얼마 전 수류탄 폭발에도 견디는 유리가 개발되었다는 뉴스를 들은바 있다.

미국의 미주리 주립대학 연구진에 의해 개발된 것으로 두께가 1.2 cm 정도인 유리가 내폭성이 강하여 보안 분야에는 물론 허리케인이나 지진 다발지역의 주택 창문용으로 유용하리라는 소식을 전했다.

유리는 우리 주변에서는 목재나 시멘트 다음으로 건축과 방풍 재료로 흔히 사용되고 있음을 잘 알고 있다. 이러한 유리에 대하여 좀 더 알아보고자 한다.

1. 유리의 정의

일반적으로 유리(琉璃, glass)라 함은 이산화규소, 석회석 및 소다석회(탄산나트륨)와 같은 원료가 고온의 유체상태에서 결정이 성장할 틈 없이 급속히 고체화되어 만들어진 투명 혹은 반투명의 단단한 무기물을 말한다.

유리는 초자(硝子)라고도 하며 대체적으로 뚜렷한 성질은 빛에 대한 투명도에 있으며, 화학조성과 물리적 특성이 다른 여러 가지 종류가 있으나, 대부분 다음과 같은 몇 가지 공통된 특성을 갖는다.

㉠ 유체상태에서 냉각되면 점성단계를 거친다.
㉡ 유리 혼합물이 특정 금속산화물과 혼합되면 일정한 색깔을 띤다.
㉢ 유리는 전기와 열을 잘 전달하지 못한다.
㉣ 대부분의 유리는 충격에는 약하나 경도는 강하다.
㉤ 통상 플루오르화수소산에는 쉽게 부식된다.

이러한 유리는 규산염유리를 주로 하는 산화물유리가 대부분이고 이에 조성산화물의 종류와 함유량 및 열처리 과정 등에 따라 여러 가지 광범위한 성질로 변한다.

2. 유리의 원료는 무엇인가!

유리를 제조하는데 필요한 주원료는 규사, 규석 등의 규산질, 탄산소다와 탄산칼리 등의 알칼리질, 석회석 등의 알칼리 토류질 등 세 가지가 있고, 용도에 따라 금속산화물 등을 적당히 조합하고 가열, 융해하여 만든다.

그 본체는 내부조직이 결정을 형성하지 않고 완전히 균질의 혼합물인 무결정의 투명고용체(Solid Solution)이다. 무색의 유리를 얻으려면 어떤 원료든 간에 철분이 적은 것이 필요하다.

3 유리의 구조

역학적으로 볼 때 고체라고 생각할 수 있는 물질이라도 화학적으로는 그렇지 않은 경우가 있다. 예를 들면 유리와 합성수지 등은 무정형의 물질이라고 할 수 있다. 즉 원자들이 규칙적으로 배열되어 공간격자(空間格子)를 이루는 것이 아니고 불규칙적으로 집합하여 격자(lattice)를 이룬다.

따라서 일정한 융점이 존재하지 않고 강한 힘이 작용 할 때 서서히 유연해지면서 점차 액체 상태로 상전이(相轉移)한다. 물리적 성질은 등방성이다.

유리는 무정형 물질로서 점성이 대단히 큰 액체 즉 “과냉각(過冷却) 된 액체”라고 말할 수 있으며 이러한 물질을 비정질(非晶質) 또는 유리질이라고 한다.

1932년 Zachariasen은 유리를 단순히 과냉각된 액체로 간주하고 결정체와 유사한 망목구조(網目構造)를 이루고 있으나 결정체와 같은 규칙적인 원자배열의 구조는 이루지 않고 있다고 하였다.

망목을 잇고 있는 각 결합(bond)의 크기는 약 0.2nm 정도이고 각기 에너지가 다르기 때문에 유리의 온도가 점차로 상승할 때 결합력이 약한 것부터 점차 강한 것으로 순차적으로 결합이 파괴된다.

이것은 유리를 가열하는 경우 처음에는 고체이던 것이 차츰 연화(軟化)되어 액체 상태로 연속적으로 상변화 하는 원인이 된다.(계속)