의료용 세라믹 획기적 성능개선 기여
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서울경제신문과 한국과학재단이 이달의 과학기술자상 7월 수상자로 선정한 한국과학기술연구원(KIST) 복합기능세라믹연구센터 김대준 책임연구원은 세라믹중 가장 우수한 강도와 인성을 지닌 지르코니아(ZrO2)의 저온열화현상을 처음으로 규명했다는 점에서 의미가 크다.
김 박사는 인공고관절, 치아, 뼈 등의 재료인 지르코니아의 저온열화현상의 원인이 지르코늄이온과 산소이온이 결합할 때 생기는 구조적 결함때문이라는 사실을 밝혀냈다.
김 박사는 이를 세라믹부문에서 세계 최고 권위를 자랑하는 학술연구지인 미국 세라믹 학회지에 게재함으로써 지난 15년간 제기됐던 여러 가지 학설을 정리하는 업적을 거뒀다는 평가를 받고 있다.
김 박사는 또 연구결과를 바탕으로 상온에서도 강도와 인성이 뛰어난 원천기반 신소재인 지르코니아ㆍ알루미나 복합체를 개발해 올해 한국과 미국에서 특허를 출원했다.
김 박사는 저온열화의 원인을 규명하는데 초점을 맞췄다. 산소이온의 확산이 저온열화와 관련이 있다는 사실을 간접적으로 증명하기 위해 먼저 섭씨 100~400도에서 정방형 결정이 평형사변형 결정으로 변하는 과정에서 발생된 에너지를 측정한 결과 81~84kJ(4.2J= 1cal)로 나타났다.
이 에너지값의 의미를 파악하기 위해 동일한 시료들을 사용해 같은 온도범위에서 이온전도도를 측정하고 이로부터 계산된 이온전도에 관련된 활성화 에너지값이 82~84kJ임을 증명했다.
즉 저온열화가 일어날 때 필요한 열량(81~84kJ)과 이온전도와 관련된 열량(82~84kJ)이 거의 같다는 사실이 규명된 것이다.
이에 따라 지르코니아 이온전도는 산소공공(산소가 빠져나가 빈자리)의 확산에 의한 것임은 주지의 사실이기 때문에 지르코니아의 저온열화는 산소공공의 확산과 관련이 높다는 사실을 밝혀냈다.
김 박사는 저온열화는 정방형 격자내 산소공공이 확산돼 격자가 심한 응력을 받을 때 일어난다고 설명했다.
따라서 저온열화를 막기 위해서는 간접적으로는 격자내 산소공공이 확산되지 못하도록 하고 직접적으로는 정방형 격자의 구조를 지르코니아외에 다른 금속이온으로 바꿔줘 응력이 이완된 구조로 변경시키는 것이 필요하다고 주장했다.
이를 위해 3가 이트륨이온이 첨가된 정방형 결정의 지르코니아 조성에 5가 나이비움 또는 텐탈륨 산화물을 추가로 첨가해서 이트륨에 의해 생성된 산소공공을 소멸시켜 산소공공이 확산되지 못하도록 했다.
김 박사는 연구실에서 지르코니아 복합체의 강도를 직접 실험해 강도와 인성이 높아진 사실을 입증했다.
지르코니아와 이트륨, 나이비움 혼합물을 섭씨 1,550도에서 5시간 소결시켰을 때 강도가 530MPa, 인성이 MPam 인 우수한 정방형 결정의 지르코니아를 얻었다.
기계적 물성을 향상시키기 위해 이 혼합물에 알루미나를 소량 첨가시켜 지르코니아ㆍ알루미나 복합체를 제조했을 때 저온열화는 나타나지 않으면서 강도는 710MPa, 인성은 8.1MPam으로 증가했다.
즉 강도는 40%, 인성은 10%이상 높아진 결과를 얻게 됐다. 이 복합체를 고온등압 소결시키면 강도는 960MPa, 인성은 10.0MPam으로 기계적 물성이 더욱 향상됐다.
이 신소재는 현재 체내에서도 안전한 인공고관절의 골두에 응용연구가 마무리단계에 있으며 무릎관절용 보철물, 인공뼈, 치과용 세라믹 임프란트, 세라믹 단일치아 및 브릿지 등의 응력지지용 경조직대체 바이오세라믹스, 라식 안과 수술용 미세각막 절단기 등의 의료용구에 적용되고 있다.
이밖에 공업적으로 다공성이면서도 고강도를 요구하는 고온가스 필터나 난분해성 수처리 필터재료, 방탄용 재료에 쓰일 것으로 전망된다.
연성주기자
