치과용 금속-도재 보철물은 주조된 금속 하부구조물의 상부에 치과용 도재 파우더를 제조사의 지시에 따라 단계별로 축성한 후 고온에서 여러 번 소성하여 제작된다. 금속-도재 보철물의 하부구조물은 구강 내에서 기능 시 발생되는 응력에 저항할 만한 충분한 강도를 가져야 한다[1]. 치과용 임플란트 지대주 상에 제작되는 금속-도재 보철물은 자연치에서 제작되는 보철물에 비해 파절이 쉽게 발생하며 파절되는 원인이 금속의 피로파절(fatique fracture)이라고 보고되었다[2]. Skalak 등[3]은 임플란트 매식체는 자연치와 달리 교합압을 분산시켜줄 장치가 없으므로 상부에 금속-도재 보철물이 교의치로 수복될 경우에는 응력에 의한 파절을 방지하기 위해 연결부의 강도가 높을수록 보철물의 파절을 방지한다고 보고하였다. 이와 같이 완성된 보철물은 기계적 성질을 최대한으로 향상시켜서 내구성을 향상시키는 것이 중요하다.

본 실험에 사용된 합금은 치과 임플란트용 금속-도재 보철물의 하부구조물 제작에 사용되는 Pd-Au-Ag계 합금이다. 금속-도재용 합금은 도재의 소성온도나 소성 후 냉각속도에 의해 기계적 성질이 달라질 수 있다. Yasuda 등[4]은 Pd가 포함된 치과용 합금의 시효경화(age hardening)에 관한 연구에서 합금의 석출(precipitation)에 의해 발생하는 상 분리에 의해 격자변형이 발생하고 그 결과 경도는 상승한다고 보고하였으며, Hisatsune 등[5]은 Pd-Ag 합금은 고온에서 석출상의 조대화(coarsening)에 의해 경도가 하강한다고 보고하는 등 합금의 조성에 따라 경화기전이 다양하게 보고하였다. 이와 같이 금속-도재 보철물 제작시 겪는 고온의 도재 소성 과정에서 하부구조물로 사용되는 합금의 기계적 성질이 저하된다면 보철물의 파절(fracture)을 유발할 수 있다[6-8]. 본 합금의 제조사에서는 임플란트 지지 금속-도재 교의치(bridge) 제작 시 합금의 기계적 성질을 향상시키기 위해 주조된 금속하부구조물의 디게싱 처리를 시행한 후 600℃에서 15분 동안 추가 열처리를 하는 것을 추천하였다. 선행연구 결과 합금의 디게싱 온도에서 급냉처리한 후 모의소성을 실시한 결과 모의소성 과정 중 열처리에 의한 경도상승 효과가 뚜렷하게 나타났지만, 디게싱 온도에서 서냉처리 했을 때는 열처리에 의한 경화효과가 나타나지 않는 것을 알 수 있었다[7]. 본 연구는 이에 대한 후속 연구로서 디게싱 처리 후 추가 열처리가 최종 모의소성되는 동안 Pd-Au-Ag계 합금의 경도에 미치는 영향을 관찰하고 이와 관련된 경화기전을 분석하였다.

1. 시편 제작

본 실험에 사용된 치과 주조용 합금은 치과 임플란트 지대주 상에 금속-도재 보철물의 하부구조물 제작에 사용되는 Pd-Au-Ag계 합금(Esteticor Implant 32; Cendres+Métaux)으로서 조성은 Table 1에 표시하였다. 시편은 판상(10×10×1 mm)으로 납형을 제작하여 인산염 결합 매몰재(Univest Plus; Metalor Dental)로 매몰하였다. 매몰된 납형을 소환로(RF-2007; JM) 내에서 900℃까지 상승시켜 왁스를 제거(burn-out)한 후, 원심주조기(Centrifugal Casting Machine; Osung MND)를 사용하여 Pd-Au-Ag계 합금을 주조하였다. 주조된 시편은 실온까지 서냉(bench-cooling)하였고, 매몰재(investment)를 제거한 후 증류수에 담궈 초음파 세척기(Bransonic; Branson)에서 30분 동안 세척하였다.

Table 1 . Chemical composition of the specimen.

Composition	Pd	Au	Ag	Sn	Ru	In
wt%	40.85	32.00	19.00	5.00	0.15	3.00
at%	48.45	20.51	22.23	5.32	0.19	3.30

2. 열처리

주조된 판 형태의 시편은 600℃로 예열된 치과용 도재 소성로(Multimat 2 Touch; Dentsply)에서 분당 상승온도 55℃로 900℃까지 상승시켜 10분 동안 디게싱(degassing) 처리를 하였고, 그 후 합금의 경화능이 가장 잘 발현되는 stage 2 (firing chamber opens about 50 mm) 스케줄로 600℃까지 냉각시킨 후 실온까지 서냉하였다. 실험군으로 사용될 시편은 제조사의 지시에 따라 도재 소성로에서 600℃에서 15분 동안 열처리(specially heat treatment)를 하였다. 디게싱 처리된 시편(D)과 디게싱 처리 후 열처리된 시편(H)은 각각 최종단계(add-on)까지 순차적으로 모의소성 하였다(Table 2).

Table 2 . Simulated complete firing process.

Firing process	Pre-heating (℃)	Heating-rate (℃/min)	Vacuum level (hpa)	Final temp (℃)	Hold time (min)
Degassing	600	55	0	900	10
Heat treatment	600	55	0	600	15
Opaque	600	55	50	930	2
Body	600	55	50	910	1
Glaze	600	55	0	890	1
Add-on	600	55	50	880	1

3. 경도테스트

디게싱 처리된 시편(D)과 디게싱 처리 후 추가 열처리된 시편(H)을 소성스케줄에 따라 모의소성 하였고 각 단계의 모의소성 후 비커스경도계(MVK-H1; Akashi)로 300 gf, 부하시간 10초의 조건으로 경도를 측정하였다. 각각의 시편에 대하여 경도를 5회 측정한 후 그 평균을 경도값으로 나타내었다.

4. 미세구조 변화 관찰

추가 열처리의 유무에 따라 모의소성 시 시편의 미세구조 변화를 관찰하기 위해 전계방출 주사전자현미경(JSM-6700F; JEOL)을 사용하였다. 모의소성된 시편을 미세연마기를 사용하여 순차적으로 연마하여 최종적으로 경면(mirror-like)처리 한 후 10% KCN (potassium cyanide)+10% (NH₄)₂S₂O₈ (ammonium persulfate) 용액으로 표면을 부식시켰다. 표면 처리된 판상의 시편을 전계방출 주사전자현미경(JSM-6700F)을 사용하여 가속전압 15 kV의 조건으로 관찰하였다.

5. 통계처리

통계처리는 SPSS 프로그램(IBM SPSS Statistics ver. 23.0; IBM)을 사용하였다. 경도시험은 two-way ANOVA로 분석하였고(α=0.05), 사후검정(Post-hoc)으로 Tuckey honestly significant difference test를 시행하였다.

1. 추가 열처리가 모의소성 중 합금의 경도 변화에 미치는 영향

금속-도재용 Pd-Au-Ag계 합금의 디게싱 처리 후 추가 열처리가 도재의 소성 과정 중에 합금의 경도에 영향을 미치는지 알아보기 위해 추가 열처리를 시행한 시편(H)과 추가 열처리를 시행하지 않은 시편(D)을 도재의 소성 단계별로 소성한 후 비커스경도를 측정하였다. Fig. 1은 디게싱 처리 후 추가 열처리를 시행하지 않은 시편과 추가 열처리를 시행한 시편의 모의소성에 따른 경도변화를 나타낸 그래프이다. 주조 후 디게싱 처리된 시편의 경도는 약 234 HV였으며, 이를 추가 열처리함에 따라 경도값은 유지되었다. Opaque 단계를 거치면서 두 시편 모두 경도값이 하강하였으며, 추가 열처리를 거친 시편(HO)의 경도값(224.76±3.50 HV)과 추가 열처리를 거치지 않고 opaque 단계까지 모의소성한 시편(DO)의 경도값(228.82±1.95 HV)이 유사하게 나타났다(p<0.05). 이후 Body 단계를 거치면서 추가 열처리하지 않은 시편의 경도값(222.62±1.91 HV)은 하강하였으나, 추가 열처리된 시편의 경도값(227.10±2.45 HV)은 opaque 단계와 유사하게 유지되어 추가 열처리하지 않은 시편보다 높은 경도값을 나타내었다(p<0.05). Glaze 단계를 거치면서 추가 열처리를 시행하지 않은 시편의 경도값(215.68 HV)은 더욱 하강하였으나 추가 열처리를 시행한 시편의 경도값(224.92±2.06 HV)은 유지되어 두 시편 간 경도값의 차이는 더 벌어졌고, 이러한 차이는 최종 모의소성 단계까지 유지되었다(p<0.05).

Figure 1. Change in hardness of the specimens with or without heat treatment (HT) during the porcelain firing simulation.

2. 추가 열처리 후 모의소성에 따른 미세구조의 변화

주조된 Pd-Au-Ag계 합금의 디게싱 처리 후 추가 열처리가 모의소성 과정 동안 미세구조에 미치는 영향을 알아보기 위해 전계방출 주사전자현미경을 통해 미세조직을 관찰하였다. Fig. 2는 주조 후 디게싱 처리한 시편(D), 디게싱 후 추가 열처리한 시편(H)의 전계방출 주사전자현미경 사진(×30,000)이다. 디게싱 처리된 시편(D)은 입내(grain interior)에서 입자형의 석출물(precipitates)이 관찰되었다. 디게싱 처리 후 추가 열처리된 시편(H)은 디게싱 처리된 시편과 비교해서 큰 변화는 없었으나 석출물이 증가하였고 입자 및 길쭉한 석출물 사이의 간격이 좁아져 기지(matrix)의 면적이 줄어들었다. 디게싱 후 열처리를 거치지 않고 opaque 단계까지 모의소성한 시편(DO)과 열처리 후 opaque 단계까지 모의소성한 시편(HO)은 균질화가 일부 진행되어 길쭉한 모양의 석출물이 사라지며 균일한 크기의 입자형 구조와 기지로 이루어져 있었다. 열처리 후 opaque 단계까지 모의소성한 시편(HO)의 경우 입자형 석출물 사이의 간격이 더 좁아 기지의 양이 상대적으로 적었다. 추가 열처리를 거치지 않고 최종 모의소성한 시편(DA)에서는 석출물 조대화된 것이 관찰되었고 열처리 후 최종 모의소성된 시편(HA)은 입자형 석출물의 조대화가 조금 진행되었으나 두드러진 변화는 없었다.

Figure 2. Microstructural changes during porcelain firing simulation (×30,000). D: degassing, DO: opaque, DA: add-on, H: degassing after heat treatment, HO: opaque after heat treatment, HA: add-on after heat treatment.

본 연구에서는 시판되는 금속-도재용 Pd-Au-Ag계 합금의 디게싱 처리 후 추가 열처리의 유무가 소성과정에서 경도변화에 미치는 영향을 관찰하였다. 두 종류의 시편군을 각각의 소성단계까지 모의 소성한 후 경도변화를 관찰하였고, 각 단계까지 모의소성된 시편의 미세구조의 변화를 관찰하여 경도변화에 따른 미세구조를 분석하였다.

Fischer와 Fleetwood [9]는 Au-Pt 합금은 추가 열처리를 통해 경도를 향상시킬 수 있다고 하였고, Tuccillo와 Nielsen [8]은 금속-도재용 합금은 열처리후 냉각되는 동안 석출반응에 의해 경화되며 석출상의 크기와 형태 등은 합금의 경도에 영향을 미친다고 보고하였다. 이와 같이 치과용 합금은 추가 열처리 유무, 열처리 온도 및 시간, 열처리 후 냉각속도에 따라 경도변화를 나타낸다. 본 실험에 사용된 합금은 치과 임플란트 지대주 상에 금속-도재 상부보철물을 제작하기 위해 사용된다. 금속-도재 보철용 합금은 상부에 도재 파우더가 전장(facing)되어서 소성 스케줄에 따라 반복 소성되는데, 임플란트 지대주를 이용한 금속-도재 교의치의 경우 특히 정밀하게 적합되어야 보철물의 수명을 연장할 수 있다[10]. 이를 위해 합금의 제조사에서는 디게싱 처리 후 600℃에서 15분 동안 도재소성로에서 추가 열처리를 시행한 후 서냉하는 것을 추천하였다. Kim 등[7]의 선행 연구에서 도재 소성로의 냉각속도는 합금의 경화능에 영향을 미치며 본 연구에서 사용된 것과 동일한 도재로의 5가지 냉각 스케줄 중에 도재로의 firing chamber가 약 50 mm 열린 상태로 냉각되는 stage 2로 냉각 시 합금의 시효경화에 가장 효과적으로 기여했다고 보고하였다. 따라서 본 연구에서 모의소성 후 냉각 속도는 stage 2로 설정하였다.

디게싱 처리 후 추가 열처리를 시행한 시편과 추가 열처리를 시행하지 않은 시편의 최종 모의소성에 따른 경도변화를 확인한 결과 두 시편군 모두 최종 모의소성 단계를 거친 후 합금의 경도가 하강하였다[7]. Opaque 단계를 거치면서 두 시편 모두 경도값이 하강하였다(p<0.05). Body 단계를 거치면서 추가 열처리 하지 않는 시편의 경도값은 하강하였으나 추가 열처리된 시편의 경도값은 하강하지 않았고, 추가 열처리 하지 않은 시편보다 높은 경도값을 나타내었다(p<0.05). Glaze 단계를 거치면서 추가 열처리를 시행하지 않은 시편의 경도값(215.68 HV)은 더욱 하강하였으나 추가 열처리를 시행한 시편의 경도값은 유지되어 두 시편 간 경도값의 차이는 더 벌어졌고, 이러한 차이는 최종 모의소성 단계까지 유지되었다(p<0.05). Hisatsune 등[5]은 Pd-Ag계 합금은 고온에서 석출상이 조대화되어 경도가 하강한다고 보고하였는데, 이상의 결과로부터 Pd-Au-Ag계 금속-도재용 합금은 디게싱 처리 후 추가 열처리를 시행함으로서 이후 최종 모의소성 과정을 거치는 동안 석출상이 조대화되는 속도를 지연시켜서 경도값의 하강을 방지한 것으로 생각된다.

추가 열처리의 유무에 따라 각각의 시편을 모의소성하여 경도변화에 따른 미세구조의 변화를 관찰하였다. 추가 열처리를 거치지 않고 opaque 단계까지 모의소성한 시편(DO)과 추가 열처리 후 opaque 단계까지 모의소성한 시편(HO)은 균질화가 일부 진행되어 길쭉한 모양의 석출물이 사라지며 균일한 크기의 입자형 구조와 기지로 이루어져 있었다. 이로 인해 두 시편 모두 디게싱 단계보다 낮은 경도값을 나타내었다(P<0.05). Jeon 등[11]은 귀금속 합금의 열처리 후 냉각 과정에 따른 규칙화(ordering), 석출 등이 합금의 경도를 향상시키는 요인이라고 보고하였는데, 본 실험에서 추가 열처리 시행 후 opaque 단계까지 모의소성한 시편(HO)과 추가 열처리를 시행하지 않고 opaque 단계까지 모의소성한 시편(DO) 모두 경도가 하강한 이유는 930℃의 고온에서 모의소성을 거치면서 연화열처리 효과에 의해 길쭉한 모양의 석출물이 사라진 것이 경도를 하강시킨 이유로 추정할 수 있다.

추가 열처리를 거치지 않고 최종 모의소성한 시편(DA)에서는 이전 단계에 비해 석출물이 조대화된 것이 관찰되었는데 이때 경도값이 하강한 것으로부터 석출물의 조대화가 경도를 하강시킨 것으로 생각된다[12]. 추가 열처리 후 최종 모의소성된 시편(HA)은 입자형 석출물의 조대화가 조금 진행되었으나 이전 단계에 비해 경도값이 하강하지 않았다(p<0.05). 추가 열처리를 시행한 시편의 경도값이 시행하지 않은 시편의 경도값에 비해 높게 나타난 것은 디게싱 후 추가 열처리가 입내와 입계의 석출물의 조대화를 억제하여 경도 하강을 억제한 것에서 기인하였다.

이상의 결과로부터 Pd-Au-Ag계 합금을 사용하여 금속-도재 보철물 제작 시 추가 열처리는 이후 고온에서 반복 소성되는 과정에서 석출물이 조대화 되는 것을 억제하는 역할을 하여 보철물의 내구성을 향상시킬 수 있는 요소로 생각된다. 본 연구는 합금의 추가 추가 열처리 및 모의소성에 따른 경도 변화를 가시적 방법인 미세구조 관찰을 통해 분석하였으나, 보다 발전된 연구를 위해 합금의 기지, 입내, 입계(grain boundary)의 미세구조 변화에 따른 결정구조를 분석하여 경화기전을 규명하는 것이 필요한 것으로 생각된다.

본 연구에서는 Pd-Au-Ag계 금속-도재용 합금의 디게싱 처리 후 열처리 유무가 이후 소성단계에서 경도변화에 미치는 영향을 관찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 주조 합금의 모의 소성과정에서 합금의 경도는 하강하였으며 이는 반복 소성에 따른 입자구조의 조대화에서 기인하였다.

2. 디게싱 처리 후 추가 열처리는 이후 고온에서 반복 소성되는 과정에서 석출물이 조대화 되는 것을 억제하여 경도값의 하강을 방지하였다.

3. Pd-Au-Ag계 금속-도재용 합금의 디게싱 후에 시행되는 추가 열처리는 합금의 경도 하강을 방지하여 금속-도재 보철물의 수명을 연장할 수 있는 요인으로 나타났다.

None.

None to declare.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.