Dental CAD/CAM System

Dental CAD/CAM System이란 현 수작업으로 해오던 치과 보철물의 설계나 가공을 컴퓨터를 활용하고, 설계와 생산을 자동화함으로써 시간단축과 저 노동력을 구현하기 위한 총체적 기술 시스템이라고 할 수 있다. 인간의 손으로만 제작이 가능하다고 여겨졌던 보철물의 제작도, 이젠 기계가 그 역할을 대신할 수 있게 되었다. 치과용 레이저와 더불어 가장 진보된 치과용 장비로써 미래의 치과를 생각해 하는 CAD/CAM 시스템. 이번호에서는 최근 이슈가 되고 있는 Dental CAD/CAM System에 대해 준비하였다.

장동일 기자 jangdi@denfoline.co.kr

Dental CAD/CAM의 정의를 알아보면, CAD라는 말은 치과 보철물의 설계분야를 컴퓨터의 도움을 얻어 발전시키는 개념으로 설계의 기본개념 단계에서부터 최종 마무리 단계인 해석까지 전 과정에 걸쳐서 컴퓨터를 활용하여 설계하는 방식이라고 할 수 있으며, 특히 자동적으로 도면을 작성하는 Design Automation의 개념을 포함하기도 한다.
CAM이라는 말은 컴퓨터에 의해 구체화되고 형상화된 모델을 이용하여 가공 및 생산에 필요한 자료를 얻어내는 기술로 그에 필요한 과정들은 NC프로그래밍에 의한 NC공작 기계를 사용하는 과정 등에 따라 보철물을 만드는 과정과 같은 가공 및 생산 분야에서 컴퓨터를 활용하는 기술을 말한다.

예전에는 대부분 재료는 metal이 주를 이루었지만, 최근 들어 경제 환경의 변화와 더불어 한층 더 높아진 심미성에 대한 관심이 높아짐에 따라 all-ceramics가 각광을 받고 있다.
초기에는 ceramic을 금속과 요약시켜 취성을 보강하려는 노력으로 metal-ceramic 수복이 능하게 되어 결손치아의 심미적 수복치료에 큰 부분을 담당해 왔다. 그러나 내부 금속으로 인해 빛의 투과와 반사 그리고 흡수 양상이 자연치와 달라 불투명성이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 정밀한 심미 보철물에는 all-ceramics가 요구되어 진다.
한편, CAD/CAM의 주재료로 사용되어지는 zirconia는 고강도, 고인성, 내구성을 가지고 있어 전치부에서 구치부까지 사용이 확대되어 지고 있다. CAD/CAM 시스템 또한 많은 발전을 하며, 심미성과 강도를 충족시켜주며, 보철물 제작에 있어 대안으로 떠오르고 있다.

초창기 문제점 드러내

초창기 CAD/CAM 시스템이 국내에 도입되었을 때, 얼마나 효용성이 있을까하는 의문점이 먼저 생겼었다. 일단 가격이 너무 비싸고 국내 치과기공소들은 대부분 영세한 규모에 있기 때문이었다. 또한 개원가에서 시스템을 설치하기에는 경제적으로나 차지하는 부피가 커서 비효율적이었다. 그리고 고가의 장비를 구매할 수 있을 만한 시장형성이 되지 못했다. 또한 경제성도 기대만큼 좋지 못했던 것도 사실이다. 하루에 제작할 수 있는 보철물의 양도 한계가 있었고, 보철물의 원재료인 지르코늄의 가격도 만만치 않았다. 게다가 지르코늄을 깎아내는 bur의 소모율도 높아 부수적인 비용도 적지 않았다. 

무엇보다도 치과기공소에서나 개원가에서 이 CAD/CAM 시스템에 사용에 있어 어려운 부분은 조작방법이었다. 일단 PC에 대한 개념에 대해 잘 알아야 했고, CAD/CAM 시스템에 포함된 소프트웨어의 조작방법도 알아야 했다. 물론, 관련 분야의 전문가를 고용할 수도 있고, 업체 교육으로 해결할 수도 있는 문제지만, 일단 보철에 대한 개념을 가진 사용자가 조작해야 좋은 결과물을 만들 수 있다는 점이 많은 문제점으로 부각되었다.  

임상적 활용과 시스템 보완으로

이전 CAD/CAM 시스템은 실제 임상에서의 적합도가 기대만큼 높지 않다는 점과 많은 임상데이터를 확보하지 못한 것이 큰 약점으로 지적되어왔다. 주문자가 일반 보철물보다 높은 가격을 지불하고 정확한 마진과 높은 임상적 적합도를 기대했지만, 초창기 CAD/CAM의 보철물들은 이런 개원의들의 욕구를 채워주지 못했다. 특히 마진이 제대로 맞지 않을 경우에는 수정하기도 어려워, 재제작을 해야 하는 어려움도 있었다. 
여러 개원가에는 이러한 임상적 적합도에 대해서는 논란이 분분했다. 한 개원의는 “기공소로 보내는 프랩의 정확도가 떨어진다”는 의견도 있었고 또 CAD/CAM 시스템 자체를 의심하는 개원의들도 있었다.
CAD/CAM 시스템의 핵심은 3D 스캐너와 밀링머신의 정확도다. 실제 보철물을 만드는데 바탕이 되는 데이터를 측정하는 기술과 세부적인 보철물을 깎아내는 제작기술은 불과 몇 년 사이에 비약적인 발전을 이뤄, 이미 과거에 문제가 되었던 문제들은 상당부분 해결된 상태다. 

신소재 지르코니아

지르코늄(zirconium)의 산화물인 지르코니아(zirconia,ZrO2)는 고온에 견디며, 내식성에 강하여 내화물로 많이 쓰여 왔고, 근래에는 구조용 재료로도 쓰이고 있다. 내화도가 높고 열전도율이 낮으므로 치과용의 보철물 재료에까지 쓰이게 되었다.
Metal ceramics 수복이 색상의 수복물 제작에 주로 이용되어 왔지만 현재에는 다소 심미적이고 기능면에서 강화된 all ceramic의 역할을 급속하게 대체하고 있는 실정이다. 그 중 alumina는 치과용 ceramic을 보강하기 위한 신소재 재료로 이미 수십년전 동안 사용되어 왔지만 기계적 강도 등에서 구치부 브릿지까지 일반적으로 적용하기에는 무리가 있었다.
보철 재료로는 금, 세라믹, 비귀금속 함금 정도로 제한되어 있어 현재 보철재료 중 가장 강도가 좋은 metal과 같은 강도를 가지고 있는 지르코니아의 높은 내구성을 세라믹에서도 long bridge를 생산 및 구치부 보철을 가능케 하고 있다. 

또한 Metal이나 In-ceram에서는 기대하기 힘들었던 치아색이 신소재인 지르코니아에 Bi(비스무트), Ce(세륨), Fe(철)과 같은 원소를 미량 혼합하여 색을 표현할 수 있어 혼합배율에 따라서 다양한 색을 얻을 수 있다. 따라서 현재까지 치아색에 영향을 주었던 치아 삭제 정도, 기공사의 도재 작업 숙련도, 접착제의 종류와 관계없이 치아색을 자유로이 제어할 수 있게 되었다.
신흥대학 치기공과 신종우 교수는 “앞으로 신소재 재료인 지르코늄은 강도가 높아 기능성에 문제점을 덜 수 있으며, 훌륭한 생체친화성과 낮은 가열 전도성으로 고정 보철수복을 위한 이상적인 재료로 최적화된 심미성을 제공할 수 있다”며 앞으로의 지르코니아에 대한 전망에 대해 말했다.  

CAD/CAM 시스템의 스캐닝과 가공방식

현재 CAD/CAM 시스템의 방식은 치과내 진료실과 기공실을 포함해 스캐닝부터 가공까지 하나의 시스템으로 일체화된 진료실형과 입력기를 각각의 치과에 공급하고 설계와 가공을 기공소에서 하는 시스템으로 구분되고 있다.
치과용 CAD/CAM 시스템이 적용되기 위한 첫 번째 과정은 석고모형의 정밀한 3차원 입력이다. CAD/CAM 시스템에 스캐닝은 보철물 제작시 impression이 중요한 만큼 제품 성능의 지대한 영향을 미친다.
스캐닝 방식으로는 접촉식과 비접촉식이 있다. 접촉식 입력기의 속도는 레이저 센서를 사용하는 비접속식보다 약 2배  도 느리고 0.0001mm의 정밀 입력이 가능하며, 4축으로 구동하면 거의 모든 영역의 스캐닝이 가능하다. 이 정도면 다양한 치아삭제 형태를 수치화 하는 것이 가능하다. 즉 현미경으로 석고모형을 관찰하는 것과 같은 표면 재현성이 있다.

접촉식과 비접촉식에는 각기 장단점이 있으며, 각 회사들은 장점만을 따와 각기의 기술로 스캐닝 기술을 선보이고 있다.
CAD/CAM 시스템을 가공방식으로 분류하자면 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 적합한 강도를 얻으려면 열처리 과정을 거쳐야 하는 지르코늄의 특징 때문으로 지르코늄을 먼저 밀링 가공한 뒤 소결(열처리)하는 선가공-후소결 방식과 지르코늄을 먼저 열처리 한 뒤, 밀링 가공을 진행하는 선소결-후가공 방식이다. 
선가공-후소결 방식은 지르코늄을 먼저 원하는 보철물 모양으로 가공한 뒤 소결하는 것으로, 지르코늄 강도가 약한 상태에서 먼저 가공을 하므로 작업시간이 빠르고, 밀링용 bur가 수명이 길다는 장점이 있지만, 소결 과정에서 오차가 발생할 수 있는 단점이 있다. 
이에 반해 선소결-후가공 방식은 지르코늄이 완전히 단단해진 다음 제작하므로 정확한 보철물을 얻을 수 있지만, 작업시간이 길고, 관련 소모품의 사용량이 많기 때문에 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

그러나 최근 나온 제품들은 지르코늄의 순도를 높임으로써 소결 후 수축에 대한 예측 정확도를 높여, 임상 적합도를 향상시켰을 뿐만 아니라, 제작시간의 단축, 고강도 재료의 개발 등으로 경제성도 높아졌다. 또 제작 시간도 빨라져 초창기 제품의 2배 이상의 처리속도를 보이는데, 프로그램 조작에 대한 숙련도만 높아지면, 하루에 30개 이상의 보철물도 처리할 수 있을 정도다.

CAD/CAM 시스템의 보철물 적용 

치과용 보철물의 제작은 자연치아의 고유한 형태로 정확히 재현해야 한다. 그러나 강도가 높은 지르코니아를 이용해 사람이 보철물을 수작업상에 여러 가지 문제가 따른다. 높은 용융점 및 소결수축 때문에 정확한 형태의 직접적인 부여가 매우 어려우며, 일반적으로 비용과 시간이 많이 소요되고 가공에 따른 결함을 피하기 어렵다. 더욱이 치과용 세라믹스의 보철물 품질은 가공 및 제작과정에서 발생한 결합에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서 보철물 제작에 CAM 적용 즉, 정교한 밀링이 점점 요구되고 있다.

심미 보철물 제작에 CAD/CAM을 적용하기 위해서는 첫째, 치아석고모형의 3D 형상 데이터를 획득하고, 둘째, 치아석고모형의 3D 형상 데이터를 바탕으로 손상된 치아를 설계한다. 이때 Margin 설정과 재료의 특성에 적합한 core의 두께를 인접치 및 대합치를 고려해야 한다. 셋째, 설계된 3D 형상데이터를 NC code로 변환한 후 NC machine에서 가공한다. 결국, 3D 형상정보를 얻기 위한 scanner, 보철물 설계에 필요한 CAD software, 가공에 필요한 설비 등의 기술, 보철물 재료의 우수한 밀링 가공성이 요구되고 있으며, 절삭성을 고려한 치과용 보철물 재료의 연구가 함께 뒷받침 되어야 한다.

국내 시판중인 CAD/CAM System

현재 국내에서 시판되고 있는 제품으로는 치과용 제품과 기공소용 제품으로 나뉠 수 있다. 국내 CAD/CAM의 역사는 약 4년 정도로 보면 된다. 2000년대부터 해외를 통해 국내에 CAD/CAM에 대한 정보들이 들어오기 시작했고, 일부 제품은 국내에 소개되었다. 당시에는 마케팅 포인트가 주로 치과기공소에 맞춰졌었는데, 그 이유는 장비의 크기가 크고, 그 가격도 상당히 비쌌기 때문에 또 다수의 치과를 상대할 수 있어야 경제성을 맞출 수 있었기 때문이다. 

하지만 현재 1억 미만의 상대적으로 저렴한 가격이 등장하고 있고, 치과기공소 뿐만 아니라 각 회사별 제품별로 밀링 센터를 별도로 운영해 장비구입 없이 스캐닝 장비만으로 제작이 가능하다. 때문에 시장 관계자들은 하나같이 “치과에서 보내지는 원천 데이터인 프랩만 제대로 이뤄지면, 임상적으로 문제될 것은 전혀 없다”며, “임상에 CAD/CAM 시스템을 적극적으로 활용할 수 있는 시점”이라고 업체 관계자들은 말하고 있다.

현재 국내에 시판되고 있는 Dental CAD/CAM 시스템으로는 덴츠플라이의 Cercon Smart ceramic, ㈜신흥에서 수입·판매하는 Procera, CEREC 3와 OES에서 판매하는 CEREC Inlab, 세라시스의 CeraSys, ㈜한진디지엑스 수입·판매하는 Hint-Els, 한국3M㈜ 치과사업부에서 판매하는 LaVa CAD/CAM System, 오스템임플란트㈜에서 수입·판매하는 Everest 등이 대표적인 제품이라 할 수 있다.
가격대는 8천만원대부터 2억원대까지 다양하며, 국산제품으로는 세라시스의 CeraSys가 있다. 비싼 가격 때문인지 아직 국내시장에는 활성화 되지 않았지만 머지않아 기공소의 필수 아이템으로 자리 잡을 것이라고 업체 관계자들은 말하고 있다.
국내 시판되는 대표적인 CAD/CAM 시스템의 특징에 대하여 알아보도록 한다. 자세한 내용은 하단 표를 참고하기 바란다(업체순서 Random)

●Procera(신흥㈜)
Procera는 근래의 업그레이드된 시스템이 출시되면서 지르코륨 4본 브릿지까지 적용범위가 확대되고 있다. 고가의 밀링머신을 구입하지 않고 단지 스캐너만으로 코핑을 얻을 수 있어 경제적이며, 별다른 특별한 공간이 필요치 않으며 저비용 장비구입으로 CAD/CAM가능한 시스템이다. 미시건대학교 연수센터의 도움으로 풍부한 임상데이터와 최적의 접합성을 가지고 있다고 신흥 관계자은 말하고 있다. 공장설비를 갖춘 스웨덴 Nobelbiocare 밀링센터에서 밀링작업을 하며 UPS로 우리나라에 보내오면 비니어링 작업하는 과정으로 보통 4박5일 소요된다. 작업과정은 Nobelbiocare홈페이지에서 실시간 확인가능하다. 

●CEREC 3(㈜신흥)
국내 유일한 체어사이드 Cad/Cam System으로 환자 중심의 보존적 치료 item을 가지고 있다. Immediate loading에 꼭 필요한 item으로써 전 세계적으로 20,000여대 판매되고 입증된 시스템이다. Inlay, Onlay, Partial Crown, Veneer, Implant Crown 제작 가능하며, 기존 인상채득과정 및 임시수복물 불필요하다. 광학 인상 채득으로 환자에게 편안함을 제공함과 동시에 한 번의 방문으로 완벽한 맞춤 수복물 제작 가능하다.

●CEREC Inlab(㈜신흥)
치과용 CEREC 3와 연동하여 사용하는 시스템으로 광학인상 채득 Data를 전송 받아 바로 제작 가능하다. 불필요하게 크지 않아 공간 활용이 용이하다. 임상적으로 입증된 software와 안정적 사후관리가 잘 되어있다. Metal Free Bridges 가능(6 units)하며, Inlays, Onlays, Veneers, Full Coverage Crowns 제작 가능하다. Lithium Block을 포함한 여러 종류의 Coping 제작 가능하다.

●Cercon Smart Ceramics System(덴츠플라이)
독일의 Dentsply Degudent사의 제품으로 지르코니아 세라믹에 기반을 두어 우수한 심미성과 내구성을 갖춘 고강도 도재 시스템이다. 성능대비 저렴한 가격 책정과 Zirconia의 시장 확대를 위해 장비를 원가/성능 대비, 저렴하게 책정하여 보급(CAD/CAM System)하는데 주력한다고 덴츠플라이 관계자는 말하고 있다. Cercon Eye의 보완으로 완벽한 CAD/CAM 시스템 구현 가능, 소성 전 zirconium의 강도가 강하지 않을 때, 밀링 작업이 이루어지기 때문에 장비에 무리가 없고, 작업이 용이하며 손실이 쉽다.(밀링 후 손쉽게 sand blaster로 framework를 제거할 수 있다)

●Everest(오스템임플란트㈜)
KaVo사의 Everest는 지르코니아와 Titan-T-Blank의 세라믹에 기반을 두어 우수한 심미성과 내구성을 갖춘 고강도 도재 시스템이다. 14 Bridge까지 Scan 가능하며, 독일 KaVo사에 원격조정 시스템 가능하다. 20um Scan 정확성(높은 마진 정확도)과 Inlay, Onlay, Crown, Implant 상부구조물, Customized abutment 할 수 있다. EVEREST CENTER 운영하고 있고, 마케팅지원과 광고·판촉물 지원하고 있다. EVEREST User’s Meeting 개최하여 분기 1회, 정보 공유 및 임상토론의 장을 만들고 있으며, 독일 KaVo사 교육담당 Center 직접교육(분기 1회)을 하고 있다.

●CeraSys(CeraSys)
한국, 이스라엘, 미국 3개국 합작회사에서 만든 세라시스는 소프트웨어 및 하드웨어, 지르코니아 블럭을 자체 개발했으며, 기공소용으로 제작하여 기공사가 쉽게 배울 수 있도록 개발되었다. 하드웨어를 한국에서 제작하므로 A/S가 편리하다. 지속적인 소프트웨어 개발 및 업그레이드 무상지원과 정확한 마진적합, 그리고 저렴한 소재가격 및 유지비용이 큰 장점이다.

●Hint-Els(한진디직스)
한진디직스에서 수입·판매하는 Hint-Els는 치과에 응용되는 모든 재료를 밀링할 수 있다(Zirconia, Titanium, Gold, Composite). HIP과정을 거친 지르코니아를 1:1 크기로 밀링하므로 보철물의 마진 적합율이 우수하다. Milling 후 sintering을 하는 green 지르코니아 보철과 비교하여 투명도가 높고 HIP 과정을 거친 지르코니아는 1,200MPa의 기존의 metal을 능가하는 강도를 지니고 있으며 14본 브릿지까지 제작 가능하다. HIP Zirconia는 세팅 5년 후에도 1,000MPa(17%감소)의 강도를 유지함으로써 50% 이상의 감소율을 보이는 다른 올-세라믹 재료와 확연히 구분이 된다.

●LavaTM CAD/CAM System(한국3M㈜치과사업팀)
3M ESPE사에서 소개된 all ceramic system은 지르코니아 세라믹에 기반을 두어 우수한 심미성과 내구성을 갖춘 고강도 도재 시스템으로 치과임상증례에 폭넓게 적용할 수 있도록 디자인 되어 있다. 자동화 시스템으로 24시간 작업이 가능하며, 광 스캔방식을 이용하여 미세한 부분까지 재현할 수 있다. 세라믹 프레임의 3차원 수축률을 정확히 측정하여 밀링하여 마진 적합도가 매우 우수하고 7 Shade로 염색이 가능하여보다 자연스러운 보철물 제작이 가능하다. 6 본 브릿지까지 제작가능하며, 강도가 우수하연 치아 절삭량을 줄일 수 있다.

앞으로의 CAD/CAM System의 전망

치과 보철물 제작에 있어 CAD/CAM 시스템 적용이 활성화 되면, 미래의 노령인구에 따른 치기공사의 인력부족현상, 보철물 제작시 발생하는 유해물질로부터 자유로워 질 수 있고, 대량생산 및 높은 풀질을 보장 받을 수 있다는 것이 전문가의 견해이다.
그러기 위해서는 CAD/CAM 시스템이 국내 치과계에 빠르게 보급되기 위해서는 가격의 인하가 필요하다. 일반적으로 국산제품의 경우 가격이 1억원 내외에서, 수입제품의 경우 2억원 넘는 가격이 형성되고 있는 시점에서 이러한 가격은 치과의원과 치과 기공소 등 감각삼각 고려한다 하더라도 비싼 비용이다. 일단 먼저 확실한 임상적용데이터 확보로, 개원가에 확실한 필요한 시스템이 되어야 한다는 인식이 필요할 것이다. 

현재 치과내 마케팅으로 인한 시스템 구입보다는 밀링센터 혹은 제품소유 기공소에 의뢰하는 경우가 많다. 경제적인 측면에서는 치과에서 유리하나, 개원가에선 이미 1 day 보철물에 이어, 1 hour 보철물을 표방하려는 노력들이 늘어나고 있어, CAD/CAM 시스템과 같은 첨단장비의 필요성이 늘어나고 추세이다. 그래서 CAD/CAM 시스템의 앞으로의 시장성은 밝아 보인다. 
또한 세계적으로 큰 치과계업체가 CAD/CAM에 대한 연구와 개발에 박차를 가하고 있어 그 결과 머지않아 저가 보급형으로 시스템 등장으로 많은 개원가와 기공소에 보급할 날이 가까워 보인다.

내면과 접합성 등 보철물은 기계에 맡기고 사람은 보다 더 창조적인 진료에 중심을 둘 필요가 있다. 한 개원의는 보철물의 완성도는 CAD/CAM보다는 사람의 수작업이 아직 우수하다고 말하고 있다. 하지만 인간의 손으로만 제작이 가능하다고 여겨졌던 보철물의 제작도 이젠 기계가 그 역할을 대신할 수 있게 된 만큼 시대가 발전할수록 보철물의 디테일과 품질의 격차는 좁혀질 것이라고 예상하고 있다. 보철치료에 주 관심 분야인 심미보철의 all ceramic은 앞으로 수작업 공정보다는 CAD/CAM을 이용한 기계가공으로 해결하는 것이 효율적이고 정밀하다고 전망하고 있으며, Dental CAD/CAM 시스템의 발전으로 인한 미래의 치과시스템을 생각해 본다.

*기획기사 섹션 기고와 기사작성에 도움을 주신 송영복 원장(산치과병원), 신종우 교수(신흥대학 치기공과) 등에게 감사드리며, 성심성의껏 자료를 보내주신 관련업체 마케팅부와 각 제품 밀링센터 관계자 여러분께도 감사드립니다.