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타이타늄은 내식성, 비강도가 우수한 것으로 알려져 있는 금속으로, 생체적합성 등이 우수하여 생체재료 분야에서 각광받고 있다. 본 연구에서는 다공성 타이타늄 소결체를 제작함에 있어서 분말야금공정 중의 하나인 정전분체코팅 공정이라는 신공정을 제시하여 열린 기공을 갖는 3차원 망목 구조를 갖는 ...

타이타늄은 내식성, 비강도가 우수한 것으로 알려져 있는 금속으로, 생체적합성 등이 우수하여 생체재료 분야에서 각광받고 있다. 본 연구에서는 다공성 타이타늄 소결체를 제작함에 있어서 분말야금공정 중의 하나인 정전분체코팅 공정이라는 신공정을 제시하여 열린 기공을 갖는 3차원 망목 구조를 갖는 다공체를 제조하는 기술을 개발하고자 한다. 정전분체코팅 공정이란, 금속 분말을 스프레이 건을 통해서 시편에 분사할 때, 고전압으로 충전된 스프레이 건 팁의 코로나 전극과 시편 사이에 형성되는 전기장으로 금속 분말이 통과할 때 음이온이 금속 분말에 달라붙어서 전하를 띄게 되고 이 때 형성되는 전기장을 따라 이동하여 시편에 코팅되는 공정이다. 성형조건과 소결 온도를 조절하여 기공 특성을 제어함으로써 기공 특성과 기계적 특성에 대해 고찰하였다.
분말입도 크기에 따른 기공 특성을 평가하기 위하여 원료분말인 TiH2 분말을 평균분말크기 10.60㎛, 25.81㎛로 하여 진행하였다. 성형공정에 따른 기공 특성을 평가하기 위해서는 탈지속도를 0.9cm/min, 1.8cm/min, 3.6cm/min로 변화를 주었으며 소결 온도에 따른 기공 특성을 평가하기 위해서 1350℃, 1400℃, 1450℃에서 1시간 유지하였다. Template으로 사용한 PU foam과 바인더를 제거하기 위해 8%H2+92%Ar 분위기에서 탈지를 진행하였으며, 소결은 1x10-6torr의 진공도에서 진행하였다.
제조된 다공성 타이타늄 소결체의 미세조직에서는 3차원 망목 구조를 갖고 있으며 평균분말크기가 10.60㎛인 소결체보다 25.81㎛인 소결체가 표면적 차이로 인해 소결 수축이 더 많이 진행되어 strut 두께가 더 얇게 측정되었다. 산소함량을 비교했을 때 평균분말크기가 10.60㎛인 소결체가 더 많은 산소함량을 띄고 있음을 확인하였다. 산소함량이 타이타늄의 강도에 미치는 영향을 파악하기 위해 상온 압축 실험을 진행한 결과 산소함량이 많은 소결체에서 더 낮은 압축 강도를 보였다. 그리고 탈지속도 변화에 따라 제조된 소결체의 경우 0.9cm/min의 탈지 속도의 경우 PU foam에 붙어있던 분말들이 많이 떨어지며 무너지는 현상이 많이 발생함을 확인할 수 있었다. 그리고 1.8cm/min, 3.6cm/min에서는 3차원 망목 구조의 형상을 유지했으며 큰 차이가 없었다. 소결 온도가 증가함에 따라 평균 기공크기가 감소하였으며 단면 분석 결과 내부의 기공이 줄어드는 것을 확인하였다. 이것은 소결 과정에서 치밀화와 소결수축의 결과로 예측할 수 있었다. ON분석과 CS분석을 통해 함량을 측정한 결과 소결온도가 증가할수록 내부에 O, N, C, S 함량이 비교적 증가하는 경향을 보였다. 이것은 소결 온도가 높을수록 치밀화가 더 많이 진행되어 원소들이 외부로 빠져나가지 못해 증가한 것으로 판단된다. 압축시험 결과 소결 온도가 증가함에 따라 원소함량과 얇은 strut 두께로 인해 압축강도가 감소하는 것을 알 수 있다.
결론적으로 정전분체코팅 공정으로 제조한 다공성 타이타늄 소결체의 기공 특성 제어가 용이하고 그에 따른 기계적 특성도 경향성이 있어 제어가 가능하다.

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