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유리의 화학적 실체

Posted at 2005-12-04 03:33:17

화려한 베니스 크리스탈 잔은 일반 부엌 컵들과 특별히 다른 것이 무엇일까? 화학적 관점에서 보면 ‘별 다를 게 없다’가 정답이다. 고급 크리스탈 잔의 조성은 기본적으로 저렴한 유리잔들과 근본적으로 같다. 사실 창 유리와 유리 항아리, 현미경, 비이커 등 거의 모든 유리 소재는 동일한 하나의 물질 성분에 기초하고 있다.&nbsp; 미국 뉴욕 Rensselaer Polytechnic Institute의 유리 및 세라믹 과학 교수 Robert H. Doremus에 따르면 상업적 유리는 약 70 질량%가 실리카(SiO2)로 되어 있다고 한다. 이 화합물은 모래로부터 얻어지며 완제품을 투명하게 만들어 주는 성질로서 가시광선을 흡수하지 않기 때문에 실리카는 유리를 만드는 소재로 이상적이다. 광섬유 케이블에 쓰이는 유리는 순순한 실리카 만으로 만들어지는데 그 이유는 그 높은 투명도가 광 신호들의 전달을 빠르게 해 주기 때문이다. 순수한 실리카를 녹이는 데에는 섭씨 2000도로 가열해 주어야 하기 때문에 대부분의 유리 제조사들은 원료 모래에 소다라고 알려진 탄산나트륨(Na2CO3)을 약 18% 섞어서 가열 연료비를 줄인다. 이 탄산염이 녹는점을 낮추어 주지만 추가된 나트륨(Na)은 제조된 유리가 물에 천천히 녹아 들어가게 만든다. 여기서 약 10%의 석회석(CaCO3)을 첨가해 주면 그와 같은 풍화작용으로부터 유리를 보호할 수 있다. 이들 원료 소재들의 혼합물을 같이 가열하면 칼슘 실리케이트(CaSiO3)와 나트륨 실리케이트(Na2SiO3)의 용융 혼합물이 만들어지는데 제어된 조건에서 냉각시켜 주면 소다-석회석-실리카(Soda-Lime-Silica) 유리가 만들어진다. 유리의 화학은 인류가 최초로 유리를 만들기 시작한 이래 줄곧 거의 변하지 않았다고 미국 뉴욕의 코닝에 소재한 ‘코닝 유리 박물관’의 연구 과학자 Robert H. Brill은 말한다. 가장 오래된 유리 그릇은 기원전 1500년 경의 메조포타미아 시대의 일이다. 초창기 유리 제조법은 하얀 자갈 돌을 소다와 석회(CaO)를 포함하고 있는 재와 섞어서 녹이는 것이었다. 그러나 과학적 용어로서 유리는 실리카를 전혀 포함하지 않아도 된다. 수많은 화합물들이 유리로 만들어질 수 있다. “유리(Glass)는 물질의 상태이지 하나의 특정 물질이 아니다”라고 Brill은 말한다. 정의에 의하면 유리는 결정으로 되지 않고 굳어진 하나의 무정형 고체(Amorphous Solid)이다. 천연 유리는 번개가 모래 더미를 칠 때나 용암을 내 뿜는 화산이 폭발할 때와 같이 모래나 바위가 녹아서 갑자기 냉각될 때 형성된다. 미주 및 아시아 문명들은 천연 유리 조각들을 장식 목적 뿐만 아니라 창 촉이나 절단 도구로 써 왔다.&nbsp; 유리 세공은 기원전 1세기 경부터 볼 수 있는 장면이 되면서 유리 제품이 일반인들에게 널리 보급되었다. 시리아에서 시작된 것으로 보이는 이 유리 세공술은 로마인들에게 이전되어 그들의 폭 넓은 무역 망에 의해 퍼져 나갔다. 로마 제국의 쇠퇴와 함께 그 무역로들도 쇠톼하면서 중동으로부터의 원료 공급에 시달리는 유럽인들은 석영석과 토종 나무들의 재들을 써서 유리를 만들 수 있다는 것을 발견하였다. 이 소재로 만들어지는 유리는 산화 나트륨(Na2O) 대신 산화칼륨(K2O)을 포함하고 있다. 이 칼륨석회 유리는 중세 성당들의 스테인드 글라스 제조에 도입되었다. 유리 물체들을 만드는 공정은 약 10세기 경에 중동과 정기 무역을 하였던 베니스 인들에 의해 유럽에 전해졌다. 14-15 세기에는 베니스가 유럽의 유리 시장을 장악하게 되었고 실리카를 포함하는 수입 모레와 식물 재로부터 정제된 소다로부터 크리스탈로(Cristallo)라고 불리는 반짝이며 색이 없는 유리를 개발하였다. 크리스탈로 유리를 제조하는 비법은 수세기 동안 엄격히 비밀에 붙여졌다. Doremus에 따르면, 그 당시 자신들의 제조 기술을 외국인들에게 전수하려고 시도하는 유리 세공사들은 사형의 처벌이 가해졌다.&nbsp; 시간이 지나면서 유리 제조법은 베니스에서부터 퍼져 나갔고, 17세기 말에 이르러 유럽 유리 제조업자들이 하찮은 소재들을 써서 화려한 크리스탈(Crystal)을 개발하였다. 소다-납 유리라고도 불리는 크리스탈은 석회 대신 산화납(PbO)을 포함한다. 납을 첨가해 주면 유리의 굴절율(Refractive Index)가 증가하여 반짝이고 더 투명해 보이고 더 무겁고 파내도 금이 가면서 깨지는 경향이 줄어들게 된다.&nbsp; 그런 유리를 크리스탈이라고 부르는 것은 사실 잘못된 것이다. 과학적 용어로 하나의 크리스탈(결정)은 규칙적은 구조를 가지는 하나의 소재이다. 우리가 상업적으로 크리스탈이라고 부르는 것을 포함하여 모든 유리는 규칙적인 고체와 불규칙적인 액체의 중간 상태이기 때문에 폭 넓은 범위에서 불규칙한 구조를 갖는다. 또 다른 대체 물질로서는 석회(Lime)와 대부분의 소다 대신 쓰이는 산화붕소(B2O3)가 있다. 붕소 실리케트 유리는 파이렉스(Pyrex)라는 이름으로 시판되는 유리와 실험 기기 제조의 원료인데 이 소재는 가열 중에 팽창이 적어 갑작스러운 온도 변화에 노출되어도 잘 깨지지 않게 해 준다.

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