용기, 유리창, 렌즈, 유리 섬유 등에 사용되는 유리는 가장 친숙한 세라믹들이다. 유리는 비정질 규산염으로 이루어져 있는데, 유리의 특성에 영향을 미치는 다른 산화물들을 함유하고 있다. 유리가 갖는 장점은 광학적으로 투명한 점과 쉽게 제조할 수 있다는 점이다.
1. 유리의 특성
유리 성형 기법에 대해 구체적으로 논의하기 전에 유리의 온도에 민감한 성질을 살펴봐야 한다. 유리질 또는 비결정질 재료는 결정질 재료와는 다르게 응고한다. 결정질 재료가 일정한 온도에서 액상에서 고상으로 변태하는 것과는 달리 유리질 재료는 냉각됨에 따라 점도가 연속적으로 증가한다. 결국 결정질과 비정질 재료는 비부피(또는 밀도의 역수)의 온도 의존성으로부터 구분된다. 비결정질 재료의 경우, 용융점에서부터 비부피가 연속적으로 감소한다. 곡선의 기울기가 약간 감소하는 온도를 유리 천이 온도(glass transition temperature) 또는 허위(fictive) 온도라고 한다. 이 온도 이하에서 이 재료는 유리이고, 그 이상에서는 과냉된 액체, 궁극적으로는 액체이다.
유리의 성형 과정 중 중요한 것은 유리 점도의 온도 의존성이다.
대부분의 유리 성형 공정은 작업 온도와 연화 온도 사이의 온도 구역에서 행해진다. 이들 온도는 유리의 화학 성분에 따라 변화한다. 예를 들면, 소다-석회와 96% 실리카 유리의 연화 온도는 각각 700℃와 1550℃이므로, 소다-석회 유리는 훨씬 낮은 온도에서 성형될 수 있다. 유리의 성형성은 화학 성분에 의하여 매우 큰 영향을 받는다.
2. 유리 성형
유리는 원료를 용융점 이상으로 가열시켜 제조한다. 대부분의 상업적인 유리 제품은 소다-석회-실리카의 변형이다. 실리카는 일반적인 석영 모래, 산화 나트륨과 산화칼슘은 소다재와 석회석으로부터 공급된다. 유리의 광학적인 투명성이 중요할 때, 재질이 균일해야 하고 기공이 없어야 한다. 유리의 균일성은 완전히 용융시켜 혼합시킬 때 얻어질 수 있다. 기공은 기체의 작은 거품에 의하여 생성되는데, 이 기공을 제거하기 위해서는 기체를 용융체내로 흡수시키거나, 용융된 재질의 점도를 적절하게 조절하여 제거시켜야 한다.
유리 제품의 성형에는 4가지 방법이 사용된다. 즉, 압축, 취입, 인발 및 파이버 성형 등이다. 압축은 접시 등과 같이 비교적 두꺼운 제품을 만드는 데 사용된다. 이것은 원하는 형상을 가진 주철 몰드를 이용하여 압력을 가하는데, 몰드는 탄소 코팅이 되어 있고 유리 제품의 표면 평탄도를 향상시키기 위하여 예열된다.
유리 취입 성형은 예술품의 경우 수작업으로 하기도 하지만, 유리 그릇, 병, 전구 등의 생산 공정은 거의 다 자동화되어 있다. 이러한 공정은 몇 단계를 거치는데, 먼저 유리 덩어리를 몰드에 넣고 기계적으로 압축하여 성형한다. 그 다음에 최종 취입 성형 몰드에 넣고 고압 공기를 갑자기 불어넣어 몰드의 형태대로 성형되도록 한다.
인발은 판, 봉, 관 및 파이버(섬유)와 같이 동일한 단면적과 형상을 가진 제품을 제조하는 데 사용된다. 유리판은 열간 압연 방법을 이용하여 제조하기도 한다. 즉, 유리판의 평탄도를 향상시키기 위하여 제품을 서냉시키고 어닐링과 같은 후 열처리를 실시한다.
연속 유리섬유는 상당히 복잡한 인발 과정을 통하여 제조된다. 용융 유리를 백금 가열실에 담아둔다. 섬유는 용융된 유리를 가열실 밑면의 작은 구멍 속으로 인발하여 제조한다. 이 과정에서 중요한 역할을 하는 유리의 점도는 가열실과 작은 구멍의 온도를 조절하여 변화시킨다.
3. 유리의 열처리
1. 어닐링
세라믹 재질이 고온에서 냉각될 때 부품 내외면의 냉각 속도 차이 때문에 열응력이 발생한다. 유리와 같이 취약한 세라믹에서 이러한 열응력을 매우 조심스럽게 관리하여야 한다. 왜냐하면, 이 열응력이 매우 클 경우 열충격에 의한 파괴를 유발할 수 있기 때문이다. 통상적으로는 제품을 충분히 느린 속도로 냉각시켜 열응력의 발생을 억제한다. 재료 내부에 열응력이 존재하는 제품은 어닐링 온도까지 가열하여 열응력을 완화시키고 상온까지 서냉시켜 그 크기를 감소시킬 수 있다.
2. 유리 템퍼링
유리 제품의 강도는 표면에 압축 응력을 의도적으로 가함으로써 증가시킬 수 있다. 이것은 열템퍼링이라는 열처리 과정을 통하여 이루어진다. 이 열처리에서 유리 제품은 유리 천이 온도보다는 높고 연화 온도보다는 낮은 온도까지 가열된다. 다음으로 공기 제트나 기름욕(oil bath)내에서 상온까지 냉각된다. 이때 표면과 내부의 냉각 속도가 상이하기 때문에 잔류 응력이 재료내에 발생한다. 초기에는 표면이 냉각이 좀 더 빨리되어 변형 온도보다 낮은 온도로 냉각되어 강해진다. 이 때 냉각 속도가 느린 내부는 높은 온도(변형 온도 이상)에 있어, 아직도 소성변형이 가능한 상태이다. 냉각이 계속됨에 따라서 내부가 딱딱한 표면 부분이 허용할 수 있는 정도보다 더욱 수축하려고 할 것이다. 따라서 내부는 표면 부분을 안으로 끌어들이려 하여, 내부 반지름 방향의 응력을 발생시키게 된다.
세라믹 재료의 파단의 대부분은 인장 응력이 가해진 조건에서 표면의 균열에 의하여 유발된다. 템퍼링된 유리는 파단시키기 위해서는 표면의 잔류 압축 응력을 극복할 만한 크기의 인장 응력이 먼저 가해져야 하고, 추가로 표면에 균열을 야기시킬만한 인장 응력이 가해져야 한다. 템퍼링되지 않은 유리는 낮은 외부 응력에 의해서 균열이 시작되고, 이에 따라 파괴 강도도 감소된다.
템퍼링된 유리는 강도가 중요한 부분, 예를 들면 큰 유리문, 자동차의 시창, 안경 렌즈 등에 사용된다.
4. 유리-세라믹
대부분의 무기질 유리는 적절한 열처리에 의하여 비정질 상태에서 결정질로의 변태가 가능하다. 이 과정을 탈유리화라고 하는데, 탈유리화된 유리는 미세한 결정립을 가진 재료로서 유리-세라믹으로 불리운다. 결정화 또는 탈자화를 촉진하기 위하여 핵 생성체가 첨가되어야 한다. 유리-세라믹의 우수한 특성은 낮은 열팽창 계수로서 열충격 파단이 발생하지 않는다는 것이다. 또한 기계적 강도가 상당히 높고 열전도도가 우수하다. 일부 유리-세라믹은 투명하나, 일부는 투명하지 않다. 이 계열 재료의 가장 중요한 장점은 제조가 간편하다는 점이다. 즉 유리의 가공 기법을 사용하여 기공이 없는 결정질 재료를 제조하는 것이 가능하다는 점이다.
유리-세라믹은 상업적으로 파이로세람, 코닝웨어, 서코르, 비전이라는 상표명으로 생산되고 있다. 이들은 오븐 제품, 식탁 제품 등에 주로 사용되는데, 이는 열충격 저항이 매우 강하고 열전도도가 높기 때문이다. 또한 인쇄 회로 기판의 절연체로 사용되기도 한다.
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