의료용 금속에 대해서 질문 있습니다.

좀.. 깁니다... 퍼온것을 제가 편집좀 했습니다..  열공하세요,,

 

대표적인 생체의료용 금속재료인 스테인리스강, 코발트 합금, 타이
타늄 합금과 최근 형상기억 및 초탄성 특성으로 인해 사용이 급증하고 있는 니켈-타이타늄 합금, 그리고
기타 금속재료에 대해 생체재료로서 사용된 역사적인 배경과 소재특성, 그리고 적용되고 있는 부품들을 소개합니다.

 

2. 스테인리스강
스테인리스강은 금속재료 중 가장 먼저 생체의료용으로 적용되기 시작하였는데, 역사적으로는 1919년Hauptmeier-Krupp Dental Clinic에서 치과용으로 적용되었다고 알려져 있고, 1926년 정형외과 임플란트로 처음 사용되었으며, 1947년 American College of Surgeons에서 19Cr-9Ni 과 18Cr-8Ni 강을 임플란트에 적용하면서 본격적으로 사용되었다고 알려져 있다.[13] 18Cr-8Ni(Type 302) 합금이 적용되면서 생체 내에서의 내식성이 떨어지는 문제를 가지고 있던 바나듐강이 완전 대체되었고, 18-8 합금은 후에 Mo,C 함량 등 일부 조성이 개선되면서 현재 생체의료용으로 가장 많이 사용되고 있는 Type 316 스테인리스강으로 발전되었다.

스테인리스강은 Cr을 최소한 10.5% 이상 함유하는 철계 합금으로서 Cr은 강 표면에 대략 2nm 두께의치밀한 산화막을 형성하여 더 이상 녹이 슬지 않게(stainless) 만들어 주며, 부식에 대한 저항성도 증가시킨다. 스테인리스강에 함유되어 있는 다른 원소들 또한 물성 향상에 기여를 하는데, Ni은 내식성과 여러 기계적 특성을 향상시키고, Mo은 공식(pitting corrosion)에 대한 저항성을 향상시키고, 질소는 공식 저항성뿐만 아니라 강도 증가에도 효과가 있다. 인체 내에 삽입되는 스테인리스강은 공식, 틈부식(crevicecorrosion), 비금속게재물의 양이나 크기 등에 관해 특별히 제어되어야 하는 요구특성이 있기 때문에 진공
용해(VM), 진공아크용해(VAR), 전기슬래그용해(ESR) 등의 특별한 소재 제조공정이 요구된다.
스테인리스강은 결정학적 구조나 미세조직에 따라 마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계, 혼합조직(duplex), 석출경화형으로 구분된다. 이 중에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 재료는 오스테나이트
계 스테인리스강인데, 소재가격이 저렴하고, 제조공정이 까다롭지 않으며, 여러 가지 물성이 골고루 좋은
장점이 있기 때문이다. 그러나 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 아주 좋은 편이 아니어서 장기간
이식에는 적합하지 않고, screw, bone plate, nail 등의 비교적 단기간(6∼12개월) 체내에 사용되는 임프란
트에 적합하다. 표 1은 현재 미국재료시험규격(ASTM)에 규정되어 있는 외과 임플란트용 금속재료 중 스
테인리스강에 해당되는 부분을 정리한 것으로서 규격번호, 합금조성, 상업적인 합금명, 소재 형태, 그리고
상응하는 ISO 규격번호 등을 나타내었다.
기계와 재료 / 2004·10 _ 13
특 집
2.1 Type 316L
18Cr-14Ni-2.5Mo(Type 316L) 강은 대표적인 오스테나이트계 스테인리스강으로서 진공용해용 저탄
소 함유합금으로 침입형 불순물 원소가 적기 때문에 공식에 대한 저항성이 우수하다. Mo을 함유하게 되면
공식에 대한 저항성이 증가되는데, 그 이유는 MoO42- 이온이 표면에 흡수되면서 재부동태화가 일어나기
때문이다.[14] Cr은 표면에 Cr 산화물층을 형성하여 부동태화 된다. 그러나 이 같은 합금원소들도 과잉으로
함유되면 여러 가지 문제가 생길 수 있다. 예를 들어 Mo 함량이 너무 많게 되면 시그마상이라는 취약한 금
속간화합물이 형성되어 기계적 성질을 저하시키는 원인이 되고, Cr 함량이 너무 많으면 입계에 탄화물
(Cr23C6)이 많이 형성되어 인접 모재의 Cr을 고갈시킴으로써 입계부식을 촉진시킨다. 탄화물은 주로
450~900℃의 온도범위에서 형성되므로 Type 316L의 열처리는 일반적으로 950℃ 이상의 온도에서 수
행된다.
Type 316L은 표 2에서 보듯 소둔된 상태에서는 강도가 매우 낮아 보통 30% 정도의 냉간가공을 통해 항
복, 인장강도, 피로강도를 증가시킨다. Type 316L의 피로강도는 Hall-Petch 관계식을 따르므로 조대한
결정립을 갖는 소둔재료를 사용하면 피로에 의한 보철물의 파괴가 일어나기 쉽다. ASTM 규격에서는 No.
5 또는 더 미세한 결정립 크기를 규정하고 있다.[15] 강도가 증가하는 대신 연성이 저하되기는 하지만 임플
란트 부품에서 별 문제가 되지는 않는다.
표 1. 생체의료용으로 사용되고 있는 스테인리스강 관련 규격과 소재 형태
ASTM MATERIAL NAME PRODUCT FORMS ISO
F138-00 18Cr-14Ni-2.5Mo 316L ss bar, wire, fine wire 5832-1
F139-00 18Cr-14Ni-2.5Mo 316L ss sheet, strip 5832-1
F621-02 Stainless Steel 316L ss forgings
Rex 734
XM-19
F745-00 Cast 18Cr-12.5Ni-2.5Mo Cast316 shot, bar, ingot
F899-02 Stainless Steels Stainless Steels ss for instrument
F1314-01 22Cr-13Ni-5Mn-2.5Mo XM-19 bar, wire
F1350-02 18Cr-14Ni-2.5Mo 316L ss surgical fixation wire
F1586-02 21Cr-10Ni-3Mn-2.5Mo Rex 734 bar 5832-9
F2229-02 Nitrogen strengthened BioDur108 bar, wire
23Mn-21Cr-1MO, Low Ni SS
표 2. Type 316L 스테인리스강의 열처리 조건에 따른 기계적 성질
항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%) 비고
170 480 40 ASTM F138
310 655 28 ASTM F138
316L annealed
316L cold worked
특 성 합 금
14 _ 생체의료용 금속재료 기술
특 집
2.2 질소강화 스테인리스강
질소강화 스테인리스강은 최근에 ASTM 규격에 생체의료용 소재로 규정되었고, 전기슬래그용해 공정으
로 제조되며, 적용 부품은 bone plate, screw, spinal fixation 등이다. ASTM 관련 규격은 F1314 (22Cr-
12.5Ni-5Mn-2.5Mo-(0.2∼0.4N), F1586 (21Cr-10Ni-3Mn-2.5Mo-(0.25∼0.5N), F2229
(23Mn-21Cr-1Mo-1.0N)로서, F1314는 골절 고정기구용 재료로 개발되었고, F1586은 Type 316L에
비해 인장강도, 충격강도, 피로강도, 틈부식과 공식 저항성이 개선된 합금이다. F2229는 Ni-free 스테인
리스강으로 Ni 알러지 문제에 대응하기 위해 개발되었으며, 질소 함량이 높아 Type 316L에 비해 틈부식
과 공식에 대한 저항성이 우수하고, 강도도 높은 특성을 지니고 있다.
3. 코발트 합금
코발트 합금은 1930년대 Vitallium이라고 불리는 Co-Cr-Mo 합금이 치과용으로 사용된 것이 처음 생체
의료용으로 적용된 사례이다. 1940년대 초에는 Austin Moore가 처음으로 Co-Cr Hip stem을 개발하기
시작하였고,[16] 이어 1950년대에 코발트 합금 주조에 의한 여러 가지 생체 내 보철물을 개발하여 오늘날
까지도 그 기본적인 디자인은 그대로 사용되고 있다. 그 후 1956년 경 McKee에 의해 metal-on-metal
Co-Cr-Mo 고관절 부품이 처음으로 개발되었다.[17]
코발트 합금은 스테인리스강에 비해 내식성과 강도가 월등히 우수하여 그 이후에도 1960년대 중반에
heart valve cage, 1970년대에 forged hip stem, 1980년대에는 artificial knee joint component에 이어
1990년대에 들어서는 stent에 이르기 까지 광범위하게 사용되어 왔다. 외과 임플란트용 코발트 합금에 대
한 ASTM 규격은 표 3과 같이 여러 가지가 규정되어 있지만, 기본적인 조성과 제조공정을 기준으로 분류
하면 F75 (Cast Co-28Cr-6Mo), F90(Co-20Cr-15W-10Ni), F799(TMP Co-28Cr-6Mo),
F562(Wrought Co-35Ni-20Cr-10Mo)의 네 가지로 나뉜다.
표 3. 생체의료용으로 사용되고 있는 코발트 합금 관련 규격과 소재 형태
ASTM MATERIAL NAME PRODUCT FORMS ISO
F75-01 Co-28Cr-6Mo Co-Cr castings and casting only 5832-4
F90-01 Co-20Cr-15W-10Ni L 605 bar, wire, sheet, strip 5832-5
F562-02 Co-35Ni-20Cr-10Mo MP35N bar, wire 5832-6
F563-00 Co-20Ni-20Cr-3.5Mo-5W-5Fe Syntacoben forging bar, wire 5832-8
F688-00 Co-35Ni-20Cr-10Mo MP35N plate, sheet, foil
F799-02 Co-28Cr-6Mo Alloy 1 (low C) forgings
Alloy 2 (high C)
Alloy 3 (DS)
F961-03 Co-35Ni-20Cr-10Mo MP35N forgings
F1058-02 40Co-20Cr-16Fe-15Ni-7Mo Grade 1 (Elgiloy) wire, strip 5832-7
Grade 2 (Phynox)
F1091-02 Co-20Cr-15W-10Ni L 605 surgical fixation wire
F1377-98 Co-28Cr-6Mo Co-Cr powder
F1537-00 Co-28Cr-6Mo Alloy 1 (low C) bar, rod, wire
Alloy 2 9high C)
Alloy 3 9DS)
기계와 재료 / 2004·10 _ 15
특 집
3.1 단련용 코발트 합금
대표적인 것이 F90 합금으로서 면심입방정(fcc)구조로서 오스테나이트 조직을 가지고 있다. 합금을 650
℃ 이상의 온도에서 열간단조하면, 결정들은 가공방향으로 연신되나 오스테나이트 조직은 재결정되지 않
는다. 반면 650℃ 이하의 온도에서 냉간가공하면 hcp구조의 입실론상이 형성된다. F562(MP35N) 합금은
미세한 오스테나이트 결정립을 가지며, 가열시 650℃ 부근에서 조밀육방정(hcp)구조가 fcc구조로 변태를
한다. 변태온도 이상으로 가열 후 냉각 시에는 주조합금에서와 같이 fcc구조가 대부분 그대로 유지되면서
변태 산물로 폭이 좁은 hcp밴드가 형성된다. 이를 425~650℃에서 소둔하면 hcp밴드 영역에 Co3Mo가 석
출하게 된다.
코발트 합금은 단련용 합금 부품을 제조하기 위해서는 탄소함량이 주조용 합금에 비해 약 1/5 수준으로
낮아야 한다. 그러나 탄소함량이 낮아짐에 따라 강도가 저하되므로 이의 만회를 위해서 단련용 합금은 주
조용 합금에 비해 Cr 함량은 낮고 Ni 함량이 높다. 단조 공정은 코발트 합금에 최대의 강도와 파괴인성을
부여하지만, 부위에 따라서 결정립 크기가 불균일하게 될 수 있다. 예를 들어 Hip stem을 단조할 경우 말초
부(distal end)보다 근위부(proximal end)의 결정립이 더 조대하게 되고 강도가 더 낮게 되므로 주의해야
한다.
3.2 주조용 코발트 합금
주조용 코발트 합금으로는 F75 합금이 대표적이며 보통 1350~1450℃에서 주조하여 제품을 만든다. 미
세조직을 보면 수지상중심부는 Co-rich 조성을 갖고, 수지상간 영역은 Co-rich 감마상, Cr-rich M23C6,
M7C3 그리고 Cr/Mo-rich 시그마상으로 구성된다. 또한 이와 같은 수지상응고 편석의 특징으로 주조결함
인 미세기공이 많이 형성된다. 코발트 주조합금은 약 890℃로 가열되면 조밀육방정(hcp)에서 면심입방정
(fcc) 구조로 동소상변태를 겪게 되는데 이 때 변태된 fcc구조는 냉각을 해도 유지가 된다. 이를 다시 890
℃ 이하의 온도에서 소둔하면 hcp구조의 band조직이 나타나게 되며, 밴드 내에는 M23C6 탄화물이 많이 형
성되는 것을 관찰할 수 있다. 코발트 주조합금의 공정(eutectic) 변태온도는 1235℃로 합금이 이 온도 이
상으로 가열되면 수지상간이나 입계부위 등 공정상이 존재하는 국부적인 영역이 재용해된 후(incipient
melting), 냉각시 시그마, 감마, M23C6 탄화물 등 취약한 상들이 형성된다. 이 상들은 연성을 크게 감소시킴
은 물론 내식성도 저하시키므로 코발트 주조합금의 용체화온도는 대략 1225℃로 하고 있다.
코발트 합금은 기계가공이 매우 어렵기 때문에 단조 성형에서는 형단조(closed-die forging)가 권장된
다. 그러나 후가공을 최소화 할 수 있는 정형가공(net shaping) 방법은 주조기술이며, 생산 단가도 싼 장점
이 있다. 단, 주조품은 결정립이 단조품에 비해 조대하여, 강도가 낮고, 미세기공 등의 주조 결함이 발생되
기 쉽다. 이러한 문제는 주조방안 설계에 유의하거나 주조 후 열간정수압처리(hot isostatic pressing;
HIP)를 하여 해결될 수 있다. 한편 분말야금 방법도 몇몇 생체의료용 부품 제조에 시도된 적이 있으며, 매
우 미세하고 균일한 결정립과 그에 따른 뛰어난 기계적 성질이 보고 되고 있으나, 생산 단가가 높은 단점이
있다. 따라서 코발트 합금 임플란트를 제조하는데 선택되는 제조방법은 적용제품에 따라 생산 비용과 요구
물성의 상대적인 중요성을 감안하여 결정해야 한다.
16 _ 생체의료용 금속재료 기술
특 집
4. 타이타늄 합금
1940년 Bothe가 타이타늄 핀을 고양이의 대퇴골에 이식하여 긍정적인 결과를 보고한 후 1951년
Leventhal이 외과용 재료로서의 타이타늄의 사용 가능성을 보여 주었으며, 실질적으로는 1957년
Leventhal이 처음으로 사람의 대퇴골 보철물로 타이타늄을 적용하게 되었다. 한편, 구 소련의 Sivash는
1956년 타이타늄 합금 Hip stem 제조방법을 연구하기 시작하였고, 1959년에는 스웨덴의 Branemark이
타이타늄이 뼈와 붙어 유착된다는 이른바 골융합(osseointegration)설을 처음으로 발표하였으며, 그의 연
구를 바탕으로 1960년대 중반에는 단일 치아 임플란트의 이식에 대한 연구가 본격적으로 진행되어 오늘
날에 이르고 있다.[18]
1970년대에는 Ti-6Al-4V 합금을 이용한 plate, nail 등의 골절치료기구 개발이 활발해 졌고, 1980년대
에는 인공고관절 및 무릎관절 개발과 함께 다공성 코팅기술 개발이 본격화 되었으며, 1990년대에 들어서
는 척추 추간판 고정기구의 개발이 이루어졌다. 다른 생체의료용 금속재료와 마찬가지로 타이타늄 합금 역
시 공업적으로 개발된 합금을 생체의료용으로 그대로 적용해 왔으나, 1990년대 중반부터는 생체의료용으
로 적용할 목적으로 타이타늄 신합금 개발 연구가 증가하고 있다.[18]
타이타늄은 여러가지 물성에서 타금속 재료에 비해 생체의료용 재료로서 유리한 점을 지니고 있는데, 대
표적으로 내식성과 저탄성 계수를 들 수 있다. 타이타늄은 표면에 형성되는 산화피막이 치밀하기 때문에
표 4. 생체용 금속재료의 부동태 산화피막 재생시간 비교
체액중의 산소 분압 (단위 : mmHg) 부동태 피막 재생 시간 (0.9% 생리식염수내)
대기 160
동맥액 100
정맥액 40
세포액 2~40
재료 재생시간(min)
Ti-6Al-4V 8.2
Co-28Cr-6Mo 12.7
STS 316L 35.3
그림 3. 생체의료용 금속재료의 탄성계수 비교
50 100 150 200 250
STS 316L
Co-Cr-Mo
Ti-5Al-2.5Fe
Ti-6Al-7Nb
Ti-6Al-4V
CP Ti
Ti-15Mo-3Nb-3O
Ti-13Nb-13Zr
Ti-15Mo-5Zr-3Al
Ti-12Mo-4Zr-2Fe
Ti-35Nb-5Ta-7Zr-0.4O
Ti-35Nb-5Ta-7Zr
Bone
Elastic modulus (GPa)
기계와 재료 / 2004·10 _ 17
특 집
우수한 내식성을 지니며, 타이타늄의 산화피막은 일단 파손되더라도 아주 짧은 시간 내에 재생되는데, 사
람의 체내와 같이 산소분압이 낮은 환경에서도 표 4에 보이는 바와 같이 타 금속재료에 비해 부동태 산화
피막 재생이 빠르다는 것을 알 수 있다. 타 금속재료와 비교하여 볼 때 타이타늄의 또 하나의 큰 장점은 탄
성계수가 낮다는 것이다. 그림 3은 개발 중인 합금을 포함한 여러 금속재료의 탄성계수를 뼈와 비교한 것
으로 타이타늄 합금이 스테인리스강이나 코발트 합금의 탄성계수의 절반 정도이며, 최근 새롭게 개발되고
있는 타이타늄 합금들은 탄성계수가 더욱 낮아져 뼈의 탄성계수에 접근해가고 있음을 알 수 있다.[19]
생체의료용 재료로 타이타늄의 또 하나의 장점은 타 금속에 비해 생체섬유조직(fibroblast)의 형성이 거
의 없다는 것이다. 이물질이 생체 내에 이식되면 생체섬유조직이 이물질을 덮어씌워 생체를 유해물로부터
격리시키려는 작용이 일어나고, 이 생체섬유조직의 형성 두께가 생체친화도가 낮은 척도가 된다. 스테인리
스강이나 코발트 합금의 경우에는 섬유조직이 두껍게 형성되어 임플란트를 둘러싸는 encapsulation 현상
이 일어나 궁극적으로 임플란트가 빠질수도 있으나, 타이타늄의 경우는 섬유조직의 두께가 약 10분의 1
정도로 무척 얇아 생체친화성이 좋은 상태를 유지한다고 알려져 있다.[21] 또한 인체피부와의 접촉에서도
타이타늄은 전혀 염증이나 독성을 나타내지 않는 좋은 생체친화성을 가진다. 타이타늄 산화물이 화장품의
원료로 많이 사용되는 것을 보아도 생체 내외부에서 타이타늄의 생체친화성을 알 수 있다.
타이타늄 합금은 상온에서 안정한 구성상의 종류에 따라 알파, 준알파, 알파+베타, 베타 타이타늄으로 분
류된다. 이 중 생체의료용으로 가장 많이 사용되고 있는 합금은 순 타이타늄과 알파+베타 합금이고, 최근
베타 합금도 저탄성계수와 가공성의 장점으로 사용량이 증가하고 있다. 표 5는 현재 ASTM에서 규정되어
있는 생체의료용 타이타늄 합금들을 열거한 것이다.
4.1 순 타이타늄
순 타이타늄의 비중은 4.51 g/cm3으로 철강의 약 60% 정도로 가벼우며, 알루미늄 합금에 비해서는 1.6배
표 5. 생체의료용으로 사용되고 있는 타이타늄 합금 관련 규격과 소재 형태
ASTM MATERIAL NAME PRODUCT FORMS ISO
F67-00 Unalloyed Titanium CP grade 1 billet, forgings, bar, wire, sheet 5832-2 grade 1
CP grade 2 strip and plate 5832-2 grade 2
CP grade 3 5832-2 grade 3
CP grade 4 5832-2 grade 4
F136-02a Ti-6Al-4V ELI TAV ELI forging bar, bar, wire, sheet, strip, plate 5832-3
F1108-02 Cast Ti-6Al-4V Cast TAV castings
F1295-01 Ti-6Al-7Nb TAN bar, forging bar, wire 5832-11
F1341-99 Unalloyed Titanium CP grade 1 wireCP grade 2
CP grade 3
CP grade 4
F1472-02 Ti-6Al-4V TAV bar, forging bar, wire sgeet, strip, plate
F1580-01 Ti & Ti-6Al-4V CP Ti & TAV powder
F1713-96 Ti-13Nb-13Zr TNZ bar, wire, sheet, strip, plate
F1813-01 Ti-12Mo-6Zr-2Fe TMZF bar, wire
F2066-01 Ti-15Mo TM bar, wire, sheet, strip, plate
F2146-01 Ti-3Al-2.5V Ti3Al2.5V seamiess tubing>0.25”
18 _ 생체의료용 금속재료 기술
특 집
정도 무겁다. 그러나 타이타늄기 합금은 비중 대비 강도(비강도)가 경쟁 구조용 소재보다 월등히 높아서
초기에는 항공기용 소재로 많은 개발이 이루어져 왔다. 비열은 오스테나이트(austenite)계 스테인리스강
과 거의 같은데, 철강보다 비중이 작기 때문에 열용량이 작아서 가열되기 쉽고, 또한 냉각도 잘된다. 탄성
계수(약 110 GPa) 및 전단계수(약 44GPa)는 오스테나이트계 스테인리스강의 1/2 정도이다. 타이타늄은
타 금속재료의 추종을 불허할 정도로 내식성이 우수한데, 타이타늄은 특히 염소이온에 대한 내식성이 뛰
어나 생체의료용 분야에서 강점이 있는 소재이다.
4.2 알파+베타 합금
순수 타이타늄은 강도가 상대적으로 낮기 때문에 강도와 고주기피로 등의 기계적 성질이 요구되는 부위
에는 타이타늄 합금이 사용된다. 현재까지 생체재료로 가장 많이 사용되는 타이타늄 합금은 당초 항공기용
으로 개발된 Ti-6Al-4V ELI 합금이다. Ti-6Al-4V ELI 합금은 오랜 세월동안 사용되어져 왔기 때문에
기계적 물성을 포함한 다양한 생체의료용 물성이 이미 검증받은 상태이고, 가격 또한 아직은 새롭게 개발
되고 있는 베타 타이타늄 합금 보다 낮기 때문에 인공고관절의 stem, acetabular cup, 무릎관절의 tibial
component, bone plate, screw, spinal fixation, 치과 임플란트의 fixture 등 거의 모든 생체의료용 부품에
별 문제 없이 잘 사용되고 있다.
4.3 베타 합금
베타 타이타늄 합금은 알파+베타 합금에 비해 열처리가 쉽고 경화능이 크며 체심입방정(bcc) 구조에 의
한 연신율의 증가 등 많은 이점이 있을 뿐만 아니라 파괴인성에도 뛰어난 특성을 보여 용해, 제조 및 재현
성에 아직 문제가 있음에도 불구하고 그 사용 범위가 확대되어 가고 있다. 처음으로 상용화된 베타 합금은
50년대 중반에 개발된 Ti-13V-11Cr-3Al 으로, 소둔처리 후에도 베타상이 쉽게 유지되어 가공이 용이
하고 가공 후 다시 시효처리하여 고강도를 얻을 수 있는 장점이 있다.[21] 이후 개발된 여러 가지 베타 합금
들 중 Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10-2-3)는 특히 단조성이 뛰어나 near net shape forging용 재료로 매력
적이며 Ti-15V-3Cr-3Sn-4Mo-4Cr(Ti-17)는 고강도 단조용 재료로 매우 중요하다. 상당량의 Mo를
함유하고 있는 합금들은 내식성이 아주 우수하며 Al과 같이 첨가될 경우 고강도를 가지게 된다. 그러나 베
타 안정화 원소인 V이 첨가되면 내산화성이 저하되기 때문에 TIMET 사에서 새로이 개발한 Ti-21S
(Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si)는 V을 Mo으로 대체하여 Ti-15-3에 상응하는 강도, 가공성 및 내식성을
가지고 있다. 최근에는 베타 타이타늄 합금 개발의 일환으로 생체의료용으로서 탄성계수를 뼈와 비슷한 수
준까지 낮추려는 저탄성계수 타이타늄 합금 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.
5. 기타 금속재료
5.1 형상기억 합금
형상기억 합금이란 적절한 열적 과정을 통해 재료가 원래 지니고 있던 형상이나 크기로 되돌아가는 특성을
기계와 재료 / 2004·10 _ 19
특 집
가진 재료를 말한다. 대부분의 형상기억 합금들은 비교적 저온에서 재료에 소성변형을 가한 후, 어느 정도
고온으로 온도를 올리면 원래의 형상으로 되돌아간다. 형상기억 효과를 나타내는 합금들은 많이 있지만,
상업적으로 관심을 끌고 있는 합금은 NiTi, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni 등이고, 이 중 생체의료용으로 사용되
고 있는 것은 NiTi 합금 뿐이다.[22, 23]
NiTi 합금은 1960년대 후반에 Naval Ordnance Laboratory에서 개발하여 Nitinol이라는 명칭으로 더
익숙하다. 이 합금은 Ni 함량이 49∼51at% 조성 범위에서 상당한 고용도를 갖는 금속간화합물로서 이로
인해 Ni이나 Ti의 함량 변화에 따라 또는 제3의 합금원소 첨가에 따라 기계적 성질과 상변태 특성을 개선
할 수 있는 여지가 많다. NiTi 합금의 생체의료용 적용 분야는 수년 전 미국 FDA로부터 승인을 얻은 후 점
차 증가하고 있는 추세이고, 주요 적용 부품은 vascular stent, bone plate, staples, blood-clot filter,
orthodontic wire 등이다.
5.2 탄탈륨
탄탈륨은 나이오븀, 몰리브데늄, 텅스텐, 레늄 등과 함께 고융점 금속의 대표적인 소재로서 주로 타이타
늄 합금의 구성원소로 사용되고 있지만, 최근에는 3N 이상의 고순도 탄탈륨이 생체의료용 부품에 적용되
고 있다. 탄탈륨은 여러 가지 산, 염수용액, 유기질 등에 대한 내식성이 아주 우수하다. 탄탈륨의 내식성은
거의 유리와 비슷하며, 금속으로서의 성형성을 지닌 차세대 생체의료용 재료로 부각되고 있다. 현재 탄탈
륨은 일반외과와 신경외과 분야에서 성공적으로 적용되고 있는데, monofilament, braided suture wire,
foil, sheet, clip, staple 등의 부품에 사용되고 있다.

NT(나노기술) BT(생명공학) IT(정보기술) ET(환경기술) 융합형 첨단 유기겔 신소개 개발 클러스터구축 사업이 올해부터 9년간 영남대를 중심으로 추진된다.

전체 예산은 280억 원. 사업비 대부분이 R&D(연구개발)에 투입되는 점을 고려하면 순수 연구비 규모로 볼 때, RRC(지역협력연구센터)나 TIC(기술혁신센터)의 4, 5배에 달하는 대형 프로젝트이다.

 

영남대 및 포항공대, 경북대, 금오공대, 경일대, KAIST, 대구가톨릭대, 충남대, 전북대 등의 국내 정상급 책임 연구진 30여명과 코오롱, 새한, LG마이크론을 포함한 대기업, 벤처기업들이 대거 참여하는 이번 프로젝트는 성공할 경우, 지역산업은 물론 우리나라의 산업경쟁력에 획기적 전환점을 이룰 것으로 전망된다.

 

인류의 미래를 바꿀 유기겔 신소재에 대해 살펴본다.

 

◇유기겔이란?

지구상에는 '고체' '액체' '기체' 등 3종류의 물질이 존재하고 있고, '금속' '유기' '무기' 등 3가지 재료가 활용되고 있다. 일반적으로 액체의 경우 흐름이 있는데 이를 '졸(Sol)'이라고 부르며, 흐름이 없는 액체는 '겔(Gel=반고체라고도 불림)'으로 일컬어진다.

 

20세기는 섬유, 플라스틱 등 단단한 외형을 가진 고체와 액체 2가지 물질의 재료가 주로 사용됐지만, 21세기에 접어들면서 고체의 특징과 액체의 특징을 함께 가진 새로운 신소재의 필요성이 증가하면서 '유기겔'이 주목을 받게 됐다. 유기겔은 탄소를 주요 구성 성분으로 한 고분자 유기재료이면서, 인간의 몸과 같은 겔(Gel) 상태이다.

 

겔(Gel)은 투명성과 산소투과성, 적절한 부착력, 습윤성,우수한 기계적 물성, 형태 안정성, 유연성 등의 특징을 갖추고 있기 때문에, 고분자 유기겔을 산업적으로 응용할 경우 획기적인 신제품의 개발이 가능하다. 졸(Sol)에서 곧바로 고체로 만든 재료보다 겔(Gel) 상태를 거쳐 고체화 하면, 기존 고체에 비해 흡수력이 100배 이상 강해지는데, 이를 활용한 제품이 바로 기저귀와 생리대, 상처거즈 등이다.

또 폴리에스테르와 같이 액체에서 섬유를 뽑아내는 일반방사 보다 액체(=Sol)에서 겔(Gel) 상태로 바꾼뒤 섬유를 생산하는 겔(Gel)방사 공법을 사용하게 되면, 강철보다 수십배 강한 최첨단 섬유가 탄생하게 된다.

 

이처럼 고분자 유기겔은 초고강력 섬유와 타이어코드용 섬유, 낚시줄에서 콘택트렌즈, 의약품, 식품, 다이어트 음료, 컴퓨터 프린터용 토너, 2차전지, 의료용 신소재, 폐수처리용 담체 등 활용도가 거의 무한하기 때문에 선진 각국들은 유기겔 관련 기술의 개발과 보호에 전력을 기울이고 있다.

 

◇이미 도전은 시작됐다

현재 유기겔 소재의 세계 시장 규모는 일반적 용도만 수십조 원을 형성하고 있다는 것이 전문가들의 설명이지만, 국내 유기겔 산업은 원천기술이 빈약한데다 상업적으로도 활성화 되어 있지 못한 실정이다. 더욱이 유기겔 관련 기술정보를 보유하고 있는 미국, 일본 등 선진국에서 자국 기술보호에 전력을 기울이고 있어 기술이전 또한 어려운 것이 현실이다.

 

우리나라의 도전은 섬유분야에서 먼저 시작됐다.

산업자원부는 2002년 '초고성능 PVA(폴리비닐알코올) 재료 및 응용기술개발(일명 PVA 프로젝트:5년간 사업비 200억원)' 사업의 총괄센터로 영남대를 지정, 코오롱, 제일모직, 에이스디지텍, 파인텍스 등 섬유기업과 함께 선진국의 기술장벽 돌파에 나섰다.

 

대표적 고분자 유기겔 재료인 PVA는 초고강도, 내(耐)산소투과성, 내(耐)알칼리성 등 극한재료의 특성과 수용성, 생체적합성이라는 환경친화적인 특성을 동시에 지니고 있다. 특히 PVA는 분자량과 입체구조, 비누화도 등의 변수조절로 수용성에서 내수성에 이르기까지 다양한 특성이 발현될 수 있는데다, 인체내에서의 분해성 및 생분해 특성도 조절이 가능해 산업활용도가 엄청나게 높은 소재로 꼽힌다.

 

하지만 이 처럼 높은 산업활용도를 달성하기 위해 필수적인 'PVA 특성조절기술'은 일본의 일부 기업이 세계적으로 독점하고 있어, 우리나라는 고성능 PVA의 수입조차 불가능하고, 가공을 거친 고가의 PVA 제품만 국내에 유입되는 실정이다.

 

또 국내에서 제조, 판매되는 저가의 PVA 제품은 중국과 동남아 업체의 진출로 날로 사정이 악화되고 있다. PVA 프로젝트의 성공으로 인해 초고성능 PVA 원료 및 섬유, 필름의 원천 제조기술을 확보하게 될 경우, TFT-LCD의 핵심부품인 편광필름과 초고성능 타이어코드, 석면 및 철근콘크리트 대체 섬유, 해양수산용 섬유, 고성능 복합재료 등에 활용돼 2010년쯤 연간 30억 달러의 수입대체효과와 50만명 이상의 고용증대효과를 기대하고 있다.

 

◇세계 최고가 목표다

PVA프로젝트가 현재 선진국만이 가지고 있는 최첨단 섬유분야의 원천기술을 자체 확보하는데 집중되어 있다면, 첨단 유기겔 신소재 연구개발 클러스터 사업은 IT, BT, NT, ET 등 다양한 분야가 망라되어 있다. 단순히 선진국을 따라 잡는 수준이 아니라, 우리나라가 세계기술을 선도할 수 있는 독자기술개발까지 해내겠다는 의욕과 야망이 유기겔 R&D클러스터 사업에 내포되어 있다.

 

유기겔 항암 색전제와 인공 척추 및 관절 신소재 개발은 미국 MIT 및 존스홉킨스대학과 경쟁을 벌이고 있는 세계 선두분야다. 암세포에 영양을 공급하는 혈관을 막아 암을 제거하는 색전술의 경우, 현재 딱딱한(hard) 소재를 사용함에 따라 혈관에 빈틈이 생기고 이로 인해 수술이 실패할 확률이 높은 반면, 말랑말랑한 유기겔 소재로 대체하게 되면, 단 한 번의 수술로 완변하게 암세포 혈관을 막아 고사시킬 수 있게 된다.

 

인공 척추와 관절 등은 졸(Sol)ㆍ겔(Gel) 전환기술이 사용된다. 상온(25도)에서 액체 상태인 치료제를 주사기로 주사해 몸안(36도)에서 반고체 상태로 굳어지게 하는 기술이 완성되면, 연골파열 등의 질환치료에 획기적인 전기가 마련된다.

그러나 낮은 온도에서 겔(Gel) 상태가 되고, 온도가 높아지면 졸(Sol) 상태로 변하는 것이 자연의 법칙인 점을 생각할 때, 졸(Sol)ㆍ겔(Gel) 전환기술은 자연의 법칙을 깨는 R&D다.

 

류원석 총괄단장(영남대 교수)은 "9년의 사업기간 중 3년마다 2, 3개의 구체적 산업화 아이템을 완성시킬 계획"이라며 "인체에 무해한 헤어ㆍ바디용품, 다이어트 음료와 고성능ㆍ고기능성 섬유, 인공 척추 및 관절, 항암색전제와 인공피부(겔

 

@ 유기겔 클러스터구축 책임자, 영남대 류원석 교수

 

유기겔 연구개발 클러스터 구축사업과 PVA 프로젝트 등 11년간 모두 480억원 규모의 연구개발 사업단 총괄 책임을 맡은 류원석(柳垣碩.39) 영남대 섬유패션학부 교수. 서울대에서 학부와 석.박사 과정을 거친 류 교수는 아직 젊은 나이에도 불구하고, 폴리비닐알코올(PVA) 분야에서 세계적 권위를 인정받고 있다.

 

류 교수는 케이스 웨스턴 리저브 대학에서 박사후 과정(Post-doc)을 거쳐 KIST(한국과학기술연구원) 선임연구원을 지냈으며, 최근 5년간 68편의 SCI 논문과 22편의 국내논문을 발표했고, 국내 및 해외 학술대회 발표만도 각각 109편 및 52편에 이른다.

 

국내 5건과 해외 3건의 특허를 출원했고, 이중 국내 5건과 해외 1건은 이미 특허권을 획득했다. 또 제1, 2회 한국섬유공학회 '우수연구상' 및 제12회 과학기술우수논문상 등을 수상했다.

 

류원석 교수는 "폴리비닐알코올 관련 원천기술은 원래 북한이 가지고 있었는데, 북한의 경제난 등으로 인해 일본으로 기술이 새나갔고, 이 결과로 고성능 고기능성 고부가가치 섬유 시장이 일본에 의해 장악되고 있는 것이 현실"이라며 안타까워 했다.

이 때문에 "IT, BT, NT, ET 등에 다양하게 활용될 수 있는 우수한 물성(=물리적 성질)을 지닌 최첨단 신소재를 개발, 잃어버린 우리의 기술적 권리를 되찾겠다"는 것이 류 교수의 포부이자 사명감이다