강화유리 - 세종판유리

강화유리란?

일반 판유리를 연화온도에 가까운 670℃~710℃로 가열하고 압축해 냉각공기로 급냉시켜 유리 표면부를 압축, 변형 시키고 내부를 인장변형시켜 강화한 유리입니다. 보통 유리에 비해 굽힘강도는 3~5배, 내충격은 5~8배 강화되며, 내열강도(열충격저항)는 일반유리의 경우 약 80℃(유리 두께 3mm, 크기 10cm x 10cm)가 파손되지 않는 온도차의 한계이지만, 강화유리의 경우 약 180℃(일반유리 시편과 동일) 정도로 약 2배 이상 열충격 저항이 큽니다.

판유리의 종류

유리가 깨지는 이유는 유리에 외력이 가해 지면 유리 표면에는 압축응력이, 그 반대측 유리 표면에는 인장응력이 작용하기 때문 입니다. 만일 그림과 같이 반대측 유리면에 압축응력 이 작용하도록 하면, 인장응력에 저항할 수 있는 힘이 형성되므로 유리는 깨지기가 어렵게 됩니다. 강화유리는 이와 같이 일반 유리와 달리 유리 표면에 압축응력이 형성되어 있기 때문에 강도가 높습니다.

강화유리는 float glass를 약 700℃로 가열하였다가 급속히 냉각시키는 열처리 공정에 의해 만들어 집니다.
과거 대장간에서 쇠붙이를 불에 달구었다가 물 속에 급히 식히는 열처리(담금질) 과정을 연상하시면 됩니다.
다른 점이라고 한다면 강화유리는 물 속에 넣는 것이 아니라 찬 공기를 유리 표면에 불어 준다는 점입니다.
강화유리의 유리 표면 압축응력층의 깊이는 유리 두께(d)의 약 15% 정도이고, 양쪽 유리 표면에 형성되어 있습니다.

이들 유리 표면의 압축응력은 70-200MPa이며, 평균적으로 약150MPa(1MPa은 10.1972kgf/cm2이므로 약 1,530 kgf/cm2)정도입니다. 또한 압축응력층의 깊이는 보통 100-300mm이고, 이 압력 응력을 파괴하기 위한 강도(MOR = modulus of rupture)는 최소 1500kgf/cm2 정도이어야 합니다. 물론 유리의 두께에 따라서 약간의 차이는 있으나 실험 적인 결과에 의하면 일반유리의 강도(MOR)는 약 500kgf/cm2 정도이므로 약 3배 정도 강화유리가 약3배 정도 강화 유리가 강합니다. 또한 일반유리는 인장강도가 약 1,000kgf/cm2이지만, 압축강도는 인장강도에 비해 약10배 정도 입니다. 반면 강화유리는 인장강도가 일반유리에 비해 약 3배 정도 크고, 압축강도 역시 약 1.5배 정도 큽니다.

실용적으로 사용되고 있는 충격강도(Impact strength)는 일반유리가 약 1kgf/m 정도(두께 5mm 기준)이지만, 강화 유리의 경우는 약 5.5kgf/m 정도(두께 5mm 기준)로 5배 강도가 큽니다. 이러한 강화유리는 자동차와 철도 차량 용 유리, 바람에 대한 높은 저항 특성이 요구되는 고층 빌딩의 외벽용 유리로 사용되고 있습니다.

유리는 외부에서 어떠한 힘이나 충격이 가해지면 탄성적으로 아주 적은 양의 변형을 일으킵니다. 즉 유리도 휠 수는 있으며 힘을 빼면 원래대로 돌아옵니다. 그러나 탄성영역 이상으로 큰 힘이 가해지면 깨지고 맙니다. 금속처럼 찌그러지거나 늘어나는 소성변형이 없기 때문입니다. 유리의 표면은 우리 눈에는 맑고 깨끗해 보이나 실제로는 미세한 균열이 많이 존재하고 있으며, 외부의 힘을 받을 때 이 균열들이 자라나서 유리는 깨어지게 됩니다.

그렇다면 어떤 열처리를 유리에게 한 것일까요? 소위 템퍼링(Tempering)이라고 부르는 열처리는 유리를 고온으로 유지한 후 유리면의 양쪽에서 대칭적으로 찬바람을 불어 주는 방법입니다. 그리하여 유리의 표면과 내부에 각각 압축응력과 인장응력이 생기게 하는 것입니다. 즉 유리 표면에 유리를 깨려고 하는 힘의 반대가 되는 인위적인 압축응력을 생기게 하여 강화를 시키는 것입니다. 유리에게 외부에서의 충격 등으로 힘을 가한다는 것은 유리를 휘게 하거나 당기는 등의 인장(Tension)응력을 가한다는 의미이다. 일반적인 유리는 인장응력에 유리에 가해질 때 그 유리의 강도(Strength)가 외부에서 가해진 인장응력보다 적으면 유리는 깨어찝니다. 그런데 템퍼링 강화처리를 받은 유리는 그 표면에 오히려 압축응력이 영구적으로 생기게 되므로, 즉 인장에 반대되는 힘이 생기는 것이다. 예를 들어 유리의 강도가 100이라면 유리표면의 응력이 -300정도가 되는 처리가 된다는 것이다. 다시 말하면 100의 힘으로 유리를 당기면 300의 힘으로 유리가 깨지지 않으려고 반대로 버틴다는 것입니다. 이 경우 유리가 400 정도로 즉 4배가 강화되었다고 말할 수 있습니다.

한편 유리의 내부는 압축이 걸려 있는 유리 표면과는 달리 오히려 인장응력이 걸려있고 보통 그 값이 유리의 강도를 넘습니다. 그런데도 깨어지지 않는 것은 유리의 양쪽 표면에 걸린 압축응력으로 인해서입니다. 유리가 깨어질려면 먼저 유리 표면에 있는 보이지 않는 미세한 균열이 자라야 합니다. 그런데 그 균열자체가 압축응력으로 꼭 눌려져 있어 그 압축응력과 유리의 강도를 합한 값보다 큰 응력이 외부에서 걸리지 않으면 균열이 자라지 않고 따라서 유리는 깨지지 않습니다. 그런데 만약 외부에서 큰 충격이 오거나 돌같은 것이 유리창에 부딪히면 유리는 폭발적으로 깨어져 무너져 내립니다. 그 이유는 딱딱한 물체가 고속으로 부딪혀 새로는 균열이 발생하고 이 균열이 인장응력이 이미 걸려있는 유리내부 영역으로 들어오면서 순간적으로 인장응력이 해소되기 때문입니다. 꼭 사람같으면 스트레스가 꼭 눌려져 있다가 어떤 계기로 폭발된 것과 같다할 수 있습니다. 이 때 유리가 열을 발생하여 그 내부의 인장응력을 해소할 수도 있으나 열전도도가 작은 유리의 성질로 인해 그것은 미미합니다. 그 대신 표면에너지를 발생하여 그 스트레스를 해소합니다. 다시 말하면 유리는 잘게 부서져 그 표면을 많이 만들어 표면에너지의 증가를 꾀하고, 깨어질 때 잘게 부서져 무너져 내릴 수 밖에 없습니다. 에너지 보존 법칙의 한 모습입니다.

또한 유리가 깨어질 때도 주사위 모양의 각진 모습으로 깨어질 수 밖에 없다. 왜냐하면 균열은 응력의 수직방향으로 자라기 때문입니다. 템퍼링을 하면 유리에 걸리는 응력은 가로 세로 방향으로 균일하며 각각의 응력 방향에 수직으로 균열이 자랍니다. 따라서 주사위 모양으로 잘게 부서져 순식간에 무너져 내리는 것입니다. 실제 깨진 유리의 조각이 모습이 다르고 불규칙한 것은 템퍼링하고 난 후 유리의 응력분포가 이론적인 것처럼 균일 하지 않기 때문입니다.

이와 같이 유리를 템퍼링이라는 방법을 사용하여 강화시키면 그 강도도 높아질 뿐 아니라 파괴가 일어날 때 사람에게 안전하게 날카롭지 않은 모양으로 깨집니다.

강화유리와 일반유리의 파손괸 파편의 형태 비교

강화유리에 압축응력이 생기는 이유

강화 유리의 제조공정에서 일반 float 유리를 연화점 (softening point, 유리가 유동성을 가질 수 있는 온도를 의미 하며, 일반 소다석회 유리의 경우 약 650-700℃)까지 가열 하였다가 유리 표면에 균일하게 찬 공기를 불어 주면 유리는 급격하게 줄어드는 힘이 발생합니다.

그러나 유리의 열전도율(0.65kcal/m hr℃)은 금속(45 kcal /m hr℃) 보다 작기 때문에 유리 내부는 바로 식지 않습니다.

그래서 그림과 같이 유리 표면층에 압축응력이 발생하고 그 반응력으로 유리 내부는 인장응력이 발생하게 됩니다. 결국 유리가 실온상태에 도달하면 한 장의 유리에는 인장응력과 압축응력의 균형이 이루어지고, 유리의 표면은 영구 적인 압축응력층으로 둘러싸이게 됩니다. 만약 외부의 강한 충격으로 유리 표면의 압축응력층이 저항할 수 없게 되거나 압축응력층을 넘어 유리 내부인 인장 응력층까지 충격이 전파되면 유리 내의 응력균형은 깨지게 되고, 순간적으로 유리가 잘게 파괴됩니다.

강화유리를 절단할 수 없는 이유

강화유리를 다시 절단하는 것은 사실 불가능합니다.
즉 강화처리하기 전에 정해진 크기 혹은 모양으로 절단해 두어야 합니다.
강화유리의 유리 표면에는 외부 하중에 견딜 수 있도록 압축응력이 형성되어 있으며, 유리 내부에는 이를 보완하기 위해 인장응력이 형성되어 균형을 이루고 있는 상태입니다.
따라서 절단에 의한 외부 균열이 가해질 경우 원하는 절단방향으로 균열이 진행되는 것이 아니라 순간적으로 잘게 파괴되는 현상이 나타납니다.

강화유리가 일반 유리보다 열에 잘 견디는 이유

유리가 고온에 견디는 성질은 2가지 측면으로 생각해 볼 수 있습니다. 밀폐된 고온 공간(가열로)에서 유리가 열에 견디는 성질과, 유리 밑바닥 만을 가열하는 경우 열에 견디는 성질로 생각 해 볼 수 있습니다.

먼저 밀폐된 고온 속에서 견디는 성질은 유리가 열에 녹아 버리는 성질에 대한 저항을 의미하며, 유리를 부분 가열했다 냉각했을 때 견디는 성질은 열충격(thermal shock)에 대한 저항을 의미합니다. 열충격이란 고온으로 가열된 유리를 저온으로 급속히 냉각시킬 때 유리의 변형을 유도하는 힘으로, 유리 표면과 내부의 열팽창계수 차이로 인해 유리 표면 에는 인장력이, 반대로 유리 내부에는 압축력이 가해지고, 이러한 힘의 차이가 커지면 변형이 발생되어 결국 유리가 깨지게 됩니다. 열에 의해 유리가 녹는 성질은 일반 유리나강화 유리나 차이가 없습니다.

즉 이러한 물성은 근본적으로 유리를 구성하는 성분의 차이로 구별될 수 있기 때문입니다. 반면 열충격저항(thermal shock resistance)은 열팽창계수가 낮거나 유리의 두께가 아주 얇아서 유리 표면과 내부의 온도 차가 적은 경우에 커집니다. 물론 유리 자체의 고유한 열팽창계수가 낮은 경우에는 열충격 저항 뿐만 아니라 고온에서도 일반 유리보다 오랜 시간 녹지 않고 견딜 수 있습니다. 실용적으로 사용되고 있는 이런 유리를 내열유리라고 부릅니다.

강화유리는 열처리 후 급냉 처리하여 유리 표면에 압축응력을 형성시킨 유리입니다. 이러한 압축응력이 형성된 유리 층은 일종의 열팽창계수가 낮은 유리질로 구성되어 있는 것과 마찬가지 압니다. 만약 강화유리의 표면에 열에 의해 인장력이 가해져도 이미 형성된 유리 표면의 압축응력에 때문에 유리는 잘깨지지 않게 됩니다. 실험적 보고결과에 의하면 일반 유리의 경우 약 80℃(유리 두께 3mm, 크기 10cm x 10cm) 가 파손되지 않는 온도차 의 한계이지만, 강화유리의 경우 약180℃(일반유리 시편과 동일)정도로 약 2배이상 열충격저항이 큽니다. 하지만 일정기간 계속되는 소성로 가마등이나 직접열에 장기간 닿을 경우 파손의 위험이 큽니다. 따라서 이런 경우에는 내열유리를 사용하시는게 바람직합니다.