유기 재료와 무기 유리의 결합 - 강화 유리의 미래

편집부(외신)

유리 산업의 미래는 그 강도와 유리와 다른 물질이 결합된 새로운 제품을 찾는 데에 있다. 
Eduouard Benedict는 프랑스 극장의 복장 디자이너였다. 1909년, 그는 유리 두 장 사이에 투명 플라스틱을 넣어 결합시킨 Triple XTMTM을 특허 등록하였다. 오늘날 미국에 있는 모든 자동차, 트럭 그리고 버스에는 다층 안전 유리가 사용되고 있다. 이것은 우리가 유리 산업의 미래 돌파구의 원천을 예측할 수 없는 예이다.
구조 유리는 폴리머와 유리를 결합하여 안전과 미화용 안전 앞 유리로 사용되고 있다. 건물 외관이 유리로 되어있지 않은 도시 경치는 상상하기 힘들 정도이다. 유리는 구름과 하늘을 투명하게부터 푸른색, 구리 빛, 심지어는 검은색으로까지 반사해 낸다.
폴리머를 사용함으로써 유리의 기본 물성을 변화시켜 유리의 사용범위를 크게 확장시킬 수 있게 되었다. 유리에 대한 기본적인 태도는 그 강도에 대한 의심이라고 할 수 있다. 상업적으로 사용되고 있는 유리들은 그 원래 강도의 거의 200분의 1밖에 내지 못하고 있다. 오랜 기간 동안 사람들은 유리의 엄청난 강도를 십분 이용하는 방법에 대해 연구해 왔다.
Bohemia의 왕자 Rupert는 1661년 영국의 귀족사회에 신비한 유리 방울을 소개하였다. 그 유리 방울은 용융되어있는 유리를 찬물에 떨어뜨려 만든 것이었다. 올챙이 형태의 물방울은 망치로 여러 번 내리쳐도 괜찮을 정도였다. 이러한 강도는 달리 설명할 방법이 없었다. 200년이 지나서야 과학자들은 무슨 일이 생긴 것인지 알 수 있었다. 뜨거운 유리가 급속도로 냉각될 때 바깥층이 압축되었던 것이었다. 느리게 냉각된 내부에는 장력이 작용하고 있었다. 이 유리 방울을 파괴할 수 있는 유일한 방법은 튼튼한 외부 유리를 뚫고 내부 장력이 이완 되도록 하는 방법 밖에 없었던 것이었다.
코닝의 물리학자였던 Jesse Littlet
on은 1920년대에 유리를 열처리하여 강도를 극대화 할 수 있는 온도를 찾기 위하여 연구하였다. 그의 연구는 유리 제조업체에 열처리를 조절하는 방법을 제시하였고 후에 Saint-Goba
in의 연구에 근간이 되었다.
최근에 이루어진 유리 강도 증가 방법은 작은 알칼리 이온을 큰 이온으로 화학적으로 바꾸는 것이었다. 이러한 방법은 유리의 표면구조를 압축응력이 발생하도록 바꾸었다. 이러한 기술을 사용하여 전자부품을 보호하기 위해 회로 기판에 사용되는 연화 유리에서부터 의학용 세럼 전달에 사용되는 등 그 범위가 매우 넓다.
고팽창 내부 유리와 저팽창 광택 유리를 결합하면 코닝에 의해 정확한 전기 저항과 저가의 Corelle 식기류에 사용되어온 잘 보호된 압축 층이 생기게 된다. 화학물 욕탕에 담그거나 다른 팽창률을 가진 다른 유리를 결합하기 위해 복합 형성 공정을 처리하여 강화된 유리는 대부분 일반 대중적인 용도로 사용되기에는 가격이 너무 비싼 경우가 많다.
강도를 증가하기 위해서는 기본에서부터 시작할 필요가 있다. 유리가 산소와 실리카 간의 공유결합을 통해 나오는 그 엄청난 강도를 잃게 되는 원인을 반드시 이해해야만 하는 것이다. 이러한 이론적인 강도를 이해해야만 우리는 제품 생산의 첫 번째 순간 후에 이 강도를 앗아가는 기제를 탐구할 수 있게 된다.
많은 유리 제조업체들은 폴리머를 사용하지 않아 왔다. 그들은 폴리머와 알루미늄 또는 다른 금속을 유리의 자리를 빼앗아갈 경쟁 물질이라고만 생각해왔다. 이전 폴리머와 유리의 성공을 되돌아보면-미국 경제의 중요한 부분인-유리 산업이 생존해 나가고 위협받아온 길을 알 수 있을 것 같다.

두 개의 허들
첫 번째 넘어야 하는 허들은 유리 제품을 만드는 데 요구되는 자본 비용이다. 투자 대비 회수 비용이 적은 유리 산업의 특성은 유리 산업의 지속적인 성장을 막는 큰 문제이다.
두 번째 허들은 최근의 에너지 비용 문제이다. 1973년~1974년 동안의 오일 수출 금지까지 사회는 저비용 에너지를 선호하였다. 이 단순한 구동 기현상 후에, 실제적인 공급/수요 가격은 가격보다는 실제 이용 가능함을 나타내고 있었는지도 모른다. 전세계적 석유 생산량은 2006년과 2012년 사이에 최고치를 보일 것으로 예상되고 있다.
지금까지 생산된 석유보다 더 많은 양의 석유가 땅에 남아 있다. 하지만 점점 생산해 내기가 힘들어지고 있다. 다음 배럴의 석유를 생산하기 위해서는 더 높은 퍼센트의 최신 배럴의 석유가 필요하게 되는 것이다. 모든 에너지원은 석유의 이러한 추세를 따를 것이고, 최근 석유 가격의 증가에서 더욱더 그러한 현상은 두드러지고 있다. 가격은 계속해서 오를 것이다. 그러나 실제 이용 가능함은 지금 예언된 것처럼 유리 생산이 계속되는 데에 근본적인 위협으로 서서히 나타날 것이다.

두 개의 희망
유리 산업의 생존에 대한 첫 번째 희망은 자본 비용이 차세대 용융 시스템(NGM)에 의해 점점 낮아지고 있다는 점이다. 구체적인 시스템은 ‘잠수 연소 용융(submerged combustion melting)’으로, 5개의 유리 제조업체의 협회와 다른 종류의 자금 기반 GTI 관리에 의해 주도되어 왔다. GMIC 혁신 분과 위원회를 수년전에 이끌었던 Fred Quan은 유리 산업이 용융 유리에 같은 투자를 할 수 있게 90% 감소하도록 만들었다. 이 위험한 투자는 정부(DOE)와 개인 펀딩에 의해 지지되었다.
두 번째 희망은 산업에 필요한 이용가능하고 지원가능한 에너지가 수소 경제를 이용하여 얻을 수 있다는 것이다. 저자는 깨끗한 석탄 가스화가 두 군데에서 미국 DOE에 의해 시연되는 것을 확인하였다.
첫 번째로 설치되어 있는 곳은 미국 플로리다에 있는 Tampa인데, 이곳에서는 매일 2400톤의 석탄이 연소되고 있다. 나머지 지역은 미국 인디애나주에 있는 Terre Haute인데, 이곳에서도 매일 2000톤의 석탄이 연소되고 있다. 이 두 곳에서 시연된 것을 보니 천연가스를 대체할 수 있을 것으로 생각되었다. 깨끗한 합성 가스는 시간당 2백만 Btu의 속도로 생산되었는데 이는 GE 가스터빈을 돌려 185MW를 생산할 수 있는 양이다. 미국 석탄은 다음 200년 동안 미국에서 필요한 에너지를 감당할 수 있을 만큼 매장되어 있는 것으로 예상되고 있다. 그러나 이 자원을 유리 산업의 에너지로 사용하는 것은 아직까지 너무 먼 이야기처럼 보인다. 결과를 얻기 위해서는 유리 산업이 큰 산업 에너지 사용자와 함께 동맹관계를 맺어야 한다고 생각한다.

유리의 새로운 황금시대
미국 유리 산업이 위험한 상황에 처해있다는 것이 널리 퍼져있는 생각이다. 그러나 핵심 물질인 유리는 마술과 같은 산업이다. 앞으로 5000년 후에도, 이 고전적인 재료는 시장에 새로운 용도로 사용되고 있을 것이다.
유리산업에 의존하고 있는 많은 장치들이 지난 10년동안 등장하였다:
쪾인터넷 접속이 가능한 무선 랩톱 컴퓨터
쪾디지털 다이얼로 영화를 선택할 수 있는 평판 스크린 텔레비전
쪾광섬유를 사용하여 즉각적인 정보 수정이 가능한 광학 통신 장치
쪾장거리 구리선 기반 전화통신 산업 네트워크를 상상할 수 없이 넓은 대역으로 뒤바꾸어 놓은 유리섬유
쪾IC 칩의 밀도를 높여 저가의 컴퓨터 메모리를 가능하게 한 스테퍼 카메라의 단파장 투명 유리 렌즈
더구나, 유리는 생명 과학에서는 계속해서 중요한 자리를 차지하고 있다. 유리는 지원 가능한 점점 중요시되고 있는 건강관리를 지원하고 있다. 이러한 응용 분야와 다른 응용 사례는 주기율표에 나열된 원소의 네 귀퉁이에 있는 원소에서부터 새로운 차원의 원소를 이끌어내지 않으면 불가능할 것이다.
이러한 응용 분야는 기존의 유리보다 잘 특성화 될 수 있을 것이다. 그러나 전통적인 유리에게도 발전 가능한 미래가 있다. 현재 전통 유리의 잘 깨지는 성질만 극복한다면 컨테이너, 직물-, 울-섬유, 실험실, 식당용기, 구조 자동차 제품과 같은 전통 유리도 새로운 황금시대로 진입할 수 있다. 전통 유리가 현재 우리가 받아들이고 있는 강도보다 10에서 100배 강해지지 못할 이유가 없다.

강도 관찰
거의 모든 유리 제품은 변형 온도에서 공기를 포함하고 있는 공기 중에서 실온으로 냉각하는 방법으로 만들어지고 있다. 그러나 졸-겔 공정은 예외가 될 수 있는데 졸-겔 공정은 고온 처리 공정이 없기 때문이다. 이들 유리가 공정적으로 가지고 있는 것은 표면에 큰 인장 응력이 존재하기 때문에 낮은 온도 구배가 표면에 발달하고 코어에는 온도가 높은 것이 특징이다. 유리 변형 온도아래에서, 내부 스트레스는 분자의 유동 재배열에 의해 완화된다.
그보다 더 냉각되면 표면에서 산소-실리콘 결합이 깨지면서 냉각되면서 가역적 스트레스가 발생하게 되고 표면에 미세한 금이 생기게 된다. 내부적으로 유리는 알칼리가 풍부해지고 스트레스 제거의 역할을 하는 수산화 이온이 많아지게 된다.
보다 더 중요한 것은, 물이 풍부하게 존재한다는 것이다. 전형적으로 겨울의 건조한 공기에는 1000
ppm의 물이 수증기로 존재하게 된다. 습도가 높은 여름에는 100
00ppm 이상의 물이 수증기로 공기중에 존재하고 있다. 4계절 내내 공기에서 결합 본드를 끊을 수 있는 수산화 이온이 충분히 공급되고 있는 것이다.
이 글에 실려 있는 강도에 대한 내용은 William Prindle, Carlo Pantano, Charles Kurkjian, David Pye, Helmut Schaeffer, John Helfinstene, Suresh Gulati와 Bulent Yoldas와의 대화를 통해 얻은 것이다. 이들은 토론과 지난 90년 동안 출판한 논문을 통해 나에게 지식을 주었다.
일반 유리의 파괴 강도를 표 1에 나타내었다. 이 강도 목록은 불어 만든 유리제품의 내부 보호 표면이 외부 보호표면보다 훨씬 강하다는 것을 보여주고 있다. LCD 유리는 유리창에 사용되는 유리보다 강도가 더 크다. LCD유리는 생산 과정 중에 표면에 접촉하는 일이 없어야 한다. 이러한 사실은 유리의 강도의 잠재성이 무엇인가에 대한 질문을 이끌어 낸다. 실리콘-산소의 이론적인 강도는 2x106 psi를 조금 넘기는 정도이다.
NIST 테스트는 유리의 강도가 조성보다 표면 조건에 더 민감하다는 것을 말해주고 있다. 유리의 제조 과정 중에 발생하는 Griffith flaw는 유리의 강도에 치명적인 영향을 미친다. 진공 조건에서, 새롭게 제작된 유리 섬유의 강도는 약 2x106psi였다.
통신용으로 사용되고 있는 광섬유는 다른 유리 제품들과 비교해서 상당히 큰 강도를 가지고 있다.
쪾코어 블랭크는 검출 한계 이하로 물에 의해 벗겨지고, 주변의 순수 실리카 클래드는 산산히 부서져 물에 씻겨나간다.
쪾광섬유는 알칼리를 포함하고 있지 않다.
쪾코어는 유도 가열되고 섬유가 열전도 분위기에서 뽑아진다. 냉각 속도는 초당 수천도이다.
쪾섬유가 블랭크 상태에서 최종 반지름인 125㎛가 될 때까지, 유리/폴리머 반지름이 250㎛가 될 때까지 폴리머 코팅을 한다.
이것이 매우 중요한, 아마도 핵심적인, 미래 유리의 파트너가 될 폴리머 즉 플라스틱에 대한 첫 번째 등장이다. 폴리머의 물성은 유리의 특성을 향상하기 위해 필수적이다. 유리는 홀로 에너지 가용성이나 비용 문제를 해결할 수 없다. 플라스틱은 100% 탄화수소에서 만들어진다.
모래, 석회암, 소다회는 풍부하고 지역적으로도 구하기 쉽다. 미래의 유리는 유리가 강도를 이루는 중심 뼈대가 되고 폴리머가 그것을 바깥에서 보호하는 형태가 될 것으로 보인다. 아마 유리는 50% 이하가 사용되고, 폴리머를 수천 층으로 얇게 코팅되어있는 형태가 될 것으로 예상된다. 이 얇은 층은 필요한 색상을 내게 될 것이다. 이것은 유리 산업의 새로운 전환점이 될 것이다. 단일 색상 유리나 투명한 유리는 재활용에나 사용될지도 모른다.
이러한 구조를 만들기 위한 시도는 과거에도 있었다. 그러나 여러 가지 이유로 실패하고 말았다. 가장 중요한 이유 중에 하나는 폴리머가 재활용에 적합하지 않다는 것이었다. Wiegan Glas는 독일에 있는 유리 공장에서 매우 얇은 폴리머 코팅 공정을 개발하였다. 이 회사는 1L 코카콜라 병을 40%의 무게 감소를 하면서도 같거나 더 큰 강도를 갖게 할 수 있음을 데이터로 보여주었다.
이들 병은 듀퐁 중앙 연구소에 있는 GMIC에 의해 지원된 회의기간 동안 알려졌다. 모든 유리 산업의 분야 사람들이 이 모임에 참가하였다. 모든 참가자들은 폴리머의 사용에 대한 필요성에 동의하였다. 회의는 NDA 보호 없이 진행되었다. 그렇기 때문에 우리가 보통 생각하는 것보다 더 반응이 빨랐다. 용기용 유리가 관심을 끌었지만 모든 유리 분야에서 폴리머-유리 프로그램에 참여하고자 했다. 듀퐁 연구소의 개소식의 시작은 PPG 화학사의 비즈니스 매니저의 참가로 시작되었다.
많은 회의 참석자들은 1L들이 코카콜라 병에 모아졌다. 그들은 유리 병에 호감을 표시하고 코팅공정이 합당하고 생각했지만 더 뛰어난 폴리머-코팅 표면 특성이 필요하다고 입을 모았다. 일반적으로 용기용 플라스틱 또는 폴리머 코팅 산업은 다음과 같은 부가 사항을 만족시켜야 한다:
쪾부수거나 재활용하기 전에 폴리머를 유리에서 쉽게 제거할 수 있을 것
쪾로에 집어넣자마자 연료의 역할을 할 것
쪾연소 과정 중에 수증기와 이산화탄소만을 내놓을 것

이미 사용 중인 폴리머
통신에 사용되는 광섬유는 이미 폴리머를 그 부품으로 사용하고 있다. 250㎛ 광섬유는 125㎛의 유리 코어를 가지고 있다. 면적은 지름의 제곱에 비례하기 때문에 섬유는 부피로 따지자면 75%를 차지하고 있는 셈이다. 25%의 코어 유리 물질이 정보를 전달하는 것이다. 거의 대부분의 정보는 유리 섬유 중앙의 6㎛에서 전송되지만 폴리머 코팅에 의해 보호되지 않는다면 광섬유는 그 기능을 하지 못하게 된다.
생명 과학은 유리 산업에 다양한 연구를 진행하고 있다. 유리와 폴리머 층간의 물리적 성질 차이를 이용한 신기한 제품이 개발되고 있다. 이런 제품들의 대부분은 낮은 가격, 자동화 고속 분석을 위해 사용되고 있다.
듀퐁의 Jeffrey Granato와 Gary Turner는 듀퐁 연구소 사람들에게 ‘우리는 유리인(人)’이라고 열심히 말하고 다닌다. 듀퐁이 보유하고 있는 로의 시찰이 Tony Cappellino의 안내로 진행되었다. 이는 듀퐁의 연구진에게 처음으로 선보이는 것이었다. 듀퐁의 중앙 연구 실험실에서 열린 미팅은 폴리머를 미래에 새롭게 개발할 제품에 사용할 귀중한 동반자가 될 것이라는 생각을 갖도록 해주는 시발점이었다.
시장에 나와 있는 현재의 폴리머-유리 결합 제품들도 무시할 수는 없다. 유리섬유-강화 플라스틱은 여러 가지 형태로 사용되고 있는데, 샤워기, 욕조, 회로판, 요트 등에 사용되고 있다. 폴리머를 재료적인 측면에서 새로운 차원으로 끌어올릴 수 있도록 폴리머를 사용하게 하는 것이 이러한 시도의 목적이라고 할 수 있다.
최근 유리 과학과 기술을 연구하고 있는 학생들에게 강도가 제한 요소로 작용하지 않을 새로운 유리의 사용처를 제안하는 콘테스트가 열렸다. 학생들은 유리가 현재 받아들여지고 있는 강도의 50배를 갖게 된다면 사용할 수 있는 여러 응용제품을 내놓았다. 전,현직 ICG 사장 4명이 자발적으로 심사에 나섰다.
펜실베이니아 주립 대학에서 열린 17회 대학 유리 과학 컨퍼런스에서 연구진들은 서로 의견을 나누는 자리를 마련했다. 컨퍼런스는  Carlo Pantano가 주최하였고 2005년 6월 26에서 30까지 열렸다. 이 컨퍼런스는 유리의 강도의 급격한 증가에 대해 토론하는 첫 번째 비공식 회의였다.

진보를 통한 보답
로 검사 회의의 역사는 1970년대에 Jack Swaring
en에 의해 씌여지기 시작했다. Jack Swearingen은 유리 제품의 재료적 이점을 향상하기 위해 유리 산업은 대안 물질과 유리를 결합하고 제품과 성능을 향상해야 한다는 믿음을 확신시켰다.
Swearingen은 유리 제조업체는 ‘도약하는 개구리’처럼 경쟁해야 한다고 믿었다. 각 제조업체는 산업 전체를 통한 향상을 이해함으로써 발전해 나가야 한다고 말했다. 다른 회사의 발전은 두 배가 되는 것에 그치는 것이 아니라, 다음 발전에 기틀이 되어야 한다. 그렇기 때문에 유리 산업은 진정으로 발전하고 보다 효과적으로 실제 경쟁에서 다른 물질과의 경쟁에서 이길 수 있다.
유리 산업은 내 회사의 수준을 뛰어 넘어야 할 필요가 있으며 전체 산업을 발전시키려고 노력해야 한다. 모든 쉬운 문제는 풀렸다. 어려운 문제에 대한 해답만이 더 큰 보답으로 다가올 것이다.
 (Ceramic Bulletin)