Effects of indentation load and immersion period in water on Vickers hardness of denture base resins

1. 서 론

경도(hardness)는 간편하면서도 유용한 측정법으로 재료의 비파괴적 기계적 특성 평가에 오랫동안 사용되어 왔다 (Tabor, 1970). 그 중에서 비커스 경도(HV) 측정법은 1921년 Brinell 경도 시험법의 대용으로 136°의 대합각도를 갖는 피라미드 모양의 다이아몬드 압자를 이용하는 방법으로 개발되었다. 비커스 다이아몬드 압자는 경도 측정 시 재료 표면에서 비교적 명확하고 균일한 형태의 압흔을 만들어 재료의 간편하고 보편적인 표면 물성 측정법으로 이용되어 왔으며 강도 및 탄성계수 등의 기계적 거동을 파악하는 도구로도 이용되고 있다 (Low, 1998).

이론적으로 경도 측정 시 하중이 증가할 때 압흔의 크기도 증가하기 때문에 HV 값은 일정해야 한다. 그러나 어떤 재료에서는 특히 낮은 하중 영역에서 하중의 크기에 따라 HV 값이 변하는 이른바 하중크기효과 (indentation size effect; ISE)라는 하중의존적 특성을 보인다 (Nix and Gao, 1998; Manika and Maniks, 2006; Milman et al., 2011). 금속이나 세라믹과 달리 탄성계수가 낮은 일반적인 폴리머 재료들은 비교적 큰 하중에서도 압자의 하중 제거 후에 자발적 탄성회복이 일어나고 이 후에 점탄성 흐름에 의하여 시간의존적(time-dependent) 회복이 일어날 수 있다 (Low, 1998; Suwanprateeb, 1998). 이러한 현상은 폴리머 재료의 종류 별, 하중 인가시간, 인가 하중의 크기에 따라 다르게 나타날 수 있고, 형성된 압흔의 크기를 광학적으로 측정할 때 오류를 줄 수 있다 (Low et al., 1999).

비커스 경도 측정법은 시편의 작은 영역에서 측정하고 표면결함에 상대적으로 영향을 덜 받기 때문에 각종 치과용 수복재료들의 기계적 특성 평가에도 널리 사용되고 있다 (Wang et al., 2003). 재료의 경도 값은 벌크 특성이라기 보다 표면의 물리적 특성으로 볼 수 있으며, 이런 점에서 경도와 마모 저항성과의 관계는 일찍부터 관심의 대상이 되어 왔다. 아크릴 의치상 재료에서도 비커스 경도와 마모 저항성의 상관성은 입증되었다 (Harrison and Draughn, 1976; Harrison et al., 1979). 최근의 연구에서 poly(methylmethacrylate)(PMMA) 의치상 레진의 비커스 경도는 재료의 굽힘강도 및 굽힘 탄성계수와 매우 높은 상관이 있음이 밝혀졌다 (Lee et al., 2012). 따라서 비커스 경도 측정법의 아크릴 레진의 기계적 특성 평가에 간편하면서도 유용한 척도이다. 그러나 이들 폴리머 재료들의 경도가 ISE에 의하여 크게 영향을 받는다면 측정 결과의 신뢰성을 떨어뜨리고 상호 비교를 어렵게 한다.

그간 치과용 의치상 재료들의 연구에서 비커스 경도 시험은 10~300 gf의 비교적 넓은 범위에서 특정 하중에서만 측정하여 비교하여 왔다 (Azevedo et al., 2006; Ali et al., 2008; Consani et al., 2009; Regis et al., 2009; Kawaguchi et al., 2011; Farina et al., 2012; Lee et al., 2012; Zhang et al., 2014). 그러나 이들 재료에서 비커스 경도와 인가 하중의 관계에 대한 분석은 매우 드물다. 본 연구에서는 의치상 레진 재료인 PMMA의 비커스 경도를 25~2000 gf의 하중에서 측정하고 이 영역에서 ISE의 존재 여부를 조사하였다. 또한 측정 후 시편들을 수중에서 1, 3, 7일간 보관 후 재 측정하고 초기 경도 값과 비교하여 압흔의 점탄성 회복 여부를 조사하였다.

2. 실험재료 및 방법

2.1. 시편 제작

실험재료로는 상용 의치상용 열중합 아크릴 레진과 열가소성 아크릴 레진 각 1종을 사용하였다 ( Table 1 ).

Table 1.

Acrylic denture base materials used in this study

열중합 레진인 VT는 제조사의 지시대로 분말과 액을 혼합한 후, 종래의 방법대로 병상의 레진 혼합물을 금속 플라스크의 석고 몰드 (직경 20 mm x 두께 2 mm)에 전입시키고 종래의 방법에 의하여 가압 후 중합하였다. 이후 열중합은 100℃에서 30분간 수조에서 가열 한 후 냉각하였다. 열가소성 레진인 AS는 사용 전 레진 입자들을 80~90℃에서 5시간 건조를 시킨 후 전용 사출성형기(Resinart System, Denken, Japan)를 이용하여 240-260℃에서 30분 이상 가열하여 40 × 40 × 2 mm의 크기의 금속 몰드에 사출하였다. 사출 후 재료는 실온까지 서냉시킨 후 사용한다. 제작된 레진 시편들은 다시 아크릴 절단기를 이용하여 직경 20 mm 디스크 형태로 가공하였다. 제작된 시편들은 #800-1200-2400-4000 SiC 연마지(Struers, Denmark)를 이용하여 충분히 공급되는 냉각수 하에서 순차적으로 연마를 실시하였다. 그리고 최종적으로 시편의 한 면은 의치상 레진의 광택연마에 사용하는 퍼미스와 루즈를 사용하여 마무리하였다. 시편의 최종 두께는 ~1.8 mm이였다. 각 군당 5개의 시편을 제작하고 시편은 경도 측정 전까지 밀폐된 용기 내의 증류수에 담아 37℃에서 48시간 동안 보관하였다.

3. 실험결과

의치상 레진 시편의 시험 하중에 따른 비커스 경도(kgf/mm ² ) 값은 Figure 1 에 나타나 있다. VT 레진의 평균 HV 값은 15.2 ~ 16.5 kgf/mm ² 로 측정 하중의 영역에서 하중 증가에 따라 약간 증가하는 경향이 관찰되었으나 통계적 유의성은 없었다 ( p >0.05). AS 레진의 비커스 경도는 하중에 따라 9.3 ~ 9.6 kgf/mm ² 으로 나타났으나 역시 가시적 하중의존성은 나타나지 않았다.

Figure 1.

Variation of Vickers hardness at each load level.

비커스 경도 측정 시 측정된 압흔의 최대 깊이( D _m , measured depth)와 식 (3)에 의하여 산출된 깊이( D _c , calculated depth)는 Figure 2 에 나타나 있다. 비커스 압자의 압입 깊이는 하중의 증가에 따라 거듭제곱 함수관계를 보였다. 두 재료 모두 평균 D _m 은 D _c 보다 크게 나타났으며 그 차이는 압입 하중의 증가에 따라 증가하였다.

Figure 2.

Load dependency of Vickers indentation depth. (a) VT, (b) AS. D m , indentaion depth measured from Vickers tester (■), D c , indentation depth calculated from diagonal length (▲). Arrows indicate the amount of elastic recovery.

시편들의 수중 침적 후 압흔의 재측정에 의한 비커스 경도의 변화는 Table 2 에 정리하였다. 의치상 레진의 비커스 경도는 최대 7일간의 수중 침적 후 통계적으로 유의한 변화를 보이지 않았다 ( p >0.05). 즉 압흔의 크기에 있어서 큰 변화가 일어나지 않았음을 의미한다.

Table 2.

Changes of Vickers hardness values after storage in water

Figure 3 은 VT 재료를 2000 gf 하중으로 인가하였을 때 압흔의 광학 사진을 보여준다. 피라미드 압흔의 대각선이 아닌 평행 면을 따라 하중의 중심부를 향하여 침강하는 pin-cusion현상을 보였다.

Figure 3.

Photograph of Vickers indentation of VT at 2000 gf. The dotted area indicates sinking-in area along with the sides of indentation.

4. 고 찰

미세 경도의 하중의존성을 의미하는 ISE(indentation size effect)는 하중의 증가에 따라 경도 값이 감소하는 normal ISE(nISE)와 역으로 하중의 증가에 따라 경도 값이 증가는 reverse ISE(rISE) 두 가지로 세분할 수 있다 (Petrik and Palfy, 2014). nISE는 측정 중의 가공경화, 탄성 회복, 압자와 재료의 마찰특성 등 다양한 측정 재료의 고유 특성과 관련이 있다. 그러나 경도 측정기에 의한 측정 오류, 압흔 관찰용 현미경의 분해능의 한계 등으로 발생할 가능성도 있다. 이에 반하여 rISE는 결정성 재료의 전이, 슬립(slip)면의 존재가 기여하는 것으로 알려져 있다. 따라서 nISE는 취성재료에서 발생하고, rISE는 소성변형이 존재는 단결정 소재에서 주로 관찰된다. 그러나 재료별로 이러한 현상의 존재는 아직 논란의 대상이 되고 있다 (Crawford, 1982; Iost and Bigot, 1996; Gubicza et al., 1997; Sangwal, 2000; Sangwal et al., 2003).

금속이나 세라믹 재료와 달리 폴리머 재료의 경도에 있어서 ISE에 관한 연구는 상대적으로 드물다. Low (1998)는 아크릴 레진의 비커스 경도는 하중시간에 대한 의존성은 있으나, 0-30 kgf의 비교적 높은 영역에서 비커스 경도의 하중 의존성은 나타나지 않았음을 보여주었다. 그러나 다른 연구에서는 PMMA의 비커스 경도가 100-600 gf에서 ISE가 존재하고 또 하중 유지시간의 증가에 따라 그 영향이 큼을 보여주고 있다 (Crawford, 1982). 또한 1-100 gf의 낮은 하중에서 열경화성 폴리머의 누프경도에서 rISE가 관찰되었다 (Yang et al., 1996). 이처럼 폴리머 재료의 ISE는 측정 하중영역, 재료 별로 다르게 나타나고 있다. 본 연구에서는 하중 유지시간을 30초 유지하였을 때 사용한 의치상 레진 재료들의 비커스 경도 값은 하중영역(25-2000 gf)에서 하중의 영향을 받지 않았음을 의미한다 ( Figure 1 ).

그러나 비커스 압자에 의한 압입 깊이의 결과는 D _m >> D _c 의 결과를 보였다 ( Figure 2 ). 즉 압입시의 압흔 깊이가 하중 제거 후 현미경으로 측정한 압흔의 대각선 길이로부터 산출한 깊이로 감소하였음을 보여주고 있다. 이는 이들 폴리머 재료의 경도 측정 시 압입 면적보다 압입 깊이에서 탄성회복이 일어남을 의미한다. 같은 PMMA 의치상 재료인 VT와 AS는 탄성회복력의 양은 유사하였다. 그러나 이러한 탄성회복의 양은 인가 하중이 클수록 증가하였다. 이 압입 깊이를 이용하여 경도 값을 계산한다면, 하중의 증가에 따라 경도의 감소현상을 관찰할 수 있으며 이는 경도의 하중 의존성을 의미한다 (Suwanprateeb, 1998). D _m >> D _c 의 결과와 최대 7일까지 비커스 경도 값의 변화가 일어나지 않은 결과( Table 2 )로부터 비커스 압흔의 탄성회복 거동은 하중제거 초기에 즉각적으로 일어남을 나타내며 이것은 선행연구의 결과와 일치한다 (Crawford, 1982).

Table 2 는 수중 침적 후 압흔의 재측정에 의한 비커스 경도의 변화를 보여준다. 측정 하중의 전 영역에서 두 재료 모두 7일까지의 측정에서 압흔의 길이 변화가 없어 압흔에 대한 탄성회복이 거의 없음을 나타내고 있다. 비록 VT의 비교적 낮은 하중인 25 gf 압흔은 시간경과에 따라 경도의 약한 증가가 관찰되었으나, 통계적 유의차는 없었다 ( p >0.05). 이들 결과는 polyethylene (PE), polycarbonate (PC), polystylen (PS) 등의 비커스 압입 깊이가 4분 이후에 최대 80%까지 회복하며 48 시간까지 거의 변화가 없다는 결과와 일치한다 (Tweedie and Van Vliet, 2006). 나아가서 비커스 경도의 장시간 변화에 대한 연구에서는 점탄성 폴리머의 비커스 압입 100 시간 후에 측정한 경도는 즉시 측정한 값과 거의 차이를 보이지 않았다 (Low et al., 1999). 이것은 비커스 압흔의 점탄성회복이 압흔의 대각선에 따라 일어나지 않고 면을 따라 일어나기 때문으로 볼 수 있으며, 이 현상은 Figure 3 의 비커스 압흔 사진에서 관찰할 수 있다. 아크릴 의치상 레진에서는 비커스 압흔의 주변에서 솟아 오르는 변형이 아니고, 대각선은 유지하면서 중심부를 향해 침강하는 전형적인 형태를 보여주고 있다. 그러나 재료의 ISE는 일반적으로 낮은 하중 영역에서 관찰되어 왔다 (Petrik and Palfy, 2014). 비록 본 연구에서는 이루어지지 않았으나 25 gf이하의 낮은 하중 영역에서 경도 변화에 대한 분석은 필요하다.

결론적으로 치과용 아크릴 레진의 비커스 경도 값은 하중범위 25-2000 gf에서의 압입하중 차이에 따른 오차를 거의 무시할 수 있으며, 이들의 상호비교가 가능함을 나타내고 있다. 또한 압흔들에 대한 수중 침적 후 비커스 경도의 통계적 변화는 일어나지 않았다. 그러나 하중에 따른 압입 깊이 측정결과는 탄성회복에 의하여 하중의존적 차이가 있음을 나타냈으며 이와 같은 결과는 비커스 압흔에 대한 깊이에서의 즉각적 탄성회복에 의함을 나타낸다. 본 연구의 결과는 비커스 경도와 압입 깊이 측정은 의치상 레진의 기계적 거동 평가에 매우 유용하게 이용할 수 있음을 보여주었다.

Acknowledgments

* 이 논문은 한국연구재단의 중점연구소지원사업(Priority Research Centers Program: 2009-0093829)의 지원에 의함

본 연구를 위하여 Acryshot 시편을 제작하여 제공해주신 ㈜BMG(Kyoto, Japan)에 감사 드립니다.

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