[논문]30 wt% β-Tricalcium Phosphate/Al2O3 복합재료의 제조 및 특성

정희철; 하정수

doi:10.3740/mrsk.2018.28.3.142

[국내논문] 30 wt% β-Tricalcium Phosphate/Al2O3 복합재료의 제조 및 특성
Processing and Properties of 30 wt% β-Tricalcium Phosphate/Al2O3 Composites 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.28 no.3, 2018년, pp.142 - 147

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${\beta}-Tricalcium$ phosphate (TCP) was added to $Al_2O_3$ to make a biomaterial with good mechanical properties. Using a TCP powder synthesized by a polymer complexation method, $Al_2O_3$ composites containing 30 wt% TCP were fabricated and characterized for densification, phase, microstructure, strength, and fracture toughness. With optimizing the powder preparation conditions, a high densification of 97 % was obtained by sintering at $1350^{\circ}C$ for 2 h. No reaction between the two components occurred and there was no transition to ${\alpha}-TCP$. TCP grains with a size of $2-4{\mu}m$ were well surrounded by $Al_2O_3$ grains with a size of $1{\mu}m$ or less. Strength 61(Brazilian) or 187(3-p MOR) MPa, and fracture toughness 1.7 (notched beam) or 2.5 (indentation) $MPa{\cdot}m^{1/2}$ were obtained, which are large improvements over the strength of $TCP/Al_2O_3$ composites and toughness of TCP and hydroxyapatite in previous studies.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구자는 용액공정인 polymer complexation 방법¹¹⁾으로 합성한 TCP 분말을 이용, β-TCP가 30 wt% 첨가된 Al₂O₃ 복합재료를 1350ºC에서 소결하여 96 %의 밀도를 얻을 수 있음을 보고한 바가 있다.¹²⁾ 본 연구에서는 TCP 분말 합성 시 사용되는 질산칼슘의 종류와 분쇄조건에 따른 소결특성을 조사하였다. 그리고 최적조건으로 합성된 TCP 분말로 제조된 30 wt% TCP/ Al₂O₃ 복합재료에 대해 강도와 파괴인성을 조사하였고 이를 소결밀도, 결정상, 그리고 미세구조와 연관하여 분석하였다.

제안 방법

¹²⁾ 본 연구에서는 TCP 분말 합성 시 사용되는 질산칼슘의 종류와 분쇄조건에 따른 소결특성을 조사하였다. 그리고 최적조건으로 합성된 TCP 분말로 제조된 30 wt% TCP/ Al₂O₃ 복합재료에 대해 강도와 파괴인성을 조사하였고 이를 소결밀도, 결정상, 그리고 미세구조와 연관하여 분석하였다.
, 85 %, reagent grade,Samjeon)을 Ca과 P의 원료로 사용하였다. 질산칼슘의 경우 제조사가 다른 2 종류의 시약(Junsei, Aldrich; 이하 각각 CN1, CN2로 명명)을 사용하여 최종적으로 합성된 TCP 분말의 소결특성에 대한 영향을 비교하였다. Complexation을 위한 고분자로 PVA(MW 146000-186000, 87-89 % hydrolyzed, Aldrich, USA)를 사용하였다.
Complexation을 위한 고분자로 PVA(MW 146000-186000, 87-89 % hydrolyzed, Aldrich, USA)를 사용하였다. 먼저 질산칼슘과 인산을 증류수에 용해시켜 용액을 만들었다. TCP에 대한 화학양론적인 양보다 20 % 더 많은 양의 인산을 사용하였는데, 이는 건조공정 중에 기화하는 인산의 양을 감안한 것이다.
TCP에 대한 화학양론적인 양보다 20 % 더 많은 양의 인산을 사용하였는데, 이는 건조공정 중에 기화하는 인산의 양을 감안한 것이다. 이 용액에 PVA를 5 wt% 용액으로 만들어 첨가하였고, PVA에 의한 OH기의 음전하와Ca과 P에 의한 양전하 간의 비가 1:4가 되도록 하였다. PVA 첨가 후 4h 가열 교반하여 gel 형태의 TCP 전구체를 얻었다.
이 하소물을 다시 Al₂O₃ 유발로 분쇄한 후 isopropyl alcohol과 함께 12h ball milling을 해서 TCP 분말을 제조하였다. 그리고 gel 건조 후 단계에서 실시한 분쇄가 소결에 미치는 영향을 조사하기 위하여 CN1의 경우에 분쇄하지 않은 시료를 또한 준비하였다. 최종적으로 질산칼륨 종류에 따른 2 가지 그리고 CN1의 경우 gel 건조 후 미분쇄한 것을 포함해서 총 3 가지 종류의 TCP 분말을 제조하였다.
그리고 gel 건조 후 단계에서 실시한 분쇄가 소결에 미치는 영향을 조사하기 위하여 CN1의 경우에 분쇄하지 않은 시료를 또한 준비하였다. 최종적으로 질산칼륨 종류에 따른 2 가지 그리고 CN1의 경우 gel 건조 후 미분쇄한 것을 포함해서 총 3 가지 종류의 TCP 분말을 제조하였다.
이 분말들의 소결특성을 조사하기 위해 직경 13 mm disc 시편을 일축가압 성형(36 MPa)하거나 또는 추가로 CIP 성형(200 MPa)한 후 1250℃에서 1h의 조건¹²⁾으로소결하였다. Archimedes 방법으로 소결시편들의 밀도를 측정하였고, X선 회절분석을 통해 소결 전과 후의 결정상을 조사하였다.
으로소결하였다. Archimedes 방법으로 소결시편들의 밀도를 측정하였고, X선 회절분석을 통해 소결 전과 후의 결정상을 조사하였다. 또한 Brazilian test⁹⁾를 이용하여 강도를 측정하였다.
30 wt% TCP/Al₂O₃ 복합재료 (이하 TAC라고 명명)를제조하기 위해, 합성된 TCP 분말과 Al₂O₃ 분말(AKP-53, Sumitomo Chemical, Japan)을 칭량하여 isopropyl alcohol과 함께 12h 볼밀링을 하였다. 그리고 나서 가열교반을통해 용매를 제거한 후 60℃ oven에서 건조하였다.
Archimedes 방법으로 소결시편들의 밀도를 측정하였고,X선 회절분석을 통해 결정상을 조사하였다. Disc 시편은 Brazilian test, bar 시편은 3-P MOR test로 강도를 측정하였다. 그리고 indentation 방법과 notched beam 방법으로 파괴인성을 측정하였다.
그리고 indentation 방법과 notched beam 방법으로 파괴인성을 측정하였다. 시편의 연마면과 파단면에대해 SEM으로 미세구조 분석을 하였다.
이와 비교하면, 본 연구에서는 더 낮은 소결온도(1250 ℃)를 사용하여 훨씬 더 우수한 결과가 얻어진 것을 알 수 있다. 따라서 최적 조건으로 합성한 분말을 이용하여 복합재료를 제조하였다.

대상 데이터

Polymer complexation을 이용한 유기-무기 용액 공정11,12)으로 TCP 분말을 합성하기 위해 질산칼슘(Ca(NO3)2·4H2O, reagent grade)과 인산(H3PO4, 85 %, reagent grade,Samjeon)을 Ca과 P의 원료로 사용하였다.
질산칼슘의 경우 제조사가 다른 2 종류의 시약(Junsei, Aldrich; 이하 각각 CN1, CN2로 명명)을 사용하여 최종적으로 합성된 TCP 분말의 소결특성에 대한 영향을 비교하였다. Complexation을 위한 고분자로 PVA(MW 146000-186000, 87-89 % hydrolyzed, Aldrich, USA)를 사용하였다. 먼저 질산칼슘과 인산을 증류수에 용해시켜 용액을 만들었다.
3.2 TAC(30 wt% TCP/Al₂O₃ 복합재료) 소결 및 기계적성질TCP 합성분말을 사용하여 TAC를 제조하기 위해 1350^oC/2h의 소결조건을 사용하였다. 이는 기지성분인 Al₂O₃의 소결이 가능하면서 입자 성분인 TCP의 β→α상전이방지와 소결 최대화를 얻을 수 있는 조건으로 판단되었기 때문이다.
Polymer complexation 방법으로 합성한 β-TCP 분말을 가지고 1350 ℃, 2h 소결하여 97 %의 높은 밀도를 갖는 30 wt% TCP/Al2O3 복합재료를 제조하였다.

이론/모형

Archimedes 방법으로 소결시편들의 밀도를 측정하였고, X선 회절분석을 통해 소결 전과 후의 결정상을 조사하였다. 또한 Brazilian test⁹⁾를 이용하여 강도를 측정하였다.
Archimedes 방법으로 소결시편들의 밀도를 측정하였고,X선 회절분석을 통해 결정상을 조사하였다. Disc 시편은 Brazilian test, bar 시편은 3-P MOR test로 강도를 측정하였다.
Disc 시편은 Brazilian test, bar 시편은 3-P MOR test로 강도를 측정하였다. 그리고 indentation 방법과 notched beam 방법으로 파괴인성을 측정하였다. 시편의 연마면과 파단면에대해 SEM으로 미세구조 분석을 하였다.

성능/효과

이는 입도분석 결과와 일치하며, 분쇄의 경우 입도분석에서 15 μm 크기도 일부 있는 것으로 나타난 것은 submicrometer 크기의 미세한 입자들이 일부 응집체를 형성했기 때문인 것으로 파악된다. 이러한 결과들을 종합해보면 gel 건조 후 분쇄가 입자크기 미세화를 위해 반드시 필요함을 알 수 있다.
6 MPa의 강도(Brazilian)를 얻었다고 보고하였다. 이와 비교하면, 본 연구에서는 더 낮은 소결온도(1250 ℃)를 사용하여 훨씬 더 우수한 결과가 얻어진 것을 알 수 있다. 따라서 최적 조건으로 합성한 분말을 이용하여 복합재료를 제조하였다.
이는 기지성분인 Al₂O₃의 소결이 가능하면서 입자 성분인 TCP의 β→α상전이방지와 소결 최대화를 얻을 수 있는 조건으로 판단되었기 때문이다. 얻어진 TAC(이론밀도 3.65 g/cm³⁾의 소결 밀도는 3.54 g/cm³로서 97 %의 높은 밀도를 보였다. 앞에서 언급했듯이 TCP 합성분말의 우수한 소결성이 복합재료 소결에서도 효과적으로 발휘되었음을 알 수 있다.
파괴인성은 1.7 MPa·m1/2(notched beam)과 2.5 MPa·m1/2(indentation)로서 단일 TCP16) 0.67 MPa·m1/2나 HA17) 1 MPa·m1/2에 비해 2-3배 향상된 결과를 얻었다.
또한 생체활성 부여성분인 TCP가 Al₂O₃ 기지에 잘 분포되어 있었다. TCP 함량이 이전연구들 경우(10, 25 wt%) 보다 더 높았음에도 강도가 4-7배 향상되었으며, 파괴인성은 단일 TCP나 HA에 비해 2-3배 높았다.
SEM 결과를 보면 분쇄의 경우 1 μm 보다 작은 입자들로 되어있고, 미분쇄의 경우 1 μm 보다 큰 입자들로 되어있음을 확인할 수 있다.
3. XRD patterns of TCP powder and TCP sintered at 1250 ^oC.

CN1을 사용해 합성한 TCP 분말에 대해 gel 건조 후 분쇄여부에 따른 소결밀도를 보면(Table 1), 분쇄를 실시한 경우(99 %TD)가 하지 않은 경우(89 %TD) 보다 훨씬 더 높은 소결성을 보였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Tricalcium phosphate의 문제점은?	Tricalcium phosphate(TCP)는 생체활성이 우수해 뼈 대체재료로 매우 적합하며, hydroxyapatite(HA)와 달리 생체에 재흡수될 수 있는 성질이 있어 뼈 재생을 위한scaffold로도 유망하다. 그러나 소결체의 강도가 낮아서 큰 하중이 걸리는 부위로의 적용에 문제가 있다. HA나 TCP의 기계적 성질을 향상시키기 위해 Al2O3, ZrO2, mullite 등과 같은 강한 재료를 첨가하여 복합화 하는 방법이 주로 연구되어왔다.
	기계적 성질을 향상시키기 위하여 첨가하는 재료는?	그러나 소결체의 강도가 낮아서 큰 하중이 걸리는 부위로의 적용에 문제가 있다. HA나 TCP의 기계적 성질을 향상시키기 위해 Al2O3, ZrO2, mullite 등과 같은 강한 재료를 첨가하여 복합화 하는 방법이 주로 연구되어왔다.1-6) 생체활성과 기계적 성질 둘 다 만족하는 재료를 만드는 또 다른 방법은 HA나 TCP를 기계적 성질이 우수한 재료에 생체활성 부여 성분으로 첨가하는 것이다.
	Tricalcium phosphate의 특징은?	Tricalcium phosphate(TCP)는 생체활성이 우수해 뼈 대체재료로 매우 적합하며, hydroxyapatite(HA)와 달리 생체에 재흡수될 수 있는 성질이 있어 뼈 재생을 위한scaffold로도 유망하다. 그러나 소결체의 강도가 낮아서 큰 하중이 걸리는 부위로의 적용에 문제가 있다.

참고문헌 (17)

B. Viswanath and N. Ravishankar, Scr. Mater., 55, 863 (2006).

상세보기
Y. X. Pang, X. Bao, and L. Weng, J. Mater. Sci., 39, 6311 (2004).

상세보기
E. Adolfsson, P. Alberius-Henning, and L. Hermansson, J. Am. Ceram. Soc., 83, 2798 (2000).

상세보기
R. Ramachanda Rao and T. S. Kannan, Mater. Sci. Eng. C, 20, 187 (2002).

상세보기
V. V. Silva, F. S. Lamerias, and R. Z. Dominguez, Compos. Sci. Technol., 61, 301 (2001).

상세보기
S. Nath, K. Biswas, K. Wang, R. K. Bordia, and B. Basu, J. Am. Ceram. Soc., 93, 1639 (2010).

상세보기
Z. Shen, E. Adolfsson, M. Nygren, L. Gao, H. Kawaoka, and K. Niihara, Adv. Mater., 13, 214 (2001).

상세보기
Y-M. Kong, C-J. Bae, S-H. Lee, H-W. Kim, and H-E. Kim, Biomaterials, 26, 509 (2005).

상세보기
S. Sakka, F. B. Ayed, and J. Bouaziz, IOP Conference Series: Mater. Sci. Eng., 28, 012028 (2012).
S. Sakka, J. Bouaziz, and F. B. Ayed, in Advances in Biomaterials Science and Biomedical Applications. ed. R. Pignatello (INTECH, 2013) p.23
S-J. Lee, S-I. Ko, M-H. Lee, and N-S. Oh, J. Ceram. Proc. Res., 8, 281 (2007).
Jung-Soo Ha, J. Korean Ceram. Soc., 52, 374 (2015).

원문보기 상세보기
H-S. Ryu, H-J. Youn, K-S. Hong, B-S. Chang, C-K. Lee, and S-S. Chung, Biomaterials, 23, 909 (2002).

상세보기
Y-K. Jun, S-H. Hong, and Y-M. Kong, J. Am. Ceram. Soc., 89, 2295 (2006).

상세보기
X. Zhang, F. Jiang, and T. Groth, J. Mater. Sci.: Mater. Med., 19, 3063 (2008).

상세보기
R. Borges, S. Ribeiro, J. Marchi, H. N. Yoshimura, Mater. Sci. For., 798, 454 (2014).
Z. Xihua, L. Changxia, L. Musen, B. Yunqiang, S. Junlong, Ceram. Int., 35, 1969 (2009).

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저자의 다른 논문 :

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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