KR20090123582A - 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체적합성이 우수한 타이타늄합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 적합성이 뛰어난 타이타늄을 기반으로 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo)을 합금원소로 첨가함으로써, 낮은 탄성계수를 구현하면서 동시에 내식성, 경도특성, 인장강도, 그리고 성형 및 가공성 등이 우수한 저탄성 고강도 타이타늄 신합금에 관한 것이다.

본 발명에 따른 타이타늄 신합금은 인체에 무해한 합금원소만으로 구성되어 인체에 대한 독성이 없으며, 탄성계수가 매우 낮고 기타 기계적 특성이 우수하여, 인공 뼈, 인공 치아, 고관절 등 인체의료용뿐만 아니라 스포츠 및 레저산업, 해양산업, 자동차산업, 그리고 액세서리 제품 등의 분야에까지 널리 활용될 수 있다.

타이타늄 합금, 생체 의료용, 탄성 계수

Description

저탄성계수와 고강도를 갖는 생체적합성이 우수한 타이타늄 합금{TITANIUM ALLOY WITH EXCELLENT BIO-COMPATIBILITY, LOW ELASTIC MODULUS AND HIGH STRENGTH}

본 발명은 생체 의료용 재료에 적합한 타이타늄 합금에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 생체 적합성이 뛰어난 타이타늄을 기반으로 하여 인체에 대한 독성이 없는 것으로 알려진 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo) 등을 합금원소로 첨가함으로써, 낮은 탄성계수를 가질 뿐 아니라, 우수한 내식성, 경도, 인장 강도, 및 가공성을 겸비한 저탄성 고강도 타이타늄 합금에 관한 것이다.

타이타늄은 일반적으로 비강도(강도/무게)가 높고, 내식성 등이 탁월하여 다양한 산업분야의 기초소재로 활용도가 높아 ‘꿈의 신소재’라고 불릴 정도로 미래의 활용분야가 기대되는 신금속 소재중 하나이며, 이러한 타이타늄의 여러 우수한 특성들로 인해 생체의료, 해양, 항공우주, 스포츠 및 레저 등의 분야에 우수한 재료로 널리 연구개발되고 있다.

최근에는 인체 내에서의 높은 화학적 안정성과 생체 적합성이 우수한 물성을 이용하여 임플란트 등과 같은 인체의 뼈 등을 대체하는 생체 의료용 금속 소재로도 다양하게 사용되고 있는데, 여기서 "생체 의료용 금속 소재"라 함은, 골격, 관절, 치아 등을 대체하여 인체에 이식되기 위해 개발되어 온 재료로서 인공 뼈, 인공 관절, 인공 치아 등 각종 인공 보형물을 제조하기 위해 개발된 금속소재를 의미한다.

한편, 생체 의료용 재료로 사용된 타이타늄 및 그 합금의 1세대는 순 타이타늄과 Ti-6Al-4V 합금(ELI급 합금 포함) 등인데, 순 타이타늄의 경우 생체 재료로서 요구되는 제 특성을 충분히 만족시키기 어렵고, Ti-6Al-4V 합금의 경우 합금성분인 알루미늄(Al)이 치매를 유발할 가능성이 있고 바나듐(V)이 세포독성을 나타낸다는 문제점이 있었다.

이러한 인체 독성의 문제점을 해결하기 위해 개발된 대표적인 합금이 Ti-6Al-7Nb합금계와 Ti-5Al-2.5Fe 합금계로 소위 2세대 생체의료용 합금이다.

그런데 1990년대 이후에 새롭게 제기된 생체용 금속소재의 문제점은 낮은 탄성계수를 갖는 인체 뼈와 높은 탄성계수를 갖는 생체용 금속소재와의 탄성계수의 차이에 의해 발생하는 이른바 "응력차폐효과(stress shield effect)" 현상이다.

"응력차폐효과"란 예를 들어, 높은 탄성계수를 갖는 금속 임플란트 소재가 인체의 임플란트 부위에 받는 하중의 대부분을 부담함으로써, 이 부위의 인체의 뼈가 통상 부담해왔던 인장, 압축, 굽힘 모멘트를 오랫동안 받지 않게 되어 뼈의 두께, 무게가 감소하게 되고 결과적으로 임플란트 주위에 골다공증(osteoporosis) 등의 문제점을 유발시키는 효과를 말한다. 이와 같이 인체 뼈의 약화를 유발시키고 외피질 골조직의 밀도가 저하되는 경우 인체 뼈와 인공 임플란트의 결합성이 떨어져서 임플란트의 수명을 단축시키는 결과를 초래하게 된다.

이에 따라 세포 독성 등과 같은 생체화학적 적합성 측면은 물론, 생체역학(bio-mechanics)적인 측면도 동시에 고려된 새로운 생체의료용 금속재료, 즉 인체에 독성이 없으면서도 탄성계수를 최대한 인체 뼈와 비슷한 수준으로 낮춘 저탄성계수를 갖는 금속재료의 개발에 대한 필요성이 대두되었다.

이에 따라 합금 원소의 독성 제거를 목적으로 이루어진 2세대 합금과는 달리, 생체 역학적인 면에서 연구가 진행되면서 개발된 것이 3세대 합금이다.

탄성계수를 낮추는 것과 관련하여, 한국등록특허 제211097호 및 제303612호와, 한국공개특허 제2001-0035751, 2006-0101715, 및 2006-0083167 등에는 인듐(ln), 탄탈룸(Ta), 팔라듐(Pd)과 같은 고밀도, 고융해점 원소들을 다량 포함한 타이타늄 합금 등이 제안되어 있다.

그런데 이들 합금들은 2세대 또는 3세대 타이타늄 합금들로서 탄성계수를 낮추고자 하는 노력의 일환으로 설계되었으나, 인체를 구성하는 뼈와의 응력차폐현상을 충분히 차단하기에는 부족한 상황이다.

또한, 신규 합금이 생체 의료용뿐만 아니라 스포츠, 레저, 액세서리 등의 분야에까지 그 활용분야가 확대되기 위해서는 관련 기계적 특성과 가공성이 뒷받침되어야 한다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 인체에 대한 독성이 없으면서 인체 뼈의 탄성계수에 근접하는 매우 낮은 탄성계수를 가짐과 동시에 우수한 내식성, 기계적 특성 및 가공성을 겸비하여 생체 의료용은 물론 기타 분야로도 널리 적용될 수 있는 저탄성 고강도 타이타늄 합금을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명자들은 먼저 타이타늄을 기반으로 하고 여기에 합금화시킬 원소로 인체에 무해한 원소들을 선택한 후, 이들 원소들 중에서 목적하는 합금의 기계적 특성을 확보할 수 있는 합금원소들과 그 조성을 선정하는 방식으로 합금설계를 하였다.

이러한 과정을 통해 본 발명자들은, 중량%로 니오븀(Nb): 4 ~ 17%, 지르코늄(Zr): 15 ~ 24%, 몰리브덴(Mo): 11 ~ 22%를 포함하고, 나머지 타이타늄과 불가피한 불순물로 이루어진 타이타늄 합금이 인체에 대한 독성이 없고 저탄성 계수를 가져 생체 적합성이 우수할 뿐 아니라, 고강도 등의 우수한 기계적 특성을 나타냄을 알고 본 발명을 완성하였다.

본 발명에서 타이타늄의 합금성분으로 선택된 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr) 및 몰리브덴(Mo)은 인체에 대한 독성이 없는 것으로 알려져 있다. 또한 타이타늄과의 4원계 합금에 있어서 일반적으로 탄성계수가 낮은 베타상(beta phases)을 생성하기 위한 베타 안정화원소(β stabilizer)로서 작용할 뿐만 아니라, 밀도와 용융점 및 비등점 등이 타이타늄과 비교하여 양호하여 경제적으로도 이점이 있기 때문이다.

상기 니오븀(Nb)은 무른 소재로 성형이 쉬운 회색의 금속으로, 인체 내에서 섬유세포, 부식생성물, 생체용액 등과 유해한 반응성을 나타내지 않고 안정성을 나타내어 생체친화적인 금속소재로 알려져 있다. 또한 상온에서 매우 안정적이며 산소나 강산에도 침식이 되지 않는 등 내식성이 매우 우수한 원소이다. 니오븀(Nb)은 4 ~ 17중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어날 경우 탄성계수가 급격하게 증가하기 때문이며, 6 ~ 15중량%로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

상기 지르코늄(Zr)은 산 및 염기 분위기에서, 고온의 물속에서 내식성이 매우 큰 금속으로 공기 중에서도 산화 피막이 발생하여 강한 내식성을 보인다. 또한 세포독성이 없는 원소로 생체친화적인 금속소재이다. 지르코늄(Zr)은 15 ~ 24중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 이 범위를 벗어날 경우 탄성계수가 급격하게 증가하기 때문이며, 18 ~ 22중량%로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

상기 몰리브덴(Mo)은 녹는점이 높은 편이지만 열 전도성이 우수하며, 강산에서도 침식이 되지 않는 등 내식성이 뛰어나며, 넓은 온도범위 내에서 기계적 물성이 매우 우수한 원소이다. 몰리브덴(Mo)은 타이타늄 합금에 내식성과 우수한 기계적 특성을 부여하는 원소로, 11 ~ 22중량%로 첨가되는 것이 바람직한데, 이 범위를 벗어날 경우 상기 2 합금성분과 마찬가지로 합금의 탄성계수를 높이기 때문이며, 14 ~ 19중량%로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 제조에 있어서, 각 합금원소의 중량 비에 맞게 무게를 정확히 측량한 후 용해 작업을 할 때, 각 원소의 밀도차에 의한 편석이나 원소 분리현상을 최소화하고 방지하기 위해서는 밀도가 낮은 원소를 하부에 밀도가 높은 원소를 상부에 적층하여야만 보다 균일한 잉고트(ingot)를 제조할 수 있다.

용해 방법으로는 일반적으로 널리 사용되는 용해정련법인 진공유도용해(VIM), 진공아크용해(VAR), 진공유도스컬용해(ISM), 플라즈마아크용해(PAM), 전자빔용해(EBM) 등의 용해, 주조방법에 의해 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 타이타늄 합금은 인체의 골격의 탄성계수와 보다 근접한 낮은 탄성계수를 나타냄과 동시에 우수한 기계적 특성 및 가공성을 나타내기 때문에, 인공 뼈, 인공 치아, 인공 고관절 등의 인체의료용뿐만 아니라, 스포츠 및 레저산업, 해양산업, 자동차산업, 그리고 액세서리 제품 등의 분야에까지 널리 활용될 수 있는 소재이다.

이하 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 단지 예시적인 것으로, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

먼저, 본 발명의 실시예에서 사용한 타이타늄 합금의 화학조성은 하기 표 1과 같다.

합금의 화학조성

시편 No.	성분(wt%)
	Nb	Zr	Mo	Ti
1	6	22	19	Bal.
2	10	20	16	Bal.
3	15	18	14	Bal.

이상과 같은 합금 조성을 이루도록 각 합금성분의 중량을 측정한 후, 진공아크재용해법(Vacuum Arc Remelting)을 이용하여 합금을 용해하였다. 용해시에는 각 성분의 밀도차에 의한 편석이나 원소 분리현상을 최소화하기 위해, 밀도가 낮은 타이타늄, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴의 순으로 원재료를 적층한 후에 아크 용해를 실시하였다. 이와 같이 용해된 합금을 주조하여 잉고트로 만든 후, 다음과 같이 미세조직 및 물성을 측정하였다.

미세 조직

본 발명의 실시예에 따라 제조된 신 합금의 미세조직을 관찰하기 위해서, 사포를 이용해 40번부터 2400번까지 마크로 연마를 한 후, 다이아몬드 연마제를 활용하여 마이크로 연마를 수행하였다. 이와 같은 기계적 연마를 통해 경면을 만들고, 크롤용액(Kroll etchant; H₂O 100㎖ +HNO₃ 5㎖ + HF 3㎖)으로 에칭한 후 광학현미경을 통해 미세조직을 관찰하였다.

도 1a 및 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 No.1 및 2 합금의 미세조직을 관찰한 사진이다. 이러한 관찰결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금의 미세조직은 용해 주조에 따라 다소 큰 결정립으로 이루어져 있으나, 편석이나 내부결함 등이 발견되지 않는 균일한 미세조직을 나타내고 있다.

상온 경도 특성

다음으로 본 발명의 실시예에 따라 제조된 신 합금의 상온 경도특성을 평가하고자 비커스(Vickers) 경도기를 이용하여 1kg하중으로 10초간 유지한 후 10회씩 측정하여 평균을 낸 결과, 하기 표 2와 같았다.

경도 측정 결과

시편 No.	경도(VHN)
1	299.8
2	284.4
3	274.2

본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금의 경도 특성을 분석해보면, No.1 합금이 가장 높고, No.2 및 No.3의 순으로 감소하는 경향을 나타내었다.

그런데, 이와 같은 경도 특성은 알파 타이타늄인 순수 타이타늄이나 베타계 타이타늄 합금인 종래의 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al합금보다 우수한 특성을 나타내며, 가장 일반적으로 사용되는 알파+베타 혼합형 Ti-6Al-4V 합금에 비해서도 10~30VHN 정도밖에 경도의 차이가 없는 우수한 것이다.

상온 인장 특성

상기 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금의 인장특성을 평가하고자 상온인장시험을 수행하였다. 인장시험은 변형속도를 0.42mm/min (1.0×10^-3/sec)으로 하여 일축 방향으로 각 4회씩 시험을 한 평균을 내는 방식으로 수행하였으며, 그 결과는 하기 표 3과 같다.

인장 시험 결과

시편 No.	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)
1	-	-	-
2	711	811	23.1
3	674	765	27.3

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금은, 항복강도(YS)와 인장강도(UTS)가 모두 우수할 뿐 아니라, 성형 및 가공성의 척도가 될 수 있는 연신율(El)이 20%을 상회하는 매우 우수한 특성을 나타내고 있다.

이러한 인장 특성값은 순수 타이타늄이나, 종래의 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al합금 또는 Ti-3Al-2.5V 등의 타이타늄 합금보다 우수한 특성이다.

탄성 계수

본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금에 대해 ASTM E9-89a 규격에 충족하는 탄성압축시험방법에 따라 각 시편 당 3회씩 탄성계수를 측정하여 평균을 내었으며, 측정 결과는 하기 표 4와 같았다.

탄성 계수 측정 결과

시편 No.	탄성계수 (GPa)
1	40.6
2	38.8
3	44.3

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 No.1 합금의 탄성계수는 40.6GPa로 측정되었으며, No.2 합금의 탄성계수는 38.8GPa로, No.3 합금의 탄성계수는 44.3GPa로 매우 낮은 탄성계수를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따른 타이타늄 합금은 종래의 생체의료용 타이타늄 합금에 비해 탄성계수가 낮고 기타 기계적 특성 등이 우수함을 알 수 있다.

도 1a 및 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금들의 미세조직을 관찰한 광학현미경 사진이다.

Claims (7)

1. 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금으로서, 중량%로 니오븀(Nb): 4 ~ 17%, 지르코늄(Zr): 15 ~ 24%, 몰리브덴(Mo): 11 ~ 22%를 포함하고, 나머지 타이타늄과 불가피한 불순물로 이루어진 타이타늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 니오븀(Nb)의 함량이 6 ~ 15중량%인 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 18 ~ 22중량%인 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 몰리브덴(Mo)의 함량이 14 ~ 19중량%인 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 니오븀(Nb)의 함량이 6중량%, 지르코늄(Zr)의 함량이 22중량%, 몰리브덴(Mo)의 함량이 19중량%인 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 니오븀(Nb)의 함량이 10중량%, 지르코늄(Zr)의 함량이 20중량%, 몰리브덴(Mo)의 함량이 16중량%인 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 니오븀(Nb)의 함량이 15중량%, 지르코늄(Zr)의 함량이 18중량%, 몰리브덴(Mo)의 함량이 14중량%인 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.

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