KR20040013979A - The generation method of TixOy system material and the oxidation material of Ti system used micro-hallow emission - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신소재와 관련된 물질처리 공정기술에 관한 것으로, 자세하게는미세공음극 방전(micro-hallow emission)을 이용하여 산소플라즈마나 오존을 생성하고 다시 이를 이용하여 티타늄계 플랜트를 산화시키므로써 산화티탄계 물질(TixOy)을 형성하기 위한, 미세공음극 방전을 이용한 산화티탄계 물질 생성방법 및 티탄계 산화처리물질을 제시한 것이다.The present invention relates to a material processing process technology related to a new material, and more specifically, to produce an oxygen plasma or ozone using micro-hallow emission, and again to oxidize a titanium plant using titanium oxide based In order to form a material (Ti x O y ), a method of generating a titanium oxide-based material using a microporous discharge and a titanium-based oxidation treatment material are provided.
산업이 점점 전문화되고 정보산업시스템과 기술이 발달됨에 따라 세계 각국에서는 새로운 재료의 필요성을 인식하고 신소재(advanced materials, 新素材)분야의 기술개발에 전력을 다하고 있다.As the industry becomes more specialized and the information industry systems and technologies are developed, countries around the world are aware of the need for new materials and are devoted to developing technologies in the field of advanced materials.
신소재란 일반적으로 보다 발전적인 새로운 재료로 기술의 도약뿐만 아니라 그 자체가 새로운 산업을 일으키고 부가가치를 높여준다는 점에서 큰 의미가 있으며, 이러한 중요성 때문에 첨단산업과 신소재 분야의 발전은 반드시 이루어야 할 핵심산업이라 할 수 있다.In general, new materials are more advanced new materials, which means a great leap in technology as well as new industries and added value.The importance of high-tech and new materials is a core industry that must be achieved. can do.
신소재는 거의 모든 산업분야에 영향을 미칠 정도로 파급효과가 뛰어나다. 전자·전기·정보기기 제품 및 자동차·선박·항공기 등의 운송구조체, 각종 생체의학 기구 및 임플란트 재료, 그리고 기계 구조용 플랜트 재료 등 거의 모든 분야에서 활용되고 있다.The new material is so effective that it affects almost all industries. It is used in almost all fields such as electronic, electrical and information equipment products, transportation structures such as automobiles, ships and aircrafts, various biomedical devices and implant materials, and mechanical structural plant materials.
따라서 지금까지 개발된 것보다 더 좋은 효율을 나타내는 보다 좋은 양질의 신소재가 요구되고 있으며, 세계 각국의 많은 연구소 등에서 이러한 신소재를 개발하기 위한 연구가 계속 진행되고 있다.Therefore, new materials of higher quality, which show better efficiency than those developed so far, are required, and researches for developing such new materials continue to be carried out in many research institutes around the world.
따라서 신소재 및 새로운 가공기술을 제시하기 위한 본 발명은, 미세공음극 방전(micro-hallow emission)을 이용하여 산소플라즈마나 오존을 생성하고 다시 이를 이용하여 티타늄계 플랜트를 산화시키므로써 산화티탄계 물질(TixOy)을 형성할 뿐만 아니라, 종래와 달리 상압(대기압)에서 가공처리가 가능한, 미세공음극 방전을 이용한 산화티탄계 물질 생성방법 및 티탄계 산화처리물질에 대한 기술을 제공하기 위한 것이다.Therefore, the present invention for presenting a new material and a new processing technology, by using the micro-hallow emission (micro-hallow emission) to produce oxygen plasma or ozone and again using this to oxidize the titanium-based plant by using a titanium oxide-based material ( Not only to form Ti x O y ), but also to provide a process for producing a titanium oxide-based material and a titanium-based oxidation treatment material using a micro-cathode discharge, which can be processed at ordinary pressure (atmospheric pressure) unlike the conventional art. .
도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 미세공음극(microhallow)을 이용한 티탄계 산화처리장치의 구조도.1 is a structural diagram of a titanium-based oxidation treatment apparatus using a microhallow (microhallow) according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실행과 관련되는 미세공음극의 구조도.2 is a structural diagram of a microporous cathode according to the practice of the present invention;
도 3는 미세공음극에서 방전이 일어나는 상태를 나타낸 도면.3 is a view showing a state in which discharge occurs in the microcavity.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 산화티탄계 물질을 생성하는 또 다른 장치구조도.Figure 4 is another device structure for producing a titanium oxide-based material according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 미세공음극(microhallow cathode) 트라이오드(triode)에 바이어스(bias)를 인가한 일실시예를 나타낸 구조도.FIG. 5 is a structural diagram illustrating an embodiment in which a bias is applied to the microhallow cathode triode of FIG. 4. FIG.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
110 : 미세공음극(microhallow cathode) 구조110: microhallow cathode structure
110a : 양극(애노드)110a: anode (anode)
110c : 미세공음극(micro-hallow cathode)110c: micro-hallow cathode
110h : 미세공극(micro hallow)110h: micro hallow
110i : 유전체(insulator)110i: dielectric
120 : RF전원120: RF power
40 : 트라이오드(triode)40: triode
40r : 가변저항40r: variable resistor
401 : 제1애노드(anode 1)401: anode 1
402 : 제2애노드(anode 2)402: second anode (anode 2)
403 : 캐소드(cathode)403: cathode
451 : 애노드(anode)451: anode
452 : 제1캐소드(cathode 1)452: cathode 1
453 : 제2캐소드(cathode 2)453: second cathode (cathode 2)
501 : 전원공급장치(power supply)501 power supply
502 : 전류조절장치502: current regulator
503 : 전압조절장치503: voltage regulator
510 : 로타리펌프(rotary pump)510: rotary pump
520 : 가스공급장치520 gas supply device
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세공음극 방전을 이용한 산화티탄계 물질 생성방법은,Titanium oxide-based material generation method using a micro-cathode discharge of the present invention for achieving the above object,
미세공음극 방전을 이용하여 산소플라즈마나 오존을 생성하고 상기 생성한 산소플라즈마나 오존으로 티타늄계 물체를 산화시켜 산화티탄계 물질(TixOy)을 형성하는 특징이 있으며,Oxygen plasma or ozone is generated by using a microcathode discharge, and a titanium oxide material is oxidized using the generated oxygen plasma or ozone to form a titanium oxide-based material (Ti x O y ).
또한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세공음극 방전을 이용한 산화티탄계 물질 생성방법은,In addition, a method of producing a titanium oxide-based material using the microporous discharge of the present invention for achieving another object,
(1) 티탄계 물질을 이용하여 필요한 형상의 임플란트를 형성하는 단계와,(1) forming an implant of a required shape using a titanium-based material,
(2) 미세공음극 방전을 이용하여 산소플라즈마나 오존을 생성하는 단계와,(2) generating oxygen plasma or ozone using microporous discharge;
(3) 상기 생성한 산소플라즈마나 오존으로 티탄계물질을 산화시켜 산화티탄계 물질(TixOy)을 생성하는 단계를 포함하는 특징을 갖는다.(3) oxidizing the titanium-based material with the generated oxygen plasma or ozone to produce a titanium oxide-based material (Ti x O y ).
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미세공음극 방전을 이용한 티탄계 산화처리물질은, 미세공음극 방전을 이용하여 산소플라즈마나 오존을 생성하고 상기 생성한 산소플라즈마나 오존으로 티타늄계 물체를 산화시켜 산화티탄계 물질(TixOy)을 생성하는 특징이 있다.The titanium-based oxidation treatment material using the microporous discharge of the present invention for achieving another object, generates oxygen plasma or ozone by using the microporous discharge and oxidizes the titanium-based object with the generated oxygen plasma or ozone To produce a titanium oxide-based material (Ti x O y ).
이하 첨부된 도면 등을 참조하여 본 발명의 미세공음극 방전을 이용한 산화티탄계 물질 생성방법 및 티탄계 산화처리물질을 자세히 설명한다.Hereinafter, a method of generating a titanium oxide-based material and a titanium-based oxidation treatment material using the microporous discharge of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
전술한 바와 같이 본 발명은 티타늄(Ti, 티탄)이나 티타늄(Ti)계 합금물질의 처리와 관련된 것으로, 신소재 또는 신소재 가공기술과 관련된 발명이다.As described above, the present invention relates to the treatment of titanium (Ti, titanium) or titanium (Ti) -based alloying materials, and is related to a new material or a new material processing technology.
티타늄(Ti, 티탄)의 가장 큰 특성은 내식성이라 할 수 있다. 이는 티타늄(Ti)의 표면에 형성되는 부동태피막(Oxide film)의 영향을 많이 받은 것으로, 이는 매우 강하고 피막이 파괴되었을 때는 쉽게 재생되며 이러한 특성은 일반 스테인레스강보다 더 좋은 내식성을 발휘하도록 하는 근거가 된다.The biggest characteristic of titanium (Ti, titanium) is the corrosion resistance. It is heavily influenced by an oxide film formed on the surface of titanium (Ti), which is very strong and easily regenerated when the film is broken, and this property is the basis for better corrosion resistance than ordinary stainless steel. .
또한 티타늄(Ti)은 그 비중이 약 4.51 정도로 니켈(Ni, Nickel)에 비해선 약 1/2정도, 스테인레스강이나 철의 약 60% 정도밖에 되지 않아 조립, 설치, 이동이 용이하면서도 그 강도는 특수강에 필적할 정도이다.In addition, titanium (Ti) has a specific gravity of about 4.51, which is about 1/2 of that of nickel (Ni, Nickel), and about 60% of stainless steel or iron, so that it is easy to assemble, install, and move, and its strength is special steel. Comparable to
아울러 티타늄(Ti)은 산소와 질소에 강한 친화력을 갖고 있으므로 산소나 질소와 반응할 때 안정된 산화물과 질화물을 만든다. 산소와 반응하므로서 형성되는 얇은 산화피막은 티타늄(Ti)의 내식성을 향상시키며, 질소와의 반응에 의해서 형성되는 질화피막은 내마모성을 향상시킨다. 여기에 추가하여 산소와 질소가 연이어서 티타늄속으로 용해되면 티타늄은 경화되는 특징도 있다.In addition, since titanium (Ti) has a strong affinity for oxygen and nitrogen, it forms stable oxides and nitrides when reacting with oxygen or nitrogen. The thin oxide film formed by reacting with oxygen improves the corrosion resistance of titanium (Ti), and the nitride film formed by reaction with nitrogen improves wear resistance. In addition to this, when oxygen and nitrogen are successively dissolved into titanium, titanium also hardens.
이렇듯, 티타늄(Ti) 및 티타늄(Ti)합금은 비강도(강도-비중)가 크고, 약 550℃까지의 고온 특성이 우수하며, 특히 산 및 염화물 매체와 대부분의 자연 환경에 대한 내식성까지도 뛰어난 합금이다. 때문에 특히 비강도와 고온 특성이 중요시되는 우주, 항공 분야에서의 응용은 괄목할 정도로 증가하고 있으며, 우수한 내식성이 요구되는 화학 공업 및 식품, 의료 공업에서의 응용이 기대되고 있을 뿐만 아니라, 이외에도 새로운 적용 분야가 계속 개발되고 있는 합금이다.As such, titanium (Ti) and titanium (Ti) alloys have high specific strengths (strength-specific gravity), high temperature properties up to about 550 ° C, and especially alloys that are resistant to acid and chloride media and most natural environments. to be. As a result, applications in space and aviation, where the specific strength and high temperature characteristics are important, are increasing significantly. Not only are they expected to be applied in the chemical, food, and medical industries that require excellent corrosion resistance, but also new applications. Is an alloy that is still being developed.
본 발명에서는 이렇게 우수한 티타늄(Ti)이나 티타늄(Ti)합금의 다양한 용도중에서도 의약분야를 일례로 하여 설명하고자 하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 의약 분야 뿐만 아니라 티타늄(Ti)합금이 쓰이는 곳이라면 모두 적용될 수 있다.In the present invention will be described as an example of the pharmaceutical field in the various uses of such excellent titanium (Ti) or titanium (Ti) alloy, as described above, the present invention is not only in the pharmaceutical field but also where the titanium (Ti) alloy is used Can be applied.
의학에도 다양한 분야가 있지만 그 중 하나인 임플란트(implant)는, 틀니나 브릿지 등 종래의 방법과는 다른 새로운 시술 방법으로, 치아가 빠진 경우 해당 위치의 턱뼈에 인공치근을 심고 그 위에 인공치아를 만들어 넣는 것과 같은 치료방법이다.There are many different fields in medicine, but one of them is a new method, which is different from conventional methods such as dentures and bridges.In the case of a missing tooth, an artificial tooth is planted on the jawbone at that location and an artificial tooth is created on it. It's the same treatment.
전술한 바와 같이 티타늄(Ti)은 가공이 용이하고 다른 금속과 비교하여 상대적으로 가벼울 뿐만 아니라 합금이나 처리과정에 의하여 강도를 개선할 수 있으며, 산소와 결합한 산화티타늄계(TixOy), 일례로 산화티탄(TiO2, 티탄디옥사이드) 피막은 높은 부식저항성(내식성)과 함께 생체 적합성을 갖는 것으로 알려져 있다.As described above, titanium (Ti) is easy to process and relatively light in comparison with other metals, and can be improved in strength by alloying or processing, and titanium oxide based on oxygen (Ti x O y ), for example. Titanium oxide (TiO 2 , titanium dioxide) coatings are known to have biocompatibility with high corrosion resistance (corrosion resistance).
일반적으로 생체 내에서의 산화막은 화학적으로 안정화될 것이 요구된다. 만약 화학적으로 불안정하게 되면 부식이 일어나 금속이온이 주변으로 방출되어 조직반응을 일으키게 된다. 이러한 관점에서 티타늄(Ti)계 합금은 생체재료로서 갖추어야할 조건들 즉, 생체에 대한 친화성(Biocompatibility), 화학적 적합성(Chemical compatibility), 그리고 기계적 적합성(Mechanical compatibility) 등을 만족시키기 때문에 임플란트 소재로 매우 적합한 재료라 할 수 있다.In general, the oxide film in vivo is required to be chemically stabilized. If chemically unstable, corrosion occurs and metal ions are released to the environment, causing a tissue reaction. From this point of view, the titanium alloy is an implant material because it satisfies the conditions to be used as a biomaterial, that is, biocompatibility, chemical compatibility, and mechanical compatibility. It is a very suitable material.
일반적으로 금속재료만으로는 이러한 여러 가지 조건들을 만족시키기 못하는 것으로 나타나고 있는 데, 이러한 조건을 만족시키기 위해서 여러 종류의 바이오세라믹스 등이 개발되었었으나 위의 조건을 만족시키는 세라믹스는 거의 전무한 실정이다. 또한 세라믹스는 산화티타늄계 재료에 비해 충격에 약하고 가공이 어렵기 때문에 세라믹스 단독으로 임플란트를 제조하기에는 적합하지 않다.In general, metal materials alone do not appear to satisfy these various conditions, but various kinds of bioceramic materials have been developed to satisfy these conditions, but there are almost no ceramics that satisfy the above conditions. In addition, ceramics are not suitable for manufacturing implants alone because ceramics are less susceptible to impact and difficult to machine than titanium oxide based materials.
더욱이 세라믹 코팅층과 금속기지 계면과의 밀착력은 서로 다른 표면에너지 특성으로 인하여 현저하게 떨어진다. 반면 금속기지에 같은 금속 산화물의 경우 계면에서의 밀착력이 매우 뛰어나다. 특히 산화티타늄계 피막의 한 종류인 산화티탄(TiO2, 티탄디옥사이드) 피막의 경우 위에서 언급한 바와 같이 높은 부식저항성과 함께 생체 적합성이 뛰어나 골유착이 잘 일어난다. 따라서 본 발명에 따라 티타늄(Ti)계 임플란트 재료에 안정한 산화티타늄계(TixOy) 피막을 형성시키는 경우 많은 문제점들을 해결할 수 있는 것으로 파악되고 있다.Moreover, the adhesion between the ceramic coating layer and the metal base interface is significantly reduced due to the different surface energy characteristics. On the other hand, metal oxides such as metal bases have excellent adhesion at the interface. In particular, titanium oxide (TiO 2 , titanium dioxide) coating, which is a type of titanium oxide-based coating, has high corrosion resistance as described above, and has excellent biocompatibility, so that bone adhesion occurs well. Therefore, according to the present invention, it is understood that many problems can be solved when a stable titanium oxide (Ti x O y ) film is formed on a titanium (Ti) implant material.
또한 티타늄(Ti)은 반응성이 높아 산소와 쉽게 결합할 수 있으므로, 주변에산소(ppm 단위)가 조금이라도 존재하거나 수분이 존재하면 손상된 산화막이 쉽게 재생된다. 또한 이 산화티타늄계(TixOy) 피막은 강화된 골기질과 접합할 수 있는 안정된 세라믹 접촉면으로 작용하여 골과의 결합도 용이하다.In addition, since titanium (Ti) is highly reactive and easily bonds with oxygen, damaged oxygen film is easily regenerated if any oxygen (ppm units) is present or moisture is present in the surroundings. In addition, the titanium oxide (Ti x O y ) coating acts as a stable ceramic contact surface that can be bonded to the reinforced bone matrix, and is easily bonded to the bone.
일반적으로 산화티타늄계(TixOy) 임플란트 소재는 사면체 구조를 가지는 아나타제(Anatase)상과, 이를 700℃ 이상 열처리하면 생성되는 루타일(Rutile)상으로 크게 구분되며, 산화티타늄계(TixOy)의 표면형상, 생체적합성 등에 따라 골유착시 세포형성이나 접합강도에 많은 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 그리고 이러한 산화티타늄계(TixOy) 임플란트 소재 중 고온에서 후열처리한 루타일(Rutile)상이 보다 좋은 효과를 나타내는 것으로 보고되고 있다.Titanium-based general oxidation by (Ti x O y) the implant material is divided into a rutile (Rutile) is anatase (Anatase) phase and, when heat-treating them at least 700 ℃ generated having a tetrahedral structure, titanium-based oxide (Ti x It is known that the surface shape and biocompatibility of O y ) have a great influence on cell formation and bonding strength during bone adhesion. And it has been reported to exhibit a heat-treated rutile (Rutile) different than the good effect and then at a high temperature of these titanium-based oxide (Ti x O y) the implant material.
또한 종래 TiO2피막을 형성시키기 위한 방법으로 열처리에 의한 열산화방법, 이온을 이용한 이온보조증착법, 그리고 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 등이 알려져 있으나, 열산화방법의 경우는 고온공정 때문에 가공제품에 대한 치수변화와 열변형 등의 문제점이 있으며, 이온보조증착법이나 반응성 스퍼터링의 경우는 고진공 상태로 해 주어야 하는 등, 양산까지의 과정에 많은 문제점이 있다.In addition, conventional methods for forming a TiO 2 film include thermal oxidation by heat treatment, ion assisted deposition using ions, and reactive sputtering. However, thermal oxidation has a high temperature process. There are problems such as dimensional change and thermal deformation, and in the case of ion assisted deposition or reactive sputtering, there are many problems in the process until mass production, such as high vacuum.
본 발명에서는 상압(대기압)에서 산화티타늄계(TixOy) 피막을 형성할 수 있는 기법을 도입함으로써 종래의 문제점을 해결하는 새로운 공정기술과 이로인해 생성되는 티탄계 산화처리물질을 제시하고자 한다.In the present invention, by introducing a technique capable of forming a titanium oxide (Ti x O y ) film at atmospheric pressure (atmospheric pressure) to propose a new process technology to solve the conventional problems and the resulting titanium-based oxidation treatment material .
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세공음극(microhallow)을 이용한 티탄계 산화처리장치의 구조도이다.1 is a structural diagram of a titanium-based oxidation treatment apparatus using a microhallow (microhallow) according to an embodiment of the present invention.
전술한 바와 같이, 본 발명은 상압(대기압)에서 작동시키게 되며, 이익이 없는 상황에서 챔버내에서 작동시키는 것도 가능하다. 본 도 3은 도 1의 예와 더불어 상압에서 이루어지는 산소플라즈마 생성 및 오존생성의 장치구조 일례를 나타낸 것이다.As described above, the present invention is operated at atmospheric pressure (atmospheric pressure), and it is also possible to operate in a chamber in situations where there is no benefit. 3 shows an example of the apparatus structure of oxygen plasma generation and ozone generation at atmospheric pressure together with the example of FIG.
도시한 바와 같이 미세공음극(microhallow, 110)에 약 14Mhz 정도의 RF전원(120)을 공급하게 되면, 미세공음극(110)의 한쪽으로 인입된 공기는 미세공음극(110) 내부에서 산소플라즈마가 생성되면서 산소원자와 산소분자가 서로 반응을 일으켜 결국 오존(O3)이 생성된다.As shown in the drawing, when the RF power supply 120 of about 14 Mhz is supplied to the microcavity (microhallow, 110), the air introduced into one side of the microcavity (110) is oxygen plasma inside the microcavity (110). As the oxygen atoms and oxygen molecules react with each other, ozone (O 3 ) is eventually formed.
따라서 미세공음극(110) 출구 쪽에 티탄 임플란트 등 티탄계물질이나 티탄계 성형물을 위치시키게 되면, 미세공음극(110)에서 생성된 오존(O3)이 산화반응을 일으켜 산화티타늄계 피막의 한 종류인 산화티탄(TiO2, 티탄디옥사이드) 피막을 생성하게 된다.Therefore, when a titanium-based material such as a titanium implant or a titanium-based molded product is placed at the exit side of the microcavity 110, ozone (O 3 ) generated in the microcavity 110 causes an oxidation reaction to cause a type of titanium oxide-based coating. Phosphorus titanium oxide (TiO 2 , titanium dioxide) film is produced.
도 2는 본 발명의 실행과 관련되는 미세공음극의 구조도이고, 도 3은 미세공음극에서 방전이 일어나는 상태를 보인 것이다.FIG. 2 is a structural diagram of a microcavity electrode related to the practice of the present invention, and FIG. 3 shows a state in which a discharge occurs in the microcavity electrode.
도시한 바와 같이, 미세공음극 구조는 상부에 양극(애노드, 110a)이 위치하고 있고, 그 반대편은 미세공음극(micro-hallow cathode, 110c)이 위치하고 있다. 그리고 미세공음극(110c)의 표면에는 유전체(insulator, 110i)가 도포됨으로써 유전장벽 방전(dielectric barrier discharge) 개념의 구조를 취하고 있다. 또한 이러한 유전체(110i)를 도포함으로써 그 내부는 미세공극(micro hallow, 110h)을 형성하게 된다.As shown, the microporous structure has a positive electrode (anode 110a) on the top and a micro-hallow cathode 110c on the opposite side. In addition, a dielectric (110i) is applied to the surface of the microcavity (110c) to take the structure of the dielectric barrier discharge (dielectric barrier discharge) concept. In addition, by applying the dielectric 110i, the inside thereof forms micro-pores 110h.
이러한 미세공음극 구조에 있어서 각 미세공극(110h) 내에 존재하는 전자는 상호 대칭적으로 존재하는 음극 강하에 의해 가속되어 내부의 중성 상태 기체를 이온화(ionization) 및 여기(excitation) 시키게 된다. 이 과정에서 미세공극(110h) 내부의 전자는 강한 진동을 일으키게 되며 미세공음극(110c)과 양극(110a)에 인가되어 있는 전압강하에 의해 가속된다. 따라서 양극(110a)의 표면에 형광물질을 도포시키는 경우 형광이나 발광의 효율이 상승하게 된다.In such a microporous structure, the electrons present in each of the micropores 110h are accelerated by the cathode drops that are symmetrically present to ionize and excite the neutral state gas therein. In this process, the electrons inside the micropores 110h generate strong vibrations and are accelerated by the voltage drop applied to the micropores 110c and the anode 110a. Therefore, when the fluorescent material is applied to the surface of the anode 110a, the efficiency of fluorescence or light emission is increased.
또한 본 발명에서와 같이 내부에 상압에서는 산소플라즈마가 발생하고 산소원자와 산소분자가 반응하여 도 1에서와 같이 미세공음극(110) 출구 측에서는 오존이 생성되어 출사된다.In addition, as in the present invention, oxygen plasma is generated at atmospheric pressure inside, and oxygen atoms and oxygen molecules react to generate ozone at the outlet side of the microcavity 110 as shown in FIG. 1.
결국 본 실시예에 있어서 미세공음극(110c)의 미세공극(110h)에서 방출되는 전자는 도 2의 [A]와 같이 최초 방사후에, 도 2의 [B]와 같이 전자 진동(electron oscillation)을 일으킴으로써 미세공음극 구조내의 플라즈마 밀도를 크게 증가되며, 미세공극(110h) 내에서의 플라즈마 밀도를 높이는 작용을 하게 된다.As a result, in the present embodiment, the electrons emitted from the micropores 110h of the microcavity 110c are subjected to electron oscillation as shown in [B] of FIG. 2 after the initial radiation as shown in FIG. In this case, the plasma density in the microcavity structure is greatly increased, and the plasma density in the microcavity 110h is increased.
그리고 이러한 미세공음극 구조에서 작동되는 과정은 도 3과 같이, 미세공음극(110c)과 양극(110a) 사이에 강하게 전자진동이 형성되고 있음을 알 수 있다.In the process of operating in the microporous structure, as shown in FIG. 3, it can be seen that the electromagnetic vibration is strongly formed between the micropore 110c and the anode 110a.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 산화티탄계 물질을 생성하는 또 다른 장치구조도이다.Figure 4 is another device structure for producing a titanium oxide-based material according to an embodiment of the present invention.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화티탄계 물질을 생성하기 위한 장치구조는 미세공음극(microhallow cathode) 구조를 변형한 트라이오드(triode) 형태라 할 수 있다.As shown, the device structure for producing a titanium oxide-based material according to the present invention may be referred to as a triode form of the microhallow cathode structure.
좌측의 [A]형태는 A-AC형 구조로서, 제1애노드(401, anode 1), 제2애노드(402, anode 2), 캐소드(403, cathode)로 이루어져 있다. 그리고 제2애노드(402, anode 2)와 캐소드(403, cathode)가 접하는 중심에 미세공음극(microhallow cathode)이 형성되어 있어 화살표 방향으로 플라즈마를 형성하며 방전을 하게 된다.[A] form on the left is an A-AC structure, and is composed of a first anode 401, anode 1, a second anode 402, anode 2, and a cathode 403. In addition, a microhallow cathode is formed at the center of contact between the second anode 402 and the cathode 403 to form a plasma in the direction of the arrow to discharge.
우측의 [B]형태는 C-CA형 구조로서, 애노드(451, anode), 제1캐소드(452, cathode 1), 제2캐소드(453, cathode 2)로 이루어져 있다. 그리고 이 C-CA형 구조에서는 애노드(451, anode)와 제1캐소드(452, cathode 1)가 접하는 중심에 미세공음극(microhallow cathode)이 형성되어 있으며, [A]형태와는 달리 제2캐소드(453, cathode 2) 방향으로 플라즈마 방전을 형성한다.[B] form on the right is a C-CA type structure and consists of an anode 451, a first cathode 452, cathode 1, and a second cathode 453, cathode 2. In the C-CA type structure, a microhallow cathode is formed at the center where the anode 451 and the first cathode 452 contact each other, and unlike the [A] type, the second cathode A plasma discharge is formed in the direction of (453, cathode 2).
따라서 [A]형의 트라이오드에서는 제1애노드(401, anode 1)에 티탄임플란트를 위치시켜 산화처리를 하게 되며, [B]형에서는 제2캐소드(453, cathode 2)에 티탄임플란트를 위치시켜 산화처리를 하게 된다.Therefore, in the triode of [A] type, the titanium implant is placed on the first anode (401, anode 1) for oxidation treatment. In the [B] type, the titanium implant is placed on the second cathode (453, cathode 2). It is oxidized.
또한 중간의 가변저항(40r)은 메인애노드(main anode)가 메인캐소드(main cathode) 보다 높은 바이어스를 갖도록 조절함으로써 플라즈마 방전이 효과적으로 발생시키기 위한 것이다.In addition, the intermediate variable resistor 40r is used to effectively generate plasma discharge by adjusting the main anode to have a higher bias than the main cathode.
도 5는 도 4의 미세공음극(microhallow cathode) 트라이오드(triode)에 바이어스(bias)를 인가한 일실시예를 나타낸 구조도이다.FIG. 5 is a structural diagram illustrating an embodiment in which a bias is applied to the microhallow cathode triode of FIG. 4.
도시한 바와 같이, 트라이오드(40, triode)에서 산소플라즈마를 생성한 다음 오존을 형성하는 것이 중요하다.As shown, it is important to produce oxygen plasma in the triode 40 and then form ozone.
따라서 전원공급장치(501, power supply)에서 전원을 공급하면, 전류조절장치(502)에서는 전류저항(502r)에 의해 전류를 조절하여 공급하고, 전압조절장치(503)에서는 전압을 조절하여 공급한다.Therefore, when power is supplied from the power supply unit 501, the current regulator 502 regulates and supplies the current by the current resistor 502r, and the voltage regulator 503 regulates and supplies the voltage. .
이렇게 하면 트라이오드(40)에서 오존을 발생시키게 되고 반대편에 세워두는 티탄임플란트는 산화처리가 수행된다.This causes ozone to be generated in the triode 40 and the titanium implant standing on the opposite side is subjected to oxidation treatment.
본 실시예에서와 같이 본 발명은 특별한 상황인 경우 일정 공간으로 구별된 챔버내에서 처리하는 것이 가능하므로, 챔버내의 진공유지를 위해 로타리펌프(rotary pump, 510)를 부착설치하여 사용하기도 하며, 특히 이온가스를 이용하기 위해 가스공급장치(520)도 부착하여 작동시키기도 한다.As in the present embodiment, the present invention can be processed in a chamber separated into a predetermined space in a special situation, so that a rotary pump (510) may be attached and used for maintaining the vacuum in the chamber. In order to use the ion gas, the gas supply device 520 may also be attached and operated.
본 발명에서는 이렇게 작동시켜 산소플라즈마나 오존이 방사되는 쪽에 티탄임플란트나 티탄계 구조물을 위치시켜 놓음으로써 산화티타늄계(TixOy) 피막을 형성시키게 된다. 아울러 전술한 바와 같이 본 발명은 상압(대기압) 상태에서 작동시키게 되므로 산소플라즈마나 오존에 의한 산화티타늄계(TixOy) 피막이 형성되고 공기속의 질소에 의한 질화작용에 의해 질화산화티타늄계(TiOxNy) 피막이 생성됨으로써 그 경도(hardness)가 증가되는 현상도 발생한다.In the present invention, thereby forming a titanium-based oxide (Ti x O y) film by placing by placing the titanium or titanium-based implant structure across which the oxygen plasma or ozone emitted by this operation. In addition, as described above, the present invention operates in an atmospheric pressure (atmospheric pressure) state, so a titanium oxide-based (Ti x O y ) film is formed by oxygen plasma or ozone, and titanium nitride-based (TiO) is formed by nitriding by nitrogen in the air. x N y ) film is generated to increase the hardness (hardness) also occurs.
지금까지 서술한 바와 같이 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 상압(대기압) 플라즈마 기술을 이용하여 산화티타늄계(TixOy) 피막을 형성하였다. 본발명은 미세공음극 내에서의 전자진동(electron oscillation) 현상을 이용하기 때문에 종래의 플라즈마 발생 장치에 비하여 이온화 율이 수백배 정도 높고, 미세공음극의 크기에 따라 저압에서 고압까지의 공정이 가능하기 때문에 고가의 진공 장비가 필요 없으며, 플라즈마 파워와 압력조건의 조절에 의해 표면형상의 조절이 가능하다. 또한 본 발명은 플라즈마 방전시 필요한 방전가스를 필요로 하지 않기 때문에 장치의 구성이 간단하며, 대기 중의 공기를 이용하므로 어느 상압(대기압) 플라즈마 시스템보다도 경제적이라 할 수 있다.As described above, the present invention forms a titanium oxide based (Ti x O y ) film by using an atmospheric pressure (atmospheric) plasma technique to solve the conventional problems. Since the present invention uses electron oscillation in the microcavity, the ionization rate is several hundred times higher than that of the conventional plasma generator, and the process from low pressure to high pressure is possible depending on the size of the microcavity. Therefore, no expensive vacuum equipment is required, and the surface shape can be controlled by controlling plasma power and pressure conditions. In addition, since the present invention does not require a discharge gas required for plasma discharge, the configuration of the device is simple, and since air in the air is used, it is more economical than any atmospheric pressure (atmospheric) plasma system.
아울러 본 발명은 플라즈마 방전시 생성되는 높은 반응성의 이온들과 활성 라디칼 종, 자외선, 진공 자외선을 이용함으로써 표면 층의 표면에너지를 선택적으로 조절하여 친수성, 소수성 등의 표면특성을 원하는 대로 구현할 수 있다. 따라서, 비교적 저온의 상압(대기압)에서 티타늄계 물질 표면에 산화막을 형성시킬 수 있으며, 종래의 방법에 비해 산화티타늄계(TixOy) 피막의 접착강도, 표면형상을 상온에서 임플란트에 알맞게 조절할 수 있으므로 제조공정을 줄여 생산단가를 낮출 수 있는 획기적인 방법이다.In addition, the present invention can implement the surface characteristics such as hydrophilicity, hydrophobicity by selectively controlling the surface energy of the surface layer by using highly reactive ions and active radical species, ultraviolet rays, and vacuum ultraviolet rays generated during plasma discharge. Therefore, it is possible to form an oxide film on the surface of the titanium-based material at a relatively low temperature (atmospheric pressure), and to control the adhesion strength and the surface shape of the titanium oxide-based (Ti x O y ) film to the implant at room temperature, compared to the conventional method. It is a revolutionary way to reduce the manufacturing cost by reducing the manufacturing process.
따라서 본 발명은 위에서 언급한 의료용 임플란트 가공이외에도 건식세정, 저온메탈코팅, 폴리머/고무(Rubber) 표면 접착성개선, 섬유표면개질, 병원성세균 살균, 폐가스 처리 등, 본 발명의 기술개념을 바탕으로 다양한 분야로의 적용가능성이 매우 높다.Therefore, the present invention, in addition to the above-mentioned medical implant processing, dry cleaning, low-temperature metal coating, polymer / rubber surface adhesion improvement, fiber surface modification, pathogenic bacteria sterilization, waste gas treatment, etc. Applicability to the field is very high.
본 발명의 미세공음극 방전의 상압 플라즈마를 이용한 산화티탄계 물질 생성방법 및 티탄계 산화처리물질에 대한 기술은, 선진국 및 국내에서 아직 아직 초기단계에 머물고 있는 기술로서 상압플라즈마를 이용한 생체재료에 대한 연구는 아직 크게 보고된 바 없다.Titanium oxide-based material generation method and titanium oxide-based material using the atmospheric pressure plasma of the micro-cathode discharge of the present invention is a technology that is still in the early stages in developed countries and in Korea as a technique for biomaterials using atmospheric pressure plasma The study has not been reported yet.
본 발명자 및 연구실에서는 7년 전부터 상압 플라즈마에 대한 연구를 해오고 있으며, 이의 전극구조나 발생기에 대한 특허를 보유하고 있다. 그리고, 그 동안의 축적된 경험과 기술을 바탕으로 상압플라즈마 기술을 이용하여 산화티타늄계(TixOy) 피막, 일례로 산화티탄(TiO2, 티탄디옥사이드) 피막형성에 적용하였다.The inventors and the laboratory have been studying atmospheric pressure plasma for seven years, and have a patent on its electrode structure and generator. Based on the accumulated experience and technology, it was applied to the formation of a titanium oxide (Ti x O y ) film, for example, titanium oxide (TiO 2 , titanium dioxide) film by using atmospheric pressure plasma technology.
본 기술을 통해 제안하는 상압 플라즈마는 대기 중의 공기만을 이용하여 표면에 친수성 효과를 줌으로써 임플란트 사이의 접착력을 향상시킴은 물론, 공기 중의 질소와 산소를 이용하여 플라즈마를 생성시키기 때문에 추가로 소요되는 방전가스가 전혀 필요없어 비용 절감에 매우 효과적이다. 뿐만 아니라, 저압 플라즈마 공정에서 요구되어지는 고가의 진공 장비를 필요로 하지 않고, 기존의 생산라인을 거의 수정할 필요가 없기 때문에 적은 설비투자로도 최대의 효용을 얻을 수 있으며 실제 양산에 적용 가능한 가장 경제적인 기술이라고 할 수 있다.The atmospheric pressure plasma proposed by this technology improves the adhesion between the implants by using hydrophilic effect on the surface by using only air in the air, as well as additional plasma discharge gas because it generates plasma by using nitrogen and oxygen in the air. There is no need at all, so it is very effective in cost reduction In addition, it does not require expensive vacuum equipment required in low pressure plasma process and requires little modification of the existing production line, so it is possible to obtain maximum utility with little facility investment and to be most economically applicable to mass production. It can be said to be technology.
따라서 환경친화적 설비 확충과 후처리 공정 제거를 통한 생산성 및 경제성 향상을 위하여 상압 플라즈마를 이용한 표면처리를 통하여 효과적인 산화티탄계(TiO2) 피막의 형성방법을 확립한다면, 국내 치과재료 산업이 세계 시장에서 한걸음 더 앞서나가는데 견인차 역할을 할 것으로 기대되며, 티탄계 물질 가공기술의 발전에도 일조할 것으로 예상된다.Therefore, if the establishment of effective titanium oxide (TiO 2 ) coating method through surface treatment using atmospheric pressure plasma to improve productivity and economic efficiency through expansion of environment-friendly facilities and removal of post-treatment process, the domestic dental material industry It is expected to serve as a driving force to advance one step further and contribute to the development of titanium-based material processing technology.
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