유리이야기 KFGWA가 유리에대한 정보를 알려드립니다.
- 유리
- 정의와 성분! 유리(정의와 성분) : 유리란 고체화되면서 생기는 투명도가 높은 물질인 동시에 점도가
무난히 높은 용액상태로 고체화된 물질을 뜻한다.
유리의 어원
BC 1세기경에, 이태리어에 ‘vitrum’ 이라는 말이 출현하여 현재 불어의 verre, 독어의 vetro, 스페인어의vitro 등으로 변 화되었습니다. 독일에서는 로마에서 수입한 vitrum이 장식용으로 사용된 파리(破璃)와 유사하였으므로 파리(破璃) 의 라틴어인 Glesum 으로부터 변화한 glass 라는 말이 만들어졌습니다.
유리의 정의
유리란 일반적으로 규사, 소다회, 탄산석회 등의 혼합물을 고온에서 녹인 후 냉각하는 과정에서 결정화가 일어나지 않은 채 고체화되면서 생기는 투명도가 높은 물질을 유리라고 합니다. 또한 아무리 끓여도 끓지 않으며 수증기로 증발하 지도 않고 녹았다가 급냉을 시킬 때 그 구조가 매우 불규칙한 특성을 갖고 있습니다. 이렇게 액체상태에서 제자리를 찾 아가지 못하고 그냥 굳어지기 때문에 유리는 열역학적으로 액체(동결된 냉각액체)에 속합니다. 이렇게 차갑게 냉각되 어 굳어진 유리는 너무 빨리 차가워졌기 때문에 상당히 불안정합니다. 강도가 낮기 때문에 쉽게 깨져버립니다. 그래서 이때는 서냉 이라는 과정을 다시 거칩니다.
유리는 고온에서도 점도가 상당히 높은 용액을 냉각시킨 재료이므로 이온결정이나 혹은 금속과 같이 일정한 용융온도 에서 저절로 결정화되는 물질과는 달리 고온의 작업온도에서도 유리구조 단위들(사면체, 팔면체)은 결정격자와 같이 규칙적인 배열을 이루지 못합니다.
유리는 점도가 무한히 높은 용액상태로 고화된 물체입니다. 유리 용융 액(유리 물)을 냉각시키면 열역학적 임계영역을 통과한 후 액체의 구조와 유사한 불안정한 과냉각 액체로 동결되며 유리 용융 액은 냉각 시 준 안정한 상태인 유리상 태로 전환됩니다.
유리 용융 액(유리 물)을 900±100℃에서 장시간 방치하면 내부구조가 규칙적으로 배열되어 결정이 석출되기 때문에 불투명하게 되고 순수 유리로서의 특성을 상실하게 됩니다. 이와 같은 현상으로부터 소위 결정화 유리(유리, glass ceramics)란 새로운 재료가 개발되었습니다. 예를 들어 우주선 기술 등에 사용되는 극한적인 내열성을 가진 재 료를 들 수 있으며, 결정화가 일어났음에도 불구하고 투명한 성격을 갖고 있는 것도 있습니다.
소다-라임 Glass의 원료
| 성분 | 함량 | 사용원료 | 주요기능 |
|---|---|---|---|
| SiO₂ | 70~72 | 규사 | 망목구조기능 |
| Al₂O₃ | 0.1~0.2 | 장석 | 내구성 증대 |
| CaO | 9~10 | 석회석 | 화학적 안정제 |
| MgO | 3~5 | 백운석 | 물리적 안정제 |
| Na₂O | 13~15 | 소다회 | 융점 저하 |
| SO₃ | 0.3 | 망초 | 청징제 |
| Fe₂O₃ | 0.13(0.35~0.55) | 산화철 | 착색제 |
| CoO | (10~40 PPM) | 산화코발트 | 착색제 |
| Se | (30 PPM) | 셀레늄 | 착색제 |
- 일반적 성질
- 판유리의 일반적인 특징 판유리는 광학적 성질, 기계적 성질을 비롯하여 물리적 성질까지
여러 다양한 일반적인 성질을 지닌다.
광학적 성질
- 광학적 성질
- 유리의 굴절율이란 공기 중의 빛의 속도와 유리 중 빛의 속도의 비율을 말합니다.
유리의 굴절율은 가시광선에 대해 약 1.52 입니다.
- 빛의 반사, 흡수, 투과
- 반사율 + 흡수율 + 투과율 = 1
기계적 성질
- 탄성적 성질
- 유리는 상온에서 어떤 방향에서든 동일한 탄성적성질을 갖는 등방성 물질입니다.
- 강도
- 유리는 그 원자 결합상 공유 결합을 기본으로 하고 있기 때문에 이론적인 강도는 이 공유 결합력에 의해 상당히 높게 나타납니다. 그러나 실제로 유리가 높은 강도를 나타내지 못하는 이유는 유리 표면에 생성된 흠집(Flaw) 때문입니다. 이러한 흠집은 유리 제조 공정 중에서 또는 제조된 유리를 취급하는 과정에서 형성됩니다.
- 경도
- 다이아몬드 압자로 유리 표면에 힘을 가하면 초기에 탄성 변형이 일어난 다음에 소성 변형이 일어나고 마침내 균열이 일어납니다. 이때, 눌린 압자 자국의 크기로부터 경도를 측정할수 있습니다.
- 연화온도
- 유리가 연화하기 시작하는 온도로 작업 온도범위의 최하한치입니다.
판유리의 물리적, 기계적 성질
| 구분 | 수치 | 물성 |
|---|---|---|
| 굴절율 | 약 1.52 | 태양광의 최대속도가 공기중에서 유리속으로 들어가게 되면, 광은 유리를 구성하고 있는 이온들과의 상호작용으로 광속도로 감소된 다. 이 때 수직입사광일 경우 광로가 변하지 않지만 사각의 입사 광일 경우 굴절이 일어난다. |
| 반사율 | 약 8% (수직입사) | 유리면에 비친 광선은 일부가 반사 또는 흡수되고, 나머지는 직접 투과한다.반사율은 입사각에 따라 다르지만 수직입사이면 광선이 대기중에서 판유리로 들어올 때 또는 나갈 때 입사광선의 약 8% 가 반사한다. |
| 비열 | 0.18cal/g℃(0~50℃) | 물질 1g을 1℃올리는 데 필요한 열량을 의미한다. 조성 및 온도에 따라 변하며 일반적으로 온도가 증가할수록 비열은 증가한다. |
| 연화온도 | 720~730℃ | 유리는 결정체와는 달리 녹는점이 분명하지 않고, 점도는 온도의 상승에 따라 반대로 감소한다 이값은 점도가 4.5 x 107 Poise인 온 도를 가리킨다. |
| 열전도율 | 0.65℃kcal/mhr℃ | 사료 양면의 온도차이로 인하여 물체의 단위면적과 단위두께, 단 위시간에 통과하는 열량을 가리키는데, 단위는 kcal/mhr℃, W/mk Btu/fthr˚F로 나타낸다. |
| 비중 | 2.5 | 어떤 물질의 질량과 이것과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과 의 비율을 의미한다 |
| 열팽창율 | 8.5×10-6/℃(20~300℃) | 일반적으로 유리는 온도가 증가함에 따라 팽창하며 이때 선팽창의 비를 온도차로 나눈 평균 선팽창계수를 열팽창율(열팽창계수)라고 한다. |
| 포아송비 | 0.25 | 재료의 압축 또는 인장응력에 의해 발생되는 세로 방향의 변형과 가로방향의 변형비를 말한다. |
| 모스경도 | 약 6.5도 | 금강석을 10으로 했을때의 상대경도를 말한다. 참고) 형석 4도, 인회석 5도, 장석 6도, 석영7도, 금강석 10도 |
| 표면항장력 | 약 500kg/㎤ | 인장강도 혹은 횡응력, 표면저항력이라고도 하며 휨모멘트에 의하 여 일어나는 인장응력 저항치를 말한다. |
| 압축강도 | 6,000~12,000kg/㎠ | 물체가 휨모멘트를 받으면 중립축의 윗부분에는 압축응력이 일어나 고 아랫부분은 인장응력이 일어나게 되는데, 발생하는 압축응력에 대한 저항차를 압축강도라 한다. |
| 영율 | 750,000kg/㎠ | 압축 혹은 인장 시의 탄성계수를 말하며 영계수 혹은 종탄성계수라 고도 한다.일반적으로 유리는 하중이 적은 동안은 탄성적으로 변 하며 응력과 전 변형량에 비례한다. |
| 내후성 | 변화없음 | 구조, 강도 및 표면상태 등이 일정기간에 걸쳐서 사용에 견딜 수 있 는 품질을 유지하고 있는 정도로서 실제로 유리표면이 대기의 영향 을 받지 않는다고 할 수 는 없지만, 유리 내부구조는 거의 변하지 않는다. |
- 분류
- 다양한 유리! 산업의 발전에 따라 새로운 용도의 유리가 요구되고 신기능 유리가 개발되면서,
유리는 조성, 형태 , 용도에 따라 구분된다.
| 판유리 | 코팅유리 | 전자용유리 | 용기유리 | 광학유리 | 섬유유리 | 기타유리 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 기존유리 | 건축용판유리, 강화유리 접합유리, 복층유리 무늬유리, 망입유리 마판유리, 열선흡수 판유리, 붕규산유리, 규산알루미늄 유리 | 거울, 반사유리, 스팬드럴유리, 미장유리 | 형광등 유리, 전구유리, TV벌브유리 | 병유리, 식기유리, 공예유리, 법랑유리, 내열 붕규산 유리용기, 앰플유리 | 안경용 렌즈 유리, 광학유리, 프리즘유리, 구면반사경 | 단열재용 유리솜, 유리장섬유, 암면 | 스테인드 글라스, 크리스탈 유리, 장식유리, 유리블록, 타일용 프리트, 온도계 유리 등 |
| 신기능유리 | PDP 판유리, LCD 기판유리, HARD DISK 기판유리, 태양전지 기판유리, 박판유리, 유백판유리, 건축용 결정화유리, 판형 무팽창유리 |
전도성 코팅유리, 무반사 코팅유리, 발수유리, Low-E유리 (단열유리), 박막형 태양전지, 자외선 차단유리, 전자파 차폐유리, LCD용 컬러필터, 태양광 선택 차단유리 | 반도체용 석영유리, 봉착용 전자기능유리, 저온소결 HIC기판, 이온전도성 유리, 포토마스크 기판유리, 광학디스크 기판유리, | 고내열 결정화유리, 고강도 결정화 식기유리 | 광학필터, 카메라용렌즈, 포토크로믹 유리, 레이저유리, 굴절율 분포유리, 광도파로 광파장 변환소자, 비구면반사경 | 광파이버, 마이크로 파이버, 광파이버 증폭기, 미라플렉스 | 생체기능유리, 발포유리, 내열 결정화유리, 건축용 결정화유리, 현무암계 결정화 유리등 |
- 유리의 제조과정
- 녹여서 만드는 유리! 유리는 여러가지 원료로 배합, 용해, 성형, 급냉, 서냉 과정을 거쳐서
여러가지 형태의 유리제품을 만들 수 있습니다.
유리의 정의
유리는 녹여서 만들기 때문에 여러가지 형태의 유리 제품이 가능합니다. 물론 이 때 완전히 녹은상태에서는 형상을 이루는것이 힘듭니다. 이를테면 엿을 한번 생각해보십시오. 엿이 녹아서 막 굳어지려고 하는 물렁물렁한 상태, 그 상태를 생각하시면 됩니다. 그 상태에서 여러가지 형상의 유리제품을 만들수 있습니다.
유리를 만들기 위해서는 일단 원료들이 필요합니다. 우리가 사용하는 병유리나 판유리는 거의 다 소다석회유리로 만들어진답니다. 왜 소다석회유리라는 이름이 붙었을까요? 그것은 바로 소다(Na2O)와 석회(CaO)가 들어갔기 때문 입니다. 원래 SiO2는 뛰어난 성질을 가지고 있습니다. 높은 내열성(높은 온도에서 잘 견딜수 있다는 뜻)과 높은 내열충격성(높은 온도에서의 충격에 강하다는 뜻)을 가지고 있습니다. 하지만 이 SiO2의 단점은 녹는점이 매우 높다는 것입니다. (약 2,000℃ 이상입니다.) 녹는점이 높으면 연료비가 엄청나게 올라갑니다.
1℃에서 100℃까지 온도를 올리는 것은 쉽지만 1600℃에서 1700℃까지 온도를 올리는 것은 막대한 열이 필요합니 다. 그러면 자연적으로 유리의 단가가 높아지게 됩니다. 이것을 위해서 Na2O나 CaO, MgO,Al2O3를 넣어주게 되면 원래 석영유리(SiO2로만 이루어진 유리를 석영유리라고 합니다.)의 장점(위에서 얘기한 내열성, 내열충격성)을 최대한 살리면서 녹는점을 많이 낮출 수 있습니다. 그래서 조성성분들이 저렇게 되는 것 입니다. 왜 양이 저만큼 씩 들어가는가에 대한 이유는 여러 실험 결과를 거쳐 위와 같은 최적조성이 나왔기 때문입니다.
배합과정
소다와 석회등의 원료들을 섞는 과정. 배합과정에서는 이 원료들을 아주 잘, 골고루 섞는 것이 중요합니다. 조금이라도 잘 섞이지 않은 부분이 있으면 품질에 영향을 주는 요인으로 작용하기 때문 입니다.
용해과정
배합과정 후 잘 혼합된 원료들을 용해로(furnace)에넣고, 1300-1500℃까지 가열 시킵니다. 이때 원료들이 녹으면서 끈적끈적한 액체(유리물)상태로 변하게되는 것입니다.
성형과정
펄펄 끓는 녹은 유리물을 성형틀안에 부어 넣습니다. 성형틀은 보통 금속조가 사용됩니다. 이 금속조에서는 용해공정에서 제품성형에 알맞게 용해된 유리물을 적절한 두께(제품형태)로 만들어 주며 이 과정중에 품질에 영향을 주는 많은 요소들이 결정되어 집니다.
서냉과정
유리물이 급속하게 굳어진 경우 유리는 매우 불안정한 상태가 됩니다. 이때는 살짝만 건드려도 그냥 깨져 버리게 됩니다. 이에 성형된 유리물을 서냉로에 넣고 서서히 온도를 낮춰가면서 완전한 제품의 유리가 탄생하게 되는 것 입니다 .- 유리의 색상
- 다채로운 유리! 유리는 일정한 색을 띄는 특징이 있으며, 여러 혼합물에 따라 다양한 색을 내는
산화물로 인해 여러가지 색을 띌 수 있다.
유리가 색을 띄는 원인
유리가 색을 띠는 원인에 대해서는 유리혼합물에 섞여서 함께 녹은 어떤 물질이 적절한 조건에서 유리에 색을 띄게 한다는 사실 이외에 알려진 바가 거의 없습니다. 색을 내는 물질은 일반적으로 금속산화물입니다. 같은 산화물 이라도 섞이는 유리 혼합물에 따라 다른 색을 낼 수 있으며, 같은 금속이라도 산화상태가 다르면 다른 색을 띌 수 있습니다
항상 일정한 색을 내는 산화물
같은 산화물이라도 섞이는 유리 혼합물에 따라 다른 색을 낼 수 있으나 코발트의 자청색, 크롬의 크롬녹색이나 황색, 우라늄의 이 색성을 갖는 선황색, 망간의 자주색 등은 항상 일정한 색입니다.
유리혼합물에 따라 다양한 색을 나타내는 산화물
산화 제1철은 섞이는 유리에 따라 황록색이나 옅은 청색을 띕니다. 산화 제2철은 황색을 띠지만, 제1철 상태로 환원되는 것을 방지하기 위해서는 산화제가 필요합니다. 납은 옅은 황색을 띕니다. 산화은을 안료로 섞어서 유리 제품의 표면에 엷게 바르고 열을 가하면 영구히 변하지 않는 노란색을 얻을 수 있습니다. 잘게 분쇄한 식물의 숯을 소다석회 유리에 가하면 노란색을 띕니다.
아(亞)셀렌산염과 셀렌산염은 옅은 분홍색이나 분홍빛 황색을 띕니다. 텔루르는 옅은 분홍색을 띕니다. 니켈을 칼리-납 유리에 첨가하면 보랏빛을 띄고, 소다-석회 유리에 첨가하면 갈색을 띕니다. 구리는 광택 있는 청색을 띄는데, 이때 산화구리의 비율이 커지면 녹색으로 변합니다.
또 다른 중요한 종류로는 셀렌화물인 칼코게니드 유리가 있으며, 이는 다양한 비율의 탈륨·비소·텔루르·안티 몬등을 갖습니다. 이 유리는 비정질 반도체로 작용하며, 광전도성을 가지고 있어 중요하게 쓰입니다.