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>유리는 만드는 원료인 SiO2는 결정질인걸로 알고 있습니다 >그런데 SiO2로 만든 유리는 왜 비결정질인가요?? 유리를 만드는 가공 때문에 차이가 나는 것 같습니다. 보통 결정질인 quartz를 고온 액체상태에서 급냉시키면 결정성이 사라지고 비결정성 유리 형태가 된답니다. 유리란? 유리란 일반적으로 규사, 소다회, 탄산석회 등의 혼합물을 고온에서 녹인 후 냉각하는 과정에서 결정화가 일어나지 않은 채 고체화되면서 생기는 투명도가 높은 물질을 유리라고 합니다. 또한 아무리 끓여도 끓지않으며 수증기로 증발하지도 않고 녹았다가 급냉을 시킬때 그 구조가 매우 불규칙한 특성을 갖고 있답니다. 이렇게 액체상태에서 제자리를 찾아가지 못하고 그냥 굳어지기 때문에 유리는 열역학적으로 액체(동결된 냉각액체)에 속합니다. 이렇게 차갑게 냉각되어 굳어진 유리는 너무 빨리 차가워졌기때문에 상당히 불안정합니다. 강도가 낮기 때문에 쉽게 깨져버립니다. 그래서 이때는 서냉이라는 과정을 다시 거칩니다. 급냉시킨 유리를 약 700도정도로 유지되어 있는 로(furnace)안에 넣고 아주 천천히 온도를 낮춰가면 유리가 투명성을 잃지 않으면서 꽤 강한 강도를 가지게 됩니다. 유리는 고온에서도 점도가 상당히 높은 용액을 냉각시킨 재료이므로 이온결정이나 혹은 금속과같이 일정한 용융온도에서 저절로 결정화되는 물질과는 달리 고온의 작업온도에서도 유리구조 단위들(사면체, 팔면체)은 결정격자와 같이 규칙적인 배열을 이루지 못합니다. 유리는 점도가 무한히 높은 용액상태로 고화된 물체입니다. 유리 용융액(유리물)을 냉각시키면 열역학적 임계영역을 통과한 후 액체의 구조와 유사한 준 안정한 과냉각액체로 동결되며 유리 용융액은 냉각시 준 안정한 상태인 유리상태로 전환됩니다. 유리 용융액(유리물)을 900±100℃에서 장시간 방치하면 내부구조가 규칙적으로 배열되어 결정이 석출되기 때문에 불투명하게 되고 순수 유리로서의 특성을 상실하게 됩니다. 이와 같은 현상으로부터 소위 결정화 유리(結晶化 유리, glass ceramics)란 새로운 재료가 개발되었습니다. 예를 들어 우주선 기술 등에 사용되는 극한적인 내열성을 가진 재료를 들 수 있으며, 결정화가 일어났음에도 불구하고 투명한 성격을 갖고 있는 것도 있습니다. ? 유리의 제조과정 유리는 녹여서 만들기 때문에 여러가지 형태의 유리제품이 가능합니다. 물론 이때 완전히 녹은상태에서는 형상을 이루는 것이 힘들겠지요. 이를테면 엿을 한번 생각해보세요. 엿이 녹아서 막 굳어지려고 하는 물렁물렁한 상태…… 그 상태를 생각하시면 됩니다. 그 상태에서 여러가지 형상의 유리제품을 만들수 있답니다. 유리를 만들기 위해서는 일단 원료들이 필요합니다. 우리가 사용하는 병유리나 판유리는 거의 다 소다석회유리로 만들어진답니다. 왜 소다석회유리라는 이름이 붙었을까요? 그것은 바로 소다(Na2O)와 석회(CaO)가 들어갔기 때문입니다. 원래 SiO2는 뛰어난 성질을 가지고 있답니다. 높은 내열성(높은 온도에서 잘 견딜수 있다는 뜻)과 높은 내열충격성(높은 온도에서의 충격에 강하다는 뜻)을 가지고 있지요. 하지만 이 SiO2의 단점은 녹는점이 매우 높다는 것입니다.(약 2,000℃ 이상입니다.) 녹는점이 높으면 연료비가 엄청나게 올라가겠지요. 1℃에서 100℃까지 온도를 올리는 것은 쉽지만 1600℃에서 1700℃까지 온도를 올리는 것은 막대한 열이 필요하답니다. 그러면 자연적으로 유리의 단가가 높아지게 되겠지요. 이것을 위해서 Na2O나 CaO, MgO,Al2O3를 넣어주게 되면 원래 석영유리(SiO2로만 이루어진 유리를 석영유리라고 합니다.)의 장점(위에서 얘기한 내열성, 내열충격성)을 최대한 살리면서 녹는점을 많이 낮출수 있답니다. 그래서 조성성분들이 저렇게 되는것 이지요. 왜 양이 저만큼씩 들어가는가에 대한 이유는 여러 실험 결과를 거쳐 위와 같은 최적조성이 나왔기 때문입니다. 1.배합 - 그 다음에는 이원료들을 잘 섞어야 합니다. 아주 골고루... 조금이라도 잘 섞이지 않은 부분이 있으면 성질이 일정하지 않은 유리가 만들어지기 때문이지요. 2.용해 - 그 다음엔 잘 섞은 분말들을 백금도가니(또는 알루미나 도가니)에 넣은다음, 그 도가니를 로(furnace)에 넣고 1400-1500℃까지 가열시킵니다. 왜 백금도가니를 사용하냐하면요... 백금도가니가 유리랑 접착성이 제일 안좋습니다. 접착성이 안좋아야 나중에 유리를 성형틀에 부을때 도가니랑 녹은 유리가 잘 떨어지거든요. 3.성형 - 펄펄 끓는 녹은 유리물을 성형틀안에 부어 넣습니다. 성형틀은 보통 금속(철)이 많이 쓰이지요. 이 유리를 그냥 로 안에서 그냥 식힐경우(서냉) 유리가 형성되지 않습니다. 유리가 제조되어질때 가장 중요한 점이 바로 급냉(빨리 식히는 것)시키는 것입니다. 서냉(천천히 식히는 것)을 할 경우 녹은 유리안에서 핵이 형성되고 핵주위로 결정들이 성장되어 유리가 투명성을 잃게 된답니다. 결정이란 규칙적인 원자들의 배열이라고 보시면 됩니다. 4.급냉 - 유리는 급냉을 시키기 때문에 그 구조가 매우 불규칙한 규칙성을 갖고 있답니다. 이리저리 얽혀있는 구조라고 생각하시면 됩니다. 이렇게 액체상태에서 제자리를 찾아가지 못하고 그냥 굳어지기 때문에 유리는 열역학적으로 액체에 속합니다. 굳어진 액체라고 보시면 됩니다. 구조가 규칙성을 가지게 되면 안에 빈 공간이 생기기 때문에 빛이 투과할때 그 빈 공간과 부딪혀 산란을 일으켜 불투명하게 보이게 됩니다. 하지만 유리처럼 불규칙적으로 얽혀있는 구조에서는 빈공간이 존재하지 않기때문에 빛이 투과하면서 산란을 일으키지않아 투명하게 보이게 되는 것이지요. 또한 빈공간이 존재하지 않기때문에 물이 통과할수 없답니다. 유리가 식기나 병의 용기로서 사용되고 있는 이유를 잘 아시겠지요? 5.서냉 - 이렇게 차갑게 냉각되어 굳어진 유리는 너무 빨리 차가워졌기때문에 상당히 불안정합니다. 이때 살짝만 건드려도 그냥 깨져버리지요. 그래서 이때는 서냉이라는 과정을 다시 거칩니다. 급냉시킨 유리를 약 700도정도로 유지되어 있는 로(furnace)안에 넣고 아주 천천히 온도를 낮춰가면 유리가 투명성을 잃지 않으면서 꽤 강한 강도를 가지게 됩니다. 내열유리 열팽창률이 작고 온도의 급변에 견디며, 연화온도(軟化溫度)가 보통 유리에 비해서 높은(1,000℃ 내외) 유리를 말하며, 보통은 이와 같은 특성을 갖추고 있는 수축유리(고규산유리)를 가리킨다. 석영유리 외에 바이코어(Vycor)라는 상품명으로 불리는 유리가 이 종류의 고규산 내열유리이다. 이 밖에 파이렉스(Pyrex)라는 상품명으로 불리는 내열유리가 있는데, 이것은 규산 81%, 산화붕소 12%를 함유한 붕규산유리이다. 선팽창률(線膨脹率)은 석영유리가 5×10-7, 바이코어가 8×10-7, 파이렉스가 32×10-7 정도이다. 1)석영유리(Fused Silica) - 규산무수물을 주요 성분으로 하는 유리. 다른 성분을 함유하지 않고 거의 규산무수물로 이루어진 유리를 특히 석영유리라고 하는데, 기계적 강도, 내화학성이 풍부하므로 카메라렌즈, 내열용기구나 기기용, 화학기구 등 특수한 방면에 쓰인다. 용도 - 망원경용, 렌즈, Furnace(노)의 표시창, 광학용 2)붕규산유리 - 규산분 이외에 산성성분으로서 산화붕소 B2O3를 함유하고 있는 유리이다. 파이렉스나,알루미나유리 등은 여기에 속한다. ①파이렉스 - 대표적인 붕규산 유리이며 1916년에 미국의 코닝사(社)에서 발표한 상품명. 우수한 내열충격성(耐熱衝擊性) ·화학적 내구성을 지닌 특수 유리로서, 규산분 80%, 붕산분 14%를 함유하고, 팽창률은 보통 유리의 1/3 정도이다. 내열충격성은 석영유리에는 미치지 못하나, 대량생산에 적합하고 성형성이 좋은 저열팽창성(低熱膨脹性)의 유리로서, 이화학용 용기나 관, 내열조리기구 등에 널리 사용되고 있다. 미국의 팔로마산천문대의 200in 반사망원경의 주경(主鏡)에 이 유리가 사용된 것은 유명하다. ②알루미나유리 - 알칼리 대신에 산화알루미늄을 함유하고 있는 유리이며, 무알칼리유리라고도 한다. 내열도·화학내구성이 높고, 고압수은등·연소관, 보일러의 게이지 유리 등 높은 내열충격성이 요구되는 기구에 사용된다. 규산분이 50% 이하, 알루미나 20∼30% 함유된 것도 있으며, 이 밖에 붕산·석회·바륨 등의 성분이 함유되어 있는 것이 보통이다. 3)고(高)규산유리 - 수축유리라고도 한다. 특성은 내열성·자외선 투과성이 뛰어나고, 성형·가공이 수월하다. 붕규산유리를 600℃ 정도에서 처리하면 분상(分相)을 일으켜 실리카(이산화규소)와 붕산나트륨으로 분리된다. 냉각된 후 묽은 산에 넣으면 외형은 바뀌지 않고 붕산나트륨이 녹아 실리카의 골격이 남는다. 이것을 1,200℃로 다시 가열하면 14%의 선수축을 일으켜서 투명한 유리(규산 약 96%)가 된다. 바이코어 [Vycor] - 1938년 미국의 코닝사(社)가 개발한 고규산(高珪酸) 유리(96% 실리카 유리)에 붙여진 상품명이었으나, 현재는 이 종류 유리의 일반적 명칭이 되었다. 석영유리(石英瑜璃)와 거의 같은 특성을 가지고 있는데, 즉, 뛰어난 내열 ·내충격성이 있으며, 또한 화학적 내구성이나 자외선 투과성을 가지고 있으므로, 그 특성을 이용한 여러 가지 용도가 개발되고 있다. 4)세라믹유리 - 보통의 유리와 달리 도자기(세라믹스)와 같이 미세한 결정으로 구성된 유리 결정화(結晶化) 유리라고도 하며 데비트로세라믹스(devitroceramics)라는 학명으로도 알려져 있다. 이것은 조직이 치밀할 뿐 아니라 높은 내열성과 기계적인 강도가 있으며, 연화온도(軟化溫度)가 1,000∼1,300 ℃ 로 높을 뿐 아니라 열팽창률도 대단히 작다. 보통 산화리튬 ·알루미나 ·규산을 기초성분으로 하는 유리를 자외선을 쬔 후에 가열하면 연화온도(600 ℃) 부근에서 작은 결정이 생기고, 다시 가열하면 이를 핵으로 하여 0.02∼20 ㎛의 미세한 결정으로 가득찬 결정유리로 변한다. 특히 결정핵으로 금속이나 금속산화물, 즉 금 ·은 ·구리 ·백금 ·산화티탄 ·산화지르코늄을 이용하면 고성능의 것을 얻게 된다. 보통 결정화유리는 불투명체이지만 기초 유리의 성분이나 제조 조건을 적당히 선택함으로써 석출하는 결정의 치수를 극도로 작게 한 투명한 결정화유리를 얻게 된다. 또 열팽창계수가 거의 0인 것을 만들 수도 있다. 파이로세람은 대표적인 상품명이다. 용도 : 벽난로 소각로투시창, 내열조리기구, 기계부품 출처 대동유리