상식 강화유리가 일반 유리보다 강한 이유

[아침 햇살]

강화유리가 일반 유리보다 강한 이유

유리는 외부에서 어떠한 힘이나 충격이 가해지면 탄성적으로 아주 적은 양의 변형을 일으킨다.

즉 유리도 휠 수는 있으며 힘을 빼면 원래대로 돌아온다.

그러나 탄성영역 이상으로 큰 힘이 가해지면 깨어지고 만다.

금속처럼 찌그러지거나 늘어나는 소성변형이 없기 때문이다.

유리의 표면은 우리 눈에는 맑고 깨끗해 보이나

실제로는 미세한 균열이 많이 존재하고 있으며, 외부의 힘을 받을 때 이 균열들이 자라나서 유리는 깨어지게 된다.

유리가 깨지는 이유는

유리에 외력이 가해지면 유리 표면에는 압축응력이,

그 반대측 유리 표면에는 인장응력이 작용하기 때문이다.

만일 그림과 같이 반대측 유리면에 압축응력이 작용하도록 하면,

인장응력에 저항할 수 있는 힘이 형성되므로 유리는 깨지기가 어렵게 된다.

강화유리는 이와 같이 일반유리와 달리 유리 표면에 압축응력이 형성되어 있기 때문에 강도가 높다.

강화유리는 float glass를 약 700℃로 가열하였다가 급속히 냉각시키는 열처리 공정에 의해 만들어진다.

과거 대장간에서 쇠붙이를 불에 달구었다가 물 속에 급히 식히는 열처리(담금질) 과정을 연상하면 될 것이다.

다른 점이라고 한다면 강화유리는 물 속에 넣는 것이 아니라 찬 공기를 유리 표면에 불어 준다는 점이다.

강화유리의 유리 표면 압축응력층의 깊이는 유리 두께(d)의 약 15% 정도이고, 양쪽 유리 표면에 형성되어 있다.

이들 유리 표면의 압축응력은 70 - 200MPa이며,

평균적으로 약 150MPa (1MPa은 10.1972kgf/cm2이므로 약 1,530kgf/cm2) 정도이다.

또한 압축응력층의 깊이는 보통 100 - 300mm이고,

이 압력응력을 파괴하기 위한 강도(MOR = modulus of rupture)는 최소 1500kgf/cm2 정도 되어야 한다.

물론 유리의 두께에 따라서 약간의 차이는 있으나 실험적인 결과에 의하면

일반유리의 강도(MOR)는 약 500kgf/cm2 정도이므로 약 3배 정도 강화유리가 강하다.

또한 일반유리는 인장강도가 약 1,000kgf/cm2 이지만, 압축강도는 인장강도에 비해 약 10배 정도이다.

반면 강화유리는 인장강도가 일반유리에 비해 약 3배 정도 크고, 압축강도 역시 약 1.5배 정도 크다.

실용적으로 사용되고 있는 충격강도(Impact strength)는

일반유리가 약 1kgf/m 정도(두께 5mm 기준)이지만,

강화유리의 경우는 약 5.5kgf/m 정도(두께 5mm 기준)로 5배, 강도가 크다.

이러한 강화유리는 자동차와 철도 차량용 유리,

바람에 대한 높은 저항 특성이 요구되는 고층 빌딩의 외벽용 유리로 사용되고 있다.

한편 유리의 내부는 압축이 걸려 있는 유리 표면과는 달리

오히려 인장응력이 걸려있고 보통 그 값이 유리의 강도를 넘는다.

그런데도 깨어지지 않는 것은 유리의 양쪽 표면에 걸린 압축응력으로 인해서이다.

유리가 깨어 질려면 먼저 유리 표면에 있는 보이지 않는 미세한 균열이 자라야 한다.

그런데 그 균열자체가 압축응력으로 꼭 눌려져 있어

그 압축응력과 유리의 강도를 합한 값보다 큰 응력이 외부에서 걸리지 않으면

균열이 자라지 않고 따라서 유리는 깨지지 않는다.

그런데 만약 외부에서 큰 충격이 오거나 돌같은 것이 유리창에 부딪치면

유리는 폭발적으로 깨어져 무너져 내린다.

그 이유는 딱딱한 물체가 고속으로 부딪혀 새로운 균열이 발생하고

이 균열이 인장응력이 이미 걸려있는 유리내부 영역으로 들어오면서 순간적으로 인장응력이 해소되기 때문이다.

꼭 사람같으면 스트레스가 꼭 눌려져 있다가 어떤 계기로 폭발된 것과 같다 할 수 있다.

이때 유리가 열을 발생하여 그 내부의 인장응력을 해소 할 수도 있으나

열전도도가 작은 유리의 성질로 인해 그것은 미미하다.

그 대신 표면에너지를 발생하여 그 스트레스를 해소한다.

다시 말하면 유리는 잘게 부서져 그 표면을 많이 만들어 표면에너지의 증가를 꾀한다.

깨어질 때 잘게 부서져 무너져 내릴 수 밖에 없다.

에너지 보존 법칙의 한 모습이다.

또한 유리가 깨어질 때도 주사위 모양의 각진 모습으로 깨어질 수 밖에 없다.

왜냐하면 균열은 응력의 수직방향으로 자라기 때문이다.

템퍼링을 하면 유리에 걸리는 응력은 가로 세로방향으로 균일하며, 각각의 응력 방향에 수직으로 균열이 자란다.

따라서 주사위 모양으로 잘게 부서져 순식간에 무너져 내리는 것이다.

실제 깨진 유리의 조각이 모습이 다르고 불규칙 한 것은

템퍼링하고 난 후 유리의 응력 분포가 이론적인 것처럼 균일하지 않기 때문이다.

이와 같이 유리를 템퍼링이라는 방법을 사용하여 강화시키면 그 강도도 높아질 뿐 아니라

파괴가 일어 날 때 사람에게 안전하게 날카롭지 않은 모양으로 깨어진다.

강화유리가 일반 유리보다 열에 잘 견디는 이유

유리가 고온에 견디는 성질은 2가지 측면으로 생각해 볼 수 있다.

밀폐된 고온 공간(가열로)에서 유리가 열에 견디는 성질과,

유리 밑바닥 만을 가열하는 경우 열에 견디는 성질로 생각해 볼 수 있다.

먼저 밀폐된 고온 속에서 견디는 성질은 유리가 열에 녹아 버리는 성질에 대한 저항을 의미하며,

유리를 부분 가열했다 냉각했을 때 견디는 성질은 열충격(thermal shock)에 대한 저항을 의미한다.

열충격이란

고온으로 가열된 유리를 저온으로 급속히 냉각시킬 때 유리의 변형을 유도하는 힘으로,

유리 표면과 내부의 열팽창계수 차이로 인해

유리 표면에는 인장력이, 반대로 유리 내부에는 압축력이 가해지고,

이러한 힘의 차이가 커지면 변형이 발생되어 결국 유리가 깨지게 된다.

열에 의해 유리가 녹는 성질은 일반유리나 강화유리나 차이가 없다.

즉 이러한 물성은 근본적으로 유리를 구성하는 성분의 차이로 구별될 수 있기 때문이다.

반면 열충격저항(thermal shock resistance)은

열팽창계수가 낮거나 유리의 두께가 아주 얇아서 유리 표면과 내부의 온도 차가 적은 경우에 커진다.

물론 유리 자체의 고유한 열팽창계수가 낮은 경우에는 열충격 저항 뿐만 아니라

고온에서도 일반유리 보다 오랜 시간 녹지 않고 견딜 수 있습니다.

실용적으로 사용되고 있는 이런 유리를 내열유리라고 한다.

강화유리는 열처리 후 급냉 처리하여 유리 표면에 압축응력을 형성시킨 유리다.

이러한 압축응력이 형성된 유리층은 일종의 열팽창계수가 낮은 유리질로 구성되어 있는 것과 마찬가지다.

만약 강화유리의 표면에 열에 의해 인장력이 가해져도

이미 형성된 유리 표면의 압축응력에 때문에 유리는 잘 깨지지 않게 된다.

실험적 보고결과에 의하면

일반유리의 경우 약 80℃ (유리 두께 3mm, 크기 10cm x 10cm)가 파손되지 않는 온도차의 한계이지만,

강화유리의 경우 약 180℃ (일반유리 시편과 동일) 정도로, 약 2배 이상 열충격저항이 크다.