학문
강화유리에서 일반 유리보다 충격에 더 강한 이유는?
강화유리는 깨져도 조각이 다르게 부서지고, 충격에도 일반 유리보다 더 잘 버틴다고 알고 있습니다. 강화유리가 어떤 제조 과정을 통해 일반 유리보다 강해지는지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
강화유리는 크게 물리적으로 강화하는 방식과 화학적으로 강화하는 방식이 있습니다. 보통 사용되는 것이 물리적 강화 방식인데, 유리를 가열했다가 차가운 공기로 빠르게 식혀서 재료 내부에 응력을 걸어주는 거에요. 겉면은 먼저 굳고 안쪽은 나중에 식으면서 표면에는 강한 압축응력이 생겨서 충격을 받아도 쉽게 금이 가지 않게 됩니다.
강화유리는 너무 큰 충격으로 깨지더라도 큰 날카로운 조각이 아닌 작은 알갱이처럼 부서져서 다칠 위험도 크게 줄어듭니다. 그래서 자동차 옆유리나 샤워부스, 건물 출입문처럼 안전이 중요한 곳에 일반 유리 보다는 강화유리들이 많이 사용되는 것이죠.
감사합니다.
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채택된 답변강화유리는 유리를 높은 온도까지 가열한 뒤, 표면을 빠르게 냉각시키는 과정을 거쳐서 만들어 집니다.
이 과정에서 표면에는 강한 압축응력이 생기고 내부에는 인장응력이 생겨 외부 충격을 더 잘 견디게 만듭니다. 그래서 작은 충격으로는 쉽게 금이 가지 않고, 일반 유리보다도 3~5배 이상 높은 강도를 가지는 경우가 많습니다. 그리고 깨질때도 보면 날카로운 조각들이 아닌 작은알갱이처럼 부서져 다칠 위험을 줄여주기도 합니다.
강화유리는 재료를 바꾼 것이 아닌, 물리적인 강화는 열처리만으로도 성능을 크게 높일 수 있는 대표적인 공학 기술이 들어갔다고 생각됩니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
강화유리는 유리를 약 600~700도까지 가열한 뒤 표면을 급속 냉각하는 열처리 과정을 거쳐 표면에는 강한 압축응력 내부에는 인장응력이 형성되도록 만들어 집니다 이 표면 압축응력이 외부 충격으로 발생하는 균열의 시작과 전파를 억제하기때문에 일반유리보다 충격과 굽힘에 훨씬 강하며 깨질 때도 날카로운 파편 대신 작은 알갱이 형태로 부서져 부상 위험을 줄어 줍니다
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
강화유리가 강한 비밀은 유리 표면을 미리 압축 상태로 만들어두는 데 있어요. 겉면을 항상 안쪽으로 꽉 눌러놓은 셈이라, 웬만한 충격으로는 깨지지 않는 거예요. 제조 과정과 함께 원리를 풀어드릴게요.
먼저 일반 유리가 왜 잘 깨지는지부터 봐야 해요. 유리는 잡아당기는 힘에 약해요. 유리에 충격이 가해지면 표면이 살짝 휘는데, 이때 휘는 바깥쪽 면이 잡아당겨지거든요. 유리 표면에는 눈에 안 보이는 미세한 흠집이 항상 있는데, 잡아당기는 힘을 받으면 이 흠집이 쫙 벌어지면서 금이 가기 시작해요. 그 금이 순식간에 유리 전체로 번지면서 깨지는 거예요. 그러니까 유리가 깨지는 건 표면의 흠집이 당겨져 벌어지는 데서 시작되는 셈이에요.
강화유리는 바로 이 약점을 정반대로 뒤집어요. 표면을 미리 압축해서 눌러두면, 외부 충격으로 표면이 당겨지려 해도 그 당기는 힘이 먼저 압축을 상쇄하는 데 쓰여요. 표면이 안쪽으로 꽉 눌려 있으니 흠집이 벌어질 틈이 없는 거예요. 충격이 압축을 이기고 표면을 실제로 당길 만큼 강해져야 비로소 깨지니까, 그만큼 훨씬 큰 충격을 견디는 거랍니다. 미리 잔뜩 조여둔 활시위를 떠올리시면 돼요. 이미 팽팽하게 당겨진 상태라 웬만한 힘으로는 더 당겨지지 않는 거죠.
그럼 어떻게 표면을 압축 상태로 만드느냐, 여기에 두 가지 방법이 있어요.
가장 흔한 건 열을 이용한 강화예요. 유리를 700도 가까이 뜨겁게 달군 뒤, 표면에 찬 공기를 확 뿌려 급속도로 식혀요. 그러면 표면은 빠르게 굳는데 안쪽은 아직 뜨거워서 천천히 식어요. 나중에 안쪽이 뒤늦게 식으면서 수축하는데, 이미 굳어버린 표면이 그 수축을 붙잡게 돼요. 그 결과 안쪽은 바깥으로 당기려 하고 표면은 안쪽으로 눌리는 힘의 균형이 생겨요. 이 과정에서 표면이 압축 상태로 굳는 거예요. 자동차 옆유리나 큰 건물 유리가 대부분 이 방식으로 만들어져요.
다른 하나는 화학적 강화예요. 유리를 특수한 소금 용액에 담그는 방법인데, 원리가 재미있어요. 유리 표면에 원래 있던 작은 크기의 원자를 더 큰 원자로 바꿔치기하는 거예요. 작은 자리에 큰 원자가 억지로 밀고 들어가니 표면이 서로 빽빽하게 밀치면서 압축 상태가 돼요. 이 방법은 얇은 유리도 강하게 만들 수 있어서 스마트폰 화면 유리에 많이 쓰여요. 얇으면서도 잘 안 깨져야 하는 곳에 딱이거든요.
깨지는 모양이 다른 것도 이 압축 구조 때문이에요. 강화유리는 내부에 강한 힘이 팽팽하게 균형을 이루고 있어서, 한계를 넘어 깨지는 순간 그 힘이 한꺼번에 풀리며 유리 전체가 순식간에 잘게 부서져요. 날카로운 큰 조각이 아니라 옥수수 알갱이처럼 뭉툭한 작은 알갱이로 부서지죠. 그래서 강화유리를 안전유리라고도 불러요. 깨져도 사람이 크게 다치지 않게 잘게 부서지도록 설계된 거예요. 자동차 유리가 사고 때 알갱이처럼 부서지는 게 이 때문이에요.
다만 강화유리에도 약점이 있어요. 표면의 압축이 강한 대신, 모서리나 옆면처럼 압축이 약한 부분에 충격이 집중되면 의외로 쉽게 깨져요. 스마트폰을 모서리부터 떨어뜨렸을 때 화면이 쫙 깨지는 게 이런 경우예요. 또 한번 강화 처리를 하면 자르거나 구멍을 뚫을 수 없어요. 손대는 순간 그 팽팽한 균형이 무너져 산산조각 나거든요. 그래서 강화유리는 원하는 모양과 크기로 다 자른 뒤에 마지막으로 강화 처리를 해요.
정리하면 강화유리는 표면을 압축 상태로 만들어 흠집이 벌어지지 못하게 막는 원리로 강해져요. 뜨겁게 달군 뒤 표면만 급히 식히거나, 표면 원자를 더 큰 것으로 바꿔치기하는 방식으로 이 압축을 만들어내고요. 미리 표면을 꽉 눌러둔 그 한 끗 차이가 일반 유리와 강화유리의 운명을 가르는 거랍니다 :)