🍸0. 들어가며...
잘 쓰지 않는 술잔을 여럿 갖고 계신 분들은 짧게는 몇 개월, 길게는 몇 년이 지나면 유리잔이 흐려지는 것을 보셨을 것이다. 그건 와인잔일 수도 있고 소주잔일 수도 있다. 필자의 경험상, 정도의 차이는 있지만 모든 유리잔이 다 뿌옇게 변하는데, 한 개에 수십만 원 하는 바카라 명품 잔에서도 일어나는 일이다.
탁해진 잔은 물을 묻히면 다시 투명해지지만, 마르면 다시 흐려진다. 설거지를 해서 세제로 씻어내면 이제 투명해진다. 하지만 시간이 다시 오래 흐르면 또 흐려진다.
뿌옇게 흐려진 소주잔(좌)과 설거지 한 후의 모습(우).
같은 잔이다.
필자가 이 현상을 처음 발견했을 때는 정말 영문을 몰랐다. 먼지가 쌓이는 것도 아니고, 폐쇄된 공간에서 잘 보관되던 유리가 혼자서 뿌옇게 되다니? 우리나라에선 이 현상이 왜 일어나는지 최소한 대중에겐 잘 알려져 있지 않다. 또한 '술잔'을 다루는 영역에서도 잘 알려져 있지 않다.
그래서 아마도 정착된 용어도 없는 것 같다. 필자 생각에 후보로 '백화 현상'이나 '알칼리 용출' 같은 말이 무난해 보이는데, 유리잔이 저렇게 되는 걸 거론하는 일 자체를 별로 못 봤다. 혹시 학문적으로 부르는 정식 용어가 있다면 알려주시면 좋겠다.
아무튼 오늘은 왜 이 현상이 일어나는지, 정체가 무엇인지에 대한 것이다. 알고 보면 꽤 충격적인 이야기다.
유리가 썩는다(decay).
1. 결론 : 유리가 뿌옇게 되는 이유
결론을 처음에 이야기하는 건 오랜만인데, 이번 연재는 어떤 분께는 재미가 없을 수 있는 이야기라 그냥 결론부터 이야기하겠다.
유리가 뿌옇게 변하는 이유는, 유리의 불안정성에서 기인한 것이다. 과냉각된 비정질 유리질인 유리 표면이, 공기 중의 수분과 닿게 되면 화학 반응을 통해 이온 교환이 일어난다. 유리에 포함된 알칼리 금속 이온이 수분과 닿으면 밖으로 빠져나오게 되고, 유리 밖으로 나온 알칼리 성분이 굳으면서 결정을 이루어 유리잔을 뿌옇게 만드는 것이다.
한 마디로 유리의 표면이 알칼리 결정으로 코팅 되는 것.
마찬가지로 뿌옇게 흐려진 모습.
앞의 소주잔 사진은 1년 만에 저렇게 된 것에 비해,
이 잔은 5년 이상 방치되었지만 덜 뿌옇게 되었다.
유리를 만드는 기술과 성분의 차이이다.
또한 이것은 유리 안의 금속 이온이 밖으로 빠져나온 것이기 때문에, 유리 내부에 이온 크기의 구멍이 생긴다. 이 구멍이 일정 수준 이상 많아지면 유리가 자체가 영구적으로 뿌옇게 변한다. 이 상태는 물리적 손상이기에 되돌릴 수 없다.
이렇게 될 경우 구멍이 무수히 뚫린 상태이기에 구조적으로 매우 약해지며, 매우 쉽게 깨지거나 시간이 지나면 스스로 깨질 수도 있다. 말 그대로 유리가 부식되어 무너지는 것이다.
이것에 대한 설명이 오늘의 본문이며, 마지막에는 뿌옇게 변한 유리를 다루는 법에 대해서 이야기하겠다.
2. 유리의 성분과 구조
유리에 대해 조금 설명을 하겠는데, 기억해야 할 이야기는 아니니 그냥 재미삼아 읽어 보자.
유리는 크게 세 가지 재료로 만들어지는데, 유리의 골격 구조를 만드는 기본 재료와, 유리를 안정시키는 물질과, 유리의 녹는점을 낮추는 물질로 이루어진다.
흔히 사용되는 소다-석회 유리를 보면, 이산화규소(모래의 석영)가 주 성분이며, 융점을 낮추기 위해 산화 소듐이, 구조를 안정시키기 위해 산화칼슘이 이용된다.
유리가 만들어지는 과정을 보면, 융점을 낮춰서 녹인 성분들이 과냉각 되는 방식으로 굳는다. 물질이 천천히 식으면 결정 구조를 이루게 되는데, 유리는 빨리 식어서 규칙적인 결정 구조를 이루지 못하고 굳는 것이다. 그래서 유리를 '과냉각된 액체' 혹은 '비정질 고체'라고 부른다.
유리에서 규소와 산소가 불규칙 배열을 이룬 구조.
유리는 재미있게도 '고체인가 액체인가?'의 논쟁이 있다. 그 이유는 다른 게 아니라 예전부터 사용하던 '고체'라는 물질의 정의에 유리가 포함되지 않기 때문이다.
우리가 사용하는 용어와 개념들은 자연에 존재하는 게 아니라 인간이 인위적으로 만들어낸 것들이다. '고체'와 '액체'라는 개념도 인간이 정한 개념이다.
문제는 인간이 정한 개념이 자연을 100% 설명하지 못할 때 나온다. 기존의 고체는 '규칙적인 결정 구조'를 가지고 있어야 한다. 그런데 유리는 '규칙적인 결정 구조'가 없다. 그래서 전통적인 고체의 정의에 부합하지 않는다.
유리가 투명한 이유는 규칙적인 결정 구조 배열이 없기 때문이다.
결정 구조의 경계면이 없기 때문에 빛을 산란시키지 않는다.
그래서 유리를 '과냉각된 액체'라며, 액체로 널리 부를 때가 있었다. 하지만 요즘은 규칙적인 구조가 없다고 하여 '비정질 고체'라는 이름으로 더 많이 부른다. 유리의 구조가 결정화 된 고체에 비해 불안정하지만, 액체처럼 모양이 변할 정도로 '흐르려면' 수억 년 이상이 걸린다.
결국 이 문제는 인간이 정의한 용어의 범위의 문제이지, 실제로 유리가 보통 사람이 생각하는 '액체'란 이야기는 아니다.
3. 유리가 부식한다 : 유리 질병(Glass Disease)
여기까진 재미로 혹은 지루하게 읽을 수 있지만, 이제부터 문제점이 나온다. 바로 이런 구조적 특성 때문에 유리가 보기보다 불안정하다는 것이다.
아니 유리처럼 화학적으로 안정적이고 대부분의 물질을 안전하게 담아둘 수 있는 용기가 불안정하다니? 라고 생각하실 수 있지만, 실제로 그런 일이 벌어진다.
유리의 구조를 안정화시키는 물질 중엔 알칼리 금속 이온(Na+나 Ca2+ 등)이 있는데, 이 알칼리 이온이 유리 표면의 수분과 닿으면서 수소 이온(H+)과 자리를 바꾸게 된다. 그 결과 유리 안의 알칼리 성분은 밖으로 빠져나오게 되고, 유리 표면에서 굳으면서 결정을 이루어 유리잔을 코팅하며 뿌옇게 만든다.
이미지 출처 : https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp506155p
O. Laurent, B. Mantisi, and M. Micoulaut*, Structure and Topology of Soda-Lime Silicate Glasses: Implications for Window Glass, ACS Publication, 2014
소다 석회 유리의 구조.
파란색은 규소(Si)이고 빨간색은 산소(O)다.
안정적인 배열처럼 보이지만 과냉각되면서 이온들이 불규칙 배열되었다.
규칙적인 결정 구조가 없기 때문에 상대적으로 불안정한 구조를 이룬다.
유리 안의 알칼리 이온이 밖으로 빠져 나오고, 그 빈자리를 수소 이온(H+)이 채운다. 하지만 수소 이온은 크기가 작기 때문에 주변에 빈 공동이 형성된다. 결국 유리 속에 이온 크기의 구멍이 생기고, 이 손상이 누적되면 내부의 무수히 많은 구멍들로 인해 육안으로 볼 수 있는 수준으로 영구히 뿌옇게 변한다.
자연스럽게 유리의 강도가 매우 약해지며, 시간이 더욱 지나면 유리의 표면과 내부의 비균일한 구조 때문에 응력이 커져서 스스로 깨질 수 있다. 전술했듯이 말 그대로 유리가 부식 되어 분해되어 가는 현상이다.
고체 결정이 없는 비정질 구조로 인해서 이온의 유동성이 생긴다.
유리 속의 알칼리 금속 이온이 외부 수분(H2O)에 포함된 수소 이온과 화학적으로 자리를 바꾼다.
수소 이온(H+)은 모든 이온 중에서 가장 크기가 작기 때문에
결과적으로 유리 속에 빈 공간이 생긴다. 누적될 경우 큰 구조적 결함으로 이어진다.
이걸 Glass Disease라고 부른다. 참고로 이 현상은 술잔이 아니라도, 화장실의 유리나 수족관의 유리에서도 자주 발생한다. 습도와 큰 연관이 있다.
4. 유리가 흐려지는 또 하나의 이유
이건 주로 서양에서 겪는 문제인데, 수돗물에 석회 성분이 많이 포함되어 있을 경우 설거지를 하고 말리는 과정에서 유리 표면에 석회 결정이 코팅될 수가 있다. 이게 누적되면 표면이 마찬가지로 뿌옇게 변한다.
하지만 이건 한국 수돗물에서는 거의 일어나지 않는 일이라고 생각한다. 필자가 겪은 거의 대부분의 흐려짐 현상은 유리 부식이다. 표면을 알코올과 폴리싱 클로스(polishing cloth)로 닦은 후 장 안에 넣어두어도, 몇 년이 지나면 서서히 뿌옇게 변하는 것을 쉽게 볼 수 있다.
* 추가 내용 : 한국의 수돗물도 지역마다 의외로 석회질 함유량이 꽤나 다른 것 같다. 석회 성분이 많은 지역의 경우 주방, 식기, 화장실 등의 표면이 석회로 코팅되면서 이 현상이 일어나는 걸 확인했다.
5. 뿌옇게 된 유리잔을 어떻게 해야 할까?
결국 유리잔은 시간이 지나면서 뿌옇게 될 수 밖에 없다. 여기에는 보관 환경(습도와 온도 등)과 유리의 안정성(메이커마다 공정과 성분이 다름)이 영향을 끼치는데, 정도의 차이일 뿐 결국은 뿌옇게 된다.
다행히 이온 크기의 구멍은 실생활에선 큰 게 아니기 때문에, 보통은 그냥 표면에 결정화 된 성분을 닦아내면 된다.
필자가 가장 추천하는 건 세제로 설거지를 하는 것이다. 에탄올로도 녹아나긴 하는데 실제로 쓰려면 결국 설거지를 해야 한다.
설거지를 가장 추천하는 이유는 다른 방식을 사용할 경우 천으로 닦아내게 되기 때문인데, 이때 잘못하면 표면의 알칼리 결정이 유리를 긁어서 스크래치를 낼 수가 있다. 실제로 필자의 매우 비싼 잔 2개가 그렇게 되었다. 그래서 경험적으로 추천하진 않는다.
앞의 사진들에 비해서 조금 뿌옇게 된 상태.
뿌옇게 되었다면 바로 설거지를 하자.
또 하나 주의할 점은, 뿌옇게 된 게 보이면 심하지 않더라도 가능하면 빨리 닦는 게 좋다는 것이다. 왜냐하면 표면에 알칼리 이온이 누적될수록 염기성 성질이 강해지면서 유리 부식을 가속시킨다. 조금 흐릴 때는 괜찮아도 심해질 수록 점점 빠르게 유리가 부식한다.
만일 손상이 일정 정도를 넘어설 경우, 표면을 닦아내도 유리가 계속 뿌옇게 보일 수 있다. 이건 내부의 구멍이 많아져서이기 때문에 원상복구가 불가능하다. 물이 묻었을 때 잠시 투명하게 보이는 이유는 빈 공간을 물이 잠시 채워서 굴절률을 보정하기 때문으로, 희망을 갖지 말자.
그 외에도 아래의 경우 부식이 가속화될 수 있다.
① 고온에 노출될 경우. 그래서 식기세척기에서 유리잔을 돌리면 안 된다. 뜨거운 물도 지양하자.
② 너무 세제가 강할 경우. 이상적으로는 비이온성 세제가 좋다고 한다. 세척 후 세제를 물로 제대로 행궈낸다.
③ 물에 자주 접촉할 경우. 젖고 마르는 빈도가 잦은 것이 물에 잠겨 있는 것보다도 안 좋다고 한다.
6. 마치며...
필자는 유리잔이 저절로 흐려지는 걸 보고서 정말 이유가 궁금했기에 이유를 오래 찾아 헤맸다. 이게 찾은 뒤엔 단순명쾌한 문제로 보이지만, 나름 수 년의 시간을 거치며 알아낸 이유이다.
유리가 흐려질 때 가장 중요한 건, 우물쭈물 거리지 말고 바로 닦아내야 한다는 것이다. 시간이 오래 지날 수록 손상이 가속화되고 심해지며, 시간이 아주 오래 지나면 영구적인 손상이 남거나 깨질 수도 있다.
※ 단지 이건 이론을 이야기하는 것이며, 필자가 몇 년 정도 방치한 뿌옇게 된 잔은 아직은 전부 괜찮다. 아마 한 사람의 인생 수준 정도의 길이에선 적당히 관리하면 큰 문제 없지 않을까 싶다.
이 잔은 약 30~40년 정도 보관된 잔인데
중간에 식기세척기에 두어번 정도 넣고 돌린 적이 있다고 한다.
그 결과 부식이 가속되어서 어느 순간 '저절로 깨졌다'.
이걸 실제로 볼 수 있었을 줄이야.
표면의 알칼리 성분을 제거하는 다른 방법으로는 약산성 액체(희석한 식초 등)나 틀니 등을 닦는 특정 성분의 클리너에 닦을 수 있다고는 하는데, 해 본 적도 없고 한국에선 애매한 방법 같아서 굳이 추천하고 싶진 않다.
예전에 이 문제에 대해 고민하며 참 의아했던 것이, 이상하게도 이 정보가 우리나라에선 정말 찾아 보기 힘들다. 와인잔 뿌옇게 변하는 사람이 그렇게 없나? 경험상 모든 잔은 방치하면 결국 다 뿌옇게 되던데 신기한 일이다.
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