스마트폰 액정 필름이나 자동차 유리에 쓰이는 강화유리는 일반 유리에 비해 충격에 훨씬 강하며, 깨지더라도 날카롭지 않고 둥글게 부서집니다. 유리를 고온으로 가열한 뒤 급격히 냉각시키는 과정에서 유리의 표면과 내부에 어떤 공학적 응력(압축응력과 인장응력)이 형성되어 이러한 특성을 갖게 되는지 알고 싶습니다
강화유리는 약 600~700도까지 가열한 뒤 표면을 급속 냉각해 표면에는 강한 압축응력 내부에는 이를 균형시키는 인장응력이 형성되도록 형성되도록 열처리합니다 외부 충격으로 발생하는 균열은 먼저 표면의 압축응력을 극복해야 하므로 일반 유리보다 훨씬 강한 충격을 견디며 쉽게 깨지지 않습니다 또한 한계를 넘어 파손될 경우 내부 응력이 한꺼번에 방충되면서 날카로운 파편 대신 작은 둥근 알갱이 형태로 부서져 안전성이 크게 향상 됩니다
강화유리는 유리를 고온으로 가열한 뒤 표면을 급속 냉각하는 열처리 공정을 통해 만들어져요. 이걸 물리적 강화 방법이라고 해요. 이 과정에서 표면은 먼저 굳고, 내부는 상대적으로 서서히 식으면서 수축하기 때문에 표면에는 강한 압축응력이 걸리고, 내부에서는 이를 균형시키는 인장응력이 형성되죠.
유리는 균열이 생기면 쉽게 깨져버리는 재료인데, 표면에 압축응력이 균열의 발생과 전파 자체를 억제해 주게 되는거에요.
물론 충격이 압축응력을 넘어설 정도로 커지면 내부에 저장되어 있던 인장응력이 한꺼번에 방출되면서 균열이 매우 빠르게 퍼지게 되요.
이럴 물리적 방법 이외에도 화학적 강화 방법도 있는데, 크기가 다른 이온을 치환하는 방식으로 앞선 응력을 걸어주는 방법이에요.
만드는 과정을 보면, 유리를 700도 가까이 달군 뒤 표면에 찬 공기를 확 뿌려 급속도로 냉각해요. 그러면 표면이 먼저 굳고 안쪽은 아직 뜨거운 상태로 남게 되요. 뒤늦게 안쪽이 식으며 수축하는데, 이미 굳은 표면이 그 수축을 붙잡게 되요. 그 결과로 표면은 안쪽으로 눌리는 압축응력, 내부는 바깥으로 당기는 인장 응력이 팽팽히 균형을 이뤄요.
유리가 깨지는 건 표면의 미세한 흠집이 당겨져 벌어지면서 그런데, 표면이 이미 압축되면 외부 충격의 당기는 힘을 먼저 상쇄시켜버려요. 그만큼 훨신 큰 충격을 견디는 거죠. 마찬가지로 깨질 때 잘게 부서지는 것도 이때문이에요. 한계를 넘는순간 내부 인장응력이 한꺼번에 풀리며 산산조각 나게되는거죠 :)