고함량 나노 실리카 기반 하이브리드 세라믹 

3D프린팅 잉크의 투광도 개선 기술

▶ CERAFIT(EZCERA-Hybrid) 적용 특허 기술 소개

 

 

디지털 덴티스트리, 이제는 ‘재료’의 문제다

최근 치과 임상과 기공 분야에서 디지털 워크플로우는 더 이상 선택이 아닌 필수 요소로 자리 잡고 있다. 스캐너, CAD 설계, 그리고 3D프린팅까지 이어지는 흐름 속에서 제작 속도와 정밀도는 크게 향상되었지만, 한 가지 분명한 한계가 존재한다. 

바로 최종 보철 재료의 문제다.

현재 3D프린팅은 주로 임시 보철 제작에 활용되고 있으며, 최종 보철은 여전히 지르코니아나 밀링 기반 하이브리드 블록이 담당하고 있다. 그 이유는 단순하다. 강도와 심미성을 동시에 만족하는 3D프린팅 소재가 부족하기 때문이다.

고함량 세라믹이 어려운 이유는 하이브리드 세라믹 잉크의 핵심이 세라믹 필러 함량 떄문이다.

• 필러 함량 증가 → 강도 상승 

• 광 산란 증가 → 투광도 저하 

• 출력 시 빛의 퍼짐 → 정밀도 저하 

• 내부 미경화 발생 

즉 ‘강도 vs 투광성’이라는 구조적 한계가 존재해 왔다.

이 때문에 대부분의 3D프린팅 재료는 필러 함량을 낮추고, 대신 출력 안정성을 선택할 수밖에 없었다.

 

해법은 ‘광학 설계’

CERAFIT에 적용된 기술은 이 문제를 단순 조성 변경이 아닌, 광학적 설계(Optical Engineering) 관점에서 접근했다는 점에서 차별화 된다.

 

1. 광학설계

① 나노 실리카 입자 제어 (100~300nm)

가시광선 영역(400~700nm)에서 발생하는 Mie scattering(미 산란)을 억제하기 위해 SiO₂ 입자를 100~300nm 범위로 정밀 제어하였다. 그 결과 

• 빛의 산란 감소 

• Rayleigh 영역에 근접 

• 출력 시 광 투과성 확보 

투광성과 출력 안정성을 동시에 확보하였다.

 

② 굴절률 매칭 설계

• 세라믹: 약 1.46 

• 레진: 약 1.48~1.50 

이와 같은 굴절률 유사성을 활용하여 필러와 레진 계면에서의 광 산란을 최소화하였다.

이는 단순히 재료를 섞는 수준이 아니라 빛의 경로를 설계하는 기술이다.

 

③ 70wt% 고함량 세라믹 구현

기존 하이브리드 레진이 약 40~50wt% 수준에 머무르는 것과 달리, CERAFIT는 약 70wt% 이상의 세라믹 함량을 유지하면서도 투광도 유지를 동시에 달성하였다.

• 균일 분산 

• 응집 억제 

 

④ 405nm 광경화 최적화

현재 대부분의 3D프린터는 405nm 광원을 사용한다.

이에 맞춰 복합 광개시제를 적용하여 출력 신뢰성 향상을 구현하였다.

• 깊이 방향 균일 경화 

• 내부 미경화 방지 

 

⑤ 눈으로 확인되는 차이

아래 사진에서와 같이 그 차이는 명확하다.

• 100nm 필러 → 높은 투명도 

• 500nm 필러 → 탁도 증가 

또한 실제 출력된 하이브리드 세라믹은 자연치와 유사한 반투명성을 보여 심미적 측면에서도 충분한 가능성을 확인할 수 있었다.

 

 

이 기술이 가지는 가장 중요한 의미는 단순한 물성 향상이 아니다. 3D프린팅의 역할 자체를 바꿀 수 있다는 점이다.

기존에는

• 3D프린팅 → 임시 보철 

• 지르코니아 → 최종 보철 

이었다면, 앞으로는 3D프린팅으로 최종 보철 제작이 가능한 구조가 된다.

 

2. 굴곡강도

 

 

2-1 굴곡강도 결과

• 강도 범위: 약 161 ~ 174 MPa 

• 평균값: 약 168~170 MPa 

 

① 강도 수준

전체적으로 170 MPa 근접한 고강도 영역

• 일반 3D프린팅 레진 (80~120 MPa) 대비 확실한 고성능 

• 하이브리드 블럭과 동급 수준 

 

② 균일성 

▶ 시편 간 편차가 작음

• 최대–최소 차이 약 13 MPa 

• 표준편차 추정: 약 3~4 MPa 수준 

 

의미

• 분산 상태 매우 우수

• 공정 재현성 확보됨 

• 상용화 가능한 품질 안정성 

‘170 MPa급 + 낮은 편차 = 상용화 가능한 고신뢰 하이브리드 세라믹 잉크’

 

3. 적합도 실험

CERAFIT소재의 출력 정밀도를 확인하기 위하여, 10×10×10mm 큐빅 모델을 제작하여 출력 적합도 테스트를 진행하였다. 

출력 후 디지털 버니어 캘리퍼스를 이용하여 치수를 측정하였다.

 

① 실험 조건

• 모델 크기: 10×10×10mm cubic 

• 사용 프린터: PHROZEN 8K MINI 

• 광원: 405nm LCD 방식 

• 레이어 조건

1)출력층 두께: 100micro

2)초기 10개층: 12초 노광

3)이후 레이어: 4초 노광 

 

 

② 결과

3D 프린팅에서 가장 중요한 요소 중 하나는 ‘설계값과 실제 출력값의 일치성’ 이다.

특히 하이브리드 세라믹 소재는 고함량 세라믹 필러로 인해 점도가 높아질 경우 아래와 같이 발생할 수 있다.

• 광 산란 

• 수축 오차 

• 레이어 누적 오차 

 

 

하지만 이번 테스트에서는 PHROZEN 8K MINI 환경에서도 안정적인 출력 결과를 확인할 수 있었으며, CERAFIT소재가 일반 소비자용 LCD 프린터에서도 우수한 출력 적합도를 구현할 수 있다는 가능성을 보여주었다.

CERAFIT는 “일반 3D 프린터에서도 구현 가능한 고정밀 하이브리드 세라믹”을 목표로 지속적으로 개발되었다.

 

4. CERAFIT 적용사례 

 

 

상악 우측 제1소구치 크라운에 CERAFIT를 적용한 사례이다.

사진에서 볼 수 있듯이 인접치아와의 색상 차이가 거의 없으며, 과도한 불투명감 없이 자연스러운 광택을 보인다. 

 

5. 결 론

• 고함량 세라믹을 기반으로 한 강도 확보 

• 광학 설계를 통한 투광도 개선 

• 출력 안정성 확보를 동시에 달성함으로써,기존의 기술적 한계를 근본적으로 해결

CERAFIT에 적용된 본 기술은 단순한 소재 개선이 아니라 디지털 덴티스트리의 재료 패러다임을 전환하는 기술이다.