Special 생활 및 전통세라믹스 기술 개발 동향(1)

유약층의 응력 측정에 대하여

김형준_한국세라믹기술원 이천분원 수석연구원
황인호_한국랩 대표

1. 들어가면서

2017년 필자는 “유리쟁이의 엉뚱한 도자기 도전”이란 글을 본지에 기고한 바 있다[1]. 거기서 본차이나와 그 유약은 실제 표 1에서 볼 수 있듯이 열팽창에서 그렇게 차이가 나지 않음에도 불구하고 아래 그림 1과 2 같이 소성시간을 늘리면 잔류 압축응력 생성과 경도 변화를 확인한 바 있다. 이렇게 발생한 응력은 식(1)에서처럼 단순히 소지와 유약 층간의 열팽창계수 차가 아닌 유약과 소지 간의 반응 층이 압축응력 발생의 원인이 된다는 것을 그림 3과 같이 증명하여 국내외의 세라믹관련 학술지에도 개재하였다[2,3].
     (1)[4]
  여기서, σgl은 유약층의 응력, T0는 유약에 응력이 없을 때의 온도, T1은 새로운 온도(상온), E는 유약의 탄성계수, αgl과 αb는 유약과 소지 각각의 열팽창계수입니다.

그림 1. 1150℃ 60분 소성 시, 본차이나 유약층 응력 측정결과

그림 2. 소성시간 차이에 의한 본차이나 유약측의 경도 비교

 
(a) 1150℃-30min                          (b) 1150℃-60min

그림 3. 소성 시간 차이에 따른 본차이나 유약과 소지 간 중간 반응 층 미세구조변화

  그럼 이와 같이 유약 층의 응력을 측정하는 원리는 무엇이고 어떻게 시료를 만들어야 관찰 가능한지에 대해 정리해 보고자 한다.

2. 응력 측정 원리

유리와 같은 광탄성 물질들은 물질의 응력상태에 따라 여러 광 진폭방향에 대해 빛을 다르게 굴절하는 즉, 일시적인 파면처럼 거동하는 복 굴절(birefringence) 현상을 갖는다.
  힘이 주어지지 않은 상태에서 물질은 방향에 무관한 굴절률 n0 값을 갖는다. 따라서 물질을 통과하는 모든 축을 따라 전파하는 모든 방향의 빛은 동일한 속도 즉, ν/ n0로 전파한다. 그러나 힘이 주어진 상태에서는 주 응력 축에 대한 주어진 광 진폭 벡터의 방향과 주 응력의 크기는 광의 굴절률을 결정한다.

그림 4. 주 응력 원소

-----이하 생략

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