강화유리

강화유리

강화 유리(Tempered Glass)는 판유리를 열처리한 후 유리 표면에 공기를 불어 급랭시킨 유리이다. 강도가 크고 깨지더라도 파편이 피부를 다치게 하지 않기 때문에 자동차 창문 따위에 널리쓰이며 일반적으로 강화유리(Tempered Glass)라 하면 완전 강화를 의미한다.

개요

연마판유리에 공기를 뿜어 주면 유리의 표면은 공기에 의해 급랭되어 표면 가까운 부분에서는 압축응력, 내부에는 인장응력을 지닌 유리가 만들어지는데 이를 강화유리라 한다. 유리는 본래 열에 의해 팽창·수축하는 성질을 가졌으므로 이와 같은 상태로 만들 수 있는 것인데, 이렇게 가공한 유리는 일반적인 냉각법으로 표면이 균일하게 식지 않으므로 깨어지고 만다. 이를 방지하려면 균일하게 식히는 독특한 기술이 필요하며 또 균일하게 식히더라도 유리의 성질 자체에 부분적으로 차이가 있으면 역시 깨진다. 강화유리는 강도가 대단히 높아 보통 유리의 약 5∼10배나 된다. 그러나 표면을 균일하게 냉각시키려면 모양이 단순한 것이어야 하므로 현단계로는 빌딩의 커다란 유리창, 자동차의 앞유리 등에 쓰인다. 강화유리는 표면에 압축 능력을 균일하게 지니고 있음으로써 강한 것이며 만약 표면에 상처가 생겨 이 힘의 균형이 깨어지면 잘게 부서지고 만다. 이 때문에 유리 칼로 자를 수가 없으며, 억지로 자르려 하면 역시 잘게 부서지고 만다. 그러나 보통의 유리처럼 파편에 의해 사람이 다치는 일은 대단히 드물다. 이보다 더욱 강한 유리로는 미국에서 개발된 이온교환강화유리가 있다. 이것은 유리 표면의 나트륨을 이온반경이 큰 칼륨으로 치환함으로써, 유리 표면에 압축응력을 부가한 것으로, 고층 빌딩 위에서 떨어뜨려도 깨지지 않을 정도로 강하다.

보통 판유리 및 풍냉강화유리의 강도

시료	급랭강도		낙구강도(평균 높이 cm)	굽힙강도(kg/㎠)
		( 0 % 파괴 )			( 100 % 파괴 )

원리

강화 유리의 가공은 물리 템퍼링 법과 화학적 템퍼링 법으로 나눌 수 있다. 물리적으로 강화 된 유리를 담금질 강화 유리라고도한다. 일반 평평한 유리가 가열로에서 유리 (600℃)에 가까운 연화 온도로 가열되면 자체 변형에 의해 내부 응력이 제거 된 다음 유리가 가열로 밖으로 이동하여 고압 냉각된다. 공기는 다중 노즐에 의해 유리의 양면에 송풍되어, 신속하고 균일하게 실온으로 냉각되어 강화 유리를 제조 할 수 있다. 이러한 종류의 유리는 내부 장력과 외부 압축의 응력 상태에 있으며 국소 손상이 발생하면 스트레스가 발생한다. 유리는 수많은 작은 조각으로 나뉜다. 이 작은 조각들은 날카로운 모서리가 없으며 사람들을 다치게하기 쉽지 않다. 강화 유리의 생산 공정에서 제품 품질에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 유리 형태를 더 크고 균일 한 내부 응력으로 만드는 방법이다. 생산에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 폭발 및 변형을 방지하는 방법이다. 위의 요소 중 하나는 유리의 가열 및 냉각 조건과 밀접한 관련이 있다. 유리가 템퍼링 온도까지 균일하게 가열되고 갑자기 냉각되면, 내부 및 외부 층의 상이한 냉각 속도로 인해 표면 냉각이 급격히 줄어들고, 내부 냉각은 느리게 수축하며 결과 내부 층을 압축하고 표면을 인장시켰다. 유리가 계속 냉각됨에 따라 표면층은 경화되어 수축을 멈추고 내부 층은 여전히 실온에 도달 할 때까지 냉각 및 수축한다. 이러한 방식으로, 표면 층의 압축 응력은 내부 층의 압축에 의해 형성되는 반면, 내부 층의 인장 응력은 형성되며, 이는 강화 유리에 영구적으로 유지된다. 유리는 압축 강도와 약한 인장 강도를 갖는 취성 재료이므로 인장 강도가 초과하면 유리가 즉시 파손되므로 내부 응력의 크기와 분포가 유리의 강도와 파열에 영향을 미치는 주요 요인이다. 다른 경우는 유리가 소성 상태에서 냉각 될 때, 균일하게 가열되거나 냉각되지 않든, 동일한 유리 조각에 온도차가있는 한 다른 수축이있을 것이다. 온도가 실온으로 떨어지면 온도가 높을수록 온도가 내려 갈수록 수축이 커지고 유리가 짧아진다. 반대로, 온도가 낮을수록 냉각이 적고 수축이 적으며 유리가 길어지고 유리 조각의 길이가 장소마다 다르면 유리 표면이 휘어진다. 이런 식으로 유리 변형과 변형 방지 방법을 쉽게 이해할 수 있다.

특징

유리가 깨지는 이유는 유리에 외력이 가해지면 유리 표면에는 압축응력이, 그 반대측 유리 표면에는 인장응력이 작용하기 때문이다. 만일 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. 강화유리의 유리 표면 압축응력층의 깊이는 유리 두께의 약 15% 정도이고, 양쪽 유리 표면에 형성되어 있다. 강화 유리 표면의 압축응력은 700 ~ 2000kgf/㎠이며,평균적으로 약 1530kgf/㎠ 정도 이다. 또한 압축응력층의 깊이는 보통 100 ~ 300mm이고,이 압력응력을 파괴하기 위한 강도(MOR = modulus of rupture)는 최소 1500kgf/㎠ 정도이어야 한다. 물론 유리의 두께에 따라서 약간의 차이는 있으나 실험적인 결과에 의하면 일반유리의 강도(MOR)는 약 500kgf/㎠ 정도이므로 약 3배 정도 강화유리가 강하다. 또한 일반유리는 인장강도가 약 1,000kgf/㎠ 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 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. 또한 화유리의 제조공정에서 일반 float 유리를 연화점(softening point; 유리가 유동성을 가질 수 있는 온도를 의미하며, 일반 소다석회 유리의 경우 약 650~700℃)까지 가열하였다가 유리 표면에 균일하게 찬 공기를 불어 주면 유리는 급격하게 줄어드는 힘이 발생한다. 그러나 유리의 열전도율(0.65 kcal/m hr℃)은 금속(45 kcal/m hr℃) 보다 작기 때문에 유리 내부는 바로 식지 않다. 그래서 유리 표면층에는 압축응력이 발생하고, 그 반응력으로 유리내부는 인장응력이 발생하게 된다. 결국 유리가 실온상태에 도달하면 한 장의 유리에는 인장응력과 압축응력의 균형이 이루어지고, 유리의 표면은 영구적인 압축응력층으로 둘러 싸이게 된다. 만약 외부의 강한 충격으로 유리 표면의 압축응력층이 저항할 수 없게 되거나 압축응력층을 넘어 유리 내부인 인장응력층까지 충격이 전파되면, 유리 내의 응력균형은 깨지게 되고, 순간적으로 유리가 잘게 파괴된다. 마지막으로 박물관에서 아주 오래된 도자기 표면을 자세히 관찰하면 가는 잔금을 볼 수 있다. 이러한 잔금은 도자기를 불에 구울 때 도자기의 원재료인 점토와 표면에 광택을 내기 위해바르는 유약(釉藥)과 열팽창계수(소재의 온도가 1℃ 상승함에 따라 늘어나는 정도를 나타내는 수치로 단위는10-7/℃)의 차로 인해 발생한다. 즉 도자기에 바른 유약과 점토를 동일하게 온도를 올렸다가 식히면, 서로 줄어 드는 속도 차가 발생하고, 이러한 차이로 결국 유약층의 변형을 일으켜 가는 잔금을 만들게 된다. 강화유리도 우리 눈에는 볼 수 없으나, 열팽창계수가 다른 2개의 유리 층이 공존하고 있다고 할 수 있다. 즉 유리의 표면은 저팽창 유리층, 유리 내부는 고팽창 유리층이 된다. 따라서 외부 충격이 가해져 압축응력과 인장응력의 균형이 깨지면, 유리 표면과 내부의 열팽창계수 차이로 인해 잘게 파괴되는 속성이 그대로 외부 온도가 자주 변하면 강화 유리도 자체 폭발 할 수 있다. 자기 폭발을 피하기 위해 단시간에 유리 온도를 급격하게 변화시키지 않는 것이 좋으며 강화 유리의 중간 부분이 가장 강하고 네 모서리와 가장자리가 가장 약하다.

같이 보기

• 쪽빛하늘, 〈강화유리의 정의〉, 《blogger》, 2021-01-18
• 〈강화 유리〉, 《위키백과》

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