강화유리의 정의

강화유리

강화유리 란 ?

판유리를 열처리하여 유리 표면에 강한 압축 응력층을 만들어 파괴 강도를 증가시키고 깨질 때 작은 조각이 되도록 처리한 유리를 말하여 일반적으로 강화유리(Tempered Glass)라 하면 완전 강화를 의미한다.

강화유리(Tempered Glass)는 주로 차량, 철도 및 선박용 창문, 가구등에 주로 사용되며 건축용인 경우 출입문 등 건축물의 외벽 이외의 용도로 사용된다. 

강화유리를 고층건물 외벽으로 사용하지 않는 이유는 파손 시 작은 유리 조각이 고층 높이에서 떨어지게 되면 높은 위치에너지를 가지므로 사고를 유발할 수 있기 때문에 배강도유리를 사용하고 있으며, 고층 건물의 안전을 위한 최적의 방법은 강화유리를 사용하는 것 보다 접합유리를 사용하는 편이 더 안전하다.

접합유리를 외벽으로 사용하는 경우 강화유리에 비해 더 안전할 뿐 아니라 방범이나 방음 효과 또한 뛰어나므로 해외 선진국에서는 안전유리로서 강화유리보다 접합유리를 설치하도록 법으로 규정하고 있다.

그 밖의 강화한 유리로는 배강도 유리(Heat Strengthened Glass)가 있으며 주로 건축물의 외벽, 개구부 등에 사용되며 가끔 반강화유리라 불리기도 한다.

배강도유리 란 ?

판유리를 열처리하여 유리 표면에 적절한 크기의 압축 응력층을 만들어 파괴강도를 증대시켜 파손되었을 때 재료인 판유리와 유사하게 깨지도록 만든 유리를 말한다.

일반적으로 배강도 유리의 경우 서냉유리에 비하여 풍압을 견디는 정도가 대략 2배 정도 강하게 만든 유리라 할 수 있으며,

건축용 창문 파손의 원인으로는 

태풍에 기인한 풍압에 의한 파손과 유리의 중심부 온도와 가장자리 온도 차로 발생하는 열파손, 복층유리 중공층에 주입된 가스의 유출로 발생하는 압력(부압)에 의한 파손 등이 있다.

태풍에 의한 파손의 경우 압력을 받는 면적이 큰 창문이 작은 크기의 창문보다 파손되기 쉽고, 가스유출로 발생하는 부압에 의한 파손인 경우 창틀로부터 유리 중앙부까지의 거리가 짧은 작은 크기의 창문이 파손되기 쉽다.

열파손의 경우에는 태양 빛을 많이 흡수할 수 있는 조건을 가진 유리인 열선흡수유리(색유리) 또는 색을 띤 필름접합유리 및 코팅 유리가 맑은 유리에 비하여 열파손될 가능성이 더 높다.  

따라서 건축물 설계 시 건물의 위치, 높이, 방향, 그림자 등을 고려하여 열파손을 방지할 수 있는 조건으로 구성된 복층유리를 선정하여 설치하는 것이 바람직하다.

아래 표에 정의된 종류 별 표면압축응력의 크기는 외압에 의한 파손과 연관 관계가 있으며 외압이 표면압축응력 보다 커지게 될 때 파손이 발생하게 된다. 

유리 종류 별 표면압축응력 

참고로 KS L 2002 강화유리 규격의 경우 표면압축응력으로 구별하지 않고 아래 표에서 보는 바와 같이 파편의 상태, 낙구충격 파괴강도 및 쇼트백 충격특성 값을 기준으로 규정되어 있다.  

원판유리의 두께 변환

 코팅을 하지 않은 원판유리의 두께 변환 스펙트럼 계산

예를 들어, 3mm 맑은유리에 대하여 측정한 투과 스펙트럼이 있다고 가정할 때 5mm로 환산된 맑은 유리의 투과 및 반사 스펙트럼을 계산하고 싶다면 EN 410 Annex A의 규격에 있는 수식을 이용하면 쉽게 계산할 수 있다. 

てx(λ) : 분광광도계로 측정한 3mm 맑은 유리의 투과 스펙트럼

 n(λ) : 유리의 파장별 굴절율

참고로 건축용 유리 (Soda-Lime Silicate Glass)에 대한 파장별 굴절율은 

M.Rubin, Optical properties of soda lime silicate glasses, Solar Energy Materials 12 (1985) pp. 275-288 자료를 참고하길 추천한다. 

아래 수식을 이용하면 변환을 원하는 두께인 5mm 맑은 유리의 투과 스펙트럼(てy)을 계산할 수 있다.

  여기에서 

        てy(λ) : 5mm 맑은유리의 투과율

위 수식에서 ρs(λ) 는 유리의 파장별 굴절율로 계산한 공기와 유리계면 사이 에서의 계면 반사율이고,   

てi,y 는 3mm 맑은유리의 내부투과율(てi,x )로부터 계산된 5mm 맑은유리의 내부투과율 값으로 아래 수식으로 계산 가능하다.

  여기에서 

          てi,y(λ) : 원하는 두께에 해당하는 유리의 파장 별 내부투과율 (5mm 맑은유리)

          てi,x(λ) : 측정한 3mm 유리의 스펙트럼으로 계산된 파장 별 내부투과율

           てx(λ) : 측정한 3mm 유리의 파장 별 스펙트럼 

            x : 측정한 유리 두께 (3 mm)

            y:  두께 변환을 원하는 유리 두께 (5 mm)

내부투과율 てi,y(λ) 과 계면반사 ρs(λ) 값을 이용하면 다음 수식으로 5mm 유리에 대한 반사율 값도 계산 할 수 있다.

예를들어

   x = 3.0 (측정한 유리두께)

   y = 5.0 (변환을 원하는 유리두께)

  てx = 0.83 (측정한 3mm 맑은유리 투과율 값 83%)

   n = 1.525 (해당 파장에서의 굴절율 값이 1.525) 라 할 때

위에서 언급한 수식으로 계산하면 아래 와 같은 값들을 얻을 수 있다.

   ρs = 0.0432

  てi,x = 0.9053

  てi,y = 0.8472

  てy = 0.7766 (3mm 맑은유리에서 5mm 맑은유리로 환산된 투과율, 77.66%)

   ρy = 0.0717 (3mm 맑은유리 투과율로부터 환산된 5mm 맑은유리의 반사율, 0.717%)

아래 그림은 위와 같은 방법으로 계산한 3mm 맑은유리의 투과 스펙트럼에 대한 5mm 투과 및 반사 스펙트럼이고

위 그래프에 대한 파장별 스펙트럼은 아래와 같다.

Stress

 응력(Stress)

유리 응력의 종류는 다음과 같다.

1) 두께응력 (Thickness Stress, Toughening Stress)

2) 평면응력(막응력) (Membrane Stress, Planar Stress)

3) 표면압축응력 (Surface Compressive Stress)

4) 가장자리응력 (Edge Stress)

특히 두께응력 중 압축응력을 표면압축응력이라 하고 잔존하는 형태에 따라 영구응력, 일시응력, 열응력으로 구분하기도 한다.

유리에 두께응력 값이 높으면 유리가 잘 잘라지지 않는 특성을 지니며, 이는 두께응력을 형성하는 인장응력(Tension) 값이 100 MPa 라 할때 압축응력(Compresion)은 그 2배에 해당하는 200MPa 로 작용하기 때문이다.

평면응력은 절단 시 스코어링 라인을 따라가지 않고 원하지 않는 방향으로 잘라지는 현상과 관계가 있고, 가장자리응력(Edge Stress)은 서냉유리에는 존재하지 않으나 강화 시 유리가 식는 속도에 따라 오로지 압축응력만 발생한다. 이때 발생된 Edge 응력과 동일한 크기의 응력이 내부응력으로 존재하게 된다.

같은 위치에서도 방향에 따라 응력이 다를 수 있으므로 응력 측정시 이를 고려하여야 하며, 표면에는 영구응력이 존재하고 내부에는 일시응력이 존재하는 특성을 가지므로 유리를 자르면 응력이 사라지는 현상을 관찰할 수 있다.

응력의 크기를 측정하려면 선편광(Linear Polarization)하에서 측정하여야 하고 응력의 분포를 측정하려면 원편광(Circular Polarization)하에 측정하여야 응력의 분포를 알 수 있다.

원편광 하에서 본 응력의 분포(흰색)

위 그림에서 흰색으로 보이는 부위가 응력이 발생한 부위이며 해당 위치에서 응력의 크기를 측정하려면 선편광하에서 측정하면 된다.

                                             선편광 하에서 본 응력의 분포

편광현미경 구조 및 λ/4 Plate

<응력 분포 측정방법>

1) Analyzer와 Polarizer를 직교시켜  소광(가장 어두워 지도록 한다) 시킨다.

2) 시료 삽입 위치를 기준으로 Polarizer 와의 사이 상단에 λ/4 판을 삽입하여 가장 밝게 되도록 맞춘다.

3) 하단에  λ/4 판을 삽입하여 가장 어두워지도록 맞춘다.

4) 시료를 삽입하면 응력의 크기 만큼 해당 부위가 밝아진다. 

<응력 크기 측정방법>

1) Analyzer와 Polarazer를 직교시켜  소광 시킨다.

2) 상단 (Analyzer와 시료 사이)에 λ/4 판을 삽입하고 가장 밝게 되도록 Analyzer를 회전 시킨다.

3) 시료를 절단면이 보이도록 삽입하여 가장 밝게 보이는 주 응력을 기준으로 Analyzer를 회전 시켜 가장 어두워지는 각도와의 차를 측정하여 아래 수식으로 계산한다.

참고로 평행소광인 경우 시료를 투과한 빛의 밝기는 소광각 사이의 절반이 되는 45도 위치에서 가장 크게 나타난다.

  λ(590) : 나트륨 광원 사용 : 590nm

  2.6455 : Brewster constant (Soda-Lime Silicate Glass) 

Membrane Stress 또는 Surface Compressive Stress 측정 시 유용하게 사용할 수 있는 표준물

Stress 표준물

Stress 표준물을 이용한 Edge Stress 측정.