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

 

적분구 검출기를 이용한 유리의 흡광도 측정

적분구 검출기와 Center Mount Sample Hoder를 이용한 흡광도 측정방법

열선흡수유리(색유리) 개발 시 전이원소에 의한 흡광계수를 사용하면 계산에 의해 원하는 색상의 분광스펙트럼을 Simulation 할 수 있으며, 이렇게 설계된 조성의 유리를 생산하려면 흡광도를 정확하게 측정할 필요가 있다.

투명한 경면(mirror surface) 유리에 대한 흡광도는 수식(1)을 사용하여 계산하는 것이 일반적이지만 Reference beam 위치에 전이원소가 전혀 포함되어 있지 않은 이상적인 유리를 설치하여 측정할 수 없기 때문에 수식(1)을 사용하려면 최대투과율 값을 계산하여 반영하여야 흡광도 계산이 가능하다.

최대투과율은 파장별 굴절율을 반영하여 계산할 수 있으나

아래 수식을 이용하면 측정한 투과율과 파장별 굴절율을 이용하여 내부투과율(internal transmittance)을 계산하고 역수의 대수값을 취하여 흡광도를 계산할 수 있다.

               여기에서 n : 파장별 굴절율

                           てx : 측정 투과율

투과율과 반사율을 동시에 측정할 수 있는 Center mount sample holder와 적분구 검출기를 사용하면 수식(2)를 사용하여 쉽게 흡광도를 계산할 수 있다. (표준물에 의한 측정 반사율 보정은 필요함.) 

다만 적분기의 직경이 150mm 미만인 검출기만 보유하고 있는 경우 center mount sample holder를 사용하는 것이 어려우므로 흡광도를 측정하려면 별도의 반사율 및 투과율 측정을 하여야 한다.

별도로 투과율 및 반사율을 측정하는 경우에는 측정빔의 크기 또는 측정 위치가 달라짐에 따라 측정 편차가 발생할 수 있으므로 측정값에 대한 validation도 고려하여야 한다.

적분구로 투과율와 반사율을 동시에 측정하는 방법은 난반사(diffuse reflectance)를 일으키는 혼탁한 액체 시료나 반투명 또는 불투명 고체 시료를 측정하는 경우에도 유용하게 사용할 수 있다.

저 방사유리의 종류별 스펙트럼 비교

 저방사(Low-E)유리와 원판유리의 종류 별 스펙트럼 비교

저방사유리는 가시광선(380nm~780nm)영역은 투과시켜 유리창을 통한 시야는 확보하면서 열선 영역인 적외선(780nm~50 000nm) 영역은 높은 반사율을 갖도록 설계한 유리를 말한다.

적외선 영역에서의 반사율 특성은 저 방사 유리를 구성하는 다중의 금속 코팅막 중에서 은(Silver)막에 가장 큰 영향을 받으므로 Silver 막의 개수에 따라 Single, Double, Triple Low-E 로 구분하여 부르고 있다.

아래 그림은 Low-E 유리를 만들기 전 원판 유리(6mm)인 일반 판유리(저철분유리, 맑은유리, 그린유리)에 대한 투과 및 반사 스펙트럼을 비교한 것이다. 

단판유리(SGU) : 저철분유리(6mm), 맑은유리(6mm), 그린유리(6mm)  

아래 그림은 맑은유리(6mm)에 은(sliver)막을 코팅한 종류 별 저방사유리(Single, Double, Triple)에 대한 스펙트럼을 비교한 것이다.

단판(SGU) 로이유리 : Single 로이(6mm), Double 로이(6mm), Triple 로이(6mm)

아래 그림은 맑은유리(6mm)와 저방사유리(6mm)를 사용하여 제작한 복층유리(24mm)에 대한 스펙트럼을 비교한 자료이다.

복층유리(DGU) : Clear(6mm) + 중공층(12mm, 건조공기) + 종류별 저방사유리(6mm)

태양열취득율과 가시광선투과율 값을 두께 별(3, 4, 5, 6, 8 ~10mm)로 제작한 단판유리와 복층유리에 대한 차열성 및 채광성을 비교해 보면

                   Red : Clear Glass (단판)

                   Green : Green Glass (단판)

                   Magenta : CL+12A+CL (복층)

                   Orange : Single Low-E Glass (단판)

                   Yellow : CL+12A+Single Low-E (복층)

                   Purple : Double Low-E Glass (단판)

                   Blue : CL+12A+Double Low-E (복층)

    

                   x축 : 태양열취득율(SHGC), y축 : 가시광선투과율(TL%)

그래프에서 위쪽이 채광성이 높고, 오른쪽이 태양열취득형, 왼쪽이 태양열차폐형이 된다.

일반적으로 태양열취득율과 가시광선은 거의 비례하므로 태양열취득형 제품일 수록 채광성이 높고 태양열차폐형 제품은 채광성이 낮아지지만 위 그래프에서 보는 바와 같이 저방사유리 제품 중에는 채광성도 높고 태양열취득율 풍부한 유리 품종도 있다.

                   Red : Clear Glass (단판)

                   Green : Green Glass (단판)

                   Magenta : CL+12A+CL (복층)

                   Orange : Single Low-E Glass (단판)

                   Yellow : CL+12A+Single Low-E (복층)

                   Purple : Double Low-E Glass (단판)

                   Blue : CL+12A+Double Low-E (복층)

                   x축 : 열관류율(U),  y축 : 태양열취득율(SHGC)

위 그림은 열관류율과 태양열취득율 값을 두께 별(3, 4, 5, 6, 8 ~10mm)로 제작한 단판유리 및 복층유리에 대하여 단열성 및 차열성을 비교한 그래프이다. 

유리를 구성하는 형태에 따라 단열성능이 달라지며 각각의 타입에 따라 다양하게 태양열취득율을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 

위 그래프에서 왼쪽이 단열 성능이 높은 제품이고 위쪽이 태양열취득형 제품, 아래쪽이 태양열차폐형 제품이다.