KR20090064721A - 치골천공용 세라믹 드릴의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면 세라믹 조성물을 혼합 및 분쇄(mixing and milling)하는 원료준비단계; 혼합 및 분쇄된 세라믹 조성물을 구상화(granulation)하는 단계; 구상화된 복합 세라믹 분말을 금형에 넣고 냉간등압성형하는 성형단계; 얻어진 성형체를 소결로에서 온도 100∼300℃에서 1차소결하고, 300∼800℃에서 2차소결한 다음, 1300~1400℃에서 압력전달매개체로 아르곤을 사용하여 HIP 소결하는 3차 소결을 포함하는 소결단계; 및 소결된 성형체를 센터리스(centerless) 연삭, 매칭가공, 광택가공 및 클리닝가공으로 이루어진 마무리가공단계를 포함하는 세라믹드릴의 제조방법이 제공되며, 본 방법은 기존의 세라믹 드릴보다 견고하고 절삭력이 우수한 세라믹 드릴을 낮은 생산원가로 제조할 수 있는 장점이 있다.

세라믹, 드릴, 임플란트

Description

치골천공용 세라믹 드릴의 제조방법{Method for manufacturing ceramic drill for boring dentary bone}

본 발명은 인체의 뼈에 구멍을 뚫기 위한 세라믹 드릴에 관한 것으로서, 특히 치골천공용에 적합한 세라믹 드릴의 제조방법에 관한 것이다.

치과에서는 환자의 치조골 상태에 따라 임플란트 사이즈를 선택하고, 식립할 위치에 드릴링을 하여 임플란트를 식립하게 되는데, 초기 드릴링시 1500~1000 RPM의 회전속도, 토오크 35Ncm 이하의 조건으로 식립부위에 홀을 내고 단계적으로 800~500RPM, 400~300RPM으로 좀더 큰 드릴을 사용할 수록 RPM을 낮추어 드릴링을 하게된다.

드릴링시에는 차가운 생리 식염수를 함께 뿌리는데 이는 마찰열을 최소화하기 위함이며 RPM을 낮추는 이유도 여기에 있다. 한편 드릴링시의 마찰열은 뼈조직 손상을 초래하게 되는데 인체 온도 이상일 경우가 될 것이고, 조직손상은 임플란트가 골융합을 하는데 악영향을 미치게 된다.

기존에 이러한 용도로 사용되는 드릴로 스테인레스강 드릴(SUS 드릴)과 세라믹 드릴이 잘 알려져 있다.

이러한 SUS 드릴과 세라믹 드릴의 장단점을 설명하면 다음과 같다.

첫째, 예를 들어 치골에 임플란트나 고정구를 삽입을 위한 구멍을 뚫을 때 SUS 드릴은 열전도율이 높아(약 70 W/m·c 이상) 치골세포에 그대로 열이 전달되어 세포가 괴사하고, 임플란트 삽입 후에도 골융합(osseointegration)이 잘 일어나지 않게 되어 결국 임플란트가 흔들리고 빠지는 루즈닝(loosening) 현상이 일어나는 경우가 있으나, 세라믹, 특히 지르코니아의 경우 열전도율이 약 3 W/m·c로 낮아 치골세포에 전달되는 열이 상대적으로 낮아 치골세포가 괴사하지 않아 조기 골세포성장을 증진시키는 장점이 있다.

둘째, SUS 드릴일지라도 잦은 세척과 소독으로 재사용하게 되면 부식을 피할 수 없게 되나, 세라믹드릴은 내화학성, 내부식성이 우수하므로 장기간 사용가능한 장점이 있다.

셋째, SUS 드릴은 간혹 알러지 반응을 환자가 있으나 세라믹 드릴은 생체친화성 소재라 부작용이 없다는 장점이 있다.

한편, 세라믹드릴의 단점은 세라믹의 치성으로 부러지기 쉽다는 것이며 SUS 드릴보다 절삭력이 좋지 않고, 고가라는 점이다. 이러한 이유로 홍보 및 판매가 어려운 실정이다.

따라서 본 발명은 견고하면서 절삭력이 우수한 세라믹 드릴을 보다 경제적인 코스트로 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성한 본 발명에 의하면 다음의 단계들을 포함하는 세라믹 드릴의 제조방법이 제공된다:

산화지르코니아(ZrO₂) 또는 실리콘나이트라이드(Si₃N₄)를 함유하는 세라믹 조성물을 혼합 및 분쇄(mixing and milling)하는 원료준비단계;

혼합 및 분쇄된 세라믹 조성물에 물을 가하여 혼합한 후 스프레이 방식으로 80℃의 챔버에서 구상화(granulation)하는 구상화단계;

구상화된 세라믹 분말을 드릴 형상을 갖는 금형에 넣고 냉간등압프레스(CIP: Cold Isostatic Press)를 이용하여 2000-3000㎏/㎠의 압력에서 냉간등압성형하는 성형단계;

얻어진 성형체를 소결로에서 온도 100∼300℃에서 1차소결하고, 300∼800℃에서 2차소결한 다음, 1300~1400℃에서 압력전달매개체로 아르곤을 사용하여 HIP 소결하는 3차 소결을 포함하는 소결단계; 및

소결된 성형체를 센터리스(centerless) 연삭, 매칭가공, 광택가공 및 클리닝가공으로 이루어진 마무리가공단계.

본 발명의 세라믹 드릴 제조방법은 기존의 세라믹 드릴보다 견고하고 절삭력이 우수한 세라믹 드릴을 낮은 생산원가로 제조할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 드릴제조방법은 원료준비단계, 구상화단계, 성형단계, 소결단계, 마무리단계로 대별된다. 이를 공정별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

원료준비단계

본 발명에서 사용되는 원료는 세라믹 조성물로서, 산화지르코니아 또는 실리콘나이트라이드를 주성분으로 하고, 바람직하게 산화이트륨(Y₂0₃) 등과 같은 안정제를 함유한다. 이러한 복합 세라믹 조성물은 혼합 및 분쇄하여 균일한 혼합분말로 제조한다.

구상화단계

균일한 분말상의 복합 세라믹 조성물에 물을 첨가하여 혼합한 후 스프레이 방식으로 80℃의 챔버에서 구상화한다.

성형단계

구상화된 복합 세라믹 분말을 드릴 형상을 갖는 금형에 넣고 냉간등압프레스(CIP: Cold Isostatic Press)를 이용하여 2000-3000㎏/㎠의 압력으로 냉간등압성형한다.

일축성형은 가압방향이 일방향이어서 시편내부에 압력구배가 발생하므로 균일한 기계적 강도를 얻을 수 없게 되나, 냉간등압성형을 하면 균일한 기계적 강도를 갖는 드릴을 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현에 따라 제작되는 세라믹 드릴의 한 형태를 보여주는 것으로, 바람직하게 본 발명의 드릴은 날끝각이 100도가 되게 하는 것이다. 이와 같은 날끝각으로 드릴을 설계하면 생체에 스트레스를 주지않고 절삭이 가능한 장점이 있다.

금형은 수명뿐만 아니라 균열발생이 없고 표면이 양호해야 한다. 일반금형의 재질(SKD11)로 제작할 경우 성형체에 라미네이션 현상이 일어나기 쉬워 드릴의 수명이 짧아질 뿐만 아니라 경도가 높은 세라믹 분말이 금형의 표면을 손상시키게 되어 성형시 불균일한 마찰을 수반, 성형체에 라미네이션을 초래하게 된다. 따라서 금형의 설계시 이러한 점을 고려하여 텅스텐카바이드인 초경으로 금형을 설계하는 것이 바람직하며, 위에서 설명한 바와 같이 성형체의 날끝각이 100도가 되도록 하는 것이 바람직하다.

소결단계

상기의 성형체는 소결로에서 1차소결(presintering), 2차소결 및 3차 소결로 이루어진 일련의 소결처리를 받게 된다.

1차 소결은 100∼700℃에서 수행하는 것이 바람직하고, 2차 소결은 300∼800℃에서 수행하는 것이 바람직하며, 마지막은 3차소결은 열간등압프레스(HIP: heat isostatic press)에 의한 소결법을 이용하여 1300~1400℃에서 압력전달매개체로 아르곤 가스를 사용하여 수행하는 것이 바람직하다.

HIP 소결은 고온고압의 가스로 압력을 전달하여 소결하는 방법으로 HIP 소결을 하게되면 내부기공이 완벽하지는 않지만 상당량 줄어들게 되어 세라믹 입자들이 밀착하게 되면 치밀화된 조직을 갖추게 되어 물성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있게 된다. 압력전달매체로서 아르곤 가스를 사용하는 이유는 가격이 상대적으로 저렴할 뿐만 아니라 고온에서 불활성을 갖기 때문이다. 원료로 지르코니아계 복합 세라믹 분말이 사용되므로 HIP 소결은 1300~1650℃, 특히 1380℃에서 수행하게되며, 온도가 1300도 이하가 되면 HIP 효과가 떨어지고 너무 높으면 물성이 오히려 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. HIP 소결은 압력용기내에 처리하고자 하는 물건을 별도의 도가니에 담아 투입하게 되는데, 이는 용기 내부를 이물질에 의한 오염으로부터 방지하기 위한 것이며, 프로그램가능한 콘트롤러에 의해 가스압력과 내부온도를 동시에 제어할 수 있는 장비를 이용하는 것이 바람직하다.

마무리가공단계

소결처리된 성형체는 센터리스(centerless) 연삭, 매칭가공(maching), 광택가공(polishing) 및 클리닝가공(cleaning)으로 이루어진 마무리가공단계를 거치고, 검사과정을 마친 후 포장하여 제품으로 유통시키게 된다. 도 1에는 상기한 과정들을 거쳐 제작된 세라믹드릴을 보여주는 사진이다.

도 1은 본 발명의 일 구현에 따라 제작되는 세라믹 드릴의 형태를 보여주는 측면도

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 구현에 따라 제조된 세라믹 드릴의 날끝을 보여주는 사진들

Claims (2)

1. 다음의 단계들을 포함하는 치골천공용 세라믹 드릴의 제조방법:

   실리콘나이트라이드 또는 산화지르코니아를 주성분으로 하는 세라믹 조성물을 혼합 및 분쇄(mixing and milling)하는 원료준비단계;

   혼합 및 분쇄된 세라믹 조성물에 물을 가하여 혼합한 후 스프레이 방식으로 80℃의 챔버에서 구상화(granulation)하는 구상화단계;

   구상화된 세라믹 분말을 드릴 형상을 갖는 금형에 넣고 냉간등압프레스(CIP: Cold Isostatic Press)를 이용하여 2000-3000㎏/㎠의 압력에서 냉간등압성형하는 성형단계;

   얻어진 성형체를 소결로에서 온도 100∼300℃에서 1차소결하고, 300∼800℃에서 2차소결한 다음, 1300~1400℃에서 압력전달매개체로 아르곤을 사용하여 HIP 소결하는 3차 소결을 포함하는 소결단계; 및

   소결된 성형체를 센터리스(centerless) 연삭, 매칭가공, 광택가공 및 클리닝가공으로 이루어진 마무리가공단계를 특징으로 하는 치골천공용 세라믹 드릴의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 드릴의 날끝각이 100도가 되도록 성형하는 것을 특징으르로 하는 치골천공용 세라믹 드릴의 제조방법.

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