가소성, 소결, 장석, 바이오세라믹스

2. 가소성이란?

가소성이란 탄성의 반대되는 말로 어떠한 물체에 힘을 가하였다가 제거 하였을 때 그 물체가 원래대로 돌아오는 성질이 탄성이라고 하면 원래대로 돌아오지 않는 성질이 가소성이다.

보통 물체의 탄성한계를 넘는 힘을 가하였을 때 다시 돌아오지 않고 영구적으로 변형이 되는데 스프링을 예로 들면 어느 정도 까지는 잡아 당겼다 놓아도 다시 원래 상태로 돌아가지만 탄성 한계를 넘어선 강한 힘을 가하면 다시 돌아오지 않는다.

대부분의 고체는 모두 탄성한계를 가지므로 대부분의 고체에서 가소성을 찾아 볼 수 있다.

또한 가소성은 온도의 영향을 받는데 암석들도 고온, 고압상태에서는 가소성을 보인다.

 

가소성에는 열가소성이 대표적인데 열가소성이란 어떠한 물체를 가열했을 때 가소성이 증가 하는 것을 말한다. 예를 들어 플라스틱은 가열을 한 후 약한 힘을 주어도 다시 돌아 오지 않고 영구변형이 된다. 이러한 열가소성은 주로 고분자들에서 나타나는데 PS, PE, PVC들이 대표적인 열가소성이 큰 고분자이다.

 

3. 소결이란?

소결이란 분말상태인 물체를 압축하여 열을 가했을 때 서로 단단히 뭉치는 것을 말하는데, 주로 녹였을 때 혼합되지 않는 물질들을 혼합하여 복합재료를 만들 때 사용된다. 이러한 물질들로는 금속과 세라믹의 혼합물이 대표적이다.

소결과정은 초기, 중기, 말기 나눌 수 있는데 초기단계는 입자와 입자 사이에 넥크가 형성되는 단계로써, 보통 약 3~5%정도 소결수축이 진행되는 단계를 말한다.

중기단계는 입자와 입자 사이가 상당히 접근되어 대부분의 소결수축이 일어나는 단계를 말한다. 그러나 넥크 형성으로 구동력이 많이 감소되었고, 물질의 이동거리가 길어졌기 때문에 그 소결속도는 초기단계 보다 느려지게 된다.

말기단계는 기공률이 약 5~10%일 때부터 이론밀도에 이를 때까지의 단계이다.

소결제의 주요 성분으로는 가소성 부분의 점토질원료, 비가소성-결정부분의 규석, 유리상의 장석질 원료 가 있다.

 

4. 장석이란?

장석이란 화강암의 주요 성분으로서 나트륨, 칼륨, 칼슘, 바륨을 함유한 알루미늄 규산염광물이다. 천연 장석의 경우 대부분 나트륨장석(NaAlSi3O8), 칼륨장석(KAlSi3O8), 칼슘장석(CaAl2Si2O8)의 세 가지 단성분 계열에 속한다. 칼륨장석과 칼슘장석은 고용체를 이루지 않지만 나트륨장석과 칼륨장석, 나트륨장석과 칼슘장석은 연속 고용체를 이루며 이들을 알칼리장석과 사장석이라고 부른다. 알칼리장석은 나트륨장석과 칼륨장석의 중간고성을 가진 장석인 아노소클래스를 이르는 말로서 석영, 사장석과 함께 지각을 구성하는 주요 광물이다.

 

 

 

5. 요업제품의 제조공정에 따른 분류

- 바이오세라믹스

세라믹의 제조 공정은 원료를 혼합하고 하소를 한 뒤 분쇄하고, 성형, 가공, 소결, 연마의 순서 이다.

원료는 일반적으로 용해, 침전, 환원, 열분해 등의 화학적 처리로 정제 되는데, 가능한 순도가 높을수록 좋지만 순도가 올라갈수록 원가가 올라가기 때문에 최종 제품의 용도에 따라 적당히 정제 한다. 혼합을 하는 이유는 대부분의 세라믹제품이 한 가지 원료로만 제조 되지 않고, 용도에 따라 수십 퍼센트 까지 첨가물과 함께 제조된다는 것이다. 몇 가지 조성물과 성형공정에 따라 바인더의 종류와 량이 결정되고, 균일한 혼합을 위해서 볼 밀링 공법이 사용된다. 하소는 원료에 남아있는 수분 등 의 휘발성 물질들의 제거를 목적으로 혼합한 원료를 가열하는 과정으로 보통 350~450℃에서 산소를 공급하며 4시간 정도 가열한다. 분쇄는 하소를 거친 원료를 파우더 형태로 만드는 과정으로서 성형이 좀 더 용이 하도록 하기 위한 과정이다. 성형은 분쇄를 통해 파우더 형태가 된 원료를 일정한 형상으로 만들기 위해 압축하는 과정으로 보통은 유압 금형 프레스를 이용한 압출법이 사용되지만 바이오세라믹스의 경우 복잡하고 다양한 형상이 필요하기 때문에 사출성형법이 사용된다. 가공은 성형단계에서 완성제품의 형태가 나오지 않을 경우 성형품 상태에서 가공하는 과정이다. 소결 전 상태에서 가공하기 때문에 작업성이 용이하다는 장점이 있다. 소결은 성형이 끝난 제품을 고열과 고압으로 압축하여 고경도의 재질로 만드는 과정이다. 보통 1200~1700 ℃에서 소결되지만 바이오세라믹스의 특성상 소결온도는 다양하다. 연마는 바이오세라믹스의 특성상 인체에 사용되는 제품이기 때문에 정밀도가 요구 되어 필요한 공정이다.

 

바이오세라믹스는 인체의 일부분을 대체할 목적으로 만들어진 세라믹스로 생체활성 세라믹스와 생체불활성 세라믹스로 나누어진다. 생체활성 세라믹스는 이식 후 생체조직과 화학결합을 이루는데, 생체 표면조직을 자극하여 칼슘의 축적을 촉진시켜 삽입된 세라믹스와 생체조직의 접합력을 증가시킨다. 이러한 생체활성 세라믹스로는 바이오글라스, 하이드록시 아파타이트, 글라스세라믹스 등이 있다. 생체불활성 세라믹스는 이식 후 생체조직과 결합을 이루지 않는 재료로서 고밀도, 고순도의 알루미나와 카본세라믹스가 그 대표적인 예이다. 이러한 생체불활성 세라믹스의 대부분이 생체용 구조 세라믹스로 사용되는데, 뼈와 화학적 결합은 하지 않지만 생체친화성과 응력지지능력을 가지고 있다. 이들 중 알루미나는 취성 때문에 최근 인성과 내충격성이 강한 지르코니아가 바이오세라믹스로 사용되고 있다. 그러나 지르코니아의 사용은 문제점이 있는데 불순물로 존재 하는 UO2 또는 ThO2에 의한 방사능 노출의 가능성이다. 또한 시간이 지남에 따라 이식재료의 주변에 섬유상의 캡슐이 생기게 되는 것이다. 이 경우는 이식재료가 캡슐 안에서 움직이게 되고 이 움직임으로 인해 이식재료 주변의 생체조직에 손상이 생긴다.

 

바이오세라믹스의 제품으로는 인공 뼈, 인공 고관절, 인공 치근, 인공 치관 등이다.

인공 뼈의 경우 정형외과와 신경외과에서 사용되고 있으며 이 경우에 사용 되는 세라믹스는 HAp, 알루미나, 바이오글라스 등이 있는데 HAp는 충진제로 사용되어 그 주위의 뼈 조직을 증식시키고, 인공척추의 경우에는 뼈와의 강한 접착력과 높은 강도가 필요하기 때문에 글라스세라믹이 사용되고 있다. 그러나 이들 재료의 취성 때문에 용도에 제한을 받고 있다.

 

고관절에는 대퇴골에 삽입되는 지지대와 골반에 삽입되는 비구 컵, 그리고 지지대와 비구 컵 사이의 윤활을 위한 골두가 있다. 지지대에는 보통 티타늄합금을 사용하고, 비구 컵에는 고분자 량 폴리에틸렌, 골두에는 Co-Cr 계 합금이 사용된다.

 

인공치근은 치아의 뿌리를 대체하는 보철물이고 인공치관은 치아의 형태를 인공적으로 부여하는 보철물을 말한다. 치근의 경우 단결정 알루미나와 아파타이트가 사용되고 있지만 대부분은 티타늄 합금이 사용되고 있다. 이것은 티타늄 합금이 기계적 특성과 가공, 표면처리에서 세라믹보다 뛰어나기 때문이다.

인공치관은 금, 백금, 은, 팔라듐 등의 귀금속 합금 위에 세라믹 도재를 사용한 금속도재관이 사용된다.