저탄성계수 티타늄합금의

기계적특성

2013. 9

본 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금과

복권기금을 지원받아 작성되었습니다.

머 리 말

타타늄 및 티타늄합금은 금속재료로서 실생활에 사용한 역

사는 오래되지 않았음에도 불구하고 여러 구조용 금속소재

에 비하여 극저온에서 중온까지 비강도와 내식성이 탁월하

여 다양한 산업분야의 기초소재로 활용도가 높은 신금속소

재중의 하나입니다.

이러한 특성을 가진 티타늄합금을 생체재료로 사용하기

위하여 탄성계수가 더욱 낮은 티타늄합금개발이 요구되고

있습니다. 따라서 이론적으로 저 탄성계수 티타늄합금조성을

예측하고 설계할 수 있는 방법을 개발하고 실제 합금을 제

조하여 기계적 특성을 측정하여 이론적인 예측 값과 비교

평가하는 연구를 수행하였습니다.

이 보고서는 「ReSEAT 프로그램 사업」의 일환으로 저희

한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램에 참여하신 최

창옥 전문연구위원이 작성한 것으로, 필자의 노고에 감사드

립니다. 아울러 본고의 내용은 필자의 사견일 뿐 저희 연구

원의 공식견해가 아님을 밝혀둡니다.

2013년 9월

한국과학기술정보연구원

원 장 박 영 서

목 차

제1장 서 론 ············································································1

1. 연구의 필요성 ·································································· 1

2. 연구의 목적 ····································································· 3

3. 연구의 범위 및 내용 ······················································· 3

4. 참여연구원 ······································································· 6

제2장 국내외 기술동향 ·····························································7

1. 국내동향 ··········································································· 7

2. 해외동향 ········································································· 11

제3장 연구프로세스 ································································15

1. 1차 세미나 ····································································· 15

2. 1차 실험 데이터 분석 ··················································· 17

3. 2차 세미나 ··································································· 20

4. 2차 실험 데이터 분석 ··················································· 21

5 3차 실험 데이터 분석 ···················································· 24

제4장 결론 ·············································································28

참고문헌 ······································································· 30

표 목차

<표 1-1> 참여연구원 ········································································· 6

<표 3-1> Composition of the α'/α"(hexagonal/orthorhombic)

martensite boundary in some binary titanium systems with

transition metals ··············································································· 24

그림 목차

<그림. 3-1> Elastic moduli of Ti-xZr and Ti-xHf alloys with

the content of alloying element ······················································· 18

<그림. 3-2> Elastic moduli of Ti-xNb and Ti-xTa alloys with

the content of alloying elements and heat treatment condition. Ho

et aresults (▽) in Ti-xMo alloys are superimposed. ················· 18

<그림 3-3> OM images of the as quenched Ti-xZr alloys 22

<그림. 3-4> OM images of as quenched Ti-xHf alloys ··········· 22

<그림. 3-5> OM images of as quenched Ti-xNb alloys ·········· 22

<그림 3-6> OM images of as quenched Ti-xTa alloys ··········· 22

<그림 3-7> X-ray diffraction patterns for the TI-xM alloys in

the water quenched condition ·························································· 25

<그림 3-8> A TEM bright field image and selected area

diffraction pattern for the α phase in Ti-wt%20Nb. ···················· 26

1

제1장

서 론

1. 연구의 필요성

○ 타타늄 및 티타늄합금은 금속재료로서 실생활에 사용한

역사는 오래되지 않았음에도 불구하고 여러 구조용 금속

소재에 비하여 극저온에서 중온까지 비강도와 내식성이

탁월하여 다양한 산업분야의 기초소재로 활용도가 높은

신금속소재중의 하나이다.

○ 티타늄 및 티타늄합금은 기계적 특성이 우수하여 산업용,

원자력발전기, 스포즈용품 및 생체재료용으로 널리 사용되

고 있다. 생체재료용으로서 장점으로는 타 금속재료에 비

해 우수한 내식성과 비교적 낮은 탄성계수를 들 수 있다.

생물학적 관점에서 티타늄은 타 금속에 비해 재료 주변에

생체 섬유조직형성이 거의 없는 장점을 가지고 있다.

○ 생체재료용으로 사용하기 위해선 이물질이 생체 내에 이

식되었을 때 생체섬유조직이 둘러싸여 이물질을 생체조

2

직과 격려 할러는 작용이 일어나지 않아야 한다. 아울러

인체 피부와 접촉 했을 때 전혀 염증이나 독성이 나타나

지 않아야 된다. 특히 인공관절시술시 금속제 임플란트와

뼈간의 탄성계수의 큰 차이로 유발되는 응력차폐현상이

문제된다. 이는 임플란트의 수명이 단축되는 결과를 초래

하게 된다.

○ 이러한 여러 가지 복합적인 문제를 해결하기 위한 일환

으로 탄성계수가 더욱 낮은 티타늄합금개발이 요구되고

있다. 따라서 이론적으로 저 탄성계수 티타늄합금조성을

예측하고 설계할 수 있는 방법을 개발하고 실제 합금을

제조하여 기계적 특성을 측정하여 이론적인 예측 값과

비교 평가하는 것이 매우 중요하다.

○ 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위

원 최창옥은 ReSEAT 프로그람에서 티타늄합금에 관한

기술정보분석을 수행한바 있어 그동안 수행한 결과에 의

하여 저 탄성계수 티타늄합금의 기계적 특성에 관하여

동아대학교 이준희 교수 연구팀에 부족한 각종 실험정보

제공과 실험결과 해석 및 논문 작성에 적극적인 도움을

주고자 한다.

2. 연구의 목적

3

○ 본 연구의 목적은 저 탄성 계수 티타늄합금조성을 예측

하고 설계할 수 있는 이론적 조성설계기법을 확립하고

이에 따른 실제합금을 제조하여 기계적 특성을 비교 고

찰하므로 저 탄성 티타늄합금 생체재료를 개발하기 위한

연구를 수행하였다.

3. 연구의 범위 및 내용

○ 본 과제인 「저 탄성계수 티타늄합금의 기계적 특성」

에 관한 연구를 대학에서 원활히 수행할 수 있도록 대학

을 방문하여 그동안 ReSEAT 프로그람에서 수행한 바

있는 결과를 조사 수집하여 제공하고 새로운 정보를 수

집하여 저탄소 티타늄합금생체재료의 개발을 위한 기술

지원을 연구범위 및 내용으로 하였다.

○ 첫 번째 연구로서 이론적 합금설계 방법은 분자궤도 함

수법(DV-Xa법)으로 이는 기본적으로 분자궤도의 전자상

태를 계산하는 방법으로 Kyoto대학의 Adachi교수에 의

해 완성되었다. 전자상태를 계산하는 방법은 크게 파동

변수를 Hamiltonian equation으로 풀어내는 ab-initio법과

4

전자밀도의 함수로 풀어내는 DFT(Density functional

theory)로 대별된다. DV-Xa법은 Stater에 의해 처음 제

안된 방법으로 DFT의 일종이며 LDA(Local density

functionsal approximation)를 이용한다.

○ 두 번째 연구로서 공유결합을 나타내는 결합지수(Bo ;

bond order)와 d-전자의 에너지 준위를 나타내는 Md값

은 Muliken population analysis 법에 의해 계산하였다.

Morinaga 등은 d-전자의 overlap population과 에너지

준위를 변수로 하여 합금개발에 응용하였다. 본 연구에

서는 Morinaga 등에 의해 제안된 합금 설계법을 이용하

였다. Morinaga등에 의해 제안된 합금설계법의 특징은

반 실험적인 방법 (Semi-empirical method)으로 각 합금

원소의 함량에 따른 물성변화를 하나의 Bo-Md 지도상

에서 관찰할 수 있다는 것이 장점이다.

○ 세 번째 연구로서 설계 대상합금는 Ti-xM (x=10, 20, 30

,40 wt%, M=Zr, Hf, Nb, Ta) 2원계로서 전기아크용해로

를 이용하여 알곤 분위기에서 50g 버튼 잉고트를 제조

하였다. 균일한 합금조성을 얻기 위하여 최소 5회 이상

뒤집어 가며 용해 하였으며 잉고트는 1000℃에서 균질화

열처리를 한 후 주조조직을 깨기 위하여 1000℃에서

70%까지 업셋 단조를 수행 하였다.

5

○ 네번째 연구로서 탄성계수는 초음파반향증첩법 (Pulse

echo overlap method: PEO)을 이용하여 동적 탄성계수

를 측정하였으며 시편의 형상은 직경 30 mm, 두께 5mm

의 디스크 타입이 였다. 시편을 통과한 종파와 횡파의

속도를 오실로스코프를 이용하여 측정 하였으며 탄성계

수를 계산 하였다.

○ 다섯 번째 연구로서 미세조직은 광학현미경과 투과전자

현미경을 이용하여 관찰 분석하였으며 광학현미경 조직

은 1㎛까지 기계연마 후 Kroll 시약(1-3mlHF, 2～6 ml

HNO₃, 100ml H₂O)으로 부식하여 관찰하였고 투과전

자현미경조직은 100㎛ 두께 기계연마한 박판을 직경

3mm의 펀치로 디스크를 만들고 Fishione twin jet

polisher를 사용하여 20% perchoric acid in methanol, 40

V, -30℃의 조건엣5j 전해연마하여 foll을 제조하여 관찰

하였다.

○ 여섯 번째 연구로서 X-ray 회절시험을 이용하여 각 합금

의 구성상들을 분석하고 이론적인 전자상태 계산에 필요

한 구조 인자들을 결정 하였다. 실험은 Rigaku 사의

D/MAX 2200 X-선 회절도형기를 사용하였고 30～80 2θ

degree 범위에서 0.01～0.02 2θ degree step size의 속도

6

로 스캔하여 회절 패턴을 얻었다.

4. 참여연구원

<표 1-1> 참여연구원

구분 성명 직위 전공 업무～

ReSEAT

프로그램

최창옥 전문연구위원 금속공학과제 책임자,

기술동향분석, 데이터분석

대학

이준희 교수 금속공학 대학 연구책임자

송광석 조교 금속공학 연구실험

권현준 대학원생 금속공학 연구실험

7

제2장

국내외 기술동향

1. 국내동향

○ 현재까지 국내에서 사용되는 티타늄 및 티타늄합금은 전

량 수입에 의존하고 있는 실정으로 국내에서 기초소재

형태로 수입되고 있는 순수티타늄 및 티타늄합금의 형태

는 wrought, pipe 또는 tube, sheet 또는 plate 및 기타

형태로 매년 증가하고 있다.

○ 국내 티타늄 소재에 대한 수요 및 부품제조 증가로 티타

늄소재 수입량도 증가하며 수입 선도 다변화 되면서 티

타늄합금은 주로 미국에서, 순수티타늄은 주로 일본, 그

리고 티타늄 스폰지 등과 같은 원소재는 우크라이나 혹

은 러시아 연방등지에서 수입하고 있다.

○ 국내산업이 발전됨에 따라 최소한 일본과 같은 티타늄산

업의 발전이 기대되고 있어서 그 사용량 역시 일본의

8

1/3수준까지 꾸준히 증대될 것으로 기대 된다. 티타늄재

료는 일반적으로 단조재, 판재, 분말, 스크랩 등의 형태로

구분되어지며 이들 형태에 따른 사용 실태는 다음과 같다.

○ 국내에서 사용되는 티타늄소재의 60%이상이 단조재 형

태로 수입되고 있고 그 수입물량 또한 지속적으로 늘고

있다. 티타늄 잉고트를 단조하여 반제품 형태로 수입되는

티타늄소재는 대부분 기계가공을 거쳐 항공기 엔진용 링

이나 터빈날개 등과 같은 부품으로 조립되어진다.

○ 티타늄 판재는 대부분 발전소의 압축기, duct, 취수기 및

열교환기에 사용하기 위하여 관 형태로 재가공 되고 있

다. 소재는 주로 일본의 Kobe steel 사에서 0.5mmx 600

mm의 압연 코일 형태로 수입하여 pipe rolling과 용접,그

리고 비파괴검사공정을 거쳐 관재형태 (seaming pipe)로

가공하여 국내에서 건설중인 발전소용 열교환기부품으로

사용되고 있다.

○ 분말의 형태로 수입되는 티타늄재료는 주로 스폰지 티타

늄을 파쇄 하는 과정에서 생긴 100mm 미만의 스폰지 입

자 이거나 atomization 방법으로 제조된 합금분말이 대부

분 이다. 이들 분말은 주로 실험 목적으로 사용하거나 분

말야금 공정을 거쳐 자동차부품이나 기타 산업용부품제

9

조에 사용되고 있다.

○ 의료용 티타늄소재는 인공장기나 각종 보철기술의 새로

운 생체재료들이 개발됨에 따라 많은 발전이 있어 왔다.

이와 같은 생체재료들은 인체에 독성이나 알러지 반응을

나타내지 않고 또한 화학적으로 안정해야 한다. 아울러

생체재료와 생체와의 상호 작용을 의미하는 생체조직적

합성이 좋아야 한다. 이러한 관점에서 티타늄소재는 최근

생체용 재료로 각광을 받고 있다.

○ 티타늄은 경량이면서 내 부식성이 뛰어나고 금속재료 중

비교적 낮은 탄성계수를 가지고 있기 때문에 인체내에

고정하는 고정기기용 재료로 사용되고 있다.

○ 일상생활에 사용되는 티타늄의 수요가 증대됨에 따라 티

타늄의 수입도 증가되고 있다. 대표적인 용도는 안경테용

티타늄선재의 수입을 들 수 있다. 티타늄 안경테용 선재

는 일본에서 수입되고 있다.

○ 다양한 형태의 티타늄 소재 외에도 대학 및 연구소의 실

험실에서 물성과 가공성 실험에 사용하기 위하여 다양한

종류의 합금들을 수입하여 사용하고 있으나 그 양는 한

정적이다. 현재 국내에서 티타늄관련 연구를 수행하고 잇

10

는 대학과 연구소는 대략 10여 군데 이르고 있다. 여기서

는 주로 준α상의 고온용 티타늄합금, 티타늄기지 복합재

료, TiAl계 금속간화합물 및 상호 가공용 β합금에 관한

연구가 진행 중이다.

○ 한국기계연구원에서는 스폰지 티타늄을 이용하여 봉상의

전극을 제조한 후 이를 진공아크재용해(VAR) 장비를 이

용하여 산업적 생산에 이용할 수 있는 크기의 잉고트를

제조하고 있다. 아울러 티타늄 진공용해와 더불어 유도

스킬 용해 (Induction Skull Melting)장비를 이용하여 티

타늄정밀주조부품을 제조하기 위해 주형제작 및 응고 해

석 등의 연구를 수행하고 있다

○ 한국자원연구원에서는 전자빔(EB)에 의한 티타늄 용해시

설을 운용하고 있으며 기업체에서는 (주)KPC에서 대형

진공아크재용해로 (VAR)와 주조 및 가공 설비를 사용하

고 있으며 생산기술연구원에서도 자체제작한 VAR과 주

조설비로 화학공장용 밸브 등과 같은 티타늄 주조품 생

산을 위한 연구개발을 수행하고 있다.

○ 국내 일부대학 및 의과대학에서 티타늄 생체재료에 관한

연구도 활발히 진행 중에 있는데 보건복지부사업으로 한

국기게연구원과 고려대학교의과대학, 경북대학교 의과대

11

학이 공동으로 추체간 고정기기 및 인공고관절용 티타늄

합금 부품개발에 연구를 수행한바 있다.

2. 해외동향

○ 티타늄이 군수 및 항공우주용에서 민수용으로서 적용이

확대되면서 티타늄 전신재의 사용도 점차적으로 확대되

고 있다. 티타늄 잉고트 생산에 필요한 세계의 티타늄 스

폰지 생산현황은 전세계적으로 연간 약 13만톤의 스폰지

티타늄이 생산되고 있다.

○ 전 세계 스폰지 티타늄 생산량중에서 우크라이나, 카자흐

스탄을 포함한 구 소련이 전세게 생산량의 50%이상을

차지하고 있고 미국에서는 TIMET사와 Oremet

Titanium사에서 약26,000톤을 생산하고 있다. 아시아에서

는 일본의 Sumitomo SiTiX, Toho Titanium 등의 회사

에서 약 34,000톤을 생산하고 있어 전세계 생산량의 25%

를 차지하고 있고 중국에서도 연간 약 3,000톤의 스폰지

티타늄을 생산하고 있다.

가. 미국

12

○ 티타늄 생산측면에서는 미국이차지하는 비중은 낮으나

시장규모는 세계에서 가장 크다. 스폰지 생산은

Titanium Metal Corporation (Timet) , Allegheny

Technologies Inc(ATI) 그리고 Alta Group사가 대부분을

생산하고 있다.

○ 1950년에 문을 연 Timet사는 티타늄판재의 생산체제를

갖추고 있는 선두업체로서 생산제품은 주로 Jet engine,

Airframe, Military, Industry application으로 사용되고 있

다. 8톤 규모의 Batch형 환원반응으로 설비를 보유하고

있으며 연간 12,000톤 이상의 스폰지 생산능력 및

20,000톤 이상의 용해장비를 갖추고 특히 상업 항공분야

및 자동차부품 분야에 판매량을 증가시키고 있다.

○ ATI사는 2001년 티타늄 수요시장 악화로 스폰지 생산을

중단하였고 카자호스탄, 일본 그리고 러시아에서 스폰지

를 수입하여 판재로 가공 하였다. 이후 2006녅 3400톤규

모의 생산공장을 재가동하였고 2008년 연생산9000톤으로

성장 하였으며 지속적인 연구개발 및 설비투자를 통하여

약 20,000톤의 스폰지 생산계획을 추진 하였다.

○ Alta Group의 Salt Lake에 위치한 공장은 2006년 340톤

규모의 세계 유일한 Hunter 공법 생산설비를 갖추고 연

13

생산 700톤 규모로 설비를 증설 하였다.

나. 중국

○ 1958년 연생산 60톤 규모의 티타늄 스폰지 실험공장을

건설한 Fushun Aluminium Corp사를 비롯한 7개의 티타

늄 스폰지 생산기업으로 시작하여 1960년에는 심양유색

금속가공창회사내 티타늄생산부문을 건설하여 티타늄정

련과 가공재 생산을 시작하였고 1964년에는 수천 톤에

달하는 티타늄 재료를 생산 할 수 있게 되었다.

○ 1965년에는 티타늄 전문생산기업인 Zunyi Titanium 회사

의 판재 전문가공기업인 Baoji 비철금속가공회사를 건설

하였다. 이를 통해 티타늄 생산체제를 구축하였으며 급속

한 발전에 힘입어 2001년 2,500톤이었던 스폰지 생산이

2006년 약 19,000톤으로 급성장 하였다.

○ 중국의 티타늄 산업은 21세기에 들어 세계적규모로 도약

하고 있는 중국의 산업발전과 괘를 같이하여 내수는 물

론 수출에 소요되는 양적인 성장을 하고 있다.

다. 일본

14

○ 전세계 티타늄스폰지의 약 30%를 생산하는 최대 생산국

이며 생산된 티타늄 판재는 세계30여개국으로 수출되고

있다. OSAKA Titanium Technologies(OTC)와 Toho

Titanium사가 대부분을 생산하고 있다.

○ 2007년 Sumitomo Titanium Corporation에서 OSAAKA

Titanium Technologies로 사명을 바꾼 OTC사는 2006년

연간 24,000톤 스폰지 생산설비 및 최대 6700톤 잉곳트를

제조 할 수있는 진공아크재가열로 설비를 갖추고 있다.

○ Osaka Titanium Technologies는 비행기에 대해 증가하

는 수요를 충족하기 위하여 생산 확대를 가속하는 노력

으로 Hyogo의 Amagasaki 공장 증설 및 Osaka의 신규

Kishwada 공장건설을 통해 2009년 34,000톤 스폰지 생산

을 목표로 하였다.

○ Toho사는 15,000톤 생산량에서 2015년까지 50,000톤으로

증가시킬계획이다. 잉곳트 또한 공장증설을 통하여

19,000만톤 규모로 생산량을 증가 하였다.

15

제3장

연구프로세스

1. 제1차 세미나

○ 일시 및 장소: 2013년 6월 10일(월요일), 동아대학교 신소재

공학과 회의실

○ 발표자: 이준희

○ 참석자: 최창옥 ,, 이준희 , 송광석, 권현준,

○ 주제 및 토의사항

- 티타늄과 티타늄합금이 주종을 이루고 있는 치과용

임풀란트는 전 세계적으로 치과분야에서 결손된 부위

를 수복하기 위한 인공치아로서 널리 사용되고 있다.

- 저탄성계수 Ti합금의 이론적 설계 기법과 생체적합성

16

을 고려하여 분자궤도 계산을 통한 합금 물성기법을

이용하여 저탄성계수를 예측할 수 있는 지도를 작성

한다. 이를 이용하여 새로운 Ti합금을 설계하고 합금

을 제조하여 실제 탄성계수를 측정하여 이론적인 값

과 비교 분석 평가 하고져 한다. 아ㄹ울러 기계적 특

성 및 여러 가지 특성을 비교 검토 하고져 한다.

- 최근에는 티타늄금속의 표면열화로 인해 임풀란트 식

립후 신생골 형성을 지연시킬 수 있으므로 특히 치과

분야에서 문제시 되고 있다. 이러한 시효와 열화현상

은 식립된 임플란트의 표면에 신생골 조직이 유착되

는 시간을 지연시켜 골유착을 방해함으로서 최종 상

부보철물의 장착시기를 지연시킬 뿐만 아니라 임플란

트의 성공률을 저하시키는 요인이 되기도 한다.

- 시효와 열화현상은 티타늄 금속이나 티타늄합금을 주

된 소재로 사용하는 정형외과용 고관절, 슬관절, 본풀

레이트 그리고 스텐에도 야기될 수있다. 그러나 지금

까지는 이러한 시효와 열화현상에 대한 원인 및 메커

니즘이 명확히 규명되지 않은 상태이다.

- 고경력 과학기술인 최창옥은 치과용 임플란트의 역사

에 대하여 자료를 통하여 소개 하였다.

17

2. 1차 실험데이터분석

○ 일시및장소: 2013년 7월 5일(금요일), 동아대학교 재료공정

실험실

○ 발표자: 송광석

○ 참석자: 최창옥, 이준희, 송광석, 권현준,

○ 실험결과 및 검토사항

- 설계한 Ti-xM 2원계설계합금들에 대한 탄성계수를

나타내는 <Fig 3-1>과 <Fig 3-2>는합금원소함량과

열처리여부에 따라 티타늄합금 탄성계수가 어떻게 변

화하는 가를 보여주고 있다.

- 노냉된 경우 Ti-xHf 합금계는 합금원소의 함량에 따

른 탄성계수의 변화가 크지 않았고 Ti-xZr의 경우

10Wt%Zr 일때 낮은 탄성계수를 보이다가 함량이 증

가함에 따라 직선적으로 탄성계수가 증가 하였다.

- Ti-xNb 및 Ti-xTa 합금계는 노냉 tlbus의 경우 원소

18

0 10 20 30 40

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

WQ Ti-xZr WQ Ti-xHf

Pure Ti : 105 (GPa)

Nor

mal

ized

Ela

stic

Mod

ulus

The Contents of Alloying Elements (wt%)

FC Ti-xZr FC Ti-xHf

< Fig. 3-1.> Elastic moduli of Ti-xZr and Ti-xHf alloys with the content of alloying element

0 10 20 30 40

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 10 20 30 40

WQ Ti-xNb WQ Ti-xTa

Pure Ti : 105 (GPa)

Nor

mal

ized

Ela

stic

Mod

ulus

FC Ti-xNb FC Ti-xTa

4321

The Contents of Alloying Elements (wt%)

- <Fig.3- 2.> Elastic moduli of Ti-xNb and Ti-xTa alloys with the content of alloying elements and heat treatment condition. Ho et aresults (▽) in Ti-xMo alloys are superimposed.

19

함량이 증가함에 따라 탄성게수도 점진적으로 감소하

는 경향을 보였다. Ti-20wt%Nb은 순티타늄의 약

83% 수준의 탄성계수를 보였으며 Ti-40wt%Ta는 순

티타늄의 약 73%정도로 가장 낮은 탄성계수를 보였

다.

- 수냉된 경우는 노냉의 경우와 다른 양상을 보였다.

Ti-xH계와 Ti-xZr계는 수냉과 노냉시편의 탄성계수

차이가 거의 없다. 이에 반해 Ti-xNb 합금은 원소함

량에 따라 10wt% 까지는 탄성계수가 감소하다가 20

wt%가 되면 증가하다가 30 wt%가 되면 다시 감소하

는 특이한 경향을 보였고 Ti-xTa 계합금은 30wt%

까지는 지속적으로 탄성계수가 감소하다가 40wt% 일

때 증가하는 경햐을 보였다.

- 고경력 과학기술인 최창옥은 치과용 티타늄 임플란트

표면활성화 기술개발에 대하여 설명을 하엿다. 임플란

트의 표면은 생체환경과 접촉하는 유일한 부위로 생

물학적인 상호 반응에 중요한 역할을 한다. 또한 세

포의부착.증식. 분화는 골과 임플란트 결합력을 위하

여 중요한 과정이며 이 과정이 임플란트의 시술의 성

공을 좌우하는 임플란트의 표면 특성은 매우 중요하

다.

20

3. 2차 세미나

○ 일시 및 장소: 2013년 7월 30일(화요일), 동아대학교 신소재

공학과 회의실

○ 발표자: 이준희

○ 참석자: 최창옥 ,, 이준희 , 송광석, 권현준,

○ 주제 및 토의사항

- 티타늄금속의 표면시효로 인해 생체적합성의 저하 및

골유착의 결손을 야기 됨으로서 식립된 임플란트의

주변조직을 괴사시켜 임플란트의 실페를 초래한다. 이

오같이 티타늄금속과 티타늄합금은 의.치학 분야에서

매우 중요하다.

- 따라서 저탄성계수 티타늄 금속합금의 예측과 제조

및 열화현상에 대한 메카니즘을 결정하는 것과 개선

책을 개방하는 것은 매우 중요하다. 이러한 예방법과

개선책은 치과용과 성형외과용 임플란트에 사용되고

있는 생체재료의 임상적인 성공률을 훨씬 높일 수 있

21

을 것으로 판단된다.

- 고경력 과학기술인 최창옥은 생체활성물질이 임플란

트 내부에탑재가능한 디자인 개발에 최근 연구 및 개

발동향에 대하여 보고 토의 하였다.

4. 2차 실험데이터분석

○ 일시및장소: 2013년 8월 5일(월요일), 동아대학교 재료공정

실험실

○ 발표자: 송광석

○ 참석자: 최창옥, 이준희, 송광석, 권현준,

○ 실험결과 및 검토사항

- <Fig.3-3>～<Fig.3-6>은 균질화 처리후 수냉한 2원

계 Ti-xM 합금에서 합금원소들의 함량에 따른 미세

조직으로서 Ti-40wt%Nb 합금을 제외하고는 기본적

으로 전 조성에서 마르텐사이트 조직을 보여주고 있

다. 이들 마르텐사이트는 티타늄합금에서 나타나는 α‘

22

마르텐사이트로서 hexagonal symmetry를 갖고 있다.

<그림.3-3> OM images of the as quenched Ti-xZr alloys

(a) 10% (b) 20%, (c)30% (d)40%

<그림.3-4> OM images of the as quenched Ti-xHf alloys

(a) 10% (b) 20%, (c)30% (d)40%

<그림.3-5> OM images of the asquenched Ti-xNb alloys

(a) 10% (b) 20%, (c)30% (d)40%

<그림.3-6> OM images of the asquenched Ti-xTa alloys

(a) 10% (b) 20%, (c)30% (d)40%

23

- 일반적으로 티타늄 합금에서는 합금원소의 양이 증가

하거나 마르텐사이트 변태온도가 감소함에 따라

hexagonal structure가 변형되어 orthorhombic

structure로 결정구조가 바뀌는 것으로 알려져 있고

이 변형된 마르텐사이트를 α“ 마르텐사이트라고 한

다. 이렇게 α”과 α“이 형성되는 경계조성을 결정할 수

가 있는데 이를 <표 3-1>에 정리 하였다.

- 이 α‘/α“ 경계조성을 보면 앞서 관찰한 탄성게수의 1

차 최저점 조성과 부합된다는 것을 알 수 있다. 따라

서 1차적으로 탄성게수가 감소하는 데 기여하는 미세

조직 인자는 α” 마르텐사이트임을 알 수 있었고 2차

최저점은 β상의 분율이 증가하면서 탄성계수가 낮아

진다는 것을 알 수 있다.

- 고경력 과학기술인 최창옥은 α단일합금의 기계적 성질

은 조성과 가공열처리 등에 의해 제어된 미소조직에

의해 좌우된다. Nb 함량의 증가는 크리프 저항성을

감소시키는 효과가 있는 반면 고 Nbgkadb 합금은 O

phase를 형성시켜 고온특성을 향상시킨다는 양면성을

지니고 있음을 소개 하였다.

24

<표3-1> Composition of the α'/α

"(hexagonal/orthorhombic) martensite boundary in some

binary titanium systems with transition metals

Boundary

compositionV Nb Ta Mo W

wt% 9.4 10.5 26.5 4 8

5. 3차 실험데이터분석

○ 일시 및 장소: 2013년 8월 30일(금요일), 동아대학교 재료공

정실험실

○ 발표자: 이준희

○ 참석자: 최창옥, 이준희, 송광석, 권현준,

○ 실험결과 및 검토사항

- <Fig.3-7>는 수냉된 Ti-xM 합금의 X-선 회절도형

으로서 Ti-xZr 합금에서는 대부분 α‘상에 해당하는

피크들만 관찰 하였다. Ti-xNb과 Ti-xTa합금에서는

다른 양상을 보이는데 원소함량이 20wt% 이내로 적

25

<그림3-7> X-raydiffraction patterns for the TI-xM alloys

26

in the water quenched condition

< 그림 3-8> A TEM bright field image and selected area

diffraction pattern for the α phase in Ti-wt%20Nb.

은 합금에서는 마찬가지로 α‘상이 대부분이나

2040wt% 법위에서는 α“마르텐사이트상이 지배적이고

Ti-40wt%Nb합금에서는 유일하게 β상 피크가 나타났

다. 이는 수냉합금들의 미세조직 관찰과도 일치하는

27

결과라 하겠다.

- 한편 20wt%Nb 조성에서 탄성계수가 증가하는 원인

을 찾아보고자 투과전자현미경조직을 관찰한 결과

<Fig.3-8>에 보이는 바와 같이 ω상이 나타남을 알

수 있었다.

- 이 ω상은 X-선 회절도형에서는 검출이 되지 되지 않

고 전자현미경으로만 관찰 되수 있는데 일반적으로

티타늄합금의 탄성계수를 증가시키는 것으로 알려져

있다. 따라서 ω상의 형성를 억제하는 것이 저탄성계

수 티타늄합금을 얻는데 매우 중요한 변수라 하겠다.

- 현재까지 상업적으로 또는 실헙적으로 개발된 TiAl

계 합금은 Ti(23~25)Al-(10-30)Nb 조성을 근간으로

하는 (α₂+β/B₂) 2상합금 이다. 최근 관심이의 대상

이 되고 있는 합금조성은 구체적으로 Ti-24Al-11Nb,

25Al-10Nb-3V-1Mo 등이 있다., 일반적으로 Nb합금

이 증가하면 크리프 특성을 제외한 대부분의 특성이

향상된다. 합금원소의영향에 대하여 소개 하였다.

28

제4장

결론

○ 저 탄성계수 티타늄합금을 개발하기 위한 방법으로 종래

의 경험적인 합금원소 첨가 및 평가방법을 지양하고 전

자상태 계산을 통한 이론적인 합금설계 방법을 이용하였

으며 성계합금의 동적 탄성게수를 측정 평가하여 주요

합금원소들이 탄성게수에 미치는 영향을 규명하고 또한

미세조직 인자가 탄성계수에 미치는 영향에 대해서도 구

체적으로 규명하고자 하였다.

○ 설계한 Ti-xM 2원계 설계 합금들에 대한 탄성계수를 나

타내는 결과에 의하며 합금원소 함량과 열처리 여부에

따라 티타늄합금의 탄성계수가 어떻게 변화하는지를 나

타 내었다

○ 노냉된 경우 Ti-xHf 합금계는 합금원소의 함량에 따른

탄성계수의 변화가 크지 않고 Ti-xZr의 경우 10wt% Zr

일때 낮은 탄성계수를 보이다가 함량이 증가함에 따라

29

직선적으로 탄성게수가 증가 하였다.

○ Ti-xNb 및 Ti-xTa합금계는 노냉 시편의 경우 원소 함

량이 등가함에 따라 탄성계수도 점진적으로 감소하는 경

향을 보였다. Ti-20wt%Nb은 순티타늄의 약 83% 수준

의 탄성계수를 보였으며 Ti-40wt%Ta는 순티타늄의 약

73%정도로 가장 낮은 탄성게수를 보였다.

○ 일반적으로 티타늄 합금에서는 합금원소의 양이 증가하

거나 마르텐사이트 변태온도가 감소함에 따라 hexagonal

structure가 변형되어 orthohombic structure로 결정구조

가 바뀌는 것으로 알려져 있고 이 변형된 마르텐사이트

를 α“” 마르텐사이트라고 한다. 이렇게 α과α”“이 형성되

는 경계조성을 결정 할 수가 있다.

○ 저탄성게수 티타늄합금을 이론적으로 개발할수있는 방법

을 마련하기 위go 분자궤도함수법을 이용하여 천이금속

이의 원자간 공유결합성의 척도인 결함차수(Bo)와 d 전

자의 에너지 준위(Md)를 게산 하였다. 천이금속의 Bo

와 Md를 계산한 결과로서 bcc 격자에 원자번호가 높은

합금원소가 치환해감에 따라 결합차수가 감소 하는 것을

알 수 있었다.

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참고문헌

1. M. J Donachie, Jr., Titanium A Technical Guide, 2nd ed.

p.5-11, ASM International, Materials Park (2000).

 

2. M. Niinomi, Science and Technology of Advanced

Materials. 4, 445 (2003).

 

3.  D. M. Brusette, P. Tengvall, M. Textor and P.

Thomsen, Titanium in Medicine. P.820, Springer, Berlin (2001)

 

4. M. Long and H. J. Rack, Biomaterials. 19, 1621 (1998)

 

5. D. R. Sumner, T. M. Turner, R. Igloria, R. M. Urban and J.

O. Galant, Biomechanics. 31, 909 (1998)

 

6. T. P. Vail, R. R. Glisson, T. D. Koukoubis and F. Guilak,

Biomechanics. 31, 619 (1998)

 

7. T. H. Mallory, A. V. Lombardi, J. R. Leith, H. Fujita, J. F.

Hartman, S. G Capps, C. A. Kefauver, J. B. Adams and G.

Christian, Journal of Arthroplasty. 16, 49 (2001)

 

8. M. Niimomi, Journal of Metals, 51, 32 (1999)

 

9. M. Morinaga, M. Kato, T. Kamimura, M. Fukumoto, I.

31

Harada and K. Kubo, Titanium 92, Science and Technology

(eds. F. H. Froes and I. Caplan). p.217, TMS (1992)

 

10. Y.L. Zhou, M. Niinomi and T. Akahori, Mater. Sci. Eng. A,

371, 283 (2004)

 

11. H. W. Jeong, S. E. Kim, Y. T. Hyun, Y. T. Lee and J. K.

Park, Materials Science Forum. 475-479, 2291 (2005)

 

12. C. Kuphasuk, Y. Oshida, C. J. Andres, S. T. Hovijitra, M.

T. Barco and D. T. Brown, Journal of Prosthetic Dentistry.

85, 195 (2001)

 

13. S. L. Assis, S. Wolynec and I. Costa, Electrochemica Acta.

51, 1815 (2006)

14.이기고, 조성구, 최미선, 정재영, 김문철 “재료마당” ‘ 19-32,

22.4(2009)

15. 이용태, 김승언, 현용택. 정희원 “꿈의신소재 타이타늄”한국철

강신문, 2008

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저자소개

최창옥

․ 인하대학교 공과대학 금속공학과 졸업 공학사

․ 한양대학교 공학박사

․ 전 동아대학교 금속공학과 교수

․ 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원

이준희

․ 성균관대학교 공과대학 금속공학과 졸업 공학사

․ 성균관대학교 공학박사

․ 동아대학교 교수

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요 약

티타늄 및 티타늄합금은 기계적 특성이 우수하여 산업용,

원자력발전기, 스포즈용품 및 생체재료용으로 널리 사용되

고 있다. 생체재료용으로서 장점으로는 타 금속재료에 비해

우수한 내식성과 비교적 낮은 탄성계수를 들 수 있다. 생물

학적 관점에서 티타늄은 타 금속에 비해 재료 주변에 생체

섬유조직형성이 거의 없는 장점을 가지고 있다.

저탄성 계수 티타늄합금조성을 예측하고 설계할 수 있는

이론적 조성설계기법을 확립하고 이에 따른 실제합금을 제

조하여 기계적 특성을 비교 고찰하므로 저 탄성 티타늄합

금 생체재료를 개발하기 위한 연구를 수행하였다.

저탄성계수 티타늄 금속합금의 예측과 제조 및 열화현상

에 대한 메카니즘을 결정하는 것과 개선책을 개발하는 것

은 매우 중요하다. 이러한 예방법과 개선책은 치과용과 성

형외과용 임플란트에 사용되고 있는 생체재료의 임상적인

성공률을 훨씬 높일 수 있을 것으로 판단된다.