Sol-gel법을 이용한 Ti-6Al-4V표면의 calcium titanate buffer layer process와 hydroxyapatite coating = Hydroxyapatite Coating on Ti-6Al-4V Substrate with Calcium Titanate Buffer Layer Processed by Sol-Gel Method

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ti and Ti alloys are well known to have excellent corrosion properties, which is an important of the implants in human body. In our study, A sol-gel dip coating method was used for coating hydroxyapatite (HA)/calcium titanate (CaTiO₃: CTO) on a Ti-6Al-4V (TAV) substrate. A single CTO layer (500 nm thickness) was coated and heat treated at 750 °C prior to four times of HA coating. The thickness of HA coating was 8～10 μm, after the heat treatment at 600 °C. Crystallization, surface morphology, and interfacial micro -structure were investigated by x-ray diffraction (XRD) analysis and scanning electron microscopy (SEM). SEM observations revealed no cracks on the HA/CTO surface. However surface cracks were observed when HA was only coated on Ti-6Al-4V. The bonding strength of HA/CTO to the substrate increased almost four times compare to the on substrate HA coatings. The higher bonding strength on CTO coated sample could be attributed to the formation of micro-cracks, the high surface roughness and high interfacial bonding between HA and CTO layer. Polarization curve test (PCT) was also carried out to determine the corrosion resistance of each samples in artificials saliva. CTO on Ti-6Al-4V showed highest corrosion resistance compare to any other samples.

국문 초록 (Abstract)

Titanium alloy는 좋은 생체 접합성과 기계적 성질로 인해 생체 재료 및 치과에 광범위하게 사용되어지고 있으며 titanium alloy중 하나인 Ti-6Al-4V은 단위 부피당 가벼운 무게와 인체내에 삽입되었을 때 우수한 부식저항과 우수한 기계적 강도로 인해 사용이 점차 늘어나고 있다.
Hydroxyapatite (Ca_(10)(PO₄)_(6)(OH)₂)는 좋은 생체 친화성을 가지고 있는 것으로 알려져 있으며 인간의 골 성분과 매우 유사하며 뼈와 강한 접합력 형성한다. 그러나 소결 후 낮은 강도 때문에 생체 이식 재료로서 plasma spraying, sputtering, elextrophretic deposition과 sol-gel processing, dipping등 많은 방법으로 hydroxyapatite의 코팅 방법이 연구되어지고 있다. Calcium titanate (CaTiO₃)는 페로브스카이트구조의 초기 강유전체로서 티타늄 기판과 hydroxyapatite 사이에 접합력을 향상하기 위하여 sol-gel 법으로 본 실험에서 사용되었으며, hydroxyapatite를 titanium 기질위에 코팅할 때 CaTiO₃와 TiO₂의 중간층이 형성되었다고 보고하는 논문이 있었다. 따라서 본 연구는 Ti-6Al-4V의 위에 hydroxyapatite sol을 코팅하여 접합강도를 측정하였고, 또한 CaTiO₃층위에 hydroxyapatite층을 코팅하여 hydroxyapatite 코팅의 접합강도 증가를 코팅하였다. 한편 CaTiO₃ 코팅만을한 시편의 부식저항 특성을 polrarization curve test로 관찰하였으며, CaTiO₃ 코팅 및 hydroxyapatite 코팅, CaTiO₃위에 hydroxyapatite코팅 표면을 XRD와 주사전자 현미경으로 관찰하였으며, 그 결과 hydorxyapatite를 Ti-6Al-4V위에 직접 코팅하였을때 15±7 MPa의 접합강도를 나타내었으며, CaTiO₃층 위에 hydorxyapatite를 코팅한 시편의 접합강도는 45±5 MPa으로 나타났다. 한편 polarization curve test 결과 Ti-6Al-4V의 경우 -124 mV의 낮은 부식평형전위와 -638 mV 전류를 가지는 것을 확인하였으며, CaTiO₃를 코팅한 시편의 경우 252 mV의 높은 부식평형전위와 -366 mV의 전류를 가지는 것으로 측정되었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 = 1
• Ⅱ. 이론적 배경 = 4
• 2-1. CaTiO3의 결정구조 및 합성방법 = 4
• 2-2. 아파타이트의 결정구조 및 성질 = 6
• 2-3. Ti-6Al-4V의 구조와 성질 = 12
• Ⅲ. 실험 및 분석방법 = 15
• 3-1 CaTiO3 sol과 HA sol의 합성과 분석 = 17
• (1) Ti-6Al-4V 시편의 제조 = 17
• (2) CaTiO3 sol 제조 및 coating = 18
• (3) HA sol 제조 및 coating = 20
• (4) HA, CTO 코팅면과 Ti-6Al-4V의 표면분석 = 22
• 3-2 Surface roughness test = 23
• 3-3 Adhesion test = 23
• 3-4 Artificial saliva내에서의 polarization curve test = 25
• (1) Artificial saliva 제조 = 25
• (2) Polarization curve test = 27
• Ⅳ. 결과 및 고찰 = 28
• 4-1 Ti-6Al-4V의 표면분석 및 CTO, HA 코팅면 분석 = 28
• (1) Ti-6Al-4V microstructure = 28
• (2) CaTiO3의 분석 = 28
• (3) 온도별 CaTiO3 코팅의 EDS 분석 결과 = 33
• (4) HA 코팅과 CTO+HA 코팅 시편의 표면 분석 = 35
• 4-2 Surface roughness test 결과 = 42
• 4-3 Adhesion strength measurement using pull out test = 44
• 4-4 인공타액 내에서의 polarization curve test = 48
• Ⅴ. 결 론 = 55
• Ⅵ. 참고문헌 = 56
• 영문초록 = 60
• 감사의 글 = 62