[논문]ZrN 및 TiN 코팅된 치과교정 용 미니나사의 표면특성과 전기화학적 거동

김신영; 문영필; 박근형; 조호형; 김원기; 손미경; 최한철

doi:10.5695/jkise.2008.41.5.232

ZrN 및 TiN 코팅된 치과교정 용 미니나사의 표면특성과 전기화학적 거동
Surface Characteristics and Electrochemical Behaviors of TiN and ZrN Coated Orthodontic Mini-screw 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.41 no.5, 2008년, pp.232 - 239

김신영 (조선대학교 치과대학 생체재료학교실 및 생체재료나노계면활성화센터, 2단계 BK21) , 문영필 (조선대학교 치과대학 생체재료학교실 및 생체재료나노계면활성화센터, 2단계 BK21) , 박근형 (조선대학교 치과대학 생체재료학교실 및 생체재료나노계면활성화센터, 2단계 BK21) , 조호형 (조선대학교 치과대학 생체재료학교실 및 생체재료나노계면활성화센터, 2단계 BK21) , 김원기 (조선대학교 치과대학 생체재료학교실 및 생체재료나노계면활성화센터, 2단계 BK21) , 손미경 (조선대학교 치과대학 생체재료학교실 및 생체재료나노계면활성화센터, 2단계 BK21) , 최한철 (조선대학교 치과대학 생체재료학교실 및 생체재료나노계면활성화센터, 2단계 BK21)

Abstract ▼ AI-Helper

The dental orthodontic mini-screw requires good mechanical properties and high corrosion resistance for implantation in the bone. The purpose of this study was to investigate the electrochemical characteristics of TiN and ZrN coated orthodontic mini-screws, mini-screws were used for experiment. Ion plating was carried out for mini-screw using Ti and Zr coating materials with nitrogen gas. Ion plated surface of each specimen w as o bserved with f ield emission scanning e lectron microscopy ( FE-SEM), e nergy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), and electrochemical tester. The surface of TiN and ZrN coated mini-screw were more smooth than that of other kinds of non-coated mini-screw due to dercrease of machined defects. The corrosion current density of the TiN and ZrN coated mini-screw decreased compared to non-coated sample. The corrosion potential of TiN and ZrN coated mini-screw were higher than that of non-coated mini-screw in 0.9% NaCl solution. The pitting corrosion resistance increased in the order of ZrN coated, TiN coated and non-coated wire. Pitting potential of ZrN coated mini-screw was the highest in the other specimens.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

0.9% NaCl 전해액에서 코팅된 시편의 전기화학적 거동을 조사하기 위하여 동전위법의 시험을 행한 미니스크류 표면의 금속조직변화를 조사하기 위하여 FE-SEM 및 EDX를 사용하여 관찰하였다.
Ion-plating된 교정선과 브라켓 표면은 금속현미경과 FE-SEM(field-emission scanning electron microscopy)으로 관찰하였으며 조성은 EDX(Energy Dispersive Xray spectroscopy)를 사용하여 분석하였다.
ion-plating을 위하여 질소가스를 TiN 코팅의 경우 10~20 mtorr, ZrN 코팅의 경우는 9~10 mtorr로 공급하였으며 코팅시간을 10 min으로 하여 코팅층의 두께가 2.0~2.5 μm가 되도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 내마모 및 내식성이 우수한 TiN과 ZrN을 교정용 미니스크류에 ion-plating시킨 후, 부식특성을 조사하였다.
양극분극곡선(anodic polarization curve)을 얻기 위해 36.5±1°C의 0.9% NaCl 전해액(pH가 5.34)에서 동전위방법을 이용하여 100 mV/min의 주사 속도로 -1500 mV에서 +2000 mV까지 전위를 가하여 1차 전기화학적 부식시험을 하였으며 실험시마다 시편과 전해액을 교환하였다.
전기화학적 방법을 이용한 부식시험은 Table 2와 같이 potentiostat(model:263A, EG & G Co, USA)을 사용하여 동전위법으로 실시하였다. 전해액 700 ml를 넣고 각각의 시편을 정전위 장치에 연결한 후 포화칼로멜전극(saturated calomel electrode, SCE)을 표준전극으로 하였으며 작업전극은 준비된 시편으로 하였다. 시편과 표준전극(reference electrode)간의 거리를 약 1 mm로 조절하였으며, 보조전극(counter electrode)으로 고밀도 탄소전극을 사용하였다.
을 사용하였다. 즉 0.9% NaCl 전해액에서 1.667 mV/s의 전위주사속도로 정방향주사를 전위 Ev가 1500 mV까지 행한 후 같은 전위주사속도로 -800 mV까지 역방향주사시킨 다음 부식실험을 중지하였을때 공식전위(pitting potential) 또는 부동태 파괴전위(E_pit: passive film breakdown potential) 와 재부동태화전위(E_rep: repassivation potential)로 TiN 및 ZrN 코팅표면의 공식저항을 조사하였다.
치과교정용 미니나사의 부식특성에 미치는 ZrN 및 TiN 코팅영향을 조사하기 위하여 ion-plating법을 이용하여 TiN과 ZrN을 코팅한 후 표면특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 실험의 코팅과 부식시험에 사용된 미니스크류는 Ti-6Al-4V합금을 이용하여 JAEIL MEDICAL Co, Korea에서 제조한 것을 사용하였다.
전해액 700 ml를 넣고 각각의 시편을 정전위 장치에 연결한 후 포화칼로멜전극(saturated calomel electrode, SCE)을 표준전극으로 하였으며 작업전극은 준비된 시편으로 하였다. 시편과 표준전극(reference electrode)간의 거리를 약 1 mm로 조절하였으며, 보조전극(counter electrode)으로 고밀도 탄소전극을 사용하였다. 양극분극곡선(anodic polarization curve)을 얻기 위해 36.
연구에 사용된 코팅조건은 Table 1과 같으며 플라즈마 아아크 ion-plating 장치(Cliotek Ion-Plating, Cliotek, Inc. Korea)에 시험편을 장착한 후, 진공챔버를 3.0×10-5 torr까지 배기시키고 mass flow controller를 이용하여 Ar gas를 10~20 mtorr로 공급하였다.

이론/모형

미니스크류의 공식특성(pitting corrosion)을 조사하기 위하여 CPPT(cyclic potentiodynamic polarization test)방법⁹⁾을 사용하였다. 즉 0.
전기화학적 방법을 이용한 부식시험은 Table 2와 같이 potentiostat(model:263A, EG & G Co, USA)을 사용하여 동전위법으로 실시하였다.

성능/효과

1. ZrN과 TiN을 코팅한 미니스크류는 표면에서 기계적인 가공 결함이 감소하고 작은 알갱이가 조밀하게 구성된 균일한 코팅표면을 나타냈다.
2. 미니스크류에 ZrN과 TiN이 코팅된 경우에는 전류밀도가 감소하고 부식전위가 증가하였으며 부식전류밀도는 감소하여 내식성이 향상되는 경향을 나타냈다.
3. 미니스크류의 공식저항은 ZrN을 코팅한 경우가 가장 우수하였으며, TiN 및 코팅하지 않은 순으로 감소되었다.
9% NaCl용액에서 공식을 측정한 CPPT곡선이다. CPPT 곡선으로부터 코팅한 경우는 재부동태화곡선이 훨씬 왼쪽에 나타나 공식에 대한 저항성이 크게 나타났으며 ZrN을 코팅한 경우는 공식전위가 750 mV 이고, TiN은 600 mV 및 코팅하지 않은 경우는 250 mV를 나타내고 있다. 부식전위는 ZrN코팅한 경우가 -500 mV, TiN을 코팅한 경우는 -250 mV 및 코팅하지 않은 경우는 -550 mV 이므로 공식저항성을 나타내는 ⎢E_pit-E_corr⎢값은 ZrN이 1250 mV이다.
주사전자현미경으로 관찰한 결과, 미니스크류에 코팅을 하지 않은 경우에 비하여 코팅한 경우가 아주 매끄러운 형상을 보였는데 ZrN은⁵⁾ TiN에 비하여 코팅이 균일하게 될뿐더러 고배율로 관찰하더라도 입자가 아주 작게 나타나 표면에서 코팅이 균질하고 코팅피막의 밀도가 높음을 알 수 있었다. FE-SEM 으로 관찰된 미니스크류의 표면거칠기는 기계적 가공에 의한 스크래치에 따라서 차이를 보이는데 TiN과 ZrN을 코팅처리하면 그 표면의 거칠기는 크게 감소되며 특히 ZrN의 코팅표면의 거칠기를 최소화 하였다. Fig.
TiN 및 ZrN 코팅된 미니스크류의 공식시험결과, 코팅된 미니스크류의 경우, 코팅되지 않은 것에 비하여 코팅된 경우가 전류밀도의 감소로 왼쪽에 위치하여 전반적인 영역에서 전류밀도 값이 감소하는 경향을 보여 내공식성이 우수함을 보였다. 코팅된 것과 되지 않은 것의 공식특성차이는 표면에 형성된 기계적 결함의 노출과 코팅물질로 인한 결함의 감소 때문이며 0.
9% NaCl용액에서 아주 우수한 내공식특성을 나타내 코팅의 효과가 큼을 알 수 있다. 공식의 저항성을 CPPT방법으로 조사 하면 코팅효과를 알 수 있는데 CPPT방법은 Fig. 5에서와 같이 공식저항은 분극곡선상에서 전위를 정방향 주사하고 다시 역방향 주사를 행하면 정방향에서 공식전위(E_pit)가 나타나고 역방향에서 재부동 태화전위(E_rep)가 나타나며 재부동태화전위와 부식 전위의 차 ⎢E_pit-E_rep⎢를¹³⁾ 이용하거나 ⎢E_pit-E_rep⎢를 사용하여 공식저항성을 나타내는데 ⎢E_pit-E_rep⎢값은 ZrN이 1250 mV, TiN을 코팅한 경우는 850 mV 및 코팅하지 않은 경우는 800 mV를 나타내어 ZrN을 코팅한 경우가 내공식성이 가장 우수함을 알 수 있다. 이는 코팅표면에서 TiN(ZrN)+O₂→TiO₂(ZrO₂)+1/2N₂과 같은 반응¹⁴⁾이 촉진되고 따라서 TiO₂, TiO₂N, TiO₂·H₂O 및 ZrO₂가 표면에 형성됨으로써^8,9), Cl 이온에 대한 저항을 하여 공식을 억제하기 때문으로 생각된다.
공식전위가 코팅하지 않은 경우 250 mV이지만 ZrN코팅의 경우는 750 mV를 나타내어 공식저항성이 우수함을 보인다. 또한 TiN과 ZrN이 코팅됨으로써 공식전위의 값은 크게 상승함으로써 0.9% NaCl용액에서 아주 우수한 내공식특성을 나타내 코팅의 효과가 큼을 알 수 있다. 공식의 저항성을 CPPT방법으로 조사 하면 코팅효과를 알 수 있는데 CPPT방법은 Fig.
미니스크류의 구강내에 매식은 끝부분의 강도부여와 함께 내식성을 증가시켜야 하기 때문에 코팅 처리한 효과가 부식특성에 미치는 영향을 조사한 결과 코팅된 미니스크류의 경우, 코팅되지 않은 것에 비하여 전류밀도가 전체적으로 감소하여 왼쪽에 위치하여 전류밀도 값이 감소하는 경향을 보였다. 전류밀도는 미니나사의 표면에서 금속이온을 방출 하도록 외부에서 인위적으로 전위를 가하여 전자의 크기로 이온의 용출을 측정하는 것이므로 전류의 크기가 작을수록 이온의 용출이 작다는 것을 의미하므로 결국 구강 내에서 나타나는 전위가 보통 -300 mV에서 +300 mV범위 내에 있기 때문에 250 mV 를 가하여 전류밀도를 보면 ZrN이 코팅된 경우가 3.
특히 기판위에 일차로 Ti를 코팅하면 더 큰 효과를 얻을 수 있는데 그 기구는 일차 코팅된 Ti가 TiN 박막의 결정구조를 치밀한 방향으로 개선하여 코팅 층의 경도와 내마모성을 크게 향상시킨다. 본 연구에서도 코팅된 표면의 거칠기는 육안으로 확연히 구별되는데 코팅된 경우가 매끄러운 형태를 보여 내마모성을 감소시키고 전기화학적으로 안정한 표면을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.
4에 나타내었다. 양극분극 곡선은 전류밀도가 낮은 경우가 내식성이 우수한다고 생각할 수 있는데 코팅된 미니스크류의 경우가 코팅되지 않은 것에 비하여 전류밀도가 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. ZrN을 코팅한 경우는 TiN을 코팅한 경우에 비하여 곡선이 왼쪽에 위치하여 내식성이 증가하였으며 구강내 최대전위인 250 mV대에서 전류밀도 값은 ZrN이 코팅된 경우가 3.
1, 2, 및 3에서 표면관찰을 통하여 확인하였듯이 ZrN을 코팅한 경우 아주 조밀한 코팅이 이루어짐으로써 내식성이 크게 증가된 것으로 생각된다. 재료의 표면에서 산화와 환원이 발생되기 시작하는 부식전위 값이 ZrN코팅된 표면에서 가장 높게 나타나 표면에 가장 안정된 피막의 형성으로 내식성이 가장 우수함을 알 수 있다.
. 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 미니스크류에 코팅을 하지 않은 경우에 비하여 코팅한 경우가 아주 매끄러운 형상을 보였는데 ZrN은⁵⁾ TiN에 비하여 코팅이 균일하게 될뿐더러 고배율로 관찰하더라도 입자가 아주 작게 나타나 표면에서 코팅이 균질하고 코팅피막의 밀도가 높음을 알 수 있었다. FE-SEM 으로 관찰된 미니스크류의 표면거칠기는 기계적 가공에 의한 스크래치에 따라서 차이를 보이는데 TiN과 ZrN을 코팅처리하면 그 표면의 거칠기는 크게 감소되며 특히 ZrN의 코팅표면의 거칠기를 최소화 하였다.

후속연구

이러한 결과로 부터 교정용 미니스크류의 표면에 TiN 및 ZrN을 코팅하여 세포독성 없이 내식성을 개선하고 강도부여로 인한 매식과정에서 파절되는 문제를 개선시킬 수 있어 교정용 기구에 코팅을 행함으로써 임상적인 효과를 증대시킬 수 있을 것으로 생각된다.
이러한 결과를 토대로 미니스크류의 표면에 TiN 및 ZrN을 코팅하여 내식성의 개선과 강도의 부여하기 위하여 교정용 장치에 코팅을 행함으로써 임상적인 교정효과를 크게 증대시킬 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교정용 미니스크류는 어떤 문제점이 있는가?	이러한 미니스크류는 구강 내에 매식되기 때문에 생체안정성을 포함하여 강도가 어느 정도 유지 되어야 하며 이들 교정용 미니스크류는 보철용 임플란트와 같이 구강 내에서 재료의 내식성과 물리적 특성에 대한 개선이 선행되어야 한다. 교정용 미니스크류는 첨단 부위가 가늘고 약하여매식하는 도중에 끝이 휘거나 부러지는 문제점이* 있다. 이를 개선하기 위한 방법은 이온플레이팅법을 이용한 표면처리를 통하여 개선할 수 있다.
	ion-plating이 다른 PVD방법에 비해 갖는 장점은 무엇인가?	현재 응용되고 있는 코팅방법은 TiCl4, N2 및 H2가스를 이용하는 CVD(chemical vapor deposition), ion-plating법 및 PVD(physical vapor deposition)법이 사용되고 있다5). 과거에는 ZrN과 TiN 코팅이 주로 CVD법에 의해 수행되었으나 반응가스에 의한 오염과 600°C 이상의 고온처리에 따른 모재의 변형6)을 피하기 위해 현재는 주로 PVD법이나 ion-plating법에 의해 처리되고 있으며 그 중 ion-plating은 다른 PVD 방법에 비하여 코팅막과 기지와의 접착력이 가장 우수한 장점이 있다. 일반적으로 ZrN과 TiN 박막의 기계적 성질은 코팅층의 표면이나 계면특성에 의해 크게 영향을 받으므로 이러한 결함을 억제하는 것이 중요하다.
	치과교정용 미니나사의 부식특성에 미치는 ZrN 및 TiN 코팅영향을 조사하기 위하여 ion-plating법을 이용하여 TiN과 ZrN을 코팅한 후 표면특성을 조사한 결과는 어떠한가?	1. ZrN과 TiN을 코팅한 미니스크류는 표면에서 기계적인 가공 결함이 감소하고 작은 알갱이가 조밀하게 구성된 균일한 코팅표면을 나타냈다. 2. 미니스크류에 ZrN과 TiN이 코팅된 경우에는 전류밀도가 감소하고 부식전위가 증가하였으며 부식전류밀도는 감소하여 내식성이 향상되는 경향을 나타냈다. 3. 미니스크류의 공식저항은 ZrN을 코팅한 경우가 가장 우수하였으며, TiN 및 코팅하지 않은 순으로 감소되었다.

참고문헌 (15)

D.E. Peebles, L.E. Pope, Thin Solid Films 173, (1989) 19

상세보기
K.H. Habig, Surf. Coat. Technol., 42, (1990) 133

상세보기
R.I. Damaschek, L. Strydom, H.W. Bergmann, Surf. Eng., 13, (1997) 128

상세보기
J.C. Knight, T.F. Page, Thin Solid Films, 193, (1990) 431

상세보기
E. Erturk, H.J. Heuvel, Thin Solid Films, 153, (1987) 135

상세보기
A.T. Santhanam, US Patent 5, (1993) 257
E. Harju, A.S. Korhonen, L. Jiang, E. Ristolainen, Surf. Coat. Technol., 85, (1996) 189

상세보기
A. Ramalho, M.T. Viera, A.S. Miranda, Proceedings of 6th international congress on tribology (EUROTRIB93), Budapest(Hungary), Edited by Mihaly Kosma, 3, (1993) 309
H.C. Choe, Surf. Coat. Technol., 112, (1999) 299

상세보기
B. Berghaus, German Patent DRP (1932) 639
J.A. Thornton and A.S. Penfold, Thin Film Processes, edited by J.L.Vossen and W. Kern, Academic Press, (1978) 75
H.C. Choe, Y.M. Ko, Materials Science Forum, 475, (2005) 2287
D.A. Jones, Principles and prevention of corrosion, Maxwell MacMillan International Ed, New York, (1992) 21
D.M. Brunette, P. Tengvall, M. Textor, P. Thomsen, Titanium in medicine, Springer, (2001) 320
M. Pourbaix, Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, Pergamon Press, New York, (1966) 193

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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