11 월호 특집 건축용 특수유리의 개발 현황과 전망 건축용 로이유리의 개발 현황과 전망 柳世雄 / 한국유리기술연구소 책임연구원 趙秀 공학박사 / 한국에너지기술연구소 책임연구원 1. 서론 건축물에 있어서 창호는 조망성, 채광 및 환기 등을 위해서 필수적인 부분이지만 단열적인 측면에서 볼 때 건축물의 외피 중 가장 취약한 부위이기도 하다. 기존의 창호는 난방에너지 절감을 위하여 복층화 또는 이중창문 등이 주로 사용되었으나, 난방효과를 극대화하면서 동시에 냉방효과를 극대화하기 위하여 저방사형 유리(로이유리:Low emissivity glass)를 채용하는 건물이 확대되고 있다. 일반적으로 창호의 단열특성에 대한 평가는 판유리의 광학적 특성에 대한 실측과 이를 기초로 한 계산에 근거한다. 본 글에서는 로이유리의 단열특성에 대한 계산 및 실측 결과와 건축물에 로이유리를 적용하는 경우에 있어서 난방비 절감 분석결과에 대해 언급하였다. 2. 로이유리란? 가. 단열원리 모든 원자나 분자는 열적으로 여기된 상태가 되면 복사선을 방출하는데 온도가 증가하면 Stefan-Boltzmann 법칙에 언급된 바와 같이 복사에너지가 증가하게 된다. 이러한 복사에 의해 어떤 물체의 표면으로부터 열을 방출하는 정도의 상대값, 즉 이상적인 흑체(Emissivity=1)에서 방출되는 복사에너지에 대해, 그 물체의 같은 온도에서 방출되는 복사에너지의 비율을 방사율(Emissivity)이라 한다. 3㎛이상의 파장부터 흡수가 급격히 일어나는 유리는 방사율이 0.84정도로 단열면에서는 바람직한 재료가 아니다. 에너지 절약형 판유리의 하나인 로이유리(low emissivity glass)는 이러한 판유리 위에 전기전도성이 우수한 금속이나 금속산화물 박막을 입혀서 가시광선영역에서는 소정의 투과특성을 유지시키면서 코팅면의 방사율을 0.2이하로 낮추어 복사되어 오는 열에너지를 차단하는 기능을 갖도록 한 유리이다. 로이유리는 외부기온이 실내보다 높은 여름 낮의 경우 태양광으로부터 방사된 열에너지가 실내로 입사되는 것을 차단하지만 가시광선 영역의 에너지는 투과시키므로 실내 냉방부하를 저감할 수 있다. 반면에 겨울철의 경우 실내에서 발생한 열량은 실외로 내보내지 않기 때문에 난방효과를 극대화 할 수 있는 특성이 있다. 나. 제법에 따른 분류 현재 상업화된 로이유리는 제조방법에 따라 열분해(Pyrolysis)법으로 제조된 파이로리틱 로이유리와 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering)법으로 제조된 스퍼터 로이유리로 대별되며 코팅구조는 그림 2와 같다. 파이로리틱 로이유리는 고온으로 달궈진 유리상에 기체, 액체 또는 분말상의 원료물질을 분사하여 고온에서 산화반응을 일으키는 공법에 의해 제조되기 때문에 단층만으로 로이유리의 특성이 나타나며 또한 기계적 화학적 안정성이 뛰어나다. 코팅용 물질은 산화주석에 불소를 소량 첨가한 물질을 주로 사용하고 있다. 파이로리틱 제품은 후처리 가공이 자유롭고 단판으로 사용할 수 있는 등 여러모로 유리한 점이 있으나, 일반적으로 코팅막의 균질성이나 단열성능이 스퍼터링 방법에 의한 로이유리 제품에 비하여 떨어진다는 단점이 있다. 스퍼터로이 유리는 표면에 Ag, Au 등과 같은 적외선 반사특성이 우수한 금속을 진공 중에서 얇게 코팅하는 것으로서 제막된 막의 균질도나 물성은 뛰어나지만 유리기판과의 접착력 증진과 저방사층인 은층을 보호하고 또 투과율 증진을 위해 유전체/귀금속/유전체(예로서 ZnO2/Ag/ZnO2)등의 구조로 형성시켜 주어야 한다. 그러나 최근에는 코팅장치의 비약적인 발달과 새로운 보호막을 적용하여 화학적 내구성이 파이로리틱 제품에 버금갈 정도의 제품이 출시되고 있을 뿐만 아니라, 적절한 차폐계수(0.4∼0.7)를 갖는 금속막을 부가한 다기능 제품, 열처리가 가능한 제품도 출시되어 시장영역을 더한층 넓혀가고 있다. 다. 스퍼터 로이유리의 개발현황 내구성(내화학성 및 내마모성) 증진 일반적인 스퍼터 로이유리는 내화학성이 좋지 않기 때문에 장기간 보관할 수 없었으며, 또한 내마모성도 좋지 않아 이송이 어렵고 대리점판매가 불가능하다는 문제가 있었다. 이러한 단점은 로이유리의 성장을 막는 가장 큰 요소로 작용하여 왔기 때문에 이를 해결하고자 하는 연구가 많이 행해지고 있다. 근래에는 통상의 산화아연이나 산화주석 등을 사용한 구조에서 보다 단단한 물질인 질화규소, 산화티탄 등을 사용하거나 이들 물질을 추가로 코팅함으로써 내구성을 증진시켜서 이송 및 적치가 가능한 제품이 생산되기 시작하였다. 고성능화 로이유리의 단열성능을 나타내는 지표 중 하나는 코팅면의 방사율이다. 일반적인 스퍼터 로이유리의 방사율은 0.1정도로서 파이로리틱 로이유리(방사율 0.15∼0.2)보다는 낮지만 이를 더욱 낮추고자 하는 노력이 계속되고 있다. 가장 먼저 연구된 고성능 로이유리는 은(silver)층이 2번 코팅되어 있는 구조의 double Low-E유리이다. Double Low-E유리의 경우 통상적인 제품보다 낮은 0.04이하의 값을 나타낸다. 색상의 다양화 일반적으로 로이유리는 높은 가시광선 투과율이 특징이기 때문에 적절한 차폐를 요하는 부분에 있어서는 가시광선 흡수를 위해 색유리와 조합한 복층유리로 시공된다. 최근에는 이러한 요구가 늘어남에 따라 로이코팅 층 중에 광흡수 기능이 있는 반투명 물질을 추가함으로써 미려한 색상이 나는 제품도 개발되고 있다. 따라서 기존의 투명한 로이유리의 기능과 함께 열선반사유리와 같이 태양열선 차단기능이 있기 때문에 여름철 단열효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 이들 유리는 투과율 40%∼60%정도의 제품이 표준화되어 시장에 나오고 있으며, 국내의 경우 한글라스의 LE-59가 그 대표적인 제품이다. 3. 국내외 보급현황 미국에서는 복층유리에서 반사유리의 사용비율이 이미 50%를 넘어서고 있으며, 수 년 안에 80%를 넘어설 것으로 추정하고 있다. 또 로이유리가 전체 창호 시장의 30% 정도를 점유하고 있으며 매년 꾸준한 증가추세를 보여 2003년경에는 35%에 이를 전망이다. 유럽의 경우도 로이유리를 많이 사용하고 있는데, 아래 표를 보면 1998년에는 5천2백만㎡ 정도였으며 2000년도에는 1990년도 기준으로 약 7배 정도의 시장 성장율을 보이고 있다. 한편 복층유리 시장에 있어서 로이유리를 사용하는 비율을 유럽의 국가별로 보면 독일이 89%, 프랑스가 10%, 영국이 7%, 유럽전체 평균이 39.3%로 우리나라와 비교할 때 상대적으로 많은 양의 로이유리를 사용하고 있어 에너지 절감에 대한 인식이 국내와 크게 다른 것을 알 수 있다. 국내의 경우 로이유리는 주로 대형 상업용 건물이나 공공건물을 중심으로 보급되어 전체적인 비율로는 약 0.5 % 정도로 국외에 비해 매우 작은 비율로 채용되고 있었으나, 최근 에너지 절감 인식의 확대와 국가 정책에 힘입어 아파트까지도 보급이 확대될 전망으로 잠재 시장은 매우 크다. 최근 정부에서는 에너지이용화 합리화법 제13조 규정에 의하여 고효율에너지기자재 보급촉진 중에 하나로 ‘고기밀성 단열창호’의 품목을 지정하여 건물에서 창문을 통해 손실되는 열량을 줄이고자 노력하고 있고, 기업체에서는 신제품을 개발하여 기밀 및 단열성능을 향상시키기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 현재 국내·외 창호의 기밀과 단열성능 및 고효율에너지기자재 기준은 표 4와 같다. 4. 로이유리의 특성 맑은 유리와 로이유리를 사용하여 제작한 복층유리의 단열성능을 WINDOW프로그램을 사용하여 계산해 비교하면 다음의 표 6과 같다. THERM 및 WINDOW프로그램은 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 건축물에서의 열전달을 해석하기 위해 개발하였다. WINDOW프로그램은 창호, 유리, 창문틀 및 충진가스 등을 설정하여 창호시스템의 열전달특성계수, 즉 열관류율, 일사열취득계수 및 투과율 등을 구할 수 있다. 겨울철 실내외 온도차에 의한 실내열의 실외 유출량의 지표인 겨울철 열관류율은 단판유리에 비하여 복층유리가 약 55% 이상 낮은 값을 나타내며, 일반 복층유리보다는 12mm 공기층을 둔 로이유리가 38%정도 열관류율이 낮고, 공기층 대신 아르곤가스를 사용한 로이유리는 46% 정도 열관류율이 낮다. 표 5의 결과는 주변부의 열손실을 고려하지 않은 유리 중앙부의 특성값이다. 따라서 열관류율의 경우 주변부 및 스페이서에 의한 손실이 있는 실제의 경우에 있어서는 유리의 면적과 형태 창틀의 재료에 따라 계산결과보다 커질 수 있다. THERM 프로그램은 창, 벽, 기초, 지붕 및 문 등과 열교현상이 발생할 수 있는 부위 등을 2차원 유한요소법으로 해석이 가능하며 결로 및 습기에 의해 손상 등을 해석할 수 있도록 에너지 효율과 온도분포를 구할 수 있다. 그림 3은 표 5의 3∼5번 시편을 PVC 창틀에 시공하였을 경우에 대해 THERM 프로그램으로 유리와 창틀 경계부의 온도분포를 simulation한 결과이다. 5번 시편의 경우는 중간층이 Ar가스로 채워지고 단열성이 우수한 FRP재의 warm-edge 스페이서를 적용한 것이다. 외기온도 0℃, 실내 20℃에서 실내측 유리의 하단에서 150㎜ 떨어진 곳의 표면온도를 비교하면 일반 복층유리는 8.6인데 로이 복층유리가 11.6℃로 3℃나 높다. Warm edge, Ar을 사용한 복층유리는 13℃로서 일반 복층유리에 비해 4.5℃정도가 높아서 모두 단열효과가 크게 향상된다는 것을 알 수 있다. 에지에 가까운 창틀과의 경계선 부근에서는 스페이서에 의해 열전달이 일어나기 때문에 일반 복층유리와 로이 복층유리의 표면온도 차이가 1℃정도로 줄어든다. 그러나 Warm edge 스페이서와 Ar가스를 사용한 로이 복층유리는 3℃이상의 차이가 유지되어 모서리 부위에서도 단열성이 유지될 뿐만 아니라 이 부위의 결로 방지에도 효과가 있는 것을 예측할 수 있다. 5. 열관류율 측정기를 이용한 창호의 단열성능 실측 열관류율 실측방법은 KS, ASTM, DIN, JIS등에 규정되어 있는데, 창호의 단열성능을 그림 4와 같은 열관류장치를 이용하여 KS F 2278(창 및 문의 단열성능 시험방법)에 의해 측정하였다. 측정장치는 Cooling AHU, 저온실, 가열실, 항온실로 구성되어 있으며, 가열실 내부기류 교반장치, 저온실 냉풍취출장치, 온도측정장치, 전력측정장치 등을 갖추고 있다. 냉각조를 0℃로 유지하면서 가열조도 20℃로 유지시킨다. 보온조는 가열조와 동일한 온도로 설정한다. 따라서 이상적으로는 가열조와 보온조 사이에는 열의 이동을 없게 한다. 가열조에서 20℃를 유지하기 위해서는 냉각조 쪽으로 일정량의 열이 전달되므로 발열체(가열장치)를 사용하여 가열해야 한다. 가열조에서 보온조 쪽으로는 열의 이동이 없으므로 20℃를 유지시키는데 소모된 전력은 전량 냉각조 쪽으로 이동되는 열량을 보충하는데 사용된 값이다. 따라서 가열조에서 유리면과 접촉하는 부분의 면적에 대한 열전달 양을 알 수 있게 된다. 온도측정은 가열실 공기, 항온실 공기, 저온실 공기에 대해서 수행한다. 가열실 공기온도 및 저온실 공기온도의 측정위치는 시험체의 크기에 관계없이 그림 5에 나타낸 동일면 9점으로 한다. 또한 항온실에는 7점에서 온도측정을 한다. 열관류 저항 R은 다음 식에 의해서 계산된다. R = 1/K = (△T·A)/∑Q + △R 여기서 K는 열관류율, △T는 저온측과 고온측의 공기온도 차이, A는 개구 면적이다. ∑Q는 가열조에 사용된 열량총합으로 표준시료로 교정된 양이며 창호를 통해 통과된 열량이 된다. △R은 표면 열전달 저항의 보정값으로 장치와 환경이 일정하면 상수이다. 한글라스의 판매 제품종을 시험체로 하고 창틀은 PVC재질의 T/T(Turn and Tilt) 개폐형의 L사 제품으로 창호를 구성하여 열관류율을 실측한 결과는 표 6과 같다. 시험체 창호 전체의 크기는 W2,000㎜×H2,000㎜로 유리와 창틀의 면적비는 1:0.39이다. 유리의 두께로부터 오는 결과를 무시하고, 실측결과를 표 5의 유리자체에 대한 계산결과와 비교하면, 로이유리의 제품군(표 6의 번호 3∼5)의 열관류율은 다소 높게 나타난 반면, 일반 복층유리 제품군은(표 6의 번호1, 2) 계산결과보다 더욱 낮아진 것을 알 수 있다. 이것은 PVC재질의 시스템창호용 창틀의 열관류량이 일반 복층유리보다 낮기 때문이다. 로이유리 제품군에서는 창틀과 유리의 경계부에서 열손실이 상대적으로 크기 때문에 열관류율이 표 5보다 다소 높게 측정된다. 6. 로이유리 적용을 통한 건물에너지 절약효과 주거용 및 상업용 건축물을 대상으로 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 냉 난방부하 해석을 실시하여 로이유리 창호를 적용한 건물의 에너지 절감효과를 분석하면 다음과 같다. 각각 공동주택과 사무소를 모델 건축물로 하여 에너지해석에 범용되고 있는 DOE 2.1 프로그램을 이용하였으며, 규모에 따라 각각의 기준층을 대상으로 창호의 열 성능 강화와 창면적비 증감에 따른 에너지 소비량 변화를 파악하였다. 가. 주거용 건축물(공동주택) 32평형의 계단실형 공동주택을 기준으로, 측벽의 조건이 상이한 중간세대와 측세대를 구분하여 시뮬레이션을 실시하였다. 평형별 바닥면적은 85.6㎡로 입력하였고 모델 공동주택의 향은 정남향으로 하였다. 외벽(0.5㎉/㎡·hr·℃)과 측벽(0.4㎉/㎡·hr·℃) 및 유리(2.9㎉/㎡·hr·℃:6㎜ 공기층을 갖는 일반 복층유리)의 열관류율 값만을 규정하고 있는 현행 기준의 경우, 창틀을 포함하는 창호의 열관류율은 3.2㎉/㎡·hr·℃ 수준에 해당한다. 이러한 수준의 열 성능을 갖는 모델 건축물을 기준으로 하여 열관류율을 각각 2.5(로이유리를 알루미늄 창호에 설치한 경우 또는 일반 유리를 플라스틱 창호에 설치한 경우의 설정값)와 2.0(로이유리를 플라스틱 창호에 설치한 경우의 설정값)㎉/㎡·hr·℃로 강화시켰을 때 난방용 에너지소비량의 변화를 분석하였다. 여기서의 설정값이 5절에서의 결과보다 크게 둔 것은 창호의 면적이 작아 프레임의 면적 가중이 클 경우의 악조건을 대입한 것으로 열관류율이 1.5∼1.6의 창호에서는 본 절의 계산 결과보다 에너지 절감량이 훨씬 높아진다. 창호(창틀 포함)의 열 성능을 현행 3.2㎉/㎡·hr·℃수준에서 2.5와 2.0 ㎉/㎡·hr·℃으로 각각 강화시켰을 때 평형별 난방에너지원단위의 변화를 분석한 결과는 그림 6과 같다. 열관류율 값을 3.2㎉/㎡·hr·℃에서 2.5와 2.0 ㎉/㎡·hr·℃로 강화할 경우 난방용 에너지소비량은 각각 13%와 20% 정도 감소하는 것으로 분석되었다. 그림에 나타난 분석대상 모델은 창면적비를 남측의 경우 65%로, 북측은 각각 25%와 45%로 설정하였을 때를 나타내며, 북측 창면적비의 변화에 의하여 발생하는 에너지소비량의 변화는 14∼19%로 파악되었다. 나. 상업용 건축물(사무소) 바닥면적이 5,000㎡인 사무소 건축물을 대상으로 외벽 및 창호의 열 성능과 창면적비에 따른 에너지소비량의 변화를 분석하였다. 시뮬레이션을 실시한 모델 건축물의 평면형태는 정방형이며 방위별 창면적비는 모두 동일하게 입력하였다. 창면적비 45%인 모델 건축물의 외피 열관류율을 현행 기준인 외벽 0.5㎉/㎡·hr·℃와 유리 2.9㎉/㎡·hr·℃(창틀 포함시 3.2㎉/㎡·hr·℃ 수준)에서 각각 2.5 및 2.0 ㎉/㎡·hr·℃로 강화할 경우 냉방 및 난방용 에너지소비에 미치는 영향은 그림 7과 같다. 사무실 건물의 경우 바닥면적에 따라서 단열에 따른 효과가 달라지는데 기준으로 삼은 바닥면적 5000m2인 사무실 건물의 경우 약 7% 정도의 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 7. 맺음말 창유리 선택의 어려운 점은 창유리의 차폐기능이 냉방, 난방, 자연채광의 관점에서 서로 상충된다는 것이며 이를 최적화하여 선택하는 것은 결코 용이한 것이 아니라는 점이다. 이를 함께 해결할 수 있는 대표적인 유리제품이 로이유리이다. 로이유리를 사용함으로써 일반 복층유리를 사용하는 경우에 비하여 약 20∼40 %정도의 단열효과 상승을 기대할 수 있다. 이를 에너지 비용으로 환산하면 연간 냉난방 비용으로 약 10∼20% 정도의 절약을 기대할 수 있다. 비단 경제적인 이유에서뿐만 아니라 지구온난화 방지를 위한 온실가스 절감에 대한 문제에 대처하기 위한 환경적인 측면에서도 로이유리의 사용은 이제 건물의 필수요건이 되고 있다. 그림 1. 로이유리의 투과반사율 자외선 가시광선 일사에너지를 실내로 흡수 적외선 실내에너지로 유지 파장(㎛) 고성능 로이유리 투과율 일사에너지 로이유리 투과율 고성능 로이유리 반사율 일반유리 투과율 일반유리 반사율 실내열방사에너지(20℃) 로이유리 반사율 유리두께 3mm 파장(㎛) 그림 2. (a)파이로리틱 로이유리의 구조 (b)스퍼터 로이유리의 일반적인 구조 표 1. 미국 sash 시장에서 로이유리가 차지하는 비율 년도 1996 1998 2001 2006 점유비율(%) 20 25 32 36 표 2. 유럽의 로이유리 시장 년도 1990 1992 1994 1996 1998 2000 면적(×1000㎡) 8,783 11,729 25,241 42,795 52,385 59,000 표 3. 유럽에서 복층유리 제조시 로이유리를 사용하는 비율 국가 독일 오스트리아 스위스 이탈리아 프랑스 영국 유럽 평균 비율(%) 89 71 67 16 10 7 39.3 표 4. 창호의 기밀 및 단열성능 현황 항목 국내수준 고효율에너지기자재 기준 선진국수준 기밀성능[㎥/h] 6∼18 5 2 단열성능[㎡h℃/㎉] 0.13∼0.41 0.34 0.45 표 5. 한글라스에서 생산되는 건축용 판유리 제품종의 특성값 비교(WINDOW프로그램) 번호구조투과[%]가시광선반사율실외실내투과[%]태양광선반사율실외실내차폐계수열관류율(kcal/m2℃)여름겨울취득총열량(kcal/m2h) 1 6CL 88 7 7 78 7 7 0.96 5 5.3 558 2 6CL+6A+6CL 78 13 13 62 11 11 0.82 3.1 2.8 469 3 6CL+12A+6CL 78 13 13 62 11 11 0.82 2.7 2.4 468 4 6LE-79+12A+6CL 69 14 14 45 19 20 0.62 1.6 1.5 351 5 6LE-79+12Ar+6CL 69 14 14 45 19 20 0.62 1.3 1.3 349 주) CL:투명유리, LE-79:로이유리, A:공기층, Ar:아르곤 가스 주입, 기호 앞의 수는 유리 및 층의 두께 그림 3. 한글라스 제품의 단열특성 비교(THERM프로그램; 각 유리 좌측이 실외(0℃), 우측이 실내(20℃) 조건임 (a)6CL+12A+6CL (듀오라이트):일반복층유리, Al스페이서 (b)6LE-79+12A+6CL (듀오에스라이트) 로이복층유리, Al스페이서 (c)6LE-79+12Ar+6CL (듀오에스라이트WAr) 로이복층유리, WE스페이서 그림 4. 단열성능 실측용 시험장치의 외관 그림 5. 시편의 온도 측정 지점 표 6. 유리창 종류별 단열성능 비교(KS2278에 의한 실측) 번호 제품명 유리창 구조 열관류저항[㎡h℃/㎉] 열관류율[㎉/㎡h℃] 유리구성 1 듀오라이트 16pair Glass(5CL+6A+5CL) 0.432 2.31 일반 복층유리 (Duo LITE) 2 듀오라이트 그린 22pair Glass(5GN+12A+5CL) 0.468 2.14 색유리 복층, (Duo LITE GN) 공기층 12㎜ 3 듀오에스라이트 22pair Glass(5GN+12A+5LE-79) 0.608 1.65 로이복층유리 (Duo ESLITE LE-79) 4 듀오에스라이트 22pair Glass(5GN+12Ar+5LE-79) 0.619 1.62 로이복층 유리, (Duo ESLITE Ar LE-79) Argon 가스충진 5 듀오에스라이트 22pair Glass(5GN+12WAr+5LE-79) 0.663 1.51 로이복층유리, Argon 가스 및 (Duo ESLITE WAr LE-79) Warm edge 스페이서 사용 6 듀오에코라이트 23pair Glass(5GN+12A+6HE-83) 0.596 1.68 파이로리틱 로이유리 (Duo EKOLITE HE-83) 그림 6. 열 성능 강화에 따른 세대위치별 난방에너지원단위 (32평형 기준) 에너지소비량(Mcal/m2) 0 50 100 150 200 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 창호 열관류율(㎉/㎡hr℃) 중간세대25% 중간세대45% 슥세대25% 슥세대45% '그림 7. 단열성능 변화에 따른 에너지 소비량 (바닥면적 5000m2기준) 에너지소비량(Mcal/m2) 20 40 60 80 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 창호 열관류율(㎉/㎡hr℃) 창면적비20% 창면적비40% 창면적비60%