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티타늄계 바이오 임플란트 제조에 있어 전기방전에 의한 소결 및 표면처리 공정 기구에 관한 연구 : A Study on the Mechanism of Consolidation and Surface treatment by Electro-Discharge Process in the Fabrication of Ti-Based Metals Bio-Implant 원문보기

  • 저자

    김영훈

  • 학위수여기관

    세종대학교 일반대학원

  • 학위구분

    국내박사

  • 학과

    나노신소재공학과 신소재공학

  • 지도교수

    이원희

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    104

  • 키워드

    Ti Implant Electro-discharge Solid core Surface modification Recrystallization;

  • 언어

    eng

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13541187&outLink=K  

  • 초록

    국문초록 티타늄계 바이오 임플란트 제조에 있어 전기방전에 의한 소결 및 표면처리 공정 기구에 관한 연구 김영훈 신소재공학과 세종대학교 대학원 의료분야에서는 스테인레스 스틸, 코발트계 합금, 티타늄 그리고 티타늄 합금과 같은 생체 금속재료들이 광범위하게 사용되어져 왔다. 그들 중에서 티타늄과 티타늄계 합금 들은 표면의 안정한 산화막에서 기인하는 생체적합성과 뛰어난 기계적 특성 때문에 임플란트 재료로 널리 사용되었다. 본 연구에서는 티타늄계 바이오 임플란트 제조에 있어 전기방전에 의한 소결 및 표면처리 공정 기구에 관해 알아보고자 하였다. 다공성 티타늄 임플란트는 구형의 티타늄 분말을 150, 300, 그리고 450 ㎌의 정전용량으로 0.7 g의 티타늄 분말에 0.75에서 2.0 kJ의 전기에너지를 인가하는 전기방전소결법으로 제조하였다. 전기방전 후에 소결체 중심에 형성된 solid core는 침상의 α+β Widmanstätten 구조를 갖는 cp Ti의 미세구조와 유사하였으며, 외곽의 표면에 형성된 다공층은 입자간의 3차원적 연결구조를 이루고 있었다. Solid core의 경도는 다공층의 입자 또는 그 계면에서의 경도값 보다 훨씬 높았고, 이것은 전기방전 공정에서 기인한 열처리와 가공경화의 효과로 볼 수 있다. 항복 압축강도는 12에서 436 MPa 이었으며, 인가에너지와 정전용량에 상당히 의존하고 있었다. 전기방전 공정에 의해 solid core를 동반하여 제조된 티타늄 또는 티타늄계 합금 임플란트는 인간의 치아나 기존의 소결 공정에 의해 제조된 임플란트와 비교하여 훨씬 높은 압축강도를 보였다. 티타늄 임플란트의 표면특성은 X-선 광전자 분광법으로 연구하였으며, 표면의 성분은 티타늄과 탄소 그리고 산소가 주 성분으로 약간의 질소를 포함하고 있었다. 표면은 산화되어 주로 TiO2의 형태였으며, TiN 또는 TiON과 같은 티타늄 질화물로 확인되었다. 이것은 128 μsec의 짧은 전기방전 동안 공기중의 질소와 산소가 반응하여 생겨난 결과이다. 임플란트 형태의 티타늄 봉은 150 ㎌의 정전용량으로 2.0에서 3.5 kJ의 인가에너지를 가하여 순간적으로 열처리할 수 있었다. 인가에너지와 정전용량과 같은 방전조건을 미세하게 조절하여 159 μsec라는 짧은 시간에 티타늄의 표면 경도를 상당히 증가시킬 수 있었으며, 이는 기존의 질화 공정보다 더 효과적이었다. 냉간 압연된 티타늄 봉에서도 순간 열처리를 위해 150 ㎌의 정전용량으로 2.0에서 3.8 kJ의 에너지를 적용하였다. 2.0 kJ 이하의 인가에너지 조건에서 냉간 압연된 티타늄 봉은 159 μsec 동안 재결정화 하여 냉간 압연 전의 티타늄 봉과 유사한 기계적 특성으로 회복되었다. 그러나 2.5 kJ 이상의 인가에너지 조건에서는 전기방전 공정에서 상변태가 일어났고 티타늄 봉의 단면 중 가장자리 표면에서 특히 높은 경도를 보였다. 이는 발열과 핀치압력을 동반한 고용체 경화로 보인다. 재결정과 표면경도 강화 모두 방전중에 발생하는 열의 양에 의존하며 전류의 제곱에 비례하였다. 이로써, 전기방전 공정은 정전용량과 인가에너지를 변수로 하여 짧은 시간 내에 발열량과 핀치압력을 조절하여 금속분말의 소결 및 표면개질에 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 전기방전 공정의 중요한 기전은 정전용량과 인가에너지의 조절에서 얻어지는 발열량과 순간적으로 발생되는 핀치압력으로 설명할 수 있다.


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