KR101649746B1 - A method for manufacturing artificial joint materials - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인공 관절용 고분자 소재의 마모량 감소를 목적으로, 상대재인 금속 소재의 관절표면층에 세라믹 박막을 효율적으로 증착하기 위하여 고안된 것으로, 고분자 소재의 마모량을 더욱 감소시키기 위해 박막의 증착 전에 이온주입을 수행하는 방법, 세라믹 박막을 증착 하는 방법, 그리고 세라믹 박막과 금속 소재 사이의 접합력을 증진시키기 위해 박막의 증착과 동시에 이온주입을 수행하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention is designed to efficiently deposit a ceramic thin film on a joint surface layer of a metal material, which is a counter material, for the purpose of reducing the amount of wear of a polymer material for an artificial joint. In order to further reduce the wear amount of the polymer material, A method for depositing a ceramic thin film, and a method and apparatus for performing ion implantation at the same time as deposition of a thin film to improve a bonding force between a ceramic thin film and a metal material.

Description

인공 관절용 소재의 제조 방법{A method for manufacturing artificial joint materials}Technical Field [0001] The present invention relates to a method for manufacturing an artificial joint,

본 발명은 인공 관절용 소재로 많이 사용되는 금속 소재 표면에 세라믹 박막을 증착함으로써 인공 관절의 접촉 표면에서 인공 관절의 구동에 따라 발생되는, 금속 소재의 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 줄이는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the amount of wear of a polymer material for artificial joints, which is a relative material of a metal material, which is generated by driving an artificial joint on a contact surface of an artificial joint by depositing a ceramic thin film on a surface of a metal material, And a device therefor.

또한, 박막을 증착하기 전에, 금속 소재의 표면에 활성화 가스들을 이온화 시켜 금속 소재의 표면에 이온주입 시키는 공정을 도입함으로써, 금속 소재 표면에 부분적인 제 2의 세라믹 상을 형성시켜 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 줄이는 방법, 그리고 박막 증착 초기에 이온주입과 박막 증착을 동시에 수행함으로써 금속 소재와 세라믹 박막 사이의 접합력을 증진키는 동적 이온혼합 공정(Dynamic ion mixing process)을 도입하여 상대재인 인공 관절용 고분자 소재 마모량을 줄이는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.In addition, before the thin film is deposited, a process of ionizing the activation gas on the surface of the metal material to ionize the surface of the metal material is introduced to form a partial second ceramic phase on the surface of the metal material, In order to increase the bonding force between the metal material and the ceramic thin film, a dynamic ion mixing process is introduced to reduce the amount of wear of the polymer material and simultaneously perform ion implantation and thin film deposition at the initial stage of the thin film deposition, The present invention relates to a method for reducing the wear amount of a polymer material for joints and a device therefor.

최근 고령인구의 증가 및 인공 관절 시술자의 저연령화 추세로 인해 인공 관절의 수명 연장을 위한 연구의 필요성이 심각하게 대두되고 있다. 이 인공 관절은 사고나 질병으로 인한 관절의 손 상시, 인체에 삽입되어 관절운동을 수행하는 인공 대체물로서 인공 관절 중 인공 고관절의 경우 관절 운동을 하는 라이너(Liner)와 헤드(Head) 부분이 매우 중요하다. 현재 세라믹, 금속, 고분자 소재의 조합으로 구성되며, 금속(Co-Cr-Mo합금, Ti-6Al-4V합금) 헤드 와 고분자 라이너로 이루어진 제품이 주로 이용되고 있다.Recently, the necessity of research for prolonging the life of artificial joints is becoming serious due to the increase of the elderly population and the tendency of the artificial joint practitioner to be aged. This artificial joint is an artificial substitute that performs joint motion by being inserted into the human body when a joint is damaged due to an accident or a disease. In the case of the artificial joint of the artificial joint, a liner and a head Do. Currently, products made of a combination of ceramics, metals, and polymers are mainly made of a metal (Co-Cr-Mo alloy, Ti-6Al-4V alloy) head and a polymer liner.

금속 헤드와 고분자 라이너로 이루어진 인공 관절은 금속 헤드의 인성으로 인하여 충격 흡수에 장점이 있는 반면, 세라믹 헤드에 비하여 내마모성이 떨어지는 단점이 있으며 장기간 사용 시 체내에서 금속 이온이 용출되는 문제점이 발생하게 된다.The artificial joint composed of the metal head and the polymer liner is advantageous in shock absorption due to the toughness of the metal head, but has a disadvantage in that the wear resistance is lower than that of the ceramic head, and metal ions are eluted from the body during long-term use.

세라믹 헤드와 고분자 라이너로 이루어진 인공 관절은 세라믹 헤드가 우수한 내마모성과 화학적 안정성을 갖는다는 장점이 있는 반면에, 인성이 낮아 충격에 의한 파괴가 발생할 수 있으며 또한 제작이 어렵다는 단점이 있다.The artificial joint consisting of ceramic head and polymer liner has the advantage that ceramic head has excellent abrasion resistance and chemical stability, but it has a disadvantage that it can be broken due to impact due to low toughness and also difficult to manufacture.

금속 헤드 와 고분자 라이너 또는 세라믹 헤드와 고분자 라이너로 이루어진 인공 관절에서 라이너소재로 주로 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌은 기계적 특성이 우수하고 마찰계수가 작으며, 생체적합성이 뛰어나 그에 적합한 좋은 재료라고 할 수 있다. 하지만 관절운동의 결과, 초고분자량 폴리에틸렌 소재의 마모로 발생한 파편이 파골세포를 활성화시켜 골용해(osteolysis) 및 조직괴사를 일으킴에 따라 재 시술을 피할 수 없게 된다. 현재 인공 관절의 수명은 대략 10년 정도 이므로, 인공 관절을 이식 받은 사람들 중의 많은 사람들이 재 시술을 받게 되는데, 재 시술의 경우 많은 비용과 고통이 수반되므로 이러한 문제를 해결 하고자 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 줄여 인공 관절의 수명을 늘리려는 연구가 활발하게 진행 되고 있다.Ultrahigh molecular weight polyethylene, which is mainly used as a liner material in an artificial joint made of a metal head and a polymer liner or a ceramic head and a polymer liner, is excellent in mechanical properties, low coefficient of friction, and excellent biocompatibility. However, as a result of joint movement, debris from abrasion of ultrahigh molecular weight polyethylene material activates osteoclasts and causes osteolysis and tissue necrosis, so re-operation can not be avoided. Since the life span of the artificial joint is about 10 years, many of the transplant recipients are reapplied. In the case of re-surgery, the cost and the pain are accompanied by a lot of pain. Research has been actively carried out to increase the life expectancy of artificial joints by reducing the amount of wear.

미국 특허 제 5780119 호에서와 같이 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 의 상대재인 코발트크롬(CoCr) 합금에 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)을 코팅하고 그 위에 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅을 통해 폴리에틸렌의 마모를 감소시키는 방법이 있다. 여기서 실리콘 또는 게르마늄은 버퍼층으로써 코발트 크롬 합금과 DLC 코팅 사이에 강한 접합력을 갖도록 하기 위하여 IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)공정을 통해 증착되었다.US Pat. No. 5,780,119 discloses a method of coating a silicon (Si) or germanium (Ge) on a cobalt chromium (CoCr) alloy which is a relative material of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) . ≪ / RTI > Here, silicon or germanium is deposited as a buffer layer through an IBA (Ion Beam Assisted Deposition) process so as to have a strong bonding force between the cobalt chromium alloy and the DLC coating.

또한 대한민국 특허 10-0920275호와 같이 가교 폴리에틸렌 (XLPE) 또는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 상대재인 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 형성되는 인공 관절의 본체 표면에 산화 지르코늄 코팅을 통하여 가교 폴리에틸렌 (XLPE)의 마모량을 감소시키는 방법이 있다.Also, as disclosed in Korean Patent No. 10-0920275, the amount of wear of crosslinked polyethylene (XLPE) is controlled through a zirconium oxide coating on the surface of an artificial joint formed of zirconium or zirconium alloy, which is a relative material of crosslinked polyethylene (XLPE) or ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) There is a way to reduce.

이와 같이 금속 소재 위에 세라믹 박막을 증착하여 상대제인 폴리에틸렌 소재의 마모량을 줄이는 방법은 금속 소재의 우수한 연성과 세라믹 소재의 우수한 내마모성과 화학적 안정성을 동시에 적용 시킬 수 있는 장점이 있는 반면, 인공 관절이 장기간 사용됨에 따라, 세라믹 박막과 금속 소재 사이의 낮은 접합력에 의해 박리 현상이 발생하여 상대재인 폴리에틸렌 소재의 마모량을 급격히 증가시킨다는 문제점이 있다.The method of reducing the amount of wear of the polyethylene material by depositing the ceramic thin film on the metal material has the advantage that the excellent ductility of the metal material and the excellent abrasion resistance and chemical stability of the ceramic material can be applied at the same time while the artificial joint is used for a long time , There is a problem that the peeling phenomenon occurs due to a low bonding force between the ceramic thin film and the metal material, thereby rapidly increasing the wear amount of the polyethylene material as a counterpart material.

또한, 인공 관절의 사용 시 가해지는 하중에 의해 소재의 국부적인 변형이 일어나게 되는데, 이때 금속소재와 세라믹 박막 사이에 박리현상이 발생하거나, 세라믹 박막에 균열이 발생하는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 증착된 세라믹 박막과 모재 사이의 접합력은 인공관절의 내구성 향상에 매우 중요한 요소라 할 수 있다.
In addition, the local deformation of the material occurs due to the load applied when the artificial joint is used. At this time, peeling occurs between the metal material and the ceramic thin film, or cracks occur in the ceramic thin film. Therefore, the bonding force between the deposited ceramic thin film and the base material is a very important factor for improving the durability of the artificial joint.

본 발명은 인공 관절용 고분자 소재의 마모량 감소를 목적으로, 상대재인 금속 소재의 관절 표면층에 세라믹 박막을 효율적으로 증착하기 위하여 고안된 것으로, 박막의 증착 전에 이온주입을 수행하는 방법, 세라믹 박막을 증착 하는 방법, 그리고 세라믹 박막과 금속 소재 사이의 접합력을 증진시키기 위해 박막의 증착과 동시에 이온주입을 수행하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for efficiently depositing a ceramic thin film on a joint surface layer of a metal material, which is a counter material, in order to reduce the amount of wear of a polymer material for an artificial joint. The method includes performing ion implantation before depositing a thin film, And to a method and apparatus for performing ion implantation at the same time as deposition of a thin film to improve a bonding force between a ceramic thin film and a metal material.

따라서 본 발명은 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 감소시키기 위해 상대재인 금속 소재의 표면에 세라믹 박막을 증착함으로써 금속 소재의 인성과 , 세라믹 소재의 내마모성, 화학적 안정성을 이용함과 동시에 , 박막의 증착 전에 질소, 산소, 탄소 등의 이온들을 금속 소재 표면에 주입함으로써 금속 소재 표면에 부분적인 제 2의 세라믹 상을 형성시켜 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 내마모성을 더욱 감소시키며, 또한 세라믹 박막의 증착 초기에 이온주입과 박막 증착을 동시에 수행함으로써 금속 소재와 세라믹 소재 사이에 점진적인 조성 변화를 갖는 넓은 계면을 형성시켜 금속 소재와 세라믹 박막 사이의 접합력을 증진시켜 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 줄임으로써 인공 관절의 수명을 늘리고자 하는 것이 그 목적이다.
Therefore, the present invention utilizes the toughness of the metal material, the abrasion resistance and the chemical stability of the ceramic material by depositing the ceramic thin film on the surface of the metal material, which is a counterpart material, in order to reduce the wear amount of the polymer material for artificial joint, , Oxygen and carbon are injected into the surface of the metal material to form a partial second ceramic phase on the surface of the metal material to further reduce the abrasion resistance of the polymer material for artificial joints, By simultaneously performing the implantation and the thin film deposition, a wide interface having a gradual compositional change between the metal material and the ceramic material is formed, thereby increasing the bonding force between the metal material and the ceramic thin film, thereby reducing the wear amount of the polymer material for the artificial joint, The goal is to increase the life span.

본 발명은 인공 관절용 고분자 소재의 마모량 감소를 목적으로, 상대재인 금속 소재의 관절표면층에 세라믹 박막을 효율적으로 증착하기 위하여 고안된 것으로, 고분자 소재의 마모량을 더욱 감소시키기 위해 박막의 증착 전에 이온주입을 수행하는 방법, 세라믹 박막을 증착 하는 방법, 그리고 세라믹 박막과 금속 소재 사이의 접합력을 증진시키기 위해 박막의 증착과 동시에 이온주입을 수행하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention is designed to efficiently deposit a ceramic thin film on a joint surface layer of a metal material, which is a counter material, for the purpose of reducing the amount of wear of a polymer material for an artificial joint. In order to further reduce the wear amount of the polymer material, A method for depositing a ceramic thin film, and a method and apparatus for performing ion implantation at the same time as deposition of a thin film to improve a bonding force between a ceramic thin film and a metal material.

즉, 박막 증착을 위한 증착 원으로 흔히 사용되고 있는 마그네트론 증착원에 생체 적합성이 뛰어나고, 질소, 산소, 탄소 등과 결합하여 높은 경도 값과 , 뛰어난 내 마모성, 우수한 화학적 안정성을 갖는 세라믹 박막을 형성하는 타이타늄(Ti), 또는 나이오븀(Nb) 원소 등의 스퍼터링 타겟을 장착하여 세라믹 박막을 증착함과 동시에 고전압 펄스를 시료에 인가함으로써, 박막의 증착 전이나 혹은 박막의 증착과 동시에 효율적으로 이온주입이 가능하게 한다.That is, a magnetron evaporation source, which is commonly used as an evaporation source for thin film deposition, is made of titanium (Ti), which is excellent in biocompatibility and is combined with nitrogen, oxygen, and carbon to form a ceramic thin film having high hardness value, excellent abrasion resistance, Ti), or niobium (Nb) element is deposited to deposit a ceramic thin film and a high voltage pulse is applied to the sample to enable efficient ion implantation before deposition of the thin film or deposition of the thin film do.

또한, 박막의 증착 전에 이온주입 공정을 수행하여, 금속 소재의 표면에 부분적인 제 2의 세라믹 상을 형성시킴으로써, 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 더욱 감소시킬 수 있으며, 박막 증착 초기에 박막 증착과 동시에 이온주입을 수행함으로써, 점진적인 조성을 갖는 넓은 계면을 형성하여 세라믹 박막과 금속 소재사이의 접착력을 높여 줄 수 있으며, 이로 인하여 인공 관절용 고분자 소재의 마모량 감소를 구현할 수 있다.
Further, by performing ion implantation process before the thin film is deposited, the amount of wear of the polymer material for the artificial joint can be further reduced by forming a partial second ceramic phase on the surface of the metal material. In addition, By performing the ion implantation at the same time, it is possible to increase the adhesion between the ceramic thin film and the metal material by forming a wide interface having a gradual composition, thereby reducing the amount of wear of the polymer material for artificial joints.

이하, 본 발명에 대하여 첨부 도면 및 실시 예와 관련하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and embodiments.

제 1 도는 본 발명에 따른 세라믹 박막의 증착과 이온주입이 가능한 장치의 개략적인 구조도이다. (1)은 플라즈마 이온주입과 세라믹 박막 증착을 위한 진공조를 의미하며, (3)은 진공조 내부에 인입된 가스를 플라즈마화 하기 위한 RF 안테나이다. (4)는 세라믹 박막을 증착하기 위한 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟을 나타내고 있다. (2)는 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟(4)에 직류, 교류 또는 펄스 직류 전력(3)을 인가하기 위한 전원장치이다. (5)는 마그네트론 증착원(4)에 의하여 발생된 플라즈마를 나타내고 있으며, (6)은 전도성 시료 장착대(7)에 장착된 시료를 나타내고 있다. (8)은 플라즈마 발생에 이용되는 사용가스(9)의 유량을 조절하기 위한 가스유량 조절장치를 의미한다. 또한, (12)는 전도성 시료 장착대(7)에 음(-)의 고전압 펄스(11)를 인가하기 위한 고전압 펄스 전원을 의미한다. (10)은 진공조의 진공을 유지하기 위한 진공펌프이며, (13)은 진공조가 전기적으로 접지되어 있음을 의미한다. (14)는 진공조 벽면에 위치한 자석이며, (15)는 진공조 내부에서 발생되는 X선을 차단하기 위한 납 차폐 이다.FIG. 1 is a schematic structural view of a device capable of deposition and ion implantation of a ceramic thin film according to the present invention. (1) denotes a vacuum chamber for plasma ion implantation and deposition of a ceramic thin film, and (3) denotes an RF antenna for plasmatizing a gas introduced into a vacuum chamber. (4) shows a sputtering target mounted on a magnetron evaporation source for depositing a ceramic thin film. (2) is a power supply device for applying a direct current, alternating current or pulse direct current (3) to the sputtering target (4) mounted on a magnetron evaporation source. (5) shows the plasma generated by the magnetron evaporation source (4), and (6) shows the sample mounted on the conductive sample mounting table (7). (8) means a gas flow rate regulating device for regulating the flow rate of the used gas (9) used for plasma generation. Reference numeral 12 denotes a high voltage pulse power source for applying a negative high voltage pulse 11 to the conductive sample mounting table 7. (10) is a vacuum pump for maintaining the vacuum of the vacuum chamber, and (13) means that the vacuum chamber is electrically grounded. (14) is a magnet located on the wall surface of the vacuum tank, and (15) is lead shielding for shielding X-rays generated in the vacuum chamber.

본 발명에 의한 플라즈마 이온주입 및 세라믹 박막 증착의 원리는 다음과 같다. 진공조(1) 내부에 위치한 전도성 시료 장착대(7)에 시료(6)를 장착한 후, 진공펌프(10)을 이용하여 진공조(1) 내부의 진공도를 (10)진공 펌프를 이용하여 고진공 영역까지 배기한다. 이후, 플라즈마를 발생시키기 위한 가스로, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2), 메탄(CH4) 등의 가스(9)를 가스유량 조절장치(8)을 통하여 인입시켜 진공조 내부의 압력을, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr의 압력으로 조절한다. 그 이유로는, 0.5 mTorr 이하의 낮은 압력에서는 플라즈마의 발생이 어려운 반면, 5 mTorr 이상의 높은 압력에서는 이온주입 시 가속되는 이온과 주위 가스입자들과의 빈번한 충돌로 인하여 가속되는 이온의 에너지 손실이 매우 심하기 때문이다. 사용 가스 인입 후 진공조 내부의 압력이 안정화 되면, 진공조 내부의 RF 안테나(3)에 RF 파워를 인가하여 인입된 가스의 플라즈마를 형성 시킨다. 그 후, 전도성 시료 장착대(7)에 고전압 펄스 전원(12)을 이용하여 음(-)의 고전압 펄스(11)를 인가함으로써 플라즈마 이온주입 공정을 수행한다. 이온주입 공정 후, 세라믹 박막 증착을 위하여 진공조 내부에 ,마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟(4)의 스퍼터링을 위한 비활성화 가스와 타겟에서 스퍼터링 되는 원소와 결합하여 세라믹 박막을 형성시키기 위한 활성화 가스를 인입하여 혼합시킨다. 사용 가스 인입 후 진공조 내부의 압력이 안정화 되면 진공조 상단에 부착된 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟(4)에 직류,교류, 또는 펄스 직류 전력(2)을 인가하여, 박막 증착을 위한 플라즈마를 발생하게 되면, 증착원으로부터 스퍼터링 되는 물질과 진공조 내부에 인입된 가스가 만나 진공조 내부 전도성 시료 장착대 위에 위치한 시료(6)위에 세라믹 박막이 증착되게 된다.The principles of the plasma ion implantation and the deposition of the ceramic thin film according to the present invention are as follows. The sample 6 is mounted on the conductive sample mounting table 7 located inside the vacuum chamber 1 and the degree of vacuum inside the vacuum chamber 1 is measured using a vacuum pump 10 using a vacuum pump 10 Exhaust to the high vacuum region. Then, a gas for generating a plasma, not necessarily limited thereto, but not, argon (Ar), nitrogen (N 2), oxygen (O 2), methane (CH 4) gas (9) the gas flow rate control, such as apparatus (8) to regulate the pressure inside the vacuum chamber to a pressure of 0.5 mTorr to 5 mTorr, although not necessarily limited thereto. For this reason, it is difficult to generate plasma at a low pressure of 0.5 mTorr or less. On the other hand, at a pressure higher than 5 mTorr, energy loss of accelerated ions is very high due to frequent collision between accelerated ions and surrounding gas particles Because. When the pressure inside the vacuum chamber is stabilized after the use gas is introduced, RF power is applied to the RF antenna 3 inside the vacuum chamber to form a plasma of the introduced gas. Thereafter, the plasma ion implantation process is performed by applying a negative high voltage pulse 11 to the conductive sample mounting table 7 using the high voltage pulse power source 12. After the ion implantation process, an inert gas for sputtering the sputtering target 4 mounted on the magnetron evaporation source and an element for sputtering in the target are combined with an activation gas for forming the ceramic thin film in the vacuum chamber for deposition of the ceramic thin film Lt; / RTI > When the pressure inside the vacuum chamber is stabilized after the use gas is introduced, DC, AC, or pulsed DC power (2) is applied to the sputtering target (4) mounted on the magnetron deposition source attached to the upper end of the vacuum chamber, The material sputtered from the evaporation source and the gas introduced into the vacuum chamber meet and a ceramic thin film is deposited on the sample 6 placed on the vacuum chamber internal conductive sample mounting base.

또한 , 증착 초기에 전도성 시료 장착대(7)에 음(-)의 고전압 펄스(11)를 인가함으로써, 박막의 증착과 동시에 이온 주입 공정을 수행하면, 세라믹 박막과 금속 소재 사이에 점진적인 조성 변화를 갖는 넓은 계면을 형성시켜 세라믹 박막과 금속 소재 사이의 접합력을 높혀 주는 동적 이온혼합 공정(Dynamic ion mixing process)을 수행 할 수 있다.Further, when a negative (-) high voltage pulse 11 is applied to the conductive sample mounting table 7 at the initial stage of the deposition to perform the ion implantation process simultaneously with the deposition of the thin film, a gradual compositional change between the ceramic thin film and the metal material A dynamic ion mixing process for increasing the bonding force between the ceramic thin film and the metal material can be performed.

상기의 이온주입 공정 및 박막 증착 공정에서 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟(4)의 스퍼터링을 위해 사용되는 비활성화 가스로써는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만 아르곤(Ar) 가스를 주로 사용하게 되며. 이온주입 공정에서 금속 소재의 표면에 주입 시켜 금속 원소와 결합하여 부분적인 제 2의 세라믹 상을 형성시키기 위해 사용되는, 또는 세라믹 박막 증착 공정에서 스퍼터링된 원소와 결합시켜 세라믹 원소를 형성시키기 위해 사용되는 활성화 가스로써는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 질소(N2), 메탄(CH4), 산소(O2) 등의 가스를 사용하는데, 이는 이와 같은 가스가 플라즈마화 되어 고체 소재 내부로 이온주입 되었을 때 내부의 원소와 만나 세라믹 상을 형성하기 쉽고 또한 증착 공정 시 사용되는 증착원으로 부터 스퍼터링 되는 원소와 만나 세라믹 박막을 형성하기 쉽기 때문이다.As the deactivating gas used for sputtering the sputtering target 4 mounted on the magnetron evaporation source in the ion implantation process and the thin film deposition process, argon (Ar) gas is mainly used although it is not limited thereto. Is used to form a partial second ceramic phase by implanting on the surface of the metal material in the ion implantation process to form a partial second ceramic phase or to combine with elements sputtered in a ceramic thin film deposition process to form a ceramic element As the activation gas, a gas such as nitrogen (N 2 ), methane (CH 4 ), or oxygen (O 2 ) is used, though not limited thereto. This gas is converted into plasma and ion- It is easy to form a ceramic phase, and it is easy to form a ceramic thin film by meeting an element sputtered from an evaporation source used in a deposition process.

상기의 플라즈마 이온주입 공정에서 전도성 시료 장착대(7)에 인가되는 고전압 펄스(11)의 작동 주파수, 펄스폭 및 음(-)의 펄스 고전압은, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 0.1 Hz ∼ 500 Hz의 주파수를 사용하며, 펄스폭은 1 usec ∼ 200 usec, 음(-)의 펄스 고전압은 -1 kV ∼ -100 kV의 값을 이용한다. 그 이유로는 펄스폭의 경우, 1 usec 이하의 짧은 펄스폭으로는 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어지지 않으며, 200 usec 이상의 긴 펄스로 작동하면 전도성 시료 장착대(7)에 인가되는 음(-)의 고전압에 의한 플라즈마 sheath가 너무 많이 팽창하여 진공조(1)의 벽에 닿으면서 플라즈마가 꺼질 우려가 있으며, 시료 장착대에 고전압이 인가되는 시간이 길어짐에 따라 시료 장착대(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.The operating frequency, pulse width and negative pulse high voltage of the high voltage pulse 11 applied to the conductive sample mounting table 7 in the above plasma ion implantation step are not limited to 0.1 Hz to 500 Hz , The pulse width is 1 usec to 200 usec, and the negative (-) pulse high voltage is -1 kV to -100 kV. In the case of the pulse width, the plasma ion implantation is not effectively performed with a short pulse width of 1 usec or less, and when operated with a long pulse of 200 usec or more, a high negative voltage (-) applied to the conductive sample mounting table 7 The plasma sheath is excessively expanded and contacts the wall of the vacuum chamber 1, and plasma is likely to be turned off. As the time for applying a high voltage to the sample mounting table becomes longer, the possibility of generating an arc in the sample mounting table 7 Is high. In addition, with a low voltage of -1 kV or less, there is a disadvantage that the depth of ions to be injected into the surface of the sample is too shallow, and the production of a high-voltage pulse power supply device 12 of -100 kV or more is difficult.

상기의 박막 증착 공정에 사용되는 직류 전력 밀도는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 1 W/cm2 ∼ 50 W/cm2 의 값을 갖도록 한다. 그 이유로는, 1 W/cm2 이하의 직류 전력으로는 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟(4)으로부터 스퍼터링 되는 속도가 매우 느려서 공정시간이 많이 소요되므로 본 기술의 경제적인 가치가 감소하며, 50 W/cm2 이상의 값을 이용하기에는 냉각의 어려움 때문에 현실적으로 마그네트론 증착원의 제작에 어려움이 많기 때문이다.The DC power density used in the thin film deposition process is not limited to this, but it is set to a value of 1 W / cm 2 to 50 W / cm 2 . This is because the sputtering speed from the sputtering target 4 mounted on the magnetron evaporation source is very slow with a direct current power of 1 W / cm 2 or less, It is difficult to use the value of W / cm < 2 > or more because of difficulty in manufacturing the magnetron evaporation source.

본 발명을 위한 플라즈마 이온주입 공정의 특징은 다음과 같다.Features of the plasma ion implantation process for the present invention are as follows.

진공조 내부를 높은 수준의 진공 상태로 유지 시킨 후 진공조 내부에 이온주입을 위한 활성화 가스를 주입시킨 후 진공조 상단에 부착된 안테나에 RF 전류를 인가하여, 활성화 가스를 이온화 시킨 후, 금속 시료가 장착된 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 활성화 가스 이온을 효과적으로 가속하여 시료의 표면에 이온주입을 할 수 있게 한다. 따라서 3차원적인 시료에 대하여 균일하게 이온주입 할 수 있다는 장점이 있으며 전체적으로 빠른 주입 속도에 의해 높은 기술 경쟁력을 확보 할 수 있다는 장점이 있다.After the inside of the vacuum chamber is maintained at a high level of vacuum, an activation gas for ion implantation is injected into the vacuum chamber, an RF current is applied to the antenna attached to the top of the vacuum chamber to ionize the activation gas, (-) high-voltage pulse is applied to the conductive sample mounting table on which the ion exchange membrane is mounted, thereby effectively accelerating the activated gas ions, thereby allowing ion implantation on the surface of the sample. Therefore, it is advantageous that uniform ion implantation can be performed on a three-dimensional sample, and a high technology competitiveness can be ensured by a high injection rate as a whole.

또한 본 발명에 사용되는 장비의 특징은 다음과 같다.The features of the equipment used in the present invention are as follows.

이온주입 공정과 증착 공정을 하나의 진공조 내부에서 연속적으로 수행 할 수 있으므로, 외부에서 인입되는 불순물이나 가스들에 의한 오염을 방지 할 수 있다는 장점이 있으며, 증착 초기에 박막 증착 공정과 이온주입 공정을 동시에 진행하는 혼합공정이 가능하게 되어, 박막과 금속 모재사이의 계면에서 조성이 점진적으로 변화되는 넓은 계면을 형성시켜 , 세라믹 박막과 금속 모재사이의 접합력을 증진시키는 효과를 가져 올 수 있다는 장점이 있다.
Since the ion implantation process and the deposition process can be continuously performed in one vacuum chamber, it is possible to prevent contamination due to impurities or gases introduced from the outside. In the initial stage of the deposition process, the thin film deposition process and the ion implantation process Can be performed at the same time so that a wide interface in which the composition gradually changes at the interface between the thin film and the metal base material can be formed and the effect of increasing the bonding force between the ceramic thin film and the metal base material can be obtained have.

본 발명에 의하면, 마그네트론 스퍼터링 공정을 통해 세라믹 박막을 금속 소재위에 증착함으로써 금속 소재의 연성과 세라믹 소재의 우수한 내마모성 및 인체내 안정성을 모두 포함하는 인공 관절용 소재를 제조하여, 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 줄이는 효과를 얻게 되며, 세라믹 박막 증착 전, 활성화 가스 이온을 금속 소재 표면에 주입함으로써 금속 소재 표면을 개질시켜 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 더욱 줄이는 효과를 얻게 된다. 또한, 증착 초기 이온주입 공정과 증착공정을 동시에 수행하는 동적 이온 혼합 공정 (Dynamic ion mixing process)을 도입함으로써 세라믹 박막과 금속 소재 사이의 접합력을 증가시켜, 박막의 박리현상으로 인하여 발생되는 인공 관절용 고분자 소재의 급격한 마모량 증가를 억제할 수 있다.
According to the present invention, a material for an artificial joint including both ductility of a metal material and excellent wear resistance of a ceramic material and stability in a human body is manufactured by depositing a ceramic thin film on a metal material through a magnetron sputtering process, The effect of reducing the amount of wear of the material is obtained and the surface of the metal material is modified by injecting the activating gas ions onto the surface of the metal material before the deposition of the ceramic thin film to obtain the effect of further reducing the wear amount of the polymer material for artificial joints. In addition, by introducing a dynamic ion mixing process that simultaneously performs the ion implantation process and the deposition process at the initial stage of deposition, the bonding force between the ceramic thin film and the metal material is increased, and the joint force It is possible to suppress an abrupt increase in wear of the polymer material.

제 1 도는 본 발명에 따른 플라즈마 이온주입과 동시에 박막 증착이 가능한 장치의 구조도
제 2 도는 본 발명의 실시예 1에서 (a) 단순 증착 공정을 통하여 제조된 질화 나이오븀 박막과 (b) 증착 초기 이온주입 공정과 증착공정을 동시에 수행하는 동적 이온혼합 공정(Dynamic ion mixing process)을 도입하여 제조된 질화 나이오븀 박막의 X선 광전자 분석(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 결과.
제 3 도는 본 발명의 실시예 1에서 (A) 현재 인공 관절용 소재로 가장 많이 사용되고 있는 Co-Cr-Mo 합금 소재에 대한, (B) Co-Cr-Mo 합금 소재 위에 질화 나이오븀 박막을 단순 증착한 시료에 대한, (C) Co-Cr-Mo 합금 소재 위에 질소 이온주입을 30 kV의 인가전압으로 수행한 후, 질화 나이오븀 박막을 증착한 시료에 대한, (D) Co-Cr-Mo 합금 소재 위에 질소 이온주입을 50 kV의 인가전압으로 수행한 후, 질화 나이오븀 박막을 증착한 시료에 대한 초고분자량 폴리에틸렌의 마모량을 나타낸 마모 시험 결과.
FIG. 1 is a schematic view of an apparatus capable of performing thin film deposition simultaneously with plasma ion implantation according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results of a dynamic ion mixing process in which (a) a niobium nitride thin film produced through a simple deposition process and (b) an ion implantation process and a deposition process are simultaneously performed at the initial stage of deposition, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results of niobium nitride thin films prepared by introducing Cu (II)
FIG. 3 is a graph showing the results of (A) the Co-Cr-Mo alloying material which is currently used as the material for artificial joints, (B) the Ni-Nb thin film on the Co- (C) Co-Cr-Mo alloy (C) was deposited on the Co-Cr-Mo alloy with the applied voltage of 30 kV. The result of wear test showing the wear amount of ultrahigh molecular weight polyethylene on a sample of niobium nitride thin film deposited after nitrogen ion implantation with an applied voltage of 50 kV on alloy material.

이하, 본 발명에 대한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, examples of the present invention will be described. However, the following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

[실시예 1][Example 1]

본 발명에서 명시한 방법에 따른 인공 관절용 소재의 내마모성 향상을 위한 이온주입과 세라믹 박막 증착 실험을 다음과 크게 세 가지의 공정으로 나누어 실시하였다.The ion implantation and ceramic thin film deposition experiments for improving the wear resistance of artificial joint materials according to the method specified in the present invention were divided into the following three processes.

첫 번째는 세라믹 박막(본 실시예 1 에서는 질화 나이오븀) 증착 전에 금속 소재 표면에 질소(N2) 이온을 주입 하는 공정이며, 두 번째로는 세라믹 박막을 증착함과 동시에 질소(N2)와 아르곤(Ar)플라즈마 내부의 이온을 금속 소재 표면에 주입 시켜, 금속 시료와 세라믹 박막 사이에 점진적인 조성변화를 갖는 혼합된 계면(Intermixed layer)을 형성 시키는 동적 이온 혼합 공정 (Dynamic ion mixing process)이며, 세 번째로는 세라믹 박막을 증착하는 공정이다.The first is the step of implanting nitrogen (N 2) ion to a metal material surface before the ceramic thin film (in this embodiment 1, the nitride niobium) deposition, Second, also deposit a ceramic thin film and at the same time, nitrogen (N 2) and A dynamic ion mixing process in which an ion in an argon (Ar) plasma is injected into a surface of a metal material to form an intermixed layer having a gradual compositional change between the metal sample and the ceramic thin film, The third step is to deposit a ceramic thin film.

마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟으로는 직경 76.2 mm (3 inch), 두께 6.35 mm (1/4 inch)의 크기와 99.95% 이상의 순도를 갖는 나이오븀 스퍼터링 타겟을 사용하였다.As the sputtering target mounted on the magnetron evaporation source, a niobium sputtering target having a diameter of 76.2 mm (3 inches), a thickness of 6.35 mm (1/4 inch) and a purity of 99.95% or more was used.

세라믹 박막을 증착하기 위한 기판용 소재로써는 현재 인공 관절용 소재로 가장 많이 사용되고 있는 코발트-크롬-몰리브데늄 합금(Co-Cr-Mo 합금)을 직경 30 mm, 두께 10 mm 크기의 디스크 형태로 가공하여 1um수준 까지 표면 연마 한 후, 아세톤과 알코올이 혼합된 용액에 담궈 초음파 장비를 이용하여 세척하였다.As a substrate material for depositing a ceramic thin film, a cobalt-chromium-molybdenum alloy (Co-Cr-Mo alloy), which is currently used most as artificial joint material, is processed into a disc having a diameter of 30 mm and a thickness of 10 mm After polishing the surface to a level of 1 μm, it was immersed in a solution of acetone and alcohol and ultrasonically cleaned.

그 후 상기 시료를 진공조 내부의 전도성 시료 장착대 위에 장착시킨 후 , 진공조를 5ㅧ10-6 Torr의 진공도로 배기한 후, 질소가스를 인입하여 진공도를 0.7 mTorr 로 유지 시켰다. 그 후, 진공조 상단에 부착된 알루미늄 안테나에 200 Watt의 RF 파워를 인가하여 유도 결합 플라즈마를 발생시키고, 전도성 시료 장착대에 30 kV와 50 kV의 음의 고전압 펄스를 인가하여, 유도된 질소 플라즈마 내부의 질소 이온들을 금속 시료 표면에 주입 하였다. 이때 음의 고전압 펄스의 주파수는 100 Hz, 펄스폭은 40 usec, 공정시간은 30 kV의 음(-)의고전압 펄스에서는 15분, 50 kV의 음(-)의 고전압 펄스에서는 8분 동안 진행 하였다.Thereafter, the sample was mounted on a conductive sample mounting table in a vacuum chamber, and then the vacuum chamber was evacuated to a vacuum degree of 5 10 -6 Torr, and then nitrogen gas was introduced to maintain the vacuum degree at 0.7 mTorr. Thereafter, RF power of 200 Watt was applied to the aluminum antenna attached to the top of the vacuum chamber to generate inductively coupled plasma, and negative high voltage pulses of 30 kV and 50 kV were applied to the conductive sample mount, The internal nitrogen ions were injected into the surface of the metal sample. In this case, the frequency of the negative high voltage pulse was 100 Hz, the pulse width was 40 usec, the process time was 15 minutes for a negative high voltage pulse of 30 kV, and 8 minutes for a negative high voltage pulse of 50 kV .

이온주입 공정이 끝난 후 가스의 유입을 중단하고 진공조의 진공도를 다시 5ㅧ10-6 Torr 까지 배기한 후, 진공조 내부에 질소(N2)와 아르곤(Ar)가스를 혼합하여 인입한 후 진공도를 1.8 mTorr로 유지시켰다. 이때 아르곤(Ar)가스는 마그네트론 증착원에 장착된 나이오븀(Nb) 타겟을 스퍼터링 하기 위하여 인입하는 비활성 가스이며, 질소(N2)가스는 스퍼터링된 나이오붐(Nb) 원소와 반응시켜 세라믹 박막을 형성시키기 위하여 인입하는 활성화 가스이다. 그 후 상기 이온주입 공정과 동일하게, 안테나에 200 Watt RF의 파워를 인가하여 인입된 가스의 유도 결합 플라즈마를 발생 시킨 후, 마그네트론 증착원에 600 W(약 13 W/cm2)의 직류 전력을 인가하여, 마그네트론 증착원에 의한 나이오븀(Nb) 플라즈마를 형성 시켜 질화 나이오븀(NbN) 박막의 증착을 수행함과 동시에, 전도성 시료 장착대에 30 kV의 음의 고전압 펄스를 인가하여 아르곤과 질소의 이온주입을 5분 동안 진행 하였다. 이때 인가된 음의 고전압의 주파수는 100 Hz이며, 펄스폭은 40 usec로 상기의 질소 이온주입 공정과 동일하다. 이러한 동적 이온 혼합 공정(Dynamic ion mixing process)을 통하여 형성된, 세라믹 박막과 금속 시료 사이의 점진적인 조성의 변화를 갖는 혼합된 계면(Intermixed layer)부분을 X선 광전자 분석(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 통하여 분석하였다. 제 2도에서 보는 바와 같이 동적 이온 혼합(Dynamic ion mixing) 공정을 통하여 생성된 시료의 계면은 , 동적 이온 혼합 공정을 사용하지 않는 단순 증착 공정을 통해 형성된 시료의 계면보다 훨씬 넓은 계면을 갖는다는 것을 확인 할 수 있다.After the ion implantation process, the gas flow was stopped and the vacuum degree of the vacuum chamber was again exhausted to 5 ㅧ 10 -6 Torr. Then, nitrogen (N 2 ) and argon (Ar) gas were mixed in the vacuum chamber, Was maintained at 1.8 mTorr. At this time, the argon (Ar) gas is an inert gas that is introduced to sputter the niobium target mounted on the magnetron evaporation source, and the nitrogen (N 2 ) gas reacts with the sputtered niobium (Nb) Is an activating gas that is introduced to form. Thereafter, in the same manner as in the ion implantation process, an inductively coupled plasma of an introduced gas was generated by applying 200 Watt of RF power to the antenna, and DC power of 600 W (about 13 W / cm 2 ) was applied to the magnetron evaporation source (NbN) thin film is formed by forming a niobium (Nb) plasma by a magnetron evaporation source, and a negative high voltage pulse of 30 kV is applied to the conductive sample mounting table to remove argon and nitrogen Ion implantation was carried out for 5 minutes. At this time, the frequency of the applied negative high voltage is 100 Hz, and the pulse width is 40 usec, which is the same as the above nitrogen ion implantation process. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed on the intermixed layer, which is formed through the dynamic ion mixing process and has a gradual composition change between the ceramic thin film and the metal sample. Respectively. As shown in FIG. 2, the interface of the sample generated through the dynamic ion mixing process has a much wider interface than the interface of the sample formed through the simple deposition process without using the dynamic ion mixing process Can be confirmed.

동적 이온 혼합 공정 후 , 세라믹 박막 증착 공정을 수행 하였다. 세라믹 박막 증착 공정은, 동적 이온 혼합 공정과 연속적인 공정으로 진행하였으며, 인입되는 가스, RF 안테나에 인가되는 RF 전력, 그리고 마그네트론 증착원에 인가되는 직류 전력의 변화 없이, 동적 이온 혼합 공정에서 전도성 시료 장착대에 인가했던 음의 고전압 펄스 만을 제거 한 후 진행 되었다.After the dynamic ion mixing process, a ceramic thin film deposition process was performed. The ceramic thin film deposition process was carried out with a dynamic ion mixing process and a continuous process. In the dynamic ion mixing process, without changing the incoming gas, the RF power applied to the RF antenna, and the DC power applied to the magnetron evaporation source, And only the negative high voltage pulse applied to the mounting table was removed.

상기의 방법으로 제작된 질화 나이오븀(NbN) 박막이 증착된 금속 시료를 이용하여, 아래와 같은 방법으로 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌의 마모 시험을 진행 하였다.The abrasion test of ultrahigh molecular weight polyethylene, which is a relative material, was carried out using a metal sample on which a niobium nitride (NbN) thin film manufactured by the above method was deposited as follows.

마모 시험에 사용된 초고분자량 폴리에틸렌(GUR-4150, 분자량:920만 직경 7.5 mm 반구 형태의 핀 모양)은 핀 끝부분의 지름을 450 um가 될 때까지 마모시킨 후 시험에 사용하였다. 이는 마모시험 초기에 순간적인 점접촉으로 인한 무한대의 하중으로 잘못된 마모 시험 결과가 나오는 것을 막기 위함이다.The ultrahigh molecular weight polyethylene (GUR-4150, molecular weight: 9.2 million, diameter 7.5 mm hemispherical pin shape) used in the abrasion test was used for the test after finishing the diameter of the fin tip to 450 μm. This is to prevent an erroneous wear test result from infinite load due to instantaneous point contact at the beginning of wear test.

윤활유로 증류수를 사용하였으며, 초고분자량 폴리에틸렌은 상부에 고정시킨 채로 질화 나이오븀 박막이 증착된 금속 시료를 하부 회전축을 중심으로 100 rpm의 속도로 회전시켜 1000분 동안 마모 특성 실험을 진행하였다. 마모 실험 중 하중은 250 gf로 고정시킨 후 마모된 단면적을 측정하여 마모량을 계산하였다.Distilled water was used as lubricating oil. The ultra high molecular weight polyethylene was rotated at a speed of 100 rpm around the lower rotating axis while the niobium nitride thin film deposited on the upper side was fixed, and the wear characteristics test was carried out for 1000 minutes. During the wear test, the load was fixed at 250 gf, and the wear amount was calculated by measuring the worn cross section.

제 3 도에서 보는 바와 같이, 질화 나이오븀(NbN) 박막을 증착한 시료를 이용하여 마모 시험을 진행한 경우, 현재 가장 많이 사용되고 있는 코발트-크롬-몰리브데늄 합금(Co-Cr-Mo 합금)을 사용하여 마모 시험을 진행 하였을 때 보다 상대재인 초고분자량 폴리에틸렌의 마모량이 현저히 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 질화 나이오븀 박막을 증착하기 이전에 질소 이온주입을 시행한 시료의 경우 상대적으로 더욱 낮은 초고분자량 폴리에틸렌의 마모량을 갖는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 인공 관절용 소재로 사용되는 금속 소재 위에 세라믹 박막(혹은 세라믹과 금속이 혼합된 박막)을 증착하여, 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 감소시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속 소재 표면에 활성화 가스의 이온을 주입하여 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 감소시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 세라믹 박막 (혹은 세라믹과 금속이 혼합된 박막) 증착 초기에, 이온주입 공정과 박막 증착 공정을 동시에 수행하는, 동적 이온 공정(Dynamic ion mixing process)을 도입하여 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 감소시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 세 가지 항에 명시된 공정을 서로 혼합하여 상대재인 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 감소시키는 소재를 제작하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진공조 내부에 스퍼터링 타겟을 장착한 마그네트론 증착원과 시료를 장착할 수 있는 전도성 시료 장착대가 장착되어 진공조 내부에서 외부 환경에의 노출 없이, 인공 관절 금속 소재위에 이온주입공정과 박막 증착 공정을 동시에, 또는 순차적으로 수행 할 수 있도록 하는 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상술한 플라즈마 이온주입과 박막증착을 동시에 수행할 수 있는 장치를 이용하여, 진공조 내부의 전도성 시료 장착대 위에 시료를 위치 시키는 단계; 진공조를 펌프를 이용하여 고진공으로 배기시키는 단계; 모든 공정 이전에, 장착된 시료의 표면의 산화물을 제거하기 위해, 진공조 내부에 아르곤 가스를 주입한 후, 아르곤 플라즈마를 발생시킨 후, 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스, 직류 또는 교류 전력을 인가하여, 시료의 표면을 스퍼터 클리닝 시키는 단계; 진공조 내에 박막 증착이나, 이온주입에 사용할 가스를 공급하여 압력을 유지시키는 단계; 진공조 상단에 부착된 RF 안테나에 RF 전력을 인가하여, 인입된 가스를 플라즈마화 하는 단계; 진공조 내부의 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여, 플라즈마 내부의 이온을 가속화 시켜 장착된 시료에 주입시키는 단계; 스퍼터링 타겟이 장착된 마그네트론 증착원에 직류, 교류, 또는 펄스 직류 전력을 인가하여, 스퍼터링 타겟을 스퍼터링 하여 전도성 시료 장착대 위에 장착된 시료 위에 세라믹 박막 (혹은 세라믹과 금속이 혼합된 박막)을 증착 시키는 단계; 세라믹 박막(혹은 세라믹과 금속이 혼합된 박막)을 증착함과 동시에 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 진공조 내부에 형성된 플라즈마의 이온을 가속시켜, 증착과 동시에 이온주입을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 세라믹 박막 증착을 위한 마그네트론 증착원에 장착되는 스퍼터링 타겟의 종류는 질소, 산소, 탄소 등과 결합하여 경도 값이 높고, 생체 적합성이 우수한 세라믹 박막 (또는 세라믹과 금속이 혼합 된 박막) 을 형성 할 수 있는 나이오븀이(Nb)나 타이타늄(Ti)등의 원소의 타겟을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진공조 내부에 인입되는 가스를 아르곤, 질소, 메탄, 산소등의 단일 가스, 혹은 그의 혼합가스를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 세라믹과 금속이 혼합된 박막을 제조하기 위해 인입된 활성화 가스의 함량을 조절하여, 스퍼터링 타겟 원소 금속과, 스퍼터링 타겟 원소 금속이 활성화 가스와 반응하여 형성하는 세라믹이 혼합된 박막을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 스퍼터링 타겟이 장착된 마그네트론 증착원에 인가되는 직류, 교류, 또는 펄스 직류의 전력 밀도를 1 W/cm2 ~ 50 W/cm2로 하여 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진공조 내부의 사용 가스 압력을 0.5 mTorr ~ 5 mTorr의 압력을 유지하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 세라믹 박막(혹은 세라믹과 금속이 혼합된 박막)의 두께는 100nm ~ 20μm로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 증착되는 금속 모재는 인공 관절용 소재로 주로 사용되는 316L stainless steel, 코발트-크롬-몰리브덴 합금 (Co-Cr-Mo 합금), 코발트-크롬-몰리브덴-탄소 합금 (Co-Cr-Mo-C합금), 타이타늄(Ti), 타이타늄 알루미늄 질소 합금 (TiAlN), 타이타늄-알루미늄-바나듐 합금(Ti-Al-V 합금) 또는 지르코늄 합금(Zirconium 합금)의 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 이온주입을 위하여 전도성 시료 장착대에 인가되는 음(-)의 고 전압 펄스의 주파수는 0.1 Hz ~ 500Hz를 사용하며, 펄스폭은 1 μsec ~ 200 μsec, 음(-)의 펄스 고전압은 -1 kv ~ -100 kV의 값을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 인공 관절용 고분자 소재의 마모량을 감소시기 위해, 관절 표면의 세라믹 박막 (또는 세라믹과 금속이 혼합 된 박막)을 다층(multi-layer)의 복합물로 형성 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 다층으로 형성된 박막 사이의, 또는 다층의 박막과 금속 모재 사이의 접합력을 증진시키기 위하여 다층의 박막 증착 초기에 박막의 증착과 이온주입을 동시에 수행할 수 있다.
As shown in FIG. 3, when the abrasion test was carried out using a sample in which a niobium nitride (NbN) thin film was deposited, the most widely used cobalt-chromium-molybdenum alloy (Co-Cr-Mo alloy) It is confirmed that the abrasion amount of ultrahigh molecular weight polyethylene, which is a relative material, is remarkably lower than that when the abrasion test is conducted. In addition, it can be seen that the sample subjected to the nitrogen ion implantation before the deposition of the niobium nitride film has a relatively lower amount of ultra-high molecular weight polyethylene wear.
In one embodiment of the present invention, there is provided a method of reducing the amount of wear of a polymer material for artificial joints by depositing a ceramic thin film (or a thin film formed by mixing ceramic and metal) on a metal material used as an artificial joint material do.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of reducing the wear amount of a polymer material for an artificial joint by injecting ions of an activation gas onto a surface of a metal material.
In one embodiment of the present invention, a dynamic ion mixing process, which simultaneously performs an ion implantation process and a thin film deposition process, is introduced at the initial stage of deposition of a ceramic thin film (or a thin film formed by mixing a ceramic and a metal) Thereby reducing the amount of wear of the polymer material for artificial joints.
In one embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a material that reduces the wear amount of a polymer material for an artificial joint, which is a relative material, by mixing the processes specified in the three items.
In an embodiment of the present invention, a magnetron evaporation source equipped with a sputtering target in a vacuum chamber and a conductive sample mounting base on which a sample can be mounted are installed, An ion implantation process and a thin film deposition process can be performed simultaneously or sequentially.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of fabricating a semiconductor device, comprising: placing a sample on a conductive sample mounting table in a vacuum chamber using a device capable of simultaneously performing plasma ion implantation and thin film deposition; Evacuating the vacuum chamber at a high vacuum using a pump; In order to remove the oxide on the surface of the mounted sample before the whole process, argon gas is injected into the vacuum chamber, and then an argon plasma is generated, and then a negative high voltage pulse, Applying AC power to sputter the surface of the sample; Supplying a gas to be used for thin film deposition or ion implantation into a vacuum chamber to maintain the pressure; Applying RF power to an RF antenna attached to the top of the vacuum chamber to plasmaize the introduced gas; Applying negative (-) high voltage pulses to the conductive sample mounting table in the vacuum chamber to accelerate the ions in the plasma and inject them into the mounted sample; A sputtering target is sputtered by applying DC, AC, or pulsed DC power to a magnetron deposition source equipped with a sputtering target to deposit a ceramic thin film (or a thin film mixed with ceramic and metal) on a sample mounted on a conductive sample mounting table step; (-) high voltage pulse is applied to the conductive sample mounting table to accelerate the ions of the plasma formed in the vacuum chamber, and the ion implantation is performed simultaneously with the deposition of the ceramic thin film (or the thin film in which the ceramic and the metal are mixed) And < / RTI >
In one embodiment of the present invention, a sputtering target to be mounted on a magnetron deposition source for depositing a ceramic thin film is a ceramic thin film (or ceramic and metal) having a high hardness value and excellent biocompatibility by bonding with nitrogen, oxygen, (Nb), titanium (Ti), or the like, which can form a mixed thin film) can be used.
In one embodiment of the present invention, a gas introduced into the vacuum chamber may be a single gas such as argon, nitrogen, methane, or oxygen, or a mixed gas thereof.
In an embodiment of the present invention, the content of the activated gas introduced to produce a thin film in which ceramic and metal are mixed is controlled so that the ceramic formed by reacting the sputtering target element metal with the activating gas of the sputtering target element metal A mixed thin film can be formed.
In one embodiment of the present invention, the power density of DC, AC, or pulsed DC applied to the magnetron evaporation source equipped with the sputtering target may be 1 W / cm 2 to 50 W / cm 2 .
In an embodiment of the present invention, the pressure of the gas used in the vacuum chamber may be maintained at a pressure of 0.5 mTorr to 5 mTorr.
In one embodiment of the present invention, the thickness of the ceramic thin film (or the thin film in which ceramic and metal are mixed) may be 100 nm to 20 μm.
In one embodiment of the present invention, the metal base material to be deposited is selected from the group consisting of 316L stainless steel, a cobalt-chromium-molybdenum alloy (Co-Cr-Mo alloy), a cobalt-chromium-molybdenum- (Ti-Al-V alloy) or a zirconium alloy (Zirconium alloy) can be used as the material of the metal layer .
In one embodiment of the present invention, the frequency of the negative high voltage pulse applied to the conductive sample mount for ion implantation is 0.1 Hz to 500 Hz, the pulse width is 1 μsec to 200 μsec, the negative (- -) can use values from -1 kV to -100 kV.
In an embodiment of the present invention, a ceramic thin film on the joint surface (or a thin film in which ceramic and metal are mixed) may be formed as a multi-layer composite material in order to reduce the wear amount of the polymer material for an artificial joint .
In one embodiment of the present invention, thin film deposition and ion implantation can be performed simultaneously at the initial stage of multilayer thin film deposition in order to enhance the bonding force between thin films formed in multiple layers or between a multilayer thin film and a metal matrix.

1. 진공조
2. 직류 전원장치
3. RF 안테나
4. 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟
5. 마그네트론 플라즈마
6. 시료
7. 전도성 시료 장착대
8. 가스유량 조절장치
9. 사용가스
10. 진공펌프
11. 고전압 펄스
12. 고전압 펄스 전원장치
13. 진공조 접지
14. 자석
15. 납 차폐
1. Vacuum tank
2. DC power supply
3. RF Antenna
4. A sputtering target mounted on a magnetron deposition source
5. Magnetron plasma
6. Sample
7. Conductive sample mount
8. Gas flow regulator
9. Working gas
10. Vacuum pump
11. High voltage pulse
12. High Voltage Pulse Power Supply
13. Vacuum coils ground
14. Magnets
15. Lead Shielding

Claims (16)

진공조 내부에 시료를 위치시키는 단계;
이온 주입 공정을 통하여, 상기 시료에 이온을 주입하는 제1 단계;
스퍼터링 공정을 통하여 상기 시료 상에 박막을 형성하면서 동시에 플라즈마 내부의 이온을 상기 시료에 주입하는 이온 주입 공정을 병행하는 동적 이온 혼합 공정(dynamic ion mixing process)이 수행되는 제2 단계; 및
상기 동적 이온 혼합 공정 내 이온 주입 공정을 종료하고 상기 스퍼터링 공정을 계속 수행하여 상기 박막을 성장시키는 제3 단계;
를 포함하고,
상기 제2 단계를 통하여, 상기 시료와 상기 박막 사이에 점진적인 조성 변화를 가지는 계면을 형성하여 상기 시료와 상기 박막의 접착력을 증가시키는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
Positioning the sample in a vacuum chamber;
A first step of injecting ions into the sample through an ion implantation step;
A second step of performing a dynamic ion mixing process in which a thin film is formed on the sample through a sputtering process and an ion implantation process in which ions in the plasma are injected into the sample; And
A third step of finishing the ion implantation process in the dynamic ion mixing process and continuing the sputtering process to grow the thin film;
Lt; / RTI >
Wherein an interface having a gradual compositional change is formed between the sample and the thin film through the second step to increase the adhesive force between the sample and the thin film.
제 1 항에 있어서,
상기 시료는 코발트-크롬-몰리브덴(Co-Cr-Mo) 합금, 코발트-크롬-몰리브덴-탄소(Co-Cr-Mo-C) 합금, 타이타늄(Ti), 타이타늄-알루미늄-질소(Ti-Al-N) 합금, 타이타늄-알루미늄-바나듐(Ti-Al-V) 합금, 지르코늄(Zr)계 합금, 또는 스테인레스 스틸 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The sample may be a cobalt-chromium-molybdenum (Co-Cr-Mo) alloy, a cobalt-chromium-molybdenum-carbon alloy, a titanium (Ti) N alloy, a titanium-aluminum-vanadium alloy, a zirconium alloy, or stainless steel.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 단계 및 상기 제 2 단계의 상기 이온 주입 공정은, 인입된 가스를 플라즈마화를 통하여 이온화하고 상기 시료가 장착되는 전도성 시료 장착대에 음의 전압을 인가하여 수행되는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ion implantation process of the first step and the second step is performed by ionizing the introduced gas through plasmaization and applying a negative voltage to the conductive sample mounting table on which the sample is mounted, Gt;
제 1 항에 있어서,
상기 제1 단계의 상기 이온 주입 공정에서, 질소(N2), 메탄(CH4), 산소(O2) 또는 이들의 혼합 가스를 이온화하여 상기 시료에 이온 주입되는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
A method for manufacturing a material for an artificial joint, which is ion-implanted into the sample by ionizing nitrogen (N 2 ), methane (CH 4 ), oxygen (O 2 ), or a mixed gas thereof in the ion implantation step of the first step .
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계 및 상기 제3 단계의 상기 스퍼터링 공정에서 아르곤을 비활성 가스로 이용하고, 질소(N2), 메탄(CH4), 산소(O2) 또는 이들의 혼합 가스를 활성화 가스로 이용하는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein argon is used as an inert gas and nitrogen (N 2 ), methane (CH 4 ), oxygen (O 2 ), or a mixed gas thereof is used as an activation gas in the sputtering process of the second step and the third step, A method for manufacturing a material for an artificial joint.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계 및 상기 제3 단계의 상기 스퍼터링 공정에서 스퍼터링 타겟으로부터 배출된 원소 금속과 인입된 활성화 가스가 반응하여 상기 박막을 형성하는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the elemental metal discharged from the sputtering target in the sputtering step of the second step and the third step reacts with the drawn activation gas to form the thin film.
제 6 항에 있어서,
상기 인입된 활성화 가스의 함량을 조절하여, 세라믹과 금속이 혼합된 혼합 박막을 형성하는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 6,
And adjusting a content of the introduced activated gas to form a mixed thin film in which ceramic and metal are mixed.
제 1 항에 있어서,
상기 박막은 세라믹 박막 또는 세라믹과 금속이 혼합된 혼합 박막을 포함하는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thin film comprises a ceramic thin film or a mixed thin film in which ceramic and metal are mixed.
제 1 항에 있어서,
상기 박막은 나이오븀이(Nb), 타이타늄(Ti), 또는 이들을 혼합물을 포함하도록 구성된, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thin film is configured to include niobium (Nb), titanium (Ti), or a mixture thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 박막은 100 nm 내지 20 ㎛의 범위의 두께를 갖는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thin film has a thickness ranging from 100 nm to 20 占 퐉.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계를 수행하기 전에, 아르곤 플라즈마를 이용하여 상기 시료의 표면의 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of removing impurities on the surface of the sample using argon plasma before performing the first step.
제 1 항에 있어서,
상기 박막은 다층으로 구성된, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thin film is composed of multiple layers.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 단계 내지 상기 제3 단계를 반복적으로 수행하여, 상기 박막을 다층으로 형성하는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first step to the third step are repeatedly performed to form the thin film in multiple layers.
제 1 항에 있어서,
상기 진공조의 내부는 0.5 mTorr 내지 5 mTorr 범위의 압력으로 유지되는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the interior of the vacuum chamber is maintained at a pressure in the range of 0.5 mTorr to 5 mTorr.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 단계 및 제2 단계의 상기 이온 주입 공정은, 상기 시료가 장착되는 전도성 시료 장착대에 -1 kV 내지 -100 kV 범위의 전압, 0.1 Hz 내지 500Hz 범위의 주파수, 및 1 μsec 내지 200 μsec의 펄스 폭을 가지는 음(-)의 고 전압 펄스를 인가하여 수행되는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The ion implantation process of the first and second steps may be performed by applying a voltage in the range of -1 kV to -100 kV, a frequency in the range of 0.1 Hz to 500 Hz, and a voltage in the range of 1 μsec to 200 μsec (-) high voltage pulse having a pulse width of?
제 1 항에 있어서,
상기 제2 단계 및 제3 단계의 상기 스퍼터링 공정은, 스퍼터링 타겟이 장착된 마그네트론 증착원에 1 W/cm2 내지 50 W/cm2 범위의 전력 밀도를 가지는 직류, 교류, 또는 펄스 직류를 인가하여 수행되는, 인공 관절용 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The sputtering process in the second and third steps may be performed by applying a direct current, alternating current, or pulsed direct current having a power density in the range of 1 W / cm 2 to 50 W / cm 2 to a magnetron evaporation source equipped with a sputtering target Wherein the method comprises the steps of:
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