Notebook LM을 이용한 Process Study(2)

보철용 지르코니아 세라믹 파우더를 제작하는 토소의 제품구현 방법에 대해 공부해보고자 아래 문헌을 정리하였습니다

 

Dental Zirconia: Transparency, Strength, and Control

 

치과용 고투광성 지르코니아와 고강도 지르코니아는 각각 다른 특성을 강조하며, 이들 특성은 제조 공법과 재료 설계를 통해 정교하게 조절됩니다. Tosoh Corporation은 가수분해법을 기반으로 다양한 지르코니아 파우더를 개발하여 이러한 요구사항을 충족시키고 있습니다.

 

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1. 고투광성 지르코니아와 고강도 지르코니아의 차이점

고투광성 지르코니아의 특징: 고투광성 지르코니아는 자연치와 유사한 심미성을 제공하기 위해 빛 투과율을 극대화한 제품입니다.

• 투광성 증대 요인:

    ◦ 기공 및 불순물 감소: 지르코니아 소결체 내부의 기공이나 알루미나 입자와 같이 굴절률이 다른 부위는 빛을 산란시켜 투과율을 저하시킵니다. 따라서 고밀도 소결을 통해 기공을 최소화하고, 알루미나와 같은 불순물 함량을 줄이는 것이 중요합니다. Tosoh의 Zpex 등급은 알루미나 함량을 0.05wt%로 낮추어 빛 산란을 줄였습니다.

    ◦ 미세구조 제어: La(란타넘)를 안정화제로 사용한 고투광성 지르코니아는 나노미터 크기의 정방정(tetragonal) 및 입방정(cubic) 도메인으로 상 분리되어, 이 크기가 가시광선 파장보다 훨씬 작아 빛 산란을 최소화합니다.

    ◦ 안정화제 농도 조절: Y2O3 농도를 특정 수준으로 조절하여 투광성을 높입니다. 예를 들어, Zpex Smile은 Zpex보다 높은 Y2O3 농도(5.5mol%)를 사용하여 더 높은 투광성을 달성했습니다. Zpex4는 4mol% Y2O3로 Zpex와 Zpex Smile 중간 수준의 투광성을 목표로 합니다.

• 대표 제품: Tosoh의 Zpex, Zpex Smile, Zpex4, La-첨가 고투광성 지르코니아 등이 있습니다.

    ◦ Zpex: 1mm 두께에서 41~42%의 총광선 투과율을 달성하며, HIP(고온 등방성 가압) 소결과 유사한 수준의 투광성을 일반 대기 소결로 구현했습니다.

    ◦ Zpex Smile: Zpex보다 투광성을 더욱 향상시켜 1mm 두께에서 49%의 투과율을 보이며, 전치부용으로 적합합니다.

    ◦ Zpex4: Zpex와 Zpex Smile의 장점을 결합하여 45%의 투과율과 1100MPa의 고강도를 동시에 목표로 합니다.

    ◦ La-첨가 고투광성 지르코니아: 1mm 두께에서 60% 이상의 총광선 투과율과 80%의 내부 투과율을 가지며, 높은 기계적 특성을 유지합니다.

고강도 지르코니아의 특징: 고강도 지르코니아는 높은 강도와 파괴 인성(fracture toughness)을 제공하여 구조적 안정성이 요구되는 부위에 사용됩니다.

• 강도 증대 요인:

    ◦ 상 변태 강화 (Transformation Toughening): 3mol% Y2O3 안정화 정방정 지르코니아(3Y-TZP)는 응력 유도 상 변태(정방정 상이 단사정 상으로 변태하며 약 4%의 체적 팽창을 일으킴)를 통해 균열의 진행을 억제하여 높은 강도와 인성을 발현합니다.

    ◦ Y2O3 농도: 정방정 상의 안정성을 유지하는 데 최적화된 3mol% Y2O3 농도가 일반적으로 가장 높은 강도를 제공합니다.

    ◦ 결정립 크기: 미세한 결정립은 강도를 높이는 동시에 저온 열화(Low Temperature Degradation, LTD) 저항성을 향상시킵니다. 굽힘 강도는 결정립 크기가 감소함에 따라 증가하는 경향을 보이며, 이는 1/d^0.5 규칙을 따릅니다.

    ◦ 저온 열화(LTD) 저항성: 습한 환경이나 고온수에서 정방정 상이 자발적으로 단사정 상으로 변태하여 기계적 특성이 저하되는 현상입니다. LTD는 결정립계 편석 유도 상 변태(GBSIPT) 메커니즘과 관련이 있습니다. GBSIPT 온도(약 1300℃) 이상에서 소결하면 Y3+ 이온이 재분배되어 입방정 상이 형성되고 정방정 상의 Y3+ 농도가 감소하여 불안정해지기 때문에 LTD에 취약해집니다.

• 대표 제품: Tosoh의 TZ-3YSB-E, TZ-3YB-E와 같은 범용 등급, 그리고 Zpex, Zpex4 등이 고강도 특성을 갖습니다.

    ◦ Zpex: 1000MPa 이상의 높은 굽힘 강도를 제공하며, 이는 4개 이상의 유닛 브릿지에도 적용 가능합니다.

    ◦ Zpex4: 1100MPa의 굽힘 강도를 유지하면서 향상된 투광성을 제공합니다.

    ◦ Al2O3 및 GeO2 공동 도핑 지르코니아 (3Y-AG): 1200℃의 저온 소결로 균일한 Y3+ 분포를 가진 나노결정립을 형성하여 140℃ 고온수에서 4년 이상 LTD에 거의 저항하는 매우 우수한 특성을 보였습니다.

투광성과 강도의 상충 관계 (Trade-off): 일반적으로 투광성이 높아질수록 강도가 감소하는 상충 관계가 있습니다.

• Zpex Smile은 Zpex보다 투광성이 높지만 굽힘 강도는 약 600MPa로 Zpex(1000MPa)보다 낮습니다. 이는 높은 Y2O3 농도로 입방정 상의 비율을 늘려 투광성을 높였기 때문으로 해석될 수 있습니다.

• Zpex4는 이러한 상충 관계를 개선하기 위해 4mol% Y2O3를 사용하여 Zpex와 유사한 고강도(1100MPa)를 유지하면서 Zpex보다 높은 투광성(45%)을 달성했습니다.