[논문]전해 용액에 포함된 EDTA에 따른 AZ31 합금 표면의 PEO 코팅 층 비교

우진주; 김민수; 구본흔

doi:10.7234/composres.2020.33.4.185

[국내논문] 전해 용액에 포함된 EDTA에 따른 AZ31 합금 표면의 PEO 코팅 층 비교
Comparison of PEO Coating Layer of AZ31 Alloy Surface according to EDTA Contained in Electrolytic Solution 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.4, 2020년, pp.185 - 190

우진주 (School of Materials Science & Engineering, Changwon National Univerisity) , 김민수 (School of Advanced Defense Engineering, Changwon National Univerisity) , 구본흔 (School of Materials Science & Engineering, Changwon National Univerisity)

초록
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티타늄은 우수한 생체 적합성으로 임플란트 재료로 많이 사용되고 있지만 높은 비용과 뼈 대비 높은 영률로 인한 문제점이 있다. 이를 대체할 재료로 마그네슘합금이 주목받고 있다. 마그네슘합금은 티타늄과 마찬가지로 생체 적합성이 우수하고 뼈와 비슷한 영률을 가지고 있다. 하지만 부식으로 인한 내식성 문제가 있어 이를 해결하기 위해 다양한 표면 처리법이 연구되고 있다. 본 연구는 EDTA를 포함한 전해 용액에서 AZ31 마그네슘 합금 표면에 전해플라즈마공정으로 세라믹 코팅 층을 성장시키고 형성된 코팅의 특성은 SEM, XRD를 통해 미세구조 및 형상을 분석하였고 코팅 층의 미세 경도 측정을 하였으며, 사람의 혈장과 비슷한 성분인 SBF용액 내에서 부식테스트를 통해 생체내에서의 부식 특성을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium is widely used as an implant material due to its excellent biocompatibility, but has a problem due to high cost and high Young's modulus compared to bone. Magnesium alloy is attracting attention as a material to replace it. Magnesium alloy, like titanium, has excellent biocompatibility and has a Young's modulus similar to that of bone. However, there are corrosion resistance problems due to corrosion, and various surface treatment methods are being studied to solve them. In this study, the ceramic coating layer was grown on the surface of the AZ31 magnesium alloy in an electrolytic solution containing EDTA, and the properties of the formed coating were analyzed through SEM and XRD to analyze the microstructure and shape, and measured the micro hardness of the coating layer. Corrosion properties in the body were evaluated through a corrosion test in SBF solution, a component similar to blood plasma.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of PEO process
그림 Fig. 2. Reaction at anode and cathode
표 Table 1. Composition of AZ31 magnesium alloy
그림 Fig. 3. Growth process of the coating layer on the anode surface
그림 Fig. 4. Molecular structure of EDTA
그림 Fig. 5. SEM image of the surface and cross-section of the coating layer
그림 Fig. 6. XRD plot of the coating layer
그림 Fig. 7. Porosity of surface and cross-section of coating layer
그림 Fig. 8. Thickness and hardness of coating layer
그림 Fig. 9. Polarization curve according to the change of EDTA amount
표 Table 2. Electrochemical parameters from EDTA quantities and polarization curves

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전해 용액에 생체 적합성 소재인 EDTA양을 변수로 첨가하여 전해플라즈마 공정으로 AZ31 마그네슘 합금 모재 표면에 세라믹 코팅을 진행한 후 임플란트 용 티타늄 소재를 대체할 마그네슘 합금 기반의 소재를 시험해보고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 친환경 코팅 방법으로 알려진 전해플라즈마 공정(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO)을 이용하여 마그네슘 합금 표면에 세라믹 피막을 코팅하였으며, 이때 사용되는 알칼리성 전해 용액을 제조할 때 EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)을 같이 첨가하여 제조한 용액에 마그네슘 합금을 침지하고 고전압을 가하여 마그네슘 합금 표면에 두꺼운 세라믹 복합 피막을 형성시킨다. 형성된 세라믹 코팅 층은 기계적, 전기화학적 시험을 통해 물성을 평가하였으며, 이 평가들을 통해 마그네슘의 단점인 내부식성을 향상시켜 임플란트 재료로 활용하고자 하였다.
본 연구에서는 친환경 코팅 방법으로 알려진 전해플라즈마 공정(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO)을 이용하여 마그네슘 합금 표면에 세라믹 피막을 코팅하였으며, 이때 사용되는 알칼리성 전해 용액을 제조할 때 EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)을 같이 첨가하여 제조한 용액에 마그네슘 합금을 침지하고 고전압을 가하여 마그네슘 합금 표면에 두꺼운 세라믹 복합 피막을 형성시킨다. 형성된 세라믹 코팅 층은 기계적, 전기화학적 시험을 통해 물성을 평가하였으며, 이 평가들을 통해 마그네슘의 단점인 내부식성을 향상시켜 임플란트 재료로 활용하고자 하였다.
본 연구에서 전해플라즈마공정은 DC 260 V, AC 200 V를 동시에 인가하는 바이폴라전압을 사용하여 수행했다. DC 전압은 국부적으로 두꺼운 코팅 층을 성장시키고 AC 전압은 고르게 코팅 층을 형성시킨다.
따라서, DC 전압과 AC 전압을 동시에 인가하면 전체적으로 두꺼운 코팅 층을 형성할 수 있다. 공정 시간은 예비실험을 통해 코팅 층 성장이 둔화되는 지점인 15분으로 설정하였다.
특성 평가는 크게 3가지로 미세구조 분석, 기계적 특성 분석, 전기화학적 특성 분석을 진행했다.
미세구조 분석은 XRD 회절 분석장비를 통한 결정구조 분석과 주사전자현미경 이미지 촬영을 통해 표면 및 단면 형상, 두께 등을 측정하였다. XRD는 2θ가 20-80 degree, Scan speed를 2 deg/min로 하여 측정하였다.
XRD는 2θ가 20-80 degree, Scan speed를 2 deg/min로 하여 측정하였다. 주사전자현미경으로는 코팅 층의 표면 이미지와 코팅 층 단면의 이미지를 관찰하였으며 이 이미지들로부터 기공률, 두께 등을 측정하였다. 기계적 특성 분석은 Micro Vickers 경도기를 이용하여 코팅 층 단면의 경도를 측정하였으며 하중은 0.
주사전자현미경으로는 코팅 층의 표면 이미지와 코팅 층 단면의 이미지를 관찰하였으며 이 이미지들로부터 기공률, 두께 등을 측정하였다. 기계적 특성 분석은 Micro Vickers 경도기를 이용하여 코팅 층 단면의 경도를 측정하였으며 하중은 0.025 N으로 압입하고 압입 시간은 1초간 유지하였다.
전기화학적 특성 분석은 Potentiostat 장비를 이용하여 동전위 분극 곡선을 측정하고 부식저항성을 판단하였다. 이 때 사용된 용액은 생체내 혈장과 유사한 성분인 SBF(Stimulate Body Fluid) 수용액을 이용하였고 상온에서 작업전극, 상대 전극, 기준전극의 3극으로 이루어진 1 L 부피의 유리 전기 화학 셀을 사용하였다[5].

대상 데이터

양극에는 세라믹 코팅 층을 형성시키고자 하는 금속(본 연구에서는 AZ31 마그네슘 합금)을 위치시키고 음극에는 전기 화학적 안정성이 뛰어난 금속(백금, 스테인리스강 등)을 사용한다(Fig. 1). 고전압 및 전류를 동시에 인가(바이폴라 전압)하게 되면 전해 용액 내부의 이온화된 음전하들이 양극 표면으로 이동하게 되고 양극 표면에서 플라즈마로 인해 순간적으로 용융된 이온화된 금속 이온과 산화반응이 일어나며, 이 산화반응으로 인해 세라믹 코팅 층이 형성되고 고전압에 의한 세라믹 층의 절연 파괴로 형성되는 플라즈마로 표면 층의 용융과 전해용액으로 인한 냉각의 반복으로 코팅 층이 두껍게 성장하게 된다(Fig.
본 연구에서 사용된 알칼리 전해 용액은 탈이온화수에 첨가되는 성분들의 양을 Na₂SiO₃(15 g/l), Na₂SiF₆(0.3 g/l), NaOH(3 g/l)로 고정하고 EDTA의 양을 변수로 하여 교반기를 통해 200 rpm에서 모든 물질이 녹을 때까지 잘 혼합하였다.
본 연구에서는 AZ31 마그네슘 합금 시편을 직경 20 mm, 두께 5 mm로 가공하여 사용하였으며 모든 시편은 SiC 연마지로 No. 100-2000까지 양면 연마를 하고 에탄올로 15분간 초음파 세척을 한 다음 질소 가스로 표면의 수분을 날리고 에탄올로 세척 후 건조시켜 준비했다.
전기화학적 특성 분석은 Potentiostat 장비를 이용하여 동전위 분극 곡선을 측정하고 부식저항성을 판단하였다. 이 때 사용된 용액은 생체내 혈장과 유사한 성분인 SBF(Stimulate Body Fluid) 수용액을 이용하였고 상온에서 작업전극, 상대 전극, 기준전극의 3극으로 이루어진 1 L 부피의 유리 전기 화학 셀을 사용하였다[5]. 측정 시간은 15분, 측정 범위는 –2 V_sce~+2 V_sce에서 0.

성능/효과

주사전자현미경 이미지의 표면 형상에서는 전해플라즈마공정의 특징인 Crater와 Nodule이 형성되었다. 단면 형상에서는 EDTA 양의 증가에 따라 두께가 증가하다가 3 g/l에서 감소하는 것을 확인하였으며 코팅 층의 표면에 가까운 세라믹 층은 치밀하게 성장한 것을 확인 가능하며 3 g/l부터는 세라믹 층 내부에 많은 Crack을 관찰하였다.
6의 XRD 분석 결과 MgO, Mg₂SiO₄, MgF₂ 복합 상이 형성된 것을 확인하였다. 2 g/l까지는 Mg₂SiO₄상의 비율이 감소하고 MgO상의 비율이 증가하는 것을 확인했으며 이 후에는 다시 Intensity가 줄어드는 경향을 보였다.
기계적 특성에서 Fig. 7에 나타낸 표면기공률은 EDTA 양이 증가할수록 감소하고 단면기공률은 감소하다가 증가하는 경향을 보인다.
24 μA/cm²까지 감소하였다. 모재 금속 AZ31 합금의 동전위 분극 곡선과 비교하였을 때 전기화학적 특성이 향상된 것이 확인되었고 이는 생체내 혈장 속에서도 부식에 대한 저항성을 가지고 있다고 판단할 수 있다.
미세구조 분석에서는 MgO상이 주로 형성된 세라믹 코팅 층이 형성된 것을 확인하였고 이는 EDTA가 가지고 있는 카복실산염(-COOH)이 전해 용액 내부에서 음전하의 역할을 하여 이온 전도율이 높아져 복합상 형성 시 산소 이온과 모재의 마그네슘 이온의 반응이 급격하게 일어나 먼저 MgO 상이 형성되고 Si와의 반응 속도 차이로 인한 결과로 판단된다.
기계적 특성 분석에서는 EDTA 양의 증가에 따라 기공률이 적고 두께와 경도가 높아졌으나 3 g/l 이후에는 특성이다시 저하되는 것을 확인하였다.
전기화학적 특성 분석에서는 생체내 혈장의 환경과 유사한 수용액에서 동전위 분극 곡선을 비교해 보았는데 모재 금속과 비교했을 때 부식 저항성이 높아진 것을 확인 할 수 있었다.

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Luo, H., Cai, Q., Wei, B., Yu, B., Li, D., He, H., and Liu, Z., "Effect of $(NaPO_3)_6$ Concentrations on Corrosion Resistance of Plasma Electrolytic Oxidation Coatings Formed on AZ91D Magnesium Alloy," Journal of Alloys and Compounds, Vol. 464, No. 1-2, 2008, pp. 537-543.

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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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