[한국세라믹학회] 인공뼈, 인공치아

KAIST, 내구성 높인 인공 뼈·치아용 소재 개발

홍순형 교수 "1천도 견디는 고온용 소재, 생체적합성 뛰어나" 내충격성이 약한 세라믹의 성능을 높일 수 있는 소재가 개발됐다. KAIST(한국과학기술원·총장 신성철)는 홍순형 신소재공학과 교수와 류호진 원자력·양자공학과 교수 공동 연구팀이 인공치아용 세라믹 재료를 강화하기 위한 2차원 나노소재 '질화붕소 나노플레이트렛'(BNNP)을 개발했다고 4일 밝혔다. 우주항공, 건설, 전자기기, 인공치아 등의 재료에 널리 이용되는 세라믹 소재는 쉽게 깨진다는 단점이 있다. 이에 따라 높은 기계적 물성을 가진 강화재를 첨가해 세라믹 복합재료를 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 2차원 탄소소재인 그래핀을 강화재로 첨가하는 연구가 진행되고 있지만, 그래핀은 전기전도도가 높아 절연성이 요구되는 세라믹 기판에 적합하지 않은데다 350도 이상에서 산화되고, 검은 색상을 띄어 인공치아에 활용하기 어렵다는 문제가 있다. 최근 세라믹 복합재료로 주목받고 있는 질화붕소 나노플레이트렛(BNNP)은 섭씨 1천도에서도 안정적이고 투명하며 생체적합성이 뛰어나 고온용 소재나 생체용 세라믹 재료의 강화재로 응용할 수 있다면 물성을 크게 향상시킬 수 있다. 하지만 제조공정이 어렵다는 단점 때문에 세계적으로도 연구가 활발히 진행되지 않아 세라믹 강화재로서의 가능성이 확인된 바가 없다.

볼밀링 공정을 통해 질화붕소를 BNNP로 박리하는 공정.(사진=연구팀 제공)

공동 연구팀은 용기에 질화붕소와 철로 만들어진 볼을 넣고 회전을 가하는 간단한 볼밀링 공정을 통해 고품질 BNNP의 대량 제조 공정을 확보했다. 제조된 BNNP는 10 나노미터 이하의 두께를 보유하고 있다. 연구팀은 이어 계면활성제를 통해 BNNP를 세라믹 재료 내에 균일하게 분산시키는데 성공, 대표적 세라믹 소재인 질화규소에 첨가했을 때 단 2%의 첨가만으로 강도 10%, 파괴인성 20%, 내마모 특성을 30% 향상됨을 확인했다. 홍순형 교수는 "질화붕소 나노플레이트렛의 우수한 기계적 물성, 열전도율, 고온 안정성 등을 세라믹 소재에 접목해 우주항공용 고온 소재, 인공치아용 소재, 전자기기 기판 소재 등에 응용이 가능하다"며 "세라믹 소재의 특성을 획기적으로 향상시키고 응용 분야를 넓혀 신산업을 창출할 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구결과는 국제 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'지에 지난달 8일자 온라인 판에 게재됐다.