마이크로웨이브 소결시간이 지르코니아 수복물의 3점 굴곡강도와 색조에 미치는 영향

서 론

지르코니아는 1969년에 의료용 재료로 소개된 이후 최근에는 정밀도와 편리성이 개선된 CAD/CAM으로 복잡한 형태의 수복물 제작이 가능해지면서 치과용으로 적용범위가 크게 증가하고 있다(Manicone 등, 2007). 또한, 지르코니아(Zirconia)는 물리적 성질이 금속과 가장 가까우면서도 치아와 색상이 비슷하여 치과분야에서의 지르코니아의 사용빈도가 증가하였다(Tan & Dunne, 2004).

지르코니아는 산화 지르코니움(Zirconium Oxide, ZrO₂)의 총칭으로 화학적, 체적 안정성을 보이며 상전이시 변태강화(transformation toughening) 기전에 의한 체적확장에 의해 균열의 진행을 억제하여 기존의 도재에 비해 더욱 높은 굴곡 및 파절강도를 보인다(Cavalcanti 등, 2009). 이렇게 높은 강도와 인성을 보이는 지르코니아 세라믹은 통상적인 도재 수복물의 제작방법으로는 가공이 어려워 주로 computer-aided-design / computer-aided-manufacturing (CAD/CAM) 시스템을 이용한 기계적인 절삭을 통해 수복물의 형태로 제작된다(Baldissara 등, 2010).

치과용 지르코니아 블록은 이트리아(ytria)를 3 mol% 첨가하여 안정화시킨 정방정 지르코니아를 저온에서 반소결 지르코니아 블록으로 제작한 것으로서, 백악(chalk) 상태의 연질이므로 밀링가공한 후 1,350~1,550℃ 범위에서 소결한다. 이때 약 25 %의 선상수축이 일어나는데, 이러한 반소결 지르코니아의 작업과정으로 인해 최종 보철물의 강도가 높아진다(Denry & Kelly, 2008).

하지만 반소결된 지르코니아를 최종 소결하는 과정에서 소결 시간이 8시간 이상이나 소요되는 등의 시간 소요가 커서 작업시간이 오래 걸린다는 단점이 있다(Kim 등, 2012; Jeon & Lee, 2017). 이러한 단점을 보완하기 위해 지르코니아 보철물의 제작시간 중 가장 많은 부분을 차지하고 있는 소결시간을 줄여줌으로써 노동력과 인건비를 절감하고 소요되는 시간과 과정을 효율적으로 단축하는 방법이 소개되고 있다. 마이크로웨이브 소결은 동일한 고밀도화를 달성하기 위해 일반적인 소결에 비해 소결 시간과 온도를 감소시켰다(Kim 등, 2013). 소결 시간이 짧아질수록 입자 성장시간이 감소하고, 입자크기가 작을수록 미세구조는 더 균일해져 이에 따른 기계적 성질도 향상되는 것으로 보고되고 있다(Menezes 등, 2007). 더불어 마이크로웨이브 소결이 일반적인 소결 방법에 비해 소결시간이 80% 정도 감소되며, 사용되는 에너지도 줄일 수 있다는 장점을 가진다(Jeon & Lee, 2017).

최근 국민들의 생활수준 향상과 의료에 대한 높은 기대로부터 환자의 요구에 따라 수복물의 질이 높아져가고 있으며(Lee 등, 2013), 나아가 디지털 기자재를 활용한 즉일(one-day)보철치료도 행해지고 있다(Kim, 2017). 즉일 보철은 짧은 시간에 수복물 제작이 가능하다는 점에서 환자에게 시간절약과 불편함을 감소시킨다는 이점이 있다(Kim 등, 2014). 즉일보철에 대한 관심이 지속적으로 높아가면서 지르코니아 보철물도 제작 시간 감소를 위한 연구가 필요한 시점이다.

현재 많은 관심을 받고 있는 재료 중 하나인 지르코니아에 대한 연구는 활발히 진행되고 있다. Stawarczyk 등은 지르코니아 소결 온도에 따른 3점 굴곡강도와 입자크기 및 명암비에 대해 연구하였고(Stawarczyk 등, 2013), Kim 등은 소결상태에 따른 입자크기와 투명도에 대해 연구하였다(Kim 등, 2013). 이렇듯 지르코니아와 소결온도, 상태에 따른 연구는 많이 진행되고 있으나 소결 시간에 관한 연구는 아직까지 많이 진행되지 않고 있다. Hjerppe 등의 소결시간에 따른 강도(biaxial strength) 연구(Hjerppe 등, 2009)가 있으나 3점 굴곡강도와 심미성 연구를 진행하는 본 연구와는 차이가 있다.

본 연구에서는 치과용 CAD/CAM 지르코니아의 소결시간에 따른 보철물의 차이를 확인하기 위해 마이크로웨이브 소결로 스케줄에 따른 소결 시간에 변화를 주어 3점 굴곡강도를 측정하고 색조를 관찰 분석하였다. 연구를 진행하면서 소결 시 적용하는 시간에 따라 따로 정의할 수 있는 공식적인 용어가 없기 때문에 우리는 기존의 시간이 긴 소결을 장시간 소결(long-term sintering, LTS)으로, 기존의 소결보다 소결시간이 짧은 소결을 단시간 소결(short-term sintering, STS)이라고 정의하기로 하였다.

재료 및 방법

1. 시편제작

치과용 반소결 지르코니아 블록(Zircos-E-ACE, BIODEN Co., Ltd, Seoul, Korea)을 사용하여 3점 굴곡강도용 시편 총 30개와 색조측정용 시편 총 28개를 제작하였다(Fig. 1). 시편은 CAD 소프트웨어 (Solidworks^® software, Solid Works Corp, Waltham, MA, USA)를 사용하여 3점 굴곡강도용 시편은 24.0×4.0×0.5 (mm)의 크기로 디자인 하였고, 색조측정용 시편은 직경 10.0 mm, 두께 2.0 mm로 디자인한 후에 StereoLithography (STL)로 추출하였다. 이후 CAD/ CAM 시스템을 사용하여 1.0 mm 버(bur)로 가공하였다(milling m/c (no.m1508004), Robot and Design, Daegu, Korea). 치과용 핸드피스를 사용하여 유지 서포트를 제거하고 마이크로웨이브 방식의 소결로 (Myway, BIODEN Co., Ltd, Seoul, Korea)를 사용하여 각각 스케줄을 따라 소결 하였다(Table 1).

Figure 1.

Specimens of 3 point flexural strength and shade measurement

Table 1.

Microwave sintering schedule

2. 측정

1) 3점 굴곡강도 측정 (3 point flexural strength test)

ISO 6872와 식약청에서 발간한 ‘지르코니아 소재 치과재료의 평가 가이드라인 (2011)’에 따라 3점 굴곡강도 측정을 하였다. 지르코니아 시편을 지간거리 20.0 mm로 맞춘 지그에 올려놓은 뒤, 만능시험기 (OTU-2 no.947, Oriental TM, Korea)를 사용하여 crosshead speed 1.5 mm/min로 파절이 일어날 때까지의 값을 측정하고 굴곡 강도를 얻었다(Fig. 2). 3점 굴곡 강도 σ(MPa)는 다음과 같이 계산하였다.

3점 굴곡 강도(σ) = 3Pl / 2wb²
P : 파절 순간의 힘 (N)
b : 시편의 이 (mm)
w : 시편의 폭 (mm)
l : 서포트(support) 사이의 거리 (mm)

Figure 2.

Measurement of 3 point flexural strength

2) 색조 측정

소결된 각 시편의 색조변화를 관찰하기 위해 분광측색장치 (Spectrophotometer CM-3600A, Konica Minolta, Tokyo, Japan)를 사용하여 색조측정을 하였다. 각 시편 당 3회씩 측정하여 평균값을 구하였고 배경색조는 검정색으로 하였다. 두 색 간의 색차인 ⊿E^*_ab 값의 산출 공식은 ⊿E^*_ab=[(⊿L^*)²+(⊿a^*)²+(⊿b^*)²]½으로 색차가 증가하면 색 안정성이 감소된다는 것을 의미한다.

결 과

3점 굴곡강도 측정 결과 STS의 평균은 245.47±29.89 MPa, LTS의 평균은 284.27±31.56 MPa로 나타났으며, 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.05) (Table 2).

Table 2.

Independent t-test results of 3 point flexural strength on groups (MPa)

색조 측정 결과는 Table 3과 같다. STS에서 L^*의 평균은 74.83±0.51, LTS는 73.74±0.49 이었으며 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.000). a^*의 평균은 STS에서 –2.67±0.17, LTS에서 –2.42±0.16로 측정되었으며 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.000). b^*의 평균은 STS에서 8.55±0.51, LTS에서 8.50±0.58로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다(p>0.05), ⊿E^*_ab에서는 STS의 평균이 1.51±0.48, LTS의 평균이 1.52±0.41로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다(p>0.05).

Table 3.

L*, a*, b* and ⊿E*ab value of the zirconia specimens (mean±SD)

고 찰

3Y-TZP는 3 mol% Y₂O₃를 이용한 부분안정화 지르코니아 (PSZ ; Partially Stablized Zirconia)로 생체 친화성, 강도, 단일 수복 재료로 치아 삭제량이 적으며, CAD/CAM 기술로 제작과정이 간편한 점들이 장점이지만 소결시간이 길고, 취성이 강한 것이 단점이다. 그리하여 본 연구에서는 소결시간을 달리하여 지르코니아의 3점 굴곡강도와 색조차이를 알아보고자 하였다. CAD/CAM 장비로 지르코니아 블록을 절삭한 후 각각의 스케줄에 따른 단시간 소결(STS)과 장시간 소결(LTS)로 시편을 제작하였다. 그리고 두 가지 실험을 통해 3점 굴곡강도와 색조차이를 비교 평가함으로써 임상적 적용 가능성을 알아보고자 하였다.

분광측색계는 측정결과를 L^*,a^*,b^*로 나타난다. CIE L^*a^*b^*는 색채의 오차범위와 방향을 쉽게 측정이 가능하여 널리 사용되고 있으며 사람이 색채를 인식하는 노랑과 파랑, 녹색과 적색 간의 보색에 기초하여 정의한 표색계이다. L^*은 명도로 0~100까지 표현되며 0은 검정, 100은 흰색을 의미한다. a^*는 -60~+80까지로 적색(+)과 녹색(-)의 정도를 나타낸다. b^*는 -80에서 +60까지이며 황색(+)과 청색(-)의 정도를 나타내는 값이다.

STS에서 L^*의 평균이 74.83±0.51, LTS는 73.74±0.49로 STS가 LTS에 비해 흰색에 가까운 것으로 나타났고 통계적으로도 유의한 차이가 있었다. a^*에서는 STS가 –2.67±0.17, LTS가 –2.42±0.16로 측정되어 STS가 녹색에 가까운 것으로 나타났으며 통계적으로도 유의한 차이가 있었다. b^*에서는 STS에서 8.55±0.51, LTS에서 8.50±0.58로 나타나 STS가 황색에 가까운 것으로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다.

두 색 간의 색차인 ⊿E^*_ab값은 일반적으로는 색차가 1 이상이면 색변화를 눈으로 인지할 수 있고 색차가 3.3 이하이면 치과 수복재로 사용할 수 있는 허용 가능한 수치로 이해되며 ⊿E^*_ab값이 1 이하일 때는 우수하고 2 이하일 경우에도 임상적으로 받아들여질 만하나 3.7이상이면 육안판별이 가능할 정도여서 임상적으로 사용하기에는 부적절하다(Yuan 등, 2007). Kim 등은 다른 소결조건이 입자크기와 광선투과율에 영향을 미치므로 더 반투명한 지르코니아 수복물을 제작하기 위해서는 짧은 소결시간을 고려해야 한다고 보고하였다(Kim 등, 2013). 본 연구결과에서는 두 그룹에서 1.51과 1.52로 측정되어 안정성이 있는 것으로 나타났다.

3점 굴곡강도 실험 결과 기존방식의 장시간 소결이 단시간 소결에 비해 강도가 높았으며 통계적으로도 유의한 차이를 보였다. Hjerppe 등의 연구결과 1500 ℃에서 1시간 40분과 3시간으로 소결한 결과 2축 굴곡강도가 995-1,127 MPa로 나타났으나 소결시간의 변화는 Y-TZP 지르코니아의 기계적 성질에 영향을 미치지 않는 것으로 보고하여 (Hjerppe 등, 2009) 본 연구결과와는 상반된 결과를 나타냈다. Hjerppe 등의 연구에서는 표면처리에 따른 고정성 지르코니아 수복물의 굴곡강도가 1,143-1,616 MPa로 나타났다(Hjerppe 등, 2016). Itoh의 연구에서는 6시간 소결 한 지르코니아 굴곡강도 결과 22.4-30.5 kgf/mm²의 값을 보고하였다(Itoh, 1994). Jeon과 Lee의 연구에서는 최종 소결온도(1,500℃)에서 계류시간을 0, 2, 5시간 동안 유지한 결과 350.1-407.8 MPa의 굴곡강도가 나타났으며, 계류시간이 길어질수록 결정립의 크기가 커지는 결정립 조대화 현상을 보고하였다(Jeon & Lee, 2016). 치과용 세라믹 소재가 요구하는 굴곡강도는 800 MPa 이상이며, 특히 지르코니아의 경우 900~1,200 MPa의 평균 굴곡강도를 필요로 한다(Kong 등, 2017). 본 실험에서 시편의 3점 굴곡강도 평균이 일반적인 기준에 비해 낮게 측정되었는데 이것은 시편의 크기나 하중을 받는 면적과 속도, 시험 방법의 차이 등으로 인해 영향을 받은 것으로 생각된다(Jeon & Lee, 2016; Albakry 등, 2003). 추후 다른 조건에서 추가적인 실험이 필요할 것으로 사료된다.

결 론

제한된 연구 내에서 본 연구의 결과는 다음과 같다. 3점 굴곡강도 측정 결과 STS의 평균은 245.47±29.89 MPa, LTS의 평균은 284.27±31.56 MPa 이었다(p<0.05). 색조 측정결과는 ⊿E^*_ab에서는 STS의 평균이 1.51±0.48, LTS의 평균이 1.52±0.41로 나타났으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다 (p>0.05).

위의 결과를 바탕으로 3점 굴곡강도에서 단시간 소결과 장시간 소결방법으로 제작된 지르코니아 수복물은 장시간 소결에서 강도가 높은 것으로 나타났으나 임상 적용을 위해서는 다른 조건의 실험이 필요할 것으로 사료된다. 색조에서는 소결시간에 따른 의미 있는 색조 차이를 보이지 않았고, 추후 스테인 등의 마무리 색조표현이 함께 적용된다면 임상적으로 적용하기에 충분하다고 판단된다.

Acknowledgments

* This research was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation (NRF) of Korea, funded by the Ministry of Education (Grant No. 2017R1D1A1B03035688)

* This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (No.2018R1A5A7023490)

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