유리와 주택, 유리의 세계,
유리와 빌더 7.
글·사진제공_패시브톡스 대표 박용성
이번 호에서는 유리의 단열 및 차열에 대해서 입니다.
로이(Low-E) 유리, 가스(Gas) 주입 그리고 SHGC 등에 대해 알아보겠습니다.
로이 (Low-E)유리
유리는 기본적으로 바람과 비를 막아 주면서 빛-채광을 확보할 수 있는 건축자재로 오랫동안 널리 사용 되어 왔습니다. 1970년대에 들어서부터 두장의 유리로 이루어지는 복층유리를 만들면서 단열의 기능을 추가하게 되었습니다.
출처 : https://theglassblog.wordpress.com
출처 : https://glass-tech.com.au/igu/
두 장의 유리에 갇힌 공기는 저렴하면서도 안전하고 성능이 우수한 단열재의 역할을 발휘합니다. 여기서 갇힌 공기라고 표현하는 것은 두 장의 유리사이에 “밀봉”된 공기를 말합니다. 내부의 공기가 빠져나가는 것을 염려한 밀봉의 의미도 있지만, 외부로 부터의 습기침투 등의 영향을 받지 않도록 하는 밀봉의 의미가 강합니다.
그러나 바람을 채운 고무풍선도 공기가 빠지기 쉬운데, 항상 바람과 진동 등에 노출되는 복층유리의 공기를 밀봉하여 외부와 차단하기 위해서는 특별한 방법이 필요합니다. 그것이 부틸 (흔히 치오콜이라고 상품명으로 부르는)의 역할입니다. 물리적인 변동도 억제 하면서 습기 등이 침투하지 못하는 조직을 가진 부틸고무가 그것입니다.
복층유리는 유리에서 단열성능을 가져다주는 획기적인 개발품이고, 보다 향상된 단열 성능을 얻기 위해, (1)공기층 폭의 조정 (2)공기층 안에 공기보다 무거운 가스의 주입 등이 시도 되어 왔습니다.
위 그래프는 공기층의 폭에 따른 열전달 값의 변화를 보여주고 있습니다. 공기층의 두꺼워질수록 열전달 값이 적어지는 것을 볼 수 있습니다. 현재까지는 16mm정도를 이상적인 값을 보고 있습니다.
출처 : https://www.researchgate.net/publication
위 그래프는 열관류율과 공기층의 폭, 그리고 가스주입과의 관계를 보여주고 있습니다. 조금 해설을 덧붙이면, 우선 15.875 즉 16mm정도부터는 거의 변화가 없는 것으로 보이는데 이것이 위에서 얘기한 16mm 정도가 이상적인 값이라는 설명과 일치 합니다.
그리고 청색선이 일반복층인데 비해 적색으로 표시된 곡선이 알곤 가스 주입의 경우입니다만, 전체 복층두께에 걸쳐 거의 일정한 비율로 열관류율이 낮아짐을 볼 수 있습니다. 이것이 복층유리에 알곤가스를 주입하는 이유입니다.
마지막으로는 녹색선으로 크립톤가스 주입의 경우를 보여주고 있는데, 10mm전후의 공기층인 경우까지 현저한 열관류율 저하를 볼 수 있습니다. 알곤가스에 비해 수백 배~천 배까지도 값이 비싼 크립톤 가스는 그 효용에도 불구하고 일반적인 건축용 복층유리보다는 일정한 용도의 얇은 복층유리에 적용이 효과적임을 보여주고 있습니다. 공기층의 두께가 14mm 이상이 되면 알곤가스로도 크립톤 가스의 경우와 거의 유사한 열관류율 성능을 발휘함을 알 수 있습니다.
이제 로이(Low-E) 유리에 대해 알아보겠습니다.
Low-E는 Low-Emissivity의 줄임말입니다. 우리말로 하면 저방사유리입니다. 방사가 적다는 말인데, 사전적 의미는 다음과 같습니다.
방사 放射
명사 : 중심에서 사방으로 내뻗침.
명사 : 물체로부터 열이나 전자기파가 사방으로 방출됨.
명사 : 리튬, 우라늄 등의 원소가 부서지면서 내쏘는 알파선, 베타선, 감마선 따위의 전자파.
여기서는 두 번째 의미 중에서 “열이 사방으로 방출됨”이 적다라는 의미로 받아들이면 될 것으로 생각 합니다. 이것을 복층유리에 대입해 생각해 보면, 실내와 실내의 온도가 다를 때, 첫째로는 실내에서 실외로 빠져 나가는 온도의 차이, 둘째로는 실외에서 실내로 들어오는 온도의 차이를 제어하는 역할로 보면 될 것입니다.
1990년 초반부터 시장에 등장한 로이유리의 초기제품은 주로 하드로이라고 불리는 파이로릴틱 CVD 코팅 유리였습니다. 색안경과 같이 일정부분의 파장을 걸러내는 금속막을 유리제조시 코팅하여 코팅내구성을 확보함과 동시에 따뜻한 실내에서 가구나 카펫 등에 있는 장파장의 적외선 (원적외선)을 반사하여 외부로 빠져나감을 줄이는 역할을 하여 단열성을 확보하도록 한 것입니다. 이런 이유로 하드로이는 실내측 유리에 적용하는 것이 옳다고 보는 것입니다.
출처 : https://www.justrite.com.au/
그 결과 단창에 비해 로이복층은 70%, 또 알곤가스까지 넣으면 74%까지, 그리고 일반 복층에 비해 로이복층은 34%, 가스로이복층은 44%까지도 열손실을 줄일 수 있게 되는 것입니다.
복층유리의 면은 외부면을 제1면, 외부유리의 안측면을 제2면 그리고 내부측 유리의 안측면을 제3면, 실내면을 제4면으로 부르는데, 가장 이상적인 내부 적외선 반사층은 제4면을 이용하는 것이지만, 청소 등으로인한 코팅막의 손상을 방지하게 위해 제3면을 이용하는 것이 보편적입니다.
열의 방출을 줄이기 위해 받아들이는 열을 줄이고, 받아들이는 열을 줄이기 위해 빛 중에 열을 갖고 있는 파장부분을 반사시키는 것이 로이 유리입니다. 최근의 에너지 절감은 난방 외에 냉방에 그 초점이 옮겨가고 있습니다. 지구온난화에 따른 대기온도 상승과 그 대비가 그 주된 이슈일 것입니다.
복층유리로 구현하는 냉방에너지 절약의 핵심은 로이유리입니다.
로이유리 중에서 소프트로이라고 불리는 스퍼터코팅 유리입니다. 유리생산공정 중에 이루어지는 하드로이와는 달리 후공정처리로 가공하는 소프트유리는 습기와 스크래치 등에 취약한 단점에도 불구하고 최근의 복층유리에서는 소프트로이의 채용이 대세입니다. 취급 난이도를 해결하는 공정 및 장비의 개발과 보급 등이 제조 및 가공사의 난점을 해결하면서 자연색에 가까운 투명도 및 열적 성능으로 인한 인식변화의 결과라고 보여 집니다.
단열에 대비되어 차열이라고 불리우는 복층유리의 열적성능은 소프트로이 유리의 코팅에서부터 비롯됩니다. 태양광에는 빛에너지와 열에너지가 존재하는데, 이중에서 열에너지를 갖는 파장의 빛을 반사를 통해 차단하는 것이 차열의 핵심입니다. 열에너지가 실내로 유입되기 전에 반사로 차단하는 것입니다.
그래픽사진에서 SHGC라는 부분을 볼 수 있는데 이것은 Solar Heat Gain Coefficient라는 것으로 열취득지수라고 번역 되겠으나 그 의미는 유리가 받는 열의 정도를 나타내는 것으로 이해하면 좋겠습니다. 유리가 열을 흡수하는 정도만큼 그 열이 전달되는 되므로 차열의 성능을 가늠하는 데에 중요한 지표가 됩니다.
출처 : https://efficientwindows.org/gtypes-2lowe4/
당연히 SHGC값이 낮을수록 차열성능은 높아지게 되겠지요. 그러나 이것은 코팅과 상관관계가 당연한데, SHGC를 낮추기 위해 코팅의 반사율을 높이면 유리창으로써의 채광기능 즉 투과도가 저하되는 문제가 있습니다. 투과도는 흔히 VT로 표현하는데 위의 그래픽 예에서는 0.77 즉, 77%의 투과율입니다. 여기서 LSG가 나오게 되는데 이는 Light to Solar Gain의 약자이며, 투과율과 SHGC의 비율입니다.
VT/SHGC가 그 공식으로, 위의 그래프로 예를 들면, 0.77/0.62 = 1.24가 됩니다. 국내에는 많이 반영되어 있지 않으나, 차열효과도 크며 채광에도 효과가 큰 로이유리의 채택에는 반드시 고려되어야 할 사항으로 생각합니다. 공급사의 자료에 제시되어 있는 숫자만으로 내가 구입하는 복층유리의 성능을 알아 볼 수 있는 부분입니다.
NFRC 라벨은 미국의 각 유리창에 붙어 있는 에너지 라벨입니다. 표기에는 SHGC와 VT값이 있습니다. 소비자가 바로 계산해 볼 수 있는 점이 막연히 1,2… 등급보다는 설득력이 있다고 봅니다. 에너지보다는 채광이라던가 아니면 채광보다는 에너지라는 하는 소비자의 필요에 따라 선택이 가능하도록 한 점이 눈에 띕니다.
LSG의 한계점은 이론적으로 2.5까지인것으로 알려져 있습니다. 최근의 로이유리는 싱글실버에서 더블실버 또 그것을 넘어서 트리플실버까지 전개 되고 있는데, 이때 LSG가 2에 가까운 숫자라면 채광도 차열도 우수한 편이라고 판단할 수 있을 것입니다.
싱글실버, 더블실버 그리고 트리플실버는 로이유리 위에 코팅하는 실버층의 레이어 층수를 의미합니다. 1층만 코팅하면 싱글실버, 2개 층이면 더블실버 마지막으로 3개 층이면 트리플실버입니다.
그런데 실버는 말 그대로 은이고, 은은 공기와 접촉하면 산화되어 시커멓게 변화한다는 것은 옛 은수저의 기억에서도 있습니다. 은을 사용하는 대표적인 이유는 그 반사 능력에 있다고 보면 될 것입니다.
그 대표적인 사례가 거울입니다. 거울은 은거울이라고 부르듯이 은을 코팅한 것입니다. 반사율이 좋은 금속 중에서 은은 상대적으로 저렴하면서도 효율 높은 반사막을 형성할 수 있기 때문입니다.
로이도 마찬가지입니다. 일정부분의 광스펙트럼을 반사하기에 은은 적절한 물질입니다. 그러나 전체적으로 코팅하면 채광이 안되므로 잘게 잘라 부분적으로 코팅한 것으로 볼 수 있습니다. 그러나 반사능력을 높이기 위해 두 번 코팅하면 더블실버이고 세번 코팅하면 트리플실버가 되는 셈이지요. 그때 문제가 되는 것은 채광능력입니다. 몇 번이고 코팅하는 것이야 상관하지 않아도 되지만 차열성능을 위해 코팅을 하더라도 그것은 유리사용의 속성상 채광을 전제로 하여야 합니다. LSG를 고려해야 하는 이유인 것입니다.
▲ 한 개의 실버층
▲ 트리플 실버의 단면 - 코팅스택
또한 로이유리에는 실버층만 있는 것은 아닙니다. 산화방지를 위한 보호층도 필요하고, 또 강화를 대비한 내강화층도 필요합니다. 기업마다 다르지만, 한층의 실버레이어에는 몇개층의 별도 보호층 레이어도 코팅하는 것으로 알려지고 있습니다. 따라서 한 개 층의 실버레이어가 증가할 때마다 곱하기 몇 개 층의 레이어가 코팅되는 셈입니다.
현재의 복층의 성능은 로이유리에 좌우 되고 있다고 할 정도로 로이유리에 대한 관심과 고려가 그 무엇보다도 중요하게 여겨지고 있습니다. 실제 로이유리를 이용하여 복층유리를 제작하고 그 유리가 장착된 공간에서 생활하거나 업무활동 등을 통해 유리, 나아가서는 창호 그리고 외벽까지도 단열 및 차열 성능을 “체험”해 볼 수 있겠지만, 사전에 시뮬레이션을 통해 그 성능을 어림해 볼 수 있는 방법도 있습니다.
지난호 복층편에서도 언급한 적이 있지만, 이러한 복층유리 성능 시뮬레이터로 미국의 에너지성의 연구기관이며 캘리포니아 대학교에서 운영하는 버클리랩에서 무료로 다운로드 받을 수 “윈도우(WINDOW)”가 그 대표적 예입니다.
전 세계 로이 제조사로부터 광학데이터 및 실물을 제공받아 데이터베이스(IGDB)를 구측하고 그 자료에 입각한 시뮬레이터를 개발하고 배포하는 것입니다. 이하의 사이트에서 다운로드 받을 수 있습니다.
https://windows.lbl.gov/window-software-downloads
한편 데이터베이스인 IGDB는 다음의 사이트에서 다운로드가 가능합니다.
(실제로는 윈도우를 다운받으면서 같이 받게 됩니다.)
https://windows.lbl.gov/igdb-downloads
보다 상세한 사항은 2021년 2월 빌더지에 연재된 기사를 참고 바랍니다.