Optics 프로그램을 이용한 분광 스펙트럼 내려받기

광학특성 계산을 위한 스펙트럼 내려받기

NFRC에서 제공하는 Optics 프로그램을 이용하면 전 세계 유리 회사에서 생산하고 있는 유리 제품에 대한 원판유리, 접합유리, 코팅유리의 투과, 반사 스펙트럼을 얻을 수 있다.

해당 프로그램은 링크된 "(Optics Software Download)" Site에 접속하면 프로그램을 얻을 수 있고 내려받은 프로그램을 installation 하면 아래 그림과 같은 프로그램을 사용할 수 있다.

만약 원하는 스펙트럼이 코팅유리 제품이라면 Type에서 coated를 선택하고 manufacturer를 클릭하면 제조회사 이름 별 내림차순으로 sort 할 수 있고 항목을 선택하면 스펙트럼을 그래프로 볼 수 있다. 

선택한 스펙트럼을 저장하려면 File > Export Text File 기능을 사용하면 ASCII 파일 형태로 원하는 폴더에 저장할 수 있다.

저장된 파일 형태는 아래와 같고 스펙트럼에 따라 300nm ~ 2 500nm를 기준으로 IR 영역을 포함한 40 000nm 까지 다양한 범위의 스펙트럼이 있다.

저장한 스펙트럼을 열어보면 제품의 두께, 코팅면의 방사율, 제품명, 제조회사, 코팅에 사용된 원판유리의 종류등을 알 수 있으며 스펙트럼 data의 첫번째 컬럼이 파장(μm), 두번째 컬럼이 투과율, 세번째와 네번째 컬럼 data가 반사율 스펙트럼임을 알 수 있다.

아래 그림은 내려 받은 스펙트럼을 그래프로 그린 것이다.

T : 투과율, Rf : 코팅면의 반사율, Rg : 유리면의 반사율 스펙트럼을 의미한다.

내려받은 스펙트럼을 이용하여 원하는 조합의 "(복층유리에 대한 스펙트럼을 계산)" 할 수 있고 원하는 조합의 복층유리에 대한 광학특성 값을 계산해 볼 수 있다.

 

NFRC에서 제공하는 window 프로그램은 광학특성을 계산할 수 있는 프로그램으로 optics 프로그램을 내려받은 동일한 NFRC 사이트에서 제공하고 있으며 설치 된 화면은 아래와 같다.

하지만, NFRC window 프로그램으로 계산되는 광학특성 값은 KS 규격에 의해 계산된 결과와는 다르다. 

Window 프로그램 설치 후 optics 프로그램과 연동시켜 사용하려면 아래 방법으로 DB 설정이 필요하다.

Window 프로그램 실행 화면에서 File > Preparation > Optical Data Tab을 선택하면 위 그림과 같은 화면이 출력된다.

IGDB or IGDB Update 항목을 선택하고 Browse 버튼을 클릭하여 로컬디스크(C:) > User > Public > LBNL > LBNL Shared 폴더에서 Glazing.mdb 파일을 설정한다.

Optics 5 User database 항목을 선택하고 Browse 버튼을 클릭하여 로컬디스크(C:) > User > Public > LBNL > LBNL Shared 폴더에서 UserGlazing.mdb 파일을 설정한다.

Optics 프로그램 실행 화면에서 Tools > Options 을 선택하면 위 그림과 같은 화면이 출력된다.

Main database(IGDB)와 User database 항목을 window 프로그램에서 지정한 동일한 DB 파일을 선택하고 OK 버튼으로 설정을 완료하면 두 프로그램은 연동된다.

IGDB는 새로운 스펙트럼이 주기적으로 등록되므로 가끔 스펙트럼 update가 필요하다.

스펙트럼 DB를 update 하려면 window 프로그램을 실행하고 메뉴 화면에서 Libraries > Glass (F3) 항목을 선택한 다음

화면 왼쪽 하단 Update IGDB 버튼을 클릭하면 update 정보를 확인할 수 있고 OK 버튼을 실행하면 update 할 수 있다.

Update가 진행되는 동안 아래 화면과 같이 진행 과정 및 완료 정보를 확인할 수 있다.

Update 된 정보는 아래 그림과 같이 optics 프로그램에서도 확인 가능하다.

위와 같은 방법으로 얻은 스펙트럼을 활용하면 다른 chapter에서 소개한 다양한 계산 방법으로 KS 규격 또는 원하는 수식으로 단판 또는 복층유리에 대한 광학특성 값을 계산해 볼 수 있다.  

창 유리용 필름에 대한 광학적 특성

 건축용 필름접합유리의 광학적 특성

창 유리용 필름은 건축물의 창 유리에 붙여 냉방 및 난방 효율을 높이기 위한 태양열 차폐용 필름과 충돌, 지진, 폭발 등에 의해 건축물의 창 유리가 비산 낙하하는 것을 경감하기 위한 유리 비산 방지용 필름이 있다.

KS L2016 규격에서 정의하는 필름의 종류는 아래와 같으며 필름 접합 위치에 따라 내장용과 외장용으로 구분한다.

종류 별 필름의 광학적 성능은 아래 표의 값을 만족하여야 한다.

광학적 성능시험은 시험 하기 전 3mm 맑은유리에 필름을 부착한 상태에서 표준조건 [온도 (23±2) ℃, 상대습도 (65±5) %]에서 24시간 이상 방치한 후 시험하여야 한다.

1)  가시광선 투과율 (TL%)

분광광도계를 사용하여 파장 380nm에서780nm 까지 파장간격 10nm 간격으로 측정한 분광투과율로부터 표준광 A광원 2도시야에 대한 가시광선 투과율을 구한다.

A광원 2도시야에 대한 가시광선 투과율은 "(CIE Y x y 계산방법)"을 참조하기 바란다.

다만, 분광투과율 분포곡선이 아래 그림에서와 같이 진동 파형(Red)을 나타내는 필름은 마루와 골의 중간을 지나는 평균 분포곡선(Green)에 의해 각 파장에서의 분광 투과율을 구하여 계산한다.

2) 태양열투과율 (Te%), 반사율 (Re%)

분광광도계를 사용하여 파장 350nm에서 2 100nm까지 파장 간격 50nm 간격으로 분광 투과율, 반사율을 측정하고 아래 식으로 태양열투과, 반사율을 구한다.

 

분광 투과율 분포 곡선이 진동 파형인 경우에는 가시광선 투과율 계산 시와 마찬가지로 평균 분포 곡선으로 계산하여야 한다.

위 수식에서 사용된 태양열 분광분포 (Eλi)는 아래 표 7의 중가계수를 사용한다.

3) 차폐계수 (S)

태양열 투과율 (Te%)과 태양열 반사율 (Re%), 실내쪽 표면방사율 (εi) 및 실외쪽 표면방사율 (εo) 값으로부터 다음 식에 따라 차폐계수(S)를 구할 수 있다.

실, 내외 방사율은 두께 3mm 맑은유리에 필름을 붙인 시험편을 사용하여 KS L 2514 상온의 열방사율 측정방법에 따라 5 500nm ~ 50 000nm 영역에서의 반사율을 측정하여 수직방사율을 계산하고 KS L 2525 규격에 의해 수정방사율로 계산한 값을 사용한다. 

 4) 열관류율 (K)

다음 수식으로 열관류율을 계산한다.

 

참고로 아래 표에서 보는 바와 같이 

열관류율 계산 수식에 사용된 상수 값인 4.9(방사)와 16.3(대류)은 겨울철 실외쪽 표면 열전달율에 해당하는 값이고  5.4(방사)와 4.1(대류)은 실내쪽 표면 열전달율에 해당 하는 값으로 KS L 2514 :1997 구 규격의 값이며, 새로 개정된 최신 규격에서 제시하는 열전달계수값이 반영되어 있지 않으므로 개정되어야 옳다.

KS L 2514:1997 구 규격에서 발췌

KS L 2514:2011 최신 규격에서 발췌

또한 열관류율 계산 수식 중 분모항의 0.005 값은 전도에 의한 열전달저항(R=d/λ)값으로 3mm 유리를 시험편으로 사용하도록 되어 있으므로 유리의 열전도율인 1.0 (W/m • K)으로 계산하면 0.003으로 수정되어야 한다. (규격의 오류, JIS A 5759 참조)

R=d/λ = 0.003 / 1.0 [ m² • K / W ]

d : 유리의 평균 두께 (m)

λ : 유리의 열전도도 (W / m • K)

아래 표는 프로그램을 사용하여 필름접합유리에 대하여 규격 별 광학특성을 계산한 것이다.

IRER% 계산 방법은 "(필름접합유리의 적외선 에너지 차단율)" 항목을 참조하기 바란다.

필름접합 유리의 적외선 에너지 차단율 (IRER%)

Infrared Energy Rejection (IRER, %)

윈도우 필름은 건물이나 차량 내부로 유입되는 유해한 자외선(UV)를 차단하는데 효과가 있으며, 태양열 유입량을 줄여 건물의 냉방 부하를 줄이거나 차량 탑승자의 편안함을 개선하는데 도움을 준다.

또한 유리 파손 시 비산을 억제하는 역할과 반사율을 낮추어 유리의 눈부심을 낮추거나 스크레치를 방지하는 기능도 강화 할 수 있다.

윈도우 필름은 색상이 다양하며 태양열 차폐 성능을 통한 차량 승객, 건물 거주자 및 내부 전시 상품을 태양빛으로부터 보호하고 프라이버시를 제공하는 효과가 있다.   

대표적인 건축응용분야로는 주거용건물, 상업용건물(호텔, 식당, 쇼핑센터, 공항), 사무실, 학교 또는 산업용 프랜트가 있으며,

자동차 응용분야에는 승용차, 상업용 및 산업용 차량 및 서비스 차량 등이 있다.

적외선에너지차단율(IRER, Infrered Energy Rejection)은 총태양에너지차단율(TSER, Total Solar Energy Reflectance)과 유사하지만 태양열의 적외선 영역인 780nm~2 500nm범위의 태양빛에 포함된 적외선(근적외선, NIR)만으로 계산된 값이다.

일반적으로 윈도우 필름 제조업체들은 태양열취득율(SHGC) 또는 적외선에너지차단율(IRER) 특성을 측정하기 위하여 적분구가 있는 UV-VIS-NIR 분광광도계를 사용한다.

이 시험 장비는 필름접합유리를 통해 전달되는 태양열 전체 영역인 300nm ~ 2 500nm 범위의 투과, 반사 스펙트럼을 측정할 수 있으며 이를 통해 SHGC 또는 IRER 값을 정확하게 계산할 수 있다.

반면 윈도우 필름 배급자나 설치자와 같은 다른 이해 관계자들이 사용하고 있는 휴대형 측정기인 경우에는 현장에서 쉽게 측정할 수 있는 장점은 있으나, 제한된 영역인 800nm ~ 1,400nm 또는 특정 단파장 (예:940nm) 에서의 적외선 복사 에너지만 측정할 수 있고 이 값으로 SIRR%을 계산할 수 있지만 실험실에서 측정하는 태양에너지의 전체 적외선 영역인 780nm ~2 500nm으로 계산되는 IRER%과는 전혀 다른 특성값이라 할 수 있다.

적외선차단율을 표시하는 SIRR%과 IRER%은 서로 다른 특성값 임에도 불구하고 적외선차단율이라는 이름으로 인하여 혼동을 줄 수 있기 때문에

국제윈도우필름협회(IWFA, International Window Film Association)와 유럽윈도우필름협회(EWFA, European Window Film Association)에서는 필름 제품의 성능을 평가하는 지표로서 태양빛에 포함된 적외선 전체 영역인 적외선에너지차단율(IRER %)을 계산하여 제품의 성능 시트에 표시할 것을 권장하고 있다. 

다만 소형 휴대용 계측기로 측정되는 SIRR%는 선택적으로 IRER과 구분하여 사용할 수 있다.

이렇듯 구분하여 사용하기를 권장하는 이유는 윈도우 필름 산업의 공통 표준을 적용할 수 있도록  TSER%, IRER%, UV% 및 TL% 데이터와 함께 서로 다른 제품의 성능 비교를 용이하게 할 수 있기 때문이다.

1) 적외선(780nm ~ 2 500nm) 영역에 대한 태양방사투과율 및 태양방사반사율  계산예

2) 단판유리에 대한 IRER (Infrared Energy Rejection) 계산

계산에 사용된 수식은 다음과 같으며

태양방사투과, 반사율 계산시 적용된 중가계수(AM=1.5, 780nm ~ 2500nm)는 해당 규격을 참조하기 바란다.

열차단 필름 접합유리의 열파손 위험성 진단

열차단 필름유리 시공 시 열파손 위험성 진단

기존 건물에 태양열 차폐를 목적으로 열차단 필름 부착 시 흡수율이 높은 열차단 필름을 시공하는 경우에는 겨울철에 태양열에 의한 열파손 안정성 검토 후 설치 여부를 결정하여야 한다.

예를들어 6CL(6mm 맑은유리) + 12A (12mm 중공층, 건조공기) + 6CL(6mm 맑은유리) 로 구성된 일반 복층유리 창에 태양방사투과율(Te)이 7.15%(6mm 맑은유리 부착 시) 열차단 필름을 시공하는 경우 열파손 위험성을 계산하면 다음과 같다.

복층유리 Spectrum 비교

위 표에서 6CL+12A+6CL 기존 설치된 건물의 복층유리에 열차단 필름을 실내쪽 유리면(4면)에 시공하는 경우 태양열취득율(SHGC)이 73.8%에서 46.7%로 감소하는 것을 알 수 있다.

따라서 여름철 냉방 부하는 감소하여 열차단 필름 시공이 좋은 효과가 있을 것으로 예상되지만 겨울철 열파손 안전성 여부는 별도로 검토할 필요가 있다.

프로그램을 사용하여 열파손 위험성을 계산해 보면 필름 시공 전과 시공 후  아래 결과에서 보는 것과 같이 서냉유리로 제작된 복층유리라 가정하였을 때 

겨울철 남향과 남동,남(남)서 및 남동,서남서 방향으로 설치된 유리 중에서 실내측 유리가 파손될 위험성이 있는 것으로 계산되었다.

열파손 위험성은 다음 조건으로 계산하였다.

  1) 면적계수 : 4m^2 (2000mm x 2000mm)

  2) 커튼계수 : 없음

  3) 그림자계수 : 없음

  4) 프레임계수 : 표준시공

  5) 일조량 : 일반창 90도(수직)

  6) 실내외 온도

      겨울철 실외 : -18도, 실내: 20도

      여름철 실외:   30도, 실내: 25도

판정기준 : 

  1) 서냉유리 :    17.7MPa 이상인 경우 위험

  2) 배강도유리 : 35.3 MPa 이상인 경우 위험

열파손 계산조건 설정

방위별 열파손 계산결과

따라서 해당 필름을 시공 할 경우 안전을 고려하여 반드시 배강도 유리로 제작된 복층유리에 시공하는 것이 열충격에 의한 파손을 줄일 수 있다.

 

투과율에 대한 연색지수(CRI) 계산

유리창을 통해 보이는 외부 풍경의 연색지수 계산 방법

일반적으로 건축용 판유리는 유리를 제조하는 원료인 천연 광물에 포함된 철분의 영향으로 저철분유리라 할 지라도 약간의 색을 띄고 있다.

따라서 유리창을 통하여 보이는 색은 유리의 종류에 따라 달라지게 되므로 이러한 특성은 유리의 투과율 스펙트럼을 측정하고 연색지수(color rendering Index)를 계산하면 쉽게 평가할 수 있다.

투과율에 대한 연색지수 Ra는 기준 조도 D65 광원에 의해 직접 조명되는 8가지 시험 색상과 유리를 투과하는 동일한 조도 사이의 색상 차이에 대한 정량적 평가로서 평균연색평가수(Ra ; general color rendering index)를 사용한다.

D65 광원의 삼자극치 계산

표1. D65 광원의 상대분광분포 및 XYZ색 표시계에서의 등색함수

수식 (26), (27), (28)을 사용하여 D65광원의 삼자극치를 계산한다.

                여기에서

수식 (32), (33), (38), (39)이용하여 광원에 대한 색 좌표를 계산한다.

예) 표1의 D65광원에 대한 상대분광분포 및 X Y Z색 표시계에서의 등색함수를 사용하여  위 수식으로 계산하면 D65 광원에 대한 삼자극치와 색도값을 얻을 수 있다.

맑은유리(6mm)를 측정한 투과율 스펙트럼

투과율 Data (맑은유리 6mm, Raw Data)

수식 (29), (30), (31)을 이용하여 시료에 대한 삼자극치를 8가지 시험 색상 별로 계산한다.

              여기에서

각 8가지 시험 색상에 대한 반사율 그래프

표2.  각 8가지 시험 색상에 대한 반사율 스펙트럼

수식 (29), (30), (31)을 이용하여 시험 색상 별 반사율을 반영하여 맑은유리 투과율에 대한 삼자극치를 계산하면 다음과 같다.

 

아래 수식 (34), (35), ....... , (46)를 사용하여 시료에 대하여 각 8가지 시험 색상 별 연색지수(Ri)를 계산한다.

위 수식에서 사용되는 D65 표준광원에 대한 U*r,i, V*r,i, W*r,i 값은 아래와 같다.

수식 (34), (35), ....... , (46)를 사용하여 맑은유리 시료에 대하여 각 색상 별 연색지수(R1~R8)를 계산하면 다음과 같다.

계산된 시험 색상별 연색지수(R1~R8)의 평균값인 맑은유리의 투과율에 대한 연색지수(Ra; color rendering index)는 식 (47)로 계산하면 다음과 같다.

Ra= 98.249

따라서 맑은유리(6mm) 투과율에 대한 연색지수(CRI)는 98.2 임을 알 수 있고

유리의 종류 별 투과율에 대한 연색지수를 계산하면 아래와 같다.

참고자료 ; DIN EN 410 5.6항 Colour rendering