많은 유저들이 일반적인 열선 방식의 소결방식에서 마이크로웨이브의 소결방식으로 전환하는데 있어서 정보의 부재로 어려움을 겪고 있다. 이에 ZERO는 이중희 Joyful Dental Studio 대표와 함께 초기 마이크로 웨이브의 모델에서 최근 마이크로 웨이브까지 사용해보며 얻은 데이터를 게재한다. 또한 일반 칸탈방식의 열선 로의 사용법과 간단한 지르코니아 소결에 대해서도 논해보고자 한다.
제로 편집팀 zero@dentalzero.com
 

 

 

abstract

 지르코니아 보철물에 있어서 마이크로 웨이브는 기공공정 중 가장 시간이 많이 걸리는 신터링 시간을 단축시킴으로서 지르코니아 원데이 보철물로 향하는 가능성을 시사했다. 초기의 마이크로 웨이브는 결함을 가지고 있었으나 최근에는 그 결함들이 거의 해소되고 있는 상황이다. 현재 기공시장에서 가장 많이 사용하는 소결로는 칸탈형식의 열선 소결로이며 많은 잠정정인 마이크로웨이브로의 전환이 기대되는 장비이기도 하다. 많은 유저들이 일반적인 열선 방식의 소결방식에서 마이크로웨이브의 소결방식으로 전환하는데 있어서 정보의 부재로 어려움을 겪고 있다. 이에 초기 마이크로 웨이브의 모델에서 최근 마이크로 웨이브까지 사용해보며 얻은 데이터를 공유해보고자 한다. 아울러 현재 가장 많이 사용 되는 일반 칸탈방식의 열선 로의 사용법과 간단한 지르코니아 소결에 대해서도 논해보고자 한다.    

 

 

1. 지르코니아 소결
지르코니아는 온도에 따라 서로 다른 상을 가진다. 1170℃ 이상에서 단사정에서 정 방정으로 상전이 하게 된다. 단사정에서 정 방정으로 상전이 하면서 기계정 성질을 향상된다. 그리고 1170℃ 이하로 온도가 하강하면 정방정은 다시 단사정으로 상전이 하게 되는 것이다.

우리가 사용하는 지르코니아 블록의 재료는 사실 순수한 지르코니아가 아닌 안정화지르코니아이다. 상변이시에는 기계적 물성이 향상되거나 떨어지는 현상이 발생하므로 이를 효과적으로 사용하기 위하여 금속 산화물을 zirconia에 첨가하는데 대표적으로 yittria(Y2O3)를 첨가한다.

순수한 지르코니아는 정사정-정방정으로 상변이 시 3~5% 가량의 부피의 팽창과 보통 17% 가량의 전단응력이 발생하게 된다. 쉽게 말해 체적의 변화가 발생하면서 파손이 발생한다는 이야기이다. 이 수반되는 현상을 막기 위해 yittria(Y2O3)를 첨가한다.

2. 일반 소결로(열선 방식)

1 ) 열선방식 소결로의 열전달 방식
가장 많이 쓰이는 열선 방식의 소결로는 열선을 가열하는 방식으로 열의 전도, 대류, 복사를 통하여 가공물에 열이 전달된다. 

열의 전도는 온도가 다른 두 물체를  접촉하였을 때 고온의 물체에서 저온의 물체로 열이 이동하는 현상을 이야기 한다. 

열의 대류는 액체나 기체가 온도가 높아짐에 따라 밀도가 감소하여 위로 상승하고 상대적으로 온도가 낮은 부분의 밀도의 크기가 상승하여 아래로 내려와 순환하게 되는데 이를 열의 대류라고 한다, 

열의 복사는 열이 물질을 통하지 않고 이동 함을 의미하는데 온도가 다른 두 물체가  매질에 상관없이 고온의 물체가 방출한 전자기파에 의해 열이 이동하는 현상을 열의  복사라고 한다. 열의 복사는 모든 물체에서 이루어지며 온도가 높을수록 방출하는 전자기파의 복사에너지도 증가하는데 이를 슈테판 볼츠만 법칙이 라고 한다.

2 ) 열선방식 소결로의 이해
열선 방식의 소결로는 일반적으로 가장 많이 사용되는 소결로이다. 기본적으로 소결로의 열선 상태에 따라 사용하는 소재에 따라 사용하는 장비에 따라 온도프로그램이 달라지지만 1500℃~1600℃까지 최고온도를 설정하고 그에따른 유지시간을 설정하여 사용한다. 온도프로그램은 짧으면 6시간에서 길면 10시간까지 다양하게 사용되고 있다. 이처럼 지르코니아라는 소재에 대한 소결 스케쥴이 달라지는 요인은 다음과 같다.

1) 소재의 차이
2) 소결로의 열선 상태

제조사마다 제조공법이 다르기 때문에 제품의 수축률이 다르다. 같은 제조사에서 만들더라도 각 LOT 별 수축률은 미세하게 다를 수 있다. 소결로의 열선 상태는 사용하는 기간이 길어질수록 가늘어 진다.
 

 

열선방식의 소결로 사용 중 열선부분에 마치 거품 같은 버블이 생기는 것을 본적이 있을 것이다. 열선에서 실리카 성분이 석출되는 것이고 이러한 현상이 반복되면서 열선이 점점 가늘어 지는 것이다. 이러한 현상은 열선에서 국부적으로 발생하거나 전체적으로 나타나게 되는데 이러한 현상이 국부적으로 일어나면 특정 부분이 얇아져 끊어지게 되고 전체적으로 일어나면 끊어지지는 않아도 점점 얇아지게 된다. 이 시점에서 PTCR 테스트를 해보게 되면 설정온도보다 30~50℃가량 상승해있는 것을 알 수 있다. 이는 열선의 효율이 떨어져 부족한 효율을 채우기 위해 과열되어 나타나는 현상이다. 사진 1의 빨간 원이 열선에서 나타나는 버블 현상이다.

 

그림 1-1은 열선 버블 그림이고 그림 1-2는 열선 버블에 대한 참고 자료이다. 
그림 1-2의 참고 자료에 의하면 열선에 발생하는 버블에 대하여 소결에 지대한 영향을 준다고 하면서도 상온에서 열선의 오염물을 제거하여 사용하라고 하였다. 또한 모든 실리콘 카바이드 발열체에서 공통적으로 나타나는 현상이며 해당 현상에 대해서는 청구에 근거가 없다고 하였다. 애매한 답변이라고 느껴졌다.

열선방식의 소결로를 구입하여 사용 중이라면 주기적으로 PTCR을 사용하여 소결로 내부의 실제 온도구배를 파악하는 것이 중요하다. 지르코니아는 최종 소결을 거쳐 색감과 투광도가 표현된다. 소결로의 온도는 최종 보철물에 영향을 준다. 따라서 세밀하게 관리되어야 한다. 또한 소결온도는 적합도에 영향을 준다. 이 또한 세밀하게 관리되어야 한다.

PTCR의 기본적인 목적은 소결로 내의 비교적 정확한 온도 분포를 파악하기 위함이다. 
PTCR에 열을 가하면 대류, 복사, 전도의 총 열량을 받아 수축을 하고 수축되는 양을 온도 환산표로 환산하여 실제 소결로 내부의 온도 값을 측정할 수 있다.

 

사용법은 간단하다. PTCR을 소결로의 측정하고자 하는 위치에 놓고 소결로를 가동 한다(사진 2. 좌측 소결 전). 온도 프로그램 종료(사진 2. 우측 소결 후) 후 PTCR을 micrometer를 이용하여 지름을 측정한다. 이때 측정한 지름의 값을 온도 환산표를 통하여 온도 값으로 변환하여 목표한 지점의 온도를 확인할 수 있다. 예를 들어 사진 2-1과 같이 최고온도 설정을 1515℃로 설정하였지만 실제 PTCR을 통하여 측정된 온도는 1545℃인 것을 확인 할 수 있다. 이처럼 앞선 열선 문제로 온도가 실제로 설정한 값 보다 높다면 설정 온도를 낮추는 작업이 필요하다. 이처럼 PTCR를 이용하면 현재 소결로의 상태에 맞는 온도 프로그램을 설정하는데 유리하다.

 

3. 급속 소결로(일반)
지르코니아 블록은 분말 성형 방식으로 제조한다. 분말 성형 장점은 융점까지 온도를 올리지 않고 적은 에너지로 고체화 하는 것이 특징이다. 분말 소결은 분말의 입자를 미세하게 하여, 입자표면 에너지를 (분말의 표면적을 높게 만듦) 높게 만들어 상태를 변화시키기 위해 적은 열에너지로도 상태를 변화하는 구동력이 발생하는 것을 유도하는 것이다.

분말 성형체 소결의 경우 우선적으로 분말의 표면에서 액상 소결이 일어난다. 따라서 일반적인 소결론에서는 온도의 상승을 매우 천천히 올린다. 외부에서는 액상소결이 이루어지지만 내부까지 같은 현상이 일어나게 하기 위해서는 시간차가 존재한다.
외부에서 갑작스러운 열에너지의 영향을 받을 경우 성형체 내부와 외부의 상태 변화가 달라진다. 외부는 수축을 시작하고 내부는 아직 액상소결 상태에 이르지 못했지 때문 에 성형체가 찢어지듯 갈라지게 된다. 그러므로 열선방식의 소결 공정에서는 승온을 천천히 올리는 것이 정석이라 보인다.  

4. 마이크로웨이브
마이크로웨이브는 급속 소결로이다. 소결이  빠르게 진행되면 입자 성장 시간이 감소된다. 더 작은 크기의 입자일수록 미세구조를  보다 더 균일하고 강도를 증가시킨다. 급속  소결의 장점 즉 입성장 속도에 대한 치밀화  속도를 증가시킴으로써 작은 입경의 고밀도 소결체를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

5. 마이크로웨이브의 장점
마이크로웨이브는 최근 부상하기 시작한 소결 장비이다. 기본적으로 짧은 소결시간은 기공사에게 아주 매력적으로 보일 수밖에 없을 것이다.

 

또한 입자 성장 시간이 감소되어 비교적 작은 입자의 고밀도 소결체를 얻을 수 있고 고밀도 소결체는 투명도와 강도가 증진하는 장점을 가지고 있다. 실제로 현재 덴스타의 WAVESINTER를 사용 중이고 한층 색감과 투명감이 증가한 느낌을 받았다.

마이크로웨이브는 마그네트론을 이용하여 타겟을 진동시키고 일정온도 이상에서는 타겟이 스스로 진동하여 부피 발열하는 방식이다. 소결 시간이 짧아 기존 열선 소결로 대비 40% 가량의 에너지를 절약할  수 있고 장점을 가지고 있다. 또한 사후 유지보수에 기존의 열선 방식의 소결로 보다 열원 교체 비용이 1/4 로 비용이 저렴하다는 것도 장점으로 들 수 있다.

6. 마이크로웨이브의 사용 후기
마이크로웨이브는 초기모델과 최근 모델로 나누어 살펴보면 다음과 같다. 초기모델은  열선 방식의 소결로에서 적용할 수 있는 안정적인 소결의  요인들이 잘 적용되지 않는다는 것이었다. 열선방식의 일반 소결로에서는 분당 상승 온도를 낮춘다거나 최고온도에서 유지시간을 늘린다거나하는 방법이 잘 되지 않는다는 않았다. 또한 가공물의 체적이 소결에 영향을 미치는 영향이 컸다. 싱글치아 같이 상대적으로 작은 가공물에는 비교적 영향이 적었으나 풀지르나 3번 4번이상 브릿지 이상의 가공물은 색감의 이상이나 적합도에 문제가 생기는 경우가 있었다. 

 

또한 지르코니아 보철물의 적합도를 체크할 때 열선방식의 일반 소결로 보다 적합도가 타이트 하다는 느낌을 받았다. 또한 입자 성장 시간이 감소되어 비교적 작은 입자의 고밀도 소결체를 얻을 수 있고 고밀도 소결체는 투명도와 강도가 증진하는 장점을 가지고 있다. 실제로 현재 덴스타의 WAVESINTER를 사용 중이고 한층 색감과 투명감이 증가한 느낌을 받았다.

최근에 덴스타의 WAVESINTER를 구입하 여 사용하고는 기존의 마이크로웨이브에 대한 생각이 바뀌었다. 현재 실제로 사용하면서 느낀 점은 온도 프로그램의 조절이 섬세하게 잘 적용되고 있다 점이다. 또한 색감과 투명감도 만족할만한 수준이었다. 적합도의 타이트함 또한 짧은 소결 시간이 작은 입자성장에 영향을 주고 밀도가 증진함으로 생긴 요인이거나 수십 년간 사용해왔던 열선 방식의 소결로에 익숙해진 탓인지도 모르겠다. 해당문제는 현재 사용 중인 덴스타의 WAVESINTER에서는 해결된 것으로 판단한다. 그리고 점차 세부적인 사항들이 더욱더 업그레이드 되고 있다

 

7. 결론 
마이크로웨이브의 도입으로 가장 도드라지는 변화는 원데이 보철물 개념의 실용적인 활용이다. 지르코니아 기공 공정 중 가장 긴 소결과정을 획기적으로 단축시킴으로서 임시적인 개념의 원데이 보철물이 아닌 지르코니아의 원데이 보철물의 새로운 지평이 열리는 것이다. 지르코니아 기공물의 재료인 지르코니아 블록은 의료기기이고 의료기는 효율성이 아닌 효과성으로 접근해야 한다. 치아라는 인간에게 있어서 매우 중요한 부분을 다루면서 항상 드는 개인적인 생각이지만 효율성이 효과성보다 훨씬 따라가기 쉬운 개념이고 경제적인 부분에 있어서 더 도움이 되는 개념인 것은 분명한 사실이다.

마이크로웨이브를 이용한 지르코니아 기공의 원데이 보철 방식은 그 효과성을 충분히 충족하는 개념이라는 생각이 든다. 다만 조금 아쉬운 점은 열선 방식의 소결로는 비교적 다양하게 기공시장에 분포해 있고 관련된 자료도 어느 정도 쉽게 구할 수 있으나 마이크로웨이브는 제품군이 열선 방식의 소결로 보다 적어 좋은 장비이지만 아직 활성화가 부족하다는 점이다. 

이번 마이크로웨이브의 이야기를 시작으로 하여 추후 온도 프로그램과 색감에 대하여 임상 을 통하여 이야기를 이어나갈 예정이다.