유리는 고체인가? 액체인가?

유리의 상태 - 고체인가 액체인가

유리는 고체인가 액체인가?

 

유리는 유리를 구성하는 원자의 주기성이 없는 비정질(amorphous) 형태의 물질입니다. 인터넷을 보다보면 종종 오래된 유리의 상태를 보며 유리를 고체로 분류할지 액체로 분류해야하는지에 대한 논쟁을 볼 수 있습니다.

 

유리를 액체라고 생각하는 이유

 

유리는 잘 깨어지긴 하지만 단단합니다. 육안으로 보기에도 명확한 모양과 부피를 가지고 있습니다. 액체처럼 흐르지 않습니다. 유리를 조금 더 화학적으로 설명하면, 유리는 이산화규소(SiO₂) 분자가 주기성을 가지는 결정격자에 존재하지 않고 랜덤하게 패킹되어 있는 비정질 고체입니다.

 

결정질인 석영과 비정질인 유리의 원자배열 비교

 

종종 사람들이 유리가 액체라고 생각한 이유는 오래된 유리를 관찰하고 생긴 오해 때문입니다. 오래된 유리를 보면 유리의 상단보다 바닥이 더 두껍기 때문에 유리가 중력에 의해 서서히 흘러내렸다고 착각한 것입니다. 이는 과거 유리는 제작 방식 때문에 생긴 현상으로, 안정적인 설치를 위해 바닥쪽이 더 두껍게 만들어졌습니다.

 

액체와 고체의 특성을 고려한다면 쉽게 이해할 수 있습니다. 액체와 고체 모두 정해진 부피를 가지지만 액체는 유동성이 있어 고정된 모양이 없고 고체는 유동성이 없어 고정된 모양을 가집니다. 용기의 모양을 취합니다. 그렇다면 유리가 액체가 되기 위해서는 흐르거나 모양을 바꿀 수 있어야 합니다. 유리가 흐르나요? 결코 그렇지 않습니다.

 

 

유리를 액체라고 오해하게 만드는 오래된 스테인드 글라스

 

유리는 시간이 오래 지난다해도 전혀 흐르지 않습니다. 오래된 유리를 만들었던 과거에는 유리의 제작 방식의 한계로 인해 그 두께에 차이가 있습니다. 예를 들어, 유리를 만들 때 취입된 공기가 기포를 불균일하게 발생되었고 가열된 유리를 정밀하게 회전시키지 못해 완벽한 구형을 만들 수도 없었습니다. 또 유리판을 만들기 위해 액체 유리를 부어 굳히는 과정에서도 먼저 부은 한쪽이 먼저 냉각되어 두껍게 만들어지기도 했습니다. 어차피 이렇게 균일하게 만들기 어려웠기 때문에 두꺼운 유리판을 설치할 때에는 안정적인 설치를 위해 두꺼운 부분을 아래로 배향하여 설치하였을 뿐입니다.

 

정밀한 기술이 발달된 현재는 두꺼운 유리도 균일한 두께로 생산이 가능합니다. 현대 기술로 제작된 유리창을 보면 바닥부분의 유리가 두꺼운 것은 결코 볼 수 없습니다. 실제로 정밀한 레이저 기술을 이용해 미세한 유리의 두께 변화를 측정한 결과 유리의 두께 변화는 전혀 관찰되지 않았습니다.

 

참고

 

비정질 고체인 유리의 특성

 

비정질 고체인 유리의 녹는점

 

유리는 이산화규소(SiO₂) 분자가 규칙적으로 배열되어있지 않고 랜덤하게 패킹되어 있는 비정질 고체라고 말씀드렸습니다. 이는 마치 과냉각된 액체의 원자구조와 유사한데 이런 비정질 구조로 인해 유리에는 명확하게 구분되는 상전이가 없고 유리전이온도(Glass transition temperature, Tg)만 존재합니다. 다시 말하면, 물처럼 정해진 명확하게 녹는점이 존재하지 않아 고체와 액체의 경계가 모호하고 유리전이온도(Tg) 아래의 온도에서는 고체와 같은 특성을 보입니다. 

 

 

물질의 4가지 상태에 대해서