더 잘 깨지지 않는 유리를 위한 원자 운동 연구

더 잘 깨지지 않는 유리는 전자기기와 건축 등 다양한 분야의 안전성을 높일 수 있습니다. 도호쿠대학교 연구진이 이끈 연구는 유리 내부의 원자 운동이 응력을 완화하는 원리를 조사했습니다. 충격에 절대 깨지지 않는 상용 유리를 개발한 것은 아니며, 향후 내충격성이 높은 재료를 설계하는 데 도움이 될 수 있는 기초 연구입니다.

유리가 깨지는 방식

유리에 외력이 가해지면 내부에 응력이 생깁니다. 유리가 이를 견디지 못하면 균열이 생기거나 파괴될 수 있습니다. 충격의 크기뿐 아니라 표면 결함, 가장자리 상태, 형상과 설치 조건도 파손에 영향을 줍니다. 깨진 유리의 날카로운 파편은 부상을 일으킬 수 있습니다.

열응력

유리의 각 부분이 서로 다르게 가열되거나 냉각되면 열팽창 차이로 응력이 생길 수 있습니다. 온도 변화에 대한 내성은 유리의 종류와 두께, 형상에 따라 다릅니다.

일부 영역만 강한 햇빛이나 열원에 노출되는 경우에도 온도 차이가 발생할 수 있습니다. 열충격으로 인한 파손과 아주 높은 온도에서 유리가 연화되는 현상은 구분해야 합니다.

굽힘과 비틀림

건물은 바람과 온도 변화, 지진 등에 따라 움직일 수 있습니다. 창유리와 프레임은 이러한 움직임과 예상 하중을 고려해 설계하고 설치해야 합니다. 부적절한 지지나 설치로 생긴 응력은 유리 파손의 원인이 될 수 있습니다.

제조 과정과 내부 결함

유리의 조성과 제조·열처리 과정도 품질에 영향을 미칩니다. 내부 결함이나 불균일한 잔류응력은 특정 조건에서 파손 위험을 높일 수 있습니다.

이는 접합유리나 강화유리가 일반 유리보다 본질적으로 더 불안정하다는 뜻은 아닙니다. 각 제품은 용도에 맞는 제조 관리와 검사가 필요합니다.

유리 종류에 따른 파손 특성

유리는 사용 환경과 안전 요구에 따라 여러 종류로 제작됩니다. 파손 방식도 재료와 처리 방법에 따라 달라집니다.

서냉 유리

서냉 유리는 제조 후 천천히 냉각해 잔류응력을 줄인 유리입니다. 깨지면 크고 날카로운 조각이 생길 수 있어, 충격이나 파편 위험이 큰 용도에서는 별도의 안전 대책이 필요합니다.

강화 유리

강화 유리는 단순히 특별한 성분을 섞은 유리가 아니라 열처리나 화학적 처리로 표면에 압축응력을 형성한 유리입니다. 열강화 안전유리는 파손 시 비교적 작은 조각으로 부서지는 특성이 있지만, 파편으로 인한 부상 가능성이 완전히 사라지는 것은 아닙니다.

접합 유리

접합 유리는 두 장 이상의 유리 사이에 중간막을 넣어 결합한 구조입니다. 파손돼도 중간막이 파편을 붙잡아 비산을 줄일 수 있습니다. 반드시 강화유리로만 만드는 것은 아니며, 어떤 충격에도 깨지지 않는다는 뜻도 아닙니다.

유리 내부 운동에 대한 새로운 이해

유리의 강도와 파괴를 원자·분자 수준에서 이해하려는 연구는 오래전부터 진행돼 왔습니다. 이번 연구의 의의는 그러한 연구의 시작이 아니라, 응력 완화와 관련된 미세한 집단 운동을 실험과 계산으로 구체적으로 조사했다는 점입니다.

연구진은 원자들이 어떻게 움직여 내부 응력을 줄이는지에 주목했습니다. 이를 위해 매우 짧은 시간과 작은 거리 규모의 운동을 관찰할 수 있는 측정법이 필요했습니다.

내충격성 향상을 위한 기초 연구

연구 논문¹은 학술지 Acta Materialia에 게재됐으며, 모델 이온 유리의 응력 완화와 Johari–Goldstein(JG) 과정에 관련된 원자 운동을 다룹니다. JG 완화는 유리질 물질의 국소 운동과 관련된 이완 현상으로, 단순히 유리가 녹는 과정을 뜻하지 않습니다.

연구진은 방사광 측정과 분자동역학 계산을 결합했습니다. 일부 원자의 점프 운동뿐 아니라 그 주변 원자들이 함께 조금씩 이동하는 운동이 응력 완화에 관여한다는 점을 조사했습니다.

출처: Makina Saito

점프 운동으로 생긴 작은 공간을 주변 원자들의 집단 운동이 메우는 양상이 관찰됐습니다. 연구 대상은 모델 이온 유리인 Ca0.4K0.6(NO3)1.4였으며, 일반적인 창유리 제품을 대상으로 충격 성능을 인증한 시험은 아니었습니다.

원자 운동 모델링

분자동역학 계산은 실험에서 관찰한 미세 운동의 원리를 해석하는 데 사용됐습니다. 계산 결과와 측정 결과를 비교하면 원자 운동이 응력의 시간 변화와 어떻게 연결되는지 살펴볼 수 있습니다. 모델의 결과를 모든 유리나 사용 환경에 그대로 적용할 수 있는 것은 아닙니다.

미세 운동 측정

연구진은 SPring-8에서 방사광을 이용해 구조와 운동을 조사했습니다. 나노초에서 마이크로초 사이에 일어나는 약 0.1~0.2나노미터의 변위를 측정해, 운동의 시간 규모와 응력 완화의 관계를 분석했습니다.

분자동역학 시뮬레이션

분자동역학 시뮬레이션은 원자에 작용하는 힘과 이동을 계산하는 방법입니다. 이번 연구에서는 실험만으로 해석하기 어려운 집단 운동을 확인하는 데 활용됐습니다. 실험을 완전히 대체하거나 개발 비용 절감을 보장하는 기술이라는 뜻은 아닙니다.

연구 결과

연구는 원자의 점프 운동과 주변 원자들의 집단 운동이 반복되면서 응력 일부가 완화되는 원리를 제시했습니다. 이러한 이해는 더 잘 깨지지 않는 유리의 설계에 도움이 될 수 있습니다. 다만 연구만으로 새로운 상용 유리의 강도나 수명이 입증된 것은 아닙니다.

기대되는 활용 가능성

더 높은 내충격성을 갖춘 유리는 차량, 건축물과 전자기기의 안전성에 도움이 될 수 있습니다. 실제 적용에는 제품별 설계와 성능 시험이 필요합니다.

파손을 완전히 막기 어려운 경우에는 균열 진행과 파편의 비산을 관리하는 것도 중요합니다. 이번 기초 연구가 원하는 모양으로 깨지는 유리 제품을 이미 구현했다는 뜻은 아닙니다.

콘크리트 포장에는 균열 발생 위치를 관리하기 위한 줄눈을 두기도 합니다. 이는 파괴를 고려한 설계의 일반적인 예입니다. 유리에 비슷한 개념을 적용하려면 재료 특성과 용도에 맞는 별도의 검증이 필요합니다.

안전 기준과 검증

강화유리와 접합유리는 이미 다양한 안전 용도에 사용됩니다. 새로운 재료 역시 실제 충격과 환경 조건에서 시험하고 관련 기준을 충족해야 합니다. 이번 논문 자체가 새로운 국제 안전 기준을 제정한 것은 아닙니다.

연구진

도호쿠대학교의 사이토 마키나 연구진이 연구를 이끌었으며, 교토대학교, 시마네대학교, 일본 물질·재료연구기구와 일본 고휘도광과학연구센터의 연구자들이 참여했습니다. 연구진은 다양한 유리에서 유사한 응력 완화 기구가 작용하는지 더 조사하고자 합니다.

응용 분야

더 튼튼한 유리의 개발은 스마트폰 화면 등 전자기기의 내구성 개선에 도움이 될 수 있습니다. 그러나 이번 결과만으로 낙하해도 깨지지 않는 화면이 개발됐다고 볼 수는 없습니다.

건설

건축용 유리는 바람, 충격, 온도 변화와 구조물의 움직임 등 여러 조건을 견뎌야 합니다. 내충격성을 높이는 재료 연구는 관련 제품 개선에 기여할 수 있지만, 허리케인이나 토네이도에 대한 건물 전체의 안전성을 단독으로 보장하지는 않습니다.

방호 용도

투명 방호재는 위협 수준에 맞는 다층 구조와 탄도 시험이 필요합니다. 유리의 응력 완화에 대한 이해가 장기적으로 재료 개발에 기여할 수는 있지만, 이번 연구가 특정 탄환을 견디는 방탄유리를 입증한 것은 아닙니다.

관련 산업의 기업 사례

Corning Inc.

Corning Inc. (GLW )는 유리와 세라믹, 광학 기술을 개발하는 기업입니다. 다음 소개는 산업적 관련성을 설명하며, 이 회사가 해당 연구를 상용화한다는 뜻은 아닙니다.

Corning Inc. (GLW )의 Gorilla Glass는 소비자용 전자기기에 사용되는 보호 유리 브랜드입니다. 회사는 디스플레이 유리와 광통신 분야에서도 사업을 운영합니다.

Corning은 2024년 10월 AT&T (T )와 광섬유·케이블·연결 솔루션을 공급하는 다년 계약을 발표했습니다. 이 계약은 광통신 사업에 관한 것으로, 이번 유리 연구의 상용화 계약은 아닙니다.

Corning은 광학과 유리 재료 분야의 연구·개발을 수행합니다. 이러한 사업 기반은 회사와 유리 산업의 연관성을 보여주지만, 특정 기초 연구가 회사의 실적을 개선할 것이라는 보장은 아닙니다.

인수와 사업 확장은 기업의 기술 및 고객 기반에 영향을 줄 수 있습니다. 투자 판단에서는 실제 재무 상태, 사업 전망과 위험을 함께 살펴야 하며, 이 연구에 관련된 산업에 속한다는 이유만으로 GLW 주식이 유리한 투자라고 단정할 수 없습니다.

향후 과제

향후에는 다른 유리 조성에서도 같은 운동과 응력 완화 관계가 나타나는지 확인해야 합니다. 실험실의 미시적 관찰을 실제 제품의 내구성 향상으로 연결하려면 추가적인 설계와 시험이 필요합니다. 이 연구가 투명 잠수함이나 태양의 열을 견디는 우주선의 실현 가능성을 입증한 것은 아닙니다.

더 잘 깨지지 않는 유리를 향한 연구

이번 연구는 유리 내부의 미세한 운동이 응력을 줄이는 과정을 이해하는 데 기여했습니다. 이러한 지식이 안전한 재료 개발에 도움이 될 수 있지만, 유리 파손의 모든 원인을 없애거나 즉시 상용 제품을 제공하는 성과로 해석해서는 안 됩니다.

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연구 참고문헌:

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2025; 2024년 온라인 공개). 모델 이온 유리의 응력 완화에서 Johari–Goldstein 과정으로 이어지는 집단적 비점프 운동의 발견. Acta Materialia, 284, 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}