최근 치과 보철물 제작 분야에서는 computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD/CAM) 기술의 발전으로 인해 제작 과정이 디지털화되고 자동화되는 추세이다. 이에 따라 보철물 소재 선택의 폭도 넓어져 환자의 심미적 요구와 기능적 필요성을 보다 효과적으로 충족시킬 수 있게 되었다[1]. 특히 지르코니아(zirconia), 리튬 디실리케이트(lithium disilicate) 등 고강도 세라믹 재료의 사용이 증가하고 있다. 이러한 재료들은 뛰어난 강도와 생체 적합성으로 인해 점점 선호되고 있으며, 심미성 향상에도 크게 기여한다[2].

이와 같은 고강도 재료를 이용한 치과 보철물 제작 과정에서 치과기공사들은 다양한 연마재와 연마 공구를 사용하여 보철물의 형태와 표면 특성을 최적화하는 작업을 수행한다. 일반적으로 연마 공구의 입자 크기가 작아질수록 치아 표면에 가해지는 마모량은 감소하고 표면 조도는 향상되는 경향을 보이지만 입자 크기가 너무 작아지면 단위 시간당 마모량이 적어져 전체 작업 효율이 낮아지는 단점이 있다. 반대로 입자 크기가 너무 커지면 과도한 마모로 인해 보철물의 손상 위험이 증가한다[3]. 따라서 적절한 수준의 마모량과 작업 효율을 동시에 만족할 수 있는 최적의 입자크기를 결정하는 것이 중요하다.

이와 같은 이유로 공구 표면의 오염 물질을 제거하거나 연마면을 정리하는 용도로 세라믹 드레서가 사용된다. 특히 금속, 고무, 실리콘, 아크릴 등 다양한 결합재를 가진 연마 공구의 이물질 제거용(cleaning)으로 주로 활용되며, 연마력이 저하된 절삭 공구의 표면에 대해서도 드레싱(dressing)이 가능하다. 또한 고경도 연마 공구의 반복 사용 시 절삭성에 가장 중요한 영향을 미치는 주요 인자 중 하나는 표면에 부착된 이물질이므로 원활한 칩 배출을 위해서 세라믹 드레서의 사용이 빈번하게 이루어지고 있다[4].

그러나 고강도 세라믹 재료의 연삭을 위한 고성능 연삭 공구들은 일반적인 치과용 재료의 가공보다 훨씬 강력한 연삭력을 가지고 있어, 반복적인 사용으로 인한 공구의 마모와 수명 저하가 심각한 문제로 대두되고 있다. 공구의 수명 단축은 잦은 공구 교체로 이어져 치과기공 업무의 생산성과 효율성을 크게 저하시키게 되고, 또한 소모품 비용 증가로 인한 경제적 부담도 동반될 수 있다[5].

현재 국내 의료기기 시장의 생산 규모는 약 10조 원이고 그 중에서 치과 연마 공구의 생산 규모는 약 375억 원 정도인데 약 90% 비율로 수입 제품이 유통되고 있으며[6], 이로 인해 사용자들의 선택이 낮은 편이다. 이와 같은 상황에서 국산 세라믹 드레서에 대한 개발 및 이에 관한 연구는 거의 없는 실정이므로, 치과 산업에 필수적으로 사용되는 세라믹 드레서의 그 시장성을 감안할 때 이에 관한 기술 개발이 반드시 이루어져야 할 필요성이 있다고 판단된다.

따라서 본 연구에서는 알루미나 세라믹 드레서를 개발하여 임상적 적용 가능성을 타진하고, 이를 이용한 체계적인 연삭 마모 실험을 통해 입자 크기에 따른 정량적인 연삭 마모 특성을 평가하고자 하였다. 이를 통해 치과기공 현장에서 활용될 수 있는 최적의 세라믹 드레서 입자 크기의 선정을 위한 기초 데이터를 제공하고자 하는 것이 목적이다.

1. 실험 재료 및 시편 제작

본 연구에서는 대조군으로 시판용 세라믹 드레서(Art.9920, Edenta AG)를 선정하였다.

대조군 시편에서 분석된 단위 면적당 입자의 수가 약 fine grade인 120 grit으로, 성능 비교를 감안하여 유사 입자 크기인 알루미나 120 grit과 medium grade인 80 grit을 추가로 선정하여 두 종류의 실험군으로 분류하였다.

실험군 알루미나 세라믹 드레서를 제작하기 위해 시편용 금형을 제작한 후, Table 1에 제시된 배합으로 연마재로 사용되는 백색 알루미나(white aluminum oxide, WA)와 결합재로 카리장석(potash feldspar), 성형재로 사용되는 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC)를 배합하여 300톤 프레스기를 이용해 120 mm (width)×30 mm (depth)×15 mm (height)의 크기로 가압 성형을 진행하였다(Fig. 1). 이후 시편은 계획된 시간표에 따라 소성하여 최종적으로 제작을 완료하였다(Fig. 2). 시편은 그룹별로 5개씩 총 15개를 준비하였다.

Table 1 . Paste composition for specimen preparation in this study.

Component	Material	wt. (%)
Abrasive	WA	63.4
Binder	Potash feldspar	31.1
Molding material	CMC	5.5
Total		100.0

WA: white aluminum oxide, CMC: carboxymethyl cellulose..

Figure 1. Dimension of specimen in this study.

Figure 2. Sintering schedules used for the specimens.

2. 실험 방법

1) 시편의 중심선 평균 표면조도(arithmetic mean surface roughness, Ra) 측정

표면조도란 표면거칠기라고도 하는데 가공면의 단면 형상을 확대하였을 때 일정한 간격 사이에 나타나는 요철의 빈도와 높이를 의미하며 마찰, 마모, 내식성과도 밀접한 관계를 가지고 있다. 또한 중심선 평균 표면조도(Ra)란, 조도 곡선에서 중심선의 방향으로 측정 기준 길이만 추출한 뒤, 이 추출 부분의 중심선을 x축으로 하고 세로 배율 방향을 y축으로 하며 조도 곡선을 y=f(x)로 나타낸 경우에 다음 식에 따라 산출된 값을 마이크로미터(μm)로 표시한 것을 의미한다.

KS B ISO 4287 [7]에 제시된 공인 시험규격에 따라 시편의 표면 상부를 반경 2.0 μm의 다이아몬드 촉침(stylus)이 이동하여 시편의 Ra를 측정하는 방법으로 진행하였다. 측정 길이는 120 mm이고, 정밀도는 2%±4 nm이며, 분해능은 12.8 nm, 촉침은 반경 1.5~2.5 μm인 원추형 다이아몬드를 사용하여 70~100 mgf (가변)의 촉침 압력을 가하여 측정하였다. 측정에 사용된 실험장비는 접촉식 표면조도 측정기(TalySurf PGI, Taylor Hobson)이다(Fig. 3).

Figure 3. Stylus surface roughness tester (TalySurf PGI, Taylor Hobson).

2) 시편의 내마모성과 피연삭물(stainless steel ball)의 마모성 측정

ASTM G99-17 [8]에 제시된 공인 시험규격에 따라 3 cm×3 cm의 크기로 각 시편을 절단하여 준비하였다(Fig. 4). 1 ball on disk 시험방식으로 디스크 회전속도는 60 rpm, 하중은 15 kgf, 상온의 시험 온도에서 50%의 습도를 유지한 채로 시험 장비의 상부에 ∅12.7 mm 크기의 피연삭물(SUS304 stainless steel ball)을 위치시키고 하부에 시편을 장착 후 회전시켜 마모 시험을 진행하여 마모 손실량을 측정하였다(Table 2). 마모 실험에 사용된 시험 장비는 고온 마모시험기(high temperature abrasion tester, R&B)이다. 마모 손실량은 전자저울(PW-254, Adam Equipment)을 이용하여 마모 시험 전과 후의 시편과 피연삭물(SUS304 stainless steel ball)의 무게 차이를 각각 측정한 수치로 기재하였다.

Table 2 . Conditions for wear test in this study.

Test specimen	Rotation speed (rpm)	Load (kgf)	Temperature	Humidity (%)	Time (sec)	Wear-inducing element
Ceramic dresser	60	15	Room temperature	50	300	∅12.7 mm SUS304 stainless steel ball

Figure 4. (A) Wear-inducing element (SUS304 stainless steel ball), (B) before wear test, and (C) conducting wear test.

3. 통계 분석

본 연구에서 평가한 세 그룹(대조군, 80 grit 실험군, 120 grit 실험군)의 측정 결과는 평균 및 표준편차로 산출되었다. 그룹 간 평균의 차이를 비교하기 위하여 비모수검정인 Kruskal–Wallis H test를 시행하였고, 각 그룹 간 유의 차 검증을 위하여 Bonferroni correction method 사후분석을 시행하였다. 유의확률은 α=0.05로 하였으며 모든 통계분석은 통계분석 프로그램(SPSS Statistics ver. 23.0, IBM)을 이용하였다.

1. 시편의 중심선 평균 표면조도

시편에 대한 Ra의 실험 결과는 다음과 같다(Fig. 5). 80 grit 그룹에서 22.734±1.308 μm으로 가장 거칠게 나타났고 120 grit은 21.804±0.785 μm, 대조군은 15.782±0.223 μm 순으로 나타났다. 80 grit과 120 grit간에는 통계적으로 유의한 차이가 없었지만(p>0.05), 대조군은 다른 두 그룹과 유의한 차이를 보였다(p<0.05).

Figure 5. Results of surface roughness (Ra) of specimens. *Denotes a statistically significant difference between groups at the 0.05 level.

2. 세라믹 드레서의 내마모성

세라믹 드레서의 내마모성 실험 결과는 다음과 같다(Fig. 6). 120 grit 그룹에서 0.007±0.002 g으로 내마모성이 가장 좋게 나타났고 80 grit은 0.007±0.004 g, 대조군은 0.370±0.010 g 으로 가장 많은 마모량을 나타냈다. 80 grit 과 120 grit 간에는 통계적으로 유의한 차이가 없었지만(p>0.05), 대조군은 다른 두 그룹과 유의한 차이를 보였다(p<0.05).

Figure 6. Results of wear test of ceramic dresser specimens. *Denotes a statistically significant difference between groups at the 0.05 level.

3. 피연삭물(stainless steel ball)의 마모성

피연삭물 마모성 실험 결과는 다음과 같다(Fig. 7). 120 grit 그룹에서 0.017±0.003 g으로 가장 마모량이 많게 나타났고 80 grit은 0.015±0.003 g, 대조군은 0.010±0.001 g 순으로 마모량을 나타냈다. 80 grit 과 120 grit 간에는 통계적으로 유의한 차이가 없었지만(p>0.05), 대조군은 다른 두 그룹과 유의한 차이를 보였다(p<0.05).

Figure 7. Results of wear test on the wear-inducing element (SUS304 stainless steel ball). *Denotes a statistically significant difference between groups at the 0.05 level.

본 연구는 기존에 치과 산업에서 사용되는 외산 세라믹 드레서를 대체하여 새로운 알루니마 세라믹 드레서를 개발 및 제작함으로써 그 임상 적용 가능성을 타진하고자 하였고, 추가로 입자 크기의 차이에 따른 연삭 마모 특성의 평가를 목적으로 하였다.

따라서 실험군 제작을 위하여 연마재와 결합제를 혼합 성형하여 고온 소결과 가공을 거치는 공정을 사용하였다. 또한, 대조군에서 나타난 fine grade인 120 grit과 동일 입자 크기인 120 grit을 사용하여 실험군을 선정하였고, 피연삭공구의 오염제거 및 내구성의 향상을 목적으로 medium grade인 80 grit을 추가로 선정하여 입자에 따른 연삭성의 차이를 평가하고자 하였다.

물리적인 표면조도를 나타낼 수 있는 여러 가지 매개변수(parameter) 중 널리 사용되는 표준 값들은 중심선 평균 표면 조도(Ra), 최대 높이 조도(Ry), 10점 평균 조도(Rz) 등이 있는데[9], 이 중에서도 가장 많이 사용되면서 안정된 것으로 알려진 것은 중심선 평균 표면 조도이다[10]. 또한, 표면 조도를 측정하는 방법으로는 표준 시편에 의한 측정, 촉침법에 의한 측정, 광절단법에 의한 측정 등 여러 가지 방법이 있다[11]. 그 중에서 촉침법에 의한 측정은, 측정 대상면 위로 바늘이 직접 접촉되면서 이동하고 표면 요철에 따라 상하 운동하는 바늘이 전기적 또는 광지렛대를 응용하여 미동을 확대하고 표면 조도를 표시 또는 기록하여 어떠한 방해도 없이 정확한 측정이 가능하다는 장점이 있다[12]. 이에 따라 본 연구에서는 측정 방법의 차이에 따라 결과에 오차가 발생할 수 있는 변수를 제어하기 위하여 촉침법을 이용한 접촉식 촉침 표면 형상측정기를 사용하여 시편의 중심선 평균 표면 조도(Ra)를 물리적으로 수치화하여 측정함으로써 연구의 정확성을 높이고자 하였다.

본 연구에서는 실험군인 80 grit 그룹과 120 grit 그룹 모두 대조군에 비해 상대적으로 표면조도가 더 높게 나타났고, 특히 80 grit 그룹이 120 grit 그룹보다 약간 더 높은 조도를 보였다. 또한 두 실험군 모두 대조군에 비해 현저히 향상된 내마모성을 보였다. 대조군에서의 마모량이 0.370 μm인 반면, 실험군에서는 약 0.007 μm로 나타나 대조군에 비해 약 50배 이상 낮은 마모량을 나타냈다. 이러한 결과는 80 grit 그룹이 medium grade에 속하는 입자 크기 차이로 인한 것으로 추정된다. Kim 등[13]의 선행 연구를 통해 제시된 바와 같이 세라믹의 마모가 마모면의 표면 조도의 크기에 크게 의존한다는 결과와도 일치한다. 표면 조도의 증가는 드레서의 연삭 능력 향상으로 이어질 수 있으나, 과도한 조도는 피연삭물의 표면 품질에 부정적 영향을 미칠 수 있으므로 최적점을 찾는 것이 중요하다고 사료된다.

SUS304 stainless steel ball을 이용한 피연삭물 마모 실험에서는 대조군에 비해 80 grit 그룹과 120 grit 그룹에서 피연삭물의 마모가 약간 증가하였는데, 120 grit 그룹에서 가장 높은 마모량을 나타냈으며, 80 grit 그룹도 대조군보다는 높게 나타났다. 이는 입자의 크기에 따른 조도의 증가가 피연삭물에 더 많은 마모를 유발할 수 있음을 보여준다. Oh [14]의 연구에서는 연삭 마모는 연삭성이 있는 입자 크기에 마모율의 의존도가 크게 나타나는데 특정한 임계 입자크기까지는 마모량이 급격히 증가하나 그 이후부터는 서서히 증가하는 현상을 볼 수 있다고 하였다. 그러나 본 연구에서 나타난 마모량의 차이는 크지 않아, 개선된 내마모성과 연삭 능력의 장점이 이러한 단점을 상쇄할 수 있을 것으로 보인다. 다만, 본 연구에서는 시편의 내마모성과 피연삭물의 마모 측정 시 공인규격에 정해진 회전속도와 하중 조건을 사용하여 측정의 신뢰성을 높였다. 그러나 임상에서 발생할 수 있는 다양한 회전속도와 하중 조건에 따른 연삭 마모 특성의 변화를 분석하지 못한 한계가 있었다.

제한된 본 연구 내에서 종합적으로 볼 때 새롭게 개발된 알루미나 세라믹 드레서는 증가된 표면 조도를 가지면서 내마모성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 이는 드레서의 수명과 성능 향상에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 그러나 피연삭물의 마모가 약간 증가하는 상충관계가 있음을 고려해야 한다. 80 grit 그룹과 120 grit 그룹에서 나타난 입자의 차이는 대부분의 측정 결과에서 유의성이 나타나지 않았으며, 이는 두 종류의 입자 모두 유사한 성능 개선을 제공할 수 있음을 시사한다. 최적의 처리 방법 선택 시 제조 비용, 공정 복잡성, 그리고 특정 응용 분야의 요구 사항 등을 종합적으로 고려해야 할 것이다.

본 연구를 통해 새롭게 개발된 알루미나 세라믹 드레서의 다양한 입자 크기가 연삭 마모 성능에 미치는 영향을 종합적으로 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다:

1. 두 실험군(80 grit 그룹과 120 grit 그룹) 모두 현저히 증가한 표면 조도를 나타내었고, 대조군과 유의미한 차이를 나타내었다(p<0.05).

2. 두 실험군(80 grit 그룹과 120 grit 그룹) 모두 대조군에 비해 약 50배 이상 낮은 마모량을 나타내어, 드레서의 수명과 성능이 크게 개선될 수 있음을 시사한다.

3. 두 실험군(80 grit 그룹과 120 grit 그룹) 모두 대조군에 비해 피연삭물(SUS304 stainless steel ball)의 마모를 약간 증가시켰다. 이는 향상된 절삭 능력의 부산물로 볼 수 있지만 피연삭물의 재료 손실 측면에서는 신중한 고려가 요구된다.

4. 표면 조도, 내마모성, 피연삭물의 마모성의 결과를 종합적으로 볼 때, 새롭게 개발된 알루미나 세라믹 드레서는 임상적으로 사용이 가능할 것으로 보인다.

본 연구 결과는 세라믹 드레서 기술의 최적화와 혁신을 위한 핵심 지침이 될 것이며, 향후 효율적이고 내구성 있는 차세대 세라믹 드레서 개발의 초석이 될 것으로 기대된다.

None.

This work was supported by the Gimcheon University Research Grant of 2022 (gc-22023).

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