로 활용되기는 다소 어렵다는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 본 발명자는 등록 특허 제10-0951789호(발명의 명칭: 동결성형을 이용한 거대 기공 다공체의 제조방법 및 그에 의해 제조된 다공체) 및 공개 특허 제10-2010-0039466호(발명의 명칭 : 생체용 다공성 티타늄 골지지체와 그 제조방법)를 발명하여 동결 성형법에서 발생하는 상대적으로 작은 기공 크기의 문제점을 해결하였다.
그러나, 본 발명자의 상술된 기술에서는 동결 성형에 사용되는 슬러리를 제조하기 위한 전구 물질로서 금속 자체가 사용되지 않고, 세라믹 분말 또는 고분자 물질(등록 특허 제10-0951789호), 열처리 후 티타늄과 같은 금속이 되는 티타늄하이드라이드(TiH2)와 같은 세라믹(공개 특허 제10-2010-0039466호) 만이 사용되어 왔다.
이러한 이유는 금속 자체를 전구 물질로서 사용하는 경우에는 금속의 전기적인 성질로 인하여 세라믹과는 달리 분산제를 첨가하여 슬러리를 제조함에도 불구하고 동결 성형시 동결 매체와 금속 슬러리가 분리되어 금속 다공체가 형성되지 않기 때문이었다.
그로 인해, 본 발명자의 상술된 기술에서는 제조 가능한 금속 다공체에 한계가 있고, 열처리를 수행하는 경우 금속의 순도를 저하시킬 수 있다는 문제점이 발생하게 되었다.
따라서, 본 발명자는 세라믹이 아닌 금속 자체를 이용하여, 다양한 종류의 금속 다공체를 제조할 수 있으며 금속 다공체의 순도의 저하를 방지할 수 있는 동결 성형을 이용한 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법, 이에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 및 생체용 다공성 금속 지지체 제조 장치를 발명하기에 이르렀다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 세라믹이 아닌 금속 분말을 이용하여 슬러리를 제조하고 이러한 슬러리 내에서의 금속의 침전을 방지하기 위해 슬러리를 회전시키면서 동결 성형을 수행하는 것을 특징으로 하는 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 금속 분말의 함량 및/또는 동결 온도를 조절함으로써, 다공성 금속 지지체의 기공 크기, 기공률, 탄성률 및 압축 강도와 같은 기계적 물성을 효과적으로 제어할 수 있는 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 상술된 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법을 이용하여, 1) 생체 뼈조직과 유사한 탄성률 및 강성과 같은 기계적 물성을 가지며, 2) 화학적으로 안정하며, 3) 우수한 생체 적합성 및 골전도성을 가지며, 4) 뼈조직의 분화 및 성장이 가능한 기공을 구비한, 즉 생체 이식용 임플란트로 사용되기에 적합한 다공성 금속 지지체를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 상술된 다공성 금속 지지체 제조 방법을 적용할 수 있는 생체용 다공성 금속 지지체 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 방법은,
(a) 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 준비하는 단계
(b) 상기 슬러리를 회전시키면서 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계; 및
(c) 상기 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계는 상기 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속 분말은 티타늄, 마그네슘, 철, 알루미늄, 구리 및 이의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 동결 매체는 물; 캠핀(Camphene) 및 캠퍼(Camphor)를 포함하는 테르펜(Terpene); 및 테르페노이드(Terpenoid)계 물질로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속 분말의 함량은 상기 동결 매체 대비 10% 내지 40% 부피비인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 분산제의 함량은 상기 금속 분말의 함량 대비 0.1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계의 혼합은 볼밀링 또는 교반에 의하여 상기 금속 분말의 분쇄와 함께 수행되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계는 상기 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계에서, 상기 슬러리는 일정한 형상을 가지는 주형에 주입되어 회전 및 냉각되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계에서, 상기 동결 매체는 동결 건조, 승화 및 용해 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 상기 동결 성형체로부터 제거되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계 사이에, 상기 동결 성형체를 상기 동결 매체의 동결 온도 부근의 일정 온도 범위에서 유지하면서 국부적 재용융 현상을 이용하여 응결된 상기 동결 매체의 과립을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 일정 온도 범위는 상기 동결 매체의 동결 온도 내지 상기 동결 온도 - 20 ℃ 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, (d) 상기 다공체를 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (d) 단계에서의 열처리 온도는 1200 내지 1350℃ 범위인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (d) 단계는 진공상태에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 진공도는 0.5 × 10-6 내지 1.0 × 10-6범위인 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 장치는, 금속 분말, 동결 매체 및 분산제가 수용될 수 있는 주형; 상기 주형 내의 온도를 조절할 수 있는 가열 및 냉각 장치; 상기 주형을 회전시킬 수 있는 회전 구동부; 상기 가열 및 냉각 장치 및 상기 회전 구동부를 제어할 수 있는 제어부; 및 동결 건조부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 주형을 회전 및 냉각시켜 상기 금속 분말, 동결 매체 및 분산제가 혼합된 슬러리로부터 동결 성형체를 형성하고, 상기 동결 건조부는 상기 형성된 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다공성 금속 지지체 제조 장치는, 상기 주형 내의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서; 및 상기 주형의 회전 속도를 측정할 수 있는 회전 속도 측정 장치;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 측정되는 주형 내의 온도에 근거하여 상기 가열 및 냉각 장치를 제어하고, 상기 회전 속도 측정 장치로부터 측정되는 상기 주형의 회전 속도에 근거하여 상기 회전 구동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 경우에는, 상기 제어부는 상기 주형 내의 온도가 상기 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도로 유지되도록 상기 가열 및 냉각 장치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 주형이 회전 및 냉각되어 상기 슬러리로부터 동결 성형체가 형성되는 경우에는, 상기 제어부는 상기 주형 내의 온도가 상기 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도로 유지되도록 상기 가열 및 냉각 장치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다공성 금속 지지체 제조 장치는, 상기 동결 건조부에서 형성된 다공체를 열처리할 수 있는 열처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다공성 금속 지지체 제조 장치는, 상기 열처리부 및 상기 동결 건조부를 진공으로 유지할 수 있는 진공 처리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 세라믹이 아닌 금속 분말 자체를 이용하여 다공성 금속 지지체를 제조하기 때문에, 티타늄뿐만 아니라 다양한 금속을 이용하여 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있다는 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따르면, 세라믹이 아닌 금속 분말 자체를 이용하여 다공성 금속 지지체를 제조하기 때문에, 불순물의 함량이 매우 적고 순도가 높은 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있다는 효과가 발생한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 슬러리 제조시 함유되는 금속 분말의 함량 및/또는 동결 온도를 조절함으로써, 다공성 금속 지지체의 기공 크기, 기공률, 탄성률 및 압축 강도와 같은 기계적 물성을 보다 효과적으로 제어할 수 있다는 효과가 발생한다.
그로 인해, 1) 생체 뼈조직과 유사한 탄성률 및 강성과 같은 기계적 물성을 가지며, 2) 화학적으로 안정하며, 3) 우수한 생체 적합성 및 골전도성을 가지며, 4) 뼈조직의 분화 및 성장이 가능한 기공을 구비한, 즉 생체 이식용 임플란트로 사용되기에 적합한 다공성 금속 지지체를 제공할 수 있게 된다.
이러한 다공성 금속 지지체는, 질병이나 사고에 의해 손상된 인체의 뼈를 대체하기 위해 생체 조직 및 치재 등의 생체 이식용 임플란트 재료로 이용 가능한 다공성 골이식재로서 사용될 수 있으며, 바이오 기술(BT) 분야에서 높은 부가가치를 창출할 수 있다는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법에 대한 순서도이며,
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 XRD(X-ray Diffraction) 사진을 도시한 그래프이며,
도 4는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체를 마이크로시티(micro-CT)를 이용하여 그 단면을 촬영하고 이를 3차원 구조로 나타낸 도면이며,
도 5는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진으로서, 도 5(a)는 제조예 1에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진이며, 도 5(b)는 제조예 2에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진이며, 도 5(c)는 제조예 3에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진이며,
도 6은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 즉, 샘플 1 내지 샘플 3을 마이크로시티를 이용하여 분석하여 기공 분포도를 나타낸 그래프이며,
도 7은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 즉, 샘플 1 내지 샘플 3을 마이크로시티를 이용하여 분석하여 기공률을 나타낸 그래프이며,
도 8은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 즉, 샘플 1 내지 샘플 3의 압축 강도(compressive strength)를 측정하여 도시한 그래프이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 금속 지지체 제조 장치(100)의 개략도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법에 대한 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법은 (a) 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 준비하는 단계; (b) 상기 슬러리를 회전시키면서 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계 사이에, (b') 상기 동결 성형체를 상기 동결 매체의 동결 온도 부근의 일정 온도 범위에서 유지하면서 국부적 재용융 현상을 이용하여 응결된 상기 동결 매체의 과립을 성장시키는 단계를 더 포함하거나 (d) 상기 다공체를 열처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이하, 상기 단계들을 구체적으로 설명하기로 한다.
(a) 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 준비하는 단계
상기 단계는 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 유동성이 양호한 상태의 슬러리를 준비하는 단계로서, 이러한 단계는 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
금속 분말의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 티타늄, 마그네슘, 철, 알루미늄, 구리 및 이의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 금속 분말이 사용되는 것이 바람직하다. 특히 생체 이식용 임플란트의 재료로서 티타늄이 우수한 특성을 가지고 있기 때문에 티타늄 분말이 사용되는 것이 보다 바람직하다. 이러한 금속 분말은 최종 결과물인 다공성 금속 지지체로 형성되게 된다.
동결 매체의 종류는 후술하는 (c) 단계에서 동결 매체를 제거하는 경우에 소요되는 에너지가 과도하지 않는 물질이면 특별히 제한되지 않는다. 다만 바람직하게는, 동결 매체는 물; 캠핀(Camphene) 및 캠퍼(Camphor)를 포함하는 테르펜(Terpene); 및 테르페노이드(Terpenoid)계 물질로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다. 특히 동결 매체로서 캠핀이 바람직한데, 이러한 이유는 캠핀은 그 동결 온도가 35 내지 45℃ 내외이고 상온에서 용이하게 증발 제거될 수 있어 다공성 금속 지지지체 제조 공정에 있어서 에너지 효율이 향상될 수 있기 때문이다.
분산제는 티타늄 분말과 같은 금속 분말과 동결 매체를 균일하게 분산시킬 수 있고 용이하게 건조 증발될 수 있는 한, 그 종류가 특별하게 한정되지 않는다. 예를 들어, 분산제로서 올리고머 폴리에스터(oligomeric polyester)을 사용할 수 있다.
이러한 분산제는 동결 매체에 금속 분말을 분산시키는 역할을 수행한다. 만약 분산제가 사용되지 않는 경우에는 금속 분말이 동결 매체와 빠른 속도로 층분리될 수 있다. 따라서, 분산제의 사용량을 적절하게 조절할 필요가 있음을 유의한다.
한편 상기 단계에 있어서, 다공성 금속 지지체의 기공률, 기공 크기 및 이에 따른 압축 강도 등의 기계적 물성을 제어하기 위하여 동결 매체 대비 금속 분말의 함량을 조절할 수 있다.
이때, 금속 분말의 함량은 동결 매체 대비 10% 내지 40% 부피비인 것이 바람직하다. 이러한 이유는, 금속 분말의 함량이 10% 부피비 미만인 경우에는 동결 성형 후 동결 매체를 제거하는 과정에서 금속량의 부족으로 인하여 다공성 지지체 구조를 형성하기 어렵고, 금속 분말의 함량이 40% 부피비를 초과하는 경우에는 3차원적으로 연결된 기공이 충분하게 성장하지 않을 수 있기 때문이다. 이에 따라, 동결 매체를 제거한 후의 다공성 금속 지지체의 기공률은 약 60% 내지 약 90% 범위에서 조절될 수 있게 된다.
또한 상기 단계에 있어서, 금속 분말이 동결 매체 내에서 분산되는 것을 돕기 위해 분산제를 사용하고 분산제의 양을 조절할 수 있다.
이때, 분산제의 함량은 금속 분말의 함량 대비 1 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 이러한 이유는 분산제가 1 중량% 미만인 경우에는 금속 분말이 동결 매체에 분산되지 못하며, 분산제가 10 중량%를 초과하는 경우에는 후술되는 (c) 단계에서 충분히 증발하지 못하게 되며, 더욱이 (d) 단계에서 다공체의 소결을 방해할 우려가 있기 때문이다.
이러한 분산제는 동결 매체와 금속 분말의 균일한 혼합을 위하여 사용하는 것이기는 하지만, 본질적으로 불순물임을 부인할 수는 없으며 따라서 최소한의 사용이 바람직함을 유의한다.
한편, 상기 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 보다 균일하게 혼합하기 위하여 볼밀링(ball-miling) 또는 교반을 수행할 수 있다. 상기 볼밀링은 금속 분말을 미세하게 분쇄하는 것으로서, 후술하는 (b) 단계에서 금속 분말의 벽(wall)이 보다 촘촘한 밀도를 가져 다공성 금속 지지체가 그 형상을 유지할 수 있도록 하기 위하여 수행되는 것이다.
(b) 슬러리를 회전시키면서 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계
상기 단계는 (a) 단계에서 혼합된 슬러리를 회전시키면서 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계로서, 이러한 단계는 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
(a) 단계에서 혼합된 슬러리는 일정한 형상을 가지는 주형에 주입되어 주형 내부에서 주형과 함께 회전되며 냉각되어 동결 성형제를 형성하게 된다. 이때, 슬러리가 주입되는 주형은 다공성 금속 지지체가 사용되는 분야에 따라서 다양한 형상으로 제조될 수 있음은 물론이다. 또한 상기 주형은 다양한 재질로 마련될 수 있는데, 예를 들어 폴리에틸렌이나 알루미늄을 이용할 수 있음을 유의한다.
이러한 (b) 단계는 본 발명에 있어서 핵심적인 단계이다.
즉, 종래의 동결 성형을 이용하여 다공성 지지체를 제조하는 기술에서는, 금속 슬러리를 사용하는 경우에는 슬러리 내에서의 금속의 침전이 발생하기 때문에 동결 성형을 이용하여 다공성 지지체를 제조할 수 없었고 그로 인해 세라믹 또는 고분자 물질만 이용하여 다공성 지지체를 제조하는 문제가 있었으나, 본 발명에 따르면 상기 (b) 단계를 이용함으로써, 금속의 침전을 방지할 수 있어 금속 분말을 이용하여 다공성 금속 지지체를 형성할 수 있게 된 것이다.
구체적으로, (b) 단계에서는 슬러리를 주형 내에서 일정한 속도 범위로 회전시키므로써 슬러리에서의 금속 분말의 침전을 방지하며, 이러한 상태에서 슬러리를 냉각시킴으로써 동결 성형체를 형성할 수 있게 된다. 이는 동결 매체 내에서 침전하려는 금속 분말에 대하여 외부에서 일정한 구동력을 가함으로써 강제적으로 동결 매체에 균일하게 분포시키는 원리를 이용한 것이다.
여기서, 주형의 회전 속도는 제1 회전 속도 내지 제2 회전 속도의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명에 있어서 "제1 회전 속도"는 금속 분말이 동결 매체에서 침전되려는 힘과 동일한 외부 구동력을 발생시키는 회전 속도를 의미하며, "제2 회전 속도"는 원심 분리 효과로 인해 금속 분말이 분리되려는 힘과 동일한 외부 구동력을 발생시키는 회전 속도를 의미한다.
이러한 이유는, 주형이 특정한 제1 회전 속도보다 느리게 회전하는 경우에는 금속 분말이 동결 매체에서 침전되려는 힘이 주형의 회전으로 인해 생기는 외부 구동력보다 크기 때문에 동결 매체와 금속 분말의 층 분리가 일어나며, 반면에서 주형이 특정한 제2 회전 속도보다 빠르게 회전하는 경우 금속 분말이 동결 매체에서 침전되려는 힘보다 회전으로 인해 생기는 외부 구동력이 커져서 밀도차가 있는 금속 분말과 동결 매체가 원심 분리 효과로 인해 층 분리가 일어나기 때문이다.
한편, 상기 단계에서는 동결 온도의 조절을 통해 제조되는 다공성 금속 지지체의 기공률, 기공 크기 등을 제어할 수 있다.
즉, 슬러리가 회전되며 냉각되는 동안의 동결 온도를 다양하게 변화시킴으로써 동결 매체의 응결상의 간격을 조절하여 기공률, 기공 크기 등을 제어할 수 있다.
이러한 원리는 일반적으로 동결 온도가 낮을수록 핵 생성속도가 빨라지게 되어 동결 매체의 응결상의 간격이 좁아지게 되므로, 후술되는 (c) 단계에 의해 동결 매체의 응결상을 제거하게 되면 상대적으로 낮은 동결 온도의 경우에는 작은 크기의 기공을 이루게 되고 상대적으로 높은 동결 온도의 경우에는 큰 크기의 기공을 이루게 되는 것을 이용하여, 다공성 금속 지지체의 기공률, 기공 크기 등을 제어하는 것이다.
(b') 동결 성형체를 동결 매체의 동결 온도 부근의 일정 온도 범위에서 유지하면서 국부적 재용융 현상을 이용하여 응결된 동결 매체의 과립을 성장시키는 단계
상기 단계는 (b) 단계에서 형성되는 동결 성형체를 회전시키면서 동결 온도 부근의 일정 온도 범위에서 유지하여, 응결된 동결 매체의 과립을 성장시키는 단계이다. 이러한 단계는 응결된 동결 매체의 국부적 재용융 현상을 이용하는 것을 특징으로 한다.
이러한 단계를 수행하는 이유는, 동결 성형체가 기공율, 기공의 크기, 기공간 3차원적 연결성 등 다공성 금속 지지체로서의 기공 특성을 확보하기 위해서는, 동결 매체가 과립으로 충분히 성장하여야 하기 때문이다.
이를 위해, 상기 (b') 단계에서는, 동결 성형체를 동결 매체의 동결 온도 내지 동결 온도 - 20 ℃ 범위에서 일정한 시간 동안 유지시켜 응결상을 성장시킨다. 예를 들어, 동결 매체로서 캠핀을 사용하는 경우에는 25℃ 내지 45℃의 온도에서 동결 성형체를 일정한 시간 동안 유지하여 응결상을 성장시킨다.
이러한 이유는 동결 온도를 초과하는 온도에서는 동결 매체가 전체적으로 용융되어 동결 성형체가 붕괴되고, 동결 온도보다 너무 낮은 온도에서는 과립 성장이 일어나지 않거나 매우 느리게 진행되기 때문에 기공 크기 증가에 필요한 시간이 길어지는 문제점이 있기 때문이다.
(c) 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 단계
상기 단계는 (b) 단계 및 (b') 단계에서 형성된 동결 성형체에서 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 단계이다.
이때, 동결 매체는 동결 건조, 승화 및 용해 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 상기 동결 성형체로부터 제거될 수 있다.
즉, 동결 성형체가 동결된 상태에서 진공 처리하여 급속하게 건조시킴으로써 동결 매체를 승화시키거나 동결된 상태의 동결 매체를 용해시킴으로써 상기 (c) 단계를 수행하며, 그로 인해 동결 성형체에서 동결 매체가 존재하던 부분들이 결국 다공체에서의 기공으로 형성되게 된다.
(d) 상기 다공체를 열처리하는 단계
상기 단계는 (c) 단계에서 형성된 다공체에 강도를 부여하기 위하여 열처리를 수행하는 단계이다. 이러한 열처리에 의하여, 기공이 형성된 상기 다공체에 생체 뼈조직과 유사한 탄성률 및 강성과 같은 기계적 특성을 부여할 수 있게 된다.
이때, 열처리 온도는 사용되는 금속 분말에 따라 다양하게 적용될 수 있음을 유의한다. 다만 금속 분말로서 티타늄이 사용되는 경우에는 열처리 온도가 1200 내지 1350℃ 범위인 것이 바람직하다. 이러한 이유는 열처리 온도가 1200℃ 미만인 경우에는 다공체를 구성하는 그레인(grain)들이 제대로 형성되지 않을 수 있어 원하는 강도를 획득하지 못 할 수 있으며, 반면에 1350℃를 초과하는 경우에는 소결된 다공체의 일부가 녹아서 흘러내리게 되는 문제가 생길 수 있기 때문이다.
한편, 상기 열처리 단계는 진공 상태에서 진행될 수도 있다.
이러한 이유는 산소와 같은 부반응물에 의하여 다공체가 산화되어 불필요한 불순물이 다공체 내에 혼입되는 문제를 근본적으로 차단할 수 있기 때문이다. 이때특별하게 진공 상태의 진공도를 한정할 필요는 없음을 유의한다.
다만, 0.5 × 10-6 내지 1.0 × 10-6 Torr 범위인 것이 바람직하다. 이러한 이유는 상술된 진공도 범위를 벗어나는 경우에는 진공의 효과가 없어서 산화물이 생길 수 있으며, 또한 고진공으로 인한 불필요한 제조비용이 증가될 수 있기 때문이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 동결 성형을 이용한 다공성 금속 지지체 제조 방법에 따른 실제적인 제조예 및 실험예를 설명하고 이에 대한 구체적인 검토를 하기로 한다.
<제조예 1>
금속 분말로서 티타늄(Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA) 5.89g, 동결 매체로서 캠핀(C10H16) 10g 및 분산제로서 올리고머 폴리에스터(Hypermer KD-4, UniQema, Everburg, Belgium) 티타늄 대비 1 중량%을 준비하였다.
준비된 티타늄 10g, 캠핀 10g 및 올리고머 폴리에스터 0.1g을 혼합하고, 약 60℃ 온도 범위 내에서 24시간 볼밀링하여 슬러리를 준비하였다.
다음으로, 알루미늄 소재의 주형에 상기 슬러리를 주입하고 20rpm의 회전 속도로 주형을 회전하며, 약 42℃의 온도하에서 약 24시간을 유지하여 동결 성형체를 형성하였다.
다음으로, 상기 주형으로부터 동결 성형체를 분리하고, 동결 성형체로부터 동결 매체를 제거하기 위하여 5.0 × 10-3 Torr의 진공 상태에서 약 -60℃의 온도를 유지하여 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하였다.
마지막으로, 상기 다공체를 약 1300℃에서 약 2 시간 동안 열처리를 수행하여 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체(이하, 샘플 1)를 제조하였다.
<제조예 2>
본 제조예 2에서는 티타늄 9.35g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 수행하여 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체(이하, 샘플 2)를 제조하였다. 따라서 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
<제조예 3>
본 제조예 2에서는 티타늄 13.25g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 수행하여 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체(이하, 샘플 3)를 제조하였다. 따라서 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
<실험예 1>
샘플 1에 대하여 XRD(X-ray Diffraction) 사진을 찍어 이를 도 3에 도시하였다. 또한 샘플 1에 대하여 마이크로시티(micro-CT)를 이용하여 그 단면을 촬영하고 이를 3차원 구조로 나타내어 도 4에 도시하였다.
<실험예 2>
샘플 1 내지 3에 대하여 표면을 동일하게 폴리싱하고, 이를 주사 전자 현미경(SEM, scanning electron microscope)을 이용하여 사진을 찍어 샘플 1 내지 3의 기공 상태를 관찰하였다. 이를 도 5에 도시하였다.
<실험예 3>
마이크로시티를 이용하여 샘플 1 내지 3을 분석하고 기공 크기(pore size), 기공률(porocity)을 측정하여 이를 도 6 및 도 7에 각각 도시하였다. 또한, 가압계(Instro 5565, 인스트론사 제조)를 이용하여 샘플 1 내지 3의 압축 강도(compressive strength)를 측정하여 이를 도 8에 도시하였다. 한편, 압축 강도 측정을 위해서 샘플 1 내지 3을 각각 직경 10mm, 높이 15mm로 가공하여 사용하였다.
<구체적인 검토>
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 XRD(X-ray Diffraction) 사진을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체에서는 다른 원소에 관한 피크가 나오지 않으며 티타늄과 관련된 피크만 분석됨을 알 수 있다.
이를 고려하면, 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 방법에 의하면, 다공성 금속 지지체를 제조하는 과정 및/또는 열처리를 수행하는 과정에서 불순물이 함유되거나 형성되지 않고 그로 인해 금속의 순도가 저하되지 않아, 불순물의 함량이 매우 적은 다공성 금속 지지체를 형성할 수 있다고 판단된다.
도 4는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체를 마이크로 시티(micro-CT)를 이용하여 그 단면을 촬영하고 이를 3차원 구조로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 다공성 금속 지지체의 단면 사진에서, 하얀색으로 표시된 부분(기공) 및 검은색으로 표시된 부분(금속 지지체)이 균일하게 분포되어 있으며, 하얀색으로 표시된 부분이 넓게 표시되는 것을 알 수 있다. 또한 다공성 금속 지지체의 3차원 사진에서, 그 표면에도 기공이 잘 발달되어 있음을 알 수 있다.
이는 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 방법에 의하면, 세라믹 대신에 금속 분말 자체를 사용하는 경우에도, 기공이 매우 잘 발달되고 기공이 균일하게 형성되어 있는 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있음을 의미한다.
도 5는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진으로서, 도 5(a)는 제조예 1에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진이며, 도 5(b)는 제조예 2에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진이며, 도 5(c)는 제조예 3에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 어두운 영역(기공)과 밝은 영역(금속 지지체)을 볼 수 있다. 즉 기공들이 3차원적으로 연결되어 있으며, 전체적으로 높은 기공성 구조를 가지는 것을 알 수 있다. 또한 동결 매체를 기준으로 하여 금속 분말의 부피비가 증가함에 따라 샘플 1, 샘플 2 및 샘플 3의 순서로 기공의 크기 및 기공률은 작아짐을 알 수 있다.
이는 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 방법에 의하면, 1) 세라믹 대신에 금속 분말 자체를 사용하는 경우에도, 기공이 매우 잘 발달되고 기공이 균일하게 형성되어 있는 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있음을 의미하며, 또한 2) 슬러리 제작시 금속 분말의 함량을 조절함에 따라 다양한 기공 크기와 기공률을 가지는 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있음을 의미한다.
한편 3) 금속 분말의 함량이 일정한 기준치를 못미치거나(예를 들면, 금속 분말의 함량이 10% 부피비 미만) 초과하게 되는 경우(예를 들면, 금속 분말의 함량이 40% 부피비를 초과)에는, 금속량의 부족으로 인하여 다공성 지지체 구조 형성이 어렵거나 3차원적으로 연결된 기공이 충분하게 성장하지 않을 수 있어 다공성 금속 지지체를 제조하는 것이 다소 어렵다는 것을 의미한다.
도 6은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 즉, 샘플 1 내지 샘플 3을 마이크로시티를 이용하여 분석하여 기공 분포도를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 샘플 1의 경우에는 기공 크기가 대체적으로 가장 크며 평균 기공 크기는 약 208.32㎛이며, 샘플 2의 경우에는 기공 크기가 중간 정도이며 평균 기공 크기는 약 155.36㎛이며, 샘플 3의 경우에는 기공 크기가 대체적으로 가장 작으며 평균 기공 크기는 약 115.43㎛임을 알 수 있었다.
이는 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 방법에 의하면, 상대적으로 큰 기공 크기, 즉 100㎛ 이상의 기공 크기를 가지는 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있음을 의미한다. 또한 100㎛ 이상의 기공 크기를 가짐으로 인해 제조된 다공성 금속 지지체가 생체 이식용 임플란트용으로 실제적으로 활용될 수 있음을 의미한다.
도 7은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 즉, 샘플 1 내지 샘플 3을 마이크로시티를 이용하여 분석하여 기공률을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 샘플 1의 경우에는 기공률이 약 74%이며, 샘플 2의 경우에는 기공률이 약 68%이며, 샘플 3의 경우에는 기공률이 약 60%임을 알 수 있었다.
이는 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 방법에 의하면, 전체적으로 높은 기공율을 가지는 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있음을 의미하며, 상술된 바와 같이, 슬러리 제작시 금속 분말의 함량을 조절함에 따라 기공률을 조절할 수 있음을 의미한다.
도 8은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 금속 지지체 즉, 샘플 1 내지 샘플 3의 압축 강도(compressive strength)를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 샘플 1의 경우에는 압축 강도가 약 59MPa이며, 샘플 2의 경우에는 압축 강도가 약 125MPa이며, 샘플 3의 경우에는 압축 강도가 약 180MPa임을 알 수 있었다. 또한, 금속 분말의 부피비가 증가함에 따라 압축 강도 역시 큰폭으로 증가함을 알 수 있었다.
이는 본 발명에 따른 다공성 금속 지지체 제조 방법에 의하면, 압축 강도가 우수한 다공성 금속 지지체를 제조할 수 있으며, 다공성 금속 지지체의 용도에 따라 요구되는 압축 강도에 맞게 다공성 금속 지지체의 압축 강도를 조절할 수 있음을 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 금속 지지체 제조 장치(100)에 대하여 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 금속 지지체 제조 장치(100)의 개략도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 금속 지지체 제조 장치(100)는 일정한 형태를 가지는 주형(110), 가열 및 냉각 장치(120), 회전 구동부(130), 제어부(140) 및 동결 건조부(150)를 포함한다. 또한, 온도 센서(160), 회전 속도 측정 장치(170), 열처리부(180) 및 진공 처리 장치(190)를 더 포함할 수도 있다.
주형(110)은 일반적으로 원통형의 실런더 형태를 가지며, 그 내부에 금속 분말, 동결 매체 및 분산제가 수용될 수 있도록 구성된다. 다만, 이러한 주형(110)은 다공성 금속 지지체가 사용되는 분야에 따라서 다양한 형상으로 제조될 수 있음은 물론이다. 또한 상기 주형은 다양한 재질로 마련될 수 있는데, 예를 들어 폴리에틸렌이나 알루미늄을 이용할 수 있음을 유의한다.
가열 및 냉각 장치(120)는 주형(110) 내의 온도를 조절하는 역할을 한다. 즉, 상술된 바와 같이 (a) 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 준비하는 단계는 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도에서 수행되는 것이 바람직하기 때문에 주형(110) 내의 온도를 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도로 유지하며, (b) 슬러리를 회전시키면서 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계는 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하기 때문에 주형(110) 내의 온도를 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도로 유지하는 역할을 수행한다.
이러한 가열 및 냉각 장치(120)의 구성은 주형(110) 내의 온도를 기설정된 온도로 가열 및 냉각할 수 있으면 충분하므로 특별히 제한되지 않으며, 공지의 구성 요소로 이루어지므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
회전 구동부(130)는 주형(110)을 일정한 속도 범위로 회전시키는 역할을 수행한다. 즉, 이러한 회전 구동부(130)가 주형(110)을 회전시키고 그로 인해 주형(110) 내에 혼합된 슬러리가 일정한 속도 범위로 회전하게 됨으로써, 슬러리에서의 금속 분말의 침전을 방지하며 이러한 상태에서 슬러리를 냉각시킴으로써 동결 성형체를 형성할 수 있게 한다. 이때, 주형(110)의 회전 속도는 상술된 바와 같이 제1 회전 속도 내지 제2 회전 속도의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
이러한 회전 구동부(130)의 구성은 주형(110)을 일정한 속도로 회전시킬 수 있으면 충분하므로 특별히 제한되지 않으며, 공지의 구성 요소로 이루어지므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
제어부(140)는 가열 및 냉각 장치(120) 및 회전 구동부(130)를 제어하는 역할을 수행한다.
구체적으로 살펴보면, 제어부(140)는 상기 (a) 단계에서는 주형(110) 내에 유입된 금속 분말, 동결 매체 및 분산제가 혼합되어 유동성이 양호한 상태의 슬러리가 준비될 수 있도록, 가열 및 냉각 장치(120)를 제어하여 주형(110)의 온도를 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도로 유지한다.
또한, 제어부(140)는 상기 (b) 단계에서는 슬러리가 회전되며 냉각되어 동결 성형제가 형성될 수 있도록, 가열 및 냉각 장치(120)를 제어하여 주형(110)의 온도를 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도로 유지하는 한편, 회전 구동부(130)를 제어하여 주형(110)이 일정한 속도 범위로 연속적으로 회전될 수 있도록 한다.
한편, 제어부(140)의 보다 정확한 제어를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 금속 지지체 제조 장치(100)는 주형(110) 내의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(160) 및 주형(110)의 회전 속도를 측정할 수 있는 회전 속도 측정 장치(170)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 제어부(140)는 온도 센서(160)로부터 측정되는 주형(110) 내의 온도에 근거하여 가열 및 냉각 장치(120)를 제어하고, 회전 속도 측정 장치(170)로부터 측정되는 주형(110)의 회전 속도에 근거하여 회전 구동부(130)를 제어할 수 있으며, 그로 인해 제어부(140)의 보다 정확한 제어가 수행될 수 있게 된다.
동결 건조부(150)는 형성된 동결 성형체에서 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 역할을 수행한다. 즉, 동결 건조부(150)는 형성된 동결 성형체를 동결된 상태에서 진공 처리하여 급속하게 건조시킴으로써 동결 매체를 승화시키거나 동결된 상태의 동결 매체를 용해시킴으로써 다공체를 형성하는 역할을 수행한다.
이러한 동결 건조부(150)의 진공을 유지하기 위해서, 후술되는 진공 처리 장치(190)가 사용되며, 진공 처리 장치(190)는 동결 건조부(150)가 동결 건조에 적절한 진공도를 갖는 진공 환경을 유지하게 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 금속 지지체 제조 장치(100)는 열처리부(180), 진공 처리 장치(190), 열처리부(180)를 가열하는 가열 장치(200) 및 열처리부(180)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(210)를 더 포함할 수 있다.
열처리부(180)는 형성된 다공체에 강도를 부여하기 위하여 열처리를 수행하는 역할을 수행하며, 이러한 열처리에 의하여, 기공이 형성된 상기 다공체에 생체 뼈조직과 유사한 탄성률 및 강성과 같은 기계적 특성을 부여할 수 있게 된다.
진공 처리 장치(190)는 열처리부(180)의 일측에 연결되어, 열처리부(180) 및 동결 건조부(150)를 진공으로 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 이러한 이유는 열처리시 산소와 같은 부반응물에 의하여 다공체가 산화되어 불필요한 불순물이 다공체 내에 혼입되는 문제를 근본적으로 차단할 수 있기 때문이다. 이때 특별하게 진공 상태의 진공도를 한정할 필요는 없음을 유의한다.
한편, 이러한 진공 처리 장치(190), 가열 장치(200) 및 온도 센서(210)는 상술된 제어부(140)와 연결되도록 구성되고, 제어부(140)는 열처리에 적절한 진공 상태 및 온도 조건을 제어할 뿐만 아니라, 동결 건조시에 적절한 진공 상태 및 온도 조건을 제어하는 역할도 수행한다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
110 : 주형
120 : 가열 및 냉각 장치
130 : 회전 구동부
140 : 제어부
150 : 동결 건조부
160 : 온도 센서
170 : 회전 속도 측정 장치
180 : 열처리부
190 : 진공 처리 장치
200 : 가열 장치
210 : 온도 센서

Claims (23)

  1. (a) 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 준비하는 단계
    (b) 상기 슬러리를 회전시키면서 냉각시켜 동결 성형체를 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 상기 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 분말은 티타늄, 마그네슘, 철, 알루미늄, 구리 및 이의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 동결 매체는 물; 캠핀(Camphene) 및 캠퍼(Camphor)를 포함하는 테르펜(Terpene); 및 테르페노이드(Terpenoid)계 물질로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 금속 분말의 함량은 상기 동결 매체 대비 10% 내지 40% 부피비인 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 분산제의 함량은 상기 금속 분말의 함량 대비 0.1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 혼합은 볼밀링 또는 교반에 의하여 상기 금속 분말의 분쇄와 함께 수행되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 슬러리는 일정한 형상을 가지는 주형에 주입되어 회전 및 냉각되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 동결 매체는 동결 건조, 승화 및 용해 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 상기 동결 성형체로부터 제거되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계 사이에,
    (b') 상기 동결 성형체를 상기 동결 매체의 동결 온도 부근의 일정 온도 범위에서 유지하면서 국부적 재용융 현상을 이용하여 응결된 상기 동결 매체의 과립을 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 일정 온도 범위는 상기 동결 매체의 동결 온도 내지 상기 동결 온도 - 20 ℃ 범위인 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    (d) 상기 다공체를 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서의 열처리 온도는 1200 내지 1350℃ 범위인 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 진공상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 진공 상태의 진공도 0.5 × 10-6 내지 1.0 × 10-6범위인 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 방법.
  17. 삭제
  18. 금속 분말, 동결 매체 및 분산제가 수용될 수 있는 주형;
    상기 주형 내의 온도를 조절할 수 있는 가열 및 냉각 장치;
    상기 주형을 회전시킬 수 있는 회전 구동부;
    상기 가열 및 냉각 장치 및 상기 회전 구동부를 제어할 수 있는 제어부; 및
    동결 건조부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 주형을 회전 및 냉각시켜 상기 금속 분말, 동결 매체 및 분산제가 혼합된 슬러리로부터 동결 성형체를 형성하고, 상기 동결 건조부는 상기 형성된 동결 성형체에서 상기 동결 매체를 제거하여 다공체를 형성하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다공성 금속 지지체 제조 장치는,
    상기 주형 내의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서; 및
    상기 주형의 회전 속도를 측정할 수 있는 회전 속도 측정 장치;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센서로부터 측정되는 주형 내의 온도에 근거하여 상기 가열 및 냉각 장치를 제어하고, 상기 회전 속도 측정 장치로부터 측정되는 상기 주형의 회전 속도에 근거하여 상기 회전 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 금속 분말, 동결 매체 및 분산제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 경우에는, 상기 제어부는 상기 주형 내의 온도가 상기 동결 매체의 동결 온도 이상의 온도로 유지되도록 상기 가열 및 냉각 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 장치.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 주형이 회전 및 냉각되어 상기 슬러리로부터 동결 성형체가 형성되는 경우에는, 상기 제어부는 상기 주형 내의 온도가 상기 동결 매체의 동결 온도 이하의 온도로 유지되도록 상기 가열 및 냉각 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 장치.
  22. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 다공성 금속 지지체 제조 장치는,
    상기 동결 건조부에서 형성된 다공체를 열처리할 수 있는 열처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 다공성 금속 지지체 제조 장치는,
    상기 열처리부 및 상기 동결 건조부를 진공으로 유지할 수 있는 진공 처리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다공성 금속 지지체 제조 장치.
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