소개
소재로서의 유리는 우리 일상에서 어디에나 존재합니다. 유리창, 독서용 안경, 와인잔, 휴대폰의 전자 부품 등 유리의 응용 분야는 매우 다양하고 광범위합니다. 기본적으로 유리는 원자 단위의 장거리 구조 질서를 갖지 않는 비정질 고체입니다. 가장 널리 사용되는 유리는 주로 이산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)과 같은 무기 산화물 화합물과 기타 혼합물로 구성됩니다[1]. 혼합 비율 또는 구성 요소의 순도에 따라 특성이 결정되고 따라서 적용 범위가 결정됩니다.
용융 실리카라고도 불리는 순수 규산염 유리는 고순도 실리콘 산화물로 구성되어 있으며 불순물이 전혀 포함되어 있지 않은 특수한 유형의 유리입니다. 다른 무기 유리에 비해 고온 저항성, 낮은 열팽창성, 내화학성 및 생체 적합성뿐만 아니라 자외선부터 적외선까지 높은 광학적 투명성이 특징입니다[2]. 이 소재는 고온 환경에서 안경 역할을 하거나 레이저 시스템의 렌즈 역할을 하고, 임플란트 시술을 지원하며, 팽창도계와 같은 분석 기기에 활용되는 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
열역학적 특성 측정DMA를 이용한 안경
동역학 분석(줄여서 DMA)은 재료의 점탄성 특성을 조사하기 위한 실험 방법입니다. 여기에는 탄성, 점도 및 댐핑과 같은 특성을 결정하기 위해 주기적인 기계적 부하에 대한 재료의 반응을 분석하는 것이 포함됩니다. DMA 303 Eplexor® 은 최대 50N의 총 힘 수준을 허용하는 동적 기계식 데스크톱 장비로, 벤치탑 장비로는 드물게 -170°C~800°C의 온도 범위를 제공합니다. 이러한 특성을 바탕으로 폴리머와 같은 저온 범위의 재료와 강철, 세라믹 또는 유리와 같은 고강성 재료 모두 800°C의 온도까지 특성화할 수 있습니다.
측정 결과
그림 1은 주택 창문에 사용되는 일반 플로트 유리(파란색 곡선)에서 100°C~800°C의 순수 용융 실리카(빨간색 곡선)에서의 DMA 측정값을 비교한 것입니다. 측정은 자유 굽힘 길이 20mm, 주파수 1Hz의 3점 굽힘으로 수행되었습니다. 큐빅 샘플의 두께는 1mm, 너비는 10mm이며 샘플의 외부 윤곽은 매끄럽게 처리되었습니다.
용융 실리카 유리와 순수 규산염 유리 모두 100°C에서 저장탄성계수(E')가 70GPa 미만입니다. 저장탄성계수 E'는 재료의 탄성 특성을 나타내는 수치로, 쉽게 말해 강성을 나타냅니다.
온도가 상승함에 따라 용융 실리카 유리의 저장탄성계수는 약간 감소하여 500°C에서는 약 60GPa의 값을 갖습니다. 566°C(추정 시작점)에서 탄 δ의 현저한 증가와 함께 저장 탄성률 E' 가 급격히 감소합니다. 탄 δ는 재료의 감쇠 특성 또는 에너지 소산을 나타냅니다.
이것은 비정질 고체의 유리 전이(Tg) 특성입니다. Tg 이하의 온도에서 재료는 대부분 고체이며 부서지기 쉽습니다. 유리 전이에서는 비정형 원자의 운동 에너지가 중간 결합을 극복할 수 있을 정도로 충분히 높아집니다. 이 시점에서 유리는 더 부드러워지고 성형이 가능해집니다. 이러한 이유로 시료 홀더에서 유리가 녹는 것을 방지하기 위해 이 지점에 도달하면 측정을 계속하지 않습니다.
이와 대조적으로 그림 1과 같이 순수한 규산염 유리는 고체에 대해 다소 비정형적인 거동을 보입니다. 관찰된 온도 범위 내에서는 재료의 연화가 일어나지 않습니다. 대신, 저장 계수인 E'는 온도가 상승함에 따라 약간 증가합니다. Babcock 등[3]은 결합력과 밀도가 다른 두 가지 원자 단거리 차수 구조가 공존한다고 가정합니다. 온도가 상승함에 따라 원자 결합력이 더 높은 구조가 점점 더 많이 형성되고 재료가 더 단단해집니다.
이 예는 고온 응용 분야에 순수 규산염 유리를 사용하는 것을 보여줍니다. 순수 규산염 유리는 600°C 이상의 온도에서도 사용할 수 있지만, 기존의 용융 실리카 유리는 더 이상 구조적 안정성을 보장하지 못합니다. 또한 이 예는 시각적으로나 화학적으로 매우 유사한 재료가 어떤 다른 거동을 보일 수 있는지, 그리고 동적-기계적 해석이 이를 조사하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지를 보여줍니다.
요약
동역학적 분석은 비정질 및 반결정성 폴리머의 유리 전이를 측정하는 데 일반적으로 사용되는 방법입니다. DMA 303 Eplexor® 을 사용하면 벤치탑 장비 중 타의 추종을 불허하는 온도 범위인 800°C까지 재료를 분석할 수 있습니다. 따라서 금속, 세라믹 또는 유리와 같이 medium- 고온 범위에서 사용되는 재료도 응용 분야에 맞게 특성화 및 평가할 수 있습니다.