안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
스마트폰 액정 유로 쓰이는 고강도 강화유리가 충격에 잘 깨지지 않는 원리는 고온의 용융염 속에서 일어나는 이온 교환 공정과 이로 인해 표면에 형성되는 강력한 표면 압축 응력입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.
일반 유리는 제조 과정에서 표면에 미세한 눈에 보이지 않는 균열을 지니고 있는데, 화학적 강화는 이 미세 균열이 벌어지지 않도록 표면을 강력하게 짓누르는 힘을 만들어주는 작업입니다. 알칼리 알루미노실리케이트 성분의 유리를 약 400℃ 이상으로 가열된 질산칼륨 용융염 목욕조에 담그면, 유리의 유연해진 표면 근처에서 유리 내부에 존재하던 작은 나트륨 이온이 밖으로 빠져나오고, 용융염에 들어있던 큰 칼륨 이온이 유리 내부 표면의 빈자리를 파고듭니다. 칼륨 이온은 나트륨 이온보다 이온 반지름이 약 35% 이상 큽니다. 유리가 식으면서 표면의 미세 구조 속에 거대한 칼륨 이온들이 빽빽하게 갇히게 되고, 밀집된 칼륨 이온들이 서로 밀어내면서 유리 표면에는 서로를 가로 방향으로 강하게 짓누르는 표면 압축 응력이 형성되고, 반대로 유리의 내부는 균형을 맞추기 위해 미세한 인장 응력 상태를 유지합니다.
유리가 깨지는 근본적인 원인은 외력을 받았을 때 표면 미세 균열에 잡아당기는 힘이 가해져 균열이 순식간에 수직으로 벌어지기 때문입니다. 스마트폰을 바닥에 떨어뜨려 외부 충력이 표면을 잡아당기려 해도, 유리가 사전에 머금고 있는 표면 압축 응력이 그 당기는 힘을 먼저 흡수하여 상쇄시킵니다. 따라서 표면 미세 크랙이 벌어지지 않고 충격을 견뎌내며, 스크래치나 낙하 충격에 일반 유리보다 수 배 이상 뛰어난 내충격성을 얻게 됩니다.