유리와 비정질 재료
스마트폰의 커버 유리 등에 사용되는 화학 강화(이온 교환에 의한 강화)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- A변형점보다 낮은 온도에서 표층의 Na⁺를 이온 반경이 큰 K⁺와 교환하여 표층에 압축 응력을 만든다
- B유리 표층의 Na⁺를 이온 반경이 작은 Li⁺와 교환하여 표층의 부피를 줄어들게 함으로써 압축 응력을 만든다
- C연화점보다 높은 온도에서 이온 교환하면 교환이 빠르게 진행되므로, 더 깊은 층까지 큰 압축 응력을 충분히 얻을 수 있다
정답과 해설 보기
정답: A. 변형점보다 낮은 온도에서 표층의 Na⁺를 이온 반경이 큰 K⁺와 교환하여 표층에 압축 응력을 만든다
화학 강화에서는 Na⁺를 포함한 유리를 약 400℃의 용융 KNO₃에 담급니다. 표층의 Na⁺가 이온 반경이 큰 K⁺와 바뀌면 원래 Na⁺ 크기의 틈새에 큰 이온이 밀어 넣어진 형태가 되고, 표층이 넓어지려다 내부에 구속되므로 표층에 수백 MPa 이상의 큰 압축 응력이 생깁니다. 이 온도는 망목이 거의 유동하지 않는 변형점보다 낮으므로 응력은 완화되지 않고 남습니다. 연화점보다 높은 온도에서는 점성 유동으로 응력이 완화되어 버립니다. 작은 Li⁺와 교환하여 표층이 수축하려고 하면 표층에는 반대로 인장 응력이 생깁니다. 풍랭 강화는 온도차를 주기 어려운 얇은 판에서는 어려운 반면, 화학 강화는 두께 1 mm 이하의 판에도 사용할 수 있습니다.