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치과기공소에서의 지르코니아 블록 전성시대 Z i r c o n i a, A to Z
석병훈  |  denfoline@denfoline.co.kr
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승인 2010.11.12  14:58:56
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1. 지르코니아란?
2. 왜 지르코니아인가?
3. 지르코니아 블록에 대한 잘못된 인식
4. 어떤 지르코니아 블록을 구매해야 하는가
5. 지르코니아 블록의 미래

   
 
캐드캠 시스템의 보급으로 혜성처럼 등장한 것이 지르코니아이다. 또는 지르코니아의 열풍으로 캐드캠 시스템의 보급화가 이루어졌다고 해도 과언이 아니다. ZERO 이번 호에서는 치과계의 떠오르는 신소재 지르코니아에 대해 살펴보고 치과기공소에서의 지르코니아 선택요령을 알아본다.


1. 지르코니아란?

지르코니아 및 치과용 세라믹 성분별 분류표
   

CERTIFIED AS MEETING OF FDA, CE, ISO13485, ISO9001 AND GMP

지르코니아와 각종 수복재료의 보철물 후레임웍 두께
지르코니아 :     0.5mm(fractureload->2000N)
인세람 알루미나: 0.8mm(fractureload-800N)
엠프레스 :       1mm(fractureload-650N)

지르코니아의 물성표
▶화학성분: ZrO2 and Y2O3 3 mol%
            HfO2<2%Al2O3+SiO2 <1% 
▶ 밀도, gcm?3                                               >6.0
다공성, %                                                 <0.1
▶  굴절력, MPa                                          900?1200
▶  압축강도, MPa                                            2000
▶  파절강도, MPam1/2                                        7?10
▶  열팽창계수, K?1                                        11×10?6
▶  온도전도율, WmK?1                                           2
▶  빅커경도, GPa                                               12

 지르코니아가 치과계에 등장하기 전에는 류사이트 계열의 Empress가 주를 이루었다가 알루미나 계열의 인세람이 뒤를 이었다.
그 후 올 세라믹으로 금속 구조물을 대체 할 수 있는 내부 코어 재료들이 등장하게 되는데  실리카(이산화규소)의 함유량에 따라 구분한다. 실리카를 주성분으로 하는 세라믹은 Empress가 있고 논실리카 베이스 세라믹에는 알루미나, 프로세라, 산화 지르코니아 세라믹등이 속한다. 올 세라믹 중에는 에칭을 할 수 있는 것이 있고 없는 것이 있다. Empress 등은 산 에칭이 가능하지만 넌실리카는 에칭이 안 된다. 기본적으로 지르코니아도 에칭이 안 된다.

지르코니아는 지르콘 샌드에서 추출한다. 지르콘은 지구상에서 채취할 수 있는 물질로 18세기 이전에는 가공하여 당시 보석으로 쓰였다. 1789년 독일의 과학자 Klaproth가 지르콘 광석에서 새로운 물질을 하나 찾아내는데 그것이 바로 지르코늄이다. 원자 배열식을 보면 지르코늄 원소와 규소, 산소등으로 구성되어 있다. 지르코늄은 금속이며 색상은 회백색이다. 열 흡수를 안하는 물성 때문에 다른 물질과 비교해서 단위면적당 열 흡수 가장 적어 방열재료 쪽으로 주로 사용되었다.

지르코니아구조

지르코늄은 원소 주기율표 상으로 티타늄 쪽에 속해 있으며 지르코늄과 지르코니아는 티타늄이 가지고 있는 생체친화적인 성질도 동시에 가지고 있다.

우리가 흔히 말하는 지르코니아라는 것은 지르코늄의 산화물을 말한다. 산화가 된 물질이다 보니 물성은 다시 한번 바뀌게 된다. 원래 금속인 지르코늄에 비해 색이 약간 흰색을 띄고 내마모성이 뛰어나다. 바로 이 마모가 잘 안 되는 성질로 인해 대합치 마모를 시키느냐 안시키느냐 얘기까지 나오게 되는 것이다.

일반적으로 지표상의 광물질들은 각각의 독특한 결정구조를 가지고 있는데 지르코니아는 아주 특이하게 온도 변화에 따라서 세 가지 결정구조로 나누어진다. 단사정계로 1170℃까지 유지하다 그 이상이 되면 정방정계로 바뀐다. 정방정계에서 2370℃ 이상으로 올라가게 되면 입방정계 결정으로 바뀐다. 2680℃에 이르면 녹아버린다.

이렇게 해서 블록이 나오게 되지만 결정적으로 전 세계적으로 지르코니아 붐이 일어나게 되는 계기는 1975년도 영국의 과학자 Garvie가 네이쳐 지에 논문이 게재되면서다. ‘세라믹 스틸’ 이라는 논문에서는 지르코니아 결정구조에 대한 변화 내용을 다뤘는데 논문에는 온도를 올리게 되면 결정구조가 변화 하는데 온도를 올리니까 지르코니아 부피가 줄어들고 정방정의 결정구조에서 쇠를 담금짐 할 때와 같은 고강도 고인성을 나타낸다는 사실을 밝혔다.

그런데 한 가지 문제가 있었다. 온도가 내려가면 크랙을 동반 한다는 것이었다. 그래서 찾아낸 것이 이트리아를 첨가제로 사용한 것이다. 이트리아 즉 산화 이트리움을 첨가하면 온도를 올리고 내려도 크랙이 동반되지 않고 물성을 그대로 사용할 수 있다는 것을 찾아낸 것이다.

   
 
사진설명: 지르코니아는 균열이 일어나도
균열 끝부분에서 부피팽창을 동반하는 상변이가 일어나 부분적인 압축응력이 발생하여 균열진행이 억제된다.


지르코니아는 안정화제인 이트리아를 14~15% 이상 함유를 시킨 안정화 지르코니아와 5~7%정도의 이트리아를 함유시킨 부분 안정화 지르코니아로 나뉘게 된다.
안정화 지르코니아는 파괴인성이 낮고 충격에 저항이 약한 반면 안정화제 함량을 낮춘 부분 안정화 지르코니아는 입경과 공정을 주의 깊게 제어함으로써 매우 높은 파괴인성을 가지게 된다. 이러한 사실을 찾아내며 부분 안정화 지르코니아가 치과 분야 대부분에서 많이 쓰이게 된다.


2. 왜 지르코니아인가?
환자의 심미적인 욕구가 높아지면서 금속은 심미적으로 문제가 되었고 금 값의 지속적인 상승은 부담이 되었다. 이런 문제를 해결 해 줄 구원자로 지르코니아를 사용하기 시작했다.
금속이 없는 올 세라믹 보철물의 선호도가 높아지고 있는 추세로 기존의 올 세라믹 소재는 복잡한 제작기간과 강도의 결점 때문에 임상적 사용이 제한되었다.

   
 
치과용 세라믹의 조건으로는 일단 생체 내에서 독성이 없어야 하며 치주등 연조직등을 포함한 구강 내에서 완벽히 적응 할 수 있어야 한다. 또한 심미성이 좋아야 하며 구강 내에서의 부식 및 변색에 대한 저항도 높아야 한다. 그 밖에 구강 내에서 발생되는 하중을 감당할 수 있는 기계적 특성을 갖추어야 한다.

   
 

치과용 지르코니아, 다양한 물성과 적용범위로 인기 상한가
지르코니아의 강도는 보통 1200mpa 범위로 알루미나인 인세람 보다 강한 강도를 가지고 있으며, 금속에 버금가는 강도를 가지고 있다. 강도보다 더 중요한 파괴인성은 흠집이나 결함이 존재할 때 재료가 파괴에 얼마나 저항할 수 있는가를 나타내는 지표인데 지르코니아는 강도 뿐 아니라 파괴인성 또한 기존의 올 세라믹 소재에 비해 2~3배가 높다.

현존하는 올 세라믹 중 가장 강도가 높으니 자연스레 적용 범위가 넓다. 싱글에서부터 풀마우스까지 견뎌낼 정도의 기본적인 강도를 가지고 있어 인세람보다는 확실히 비교우위를 가지고 있다.

경도는 인세람 주 재료인 알루미나와 비교해보면 지르코니아가 낮다. 경도가 낮다는 것은 잘 깎이고 교합조정이 편하다는 말이며 이는 곧 알루미나 보다 지르코니아가 다루기가 훨씬 수월하다는 것이다.

지르코니아는 자연 치아와 유사한 심미성과 투명성을 가지고 있어 인세람을 능가하는 투명도로 브릿지 케이스의 올 세라믹 심미 보철의 길을 열었다고 할 수 있다. 착색소를 첨가하게 되면 물성이 떨어졌으나 현재는 블록 기술의 발전으로 이러한 한계를 뛰어넘어 자연치 색조가 가능한 다양한 색조가 출시되었다. 그 밖에 투명한 전치수복용으로 개발된 반투명 블록은 착색소를 첨가하지 않으므로 물성문제가 없으면서 탁월한 강도를 보여준다.

지르코니아는 생체불활성으로 뼈와 화학적 결합은 하지 않으나 생체친화성을 가지고 있다. 부식, 변색이 없을 뿐 아니라 염증 반응이나 알러지 유발도 없다. 티타늄과 거의 동일한 생체친화성을 가지고 있다. 지르코니아는 이미 산화물이기 때문에 구강 내에서 부식이 일어나지 않는다. 또한 산 부식에 저항성이 높아 비교적 매끈한 표면을 가지고 있어 플라그가 생성 되지 않는다.

   
 
폴리싱이 잘된 지르코니아는 티타늄이나 상아질보다 치석축적률이 40% 적다.
좌:티타늄, 우:지르코니아

3. 지르코니아 블럭에 대한 잘못된 인식
최근 들어 지르코니아 수복물의 수요가 증가하면서 자연스레 지르코니아 블럭에 대한 불만역시 대두되고 있다. 이는 지르코니아의 적응증을 오해한데서 비롯된 것이라 할 수 있다.
혹은 초기에 지르코니아 블록을 썼었는데 당시 너무 오펙하고 색조가 맞지 않고 마진이 좋지 않았다는 등의 느낌을 받은 유저들이 현재도 이런 선입견을 가지고 있다. 하지만 현재는 많은 발전으로 이러한 선입견을 고쳐야 할 때이다.

요즘 출시되는 지르코니아 블록들, 이렇게 다르다
첫 번째로 너무 불투명하고 색조가 맞지 않고 오펙한 느낌의 블록은 현재는 다양한 색조로  출시되어 투명도 조절이 가능하고 색조도 많이 개선되었다.

두 번째로 마진이 좋지 않다는 문제는 요즘 시스템의 100%의 마진핏으로 해결 되었다. 물론 적합이 좋아지려면 프랩 가이드가 숄더 형태 프랩가이드에 따라 마진 형태가 있어야 스캐닝, 출력하는 과정에서 마진의 모양을 인식하고 마진의 라인을 설정해 정확하게 맞는 보철물이 나올 수 있다.

세 번째로 내면에 크라운이 지대치 위에 올라가 어느 정도 유지력이 있지만 너무 헐겁고 돌아가고 유격이 심하다는 문제다. 전에는 내면에 대한 유격은 프로그램 내에서 조절을 많이 하면 물성이 변했고 또 내면을 너무 타이트 하게 하면 모델 상에서 안 맞는 것처럼 느껴졌다. 툴 인터피어런스가 정확하게 깎을 수 없어 내면을 라운드하게 깎지 못했다. 기계로 깎는 것이라 말 그대로 불가능했다. 하지만 이제는 좀 더 다양한 각도의 축의 시스템이 출시되었고 축이 움직이면서 깎기 때문에 미세하게 재현이 가능해졌다. 

마지막으로 지르코니아를 제거해야 하는 경우, 제거하기 힘들다는 것이다. 현재는 다이아몬드 툴들이 보완이 되어 나오고 있고 초기에는 지르코니아 제거 방법이 익숙하지 못했기 때문에 힘들었지만 지금은 지르코니아에 대해 익숙해지면서 제거에 대한 문제가 줄어들었다.

4. 어떤 지르코니아 블록을 구매해야 하는가
지르코니아에 대한 수요가 증가하면서 블록을 생산하는 업체가 늘어나고 무허가 블록까지 시장에 난입하는 등 지르코니아 블록 시장은 이미 과열 양상을 보이고 있다. 지르코니아 블록은 최종적으로 환자의 구강에 쓰이게 되고, 이는 하나의 Tool의 개념으로 환자는 하루에도 수 천번씩 이를 사용하게 된다. 따라서 어떠한 재료보다 안정적인 재료를 사용해야 한다.

지르코니아의 물성을 알면 실패율이 적다
지르코니아는 일반 금속에 비해서 열팽창계수가 낮다. 대부분 초창기의 지르코니아 전용 도재는 전용 글라스 세라믹으로 출시됐다. 코핑 위에 파우더가 올라가려면 결합이 중요한데 지르코니아 열평창계수 코어가 그 위에 올라가는 도재의 코어보다는 좀 더 낮아야 한다. 
글라스 세라믹으로 출시 된 이유는 지르코니아 열평창계수보다 낮은 세라믹을 만들기 위해서였다. 고온용 세라믹 같은 경우 열평창계수가 높아 올리게 되면 역전되어 본딩력에 문제가 발생하게 된다.

지르코니아의 저온열화현상
지르코니아의 단점은 저온열화현상이다. 저온열화현상은 약 섭씨 250도 내외의 상대적인 저온상태에서 습윤한 환경인 경우 지르코니가 서서히 상변이를 겪으며 미세균일이 진행되어 강도가 감소되는 현상으로 정확한 기전은 아직 연구중이다. 정형외과 쪽에서 먼저 발견된 이 현상은 신체를 떠 바치는 하중과 구강 내의 압력은 비교 될 수 없으므로 크라운이나 브릿지의 코어 재료로서는 그다지 문제가 되지 않고 있다. 다만 체액과 직접 접촉하는 지르코니아 어버트먼트나 임플란트에서는 좀 더 지켜봐야한다는 것이 학계의 입장이다. 그러나 지르코니아의 안정화나 소결조건등 다양한 시도와 기술개발이 빠르게 이루어지고 있어 지르코니아의 저온열화 현상 역시 머지않아 해결 될 것으로 기대된다.

지르코니아+파우더 vs 풀크라운용 지르코니아
현재 전 세계적으로 지르코니아의 발전은 두 갈래로 나뉘어지고 있다. 고온용 파우더를 만들어 물성이 강한 파우더를 사용하여 지르코니아를 코핑으로 사용하는 것과 프레타우 블록처럼 세라믹을 올리지 않고 지르코니아만으로 풀 크라운을 제작하는 방법이다. 지르코니아 풀 크라운은 풀 크라운 자체를 깎을 수 있는 장비가 필요하다는 전제 조건이 붙는다. 또한 치아에 어두운 부분, 밝은 부분 등을 재현할 수 있도록 지르코니아를 소결시키기 전에 각 부분별로 색을 낼 수 있는 특수한 컬러 리퀴드가 필요하다. 

지르코니아 풀 크라운을 만들 때는 전용 재료, 전용 스테인, 전용 글레이즈 등을 구비하고 있는지를 살펴보아야 한다. 지르코니아 풀 크라운 블록이 있고 이걸 가지고 색을 재현할 수 있는 각종 전용 재료들을 구비했는지가 중요하다. 유사품이라면 풀 크라운을 깎을 수는 있지만 색을 재현하지는 못한다.

한국 지르코니아 블록 시장 현황
한국 지르코니아 블록 시장은 독특하다. 유럽이나 미국은 색조보다 강도를 많이 강조하는 것에 비해 국내시장은 강도보다 색조를 강조 하고 있다. 너도나도 심미성을 자랑하지만 실제로 코핑이나 크라운으로 적용하는데 중요한 것은 강도뿐만 아니라 인성, Wiebull Modulus 등의 요인이 있다.

하지만 이것들 만으로 소비자들이 판단하기에는 매우 어려운 것이 현실이다. 그래서 블록 구매 시 여간 고민되는 것이 아니다. 아무래도 지르코니아를 주 성분으로 하는 블록이라 회사별 성능차이는 그다지 없어 보인다고도 볼 수 있다. 그러나 블록제조업체들이 이구동성으로 강조하는 것은 지르코니아 원료의 성분과 순도, 그리고 입자크기 및 결정화 크기등의 물성과 성상부분이다. 이와함께  블록 성형가공 과정과 지르코니아블록의 컬러링에 따라 제품력에 차이가 발생한다고 밝히고 있다. 일단 주원료인 지르코니아를 어디서 수입해서 만드는 가에서부터 차이가 확연히 난다. 그리고 그 원재료를 가공하는 기술력 또한 중요하다.

국산블록과 외산블록
지르코니아 블록시장은 현재 국산품과 외산제품으로 양분되어 있다. 사실 국산블록 자체도 원료는 대부분 일본등에서 수입해오지만 각 제조업체별로 품질관리 생산공정으로 블록을 생산한다. 국산 블록과 외산 블록은 외국 브랜드 이미지로 인해 아직은 구매자들 인식에 차이가 있는 것이 사실이다.

일단 외산블록들은 롱텀데이터를 확인해 봐야 한다고 한다. 또한 원재료 수입이 어디인지 확실해야 한다고 강조한다. 아무래도 회사의 연구개발 기간 만큼 원재료를 가공하는 기술에서 노하우를 가지고 블록을 제작하기 때문에 품질에 차이가 확실히 있다고 한다. 1,000원, 2,000원을 아끼기 보다는 고품질의 블록을 사용함으로써 치과기공사로써의 신뢰를 쌓아야 한다고 말한다. 품질의 경우 단기간에는 차이가 나지 않지만 시간이 지날수록 품질의 차이는 나타난다는 것이 그들의 입장이다.

반면 국산블록업체들은 일단 국내에서 생산되고 상대적으로 출시기간이 짧다고 선입견을 가질 필요는 없다며 만약 지르코니아 블록에 문제가 있는데 우리나라 시장에 출시될 수 있겠느냐? 하고 반문한다. 과거 초창기 국산블록이 잘 깨지고 수축이 많아 가공되서 나온 수치와 소결후 수치가 안 맞는 등의 이미지는 이미 극복되었으며, 국산 블록의 기술이 상당히 발전해왔다고 평하며 가격도 저렴하여 기공소 운영에도 도움이 되니 일석이조라는 것이 대다수 국산 블록업체들의 입장이다.

KFDA인증등은 품질관리의 최소요건
 그 밖에 자신의 캐드캠 System과 호환이 가능한지도 잘 살펴보아야 한다. System 및 Tool의 가공특성에 맞게 생산되었는지, tool의 안정성 등을 고려하면서 생산한 제품인지를 살펴보아야 한다. 지르코니아 블록은 일정하고 안정적인 수축율이 보장되어야 한다. 제품의 균일한 품질을 보장할 수 있는 KGMP, FDA, CE등의 국가공인인증을 획득한 제품인지 제조원은 품질관리시스템이 구축되어 있는지를 확인해야 한다.


5. 지르코니아 블록의 미래
본지가 치과기공소에서 사용하는 지르코니아 블록 시장을 조사하기 위해 취재를 진행했을때 국내에 유통되고 있는 블록은 그 수가 수십여개에 달했다. 그러나 안타까운 점은 이들 중 상당수가 아직 품질인증 과정을 제대로 거치지 않은 채 소규모 생산설비로 제작되고 저가로 유통되고 있는 점이었다. 지르코니아 블록에 대한 미래는 결국 고객의 평가로 판가름 날 것이다. 지르코니아라는 이름하에 품질의 관리가 철저히 이루어지지 않는다면 지르코니아 시장 전체에 대한 불신이 팽배해질수 있다. 따라서 각 사용자는 각자의 시스템에 최적으로 맞는 지르코니아 블록을 선택해서 사용하는 것이 바람직하다.

지르코니아 블록에 대해 현재 가장 오래된 임상 데이터는 5년정도 된 것이 전부이기 때문에 장기적인 임상증례는 앞으로 계속적으로 지켜봐야 한다. 캐드캠의 도입으로 단단한 물질인 지르코니아를 가공해서 치과에 적용할 수 있게 되어 획기적인 변화를 불러온 지르코니아, 지르코니아를 가공하는 캐드캠 역시 너무 빨리 발전 하다 보니까 지르코니아만이 아닌 나머지 다른 소재들, 예를 들어 메탈 가공, 왁스, 레진 등의 가공법도 발달하게 되었다. 물론 각 소재의 가공에 따른 경제적인 가치산정에 따라 캐드캠과 지르코니아의 시장방향이 결정될 것이다. 실제로 캐드캠의 가공범위는 상상 이상으로 넓어지고 있으며, 그 중 으뜸은 지르코니아가 대표적이다. 캐드캠 기반의 지르코니아 블록의 적용분야는 향후에도 계속 발전을 해나갈것으로 기대된다.
※ 지르코니아 블록 보관 방법
1) 지르코니아 블록은 presintering 상태로 충격에 깨지기 쉽기 때문에, 충격 완충재로 포장된 상태 그대로 보관해야 한다. 매우 습한 곳을 피하고 (습도 90% 이상) 상온에 보관하는 것이 좋다.
2) 투명, 불투명 등 다양한 종류의 블록들이 있다. 한번 가공에 다 사용할 수 있다면 좋겠지만 가공 후 일부분이 남은 블록은 별도 보관하여 다른 블록과 혼용 사용되지 않도록 주의해야 한다.

※ 지르코니아 블록 보철물 제작 시 주의사항
  1) Zirconia Framework 제작 시 최소 0.5mm 이상 두께로 Framework을 제작해야 한다. (0.5mm 두께 이하로 제작 시 가공 및 보철 후 구강 내에서 파절될 수 있다.)
  2) Zirconia Framework 제작 시 Connector 면적은 전치부 7 ㎜², 구치부 9 ㎜² 이상을 권장한다.
   3) Copping polishing시 에어터빈(air Turbine) 사용을 권장한다. (기공용 핸드피스 사용 시 열 충격으로 인한 Microcrack이 발생할 수 있다.)

*본 기획기사 자료에 협조해주신 각 기업들과 유저들께 감사드리며, 도표 및 사진은 세종대학교 나노신소재 공학과 김대준 교수께서 제공해주셨습니다. 다음 호에서는 치과용 메탈의 무궁무진한 세계로 ZERO 독자 여러분을 초대합니다.



 

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이 기사에 대한 댓글 이야기 (2)
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Channery
Learning a ton  from these neat airtlecs.
(2011-09-22 13:42:14)
Millicent
Four score and seven miutens ago, I read a sweet article. Lol thanks
(2011-09-19 17:30:56)
이 기사에 대한 댓글 이야기 (2)


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