강화 유리는 일반 유리보다 왜 더 강한가요? 제조 과정에서 어떤 화학적 또는 물리적 변화가 일어나는지 궁금합니다.

Question

안녕하세요~ 강화유리가 일반 유리보다 더 강하잖아요..

강화 유리는 일반 유리보다 왜 더 강한가요? 제조 과정에서 어떤 화학적 또는 물리적 변화가 일어나는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

강화유리는 먼저 일반 유리를 고온, 보통 600~700℃ 정도까지 가열합니다. 이때 유리 전체가 균일하게 뜨겁게 달궈집니다. 그 다음 단계에서 급속 냉각을 진행합니다. 표면은 차가운 공기나 액체에 의해 빠르게 식으면서 단단하게 굳어지고, 내부는 상대적으로 늦게 식습니다. 이 차이 때문에 유리 표면에는 압축 응력이, 내부에는 인장 응력이 형성됩니다. 이렇게 서로 반대 방향의 응력이 균형을 이루면서 외부 충격이 가해져도 쉽게 균열이 퍼지지 않게 됩니다.

또 다른 방식으로는 화학적 강화법이 있습니다. 이 경우 유리를 특정한 용액에 담가서 표면의 작은 나트륨 이온을 더 큰 칼륨 이온으로 교환합니다. 칼륨 이온은 나트륨보다 크기 때문에 표면에 더 강한 압축 응력이 생기고, 결과적으로 얇은 유리도 강도를 크게 높일 수 있습니다. 스마트폰 액정이나 고급 광학 제품에 주로 쓰이는 방식입니다.

이러한 응력 구조 덕분에 강화유리는 일반 유리보다 약 4~5배 정도 강하고, 열 충격에도 잘 견딥니다. 게다가 깨질 때도 날카로운 큰 파편 대신 작은 입자로 부서져서 안전성이 높습니다. 다만 한 번 강화된 유리는 절단이나 추가 가공이 불가능하다는 제약이 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 강화유리가 일반 유리보다 강한 이유는 제조 과정에서 유리 내부에 특별한 압축 응력 구조가 만들어지기 때문입니다. 강화유리는 일반 유리를 약 600~700°C 정도의 고온까지 가열한 뒤, 공기를 이용해 표면을 급격히 냉각시키는 열 강화 방식으로 만들어집니다. 이 과정에서의 물리적 변화에 대해 설명드리자면, 유리를 고온에서 가열하면 유리 내부 구조가 부드러워지는데 그 상태에서 표면을 먼저 급속 냉각합니다. 이후 표면은 먼저 굳고, 내부는 천천히 식으면서 수축하는데 이 과정에서 표면에는 압축력, 내부에는 인장력이 형성되는 것입니다. 이러한 응력 구조 때문에 유리는 쉽게 깨지지 않게 됩니다. 이때 유리는 기본적으로 당기는 힘인 인장력에는 약하고 누르는 힘인 압축력에는 강한 재료인데요, 강화유리의 경우 표면에 압축 응력층이 형성되어 있기 때문에 외부에서 충격이 가해져도 먼저 그 압축력을 이겨내야 균열이 발생합니다. 따라서 일반 유리보다 약 3~5배 정도 강한 강도를 가지게 되는 것입니다.

또한 열처리 방식 외에도 화학적 방법으로 강화하는 기술도 적용이 되는데요, 이 방법은 유리를 칼륨 이온 용액 등에 담가 작은 나트륨 이온을 더 큰 칼륨 이온으로 교환시키는 방식이며 큰 이온이 표면에 들어가면서 표면이 눌리게 되어 압축 응력층이 형성됩니다. 이 기술은 스마트폰 화면 유리 같은 고강도 유리에 많이 사용되고 있습니다. 감사합니다.