1장 재료의 물성
치과재료학의 첫 장은 모든 재료에 쓰는 공통 언어를 모았다. 색과 빛, 힘을 받았을 때의 반응, 액체가 표면에 퍼지는 정도, 금속이 만드는 전류, 그리고 재료가 몸에 해로운지 가리는 시험이다. 뒤의 다섯 장에서 이 말을 계속 다시 쓴다.
시험은 방향과 이름을 묻는다. 반투명도 매개변수(translucency parameter)가 크면 투명한지 불투명한지, 응력(stress)-변형 곡선의 어느 면적이 인성(toughness)이고 어느 면적이 탄성에너지율인지, 접촉각(contact angle)과 표면에너지(surface energy)가 어느 쪽일 때 잘 젖는지, 갈바닉 전류에서 어느 금속이 녹는지, 세포독성시험이 제몇 군인지를 묻는다.
색을 실제로 고르는 순서는 치과보존학 4장과 치과보철학 2장에 있다. 법랑질과 상아질에 레진이 붙는 술식은 치과보존학 3장에 있고, 이 장은 그 바탕의 표면 물리를 다룬다. 금속의 부식은 5장, 고분자의 점탄성(viscoelasticity)은 2장에서 이어진다.
1.1 색채와 광학 특성
색은 세 좌표로 적는다. 먼셀 표색계는 색상(hue), 명도(value), 채도(chroma)이고, CIE L*a*b* 표색계는 명도 L*와 색도 a*, b*다. 재료의 광학 특성은 빛을 얼마나 통과시키는지(반투명도), 얼마나 흩뜨리는지(불투명화제), 광원이 바뀌면 달라 보이는지(조건등색), 빛의 파장을 바꾸는지(형광)로 나뉜다.
표색계의 좌표
| 좌표 | 표색계 | 나타내는 것 |
|---|---|---|
| 색상hue | 먼셀 | 색의 종류. 빛의 파장 |
| 명도value | 먼셀 | 밝기 |
| 채도chroma | 먼셀 | 색의 순도(포화도). 짙은 정도 |
| L* | CIE L*a*b* | 명도 |
| a* | CIE L*a*b* | 색도. + 적색, − 녹색 |
| b* | CIE L*a*b* | 색도. + 황색, − 청색 |
먼셀은 색상, 명도, 채도를 H V/C 꼴로 적는다. 두 색의 차이는 CIE 좌표의 거리로 재고 ΔE*라 쓴다. 식은 ΔE* = √(ΔL*² + Δa*² + Δb*²)이다.
반투명도와 불투명도
| 값 | 재는 법 | 클수록 |
|---|---|---|
| 반투명도 매개변수(TP)translucency parameter | 같은 두께의 시편을 검은 배경과 흰 배경에서 재서 두 색의 차이(ΔE*) | 반투명도(translucency)가 높다 |
| 대비비(CR)contrast ratio | 검은 배경에서의 빛 반사 ÷ 흰 배경에서의 빛 반사 | 불투명도가 높다 |
같은 시편을 검은 배경에서 L* 70, a* 1, b* 10으로, 흰 배경에서 L* 76, a* 1, b* 14로 쟀다고 하자. ΔE* = √(6² + 0² + 4²) = √52 ≈ 7.2이므로 TP는 약 7.2다. 이 시편의 빛 반사가 검은 배경에서 0.36, 흰 배경에서 0.45이면 CR = 0.36 ÷ 0.45 = 0.80이다. CR은 0(완전히 투명)과 1(완전히 불투명) 사이의 값이다. 배경이 비치지 않을수록 두 배경의 값이 같아져 TP는 0에, CR은 1에 가까워진다.
함정 TP와 CR은 방향이 반대다. TP가 크면 비치고, CR이 크면 가린다.
빛을 다루는 현상
| 현상 | 내용 |
|---|---|
| 불투명화제opacifier | 산화티타늄이 가시광선을 산란시켜 재료를 불투명하게 만든다. 방사선불투과성(radiopacity)을 주는 바륨·스트론튬 유리 필러와는 다른 일을 한다 |
| 조건등색metamerism | 어떤 광원에서 같아 보이던 두 색이 광원이 바뀌면 달라 보이는 현상. 그래서 색조는 자연광과 인공광 여러 곳에서 확인한다 |
| 형광fluorescence | 빛을 흡수한 뒤 더 긴 파장의 가시광선을 내는 현상. 자연치, 특히 상아질은 자외선을 받아 청백색으로 빛난다. 도재(porcelain)와 복합레진에는 희토류 산화물 같은 형광제를 넣어 이를 흉내 낸다 |
| 유백광opalescence | 법랑질이 반사광에서는 푸르게, 투과광에서는 주황빛으로 보이는 현상. 도재와 복합레진의 법랑질용 색조가 이를 흉내 낸다 |
암기 형광은 짧은 파장(자외선)을 받아 긴 파장으로 내보낸다. 파장이 길어지는 방향이다.
1.2 구조와 응력-변형 곡선
재료 안의 원자가 규칙적으로 늘어서 있는지, 힘을 줄 때 곡선이 어디까지 곧게 가는지, 어디서 끊어지는지가 이 절의 전부다. 치과 금속은 결정질(crystalline)이고, 치과용 고분자는 대부분 비결정질(amorphous)이다.
결정질과 비결정질
| 결정질crystalline | 비결정질amorphous | |
|---|---|---|
| 배열 | 원자나 분자가 3차원으로 규칙적이고 주기적으로 늘어선다 | 불규칙한 무질서 상태 |
| 생기는 조건 | 서서히 식어 결정이 자랄 시간이 있다 | 액체가 급격히 식어 결정을 만들 틈이 없다. 분자구조가 복잡할수록 쉽다 |
| 예 | 금속, 합금 | 유리, 왁스, 치과용 고분자 대부분 |
응력-변형 곡선의 용어
| 용어 | 뜻 | 곡선에서 |
|---|---|---|
| 비례한도proportional limit | 응력(stress)과 변형률(strain)이 비례하는 최대 응력(Hooke의 법칙). 영구변형(permanent deformation)이 없는 최대 응력인 탄성한도(elastic limit)와 실측값이 거의 같다 | 직선이 끝나는 점 |
| 탄성계수elastic modulus | 탄성한계 안에서 변형에 저항하는 강성 | 직선의 기울기. 클수록 단단하다 |
| 탄성에너지율modulus of resilience | 영구변형 없이 흡수하는 에너지 | 탄성한도까지의 면적. 비례한도가 높고 탄성계수가 낮을수록 크다 |
| 인성toughness | 파절까지 흡수하는 에너지 | 곡선 아래 전체 면적. 강도와 연성이 모두 클수록 크다 |
| 취성brittleness | 소성변형(plastic deformation) 구간 없이 파절에 이르는 성질 | 곡선이 탄성 구간에서 끊긴다. 도재(porcelain), 석고, 아말감 |
식과 계산 예
| 값 | 식 | 단위 |
|---|---|---|
| 응력 σstress | 힘 F ÷ 단면적 A | MPa (= N/mm²) |
| 변형률 εstrain | 늘어난 길이 ΔL ÷ 처음 길이 L₀ | 단위 없음 (%) |
| 탄성계수 Eelastic modulus | 응력 ÷ 변형률 (비례한도 안에서) | GPa |
| 탄성에너지율 Rmodulus of resilience | 비례한도² ÷ (2 × 탄성계수) | MPa (= MJ/m³) |
단면적 2 mm², 길이 10 mm인 시편을 100 N으로 당겨 0.01 mm 늘어났다고 하자. 응력은 100 ÷ 2 = 50 MPa, 변형률은 0.01 ÷ 10 = 0.001(0.1%), 탄성계수는 50 ÷ 0.001 = 50,000 MPa = 50 GPa다. 이 점이 비례한도라면 탄성에너지율은 50² ÷ (2 × 50,000) = 0.025 MPa다. 같은 비례한도에서 탄성계수가 2배(100 GPa)인 재료는 탄성에너지율이 0.0125 MPa로 절반이 된다.
함정 인성은 곡선 전체 면적이고, 탄성에너지율은 탄성한도까지 면적이다. 인성은 강도와 연성이 함께 커야 크고, 취성 재료는 연성이 없어 인성이 작다.
점탄성 모델과 피로
점탄성(viscoelasticity) 재료의 거동은 두 요소로 그린다. 스프링은 훅의 법칙을 따라 힘을 빼면 즉시 완전히 회복하고, 대시폿(피스톤과 점성 액체)은 흐름이므로 영구변형을 남긴다. 두 요소를 직렬로 이은 것이 Maxwell 모델, 병렬로 이은 것이 Voigt 모델이다.
피로시험(fatigue test)은 정적 강도보다 낮은 응력을 반복해서 가할 때의 저항을 잰다. 가한 응력과 파절까지의 반복 횟수의 관계를 그린 것이 S-N 곡선이다.
분석기기
| 기기 | 보는 것 |
|---|---|
| X선 회절분석기(XRD) | 결정 구조와 상 조성. 브래그 법칙으로 회절선을 읽는다 |
| 에너지 분산형 X선 분광기(EDS) | 특성 X선의 에너지로 구성 원소의 정성·정량과 분포 지도. 주사전자현미경(SEM)에 붙여 쓴다 |
| SEM 이차전자상 | 표면 미세 형상. 초점심도가 깊어 파단면의 균열 전파와 파단 기시점을 찾는다 |
| SEM 후방산란전자상 | 원자번호(atomic number) 차이, 곧 조성의 차이 |
| 투과전자현미경(TEM) | 얇은 시편을 투과한 전자선으로 내부 미세구조와 결정 결함(전위, 석출상) |
1.3 접착과 젖음성 최고 빈출
접착제가 붙으려면 먼저 피착체 표면에 퍼져야 한다. 퍼지는 정도가 젖음성(wettability)이고, 접촉각(contact angle)이 작을수록 잘 젖는다. 고체 쪽은 표면에너지(surface energy)가 높을수록, 액체 쪽은 표면장력(surface tension)이 낮을수록 잘 젖는다.
| 조건 | 젖음성이 좋은 쪽 | 이유 |
|---|---|---|
| 접촉각contact angle | 작을수록. 0°에 가까우면 완전한 젖음, 90° 이상이면 잘 적시지 못한다 | 액체가 고체 위에 얇고 넓게 퍼진다 |
| 고체의 표면에너지surface energy | 높을수록 | 오염막과 유기물을 없애 깨끗하게 하면 높아진다 |
| 액체의 표면장력surface tension | 낮을수록 | 계면활성제(surfactant)를 넣으면 낮아진다 |
| 액체의 점도 | 낮을수록(흐름이 좋을수록) | 표면의 미세 요철 속까지 스며든다 |
| 표면 거칠기 | 적당히 거칠수록 | 산부식(acid etching)이나 샌드블라스팅이 요철을 만들어 기계적 감합이 생기고 유효 접착 면적이 는다 |
접착에 이상적인 계면은 피착체의 높은 표면에너지와 접착제의 낮은 표면장력이 만난 곳이다. 고체의 표면에너지가 액체의 표면장력보다 커야 액체가 퍼진다.
접촉각의 식과 계산 예
| 기호 | 뜻 |
|---|---|
| γSV | 고체의 표면에너지 |
| γSL | 고체-액체 계면에너지 |
| γLV | 액체의 표면장력 |
| 식 | cos θ = (γSV − γSL) ÷ γLV (Young의 식) |
고체-액체 계면에너지 γSL은 15 mN/m, 액체의 표면장력 γLV는 40 mN/m로 두 경우에 같게 두고 계산한다. 깨끗한 표면의 γSV가 45 mN/m이면 cos θ = (45 − 15) ÷ 40 = 0.75이므로 접촉각은 약 41°다. 타액이나 혈액이 덮여 γSV가 25 mN/m로 떨어지면 cos θ = (25 − 15) ÷ 40 = 0.25이므로 접촉각은 약 76°로 커진다. 오염되면 표면에너지가 낮아져 접촉각이 커지고, 레진이 퍼지지 못한다.
함정 산부식한 법랑질이 타액에 오염되면 표면에너지가 떨어져 젖음성과 결합강도가 함께 무너진다. 이때는 씻고 말린 뒤 다시 산부식한다. 산부식과 레진 태그(resin tag)의 술식은 3장에서 이어진다.
1.4 갈바닉 작용
입안에서 서로 다른 금속 수복물이 닿아 있으면 타액이 전해질이 되어 전지가 된다. 전위가 낮고 이온화 경향이 큰 금속이 양극(anode)이 되어 녹는다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 양극anode | 부식 전위가 더 낮은 금속(이온화 경향이 큰 금속). 전자를 잃고 산화되어 부식된다 |
| 음극cathode | 전위가 더 높은 금속 |
| 전자의 이동 | 이온화 경향이 큰 금속 → 작은 금속으로 도선(접촉부)을 따라 흐른다 |
| 증상 | 전류가 상아세관(dentinal tubule)을 지나 치수를 자극해 찌릿한 급성 동통(갈바닉 쇼크)이 생긴다 |
함정 녹는 쪽은 양극이고, 양극은 전위가 낮은 쪽이다. 전자는 양극에서 음극으로 간다.
같은 금속끼리라도 거친 표면의 틈에 전해액이 고이면 산소 농도 차이로 국소 전지가 생긴다. 금속과 아말감의 부식과 변색은 5장에서 다룬다.
1.5 생물학적 평가 빈출
치과재료의 생물학적 평가는 시험을 세 군으로 나눈다. 값싸고 빠른 체외 시험으로 걸러 낸 재료만 동물에게, 그 가운데 안전한 재료만 임상과 비슷한 조건에 올린다.
3군 시험
| 군 | 이름 | 무엇을 보나 | 대표 시험 |
|---|---|---|---|
| 제1군 | 초기시험 | 세포독성(cytotoxicity), 유전독성(genotoxicity), 용혈성 (체외 중심) | 한천중층시험(agar overlay test), MTT 시험, Ames 시험 |
| 제2군 | 2차시험 | 점막자극, 전신독성, 감작성, 이식 반응 (동물) | 구강점막자극시험, 지연과민반응시험, 이식시험 |
| 제3군 | 사용시험(usage test) | 실제 사용과 비슷한 조건의 조직 반응 | 치수복조시험, 치수절단시험, 치수·상아질 사용시험 |
대표 시험의 원리
| 시험 | 원리 | 평가하는 것 |
|---|---|---|
| 한천중층시험agar overlay test | 단층 배양한 포유류 세포 위에 한천(agar) 겔을 덮고 그 위에 재료를 얹는다. 용출물이 한천을 통해 확산되어 세포의 탈색과 용해가 생기는지 본다. 한천은 직접 접촉에 의한 물리적 손상을 막는 완충층이다 | 세포독성 (제1군) |
| MTT 시험 | 살아 있는 세포의 미토콘드리아 탈수소효소가 노란 수용성 MTT를 보라색 불용성 포르마잔으로 바꾼다. 그 양으로 세포 생존율을 읽는다 | 세포독성 (제1군) |
| Ames 시험 | 살모넬라균의 히스티딘 복귀돌연변이를 이용한다 | 유전독성 (제1군) |
| 구강점막자극시험 | 햄스터 볼 주머니 점막에 재료를 접촉시켜 홍반, 부종, 궤양(ulcer)을 본다 | 국소 자극성 (제2군) |
| 지연과민반응시험 | 기니피그 극대화 시험(GPMT) 등으로 제4형 지연형 과민반응(delayed-type hypersensitivity)과 감작을 본다 | 알레르기, 면역학적 감작성 (제2군) |
| 이식시험 | 피하 조직, 근육, 골에 재료를 매립하고 접촉 부위의 염증을 병리조직학으로 본다 | 국소 조직 반응 (제2군) |
| 사용시험usage test | 동물 치아에 와동을 만들고 재료를 충전해 치수와 상아질 반응을 본다 | 사용 조건의 반응 (제3군) |
유전독성시험은 재료에서 나온 물질이 유전자나 염색체를 손상하거나 돌연변이를 일으키는지 본다. Ames 시험 말고도 염색체이상시험과 소핵시험이 있다.
함정 세포독성(한천중층, MTT)은 제1군, 전신독성과 지연과민반응은 제2군, 치수복조(pulp capping)와 치수·상아질 사용시험은 제3군이다. 군 번호는 비용과 임상 근접도가 커지는 순서다.
복습
헷갈리는 쌍
| 쌍 | 가르는 기준 |
|---|---|
| 먼셀 vs CIE L*a*b* | 색상(hue)·명도(value)·채도(chroma) vs 명도 L*와 색도 a*, b* |
| 반투명도 매개변수 vs 대비비translucency parameter · contrast ratio | 클수록 반투명 vs 클수록 불투명 |
| 불투명화제 vs 방사선불투과제opacifier | 산화티타늄, 빛을 산란 vs 바륨·스트론튬 유리 필러, X선을 막음 |
| 조건등색 vs 형광metamerism · fluorescence | 광원이 바뀌면 색이 달라 보임 vs 흡수한 빛보다 긴 파장을 냄 |
| 인성 vs 탄성에너지율toughness · modulus of resilience | 곡선 아래 전체 면적 vs 탄성한도까지의 면적 |
| 탄성계수 vs 비례한도elastic modulus · proportional limit | 직선의 기울기(강성) vs 직선이 끝나는 응력(stress) |
| 스프링 vs 대시폿 | 즉시 완전 회복 vs 영구변형(permanent deformation) |
| 이차전자상 vs 후방산란전자상 | 표면 형상 vs 조성 차이 |
| 접촉각 vs 표면에너지contact angle · surface energy | 작을수록 잘 젖음 vs 높을수록 잘 젖음 |
| 양극 vs 음극anode · cathode | 전위가 낮고 녹는 쪽 vs 전위가 높은 쪽 |
| 제1군 vs 제2군 vs 제3군 시험 | 체외 초기시험 vs 동물 2차시험 vs 임상과 가까운 사용시험(usage test) |
| 한천중층시험 vs 지연과민반응시험agar overlay test | 세포독성(cytotoxicity), 제1군 vs 감작성, 제2군 |
확인 문제
CIE L*a*b*에서 L*가 나타내는 것은?
명도
먼셀 표색계의 세 속성은?
색상, 명도, 채도
반투명도 매개변수(TP)가 클 때 재료의 광학적 성질은?
높은 반투명도
빛 반사가 검은 배경에서 0.36, 흰 배경에서 0.45인 시편의 대비비는?
0.80
산화티타늄이 수복재료에서 하는 일은?
불투명화제
광원이 바뀌면 같던 두 색이 달라 보이는 현상은?
조건등색
형광에서 내보내는 빛의 파장은 흡수한 빛보다?
더 긴 파장
응력-변형 곡선의 직선부 기울기는?
탄성계수
곡선 아래 전체 면적이 뜻하는 성질은?
인성
탄성에너지율이 큰 재료의 조건은?
높은 비례한도, 낮은 탄성계수
단면적 2 mm²에 100 N을 걸었을 때 응력은?
50 MPa
점성체를 나타내는 역학 모델의 요소는?
대시폿
피로시험이 그리는 곡선은?
S-N 곡선
시편의 결정 구조와 상 조성을 보는 기기는?
X선 회절분석기
액체의 젖음성을 높이는 접촉각과 표면에너지의 조건은?
작은 접촉각, 높은 표면에너지
갈바닉 작용에서 녹는 금속은?
전위가 낮은(이온화 경향이 큰) 양극
세포독성시험과 치수복조시험은 각각 제몇 군인가?
제1군, 제3군
이 장은 치과의사 감수를 받는 중입니다. 틀린 곳이 보이면 아래 메일로 알려 주세요.