[논문]<tex>$HfO_2$</tex>와 <tex>$CeO_2$</tex>가 첨가된 3Y-TZP 치과용 블록의 제조 및 특성 평가

지상용; 지형빈; 박홍채; 윤석영

[국내논문] $HfO_2$와 $CeO_2$가 첨가된 3Y-TZP 치과용 블록의 제조 및 특성 평가
Preparation and characteristics of $HfO_2$ and $CeO_2$ doped 3Y-TZP block for dental ceramic block 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.19 no.6, 2009년, pp.311 - 317

지상용 (부산대학교 재료공학부) , 지형빈 (부산대학교 재료공학부) , 박홍채 (부산대학교 재료공학부) , 윤석영 (부산대학교 재료공학부)

초록
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CAD/CAM 가공이 가능한 치과용 3Y-TZP블록을 제조하였다. 블록 제조를 위하여 3Y-TZP분말에 $HfO_2$와 $CeO_2$ 분말을 첨가하여 $800{\sim}1100^{\circ}C$에서 열처리 한 후 $1450^{\circ}C$에서 소결하였으며, 이때 $HfO_2$와 $CeO_2$ 분말의 첨가량 및 열처리 조건에 따른 블록의 기계적 특성 및 화학적 특성을 조사하였다. EDS mapping 이미지를 통하여 $HfO_2$와 $CeO_2$ 분말이 3Y-TZP에 비교적 분산이 잘되어 있음을 확인하였다. 본 실험에서는 3 wt% $HfO_2$가 첨가된 블록이 가장 높은 굽힘 강도(1 GPa)를 나타내었으며, 3 wt% $CeO_2$가 첨가된 블록은 수열분위기하에서의 $t-ZrO_2$의 안정성을 향상 시키는 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

3Y-TZP block doped with $HfO_2$ and $CeO_2$ for dental ceramic block to the proliferation of CAD/CAM systems was prepared by heating at $800{\sim}1100^{\circ}C$ and then sintering at $1450^{\circ}C$. The influences of heating temperature and addition of $HfO_2$ and $CeO_2$ on the mechanical and chemical properties of 3Y-TZP block were investigated. Using the EDS mapping images, $HfO_2$ and $CeO_2$ was well dispersed in the 3Y-TZP matrix. 3 wt% $HfO_2$ doped block showed the optimum biaxial strength (1 GPa), while 3 wt% $CeO_2$ doped block enhanced the stability of $t-ZrO_2$ under hydrothermal atmosphere.

Keyword

AI 본문요약
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제안 방법

결정상, 밀도, 기계적, 화학적 성질을 조사하기 위해 시편의 크기를 10 × 50 × 6 mm 로 제작을 하였다.
소결체의 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 동일한 조건으로 처리된 3개의 시편에 대하여 2회씩 총 6회 측정하여 평균값을구하였으며, 소결체의 미세구조는 최종 소결된 시편을 0.5 µm 다이아몬드 분말을 사용하여 연마 후, 1400oC, 1시간 열 에칭한 표면을 주사전자현미경(SEM, JSM-840A, Jeol, Japan)을 사용하여 관찰하였다.
본 실험에서는 CAD/CAM 가공이 가능한 치과용 지르코니아 블록을 제조하였다. 지르코니아 블록을 제조 하기 위하여 3 wt% Y₂O₃가 첨가된 지르코니아를 주 원료로 사용하였다.
지르코니아 블록을 제조 하기 위하여 3 wt% Y₂O₃가 첨가된 지르코니아를 주 원료로 사용하였다. 블록 제조 시 HfO₂와 CeO₂의 첨가량과 열처리 온도를 변화시켜 얻어진 소결체의 기계적 특성과 화학적 특성을 조사하였다.
(Aldrichi사, 미국) 분말을 출발물질로 사용하였다. HfO₂와 CeO₂를 질량비로 1, 2, 3 %를 첨가하여 물을 분산매로 하고, 지르코니아 볼을 사용하여 볼 밀링을 24시간 하였다. 혼합된 분말을 액체질소를 이용하여 급냉하여 동결건조기를 이용 하여 건조 후, 분쇄하고 200 mesh 분급망을 통과시킴으로써 과립화하였다.
과립화된 분말을 결합재의 첨가 없이 금형 몰드에 주입하고 20 MPa로 일축가압한 후 100 MPa의 압력으로 냉간 정수압 성형을 하였다. 결정상, 밀도, 기계적, 화학적 성질을 조사하기 위해 시편의 크기를 10 × 50 × 6 mm 로 제작을 하였다.
소결체의 결정상은 X-선 회절기(XRD, D/max-IIA, Rigaku, Japan)를 이용하여 측정 하였다. 소결체의 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 동일한 조건으로 처리된 3개의 시편에 대하여 2회씩 총 6회 측정하여 평균값을구하였으며, 소결체의 미세구조는 최종 소결된 시편을 0.
10 × 50 × 6 mm 크기의 소결체의 양면을 다이아몬드지립을 이용하여 연마한 후, 꺽임강도 시편으로 사용하였다. 만능시험기(UTM, KSU-5M, Kyung Sung, Korea) 를 이용하여 같은 조건으로 5개의 시편을 3점 꺾임시험으로 측정하여 그 평균값을 취함으로써 꺾임 강도를 결정하였다. 경도는 동일한 연마 시편에 대하여 30 Kg의하중으로 10초간 유지하여 압자압입법(Vicker’s Hardness, Model DVK-1, Matsuzawa Seiki, Japan)으로 5회 측정한 값을 평균하였다.
파괴과정에서의 상변화을 관찰하기 위하여 파단면의 상변화를 관찰하였으며, 저온시효에 따른 소결체의 상적 안정성을 조사하기 위하여 autoclave 분위기하에서 H₂SO₄를 용매를 사용하여 200^oC에서 1시간 처리하여 소결체의 상변화를 조사하였다.
파단면의 경우에는 표면이 거칠기 때문에 XRD 결과를 정확하게 얻을 수 없는 경우가 있다. 그래서 정방정상의 안정성을 확인하기 위해서 H2SO4 용액에 침전시킨후, Autoclave에서 200^oC에서 1시간 시효를 시켜 XRD 결과를 분석하였다(Fig. 10). HfO₂를 첨가한 경우에는 정방정상을 찾기가 어려웠으며, CeO₂를 첨가한 경우에는 주 피크의 높이가 비슷한 것으로 미루어 단사정상으로 상변화가 일어났으나, HfO₂에 비해서 월등히 상변화를 억제한 것으로 확인 할 수 있었다.

대상 데이터

본 실험에서는 CAD/CAM 가공이 가능한 치과용 지르코니아 블록을 제조하였다. 지르코니아 블록을 제조 하기 위하여 3 wt% Y₂O₃가 첨가된 지르코니아를 주 원료로 사용하였다. 블록 제조 시 HfO₂와 CeO₂의 첨가량과 열처리 온도를 변화시켜 얻어진 소결체의 기계적 특성과 화학적 특성을 조사하였다.
3 mol% Y₂O₃-ZrO₂(Kyoritsu사, 일본, 이하 Y-TZP라 칭함), HfO₂(Aldrichi사, 미국) 및 CeO₂(Aldrichi사, 미국) 분말을 출발물질로 사용하였다. HfO₂와 CeO₂를 질량비로 1, 2, 3 %를 첨가하여 물을 분산매로 하고, 지르코니아 볼을 사용하여 볼 밀링을 24시간 하였다.

데이터처리

경도는 동일한 연마 시편에 대하여 30 Kg의하중으로 10초간 유지하여 압자압입법(Vicker’s Hardness, Model DVK-1, Matsuzawa Seiki, Japan)으로 5회 측정한 값을 평균하였다.

성능/효과

Y-TZP계 세라믹스의 파괴인성은 정방정상에서 단사정상으로 응력유기상전이에 따른 상전이도에 의해 결정되며 이러한 상전이 도는 안정화제의 양, 입자의 크기 및 형상, 기지상의 억제, 입계상과 같은 미세구조적 또는 조성변수에 의해 영향을 받는 것으로 보고 되어지고 있다[14]. 하지만, 본 연구에서는 미세구조적인 변화가 크게 없었으며, 조성변수를 많이 두지 않은 것이 파괴인성에 큰 변화을 주지 않은 것으로 판단되어 진다.
압분체의 파괴강도는 HfO₂가 3%일 때 최대 1 GPa을 가지며, 오차 범위 내에 존재하지만, 첨가량이 증가할 수록 파괴강도의 값은 증가함을 알 수 있었다. 이는 HfO₂나 CeO₂가 3Y-TZP의 입계에 존재하여 파괴에 대한 응력을 작용한 것으로 사료된다.
이 경우에는 미세구조상에서 Ce-TZP의 빠른 입자성장을 찾아볼 수 없었다. 입성장이 일어나지 않아 강도의 감소가 없었으며, 정방정상의 안정성이 월등히 상승한 것으로 확인 할 수 있었다. 정방정상의 안정성을 높이기 위해서 CeO₂를 안정화제로 첨가하는 경우에는 입성장에 의하여 강도가 감소하는 경우가 야기 될 수 있는데, 본 실험에서는 그 현상을 관찰 할 수 없었다.
10). HfO₂를 첨가한 경우에는 정방정상을 찾기가 어려웠으며, CeO₂를 첨가한 경우에는 주 피크의 높이가 비슷한 것으로 미루어 단사정상으로 상변화가 일어났으나, HfO₂에 비해서 월등히 상변화를 억제한 것으로 확인 할 수 있었다.
1000^oC 이상에서 열처리한 3Y-TZP의 소결체의 경우 X-선 회절분석에서 정방정상 이외의 상을 확인 할 수없었으며, 밀도는 1400^oC에서 이론밀도의 99.3 %를 나타내었다. 미세구조의 경우 평균입자크기는 0.
정방정상의 안정성에 대해서는 HfO₂를 첨가한 경우에는 파단면에서 단사정을 확인 할수 있었으며, CeO₂를 첨가한 경우에는 파단면에서 단사정을 확인 할 수 없었다. 저온시효에서 정방정상의 안정성을 확인하기 위한 H2SO4를 용매로 한 autoclave 시험에서 CeO₂를 첨가한 경우에 월등히 높은 안정성을 확인할 수 있었다.
Fig. 7의 EDS mapping 사진에서 볼 수 있듯이, Hf과 Ce이 응집되지 않고 3Y-TZP에 잘 분산된 것을 확인 할수 있었다. 첨가된 Hf과 Ce이 대부분 입계에 자리잡고 있으나, 입내에도 일부 존재하고 있는 것을 확인 할 수있었다.
C에서 2시간 소결한 압분체의 미세경도(Hv), 파괴인성(KIC), 파괴강도(σf) 값을 Table 1에 나타내었다. 경도 값은 12.20~12.63 GPa, 파괴인성은 15.47~16.41 MPa의 값을 가지며, 원료분말 보다는 HfO₂와 CeO₂를첨가한 압분체에서 높은 값을 나타내었으나, 첨가량에따라 차이는 별로 크게 나타나지 않았다. Y-TZP계 세라믹스의 파괴인성은 정방정상에서 단사정상으로 응력유기상전이에 따른 상전이도에 의해 결정되며 이러한 상전이 도는 안정화제의 양, 입자의 크기 및 형상, 기지상의 억제, 입계상과 같은 미세구조적 또는 조성변수에 의해 영향을 받는 것으로 보고 되어지고 있다[14].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지르코니아는 어떤 형태로 응용되는가?	그러나, 최근 들어 세라믹 재료들 중에 가장 높은 파괴인성과 강도를 가지면서 생체 친화성을 갖는 지르코니아(ZrO2)의 치과재료의 용도와 CAD/CAM기술의 발전및 보편화에 따라 수복재료로의 상기 조건들이 만족됨에 따라 급속히 지르코니아가 금속재료들을 대체해 가고 있다[9-11]. 일반적으로 지르코니아는 Y2O3, CeO2, MgO 및 CaO 등 고용시킨 부분안정화 지르코니아(Partially stabilized zirconia, PSZ) 또는 정방정 지르코니아 다결정(tetragonal zirconia polycrystals, TZP)의 두 형태로 응용되고 있으며, 소결온도가 상대적으로 낮고 제조공정이 비교적 간단한 TZP가 구조용 재료로서 보편적으로 사용되고 있다. 한편, HfO2는 지르코니아와 결정구조가 유사하며 일반적인 지르코니아 내에 존재하고 있으며, 그 함유량이 높아질수록 지르코니아의 색상이 황색으로 변화한다.
	TZP가 구조용 재료로서 보편적으로 사용되는 이유는?	그러나, 최근 들어 세라믹 재료들 중에 가장 높은 파괴인성과 강도를 가지면서 생체 친화성을 갖는 지르코니아(ZrO2)의 치과재료의 용도와 CAD/CAM기술의 발전및 보편화에 따라 수복재료로의 상기 조건들이 만족됨에 따라 급속히 지르코니아가 금속재료들을 대체해 가고 있다[9-11]. 일반적으로 지르코니아는 Y2O3, CeO2, MgO 및 CaO 등 고용시킨 부분안정화 지르코니아(Partially stabilized zirconia, PSZ) 또는 정방정 지르코니아 다결정(tetragonal zirconia polycrystals, TZP)의 두 형태로 응용되고 있으며, 소결온도가 상대적으로 낮고 제조공정이 비교적 간단한 TZP가 구조용 재료로서 보편적으로 사용되고 있다. 한편, HfO2는 지르코니아와 결정구조가 유사하며 일반적인 지르코니아 내에 존재하고 있으며, 그 함유량이 높아질수록 지르코니아의 색상이 황색으로 변화한다.
	치아 수복재료는 금속 재료를 코아로 하는 PFM이나 PFG가 많이 사용되어 왔지만 이들이 가지는 단점은?	선천성 결손 혹은 외부적인 요인인 사고 등으로 인해 상실된 치아 경조직을 대체함으로써 치아의 형태와 기능을 부여하는 치아 수복재료는 지금까지는 금속 재료를 코아로 하는 PFM(Porcelain-fused to metal crown)[1]이나 PFG(Porcelain-fused to gold)[2] 등이 많이 사용되어 왔다. 하지만, 금속과 세라믹층간의 열팽창 불일치, 도재에 의한 대합치 치질의 지나친 마모, 도재와의 접착을 위한 금속 표면을 산화시켜 생성된 금속산화물과 불 투광 세라믹 층 사이의 파절등에 따른 도재관의 실패율을 무시할 수 없는 실정이다. 한편, 도재관을 이용한 전치부 수복시 금속의 불투명성으로 인한 치관 주위의 변색[3]에 따라 심미성이 떨어지며, 금속에 의한 잠정적인체내 부작용 및 과민 반응에 관한 우려가 팽배해 지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Opec HSP, IPS-Empress, Cerastore, In-Ceram, Cerecemd 다양한 형태의 세라믹 재료들이 출시되었으나, 치아 수복재료의 요건인 생체친화성, 제작의 용이성, 심미성, 구강 내 적용 시 적합한 강도 등을 만족시키기에 해결하여야 할 문제가 산재되어 있는 실정이다[4-8].

참고문헌 (16)

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J.G. Duh and M.Y. Lee, "Fabrication and sinterability in $Y_2O_3-CeO_2-ZrO_2$ ", J. Mater. Sci. 24 (1989) 4467

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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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