나노튜브로 형성된 Ti-25Nb-xZr 합금의 전기화학적 증착법에 의한 하이드록시아파타이트 코팅

Abstract

본 논문에서는 양극산화법을 이용하여 나노튜브를 형성하고, 그 표면에 전기화학적 증착법을 이용하여 하이드록시아파타이트를 코팅한 Ti-25Nb-xZr 삼원계 합금의 표면특성을 연구하였다. 이 삼원계 합금은 Ti-25Nb 이원계 합금을 기본으로 하여 Zr 함량을 3, 7 및 15 wt.%로 칭량해 합금을 설계하였다. 설계된 합금은 아크용해로에서 균일하게 용해를 한 뒤 1000 ℃에서 24시간동안 열처리한 후 급냉하여 3 mm 두께의 디스크형태로 시편을 제조하였다. 1.0 M H3PO4 용액에 0.8 wt.% NaF를 첨가한 전해질 용액으로 양극산화법을 통해 표면에 나노튜브를 형성하였고, 나노튜브를 형성한 후 전기화학적 증착법을 이용하여 하이드록시아파타이트를 코팅하였다. 모든 시험편의 표면은 OM, XRD, FE-SEM, EDS 및 TEM 등으로 분석하였으며 표면의 전기화학적 부식 거동은 동전위 분극시험을 통해 분석하였고, 나노튜브와 하이드록시아파타이트가 코팅된 Ti-25Nb-xZr 합금의 표면을 접촉각 측정으로 젖음성을 평가하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. Ti-25Nb-xZr 합금은 등축정에 근접한 구조로 Zr 함량이 증가할수록 침상조직에서 등축정과 약간의 침상조직이 혼합된 형태가 관찰되었다. X선 회절분석 결과를 통해 합금의 Zr 함량이 증가할수록 α”+ β상에서 점점 β상으로 변하였다.

2. 양극산화법을 이용해 나노튜브를 형성한 후 anatase 와 rutile 의 TiO2 상의 X선 회절분석 결과가 나타났으며, 나노튜브의 크기가 다른 2개의 구조를 보였다. 큰 튜브는 직경이 대략 180 ~ 220 nm, 작은 튜브의 직경은 대략 80 ~ 110 nm 였고, Zr 함량이 증가할수록 튜브의 길이 또한 증가하였으며, 규칙적인 형태의 튜브 구조를 보였다.

3. 동전위 분극시험을 시행한 뒤 분극곡선을 통해 Ti-25Nb-xZr 합금은 Zr 함량이 증가함에 따라 우수한 내식성을 나타내었고, 이는 Zr이 높은 전위에서도 Ti와 같이 화학적으로 안정하여 쉽게 용출되지 않고, ZrO2 산화피막을 형성하여 내식성을 향상시키는 것으로 생각된다.

4. 접촉각 측정의 결과로부터, 양극산화법을 이용해 나노튜브를 형성한 후 전기화학적 증착법을 이용해 하이드록시아파타이트를 코팅한 Ti-25Nb-xZr 합금이 가장 우수한 젖음성을 나타내었다.

5. 전기화학적 증착법을 이용한 하이드록시아파타이트 코팅에서 전해질의 농도차이에 의해 칼슘포스페이트의 형상이 다른것으로 관찰된다. 낮은 전해질 농도인 2.5 mM 에서는 나노튜브에 의해 형성된 튜브표면에 부분적으로 칼슘포스페이트가 형성되는 것을 관찰할 수 있었으며, 5.0 mM 에서는 나노튜브 포어를 관찰할 수 없었다.

결론적으로, 전기화학적 증착법을 이용하여 하이드록시아파타이트를 코팅한 결과, 전해질의 농도에 따라 칼슘포스페이트의 크기를 제어할수 있으며, 나노튜브 기공내부까지도 형성되어 생체적합성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.