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.

  

차폐계수 란?

차폐계수(SC or TSC) 란?

차폐계수(Shading Coefficient) 란 유리를 직접 투과하여 실내로 입사한 태양방사 에너지와 유리에 흡수된 에너지가 재 방사하여 실내로 유입되는 에너지의 합인 태양열 취득율을 계산하여 3mm 맑은 유리의 태양열 취득율 값으로 나눈 것으로

3mm 맑은 유리 태양열 취득율인 87%를 기준으로 입사하는 전체 태양빛 에너지가 얼마 인지를 비율로 표시한 것이다.

즉, 유리 창(측정 시료)을 통하여 실내로 유입되는 전체 태양에너지(태양열취득률)가 3mm 맑은 유리 한 장을 통하여 유입되는 양과 비교하였을 때 얼마나 되는지를 비율로 나타낸 것이다.    

달리 표현하면, SC 값은 3mm 보다 얇은 유리를 건축용 으로 사용하는 경우는 없으므로 일반적으로 1보다 작은 값을 가지게 될 것이며, 태양 빛이 실내로 유입되는 전체 에너지를 기준으로 3mm 유리 한 장에 비하여 얼마나 적은 비율로 유입되는 지를 표시한 것이라 할 수 있다.

이렇게 계산된 SC값을 TSC라 하며 이를 단 파장과 장 파장 에너지로 구분하여 아래 수식에서와 같이 태양방사투과율(단파장 에너지, 300 ~ 2 500nm)에 대한 TSC 비율로 계산한 SC 값을 SWSC, 유리창에 흡수된 에너지가 실내로 재 방사한 에너지(장파장 에너지, 5 000~50 000nm)에 대하여 TSC 비율로 계산한 SC 값을 LWSC라 표현한다.

                 

                    여기에서 

                          SHGC of 3mm Clear Glass = 0.87

이것은 계산된 SC값 중에서 유리창을 직접 투과하여 실내로 전달된 태양방사투과에너지와 유리창에 흡수되었다가 실내로 재 방사한 에너지가 각각 얼마씩 차지 하는지를 나타낸 것이라 할 수 있다. 

태양열 취득율(SHGC) 계산방법은 "(태양열 취득율(SHGC)이란?)"을 참조하기 바란다.

태양방사투과율 이란?

태양방사투과율 (Solar Energy Transmittance @AM=1.5) 이란?

태양방사 투과율은 태양빛 에너지가 유리창을 통하여 실내로 직접 유입되는 비율로 태양표면온도 약 6500K에서 방출된 300nm ~2 500nm 영역의 복사에너지가 대기권의 1.5배(AM=1.5) 두께를 투과한 후 지표면에 도달한 에너지인 100을 기준으로 실내로 유입되는 에너지 비율을 백분율로 표시한 값이다.

지표면에 도달하는 태양 빛의 복사에너지는 아래 그림과 같이 300nm ~ 2 500nm 영역의 파장분포를 갖고 있으며, 유리창을 직접 투과하여 실내로 입사하는 복사 에너지를 태양방사 투과율이라 한다.

유리창에 도달하는 태양 빛은 투과하거나 반사하고 일부의 빛은 유리 창에 흡수되므로 UV-VIS-NIR Spectrophotometer를 사용하면 투과 스펙트럼이나 반사 스펙트럼을 측정할 수 있고 각 파장별로 100-(투과율+반사율) 수식으로 흡수 스펙트럼을 계산할 수 있다.

UV-VIS-NIR Spectrophotometer, PERKIN-ELMER, Lambda 1050

이들 스펙트럼과 위 태양광의 분광분포를 사용하면 전도, 대류, 복사에너지 중 태양 빛의 복사에너지 값인 태양방사 투과율 / 반사율 / 흡수율을 계산할 수 있다.

태양열 취득율(SHGC)이란?

태양열 취득율이란?

태양 빛(에너지)이 유리창을 직접 투과하여 실내로 입사하는 에너지인 태양방사투과율(Te %)과 유리창에 흡수되었다가 실내로 재방사되어 유입되는 에너지인 재방사에너지(qi) 를 합한 값을 태양열 취득율이라 한다.

태양 빛이 대기권을 투과하여 지표면에 도달하는 에너지는 입사하는 각도에 따라 투과하는 두께가 달라지게 되며 이로 인하여 대기권에 흡수하는 에너지 양도 변화하게 된다.

따라서 정해진 두께를 투과한 태양 빛 에너지를 표시하는 단위를 Air Mass(AM)라 하고 대기권을 투과하는 가장 짧은 거리인 수직으로 입사하는 경우를 AM=1.0, 약 42도 입사하여 수직의 약 1.5배를 투과하여 지표면에 도달하는 에너지를 AM=1.5, 대기권의 2배의 두께에 해당하는 AM=2.0 등 규격에 따라 서로 다른 기준으로 제시 하고 있다. 

태양열 취득율은 규격에 따라 다양한 이름으로 표시된다.

KS L 2514 : 태양열 취득율

ANSI/NFRC 200 : Solar Heat Gain Coefficient (SHGC)

ISO 9050 : Total Solar Energy Transmittance (TSET, Solar Factor)

EN410 : Total Solar Energy Transmittance (TSET, Solar Factor, g Value)

JIS R 3106 : 일사열 취득율

ISO 13837 : Total Solar Energy Transmitted to the inside of a glazing (TTS)

여름철 냉방에너지 절약의 관점에서 보면 단열 성능의 지표로 잘 알려진 열관류율 성능값 만으로 판단하는 것은 한계가 있으며, 여름 낮에 입사하는 태양 빛의 전체 에너지 값에 해당하는 태양열 취득율이 더 많은 영향이 있음을 알 수 있다.

결론적으로 상업용 빌딩의 경우 주거용 아파트에 비하여 낮 시간에 근무하는 시간이 더 많으므로 열관류율이 낮고, 태양열 취득율 또한 낮은 색이 짙은 단열복층유리와 태양열차폐복층유리 성능을 두루 갖춘 제품을 사용하는 것이 좋으며

주거용 건물의 경우에는 퇴근 후 태양이 없는 시간에 거주하는 경우가 대부분이므로 겨울밤 난방열 및 여름밤 냉방열이 밖으로 빠져 나가지 않도록 하며, 개방감을 위하여 실외가 잘 보이는 제품인 열관류율이 낮고 가시광선 영역은 잘 투과하는 Selectivity 가 좋은 제품을 선택하는 것이 효율적이라 할 수 있다.

태양열 취득율 계산방법은("단판유리의 태양열 취득율 계산방법"), ("복층 유리의 태양열 취득율 계산방법") 및 ("삼복층 유리의 태양열 취득율 계산 방법")을 참고하길 바란다.

아울러 복층유리 인 경우 중공층의 두께가 두꺼워 질 수록 태양열 취득율은 높아지는 경향이 있으므로 이와 관련된 내용은 링크된 ("중공층이 태양열 취득율에 미치는 영향") 항목을 참고하길 바란다.