유리의 재료와 과학적 특성
| 편종필 남서울대학교 환경조형학과 교수

유리는 다양한 물리적 변화에 따라 뜨겁게 또는 차갑게 재료를 구분하여 성형이 가능하며 또한 유리는 섬유, 금속, 나무, 흙 등과 같은 다양한 재질 표현이 가능해 마치 카멜레온과 같은 물질이라 할 수 있다. 이러한 다양한 변신이 가능한 것은 물질을 변화시키는 무기물의 혼합에 기인한 것이다.
유리는 순수한 무기재료들의 화학적 결합이 열에 의해 반응하여 결정화된 것이다. 이러한 결정화는 도자기의 유약이 소결하는 것과 매우 유사하나 유리는 도자기보다 더욱 열에 민감히 반응한다. 먼저 유리의 재료들은 규산염 광물에 속하고 이는 지구 구성물의 약 70%를 차지할 정도로 풍부한 자원이 있다. 어느 과학자는 지구를 통째로 가열할 수 있는 용해로가 있다면 아마도 지구는 유리로 변할 것이라고 했다. 이는 지구의 지표와 맨틀 내부를 구성하는 무기물들 중에 규산염 광물이 가장 많이 분포하기 때문일 것이다. 유리는 크게 소다유리Soda Lime Glass, 크리스탈유리Crystal Glass, 붕규산 유리Borosilicate glass, 퓨즈드 실리카Fused Silica, 석영 유리Quartz Glass 등으로 구분된다.

첫 번째로, 소다유리는 화학적 내구성耐久性이 양호하여 안정화된 유리로써 우리생활의 일상에 가장 널리 사용되는 유리이다. 대표적으로 건축에 쓰이는 창유리인 판유리 또는 거울유리, 음료와 약품병 유리, 자동차 유리, 화학약품을 보관하는 용기, 음료용 컵과 식기들이 있다. 현대에 접어들면서 예술가의 요구에 의해 유리 원재료를 생산하는 회사들이 많은 연구가 이루어지고 있다. 예술적으로 활용되는 유리의 가장 큰 문제점은 열팽창계수C.O.E.: Coefficient of Thermal Expansion가 모두 허용오차 범위 내에 있어 열을 이용한 융합과정에서 균열발생이 되지 않는 유리를 요구하고 있다. 대부분의 유리회사들은 열팽창계수가 다른 색유리를 생산하므로 유리작업을 성공리에 실험하기 위해서는 유리마다의 다른 물리적 정보를 이해하고 사용한다. 현재 예술가들에게 많이 사용되 유리로는 미국의 블즈아이 유리Bullseye Glass, 스펙트럼 씨스템 96Spectrum System 96, 독일의 쿠글러Kugler, 짐머만Zimmerman, 뉴질랜드의 개퍼 유리Gaffer glass와 같은 회사의 색유리 제품들이 있다. 소다유리는 생산 원가가 저렴하여 가장 경제적인 유리이며, 다양한 형태로 제조가 가능하여 여러 용도로 사용되고 있다. 소다유리의 기계적 가공성은 크리스털 유리인 납유리에 비해 단단한 편이나 붕규산 유리에 비하면 가공성이 좋다. 소다유리의 결정적인 단점은 물리적으로 온도 변화에 상당히 민감하여 열 저항력이 떨어진다는 것이다. 쉬운 예로, 일반 물 컵에 뜨거운 물을 부었다가 비운 후 바로 얼음물을 다시 부으면 유리 물 컵이 갑자기 균열이 발생하는 것을 일상에서 종종 경험하게 된다. 소다유리는 붕규산 유리에 비교하면 상당히 저하된 열 저항성을 가졌다. 이는 일반인들에게 유리는 쉽게 깨진다는 고정관념을 인식하기에 충분하다.

두 번째로, 크리스탈 유리는 물리적으로 소다유리와 유사한 특징이 있어 내열성이 약하지만 전기 절연성이 우수하다. 이러한 특징 때문에 크리스털 유리는 전기와 관련된 부속품으로 사용되며 온도계 튜브로도 활용되고 있다. 또한 크리스탈 유리는 원료에 연화납PbO이 27%~34% 이상 첨가되어 투명성이 매우 우수하나 소다유리에 비해 상대적으로 중량이 많이 나가 무겁다. 크리스탈 유리도 소다유리와 마찬가지로 급격한 온도 변화에 대한 저항성이 매우 약하여 급격한 온도 변화로 인한 균열이 쉽게 발생한다. 크리스탈 유리는 영국의 무역상으로 일하던 죠지 라벤스크로프1)Gorge Ravenscroft에 의해 발명된 유리이다.
일반적으로 유리를 구성하는 배합사의 혼합비율은 유리제조회사의 독자적인 기술정보에 속하므로 보안에 매우 철저하고 외부로 알려지지 않는다. 한 예로, 오스트리아의 스와로브스키는 크리스탈 유리로 준 보석에 가깝게 가공하여 전 세계에 공급을 하고 있다. 크리스탈 유리는 엄밀히 말하자면 납PbO 성분이 배합사의 약 34% 이상 포함되는 것을 말한다. 일반적으로 유리 배합사에 납 성분이 많이 첨가되게 되면 유리의 투명도를 향상시키고 유리의 점성을 낮추어 유리가 용해되었을 때 마치 물과 유사한 상태로 변하게 된다. 만약 유리의 점성이 낮아지게 되면 유리를 원활하게 용해로에서 말아내기 어려우므로 생산성에 차질이 발생하게 된다. 그러므로 아마도 이러한 상태의 배합사에 생산성 향상을 위해 유리의 점성이 좋아지도록 그들만의 특별한 무기재료를 첨가하여 단점을 보완하였을 것이다. 이러한 과학적인 정보는 철저한 스와로브스키 가문의 가족경영 체제로 그 비밀을 약 115년간 지켜오고 있는 것이다. 유리원료에 대한 그들만의 배합기술이 있지만 결정화 상태로 성형된 유리의 표면에 연마컷팅가공하는 기술 또한 독보적이다. 이들이 생산하는 모든 공정은 분업화되어 직원이 맡은 가공업무만 기술습득을 하고 다른 공정들에 대해서는 알 수 없는 조직으로 구성되어 보안을 유지한다.

세 번째로, 내열성 유리인 붕규산 유리는 열 충격Thermal Shock에 강하여 텅스텐 조명, 모니터, 이화학기, 오븐 등과 같은 용도로 일상에 사용된다. 붕규산 유리는 화학적인 내구성이 소다유리에 비교하면 매우 뛰어나며 열 충격에 강해 내열성 유리라고 말한다. 연질유리軟質琉璃,Soft glass에 속하는 소다유리와 크리스탈 유리의 단점을 보완하는 물리적 성질을 지니고 있어 급격한 온도 변화에 매우 잘 적응하는 장점이 있다. 주로 화학약품 공장의 파이프 배관으로 사용되거나 자동차 헤드램프 유리, 비행장 활주로의 유도선 조명, 이화학 실험기구, 조리용 유리식기 등으로 활용된다. 대표적인 붕규산 유리는 미국의 코닝사Corning Glass Corp.가 생산하는 파이렉스Pyrex가 있다. 예술에 사용되는 붕규산 색유리로는 미국의 노스스타Northstar 유리회사와 글래스 알캐미Glass Alchemy회사의 제품이 있으며 이는 모두 열팽창계수(C.O.E. 34×10-7±2)로 생산되어 투명 파이렉스 유리와 호환이 가능하다.
네 번째로, 퓨즈드 실리카Fused Silica는 내화물에 속하는 유리로 실리카硅砂, Silica의 성분이 96% 함유된 상태의 유리와 100% 실리카로 조성된 유리로 구분된다. 이 두 가지 유리는 모두 열 충격Thermal Shock에 매우 강한 내열성유리耐熱性琉璃로써 900℃~1200℃까지 열에 견딜 수 있다. 특히 100% 퓨즈드 실리카는 최고의 열 저항력을 지닌 인공물질이며 주로 천문 관측용 반사 망원경에 사용되고 의학용, 군사용 레이저장비 내에 사용되는 렌즈로 활용된다. 96% 조성된 퓨즈드 실리카는 우주선 외부 창문으로도 쓰여진다. 우주선은 대기권에 도달하기 위해 통과하는 상층권上層圈의 기온은 -160℃ 이며 대기권을 돌파하는 순간 약 2000℃가 넘는 화염에 휩싸이게 된다. 이러한 급격한 온도 차이에도 불구하고 우주선의 유리창에 균열이 발생하지 않아야 우주선 내부의 우주인이 생존하는데 이와 같은 극한의 기온차이의 물리적 상황을 견디도록 하는 특수목적의 유리가 퓨즈드 실리카이다. 아마 이러한 유리가 없었더라면 우주 개발은 꿈도 꾸지 못했을 것이다. 퓨즈드 실리카는 제조 원가가 매우 값비싸다 그리고 이 유리로 광학적으로 사용되는데 퓨즈드 실리카 렌즈들은 부가가치가 아주 높은 첨단 제품들로 활용된다.

유리를 구성하는 물질을 크게 세 가지로 분류한다면 먼저 성형물Former, 용매제Flux, 안정제Stabilizer로 분류할 수 있다. 모든 유리의 기초가 되는 투명유리를 구성하는 주원료로는 성형물인 규사Silica, SiO2, 용매제에 속하는 소다회Sodium Carbonate, Na2CO3, 그리고 안정제에 포함되는 석회Lime, CaCO3가 대부분을 차지하고 있으며 조성과 점성Viscosity, 그리고 투명도 조절을 위해 칼슘Potash, K2O, 마그네슘Magnesia, MgO, 알루미나Alumina, Al2O3, 산화바륨Boric Oxide, B2O3, 산화납Lead Oxide, PbO을 유리 배합사Formula에 첨가한다.

<일부 내용이 생략됩니다. 월간도예 2010년 4월호를 참조바랍니다.>