KR20140014614A

KR20140014614A - 덴탈 블럭 및 덴탈 블록의 제조 방법

Info

Publication number: KR20140014614A
Application number: KR1020120081064A
Authority: KR
Inventors: 주욱현; 오근택; 이창규; 홍순직; 박효영
Original assignee: 주식회사 바이오머테리얼즈코리아; 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-02-06

Abstract

본 발명은 가공성이 뛰어나고, 소결 시 수축율을 줄일 수 있는 덴탈 블록 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 덴탈 블록 원재료를 혼합하는 단계, 원재료를 0.5 ~ 2.0 GPa의 압력 하에서 자기 펄스 가압 성형하여 덴탈 블록을 제조하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법을 제공한다.
본 발명이 제공하는 덴탈 블록 및 그 제조 방법은 자기 펄스 가압 성형을 통해 덴탈 블록을 제조함으로써 일반 공정에 비해 성형 시 분말간의 압축력을 고르게 분산시켜 응력집중에 의한 균열을 방지할 수 있으며, 단 1회의 성형만으로도 고밀도의 덴탈 블록 제작이 가능하다.

Description

덴탈 블럭 및 덴탈 블록의 제조 방법{DENTAL BLOCK AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 덴탈 블럭의 제조를 위한 가압 성형체 및 이를 이용한 덴탈 블록의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분말을 자기 펄스 가압 성형 장치에 의해 초기 성형이 이루어진 후 제조되는 덴탈 블럭 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

CAD/CAM 기술은 치과의 보철물 제조 방법에도 커다란 변화를 가져왔다. 컴퓨터화한 데이터를 이용함으로써 치아의 디자인과 제조 공정이 자동화 되게 되었다. 환자의 치아 형태를 임프레션(impression)에 재현하고 이것에 석고를 부어서 치아 모양을 재생하든지, 혹은 구강 및 치아의 형태를 인트라 오럴 스캐닝 과정을 통해 취득한 후, 이에 근거하여 CAD 디자인 과정을 통해 원하는 치아를 화면상에서 디자인하게 되었다. 그리고 이렇게 디자인된 치아를 CAM 소프트웨어를 이용하여 종래에는 사람의 손을 거쳐 일일이 만들어지던 치과 보철물을 자동화된 밀링 머신에서 가공하게 된다.

현재 덴탈 업계에는 많은 종류의 CAD/CAM 기계 및 장비들이 이용되고 있으며, 이들을 이용하여 크라운, 브릿지, 인레이, 온레이, 임플란트용 어버트먼트 등의 치과용 보철물이 만들어지고 있다.

이러한 보철물들의 주요 재료로서 현재 각광받고 있는 재료들이 저코니아(zirconium oxide), 알루미나(aluminous oxide), 리튬 다이시리키트 글라스 세라믹(lithium disilicate glass ceramic), 티타늄(titanium), 레진(resin), 필스패틱 글라스 세라믹(feldspathic porcelain-based glass), 컴파짓(composite) 등이 있다.

밀링 가공으로 치과 보철물을 만들기 위해서는 위에서 언급한 소재가 단단히 프레싱된 상태이어야 한다. 치과업계에서는 이와 같이 프레싱된 상태의 모재를 흔히 덴탈 블랭크(dental blank) 또는 덴탈 블록(dental block)이라 칭하고 있으며, 이하 본 명세서에서는 편의상 "덴탈 블록"으로 통칭하기로 한다.

덴탈 블록은 일반적으로 원재료를 이용하여 가압성형하여 제작된다. 이러한 덴탈 블록을 치기공사에서 기계 가공한 다음, 가공된 성형체를 소결하여 치과 보철물 등이 제작된다. 그러나 가압 성형 시에 압축력이 고르게 분산되지 못해, 응력 집중에 의해 성형체에 균열이 발생하거나, 고밀도로 성형하기 위해서는 수 차례 반복하여 가압성형해야하거나, 혹은 소결 단계에서 고온으로 소결하여야 하는 문제가 있었다. 또한 나노 분말이나 세라믹 재료들을 성형하는데 어려움이 있었다.

또한 일반적으로 덴탈블럭의 재료로 사용되기 위해서는 제품 치수의 정밀도를 위한 낮은 수축률과 우수한 가공성을 위한 적절한 강도 및 인성 등을 요구하는데, 기존의 티타니아 덴탈 블럭의 재료들은 낮은 밀도와 인성, 기계적 특성 등의 문제점으로 인하여 높은 불량률, 치수 조절 등의 어려움이 있었다.

본 발명은 가공성이 뛰어나고, 소결 시 수축율을 줄일 수 있는 덴탈 블록 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 경도, 밀도 및 인성을 높일 수 있는 덴탈 블록 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 소결 시, 소결 온도를 낮출 수 있는 덴탈 블록 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 덴탈 블록 원재료를 혼합하는 단계, 원재료를 0.5 ~ 2.0 GPa의 압력 하에서 자기 펄스 가압 성형하여 덴탈 블록을 제조하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 덴탈 블록 원재료는, 74~98wt%의 나노 티타니아(TiO₂) 분말에 1~3 wt%의 PVA, 1~3%의 Ti 분말 및 소정량의 물을 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 나노 티타니아 분말은 0~8 wt%의 P25 나노 티타니아 분말과 68~98wt%가 혼합되는 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 덴탈 블록 원재료는 지르코니아 분말(ZrO₂)에 0.5~1.5 PVA 및 소정량의 물이 혼합된 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 루타일(Rutile) 상의 나노 티타니아(TiO₂) 분말에 1~3 wt%의 PVA, 1~3%의 Ti 분말, 및 소정량의 물을 혼합하여 이루어진 원재료를 0.5 ~ 1.1 GPa의 압력 하에서 자기 펄스 가압 성형하여 이루어진 덴탈 블록을 제공한다.

또한 본 발명은 안정화제인 Y₂O₃가 3mol% 함유된 지르코니아 분말(ZrO₂)에 PVA를 0.25 ~ 1.25 wt%의 PVA 및 소정량의 물이 혼합하여 이루어진 원재료를 0.7 ~ 2.0 GPa의 압력 하에서 자기 펄스 가압 성형하여 이루어진 덴탈 블록을 제공한다.

본 발명이 제공하는 덴탈 블록 및 그 제조 방법은 자기 펄스 가압 성형을 통해 덴탈 블록을 제조함으로써 일반 공정에 비해 성형 시 분말간의 압축력을 고르게 분산시켜 응력집중에 의한 균열을 방지할 수 있으며, 단 1회의 성형만으로도 고밀도의 덴탈 블록 제작이 가능하다.

또한 본 발명이 제공하는 덴탈 블록 및 그 제조 방법은 이러한 특성은 마이크론 분말에 비해 성형이 어려운 나노분말이나 세라믹 재료들을 성형하기에 적합하며, 자동화에 의한 생산단가를 절감 할 수 있어 고효율/저비용 제품 제작이 용이하다.

또한, 본 발명이 제공하는 덴탈 블록 및 그 제조 방법은 높은 초기 성형밀도로 인하여 소결 시 온도 저하 및 소결 시간 단축 등의 효과를 기대할 수 있어 소결이 필요한 세라믹 재료들의 성형에 매우 유리하다.

도 1은 원재료에 혼합되는 루타일(Rutile)상의 나노 티타니아 분말의 SEM 사진,
도 2는 원재료에 혼합되는 티타늄 분말의 SEM 사진,
도 3은 원재료에 혼합되는 P25 나노 티타니아 분말의 SEM사진,
도 4는 점결제로 사용된 PVA로 인하여 전체적으로 분말 간 응집된 형상을 나타내는 원재료의 SEM 사진,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 덴탈 블록의 사진,
도 6은 본 발명의 P25 나노 티타니아 분말의 혼합조건에 따른 제1 실시예에 따른 덴탈 블록의 밀도를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 덴탈 블록을 1350℃로 2시간 동안 소결한 소결체의 크기 및 형상을 나타내는 사진,
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 덴탈 블록의 P25 나노 티타니아 분말의 첨가량에 따른 소결체의 수축률 변화를 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 덴탈 블록의 소결 온도를 1400℃로 증가시킨 후 P25 나노 티타니아 분말의 첨가 조건에 따른 소결체의 밀도의 변화를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 덴탈 블록의 소결 온도를 1400℃로 증가시킨 후 P25 나노 티타니아 분말의 첨가 조건에 따른 소결체의 수축율의 변화를 나타낸 그래프,
도 12는 제1 실시예에 따른 덴탈 블록 소결체의 경도변화를 나타내는 그래프,
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 소결이 이루어지기 전 성형체의 밀도 및 형상을 나타낸 그래프,
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록의 성형 압력에 따른 1000℃에서 1차 소결 후 소결체의 밀도 변화를 나타낸 그래프,
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록을 따라 1000℃에서 1차 소결 후 소결체의 수축율을 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록을 따라 1450℃에서 2차 소결 후 소결체의 밀도를 나타낸 그래프,
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록을 따라 1450℃에서 2차 소결 후 소결체의 수축율을 나타낸 그래프,
도 18 및 도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록의 소결 조건에 따른 소결체의 경도값 변화를 나타낸 그래프,
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록과 종래의 덴탈 블록을 1000℃에서 소결한 소결체의 파단면을 나타낸 사진,
도 21은 종래의 덴탈 블록과 본 발명의 일 실시예에 따른 덴탈 블록의 균열 길이를 나타낸 사진.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

자기 펄스 가압 성형 장치(Magnetic Pulsed Comlpcation:MPC)는 0.6초 이내의 짧은 시간동안 최대 ~4GPa의 높은 압력으로 분말 성형체를 제조 할 수 있는 장치이다. MPC는 기존의 일반 공정에 비해 성형 시 분말간의 압축력을 고르게 분산시켜 응력집중에 의한 균열을 방지할 수 있으며, 단 1회의 성형만으로도 고밀도의 초기 성형체 제작이 가능하다. 이러한 특성은 마이크론 분말에 비해 성형이 어려운 나노분말이나 세라믹 재료들을 성형하기에 적합하며, 자동화에 의한 생산단가를 절감 할 수 있어 고효율/저비용 제품 제작이 용이하다. 또한, 높은 초기 성형밀도로 인하여 소결 시 온도 저하 및 시간단축 등의 효과를 기대할 수 있어 소결이 필요한 세라믹 재료들의 성형에 매우 유리하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 덴탈 블럭은 덴탈 블록 원재료를 자기 펄스 가압 성형하여 성형체를 제조하는 제1 단계, 성형체를 기계 가공하는 제2 단계, 기계 가공된 성형체를 소결하는 제3 단계를 거쳐 제조된다.

성형체를 제조하기 위한 덴탈 블록 원재료는 요구 강성이나 사용 조건에 따라 달라지나, 이하에서 티타니아 나노 복합체를 덴탈 블록 원재료로 하는 제1 실시예를 설명한다.

일반적으로 덴탈블럭의 재료로 사용되기 위해서는 제품 치수의 정밀도를 위한 낮은 수축률과 우수한 가공성을 위한 적절한 강도 및 인성 등을 요구하는데, 기존의 티타니아 덴탈 블럭의 재료들은 낮은 밀도와 인성, 기계적 특성 등의 문제점으로 인하여 높은 불량률, 치수 조절 등의 어려움이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 소결 시 낮은 수축률을 나타내는 루타일(Rutile)상의 나노 티타니아 분말에 도 2에 도시된 바와 같은 인성 향상을 위한 티타늄 분말과 도 3에 도시된 바와 같은 기계적 특성 향상을 위한 P25 나노 티타니아 분말(아나타제 상을 가지는 나노 티타니아 분말)을 첨가하여 혼합분말을 제조하였다.

덴탈 블록 원재료는, 루타일 상의 나노 티타니아(TiO₂) 분말에 1~3%의 Ti 분말, 0~8 wt%의 P25 나노 티타니아 분말 1~3 wt%의 PVA 및 소정량의 물을 혼합하였으며, 물은 전체의 10~14 wt%인 것이 바람직하다. 덴탈 블록 원재료 분말은 0~8 wt%의 P25 나노 티타니아 분말을 가감 혼합하여 만들어지며, 덴탈 블록 원재료 분말을 이용해 덴탈 블록 성형체의 원재료를 제조하였다. 도 4는 상기의 조건으로 혼합된 분말의 미세조직사진으로 점결제로 사용된 PVA로 인하여 전체적으로 분말 간 응집된 형상을 나타내었으며, 비교적 균일하게 혼합되어 있음을 알 수 있다.

다음으로, 혼합된 분말을 0.5 ~ 1.1 GPa의 압력 하에서 가압하며 자기 펄스 가압 성형을 하여 덴탈 블록을 제조한다. 도 5는 루타일 상의 나노 티타니아 분말에 2 wt%의 티타늄 분말, 2wt%의 PVA 16 wt%의 물을 혼합한 혼합물에 4~8 wt%의 P25 나노 티타니아 분말(즉 루타일 상의 나노 티타니아 분말과 P25 나노 티타니아 분말의 비율의 합이 80wt%)을 혼합한 혼합물을 0.7GPa에서 자기 펄스 가압 성형(MPC)한 성형체 사진이다. P25 나노 티타니아 분말의 첨가량 변화에 따라 혼합된 원재료를 이용하여 0.7GPa의 압력으로 성형한 덴탈 블록의 형상 및 크기를 나타내는 그림으로, 조건 변화에 따라 성형된 덴탈 블록 모두 균열없이 양호한 성형성을 나타내었으며, 초기 성형체의 밀도는 평균 약 60%으로 기존의 일반공정들에 비해 매우 높게 나타났다. 따라서 소결 시에 수축 비율을 크게 줄일 수 있다.

도 6은 P25 티타니아 나노 분말의 혼합조건에 따른 덴탈 블록의 밀도를 나타낸 그래프로서 성형 압력이 증가할수록 성형체의 밀도는 증가하는 경향을 나타내었고, P25 티타니아 나노 분말이 첨가된 조건이 첨가하지 않은 조건보다 비교적 높은 밀도를 나타내었다. 그중 6 wt%의 P25 티타니아 나노 분말을 첨가한 경우 가장 높은 성형 밀도를 나타내었으며, P25 티타니아 나노 분말 첨가에 의한 덴탈 블록 밀도의 증가는 P25 티타니아 나노 분말의 첨가로 인하여 MPC 성형 시, 덴탈 블록의 치밀화에 영향을 주는 것을 알 수 있다.

이렇게 성형된 덴탈 블록은 기계 가공을 하여 가공된 다음 소결 단계을 거쳐 보형물이 완성된다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 덴탈 블록을 1350℃로 2시간 동안 소결한 소결체의 크기 및 형상을 나타내는 사진으로서, P25 티타니아 나노 분말이 4 wt%, 8 wt% 첨가된 조건의 소결체에서는 중심으로부터 균열이 발생하였으나, P25 티타니아 나노 분말이 6 wt% 첨가한 조건에서는 균열이 없는 양호한 소결체를 얻을 수 있었다.

이와 같은 P25 나노 티타니아 분말의 첨가량에 따른 균열경향은 8% 첨가된 경우 아나타제 상의 비율이 높은 P25 나노 티타니아 분말이 소결 시 상변화에 의한 급격한 수축으로 인하여 균열을 야기했을 것으로 생각된다. P25 나노 티타니아 분말이 6 wt% 첨가된 분말혼합조건에서 균열이 없는 성형체를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 8은 분말 혼합조건에 따라 P25 나노 티타니아 분말을 4 wt%, 6 wt%, 8 wt% 첨가하여 성형한 성형체를 소결하여 소결 전후의 밀도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 초기 성형체의 밀도는 평균 2.4g/cm³(60%)로 기존의 일반공정(40% 미만)에 비해 전체적으로 매우 높게 나타났으며, P25 나노 티타니아 분말의 첨가량이 증가함에 따라 미소량 감소함을 알 수 있었다.

이와 같은 결과는 상온에서 루타일상보다 부피비가 큰(밀도가 낮은) P25 티타니아 나노 분말의 아나타제상의 분율 증가에 따른 것으로 해석된다.

또한, 소결 후 4, 8 wt% 조건에서 균열이 발생하였고, 균열이 없는 6% 조건에서는 초기 밀도 2.46g/cm³(60%)에서 소결 후 3.56g/cm³(90%)로 밀도가 증가하였다. 이러한 초기의 높은 성형밀도는 덴탈 블록 내부의 큰 소결 구동력을 갖게 하고, 결과적으로 이러한 높은 소결 구동력은 소결온도 및 시간을 감소시켜 비교적 낮은 온도(1350 C) 및 유지시간(1시간)에도 불구하고 90% 이상의 높은 밀도를 갖는 소결체를 제조할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 덴탈 블록의 P25 나노 티타니아 분말의 첨가량에 따른 소결체의 수축률 변화를 나타내는 그래프로서 균열이 발생하지 않은 6 wt% 첨가 조건에서 가로 및 세로 수축률이 약 12%를 나타내었다. 일반적으로 기존의 일반공정은 약 20%이상의 높은 수축률을 나타내며, 가로 및 세로 수축률의 차이가 크게 나타내는데 비해 본 연구에서 사용된 장비 및 조건으로 제조된 소결체는 기존공정에 비해 약 50% 낮은 수축률을 나타내었으며, 일정한 가로 및 세로 수축률을 나타내었다. 이러한 낮은 수축률 및 일정한 가로/세로 수축률은 높은 치수정밀도로 인하여 제품의 제조 시 치수제어에 매우 유리할 것으로 예상된다.

도 10은 소결 온도를 1400℃로 증가시킨 후 P25 나노 티타니아 분말의 첨가 조건에 따른 제1 실시예에 따른 덴탈 블록 소결체의 밀도의 변화를 나타낸 그래프, 도 11은 소결 온도를 1400℃로 증가시킨 후 P25 나노 티타니아 분말의 첨가 조건에 따른 제1 실시예에 따른 덴탈 블록 소결체의 수축율의 변화를 나타낸 그래프이다. 밀도는 모두 90%이상의 밀도를 나타내었으며, P25 나노 티타니아 분말을 첨가한 조건이 첨가하지 않은 조건보다 비교적 밀도가 높은 경향을 나타내었다. 이는 앞서 설명했듯이 P25 나노 티타니아 분말의 혼합으로 인하여 혼합하지 않은 조건보다 많은 수축이 일어나 소결시 밀도가 증가 한 것으로 판단된다. 또한 소결온도 증가에 따른 수축율의 변화 역시 기존공정의 20% 이상의 수축율보다 낮은 수축율을 나타내었다. 이러한 결과는 밀도향상을 위해 소결온도를 증가시키더라도 기존공정보다 높은 밀도와 낮고 균일한 수축율을 지닌 제품을 제조 할수 있을 것이라 예상된다.

도 12는 P25 나노 티타니아 분말의 첨가량에 따른 제1 실시예에 따른 덴탈 블록 소결체의 경도변화를 나타내는 그래프로서 P25 나노 티타니아 분말의 첨가량이 증가함에 따라 경도는 감소하는 경향을 나타내었다. (4%:790Hv, 6%:700Hv, 8%:610Hv) 일반적으로 인공치아 또는 인공뼈의 재료로 사용되는 덴탈블럭의 경우 1차 소결 후 사용되는 부위에 따라 1차 또는 2~3차 이상의 가공 및 소결을 하게 되는데 이러한 과정에서 재료의 적당한 강도는 재료의 가공을 용이하게 하고 불량률을 감소시켜 효과적인 생산을 가능하게 한다. 이러한 관점에서 생체 재료에 있어 기계적 특성 조절은 매우 절실히 요구되는 특성이다.

분말 혼합 조건에 따른 소결체의 가공성을 평가한 결과, P25 티타니아 나노 분말을 첨가한 조건이 전체적으로 약한 강도를 나타내었으며 P25 티타니아 나노 분말을 첨가하지 않은 조건이 가장 양호한 가공성을 나타낸 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과로 보아 P25 나노 티타니아 분말의 첨가는 밀도 증가에는 영향을 미치나, 강도가 떨어지는 경향을 나타내기 때문에 가공이 용이하지 않은 것으로 판단된다.

이하 지르코니아를 원재료로 이용하는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블럭용 가압 성형체 및 이를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

지르코니아 성형체 제조를 위한 분말혼합 및 성형 조건으로, 온도변화에 따라 3가지 상으로 존재하는 지르코니아의 특성에 의해 고온에서 안정적인 정방정계 결정상이 냉각되면서 단사정계로 상변이하여 생기는 부피팽창을 억제하기 위해 안정화제인 Y₂O₃가 3mol% 함유된 ZrO₂ 분말을 이용하였다. 일반적으로 세라믹 재료는 점결제 없이는 성형이 불가능하므로 본 발명의 제2 실시예에서는 점결제로서 PVA를 사용하였으며, 안정화제가 첨가된 지르코니아 분말에 PVA를 0.25 ~ 1.25 wt% 각각 첨가하여 20Φ의 몰드에 10g 씩 장입하여 0.7GPa ~ 2.0GPa 의 압력으로 성형 후 1차 소결(가공을 위한):1000℃와 2차 소결: 1450℃로 각각 2시간 동안 소결하여 성형 및 소결 거동을 관찰하였다.

상기와 같은 지르코니아 블록 제조 조건에 따라 제조된 지르코니아 성형체의 형상 및 크기를 비교한 결과, PVA가 첨가되지 않은 성형체는 낮은 성형압력(~0.5GPa)에도 불구하고 파괴가 쉽게 일어났으며 PVA를 첨가한 성형체는 0.5GPa~2.0GPa의 광범위한 압력 조건에서도 균열이 없는 양호한 성형성을 나타내었다. 일반적으로 세라믹 분말 성형체에 있어 점결제의 양이 증가함에 따라 성형성도 증가하지만, 부족한 PVA양은 점결력에 비해 높은 성형압력으로 인해 파괴가 발생하고 또한, 과도한 PVA양은 소결 시 증발하며 균열을 야기시켜 결과적으로 밀도 및 기계적 성질을 감소시키므로 점결제 양의 조절은 매우 중요하다.

도 13은 소결이 이루어지기 전 성형체의 밀도 및 형상을 나타낸 그래프로, PVA 함유량이 0.5% 이하의 성형체의 경우 1.0GPa 이상에서 파괴나 균열이 일어났으며 0.5%이상에서는 ~2GPa의 높은 성형압력에도 불구하고 균열이 없는 성형체를 제조할 수 있었다. 이와 같은 결과는 PVA양이 증가함에 따라 세라믹분말의 성형성을 증가시키며, 지르코니아 분말의 경우 균열이 없는 양호한 성형체를 제조하기 위해서는 최소 0.5%이상의 PVA가 첨가되어야 함을 나타낸다. 균열이 발생하지 않는 0.5%~1.25%의 모든 조건에서 성형압력이 증가함에 따라 밀도도 증가하여 1.7GPa 이상에서는 약 60%의 매우 높은 초기 성형밀도를 나타내었다.

도 14는 1000℃에서 1차 소결 후 성형체의 성형 압력에 따른 소결체의 밀도 변화를 나타낸 그래프, 도 14는 1000℃에서 1차 소결 후 성형체의 성형 압력에 따른 소결체의 수축율을 나타낸 그래프로서 2GPa의 성형압력에서 제조된 모든 소결체에서 파괴가 발생하였다. 일반적으로 고압으로 성형된 성형체는 내부에 과도한 양의 탄성에너지를 축적하게 되는데 소결 시 공급되는 열에너지에 의해 이러한 탄성에너지가 풀리면서 균열이 발생하게 된다. 점결제가 첨가됨으로서 소결 시 축적된 탄성에너지에 의해 발생하는 균열을 방지할 수 있지만, 점결제의 점결능에 비해 과도한 성형압력은 결과적으로 균열 및 파괴를 야기하게 된다.

소결 과정을 거치지 않은 초기의 성형체는 2GPa에서 균열이 발생하지 않았으나, 첨가된 점결제의 양에 비해 과도한 성형압력이 가해지는 경우, 소결 시 균열 및 파괴가 발생하는 것으로 판단된다. 또한, 소결체의 밀도는 성형체와 비교하여 거의 차이가 없었으며 이는 낮은 소결 온도로 인하여 점결제의 하소와 소결체가 표면 소결만 되었기 때문으로 판단된다. 수축율 역시 1.5~3.0%의 낮은 값을 나타내고 있으며, PVA 첨가량이 증가할수록 밀도가 낮아지는 것으로 보아 PVA가 증발하면서 소결체 내부에 기공을 형성되는 것으로 여겨진다. 또한 수축율이 3% 내외임을 볼 때 표면 수축만 일어난 것으로 보이며 성형압력이 높을수록 초기 밀도가 높아 낮은 수축율을 보이고 있다.

도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록 성형 방법에 따라 1450℃에서 2차 소결 후 소결체의 밀도를 나타낸 그래프, 도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록 성형 방법에 따라 1450℃에서 2차 소결 후 소결체의 수축율을 나타낸 그래프로서, 소결체의 밀도는 최대 98%를 나타내고 있으며, 소결체의 수축율은 2.0GPa의 압력에서 15%를 나타내고 있다. 특히, 1차 소결에서 소결밀도가 점결제에 비해 성형압력에 큰 영향을 받은 것에 비하여 2차 소결에서는 점결제 및 성형압력 모두 영향을 받아 PVA가 1.25%, 성형압력이 1.2GPa에서 최대 밀도를 나타냄을 알 수 있다. 또한, 성형압력 증가에 따라 낮은 수축률을 나타내고 있으며, 0.5GPa의 낮은 성형압력에서조차 평균 20%로 기존 공정에 비해 낮은 수축률을 나타내고 있다. 이러한 낮은 수축률은 높은 치수정밀도로 인하여 제품생산에 더 유리할 것으로 생각된다.

도 18 및 도 19는 소결조건에 따른 소결체의 경도값 변화를 나타낸 그래프로서, 최종 소결체의 경도값은 상용화 제품과 비교했을 경우 전체적으로 1GPa의 성형압력 이상에서는 더 높은 경도 값을 나타내고 있다. 따라서 사용목적에 따라 높은 기계적 특성 또는 긴 수명이 요구되는 분야에 적용가능 할 것으로 생각된다.

표 1은 소결체의 가공성 평가 결과를 나타낸 표로, 총 9개의 조건으로 소결체의 가공성을 평가하였다. 3,4 번 조건에서는 높은 경도로 인한 소음이 발생하였으나 5번 조건에서는 양호한 가공성을 나타내었다. 이러한 가공성까지 고려한 본 연구의 최적의 조건은 1.0%PVA가 첨가된 분말을 1.0GPa 의 압력으로 성형하여 소결하였을 때임을 알 수 있었다.

이상의 결과들로부터 본 연구에서는 최적의 분말 혼합조건 및 성형조건을 확립할 수 있었다. PVA 첨가량에 따라 0.5%이상에서는 최대 2GPa의 성형압력에도 균열이 없는 양호한 성형체를 제조할 수 있었으며, 1, 2차 소결 후 PVA:1.25% 성형압력:1.2GPa에서 98%의 최대 밀도를 갖는 소결체를 제조할 수 있었다. 하지만 경도 및 가공성을 평가한 결과 최대 소결밀도를 갖는 조건에 비해 밀도 및 경도는 낮지만 가장 높은 가공성을 나타낸 PVA: 1.0wt%, 성형압력: 1GPa가 최적조건임을 확립할 수 있었다.

도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록과 종래의 덴탈 블록을 1000℃에서 소결한 소결체의 파단면을 나타낸 사진으로서 (a)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록 소결체의 파단면이며, (b)는 종래의 덴탈 블록 소결체의 파단면이다. 종래의 덴탈 블록의 소결온도는 정확히 알려진바 없지만, 지르코니아 블록은 보통 800~1100℃사이의 온도에서 1차 소결을 진행하기 때문에 1000℃의 소결온도 조건으로 비교하였다. 두 파단면 형상을 관찰하였을 때 본 발명의 제2 실시에에 따른 덴탈 블록을 소결한 소결체의 입자가 더 미세한 것을 알 수 있으며, 이는 본 발명의 제2 실시에에 따른 덴탈 블록의 소결온도가 종래의 덴탈 블록의 소결온도보다 낮은 것으로 판단된다. 즉, 본 발명에 따른 덴탈 블록은 낮은 소결온도에서도 종래의 덴탈 블록보다 우수한 특성을 지닌 덴탈 블록으로, 제품 생산에 있어 생산단가의 절감을 기대할 수 있을 것이다.

도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록과 종래의 덴탈 블록의 소결체의 균열 길이를 비교한 사진으로서, (a)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록 소결체이며, (b)는 종래의 덴탈 블록 소결체이다. 파괴 인성을 측정하기 위해서는 다양한 변수가 필요하지만 많은 오차가 있어 파괴 인성 값의 중요한 요인인 균열길이로 파괴 인성 값을 예측하였다. 비교 결과 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록이 종래의 덴탈 블록보다 짧은 균열길이를 나타낸 것을 확인할 수 있었으며 이로 미루어는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덴탈 블록이 높은 파괴 인성 값을 나타낼 것이라 예측할 수 있다.

Claims

덴탈 블록 원재료를 혼합하는 단계;
원재료를 0.5 ~ 2.0 GPa의 압력 하에서 자기 펄스 가압 성형하여 덴탈 블록을 제조하는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법.
제1항에 있어서,
덴탈 블록 원재료는, 74~98wt%의 나노 티타니아(TiO₂) 분말에 1~3 wt%의 PVA, 1~3%의 Ti 분말 및 소정량의 물을 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법.
제2항에 있어서,
나노 티타니아 분말은 0~8 wt%의 P25 나노 티타니아 분말과 66~98wt%의 루타일(Rutile) 상의 나노 티타니아(TiO₂) 분말이 혼합되는 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법.
제1항에 있어서,
덴탈 블록 원재료는, 지르코니아 분말(ZrO₂)에 0.5~1.5 PVA 및 소정량의 물이 혼합된 것을 특징으로 하는 덴탈 블록 제조 방법.
루타일(Rutile) 상의 나노 티타니아(TiO₂) 분말에 1~3 wt%의 PVA, 1~3%의 Ti 분말 및 소정량의 물을 혼합하여 이루어진 원재료를 0.5 ~ 1.1 GPa의 압력 하에서 자기 펄스 가압 성형하여 이루어진 덴탈 블록.
안정화제인 Y₂O₃가 3mol% 함유된 지르코니아 분말(ZrO₂)에 PVA를 0.25 ~ 1.25 wt%의 PVA 및 물 0~20wt%가 혼합하여 이루어진 원재료를 0.7 ~ 2.0 GPa의 압력 하에서 자기 펄스 가압 성형하여 이루어진 덴탈 블록.