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Journal of Technologic Dentistry 2024; 46(3): 101-106

Published online September 30, 2024

https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.101

© Korean Academy of Dental Technology

치과용 진공 융착 다이아몬드 드레서의 연삭성 연구

박수철, 박종경

김천대학교 치기공학과

Received: August 25, 2024; Revised: September 10, 2024; Accepted: September 10, 2024

Evaluation of the grinding performance of vacuum-brazed diamond dressers in dentistry

Soo-Chul Park , Jong-Kyoung Park

Department of Dental Technology, College of Health Care, Gimcheon University, Gimcheon, Korea

Correspondence to :
Jong-Kyoung Park
Department of Dental Technology, College of Health Care, Gimcheon University, 214 Daehak-ro, Gimcheon 39528, Korea
E-mail: jkpark@gimcheon.ac.kr
https://orcid.org/0000-0001-7508-7823

Received: August 25, 2024; Revised: September 10, 2024; Accepted: September 10, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Purpose: This study evaluated the potential of a vacuum-brazed dental diamond dresser as an alternative to commercially available electroplated diamond dressers and assess its suitability for clinical use.
Methods: Commercially available electroplated diamond dressers were selected as the control group (n=5), whereas vacuum-brazed diamond dressers with 80 grit and 100 grit particles were fabricated as the experimental groups (n=5 each). Prepared specimens were evaluated for surface roughness, wear resistance, and abrasiveness against a wear-inducing element (ZrO2 ball). The results were reported as means and standard deviations. Statistical analyses were performed using one-way ANOVA followed by Tukey’s HSD test using SPSS Statistics ver. 23.0 (IBM), with the significance level set at 0.05.
Results: Surface roughness was highest in the 80 grit group (23.99±3.62 μm) followed by the 100 grit group (20.38±1.79 μm) and the control group (17.59±0.56 μm). Wear resistance was greatest in the control group (0.0060±0.0009 g) followed by the 80 grit group (0.0018±0.0003 g) and the 100 grit group (0.0013±0.0001 g). Abrasiveness against the ZrO2 ball was highest in the 80 grit group (0.120±0.007 g) followed by the 100 grit group (0.101±0.007 g) and the control group (0.086±0.004 g).
Conclusion: This study offers key insights for enhancing the performance of diamond dressers through vacuum-brazing and is expected to aid in the development of more efficient and durable diamond dressers for future applications.

Keywords: Dental equipment, Dental instruments, Materials testing

치과 수복물 제작 과정에서 형태 수정은 구강 내 적합성, 기능성, 심미성, 그리고 생체친화성 측면에서 보철 치료의 성공을 위해 필수적인 과정이라고 할 수 있고, 최근 다양한 종류의 치과재료가 개발됨에 따라 여러 연구를 통해 각 수복물에 따른 마무리 과정의 중요성이 강조된 바 있다[1-3]. 이러한 수복물의 형태 수정을 위하여 다양한 종류의 연마용 공구들이 상품화되어 임상에서 활용되고 있다. 연마용 공구는 크게 연마용 버(bur), 연마용 러버포인트(rubber point), 연마용 디스크(abrasive disk), 연마용 스트립(abrasive strip) 등 4가지 범주로 구분할 수 있다[4,5].

한편, 연삭 가공 중에 연삭숫돌의 입자가 무뎌져서 마멸(glazing)되거나 눈메움(loading)이 일어나면 절삭 능력이 저하되므로 연마 공구의 표면을 깎아서 예리하고 새로운 입자인 날끝이 표면에 노출되도록 하는 드레싱(dressing) 작업이 필요한데, 이러한 드레싱의 목적은 새로운 절삭날을 재현시키고 기공(pore)부에 가득 찬 칩을 제거하며 새로운 칩을 배제하는 공극을 형성시키는 것이다[6].

특히 연마용 공구의 드레싱을 위해 기계적 특성이 우수한 다이아몬드 드레서(diamond dresser)가 널리 사용되고 있는데, 다이아몬드 드레서는 주로 연마 공구의 떨림을 방지하고, 수복물의 각종 부위에 맞추어 연마 공구의 형태를 수정하는 데 사용된다. 하지만 현재 임상 치과기공 과정에서 사용되는 다이아몬드 드레서는 전기도금의 형태로 다이아몬드를 지립하는 전착으로 제작되어 내구성이 약해 큰 마모가 발생하여 수명이 짧다는 문제점이 있다[7]. 이러한 낮은 내구성으로 인해 드레서의 표면이 불규칙하게 되면 사용자의 불편함과 작업시간의 지연을 초래할 수 있고, 잦은 교체로 인한 비용 발생과 산업폐기물의 증가 문제가 야기된다. 또한 마모된 드레서의 표면에 연마 공구를 반복적으로 사용할 경우, 연마 공구 표면에 금속 이물질이 부착되어 보철물의 정상적인 절삭이 이루어지지 않는다. 세라믹 보철물에서는 금속 이물질 부착으로 인한 오염으로 색 재현 실패나 기포 발생 등의 문제가 발생하고, 금속 보철물에서는 연마 시간이 증가하게 된다[8].

국내외 연구 동향을 살펴보면 열처리를 통해 다이아몬드의 밀착 특성과 절삭 성능을 향상시킨 선행 연구[9,10]가 있었다. 또한 다이아몬드 표면에 탄화물 형성 물질을 코팅 처리하여 밀착 특성을 향상시킬 수 있는데, 진공 융착법 등으로 표면 코팅 처리된 다이아몬드 복합재는 절삭 성능이 향상된다고 보고된 바 있다[11].

최근 치과 보철물 시장에서는 computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD/CAM) 자동화 시스템의 도입이 급증하면서 고정밀 가공을 위한 연마 공구와 드레서의 성능이 중요한 요소로 부각되고 있다. 특히 CAD/CAM 시스템을 활용한 보철물 제작 과정에서 드레서의 품질은 연삭 효율성과 작업 정밀도에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 현존하는 전착 방식의 다이아몬드 드레서는 내구성이 낮아 빈번한 교체가 필요하며, 이는 작업 효율성과 비용 측면에서 한계를 드러내므로 이러한 문제를 해결하기 위해 진공 융착법을 적용한 다이아몬드 드레서의 개발이 필수적이다. 진공 융착 방식은 드레서의 내구성을 획기적으로 향상시켜 CAD/CAM 시스템에서 요구되는 높은 수준의 작업 성능을 장기간 유지할 수 있는 가능성을 제공한다. 따라서 본 연구에서는 기존 전착 방식의 한계를 극복하고, 임상에서 실질적으로 활용이 가능한 진공 융착 다이아몬드 드레서를 개발하고자 한다.

1. 실험 재료 및 시편 제작

본 연구에서는 전착 방식으로 제작된 시판용 다이아몬드 드레서(Diamond dresser, R&D Dental)를 대조군(electro-plated specimen, EP)으로 선정하였다.

전자현미경(HT004, Gasworld)을 이용하여 대조군에서 분석된 단위 면적당 입자의 수가 medium grade인 약 80 grit인 것에 따라 성능 비교를 감안하여 실험군을 제작하기 위해 동일한 입자 크기의 다이아몬드 분말 80 grit을 선정하였고, fine grade인 100 grit을 추가로 선정하여 진공 융착 공정(vacuum-brazed process, VB)을 적용한 두 그룹(80 VB, 100 VB)으로 각각 분류하였다.

실험군 시편을 제작하기 위해 120 mm (width)×30 mm (depth)×15 mm (height)의 크기에 맞게 컷팅 및 가공 후 세척을 진행하였다. 결합재의 안착을 위하여 시편의 표면에 글루를 도포한 후 니켈합금 분말 결합재를 도포하였고, 이어서 다이아몬드 연마재를 도포하였다(Fig. 1). 이후 고온진공소결로(High-temperature vacuum sintering furnace, TNS Vacuum)를 이용하여 2.15℃/min의 상승온도로 480분에 걸쳐 0℃에서 1,030℃까지 올린 후 1,030℃에서 20분간 계류 후 실온에서 서냉하는 자연 냉각을 통해 최종적으로 진공 소결 공정을 적용한 시편 제작을 완료하였다. 시편은 그룹별로 5개씩 총 15개를 준비하였다(Fig. 2).

Fig. 1.Workflow of specimen preparation.
Fig. 2.(A) Schematic of specimen and (B) specimen fabricated by vacuum-brazed process.

2. 실험 방법

1) 시편의 표면거칠기(surface roughness) 측정

시편의 표면 상부를 반경 2.0 μm의 다이아몬드 촉침이 이동하여 표면거칠기(surface roughness, Ra)를 측정하는 KS B ISO 4287에 제시된 공인 시험규격에 따라 진행하였다. 측정을 위해 접촉식 표면거칠기 측정기(TalySurf PGI, Taylor Hobson)를 사용하였고, 120 mm의 측정 길이로 2%±4 nm의 정밀도, 12.8 nm의 분해능, 반경 1.5~2.5 μm인 원추형 다이아몬드 촉침을 사용하였으며 70~100 mgf (가변)의 촉침 압력을 가하여 측정하였다.

2) 시편의 내마모성과 피연삭물(ZrO2 ball) 마모성 측정

먼저 전자저울(PW-254, Adam Equipment)을 이용하여 마모 시험 전의 시편과 피연삭물(ZrO2 ball)의 무게를 측정하였다. 이후 마모시험은 공인 규격인 ASTM G99-17에 따라 1 ball-on-disc 시험방식으로 진행하였다. 규격에 맞춰 각 시편을 3 cm×3 cm 크기로 절단하였으며(Fig. 3), 고온 마모시험기(high temperature abrasion tester, R&B)의 상부에 피연삭물(∅12.7 mm ZrO2 ball)을 위치시키고 하부에는 시편을 장착한 후 회전시켜 마모 시험을 진행하였다(Fig. 4). 디스크 회전속도는 60 rpm, 하중은 15 kgf, 상온의 시험 온도에서 50%의 습도를 유지한 채 진행하였다(Table 1). 마지막으로 마모시험 이후의 시편과 피연삭물의 감량 정도를 마모 손실량으로 측정하여 수치로 기재하였다.

Table 1 . Conditions for wear test

Test specimenRotation speed (rpm)Load (kgf)TemperatureHumidity (%)Time (sec)Wear-inducing element
Diamond dresser6015Room
temperature
50300∅12.7 mm
ZrO2 ball

Fig. 3.Diamond dresser specimen and wear-inducing element (∅12.7 mm ZrO2 ball).
Fig. 4.High-temperature wear testing machine (high temperature abrasion tester, R&B).

3. 통계 분석

본 연구에서는 대조군(EP)과 실험군(80 VB, 100 VB)에 대한 각 실험 결과 값을 평균 및 표준편차로 기술하였고, 각 그룹 간 유의 차 검증을 위하여 모수검정인 일원배치 분산분석(one-way ANOVA) 및 Tukey’s HSD 사후검정을 시행하였다.

본 연구는 SPSS 통계패키지 프로그램(SPSS Statistics ver. 23.0, IBM)을 사용하여 모든 통계분석을 하였고 신뢰수준은 95%, 통계적 유의수준은 0.05로 검증하였다.

1. 시편의 표면거칠기

Table 2에 제시된 바와 같이 표면거칠기(Ra)의 실험 결과에서 나타난 각 그룹의 평균 및 표준편차는 대조군(EP)에서 17.59±0.56 μm, 80 VB에서 23.99±3.62 μm, 100 VB에서 20.38±1.79 μm로 나타났다. EP 그룹과 80 VB 그룹 간에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.001). 하지만 EP 그룹과 100 VB 그룹 간, 그리고 80 VB 그룹과 100 VB 그룹 간에는 유의한 차이가 없었다(p>0.05).

Table 2 . Surface roughness (Ra) of specimens (unit: μm)

GroupMean±SDFp-value
EP17.59±0.56a*7.4560.008
80 VB23.99±3.62b
100 VB20.38±1.79ab

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation.

abDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences.

*p<0.05.



2. 다이아몬드 드레서 시편의 내마모성

Table 3에 제시된 바와 같이 다이아몬드 드레서의 내마모성 실험 결과, 대조군(EP)은 0.0060±0.0009 g, 80 VB는 0.0018±0.0003 g, 100 VB는 0.0013±0.0001 g으로 나타났다. 대조군(EP)은 80 VB, 100 VB 그룹 간에 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.001). 하지만 80 VB와 100 VB 그룹 간에는 유의한 차이가 없었다(p>0.05).

Table 3 . Wear loss values of ceramic dresser specimens (unit: g)

GroupMean±SDFp-value
EP0.0060±0.0009a*86.17<0.001
80 VB0.0018±0.0003b
100 VB0.0013±0.0001b

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation.

abDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences.

*p<0.05.



3. 피연삭물 마모성

Table 4에 제시된 바와 같이 지르코니아(ZrO2)볼을 이용한 피연삭물 마모성 실험 결과, 대조군(EP)은 0.086±0.004 g, 80 VB는 0.120±0.007 g, 100 VB는 0.101±0.007 g으로 나타났다. 각 그룹 간에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.001).

Table 4 . Wear loss values of wear-inducing element (ZrO2 ball) (unit: g)

GroupMean±SDFp-value
EP0.086±0.004a*28.99<0.001
80 VB0.120±0.007b
100 VB0.101±0.007c

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation.

abcDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences.

*p<0.05.


현대 치과보철 분야에서는 심미성과 내구성을 높이기 위해 고경도 소재의 사용이 증가하고 있다. 하지만 이러한 소재들은 가공 시 높은 가공 저항과 열 발생으로 인해 기술적 어려움을 동반한다. 또한 가공 시 눈메움이나 마멸이 생겨 연삭능력이 저하된 공구의 표면을 다이아몬드 드레서를 이용하여 깎아줌으로써 예리한 새 입자를 표면에 노출시켜 주는 드레싱 작업이 필요한데, 드레서의 효율성에 대한 관심이 커짐에 따라 공구의 성능과 수명 등에 관한 연구들[12,13]이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 치과 산업에서 사용되는 시판용 다이아몬드 드레서 제품과 비교하여 상대적으로 내마모성을 높여서 수명을 증가시킨 진공 융착 다이아몬드 드레서를 새롭게 제작하였다.

본 연구를 통해 대조군인 EP 그룹에 비해 80 VB 그룹과 100 VB 그룹의 표면거칠기(Ra)는 상대적으로 더 높게 나타났다. 80 VB 그룹이 가장 높은 거칠기를 보였으며, 100 VB 그룹은 그 중간값을 나타냈다. Choi [14]는 선행 연구에서 다이아몬드 전착의 경우에는 입자가 한 겹만 전착되어 있어서 연삭 공정 시 눈메움 현상을 통해 공구의 자체 재생이 적용되지 않고 입자의 탈락이 곧 공구의 수명 저하와 직결된다고 했다. 이는 실험군의 진공 융착 방식이 다이아몬드 입자의 미세 구조를 변화시켜 거칠기를 증가시켰음을 시사한다. 표면거칠기의 증가는 드레서의 절삭 능력 향상으로 이어질 수 있으나, 동시에 피연삭물의 표면 품질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 최적의 거칠기를 찾는 것이 중요하다.

시편의 내마모성을 분석한 결과, 대조군인 EP 그룹에 비해 80 VB 그룹과 100 VB 그룹의 내마모성이 현저히 향상되었다. 특히 100 VB 그룹이 가장 낮은 마모도를 보여, 내마모성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한 지르코니아볼을 이용한 피연삭물 마모성 실험에서는 EP 그룹에 비해 80 VB 그룹과 100 VB 그룹에서 피연삭물의 마모가 증가했다. 80 VB 그룹에서 가장 높은 마모를 보였고, 100 VB 그룹은 그 중간값을 나타냈다. 표면거칠기의 증가가 피연삭물에 더 많은 마모를 유발할 수 있음을 보여준다. 선행 연구[15-17]에 따르면 고경도 소재 가공 시 발생하는 열에 의해 다이아몬드 입자의 결합제인 니켈이 연화되어 다이아몬드 입자의 탈락이 가속화된다는 발표가 있었다. 이러한 선행 연구 결과와 비교해 볼 때, 본 연구에서 80 VB 그룹과 100 VB 그룹의 시편 제작 시 진공 융착의 형태로 다이아몬드 지립의 결합력을 향상하여 내마모성을 높여서 수명을 증가시킨 공정의 차이가 다이아몬드 드레서의 수명과 성능을 크게 개선할 수 있음을 시사한다. 내마모성 향상은 드레서의 수명 연장과 일관된 성능 유지에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.

본 연구는 비록 제한된 상황에서 이루어졌지만, 향후에는 다양한 작동 조건에서의 장기 성능 테스트, 다양한 피연삭물 재료에 대한 영향 평가, 드레서의 수명 주기 동안의 성능 변화 분석 등의 사항을 고려하여, 이러한 추가적인 연구를 통해 다이아몬드 드레서의 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다:

1. 다이아몬드 드레서의 진공 융착 처리(80 VB 그룹 및 100 VB 그룹)는 드레서의 표면거칠기를 증가시켰다. 이는 드레서의 절삭 능력 향상으로 이어질 수 있으나, 동시에 피연삭물의 표면 품질에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.

2. 진공 융착 처리된 드레서(특히 100 VB 그룹)는 전착 처리된 대조군(EP 그룹)에 비해 현저히 향상된 내마모성을 보였다. 이는 다이아몬드 드레서의 수명 연장과 장기적인 성능 유지에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.

3. 진공 융착 처리된 드레서는 피연삭물(ZrO2 ball)의 마모를 증가시켰다. 이는 향상된 절삭 능력의 결과로 볼 수 있으나, 피연삭물의 재료 손실 측면에서는 주의가 필요하다.

4. 100 VB 그룹에서 80 VB 그룹에 비해 더 균형 잡힌 성능을 보였다. 100 VB 그룹은 우수한 내마모성을 유지하면서도 80 VB 그룹에 비해 상대적으로 낮은 표면거칠기와 피연삭물 마모를 나타냈다.

본 연구는 진공 융착을 통해 다이아몬드 드레서의 성능 개선과 최적화에 중요한 지침을 제공하며, 향후 더 효율적이고 내구성 있는 다이아몬드 드레서 개발에 기여할 것으로 기대된다.

This work was supported by the Gimcheon University Research Grant of 2022 (gc-22024).

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Journal of Technologic Dentistry 2024; 46(3): 101-106

Published online September 30, 2024 https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.101

Copyright © Korean Academy of Dental Technology.

치과용 진공 융착 다이아몬드 드레서의 연삭성 연구

박수철, 박종경

김천대학교 치기공학과

Received: August 25, 2024; Revised: September 10, 2024; Accepted: September 10, 2024

Evaluation of the grinding performance of vacuum-brazed diamond dressers in dentistry

Soo-Chul Park , Jong-Kyoung Park

Department of Dental Technology, College of Health Care, Gimcheon University, Gimcheon, Korea

Correspondence to:Jong-Kyoung Park
Department of Dental Technology, College of Health Care, Gimcheon University, 214 Daehak-ro, Gimcheon 39528, Korea
E-mail: jkpark@gimcheon.ac.kr
https://orcid.org/0000-0001-7508-7823

Received: August 25, 2024; Revised: September 10, 2024; Accepted: September 10, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Purpose: This study evaluated the potential of a vacuum-brazed dental diamond dresser as an alternative to commercially available electroplated diamond dressers and assess its suitability for clinical use.
Methods: Commercially available electroplated diamond dressers were selected as the control group (n=5), whereas vacuum-brazed diamond dressers with 80 grit and 100 grit particles were fabricated as the experimental groups (n=5 each). Prepared specimens were evaluated for surface roughness, wear resistance, and abrasiveness against a wear-inducing element (ZrO2 ball). The results were reported as means and standard deviations. Statistical analyses were performed using one-way ANOVA followed by Tukey’s HSD test using SPSS Statistics ver. 23.0 (IBM), with the significance level set at 0.05.
Results: Surface roughness was highest in the 80 grit group (23.99±3.62 μm) followed by the 100 grit group (20.38±1.79 μm) and the control group (17.59±0.56 μm). Wear resistance was greatest in the control group (0.0060±0.0009 g) followed by the 80 grit group (0.0018±0.0003 g) and the 100 grit group (0.0013±0.0001 g). Abrasiveness against the ZrO2 ball was highest in the 80 grit group (0.120±0.007 g) followed by the 100 grit group (0.101±0.007 g) and the control group (0.086±0.004 g).
Conclusion: This study offers key insights for enhancing the performance of diamond dressers through vacuum-brazing and is expected to aid in the development of more efficient and durable diamond dressers for future applications.

Keywords: Dental equipment, Dental instruments, Materials testing

INTRODUCTION

치과 수복물 제작 과정에서 형태 수정은 구강 내 적합성, 기능성, 심미성, 그리고 생체친화성 측면에서 보철 치료의 성공을 위해 필수적인 과정이라고 할 수 있고, 최근 다양한 종류의 치과재료가 개발됨에 따라 여러 연구를 통해 각 수복물에 따른 마무리 과정의 중요성이 강조된 바 있다[1-3]. 이러한 수복물의 형태 수정을 위하여 다양한 종류의 연마용 공구들이 상품화되어 임상에서 활용되고 있다. 연마용 공구는 크게 연마용 버(bur), 연마용 러버포인트(rubber point), 연마용 디스크(abrasive disk), 연마용 스트립(abrasive strip) 등 4가지 범주로 구분할 수 있다[4,5].

한편, 연삭 가공 중에 연삭숫돌의 입자가 무뎌져서 마멸(glazing)되거나 눈메움(loading)이 일어나면 절삭 능력이 저하되므로 연마 공구의 표면을 깎아서 예리하고 새로운 입자인 날끝이 표면에 노출되도록 하는 드레싱(dressing) 작업이 필요한데, 이러한 드레싱의 목적은 새로운 절삭날을 재현시키고 기공(pore)부에 가득 찬 칩을 제거하며 새로운 칩을 배제하는 공극을 형성시키는 것이다[6].

특히 연마용 공구의 드레싱을 위해 기계적 특성이 우수한 다이아몬드 드레서(diamond dresser)가 널리 사용되고 있는데, 다이아몬드 드레서는 주로 연마 공구의 떨림을 방지하고, 수복물의 각종 부위에 맞추어 연마 공구의 형태를 수정하는 데 사용된다. 하지만 현재 임상 치과기공 과정에서 사용되는 다이아몬드 드레서는 전기도금의 형태로 다이아몬드를 지립하는 전착으로 제작되어 내구성이 약해 큰 마모가 발생하여 수명이 짧다는 문제점이 있다[7]. 이러한 낮은 내구성으로 인해 드레서의 표면이 불규칙하게 되면 사용자의 불편함과 작업시간의 지연을 초래할 수 있고, 잦은 교체로 인한 비용 발생과 산업폐기물의 증가 문제가 야기된다. 또한 마모된 드레서의 표면에 연마 공구를 반복적으로 사용할 경우, 연마 공구 표면에 금속 이물질이 부착되어 보철물의 정상적인 절삭이 이루어지지 않는다. 세라믹 보철물에서는 금속 이물질 부착으로 인한 오염으로 색 재현 실패나 기포 발생 등의 문제가 발생하고, 금속 보철물에서는 연마 시간이 증가하게 된다[8].

국내외 연구 동향을 살펴보면 열처리를 통해 다이아몬드의 밀착 특성과 절삭 성능을 향상시킨 선행 연구[9,10]가 있었다. 또한 다이아몬드 표면에 탄화물 형성 물질을 코팅 처리하여 밀착 특성을 향상시킬 수 있는데, 진공 융착법 등으로 표면 코팅 처리된 다이아몬드 복합재는 절삭 성능이 향상된다고 보고된 바 있다[11].

최근 치과 보철물 시장에서는 computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD/CAM) 자동화 시스템의 도입이 급증하면서 고정밀 가공을 위한 연마 공구와 드레서의 성능이 중요한 요소로 부각되고 있다. 특히 CAD/CAM 시스템을 활용한 보철물 제작 과정에서 드레서의 품질은 연삭 효율성과 작업 정밀도에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 현존하는 전착 방식의 다이아몬드 드레서는 내구성이 낮아 빈번한 교체가 필요하며, 이는 작업 효율성과 비용 측면에서 한계를 드러내므로 이러한 문제를 해결하기 위해 진공 융착법을 적용한 다이아몬드 드레서의 개발이 필수적이다. 진공 융착 방식은 드레서의 내구성을 획기적으로 향상시켜 CAD/CAM 시스템에서 요구되는 높은 수준의 작업 성능을 장기간 유지할 수 있는 가능성을 제공한다. 따라서 본 연구에서는 기존 전착 방식의 한계를 극복하고, 임상에서 실질적으로 활용이 가능한 진공 융착 다이아몬드 드레서를 개발하고자 한다.

MATERIALS AND METHODS

1. 실험 재료 및 시편 제작

본 연구에서는 전착 방식으로 제작된 시판용 다이아몬드 드레서(Diamond dresser, R&D Dental)를 대조군(electro-plated specimen, EP)으로 선정하였다.

전자현미경(HT004, Gasworld)을 이용하여 대조군에서 분석된 단위 면적당 입자의 수가 medium grade인 약 80 grit인 것에 따라 성능 비교를 감안하여 실험군을 제작하기 위해 동일한 입자 크기의 다이아몬드 분말 80 grit을 선정하였고, fine grade인 100 grit을 추가로 선정하여 진공 융착 공정(vacuum-brazed process, VB)을 적용한 두 그룹(80 VB, 100 VB)으로 각각 분류하였다.

실험군 시편을 제작하기 위해 120 mm (width)×30 mm (depth)×15 mm (height)의 크기에 맞게 컷팅 및 가공 후 세척을 진행하였다. 결합재의 안착을 위하여 시편의 표면에 글루를 도포한 후 니켈합금 분말 결합재를 도포하였고, 이어서 다이아몬드 연마재를 도포하였다(Fig. 1). 이후 고온진공소결로(High-temperature vacuum sintering furnace, TNS Vacuum)를 이용하여 2.15℃/min의 상승온도로 480분에 걸쳐 0℃에서 1,030℃까지 올린 후 1,030℃에서 20분간 계류 후 실온에서 서냉하는 자연 냉각을 통해 최종적으로 진공 소결 공정을 적용한 시편 제작을 완료하였다. 시편은 그룹별로 5개씩 총 15개를 준비하였다(Fig. 2).

Figure 1. Workflow of specimen preparation.
Figure 2. (A) Schematic of specimen and (B) specimen fabricated by vacuum-brazed process.

2. 실험 방법

1) 시편의 표면거칠기(surface roughness) 측정

시편의 표면 상부를 반경 2.0 μm의 다이아몬드 촉침이 이동하여 표면거칠기(surface roughness, Ra)를 측정하는 KS B ISO 4287에 제시된 공인 시험규격에 따라 진행하였다. 측정을 위해 접촉식 표면거칠기 측정기(TalySurf PGI, Taylor Hobson)를 사용하였고, 120 mm의 측정 길이로 2%±4 nm의 정밀도, 12.8 nm의 분해능, 반경 1.5~2.5 μm인 원추형 다이아몬드 촉침을 사용하였으며 70~100 mgf (가변)의 촉침 압력을 가하여 측정하였다.

2) 시편의 내마모성과 피연삭물(ZrO2 ball) 마모성 측정

먼저 전자저울(PW-254, Adam Equipment)을 이용하여 마모 시험 전의 시편과 피연삭물(ZrO2 ball)의 무게를 측정하였다. 이후 마모시험은 공인 규격인 ASTM G99-17에 따라 1 ball-on-disc 시험방식으로 진행하였다. 규격에 맞춰 각 시편을 3 cm×3 cm 크기로 절단하였으며(Fig. 3), 고온 마모시험기(high temperature abrasion tester, R&B)의 상부에 피연삭물(∅12.7 mm ZrO2 ball)을 위치시키고 하부에는 시편을 장착한 후 회전시켜 마모 시험을 진행하였다(Fig. 4). 디스크 회전속도는 60 rpm, 하중은 15 kgf, 상온의 시험 온도에서 50%의 습도를 유지한 채 진행하였다(Table 1). 마지막으로 마모시험 이후의 시편과 피연삭물의 감량 정도를 마모 손실량으로 측정하여 수치로 기재하였다.

Table 1 . Conditions for wear test.

Test specimenRotation speed (rpm)Load (kgf)TemperatureHumidity (%)Time (sec)Wear-inducing element
Diamond dresser6015Room
temperature
50300∅12.7 mm
ZrO2 ball

Figure 3. Diamond dresser specimen and wear-inducing element (∅12.7 mm ZrO2 ball).
Figure 4. High-temperature wear testing machine (high temperature abrasion tester, R&B).

3. 통계 분석

본 연구에서는 대조군(EP)과 실험군(80 VB, 100 VB)에 대한 각 실험 결과 값을 평균 및 표준편차로 기술하였고, 각 그룹 간 유의 차 검증을 위하여 모수검정인 일원배치 분산분석(one-way ANOVA) 및 Tukey’s HSD 사후검정을 시행하였다.

본 연구는 SPSS 통계패키지 프로그램(SPSS Statistics ver. 23.0, IBM)을 사용하여 모든 통계분석을 하였고 신뢰수준은 95%, 통계적 유의수준은 0.05로 검증하였다.

RESULTS

1. 시편의 표면거칠기

Table 2에 제시된 바와 같이 표면거칠기(Ra)의 실험 결과에서 나타난 각 그룹의 평균 및 표준편차는 대조군(EP)에서 17.59±0.56 μm, 80 VB에서 23.99±3.62 μm, 100 VB에서 20.38±1.79 μm로 나타났다. EP 그룹과 80 VB 그룹 간에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.001). 하지만 EP 그룹과 100 VB 그룹 간, 그리고 80 VB 그룹과 100 VB 그룹 간에는 유의한 차이가 없었다(p>0.05).

Table 2 . Surface roughness (Ra) of specimens (unit: μm).

GroupMean±SDFp-value
EP17.59±0.56a*7.4560.008
80 VB23.99±3.62b
100 VB20.38±1.79ab

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation..

abDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences..

*p<0.05..



2. 다이아몬드 드레서 시편의 내마모성

Table 3에 제시된 바와 같이 다이아몬드 드레서의 내마모성 실험 결과, 대조군(EP)은 0.0060±0.0009 g, 80 VB는 0.0018±0.0003 g, 100 VB는 0.0013±0.0001 g으로 나타났다. 대조군(EP)은 80 VB, 100 VB 그룹 간에 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.001). 하지만 80 VB와 100 VB 그룹 간에는 유의한 차이가 없었다(p>0.05).

Table 3 . Wear loss values of ceramic dresser specimens (unit: g).

GroupMean±SDFp-value
EP0.0060±0.0009a*86.17<0.001
80 VB0.0018±0.0003b
100 VB0.0013±0.0001b

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation..

abDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences..

*p<0.05..



3. 피연삭물 마모성

Table 4에 제시된 바와 같이 지르코니아(ZrO2)볼을 이용한 피연삭물 마모성 실험 결과, 대조군(EP)은 0.086±0.004 g, 80 VB는 0.120±0.007 g, 100 VB는 0.101±0.007 g으로 나타났다. 각 그룹 간에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.001).

Table 4 . Wear loss values of wear-inducing element (ZrO2 ball) (unit: g).

GroupMean±SDFp-value
EP0.086±0.004a*28.99<0.001
80 VB0.120±0.007b
100 VB0.101±0.007c

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation..

abcDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences..

*p<0.05..


DISCUSSION

현대 치과보철 분야에서는 심미성과 내구성을 높이기 위해 고경도 소재의 사용이 증가하고 있다. 하지만 이러한 소재들은 가공 시 높은 가공 저항과 열 발생으로 인해 기술적 어려움을 동반한다. 또한 가공 시 눈메움이나 마멸이 생겨 연삭능력이 저하된 공구의 표면을 다이아몬드 드레서를 이용하여 깎아줌으로써 예리한 새 입자를 표면에 노출시켜 주는 드레싱 작업이 필요한데, 드레서의 효율성에 대한 관심이 커짐에 따라 공구의 성능과 수명 등에 관한 연구들[12,13]이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 치과 산업에서 사용되는 시판용 다이아몬드 드레서 제품과 비교하여 상대적으로 내마모성을 높여서 수명을 증가시킨 진공 융착 다이아몬드 드레서를 새롭게 제작하였다.

본 연구를 통해 대조군인 EP 그룹에 비해 80 VB 그룹과 100 VB 그룹의 표면거칠기(Ra)는 상대적으로 더 높게 나타났다. 80 VB 그룹이 가장 높은 거칠기를 보였으며, 100 VB 그룹은 그 중간값을 나타냈다. Choi [14]는 선행 연구에서 다이아몬드 전착의 경우에는 입자가 한 겹만 전착되어 있어서 연삭 공정 시 눈메움 현상을 통해 공구의 자체 재생이 적용되지 않고 입자의 탈락이 곧 공구의 수명 저하와 직결된다고 했다. 이는 실험군의 진공 융착 방식이 다이아몬드 입자의 미세 구조를 변화시켜 거칠기를 증가시켰음을 시사한다. 표면거칠기의 증가는 드레서의 절삭 능력 향상으로 이어질 수 있으나, 동시에 피연삭물의 표면 품질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 최적의 거칠기를 찾는 것이 중요하다.

시편의 내마모성을 분석한 결과, 대조군인 EP 그룹에 비해 80 VB 그룹과 100 VB 그룹의 내마모성이 현저히 향상되었다. 특히 100 VB 그룹이 가장 낮은 마모도를 보여, 내마모성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 또한 지르코니아볼을 이용한 피연삭물 마모성 실험에서는 EP 그룹에 비해 80 VB 그룹과 100 VB 그룹에서 피연삭물의 마모가 증가했다. 80 VB 그룹에서 가장 높은 마모를 보였고, 100 VB 그룹은 그 중간값을 나타냈다. 표면거칠기의 증가가 피연삭물에 더 많은 마모를 유발할 수 있음을 보여준다. 선행 연구[15-17]에 따르면 고경도 소재 가공 시 발생하는 열에 의해 다이아몬드 입자의 결합제인 니켈이 연화되어 다이아몬드 입자의 탈락이 가속화된다는 발표가 있었다. 이러한 선행 연구 결과와 비교해 볼 때, 본 연구에서 80 VB 그룹과 100 VB 그룹의 시편 제작 시 진공 융착의 형태로 다이아몬드 지립의 결합력을 향상하여 내마모성을 높여서 수명을 증가시킨 공정의 차이가 다이아몬드 드레서의 수명과 성능을 크게 개선할 수 있음을 시사한다. 내마모성 향상은 드레서의 수명 연장과 일관된 성능 유지에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.

본 연구는 비록 제한된 상황에서 이루어졌지만, 향후에는 다양한 작동 조건에서의 장기 성능 테스트, 다양한 피연삭물 재료에 대한 영향 평가, 드레서의 수명 주기 동안의 성능 변화 분석 등의 사항을 고려하여, 이러한 추가적인 연구를 통해 다이아몬드 드레서의 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

CONCLUSIONS

본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다:

1. 다이아몬드 드레서의 진공 융착 처리(80 VB 그룹 및 100 VB 그룹)는 드레서의 표면거칠기를 증가시켰다. 이는 드레서의 절삭 능력 향상으로 이어질 수 있으나, 동시에 피연삭물의 표면 품질에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.

2. 진공 융착 처리된 드레서(특히 100 VB 그룹)는 전착 처리된 대조군(EP 그룹)에 비해 현저히 향상된 내마모성을 보였다. 이는 다이아몬드 드레서의 수명 연장과 장기적인 성능 유지에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.

3. 진공 융착 처리된 드레서는 피연삭물(ZrO2 ball)의 마모를 증가시켰다. 이는 향상된 절삭 능력의 결과로 볼 수 있으나, 피연삭물의 재료 손실 측면에서는 주의가 필요하다.

4. 100 VB 그룹에서 80 VB 그룹에 비해 더 균형 잡힌 성능을 보였다. 100 VB 그룹은 우수한 내마모성을 유지하면서도 80 VB 그룹에 비해 상대적으로 낮은 표면거칠기와 피연삭물 마모를 나타냈다.

본 연구는 진공 융착을 통해 다이아몬드 드레서의 성능 개선과 최적화에 중요한 지침을 제공하며, 향후 더 효율적이고 내구성 있는 다이아몬드 드레서 개발에 기여할 것으로 기대된다.

ACKNOWLEDGEMENTS

None.

FUNDING

This work was supported by the Gimcheon University Research Grant of 2022 (gc-22024).

Fig 1.

Figure 1.Workflow of specimen preparation.
Journal of Technologic Dentistry 2024; 46: 101-106https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.101

Fig 2.

Figure 2.(A) Schematic of specimen and (B) specimen fabricated by vacuum-brazed process.
Journal of Technologic Dentistry 2024; 46: 101-106https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.101

Fig 3.

Figure 3.Diamond dresser specimen and wear-inducing element (∅12.7 mm ZrO2 ball).
Journal of Technologic Dentistry 2024; 46: 101-106https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.101

Fig 4.

Figure 4.High-temperature wear testing machine (high temperature abrasion tester, R&B).
Journal of Technologic Dentistry 2024; 46: 101-106https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.101

Table 1 . Conditions for wear test.

Test specimenRotation speed (rpm)Load (kgf)TemperatureHumidity (%)Time (sec)Wear-inducing element
Diamond dresser6015Room
temperature
50300∅12.7 mm
ZrO2 ball

Table 2 . Surface roughness (Ra) of specimens (unit: μm).

GroupMean±SDFp-value
EP17.59±0.56a*7.4560.008
80 VB23.99±3.62b
100 VB20.38±1.79ab

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation..

abDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences..

*p<0.05..


Table 3 . Wear loss values of ceramic dresser specimens (unit: g).

GroupMean±SDFp-value
EP0.0060±0.0009a*86.17<0.001
80 VB0.0018±0.0003b
100 VB0.0013±0.0001b

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation..

abDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences..

*p<0.05..


Table 4 . Wear loss values of wear-inducing element (ZrO2 ball) (unit: g).

GroupMean±SDFp-value
EP0.086±0.004a*28.99<0.001
80 VB0.120±0.007b
100 VB0.101±0.007c

EP: electro-plated specimen, VB: vacuum-brazed process, SD: standard deviation..

abcDifferent superscript letters on the same column indicate a statistically significant differences..

*p<0.05..


References

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Journal of Technologic Dentistry

eISSN 2288-5218
pISSN 1229-3954
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