유리(GLASS) 이야기 2

강화유리는 왜 잘게 파괴됩니까?

[기계적 성질] 유리제품의 파괴원인은 어떻게 알 수 있나요?

건축물 창호의 유리가 파괴되는 원인을 분석하면, 열에 의한 열충격(thermal shock), 유리에 가해지는

압력(applied pressure), 예리한 물체의 충격(Impact) 등으로 구분할 수 있습니다.

판유리의 열파손의 경우 사진과 같이 유리 모서리 부근에서 시작된 1 개의 균열이 모서리를 중심으로 구불구불한 형상으로 진행되는 경향을 나타낸다고 합니다.

압력의 변화 혹은 외압을 가한 경우 발생되는 파괴형태는 균열 시작점으로부터 파괴 면이 분리되어 갈라지고, 방사형태로 균열이 진행되는 것이 특징인데요.

판유리의 경우도 충격 또는 외압을 받으면 프레임과 접하는 모서리부터 여러 개의 균열이 시작되는 형태를 관찰할 수 있습니다.

날카로운 물체로 유리에 강한 충격을 주면, 그 파괴형태는 percussion cone(충격에 의한 작은 구멍)으로 나타나는데요. 또한 이러한 충격이 아주 크지 않은 경우에는 눈에는 관찰되지는 않으나 충격점의 내측으로 굴곡응력(flexure stress)이 발생하고, 굴곡응력과 마찬가지로 충격점 보다 약간 떨어진 곳에서 hinge stress 가 발생합니다. 실험적 보고에 의하면 통상 4900 kgf/cm2 에도 파괴되지 않은 판유리가 굴곡응력이 내재된 경우에는 350 kgf/cm2 에도 쉽게 파괴되기도 한다고 하네요.

따라서 유리 표면에 돌가루 등이 날아와 부딪치거나 날카로운 물체와 자주 접하게 되면 작은 충격에도 유리가 쉽게 파괴될 수 있습니다, 예를 들면 병유리의 경우 유리를 바닥에 자주 굴리거나 긁히게 하면 쉽게 깨질 수 있습니다.

자동차 유리가 파손되는 주된 원인은 선행 차량의 낙석에 의한 것이며, 두 번째로는 선행 차량의 타이어로부터 튀어나온 돌에 의한 것입니다. 이러한 낙석은 전면유리에 흠집을 유발하고, 이 흠집이 파괴의 출발점이 되어 방사상 형태의 균열이 나타나게 됩니다. 통상적으로 이러한 균열의 출발점 주위에는 흠집의 크기가 약간 작은 1 - 2 개의 유리 파편이 존재하는 것이 특징입니다.

[기계적 성질] 강화유리는 왜 잘게 파괴됩니까?

우리는 박물관에서 아주 오래된 도자기 표면을 자세히 관찰하면 가느다란 잔금을 볼 수 있습니다. 이러한 잔금은 도자기를 불에 구울 때 도자기의 원재료인 점토와 표면에 광택을 내기 위해 바르는 유약(釉藥)과의 열팽창계수(소재의 온도가 1℃ 상승함에 따라 늘어나는 정도를 나타내는 수치로 단위는 10-7/℃)의 차로 인해 발생합니다. 즉 도자기에 바른 유약과 점토를 동일하게 온도를 올렸다가 식히면, 서로 줄어드는 속도 차가 발생하고, 이러한 차이로 결국 유약층의 변형을 일으켜 가는 잔금을 만들게 됩니다.

우리 일상에 가까이 접할 수 있는 욕실의 샤워부스, 상가출입문, 유리캐노피등 사용 중 충격을 받기 쉬운 곳이나 고층건물의 외부유리, 유리그릇, 자동차유리등에는 일반유리를 고온(620℃)으로 가열한 뒤 공기를 불어넣어 빠르게 냉각시켜 만드는 강화유리라는 유리를 사용합니다. 강화유리도 우리 눈에는 볼 수 없으나, 열팽창계수가 다른 2 개의 유리층이 같이 공존하고 있다고 할 수 있습니다. 즉 유리의 표면은 저 팽창 유리층, 유리 내부는 고 팽창 유리층이 됩니다.

따라서 외부 충격이 가해져 압축응력과 인장응력의 균형이 깨지면, 유리 표면과 내부의 열팽창계수 차이로 인해 잘게 파괴되는 속성이 그대로 나타납니다. 이러한 유리를 강화유리 또는 완전강화유리(tempered glass)라고 합니다.

또한 강화유리에서 저 팽창 유리층의 두께가 얇게 되면(도자기 유약층이 더 얇으면), 열팽창계수 차이로 인한 변형 속성이 적어져 깨진 파면의 크기가 커지고, 파편의 수는 줄어듭니다. 이런 유리를 반강화유리 또는 배강도유리(heat strengthened glass)라고 합니다.