세라믹 물성평가에 이용되는 여러 평가 척도에 대한 고찰
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세라믹 물성평가에 이용되는 여러 평가 척도에 대한 고찰
  • 제로 편집팀
  • 승인 2017.02.02 11:49
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서론
치과 분야에서 심미보철에 대한 요구는 나날이 높아지고 있다. 심미보철의 초기에는 PFM(Porcelain Fused to Metal Crown)이 많이 이용됐다. 이는 강성이 좋은 메탈 하부구조 위에 치아의 색을 재현할 수 있는 포세린 세라믹을 축적시켜 소성시키는 방식으로 강도와 심미성을 동시에 얻을 수 있는 장점이 있다.
하지만 투명도가 좋은 세라믹이 메탈을 투과시키는 단점이 있어 현재는 주로 구치부에서 사용되고 있다.
그 후 지르코니아가 세라믹과 유사한 색조와 높은 강도 덕분에 심미보철재료로써 큰 관심을 끌었다.
그러나 코어로 사용될 경우 너무 뛰어난 강도때문에 상대적으로 강도가 약한 상부의 포세린이 깨지는 결과를 초래하기도 한다. 뿐만 아니라 상부 포세린과의 결합강도는 약 29㎫로 다른 코어 재료의 결합강도에 비해 낮은 편이고 상부의 세라믹과 열팽창계수의 차이가 많이 날 경우 결합의 실패가 더 빈번하게 일어나게 된다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 글라스 세라믹이 개발되었다. 특히 지르코니아에는 없던 투명성까지 겸비하고 있어 심미성이 한층 더 향상되었고, 생체적합성의 우수, 낮은 열팽창계수 등 여러 가지 장점으로 치과계에서 각광받고 있다.

그림 1, 2.
그림 1 : IPS e.max Press(Ivoclar Vivadent) lithium disilicate,
그림 2 : IPS e.max CAD (Ivoclar Vivadent) lithium disilicste.
글라스 세라믹 재료 중 리튬디실리케이트세라믹(Lithium disilicate ceramic)은 프레스(press) 방식의 세라믹으로 기존 leucite 계열의 세라믹보다 강도가 향상되어 전치부 심미재료로 많이 쓰이고 있다. 구조를 살펴보면 길이 5㎛, 직경 0.8㎛ 크기의 바늘모양 결정상 형태를 띠고 있는데 이들이 서로 엇갈려 있기 때문에 기존 leucite 계열보다 약 3배 정도 증가된 강도를 가지게 된다. 따라서 치아 삭제량이 아주 작거나 무삭제 치아의 라미네이트 제작에도 이용 가능해지면서 심미보철물의 발전에 크게 기여하고 있다. CAD/CAM 산업의 발전에 발맞춰 Ivoclar와 국내 기업인 HASS 등에서 여기에 적용할 수 있는 CAD/CAM 전용 제품을 블럭 형태로 개발하여 시중에 소개하고 있다.
그림 3. CAD/CAM용 lithium disilicate ceramics
이렇게 재료가 발전함에 따라 제조사에서는 개발 과정 중에 여러 물성평가를 수행하게 된다.
본 글에서는 세라믹 재료들의 물성평가에 이용되는 다양한 방법에 대해 간략히 소개하면서 제품의 특성에 대한 이해를 넓히는데 도움이 되고자 한다.

본론
1. 굽힘 강도(Flexural strength)
굽힘 강도란 재료 파괴시의 최대 인장응력을 말한다.
다시 말해 재료가 파절되기 직전의 최대 응력을 의미한다. 이는 구강 내에서 취성재료가 얼마나 잘 견디는지 나타내는 중요한 척도이다. 실험방법은 ISO(International Organization for standardization)나 KSL(Korean Industrial Standards) 등과 같은 기준에 준한 시편을 제작하여 만능 시험기(universal testing machine)를 사용하여 측정한다. 주로 2축 굽힘 강도, 3축 굽힘 강도가 많이 사용되고 있다.
그림 4. Instron universal testing machine

2. 선형수축률(Linear shrinkage)
세라믹은 재료의 특성상 소성 전/후 결정상의 변화에 따른 보철물의 크기 차가 발생하게 된다. 소성 후의 수축률은 보철물의 적합도와 밀접한 관계가 있기 때문에 이 또한 고려되어야 할 사항이다.

3. 가시광선 투과율 및 색 평가
색조의 정량적 분석을 위해 분광측색장치(spectrophotometer)를 사용하여 측정한다. 이것은 색의 분석, 가시광선 투과율 등의 측정을 가능하게 한다. 우선 색 분석은 CIE 표준색계(CIE system of color specification)의 L*, a*, b* 값으로 나타낼 수 있다.
여기서 L*값은 명도로서 0~100 사이의 값으로 나타나며, 수치가 클수록 밝은 것을 나타낸다. a*,b*는 색도좌표로써 a*는 green-red 색상을 나타내고, b*는 blue-yellow 색상을 나타낸다. 가시광선 투과율은 세라믹의 투명도를 수치화하여 판단할 수 있다.
그림 5. Spectrophotometer

4. 미세조직(결정구조) 관찰
주사전자현미경(S E M: S c a n n i n g  E l e c t r o n Microscope)을 이용하여 재료의 표면을 관찰하면 표면 정보를 얻을 수 있고 관찰 할 시료의 두께, 크기 및 준비는 크게 제한을 받지 않는다. 광학현미경에 비해 집점심도가 2배 이상 깊고 광범위하게 집점을 맞출 수 있어 입체적인 상을 얻는 것이 가능하다.
그림 6. Scanning electron microscope(SEM)
따라서 재료의 파절단면, 표면 등을 높은 배율로 관찰함으로써 재료의 파절 양상, 에칭 후 단면 등 시각적 관찰이 가능하다.
또한 엑 스 선 회절 분 석기( X R D : X - r a y diffractiometry)도 사용된다. 이는 X-ray tube에서 방출된 X-선을 시료에 조사함으로써 시료의 원자구조에 기인해서 방출되는 회절X-선을 검출기로 측정하여 재료의 결정구조를 해석할 수 있는 분석장비이다. 결정상이 어떠한 원소로 이루어 졌는지, 반응 전/후 어떻게 결정상이 어떻게 변했는지에 대한 분석이 가능하다.
그림 7. X-ray diffraction(XRD)

결론
이외에도 파괴인성, 표면강도, 밀도 등 다양한 측면에서 물성평가가 이루어지고 있다. 이는 점차 발전하고 개발되는 치과재료의 평가에 대한 중요한 지표로써 제조업체 입장에서는 재료개발 목표에 맞는 지향점의 기준이 될 수 있고, 기공사에게는 사용목적에 맞는 재료를 선택하는데 도움을 줄 수 있다.

감사의 글
본 연구는 2016년도 중소기업청 산학연협력기술개발의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(1425103002).


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