KR20210043271A - 생산성을 높인 공정으로 치밀한 조직과 심미성을 획득한 지르코니아 기성형 크라운 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출성형 및 소결로 제작하고, 침지방식으로 색조를 확보하고 등방압 가열을 통해 치밀한 조직을 형성하는 치아수복용 지르코니아 기성형 크라운에 관한 것이다. 본 발명은, 이트리아가 3~5%첨가된 지르코니아 분말을 사출방식으로 성형하는 단계, 이를 소결하여 탈지하는 예비 소결단계 및 냉각하는 1차 냉각단계, 상기 냉각된 예비 소결체를 열처리하는 2단계 열처리단계 및 냉각하는 냉각단계, 이를 금속염화물 수용액에 침지 및 건조하는 단계, 이를 2차소결 및 냉각하는 단계, 이를 등방 가압 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 자연치에 근접한 심미적 지르코니아 기성형 크라운을 제작할 수 있으며 대량생산이 가능한 생산량을 확보하는 효과를 제공한다.

Description

생산성을 높인 공정으로 치밀한 조직과 심미성을 획득한 지르코니아 기성형 크라운 {High density and natural color molded zirconia crowns manufactured by production process}

본 발명은 지르코니아 기성형 크라운에 관한 것으로, 보다 상세하게는 치밀한 조직을 갖고 심미성이 우수한 지르코니아 기성형 크라운을 제작함에 있어 대량생산에 적합한 방법으로 생산성을 높인 제조 방법으로 제작한 지르코니아 기성형 크라운에 관한 것이다.

유치에 발생한 충치를 치료함에 있어 기성형된 크라운을 사용하는 방식이 많이 사용되고 있다.

통상적으로 치아수복용 크라운이란, 치과에서 환자의 치아를 알지네이트로 본을 뜨거나 혹은 3D스캔을 시행하고, 이를 기공소로 보내면 밀링으로 정밀하게 가공하는 식으로 맞춤 제작된다. 제작된 크라운을 다시 치과로 보내면 치과의사가 환자에게 시술하는 것이다. 이런 방식은 비용이 비싸고, 시일이 많이 걸려 환자가 최소 2번이상 치과를 방문해야 하는 단점이 있다. 1차진료후 2차진료전 기간 동안 환자가 음식을 먹을 수 있도록 임시치료를 시행하고, 2차진료시 이를 제거하는 작업으로 인한 번거로움과 비용도 발생하게 된다. 이런 단점을 해결하기 위해 나온 제품이 바로 기성형 크라운이다.

기성형 크라운이란, 기공소를 통해 맞춤 제작하는 방식을 대체하기 위해 사람마다 다른 치아의 형태를 평균값으로 표준화하여 이에 적용할 크라운을 크기 별로 몇 가지 미리 제작한 것이다. 이렇게 미리 제작한 기성품 크라운을 곧바로 치과에 제공하면, 치과의사가 기성품 크라운 중에서 환자의 치열과 가장 근접한 모델을 선택하고, 핸드피스 그라인더로 국소부만 가공하여 바로 환자에게 시술할 수 있게 하는 것이다. 이는 환자가 치과에 1회 방문만으로 시술을 끝낼 수 있고, 본뜨기, 기공소 가공제작, 임시치료 등의 중간과정을 생략할 수 있으므로 편리하며 대량생산된 크라운을 사용함에 따라 재료비도 크게 줄일 수 있게 된다.

기성품화된 기성형 크라운은 맞춤 제작한 크라운에 비해 환자의 기존 치열과의 정밀한 교합성은 부족할 수밖에 없으므로 영구치에는 매우 제한적으로 사용되고 있으나, 유치의 경우 유치의 특성상 보편적으로 많이 적용되고 있다. 유치의 특성이란, 대다수 수개월 내에 빠질 치아라는 점, 치아의 종류가 20개로서 종류가 적고 영구치에 비해 형태의 다양성이 적다는 점, 유아의 치아 저작력이 성인에 비해 작다는 점 등이다.

또한, 치아의 외면 전체부분을 갈아내는 크라운 방식은, 치아 일부 부위에 홈을 파고 아말감이나 레진 등을 채워 넣는 충전방식에 비해 비용이 비싼 점 외에도 치아 삭제량이 많다는 점으로 인해 영구치에서는 충전방식으로 치료할 수 없는 경우만 적용하게 된다.

그러나 유치는 크기가 작아 충전재의 삽입 깊이에 한계가 있고, 환자가 유아라는 특성 상 사탕이나 젤리 등 끈적이는 형태의 음식으로 인해 충전재가 이탈되는 비율이 높다. 따라서 곧바로 크라운으로 시술하는 비율이 높아지고 있다.

이러한 여건들을 감안할 때 기성형된 크라운은 유치치료에 적합한 방식인 것이다.

제10-1655996호(인공치아용 지르코니아 다층블록의 제조방법)

지금껏 대구치 및 소구치 등 어금니에 대한 기성형된 크라운은 스테인레스 스틸로 제작되는 경우가 많았다. 재질 특성상 변형이 쉬워 시술 후 사용 중에 점차적으로 환자의 치열에 적절하게 맞아 들어가는 효과도 기대할 수 있었다.

전치(앞니)의 경우 심미적 이유로 스테인레스 스틸로 시술하는 것이 어려워 레진을 많이 사용하였다.

그러나 레진의 경우 색조안정성이나 변색, 파절 등이 심한 단점이 있고, 최근 어금니에 대한 심미적인 요구도도 높아지고 있는 실정에 따라 어금니, 앞니 모두 지르코니아를 이용한 기성형 크라운으로 대체되고 있다.

현재 국내의 지르코니아 기성형 크라운은 대다수 수입에 의존하고 있다. 지르코니아는 스테인레스 스틸과 같은 변형성을 기대할 수 없으므로 사용 중에 치열에 맞춰지는 효과를 기대할 수 없다. 따라서 형태의 정밀성과 적합성이 중요시 된다. 그러나 수입된 제품의 경우 서양인의 자연치를 기준으로 만들어져 한국 및 아시아인의 자연치 형태와 차이가 있으며, 국내에서 제작하려는 시도들은 어려움을 겪고 있는 실정이다.

밀링으로 가공하여 제작하는 것은, 소재가 되는 지르코니아 블록의 가격이 비싸고, 가공시간이 오래 걸려 대량생산에 적합하지 않아 가격 경쟁력의 확보가 쉽지 않고, 사출 방식으로 제작하는 것은 추가적인 특별 공정에 대한 많은 연구가 많이 필요하기 때문이다.

일반적으로 치아수복용으로 사용되는 지르코니아는 파우더 형태의 원재료를 프레스를 이용하여 원판형태로 성형하고 1차 소결하여 제작된다. 이 때 프레스는 통상 100~200톤의 압력으로 성형체를 가압하는 반면, 사출 성형에서는 통상 100KG이하의 압력으로 성형체를 가압한다. 이러한 성형압력의 차이로 인해 사출성형체는 프레스 성형체에 비해 치밀성이 부족하게 된다. 또한, 사출성형시에는 유동성을 위한 유기바인더의 첨가량이 프레스 성형시에 비해 월등하게 더 많이 들어가게 된다. 탈지를 위한 1차 가열시에 바인더가 제거되면 바인더가 차지하던 공간이 내부에 빈공간이 되므로 바인더의 양도 치밀성을 저해하는 요소가 된다.

위와 같은 이유로 사출 성형으로 제작된 지르코니아 소결체는 프레스 성형으로 제작한 지르코니아 소결체에 비해 치밀성이 부족하다.

따라서 사출품 지르코니아 소결체를 치아수복용으로 사용하기 위해서는 치밀화 공정이 추가될 필요가 있다.

한편, 최근 자연치에 근접한 심미성을 가지는 지르코니아의 크라운 제작을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 심미성에 대한 평가는 색조와 투명성을 바탕으로 진행되고 있다.

통상적으로 색조는 1차 소결상태한 지르코니아 블록을 밀링으로 가공한 상태에서 붓을 이용하여 염료를 수작업으로 도포한 후 2차소결하여 구현하고 투명성은 2차 소결시 온도와 시간으로 조직의 결정성을 조절하여 확보하고 있다.

그러나 이러한 방식은 염료를 도포하는 작업자의 숙련도에 따라 편차가 심하며 작업시간이 오래 걸려 대량생산품에는 적합하지 않다는 단점이 있다.

색조를 내는 또 다른 방식으로는 원료인 파우더에 금속염화물을 첨가하여 함께 배합하는 방법이 있으면, 이러한 방법은 예컨대 실용신안등록 제10-1655996호(인공치아용 지르코니아 다층블록의 제조방법)등의 선행기술에 개시되어있다. 그러나 이러한 방식은 배합의 한계로 인해 고른 분포, 혹은 원하는 분포의 색조를 얻기 어려울 뿐만 아니라 첨가물이 지르코니아 결정립 형성에 영향을 미쳐 물성을 크게 떨어뜨리는 현상이 발생한다.

본 발명은 이에 따른 사출품 지르코니아 소결체의 치밀성을 확보하기 위한 것이자 대량생산에 적합한 방식으로 심미성 확보하는 기술에 관한 것이다.

본 발명은 지르코니아의 온도변화에 따른(격자구조 변화로 인한) 부피변화로 균열이 발생함을 방지하는 안정화제로 이트리아를 3~5% 첨가한 지르코니아 분말을 사용하여 복잡한 형상을 저렴한 비용과 빠른 속도로 성형할 수 있는 사출방식으로 성형하는 단계;

이를 50℃/min이하의 속도로 500℃~1500℃까지 승온하고 1~70시간 소결하여 탈지하는 단계 및 냉각하는 단계;

자연치와 유사한 색조를 얻기 위한 공정의 전처리로서 예비 소결체를 50℃/min이하로 300℃~700℃까지 상승시킨 후 1시간이하로 유지하고, 이를 50℃~500℃ 더 상승시킨후 1시간 이하로 유지하는 열처리를 시행하고 5분~60분간 실온에서 냉각하는 단계;

상기 전처리된 예비 소결체를 금속염화물 수용액에 2시간 이하로 침지하고 건조하는 단계;

상기 침지 후 건조된 예비 소결체를 50℃/min이하로 1000℃~1600℃까지 승온하고 10~70시간 소결하는 2차소결을 시행하고, 냉각하는 단계;

상기 소결체를 사출성형의 낮은 성형압력 및 많은 유기바인더 첨가로 인한 치밀성 부족을 해결하기 위해서 아르곤 등의 가스를 통해 500~2500bar의 등방압을 형성한 열처리로에서 500℃~2000℃로 6시간 미만으로 가열하는 단계;

를 포함하는 제조공정을 통해서 치밀한 조직을 가지며 자연치와 유사한 심미성을 갖는 지르코니아 기성형 크라운을 얻을 수 있다.

본 발명은 치아의 복잡한 형상을 가공이 아닌 사출방식으로 성형함으로써 제작속도를 높이고 가격을 낮추는 효과가 있다.

또한, 치밀한 조직을 위해 성형압력에만 의존하여 과도한 금형 소모를 발생시키는 방식에 비해 저렴하게 치밀하고 기공이 제거된 조직을 얻을 수 있다.

더불어 수작업으로 착색도료를 도포하여 색조를 내는 방식에 비해 대량생산에 적합한 일관성과 생산성(속도, 양)을 확보할 수 있으며 보다 깊이 착색되어 사용시 표면에 마모가 발생해도 색조의 변화가 생기지 않는 장점이 있다. 또, 원료인 파운더에 착색제를 배합하는 방식에 비해서 색상이 고루 분포된 제품을 얻기 쉽고, 첨가체가 최종 제품의 물성에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있다.

도1은 본 발명인 생산성을 높인 공정으로 치밀한 조직과 심미성을 획득한 지르코니아 기성형 크라운 제조방법의 흐름도이다.
도2는 등방 가압 소결의 모식도이다.
도3은 등방 가압 소결 전(A), 후(B) 지르코니아 내부 폐쇄기공의 모식도이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시 예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도1은 본 발명인 생산성을 높인 공정으로 치밀한 조직과 심미성을 획득한 지르코니아 기성형 크라운 제조방법의 흐름도이다. 이하 도 1을 참고하여 본 발명인 생산성을 높인 공정으로 치밀한 조직과 심미성을 획득한 지르코니아 기성형 크라운의 제조 방법을 설명하도록 한다.

순수한 지르코니아(Zirconia, ZrO2) 는 온도가 변화함에 따라서 격자구조가 변화한다. 가열 시 1,170℃이하에서는 단사정계(Monoclinic), 1,170~2,370℃에서는 정방정계(Tetragonal), 2,370℃℃에서는 입방정계(Cubic)로 존재한다. 또한 단사정계에서 정방정계로 변할 때 약 3~5%의 부피가 축소되어 입자(Grain)가 균열을 일으키게 된다. 이에 대한 대응책으로 실온에서 정방정상을 준안정화(metastabilization) 시키는 이트리아(Y2O3)를 안정화제로 일정량 첨가하여 사용하게 된다.

이에 따라 본 발명은 이트리아를 3~5%첨가한 지르코니아 분말을 원재료로 사용한다.

치아수복용 크라운은 형태의 복잡성으로 인해 밀링 가공을 하는 경우가 많은데, 그 재료가 되는 지르코니아 블록의 가격이 비싸고, 밀링 가공도 회당 20~40분 수준으로 시간이 오래 걸려 대량생산용으로는 생산성이 떨어진다. 이에 본 발명은 상기 이트리아가 첨가된 지르코니아 분말에 유동성을 갖게하는 유기바인더를 첨가한 분말을 사용하여 사출로 성형한다.

상기 사출로 제작한 성형체내 바인더를 제거하기 위해 500℃~1500℃에서 1~70시간 예비 소결을 실시한다. 이때 결정의 안정화를 위해 승온은 느린 속도로 실시해야 하므로 50℃/min이하의 속도로 승온한다.

이후 상기 예비 소결품을 냉각한다. 냉각속도도 결정의 안정화를 위해 느린 속도로 실시해야 하므로 노냉을 실시한다.

다음 공정으로서 상기 예비 소결품을 자연치에 가까운 색상을 갖도록 금속염화물 수용액에 침지를 실시하는데, 전처리로서 300℃~700℃까지 승온하여 1시간 이하로 유지하고, 그 상태에서 50℃~500℃ 더 온도를 상승시킨후 1시간 이하로 유지시켜 열처리를 시행한다. 이때도 승온의 속도는 50℃/min이하로 실시한다.

상기 열처리한 소결체를 실온에서 5분~60분간 냉각시킨 후, 금속염화물 수용액에 2시간 이하로 침지하고 건조한다.

이러한 침지방식으로 색조를 얻는 방법은 수작업으로 착색하는 방법에 비해 생산성이 높으며, 지르코니아 내부까지 깊이 침지하게 된다. 따라서 환자가 크라운을 치아로 사용시에 표면이 마모되면서 자연치와 이질감이 있는 지르코니아 본래의 색이 들어나는 현상을 줄일 수 있다.

또한, 이러한 침지방식은 파우더상태에서 착색제를 첨가하는 배합방식에 비해 고른 색상분포를 얻을 수 있다.

이에 대한 대응책으로 파우더를 착색제를 녹인 수용액에 침지한 후 건조하여 사용하는 경우도 있으나 이러한 방식은 건조 후 다시 세밀하게 분쇄하는 공정의 비용이 높게 발생한다.

뿐만 아니라 앞서 설명한 파우더로서 배합하는 방식과 수용액에 파우더를 침치하는 방식 두 가지 모두 1차 예비 소결시 지르코니아 결정립 생성에 첨가제가 영향을 미치게 된다. 이는 지르코니아의 강도를 크게 떨어뜨리는 경우가 빈번하다.

따라서 본 발명에서 적용한 1차 예비 소결된 지르코니아를 금속염화물 수용액에 침지하는 방식이 생산성 확보와 지르코니아 물성확보에 가장 진보된 방식으로 볼 수 있다.

이후 상기 침지 후 건조된 예비 소결체를 50℃/min이하로 1000℃~1600℃까지 승온하고 10~70시간 소결하는 2차소결을 실시한다.

2차 소결 과정에서 소결 시간과 온도에 따라 지르코니아 결정립 크기와 형태가 결정되어 물성 및 투명성 등이 결정되게 된다.

이후 상기 2차소결한 소결체를 도2와 같이 열처리로 안에 넣고 아르콘 등의 가스를 통해 500~2500bar의 등방압을 형성한 상태에서 500℃~2000℃로 6시간 미만으로 가열하여 조직을 치밀화 시킨다. 이는 도3에서 도시된 바와 같이 내부 폐쇄기공을 제거하여 강도를 높이고 취성을 낮추는 공정효과가 있다.

이후 정해진 냉각속도에 따라 냉각시킨다.

본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 이트리아가 3~5% 첨가된 지르코니아 분말을 이용하여 사출방식으로 지르코니아 성형체를 제조하는 단계;
   상기 성형체를 500℃~1500℃까지 50℃/min이하로 승온하고 1~70시간 소결하여 탈지하는 예비 소결단계;
   상기 예비 소결체를 냉각하는 냉각단계;
   상기 냉각된 소결체를 침지를 위한 전처리로 50℃/min이하로 300℃-700℃까지 상승시킨 후 1시간이하로 유지하고, 이를 50℃~500℃ 더 상승시킨 후 1시간이하로 유지시키는 열처리 단계;
   상기 열처리한 소결체를 5분~60분간 실온에서 냉각시킨 후, 자연치에 가까운 색상을 갖도록 금속염화물 수용액에 2시간이하로 침지하고 건조하는 단계;
   상기 침지한 소결체를 1000℃~1600℃까지 50℃/min이하로 승온하고 10~70시간 소결하는 2차소결단계;
   상기 소결체를 냉각하는 냉각단계;
   상기 2차 소결체를 아르곤 등의 가스를 통해 500~2500bar의 등방압을 형성한 상태에서 500℃-2000℃로 6시간 미만으로 가열하는 단계;
   를 포함하는 생산단계를 통해 제작한 자연치와 근접한 색조 및 투명성을 갖는 지르코니아 기성형 크라운.
2. 제 1 항에 있어서,
   바렐 공정을 추가하여 표면의 버(Burr)를 제거하여 제작한 지르코니아 기성형 크라운.
3. 제 1 항에 있어서,
   원료 배합단계에서 금속염화물을 첨가하는 공정을 추가하여 제작한 지르코니아 기성형 크라운.
4. 제 1 항에 있어서, 침지용 금속염화물은 염화제2철, 몰리브데늄 염화물, 염화크롬 육수화물, 바나듐 염화물 중 하나이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 지르코니아 기성형 크라운
5. 제 1항에서 등방 가압 소결을 통해 부피가 0.5%~6% 수축된 지르코니아 기성형 크라운
6. 제 1항에서 예비 소결된 예비 소결체 대비 최종제품의 부피가 10~25%수축된 지르코니아 기성형 크라운

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