자동차 유리는 왜 잘게 부서질까?

대형건물의 두꺼운 유리창이 깨진 곳이나 자동차 사고가 난 근방에는

잘게 부서진 유리 조각들이 널려 있음을 우리는 곧잘 목격한다.

건물의 창유리나 자동차의 창문유리가 사고의 충격으로 깨어진 파편이

그 조각들이다. 강하고 두꺼운 창유리나 자동차의 유리가 깨어질 때도

아주 잘게 와르르 무너져 내리는 듯 하는데 신기하기까지 하다.

또한 깨진 모습도 그 끝이 뾰족하고 날카롭지 않고 정방형이다.

사람들이 다치지 않도록 특별히 유리에 어떠한 처리가 되어 있다는 것을

짐작할 수 있다.

이와 대조적으로 일반적으로 보는 유리병이나 일반 창문의 유리는 깨어지면

깨어진 면이 날카롭게 그리고 불규칙하게 깨어지는 것을 볼 수 있다.

깨어진 조각은 위험하여 줍기조차 두려운 마음이 든다.


그렇다면 어떻게 하여 대형건물의 창유리와 자동차의 옆면과 뒷면의 유리는

깨어질 때 작은 조각으로 산산히 부서 무너지듯 할까?


결론적으로 말하면 유리가 잘게 부서지도록 화학적 혹은 특별한 처리가 된 것은

아니다.

단지 유리의 강도를 높이고자 하는 간단한 열처리를 했을 뿐이다.

유리는 외부에서 어떠한 힘이나 충격이 가해지면 탄성적으로 아주 적은 양의

변형을 일으킨다.

즉 유리도 휠 수는 있으며 힘을 빼면 원래대로 돌아온다.

그러나 탄성영역 이상으로 큰 힘이 가해지면 깨어지고 만다.

금속처럼 찌그러지거나 늘어나는 소성변형이 없기 때문이다.

유리의 표면은 우리 눈에는 맑고 깨끗해 보이나 실제로는 미세한 균열이

많이 존재하고 있으며, 외부의 힘을 받을 때 이 균열들이 자라나서 유리는

깨어지게 된다.


그렇다면 어떤 열처리를 유리에게 한 것일까?

소위 템퍼링(Tempering)이라고 부르는 열처리는 유리를 고온으로 유지한 후

유리면의 양쪽에서 대칭적으로 찬바람을 불어 주는 방법이다.

그리하여 유리의 표면과 내부에 각각 압축응력과 인장응력이 생기게 하는 것이다.

즉 유리표면에 유리를 깨려고 하는 힘의 반대가 되는 인위적인 압축응력을

생기게 하여 강화를 시키는 것이다.

유리에게 외부에서의 충격 등으로 힘을 가한다는 것은 유리를 휘게 하거나

당기는 등의 인장(Tension)응력을 가한다는 의미이다.

일반적인 유리는 인장응력이 유리에 가해질때 그 유리의 강도(Strength)가

외부에서 가해진 인장응력보다 적으면 유리는 깨어진다.

그런데 템퍼링 강화처리를 받은 유리는 그 표면에 오히려 압축응력이 영구적으로

생기게 된다. 즉

인장에 반대되는 힘이 생기는 것이다. 예를 들어 유리의 강도가 100 이라면

유리표면의 응력이 -300정도가 되는 처리가 된다는 것이다.

다시 말하면 100의 힘으로 유리를 당기면 300의 힘으로 유리가 깨지지 않을려고

반대로 버틴다는 것이다.

이 경우 유리가 400 정도로 즉 4배가 강화되었다고 말 할 수 있다.


한편 유리의 내부는 압축이 걸려 있는 유리 표면과는 달리 오히려

인장응력이 걸려있고 보통 그 값이 유리의 강도를 넘는다.

그런데도 깨어지지 않는 것은 유리의 양쪽 표면에 걸린 압축응력으로 인해서이다.

유리가 깨어 질려면 먼저 유리 표면에 있는 보이지 않는 미세한 균열이 자라야 한다.

그런데 그 균열자체가 압축응력으로 꼭 눌려져 있어 그 압축응력과

유리의 강도를 합한 값보다 큰 응력이 외부에서 걸리지 않으면 균열이

자라지 않고 따라서 유리는 깨지지 않는다.

그런데 만약 외부에서 큰 충격이 오거나 돌같은 것이 유리창에 부딪치면

유리는 폭발적으로 깨어져 무너져 내린다.

그 이유는 딱딱한 물체가 고속으로 부딪혀 새로운 균열이 발생하고

이 균열이 인장응력이 이미 걸려있는 유리내부 영역으로 들어오면서

순간적으로 인장응력이 해소되기 때문이다.

꼭 사람같으면 스트레스가 꼭 눌려져 있다가 어떤 계기로 폭발된 것과

같다 할 수 있다.

이때 유리가 열을 발생하여 그 내부의 인장응력을 해소 할 수도 있으나

열전도도가 작은 유리의 성질로 인해 그것은 미미하다.

그 대신 표면에너지를 발생하여 그 스트레스를 해소한다.

다시 말하면 유리는 잘게 부서져 그 표면을 많이 만들어 표면에너지의 증가를

꾀한다. 깨어질 때 잘게 부서져 무너져 내릴 수 밖에 없다.

에너지 보존 법칙의 한 모습이다.


또한 유리가 깨어질 때도 주사위 모양의 각진 모습으로 깨어질 수 밖에 없다.

왜냐하면 균열은 응력의 수직방향으로 자라기 때문이다.

템퍼링을 하면 유리에 걸리는 응력은 가로 세로방향으로 균일하며,

각각의 응력 방향에 수직으로 균열이 자란다.

따라서 주사위 모양으로 잘게 부서져 순식간에 무너져 내리는 것이다.

실제 깨진 유리의 조각이 모습이 다르고 불규칙 한 것은 템퍼링하고 난 후

유리의 응력 분포가 이론적인 것처럼 균일하지 않기 때문이다.

이와 같이 유리를 템퍼링이라는 방법을 사용하여 강화시키면

그 강도도 높아질 뿐 아니라 파괴가 일어 날 때 사람에게 안전하게 날카롭지

않은 모양으로 깨어진다.


유리는 무조건 다칠 위험이 많은 무서운 재료가 아니다.

차창 밖의 경치를 환히 볼 수 있도록 투명하며 잘 안 깨지고,

사고가 나더라도 우리를 다치지 않게 스스로 무너져 내리는 고마운 재료이다.