저방사복층유리와 일반복층유리의 열관류율 비교

저방사(로이, Low-E) 복층유리와 일반복층유리의 열관류율 비교


일반적으로 단열성능을 평가할 때 사용하는 열관류율은 태양빛이 없는 겨울밤 난방에너지 손실량과 여름철 태양으로부터 실내로 입사하는 에너지를 배재한 실내온도와 실외 온도차에 의해서만 손실되는 냉방 에너지 값을 평가하는 지표로 실내외 온도차가 섭씨 1도씨 일 때 유리창 1 평방미터의 면적을 통하여 손실되는 열량(Watt)으로 [W/m^2 K]으로 표시한 것이다.

비교된 일반 복층유리와 저방사 복층유리의 구성

가장 많이 사용되는 일반 복층유리 A종 24mm (6CL+12A+6CL)와 저방사유리(방사율:0.02)인 제품을 3면에 오도록 설치하였다고 가정하였을 경우 열관류율 비교하면 다음 표와 같다.

<복층유리 구성>
일반복층유리 : 맑은유리(6mm) + 중공층(공기, 12mm) + 맑은유리(6mm)
저방사복층유리 : 맑은유리(6mm)+중공층(공기, 12mm)+저방사유리(6mm,#3,방사율 :0.02)

위 표에서 알 수 있듯이 일반 복층유리에 비하여 저방사복층유리를 설치할 경우 열관류율이 약 44% 정도 좋아지는 것을 확인할 수 있다.

모유리 투과 스펙트럼을 이용한 두께 변환 방법

모유리(코팅을 하지 않은 원판유리) 투과 스펙트럼 두께 변환 계산방법


이미 측정된 시료의 투과 스펙트럼을 사용하여 내가 원하는 두께의 광학적 특성을 계산할 수 있을까?  한번쯤 생각해 본 경험이 있을 것이다.

투과율과 반사율을 결정하는 중요한 요인은 매질이 바뀔 때 계면에서의 반사율과 유리에 흡수되는 빛의 정도를 나타내는 내부투과율이며 이들 요인은 유리의 굴절율과 밀접한 관계를 가지고 있다.

유리의 굴절율은 그림과 같이 파장에 따라 다른 값을 가지며 "EN410 :2011 부록 C.6 M. Rubin, Optical properties of Soda-Lime Silica Glass, Solar Energy Materials 12 (1985) pp 275~288"에 수록되어 있는 값을 사용하면 파장별 투과, 반사 스펙트럼을 계산할 수 있다.

건축용 판유리(soda-lime silicate glass)의 파장별 굴절율

두께 환산 투과율 및 반사율 계산 식은 다음과 같다. 여기에서 Tcorr 은 두께 변환된 투과율 값이며, Rcorr은 두께 변환된 반사율 값이다.

   ti : 내부투과율
   r1 : 입사면에서의 1차 반사율 (공기에서 유리)
   r2 : 2차 반사율 (유리에서 공기)

   η : 유리의 파장별 굴절율

계산예) 

2 500nm에서 투과율 83%, 측정한 유리 두께가 5mm 이고 변환을 원하는 유리 두께를 6mm라 할 때, 해당 파장에서의 굴절율이 1.4938, 1차표면 반사율과 2차표면에서의 반사율이 동일하다고 가정하면 내부 투과율 ti 는 위 수식으로부터 0.898009 값으로 계산되며 이 값들을 사용하여 변환된 두께에서의 투과율과 반사율을 계산하면 각각 81.23%, 6.72% 결과를 얻을 수 있다.

나머지 파장도 동일한 방법으로 투과, 반사율을 계산하면 아래 표와 같으며 계산된 스펙트럼을 사용하여 원하는 광학적 특성을 계산할 수 있다.

파장별 투과율, 반사율 계산

아래 그림은 위 계산 수식을 이용하여 개발된 프로그램으로 5mm 맑은유리를 7mm로 변환한 것이다.

<두께환산 스펙트럼>

<스펙트럼 비교>

 

건축용 유리의 투과율 Spectrum

건축용 일반유리 및 저방사유리의 분광 투과, 반사 분포

건축용 유리 즉, 소다라임 유리 (Soda-lime Silicate Glass)의 투과율 프펙트럼은 짧은 파장 영역인 UV-B, 약 300nm 이하의 자외선 영역의 빛은 투과하지 못하는 특성을 가지고 있다.

ISO 9050, KS L2514, EN 410 규격에서 제시하는 태양열 분포 영역인 300nm 에서 2 500nm 영역에 대한 유리 종류 별 투과 스펙트럼은 아래 그림과 같다.

또한 냉방이나 난방 시 방출하는 원 적외선 영역을 포함하는 5 500nm에서 50 000nm 의 영역에 대해서도 아래 그림에서 확인할 수 있듯이 투과하지 못하는 것을 알 수 있다.

이러한 특징으로 인하여 유리 건물인 경우 태양열의 복사열에 해당하는 짧은 파장의 빛은 유리를 투과하여 실내로 입사하지만 입사된 태양열에 의해 데워진 실내 물체 또는 지표면에서 방출하는 원적외선 에너지는 투과하지 못하는 현상이 나타나게 되므로 열이 실내에 갇히게 되며 이러한 현상을 온실효과라 한다.

겨울밤 난방에너지나 여름낮 냉방에너지가 실외로 손실되는 량을 최소화 하기 위하여 유리 표면에 얇은 은막(Silver layer)을 입혀 원적외선 영역에서의 반사율을 높인 유리를 저방사유리라하며 위 그림은 저방사유리의 투과, 반사 스펙트럼을 나타낸 것이다.

일반적으로 건축물에 설치된 유리는 상온에서 방출하는 에너지 영역인 5 500nm ~ 50 000nm 파장 영역을 투과 시킬 수 없기 때문에 반사 또는 흡수 현상만 일어나게 되며, 단열성을 좋게하기 위해서는 유리에 흡수하는 량을 최소화 하여야 한다.

저방사유리란 단열 성능을 좋게 하기 위해서는 난방 또는 냉방 에너지를 흡수하지 못하도록 유리 표면에 얇은 은막(Silver layer)을 입혀 장파장에서의 반사율을 극대화 시킨 코팅 유리를 말한다.

적분구를 이용한 Haze 값 측정 방법

적분구를 이용한 Haze 값 측정 방법

분광광도계에 검출기로 사용되는 적분구는 시료의 표면에 요철이 있거나 내부에 난반사를 일으키는 물질을 포함하고 있는 경우 입사하는 빛이 두 가지 형태의 빛으로 투과나 반사값을 갖게 된다.

1) Total Transmittance와 Total Reflectance 를 측정하는 경우

2) Diffuse Transmittance와 Diffuse Reflectance를 측정하는 경우

적분구는 확산 투과율과 반사율을 측정할 수 있도록 장치가 고안되어 있으며 확산투과율(Diffuse Transmittance)을 측정하는 경우에는 Direct Transmittance가 통과하는 위치에 Light Trap을 설치하여 투과된 빛이 검출기 내로 다시 들어가지 못하도록 하여 측정하면 된다.

또한 확산 반사율(Diffuse Reflectance)을 측정하는 경우에는 정반사(Specular Reflectance)가 통과하는 위치를 열 수 있도록 장치가 고안되어 있으므로 정반사를 제외한 확산반사만을 측정할 수 있다.

위와 같이 측정한 전체투과율(Total Transmittance)에서 확산투과율(Diffuse Transmittance)을 빼면 정투과율(Direct Transmittance) 값을 얻을 수 있으며 같은 방법으로 전체반사율(Total Reflectance)에서 확산 반사율(Diffuse Reflectance)을 빼면 정반사율(Spectular Reflectance)을 얻을 수 있다.

Haze Ratio 계산용 프로그램을 이용하면 쉽게 계산할 수 있으며 계산과 관련된 내용은 "(Haze 계산방법)"을 참고하기 바란다.

단, 반사율의 경우에는 표준시료를 이용하여 측정된 값을 보정하여야 정확한 결과를 얻을 수 있다. 

반사율 보정 방법은 "(스펙트럼 측정 및 보정방법)"을 참조하기 바란다.

중공층 두께에 따른 복층유리의 단열성

중공층 두께에 따른 복층유리의 단열성의 변화

복층유리의 단열성을 평가하는 열관류율은 중공층의 두께에 따라 달라지며 일반적으로 가장 많이 판매되고 있는 복층유리는 18mm 단열복층유리(6CL+6A+6CL)와 24mm 단열복층유리(6CL+12A+6CL)가 있다.

복층유리는 간봉의 두께에 따라 다양하게 제작될 수 있으며 유리 두께는 동일하지만 간봉의 두께가 달라짐에 따라 아래와 같이 열관류율 값이 달라지게 된다.

계산에 사용된 복층유리 모델은 많이 사용되는 6mm 맑은유리와 6mm 저방사유리(방사율:0.018)을 기준으로 중공층의 두께를 달리하여 계산하였으며, KS L2003과 KS L2525 규격에 따라 계산하였다.

열관류율은 유리의 투과, 반사 스펙트럼과는 관련이 없으며, 유리면과 코팅면의 표면방사율(emissivity)과 중공층의 두께에 따라지게 달라지므로 일반유리, 저방사유리 구분없이 모든 종류의 유리를 조합하여 제작된 복층유리에 대해서 아래와 같은 유사한 특성을 갖는다 말할 수 있다.

계산은 복층유리는 6CL+x(Gas) +6Low-E(#3, e:0.018)를 기준으로 계산하였다.

여기에서
  6CL : 6mm Clear Glass
  x(Gas) 중공층의 두께 (x mm) 및 Gas의 종류
  6Low-E(#3, e:0.018) : 6mm 저방사유리, 코팅층: 3면, 방사율(Corrected Emissivity) : 0.018

1) 건조공기(Air)

위 그래프에서 보는 바와 같이 중공층의 두께가 두꺼워 지면 열관류율이 낮아져 단열성이 좋아지지만 일정 두께 이상이 되면 온도차에 따른 밀도값이 아래쪽과 위쪽이 다르기 때문에 중공층 내에서 대류 현상이 일어나게 되며, 이로 인하여 열관류율이 다시 증가하는 현상이 나타나게 된다.

2) 아르곤(Ar)

중공층에 주입된 기체의 종류에 따라 변곡점이 아래와 같이 다른 것을 알 수 있다.

공   기 : 중공층 두께 16mm
아르곤 : 중공층 두께 15mm
크립톤 : 중공층 두께 10mm

3) 크립톤(Kr)

특히 크립톤 가스를 주입한 경우 22mm 복층유리(6Glass+10(Kr)+6Glass)가 24mm 복층유리(6Glass+12(Kr)+6Glass) 보다 단열성이 좋지 않은 것으로 계산되었다.

아파트 겨울철 난방비 절감에 대하여

아파트 겨울철 난방비 절감을 하려면

아파트에 살고 있는데요 햇볓이 많이 들어와 필름을 붙이려하는데 효과가 있을까요?
가끔 이런 질문을 받을때가 있다.

질문에 대한 답변으로 햇볓을 차단하는 효과가 있는가에 대해서는 당연히 자동차에 선팅 필름을 붙이는 것과 동일하게 색이 있는 필름을 시공할 경우 그 많큼 태양빛이 차단되므로 실내로 입사하는 태양열 중에서 복사에너지에 해당하는 태양방사투과율을 줄여주는 효과가 있는 것은 당연하다.

하지만, 주거용 주택의 경우 태양방사투과율을 줄여 줄 수 있다고 해서 겨울밤 난방에너지 차단에 효과가 있는 것은 아니므로 정확하게 말하면 충분한 효과가 있다 라고 답변 할 수 없다.

저방사유리가 많이 공급되기 이전에 지은 아파트의 경우, 난방이나 냉방 모두를 고려하여 이를 효과적으로 개선 하려면 어떻게 하면 좋을까?

앞서 설명한 광학특성을 종합하여 생각해 보면 그 해답을 찾을 수 있다.

우선 필름을 시공하는 경우 어떤 종류의 필름이 주거용 주택에 적합한지를 먼저 따져봐야 할 것이다.

열이 전달되는 경로는 전도, 대류, 복사 3가지 방법에 의해 일어나게 될 것이므로

일반적으로

1) 복사에 의한 입사 에너지를 평가하는 태양방사투과율이 낮고

2) 실내 외 온도차에 의해 전달되는 에너지를 평가하는 열관류율이 낮으며

3) 유리창에 흡수된 열이 실내로 재 방사하는 에너지를 평가하는 SHGC값 중에서 재 방사에너지에 해당하는 qi 값이 낮아야 하고

4) 열관류율과 qi 값을 좋게 하도록 하는 필름 표면에서의 방사율(emissivity) 값이 낮아야 좋은 제품이라 할 수 있다.

그러나 이 중에서 1) 항목인 태양방사투과율이 너무 낮으면, 가시광선투과율도 함께 낮아지게 되므로 즉 색이 너무 진한 필름을 시공할 경우 태양빛이 실내로 들어오는 량이 낮아져 실내가 어두워지게 될 경우 한 낮에 조명을 하여야 하는 경우가 생길 수 있다는 점도 고려하여야 한다.

A종II류로 분류되는 일반 복층유리 (6CL+12A + 6CL)의 광학적 특성을 계산하여 보면 SHGC 값이 0.742, 여름철 열관류율 2.851 W/m^2 K, 겨울철 열관류율 2.787 W/M^2 K로 계산되었고

실내측 유리 3면에 대하여 투과율은 동일하나 방사율만 0.10로 낮아진 저방사유리 제품으로 변경하였다고 가정 할 경우를 예로 계산하여 보면 SHGC 값은 거의 동일한 값인 0.745를 나타 내지만 여름철 열관류율 1.771 W/m^2 K, 겨울철 열관류율 1.746 W/M^2 K으로 현저하게 줄어드는 것을 알 수 있다.

일반 건축용 필름으로 판매되는 대부분의 제품은 필름면의 방사율이 저방사유리와 같이 낮은 값을 갖는 제품은 거의 없고 색상에 의한 태양열이 실내로 입사하는 량을 줄일 수 있는 기능만 있는 제품이 대부분이므로 상업용 빌딩처럼 낮시간 동안에 근무하는 경우가 아닌 주거용 아파트의 경우에는 태양 빛이 없는 겨울밤 난방효율이나 여름밤 열대야를 대비한 냉방효율을 좋게 하는 것이 더 효과적이라 할 수 있다.

또한 주거용 건물은 거실쪽 창문이 시야 확보를 위하여 넓고 크게 설치되어 있고 겨울철에 태양 빛이 잘 들어올 수 있도록 남향으로 설치되어 있는 경우가 많으므로 여름 낮에 태양빛이 들어오는 것을 줄이고 싶다면 필름을 시공하여 어두운 환경을 만드는 것 보다 거실이나 안방 창문에 커튼을 설치하여 인테리어 효과를 겸한 태양빛을 줄이는 방법을 선택하는 편이 더 현명한 방법이라 할 수 있다.

그래도 꼭 필름을 시공하여야 한다면 아래 저방사유리의 방사율을 참조하여 필름면의 방사율값이 낮은 제품과 조명 여부을 고려한 제품을 선택하여 시공하시는 것이 좋다.

방사율 값은 일반적으로 저방사(로이)유리로 은막을 입혀 만든 제품인 경우 제품에 따라 대략 0.1 ~0.01 정도 값을 가지고 있으며 하드로이라 불리는 방사율이 비교적 높은 제품(주로 산화 주석막을 입힌 제품)이라 할지라도 0.15 정도의 값을 갖는다.

주파장(DWL) 및 순도(Purity) 란 ?

주파장(Doninant Wavelength) 및 순도(Purity) 란 ?

x, y 색좌표에서 측정된 물체의 색은 좌표상 한점(x, y)으로 표시할 수 있으므로,

첫째, 광원의 색좌표 (x0, y0, White Point)와 물체의 색좌표 두 점을 지나는 직선의 방정식을 구할 수 있다. (아래 그림에서 파랑색 두점을 잇는 일차방적식)

둘째, 규격에서 제시하는 연속된 x, y 색좌표의 파장별 좌표(아래 그림의 표 KS A 0067) 중에서 서로 인접한 두 점을 지나는 직선의 방정식(아래 그림에서 노랑색 두점을 잇는 일차방정식)을 380nm에서부터 차례로 구하여 첫번째 방법으로 구한 직선의 방정식과 만날 때 까지 순서대로 계산하여 만나는 교점을 구하면 측정한 물체 색에 대한 주 파장(Doninant Wavelength, DWL)을 구할 수 있다.

반면, 아래 그림과 같이 측정한 물체의 색좌표가 380nm 와 780nm 사이의 purple 색을 띄는 경우 측정한 물체의 색좌표와 광원의 좌표를 지나는 직선의 방정식이 위의 경우와는 다르게 파장과 만나는 점을 찾을 수 없게 된다. 이러한 경우 광원과 색좌표와 연결한 직선의 방정식이 반대 쪽 파장과 만나는 점을 구하며, 주파장수와 구별 하기 위하여 이때 구한 파장값을 보색주파장(Complementary Wavelength)라 칭한다.

 이렇게 구한 주파장(DWL)수는 측정된 물체의 색을 나타내는데 기여한 중심 파장이라 한다면, 아래 그림과 같이 광원(x0, y0)과 파장별 x y 좌표와의 전체 거리(a)에 대하여 측정한 물체의 색좌표( x, y)와 광원과의 거리(b)를 구하고 이를 백분율로 표시한 것을 순도(Purity) 라 한다.

순도(Purity) 값은 두 점간의 거리 a, b를 구하고 아래 수식으로 계산할 수 있고, 이 값은 채도값을 의미한다.

Clear Glass(두께 6mm)에 대하여 380nm ~ 780nm 가시광선 영역의 투과율 스펙트럼을 측정하고 프로그램을 사용하여 주파장과 순도값을 계산하면 아래 그림과 같이 주파장(DWL) : 500.9nm, 순도(P%) : 0.6% 값을 얻을 수 있다.

Excel 을 이용한 DWL 계산

위 Excel sheet는 맑은유리 6mm 시료의 색좌표(D65/2)  x:0.31087, y:0.33038에 대하여 계산한 주파장 및 순도 값으로 DWL(D65/2): 500.87 nm, P%(D65/2): 0.60%로 아래 프로그램으로 계산한 값과 동일함을 확인할 수 있다.

프로그램을 이용한 DWL 계산

위 프로그램은 맑은유리 6mm에 대한 D65 광원 2도시야에서 투과율 및 반사율에 대한 색도 계산 값으로 투과 스펙트럼의 경우 주파장수 500.87nm와 순도 0.599% 임을 알 수 있다.

참고로 EXCEL 또는 프로그램을 개발하여 주파장 및 순도값을 계산하고 싶으신 분들을 위하여 계산 수식을 소개하면 다음과 같다.

광원의 좌표를 (x0, y0), 측정한 물체의 색좌표를(x3, y3)라 하고 파장별 x, y 색좌표를 그림에서 보는 것과 같이 (x1, y1), (x2, y2)라 할 때 광원의 좌표와 물체색의 좌표를 지나는 선과 만나는 지점까지의 거리는 아래 수식으로 계산할 수 있다.  

파장별 색좌표가 1nm 간격이라면 아래 수식으로 계산된 b 값 중에서 0<b<1 범위에 있는 값은 하나만 존재할 것이며 이때 계산된 b 값이 0.10 일 때 (x1, y1)의 파장이 570nm이라면 주파장 (doninant wavelength, DWL) 은 570.10nm 이라 할 수 있다.

파장별로 계산된 b 값을 그래프로 나타내면 위 그림 중 오른쪽 그래프와 같다.

위 그림과 같이 측정한 시료의 색좌표(x3, y3)가 광원의 좌표 아래 쪽 즉 보색 영역인 삼각형 내부 존재하면 오른쪽 그림과 같이 b 값 중 0<b<1 범위의 값은 두 개 존재하게 되며 두 값 중 큰 값을 취하여 같은 방법으로 해당 파장과 더하면 보색주파장(complementary wavelength)을 계산할 수 있으며 아래 수식을 이용하면 순도(pe, %) 값을 계산할 수 있다.

복층유리 6CL+12A+6CL 에 대한 스펙트럼을 계산한 후 위와 같은 수식을 활용하면 위 프로그램과 같이 DGU의 주파장(DWL) 및 순도(%)를 계산할 수 있다.

로이유리 (Low E Glass)의 종류

로이유리 (Low E Glass)의 종류

로이유리의 구분은 일반적으로 코팅면의 표면 방사율(Emissivity)에 따라 나누며 이 방사율 값은 유리 표면에 코팅된 금속막이 장파장(원적외선 5 000nm ~ 50 000nm) 영역의 빛을 얼마나 많이 반사하는가에 따라 정해진다.

소프트로이라고 불리는 Ion Sputtering 방식의 로이 유리의 경우에는 코팅면의 기계적 강도가 하드로이라 불리는 Pyrolytic 방식으로 제조되는 제품에 비하여 약한 편이나 로이 성능을 나타내는 은(silver layer) 막을 여러겹 입혀 방사율(Emissivity) 값을 극대화 할 수 있는 장점이 있다.

따라서 하드로이 유리 제품은 복층유리 제조 시 공기와 접촉하는 실외측 1면이나 실내측 4면에 위치하도록 제품을 제작할 수도 있는 장점이 있지만 소프트 로이 계통의 제품은 중공층 내부에만 코팅면이 위치하도록 복층유리를 제작하여 사용하는 단점이 있다.

하지만 위 표에서 보는 것과 같이 하드로이 제품은 방사율(Emissivity) 값이 소프트로이에 비하여 비교적 높아 단열 성능면에서 탁월한 복층유리 제품을 제작하는데는 한계가 있다.

그 이유는 소프트 로이 유리인 경우 로이 특성에 좋은 얇은 은(Silver layer)막을 여러겹 입혀 제품을 제조하는 반면에 하드로이 제품의 경우에는 은(silver)에 비하여 원적외선 영역에서의 반사특성이 낮은 산화주석(SnO2)층을 입혀 로이 특성을 나타내기 때문이다.

참고로 코팅을 하지 않은 건축용 유리인 Soda-Lime Silicate Glass의 상온에서의 표면 방사율은 0.837이다.

Selectivity (LSG) 란?

Selectivity (LSG, Light to Solar Gain) 란?


Selectivity란 태양열 취득율에 대한 가시광선 투과율의 비로서 Selectivity가 높은 제품일 수록 실내를 밝게 유지하면서 태양열 차단이 많이 되어 여름철 냉방부하를 효과적으로 줄일 수 있을 뿐아니라 환한 집안 분위기를 만들 수 있다.

Low-E 유리의 종류에 따른 SLG 값을 단순히 로이유리의 종류에 따라 비교하면 아래 표와 같이 Triple Low-E Glass와 같이 단열성능을 극대화한 제품 즉, 은(silver layer) 막의 수가 많은 제품 일수록 Selectivity 값이 높아지는 특성을 보이는 것을 알 수 있다.

따라서 Selectivity 값은 주거용 건물 설계 시 고려하여야 할 개념으로 은(Silver layer)막의 수가 많은 Triple Low-E Glass는 단열 성능의 지표인 열관류율만 좋아지도록 설계된 것이 아니라 가시광선 영역에 대한 투과량을 극대화 하는 동시에 적외선 영역의 반사 값 또한 최대가 되도록 설계된 제품으로 이해하는 것이 정확한 보다 평가라 할 수 있다.

취득총열량 (Relative Heat Gain, RHG)

취득총열량 (Relative Heat Gain, RHG) 이란?


태양 빛이 유리를 직접 투과하는 에너지와 유리에 흡수된 후 실내로 재 방사하는에너지의 총량인 태양열취득율(SHGC)에 여름철 열관류율인 실내.외 온도차에 의한 전달되는 에너지를 합한 에너지로 단위면적당 Watt 량으로 표시한 값을 말한다.

수식에서 알 수 있듯이 3mm 맑은유리의 태양열취득율은 631 W/m^2에 해당함을 알 수 있다. 일반적으로 열관류율이라 하면 겨울철 열관류율을 의미하나 위 수식에 적용하는 열관류율(U value)값은 여름철 열관류율을 사용하여 계산하여야 한다.

겨울철 열관류율은 겨울밤 조건에서 손실되는 에너지량을 의미하며, 겨울밤에는 태양 빛이 없으므로 실내, 외 온도차에 기인한 에너지 손실량만 계산한 것이지만

취득총열량의 경우에는 여름 낮 조건에서의 에너지 흐름으로 위 수식의 첫번째 항인 차폐계수항은 태양 빛 에너지가 실내로 유입되는 총량을 의미하고, 두번째 항인 열관류율 항은 여름 낮 조건에서 실내, 외 온도차에 의해 발생하는 전도, 대류, 복사 에너지 흐름을 의미하므로 두 가지 에너지를 하나의 식으로 표시한 것이라 할 수 있다.

따라서 여름 낮에 주로 근무하는 상업용 빌딩의 경우 냉방 효율을 좋게하려면 태양 빛이 적게 유입되는 투과율이 낮은 유리 제품이 좋으며, 냉방한 실내 온도와 실외 온도차로 인하여 손실되는 에너지를 줄여 줄 수 있는 방사율(Emissivity)이 낮은 제품을 설치하는 것이 좋으므로 이 두가지 특성을 모두 갖춘 투과율이 낮은 즉, 반사특성이 높은 저방사유리(low-E Glass, 로이유리)를 설치하는 것이 좋다.

하지만 투과율이 너무 낮은 제품을 선택하는 경우 실내가 어두워 조명등을 켜야하는 경우가 생길 수 있으므로 건물의 위치나 높이 또는 방향에 따라 적절한 제품의 선택이 필요할 것으로 생각된다.

가시광선 투과율 / 반사율 이란?

가시광선 투과율(TL%, Light Transmittance),  반사율(RL%, Light Reflectance) 이란?


유리가 건축물에 사용되는 가장 근본적인 이유는 실내에서 아름다운 경치를 창을 통해 감상할 수 있다는 장점일 것이다.

하지만 건축용으로 생산되는 소다석회유리는 열전도율은 1.0 W/(m K)로서 그 다지 좋은 편이 아니므로 건축물에 단열성을 떨어 뜨리는 단점을 가지고 있었다.

현대 건축물 중 특히 고층빌딩의 경우에는 건물 전체를 유리로 시공하여 도시 풍경의 미려함을 추구하는 주요한 건축 자재로서 부상 한지 오래이다.

이러한 장점 및 단점을 보완하고자 요즈음 생산되고 있는 유리 제품의 경우에는 얇은 금속막을 여러겹 입힌 저방사유리를 생산 판매하고 있으며 저방사유리 제품은 단열성능 뿐만 아니라 하늘 풍경을 건축물에 그대로 옮겨 아름다운 빌딩으로 재 탄생시켜 주는 반사 특성도 함께 고려한 제품으로 다양한 색상 및 단열 성능을 겸비한 제품들이 속속 개발 되고 있다.

가시광선 투과율 및 반사율이란 사람이 느낄 수 있는 색상과 바깥 풍경을 볼 수 있는 투과량을 표시하는 값으로 가시광선 투과율이 높으면 실내가 밝아 가시성이 좋아지며, 반면 반사율이 높으면 하늘 풍경이 유리에 담겨 아름다운 건축물로 만들어 주는 동시에 Privacy 보호에도 우수한 특성을 갖게 된다.

반면 반사율이 너무 높아지면 눈부심 현상으로 인하여 도로를 주행하는 운전자의 시야를 방해할 수 있으므로 건축물의 설계 시 반사각 등을 고려하여야 한다.

가시광선 영역은 380nm(보라) ~780nm(빨강)으로 유리에 포함된 전이원소 함량에 따른 흡수 정도와 및 코팅층 간의 굴절율을 조합하여 다양한 색상을 구현할 수 있으며, 특히 코팅층에 포함된 은(Silver) 층의 두께 및 layer의 수에 따라 다양한 단열 특성을 갖게 된다.

가시광선 투과율이란 ? 가시광선(380nm~780nm) 영역에서의  빛이 유리를 투과하는 비율로서 기준광원 A, C, D65 및 시야각 2도, 10도에 따라 계산하며 백분율(%)로 표시한다.


동일한 의미로 가시광선 반사율이란 ? 가시광선(380nm~780nm) 영역에서의 빛이 유리에서 반사하는 비율로서 기준광원 A, C, D65 및 시야각 2도, 10도에 따라 계산하고 백분율(%)로 표시한다.

가시광선 투과율 계산 수식

D65/2 가시광선 투과율 계산

위 표에서 TL(%) 수식의 분자항에 해당하는 값은 중가계수(f)와 가시광선 투과율(T%)의 곱 (f*T%)의 합인 968.94 이고 분모항에 해당하는 값은 중가계수(f) 만의 합인 1056.81 이다.

따라서 가시광선 투과율(T%, D65/2) = 968.94 / 1056.81 * 100 = 91.685% 로 계산 할 수 있다.

가시광선 투과율은 표준광원 및 표준시야에서 계산된 삼자극치인 X, Y, Z 값 중 Y 값을 의미하며 주로 사용되는 가시광선 투과율 값으로는

1) A광원 2도시야에서의 가시광선 투과율(Y)
2) A광원 10도시야에서의 가시광선 투과율(Y)
3) C광원 2도시야에서의 가시광선 투과율(Y)
4) C광원 10도시야에서의 가시광선 투과율(Y)
5) D65광원 2도시야에서의 가시광선 투과율(Y)
6) D65광원 10도시야에서의 가시광선 투과율(Y)

등이 있으며 표준광원 D65 (맑은날 기준), 10도시야(넓은면 기준)값을 가장 많이 사용한다.

가시광선 반사율의 계산 방법은 가시광선 투과율과 동일하며, 다만 투과 스펙트럼 대신 반사스펙트럼을 사용하면 계산할 수 있다.

코팅유리(6mm 저방사유리)의 광원 및 시야별 가시광선(TL% = Y) 투과율 및 반사율을 계산하면 다음과 같다.

광원(D65, C, A)별 2도 시야에 대한 가시광선 투과/반사율(Y),  (Rf;코팅면, Rb:유리면 반사)

광원별 10도 시야에 대한 가시광선 투과/반사율(Y), (Rf;코팅면, Rb:유리면 반사)

<계산에 사용된 스펙트럼>

<가시광선 투과율을 계산하기 위한 광원 및 시야 별 중가계수>

방사율(Emissivity) 이란?

방사율(Emissivity) 이란?

이론적으로 에너지를 흡수만 하고 방출하지 않는 물체를 흑체(Black Body)라 하고 방사율을 1로 규정한다.

방사율이란 같은 온도에서 흑체에서 방사되는 복사에너지에 대한 실제 표면에서 방사되는 복사에너지의 비율로서

유리 표면에 대한 상온에서의 방사율 값은 유리가 장파장 (5 000nm ~ 50 000nm) 영역의 적외선 에너지를 반사하는 정도를 측정하여 0 (100% 반사) ~ 1 (100% 흡수) 의 값으로 표시하고 있다.

방사율을 측정하는 장비는 FT-IR Spectrophotometer로서 상업용으로 판매되고 있는 장비로는 CsI Beam Splitter를 장착한 장비가 좋으나 CsI Beam Splitter라 할지라도 4000 ~ 225 cm^(-1)인  2 500 ~ 44 000nm 까지 만 측정 가능 하므로 50 000nm [200cm^(-1)]까지 측정하는데는 한계가 있다.

따라서 EN 18292: 2019 규격에서는 유리 표면에서의 상온 방사율을 측정하는데 필요한 5 000nm ~ 50 000nm 파장 영역 중에서 아래 표에 나타낸 30개의 파장 위치에서 각각 최소 10회 이상 측정하고 산출된 측정값의 최대값과 최소값의 차가 0.02(2%) 이하를 만족하는 값만 계산에 사용하도록 규정하고 있다.

FT-IR Spectrophotometer, Nicolet 6700

계산방법은 FT-IR로 아래 표에서 제시하는 30개 파장 위치에서 반사율을 측정하여 보정 후 계산된 평균값을 1에서 뺀 값을 수직방사율(Normal Emissivity)이라 한다.

실제로 단열성(열관류율 또는 태양열 취득율 등)을 계산할 때 사용하는 방사율은 위에서 계산된 수직방사율에 표 A.2에서 제시하는 보정계수로 보정한 방사율인 수정방사율(Corrected Emissivity)를 사용하도록 하고 있다.

수직방사율(દn), 수정방사율(દ) 계산 수식

수직방사율에서 수정방사율을 계산하는 방법은 KS L 2525, ISO 10292 및 EN 12898 규격에서 제시하는 보정계수를 사용하면 계산할 수 있다.

ISO 10292 수정방사율 계산 보정계수

표 A.2에서 제시하는 수정방사율 계산을 위한 보정계수의 경우 측정한 수직방사율(Normal emissivity) 값이 표에서 제시하는 눈금 중간값에 해당하는 경우 보정 계수는 눈금 사이를 직선으로 한 내삽으로 구하여 적용하여야 한다.

하지만 수직방사율이 0.03보다 낮은 경우에는 해당되는 값이 없으며

최근에 개발된 많은 고급 사양의 저 방사 유리인 경우 코팅면 수정 방사율 값이 0.03(3%) 보다 낮은 0.01(1%) 제품까지 개발되어 실제 판매되고 있으므로 3% 이하 제품에 대한 수정방사율 보정계수는 외삽으로 구하여 계산할 수 밖에 없다.

이를 보완하기 위하여 유럽 규격인 EN 12898:2019 개정판의 경우에는 283K에서 측정한 반사율 값 30 point 중에서 적어도 5 500nm ~ 23,300nm 까지 24 point 영역의 반사율이 반드시 포함되어 계산되어야 하며, 전체 파장영역인 5 500nm ~ 50 000nm 영역의 각 30 point 에서 10회 반복 측정한 값의 편차가 0.02 이하인 파장영역에 대하여 수직방사율을 계산하고 아래 수식을 이용하여 수정방사율을 계산하도록 규격이 개정되었다.

아래 수식은 표 A.2의 보정계수에 대한 3차 fitting 식이다.

 

방사율 계산을 위한 측정파장 (측정온도 : 283K)

EN 규격에서 제시하는 개정된 fitting 식을 고려한다면 3% 이하 제품에 대한 수정방사율 보정계수는 외삽으로 구하는 것이 합당하다 할 수 있다.