1. 서 론
비정질 합금(Bulk Metallic Glass, BMG)은 원자 배열이 무질서한 비정질 구조를 가지며, 전통적인 결정 구조와는 다른 고유의 물리적 특성을 갖고 있는 소재이다. 비정질 합금은 뛰어난 기계적 특성, 높은 강도, 우수한 인장 강도 및 낮은 탄성 계수로 인해 다양한 산업 분야에서 응용 가능성이 높다[1-5]. 또한, 비정질 합금은 기존의 결정 구조에서 발견되는 결함이나 경계가 없기 때문에 더욱 균일하고 일관된 성질을 제공하는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 비정질 합금은 고강도 및 내구성이 요구되는 의료기기와 같은 응용 분야에서 큰 잠재력을 지니고 있다[6]. 특히, 다성분 합금은 다양한 원소들이 상호 작용함으로써 고유의 기계적 특성을 개선시켜 비정질 합금의 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 가능성을 가지고 있다[7]. 의료용 수술용 칼인 스칼펠 (Scalpel)은 수술 시 필수적으로 사용되는 도구로, 인체의 피부 및 연부조직을 절개하는 데 사용된다. 일반적으로 스칼펠은 강한 경도와 내식성을 제공하는 결정성 스테인리스강으로 제작되지만, 이러한 재료들은 연속적인 사용으로 인해 표면이 거칠어지거나 손상되는 문제가 발생할 수 있다[8,9]. 스칼펠의 날카로움은 수술 후 회복 속도에 중요한 영향을 미치기 때문에 보다 향상된 절삭 성능을 갖춘 스칼펠의 개발이 필요하다[9].
비정질 합금은 이러한 의료용 스칼펠의 특성과 매우 높은 적합성을 보여준다. 비정질 구조는 결정성 재료에서 흔히 발견되는 미세 구조적 결함을 제거하여 더욱 균일한 기계적 성질을 제공한다. 이러한 특성은 절삭 성능을 크게 향상시키며, 특히 수술 시 필요한 정밀성과 날카로움을 극대화하는 데 기여할 수 있다. 또한, 비정질 합금은 낮은 표면 거칠기를 유지하면서도 뛰어난 내식성을 나타내어, 수술 도구로서의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있다[10,11]. 최근 Zr 기반의 비정질 합금으로 제작된 스칼펠의 생체적합성과 칩핑 발생 여부를 상용 SUS 스칼펠과 비교한 연구가 보고되었으며, 이는 비정질 합금이 의료용 스칼펠의 재료로서 우수한 성능을 발휘할 가능성을 나타낸다[12]. 이러한 이유로 비정질 합금은 의료용 스칼펠의 재료로 활용될 수 있는 가능성이 크며, 이는 수술의 품질과 환자의 회복 속도를 동시에 향상시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 비정질 합금을 의료용 스칼펠로 활용하기 위한 가능성을 조사하였다. 흡입 주조 방식으로 BMG를 제작하고, 이를 통해 스칼펠의 기계적 특성과 사용적합성을 평가하였다. 실험 과정에서 최적의 제조 조건을 규명하고, 제작된 비정질 합금 스칼펠의 절삭 성능과 표면 조도를 상용 스테인리스강 스칼펠과 비교하였다. 이러한 연구는 비정질 합금의 의료 분야에서의 잠재적 응용을 제시하며, 고성능 의료용 도구 개발에 기여할 것으로 기대된다.
2. 실험 방법
2.1. 비정질 합금 및 스칼펠 (Scalpel)의 제작
Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 조성의 잉곳 제작을 위해 고순도 벌크 원소재 (>99.9%)로 진공 아크 용융을 통해 제조하였다. 잉곳의 균질화를 위해 5번 이상 반복 용융이 수행되었으며, 잉곳의 산화를 방지하기 위해 Ar 가스를 챔버에 10번 이상 주입하였다. 판형의 벌크 비정질 합금은 수냉식 구리 몰드에 1.0 × 10-2~ 10-5 torr의 진공에서 Suction casting을 통해 제조되었다. Scalpel 제조를 위해 폭 6 mm, 두께 1 mm, 길이 70 mm의 구리 몰드를 사용하여 비정질 합금을 판형으로 제작하였으며, 일정한 형상으로 제작하기 위해 앞서 제작된 잉곳을 각각 4.8 g (+-0.005 g)로 잘라내어 구리 몰드에 아크로 용융시켰다. Fig 1 (a)의 흡입 주조 모식도와 같이 Vacuum valve를 이용하여 용융된 액체가 수냉식 구리 몰드방향으로 높은 압력으로 주입하여 벌크 비정질 합금을 제작하였다. ISO 규격에 맞는 Scalpel 제작을 위해 최소 45 mm 길이까지 제조하는 것과 평면 가공 후 발견되는 기공을 제어하기 위해 최적의 suction casting 조건을 도출하는 과정을 거쳤으며, Suction casting 시 변수 조건은 아크 빔의 전류 세기, melting 시간, suction 시간, 냉각수 온도로 설정하였다. 제조 후에 각각의 변수 조건에 따른 벌크 형상을 확인하였으며, scalpel 제조를 위해 샘플의 두께를 0.8 mm까지 연마기를 이용해 평면가공하여 벌크의 형상과 내, 외부 기공 형성을 확인하였다. 최적의 형상이 제조되는 조건으로 만들어진 샘플로 비정질 구조를 확인하기 위해 CuKα 방사선을 사용한 X-선 회절(XRD, Bruker D8 Advance)과 주사 전자 현미경(SEM, Hitachi SU5000)을 사용하여 합금의 균질화 정도를 확인하였다. Ti-base 벌크 비정질 합금 scalpel과 SUS scalpel의 비커스 경도 시험은 100 gf의 하중으로 수행되었으며, 경도 테스트 결과의 신뢰성 확보를 위해 5번의 테스트 후, 평균값으로 사용하였다.
2.2 돈피 절단 시험
Ti-base 비정질 scalpel과 스테인리스 스틸 메스의 절단성과 내구성을 판단하기 위해 돈피 절단 테스트를 진행하였다. 비정질 scalpel과 상용 스테인리스 scalpel은 동일하게 50 mm, 100회 돈피 절단 테스트를 수행하였다. 돈피 절단 테스트 전, 후의 scalpel의 chipping 유무를 판단하기 위해 광학 현미경으로 돈피의 형태와 scalpel의 형태를 확인하였다. 돈피 절단 후 성능 확인을 위해 광학 촬영을 진행하였다. 돈피 절단 시험과 광학 촬영 과정은 Fig. 2에 나타내었다.
3. 결론 및 고찰
표 1은 여러 문헌에서 보고된 다양한 Ti-base 벌크 비정질 합금의 glass forming ability(GFA), 제조 방식, Tg, Tx, ΔT를 정리한 표이다. Scalpel 제작을 위해 생체적합성을 고려한 원소 조합을 선정하였으며, Ni와 Be처럼 독성을 지닌 소재는 배제하였다. 또한, 상용화를 염두에 두고 Pd와 같은 고가의 원소가 포함된 조성 역시 제외하였다. 최종적으로, GFA가 scalpel 제작에 필요한 크기를 충족하는 조성을 선택하였다. 선정된 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 조성의 비정질 합금은 귀금속 함량이 낮고 Ni, Be이 없는 Ti 기반 벌크 비정질 합금 중 가장 큰 GFA 7mm인 벌크 막대로 제조될 수 있는 것으로 보고되었다. 또한, Ti-base BMG는 전기화학적 측정 결과 Ti-6V-4Al 합금보다 내식성이 우수하며, 세포의 부착, 확산 및 증식은 우수한 생체 적합성을 입증한다고 알려져 있다[16]. 따라서 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 조성의 BMG는 생물의학적 응용 분야에서 사용이 가능할 것으로 보이며 높은 GFA, 우수한 기계적 성질, 내식성 및 생체 적합성 측면에서 스칼펠 제작에 적합할 것으로 사료된다.
그림 3은 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 조성으로 제작된 ribbon 샘플의 XRD 분석결과와 외관사진을 나타낸다. XRD 분석을 통해서 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 리본시편이 비정질 특성을 나타내는 피크의 브로드닝 형상의 XRD 피크가 관찰되었다. 이는 리본 시편이 국부적인 조성 변화 없이 양호한 비정질 상태로 제작되었음을 확인할 수 있다.
그림 4는 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 비정질 합금의 XRD 분석 결과와 SEM 이미지를 나타낸다. 여기서 비정질의 특성으로 나타나는 피크의 브로드닝을 확인하였으며, 조성의 균일성을 확인할 수 있었다. 시험편의 제조 결과, 시편은 비정질 구조를 유지하는 것으로 확인되었으나, Scalpel 제작에 필요한 길이에는 미치지 못해 샘플 형상제어를 위한 공정제어가 필요하다고 사료되었으며, 시편은 몰드 상부에서 용융된 잉곳이 충분히 Suction되지 않아 몰드 하부까지 도달하기 전에 응고된 것으로 사료되었다. 따라서, 비정질 구조를 유지하면서도 Scalpel 샘플을 제작할 수 있는 크기의 벌크 비정질 합금을 제작하기 위해 Suction이 충분히 이루어질 수 있는 조건을 도출하는 실험을 진행하였다.
그림 5는 제조된 전류의 크기와 시험편의 외관을 나타낸 것이다. Scalpel 샘플을 제작할 수 있는 목표 길이 45mm를 달성하기 위해, 다른 조건을 동일하게 유지한 상태에서 아크 전류 세기를 조절하며 벌크 형상을 확인하였다. 아크 전류 세기는 137 A, 189 A, 236 A 및 301 A로 조정되었으며, 그 결과 아크 전류 236 A에서 가장 안정적인 형상이 형성되었다. 이후 실험은 236 A 조건을 기준으로 진행하였다. 아크 전류를 높게 설정해야 하지만, 과도하게 높은 아크 전류는 형상 제어에 부정적인 영향을 끼치는 것으로 확인되었다.
아크 전류 조건을 236A로 고정하여 벌크 비정질 합금을 제작 후에 scalpel의 평면 가공 과정에서 다수의 기공이 발견되었다. 평면가공 후 기공이 발견되는 것은 가공 공정에서의 문제가 아니라 소재 제조 과정에서 용융 금속이 Suction 과정 중 구리 몰드 벽면 또는 내부 가스에 의해 포집되면서 냉각이 진행된 것으로 판단되어, 평면가공 후 기공을 제어하기 위해 다양한 변수들을 조정하고 확인하여 최적 조건을 찾기 위한 실험을 수행하였다.
시험편의 결함을 해결하기 위하여 용융시간 (Melting time), 흡입시간 (Suction time), 냉각수 온도 (Cooling water temperature), 흡입 압력 (Suction pressure) 등의 추정 변수들을 개별적으로 조정하며 해결 방법을 모색하였다. 먼저 평면 가공 후 기공을 제어하기 위해 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 조성의 소재로 Melting time과 suction time이라는 두 가지 주요 변수를 실험하였다. Suction time은 1.0초와 2.0초로 설정하고, Melting time 은 12초에서 20초까지 변화를 주어 진행하였으며 시편의 형상 변화는 그림 6에 나타내었다. 실험 결과, Suction time이 2초인 경우에는 기공이 발견되지 않았으며, suction time이 1초인 경우에도 melting time이 길어질수록 기공 발생이 줄어드는 경향을 보였다. 따라서, 적절한 두께의 벌크 형태 제품을 제작하기 위해서는 용탕의 유동도을 높이기 위해 melting 시간을 가능한 한 길게 유지하고, 흡입시간을 급격하지 않도록 해야 한다는 것을 확인하였다. 최종적으로 suction time은 2초, melting time은 20초로 설정하여 기공이 없는 벌크 비정질 합금을 제조할 수 있는 최적조건을 확립하였다.
그림 7은 냉각수의 온도에 대한 비정질 시험편의 외관 사진을 나타낸다. 앞서 진행된 Suction time과 melting time 최적화를 바탕으로, 냉각수 온도 조정 및 Suction pressure 조정 실험을 수행하였다. 실험은 이전과 동일한 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 조성을 사용하였으며, 기타 조건들도 동일하게 유지하였다. 실험 결과, 냉각수 온도가 낮을수록 기공 제어가 효과적으로 이루어졌으며, Suction pressure 차이가 -0.100 MPa에 가까울수록 기공 형성 억제가 잘 이루어지는 것을 확인하였다. 따라서, 압력의 차이와 냉각수 온도 측면에서 suction 압력 차이는 가능한 한 높게, 냉각수의 온도는 가능한 한 낮게 해야 하는 것을 확인하였다.
종합적으로, 아크 전류 236 A로 설정하고, 20초 이상의 Melting time을 유지하며, 냉각수 온도를 낮추고 Suction pressure를 -0.1 Mpa 이하로 유지하면, 우수한 형상의 벌크 비정질 합금을 성공적으로 Casting 할 수 있는 최적 조건임을 확인하였다.
그림 8은 a, b, c 순서대로 도출된 최적의 공정조건으로 제작된 벌크 비정질 합금, 가공이 완료된 scalpel, 전용 홀더와 결합된 scalpel 형상을 나타내었다. 가공 과정은 평면 가공 황삭, 체결부 가공, 형상가공, 평면가공 정삭, 날가공으로 이루어졌다. 황삭 가공 시 연삭기를 이용해 기준면, 뒷면, 앞면 순서로 가공을 진행하였다. 1회 절입량은 0.02 mm 이하로 설정하였고, 2,000 mesh의 다이아몬드 입자가 포함된 레진 휠을 사용하여 연삭 가공을 수행하였다. 황삭 가공 후 최종 두께는 0.7 mm (± 0.02)로 맞추었다. 체결부 가공시에 Scalpel 손잡이와의 체결을 위해 체결 부위를 가공하였다. 고온에서 비정질의 결정 질화를 방지하기 위해 연삭유를 사용하는 습식 가공을 진행하였으며, 다이아몬드 휠을 이용하여 연삭기를 사용해 연삭 가공을 수행하였다.
그림 9 (a)와 (b)는 제작한 Ti-base 벌크 비정질 합금과 상용 SUS scalpel의 폴리싱 전후 경도를 비교한 결과를 보여준다. Ti-base 벌크 비정질 합금은 상용 SUS 스칼펠과 유사한 경도를 나타내었으며, 이는 Ti 벌크 비정질 합금 Scalpel이 상용 SUS 스칼펠과 내구성에서 큰 차이가 없을 것임을 나타낸다.
그림 10 (a)는 비정질 합금을 실험실 규모에서 칼날의 날을 제작한 사진이며, (b)는 제작된 비정질 합금의 칼날 인선부를 확대한 SE 이미지이다. 그리고 (b)는 상용 SUS 스칼펠의 사진이며, (d)는 상용 SUS 스칼펠의 칼날 인선부를 확대한 SE 이미지이다. 제작된 비정질 합금의 칼날 인선부 표면 조도가 더 매끄럽고, SUS 스칼펠은 불규칙한 표면 형상을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 특히, 비정질 합금으로 제작된 스칼펠의 날은 SUS에 비해 가공 조도와 형상이 우수하며, 치핑(chipping)이 발생하지 않는 점에서 더 우수한 결과를 보였다.
그림 11는 돈피 절단 테스트 전후의 SUS Scalpel과 비정질 Scalpel의 인선부 광학 이미지와 돈피 절단부 광학 이미지를 보여준다. SUS Scalpel은 초기 인선부에서 날이 잘 서 있었으나, 100회 절단 후 인선부에 치핑(chipping)이 발생한 것이 확인되었다. 반면, 비정질 Scalpel은 절단 전후 모두 인선부가 잘 유지되었으며, 치핑이 발생하지 않았다. 돈피 절단면의 경우도 SUS Scalpel은 불균일한 표면을 보였으나, 비정질 Scalpel은 절단 부위가 일정하고 안정적인 모습을 보였다. 이를 통해, SUS와 비정질 Scalpel의 절단 성능을 비교한 결과, 비정질 Scalpel이 더 우수한 절단면 품질과 절단성을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
비정질 합금의 Scalpel 상용화를 위해서는 흡입과정에서 직접적인 용탕의 온도 측정, 기계적 특성과 생체 적합성에 대한 추가 실험이 필요하며, 다양한 조성의 비정질 합금에 대한 연구가 필요하다. 그러나, 본 연구에서는 비정질 합금 Scalpel의 인선부가 잘 유지됨을 통해 Ti 기반 비정질 합금의 우수한 절단 성능을 입증하였다. 또한, 높은 형성능에도 불구하고 Scalpel 제작을 위해서는 공정 조건의 적절한 제어가 필요하다는 점을 확인하였다. 따라서 아무리 비정질 형성능이 높더라도 Scalpel 제작에 있어 공정 조건의 최적화는 필수적이며, 이러한 요소들은 향후 의료용 도구 개발에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2 비정질 합금(BMG)을 의료용 Scalpel로 활용 가능성을 조사하기 위해 흡입주조 방식으로 BMG를 제작하였다. Ti-base 비정질 합금의 우수한 기계적 특성 및 생체적합성으로 인해 의료용 칼날 제작에 적합하다는 점을 확인하였다. Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2의 BMG 제작을 위해 아크 전류 236A, melting time 20초, Suction time 2초, 냉각수 온도 10°C 및 suction pressure - 0.1 MPa의 최적의 제조 조건을 확립하였다. 결론적으로, 기공 발생을 억제하고 우수한 형상의 비정질 합금(BMG)을 성공적으로 제작하기 위해서는 아크 볼륨전류를 가능한 한 높게 설정해야 하며, 용융 금속의 유동성을 높이기 위해 Melting 시간을 충분히 길게 유지하고, Suction 시간을 급격히 짧게 설정하지 않아야 한다. 또한, 압력 차이와 냉각수 온도 측면에서, 압력 차이는 가능한 한 크게, 냉각수 온도는 가능한 한 낮게 설정해야 한다는 결과를 얻었다.
최적화된 비정질 합금을 사용하여 제작된 scalpel은 치핑(chipping)이 없는 우수한 표면조도와 형상을 보였으며, 반면 상용 SUS는 표면이 불규칙하고 더 높은 표면 거칠기를 나타냈다. 제작된 Ti-base BMG는 XRD 분석을 통해 완전한 비정질 구조를 가지는 것으로 확인하였으며, 비커스 경도 측정 결과 Ti-base BMG는 781 Hv, 및 SUS는 762 Hv(폴리싱 전 표면상태 기준)로 측정되어 유사한 경도를 가지는 것으로 확인되었다. 이는 내구성 면에서 상용 SUS scalpel보다 우수하거나 비슷한 수준을 가질 것으로 사료된다. 돈피 절단 시험을 Ti-base BMG와 SUS scalpel에 동일하게 수행한 결과, Ti-base BMG는 칼날 인선부가 유지되었으나, SUS scalpel은 인선부의 날에 치핑이 발생하였다. 또한 돈피 절단부 형태에서 Ti-BMG는 절단부위가 일정하고 안정적이었으나, SUS scalpel은 불균일한 표면을 보였다. 이 연구 결과에서는 Ti-base BMG이 상용 SUS scalpel보다 더 뛰어난 성능과 내구성을 제공할 수 있음을 시사하며, 의료용 공구로의 적용 가능성을 높여준다는 것을 제시하였다.
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