유리와 주택, 유리의 세계,
유리와 빌더 5.
글·사진제공_패시브톡스 대표 박용성
이번 호에서는 유리의 가공 중에서 복층편입니다.
건축용 유리의 가공 중에서 꽃이라 할 수 있을 만큼 가장 중요한 가공이 복층유리입니다. 바람과 비를 막아주면서 빛을 가져다주는 창을 구성하는 중요 요소일 뿐만 아니라 이제는 “에너지” 빌딩 구성에 가장 중요한 역할을 담당하는 건축자재로 등장하고 있습니다. 이번호에서는 복층유리의 구성, 스페이서, 그리고 가스에 대해 알아보겠습니다.
복층유리의 구성은 다음과 같이 간단하게 묘사 될 수 있습니다.
출처 : http://www.flatglass.or.kr/product/fabricating-glass
스페이서를 이용하여 일정한 간격으로 떨어진 두 장의 일반판유리를 1차 접착제로 붙여 그 안에 가둔 건조공기를 단열재로 활용하여 실내에서 실외로 빠져 나가는 열을 줄이는 역할을 갖게 하는 것으로 설명합니다. 흡습제는 혹시라도 건조 공기 안으로 침투하는 습기를 차단하며, 2차 접착제는 두장의 유 리를 물리적으로 고정하고 있습니다.
공기는 훌륭한 단열재입니다.
그러나 프로들이 사용할 복층유리는 보다 전문적으로, 즉각 요소들의 상호 교합도 및 작용성도 객관적이고 종합적으로 검토되고 선택되어야 할 것입니다. 다음과 같이 복층 유리의 검토요소를 종합적으로 표시해 보았습니다.
우선 유리의 표기부터 보도록 하겠습니다.
실외측의 유리를 좌측, 그리고 실내측의 유리를 우측에 표기합니다. 외부로부터 내부로 각 유리면을 순서대로 제1면, 제2면, 제3면 그리고 제4면으로 표기합니다. 3복층이 되면 제5면과 제6면이 됩니다. 위이 검토 요소도에는 실외측 유리를 Glass-A로 푸른색, 실내측 유리로 Glass-B를 주황색으로 각각 표기하고 합니다. 그리고 중간부를 갭이라 하고 초록색으로 표기합니다. 이 색상들은 각 부분에 대한 설명에서도 동일하게 표기하고 있습니다.
주황색의 실내측 유리가 주로 단열성능을 갖는데 그 역할을 하고 있다면 푸른색의 실외 측 유리는 주로 차열성능을 발휘하도록 설계하는 것이 최근의 핵심입니다. 소프트로이라고 불리는 스퍼터 코팅 로이유리의 등장, 그리고 그중에서도 은(실버)이 몇 층에 걸쳐 코팅되어 있는지에 대해 싱글실버, 더블실버 그리고 트리플 실버 까지도 등장하고 있는 현실입니다.
한편 주황색의 실내측 유리는 하드로이라고 불리는 CVD 코팅 로이유리가 주축을 이루어 단열성능 향상을 도모하고 있습니다.
차열과 단열은 간단하게는 여름에는 시원하게, 겨울에는 따뜻하게 하는 것이 그 핵심일 것입니다. 그것은 태양광에 들어있는 빛에너지와 열에너지의 두 가지 에너지 중 열에너지를 다루는 것이 됩니다. 조금 더 구체적으로 말하면 태양광 안에 들어있는 빛 파장에 따른 에너지의 이해로부터 시작됩니다.
실외에서 실내로 투입되는 태양광에는 전파장에 걸친 빛에너지가 들어 있습니다. 한편 실내에서 실외로 나가는 에너지는 태양광 및 실내 냉난방으로 만들어진 파장의 에너지가 실려 있습니다. 주로 원적외선이라 불리는 이 에너지를 차단하기 위한 반사층을 코팅한 것이 CVD 로이입니다.
출처 : https://www.sciencedirect.com
그래프의 x축이 파장이고 y측이 투과율입니다.
흑색 네모칸의 영역이 이상적인 로이코팅입니다. 이는 실제로는 불가능하지만 참고로 보면, 투과율이 90%이상이면서 개략 400에서 700nm의 가시광선영역 이외의 파장의 빛은 모두 잘라 버린 모습입니다. 사람의 눈으로 볼 수 있는 태양광을 자연에 가까운 투과율로 볼 수 있는 유리 본분의 역할을 의미하고 있습니다. 이 부분에 들어있는 빛에너지는 어쩔 수 없다 하더라도 이 부분 이외의 빛에너지를 모두 차단하면 차열과 단열 모두를 이룰 수 있는 의미도 보여주고 있습니다.
일반적인 유리의 광파장 곡선은 붉은색 곡선입니다. 가시광선 영역은 물론 적외선 영역은 모두 다 통과하고 있습니다. 즉 에너지 파장에서의 역할은 기대할 수 없는 것입니다.
거기에 일종의 코팅을 가함으로써 얻어지는 분홍색 곡선은 실버 싱글층의 코팅입니다. 1250nm의 원적외선 영역에서 일부의 광차단을 볼 수 있으며 이는 빛과 동시에 열에너지의 차단으로 볼 수 있습니다.
이 곡선을 이상적인 영역으로 가깝게 가려는 노력이 더블실버(청색) 과 트리플실버(녹색) 입니다. 즉 750nm이상의 적외선 영역은 인간의 눈이 가진 가시광 영역을 벗어나는 부분이기에 어차피 빛에너지는 필요하지 않으므로 이 영역을 차단하면 빛과 열 에너지를 모두 차단 할 수 있기 때문입니다. 차단이라는 말은 가린다는 뜻이지만, 유리창을 가릴 수는 없기에 반사로 차단을 대신합니다. 빛을 반사하면서 효율적인 코팅재로 사용되는 대표적인 것이 은=실버입니다. 가장 반사율이 높은 은 코팅유리는 거울일 것입니다. 그러나 거울로 유리창을 구성할 수는 없기에 그 은을 아주 잘게=분자단위의 크기로 쪼개 어 흩뿌려=코팅한 것이 로이유리입니다. 물론 은은 쉽게 산소와 결합하여 산화하므로 로이코팅에는 산화방지막, 그리고 강화에도 견딜 수 있는 보호층 등 여러개의 코팅층을 포함하고 있습니다.
이제 유리 이외에 복층유리를 구성하고 있는 부분, 즉 중간층에 대해 알아보겠습니다. 공기가 좋은 단열재라는 표는 보여 드렸습니다. 이 공기층을 얼마나 넓게 해야 하는지 다음의 그래프로 설명 드리겠습니다.
그러나 그 에어갭을 넓히기만 하여 많은 공기를 확보하는 것이 좋은 방법은 아닙니다. 왜냐하면 공기층 내에서는 대류가 발생하여 그로 인한 열전도가 발생하고 또 열전도로 인해 다시 단열성능이 낮아지기 때문입니다. 14밀리미터 혹은 16밀리미터 정도가 최선으로 여겨지고 있습니다. (그래프에서 Ug는 유리의 열관류율입니다.)
건조공기층은 현대의 복층유리에서는 대개 가스를 충진하고 있습니다. 투명하면서 냄새도 없이 폭발 등의 위험도 없지만 공기보다 무거운 알곤 등을 이 공기층에 충진하는 이유는 열전달의 3대요소중 하나인 대류의 발생을 억제하기 위함입니다. 데워진 공기는 아래에서부터 위로 올라가는 대류작용을 하면서 한 면에서 다른 한 면으로 열의 이동을 돕게 되는데, 이런 대류작용을 무거운 기체로 억제 하면서 열의 이동을 줄이 는 즉, 단열효과를 증진시키는 결과를 얻게 됩니다.
그러나 알곤이 기체인 만큼, 누기 즉 새어나감을 얼마나 막을 수 있는지가 중요한 복층 유리의 구성 사안의 하나입니다. 알곤 가스로인해 복층유리의 단열 성능이 향상되어 있다면 그 가스를 계속 보전해야 복층 유리의 단열성능도 계속 보전할 수 있기 때문입니다. 이런 이유로 그 부분을 구성하는 요소인 스페이서과 1차실링을 중요하게 선정하고 가공 되어야 하는 까닭입니다.
복층유리 중간에 또 한 장의 유리를 넣어 3중 복층으로 만드는 시도는 또 한 가지의 단열 향상의 방법입니다. 공기층의 두께는 물론 공기를 가두어 두는 방의 개수를 늘리는 방법입니다. 극단적으로 넓은 공기층의 두께를 택했지만 복층유리의 열관류율입니다. 2.8W입니다.
그 중간에 한 장의 유리를 더 끼워 넣어 3복층으로 구성해 보았습니다. 열관류율이 60% 가까이 향상된 1.728W가 되었습니다.
여기에 가스까지 더해지면 어떻게 더 좋게 향상될까요? 또 유리는 투명유리대신 로이유리 그것도 싱글뿐만 아니라 더블 그리고 트리플 실버 로이 까지 사용하면 어떤 결과를 예상할 수 있을까요? 그럴 경우 또 투과율은 어떻게 변화 될까요?
이런 질문-궁금증은 시물레이션 소프트웨어의 도움을 받아 다소 해결 가능합니다.
과문한 탓에 아직 국내 것을 접하지 못하였지만 아주 범용적으로 사용하는 소프트웨어를 소개 합니다. 2021년 2월 빌더지에 연재된 기사를 참고 바랍니다.
국내에서는 원판유리의 기업에서 발행하는 성적서에 의존하는 경향이 있지만, 이를 보다 객관적이고 제3자도 인정하는 국제적인 방법으로 점검해 본다면 보다 폭 넓은 이해와 선택의 수단으로 활용 가능하지 않을까하고 생각합니다. 복층유리 가공사의 입장에서 보더라도 내수판매는 물론 향후 국제시장에 진출 가능성도 염두에 둔 포석으로 생각할 수도 있겠습니다.
이제 스페이서에 대해 알아보겠습니다. 가스의 누기도 잘 방지하며 안정적인 구조성능의 발휘도 물론이지만, 스페이서에서 가장 핫한 토픽은 단열간봉으로 번역되고 있는 Warm Edge Spacer에 대한 것으로 생각합니다.
잠깐 여담을 한 마디 하면 이 스페이서에 대한 국내 표현입니다. 인터넷 등에서 이 부분을 칭하면서 상당수가 간봉이라고 표기하고 있는데, 이는 한자어의 사이 간(間)과 막대 봉(棒)을 써서 간봉이라고 하는 것이 타당하다고 생각합니다. 한자어나 영어나 외래어임은 마찬가지이니 필자의 짐작인 간봉으로 하는 대신 국제적인 통칭인 스페이서로 부르겠습니다.
단열간봉- 웜엣지스페이서는 창의 열관류율인 Uw에 직접적인 영향을 끼치므로 에너지 관련 단열창 구성에 있어 그 작은 숫자임에도 불구하고 상당한 역할을 하고 있습니다.
다음은 창의 열관류율을 구하는 공식입니다.
각 요소에서 고려해야 할 항목과 솔루션을 나열하면 다음과 같습니다.
여기서 단열간봉 Warm Edge Spacer의 단열도를 뜻하는 Psi값에 대한 이해는 공식 중에 분자에 위치한 관계로 조금만 높거나 낮아도 전체적인 결과치인 Uw는 크게 변하는 점입니다.
그러나 이 Psi값은 어떻게 구할까요?
그 해답은 독일의 자료에 있습니다. 우선 https://www.bundesverband-flachglas.de/en/general에 방문하여 download 항으로 갑니다. 거기서 BF DATA WINDOWS로 가면 각 Warm Edge Spacer에 대해 측정해 놓은 Psi 값을 볼 수 있습니다.
다음은 대표적인 2개의 자동 스페이서에 대한 데이터입니다.
좌측열에 복층와 3복층의 경우를, 오른쪽의 행에 창의 프레임별 (금속/플라스틱/목재/혼성 등) 표로 각각의 PSI값을 측정하고 기록하여 일반에게 공개하고 있습니다.