KR20110085040A

KR20110085040A - 초음파 나노표면처리를 이용한 스텐트용 와이어 표면 처리 방법

Info

Publication number: KR20110085040A
Application number: KR1020100004606A
Authority: KR
Inventors: 안세영
Original assignee: 메디소스플러스(주)
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2011-07-27
Also published as: KR101936182B1

Abstract

본 발명은 초음파 나노표면처리(UNSM, Ultrasonic Nano-crystal Surface Modification)를 이용한 스텐트용 와이어 표면 처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 초음파 진동을 응용하여 금속 와이어의 표면에 초당 15,000번 이상 직접 타격을 가함으로써 와이어의 표면을 처리하여 와이어의 표면 품질을 향상시키고 가공 시 발생되는 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 바꾸어 와이어의 피로수명을 향상시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

초음파 나노표면처리를 이용한 스텐트용 와이어 표면 처리 방법 {UNSM Treatment Method for Stent Wire}

본 발명은 초음파 나노표면처리(UNSM, Ultrasonic Nano Crystal Surface Modification)를 이용한 와이어 표면 처리 방법에 관한 것으로, 초음파 진동을 응용하여 금속의 표면에 직접 타격을 가함으로써 와이어의 표면을 처리하여 와이어의 표면 품질 및 피로수명을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

금속 와이어는 많은 종류의 산업 분야에 걸쳐 여러 가지로 응용되어 사용되고 있으며 특히 본 발명의 구체적 실시 예로 쓰일 니티놀(Nitinol) 와이어는 대표적인 형상기억합금 중 하나로써 니켈과 티탄을 거의 절반씩 섞어 만든다. 니티놀 와이어는 형상기억 특성뿐 아니라 굉장히 안정적이며 생체친화력이 좋고 부식에 강하여 카테터, 스텐트, 현미경수술도구 등에 광범위하게 쓰이고 있다.

이중에서도 특히 구체적 실시 예에 쓰일 스텐트의 경우, 인간의 소화기계, 뇌혈관 및 심혈관 내에 삽입되어 사용된다. 특히 심혈관 스텐트는 주기적인 심장박동 충격에 10년 이상을 파괴되지 않고 견디는 것을 목표로 하기 때문에 높은 피로수명이 요구된다. 하지만 기존의 니티놀 와이어를 이용한 스텐트의 경우 이러한 요구조건을 만족하기 어려워 이에 대한 여러 가지 연구가 진행되고 있다. 이는 주로 소재, 디자인 외에 표면 처리에 관한 것으로 니티놀 와이어로 제작된 스텐트의 중요한 문제점 중 하나가 와이어간의 접촉으로 인한 파손이기에 특히 표면 처리의 중요성이 부각되고 있다.

이와 같이 피로로 인한 파손에 가장 큰 영향을 주는 인자는 표면품질로써 구체적으로는 표면 거칠기 값과 표면 결함이다.

현재 응용되고 있는 표면 처리로는 전해연마(Electroploishing)방법 등이 있으나 이는 표면 부식 저항만을 증가시킬 수 있는 기술로써 보다 표면 결함을 제거하고 압축잔류응력을 부여할 수 있는 보다 나은 표면 처리 방법이 요구되고 있다.

이에 본 발명은 종래의 표면처리 방식과 차별화되는 새로운 표면 처리 방식을 통해 와이어의 표면 품질, 자세히는 표면 거칠기 값과 표면 결함 특성을 개선시킴으로써 와이어의 피로수명을 증가시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위에서 언급하였듯이 피로로 인한 와이어 파손에 가장 큰 영향을 주는 인자는 표면 거칠기 값과 표면 결함이다. 이를 해결하기 위해서는 표면 거칠기 및 경도의 향상과 표면 결함 제거뿐 아니라 가공 시 발생하는 인장잔류응력을 압축잔류응력으로 바꾸어야 한다. 이에 본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 초음파 표면 개질 기술을 이용한 와이어 표면 처리 방법을 제공한다.

초음파 표면 개질 기술은 이미 설명하였듯이 초음파 진동을 응용하여 아주 큰 정적 및 동적 하중을 갖는 금속 볼이나 절편으로 초당 15,000번 이상 금속의 표면에 직접 타격을 가하는 것을 특징으로 한다.

초음파 진동은 20kHz 볼트랑지뱅형 타입으로 발진은 고출력으로 2000W, 사용된 혼은 용착용으로 부가되었으며, 발진기의 출력%로 혼에 전달되는 진폭을 조절할 수 있다. 이에 정적하중은 무게추를 달아 엘엠가이드에 의해 슬라이딩이 될 수 있도록 하였으며, 무게추는 요구조건에 따라 변화를 줄 수 있다. 와이어 접촉과 동시에 왕복운동 또한 엘엠가이드를 통해 규칙적인 왕복을 할수 있도록 하였다.

전체 타격 힘 (F)은 정적하중(Pst)과 동적하중(Psin2πft)의 합이며, 장비의 왕복속도와 처리시간에 따라 시편에 가해지는 에너지가 달라진다.

F = Pst + Pdy

F : total striking force

Pst : normal static load onto the tool

Pdy : amplitude of dynamic load (=Psin2πft)

A : amplitude S : feed(mm/sec) D : specimen diameter f : frequency of oscillations t : current time

1) 표면거칠기 및 표면형상 분석

표면거칠기 분석을 위하여 레이져 공촛점 스켄장비(Confocal laser scan measuring)를 이용하였으며, 전체 Mapping을 통한 평균 거칠기값을 측정하였다. 또한 전자현미경(Scanning electron microscopy)을 통해 표면의 형상을 관찰하였다.

2) 표면 결정구조 및 잔류응력 분석

표면 결정구조와 동시에 표면잔류응력과 FWHM (Full Width at Half Maximum)을 측정하기 위하여 XRD (Cu K-alpha, 40 ㎸, 40 ㎃)를 적용하였으며, 상변태 결정구조는 X선 회절 정성분석으로 JCPDS (Joint Committee of Powder Diffraction Standards)에 근거한 분석과, 잔류응력값과 FWHM을 계산하기 위해 Poisson's Ratio=0.32, Young's Modulus는 측정시험편의 초탄성 인장응력 vs. 변형 선도에서 도출된 14.1 ㎬과 UNSM 처리 후 11.7 ㎬를 입력하였다.

3) 초탄성 인장응력 변형 분석

Fig. 3과 같이 Nitinol wire에 맞는 정밀 하중 분석 장비(Universal Testing Machine - RB Model 302 Micro Load)를 활용하였으며, Wire holding 지그는 고안된 몰드를 사용하였고, 초탄성 거동을 평가하기 위하여 6% 변형률 Upper reverse point에서 5초 동안 유지 후 변형률을 감소시켰다.

4) 부식 시험

활성태- 부동태 영역의 부식 내구성 평가를 위하여 염수용액 pH 7.4, 온도 37℃의 셀을 만들어 potential static (Gamry 100)을 이용하여 정전위법(potentiostat)으로 측정하였으며, 부식 내구성의 평가를 통한 부동태 피막의 불안정성에 대하여 분석하였다.

본 발명에 의한 초음파 표면 개질 기술을 이용한 와이어 표면 처리 방법은 와이어 표면층의 분자들을 자극하여 극심한 운동에너지를 제공하고 내부온도를 증가시킴으로써 분자의 재배열을 유도하고 표면층의 구조를 안정된 새로운 롬빅(rhombic)상 유사결정 구조로 바꾸어 준다. 또한 인발 가공으로 발생되는 인장잔류응력, 표면거칠기 및 미세 표면 결함을 제거할 수 있고 탄성을 증가시키며 부식 저항력을 늘려준다. 이는 종합적으로 와이어 피로 특성의 현저한 개선과 아울러 피로수명을 증가시키는 효과가 있다.

Table. XRD results of surface stress and FWHM of nitinol wire

Table. Modulus of resilience of nitinol wire

도 1은 본 발명에 따른 스텐트용 와이어 표면 처리 장치의 개략도,
도 2는 도 1의 표면 처리 장치를 이용하여 표면 처리한 와이어의 엑스선 회절 측정 결과를 나타낸 그래프도,
도 3은 표면 처리 전의 와이어를 전자 현미경으로 관찰한 사진도,
도 4 는 표면 처리 후의 와이어를 전자 현미경으로 관찰한 사진도,
도 5 는 표면처리 전의 와이어를 레이저 공촛점 분석장비를 통해 분석한 결과를 나타낸 사진도,
도 6 은 표면처리 후의 와이어를 레이저 공촛점 분석장비를 통해 분석한 결과를 나타낸 사진도,
도 7 은 정밀 하중 분석 장치를 이용하여 초탄성 인장 응력을 분석한 결과를 나타낸 그래프도,
도 8은 정밀 하중 분석 장치를 이용하여 초탄성 인장 응력을 분석한 결과를 나타낸 그래프도,
도 9 는 표면처리 전 와이어의 부식시험 결과를 나타낸 그래프도,
도 10은 표면처리 후 와이어의 부식시험 결과를 나타낸 그래프도이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 와이어 표면 처리 장치의 개략도이고, 도 2는 도 1의 표면 처리 장치를 이용하여 표면 처리한 와이어의 엑스선회절(X-ray diffraction) 측정 결과를 나타낸 그래프도이고, 도 3 은 표면 처리 전의 와이어를 전자 현미경으로 관찰한 사진이며, 도 4 는 표면 처리 후의 와이어를 전자 현미경으로 관찰한 사진이다. 도 5 는 표면처리 전의 와이어를 레이저 공촛점 분석장비를 통해 분석한 결과이며, 도 6 은 표면처리 후의 와이어를 레이저 공촛점 분석장비를 통해 분석한 결과이다. 도 7, 도 8은 정밀 하중 분석 장치를 이용하여 초탄성 인장 응력을 분석한 결과를 나타낸 그래프도이다. 도 9 는 표면처리 전 와이어의 부식시험 결과를 나타낸 그래프도이며, 도 10은 표면처리 후 와이어의 부식시험 결과를 나타낸 그래프도이다.

첨부된 도 1에 따른 장치를 이용하여 실험을 실시하였다.

실시 예 1)

발진자의 무게는 15 kgf, 발진기의 파워는 10%, 분위기는 15초, 시험편 지름은 0.005", 초음파 가압끝부분은 2 mm x 2 mm 로 2만번으로 처리하였다.

실시 예 2)

발진자의 무게는 3 kgf, 발진기의 파워는 10%, 분위기는 6초, 시험편 지름은 0.007"/0.008", 초음파 가압끝부분은 2 mm x 2 mm 로 2만번으로 처리하였다.

실시 예 3)

발진자의 무게는 6 kgf, 발진기의 파워는 10%, 분위기는 6초, 시험편 지름은 0.007"/0.008", 초음파 가압끝부분은 2 mm x 2 mm 로 2만번으로 처리하였다.

실험 결과에 대한 설명과 해석은 다음과 같다.

니티놀 와이어의 엑스선회절 시험결과를 보면 보통 정방형격자의 오스테나이트상 구조이다. 하지만 도 2와 같이, 초음파나노표면처리 후에는 엑스선회절 스페트럼 40^o 부위에서 추가 피크가 발생하는 것이 관측되는데 이것은 롬빅상과 마텐사이트상으로의 상변이가 일어남을 의미한다. 즉 초음파 나노표면처리전에는 관측되지 않던 안정된 결정상의 롬빅상구조가 생겨나고 이것이 크렉 의 발생및 전파를 막아주고 피로특성을 강화시키게 되는 것이다.

전자현미경 관찰 결과를 살펴보면 도 3과 인발 가공과 미세 결함이 있던 것이 초음파 나노표면처리후에는 도 4와 같이 사라지는 것을 볼 수 있으며 압축 가공된 흔적을 볼 수 있다.

도 5, 도6은 초음파 나노표면처리 전후의 표면 이미지 및 거칠기 값으로, 초기의 시편에는 미세결함과 인발가공 흔적이 확연히 관찰되었으며, 표면거칠기 값(Ra)은 0.092 ㎛로 측정되었다. 반면 초음파 나노표면 후에는 인발가공 흔적과 미세 표면결함은 사라진 것이 발견되었으나 초기자체에 생성되어 있었던 큰 결함들은 그대로 남아있음을 확인하였으며, 표면거칠기 값은 초기값과 거의 유사하게 측정되었다.

도 7에서 보이는 응력 변위 곡선(Stress Strain Curve) 는 탄성계수(Young modulus)와 항복 응력의 변화를 보여주는 그래프이다. 항복 응력 값의 증가는 높은 힘에 견디는 성질을 보여주는데 초음파 나노표면을 처리한 후에는 이 값이 증가하고 따라서 크렉의 발생과 전파를 현저히 막아주게 된다. 초음파 나노표면처리의 결과로 탄성계수도 조금 증가하는데 탄성이 증가하는 것을 말하고 피로특성을 다시 더욱 개선하는 것이어서 위의 두 가지 이유로 인해 피로 수명의 현저한 개선을 가져온다는 것을 알 수 있다.

이와 함께 도 8과 같이 초탄성(Super elasticity) 변화를 살펴볼 때 상변이 시 핵 생성이 일어나기 위해 순간적인 큰 응력이 가해지지 않아도 용이하게 경계면 전파가 일어나며, 이는 롬빅상과 관련 있는 것으로 사료되며 이 또한 피로특성의 개선을 의미한다.

도 9는 부식율(Corrosion rate)을 나타내는 그래프로 위쪽이 초음파 나노표면처리 전, 아래쪽이 초음파 나노표면처리 후이다. 변화를 살펴보면 초음파 나노표면처리 후에 부식에 대해 큰 저항성을 보이는 것을 알 수 있다. 이것 또한 피로 특성의 현저한 개선을 의미하는 것으로 볼 수 있다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

해당사항 없음

Claims

금속 합금 와이어를 소정의 주기로 진동하는 제1 진동판 및 제2 진동판 사이에 배치하고 상기 금속 합금 와이어에 초음파 에너지를 인가하는 금속 합금 와이어의 표면처리 방법으로서, 상기 초음파 에너지 인가 과정 중에 상기 제1 진동판, 상기 제2 진동판 또는 상기 금속 합금 와이어 중의 어느 하나는 회전하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 와이어의 표면처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 합금 와이어의 모든 표면에 상기 초음파 에너지가 균일하게 인가되는 것을 특징으로 하는 금속 합금 와이어의 표면처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 합금 와이어의 직경에 따라 상기 초음파 에너지의 크기 또는 상기 제1 및 제2 진동판의 간격이 변경되는 것을 특징으로 하는 금속 합금 와이어의 표면처리 방법.
금속 합금 와이어 초음파 에너지를 인가하는 금속 합금 와이어의 표면처리 장치로서,

제1 주기로 진동하며 금속 합금 와이어를 그 종축의 수직 방향으로 압축하는 제1 진동판;

상기 제1 진동판과 대향하여 배치되고, 제2 주기로 진동하며 상기 금속 합금 와이어를 그 종축의 수직 방향으로 압축하는 제2 진동판; 및

상기 제1 진동판, 상기 제2 진동판 또는 상기 금속 합금 와이어 중의 어느 하나를 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 와이어의 표면처리 장치.
제4항에 있어서,
상기 제2 진동판에 연결되며 상기 제2 진동판에 초음파 에너지를 인가할 수 있게 하는 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 합금 와이어의 표면처리 장치.