모래로 만든 유리는 왜 투명할까?

안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

유리는 인류가 최초로 만든 인공소재인 만큼 역사가 오래되었고

산업혁명 이후 급속도로 발전된 유리는 높은 다용도성을 갖춘 재료입니다.

뛰어난 투명성과 내구성으로 건축물, 디스플레이, 렌즈 등 다양하게 사용되고 있습니다.

 

이러한 유리의 주원료가 모래였다는 사실 알고 계셨나요?

 

오늘은 유리에 대해 알아보도록 하겠습니다!

 

유리

 

유리 공정

 

1. 유리의 제조

 

유리는 용도와 특수성에 따라 조금씩 다르지만 크게

배합 - 용해 - 성형 - 급냉 - 서냉 순으로 만들어집니다.

 

첫 번째 공정 : 배합과 용해

 

먼저 유리의 주원료가 되는 모래에는 이산화규소(SiO2) 포함되어 있고 

여기에 탄산나트륨(Na2 CO3)과 석회(CaCO3)를 일정 비율로 혼합하여 배합하게 됩니다.

 

이 원료를 백금으로 만들어진 가마니를 사용하여 1400~1500℃로 녹이게 됩니다.

이때 백금을 사용하는 이유는 높은 내화성으로 인해 강한 고온에도 견딜 수 있고

화학적 안정성이 뛰어나 직접적으로 반응에 참여하지 않습니다.

(그래서 촉매로서 많이 쓰이는 금속 중 하나이죠.)

또한 유리와는 접착성이 좋지 않기에 성형틀에 부을 때 유리가 잘 떨어져 나갑니다.

 

두 번째 공정 : 성형(Forming)과 급냉

 

유리를 금속 틀에 부어 빠르게 식히는 것이 핵심인데요!

 

빠르게 식혀야만 원하는 형상을 만들기 수월하며

내부의 응력을 최소화시켜 투명성을 유지하게 됩니다.

 

만약 천천히 식힌다면 유리 안에 핵이 형성되어

결정들이 모이기 때문에 투명성을 잃어버립니다.

 

세 번째 공정 : 서냉

 

급냉 이후의 유리는 표면은 이미 식어있지만 내부는 여전히 뜨거운 상태가 많기 때문에 

형태를 유지하는데 상당히 불안정하여 조금만 건드려도 깨져버리게 됩니다.

 

그렇기에 유리의 안정성 향상을 위해 서서히 식히는 작업을 하는데요.

서냉을 하여 유리 분자 구조를 안정시키고 크랙이나 깨짐을 방지합니다.

 

마지막 공정인 서냉을 거치고 나면 저희가 알고 있는

높은 투명도와 매끄러운 표면을 가진 유리가 탄생하게 됩니다!

 

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2. 유리가 투명해 보이는 이유

 

먼저 이산화규소는 정형화되지 않는 분자구조를 이루고 있기에

이는 마치 고체보다 액체에 가까운 상태를 의미하고

결정립이 성립하지 않기에 빛은 굴절이나 산란하지 않게 됩니다.

 

또한 이산화규소는 가시광선 영역은 흡수하지 않고 그대로 투과하게 되는데요.

이렇게 굴절, 산란 없이 투과된 빛은 사람의 눈에는 투명하게 보이게 되는 것이죠.

(가시광선보다 에너지가 큰 자외선은 유리가 흡수하기에 자외선은 차단된다.)

 

간혹 유리 끝 부분 혹은 깨진 유리의 단면을 보면

희미하게 녹색으로 보이는 경우도 있는데요.

이는 이산화규소 외에 철분 등의 불순물이 첨가되었기에 그렇습니다.

 

형형색색의 유리병

 

3. 불투명 유리

 

소주병이나 맥주병, 그리고 교회 건축물에 주로 사용되는 스테인글라스 등

색깔을 띠거나 투명하지 않은 유리들이 보이는데요.

이러한 유리들은 제조 과정 중 용도에 맞게 착색제를 첨가한 것입니다.

 

유리 공예 등에 사용되는 빛 깔들은 해당 빛만 흡수하는 금속 산화물을 첨가하여

빛의 반사에 의해 저희 눈에 보이게 되는 것입니다.

 

소주병이 초록색깔 빛을 내는 이유는 유리병 제조 시 철(Fe) 성분에 의해

초록색을 띄게 되며 별다른 착색제가 필요 없어 저렴하게 양산될 수 있습니다!

 

 

유리는 우리 주변에서 창문으로 흔히 찾아볼 수 있고 

투명성과 내구성, 전기절연성 등의 장점으로 인해 창문뿐만 아니라

핸드폰 혹은 TV에 쓰이는 디스플레이, 자동차의 윈도우,

렌즈와 실험용 기구, 가정용 인테리어등 일상생활에 필수적으로 사용되고 있습니다.

 

오늘은 이러한 유리의 제조 과정과 특성에 대해 알아보았습니다! 

 

이상 흥. 재. 과였습니다!