강화유리의 정의

강화유리

강화유리 란 ?

판유리를 열처리하여 유리 표면에 강한 압축 응력층을 만들어 파괴 강도를 증가시키고 깨질 때 작은 조각이 되도록 처리한 유리를 말하여 일반적으로 강화유리(Tempered Glass)라 하면 완전 강화를 의미한다.

강화유리(Tempered Glass)는 주로 차량, 철도 및 선박용 창문, 가구등에 주로 사용되며 건축용인 경우 출입문 등 건축물의 외벽 이외의 용도로 사용된다. 

강화유리를 고층건물 외벽으로 사용하지 않는 이유는 파손 시 작은 유리 조각이 고층 높이에서 떨어지게 되면 높은 위치에너지를 가지므로 사고를 유발할 수 있기 때문에 배강도유리를 사용하고 있으며, 고층 건물의 안전을 위한 최적의 방법은 강화유리를 사용하는 것 보다 접합유리를 사용하는 편이 더 안전하다.

접합유리를 외벽으로 사용하는 경우 강화유리에 비해 더 안전할 뿐 아니라 방범이나 방음 효과 또한 뛰어나므로 해외 선진국에서는 안전유리로서 강화유리보다 접합유리를 설치하도록 법으로 규정하고 있다.

그 밖의 강화한 유리로는 배강도 유리(Heat Strengthened Glass)가 있으며 주로 건축물의 외벽, 개구부 등에 사용되며 가끔 반강화유리라 불리기도 한다.

배강도유리 란 ?

판유리를 열처리하여 유리 표면에 적절한 크기의 압축 응력층을 만들어 파괴강도를 증대시켜 파손되었을 때 재료인 판유리와 유사하게 깨지도록 만든 유리를 말한다.

일반적으로 배강도 유리의 경우 서냉유리에 비하여 풍압을 견디는 정도가 대략 2배 정도 강하게 만든 유리라 할 수 있으며,

건축용 창문 파손의 원인으로는 

태풍에 기인한 풍압에 의한 파손과 유리의 중심부 온도와 가장자리 온도 차로 발생하는 열파손, 복층유리 중공층에 주입된 가스의 유출로 발생하는 압력(부압)에 의한 파손 등이 있다.

태풍에 의한 파손의 경우 압력을 받는 면적이 큰 창문이 작은 크기의 창문보다 파손되기 쉽고, 가스유출로 발생하는 부압에 의한 파손인 경우 창틀로부터 유리 중앙부까지의 거리가 짧은 작은 크기의 창문이 파손되기 쉽다.

열파손의 경우에는 태양 빛을 많이 흡수할 수 있는 조건을 가진 유리인 열선흡수유리(색유리) 또는 색을 띤 필름접합유리 및 코팅 유리가 맑은 유리에 비하여 열파손될 가능성이 더 높다.  

따라서 건축물 설계 시 건물의 위치, 높이, 방향, 그림자 등을 고려하여 열파손을 방지할 수 있는 조건으로 구성된 복층유리를 선정하여 설치하는 것이 바람직하다.

아래 표에 정의된 종류 별 표면압축응력의 크기는 외압에 의한 파손과 연관 관계가 있으며 외압이 표면압축응력 보다 커지게 될 때 파손이 발생하게 된다. 

유리 종류 별 표면압축응력 

참고로 KS L 2002 강화유리 규격의 경우 표면압축응력으로 구별하지 않고 아래 표에서 보는 바와 같이 파편의 상태, 낙구충격 파괴강도 및 쇼트백 충격특성 값을 기준으로 규정되어 있다.  

원판유리의 두께 변환

 코팅을 하지 않은 원판유리의 두께 변환 스펙트럼 계산

예를 들어, 3mm 맑은유리에 대하여 측정한 투과 스펙트럼이 있다고 가정할 때 5mm로 환산된 맑은 유리의 투과 및 반사 스펙트럼을 계산하고 싶다면 EN 410 Annex A의 규격에 있는 수식을 이용하면 쉽게 계산할 수 있다. 

てx(λ) : 분광광도계로 측정한 3mm 맑은 유리의 투과 스펙트럼

 n(λ) : 유리의 파장별 굴절율

참고로 건축용 유리 (Soda-Lime Silicate Glass)에 대한 파장별 굴절율은 

M.Rubin, Optical properties of soda lime silicate glasses, Solar Energy Materials 12 (1985) pp. 275-288 자료를 참고하길 추천한다. 

아래 수식을 이용하면 변환을 원하는 두께인 5mm 맑은 유리의 투과 스펙트럼(てy)을 계산할 수 있다.

  여기에서 

        てy(λ) : 5mm 맑은유리의 투과율

위 수식에서 ρs(λ) 는 유리의 파장별 굴절율로 계산한 공기와 유리계면 사이 에서의 계면 반사율이고,   

てi,y 는 3mm 맑은유리의 내부투과율(てi,x )로부터 계산된 5mm 맑은유리의 내부투과율 값으로 아래 수식으로 계산 가능하다.

  여기에서 

          てi,y(λ) : 원하는 두께에 해당하는 유리의 파장 별 내부투과율 (5mm 맑은유리)

          てi,x(λ) : 측정한 3mm 유리의 스펙트럼으로 계산된 파장 별 내부투과율

           てx(λ) : 측정한 3mm 유리의 파장 별 스펙트럼 

            x : 측정한 유리 두께 (3 mm)

            y:  두께 변환을 원하는 유리 두께 (5 mm)

내부투과율 てi,y(λ) 과 계면반사 ρs(λ) 값을 이용하면 다음 수식으로 5mm 유리에 대한 반사율 값도 계산 할 수 있다.

예를들어

   x = 3.0 (측정한 유리두께)

   y = 5.0 (변환을 원하는 유리두께)

  てx = 0.83 (측정한 3mm 맑은유리 투과율 값 83%)

   n = 1.525 (해당 파장에서의 굴절율 값이 1.525) 라 할 때

위에서 언급한 수식으로 계산하면 아래 와 같은 값들을 얻을 수 있다.

   ρs = 0.0432

  てi,x = 0.9053

  てi,y = 0.8472

  てy = 0.7766 (3mm 맑은유리에서 5mm 맑은유리로 환산된 투과율, 77.66%)

   ρy = 0.0717 (3mm 맑은유리 투과율로부터 환산된 5mm 맑은유리의 반사율, 0.717%)

아래 그림은 위와 같은 방법으로 계산한 3mm 맑은유리의 투과 스펙트럼에 대한 5mm 투과 및 반사 스펙트럼이고

위 그래프에 대한 파장별 스펙트럼은 아래와 같다.

Stress

 응력(Stress)

유리 응력의 종류는 다음과 같다.

1) 두께응력 (Thickness Stress, Toughening Stress)

2) 평면응력(막응력) (Membrane Stress, Planar Stress)

3) 표면압축응력 (Surface Compressive Stress)

4) 가장자리응력 (Edge Stress)

특히 두께응력 중 압축응력을 표면압축응력이라 하고 잔존하는 형태에 따라 영구응력, 일시응력, 열응력으로 구분하기도 한다.

유리에 두께응력 값이 높으면 유리가 잘 잘라지지 않는 특성을 지니며, 이는 두께응력을 형성하는 인장응력(Tension) 값이 100 MPa 라 할때 압축응력(Compresion)은 그 2배에 해당하는 200MPa 로 작용하기 때문이다.

평면응력은 절단 시 스코어링 라인을 따라가지 않고 원하지 않는 방향으로 잘라지는 현상과 관계가 있고, 가장자리응력(Edge Stress)은 서냉유리에는 존재하지 않으나 강화 시 유리가 식는 속도에 따라 오로지 압축응력만 발생한다. 이때 발생된 Edge 응력과 동일한 크기의 응력이 내부응력으로 존재하게 된다.

같은 위치에서도 방향에 따라 응력이 다를 수 있으므로 응력 측정시 이를 고려하여야 하며, 표면에는 영구응력이 존재하고 내부에는 일시응력이 존재하는 특성을 가지므로 유리를 자르면 응력이 사라지는 현상을 관찰할 수 있다.

응력의 크기를 측정하려면 선편광(Linear Polarization)하에서 측정하여야 하고 응력의 분포를 측정하려면 원편광(Circular Polarization)하에 측정하여야 응력의 분포를 알 수 있다.

원편광 하에서 본 응력의 분포(흰색)

위 그림에서 흰색으로 보이는 부위가 응력이 발생한 부위이며 해당 위치에서 응력의 크기를 측정하려면 선편광하에서 측정하면 된다.

                                             선편광 하에서 본 응력의 분포

편광현미경 구조 및 λ/4 Plate

<응력 분포 측정방법>

1) Analyzer와 Polarizer를 직교시켜  소광(가장 어두워 지도록 한다) 시킨다.

2) 시료 삽입 위치를 기준으로 Polarizer 와의 사이 상단에 λ/4 판을 삽입하여 가장 밝게 되도록 맞춘다.

3) 하단에  λ/4 판을 삽입하여 가장 어두워지도록 맞춘다.

4) 시료를 삽입하면 응력의 크기 만큼 해당 부위가 밝아진다. 

<응력 크기 측정방법>

1) Analyzer와 Polarazer를 직교시켜  소광 시킨다.

2) 상단 (Analyzer와 시료 사이)에 λ/4 판을 삽입하고 가장 밝게 되도록 Analyzer를 회전 시킨다.

3) 시료를 절단면이 보이도록 삽입하여 가장 밝게 보이는 주 응력을 기준으로 Analyzer를 회전 시켜 가장 어두워지는 각도와의 차를 측정하여 아래 수식으로 계산한다.

참고로 평행소광인 경우 시료를 투과한 빛의 밝기는 소광각 사이의 절반이 되는 45도 위치에서 가장 크게 나타난다.

  λ(590) : 나트륨 광원 사용 : 590nm

  2.6455 : Brewster constant (Soda-Lime Silicate Glass) 

Membrane Stress 또는 Surface Compressive Stress 측정 시 유용하게 사용할 수 있는 표준물

Stress 표준물

Stress 표준물을 이용한 Edge Stress 측정.

 

자외선 투과율 이란

자외선 투과율

태양 빛으로부터 방출되는 자외선은 일반적으로 UVA (315 nm ~380 nm), UVB (280 nm ~ 315 nm), UVC (100 nm ~ 280 nm) 로 구분하고 건축용 유리의 광학적 특성에는 UVA 와 UVB 영역만 계산에 적용하도록 규정되어 있다.

건축용 유리를 구성하는 원소 중에서 가장 많이 함유된 규소(Si) 원소의 공유 결합체에 의한 양자역학적 에너지 흡수영역이 UVC 자외선 영역에 해당하므로 UVB 이하의 영역은 투과하지 못하는 특성을 갖는다.

따라서 건축용 유리의 자외선 투과율 측정 범위는 규격에서 제시하는 300 nm ~ 380 nm 영역의 투과율을 사용하여 계산한다.

규격별 자외선 투과율 계산을 위한 중가 계수는 아래 표와 같다.

UV 투과율 계산을 위한 규격별 중가계수

UV 투과율 계산을 위한 중가계수

규격에서 제시하는 중가계수와 측정한 스펙트럼을 사용하여 6mm 맑은유리에 대한 자외선 투과율을 계산하면 다음 표와 같다.

6mm 맑은유리 자외선 투과율 계산 (61.38%)

380 nm에서 맑은유리 투과율이 81.9% 이고 KS L 2514 규격에서 제시하는 중가계수가 0.058351 이므로 0.058351 x 81.9 = 4.7789 이고 모든 파장에 대하여 계산된 결과값의 합을 중가계수의 합인 1로 나누면 자외선 투과율 61.38%를 계산할 수 있다.

때론 자외선 차단율 측정이 필요한 경우가 있는데 차단율이라 함은 자외선이 유리를 투과하지 못한 전체량을 의미하므로 자외선 반사율과 자외선 흡수율의 합한 값이라 할 수 있으며 100에서 자외선 투과율을 뺀 값을 자외선 차단율이라 할 수 있다.

자외선 차단율(%) = 100 - 자외선 투과율(%)

건축용 판유리 제품별 스펙트럼 비교

건축용 판유리의 두께별 광학특성 비교


건축용으로 사용되는 판유리는 규격 분류 상 일반 플로트 유리와 열선흡수유리로 나눌 수 있다.

열선흡수유리라 함은 색을 띠고 있는 제품으로 Bronze Blue, Grey, Green 등을 말하며, 일반 플로트유리는 색이 없는 맑은(Clear) 유리를 말한다.

이들 제품에 대한 두께별 스펙트럼 및 광학특성을 비교하면 다음과 같다.


1) 맑은유리(Clear) 투과 및 반사 스펙트럼

         * 적용규격 : KS L 2514, KS L 2003, TL : D65/2, TE : AM=1.5 기준


2) 저철분유리(Diamant) 투과 및 반사 스펙트럼

         * 적용규격 : KS L2514, KS L2003, TL : D65/2, TE : AM=1.5 기준


3) Green 유리 투과 및 반사 스펙트럼

         * 적용규격 : KS L2514, KS L2003, TL : D65/2, TE : AM=1.5 기준


4) Grey 유리 투과 및 반사 스펙트럼

         * 적용규격 : KS L2514, KS L2003, TL : D65/2, TE : AM=1.5 기준


5) Bronze 유리 투과 및 반사 스펙트럼

         * 적용규격 : KS L2514, KS L2003, TL : D65/2, TE : AM=1.5 기준


6) Blue 유리 투과 및 반사 스펙트럼

         * 적용규격 : KS L2514, KS L2003, TL : D65/2, TE : AM=1.5 기준

복층유리의 차음효과

복층유리의 차음 성능


차음유리란?

외부의 소음이 내부로 잘 전달되지 못하도록 하거나 또는 내부의 소음이 외부로 잘 전달되지 못하도록 설계된 유리를 차음유리라 한다.

음향 투과 손실은 입사 음의 에너지와 투과 음의 에너지의 비로 표현되며 값이 클수록 차음효과가 높은 것이다.

차음 성능을 나타내는 Rw 값은 100 ~ 3 150Hz 구간에서의 투과 손실값과 기준곡선과의 부족분의 합이 32dB을 넘지 않을 때 기준곡선 500Hz에서의 값으로 표시한다.

ISO 717-1 기준곡선에 대한 보정곡선의 선정

위 도표에 나타난 것과 같이 보정된 기준곡선2는 부족분의 합이 32dB 기준을 초과하였으므로 보정곡선으로 적합하지 않으며, 기준곡선1의 500Hz 해당 값인 40dB이 Rw 값이라 할 수 있다.

복층유리 제품도 재료의 밀도 차에 의해 소음이 차단되는 특성을 가지나 보다 효과적인 방법으로 차음접합필름을 사용한 복층유리를 사용할 경우 외부의 소음을 차단 함으로서 보다 쾌적한 실내 환경 구축할 수 있다. 

다음 표는 일반 복층유리 및 차음접합유리로 구성된 제품 별 차음 성능을 나타낸 것이다.

위 표에서 6 (12AIR) 6 의 의미는?
6mm 판유리 + 12mm 중공층(건조공기) + 6mm 판유리로 구성된 복층유리를 의미하며,

6 (12AIR) 65.1은?
6mm 판유리 + 12mm 중공층(건조공기) + 6mm 판유리와 5mm 판유리를 PVB 필름으로 접합한 접합유리로 구성된 복층유리를 의미한다.

66.1에서 소수점 이하의 .1의 의미는 PVB 필름의 두께를 나타낸 숫자로서 1 이면 필름 두께 0.38mm를 의미하고 숫자가 증가하면 0.38mm의 배수에 해당하는 필름을 사용한 것을 의미 한다.

또한 SIL은 Silence 의 약어로 차음성능을 가진 PVB 필름을 사용하였다는 의미이다.

예) 66.2SIL : 두 장의 6mm 판유리를 0.76mm 차음성능 PVB 필름으로 접합한 접합유리

아래 그래프는 위 표의 흰색 바탕에 표시된 일반 복층유리에 대한 Rw값을 비교한 것으로 실내측 유리의 두께가 달라짐에 따라 변화된 차음성능을 표시한 것이다.

실외측과 실내측이 동일한 유리 두께인 6mm  복층유리일 때 Rw 값이 가장 낮은 값으로 차음성능이 낮으며, 오히려 비대칭으로 구성된 유리 두께를 가진 복층유리가 대칭 제품에 비하여 차음성능이 더 좋은 것을 알 수 있다.

하지만 접합복층 유리인 경우에는 일반접합 유리로 구성된 제품에 비하여 차음접합유리로 구성된 제품의 차음성능 Rw 값이 38에서 41로 월등히 좋아지는 것을 확인할 수 있다.

접합복층유리인 6 12(AIR) 66.1 경우에는 유사한 두께의 복층유리 6 12(AIR) 12와 차음 성능이 비슷한 값으로 측정 되었음을 알 수 있으며, 차음접합유리라 할지라도 접합유리를 구성하는 필름 두께에 따른 차음성능은 그 다지 크게 변화하지 않는 것으로 측정 되었다.

일반적으로 창호의 차음 성능은 저 음역에서는 유리의 두께에 의존하고 고 음역에서는 창호의 기밀성에 의존한다.

광학 특성을 계산하기 위한 Spectrum 측정 범위

UV, Visible, Energy & Solar factor, 단열 특성 및 색도 계산을 위한 Spectrum


KS L 2514, ISO 9050, EN410 및 NFRC 규격에서 제시하는 방법으로 자외선, 가시광선, Color 및 단열 특성 값을 계산하기 위해서는 300 nm ~ 50 000 nm 범위의 스펙트럼이 필요하다.

태양 표면에서 방출하는 열 에너지의 파장범위는 지표면에 도달하는 태양 에너지를 기준으로 대략 280 nm ~ 2500 nm 영역이라 할 수 있으며, 상온인 약 30도 정도에서 방출되는 에너지의 파장대는 대략 10 000 nm 정도이다.

아무리 추운 겨울 밤 이라 할지라도 영하 수 100도 이하로 내려가는 것은 어려우므로 원적외선 영역인 50 000 nm 까지이면 일상 환경 하에서 발생하는 모든 열 특성을 계산할 수 있는 파장 영역을 포함한다 할 수 있다. 

광학특성을 계산하기 위한 측정파장 범위

위 범위의 스펙트럼을 측정하기 위해서는 두 가지 종류의 분광광도계 즉, UV-VIS-NIR 분광광도계와 FT-IR 분광광도계가 필요하다.

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

위 그래프는 UV-VIS-NIR 분광광도계를 이용하여 Low-E Glass를 측정한 투과, 반사 Spectrum(T%, Rf%, Rg%)으로 측정 범위는 300 nm ~ 2 500 nm 이다.

FT-IR Spectrophotometer, Thermo-Scientific, NICOLET 6700 

위 그래프는 FT-IR 분광광도계를 이용하여 Low-E Glass를 측정한 투과, 반사 Spectrum (T%, Rf%, Rg%)으로 측정 범위는 2 500 nm ~ 50 000 nm 이다.

따라서 UV-VIS-NIR 분광광도계를 이용하면 규격에서 요구하는 300 nm ~ 2 500 nm 영역의 spectrum을 측정할 수 있으며,  FT-IR 분광광도계를 이용하면 5 000 nm ~ 50 000 nm 영역의 spectrum을 측정할 수 있다.

저방사유리(Low-E) 유리에 대한 위 두 스펙트럼을 합하면 아래 그림과 같음을 알 수 있다.

Low-E Glass Spectrum ( 측정범위 : 300 nm ~ 50 000 nm)

Low-E 유리의 경우 코팅면에서 반사율 값이 NIR영역인 800 nm 이후부터 50 000 nm 까지 거의 모든 파장의 빛을 반사하는 것을 알 수 있으며, 투과율인 경우에는 가시광선 영역 (380 nm ~ 780 nm) 영역을 제외하고 거의 모든 파장의 빛이 투과하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

코팅을 하지 않은 일반유리인 경우 투과 반사 스펙트럼은 다음과 같다.

Clear Glass Spectrum (측정범위 : 300 nm ~ 50 000 nm)

위 그림에서 알 수 있듯이 코팅을 하지 않은 일반 원판유리는 유리의 색에 따라 투과율이 달라질 수 있으나 일반적으로 자외선 (300 nm~380 nm), 가시광선(380 nm~780 nm), 근적외선 (780 nm~ 4000 nm) 영역을 제외하고는 투과하지 않는 특성이 있는 것을 알 수 있다.

색차 (Color Difference)

색차 (Color Difference) 계산 방법


L* a* b* 표색계에 의한 색차 계산은 KS A 0063 색차 표시 방법에 따라 계산할 수 있다.

L* a* b* 표색계란 국제조명위원회(CIE)가 1976년에 권장한 지각적으로 거의 균등한 간격을 가진 색공간을 말하며

분광측색방법에 따라 측정된 스펙트럼으로부터 계산된 3 자극치 X Y Z 값을 사용하면 L* a* b* 값을 계산할 수 있고 비교하고자 하는 서로 다른 두 종류의 시료에 대하여 아래 수식으로 색차를 계산할 수 있다.

3 자극치 X, Y, Z로부터 L* a* b* 값은 다음 수식에 따른다. (CIE L*a*b* 계산 방법 참조)

광원 및 시약각에 따른 색차

위 표는 맑은유리(Sample #1)와 그린유리(Sample #2)에 대한 색차 계산 결과이다.

동일한 두 제품이 같은 색상으로 보이는지 평가할 때 색차를 계산하여 비교하는 것이 편리하므로 색차의 범위를 정하여 제품을 관리하는 것이 편리하다.

위 그림은 등색범위를 표시한 것으로 육안으로 동일한 색이라 느낄 수 있는 영역을 그림으로 표시한 것이다.

CIE 1931(2도 시야) x, y 색좌표에서 등색범위는 대략 주파장 士0.8nm, 순도 士3% 범위의 마름모 꼴을 내삽하는 타원 영역이며 녹색 역이 파랑색 영역에 비하여 매우 넓은 것을 알 수 있다.

따라서 품질관리를 목적으로 색차를 이용하는 경우 등색 범위를 고려하여 제품의 특성에 맞는 색차의 범위를 정하여 제품의 Spec.으로 관리 할 수 있다.

CIE L*a*b* 색공간에서 색차가 의미하는 내용에 관하여 조금 더 자세하게 알고 싶으시면"(CIE Lab 색공간에서 채도의 의미)"항을 참고하기 바란다.