KR101621886B1 - 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심미성이 뛰어나고 기계적 특성이 우수한 치과용 결정화 글라스-세라믹스의 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 치과용 글라스-세라믹스의 제조는 고순도의 글라스 제조를 위해 백금도가니를 이용하며 기포 없는 고 청징 글라스 제조를 위해 백금 스터러를 이용하는 제조공정을 가지며, 특히 통상적으로 실시하는 글라스의 성형 후 서냉, 상온까지 냉각, 결정화를 열처리를 위한 승온 및 결정화 열처리의 복잡한 공정을 글라스의 성형 후 서냉 및 결정화 열처리를 상온까지 냉각 없이 연속적으로 실시하는 생산성이 높고 물성의 편차가 적은 글라스-세라믹스 제조가 가능한 연속식 열처리 제조공정을 특징으로 한다.

Description

결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법{Method of producing crystallized glass-ceramics dental composition}

본 발명은 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결정질을 포함하는 치과용 글라스-세라믹스의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 치아가 우식이나 파절에 의한 손상 또는 결손 등으로 상실되면 발음, 저작, 심미성에 큰 장애가 발생한다. 또한, 치아가 없는 빈 공간으로 인접치아들이 이동함으로써, 치아의 정상적인 배열이 어긋나기 시작하면, 치아 사이에 음식물이 끼게 되어 충치나 풍치가 발생하고, 입 냄새가 나게 된다. 특히, 어금니의 손상 또는 결손이 발생되면 식사를 제대로 하지 못하기 때문에 영양부족 현상이 발생할 수 있다. 또한, 앞니의 손상 또는 결손은 심미적인 문제를 야기할 뿐만 아니라, 손상 또는 결손된 부위에 2차 우식이 발생할 확률이 급격히 높아지게 된다.

따라서, 이러한 치아의 손상 또는 결손이 발생된 환자에게는 치아 대체 치료인 치과용 수복 또는 보철 시술 등 저작 및 심미적 치료를 실시하고 있다.

치과용 수복은 치아의 우식이나 파절에 의한 부분적 손상 등의 원인으로 시술이 필요해진 치아의 환부를 도려내어 형성된 와동(cavity)을 치아 대체 재료로 밀봉하는 것을 말하여, 이때 사용하는 치아 대체 재료가 치과용 수복재료이다.

또한, 치과용 수복은 직접 수복식과 간접 수복식으로 크게 나눌 수 있다. 여기서 직접 수복식은 구강 내 수복이 가능한 작은 부위에 사용되고, 대표적으로 화학경화, 광경화 및 이원중합 등의 경화방식을 적용할 수 있는 레진 수복재료를 사용하고 있으며, 간접 수복식은 보철물 제작을 위해 다양한 재료와 경화방식을 사용하고 있다.

이러한 치과용 수복재료는 치아의 우식이나 파절 등으로 인해 생긴 치아 파손 부위 및 치관 전체를 수복하거나 동요치를 고정시키는 일반적인 치과 시술 이외에도, 치아 교정이나 심미적 치과 치료 등 매우 넓은 범위에 걸쳐 사용되고 있는 핵심적인 치과 재료 중 하나이다.

또한, 치과용 수복재료는 구강 내의 특수한 환경으로 인해 일반 재료와는 다르게 여러 가지 특성들이 요구된다. 즉, 상대습도가 100%에 가까운 습윤한 환경, 저작 시에 발생되는 높은 교합압, 급격한 온도 변화, 생체 조직과의 긴밀한 접촉, 과민 반응과 같은 부작용의 빈발 및 무수한 세균 종의 구강 내 상주 등 여러 가지 인자를 감안하여 제조되어야 한다. 또한, 최근 대중 매체의 발달에 의한 개개인의 높은 심미적 욕구 등을 반영하여, 치질과의 색 조화 등도 고려되어야 한다.

이러한 치과용 수복재료 중, 세라믹스 재료는 압축강도, 내마모성, 심미성 및 화학적 안정성 등이 우수한 장점을 갖고 있지만, 취성이 있기 때문에 인장과 충격에 약하고, 소성 수축이 커서 수복물의 변연적합도가 떨어지는 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 장석계 도재의 하부에 금속을 강화한 도재-금속관이 도입되었지만, 변연부 금속의 노출, 치은부에서 금속산화물의 확산 등으로 인한 심미성 저하 및 금속에 의한 알레르기 반응 등의 문제점들을 보였다. 최근에는, 세라믹스 재료의 제조기술이 크게 진보하면서 다수의 전부도재관용 재료가 치과임상에 도입되었으며, 또한 심미성, 변연적합도 및 기계적 강도를 높이는 측면에서 글라스-세라믹스를 1차 열처리 후 캐드/캠 (CAD/CAM)으로 가공을 한 후 2차 열처리하여 강도를 높이는 방법에 관심이 집중되어 왔다. 즉, 2단계에 걸친 열처리를 수행함에 있어서, 각 열처리를 단속적으로 진행하였다.

이러한 전부도재관용의 세라믹스 재료로서, 초기에 소개된 알루미나계의 도재인 글라스-세라믹스는 글라스에 고강도의 세라믹스인 알루미나 입자를 분산 강화하여 기계적 강도를 개선한 세라믹스 재료이다. 이러한 알루미나계의 도재인 글라스-세라믹스는 알루미나의 함량이 증가함에 따라 강도가 개선된 반면, 투명도가 감소하여 심미성이 저하되는 단점을 보였다. 또한, 글라스 조직에 미세결정상을 석출하여 강도의 개선을 유도한 세라믹스 재료는 심미성이 우수한 반면, 강도가 낮고 결정화 과정에서 나타나는 수축으로 인해 변연적합도가 떨어지는 등의 문제점을 보였다

따라서 이러한 글라스-세라믹스의 단점을 보완하기 위해, 타겟(target) 조성의 글라스 블록을 만든 후 가공성이 좋은 메타 실리케이트(meta silicate) 결정상을 열처리에 의해 생성시켜 반제품으로 만든다. 이를 사용자의 치아 모양에 맞게 캐드/캠 (CAD/CAM)으로 가공을 한 후 최종적으로 기계적 강도가 우수한 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹스로 만들어 사용하는 방법이 이용되고 있다. 이러한 캐드/캠 가공법은 정확성과 변연 적합도를 증진시킬 수 있으며, 정통적인 소결법에 비해 제조공정이 정확하고, 기공율이 낮고 변연적합성이 우수하며, 강도와 와이블 분포(Weibull Distribution) 계수가 높은 장점을 보였다.

미국특허 8,162,664 에서는 고균질 리튬 디실리케이트계 글라스 제조를 위하여 사용되는 도가니에 대한 특별한 언급은 없으며, 용융된 글라스를 물에 부어 글라스 알갱이로 만든 후 이를 다시 녹여 글라스의 균질도를 향상시키는 방법을 제시하고 있고, 리멜팅된 글라스를 상온까지 냉각 후 1차 결정화 처리를 하는 것으로 제시하고 있다.

그러나 균질한 글라스를 얻기 위해 리멜팅 하는 과정에서 조성이 균일하지 않은 글라스 알갱이가 용융되어도 주위 알갱이의 용융물과 완전히 균질하게 혼합되기 어려우므로 완전히 균질한 글라스 용융이 어렵다. 또한 리멜팅된 글라스를 상온까지 냉각 후 다시 결정화 열처리 온도까지 승온해야 하므로 이 과정에서 에너지 소비가 많고 무엇보다도 승온속도가 빠를 경우 소재 내외부의 온도차이가 존재하게 되어 소재 내외부의 핵생성 및 성장 정도 차이가 발생할 경우 결정의 수, 결정의 크기 등의 차이로 인한 소재 내외부의 특성 차이로 인한 물성 불균일성을 나타낼 수 있다.

또한, 리튬 디실리케이트계 글라스는 1500℃ 이상의 높은 온도에서 글라스를 2시간 이상 용융시켜야 하는데, 이 때 고순도 백금 도가니 외에도 알루미나 도가니와 같은 세라믹스 계열의 도가니를 사용하는 사례가 있었던 바, 용융 과정에서 도가니 재질이 용융 글라스에 침식을 당하여 많게는 수 중량% 만큼의 도가니 재질 성분이 글라스 조성에 포함되는 문제점이 발생하게 된다.

치과용 글라스-세라믹스는 심미적 특성이 매우 중요하므로 결정화 열처리에 의해 생성되는 결정질의 분포가 고르게 되어 있어야 생성 결정에 의해 나타나는 글라스-세라믹스의 색상의 심미도가 증가하게 된다. 따라서 통상적으로는 글라스의 용융 후 용융글라스를 찬 물에 부어 급격한 열충격에 의해 글라스 알맹이로 만든 후 이를 다시 재용융함으로써 SiO₂, Li₂O 등 글라스의 성분이 골고루 섞이도록 해준다.

이 경우 2회의 용융에 따라 공정시간 및 에너지 소비가 크고 재용융을 하더라도 1차 용융 후 생성된 알갱이들이 균질하게 혼합되지 않을 가능성이 크다. 이렇게 만들어진 글라스의 조성 균일도가 떨어지면 열처리에 의한 결정화 시 생성되는 결정들의 조성비가 조금씩 달라 결정이 생성되면서 나타나는 색상의 균일도도 저하될 가능성이 높다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보다 경제적인 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 보다 순도 높은 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 보다 균일한 물성을 나타내는 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법을 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조 방법에 있어서, 글라스 조성물을 용융하는 단계; 용융된 글라스 조성물을 백금 스터러를 사용하여 교반하는 단계; 교반된 용융 글라스 조성물을 성형하고 상온보다 높은 온도에서 서냉하는 단계; 및 서냉온도에 도달한 후 재열처리하여 결정화하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법을 제공한다.

상기 글라스-세라믹스 치과 재료는 리튬-디실리케이트 결정을 포함하는 결정 85 내지 99 중량%와 조색제 및 형광제 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 치과용 글라스-세라믹스 제조에 있어서 리튬-디실리케이트계 글라스를 이물질의 혼입 없이 고순도 글라스로 용융하기 위해 고순도의 백금 도가니에서 용융하는 것이 바람직하다.

상기 글라스 조성물을 용융하는 단계;는 리튬-디실리케이트계 글라스를 부위별 조성의 차이가 없이 고균질 글라스로 용융하기 위해, 백금 스터러로 교반을 하면서 용융을 하는 것이 바람직하다.

서냉온도에 도달한 후 재열처리하여 결정화하는 단계;는 서냉온도 도달 후 재열처리하는 과정 사이에 상온 냉각과정이 포함되지 않는 것이 바람직하다.

상기 서냉온도는 500 ~ 650℃인 것이 바람직하다.

상온 냉각과정이 포함되지 아니한 결과, 상온 냉각과정이 포함된 경우와 비교하여 재열처리시 서냉된 글라스의 외부와 내부간 온도편차가 상대적으로 적어 글라스의 내부와 외부의 결정화도가 상대적으로 높으며, 강도의 편차는 상대적으로 낮다.

상기 리튬 디실리케이트 결정을 포함하는 글라스-세라믹스는, 리튬 디실리케이트 기반의 글라스-세라믹스((lithium disilicate)-based glass ceramics)으로 이루어질 수 있으며, 루사이트 글라스-세라믹스보다 높은 강도(strength)와 파괴인성(fracture toughness)을 가진다.

1) 또한 상기 글라스-세라믹스는 SiO₂-Li₂O-K₂O-P₂O₅-Al₂O₃-ZnO-ZrO₂계 글라스에서 체적 핵생성과 결정화의 조절을 통해 루사이트(leucite, K₂O-Al₂O₃-SiO₂계 글라스) 글라스-세라믹스보다 높은 결정화도(crystal content, 약 70 vol% 이상)를 가질 수 있고, 상기 리튬 디실리케이트의 높은 결정화도와 결정 결함율(degree of interlocking crystals)에 의해 약 350 MPA 이상의 강도와 2.5 MPam^{1 /2} 이상의 파괴인성을 가질 수 있다.

2) 상기 리튬 디실리케이트 결정을 포함하는 글라스-세라믹스는 너무 단단하여 다이아몬드 툴(diamond tool)을 가진 캐드/캠 (CAD/CAM)으로는 가공하기가 어렵다. 따라서 이를 해결하기 위해서 SiO₂-Li₂O-K₂O-P₂O₅-Al₂O₃-ZnO-ZrO₂계 글라스의 열처리공정을 조절하여 적절한 기계적인 물성을 가진 리튬 메타실리케이트(lithium metasilicate)라는 중간상(intermediate phase)을 생성시킬 수 있다. 상기 리튬 메타실리케이트는 푸른빛의 색상과 매우 낮은 화학적 내구성을 가지게 되지만, 800℃ 이상의 결정화 공정을 통해 치아색상을 가진 단단한 리튬 디실리케이트로 상전이 된다. 이와 같이, 고체상태반응으로 치아와 유사한 광학적 성질과 화학적 내구성을 부여 할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료는 순수한 백금 도가니에서 용융하기 때문에 이물질의 혼입이 없이 깨끗한 소재를 얻을 수 있다.

또한, 용융 과정에서 글라스의 균질화를 위한 백금 스터링 용융을 하므로 일반적인 용융시 균질화를 위해 실시하는 리멜팅 과정을 생략할 수 있다.

또한, 연속식 (성형-서냉-결정화 열처리) 공정을 통해 성형된 도재 블럭을 상온까지 냉각시켰다가 다시 결정화 온도까지 승온 시키는 공정의 번거로움이 없고 이 과정에서 에너지가 대폭 절감될 수 있다.

또한, 연속식 (성형-서냉-결정화 열처리) 공정을 통해 성형된 도재 블럭을 상온까지 냉각시켰다가 다시 결정화 온도까지 승온 시키는 과정이 생략되므로 결정화 열처리시 시료의 내외부 온도차이가 존재하지 않아 시료 내외부에서 고른 결정화가 이루어져 물성편차가 적은 제품을 만들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 제조공정도이다.
도 2는 도 1의 제조공정을 위한 장치 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 글라스-세라믹스의 형상이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 글라스-세라믹스 제조용 글라스 용융을 고순도 백금 도가니에서 균질화를 위해 스터링 (Stirring) 용융을 하고 글라스 블럭 형태로 성형을 한 뒤 상온까지 냉각 후 결정화를 위한 열처리를 하지 않고 성형된 글라스 블럭을 서냉하면서 바로 결정화를 위한 열처리를 하는 제조 공법을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조공정도이며, 도 2는 도 1의 제조공정을 위한 장치 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 글라스-세라믹의 제조는 용융장치(10) 내에서 백금도가니(11) 및 백금 스터러(12)를 이용하여 수행되는 용융공정, 성형장치(20) 내에서 이루어지는 성형 및 서냉공정, 열처리장치(30) 내에서 이루어지는 결정화 열처리 공정을 포함하는 공정에 의한다.

다만, 이러한 장치는 다양한 변형예가 존재할 수 있는데, 예를 들어 열처리장치(30)가 별도로 없이, 성형장치(20)에 히터를 부착하고, 성형 후 서냉, 열처리를 일괄적으로 수행할 수도 있다. 따라서, 백금 스터러(12)가 부착되고, 상온 냉각과정 없이 서냉부터 열처리까지 연속으로 수행할 수 있도록 하는 한 장치의 변형예는 다양하게 도출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 글라스-세라믹스의 제조공정은 글라스의 원료를 백금도가니에 담아 고온에서 용융하면서 용융온도에서 청징(refining) 공정 기간 동안 백금 스터러(stirrer)를 이용하여 저어줌으로써 백금도가니 하단 부에 위치한 미세 기포들이 표면으로 잘 떠올라 사라질 수 있도록 해주는 공정을 포함한다.

이러한 일 실시예에 따른 글라스-세라믹스 제조공정의 각 구성들에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

용융할 글라스 조성으로는 결정화 열처리에 의해 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹스가 되는 루사이트(leucite)계 글라스, 리튬 디실리케이트계 글라스 조성물 등을 들 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 그중에서도 최근 인공 치아재료로 활용이 많이 되고 있는 리튬 디실리케이트계 글라스 조성물을 대상으로 하였다.

여기서, 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹스로 구성되는 것을 이용한 치과 재료 제조방법을 설명하였지만 본 발명이 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 치과용 글라스-세라믹스는 예를 들면, 리튬 디실리케이트, 루사이트, 아파타이트 등의 다른 글라스-세라믹스로 되는 치과용 소재를 포함할 수 있다.

본 발명에서와 같이 글라스의 용융 시 백금 스터러(12)를 글라스의 용융온도에서 백금 도가니 내에서 돌려줄 경우 글라스 용융물이 백금 도가니 내에서 대류 현상이 촉진되어 구성 성분이 균질하게 혼합된 글라스 용융물을 생성할 수 있다.

한편, 통상적으로는 치과용 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹스는 고균질, 고청징의 SiO₂-Li₂O-K₂O-P₂O₅-Al₂O₃-ZnO-ZrO₂계 글라스를 용융한 후 글라스로 된 블럭 제품을 제조하고, 이를 다시 열처리하여 결정상을 생성시킴으로써 제품화된다. 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹스는 결정화시 심미성이 우수한 상아색의 색상을 보여 최종적으로 인공 치아용으로 사용되지만 강도가 강하여 캐드/캠 작업에 의해 가공이 어렵기 때문에 가공성이 우수한 보라색의 메타 실리케이트 결정상을 1차로 생성시켜 만든 후 이를 사람의 치아모양으로 가공하여 최종 제품의 형상으로 제조한다. 이때 글라스-세라믹스의 결정화도는 약 40% 수준으로 유지시켜 가공성이 좋도록 해준다. 치아모양으로 가공된 리튬 메타실리케이트 소재는 800℃ 이상의 결정화 공정을 통해 치아색상을 가진 단단한 리튬 디실리케이트로 상전이 된다. 이때 글라스-세라믹스의 결정화도는 약 70% 수준으로 해줌으로 리튬 메타실리케이트 고유의 상아색을 보이면서 350 MPa 이상의 강도가 유지되도록 해준다.

따라서 용융된 리튬 디실리케이트계 글라스는 통상적으로 사각형의 블럭 모양으로 성형된 후 성형 시 발생한 블럭 내 응력 제거를 위해 서냉을 한 후 상온까지 냉각을 하게 된다. 만들어진 리튬 디실리케이트계 글라스 블럭은 가공성이 우수한 메타 실리케이트 글라스 세라믹스 제조를 위해 결정화에 필요한 열처리를 위해 재 가열하여 글라스-세라믹스로 제조한다.

그러나, 이와 달리 본 발명에서는 용융장치와 성형장치, 열처리장치를 컨베이어 방식에 의해 일괄 라인으로 구성하였다.

즉, 연속공정에 의해 리튬 디실리케이트계 글라스를 용융한 후 성형장치에서 글라스 블럭으로 성형하고 가열장치가 부착된 성형장치 내에서 서냉을 하고, 이를 컨베이어에 의해 외부로 인출하여 상온까지 냉각하였다가 다시 결정화 열처리 온도까지 열처리할 필요 없이 서냉이 끝난 글라스 블럭을 바로 연속공정에 의해 결정화를 위한 열처리를 수행할 수 있는 제조공정을 제시한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 치과용 글라스-세라믹스의 제조 방법에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 여기서 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 치과용 글라스-세라믹스의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 치과용 글라스-세라믹스의 제조 방법은 글라스 용융용 배치(batch)를 만드는 S100 단계로부터 출발한다. 이때 글라스 용융용 배치는 통상적으로 상온에서 백금 도가니(11)에 투입하며, 연속 용융이 필요할 경우 용융 온도까지 가열된 백금 도가니내로 투입하여도 무방하다.

다음으로 S200 단계에서 상기 배치가 글라스화 되도록 용융장치(10) 내에서 승온 가열하여 용융함으로써 글라스화시키며 이 용융 글라스의 균질화와 기포 제거를 위해 백금 스터러(12)로 용융 글라스를 교반하는 작업을 수행한다. 백금 스터러(12)는 백금 도가니(11) 내에서 용융 글라스가 잘 대류될 수 있도록 회전시 바닥부위의 글라스 성분이 표면으로 용이하게 대류이동 할 수 있도록 해줌으로써 재용융이 필요 없을 정도의 균질화와 도가니 아래 부위에 위치한 작은 미세기포를 쉽게 표면으로 떠오르게 함으로써 미세한 기포가 제거된 고청징의 글라스를 쉽게 제조할 수 있도록 해준다.

다음으로 S300 단계에서 고균질, 고청징으로 용융된 글라스를 성형장치(20)에서 글라스 블럭 모양으로 음각형성된 카본 치구에 흘려 글라스 블럭이 성형되도록 한다. 이후 카본 치구를 글라스 서냉온도로 유지된 성형장치 내에서 30분에서 2시간 정도 유지시켜 서냉함으로써 성형시 발생한 글라스 블럭 내 응력을 제거한다. 이 때, 서냉온도는 500 ~ 650℃의 범위로 하는 것이 바람직하다. 위 온도의 범위를 벗어나는 경우 응력을 효과적으로 제거하지 못하거나, 재용융되기 때문이다.

한편 S300 단계에서 글라스 블럭을 성형하는 성형치구(미도시)는 카본 소재의 치구를 사용한다. 그러나, 상기 치구의 재질은 이것에 한정되는 것은 아니며, 글라스 블럭용 성형치구는 카본, 금속, 세라믹스 등 여러 가지 소재를 사용할 수 있다.

다음으로 S400 단계에서 성형장치와 연결된 열처리장치(30)의 컨베이어 벨트를 가동시켜 성형치구가 열처리장치(30)로 자동 이송되도록 한다. 글라스의 서냉온도보다 높은 온도인 결정화 온도로 유지된 열처리장치(30) 내로 서냉온도에서 가열된 글라스 블럭을 이송하여 연속적으로 열처리가 가능하도록 함으로써 통상 서냉 후 상온까지 냉각시킨 후 필요시 열처리를 진행하는 통상의 공정보다 공정시간이 크게 단축되어 높은 생산성을 기대할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 치과용 글라스-세라믹스의 제조 방법에 있어서, 가장 핵심인 용융, 열처리 공정을 최적화 할 뿐 아니라 공정간 연속식 공정을 적용함으로써 우수한 심미적 특성의 치과용 글라스-세라믹스 소재를 보다 경제적으로 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 치과용 글라스-세라믹스를 백금도가니(11) 및 백금 스터러(12)를 구비한 용융장치(10)와 성형장치(20) 및 열처리장치(30)가 연결된 연속공정 장치를 사용하는 이유는 다음과 같다.

글라스-세라믹스는 열처리에 의해 결정 생성이 60~90 vol%까지 가능한 글라스를 먼저 용융한 후 성형하고 별도의 열처리를 통해 결정을 생성시켜 글라스의 색상변화와 물성개선을 목적으로 하는 소재로서, 열처리 전 글라스의 조성 균질도 및 기포 등 이물질 잔존여부에 따라 색상이나 물성 등이 크게 영향을 받는다. 따라서 고균질, 고청징 글라스 용융이 요구되며 이를 위해서는 글라스 용융 뿐 아니라 서냉시의 열처리, 결정화 열처리 공정 등에서 많은 에너지를 소비하게 되는데 서냉과 열처리를 연속적으로 함으로써 결정화 글라스의 생산 시간 및 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있는 제조방법이기 때문이다.

아래의 표 1, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 백금 도가니(11)를 사용하여 용융한 글라스는 알루미나 도가니에 용융한 글라스에 비해서 글라스조성이 변하지 않는 것을 확인할 수 있다. 알루미나 도가니를 사용한 글라스의 경우 글라스 내 알루미나 함량이 4 중량%까지도 증가한 것을 알 수 있다.

			실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2	비교예3
Alumina 함량차이		wt%	0.04	0.07	0.06	3.1	0.05	0.06
색좌표 (리튬 메타 실리케이트)	L*	평균	76.65	76.64	76.65	74.38	76.50	74.43
		표준편차	0.01	0.02	0.02	0.08	0.04	0.03
	a*	평균	13.05	13.05	13.02	13.12	13.04	13.05
		표준편차	0.02	0.01	0.01	0.05	0.04	0.02
	b*	평균	-14.38	-14.37	-14.33	-14.46	-14.32	-14.41
		표준편차	0.01	0.01	0.02	0.05	0.05	0.03
곡강도 (리튬 디실리케이트)	MPa	평균	380.5	377.3	380.5	301.0	348.8	342.3
		표준편차	1.3	1.3	1.3	2.9	1.7	1.9
도가니			Pt	Pt	Pt	Al2O3	Pt	Pt
Stirring			○	○	○	X	X	○
연속식열처리			○	○	○	X	○	X

도 3은 백금 스터러를 사용하여 고균질 용융을 한 글라스-세라믹스와 리멜팅에 의해 만들어진 글라스-세라믹스의 표면 색상 차이를 제시한 것이다.

리멜팅에 의해 용융된 글라스를 결정화 처리한 글라스-세라믹스는 부위별로 조성의 불균일에 의한 색상 차이가 보이고 있으나 백금 스터러(12)에 의해 용융한 글라스를 결정화 처리한 글라스-세라믹스는 불균일한 색상부위가 발견되지 않고 균일한 색상을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 리멜팅에 의한 글라스 용융은 1차 용융 휴 냉수에 급냉할 때 생성되는 글라스 알갱이의 크기가 일정하지 않으므로 2차 멜팅한 글라스의 균질도가 그때그때 달라져서 한 제품의 부위별 색상 편차 뿐 아니라 생산제품의 랏드(lot) 간 편차가 발생하게 되어 심미적 특성이 중요한 치과용 글라스-세라믹스의 생산에는 적절하지 않다.

한편 일 실시예에서는 리튬 디실리케이트 치과용 글라스-세라믹스의 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 의한 실시예와 비교예에 의한 특성비교를 위해 표 1에서와 같이 나타낸 곡강도와 L*a*b* 색좌표의 평균과 표준편차를 비교하였다.

곡강도 측정에 있어서는 ISO 6872 (Dentry-Ceramic materials)에 의거해 사례당 각각 10개의 시료를 3점 강도법으로 측정하여 평균값과 표준편차 값을 구하여 비교하였다. 곡강도의 비교는 최종적으로 치아로 사용시의 강도가 중요하므로 2차 열처리 후 리튬 디실리케이트 글라스-세라믹스 소재에 대해 곡강도를 측정 비교하였다.

소재의 색상 균일도는 L*a*b* 색좌표로 나타내었으며 사례당 1개의 시료에 대해 각각 4개의 포인트를 측정한 평균값과 표준편차 값을 구하여 시료당 색상 및 색상의 균일도를 비교하였다. L*a*b* 색좌표는 명도를 L, 색상과 채도를 나타내는 색도를 a*b*로 나타낸다. L*값은 커질수록 밝은 색상을 나타내 (+) 방향은 흰색방향, (-) 방향은 검은색방향을 나타내며, a*값은 (+) 방향은 적색방향, (-) 방향은 녹색방향을 나타내며, b*값은 (+) 방향은 황색방향, (-) 방향은 청색방향을 나타낸다. 색좌표의 경우 1차 결정화 열처리하여 리튬 메타실리케이트 상을 생성시킨 글라스-세라믹스 소재에 대해 비교하였다.

실시예 1,2,3을 참조하면, 글라스-세라믹스 내 알루미나 함량의 차이가 0.1 중량% 이내로 도가니로부터의 오염발생이 없고, 용융 시 백금스터러를 사용하여 균일한 용융한 결과 부위별 L*a*b* 좌표의 표준편차가 각각 0.02 이내로 매우 균일한 색상을 보인다. 또한 결정화 공정에서 연속식 공정을 적용한 결과 곡강도 값도 377 MPa 이상으로 높을 뿐 아니라 곡강도의 표준편차가 1.3 MPa 수준으로 매우 작은 것을 볼 수 있다.

비교예 1의 경우 글라스 용융 시 세라믹스 재질의 알루미나 도가니를 사용하고 백금 스터링없이 리멜팅한후 열처리 과정에서도 불연속 공정으로 결정화하여 제조한 리튬 디실리케이트 소재이다. 글라스 세라믹스의 성분상으로 볼 때 알루미나 도가니 사용으로 인해 타겟 조성보다 알루미나 함량이 3 중량% 정도 더 증가된 것을 볼 수 있다. 한편 백금 스터러를 사용하여 스터링 멜팅을 하지않고 리멜팅하여 글라스를 제조한 결과 소재의 부위별 L*a*b* 좌표의 표준편차가 최고값 0.08로 한 시료내에서 부위별로 매우 불균일한 색상을 보인다. 또한 결정화 과정에서 불연속 공정을 적용한 결과 곡강도 값도 381 MPa 수준으로 낮을 뿐 아니라 시료간 곡강도의 표준편차가 2.9 MPa로 매우 큰 것을 볼 수 있다.

비교예 2의 경우 글라스 용융 시 백금 도가니를 사용한 것으로서, 글라스 세라믹스의 성분은 타겟 조성을 나타내지만 백금 스터링없이 리멜팅하여 제조한 후 결정화 과정에서는 연속식 열처리 공정에 의해 결정화시킨 리튬 디실리케이트 소재이다. 백금 스터러를 사용하여 스터링 멜팅을 하지않고 리멜팅하여 글라스를 제조한 결과 부위별 L*a*b* 좌표의 표준편차가 0.04 이상의 한 시료내에서 부위별로 불균일한 색상을 보이나 연속식 열처리 공정에 의해 열처리한 결과 곡강도값은 비교예 1의 경우보다 많이 증가되어 곡강도값이 평균 349 MPa 값을 보였으며 곡강도의 표준편차도 1.7 MPa로 비교예 1보다 많이 개선된 것을 볼 수 있다.

비교예 3의 경우 글라스 용융 시 백금 도가니를 사용한 것으로서, 글라스 세라믹스의 성분은 타겟 조성을 나타내며 백금 스터러를 사용하여 스터링 멜팅을 하였으나 결정화 과정에서 연속식 공정을 적용하지 않은 결과 소재의 부위별 L*a*b* 좌표의 표준편차가 0.03 이내로 비교적 균일한 색상을 보였으나 결정화 과정에서 불연속 열처리 공정을 적용한 결과 곡강도 값도 평균 342 MPa로 다소 낮은 값을 보였으며 곡강도의 표준편차가 1.9 MPa로 편차가 다소 큰 것을 확인할 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허 청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

10 : 용융장치 11 : 백금 도가니
12 : 백금 스터러 13 : 컨베이어
20 : 성형장치 30 : 열처리장치

Claims (7)

1. 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조 방법에 있어서,
   상기 글라스 조성물을 용융하는 단계;는 리튬-디실리케이트계 글라스를 부위별 조성의 차이가 없이 고균질 글라스로 용융하기 위해, 백금 스터러로 교반을 하면서 용융을 하는 단계;
   용융된 글라스 조성물을 백금 스터러를 사용하여 교반하는 단계;
   교반된 용융 글라스 조성물을 성형하고 500 ~ 650℃의 온도에서 서냉하는 단계; 및
   서냉온도에 도달한 후 상온까지 냉각하지 않고 재열처리하여 결정화하는 단계;
   를 포함하여 구성되며,
   상온 냉각과정이 포함되지 아니한 결과, 상온 냉각과정이 포함된 경우와 비교하여 재열처리시 서냉된 글라스의 외부와 내부간 온도편차가 상대적으로 적어 글라스의 내부와 외부의 결정화도가 상대적으로 높으며, 강도의 편차는 상대적으로 낮은 것을 특징으로 하는 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 글라스-세라믹스 치과 재료는 리튬-디실리케이트 결정을 포함하는 결정 85 내지 99 중량%와 조색제 및 형광제 0.1 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 치과용 글라스-세라믹스 제조에 있어서 리튬-디실리케이트계 글라스를 이물질의 혼입 없이 고순도 글라스로 용융하기 위해 고순도의 백금 도가니에서 용융하는 것을 특징으로 하는 결정화 글라스-세라믹스 치과 재료의 제조방법.
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