필름 부착면에 따른 방사율과 SHGC 상관관계

복층유리 필름 부착면에 따른 방사율과 태양열취득율 및 열관류율의 상관관계

방사율이 서로 다른 필름을 복층유리에 시공할 경우 부착면에 따른 방사율과 태양열취득율 및 열관류율을 살펴보면 다음 표와 같다. 

    * Te : 태양방사투과율

동일한 필름 제품으로 방사율 값만 서로 다른 제품이 있다고 가정하였을 때 복층유리를 구성하는 각 유리 표면에  필름을 붙이는 경우 태양열취득율을 계산해 보면 아래 그래프에서 보는 것과 같이 방사율이 낮아짐에 따라 1면과 3면에 부착하였을 경우 태양열취득율이 낮아지는 반면 2면과 4면에 부착하였을 경우에는 증가하는 것을 알 수 있다.

동일한 제품의 필름이라 함은 300nm~2 500nm 범위(UV_VIS-NIR) 영역에서의 투과, 반사 스펙트럼이 동일한 것을 의미하고, 방사율이 서로 다르다 가정함은 5 500nm~ 50 000nm 영역에서의 반사율이 서로 다름을 의미한다.  

즉, 태양열이 직접 유리창을 투과하여 실내로 유입되는 태양방사투과율(てe) 값은 모든면이 45.3%로 같으나 접합필름 표면의 방사율이 달라짐에 따라 열량 변화가 생겨 흡수된 에너지가 재 방사하여 실내로 유입된 량이 달라졌기 때문이다.   

복층유리에 흡수된 태양에너지 중 실내로 재 방사한 에너지는 위 수식(り)에서 태양방사투과율에 해당하는 てe 값을 제외한 나머지 수식으로 계산할 수 있다.

한편 동일한 방법으로 계산된 열관류값은 필름의 표면방사율이 낮은값에서 유리의 표면방사율과 유사한 값을 가질 때까지, 1면에 부착하였을 때에는 변화가 거의 없지만 4면에 붙이는 경우와 중공층 내부인 2면과 3면에 붙이는 경우 단열 효과가 좋아지는 것을 확인할 수 있다.

특히 2면과 3면은 부착하는 위치와 상관없이 동일한 열관류율 값으로 계산되는 특징이 있으며 4면에 붙이는 경우보다 중공층 내부인 2면이나 3면에 단열필름을 시공하는 것이 단열성 측면에서 더 좋은 효과 있는 것을 알 수 있다. 

결론적으로 태양열취득율인 경우에는 필름면의 방사율에 따라 태양열이 실내로 유입되는 량이 언제쯤 최적이 될 지 방사율 만으로 예측하기 힘들고 직접 스펙트럼을 측정하여 계산하여야 알 수 있다.

열관류율의 경우에는 1면에 부착하는 경우에는 단열성능이 좋은 필름 제품이라 할지라도 그다지 효과가 없고 2면과 3면에 시공하는 것이 가장 좋으나 기존 건물에 필름을 설치하는 경우라면 1면보다는 4면에 시공하는 것이 더 좋은 특성을 나타낸다.  

추가로 기존 건물에 필름을 시공하는 경우 설치된 복층유리가 배강도유리 제품이 아닌 서냉 유리로 제작된 경우라면 반드시 겨울철 열파손에 대비한 사전 진단을 실시하는 것이 바람직하다. 

건축용 판유리의 광학 및 단열 특성

건축용 유리와 관련된 광학 및 단열 특성 용어

1) 가시광선 투과율 (Visible Transmittance, TL%, TVIS%) 과 가시광선 반사율 (Visible Reflectance, RL%)

가시광선 투과율 및 반사율이란 사람이 육안으로 바깥 풍경을 볼 수 있는 투과량이나 반사된 색상을 볼 수 있는 정도를 백분율로 표시한 값으로 가시광선 투과율이 높으면 유리창을 통한 가시성이 좋아지며, 반사율이 높으면 하늘 풍경이 유리에 담겨 아름다운 건축물로 만들어 주는 동시에 Privacy 보호에도 우수한 특성을 갖게 되는 장점이 있다.  

반면, 반사율은 건축물에 설치된 유리의 방위각 및 설치 각도에 따라 태양 빛이 반사되어 운전자의 시야를 방해할 수 있는 요인도 함께 존재하므로 건축 설계 시 이 또한 고려하여야 한다.

가시광선 투과율, 반사율은 육안으로 볼 수 있는 영역인 380nm ~ 780nm 영역의 투과, 반사 스펙트럼을 측정하고 공기층을 100% 기준으로 백분율로 계산하되 표준광원 (D65, C 또는 A 광원) 및 표준시야 (2도시야, 10도시야)를 정하여 계산한다.

따라서 가시광선투과율 또는 반사율 측정 값에는 반드시 광원 및 시야 조건이 함께 표시되어 있다.

예를 들면 "가시광선 투과율 89% (측정조건 : D65광원 10도시야)"와 같은 형태로 표시되므로 스펙을 검토하는 경우 반드시 동일한 조건으로 측정된 투과, 반사율 값을 비교하여야 오류를 방지할 수 있다.  

보다 자세한 사항은 "가시광선 투과율, 반사율이란" 과 "복층유리의 투과율 반사율 계산방법" 항목을 참조하기 바란다.

2) 태양방사 투과율 (Solar Transmittance, TE%) 과 태양방사 반사율 (Solar Reflectance, RE%)

태양방사 투과율은 태양빛 에너지가 유리창을 통하여 실내로 직접 유입되는 비율로 태양표면온도 약 6 500K에서 방출된 300nm ~2 500nm 영역의 복사에너지가 대기권의 1.5배(AM=1.5) 두께를 투과한 후 지표면에 도달한 에너지 100을 기준으로 실내로 유입되는 에너지 비율을 백분율로 표시한 값이다.

대기권의 두께에 해당하는 AM (Air Mass) 항은 규격에 따라 KS L 2514 와 ISO 9050 규격인 경우에는 AM=1.5로 EN 410 규격의 경우에는 AM=1.0으로 계산하도록 규정되어 있다.

이와 같이 대기권이 두께가 규격에 따라 서로 다르게 설정되어 있는 이유는 시간에 따라 태양의 고도가 바뀌므로 태양빛이 대기권을 투과하여 지표면에 도달하는 두께 또한 함께 바뀌기 때문이다. 

대기권을 이루는 기체의 종류에는 공기 성분인 산소와 질소 뿐만아니라 수분, 이산화탄소, 오존층, 아르곤과 같은 다양한 기체가 존재하므로 태양 빛이 대기권을 투과할 때 이 들 기체에 의해 태양빛의 일부가 흡수되고 남은 양이 지표면에 도달하게 된다.

아침 태양과 같이 빛이 사선으로 입사할 때 대기권의 두께가 증가하므로 두께에 따라 흡수하는 량 또한 함께 증가하기 때문에  KS, ISO 규격의 경우에는 하루의 대략 평균 두께에 해당하는 AM=1.5를 규격에서 채택하고 있으며 EN 규격의 경우에는 정오에 수직으로 입사하는 태양빛을 기준으로 계산하도록 규정되어 있다 할 수 있다.  

보다 자세한 사항은 "태양방사투과율 이란", "단판유리의 태양방사투과율 계산방법" 및 "복층유리의 태양방사투과율 계산방법" 항목을 참조하기 바란다.

3) 자외선 투과율 (UV Transmittance Tuv%)

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 자외선 투과율을 계산한다.

보다 자세한 사항은"자외선투과율 이란" 항목을 참조하기 바란다.

4) 태양열 취득율 (Solar Heat Gain Coefficient, SHGC)

KS L 2514, ISO 9050, EN 410 규격 또는 NFRC 200에 정의된 환경조건에서의 실외, 실내 표면열전달율을 사용하여 유리에 흡수된 태양방사 흡수율 중에서 실내로 전달되는 열류의 입사량을 백분율로 계산하고 여기에 직접 실내로 투과하여 입사한 태양방사투과율을 더한 값을 태양열 취득율이라한다.

태양열취득율은 지표면에 입사하는 태양열에너지가 대기권의 두께에 따라 달라지게되며 시간에 따라 대기권을 투과하는 두께가 바뀌기 때문에 규격별로 기준 두께 정하여 계산하도록 하고 있다.

측정 조건이 AM=1.5인 경우 수직으로 입사하는 대기권 두께를 1.0이라 하였을 때 약 42도의 경사각으로 입사하는 두께에 해당하는 1.5배를 기준으로 측정된 값이다.

보다 자세한 사항은 "태양열 취득율이란", "단판유리의 태양열취득율 계산방법" 및 "복층유리의 태양열취득율 계산방법"을 참조하길 바란다.       

5) 차폐계수 (Shading Coefficient, SC)

유리에 직접 투과된 태양방사 에너지와 유리 내부에 흡수된 태양열이 재방사하여 실내로 유입되는 에너지 합을 3mm 맑은유리에 대한 비율로 표시한 값이다.

시료에 대한 SC 측정값이 얼마인지 아는 경우 3mm 맑은유리의 태양열취득율 값은 0.85 이므로 차폐계수(SC) 값에 0.85를 곱한 값이 해당 시료의 태양열취득율(SHGC) 값이라는 것을 알 수 있다.   

보다 자세한 사항은 "차폐계수 란" 항목을 참조하기 바란다.

6) 취득총열량 (Relative Heat Gain, RHG)

취득총열량 이란 여름철 태양 빛이 유리를 직접 투과하여 실내로 입사하는 에너지인 태양방사투과율(TE%)과 태양열이 유리창에 흡수 되었다가 다시 실내로 재 방사하는 에너지인 qi 값을 합한 에너지인 태양열취득율(SHGC) 항목에  실외쪽과 실내쪽 온도차로 인하여 전도, 대류 및 복사 메카니즘에 의해 실내로 전달되는 에너지를 합한 값  즉, 실내로 유입되는 에너지의 총량을 계산한 값이다.  

다시 정리하면, 태양열로 인하여 실내로 유입된 에너지와 실내,외 온도차로 인하여 실내로 유입된 에너지를 합한 에너지의 총량을 단위 면적 당 유입된 열량(W/m²)으로 표시된 값이라 할 수 있다.

보다 자세한 사항은 "취득총열량(Relative Heat Gain, RHG)" 항목을 참조하기 바란다.

7) 열관류율 (Thermal Transmittance, U-Value)

겨울밤 또는 여름낮 표준조건에서 유리창을 통과한 열의 총량을 의미하며, 

실내와 실외의 온도차 및 기본 풍속 하에서 발생하는 전도, 대류 및 복사 에너지인 열 전달 총량을 단위 면적 당, 단위 온도 당 통과 열량 값을 Watt으로 표시한 것이다.

참고로 KS L 2514에서 규정하는 표준조건은 겨울밤인 경우 실외온도 0℃, 실내온도 20℃이고 여름낮인 경우에는 실외온도 30℃, 실내온도 25℃로 규정되어 있다.

보다 자세한 사항은 "열관류율이란"과 "복층유리의 열관류율 계산" 항목을 참조하기 바란다. 

8) 수정방사율 (Corrected Emissivity) 및 수직방사율 (Normal Emissivity)

흑체란 에너지를 흡수만 하고 방출하지 않는 이상적인 물체를 말하며 방사율을 1로 규정한다.

방사율은 동일한 온도, 파장, 시야 조건에서 흑체와 물체 간의 표면으로부터 방출하는 에너지의 비로 정의되며 0 ~ 1 영역의 값을 갖는다.

코팅유리의 경우 코팅 표면의 방사율이 낮을수록 단열효과가 좋다.

표면 방사율은 재료의 종류 뿐아니라 표면의 특성에 따라 달라진다. 예를 들어 표면이 깨끗하고 잘 연마된 경우에는 방사율이 낮은 반면 거칠고 산화된 표면은 일반적으로 높은 방사율을 가지는 특성이 있다.

또한 방사율은 파장과 각도 뿐 아니라 온도에 따라 달라지며 KS L 2514 규격에서 제시하는 방사율 측정 방법은 유리 표면에 대하여 5.5μm ~ 50μm 영역의 적외선 에너지를 반사하는 정도를 측정하고 0(100% 반사) ~ 1(100% 흡수)의 값으로 표시한 상온에서의 수직방사율  (Normal Emissivity) 값을 의미한다.

실제 측정된 원 적외선 영역(5.5μm ~ 50μm) 에서의 파장 반사율(Reflectance) 값은 동일한 온도의 흑체에 비하여 낮게 측정 되는 특성이 있으므로 측정 물질의 방사율을 보정할 필요가 있고 KS L2525 규격에 따라 보정한 방사율을 수정방사율 (Corrected Emissivity) 이라 한다.

반구방사율 (Hemispherical Emissivity) 및 유효방사율(Effective Emissivity)

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.

보다 자세한 사항은 "방사율(Enissivity)이란" 항목을 참조하기 바란다.

9) Selectvity (Light to Solar Gain, LSG)

태양열 취득율에 대한 가시광선 투과율의 비로서 Selectivity가 높은 제품일 수록 실내는 밝고 태양열 차단은 많이 되어 여름철 냉방부하를 효과적으로 줄일 수 있으며 쾌적한 환경조건을 유지할 수 있다.

보다 자세항 사항은 "Selectivity(LSG)란" 항목을 참조하기 바란다.

중공층 두께에 따른 규격 별 열관류율

중공층의 두께에 따른 규격 별 단열성 비교

계산에 적용된 규격은 아래와 같다.

1) ISO 10292 Glass in building - Calculation of steady-state U-value of multiple glazing

2) EN 673 Glass in building - Determination of thermal transmittance calculation method

3) KS L 2525 판유리의 열저항 및 건축 관련 열관류율의 계산 방법

4) ANSI/NFRC 100 Procedure for Determination Fenestration Product U-factors  

계산에 사용된 복층유리의 구성은 

복층유리 : Clear(6mm) + 중공층(건조공기) + Low-E 유리(6mm, ε : 0.005)를 기준으로 계산 하였으며 계산된 결과는 아래 표와 같다.

중공층 두께에 따른 규격 별 열관류율 계산값

위 그래프에서 보는 것과 같이 동일한 복층유리에 대한 중공층 두께 별 열관류율 값을 계산하면 KS, ISO 및 EN 규격의 경우에는 거의 동일한 패턴으로 중공층 16mm를 기점으로 대류가 발생하여 변곡점이 발생하지만 NFRC에서 제공하는 Window 프로그램으로 계산할 경우 중공층 12mm를 기점으로 변곡점이 발생하는 것으로 계산되는 것을 확인할 수 있다.

따라서 복층유리의 성능평가 시 단열성을 평가하는 경우 동일한 규격으로 측정된 값을 비교하여야 오류를 방지 할 수 있다. 

참고로 열관류율이나 계산 방법에 대한 자세한 사항은 링크된 "열관류율 이란" 항목과 "복층유리의 열관류율 계산" 항목을 참조하기 바란다. 

백색도 (Whiteness)

 백색도 표시 방법

백색도란 표면색의 흰 정도를 의미하며, 표준광 D65에서의 백색도 지수 및 틴트 지수로 나타낸다.

백색도 지수는 국제조명위원회가 2004년에 권장한 백색도 값으로서 이 값이 클수록 흰 정도가 크다고 할 수 있고 완전한 반사체의 경우 그 값은 100 이다.

틴트 지수 또한 국제조명위원회가 2004년에 권장한 색정도를 표시하는 값으로서 + 방향이 클 수록 초록이 강하고, - 방향이 클 수록 빨강이 강하며, 완전한 반사체의 경우 그 값은 0 이다. 

표면색을 측정하는 방법으로 시료군에 형광을 발하는 시료가 포함된 경우에는 별도의 방법으로 측정하여야 하므로 여기서는 논하지 않는 것으로 하겠다.

백색도 및 틴트 지수 계산 방법

표준 백색판으로 보정된 물체의 반사율 스펙트럼(380nm ~ 780nm)을 "스팩트럼 측정 및 보정방법"에 따라 측정하고 "CIE Y x y 계산방법"에 따라 색좌표를 계산한 후 아래 수식에 따라 백색도 및 틴트 지수를 계산할 수 있다.

<백색도 지수>

<틴트 지수>

완전 확산 반사면의 3자극치 및 색도좌표

표준 규격에 따르면 위 수식으로 계산된 백색도 지수는 정수 단위로 표시하고 틴트 지수는 소수점 이하 1자리까지 표시하는 것을 원칙으로 한다.

측정된 시료의 색 좌표(Y x y) 값이 아래 표와 같다면 수식을 이용하여  계산된 백색도 및 틴트 지수는 다음과 같다.

참고로 아래 그림은 프로그램을 사용하여 계산한 결과이다.

복층유리의 가스충전 단열효과 및 파손

복층유리 단열성 효율을 높이기 위한 가스 충전 및 파손의 원인

복층유리가 난방열이나 냉방 에너지를 외부로 전달 메커니즘은 전도, 대류, 복사 현상을 통하여 전달 된다.

복층유리는 전도에 의한 열전달을 최소화하기 위하여 두 장의 판유리 사이에 중공층을 두어 가스를 충진하고, 복사에 의한 열전달을 최소화하기 위하여 은 막(Silver layer)을 입힌 로이유리(low-E)를 사용하여 가시광선은 투과 시키지만 냉, 난방에너지 파장 영역인 원 적외선 (5 500nm ~ 50 000nm) 영역은 반사시켜 단열성을 극대화 한 것이다.

복층유리에 사용되는 기체 종류는 아래 표(JIS R3107 建築用板ガラスの熱貫流率の算定方法 에서 발췌)와 같으며 건축용 판유리의 열전도도인 1 [W/(m.K)]에 비하여 공기의 열전도도 0.025 [W/(m.K)]는 약 40배정도 낮다. 

일반 복층 유리의 경우 충전가스로 대부분 건조공기를 사용하지만 열효율을 높이기 위해서 공기보다 점도가 높은 가스를 사용하여 제작하기도 한다.

점도가 높으면 중공층 내부에서 공기보다 대류를 덜 일으키게 되며 공기보다 열전도도가  낮으므로 창문을 통한 열전달을 감소 시키는 효과를 증대시킬 수 있다.

건조공기 이외의 충전 가스로는 아르곤과 크립톤을 가장 많이 사용하고 있다.

아르곤은 지구 대기 중에 약 1% 이하로 포함되어 있고 독성이 없으며 비활성 가스이고 냄새도 없는 장점을 지니면서 열전도율은 공기의 약 67%로 낮고 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

크립톤은 아르곤보다 더 좋은 단열 특성을 가지고 있으나 생산 비용이 많이 드는 단점이 있다.

따라서 비용과 성능을 고려하여 볼 때 중공층의 두께가 1/2 인치(11mm~13mm) 보다 클 때는  아르곤 가스가 더 효율적이며 삼중 복층유리의 경우처럼 중공층의 두께가 1/4인치부터 3/8 인치(6mm~9mm)의 좁은 경우에 크립톤 가스가 더 많이 사용된다. 

가끔 성능과 제조 비용을 고려하여 크립톤, 아르곤 및 산소의 혼합가스를 충진가스로 사용하기도 하고 제논과 질소가 사용되기도 한다.

복층유리에 충전된 가스는 문헌에 따르면 매년 1% 정도 누출될 수 있으며 창문의 설치 위치, 태양에 노출되는 조건이나 기후 등의 요인에 따라 달라질 수 있다.

시간이 경과함에 따라 충전된 아르곤 가스가 누출되어 80%가 되었을 때와 초기 열관류율을 비교하면 다음 표와 같다.

계산에 사용된 복층유리의 구성은 6mm 맑은유리+12mm(중공층)+6mm Low-E 유리(코팅면: #3면, 방사율(ε): 0.005)이다.

위 표에서 보는 것과 같이 80% 아르곤 가스가 남아 있을 때 열관류율 값이 초기(100%)에 비하여 7% 정도 성능이 저하되는 것으로 계산되었다.

National Glass Association에 따르면 연간 1% 누출이 있다고 가정할 경우 80%가 남아 있는 복층유리의 단열 효과는 여전히 지속되는 것으로 평가할 수 있으며 이는 20년이 경과하여도 여전히 유효한 성능을 유지 한다는 것을 의미한다.

1) 건조공기 100% 일 때

2) 아르곤가스 100%일 때

3) 아르곤가스 80% + 건조공기 20% 일 때

그러나 복층유리 제작 시 1차 실란트인 부칠의 역할이 제대로 작동되지 못하도록 제작될 경우 충진 가스의 누출로 효과적인 단열 성능을 발휘하지 못할 것이다. 

한가지 유의할 점으로 아르곤 누출에 의한 창문의 파손은 흔한 일은 아니지만 아르곤 가스와 공기 성분인 산소와 질소의 분자 간 차이에 의하여 누출되는 아르곤의 속도 보다 중공층 내부로 공기가 재 유입되는 속도가 더 느리기 때문에 중공층 내부에 부압이 발생할 수 있고 이로 인하여 복층유리가 파손될 가능성이 있다.

부압에 의한 영향은 반사 이미지의 왜곡이나 파손을 초래할 수 있으나 태풍에 의한 풍압(정압)에 의한 파손 현상과는 반대로 창의 크기가 작을 수록 더 쉽게 파손되는 경향이 있다.

따라서 특히 작은 크기의 창에 적용하는 복층유리에 아르곤가스를 충전하는 경우에는 반드시 배강도 유리를 사용하는 것이 바람직하다.

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