SEVNB 법 개정판를 이용한 파괴인성 측정법 개정
(단, 입자크기 1 ㎛ 미만 파인세라믹스 및 부분안정화 지르코니아는 제외)
SEVNB 법의 정확도 및 재현성 증진 목적으로
1) V 노치 모식도 및 실사진 제공
2) 여러 종류의 stress intensity shape factor (Y) 계산법 제공

대한치과의사협회 자재·표준위원회에서는 국제표준화기구 치과기술위원회(ISO/TC 106)에서 심의가 끝나 최근 발행된 치과 표준을 소개하는 기획연재를 지난 2014년 2월부터 매달 게재하고 있습니다. 환자 진료와 치과산업 발전에 많은 도움이 되기를 바랍니다.

치과 분야의 국제표준을 담당하고 있는 ISO/TC 106에는 총 8개의 소위원회(Sub Committee, SC)와 1개의 작업반(Working Group, WG)이 있는데 이 중 SC 2에서는 보철 재료(Prosthodontic materials)를 담당하고 있다.

SC 2는 치과용 세라믹(WG1), 인상재(WG7), 탄성 이장재(WG10), 부식시헙법(WG12), 매몰재(WG13), 치과용 납착재(WG14), 고분자 비니어 및 다이재료(WG16), 인공치(WG20), 금속재료(WG21), 자성 어태치먼트(WG22) 등이 현재 활동 중이다. 2017년 현재 전 세계 32개국(정회원 21개국, 준회원 11개국)에서 참여하고 있다. 현재 29개의 국제표준이 출판되었고, 7개의 표준이 개발 중이다.

이번에 소개할 국제표준은 2015년 6월에 출판된 ISO 6872 - 치과용 세라믹(Dental Ceramic) 제4판이다.

1995년 제2판이 출판된 이후 디지털 치과를 기반으로 하는 치과용 CAD/CAM 시스템의 보급이 활발히 이루어졌고, 부분안정화 지르코니아 기반의 치과용 CAM용 세라믹 소재가 가장 두드러지게 발전되었다. 이에 제2판에서는 치과용 CAD/CAM 시스템 기반의 새로운 치과용 세라믹의 평가에 대한 명확한 적용 범위 및 기존 시험법의 신소재 적용 가능성이 명확하게 명시되어 있지 않아 이러한 문제점을 해결하기 위하여 2008년 제3판이 출판되었다. 그 후, 제3판에서 새롭게 추가된 시험법과 기존 시험법에 대한 정확도 및 재현성을 증진시키기 위하여 다음과 같은 개정작업을 추가하여 제4판이 2015년에 출판되었다.

① 부분 소결된 재료의 수축 인자(shrinkage factor)를 제조사에서 제공하고 이에 대한 최소 요구사항(< 제조사 제시값 ± 0.002)을 규정하였음.
② 굽힘강도 시험용 시편 제작 시, 얇은 시편 (두께 < 2.0 ㎜)의 모따기 크기는 최대 0.15㎜ (일반시편용)에서 0.1 ㎜ 이하로 조정되었음.
③ 4축 굽힘강도 시험 시, 시편 지지대의 위치가 정확히 4등분 되지 않은 시험조건에 대한 굽힘강도 계산식을 추가하였음.

위에 설명된 ISO 6872 제4판의 개정 내용에 대한 개괄적인 진행상황은 2014년 5월 27일 치의신보 칼럼에 기고된 전남대학교 치의학전문대학원 박영준 교수의 “기획연재 치과표준: ISO/TC 106/SC2 치과보철재료”를 참고하기 바란다. 이번 기획연재에서는 ISO 6872 제4판에서 가장 많이 개정된 ‘SEVNB법을 이용한 파괴인성 측정법’에 대해서 소개하고자 한다.

SEVNB법을 이용한 파괴인성 측정법에 대해서 간략히 소개하면 다음과 같다. 3점 또는 4점 굽힘강도용 막대시편(두께: (4.0 ± 0.2)㎜, 폭: (3.0 ± 0.2)㎜, 길이: 2㎜ 이상) 정중앙에 길이의 세로방향으로 균일한 흠집(깊이: 대략 0.5㎜)을 다이아몬드 휠로 만든다. 면도날이나 날카로운 도구를 이용하여 흠집 바닥의 V형 모양의 노치(각도 30도 이하, 깊이 0.3 - 0.6㎜)를 만든다(그림 1 및 2 참고). V-노치가 제작된 시편을 흠집이 있는 면을 만능시험기 바닥면으로 향하게 놓고 3점 또는 4점 굽힘강도를 시행한다. 시행 후, 측정된 모든 결과들은 파괴인성 공식을 이용하여 계산하면 해당 재료의 파괴인성 값이 도출된다.

그림 1. 막대시편의 정중앙에 일정한 흠집을 형성하는 과정

그림 2. V-노치의 모식도: (a) 노치 폭 및 각도 측정, (b) ISO 23146에서 발췌한 노치 끝단 형상 해석
<식별 부호>
a 0.8 mm - 1.2 mm   b 약 0.5 mm
c 면도날의 폭, a - b < c  β 약 30도 또는 가능한 작게 함
S V-노치 폭

ISO 6872 부속서 A에 명시된 SEVNB법을 이용한 파괴인성 측정법은 이미 제3판에서도 설명되어 있으나, 이는 ISO/TC 206 'Fine Ceramics’위원회에서 제정된 ‘ISO 23146, ‘Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Test methods for fracture toughness of monolithic ceramics - Single-edge V-notch beam (SEVNB) method’을 치과용 세라믹에 도입한 것이다. 이에 실제 시험을 진행하는데 있어서 다음과 같은 오류와 제한사항들이 발견되었다.

① 1㎛ 이하의 입자로 구성된 파인 세라믹스와 부분 안정화 지르코니아는 면도날 또는 날카로운 도구로 뾰족한 V-노치를 제작하는 것이 거의 불가능함. 특히, 1㎛ 이하의 입자로 구성된 세라믹 재료는 V-노치가 제대로 형성되지 못하여 파괴인성 값이 과대평가되는 경향이 나타났음. 또한, 부분안정화 지르코니아는 면도날 또는 날카로운 도구로 V-노치의 제작이 불가능함.
② V-노치에 대한 정확한 모식도가 없어 V-노치제작에 대한 추가 설명의 필요성이 대두됨.
③ SEVNB법으로 제작된 시편으로 측정된 3점 및 4점 굽힘강도 시험 값을 기반으로 파괴인성을 계산함.

제3판에서는 시편모형에 따라 변화되는 상수 Y(stress intensity shape factor)의 계산식이 제한적으로 제공되어 시편의 다양한 시편 지지대 길이/시편 두께 비율에 대한 Y의 계산식이 요구되었음.
따라서 ISO 6872 제4판에서는 이러한 주요한 문제점들을 보완하여 다음과 같이 개정되었다.

① 1㎛ 이하의 입자로 구성된 세라믹 재료와 부분 안정화 지르코니아는 SEVNB 법으로 측정하지 말 것을 본문에 명시하였음. 그리고 대체 시험법으로 Single-edge precracked beam (ISO 15732), Surface crack in flexure (ISO 18756), 및 Chevron-notched beam (ISO 24370)을 제안하였음.
② SEVNB 법으로 제작된 V 노치의 모식도 및 실제 예를 본문에 추가하여 사용자의 이해도를 증진시켰음(그림 2 및 3 참고).
③ 시편 지지대 길이/시편 두께 비율에 따라 변화하는 상수 Y의 계산식을 6종 더 추가하여 다양한 종류의 시편에 대한 파괴인성 측정이 가능하도록 하였음.

그림 3. 허용가능 및 허용불가능 V-노치 형상의 예:
(a) 허용가능한 V-노치, (b) V-노치의 부적절한 중심위치, (c) V-노치 형성이 아주 빈약함, (d) V-노치의 뾰족함이 충분하지 않음.

ISO 6872의 적용범위 및 내용을 봐서 알 수 있듯이, SC2 ‘보철재료’가 다루는 범위는 임상적으로 관련되어 있는 실험실 수준의 실험법을 이용하여 특성, 성능 및 안전성 등의 요구사항에 대한 평가를 통해 치과 분야에서 사용되는 보철 재료, 기구 및 보조 재료를 표준화하는 것이라고 볼 수 있다. 참고로 치과용 CAD/CAM 시스템용 블록 소재에 대한 국제표준은 SC2(보철재료)와 SC9(치과용 CAD/CAM 시스템)에서 분할하여 개발 중이다. SC2에서는 블록 재료 본연의 특성, 성능 및 안전성 등의 요구사항에 대한 평가를 중점적으로 다루고 있고, SC9에서는 시판된 블록 제품의 CAM 작업에 필요한 절삭가공능(machinability)에 대한 요구사항에 대한 평가를 다루고 있다.

마지막으로 앞서 언급한 국제표준문서 및 국내표준문서는 한국표준정보망(www.kssn.net)을 통해 확인 및 구매할 수 있으며, 한국산업표준(KS) 제·개정 고시 정보를 로그인 없이 열람할 수 있다.

오승한 원광치대 치과생체재료학교실 교수