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문제 정의
- 의도적으로 니켈-티타늄 호선의 힘을 부분적으로 증가시키고자 할 경우에는 이러한 열처리가 바람직할 수 있지만, 힘의 증가 없이 호선에 굴곡만을 부여하고자 하는 경우에는 이러한 열처리가 바람직하지 않다고 생각된다. 니켈-티타늄 와이어의 굴곡을 위한 열처리를 위해 니켈-티타늄 와이어 bending machihe의 제조회사(Forestadent)에서는 와이어의 굵기에 따른 권장 전류를 설명하고 있으며 열처리를 시행할 때 와이어가 yellow-gold 색상을 보일 때까지 열처리를 시행하도록 권장하였으나 이러한 기준은실험에 사용한 시편들의 열처리에 대한 객관적인 기준으로 사용하기에는 어려움이 있어 본 연구에서는 사전 실험을 통하여 굴곡 형성에 적합하며 초탄성의 상실을 초래하지 않는 전류값과 시간을 조사하여 이에 따라 실험하였다. 그러나 열처리 시의 전류와 시간의 다양한 조합에 있어서 특히 전류를 낮추고 시간을 현저히 증가시킨 경우에는 본 실험결과와 다른 결과가 나올 가능성도 배제할 수 없다고 생각되며 이러한 부분은 향후 연구에서 조사되어야 할 것이다.
- 따라서 본 연구에서는 니켈-티타늄 와이어의 굴곡을 위한 열처리 시에 나타나는 부하-변위 곡선의 변화 및 상전이 온도의 변화를 조사하고자 하였다.
제안 방법
- 0.016" X 0.022", 0.018" * 0.025", 0.0215" x 0.028" 와이어를 1군에서와 동일한 방법으로 준비한 후, 전기저항을 이용한 열처리 장치 (Memory Maker, Forestadent, Pforzheim, Germany)를 이용하여 전극이 연결되어 있는 Jarabak 플라이 어로 각 시편의 말단을 잡아 열처 리함으로써 열처리 구간이 약 25 mm 길이가 되도록 하였다. 시편의 크기에 따라 열처리 장치 제조회사(Forestadent)가 추천하는 전류값과 열처리 시간를 기초로 하여 니켈-티타늄 합금의 표면이 yellow-gold 색상을 보이는 열처리 조건을 찾아 continuous mode로 열처리를 시행하였다(Tables 1, 2 and Fig 1).
- 0.016" X 0.022", 0.018" x 0.025", 0.0215" x 0.028" 와이어를 각각 io개씩 후방부위에서 25 mm 길이로 절단하여 시편을 제작하였고 열처리와 굴곡을 부여하지 않았다.
- 교정용 니켈-티타늄 합금 와이어의 열처리 시에 나타나는 부하-변위 곡선의 변화 및 상전이 온도의 변화를 관찰하고자 0.016" X 0.022", 0.018" x 0.025", 0.0215" X 0.028" 규격의 니켈-티타늄 와이어를 열처리하여 부하-변위 곡선과 DSC를 측정한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 028" 니켈-티타늄 와이어의 열처리를 시행한 군(2군)과 열처리를 시행하지 않은 군 (1군)의 Af (austenite finish) 온도를 계측하였다. 또한 00.0215" X 00.028" 니켈-티타늄 와이어를 대상으로 굴곡을 부여하면서 열처리를 시행한 경우(3군) 및 이와 동일하게 굴곡을 부여한 상태에서 열처리하되 열 처 리 시간을 1초 더 증가시 킨 경 우(4군)의 Af 온도를 계측하였다. 전기저항에 의한 열처리 시 시편 중앙 부분의 온도 상승이 가장 크기 때문에 중앙부위의 시편을 같은 길이로 얻을 수 있도록 하여 20 g의 시편을 준비하였고, 시차주사열량측정 시 1분당 10℃의 온도변화가 이루어지도록 하여 1회씩 실험하였다.
- 시 차주사열 량측정 기 (QI0, TA instruments, New Castle, DE, USA)를 이용하여 0.016" x 0.022", 0.018" x 0.025", 0.0215" x 0.028" 니켈-티타늄 와이어의 열처리를 시행한 군(2군)과 열처리를 시행하지 않은 군 (1군)의 Af (austenite finish) 온도를 계측하였다. 또한 00.
- 열처리 시의 굴곡 부여 및 열처리 시간을 증가시킨 니켈-티타늄 와이어의 부하-변위 곡선 변화를 알아보기 위해 0.018" X 0.025", 0.0215" x 0.028"의 2종류의 와이어에서 각각 10개씩 호선의 전방부(편측의 절치 견치 부위)에서 곡선형태의 시편을 25 mm 크기로 절단하여 시편을 준비한 후, 곡선 형태의 시편이 직선이 되도록 플라이어로 굴곡을 부여한 상태에서 열처리를 시행였다.
- 굴곡부여 시의 열처리 시간 증가에 따른 효과를 살펴보기 위해 3군과 동일한 시편(3군 시편을 채취하고 남은 반대측의 절치 견치 부위)을 직선 형태로 변형시킨 상태에서 열처리하되 열처리 시간을 3군에서보다 초 더 증가시켜 시편을 제작하였다. 열처리 시 와이어 표면이 보라색이 되면서 초탄성 성질이 상실되는 것을 방지하기 위해 열처리 시간을 1초만 증가시켜서 시편을 제작하였다
- 만능시험기 (LF Plus, Lloyd, Hampshire, UK)를 이용하여 와이어의 변이에 따른 부하를 측정하였다. 시험기의 상부 지그와 3점 굴곡 시험을 위한 하부지그에서 시편이 접촉되는 부분은 ADA Spec.
- 028" 와이어를 1군에서와 동일한 방법으로 준비한 후, 전기저항을 이용한 열처리 장치 (Memory Maker, Forestadent, Pforzheim, Germany)를 이용하여 전극이 연결되어 있는 Jarabak 플라이 어로 각 시편의 말단을 잡아 열처 리함으로써 열처리 구간이 약 25 mm 길이가 되도록 하였다. 시편의 크기에 따라 열처리 장치 제조회사(Forestadent)가 추천하는 전류값과 열처리 시간를 기초로 하여 니켈-티타늄 합금의 표면이 yellow-gold 색상을 보이는 열처리 조건을 찾아 continuous mode로 열처리를 시행하였다(Tables 1, 2 and Fig 1).
- 열처리 시 와이어 표면이 보라색이 되면서 초탄성 성질이 상실되는 것을 방지하기 위해 열처리 시간을 1초만 증가시켜서 시편을 제작하였다
- 1 mm의 상부 지그를 이용하여 1 mm/min의 cross-head speed로 시편의 정 중앙에서 3 mm까지 변위시키는 3점 굴곡 시험을 각 군당 10개의 시편에서 시행하였다. 이때 온도를 유지하기 위해 전열 백열등을 설치한 아크릴 상자를 제작하고 온도 제어기를 연결하였으며, 시편을 지그에 위치시킨 후 37℃ 상태로 5분 이상 유지시킨 후 3점 굴곡실험을 시행하였다.
- 028" 니켈-티타늄 와이어를 대상으로 굴곡을 부여하면서 열처리를 시행한 경우(3군) 및 이와 동일하게 굴곡을 부여한 상태에서 열처리하되 열 처 리 시간을 1초 더 증가시 킨 경 우(4군)의 Af 온도를 계측하였다. 전기저항에 의한 열처리 시 시편 중앙 부분의 온도 상승이 가장 크기 때문에 중앙부위의 시편을 같은 길이로 얻을 수 있도록 하여 20 g의 시편을 준비하였고, 시차주사열량측정 시 1분당 10℃의 온도변화가 이루어지도록 하여 1회씩 실험하였다.
대상 데이터
- 니켈-티타늄 와이어는 현재 시판되고 있는 0.016" X 0.022", 0.018" X 0.025", 0.0215" x 0.028" Sentalloy (Tomy, Tokyo, Japan)를 사용하였다.
데이터처리
- 동일한 크기의 와이어에서 열처리에 따른 부하-변위 곡선 변화의 유의성 평가를 위해 독립표본 厶검정을 시행하였고 0.018" X 0.025", 0.0215" x 0.028" 와이어에서 굴곡을 부여하면서 열처리를 시행한 경우 (3군) 및 이와 동일하게 굴곡을 부여한 상태에서 열처리하되 열처리 시간을 1초 더 증가시킨 경우(4군) 의 유의성 검정을 위해 일원배치 분산분석을 시행하였다. 모든 통계 분석은 SPSS ver.
- 025" Ni-Ti wires. Independent-samples f-test. (H: heat treated, N: not heat treated); p < 0.
성능/효과
- 1. 0.016" X 0.022", 0.018" x 0.025" 그리고 0.0215" x 0.028" 니켈-티타늄 와이어에서 굴곡을 부여하지 않은 상태에서 열처리를 시행한 실험군에서 열처리를 시행하지 않은 대조군에 비해 부하-변위 곡선이 상방 이동되어 초탄성 현상에 의한 평탄 역의 힘이 더 증가되었다.
- 2. 0.016" X 0.022", 0.018" x 0.025" 그리고 0.0215" x 0.028" 와이어에서 굴곡을 부여하지 않은 상태에서 열처리를 시행한 실험군이 열처리를 시행하지 않은 군보다 더 낮은 Af 온도를 보였다.
- 3. 0.018" X 0.025" 및 0.0215, , x 0.028" 와이어에서 열처리를 시행하여 굴곡을 부여한 실험군은 굴곡을 부여하지 않은 상태에서 열처리한 실험군과 열처리를 시행하지 않은 대조군에 비해 부하-변위곡선이 상방 이동되었으며, 열처리 시간을 1초더 증가시켜 굴곡을 부여한 실험군에서 가장 높은 부하-변위 곡선을 나타냈다.
- 4. 0.018" X 0.025" 그리고 0.0215" x 0.028" 와이어에서 Af 온도는 열처리 시간을 1초 증가시켜 굴곡을부여한 실험군에서 가장 낮게 관찰되었고 열처리를 시행하여 굴곡을 부여한 실험군, 열처리를 시행한 실험군 그리고 열처리를 시행하지 않은 대조군 순으로 높게 관찰되었다.
- 2 mm변위 지점까지는 힘의 급격한 감소가 관찰되었고 이후 응력 유도형 마르텐사이트가 오스테나이트로 상전이 되기 시작함에 따라 탈부하시 평탄역 (unloading plateau)이 관찰되었다. 3종의 와이어 모두에서 1군에 비해 2군에서 부하 시와 탈 부하 시에 부하-변위 곡선이 상방이동하여 부하 시 평탄 역 및 탈부하 시 평 탁역 이 더 높게 관찰되 었고 0.2 mm 간격으로 계측한 힘의 비교에서 부하-변위 곡선의 여러 부위들에서 통계학적으로 유의한 치-이가 관찰되었다 (Figs 3-5).
- 니켈-티타늄 호선에 열처리를 가한 경우 실험 결과 모두 열처리를 시행하지 않은 경우보다 부하-변위 곡선(load-deflection curve)이 크게 관찰되었다. Yoneyama 등"과 Lee 등物은 니켈-티타늄 합금에 열처리 및 굴곡을 부여한 경우 DSC 실험에서 As와 Ms 온도가 낮아진다고 하였으나 Gil 등꽈은 As및 Ms 온도가 높아진다고 하였다.
- 본 실험 결과 니켈-티타늄 합금에 열처리를 시행한 경우 부하-변위 곡선이 상방이동되어 초탄성 현상에 의한 평탄역의 힘이 증가하였으며 이는 Miura 등5의 연구와 상반되는 결과를 보였으나 Cha 등3의 보고와 같은 결과를 보여주었고 굴곡을 부여 한 상태에서 열처리 시에는 더욱 상방 이동한 부하-변위 곡선을 보였다 (Figs 3-7).
- Yoneyama 등"과 Lee 등物은 니켈-티타늄 합금에 열처리 및 굴곡을 부여한 경우 DSC 실험에서 As와 Ms 온도가 낮아진다고 하였으나 Gil 등꽈은 As및 Ms 온도가 높아진다고 하였다. 본 실험에서 DSC 결과 열처리를 시행한 군의 Af 온도가 낮아진 것으로 관찰되었다. Af 온도의 감소는 초탄성 현상에 의한 평탄 역의 힘의 증가와 동반되어 나타났는데 이러한 현상은 Af 온도가 감소하게 되면 Ar 온도와 3점 굴곡 시험 시의 온도인 37 士 rc와의 차이가 커짐에 따라 37 + 1 ℃에서의 오스테나이트 상의 원자 사이의 긴장도가 더 증가하였기 때문이라고 추정된다.
- 028" 니켈-티타늄 와이어에서 모든 경우에서 부하 시 및 탈부하 시에 평탄.역 (loading and unloading plateau)이 관찰되었고 4군에서 가장 높은 부하-변위 곡선이 나타났으며, 이어서 3군, 2군 그리고 1군의 순으로 부하-변위 곡선이 낮아지는 것으로 나타났다 (Figs 6 and 7). 즉, 열처리를 안한 경우보다는 열처리를 시행한 경우에, 열처리만 시행한 경우보다 굴곡을 부여하면서 열처리를 시행한 경우에, 그리고 굴곡을 부여하면서 열처리 시간을 1초 증가시켰을 때 부하-변위 곡선이 더 상방으로 이동하였다.
- 열처리만 시행한 군에서보다 열처리를 시행하여 굴곡을 부여한 실험군에서 더 높은 부하-변위 곡선을 보였고 또한 이때 열처리 시간을 1초 증가시켜 굴곡을 부여한 경우 부하-변위 곡선은 더욱 상방으로 이동하였는데, 이는 임상에서 굴곡을 부여하기위해 열처리를 시행하면 열처리 전보다 니켈-티타늄호선에 의한 교정력 이 증가하게 됨을 나타내는 것이다. 의도적으로 니켈-티타늄 호선의 힘을 부분적으로 증가시키고자 할 경우에는 이러한 열처리가 바람직할 수 있지만, 힘의 증가 없이 호선에 굴곡만을 부여하고자 하는 경우에는 이러한 열처리가 바람직하지 않다고 생각된다.
- 이상의 결과를 종합할 때, 임상에서 니켈-티타늄 합금 와이어 에 굴곡을 부여하기 위해 열처 리하는 경우 초탄성 특성은 유지 될 수 있으나, 부하-변위 곡선의 상방 증가가 나타나므로, 와이어에 의한 교정력이 증가될 수 있음에 유의하여야 한다.
- 역 (loading and unloading plateau)이 관찰되었고 4군에서 가장 높은 부하-변위 곡선이 나타났으며, 이어서 3군, 2군 그리고 1군의 순으로 부하-변위 곡선이 낮아지는 것으로 나타났다 (Figs 6 and 7). 즉, 열처리를 안한 경우보다는 열처리를 시행한 경우에, 열처리만 시행한 경우보다 굴곡을 부여하면서 열처리를 시행한 경우에, 그리고 굴곡을 부여하면서 열처리 시간을 1초 증가시켰을 때 부하-변위 곡선이 더 상방으로 이동하였다.
후속연구
- 니켈-티타늄 와이어의 굴곡을 위한 열처리를 위해 니켈-티타늄 와이어 bending machihe의 제조회사(Forestadent)에서는 와이어의 굵기에 따른 권장 전류를 설명하고 있으며 열처리를 시행할 때 와이어가 yellow-gold 색상을 보일 때까지 열처리를 시행하도록 권장하였으나 이러한 기준은실험에 사용한 시편들의 열처리에 대한 객관적인 기준으로 사용하기에는 어려움이 있어 본 연구에서는 사전 실험을 통하여 굴곡 형성에 적합하며 초탄성의 상실을 초래하지 않는 전류값과 시간을 조사하여 이에 따라 실험하였다. 그러나 열처리 시의 전류와 시간의 다양한 조합에 있어서 특히 전류를 낮추고 시간을 현저히 증가시킨 경우에는 본 실험결과와 다른 결과가 나올 가능성도 배제할 수 없다고 생각되며 이러한 부분은 향후 연구에서 조사되어야 할 것이다. 또한 열처리 구간이 길어지면 동일 전류에서도 와이어에 가해지는 열의 양은 저항의 증가에 따라 더 증가하게 되므로 향후 연구에서는 열처리 구간에 따른 적정 전류 및 시간에 대해서도 연구되는것이 바람직하다.
- 그러나 열처리 시의 전류와 시간의 다양한 조합에 있어서 특히 전류를 낮추고 시간을 현저히 증가시킨 경우에는 본 실험결과와 다른 결과가 나올 가능성도 배제할 수 없다고 생각되며 이러한 부분은 향후 연구에서 조사되어야 할 것이다. 또한 열처리 구간이 길어지면 동일 전류에서도 와이어에 가해지는 열의 양은 저항의 증가에 따라 더 증가하게 되므로 향후 연구에서는 열처리 구간에 따른 적정 전류 및 시간에 대해서도 연구되는것이 바람직하다. 또한 향후 연구에서는 본 실험에서 사용된 시편보다 더 낮은 부하-변위 곡선을 가지며, Af 온도는 더 높은 니켈-티타늄 선재 또는 다른성분의 니켈-티타늄 와이어의 열처리 시에 니켈-티타늄 와이어의 부하-변형 곡선이 어떻게 변화하는지를 관찰하여, 굴곡을 위한 열처리 후에도 적절한 수준의 교정 력을 발휘 할 수 있을지의 여 부를 조사하는것이 필요하며, 최종적으로는 이러한 굴곡을 위한 열처리 시에 부하-변위 특성의 변화를 최소화할 수있는 니켈-티타늄 선재가 개발되는 것이 바람직할것으로 생각된다.
- 또한 열처리 구간이 길어지면 동일 전류에서도 와이어에 가해지는 열의 양은 저항의 증가에 따라 더 증가하게 되므로 향후 연구에서는 열처리 구간에 따른 적정 전류 및 시간에 대해서도 연구되는것이 바람직하다. 또한 향후 연구에서는 본 실험에서 사용된 시편보다 더 낮은 부하-변위 곡선을 가지며, Af 온도는 더 높은 니켈-티타늄 선재 또는 다른성분의 니켈-티타늄 와이어의 열처리 시에 니켈-티타늄 와이어의 부하-변형 곡선이 어떻게 변화하는지를 관찰하여, 굴곡을 위한 열처리 후에도 적절한 수준의 교정 력을 발휘 할 수 있을지의 여 부를 조사하는것이 필요하며, 최종적으로는 이러한 굴곡을 위한 열처리 시에 부하-변위 특성의 변화를 최소화할 수있는 니켈-티타늄 선재가 개발되는 것이 바람직할것으로 생각된다.
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