Surface properties of Ti with nano-micro hybrid structure

치의학과/석사[한글]타타늄은 임플란트 재료로서 사용된 이래 30년이 넘는 동안 골유착(osseointegration)에 있어서 생체 친화적이며 높은 성공률을 보여 왔다. 하지만 골량과 골질이 불량한 경우에서 임플란트의 생존율을 높이기 위해 표면의 거칠기를 증가시키거나 표면적을 넓히는 형태의 다양한 표면처리법이 보고되었다. 이러한 표면처리는 대부분 마이크로 단위의 구조를 변경시킨 것이고 나노단위에서의 관찰은 극히 제한적이었다. 최근에는 나노구조를 가진 표면이 골세포의 부착과 증식에 유리하다고 보고되며, 임플란트의 표면과 결합할 수 있는 골조직(hydroxyapatite 결정 : 길이 20 ～ 80 ㎚, 두께 4 ～ 6 ㎚) 및 collagen(길이 300 ㎚)들이 나노단위의 구조를 이루고 있기 때문에 임플란트 표면에 나노단위의 구조를 형성하는 것이 골유착에 유리하다고 알려져 있다.본 연구에서는 생체친화성이 우수한 티타늄에 입자분사, 양극산화, NaOH 처리를 통하여 마이크로구조, 나노구조, 나노구조와 마이크로구조가 동시에 존재하는 복합구조의 표면을 형성하고, 각 표면처리방법에 따른 표면의 변화를 관찰 하였으며, 이런 구조들의 표면 특성을 평가하고자 하였다.Ti를 연마 후 양극산화 처리 시 양극산화 시간에 따라서 표면의 변화를 관찰한 결과 10 분간 양극산화한 표면에서는 나노단위의 점(nanodot)과 섬유(nanofiber)의 형태가 생성되었으며, 20 분간 양극산화한 표면은 포어(nanopore)의 형태를 이루었다.110 ㎛ 알루미나 입자로 입자분사 후 양극산화 처리 시 양극산화 시간에 따른 표면변화를 관찰한 결과 양극산화 시간이 증가할수록 입자분사 시 티타늄 표면에 박혀 있던 잔류물들이 표면에서 제거되며, 나노닷(nanodot), 나노섬유(nanofiber), 나노포어(nanopore), 나노튜브(nanotube) 형태로 성장하고, 이런 구조들이 혼재해 있다가 양극산화 시간이 1 시간에 이르면 균일한 마이크로구조 내에 나노튜브가 생성된 구조를 관찰할 수 있었다.250 ㎛ 알루미나 입자로 입자분사 처리 후 양극산화 처리한 시편에서도 나노튜브 형태를 이루고 있는 나노구조를 관찰할 수 있었으나 일부 표면에서 입자분사 잔류물들이 존재하는 것을 관찰할 수 있었다.연마 또는 110 ㎛, 250 ㎛ 알루미나 입자로 입자분사 처리 후 NaOH 처리를 한 경우 특이한 형상을 발견할 수 없었지만, 연마 또는 110 ㎛, 250 ㎛ 알루미나 입자로 입자분사 후 양극산화하고 NaOH 처리하면 나노구조의 산화층이 3차원 그물망 형태로 생성되었다.표면조도를 관찰한 결과 연마한 시편보다 입자분사 처리한 시편에서 표면조도 값이 증가하였으며, 입자분사 시 거친 입자를 사용할수록 표면조도의 값은 증가하였다(p0.05).접촉각 측정결과 연마 및 입자분사 후 양극산화 처리한 시편에서는 소수성(hydrophobic)을 나타내는 반면 이 시편을 NaOH 처리하면 친수성(hydrophilic)을 나타내었다.세포실험 결과 양극산화 처리한 시편은 초기 세포 부착율이 낮은 반면 세포 증식은 우수하였지만 이 시편을 NaOH 처리하면 초기 세포 부착율과 세포의 증식이 우수한 것을 관찰할 수 있었다.이상의 결과로부터 친수성을 가지는 표면은 세포의 부착에 유리하며 나노스케일의 구조를 가지는 표면은 세포의 증식이 우수하므로, 친수성의 나노구조를 가지는 표면을 임플란트에 이용하면 골유착을 촉진할 수 있으리라 기대된다. [영문]Commercially pure titanium and its alloys have been used especially as implant materials due to their good biocompatibility. Nanomaterials have been proposed as the next generation of improved implant materials due to the unique nanometric properties of some components of physiological bone. There is increasing evidence that osseointegration is promoted on nano-structure surfaces. The aim of the present study was investigated to form of titanium oxide nano-structure and nano-micro structure by polishing, grit-blasting, anodizing and NaOH treatment and investigated surface properties on Ti with different surface treatment.In order to form nano-structures, titanium specimen was polished (P) and anodized (PA) with 20 V DC power supply for 20 minutes in 0.5% HF solution. And then it was soaked in 23 ℃, 5 M NaOH solution (PAC). And in order to form nano-micro structure, titanium specimen was polished and grit-blasted(B1) with 110 ㎛ alumina grit at 4 bar for 20 seconds. And anodized (B1A) with 20V DC power supply for 60 minutes in 0.5% HF solution. And then it was soaked in 23 ℃, 5M NaOH solution (B1AC). Also another titanium specimens was grit-blasted with 250 ㎛ alumina grit(B2) and anodized(B2A), NaOH treatment(B2AC).The micro-structures were observed on FE-SEM. We observed nano-structure such as nano-tube, nano-fiber on PA, PAC, B1A, B1AC, B2A, B2AC and nano-structure of B1A, B1AC, B2A and B2AC is formed on micro-structure. PAC, B1AC and B2AC were form to nano-structure such as nano-fiber, nano-network form. In this experiment, when anodizing time is 20 minutes on PA, nano-structure formed on titanium surface. And on B1A, when anodizing time is 60 minutes, alumina grit disappears and nano-micro structure formed on micro-structure of titanium surface. But when anodizing time is 60 minutes on B2A, alumina grit not completely disappears and nano-micro structure partially formed on micro-structure of titanium surface.There was no significant difference in the surface roughness with NaOH treatment. In blasted specimens, surface roughness show significant decrease after anodizing.Anodized specimens had a hydrophobic character, but after anodized, NaOH treatment changed a hydrophilic character.In PA, B1A, B2A, cell attachment of MG-63 cells were lower than another specimens but cell proliferation were great. In PAC, B1AC, B2AC, cell attachment and proliferation were great.From these results, we fabricated nano-micro structure on ti. Such nano-structure and nano-micro structure could be useful as well-adhered bioactive surface layer on Ti implant metal and alloys for orthopedic and dental applications.ope

Electrical reliability of Ag interconnect fabricated by Reverse-offset printing

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부, 2015. 2. 주영창.웨어러블 디바이스는 현재 전자 제품 시장의 가장 큰 화두 중 하나이다. 웨어러블 제품들은 사람의 피부와 접촉하므로 기계적 유연성을 필요로 하는데 유연 기판 위 패턴 형성이 용이한 프린팅 기술이 적합하다. 여러 프린팅 기술 중 리버스 오프셋은 20 um 이하 폭, 1 um 이하 두께의 미세 패턴 형성이 가능한 기술로 최근에 가장 주목 받고 있다. 재료로는 일반적으로 은 나노입자 잉크를 사용하고 이를 유연 기판 위 프린팅 후 열처리 공정을 통해 잉크 내 유기물 제거 후 입자간 뭉침을 이용하여 배선을 제작하게 되는데, 이 공정 중 배선 내 기공이 생성되고 이는 일렉트로마이그레이션 같은 심각한 전기적 신뢰성 불량을 야기하는 결함으로 작용할 수 있으므로 본 논문에서는 이에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에 사용된 sample은 폴리이미드(PI) 기판 위에 20 um x 1 mm x 0.5 um 크기의 도그본(Dog born) 모양의 은 배선을 리버스 오프셋(Reverse-offset)으로 프린팅하여 제작되었으며, 150℃ 기판 온도 위에서 103 ~ 106 A/cm2 전류 밀도를 인가 후 SEM, FIB를 이용하여 미세 구조 분석을 통해 불량 메커니즘을 규명하였다. 은 잉크와의 물질 비교를 위해 열 기상 증착기로 은 금속을 동일 모양의 배선 제작 후 일렉트로마이그레이션 실험 결과, 저항이 유지되다 특정 시간에서 급격히 증가하는 경향을 보였으나 리버스 오프셋으로 제작된 배선은 저항이 점진적으로 증가하는 Gradual 형태의 고유한 불량 형태를 나타내었고, 훨씬 빠른 시간에 불량이 발생하였다. 이를 SEM, FIB 분석으로 저항 변화 0, 5, 10, 20% 시 표면 및 단면 미세구조 확인 결과, current crowding과 local joule heating에 의해 배선 내 void가 생성되고 최종적으로는 fuse type의 단선이 발생하였다. 또한 DC와 AC 일렉트로마이그레이션 수명 비교를 통해 저 전류밀도와 고 전류밀도에서 서로 수명이 다름을 확인하였고, 이를 Electron wind force 효과로 해석하였다. 그리고 annealing 온도 별 미세구조 변화에 의한 일렉트로마이그레이션 수명과 비 저항 변화를 비교 분석하여 높은 일렉트로마이그레이션 신뢰성을 가지는 미세구조를 제시하였다.1. 서론 1.1. 웨어러블 디바이스 시장 1 1.2. 다양한 인쇄 공정 방법 2 1.3. 인쇄 공정에서의 전기적 신뢰성 연구의 필요성 5 1.4. 본 논문의 구성 7 2. 이론적 배경 2.1. 리버스 오프셋 프린팅 8 2.2. 인쇄 공정에 사용되는 전도성 물질 10 2.3. Annealing 공정의 중요성 12 2.4. 일렉트로마이그레이션 14 3. 실험방법 3.1. sample 제작 및 구조 15 3.2. 실험 장치의 구성 및 측정 방법 18 3.3. sample의 annealing 조건 21 4. 실험결과 및 고찰 4.1. DC 일렉트로마이그레이션 평가 22 4.1.1. 열기상증착법으로 제작된 은 배선 실험 결과 22 4.1.2. 리버스 오프셋으로 제작된 은 배선 실험 결과 24 4.1.3. 저항 변화에 따른 미세구조 및 메커니즘 분석 28 4.2. AC 일렉트로마이그레이션 평가 32 4.3. Annealing 조건 별 배선 비 저항 값과 DC 일렉트로마이그레이션 수명의 상관 관계 분석 37 5. 결론 47 참고 문헌 49 Abstract 51Maste

The characterization of the nano-Micro Hybrid structure of titanium surface and osteoblast response to the surface

The titanium oxide layer with nano–micro hybrid structure on the titanium substrate was formed by grit-blasting and anodic oxidation treatment. A micro rough surface can be formed by grit-blasting and nanotube arrays can be formed by anodic oxidation or NaOH treatment after anodic oxidation. We investigated the surface characterization on titanium and the response of the osteoblast like cell (MG-63) to the surfaces made by different treatments. Surface structure (morphology), wettability characterized by SEM, contact angle. The attachment and proliferation behavior of MG-63 cells on the titanium surface by different surface treatments were characterized by SEM observation and MTT assay.The attachment and proliferation of osteoblast cells is accelerated by the topography of the nano structure like a nanotube, the nano surface acts as an attachment point for the filopodia of growing cells. Nano structure increases surface area and nano-micro structure significantly increases surface area. Such nano–micro hybrid structure on the titanium substrate can be useful for a well-adhered bioactive surface layer on Ti implant used metals for orthopedic and dental implants.ope

Micro-Nano Structure Formation on Ti-Ag Alloy for Dental Implants

Surface topography is crucial for the short and long term success of dental implants. It is known that surface roughness in the range of 1-10 ㎛ maximizes the interlocking between the bone and the surface of the implant. On the other hand, it is reported that osseointegration is promoted on surfaces of nano-metric level because surface profiles in the nano-metric level play an important role in the adsorption of proteins. Therefore hybrid surface consisted of micro and nanopore is expected to be the new surface treatment on Ti-Ag alloy for dental implants. The titanium-silver alloy developed for biomedical applications had better mechanical properties and corrosion resistance than pure titanium. And there has been no research on surface modification of titanium-silver alloy for dental implants. Therefore, the present paper reported on the formation of hybrid surface on titanium-silver alloy. The specimens were grit-blasted to obtain micro pore on the surface. After grit-blasting, the specimens were anodized at different anodizing voltages (20, 50 and 80V) for different times (10, 20, 40 and 60 min), in 0.5% HF aqueous solution at room temperature using a DC power supply. The surface topography of titanium-silver alloy was characterized by field emission scanning electron microscope (FE-SEM). It was believed that the topography of the hybrid surface was affected by electrochemical conditions. When titanium-silver alloy was anodized at 20 V for 1 hour, hybrid surface was uniformly formed. Therefore, it was considered that this surface treatment would be adapted cautiously to titanium-silver alloy for dental implants.ope