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박지환 엠티아이지(MTIG) 부사장[창간 10주년 특집]

  • 공지
  • 2019-07-24
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박지환 엠티아이지(MTIG) 부사장[창간 10주년 특집] 

- 초탄성 타이타늄 합금 분말, 타이타늄 합금 3D프린팅 시대를 열다  

 



 

 

 

현재 의료용 재료는 금속, 고분자, 세라믹 복합재료 등이 사용되고 있으며, 재료의 고유 특성에 따라 사용되는 분야가 다르다.

 

금속재료는 세라믹, 고분자 등 타 재료에 비해 강도, 피로저항성, 성형가공성 등이 우수하여 인공고관절, 무릎관절, 플레이트, 스크류, 척추추간판 고정기구, 치과용 임플란트 등과 같은 경조직(hard tissue) 대체용 재료로 주로 사용되고 있다.

 

현재 인체에 사용되고 있는 경조직 대체용 금속재료(스테인레스강, 코발트 합금, 타이타늄 합금)는 자연뼈와 생물학적 적합성은 우수하지만 기계적 적합성이 매우 취약하여 실제 인체에 적용할 경우 뼈의 괴사 등의 문제가 발생하고 있다.

 

이러한 문제가 발생하는 이유는 뼈의 변형이 일반적인 금속재료와 달리 비선형 초탄성 변형거동을 나타내기 때문이다.

 

초탄성 변형거동이란 재료에 힘이 가해진 후 이 힘이 제거되었을 때, 변형 전의 모습으로 돌아가려고 하는 거동을 의미한다.

 

일반적인 금속재료를 사용해서는 뼈와 유사한 탄성계수를 얻을 수 없기 때문에 탄성계수가 뼈와 유사하며 초탄성 변형거동을 갖는 의료용 금속재료의 개발이 필요하다.

 

금속 다공체(스캐폴드)는 기공도 조절을 통하여 자연뼈와 유사한 탄성계수를 얻을 수 있으며, 3D 프린팅 기술을 활용할 경우 스캐폴드의 기공도 조절이 용이하기 때문에 환자 개개인에 적합한 탄성계수를 가진 맞춤형 스캐폴드를 제조할 수 있으며, 내외부의 탄성계수가 다른 경사기능 스캐폴드의 제조도 가능하다.

 

최근 연구되고 있는 초탄성 변형거동 특성을 가지는 금속재료는 타이타늄-니켈계 형상기억합금으로 치열교정 와이어 및 혈관 스텐트 등의 의료용 재료로 사용되고 있으나, 니켈로 인한 알러지의 유발이 보고되고 있어 니켈이 포함되지 않은 초탄성 변형거동 합금의 개발이 필요하며, 개발되고 있는 Ni-free 합금 중에서 Ti-Nb계, Ti-Ta계 및 Ti-Mo계 합금에서 초탄성 특성이 보고되고 있다.

 

하지만 이들 합금의 초탄성 변형률은 최대 5% 정도이며, 슬립임계응력 또한 400 MPa 이하로 알려져 있어, 스캐폴드로 제조할 때 뼈에 비하여 낮은 강도 및 탄성계수를 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

 

타이타늄계 초탄성 합금을 이용하여 스캐폴드를 제작할 때 자연뼈와 유사한 형상회복 변형량을 얻기 위해서는 합금 자체의 초탄성 변형률이 7% 이상이어야 하며, 반복적인 힘이 걸리는 상태에서 초탄성 피로수명을 얻기 위해서는 슬립임계응력이 700 MPa 이상이 되어야 한다. 또한 30%의 기공도를 가지는 스캐폴드에서 자연뼈와 유사한 200 MPa의 강도를 얻기 위해서는 1.4 GPa의 높은 인장 강도가 필요하다.

 

따라서 Ni-free의 타이타늄계 합금에서 초탄성 변형률이 7% 이상이며, 700 MPa 이상의 슬립임계응력, 그리고 1,4 GPa 이상의 인장강도를 갖는 의료용 금속재료가 필요하며 높은 생체적합성을 가지며, 뛰어난 초탄성 특성을 가지는 재료로 Ti-Zr 계 합금이 대두되고 있다.

 

엠티아이지 신공정 기술이전 사업화 진행
기존 값비싼 타이타늄계 합금 분말 대체

 

높은 생체적합성과 초탄성 특성을 가지는 Ti-Zr계 합금을 3D 프린팅에 응용하기 위해서는 합금의 분말화 공정이 필요하다.

 

3D 프린팅 기술에 적용하기 위한 생체적합성 분말 제조 기술의 경우 환자 맞춤형 의료용 부품 제조 산업이 주목받음에 따라 중요성이 부각되고 있으나 높은 잠재적 가치에도 불구하고 고순도화, 구형화 등 어려운 기술로 인하여 제조단가가 비싸며 매우 제한적인 합금 재료에만 적용되고 있다.

 

3D 프린팅용 분말의 경우 비싼 설비 투자비와 제조비용으로 인하여 일반 분말 야금용 분말에 비하여 10배 이상의 고가로 판매되고 있으며, 열약한 국내 분말 제조 기술 수준으로 인하여 외국의 선진 업체의 분말에 대부분 의존하고 있는 실정이다.

 

현재 3D 프린팅용 분말은 가스 아토마이저 공정을 활용하여 제조하고 있으나, 수율이 낮은 문제점과 대량생산의 어려움을 가지고 있는 공정이므로 이를 개선하기 위해서는 분말제조공정 비용을 절반 이상 절감할 수 있는 신공정의 개발이 필요하다.

 

분말제조공정 비용을 줄이기 위한 신공정으로 수소화-탈수소화법(HDH process)와 RF 플라즈마 구형화 기술을 접목한 복합공정을 도입하여 저원가 구형분말 제조가 가능할 것으로 기대된다.

 

일반적으로 잉곳으로부터 분말을 제조할 경우 잉곳을 녹인 후에 아토마이저, PREP법 등의 분말 제조 방식을 활용하여 분말을 제조하게 된다.

 

하지만 Ti, Zr 그리고 Hf 등의 수소 저장능력을 가지고 있는 금속의 경우 수소 분위기에서 수소화 시켜 수소화 금속을 제조하게 되면 세라믹 분말과 같이 취성이 높아져 분쇄가 잘 이루어 진다는 장점이 있다.

 

이 장점을 활용하여 HDH-RF plasma 복합공정에서 타이타늄계 합금 분말을 제조할 수 있다.

 

타이타늄 합금 잉곳을 제조하여 수소분위기에서 수소화를 시켜 취성이 높은 수소화 타이타늄계 수소화 합금을 제조한 후 볼밀링, 어트리션 밀링 등의 분쇄 공정을 이용하여 분말을 제조한 후, 이 분말을 분급하여 3D 프린팅에 적합한 입도 분포를 가지는 수소화 분말을 제조할 수 있다.

 

이 수소화 된 분말을 진공 분위기에서 온도를 올리게 되면 분말이 가지고 있는 수소가 분해되면서 Ti-Zr 합금 분말이 제조된다.

 

이렇게 제조된 분말을 RF plasma 장비에서 구형화를 거쳐 3D 프린팅용 Ti-Zr계 합금 분말이 완성된다.

 

이러한 신공정의 개발을 위하여 산업통상자원부 산하 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 2017년부터 2년동안 경상대학교, RIST, 계명대학교, 동아대학교 등의 연구 기관을 통하여 3D 프린팅용 Ti-Zr계 합금 분말을 제조하는 신공정을 개발하였으며, 이 신 공정의 사업화를 위하여 2019년부터 타이타늄 분말 전문기업인 ㈜엠티아이지에서 개발된 신공정의 기술이전을 받아 사업화 적용을 위한 연구를 진행하고 있다.

 

HDH-RF plasma 신공정을 통하여 제조된 저원가의 구형 Ti-Zr계 합금의 뛰어난 특성을 활용하여 최초 목표인 환자 맞춤형 의료용 소재 뿐만 아니라 고 기능성 자동차용 액츄에이터 등의 소재로도 응용의 폭을 확장 할 수 있을 것이라 생각하며, Ti-Zr계 합금 이외의 타이타늄계 합금에도 적용할 수 있어, 기존의 값비싼 타이타늄계 합금 분말을 대체할 수 있다.

 

또한 대량생산이 가능하므로 스마트 금형, 의료 분야, 항공 우주 분야, 국방 등에 3D 프린팅용 시장의 성장이 예상된다.

 

 

▶출처: 신소재경제 (하단링크참조) 

http://amenews.kr/news/view.php?idx=39832