생체용 펨토초레이저 처리한 Ti-35Nb-xHf 합금의 나노튜브 표면 형상

Abstract

티타늄 및 티타늄 합금은 비중이 낮고 다른 금속에 비해 낮은 탄성계수를 갖으며 생체적합성이 우수하여 골절된 뼈를 접합하는 본플레이트, 인공관절, 인공장기 및 치과용 임플란트 등과 같은 생체재료로 널리 쓰이고 있다. 본 논문에서는, 펨토초레이저(10-15 sec)와 양극산화법을 이용하여 마이크로 기공 형성된 생체용 Ti-35Nb-xHf 합금의 나노튜브 구조에 대하여 연구하였다. Ti-35Nb-xHf 삼원계 합금은 Ti-35Nb 이원계 합금을 기본으로 하여 Hf 함량을 3, 7 및 15 wt% 가 되도록 아크용해법을 이용하여 합금을 설계하였다. 제조된 합금은 1000 ℃에서 12시간동안 열처리한 후 급냉하여 3 mm의 디스크형태로 시편을 준비하였다. 티타늄 사파이어 매질의 펨토초 레이저를 이용하여 표면에 마이크로 기공을 형성하였으며, 1 M H3PO4 + 0.8 wt.% 용액에 소량의 NaF를 첨가한 전해질 용액에서 양극산화 처리하여 표면에 나노튜브를 형성하였다. 모든 시험편의 표면은 FE-SEM, EDX, OM, XRD, XPS 및 TEM 등으로 분석하였다. 표면의 전기화학적 부식 거동은 동전위 분극시험으로 분석하였고, 마이크로 기공과 나노튜브가 형성된 Ti-35Nb-xHf 합금 표면의 접촉각을 측정하여 표면 젖음성 (wettability)을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. Ti-35Nb-xHf 합금은 등축정 구조로 Hf 함량이 증가할수록 입자의 크기가 줄었다. X 선 회절 분석 결과 합금에서 Hf 함량이 증가할수록 더 높은 β 상 피크를 나타내었고 α” + β상에서 β상으로 변하였다. 2. 펨토초 레이저 기공 형성 후 나노튜브 형성한 경우는 anatase 와 rutile 의 TiO2 상을 나타내었다. 또한, XPS 분석결과, 극초단 레이저 기공 형성 후 나노튜브 형성된 Ti-35Nb-xHf 합금의 표면에서 Ti oxide, Nb oxide 및 Hf oxide 가 관찰되었다. 3. 펨토초 레이저 기공 형성한 Ti-35Nb-xHf 합금에서 규칙적인 패턴의 마이크로 기공 (지름 25 ㎛, 패턴 폭 50 ㎛)을 볼 수 있었으며, Hf 함량 증가에 따라 마이크로 기공의 크기가 증가하며 뚜렷해졌다. 양극산화 처리로 형성된 나노튜브의 지름은 약 90 nm ~ 220 nm 의 범위와 길이는 약 4 ㎛ ~ 5 ㎛ 를 보였으며, Hf 함량이 증가할수록 나노튜브의 길이는 증가하였고, 규칙적인 형태의 튜브 구조를 보였다. 4. 펨토초 레이저 표면처리 한 Ti-35Nb-xHf 합금에서의 나노튜브 형성은 펨토초 레이저 기공 내부에서는 나노튜브 처리하지 않은 기지와 유사한 성장을 보였지만, 기공 가장자리에서는 그 형상에 따라 나노튜브의 성장이 다르게 나타났다. 5. 양극 분극 곡선으로부터, 펨토초 레이저 처리 후 나노튜브 형성한 Ti-35Nb-xHf 합금은 처리하지 않은 합금 보다 낮은 부식전류와 높은 부식전류밀도를 보였다. 그러나 펨토초 레이저 처리 후 나노튜브 형성한 경우 더욱 안정되고 넓은 부동태 구간을 보였다. 6. 접촉각 측정으로부터, 극초단 레이저 기공 형성 후 나노튜브 처리된 Ti-35Nb-xHf 합금을 열처리하였을 시 가장 우수한 젖음성을 나타내었다.

결론적으로, 펨토초 레이저를 이용하여 기공을 형성한 후 나노튜브 처리된 Ti-35Nb-xHf 합금은 마이크로 구조와 나노 구조를 동시에 형성하여 넓은 비표면적, 높은 내식성 및 우수한 생체적합성을 가짐으로써 생체재료로 응용할 수 있음을 알 수 있었다.