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화학강화유리

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목차

1. 개요

화학강화유리는 유리 표면의 이온 교환을 통해 강도를 높인 특수 유리이다. 4,000년 전부터 유리가 사용되었으며, 20세기 초 이온 교환 기술이 발전하면서 화학강화유리 제조의 토대가 마련되었다. 이온 교환 과정은 유리를 칼륨염 용액에 담가, 유리 표면의 나트륨 이온을 칼륨 이온으로 대체하여 표면을 압축 상태로 만드는 방식으로 이루어진다. 화학강화유리는 휨이나 광학 왜곡이 적고, 강화 후에도 절단이 가능하지만, 강화유리에 비해 비용이 높다는 단점이 있다. 휴대폰 화면, 전투기 캐노피 등에 사용된다.

2. 역사

유리는 약 4,000년 전 메소포타미아에서 처음 만들어진 것으로 알려진 인류의 오랜 재료 중 하나이다.[1] 고대부터 장인들은 은이나 구리 가루를 사용하여 유리에 색을 입히거나 장식하는 과정에서 초보적인 형태의 유리 이온 교환 기법을 활용해왔다.[2]

본격적인 화학 강화 유리 기술의 토대는 20세기 초에 마련되기 시작하였다.[3] 당시 이온 교환 현상에 대한 과학적 연구가 진행되면서, 이를 유리의 물리적 성질 개선에 응용하려는 시도가 이루어졌다.[4] 이후 1950년대 파이로세람 개발을 계기로 코닝(Corning Inc.)과 같은 기업들이 유리의 강도를 획기적으로 높이기 위한 연구 개발 프로젝트에 착수하였으며,[5] 이온 교환 기술을 활용하여 유리 표면에 압축 응력을 형성시켜 강도를 높이는 방법이 개발되었다.[6][8] 이러한 연구 성과들은 오늘날 다양한 산업 분야에서 사용되는 화학 강화 유리의 기초가 되었다.[9]

2. 1. 초기 연구

20세기 초에 이르러 기술 및 산업 분야에서 이온 교환 공정을 적용할 수 있는 기반이 마련되었다.[3] 1913년, 귄터 슐츠(Günther Schulze)는 질산은(AgNO3) 염을 이온 공급원으로 사용하여 은 이온이 유리로 확산되는 현상을 처음으로 연구했다. 이는 이 현상의 화학적, 물리적 특성과 더불어, 처리된 유리의 물리적 특성에 미치는 영향을 이해하기 위한 일련의 연구로 이어졌다. 몇 년 뒤인 1918년에는 쇼트 글라스 연구소에서 이온 교환이 이온 교환이 일어난 유리 층의 굴절률을 증가시킨다는 사실을 입증했다.[4]

2. 2. 코닝의 프로젝트 머슬

1950년대 파이로세람이 개발된 후, 미국의 유리 제조 기업 코닝(Corning Inc.)은 유리의 경도를 향상시키기 위한 연구 개발 프로그램인 ''프로젝트 머슬(Project Muscle)''을 시작했다.[5] 당시 이온 교환 기술은 산업적으로 잘 알려진 공정이었으며, 코닝의 연구원 S. 도널드 스투키(S. Donald Stookey)는 1960년 6월까지 이 기술을 유리 강화에 적용하기 위한 연구를 진행했다.[6] 이 주제는 1961년 9월 이탈리아 피렌체에서 열린 심포지엄에서도 논의되었다.[7]

1962년, 미국의 스티븐 키슬러(Steven Kistler)[8]와 프랑스 기업 생고뱅(Saint-Gobain)의 연구원 폴 앙리 아클로크(Paul Henri Acloque) 및 장 폴 토숑(Jean Paul Tochon)은 각각 독립적으로 유리의 압축 강도를 기존보다 3배 향상시키는 데 성공했다.[6] 이는 유리의 표면층에 있는 상대적으로 작은 크기의 나트륨 이온(Na+)을 더 큰 크기의 칼륨 이온(K+)으로 치환하는 이온 교환 방식을 통해 이루어졌다. 이 과정은 유리 표면의 미세하거나 나노 크기의 균열 형성을 억제하거나 이미 생성된 균열을 메워 재료 강도를 높이는 효과를 가져왔다.[8] 곧이어 코닝의 연구원들은 알루미늄과 지르코늄의 산화물을 유리에 첨가하면 품질이 더욱 향상된다는 사실을 발견했다.[9][6] 이러한 성과들을 바탕으로 화학 강화 유리 분야에서는 이후 학계와 산업계 양쪽에서 활발한 연구와 개발 노력이 이어졌다.

3. 작동 원리

화학적으로 강화된 유리는 이온 교환 공정을 통해 유리 표면에 압축 응력을 인위적으로 형성하여 강도를 높이는 방식으로 작동한다. 이 방식은 강화 유리와 유사한 강화 효과를 내지만, 제조 과정과 최종 제품의 특성에서 차이를 보인다.

화학적 강화 공정은 강화 유리 제조 시 사용되는 극심한 온도 변화를 수반하지 않는다. 따라서 화학적으로 강화된 유리는 열처리 과정에서 발생할 수 있는 활 모양의 휨, 광학 왜곡, 또는 눈에 보이는 응력 패턴이 거의 또는 전혀 나타나지 않는다. 이는 특히 가늘고 긴 형태의 유리에서 휨이 발생할 수 있는 강화 유리와의 중요한 차이점이다.

또한, 강화 유리는 강화 처리 후 절단이나 가공이 불가능하지만, 화학적으로 강화된 유리는 강화 후에도 절단할 수 있다. 다만, 절단된 지점 주변 약 20mm 범위 내에서는 강화로 얻어진 추가적인 강도를 잃게 된다. 마찬가지로, 유리 표면에 깊은 스크래치가 발생하면 해당 영역의 강도가 약해지는 단점이 있다.

화학적 강화 공정은 강화 유리 제조 공정에 비해 비용이 더 많이 든다. 이러한 높은 비용은 일부 응용 분야에서 화학 강화 유리 사용을 제한하는 요인이 되기도 한다.[11]

이러한 특성 덕분에 화학적으로 강화된 유리는 높은 강도와 정밀한 형태 유지가 필요한 곳에 사용되며, 일부 전투기의 항공기 캐노피 등에 적용된 사례가 있다.

3. 1. 이온 교환 과정

유리의 실제 강도 자체는 이온 교환 공정에 의해 크게 변하지 않지만, 이 공정은 유리 표면에 유익한 잔류 응력을 형성하여 강도를 높인다. 이 과정은 유리를 334°C 이상의 온도로 가열된 칼륨 염 용융액(주로 질산칼륨 용액)에 담그는 것으로 시작한다.[10] 이 과정에서 유리 표면의 나트륨 이온(Na+)이 용액 속의 칼륨 이온(K+)으로 교환된다.

칼륨 이온은 나트륨 이온보다 크기가 크기 때문에, 이온 교환 시 더 작은 나트륨 이온이 빠져나간 자리에 끼어 들어가게 된다. 이러한 이온 교환은 유리 표면을 압축 상태로 만들고, 내부 코어는 이를 보상하기 위한 인장 상태가 되도록 한다. 화학적으로 강화된 유리의 표면 압축 응력은 최대 690MPa까지 도달할 수 있다.

강화 메커니즘은 유리의 압축 강도가 인장 강도보다 훨씬 높다는 사실에 기반한다. 유리 표면이 이미 압축 상태에 있으므로, 외부에서 힘(예: 굽힘)이 가해져 표면 중 하나가 인장 상태에 도달하기까지 더 큰 힘이 필요하다. 이때 반대쪽 표면은 더 강한 압축 응력을 받지만, 압축 강도가 훨씬 크기 때문에 쉽게 파괴되지 않는다.

화학적으로 강화된 유리는 표면의 압축 상태 덕분에 처리되지 않은 유리에 비해 스크래치에 대한 저항성도 훨씬 뛰어나다. 이러한 특성 때문에 스마트폰 화면과 같이 스크래치 저항이 중요한 제품에 널리 사용된다. 휴대폰은 주머니나 가방 안에서 열쇠 등 다른 물체와 접촉할 가능성이 높기 때문이다.

더욱 향상된 표면 압축 강도를 얻기 위해 2단계 공정을 사용하기도 한다. 이 방법은 먼저 유리 제품을 450°C의 질산나트륨 용액에 담가 표면의 나트륨 이온 농도를 높인다. 그 후 질산칼륨 용액에 담가 이온 교환을 진행하면, 더 많은 나트륨 이온이 칼륨 이온으로 교환될 수 있어 최종 제품의 표면 압축 응력을 더욱 높일 수 있다.

3. 2. 2단계 공정

화학적으로 강화된 유리를 만드는 과정에는 보다 발전된 2단계 공정도 사용된다. 이 공정은 먼저 유리 제품을 450°C의 질산나트륨 용액에 담가 유리 표면에 나트륨 이온을 풍부하게 만드는 것으로 시작한다. 이렇게 하면 이후 질산칼륨 용액에 담가 칼륨 이온으로 치환할 때, 더 많은 나트륨 이온이 칼륨 이온으로 대체될 수 있다. 결과적으로, 질산나트륨 용액을 사용하는 이 방식은 완성된 유리의 표면 압축 가능성을 더욱 높이는 효과를 가져온다.

4. 강화 유리와의 비교

화학적 강화는 강화 유리와 비슷한 수준의 강도를 제공하지만[10], 제조 방식과 특성에서 몇 가지 중요한 차이가 있다. 강화 유리는 급격한 온도 변화를 이용해 강화하는 반면, 화학 강화는 이온 교환 방식을 사용하므로 제조 과정에서 극심한 온도 변화가 없다. 이 덕분에 화학강화유리는 강화 유리에서 나타날 수 있는 활 모양의 휨이나 광학 왜곡, 내부 응력 패턴 등이 거의 발생하지 않는다. 특히 가늘고 긴 형태로 만들 경우, 강화 유리는 휘어질 수 있지만 화학강화유리는 그렇지 않다.[10]

가공성에서도 차이가 있다. 강화 유리는 한번 강화 처리되면 절단하기 어렵지만, 화학강화유리는 강화 후에도 절단이 가능하다. 다만, 절단된 지점 주변 약 20mm 범위 내에서는 추가적인 강도를 일부 잃게 된다.

비용 측면에서는 화학강화유리가 강화 유리보다 일반적으로 더 비싸다. 강화 유리는 상대적으로 저렴하게 대량 생산이 가능하지만, 화학 강화 공정은 더 복잡하고 비용이 많이 든다.[11] 이러한 비용 문제로 인해 모든 분야에서 화학강화유리가 사용되지는 않는다.

화학적으로 강화된 유리는 일부 전투기의 항공기 캐노피에 사용되기도 했다.

4. 1. 장점

화학적으로 강화된 유리는 강화 유리와 유사한 강화 효과를 얻지만, 제조 과정에서 극심한 온도 변화를 사용하지 않는다는 장점이 있다. 이 덕분에 화학강화유리는 활처럼 휘거나, 광학 왜곡이 발생하거나, 내부에 응력 패턴이 생기는 경우가 거의 없다. 이는 특히 가늘고 긴 형태로 제작될 때 쉽게 휘어질 수 있는 강화 유리와의 차이점이다.[10]

화학강화유리의 강화 원리는 유리 표면에 압축 응력을 인위적으로 만드는 것이다. 유리는 원래 압축에는 강하지만 잡아당기는 힘(인장 응력)에는 약하다. 화학 처리 과정을 통해 유리 표면층의 나트륨 이온을 더 큰 칼륨 이온으로 치환하면, 이 칼륨 이온들이 비좁은 공간에 끼어들어가면서 유리 표면을 강력하게 압축하게 된다. 이 표면 압축력은 최대 690 MPa에 달할 수 있다. 이렇게 표면이 압축된 상태에서는 외부에서 힘이 가해져도 표면이 인장 상태(잡아당겨지는 상태)가 되기까지 더 큰 힘을 견딜 수 있게 된다.

이러한 표면 압축 상태는 스크래치에 대한 저항력을 높이는 효과도 가져온다. 처리되지 않은 일반 유리에 비해 긁힘에 훨씬 강하기 때문에, 열쇠나 동전 등과 함께 휴대되는 경우가 많은 스마트폰 화면 등에 널리 사용된다.

또한, 강화 유리는 한번 강화 처리가 끝나면 절단하거나 가공하기 어렵지만, 화학강화유리는 강화 후에도 절단이 가능하다는 장점이 있다. 다만, 절단된 지점 주변 약 20mm 범위 내에서는 원래의 추가적인 강도를 일부 잃게 된다. 마찬가지로, 표면에 깊은 스크래치가 발생하면 해당 부분의 강도가 약해질 수 있다.

4. 2. 단점

강화 유리와 달리 화학적으로 강화된 유리는 강화 후 절단할 수 있지만, 절단 지점 주변 약 20mm 이내에서는 강도를 잃게 된다. 마찬가지로 표면에 깊은 흠집이 생기면 해당 부분의 강도가 약해진다.

화학적으로 강화된 유리의 또 다른 단점은 비용이다. 강화 유리는 상대적으로 저렴하게 제조할 수 있지만, 화학 강화 공정은 더 많은 비용이 소요된다. 이 때문에 모든 분야에서 화학강화유리를 사용하기는 어렵다.[11]

5. 응용 분야

화학적으로 강화된 유리는 표면이 압축 상태에 있어 처리되지 않은 유리보다 스크래치에 훨씬 강하다. 이러한 특성 때문에 휴대폰 화면에 주로 사용되는데, 특히 한국의 삼성이나 LG 등에서 생산하는 스마트폰에 널리 채택되고 있다. 휴대폰은 열쇠 등 긁히기 쉬운 물건과 함께 휴대되는 경우가 많아 스크래치 저항성이 중요하기 때문이다.

또한, 일부 전투기의 항공기 캐노피에도 화학적으로 강화된 유리가 사용되었다.

그러나 화학적 강화 공정은 강화 유리 제조 공정에 비해 비용이 더 많이 든다. 이러한 비용 문제 때문에 다양한 분야에서 활용되는 데 제약이 있다.[11]

참조

[1] 웹사이트 Origins of Glassmaking https://whatson.cmog[...]
[2] 논문 A trip in the history and evolution of ion-exchange process 2008
[3] 논문 Towards a Glass New World: The Role of Ion-Exchange in Modern Technology 2021
[4] 논문 Versuche über die Diffusion von Silber in Glas https://onlinelibrar[...] 1913
[5] 서적 The Best Business Writing 2013 https://books.google[...] Columbia University Press 2013-06-18
[6] 서적 Materials Research for Manufacturing: An Industrial Perspective of Turning Materials into New Products https://books.google[...] Springer 2016-01-14
[7] 서적 Silicate Science, Vol. VII : Glass Science https://books.google[...] Elsevier
[8] 논문 Stresses in Glass Produced by Nonuniform Exchange of Monovalent Ions https://ceramics.onl[...] 1962-02
[9] 논문 Strengthening by Ion Exchange https://ceramics.onl[...] 1964-05
[10] 웹사이트 Potassium Nitrate https://pubchem.ncbi[...] 2024-04-23
[11] 웹사이트 What is Chemical Tempering? http://barrettlimite[...] 2018-06-23


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