유리, 첨단 소재 경쟁에 뛰어들었다 (LG경제연구원)

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1) 19세기 이후 사치품의 이미지가 강했던 유리가 실용적인 모습으로 변화를 시작했다. 첫 출발은 광학 렌즈였다. 뮌헨의 유리제조업자인 죠셉 프라운호퍼는 오랜 연구 끝에 망원경과 현미경 등에 사용할 수 있는 광학 유리를 만들 수 있게 되었다. 굴절, 투명함 등 유리 본래의 특성을 기반으로 실용적 소재로의 발돋움을 하게 된 것이다. 

2) 유리가 본격적으로 생활 속에서 사용된 것은 에디슨이 필라멘트 백열등을 발명한 이후다. 당시 에디슨은 세계 최초로 백열등을 개발했지만 이를 감싸줄 유리 용기를 찾지 못하고 있었다. 그러던 중 에디슨은 미국의 유리회사인 코닝에 도움을 청했고 1년여의 연구 끝에 전구용 유리를 개발하게 된다. 유리 기술과 전기전자 기술의 역사적 첫 만남이었다. 

3) 1947년 CRT(Cathode Ray Tube : 음극선관, 일명 브라운관) TV에 사용되는 유리 튜브가 개발되었다. 이후 TV의 화면 크기가 커지기 위해서는 유리 튜브를 얼마나 크게 만들 수 있느냐가 선결 과제일 정도로 유리가 디스플레이에서 중요한 부품으로 자리잡았다. 창문에도 스테인드 글라스가 아닌 투명한 유리가 사용되기 시작한 것은 얼마 되지 않았다. 넓고 균일한 두께의 유리를 만드는 획기적인 제조법이 발명된 것은 1960년대다. 영국의 유리회사인 필킹톤(Pilkington)사가 개발한 플로트(Float)법은 판유리의 대량 생산에 기여하였다. 이를 통해 일반 건축자재로도 널리 쓰이게 되었다.

4) 유리의 용도가 다양화됨에 따라 유리가 가지고 있는 기본적 특성(투명성, 화학적 안정성) 이외에도 새로운 기능이 요구되기 시작했다. 실내에서만 사용되던 유리등이 실외에서 쓰이기 시작하면서 문제가 생겼다. 철도 신호등의 조명이 자주 깨졌다. 조명에서 나오는 열 때문에 달궈진 유리의 안과 차가운 바깥의 공기의 온도차 때문이었다. 이로 인해 1900년대 미국에서는 철도 사고가 빈번하게 발생했고, 급격한 온도 변화에 견딜 수 있는 유리 개발이 시급했다. 이를 해결하기 위해 개발된 유리가 내 열유리다.

5) 자동차에도 용도에 따라 여러 가지 유리가 사용되고 있다. 자동차용 유리 중 가장 비중이 높은 것은 전면 유리일 것이다. 안전 확보와 쾌적한 드라이브를 위해 유리의 면은 넓게 디자인되었다. 하지만 사고시 부상의 위험이 있었기 때문에 깨질 경우에도 파편이 떨어지지 않는 이중접합유리 등 안전 유리가 개발되었다. 헤드라이트에는 전면을 렌즈 형태로 만든 실드빔이 사용되는 등 자동차 곳곳에 다양한 유리들이 적용되고 있다. 일반 판유리가 쓰였던 건축용 창유리에도 적외선을 흡수하고 빛만 통과하게 하는 열선 흡수 유리 등을 적용, 냉방 효과를 높일 수 있었다. 하지만 건물이나 자동차를 구성 하는 재료 중 유리의 비중이 그리 높지 않았기 때문에 유리의 고기능화는 선택적 사항이었으며, 그 속도는 점진적일 수밖에 없었다.

6) 디스플레이용 유리의 진화는 건축용, 자동차용과는 사뭇 다르다. 앞에서 언급했듯이 디스 플레이의 발전에 있어서 유리가 기여한 부분은 크다. CRT TV의 크기와 품질 향상은 유리 제조법의 혁신에서 비롯되었다. 그 선봉에 코닝이 있었다. 코닝은 1947년 처음 CRT TV의 튜브를 개발한 2년 뒤 좀더 큰 튜브를 만들기 위해 원심 제조법을 개발했다. 그리고 4년 뒤 컬러 TV를 위한 새로운 튜브를 개발하기에 이른다. CRT TV용 튜브를 최초로 개발한지 6년 만의 쾌거였다. LCD, PDP와 같은 평판 디스플레이가 본격화되던 2000년대에 들어서는 디스플레이용 유리의 새로운 시대가 열렸다. 평판 디스플레이는 과거 CRT TV와는 전혀 다른 제조 공정을 가지고 있기 때문에 유리의 새로운 조성과 새로운 제조법이 필요했다. LCD의 경우, TFT(Thin Film Transistor : 박막 트랜지스터) 고온 증착 공정이 필요하며, 주입된 액정의 안정성도 중요하다. 때문에 열에는 강하고, 유리가 기본적으로 가지고 있는 알칼리 성분이 제거된 제품이 요구됐다. 또한 CRT TV와 달리 LCD는 대규모 장치산업으로, 규모의 경제를 통한 원가 혁신이 중요하기 때문에 한 번에 여러 장의 LCD 패널을 만들어낼 수 있는 방법이 필요했다. 그러기 위해서는 좀더 큰 유리를 제조하는 것이 가장 중요한 문제였다. 코닝을 비롯한 유리 회사들은 각자의 제조법으로 유리 크기를 키우는 데 집중했다. 그 결과, LCD 산업에서의 세대는 유리 크기에 따라 구분되기 시작했고, 혁신의 속도도 빨라졌다. 2년을 주기로 유리의 크기는 점점 커진 것이다. 이를 통해 LCD 산업 초기 400mm×300mm 크기의 1세대 유리가 현재 2,500mm×2,200mm의 8세대 유리(초기 유리 크기의 약 40배)로 진화할 때까지 10년 정도가 걸렸다. 큰 유리의 개발로 LCD의 가격은 급격하게 하락하기 시작했고, LCD 시장은 폭발적으로 성장했다. 이를 통해 FPD용 유리 기판 시장 규모는 2004년 3조에서 2010년 15조로 5배 확대되었으며, 전체 유리 수요중에서도 30% 이상을 점유하게 되었다. 오래도록 건축용과 자동차용이 유리 수요의 대부분을 차지해왔지만, 10년 사이에 디스플레이용 유리가 유리 산업의 중심이 되었다.

7) ‘고릴라(Gorilla)’ 는 코닝에서 개발한 강화유리의 브랜드명이다. 모바일 기기 시장이 확대됨에 따라 가볍고 얇으나 잘 깨지지 않는 유리가 필요했다. 고릴라 글라스가 개발되기 전까지만 해도 모바일폰을 떨어뜨려 전면 유리가 깨지는 경우가 많았다. 그렇다고 해서 두꺼운 유리를 적용할 수는 없었다. 모바일 기기의 기능이 고도화되면서 휴대폰에 들어가는 부품은 많아졌지만 소비자는 여전히 얇은 모바일 기기를 선호했다. 코닝은 지금까지 축적된 기술력을 믿고 곧바로 회사 자료실을 뒤지기 시작했다. 그리고는 1962년 자동차용 유리로 개발했다가 포기한 강화유리 ‘켐코’(Chemcor)를 찾아냈다. 여러번의 테스트를 거친 후, 모바일폰에 적용하기 시작했다. 고릴라 글라스는 화학적으로 강도를 높인 유리다. 순수한 상태의 유리를 섭씨 400도의 용융소금이 담긴 용기에 집어 넣으면 유리 속의 나트륨 이온이 빠져 나가고 그 자리에 칼륨 이온이 들어가는 화학작용이 일어나는 이온 교환 방식으로 만들어진다. 이를 통해 얇지만 강한 유리를 생산할 수 있게 되었고, 현재 30개 가 넘는 글로벌 기업들의 350여 종의 기기에 사용되고 있다.

8) 필름의 영역으로만 여겨졌던 플렉서블 디스플레이 기판에 유리가 사용될 수도 있을 것으로 보인다. 코닝은 휘는 유리 `윌로우`(Willow)를 공개했다. 윌로우는 차세대 플렉서블 디스플레이에 최적화된 유연성을 가진 휘는 유리로, 가벼우면서도 높은 강도를 가진 것이 특징이다. 두께가 100마이크론 수준으로 종이처럼 얇기는 하나, 강력한 충격에도 견딜 수 있다. 

9) 현재 미국 우주선 표면의 70%는 특수유리로 덮여있다. 우주선 내부를 우주의 진공 상태에서 보호하기 위해 3겹의 유리로 만들어져 있는데, 3겹 중 가장 표면에 있는 유리는 지구 궤도로 재진입시 고온을 견디도록 제작되었다. 맨 안쪽 유리는 우주선 내부를 밖의 진공으로부터 버틸 수 있도록 강도가 센 화학 강화 유리다. 여러 가공 방법을 통해 내열성과 고강도를 만족시키고 있다.

10) 뿐만 아니라 생체용 유리도 개발되고 있어 생명과학 분야에도 곧 적용될 전망이다. 생체 조직과의 친화성이 좋고, 뼈와 화학적으로 결합하는 생체활성유리 및 결정화 유리가 인공뼈 및 인공 치아 재질로 연구되고 있다. 결정화 유리는 세라믹보다도 강도가 세기 때문에 세라믹의 대체 소재로 주목받고 있는 상황이다. 현재 쓰이고 있는 지르코니아 등 세라믹계보다 우수한 성질을 가지고 있다고 판단하여 미국과 일본에서는 적극적으로 개발을 진행중이다. 다공질(多孔質) 유리도 생체 기능성 유리로 개발, 사용되고 있다. 다공질 유리는 유리 내에 다수의 미세한 기공이 있는 유리로, 액체 및 기체의 흡착성이 좋다는 특징을 가지고 있다. 다공질 유리에 손가락을 접촉하게 되면 땀이 흡수되는 것을 느낄 수 있을 정도로 흡수력이 강해 ‘목마른 유리’라는 별명이 붙기도 하였다. 현재는 혈액의 여과 및 투석, 바이러스 및 세포 성분의 분리 등에 적용되고 있으며, 앞으로는 효소의 담체(擔體)로도 사용될 것으로 보인다. 지금까지는 플라스틱이 담체로 이용되었으나, 내알칼리성을 높이기 위한 복잡한 공정 때문에 유리 대체가 가속화되고 있는 상황이다.

유리_첨단소재경쟁에뛰어들었다_2012_0709.pdf

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