휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (8) - 完

《 휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (8) - 完 》

이전 시간에 강화유리는 원래부터 강도가 있는 상태가 아니다라는 것을 말하였다.

판유리를 휴대폰 형상에 맞춰 직사각형으로 절단하고, CNC 공정에서 휴대폰 형상으로 유리(강화유리)를 가공한 상태는 작은 외부의 충격으로도 쉽게 유리가 깨진다.

따라서 CNC 형상 가공까지 마친 유리는 휴대폰에 장착이 되어 시장에 유통이 될수가 없기에 강도를 높혀주는 작업을 해주게 되는데 그것이 바로 화학강화 공정이다.

유리를 강화(강도를 높혀주는 방법)는 열강화와 화학강화 2가지로 나뉘게 되는데,

열강화는 건축용 유리와 같이 두꺼운 유리 (3t 이상)에 적용되는 방식으로 유리를 뜨거운 환경에 넣게 되면 유리 표면은 뜨거운 열로 인하여 열팽창이 되고 유리의 열전도율이 낮기 때문에 유리 중심부위에는 열팽창이 상대적으로 덜되게 된다.

이런 상태에서 갑작스러운 냉각(Quenching)을 하게 되면 유리 표면은 열팽창이 된 상태가 되어 압축응력(Compressive Strength)이 발생되고

내부는 상대적으로 열팽창이 덜되어 힘의 균형을 맞추기 위해 외부로 확장하는 인장응력(Tensile Strength)가 발생이 된다. 

 

화학강화도 열강화처럼 외부에 압축응력을 유도시키고, 내부에 인장응력을 만들어 유리의 강도를 증가시키는데 열강화 다른것은 KNO3(질산칼륨)이란 화학 물질을 이용한다는 것이다.

실온(섭씨 25도) 상태의 KNO3(질산칼륨)은 고체 상태의 파우더이다. 왜냐하면 녹는점이 섭씨 333도 이기 때문이다. 따라서 순수한 질산칼륨을 SUS로 구성된 Bath에 넣고 온도를 대략 섭씨 450도까지 올리게 되면 액체상태가 되어 버린다. (앞서 언급한바와 같이 질산칼륨의 녹는점이 333도여서 450도에서는 전부 녹아 물처럼 변해버린다.)

뜨거운 액체 상태로 변한 질산칼륨 액체에 CNC까지 가공된 유리를 넣게 된다.

이때 KNO3(질산칼륨)는 K+(칼륨 이온)과 NO3- 이온으로 해리가 되며 뜨거운 질산칼륨 액체에 들어간 유리는 사람 눈에는 보이지 않지만 모공이 열리면서 유리 내부에 있는 Na+ 이온이 외부로 방출된다.

이때 유리속에 있는 Na+(소듐 이온)이 방출된 자리에 외부의 K+(칼륨 이온)이 유리의 비워있는 모공에 채워지게 되는데 이런 과정을 이온 교환(Ion Exchange)라고 부른다. 

 

정리하자면 크기가 작은 Na+ 이온이 유리에서 빠져나오고 사이즈가 큰 K+ 이온이 유리 안으로 들어가게 되는데 (Na+ 이온의 크기는 1옹스트롱, K+이온의 크기는 1.3옹스트롱) 유리내부에 큰 이온이 들어가서 유리 표면은 매우 뻑뻑한 상태가 되는데 (※Fig.3-2 참조) 이 상황을 좀더 쉽게 표현하자면..

버스 뒷자리에 길다란 의자에 중학교 소녀(Na+ 이온)가 7명 앉아 있었는데, 여기서 3명이 내리고 덩치가 매우 큰 강호동 같은 씨름선수(K+이온) 3명이 비워진 자리에 앉았을때의 느낌을 상상해 보자. 자리가 매우 빽빽하고 서로 옴짝달싹 할수 없으며 그 사이를 비집고 들어갈수가 없다.

유리도 마찬가지다. 상대적으로 사이즈가 큰 칼륨이온이 유리안으로 들어가버려 유리 표면은 매우 빽빽하고 옴짝달싹할수 없는 소위 압축응력(Compressive Strength)가 생기게 된다.

K+ 이온이 유리 내부로 들어간다고 해서 유리 중앙까지 침투하는 것은 아니고, 유리 겉표면을 기준으로 대략 40~100um(0.04mm~0.1mm)까지 K+ 이온이 침투하는데 K+ 이온이 침투해서 들어간 길이를 DoL(Depth of Layer)라 칭한다.

K+ 이온이 유리 표면에 들어가 압축응력이 걸리게 되면 유리는 어떤 특징을 가지게 되는가?

첫째, 스크래치가 잘 발생되지 않는다. 화학강화가 되지 않은 일반 유리의 경우는 못이나 칼로 긁으면 스크래치가 발생이 되는데 강화가 된 유리는 스크래치 대항력이 매우 커진다. 다시 말해서 경도(Hardness)가 증가가 되는데 이는 유리 표면에 안으로 향하는 힘인 압축응력이 걸리기 때문에 유리 표면이 벌어지는 스크래치가 발생이 되지 않게 한다.

둘째, 유리의 강도가 높아진다. 유리의 강도는 일반적으로 휨강도로 평가한다. 평평한 유리를 어느정도 이격되어 있는 길다란 봉위에 올리고 유리 윗부분에 다른 길다른 봉으로 눌러서 휘게 만들어 유리가 언제까지 견디는지를 가지고 유리의 강도를 평가를 한다. 

3점 벤딩테스트와 4점 벤딩테스트

 

3점 벤딩테스트에서 유리 파괴 과정 (고속 카메라 촬영)

유리를 윗그림과 같이 휘게 하면 유리 상단과 압축력이 발생하고, 유리 하단에는 서로 다른 방향으로 향하는 인장력이 발생이 된다. 앞서 칼럼에서도 언급하였지만 거의 모든 재료는 인장에 의해 파괴가 되므로 유리를 휘게 되면 인장이 발생되는 유리 하단으로 부터 시작이 되게 된다. 하지만 화학강화를 하게 되면 유리 표면에는 압축응력이 있기 때문에 외부의 인장응력이 발생하여도 그 힘을 상쇄시킬수가 있어 유리의 강도가 올라가게 되는 것이다.

물론 외부의 인장이 유리 내부의 압축응력보다 더 커지게 되면 유리는 파손이 되게 되어지는 것이다. 

이와 같은 이유로 우리가 휴대폰에 채용하고 있는 화학강화유리는 외부의 외력이나 휴대폰을 떨어뜨려도 깨지지 않고 사용할수가 있게 되는 것이다.

물론 경우에 따라 스크래치가 발생이 되고, 파손이 되는 경우도 있으나 이는 극소수에 불과하며 기술의 발전으로 보다 높은 강도를 가지게 되는 유리도 속속 업그레이드가 되고 있는 상황이다.

== 화학강화 유리에 대한 연재를 이것으로 마치고, 다른 주제로 찾아오겠습니다. ==

 

휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (1)

휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (2)

 

휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (3)

 

휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (4)

 

휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (5)

 

휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (6)

 

휴대폰에 사용되는 커버(Cover)용 강화유리에 대해서 알아보자. (7)

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