강화 유리
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1. 개요
강화 유리는 연마판유리를 급랭시켜 표면에 압축 응력을, 내부에 인장 응력을 갖도록 만든 유리로, 일반 유리의 5~10배 강도를 가진다. 파손 시 작고 둥근 조각으로 부서져 안전성을 확보하며, 자동차 창문, 건축물, 가전제품 등에 널리 사용된다. 제조 방법은 열 강화 공법과 화학 강화 공법이 있으며, 열처리 과정에서 불순물 유입이나 응력 불균형으로 자파 현상이 발생하기도 한다. 1874년 프랑수아 바르텔레미 알프레드 로이에 드 라 바스티가 최초로 개발했으며, 황화 니켈 개재물, 설치 중 손상, 열 응력 등으로 인해 자연 파손될 수 있다.
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| 강화 유리 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 안전 유리 |
| 용도 | 차량 창유리 건축 가구 |
| 특징 | |
| 장점 | 일반 유리보다 강도가 높고, 파손 시 작은 조각으로 부서져 안전함 |
| 단점 | 파손 시 전체가 즉시 파괴될 수 있으며, 재단이나 구멍 뚫기가 어려움 |
| 제조 과정 | |
| 가열 | 유리를 연화점 근처까지 가열 |
| 냉각 | 표면을 급랭시켜 압축 응력층 형성 |
| 추가 정보 | |
| 기타 명칭 | 강화 유리 안전 유리 |
2. 특성
강화 유리는 연마된 판유리에 공기를 뿜어 표면을 급랭시켜 만든다. 이 과정에서 유리 표면에는 압축 응력이, 내부에는 인장 응력이 발생하여 일반 유리에 비해 강도가 5~10배 정도 높아진다. 이러한 응력 상태는 유리가 열에 의해 팽창하고 수축하는 성질을 이용한 것이다.
강화 유리는 외부 충격 등으로 미세한 흠집이 생겨 압축층을 넘어 금이 진행되면, 내부의 인장력 때문에 유리 전체가 순간적으로 파쇄된다.[20] 그러나 파손 시 날카로운 칼날 모양이 아닌 대부분 입자 형태로 부서지기 때문에 플로트 판유리에 비해 비교적 안전하다.
높은 탄성률과 강성률을 가지면서 투명한 유리는 매우 유용한 소재이지만, 깨지기 쉬워 충격을 받으면 깨진다는 단점이 있다. 강화 유리는 이러한 단점을 보완하기 위해 표면을 압축하여 파괴 저항성을 높인 유리이다.
강화 유리는 그 구조상 가공할 수 없으므로, 제품 제조 공정의 마지막 단계에서 강화 과정이 이루어진다.
강화로 인한 응력 패턴은 편광 선글라스와 같은 광학 편광자를 통해 관찰할 수 있다.
2. 1. 강도
강화 유리는 일반 유리보다 강도가 약 5~10배 더 강하다. 이는 연마된 판유리에 공기를 뿜어 표면을 급랭시키는 방식으로 만들어지는데, 이 과정에서 유리 표면에는 압축 응력이, 내부에는 인장 응력이 발생한다. 이러한 응력 상태는 유리가 열에 의해 팽창하고 수축하는 성질을 이용한 것이다.[1]완전히 강화된 6mm 두께의 유리는 최소 69MPa (10000psi)의 표면 압축 또는 67MPa (9700psi) 이상의 가장자리 압축을 가져야 한다.[3] 안전 유리로 간주되려면 표면 압축 응력이 100MPa를 초과해야 한다.
압축 표면 응력은 강화 유리에 강도를 더한다. 일반 유리는 표면에 미세한 균열이 존재하는데, 인장력이 가해지면 균열이 빠르게 확산되어 유리가 불규칙하고 날카로운 조각으로 부서진다.[4] 반면 강화 유리는 표면에 가해지는 압축 응력이 이러한 결함의 확산을 억제한다.
강화 유리의 강도는 표면의 압축 응력 덕분이지만, 표면에 흠집이 생겨 힘의 균형이 깨지면 잘게 부서진다. 따라서 유리칼로 자를 수 없으며, 억지로 자르려고 하면 작은 조각으로 부서진다. 하지만 일반 유리처럼 파편에 의해 사람이 다치는 일은 드물다.
강화 유리는 강화 전에 크기에 맞춰 절단하거나 성형해야 하며, 강화 후에는 재가공할 수 없다. 유리의 가장자리 연마 또는 구멍 뚫기는 강화 공정 전에 수행된다. 유리에 균형 잡힌 응력이 가해지기 때문에 어느 한 부분이라도 손상되면 유리가 작은 조각으로 부서진다.
강화 유리는 파손 시 날카로운 조각이 아닌 작은 입자 형태로 부서지기 때문에 플로트 판유리에 비해 비교적 안전하다. 이러한 특징은 차량, 학교, 크레인 게임 기기 등에 사용되는 이유 중 하나이지만, 반대로 방범 성능은 낮다.[20]
화학강화유리는 이보다 더 강한 유리로, 유리의 나트륨을 이온반경이 큰 칼륨으로 치환하여 표면에 압축 응력을 더한 것이다. 고릴라 글래스가 대표적인 예이다.
2. 2. 안전성
강화 유리는 일반 유리보다 강도가 5~10배 정도 높지만, 표면에 흠집이 생기면 작은 조각으로 부서지는 특징이 있다. 이러한 특성 때문에 유리칼로 자를 수 없으며, 파편에 의한 부상 위험이 적다.[20] 일반 판유리에 비해 비교적 안전하여 차량이나 학교, 크레인 게임 기기 등에 사용되지만, 한 곳이 파손되면 전체가 입자 형태로 부서지기 때문에 방범 성능은 낮다.
제조 과정에서 불순물 유입이나 불균일한 압축응력 형성으로 인해 '''자파 현상'''(스스로 깨지는 현상)이 발생하기도 한다.[21]
강화 유리가 파손되면 날카로운 조각이 아닌 작고 둥근 조각으로 부서지는데, 이는 표면 압축 응력 증가의 결과이다. 이러한 특성 덕분에 열처리 유리에 비해 깨지기 쉬운 일반 유리와 달리 불규칙하고 날카로운 조각으로 부서지지 않아 안전하다.[4]
강화 유리는 강도, 내열성, 안전성이 중요한 곳에 사용된다. 예를 들어, 승용차는 이러한 세 가지 요건을 모두 충족해야 한다. 강화 유리는 파손 시 조각이 무디고 대부분 무해하므로, 크고 날카로운 유리 조각이 승객에게 위험을 초래할 수 있는 상황을 방지한다. 앞유리는 접합 유리를 사용하지만, 측면 창문과 뒷유리는 주로 강화 유리를 사용한다.
강화 유리의 일반적인 용도는 다음과 같다.
- 발코니 문
- 운동 시설
- 수영장
- 외관
- 샤워실 문 및 욕실 공간
- 전시 공간 및 디스플레이
- 컴퓨터 타워 또는 컴퓨터 케이스
- 휴대폰 화면 보호기
1987년 9월 이후 생산되는 자동차에는 접합 유리 사용이 의무화되었는데, 이는 사고 시 산산조각난 강화 유리가 시야를 가리고 파편이 운전자나 탑승자의 안구를 직격하여 실명을 유발하는 사고가 빈번했기 때문이다.
2. 3. 내열성
강화 유리는 강도, 내열성, 안전성이 중요한 곳에 사용된다. 승용차는 세 가지 조건을 모두 만족하는 예시이다. 승용차는 야외에 보관되므로 일 년 내내 지속적으로 가열 및 냉각되고, 극심한 온도 변화를 겪는다. 또한 도로 파편과 같은 작은 물체의 충격과 교통사고를 견뎌야 한다. 크고 날카로운 유리 조각은 승객에게 추가적이고 용납할 수 없는 위험을 초래하므로, 강화 유리는 파손 시 조각이 무디고 대부분 무해하도록 사용된다. 앞유리는 접합 유리로 만들어져 파손되어도 조각으로 부서지지 않으며, 측면 창문과 뒷유리는 강화 유리로 만들어진다. 일부 최신 고급 차량은 탑승자 유지 규정, 도난 방지 목적 또는 방음 목적으로 접합 측면 창문을 갖추고 있다.[6][7]강화 유리의 다른 일반적인 용도는 다음과 같다.
- 발코니 문
- 운동 시설
- 수영장
- 외관
- 샤워실 문 및 욕실 공간
- 전시 공간 및 디스플레이
- 컴퓨터 타워 또는 컴퓨터 케이스
- 휴대폰 화면 보호기
"테두리 강화"는 유리나 접시의 테두리와 같이 제한된 영역이 강화되었음을 나타내며, 식음료 서비스 분야에서 인기가 높다. 강도와 내열 충격성을 위해 완전히 강화된 제품도 있다. 일부 국가에서는 이에 대한 요구 사항을 명시하고 있다.
강화 유리는 무기로 사용되는 깨진 유리를 방지하기 위해 술집에서 사용이 증가하고 있다. 강화 유리의 일부 형태는 요리와 제빵에 사용된다. 제조사 및 브랜드로는 글라스락, 파이렉스, 코렐 등이 있다. 이 유리는 오븐 문에도 사용되는 종류이기도 하다.
2. 4. 광학적 특성
강화 유리는 열처리 유리보다 약 4배 더 강하다.[1][2] 제조 과정에서 외부 층이 더 빠르게 수축하면서 유리 표면에 압축 응력이 발생하는데, 이는 유리 본체의 인장 응력으로 균형을 이룬다. 완전히 강화된 6mm 두께의 유리는 최소 69MPa의 표면 압축 또는 67MPa 이상의 가장자리 압축을 가져야 한다.[3] 안전 유리로 간주되려면 표면 압축 응력이 100MPa를 초과해야 한다. 표면 응력이 증가하면 유리가 파손될 때 날카로운 조각이 아닌 작고 둥근 조각으로 부서진다.압축 표면 응력은 강화 유리에 강도를 더한다. 열처리 유리는 내부 응력이 거의 없으며, 일반적으로 표면에 미세한 균열이 생긴다. 유리에 가해지는 인장력은 균열을 확산시킬 수 있으며, 균열이 시작되면 끝 부분에 인장력이 집중되어 매우 빠른 속도로 퍼진다. 결과적으로 열처리 유리는 깨지기 쉬우며 불규칙하고 날카로운 조각으로 부서진다.[4] 반면 강화 유리는 표면에 가해지는 압축 응력이 결함을 억제하여 확산 또는 확장을 막는다.
절단 또는 연삭은 강화 전에 수행해야 한다. 강화 후 절단, 연삭 및 날카로운 충격은 유리를 파손시킨다.
강화로 인한 응력 패턴은 편광 선글라스와 같은 광학 편광자를 통해 관찰할 수 있다.
3. 제조 방법
강화 유리는 일반 유리보다 강도를 높이기 위해 특수한 처리를 거친 유리이다. 강화 유리를 만드는 방법에는 크게 두 가지가 있다.
- '''풍랭 강화법''': 유리를 고온으로 가열한 후 급격히 냉각시켜 표면에 압축 응력을 형성하는 방법이다.
- '''이온 교환법 (화학 강화법)''': 유리 표면에 있는 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 치환하여 압축 응력을 형성하는 방법이다.
일반적으로 연마판유리에 공기를 뿜어 주면 유리의 표면은 급랭되어 표면 가까운 부분에서는 압축응력, 내부에는 인장응력을 지닌 상태가 되는데 이를 강화유리라 한다.[9] 유리는 본래 열에 의해 팽창·수축하는 성질을 가졌으므로 이와 같은 상태로 만들 수 있다. 이렇게 가공한 유리는 일반적인 냉각법으로 표면이 균일하게 식지 않으므로 깨어지고 만다. 이를 방지하려면 균일하게 식히는 독특한 기술이 필요하다. 또 균일하게 식히더라도 유리의 성질 자체에 부분적으로 차이가 있으면 역시 깨진다. 강화유리는 강도가 대단히 높아 보통 유리의 약 5∼10배나 된다.[9] 그러나 표면을 균일하게 냉각시키려면 모양이 단순한 것이어야 하므로 현단계로는 빌딩의 커다란 유리창, 자동차의 앞유리, 밀폐용기 등에 쓰일 뿐이다. 강화유리는 표면에 압축응력을 균일하게 지니고 있음으로써 강한 것이며 만약 표면에 상처가 생겨 이 힘의 균형이 깨어지면 잘게 부서지고 만다. 이 때문에 유리칼로 자를 수가 없으며, 억지로 자르려 하면 역시 잘게 부서지고 만다. 그러나 보통의 유리처럼 파편에 의해 사람이 다치는 일은 대단히 드물다.[9]
강화 유리는 열 강화 공정을 통해 어닐링된 유리로 만들 수 있다. 유리는 롤러 테이블 위에 놓여 전이 온도보다 훨씬 높은 온도에서 가열된 후 강제 공기 통풍으로 급격히 냉각된다.
이보다 더욱 강한 유리로는 미국에서 개발된 화학강화유리가 있다. 이것은 유리의 나트륨을 이온반경이 큰 칼륨으로 치환함으로써, 표면에 압축응력을 부가한 것으로, 고층 빌딩 위에서 떨어뜨려도 깨지지 않을 정도로 강하다. 휴대기기의 디스플레이에 사용되는 고릴라 글래스가 대표적인 예이다.
3. 1. 풍랭 강화법
판유리는 약 650 ~ 700 ℃까지 가열한 후, 유리 표면에 공기를 분사하여 급격히 냉각시켜 만든다.[19] 이온 교환법과 같이 표면에 압축 응력층을 형성하지만, 풍냉 강화법은 열처리를 통해 표면층과 내부의 밀도 차이를 만들어 응력장을 형성한다. 유리판 두께에 제약이 있어 얇은 유리판에는 적용할 수 없다. 금속 가공에서의 열처리와 유사하여 "열처리한다" 등으로 불리기도 한다.3. 2. 이온 교환법 (화학 강화법)
나트륨(Na) 이온을 함유한 유리를 칼륨(K)염의 용융염에 담그면 유리 표면의 Na 이온과 용액 중의 K 이온이 교환되어 K 이온이 유리의 표면층으로 침투한다.[9]K 이온은 Na 이온보다 큰 입자이므로, K 이온이 침투한 유리는 좁은 틈새에 버팀목을 밀어 넣은 것과 같은 상태가 되어 유리 표면에 압축 응력 층이 생긴다. 그러면 유리를 파괴하기 위해서는 분자 간의 결합을 파괴하는 힘뿐만 아니라 표면의 압축 응력을 제거하는 힘도 필요하다. 이 때문에 이 유리를 파괴하기 위해서는 일반 유리보다 더 큰 힘이 필요하며, 이 유리는 강화되었다고 할 수 있다.[9]
또 다른 화학적 강화 공정은 유리를 이온 교환을 통해 최소 0.1mm 두께의 유리 표면층을 압축하는 것으로, 유리를 용융된 질산칼륨 용액에 담가 유리 표면의 나트륨 이온과 칼륨 이온(30% 더 큼)을 교환한다. 화학적 강화는 열 강화에 비해 인성을 증가시키며 복잡한 모양의 유리 제품에도 적용할 수 있다.[9] 고릴라 글래스도 참조.
4. 용도
강화 유리는 강도, 내열성, 안전성이 중요한 곳에 사용된다. 일반적인 용도는 다음과 같다.
- 발코니 문
- 운동 시설
- 수영장
- 외관
- 샤워실 문 및 욕실 공간
- 전시 공간 및 디스플레이
- 컴퓨터 타워 (컴퓨터 케이스 및 케이스 개조 참고)
- 휴대폰 화면 보호기
강화 유리는 파손되어도 날카로운 칼날 모양이 아닌 대부분 입자 형태로 부서지기 때문에 플로트 판유리에 비해 비교적 안전하여 학교, 크레인 게임 기기 등에서 사용되지만, 방범 성능은 낮다. 높은 탄성률과 강성률을 가지면서 투명한 유리는 매우 유용한 소재이지만, 깨지기 쉽다는 단점이 있다. 그래서 유리가 쉽게 깨지지 않도록 표면을 압축하여 파괴에 대한 저항성을 높이는 방법이 고안되었다. 강화 유리는 그 구조상 가공할 수 없으므로, 강화 과정은 제품 제조 공정의 마지막 단계에서 이루어진다.
강화 유리는 표면이 압축되어 있어 파괴에 이르는 힘이 커지지만, 외부 충격 등으로 미세한 흠집이 생겨 압축층을 넘어서면 내부의 인장력 때문에 유리 전체가 순간적으로 파쇄된다.[20] 이 때문에 강화 유리가 깨지면 산산조각 나는 특징이 있지만, 이는 깨졌을 때의 안전성 측면에서는 오히려 바람직한 특징이다.
"테두리 강화"는 유리나 접시의 테두리와 같이 제한된 영역이 강화되었음을 나타내며, 식음료 서비스 분야에서 인기가 높다. 강도와 내열 충격성을 위해 완전히 강화된 제품도 있다. 일부 국가에서는 이에 대한 요구 사항을 명시하고 있다.
강화 유리는 영국과 오스트레일리아를 중심으로 술집에서 무기로 사용되는 깨진 유리를 방지하기 위해 사용이 증가하고 있다.[6][7]
4. 1. 자동차
자동차에서 강화 유리는 강도, 내열성, 안전성이 중요하기 때문에 사용된다. 승용차는 실외에 보관되므로 연중 지속적인 가열 및 냉각과 극심한 온도 변화를 겪는다. 또한 도로 파편과 같은 작은 충격과 교통사고를 견뎌야 한다. 크고 날카로운 유리 조각은 승객에게 큰 위험을 초래할 수 있으므로, 강화 유리는 파손 시 조각이 무디고 대부분 무해하도록 만들어진다. 앞유리는 파손되어도 조각으로 부서지지 않는 접합 유리로 만들어지는 반면, 측면 창문과 뒷유리는 역사적으로 강화 유리가 사용되었다. 일부 최신 고급 차량은 탑승자 보호, 도난 방지, 방음 목적으로 접합 측면 창문을 사용하기도 한다.1987년 9월 이후 생산되는 자동차에는 사고 시 시야 확보 및 탑승자 안구 보호를 위해 앞유리에 접합 유리 사용이 의무화되었다. 하지만 강화 유리는 배트로 세게 쳐도 깨지지 않을 정도의 강도를 가지고 있어 보행자 보호에는 도움이 되지 않는다.
4. 2. 건축물
강화 유리는 프레임이 없는 유리 문과 같이 비틀린 조립품, 구조적으로 하중을 받는 용도, 사람의 충돌 시 위험해질 수 있는 모든 용도로 건물에 사용된다. 미국의 건축 법규는 일부 채광창, 출입구와 계단 근처에 설치된 유리, 대형 창문, 바닥과 가까운 곳까지 확장된 창문, 미닫이 문, 엘리베이터, 소방서 접근 패널, 수영장 근처에 설치된 유리 등 여러 상황에서 강화 유리 또는 접합 유리를 요구한다.[5]4. 3. 가전제품
강화 유리는 가정에서도 사용된다. 프레임이 없는 샤워 도어, 유리 테이블 상판, 유리 선반, 캐비닛 유리, 벽난로용 유리 등에 강화 유리가 사용된다. 글라스락, 파이렉스, 코렐, 아크 인터내셔널(Arc International) 등의 브랜드 제품은 요리와 제빵에 사용되는 강화 유리의 한 종류이다. 오븐 문에도 이러한 종류의 유리가 사용된다.터치스크린 모바일 기기 대부분은 코닝의 고릴라 글래스와 같은 강화 유리를 사용하며, 별도로 판매되는 터치스크린 기기용 강화 스크린 보호 필름도 있다.[8] 전자 레인지에 내열 유리 대신 사용되기도 하지만, 급격한 온도 변화로 깨질 수 있어 위험하다.
'''정보 단말기용'''
4. 4. 기타
강화 유리는 강도, 내열성, 안전성이 중요한 곳에 사용된다. 승용차는 이러한 세 가지 요건을 모두 충족해야 하는 대표적인 예시이다. 승용차는 실외에 보관되므로 연중 지속적인 가열 및 냉각과 극심한 온도 변화를 겪는다. 또한 도로 파편과 같은 작은 충격과 교통사고를 견뎌야 한다. 크고 날카로운 유리 조각은 승객에게 추가적인 위험을 초래하므로, 강화 유리는 파손 시 조각이 무디고 대부분 무해하도록 만들어진다. 앞유리는 파손되어도 조각으로 부서지지 않는 접합 유리로 만들어지는 반면, 측면 창문과 뒷유리는 역사적으로 강화 유리로 만들어졌다. 일부 최신 고급 차량은 탑승자 유지, 도난 방지, 방음 등의 목적으로 접합 측면 창문을 사용하기도 한다.강화 유리의 다른 일반적인 용도는 다음과 같다.
- 발코니 문
- 운동 시설
- 수영장
- 외관
- 샤워실 문 및 욕실 공간
- 전시 공간 및 디스플레이
- 컴퓨터 타워 또는 컴퓨터 케이스 (참조: 컴퓨터 매니아#컴퓨터 케이스 및 케이스 개조#윈도우 개조)
- 휴대폰 화면 보호기
강화 유리는 영국과 오스트레일리아를 중심으로 술집에서 무기로 사용되는 깨진 유리를 방지하기 위해 사용이 증가하고 있다.[6][7] 터치스크린 모바일 기기 대부분은 강화 유리(예: 코닝의 고릴라 글래스)를 사용하며, 별도로 판매되는 강화 스크린 보호 필름도 있다.[8]
강화 유리는 그 특성상 자동차의 창문이나 어린이가 많은 학교 등에서 널리 사용되고 있다. 그러나 사고 시 산산조각난 강화 유리가 순식간에 시야를 가려 대처가 늦어지고, 파편이 운전자나 조수석 탑승자의 안구를 직격하여 실명하는 사고가 자주 발생했기 때문에, 1987년 9월 이후 생산되는 자동차에는 접합 유리 사용이 의무화되었다. 다만 배트로 세게 쳐도 깨지지 않을 정도의 강도를 가지고 있어, 보행자 보호에는 도움이 되지 않는다.
전자 레인지를 사용하는 경우, 내열 유리 대신 강화 유리가 사용되는 경우가 있지만, 강화 유리는 급격한 온도 변화로 깨질 수 있어 위험하다.
'''정보 단말기용'''
5. 자파 현상
강화 유리는 차량, 학교, 크레인 게임 기기 등에서 사용되는데, 이는 파손 시 날카로운 칼날 모양이 아닌 입자 형태로 부서져 플로트 판유리에 비해 비교적 안전하기 때문이다. 그러나 한 곳이 파손되면 전체가 입자 형태로 부서지기 때문에 방범 성능은 낮다. 높은 탄성률과 강성률을 가진 투명한 유리는 유용한 소재이지만, 충격을 받으면 깨지는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 표면을 압축하여 파괴 저항성을 높인 것이 강화 유리이다. 강화 유리는 구조상 가공이 불가능하므로, 제품 제조 공정의 마지막 단계에서 강화 처리가 이루어진다.
강화 유리는 표면이 압축되어 있어 강화되지 않은 유리에 비해 파괴 강도가 크지만, 외부 충격 등으로 미세한 흠집이 생겨 압축층을 넘어서면 내부에 존재하는 인장력 때문에 유리 전체가 순간적으로 파쇄된다.[20] 이러한 특성 때문에 강화 유리는 깨질 때 산산조각 나지만, 이는 안전성 측면에서는 오히려 바람직한 특징이다.
5. 1. 원인
강화 유리는 내구성을 높이기 위해 열처리 가공을 하는데, 이 과정에서 압축응력을 깨트리는 불순물이 유입되거나 압축응력이 불균일하게 형성될 수 있다. 이러한 이유로 스스로 깨지는 '''자파 현상'''이 발생하기도 한다.[21]
'''자연 파손'''은 강화 유리가 명확한 이유 없이 저절로 파손되는 현상이다. 가장 흔한 원인은 다음과 같다:[13][14]
- 유리 내부 결함: 황화 니켈 개재물이 대표적이다. 황화 니켈 결함은 강화 유리가 제조된 지 여러 해가 지난 후에 자연 파손을 일으킬 수 있다.[15] 황화 니켈 개재물("돌")은 유리 제조 및 취급 과정에서 사용되는 스테인리스강 기계 때문에 발생한다. 니켈이 포함된 스테인리스강 조각들은 시간이 지나면서 구조가 변하고 성장하여 유리 내부에 응력을 생성한다. 이 응력이 유리의 강도를 초과하면 파손이 발생한다. 이러한 파손은 강화 유리에서 주로 발견되며, "8자" 패턴(각 고리 지름 약 30mm)으로 나타난다. 용광로 내부 벽에서 침식된 작은 내화 벽돌 조각이 유리에 박혀 '돌'로 작용하여 열 이상 현상을 일으켜 파손을 유발할 수도 있다.
- 설치 중 발생한 작은 손상: 긁힘이나 깨진 가장자리가 나중에 더 큰 균열로 발전하는 경우가 있다. 균열은 결함 지점에서 방사형으로 발생한다. 유리를 옮기고 설치하는 동안 유리공이 도구로 유리 가장자리를 긁거나 깨뜨리기 쉽다. 유리 고정대 부착에 사용되는 못이나 나사가 부적절한 각도로 설치되면 유리 가장자리를 긁을 수 있다. 이러한 작은 손상은 즉시 파손을 일으키지 않지만, 시간이 지나면서 유리가 팽창, 수축하며 응력이 집중되어 파손될 수 있다. 강화 유리는 일반적으로 전체가 파손된다.
- 프레임 내 유리 구속: 열 변화로 유리가 팽창, 수축하거나 바람으로 인해 휘어지면서 응력이 발생한다. 유리는 온도 변화에 따라 팽창, 수축하고 바람에 의해 휘어지므로, 현대 유리는 대부분 바닥에 탄력 있는 블록 위에 설치되고 측면과 상단에 팽창 공간을 둔다. 프레임에 유리를 고정하는 가스켓도 바람의 영향을 완화하기 위해 탄력적이다. 유닛 주변에 공간이 없으면 유리가 프레임에 구속되어 응력이 발생하고, 이는 파손으로 이어질 수 있다.
- 유리 내 열 응력: 열 흡수(반사) 코팅이 있는 대형 밀폐형 단열 유리에서 주로 발생한다. 코팅은 주로 "두 번째" 표면(외부 유리의 안쪽 면)에 적용된다. 코팅은 태양 복사열을 현열로 변환하여 외부 유리창을 내부 유리창보다 더 가열한다. 외부 유리가 팽창하면 전체 유닛이 바깥쪽으로 휜다. 스페이서 바 또는 기타 가장자리 조건이 두 유리창을 견고하게 연결하면 굽힘 응력이 발생하여 파손될 수 있다. 이는 보스턴 존 핸콕 타워의 광범위한 유리 파손 원인이었다.
- 풍하중에 대한 부적절한 유리 두께: 현장 풍하중에 맞게 설계되지 않은 너무 크거나 얇은 유리는 바람에 의해 파손될 수 있다. 베르누이의 정리를 참고하라.
유리가 머리 위나 공공장소(예: 고층 건물)에 설치된 경우, 파손 문제는 더 심각하다. 안전 창 필름을 강화 유리창에 적용하여 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 과거에는 채광창 아래에 금속 스크린을 설치하기도 했다.
5. 2. 문제점 및 대책
강화 유리는 내구성을 높이기 위해 열처리 가공을 거치는데, 이 과정에서 불순물이 유입되거나 압축응력이 불균일하게 형성될 수 있다. 이러한 이유로 외부 충격 없이 스스로 깨지는 '''자파 현상'''이 발생하기도 한다.[21]강화 유리는 강화 전에 크기에 맞춰 절단하거나 성형해야 하며, 강화 후에는 재가공할 수 없다. 유리의 가장자리 연마 또는 구멍 뚫기는 강화 공정 전에 수행된다. 유리에 균형 잡힌 응력이 가해지기 때문에, 어느 부분이든 손상되면 유리가 손톱 크기의 조각으로 부서진다. 인장 응력이 가장 큰 가장자리 부분의 손상으로 인해 유리가 깨지기 쉽지만, 유리창 중앙에 강한 충격이 가해지거나 충격이 집중될 경우(예: 뾰족한 물체로 유리를 칠 경우)에도 파손될 수 있다.
강화 유리는 단단한 충격 시 창틀에 파편을 남기기보다는 완전히 부서지는 경향이 있어, 일부 상황에서는 보안 위험을 초래할 수 있다.[10]
강화 유리의 표면은 평탄화 롤러와의 접촉으로 인해 표면 파형이 나타날 수 있다. 이러한 물결 모양은 박막 태양 전지 제조에서 심각한 문제이다.[11] 플로트 유리 공정은 다양한 유리 적용 분야를 위해 매우 평평하고 평행한 표면을 가진 낮은 왜곡 시트를 제공하는 데 사용될 수 있다.[12]
'''자연 파손'''은 강화 유리가 명확한 이유 없이 저절로 파손되는 현상이다. 가장 흔한 원인은 다음과 같다.[13][14]
- 유리의 내부 결함, 예를 들어 황화 니켈 개재물. 황화 니켈 결함은 강화 유리가 제조된 지 여러 해가 지난 후에 자연 파손을 일으킬 수 있다.[15]
- 설치 중 발생한 작은 손상, 예를 들어 긁히거나 깨진 가장자리가 나중에 더 큰 균열로 발전하는 경우.
- 프레임 내 유리의 구속으로 인해 열 변화로 유리가 팽창하고 수축하거나 바람으로 인해 휘어지면서 응력이 발생하는 경우.
- 유리 내 열 응력.
- 풍하중에 저항하기 위한 부적절한 유리 두께.
유리가 머리 위나 공공 장소에 설치된 경우, 파손 문제는 더 심각한 결과를 초래한다. 안전 창 필름을 강화 유리창에 적용하여 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
6. 역사
프랑수아 바르텔레미 알프레드 로이에 드 라 바스티(1830–1901)는 1874년 거의 녹은 유리를 뜨겁게 데운 기름이나 그리스 욕조에 담가 급랭시키는 유리 강화 방법을 처음 개발한 것으로 알려져 있다.[16] 1874년 8월 12일 영국에서 이 방법으로 특허(특허 번호 2783)를 받았다. 강화 유리는 때때로 드 라 바스티를 따라 ''바스티 유리''라고도 불린다. 1877년 독일인 프리드리히 지멘스는 유리를 차가운 틀에 눌러 바스티 공정보다 더 강한 강화 유리를 생산하는, 압축 유리 또는 지멘스 유리라고 불리는 다른 공정을 개발했다.[17] 강화 유리를 만드는 전체 공정에 대한 최초의 특허는 1900년 오스트리아에서 태어나 1935년 미국으로 이민 온 화학자 루돌프 A. 자이덴이 보유했다.[18]
유리를 "강화"하는 효과는 수세기 동안 알려져 왔지만, 당시에는 근본적인 메커니즘은 알려지지 않았다. 1660년경, 라인강의 루퍼트 공은 현재 "루퍼트의 눈물"로 알려진 발견을 찰스 2세 국왕에게 알렸다. 루퍼트의 눈물은 용융된 유리 한 방울을 물통에 떨어뜨려 급속히 냉각시켜 생산되는 물방울 모양의 유리 조각이다. 이들은 둥근 부분에 망치로 타격을 가해도 깨지지 않지만, 꼬리 부분이 약간이라도 손상되면 폭발적으로 가루로 부서진다.
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