KR20200121944A - 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 생체의료용에 적합한 타이타늄 및 인체 내 독성이 없는 원소로 조성된 고강도 및 내식성이 우수한 타이타늄합금을 제공한다.

Description

저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금{Titanium Alloy Adapted for Bio-Compatibility with Low Elastic Modulus and High Strength}

본 발명은 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체 내 독성이 없는 원소인 니오븀 지르코늄 및 주석으로 조성된 타이타늄 합금에 관한 것이다.

타이타늄은 비중이 약 4.0g/cm³ 내외의 경량금속으로 고비강도와 내식성이 매우 뛰어난 신소재로 생체의료, 해양, 항공우주, 스포츠 및 레저 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.

이러한 타이타늄 합금이 생체의료용 재료로 응용되기 위해서는 기계, 물리 및 화학적으로 추가적인 특성이 요구된다.

생체의료용 금속재료는 인체의 뼈, 관절, 치아 등을 대체하여 인체에 이식되기 위해 개발된 재료로서, 인공 뼈, 인공 관절, 인공치아 등 각종 인공 보형물을 제조하는데 사용된다.

이와 같은 생체의료용 소재로 사용되기 위해서는 기계적 물성, 내식성, 내화학성 등의 기본적인 요구 물성뿐만 아니라, 인체에 대한 독성, 알러지 반응 등 생체적합성이 우수해야 한다.

알루미늄(Al), 바나듐(V), 니켈(Ni) 등의 원소는 생체조직 내에서 독성이 있으므로 이를 제외하여야 하며, 생체 적합성이 뛰어난 타이타늄을 기반으로 하여 인체에 대한 독성이 없는 것으로 알려진 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), Sn(주석), Ta(탈탄) 등의 합금원소를 첨가할 수 있으며, 이러한 합금원소를 첨가함으로써 낮은 탄성계수 및 우수한 내식성, 경도, 인장 강도, 및 가공성을 겸비한 저탄성 고강도의 타이타늄 합금이 개발되어 왔다.

대한민국 공개특허 제 2009-0123762호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저탄성계수 및 우수한 내식성, 경도, 인장 강도, 및 가공성을 겸비한 저탄성 고강도의 타이타늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금으로, 상기 타이타늄 합금의 전체 중량 중 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%를 포함하며, 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어진 타이타늄합금을 제공한다.

또한, 상기 타이타늄 합금은, 냉간 가공 후 50Gpa 이하의 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 타이타늄 합금은, 냉간 가공 후 800Mpa 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 타이타늄 합금은, 냉간 가공 후 인장강도(MPa)를 탄성계수(GPa)로 나눈 값이 0.030 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금으로, 상기 타이타늄 합금의 전체 중량 중 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%를 포함하며, 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어지며, 냉간 가공 후 50Gpa 이하의 탄성계수, 800Mpa 이상의 인장강도 및 인장강도(MPa)를 탄성계수(GPa)로 나눈 값이 0.030 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 생체의료재료 응용에 적합하도록 저탄성계수 및 초고강도의 특성을 가질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 합금의 조합은 종래 대비 가격상승 문제를 해결했으며, 주석을 첨가함으로써 성형성을 저해하는 ω상의 생성을 억제하여 성형성을 높일 수 있다. 특히, 냉간 성형이 가능하며, solid solution hardening효과로 강도 향상이 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 합금의 저탄성계수 및 강도를 나타내는 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 타이타늄 합금를 설명하고자 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금은 전체 중량 중 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%를 포함하며, 나머지는 타이타늄과 불순물로 이루어질 수 있다.

타이타늄 합금을 생체의료용에 적합하도록 제작하기 위해서는 저탄성계수 및 고강도 특성을 지니도록 해야 하며, 가격이 합리적일 수 있도록 조성물의 함량을 조절 하는 것이 중요하다.

본 발명에 따른 타이타늄 합금은 순수한 타이타늄 원소 외에 지르코늄, 니오븀 및 주석 또는 탈탄이 들어갈 수 있으며, 이때 지르코늄, 니오븀 및 주석 또는 탈탄은 인체 내에서 독성이 없는 원소들로 알려져 있다.

생체에 적합한 원소들로는 예를 들어, 타이타늄, 지르코늄, 니오븀, 탈탄, 금 및 주석이 있으며, 괴사나 염증을 일으키지 않는 원소로는 예를 들어, 타이타늄, 망간, 철, 구리, 지르코늄, 니오븀, 루테늄, 은, 이리듐, 금, 알루미늄, 아연 및 주석이 있으며, 알레르기를 일으키지 않는 원소로는 예를 들어, 타이타늄, 망간, 철, 지르코늄, 니오븀, 루테늄, 알루미늄, 아연 및 주석등이 있다.

한편, 뼈의 탄성계수는 20Gpa 내지 30Gpa로 탄성계수가 낮은 편에 속한다. 따라서, 본 발명에서는 뼈의 탄성계수와 유사하도록 탄성계수를 낮춰, 응력 자폐현상(Stress-shielding)을 최소화 하기 위한 조성을 고안하였다.

이는, 타이타늄 합금의 전체 중량 중 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%를 포함하며, 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어진다.

응력차폐현상이란 90년대 이후 제기된 생체의료용 소재의 문제점으로 낮은 탄성계수를 갖는 인체의 뼈와 높은 탄성계수를 갖는 금속소재와의 탄성계수 차이로 인해 발생하는 현상을 일컫는다. 응력차폐효과는 예를 들어, 높은 탄성계수를 갖는 금속 임플란트 소재가 인체의 임플란트 부위에 받는 하중의 대부분을 부담함으로써, 이 부위 및 그 주변의 인체의 뼈가 통상 부담해왔던 인장, 압축, 굽힘 모멘트를 오랫동안 받지 않게 되어 오히려 뼈의 두께, 무게가 감소하여 결과적으로 임플란트 주위에 골다공증(osteoporosis)등의 문제점을 야기하는 것을 말한다.

종래 일반적인 타이타늄 합금의 모듈은 100Gpa로 생체의료용에 비해 탄성계수가 높아 응력차폐현상을 야기할 수 있다는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 인체에 적합한 탄성계수의 타이타늄 합금을 얻기 위해 지르코늄, 니오븀 및 주석을 포함하는 타이타늄 합금을 제작하였으며, 기존의 타이타늄 합금 모듈의 탄성계수와 달리 냉간 가공 후 50Gpa 이하의 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

타이타늄합금의 탄성계수와 비교하여, 알루미늄 합금 및 마그네슘 합금은 탄성계수가 낮아 응력차폐현상을 최소화 할 수 있는 재료로 여겨질 수 있으나, 알루미늄 합금 및 마그네슘 합금은 타이타늄 합금에 비해 강도가 떨어지거나 생체 내에 적용 시 부작용을 일으킬 수 있다.

또한, 타이타늄 합금의 인장강도가 높아 이 특성을 저해하지 않는 원소를 포함하는 타이타늄 합금을 제작하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 이 원소의 함량은 전체 타이타늄 합금의 중량 중 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%으로 하였다.

따라서, 종래의 타이타늄 합금 모듈과 비교하였을 때 본 발명에 따른 타이타늄 합금은 더 높은 인장강도를 얻을 수 있었으며, 냉간 가공 후 800Mpa 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 타이타늄 합금은, 냉간 가공 후 인장강도(MPa)를 탄성계수(GPa)로 나눈 값이 0.030 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 조성에 따라 형성된 타이타늄 합금은 생체의료재료 응용에 적합하도록 저탄성계수 및 초고강도의 특성을 가질 수 있으며, 이때 탄성계수는 50Gpa 및 인장강도는 800Mpa로 그 특성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 합금의 조합은 종래에 타이타늄 합금에 비해 고가의 원소를 다량 함유하는 것 대신 탄성계수를 낮추고 강도를 높일 수 있는 원소를 첨가함으로써 가격상승 문제를 해결했으며, 주석(Sn)을 첨가함으로써 성형성을 저해하는 ω상의 생성을 억제하여 성형성을 높일 수 있다. 특히, 냉간 성형이 가능하며, solid solution hardening효과로 강도 향상이 가능하게 되었다.

<실시예>

본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 합금의 일 실시예의 합금 화학조성을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 합금의 저탄성계수 및 강도를 나타내는 그래프이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 타이타늄 합금의 화학조성은 지르코늄 23.5중량%, 니오븀23.5중량% 및 주석 5.5중량%이며 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어졌다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 합금은 탄성계수는 50Gpa를 인장강도는 840Mpa인 것을 확인 할 수 있다.

지르코늄 23.5중량%, 니오븀23.5중량% 및 주석 5.5중량%이며, 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어진 타이타늄 합금을 제조 하였으며, 상기와 같은 타이타늄 합금의 조성을 이루도록 각 합금성분의 중량을 측정한 후, 진공아크재용해법(Vacuum Arc Remelting)을 이용하여 합금을 용해하였다.

용해 시에는 각 성분의 밀도 차에 의한 편석이나 원소 분리현상을 최소화하기 위해, 밀도가 낮은 타이타늄, 지르코늄, 니오븀, 주석의 순으로 원재료를 적층한 후에 아크 용해를 실시하였다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금의 인장특성을 평가하고자 상온인장시험을 수행하였다. 인장시험은 변형속도를 1.5㎜/min(1.0×10^-3/sec)으로 하여 일축 방향으로 수행하였다.

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

본 발명의 실시예에 따른 타이타늄 합금에 대해 ASTM E8/E8M 규격에 충족하는 탄성압축시험방법에 따라 탄성계수를 측정하였으며, 탄성계수는 50Gpa로 종래의 생체의료용 타이타늄 합금에 비해 탄성계수가 낮고 기타 기계적 특성 등이 우수하다.

따라서, 본 발명의 일 실시예와 같은 조성으로 제조할 경우 이와 같은 낮은 탄성계수 및 높은 강도를 갖는 타이타늄 합금을 제조할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 타이타늄 합금은 냉간 가공 후 50Gpa 이하의 저탄성계수를 가질 수 있으며, 800Mpa 이상의 초고강도 특성을 갖는 특징으로 생체의료재료 응용에 적합하다.

또한, 본 발명에 따른 합금의 조합은 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%를 포함하며, 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어지며, 종래 타이타늄 합금 대비 가격상승 문제를 해결했으며, 주석을 첨가함으로써 성형성을 저해하는 ω상의 생성을 억제하여 성형성을 높일 수 있다. 특히, 냉간 성형이 가능하며, solid solution hardening효과로 강도 향상이 가능한 이점을 갖는다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금으로, 상기 타이타늄 합금의 전체 중량 중 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%를 포함하며, 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어진 타이타늄합금.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 합금은, 냉간 가공 후 50Gpa 이하의 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 하는 타이타늄합금.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 합금은, 냉간 가공 후 800Mpa 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 타이타늄합금.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 타이타늄 합금은, 냉간 가공 후 인장강도(MPa)를 탄성계수(GPa)로 나눈 값이 0.030 이상인 것을 특징으로 하는 타이타늄합금.
   
5. 저탄성계수와 고강도를 갖는 생체 적합성이 우수한 타이타늄 합금으로, 상기 타이타늄 합금의 전체 중량 중 니오븀(Nb)은 20 내지 25중량%, 지르코늄(Zr)은 8 내지 12중량% 및 주석(Sn)은 4 내지 8중량%를 포함하며, 나머지는 타이타늄 및 불순물로 이루어지며, 냉간 가공 후 50Gpa 이하의 탄성계수, 800Mpa 이상의 인장강도 및 인장강도(MPa)를 탄성계수(GPa)로 나눈 값이 0.030 이상인 것을 특징으로 하는 타이타늄 합금.

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