유리 성형(glass working)에 대한 설명

유리 제품은 상업적으로 매우 다양한 형태로 제조된다. 전구, 음료수병, 유리창 등 다양한 제품이 대량생산되고 있다. 대형 천체망원경 렌즈와 같은 제품은 개별 생산된다. 유리는 전통 세라믹, 신소재 세라믹과 함께 세라믹의 3가지 기본 종류 중 하나다. 다른 세라믹 재료는 결정구조를 가지는데 반해 유리는 비결정 구조를 가진다는 점에서 차이가 있다. 유리가 제품으로 성형되는 방법은 다른 재료에서 사용되는 방법과 매우 다르다. 유리성형공정에서 원소재는 실리카(SiO2)다. 이는 일반적으로 유리를 형성하는 다른 산화세라믹과 결합된다. 딱딱한 고체 상태에서 점성 유체로 변화시키기 위해 원소재를 가열해 액체 상태로 있는 동안 원하는 형상으로 성형시킨다. 냉각시켜 응고되면 결정화되는 것이 아니라 유리상이 된다. 유리성형의 전형적인 공정은 다음과 같은 단계들로 구성된다. 성형은 주조, 프레싱-블로잉(병, 기타 용기 제조), 압연(평유리 제조) 등의 다양한 공정으로 이뤄진다. 일부 제품에는 마무리 공정이 필요하기도 하다.

 

제품원재료 준비, 용융

거의 모든 유리의 주원료는 실리카(Si02)인데, 실리카는 모래에 들어 있는 천연 석영에 들어 있다. 모래는 잘 세척되고 분류되어야 하며, 세척과정에서 진흙과 원하게 않은 색깔을 만드는 광물성 물질이 제거된다. 분류(classifying)공정은 모래가 입자 크기별로 분류되는 것을 의미하며, 모래를 만들기에 가장 적합한 입자 크기는 0.1~0.6mm 사이의 것이다. 공업용 소다재(soda ash), 석회석, 산화알루미늄, 잿물(potash), 기타 광물질이 원하는 조성을 위해 첨가된다. 일반적으로 혼합은 사용하는 용융로의 용량에 맞춰 뱃치(batch)로 이뤄진다. 통상적으로 현업에서는 재활용된 유리가 혼합물에 첨가된다. 환경을 보존한다는 의미도 있지만 재활용된 유리는 용융을 원활하게 해준다. 경우에 따라 재활용유리의 비율이 100%가 될 때도 있다. 용융될 원재료의 뱃지를 투입재(charge)라 부르고, 용융로에 이것들을 채우는 작업을 투입(charging)이라 한다. 유리 용융로는 다음과 같이 분류될 수 있다

1. 냄비로(pot furnace): 포트 벽에 열을 가함으로 유리를 녹이는 제한된 용량의 세라믹 포트
2. 데이탱크(day tank): 투입재 위의 연료를 태우면서 열을 가하는 대용량의 용기이며 뱃치 생산에 적합.
3. 연속탱크로(continuous tank furnace): 긴 팅크로에서 한쪽으로 원소재가 공급되고 다른 한쪽으로는 용융된 용탕이 나오는 방식이며 대량생산에 적합.
4. 전기로(electric furnace): 다양한 생산율에 따라 다양하게 설계됨.

일반적으로 1500-1000°C에서 유리 용융이 이뤄지며 투입물을 녹이는 과정은 24~48 시간이 소요된다. 이는 모래입자가 맑은 용탕으로 바뀌고, 정제되고 작업하기에 적당한 온도로 냉각되는데 필요한 시간이다. 녹인 유리는 점성액체인데, 점도는 온도에 반비례한다. 성형공정이 용융공정 바로 뒤에 이뤄지므로 녹은 유리가 노에서 배출되는 온도는 후속 공정이 필요한 점도에 따라 결정된다.