창 유리의 선택과 쾌적한 실내환경

 창유리의 선택과 쾌적한 실내환경

용도에 적합한 유리 품종을 선정하면 에너지 절약과 쾌적한 실내환경을 구축할 수 있다. 이때 고려할 사항은 창문을 통한 에너지 손실 및 태양열취득율이다.

한랭지역과 온난지역에서는 단열성능이 높고(열관류율이 낮고) 태양열취득율 또한 높은 종류의 유리 품종을 선정하는 것이 좋으며, 온난지역 중에서 비교적 냉방 부하 비율이 많은 지역에는 단열성능은 높으나 태양열취득율은 낮은 종류의 유리를 선정하는 것이 좋다.

즉, 단열성능은 지역에 관계없이 높은 제품이 좋으나 창을 통한 태양열취득률은 지역의 환경조건에 따라 적절히 선택하는 것이 바람직하다 할 수 있다.

일반적으로 상업용 빌딩의 경우에는 내부발열(인체, 조명, 기기발열)로 인하여 냉방부하 비율이 크므로 태양열취득율이 낮은 형태의 유리 품종을 선정하는 것이 좋다.

실내 쾌적함에 영향을 주는 요인으로는 기온, 방사, 기류, 습도의 4가지 환경적인 요소와 착의량 및 인체 대사량인 사람에 의한 2가지 요소를 합하여 6가지 요소에 의해 영향을 받는다.

기온만으로 더운 날씨를 판단하는 것은 쉽지만, 인간이 느끼는 쾌적함은 기온에만 좌우되는 것이 아니며 위 6가지 요소가 복합적으로 작용한다. 따라서 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 실내 온도 뿐만아니라 위 요소들에 대한 전체적인 조화가 중요하다.

인체는 음식에서 섭취한 에너지를 외부 일을 통하여 열 에너지로 방출하므로 발열체라 할 수 있으며 주위 환경에 따라 대류, 방사, 증발의 방법으로 열을 발산시킨다. 

인체의 발열이 주위 방열보다 크면 인간은 덥다고 느끼고, 반대로 발열이 방열보다 작으면 춥다고 느끼므로 발열과 방열이 평형상태 일때 가장 쾌적하게 느낀다고 할 수 있다.

따라서 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 여름철에는 차열 타입의 유리(태양열취득율이 낮은)를 이용하여 유리창을 통하여 입사하는 태양열을 차단함으로써 실내 기온 상승을 억제하고 반대로 겨울철에는 저방사유리를 사용하여 실내로 입사하는 태양열을 보존할 수 있으므로 쾌적함을 유지하는 것이 좋다. 이것은 쾌적함 뿐만아니라 냉,난방에너지 저감에도 도움이 된다.     

겨울밤 바깥 공기에 의해 실내측 유리창 표면이 차가워지게 되면 유리창에 체온을 빼앗기게 되므로 서늘한 느낌을 받을 수 있다. 이러한 현상을 냉방사라 한다. 겨울철 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 단열성능이 높은 유리(저방사유리)를 설치하여 실내측 유리 표면의 온도를 높여 냉방사를 억제하는 것이 중요하다.

여름철에는 유리창이 태양열을 흡수하여 유리표면 온도가 상승하게 되므로 상승된 유리 표면으로부터 발생하는 방사열을 인체가 받게 된다. 여름철 또한 실내환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 차열과 단열이 뛰어난 유리를 사용하여 유리창의 실내측 표면온도의 상승을 억제하여 열방사를 받지 않도록 하는 것이 중요하다.

특히. 겨울밤에는 실외 찬공기에 의해 실내측 유리창 표면이 차가워지면 유리창 부근의 실내 공기도 차게되어 하강 기류가 발생한다. 이 기류는 인체를 국소냉각시키는 역활을 하기 때문에 불쾌감을 느낄 수 있으며 이러한 기류를 콜드드래프트라 부른다.

이 현상은 기온이 낮을 수록 기류가 클 수록 증가하게 되므로 쾌적성을 높이려면 단열성능이 좋은 유리를 사용하여 유리창 부근의 기온차를 줄여 하강기류 발생을 억제는 것이 중요하다.

규격에서는 실내 상부와 하부 온도차가 발생하면 쾌적성을 저해하므로 ISO 7730에는 바닥위 0.1m와 1.1m 위치에서의 온도차가 섭씨 3도 이내가 되도록 권장하고 있고, ASHRAE 55에서는 바닥위 0.1m와 1.7m 위치에서의 온도차가 섭씨 3도 이내가 되로록 권장하고 있다.

복층유리의 태양방사 투과율 계산방법

 복층유리 태양방사투과율(Te%)

태양방사 투과율이 무엇 인지에 에 관한 내용은 "(태양방사투과율 이란?")을 참조하기 바란다.

복층유리의 태양방사투과율을 계산하려면 우선 구성된 복층유리의 스펙트럼(300~2 500nm)을 계산하여야 한다.

복층유리의 스펙트럼을 계산 수식은 다음과 같으며

           여기에서

                        て1,1 : 실외측 유리의 투과율 (300nm ~ 2 500nm)

                        て2,2 : 실내측 유리의 투과율

                         ρ1,1 : 실외측 유리의 실외측에서의 반사율

                         ρ'1,1 : 실외측 유리의 실내측에서의 반사율

                         ρ2,2 : 실내측 유리의 실외측에서의 반사율

                         ρ'2,2 : 실내측 유리의 실내측에서의 반사율

투과율(て1,2), 실외쪽 반사율(ρ1,2), 실내쪽 반사율(ρ'1,2) 수식을 사용하면 계산 가능하다.

태양방사투과율(Te%) 계산인 경우에는 투과율 스펙트럼(て1,2)을 사용하고 태양방사반사율(Re%(실외측) & Re%(실내측)) 계산인 경우에는 실외측(ρ1,2), 실내측(ρ'1,2) 반사율 스펙트럼을 사용하여 계산하면 된다.

복층유리에 대한 태양방사율 계산은 복층유리를 구성하는 두 장의 유리에 대하여 총 6종류의 투과율과 반사율 스펙트럼을 측정하고 단판유리의 태양방사투과율 계산방법"(단판유리의 태양방사투과율 계산방법)과 동일한 방법으로 계산할 수 있다.

         * TE% (AM=1.5) : 태양방사투과율
         * RE% (Ext) : 태양방사반사율(실외측)
         * RE% (Int) : 태양방사반사율(실내측)

위 표는 6CL + 12A + 6CL 로 구성된 복층유리에 대한 태양방사율을 계산한 결과이다.

참고로 n장으로 이루어진 복층유리의 스펙트럼 계산은 "(복층유리 스펙트럼 계산방법")을 참고하기 바란다.

복층유리 스펙트럼 계산방법

 오복층유리 스펙트럼 계산

여러 장의 유리로 구성된 복층유리의 스펙트럼은 복층유리로 제작한 시료를 직접 측정하는 것이 아니라 복층유리를 구성하는 각각의 유리를 분리하여 투과율 및 반사율(코팅면, 유리면) 스펙트럼을 측정하고 측정된 스펙트럼을 사용하여 복층유리 스펙트럼을 다음 수식으로 계산할 수 있다.

오중 복층유리

n 장의 유리판으로 된 구성체에서 실외 쪽부터 세어 i 번째까지의(j-i+1)장의 유리판으로된 부분의 구성체의 분광투과율(てi,j), 실내,외쪽 분광반사율(ρi,j) 및 흡수율(nαj)은 다음 식으로 구한다.

                     여기에서

예를 들어 오복층유리에 대한 투과율 및 반사율 계산 수식은 다음과 같다.

위 수식에 포함된 て1,4(투과율),  ρ1,4(실외측 유리면 반사율),  ρ'4,1(실내측 코팅면 반사율) 등의 수식도 같은 방법으로 만들면 아래와 같고,

이와 같은 방법으로 오복층유리의 투과율, 반사율 스펙트럼을 계산하려면 모두 20여개 정도의 수식을 필요로 하며, 필요한 수식을 동일한 방법으로 만들어 5nm 간격으로 측정된 스펙트럼 data를 작성한 수식에 대입하고 파장별로 스펙트럼을 계산하면 n장으로 구성된 복층유리의 투과, 반사 스펙트럼을 얻을 수 있다.

복층유리의 단열성이나 태양열 취득율을 계산하려면 복층유리를 구성하는 각각의 유리판에 대한 흡수율 스펙트럼이 필요하며, 4장의 유리판으로 구성된 복층유리인 경우 흡수율 계산식을 위 기본수식에 대입하면 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다.

참고로 위 기본수식(투과, 반사 및 흡수)은 "JIS R 3106: 2019 판유리의 투과율, 반사율, 방사율의 시험방법 및 건축용 판유리의 일사열취득율의 계산방법"을 참조하였으며, 동일한 내용을 포함하는 "KS L 2514: 2011 판유리의 가시광선 투과율, 반사율, 방사율, 태양열취득률, 자외선 투과율, 연색성 시험방법" 규격에서 제시하는 수식에는 오류가 있음을 밝혀둔다. 

 

열관류율 이란?

 열관류율 (U-Value) 

열관류율이란 표준 조건(steady-state conditions)에서 물체를 통과한 열이 이동하는 총량을 말하며, 전도, 대류, 복사를 통하여 이동한 열의 합으로서 창유리의 표면적이 1m² 인 구조체를 사이에 두고 겨울 밤 또는 여름 낮 조건에서 열이 통과한 량의 총량을 단위 온도 당 단위 면적 당 W 값으로 나타낸 것을 말한다.

[1 Kcal / m² h K = 1.163 W / m² K]

복층유리에 대한 열관류율 계산방법은 "(복층유리의 열관류율 계산)" 자료를 참조하길 바란다. 

참고로 "KS L 2525 판유리류의 열저항 및 건축 관련 열관류율의 계산방법" 규격에 정의 되어 있는 정의는 다음과 같다.

열관류율(U값, thermal transmittance) : 건축물 외벽 유리창에서 실외 쪽의 주위 공기 온도와 실내 쪽의 주위 온도와의 차 1K 당의 한 장의 유리판 또는 복층유리의 중앙부를 관류하는 열유속.

그리고 한 장의 유리판 또는 복층 유리의 실외 쪽. 실내 쪽 표면 온도와 각 쪽의 주위 공기 온도와의 차 1K당 열유속을 표면 열전달률(thermal transfer coefficient)이라 한다.

[비고] 이 정의의 이론 모델에서는 유리 표면과 열방사 교환하는 주위의 물체, 천공 등의 온도는 공기 온도와 같은 것으로 한다. 

열저항(thermal resistance) : 열컨덕턴스의 역수, 판유리류의 양 표면 사이 또는 복층유리의 중공층에 접하는 두 면 사이에 생기는 열유속 1 W/m² 당 온도차.

열컨덕턴스(thermal conductance) : 판유리류의 양 표면 사이 또는 복층 유리의 중공층에 접하는 두 면 사이의 온도차 1K당 열유속, 열전도도라고도 한다.

<프로그램으로 계산한 복층유리에 대한 열관류율 계산 예>

수정방사율(corrected emissivity) : 복층 유리의 증공층에 접하는 두 면 사이의 열방사 교환 또는 건축물 바깥둘에 벽에서의 판유리류의 실외 쪽 실내 쪽의 주위 환경 사이의 열방사 교환에서의 유리판 표면 방사율.

[비고] 판유리 및 광학 박막을 가공한 판유리의 표면에서는 사출각도에 따라 방사율의 값이 다르다. 일반적으로 주위 물체와의 열방사 교환 계산에서는 반구 방사율(hemispherical emissivity)의 값이 이용되고, 복층 유리의 중공층에 접하는 두 면 사이의 열방사 교환에서는 유효방사율(effective emissivity)이라고 불리는 값이 이용된다. KS L2525 규격에서는 양자를 구별하지 않고 수직방사율(normal emissivity)의 측정값에 수정 계수를 곱하여 환산한 값을 사용하도록 규정하고 있고 이것을 수정방사율(corrected emissivity)이라 한다.

창유리의 열파손

열 파손(Thermal Breakage)

창 유리가 태양 빛을 받게 되면 유리 중앙부 온도가 가장자리 온도보다 빨리 상승하게 된다.

유리 중앙부 온도가 상승하면 열팽창으로 인하여 가장자리에 인장응력이 발생하게 되고 발생된 응력이 유리 표면압축응력 보다 커질 때 파손이 발생한다.

이러한 현상을 열파손(Thermal Breakage)이라 하며, 파손을 방지하기 위하여 창유리에 발생하는 응력을 사전에 파악하고 진단할 필요가 있다.

태양열의 입사량을 조절할 목적으로 투과도가 낮은 필름을 기존 건물 유리창에 썬팅하는 경우에도 태양방사흡수율이 증가하게 되어 파손이 발생하는 현상도 이와 같은 이유이다.

열파손을 줄이려면

1) 유리의 절단면에 흠집이 없도록 가장자리를 연마하는 것이 좋으며

2) 빗물이나 결로에 의하여 물(Water)이 샷시 내에 침투하게 되면 녹이 발생하여 유리의 강도를 저하 시킬 수 있으므로 방수 또는 방청처리가 필요하다.

3) 일반적으로 가장자리 온도 저하를 방지하기 위해서 샷시와 유리 사이를 단열 할 필요가 있다. 따라서 단열성을 유지하고 열 파손을 방지하기 위해서는 백업재 또는 셋팅블록 등을 사용하여 유리와 샷시가 직접 접촉하지 않도록 설계하는 것이 좋으며

5) 빠데 등의 경화성 실링재를 사용하는 것 보다는 탄성이 있고 열전도율이 낮은 실리콘 재질의 재료를 사용하는 것이 좋다.

6) 특히 콘크리트에 직접 연결된 샤시에 설치하는 경우에는 세심한 열파손 검토를 실시하는것이 필요하다.

두꺼운 열선흡수유리(색유리) 일수록 일반적으로 태양방사흡수율이 높아 열파손 확률이 증가하고 망선 또는 망입유리인 경우에는 일반 판유리에 비하여 표면압축강도가 낮으므로 열파손이 보다 쉽게 일어날 수 있다.

다른 건축물의 그림자 또는 나무 그늘 등 유리 표면에 햇빛이 닿는 부분과 그렇지 않은 부분이 공존할 경우에도 온도차가 발생하여 열파손 가능성이 높아지게 되며 판유리의 뒷면에 반사 물체가 있는 경우에도 반사된 열이 유리에 흡수되어 열파손 가능성이 더 높아지게 된다.

두꺼운 커튼이나 블라인드를 밀착 설치하는 경우도 온도 상승의 원인이 될 수 있고 

스팬드럴부의 단열재와 유리 사이의 밀폐 공간의 온도 상승이 판유리의 온도 상승에 영향을 주게 되므로 스팬드럴 부 단열재 및 마무리 재질의 종류, 색상 등을 잘 선택하는 것도 열파손을 방지하는데 주요한 요인이라 할 수 있다.

난방 또는 냉방 장치의 송풍구가 직접 창유리에 조준되면 부분적으로 고온 또는 저온이 되어 열파손이 증가할 수 있고 창 유리에 종이를 붙이거나 페인트를 칠하는 것도 태양방사흡수율을 증가하게 되므로  열파손을 발생 시킬 수 있다. 

일반적으로 발생 열응력은 창유리 중앙부와 샤시간의 온도차에 비례하고 창유리의 면적과 앞에서 언급된 파손 원인을 제공하는 항목들의 영향 정도를 계수로 적용하여 응력을 계산할 수 있다.  

유리 중앙부 온도는 KS L2514 규격에서 제시하는 전열이론식수치해에 따라 계산할 수 있다.

<유리판의 열응력 계산방법>

1) 전열이론식수치해를 사용하여 복층유리를 구성하는 각각의 유리판 중앙부 온도(Өg=Tj)를 계산한다. (KS 규격 참조)

 <전열이론식수치해>

2) 샤시온도(Өs)를 계산한다.

3) 샤시온도와 유리판의 온도차로부터 아래 항목들의 계수값을 곱하여 판유리의 열응력을 계산한다.

   1) 기본응력계수: k = 0.47 MPa ℃

   2) 면적게수: f0

   3) 커튼계수: f1

   4) 그림자계수: f2

   5) 가장자리 온도계수: f3

   5) 유리판 중앙부 온도: Өg

   6) 샤시온도: Өs

   <면적계수>

   <커튼계수>

   <그림자계수>

   <가장자리 온도계수>

   <방위별 일조량>

4) 산출된 열응력과 설치된 유리 종류에 따른 허용열응력을 비교하여 열파손 유무를 진단한다. 

5) 삼복층유리에 대한 열파손 가능성을 진단프로그램으로 계산하면 다음 그림과 같다.

<계산조건>

<유리판온도>

<파손가능성>

6LowE+12A+6Green+12A+6LowE 조합의 삼복층유리의 진단결과 가운데 유리와 실내쪽 유리를 서냉유리를 사용할 경우 열파손 위험성이 있으므로 배강도유리를 사용하여 설치하는 것이  바람직 한 것으로 계산되었다.

가시광선 투과율(반사율)과 색좌표 CIE L* 와의 상관관계

TL%(RL%)와 CIE L* 값과의 상관관계

X Y Z 삼자극치로부터 CIE L* a* b* 색좌표 값을 구하는 식은 아래와 같다.

수식에서 Yn값은 아래 표에서 보는 것과 같이 완전확산반사면의 표준광에 따른 색도 좌표값이며 광원 및 시야에 따른 상수 값으로 "100" 이다.

수식에서 Y 값은 가시광선 투과율(반사율)로서 분광광도계를 이용하여 측정하고 광원 및 시야에 따라 계산 할 수 있다. 

따라서 측정된 가시광선투과율(TL%, D65/10)을 사용하여 색좌표 명도 값인 CIE L* 값을 계산하면 아래 그래프와 같다.

위 그래프에서 알 수 있듯이 가시광선 투과율(반사율)과 육안으로 느끼는 명도값과는 투과율이 낮을수록 상대적으로 명도 값이 높고 가시광선 투과율이 커질 수록 점진적으로 차이가 줄어드는 것을 확인 할 수 있다.

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(%)