KR102148868B1 - 개선된 공정 및 식각액을 이용한 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법은 상기 픽스쳐의 표면을 거칠게 하는 샌드 블라스팅 단계, 산성의 식각액을 이용하여 상기 픽스쳐 표면에 미세한 구조를 형성하는 식각 단계, 상기 식각액의 제거를 위한 표면 세정 단계 및 상기 픽스쳐 표면을 친수성 표면으로 개질하는 친수화 단계를 포함하며, 상기 식각 단계는 약산성의 식각액을 사용하되 염산과 과산화수소를 혼합하여 사용하며, 사용자가 원하는 상기 픽스쳐의 표면 조도와 식각량에 따라 상기 염산과 과산화수소의 비율을 조정하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

개선된 공정 및 식각액을 이용한 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법{Surface etching solution of dental fixture and etching process using it}

본 발명은 치과용 임플란트 픽스쳐(인공치근)의 표면처리 방법에 관한 것으로 새로운 조성의 저농도 식각액 및 추가 공정을 부가함으로써 안전성 및 효율성을 증대시킨 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법에 관한 것이다.

치아 임플란트 시술이란 치아의 결손이 있는 부위나 치아를 뽑은 자리의 턱뼈에 골 이식, 골 신장술 등의 부가적인 수술을 통하여, 충분히 감쌀 수 있도록 부피를 늘린 턱뼈에 생체 적합적인 임플란트 본체를 심어서 자연치의 기능을 회복시켜주는 치과 치료이다.

정상적인 기능이 유지되고 있는 턱뼈와 식립된 임플란트 본체 표면과의 형태적, 생리적, 직접적 결합인 골유착(osseointegration)이 이루어진 후 임플란트 주위 턱뼈의 골 개조의 과정을 거치게 된다.

임플란트는 치조골에 이식되는 인공치근(Fixture), 지대주(Abutment), 치아의 형상을 재현해주는 내관(Coping)과 크라운(Crown)으로 구성되어 있으며, 통상적으로 인공치근(Fixture)과 지대주(Abutment)를 합쳐 임플란트라고 부른다.

임플란트 시술과정은 인공치근을 치조골에 심고, 인공치근이 자리를 잡으면 2차 수술과정에서 지대주를 시술하며, 이후 크라운을 씌워 마무리하며, 수술 과정에서 치조골에 심는 인공치근(Fixture)은 매우 중요한 부분으로, 인공치근(Fixture)의 표면 처리 방법에 따라 인공 치근과 치조골이 결합하는 시간이 차이가 나며 그에 따라 치료기간이 달라진다.

즉, 임플란트와 뼈의 강한 고정력을 위해서 임플란트의 표면에 샌드 블라스팅과 산의 식각 방법을 통하여 임플란트의 표면에 거칠기(roughness)를 부여하여 임플란트의 표면적을 넓히는 방법은 이미 많은 임플란트 제조 회사에서 공통적으로 적용하는 표면 처리방법 중의 하나이다.

그런데, 티타늄 임플란트 픽스쳐에 표면 거칠기를 부여하기 위하여 90℃의 고온에서 고농도 염산과 황산을 혼합한 강산 식각액으로 공정이 진행되고 염산 및 황산 혼합액과 티타늄이 반응하면 티타늄 부산물 형성과 함께 이산화황 가스가 발생된다. 또한, 황산 또는 염산을 단독으로 티타늄과 반응시킬 경우 발생되는 수소가스는 가연성 및 폭발성이기 때문에 화재를 야기할 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 고온 및 고농도의 식각액에서 발생되는 기체상태의 반응 부산물로 인하여 식각 장비의 부식이 빠르게 진행되어, 부가적으로 장비 유지보수 비용이 발생한다.

또한, 고농도의 강산 식각액 사용으로 화학약액 소모량이 매우 높아 공정 비용이 증가하고, 공정 후 발생되는 폐수의 처리 비용 및 반응 부산물에 의한 대기 오염 등 환경 문제가 발생한다. 이와 같이 픽스쳐 제조에 사용되는 식각액 비용 및 폐수 처리 비용뿐만 아니라 공정 상 발생할 수 있는 다양한 문제 및 환경오염 문제가 있는 것이다.

등록특허 10-1404632호(2014.05.30. 공고)

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 치과용 픽스쳐의 표면처리 공정에서 개선된 식각액 및 추가 공정을 부가하여 안전하고 효율성을 높이는 표면처리 방법을 제공하려는 것이다.

본 발명에 따른 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법은 상기 픽스쳐의 표면을 거칠게 하는 샌드 블라스팅 단계, 산성의 식각액을 이용하여 상기 픽스쳐 표면에 미세한 구조를 형성하는 식각 단계, 상기 식각액의 제거를 위한 표면 세정 단계 및상기 픽스쳐 표면을 친수성 표면으로 개질하는 친수화 단계를 포함하며, 상기 식각 단계는 약산성의 식각액을 사용하되 염산과 과산화수소를 혼합하여 사용하며, 사용자가 원하는 상기 픽스쳐의 표면 조도와 식각량에 따라 상기 염산과 과산화수소의 비율을 조정하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 식각 반응 활성화 단계를 더 포함하며, 상기 식각 반은 활성환 단계는 식각의 효율을 증가시키기 위해 광 에너지를 활용하되 광원은 자외선 램프 또는 할로겐 램프를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 식각 반응 활성화 단계; 를 더 포함하며, 상기 식각 반응 활성화 단계는 식각의 효율을 증가시키기 위해 초음파를 활용하되 상기 초음파가 식각액을 교반하여 상기 픽스쳐와의 경계층 및 농도 분극에 영향을 미치는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 식각액을 구성하는 염산과 과산화수소의 비율은, 상기 픽스쳐의 표면 조도를 높이려는 경우 1:1의 비율로 혼합하고, 상기 픽스쳐의 표면 식각량을 높이려는 경우 4:1의 비율로 혼합하며, 상기 식각액은 PH 5 내지 PH 6의 범위에서 사용하며, 기 사용되는 식각액에 비해 상대적으로 저농도인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 식각액은 초순수를 더 포함하며, 상기 초순수는 상기 식각액 전체 중량 대비 35 내지 40%을 차지하며, 상기 식각 단계는 섭씨 85 내지 95도에서 진행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 식각액은 염산, 과산화수소, 초순수 및 황산 중 적어도 둘 이상을 혼합하여 사용하며 사용자의 선택 또는 상기 픽스쳐의 식각 정도에 따라 혼합 비율을 조정할 수 있으며, 식각 반응을 활성화하기 위해 초음파 및 광 에너지를 식각액에 조사하며, 상기 식각 단계는 섭씨 85 내지 95도에서 진행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 표면처리 방법은 개선된 공정을 추가하고 저농도의 식각액을 사용함으로써 픽스쳐의 표면처리 공정의 안전성과 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 임플란트 구조에 대한 설명도
도 2는 본 발명에 따른 픽스쳐 표면처리 방법의 순서도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따라 식각 활성화 단계를 포함하는 픽스쳐 표면처리 방법의 순서도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따라 식각 활성화 단계를 설명하는 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법에 관하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예로 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.

앞서 설명한 바와 같이 치과용 임플란트(Dental Implant)란 치아가 빠진 부위에 주변 치아를 손상하지 않고 특수 금속으로 만든 인공치근을 치조골에 이식하여 본래의 자기 치아와 같은 기능을 수행하도록 하는 것이다. 임플란트는 치조골에 이식되는 인공치근(Fixture, 100), 지대주(Abutment, 200), 치아의 형상을 재현해주는 내관(Coping)과 크라운(Crown, 300)으로 구성되어 있으며, 통상적으로 인공치근(Fixture, 100)과 지대주(Abutment, 200)를 합쳐 임플란트라고 부른다.

본 발명은 상기 인공치근인 픽스쳐의 표면처리 방법 내지 공정에 관한 발명으로서 상기 픽스쳐(100)는 치조골과의 생체 적합성이 매우 중요하며 이를 위해 표면을 가공하여 표면적을 증가시키고 치조골과의 결합하는 시간을 최소화하는 것이 중요한 것이다.

본 발명에 따른 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법은 상기 픽스쳐(100)의 표면을 거칠게 하는 샌드 블라스팅 단계(S200), 산성의 식각액을 이용하여 상기 픽스쳐 표면에 미세한 구조를 형성하는 식각 단계(S300), 상기 식각액의 제거를 위한 표면 세정 단계(S400) 및 상기 픽스쳐 표면을 친수성 표면으로 개질하는 친수화 단계(S500)를 포함한다.

물론, 상기 픽스쳐(100)의 표면처리 공정 이전에 원재료인 티타늄 봉에 기계가공을 통하여 나사산을 형성하는 단계(S100)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 나사산의 피치, 높이, 크기, 형태, 개수 등을 다양한 조건과 상황에 맞게 변경할 수 있으며, 상기 픽스쳐(100)의 적용 목적에 따라 다양하게 변경이 가능하다.

또한, 상기 픽스쳐(100)의 표면을 가공할 수 있는 다양한 방법과 공정이 추가될 수 있으며, 상기 식각 단계 이전, 중간 또는 이후에 추가로 진행될 수 있으며, 이와 함께 후술 할 식각의 활성화를 위한 추가 공정 또는 방법이 병행될 수 있을 것이다.

상기 식각 단계(S300)는 약산성의 식각액(500)을 사용하되 염산과 과산화수소를 혼합하여 사용하며, 사용자가 원하는 상기 픽스쳐(100)의 표면 조도(거칠기)와 식각량에 따라 상기 염산과 과산화수소의 비율을 조정하여 사용할 수 있다.

즉, 종래의 식각액(50)은 염산과 황산의 강산을 혼합하여 사용하게 되므로 앞서 설명한 환경오염, 작업 상 인체에 유해한 물질이 생성되며, 고온 및 고농도의 요건을 만족하기 위해 비용과 시간이 많이 필요한 것이다.

또한, 상기 식각액(500)은 상기 과산화수소 외에 다양한 산화제, 첨가제가 사용될 수 있으며, 필요에 따라 약산성의 산화제 또는 첨가제가 사용되고 종래 사용되고 있는 식각액에 비해 상대적으로 저농도의 식각액이 사용된다. 이에 따라 상술한 종래 고농도, 고온의 환경에서 사용되는 식각액에 따른 여러 문제점을 해결할 수 있다.

상기 식각액(500)의 조성비 또는 성분비 등에 관해서는 기 설정된 조건에 따라 진행될 수 있으며, 식각의 정도 내지 식각 대상물의 종류, 성질 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

물론, 식각액(500)의 성분, 조성비 등과 관련된 데이터는 저장되거나 데이터 베이스로 가공되어 활용될 수 있으며, 필요에 따라 딥 러닝, 데이터 마이닝 기술을 이용하여 학습하고 상태나 결과를 예측할 수 있을 것이다.

이러한 픽스쳐의 표면처리 관련 정보는 별도의 서버를 통해 임플란트 시술이 진행되는 치과, 치기공소 등과 연계되어 정보나 데이터가 송 수신 될 수 있으며, 임플란트 시술을 받는 당사자에게도 접근 권한을 설정하여 임플란트 관련 정보를 확인하거나 새로운 요건을 요청할 수 있도록 한다.

즉, 환자의 경우 시술되는 임플란트 정보를 확인하고 이에 대해 본인에게 맞는 상태나 조건을 요청함에 따라 치료과정에 참여하게 되므로 치료의 신뢰가 올라가고 환자의 만족도가 상승할 수 있다.

상기 식각액(500)은 종래 사용하던 황산을 대체하는 산화제로 과산화수소(H2O2)를 사용하는 것이 바람직하며 상기 식각액(500)을 구성하는 염산과 과산화수소의 비율은 상기 픽스쳐(100)의 표면 조도(거칠기)를 최대치로 높이려는 경우 1:1의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 이와 같은 결과는 출원인의 실험에 따른 결과이며, 출원인의 실험 진행 내용 및 결과 데이터는 후술한다.

또한, 상기 픽스쳐(100)의 표면 식각량을 최대치로 높이려는 경우 염산과 과산화수소의 혼합 비율을 4:1의 비율로 혼합하는 것이 우수하다. 즉, 사용자가 원하는 상기 픽스쳐(100)의 표면처리 정도, 상태에 따라 거칠기(조도) 또는 식각량을 적절하게 조율하고 이를 위해서 상기 과산화수소와 염산의 혼합비율을 조정하는 것이다.

또한, 상기 식각액(500)은 PH 5 내지 PH 6의 범위의 약산성 조건에서 사용할 수 있으며, 기 사용되는 식각액에 비해 상대적으로 저농도인 것이 특징이다. 즉, 황산과 같은 강산의 산화제를 사용하지 않고 과산화수소 또는 불산 등을 사용하여 저농도, 약산성의 산화제를 사용함으로써 안전성을 증대하면서 종래 식각액에 따른 상기 픽스쳐 표면의 식각 효과를 그대로 또는 그 이상으로 얻을 수 있으므로 종래 식각액을 대체할 수 있는 것이다.

상기 식각액(500)은 초순수를 더 포함할 수 있다. 상기 초순수는 상기 식각액 전체 중량 대비 35 내지 40%을 차지하며, 이때의 식각 공정은 섭씨 85 내지 95도에서 진행할 수 있다.

상기 초순수(Ultrapure Water)는 전기 전도도, 고형 미립자수, 생균 수, 유기물 등을 극히 낮은 값으로 억제한 순수한 물을 말한다. 초순수에서는 미립자가 직경 0.1㎛ 이하의 것이 20개/㎤ 이하, 생균은 100㎤당 1개 이하 등의 제한치가 있다. 초순수는 증류, 이온교환, 역침투 등을 조합하여 만들며 반도체의 제조공정에 사용되나, 이것들의 도금공정 중에서 세정수에도 사용된다. 이 외에 의약품 제조, 원자력 발전소에서도 사용되고 있다.

상기 식각액은 염산, 과산화수소, 초순수 및 황산 중 적어도 둘 이상을 혼합하여 사용하며 사용자의 선택 또는 상기 픽스쳐의 식각 정도에 따라 혼합 비율을 조정할 수 있다.

본 발명에 따른 픽스쳐의 표면처리 방법은 상술한 바와 같이 종래 식각액(500)에 비해 개선된 식각액을 사용함으로써 고농도, 고온의 조건에서 식각이 이뤄짐에 따라 발생하는 문제점을 해결하였으며, 이와 함께 식각의 효율을 증대시키기 위한 활성화 단계 또는 활성화 방법을 더 포함한다.

상기 활성화 방법은 종래의 식각액(염산, 황상)이 사용되는 식각 공정에 적용될 수도 있으며, 나아가 본 발명에 따른 개선된 식각액(염산, 과산화수소 등)인 저농도 식각액과 동시에 진행되는 경우 더욱 우수한 안전성 및 효율성을 얻을 수 있다.

이에 따라 본 발명의 표면처리 방법은 식각 반응 활성화 단계(S250, S350)를 더 포함하며, 상기 식각 반은 활성화 단계는 식각의 효율을 증가시키기 위해 광 에너지를 활용하는 단계(S250)를 포함 할 수 있다.

즉, 상기 광 에너지를 얻기 위해 자외선 램프(400) 또는 할로겐 램프를 광원(400)으로 이용하여 상기 픽스쳐(100) 또는 식각액(500)에 조사하는 경우 상기 픽스쳐(100) 표면에 조사된 빛은 광자(photon) 흡수 과정에 의해 이동 가능한 정공(hole)을 많이 생성하고, 표면으로 이동된 상기 정공은 표면을 더욱 산화시키는 것이다.

이에 따라 산화된 상기 픽스쳐(100)를 식각액(500)에 담궈 식각을 진행하면 상기 픽스쳐(100)의 표면의 식각 활성화 및 픽스쳐의 표면 처리를 좀더 활성화 할 수 있는 것이다.

물론, 상기 광 에너지(자외선, 할로겐)는 식각을 하기 이전의 상기 픽스쳐(100)의 표면에 조사할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 픽스쳐(100)를 식각액(500)에 담궈 식각하는 과정에서 동시에 조사할 수도 있을 것이다.

또한, 상기 식각 반응 활성화 단계는 식각의 효율을 증가시키기 위해 초음파를 활용하는 단계(S350)를 포함할 수 있다. 즉, 초음파 발생부(600)에 의해 발생한 상기 초음파가 식각액(500)을 교반하여 상기 픽스쳐(100)와의 경계층 및 농도 분극에 영향을 미치게 됨으로써 식각의 효율이 증대하는 것이다.

또한, 상기 초음파를 사용하는 경우 상기 식각액(500)의 농도 또는 식각의 온도를 감소시킬 수 있고 식각 공정 중 발생할 수 있는 흄(fume)을 감소할 수 있다. 흄이란 승화, 증류, 화학반응 등에 의해 발생하는 연기로, 주로 고체의 미립자로 되어 있다. 미립자의 직경은 1㎛ 이하로 미세하게 포집(捕集)하기는 어렵다. 미립자가 액상인 것은 미스트(Mist)라고 한다.

예를 들어, 발연 황산, 발연 초산 등에서 발생하는 연기는 흄 또는 미스트라고 칭하며, 크롬 도금에서는 전해 중에 다량의 미스트가 발생한다. 이와 같은 흄이 발생하는 경우 작업 공정 상 건강에 위해를 가할 수 있으며 공정의 효율을 낮출 수도 있는 것이다.

이와 같이 상기 식각반응 활성화 단계(S250, S350)는 종래의 표면처리 공정에서 단독 또는 동시에 병행하여 진행할 수 있으며, 이 때 사용되는 광원(400)은 상술한 자외선, 할로겐 외에 다양한 광원이 사용될 수도 있다.

또한, 상기 초음파 이외에도 동일하거나 유사한 효과를 얻을 수 있는 다양한 매개체가 사용될 수 있으며, 방사선, 전자파 등 여러 가지 수단이 활용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 표면처리 방법은 종래 사용되던 식각액에 비해 산성이 낮고, 농도가 낮으며, 공정이 이뤄지는 온도가 상대적으로 낮게 마련됨으로써 종래 발생하는 문제점을 해결하였으며, 추가 공정인 반응 활성화 단계를 포함하여, 식각의 효율을 높여 우수한 임플란트 픽스쳐의 표면처리 결과를 얻을 수 있게 된다.

이하 출원인이 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법의 개선을 위해 실험한 데이터 및 과정을 다음과 같이 모두 설명한다.

임플란트 픽스쳐 식각액 조성 연구

1. Sand- blast 실험

Sand blast 공정은 임플란트 픽스쳐에 마이크로 크기의 표면 거칠기를 형성하기 위한 공정으로 알루미나 입자를 분사 함으로써 티타늄 봉에 거칠기 형성, 국내 임플란트 제조업체 공정 기반으로 1.8마이크로 이상의 표면 거칠기를 갖는 샘플을 재현하기 위한 실험 진행

티타늄 cylinder 타입 샘플 (직경 5mm/ 길이 15mm)

입자 분사 압력: 4~6 bar (픽스쳐와 분사 노즐 거리: 약 2cm)

공정 시간: 10/20/30 초

알루미나 파우더 입자 사이즈: 50/110/180 ㎛

티타늄 샘플 회전 속도: 100~45000 rpm

표면조도 분석 장비: Mitutoyo / SJ-210 (Japan)

110㎛ 알루미나 파우더 입자를 사용하여 평가 진행

그림 1. (a)최대 rpm (45000rpm)과 (b)최소 rpm (100rpm) 조건에 따른 표면 조도

티타늄 픽스쳐 샘플의 표면조도(Ra)가 알루미나 파우더 분사압력과 공정 시간이 증가함에 따라 비례하여 증가하는 것을 확인함. rpm변화에 의한 표면 조도 차이가 없고 일정 rpm이상에서는 분사 시간에 의한 영향이 크기 때문에 티타늄 픽스쳐 샘플 회전 속도는 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단됨.

FE-SEM 측정을 통해 기존 시제품과 자사에서 sand blast공정을 진행한 티타늄 픽스쳐 표면분석 진행

그림 2. 티타늄 픽스쳐 샘플의 Sand-blast공정 진행 후 시제품과 FE-SEM 이미지 비교

알루미나 파우더 입자 크기에 따른 영향 평가

그림 3. 알루미나 파우더 입자 크기에 따른 표면 조도 변화

알루미나 파우더 입자의 크기가 증가함에 따라 티타늄 픽스쳐 샘플의 표면 조도가 증가함을 확인하였고, 180㎛의 알루미나 파우더를 사용하였을 때 목표 값인 1.8㎛이상의 표면 조도를 보임 (그림 3)

180㎛ 입자를 사용하기 위한 Sand-blast 처리 장비 제작 (그림 4)

그림 4. Sand-blast 공정을 위해 제작된 장비

직접 제작한 sand-blast 장비 (300rpm, 5bar, 50mm조건)에서 180㎛ 사이즈의 알루미나 파우더를 사용하여 모든 샘플이 1.8㎛ 이상의 거칠기를 나타내는 샘플 확보 가능

2. 강산 식각 실험

티타늄 픽스쳐 식각 공정은 일반적으로 강산 화학약액인 염산과 황산을 혼합하여 고온에서 진행됨, 주요 임플란트 제조 업체와 같은 방식으로 진행하여 티타늄 픽스쳐 표면을 비교하고 각각 용액의 역할을 파악하기 위한 실험, 티타늄 cylinder 타입 샘플 (직경 5mm/ 길이 15mm)

강산 식각 공정 조건

염산/황산 비율 : 1:1 / 1:2 / 1:3 / 1:4 / 2:1 / 3:1 / 4:1

공정 순서 : 식각 → 린스 → 초음파세척 → 건조

공정 온도 및 시간 : 염산 (60도), 황산 (80℃) /공정시간 : 8분

그림 5. 강산 식각 공정 실험 구성

염산 및 황산 개별 적용

염산 및 황산 100%농도의 용액을 각각 알맞은 온도로 가열하여 티타늄 픽스쳐 샘플을 침지하는 방법으로 식각 평가 진행, 염산 과 황산 용액에서 전반적으로 표면조도가 소폭 감소 (그림 6(a))

식각 평가 전 후의 티타늄 픽스쳐 샘플의 무게를 측정하여 식각량을 확인한 결과, 샘플의 무게는 소폭 감소하였으며 염산 용액에서 식각량이 황산 용액보다 높게 나타나는 것을 확인

그림 6. 염산 및 황산을 각각 적용한 (a)표면조도 및 (b)식각량

그림 7. 염산 및 황산을 각각 적용한 후의 티타늄 픽스쳐 표면 FE-SEM 이미지

FE-SEM 측정을 통해 티타늄 픽스쳐 샘플 표면 변화를 확인한 결과, 염산 용액을 적용하여 식각된 샘플 표면은 pore가 형성되지 않고 작고 날카로운 형상을 나타냄 (그림 7)

황산 용액을 적용하여 식각된 샘플 표면은 염산과 반대로 불완전한 pore 구조가 형성 되는 것을 확인. 따라서, 염산은 티타늄 샘플 표면에 날카로운 구조를 형성하고 황산은 pore구조를 형성시키는 역할로 예상됨

혼합용액 내의 염산 비율 증가에 따른 평가

염산에 의한 식각 메커니즘을 확인하기 위하여 염산/황산 용액내에서 염산 농도 비율 증가에 따른 영향 평가 진행

염산의 비율 증가와 관계없이 식각 후, 표면조도가 전반적으로 소폭 감소함 (그림 8 (a)) 하지만, 염산 비율이 증가함에 따라 식각량이 감소하는 것을 확인함

그림 8. 염산/황산 혼합 용액 내의 염산 비율 증가에 따른 (a) 표면조도 및 (b) 식각량 변화

그림 9. 염산 비율 증가에 따른 티타늄 샘플 표면 FE-SEM 이미지

염산/황산의 1:1 혼합 적용 후, 날카로운 표면 형상과 깊이가 얕은 pore들이 형성되기 시작함 (그림 9)

염산의 비율이 증가됨에 따라, 표면에 pore들이 깊게 형성되기 시작하는 것을 볼 수 있음, 3:1의 혼합비율부터는 시판 제품의 표면 형태와 유사한 표면 형태가 나타남.

혼합용액 내의 황산 비율 증가에 따른 평가

그림 10. 염산/황산 혼합 용액 내의 황산 비율 증가에 따른 (a) 표면조도 및 (b) 식각량 변화

그림 11. 황산 비율이 증가함에 따른 티타늄 샘플 표면 FE-SEM 이미지

황산의 비율 증가와 관계없이 식각 후, 표면조도가 전반적으로 소폭 감소함 (그림 10(a))

또한, 염산과 황산의 혼합비율이 유사할 때는 식각량이 높지만, 1:3 비율부터 감소. 산용액의 농도 차이에 따라서 황산에 의한 반응이 염산에 의한 반응보다 우세해지기 때문에 황산의 비율이 증가하면서 pore구조가 불완전하게 형성되는 것을 확인할 수 있음. 1:3 혼합비율부터는 표면에 불완전한 식각이 발생하여 pore들이 사라지고, 표면이 매끈해 지는 것을 확인 할 수 있음 (그림 11)

3D-profiler 분석을 통한 표면조도 및 표면적 변화, 식각용액 내의 농도 비율에 따른 티타늄 샘플 표면 조도 변화 (Sa)

그림 12. 염산/황산 식각액 농도 비율에 따른 표면 조도 변화

식각 실험 후의 표면을 정량적으로 분석하기 위해 3D-profiler를 이용하여 표면 조도 및 표면적을 측정함

Acid etch 처리된 티타늄 샘플들의 단위면적당 표면조도를 측정하여 비교 분석함 (그림 13), 염산/황산 비율이 3:1일 경우에 표면조도가 가장 큰 것을 확인할 수 있음, 용액 내에서 염산의 비율이 60~80%일 때, 타 조건에 비해 표면조도가 좋음을 확인함

식각용액 내의 농도 비율에 따른 티타늄 샘플 표면적 변화

그림 13. 염산/황산 식각액 농도에 따른 표면적 변화

표면적 분석은 식각 처리된 티타늄 샘플들의 일정한 면적을 측정하여 비교 분석함 (그림 13)

염산/황산 비율이 3:1일 경우에 표면적이 가장 큰 것을 확인 할 수 있음, 용액 내에서 염산의 비율이 60~80%일 때, 타조건에 비해 표면적이 높음을 확인함. 표면적은 계면에서의 밀착력과 높은 관련이 있기 때문에 표면적이 높을 경우 골융합을 더 강화시켜 줄 수 있음

표면 처리에 따른 표면 형태 변화 예측

그림 14. 염산/황산 식각액에 의한 티타늄 픽스쳐 식각 메커니즘

Sand-blast 공정: 티타늄 샘플 표면에 마이크로 사이즈의 거친 표면상태 부여, 강산 식각 공정: Sand-blast공정에 의해 형성된 거친표면에 더 작은 크기의 미세구조를 형성함, 강산 식각 공정의 주 목적은 표면조도 향상이 아니라, sand-blast 처리된 샘플 표면의 표면적을 더욱 증가시켜 골융합을 향상시키는 공정으로 예상됨

신규 식각액 농도에 따른 픽스쳐 표면 식각 영향 평가

문헌조사를 통해 기존 염산/황산 식각액에서 황산을 대체하기 위해 과산화수소와 불산에 의한 식각 평가 진행, 불산 용액은 희석하여 기존 실험에서 진행했던 시간과 동일하게 평가 진행

그림 30에서와 같이 표면 조도가 평균 1.6㎛이상인 샘플이 희석된 불산 용액에서 식각 후 1.2㎛로 감소 (그림 15)

불산에 의해 식각된 티타늄 샘플의 식각량은 약 30mg으로 기존 식각액식 비교할 때 현저히 높기 때문에 과식각에 의해 표면 조도가 낮아짐으로 예상됨

그림 15. 불산 식각 전/후 티타늄 표면 조도 변화

염산/과산화수소를 혼합한 식각액은 기존 염산/황산 식각액과 같은 방법으로 90℃의 온도 조건에서 각각의 역할을 확인하기 위해 조성 비율 별 평가 진행

혼합용액 내의 염산 비율 증가에 따른 평가

그림 16. 염산/과산화수소 혼합 식각액 중 염산 농도 증가에 따른 (a) 표면 조도 및 (b) 식각량 변화

식각액의 농도 비율 중 염산과 과산화수소의 농도 비율이 1:1 일 경우에 표면 조도가 가장 높게 나타나고 기존 사용하던 염산의 비율이 대략 60 내지 80% 조건에서 표면 조도 1.8㎛ 와 근접한 표면 조도가 나타남 (그림 16)

염산/과산화수소 혼합 식각액에서 염산 농도 증가에 따른 표면 조도 변화의 경향성은 나타나지 않음, 식각액의 농도 비율 중 염산의 농도가 증가할수록 식각량이 증가하는 경향을 나타내어 염산의 비율이 대략 60 내지 80% 조건에서 가장 높은 것을 확인

혼합용액 내의 과산화수소 비율 증가에 따른 평가

그림 17. 염산/과산화수소 혼합 식각액 중 염산 농도 증가에 따른 (a) 표면 조도 및 (b) 식각량 변화

염산과 과산화수소의 농도 비율이 1:1 인 경우 표면조도가 가장 높게 나타나고, 과산화수소 농도의 증가에 따른 표면조도와 식각량의 경향성은 나타나지 않음 (그림 17)

(a)

그림 18. 염산/과산화수소의 농도 비율 별 (a) 1kx 및 (b) 5kx 배율 FE-SEM 표면 이미지

저배율(1kx)에서 측정한 이미지를 통해 염산의 농도가 증가할수록 작은 사이즈의 pore가 형성되고 과산화수소의 농도가 증가할 경우 pore가 형성되지 않음 (그림 18(a))

고배율(5kx)에서 측정한 이미지를 통해 과산화수소의 농도 비율이 높은 조건보다 염산의 농도 비율이 높은 조건에서 더욱 날카로운 형태의 pore가 형성되는 것을 확인 (그림 18(b))

식각 반응 활성화를 위한 식각 보조 장치 연구

3. 빛에너지(UV)에 의한 식각 반응 활성화 연구

티타늄 샘플에 UV를 조사하여 강산에 의한 티타늄 식각 반응에 어떤 영향을 미치는지 평가

그림11의 모식도와 같이 티타늄 샘플에 먼저 UV처리를 한 후 식각액에 침지하는 방법으로 평가 진행, UV조사 시간은 10분이고 식각 공정 조건은 90℃의 온도에서 8분동안 진행되었음, UV조사처리 유무에 따른 표면 조도 변화는 큰 차이가 없고 식각량은 UV를 조사한 후 식각을 한 조건에서 높게 나타남 (그림 19)

하지만 FE-SEM분석을 통해 UV를 조사하지 않은 조건에서 더 식각이 잘된 표면이 관찰되기 때문에 UV조사에 따른 식각 반응 활성화에 대한 영향은 없는 것으로 판단됨 (그림 20)

그림 19. 티타늄 샘플에 UV조사에 따른 (a) 표면조도 및 (b) 식각량 차이

그림 20. 티타늄 샘플에 UV조사함에 따른 식각 활성화 평가를 위한 FE-SEM분석 이미지

4. 식각액 농도 변화 및 초음파 영향에 대한 평가

기존 식각액의 농도조건 및 시간 단축을 위해 초순수를 혼합한 용액에서 각각 초음파를 적용하여 평가 진행, 희석된 식각액 농도는 염산: 황산 : 초순수 = 43.5% : 18% : 38.5%로 초순수를 혼합

온도 80℃ 조건에서 시간에 따른 표면조도는 모두 유사한 값을 보였고, 시간이 증가함에 따라 식각량이 증가하는 경향성을 나타냄 (그림 21)

온도 90℃ 조건에서 6분 이상의 시간에서 1.8㎛ 이상의 높은 조도가 나타남을 확인 (그림 22(a))

90℃ 조건에서 염산/황산 혼합 식각액에 초음파를 결합한 조건에서 표면 조도가 가장 높게 나타남

또한 염산/황산/초순수 혼합 식각액에 초음파를 결합한 조건에서 1.8㎛ 이상의 조도가 나타남에 따라 화학액 사용량 감소 가능

그림 21. 온도 80℃ 조건에서의 (a) 표면 조도 및 (b)식각량

그림 22. 온도 90℃ 조건에서의 (a) 표면 조도 및 (b) 식각량

FE-SEM 분석을 통하여 조건별 티타늄 픽스쳐 샘플 표면 형상 확인 (그림 23)

초음파를 결합한 조건에서 기존에 사용되던 염산/황산 식각액에 의해 식각된 샘플 표면과 희석된 염산/황산/초순수 식각액에 의해 식각된 샘플 표면을 비교하였을 때 차이가 없음

그림 23. 온도 90℃ 조건에서 초음파가 결합된 기존 식각액 및 희석된 식각액에 의해 식각된 샘플 표면 FE-SEM 이미지

이상과 같이 출원인은 새로운 식각액 조성에 대한 연구 및 실험을 진행하여 황산을 대체할 수 있는 산화제 예컨대, 과산화수소를 적용할 수 있음을 찾아내었으며, 이에 대한 적절한 혼합비율 등은 다양한 요구 조건에 따라 변경될 수 있다.

또한, 식각 활성화를 위한 방안을 연구 및 실험하여 광원으로서 자외선, 할로겐 램프 등을 이용하고 초음파 등을 이용함으로써 식각의 활성화 방안을 도출하였다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

본 발명에 따른 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법은 새로운 저농도 식각액을 사용하고, 식각의 활성화 공정을 부가함으로써 안전성 및 효율성을 증대시킨 픽스쳐 표면처로 방법에 이용될 수 있다.

100: 인공치근(픽스쳐) 200: 지대주
300: 인공치아 400: 광원
500: 식각액 600: 초음파 발생부
S100: 픽스쳐 가공단계
S200: 샌드 블라스팅 단계
S250: 광 에너지 조사 단계
S300: 식각 공정 단계
S310: 식각공정 준비 단계
S330: 식각액 수용 단계
S350: 초음파 조사 단계
S400: 표면 세정 단계
S500: 표면 친수화 단계
S600: 포장 단계

Claims (6)

1. 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법에 있어서,
   상기 픽스쳐의 표면을 거칠게 하는 샌드 블라스팅 단계;
   산성의 식각액을 이용하여 상기 픽스쳐 표면에 미세한 구조를 형성하는 식각 단계;
   상기 식각액의 제거를 위한 표면 세정 단계;
   상기 픽스쳐 표면을 친수성 표면으로 개질하는 친수화 단계;
   식각 반응 활성화 단계; 및
   상기 픽스쳐의 표면처리 관련 정보를 별도의 서버를 통해 치과, 치기공소 및 임플란트 치료를 받는 환자에게 제공하여 새로운 요건, 요청을 반영함으로써 상기 픽스쳐의 표면처리를 완성하는 단계; 를 더 포함하며,
   상기 식각 반응 활성화 단계는 식각의 효율을 증가시키기 위해 자외선 램프 또는 할로겐 램프의 광 에너지를 활용하고, 식각 효율 증가 및 식각 공정 중 흄(fume) 발생을 감소시켜 작업 공정 상 작업자의 건강을 증진하도록 초음파를 활용하되, 상기 초음파는 식각액을 교반하여 상기 픽스쳐와의 경계층 및 농도 분극에 영향을 미치며,
   상기 식각 단계는 약산성의 식각액을 사용하되 염산과 과산화수소를 혼합하여 사용하며, 사용자가 원하는 상기 픽스쳐의 표면 조도와 식각량에 따라 상기 염산과 과산화수소의 비율을 조정하여 사용하고,
   상기 식각액은 화학액의 사용을 줄이기 위해 초순수를 더 포함하되, 상기 초순수는 상기 식각액 전체 중량 대비 35 내지 40%을 차지하며, 상기 식각 단계는 섭씨 85 내지 95도에서 진행하는 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 식각액을 구성하는 염산과 과산화수소의 비율은,
   상기 픽스쳐의 표면 조도를 높이려는 경우 1:1의 비율로 혼합하고,
   상기 픽스쳐의 표면 식각량을 높이려는 경우 4:1의 비율로 혼합하며,
   상기 식각액은 PH 5 내지 PH 6의 범위에서 사용하며, 기 사용되는 식각액에 비해 상대적으로 저농도인 것을 특징으로 하는 치과용 임플란트 픽스쳐의 표면처리 방법.
   
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