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KR101888091B1 - 생체분해 마그네슘 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

생체분해 마그네슘 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101888091B1
KR101888091B1 KR1020160143642A KR20160143642A KR101888091B1 KR 101888091 B1 KR101888091 B1 KR 101888091B1 KR 1020160143642 A KR1020160143642 A KR 1020160143642A KR 20160143642 A KR20160143642 A KR 20160143642A KR 101888091 B1 KR101888091 B1 KR 101888091B1
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Abstract

본 발명은 x 중량%의 칼슘, y 중량%의 아연, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어진 생체분해 마그네슘 합금이며, 상기 x 와 y 는 수학식 1(y = 44.894x2 - 25.123x + 5.192)에 의한 궤적 하부와 수학식 2(y = -10.618x2 + 7.8784x + 0.1637)에 의한 궤적 상부가 xy 평면에서 서로 중첩되는 영역에 해당하는 범위를 가지고, 상기 아연화합물 상은, 상기 아연화합물 상을 전체중량으로 할 때, 90 중량% 이상의 Ca2Mg6Zn3을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

생체분해 마그네슘 합금 및 그 제조방법{Biodegradable Mg alloy and method of fabricating the same}
본 발명은 마그네슘 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 생체분해 마그네슘 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
마그네슘 합금은 성형이 용이하나, 내식성과 강도가 우수하지 못한 단점이 있다. 마그네슘 합금의 내식성과 강도를 개선하기 위하여, 마그네슘 합금의 조성을 적절히 변화시키기 위한 연구가 계속되고 있다. 그리고, 연구를 통해 첨가 원소량이 증가할수록 기계적 강도가 향상되는 것을 알게 되었다. 하지만, 첨가 원소량이 증가하면, 여러 상(phase)들이 만들어지는데 이들간 전기적 포텐셜 차이가 클수록 부식속도를 증가시키는 갈바닉 회로(galvanic circuit)가 형성되기 쉬운 조건으로 변하게 된다. 따라서, 부식특성을 제어할 수 있으면서 우수한 내식성과 강도 및 연신율을 갖는 마그네슘 합금에 대한 연구가 요구되고 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개공보 제20120062243호(2012.06.14. 공개, 발명의 명칭 : 생체분해성 마그네슘의 분해속도 제어방법 및 이를 이용한 의료기기용 생체분해성 마그네슘)가 있다.
본 발명은 우수한 내식성과 강도 및 연신율을 갖는 생체분해 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 생체분해 마그네슘 합금을 제공한다. 상기 생체분해 마그네슘 합금은 5 중량% 이하(0 초과)의 아연, 0.35 중량% 이하(0 초과)의 칼슘, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어진 생체분해 마그네슘 합금이며, 상기 마그네슘 합금의 미세조직은 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 입자형태의 아연화합물 상을 포함하고, 상기 아연화합물 상은, 상기 아연화합물 상을 전체중량으로 할 때, 90 중량% 이상의 Ca2Mg6Zn3을 포함한다.
상기 생체분해 마그네슘 합금에서, 상기 마그네슘 합금의 미세조직은 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 Ca2Mg6Zn3 상으로만 이루어질 수 있다.
상기 생체분해 마그네슘 합금에서, 상기 칼슘은 상기 합금에서 0.05 중량% 내지 0.35 중량%의 함량을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 생체분해 마그네슘 합금을 제공한다. 상기 생체분해 마그네슘 합금은 x 중량%의 칼슘, y 중량%의 아연, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어진 생체분해 마그네슘 합금이며, 상기 x 와 y 는 수학식 1(y = 44.894x2 - 25.123x + 5.192)에 의한 궤적 하부와 수학식 2(y = -10.618x2 + 7.8784x + 0.1637)에 의한 궤적 상부가 xy 평면에서 서로 중첩되는 영역에 해당하는 범위를 가지고, 상기 아연화합물 상은, 상기 아연화합물 상을 전체중량으로 할 때, 90 중량% 이상의 Ca2Mg6Zn3을 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 생체분해 마그네슘 합금을 제공한다. 상기 생체분해 마그네슘 합금은 5 중량% 이하(0 초과)의 아연, x 중량% 이하(0 초과)의 칼슘, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어진 생체분해 마그네슘 합금이며, 상기 x는 상기 생체분해 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3상만으로 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량이다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 생체분해 마그네슘 합금을 제공한다. 상기 생체분해 마그네슘 합금은 5 중량% 이하(0 초과)의 아연, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어진 생체분해 마그네슘 합금이며, 상기 마그네슘 합금의 미세조직은 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 입자형태의 아연화합물 상을 포함한다.
본 발명의 그 밖에 또 다른 관점에 의한 생체분해 마그네슘 합금의 제조방법을 제공한다. 상기 생체분해 마그네슘 합금의 제조방법은 상술한 상기 마그네슘 합금의 조성을 가지는 용탕을 주조하는 단계, 상기 주조된 마그네슘 합금을 300℃ 내지 400℃의 범위에서 용체화 처리 하는 단계 및 상기 용체화 처리 하는 단계 이후에 300℃ 내지 400℃의 범위에서 열간압출을 진행하는 단계를 포함한다.
상기 생체분해 마그네슘 합금의 제조방법에서, 상기 열간압출을 진행한 후, 17 시간 내지 19 시간 동안 인공시효 처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 또 다른 관점에 의한 임플란트를 제공한다. 상기 임플란트는 상술한 상기 생체분해 마그네슘 합금을 포함하되, 정형외과용, 치과용, 성형외과용 또는 혈관용이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 우수한 내식성과 강도 및 연신율을 갖는 생체분해 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 2는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.5 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.5Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 3은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.6 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.6Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 4는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.7 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.7Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 5는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.8 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.8Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 6은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 2.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-2Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 7은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 3.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-3Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 8은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 4.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-4Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 9는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 5.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-5Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다.
도 10 및 도 11은 칼슘과 아연의 조성 범위를 한정하는 수학식 1 및 수학식 2를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분해 마그네슘 합금에서 칼슘과 아연의 조성 범위를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실험예에 따른 생체분해 마그네슘 합금의 부식 특성을 비교 분석한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 1을 참조하면, P1과 P2를 연결하는 경계선은 α-Mg 단상으로만 이루어진 조직(도 1에서 'HCP'로 표시된 영역에 대응)이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 입자형태의 Ca2Mg6Zn3상 만으로 이루어진 조직(도 1에서 'HCP+CA2MG6ZN3'로 표시된 영역에 대응)으로 변태되는 경계에 해당한다. 즉, 고온의 Mg(HCP)가 P1과 P2를 연결하는 경계선을 지나면서 냉각(Q)되는 경우, 마그네슘 기지 내에 오직 Ca2Mg6Zn3 만이 석출된다. 따라서, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.131의 값을 가진다. 본 발명자는 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다.
도 2는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.5 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.5Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.268의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
도 3은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.6 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.6Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.2907의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
도 4는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.7 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.7Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.2661의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
도 5는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 1.8 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-1.8Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.2435의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
도 6은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 2.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-2Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 6을 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.2036의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
도 7은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 3.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-3Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 7을 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.105의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
도 8은 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 4.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-4Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 8을 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.04015의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
도 9는 칼슘의 함량을 가변적으로 하면서 5.0 중량%의 아연 및 잔부의 마그네슘으로 이루어진 Mg-5Zn-xCa 3원계 합금의 상태도의 일부를 도해하는 도면이다. 도 9를 참조하면, 칼슘의 P1 중량%는 상기 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량으로 이해할 수 있다. 본 실시예의 합금에서 이러한 P1은 0.0167의 값을 가진다. 본 실시예에서도 α-Mg 상의 기지에 분산석출된 입자가 Ca2Mg6Zn3의 단상만으로 이루어진 경우 내부식성 및 강도가 상대적으로 더 양호함을 확인하였다. 그 외의 나머지 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.
상술한 실시예들에 따른 마그네슘 합금은 생체분해속도가 용이하게 제어될 수 있고, 강도 및 내부식성이 우수하여, 정형외과용, 치과용, 성형외과용 또는 혈관용 임플란트 부재에 적용될 수 있다. 이러한 마그네슘 합금은 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 입자형태의 아연화합물 상을 포함한다. 상기 아연화합물 상은, 상기 아연화합물 상을 전체중량으로 할 때, 90 중량% 이상의 Ca2Mg6Zn3을 포함할 수 있다. 엄격하게는, 상기 아연화합물 상은, 상기 아연화합물 상을 전체중량으로 할 때, 98 중량% 이상의 Ca2Mg6Zn3을 포함할 수 있으며, 더욱 엄격하게는, 상기 기지에 분산석출된 입자형태의 아연화합물 상은 Ca2Mg6Zn3 으로만 이루어질 수도 있다.
본 발명자는 내부식성 및 강도가 양호하여 정형외과용, 치과용, 성형외과용 또는 혈관용 임플란트 부재에 적용될 수 있는 생체분해 마그네슘 합금이 도 1 내지 도 9에서 도출된 값들을 경계로 하는 소정의 범위 이내의 조성을 가지는 경우 구현될 수 있음을 확인하였다. 이하에서, 이에 대하여 설명한다.
도 10 및 도 11은 칼슘과 아연의 조성 범위를 한정하는 수학식 1 및 수학식 2를 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분해 마그네슘 합금에서 칼슘과 아연의 조성 범위를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 칼슘과 아연의 조성 범위를 한정하는 수학식 1(y = 44.894x2 - 25.123x + 5.192)의 궤적이 나타난다. 즉, 1.6 중량% 이상의 아연의 함량을 고정한 상태에서 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량을 도출한 후, 칼슘의 최대허용함량을 x 좌표값으로, 아연의 함량을 y 좌표값으로 하여, xy 평면에 배치하면, 아연의 함량 y와 칼슘의 최대허용함량 x는 수학식 1(y = 44.894x2 - 25.123x + 5.192)의 함수관계를 가짐을 확인할 수 있다. 수학식 1을 구현하기 위하여 제공된 좌표값 (x, y)는 도 1 내지 도 9에서 설명한 방식으로 도출하였으며, 예를 들어, (0.0167, 5), (0.04015, 4), (0.125, 2.7), (0.1474, 2.5), (0.1719, 2.2), (0.2036, 2), (0.2435, 1.8), (0.2661, 1.7), (0.2907, 1.6)이다.
도 11을 참조하면, 칼슘과 아연의 조성 범위를 한정하는 수학식 2(y = -10.618x2 + 7.8784x + 0.1637)의 궤적이 나타난다. 즉, 1.6 중량% 이하의 아연의 함량을 고정한 상태에서 마그네슘 합금의 용탕을 자연냉각하는 과정에서, α-Mg 단상으로만 이루어진 조직이 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 Ca2Mg6Zn3만 분산석출되어 이루어진 조직으로 상변태하는 온도구간이 존재 가능하도록 하는 칼슘의 최대허용함량을 도출한 후, 칼슘의 최대허용함량을 x 좌표값으로, 아연의 함량을 y 좌표값으로 하여 xy 평면에 배치하면, 아연의 함량 y와 칼슘의 최대허용함량 x는 수학식 2(y = -10.618x2 + 7.8784x + 0.1637)의 함수관계를 가짐을 확인할 수 있다. 수학식 2를 구현하기 위하여 제공된 좌표값 (x, y)는 도 1 내지 도 9에서 설명한 방식으로 도출하였으며, 예를 들어, (0.00269, 0.1), (0.01573, 0.3), (0.0389, 0.5), (0.05293, 0.6), (0.0821, 0.7), (0.1086, 0.9), (0.131, 1.0), (0.1809, 1.2), (0.2351, 1.4), (0.268, 1.5), (0.2907, 1.6) 이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분해 마그네슘 합금은 x 중량%의 칼슘, y 중량%의 아연, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어지면, 상기 x 와 y 는 수학식 1(y = 44.894x2 - 25.123x + 5.192)에 의한 궤적(U) 하부와 수학식 2(y = -10.618x2 + 7.8784x + 0.1637)에 의한 궤적(L) 상부가 xy 평면에서 서로 중첩되는 영역에 해당하는 범위를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 아연화합물 상은, 상기 아연화합물 상을 전체중량으로 할 때, 90 중량% 이상의 Ca2Mg6Zn3을 포함할 수 있으므로, 내부식성 및 강도가 양호한 생체분해 마그네슘 합금을 구현할 수 있다.
도 12에 나타난 점들은 이를 확인하기 위하여 실험한 합금의 조성예이며, 수학식 1에 의한 궤적(U) 이하와 수학식 2에 의한 궤적(L) 이상이 xy 평면에서 서로 중첩되는 제 1 영역에 대응하는 칼슘과 아연 조성을 가지는 생체분해 마그네슘 합금은 석출상이 단상을 가짐에 반하여, 상기 제 1 영역 외의 영역에 대응하는 칼슘과 아연 조성을 가지는 생체분해 마그네슘 합금은 석출상이 2 개 이상으로 나타났다. 본 발명자는, 석출상이 2 개 이상인 경우 보다 단상인 경우, 생체분해 마그네슘 합금의 내부식성 및 강도가 우수함을 확인하였다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상술한 조성을 가지는 용탕을 주조하여 주조된 마그네슘 합금을 추가적인 열처리를 하여 강도와 연신율이 증가함을 확인할 수 있었다. 예를 들어, 상술한 조성을 가지는 용탕을 주조하여 주조된 마그네슘 합금을 300℃ 내지 400℃의 범위에서 용체화 처리 하는 단계 및 상기 용체화 처리 하는 단계 이후에 300℃ 내지 400℃의 범위에서 열간압출을 진행한 후, 17 시간 내지 19 시간 동안 인공시효 처리 하는 단계를 수행함으로써 강도와 연신율이 증가하였다. 다만, 본 발명의 기술적 사상에서 인공시효 처리 하는 단계는 필수적인 단계는 아니며 선택적으로 생략할 수도 있다. 나아가, 인공시효 처리를 하는 경우에서도, 17 시간 내지 19 시간 동안 진행할 경우 강도와 연신율이 증가하는 현상이 현저하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상술한 특정 시간에만 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명의 실험예에 따른 생체분해 마그네슘 합금의 강도 및 연신율 특성을 비교 분석하였다.
Figure 112016106280558-pat00001
표 1에서 열처리는 T4 열처리 또는 T6 열처리를 포함한다. 예를 들어, T4 열처리는 약 400℃의 온도에서 6시간 동안 용체화처리한 후에 quenching 하는 조건을 포함할 수 있다. 또한, T6 열처리는 약 300℃ 내지 400℃의 온도에서 6시간 동안 용체화처리한 후에 quenching 하고 다시 200℃의 온도에서 17 시간 내지 19 시간 동안 인공시효하는 조건을 포함할 수 있다.
표 1에서 UTS는 최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength)를 나타내며 재료가 절단되도록 인장하였을 때 견디는 최대 하중을 재료의 단면적으로 나눈 값을 의미하고, 연신율은 인장 시험에서 재료가 늘어나는 비율을 의미한다. 일반적으로 최대 인장 강도와 연신율은 서로 상반되는 경향을 가지므로 표 1에서는 최대 인장 강도와 연신율의 곱을 100으로 나누어 표현되는 제 1 파라미터를 도입하여 생체분해 마그네슘 합금의 물성을 평가하였다.
표 1을 참조하면, 5 중량% 이하(0 초과)의 아연, 0.05 중량% 내지 0.35 중량%의 칼슘, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어진 생체분해 마그네슘 합금(실험예2, 3, 4, 5, 7, 12, 13, 14)은 열처리를 하지 않은 경우에서도 제 1 파라미터의 값이 50을 초과하며 열처리를 수행한 경우에는 제 1 파라미터의 값이 60을 초과하는 것으로 나타났다. 이에 반하여, 실험예1, 9, 10, 11, 18을 참조하면, 칼슘이 존재하지 않거나 0.05 중량% 미만의 극소량만 존재하는 경우의 마그네슘 합금에서는 열처리를 하지 않은 경우에서는 제 1 파라미터의 값이 50 미만의 값을 가지며, 열처리를 수행한 경우에도 제 1 파라미터의 값은 60 미만의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
상술한 실험예2, 3, 4, 5, 7, 12, 13, 14에 따른 생체분해 마그네슘 합금은 도 12에 도시된 수학식 1에 의한 궤적(U) 이하와 수학식 2에 의한 궤적(L) 이상이 xy 평면에서 서로 중첩되는 제 1 영역에 대응하는 칼슘과 아연 조성을 가지는 것으로 확인하였다. 따라서, 마그네슘 기지 내의 석출상이 2 개 이상인 경우 보다 단상(Ca2Mg6Zn3)인 경우, 생체분해 마그네슘 합금의 강도 및 연신율이 우수함을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실험예에 따른 생체분해 마그네슘 합금의 부식 특성을 비교 분석하였다. 도 13은 본 발명의 다른 실험예에 따른 생체분해 마그네슘 합금의 부식 특성을 비교 분석한 그래프이다.
먼저, 표 2에 의하면, 실험예21, 실험예22, 실험예24, 실험예25, 실험예27은 각각 Mg-0.56Zn-0.037Ca, Mg-0.99Zn-0.029Ca, Mg-1.63Zn-0.059Ca, Mg-1.61Zn-0.14Ca, Mg-2.94Zn-0.00175Ca의 조성을 가지는 합금으로서 칼슘과 아연의 조성은 상기 수학식 1에 의한 궤적 하부와 상기 수학식 2에 의한 궤적 상부가 xy 평면에서 서로 중첩되는 영역에 해당하는 범위를 가진다. 이 중에서 실험예21은 상기 수학식 2에 의한 궤적에 매우 인접하는 영역에 위치한다. 한편, 실험예26 및 실험예28은 각각 Mg-1.7Zn-0.3Ca, Mg-3Zn-0.2Ca의 조성을 가지는 합금으로서 칼슘과 아연의 조성은 상기 수학식 1에 의한 궤적 하부와 상기 수학식 2에 의한 궤적 상부가 xy 평면에서 서로 중첩되는 영역 바깥의 영역에 해당하는 범위를 가진다.
실험예 Ca 조성 Zn 조성 Mg 조성
21 0.037 0.56 Balcanced
22 0.029 0.99 Balcanced
23 0 1.65 Balcanced
24 0.059 1.63 Balcanced
25 0.14 1.61 Balcanced
26 0.3 1.7 Balcanced
27 0.00175 2.94 Balcanced
28 0.2 3 Balcanced
도 13의 세로축은 부식실험에서 마그네슘 용출량을 의미하며 이는 부식속도를 나타내는 지표로 이해할 수 있다. 이에 따르면, 실험예26, 실험예28은 부식속도가 다른 시편에 비해 월등이 빠름을 확인할 수 있다. 또한, 수학식 1과 수학식 2에 의하여 정의되는 궤적에 인접한 실험예21에서는 중간정도의 부식속도가 나타나며, 나머지 실험예22, 실험예23, 실험예24, 실험예25, 실험예27은 부식속도가 상대적으로 현저히 느림을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. x 중량%의 칼슘, y 중량%의 아연, 잔부 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어진 생체분해 마그네슘 합금이며,
    상기 x 와 y 는 수학식 1(y = 44.894x2 - 25.123x + 5.192)에 의한 궤적 하부와 수학식 2(y = -10.618x2 + 7.8784x + 0.1637)에 의한 궤적 상부가 xy 평면에서 서로 중첩되는 영역에 해당하되, 상기 x는 0 보다 크고 0.2 보다 작은 범위를 가지고,
    상기 마그네슘 합금의 미세조직은 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 입자형태의 아연화합물 상을 포함하고,
    상기 아연화합물 상은, 상기 아연화합물 상을 전체중량으로 할 때, 98 중량% 이상의 Ca2Mg6Zn3을 포함하는,
    생체분해 마그네슘 합금.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금의 미세조직은 α-Mg 상의 기지와 상기 기지에 분산석출된 Ca2Mg6Zn3 상으로만 이루어진, 생체분해 마그네슘 합금.
  6. 삭제
  7. 제 2 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 상기 마그네슘 합금의 조성을 가지는 용탕을 주조하는 단계;
    상기 주조된 마그네슘 합금을 300℃ 내지 400℃의 범위에서 용체화 처리 하는 단계; 및
    상기 용체화 처리 하는 단계 이후에 300℃ 내지 400℃의 범위에서 열간압출을 진행하는 단계;
    를 포함하는, 생체분해 마그네슘 합금의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열간압출을 진행하는 단계 이후에 17 시간 내지 19 시간 동안 인공시효 처리 하는 단계;를 더 포함하는, 생체분해 마그네슘 합금의 제조방법.
  9. 제 2 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 상기 생체분해 마그네슘 합금을 포함하되, 정형외과용, 치과용, 성형외과용 또는 혈관용인, 임플란트.

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