유리는 어렵다.

건축에서 유리는 외부를 볼 수 있으면서, 외기를 막는 유일한 역할을 하는 소재이다.

이를 건축에서 표현하는 "공간의 관입" 이라는 표현을 제대로 구현하기 위해서 유리라는 소재를 매우 다양한 방향에서 접근해야 가능하다.

아마도 물리적으로 든, 해석적으로 든 건축물에 사용되는 소재 중 가장 까다로운 것이 유리일 것이다.

통상적으로 우리는 유리에게 다음과 같은 기능을 요구한다.

잘 보이면서, 태양에너지를 적절히 차단 또는 투과하면서, 열의 전달은 적게 되기를 원하고 있다.

이 세가지 요구는 얼핏 보아도 상당히 이율배반적이다.

 

그러나, 과학은 이를 충족시키기 위해 무던히 노력을 해왔고, 유리가 가지고 있는 특성 중 많은 요소가 정량적으로 예측 가능해 졌다.

 

우선 용어를 이해 해야 한다.

 

위에서

잘 보여야 함 = VLT(visible light transmission), 가시광선 투과율

적절한 태양에너지 투과 = g-값 또는 SHGC (solar heat gain coefficient), 일사에너지투과율

열이 빠져나가지 않아야 함 = U-값, 열관류율

이라는 용어로 대변될 수 있다.

 

 

 

열관류율은 벽체와 같은 용어이므로, 이해하는데 어려움이 없을 듯 하다.

 

문제는 나머지 두 개 인데,, 이를 이해하기 위해서는 아래 태양에너지 파장을 이해하여야 한다.

태양에너지는 위에서 보다시피 자외선 6%, 가시광선 47%, 근적외선 53% 정도로 이루어져있다.

(측정위치나, 고도에 따라서도 달라지므로 %는 자료마다 조금씩 차이가 있다.)

유리의 어려움은 이 파장그래프로 잘 나타난다.

외부가 잘 보인다는 것은 이른바 "가시광선"이 잘 투과된다는 뜻인데, 이를 높게 유지하면서 이른바 열을 담고 있는 근적외선 대역을 낮추고자 할 때 태양에너지 컨트롤에 어려움을 주고 있다.

태양에너지에 관해 쉽게 풀어쓴 글은 아래의 링크 참조

http://blog.daum.net/lunenstar/7640109

■ 일사에너지투과율 (g-값, SHGC)

만약 A 라는 유리가 있고, 이 유리의 특성이 아래 그래프와 같다면, 이 유리는 자외선, 가시광선, 근적외선을 완전히 투과 시킨다는 뜻이고, 깨진 유리창이 아닌 이상 이런 유리는 존재하지 않는다.

즉, 이 유리를 숫자로 표현하면,

VLT : 1

g-값 : 1

이기 때문이다.

밖이 잘 내다 보이지 않는 어두운 유리를 사용하면 특성 그래프는 아래와 같다.

냉방에너지가 많이 소모되는 업무시설에서 우리는 유리에게 아주 없는 듯 맑고 투명하면서, 태양에너지는 적게 들어오는 것을 원한다.

(업무시설의 경우, 태양에너지가 적게 들어오면 올 수록 냉방에너지를 줄일 수 있으므로)

즉, 쉽지 않은 주문이지만, 업무시설 유리가 가상적으로 최상의 결과를 낸 다면, 특성 그래프는 아래와 같이 표현 될 수 있을 것이다.

위의 유리는 말 그래로 유리가 없는 듯 투명하고, 가시광선을 제외한 나머지 태양에너지를 100% 걸러주는 유리라는 뜻이다. 물론 이런 이상적인 유리는 존재하지 않는다.

그러나, 과거의 어두운 유리를 벗어나서 이런 특성을 유리에 부여하기 위해 과학자 들은 Low-E 코팅이라는 것을 만들어 냈다.

Low-E 코팅을 한번 한 것을 싱글 Low-E, 두번 한 것을 더블 Low-E, 세번 한 것을 트리플 Low-E 라고 칭한다.

아래는 일반적인 로이코팅의 특성을 보여주는 그래프이다.

싱글로이 < 더블로이 < 트리플로이 로 가면서 점차 이상적 업무시설 유리에 가까워 지는 것을 볼 수 있다.

물론 더블로이 코팅으로도 트리플로이의 특성과 거의 같게 만들 수도 있다. 여기에는 다른 몇가지 특성을 더 추가해서 이해해야 하므로, 일단 일반적 특성을 적었다.

트리플로이 코팅 유리에서 일사에너지를 더 줄이고 싶다면. "트리플로이+어둡게 처리" 하면 목표 달성이 가능하다.

아래는 어느 특정 회사가 보유한 유리의 특성 그래프이다.

잘 보면 어느 것이 어둡고, 어느 것이 투명하면서 태양에너지를 적게 받아 들이는지를 알 수 있다.

이런 이유로 우리나라 창호의 시험성적서에 단순히 "Low-E 코팅"이라고만 명기되는 것은 "Low-E 코팅"의 제품별 특성을 무시한 결과라고 보여진다.

이는 시험성적서를 받은 Low-E 코팅과 실제 현장에 납품되는 Low-E 코팅이 결코 같은 것인지를 확인할 방법을 원천적으로 차단하고 있기 때문이다.

시험성적서 상의 유리에 IGDB 상의 번호를 명기하던가 제품 고유명칭을 같이 명기해야 소비자의 피해가 줄어 들 수 있다.

■ 가시광선 투과율 (VLT)

가시광선 투과율(VLT)는 말 그대로 얼만큼 투명하게 보이는가를 결정하는 요소이다.

아래는 VLT : 1 에서 VLT : 0.15 까지를 비교해서 표현한 것이다. 사용하는 유리의 VLT를 받아보고 이 사진과 비교하면 그 유리가 시공 후 어느 정도 밖에 보일 것인가를 예측할 수 있을 것이다.

<깨진 유리창, VLT : 1.0>

<VLT : 0.95>

<VLT : 0.90>

<VLT : 0.85>

<VLT : 0.80>

<VLT : 0.75>

<VLT : 0.70>

<VLT : 0.65>

<VLT : 0.60>

<VLT : 0.55>

<VLT : 0.50>

<VLT : 0.45>

<VLT : 0.40>

<VLT : 0.35>

<VLT : 0.30>

<VLT : 0.25>

<VLT : 0.20>

<VLT : 0.15>

■ 패시브하우스용 유리

패시브하우스는 기본적으로 삼중유리를 사용한다.

물론, 이 역시 g-값처럼 우리나라 상황에 대한 면밀한 분석이 필요하지만, 다른 것을 다 떠나서 삼중유리의 물리적 특성이 워낙 좋기 때문에 비용이 된다면 이를 사용하는 건 긍정적 방향이다.

우리나라 패시브하우스를 만들면서 항상 듣는 고민은 슬라이딩형식의 복층유리이중창을 사용하느냐 아니면 삼중유리 시스템창호를 사용하느냐 이다.

아직까지 우리나라에서 사용되는 복층유리이중창의 물성값을 받지 못했기 때문에 이를 비교하는 것은 다른 글로 미루어야 할터이지만, 현재까지 물리적 관점에서 명확한 것은 복층유리이중창의 기밀성능이 패시브하우스를 만들 만큼 좋은 것은 아니라는 것이다. 

앞으로 이를 규정하는 시간이 더 필요하리라 예측된다.

이 글은 일단 삼중유리를 사용한다는 가정 하에 패시브하우스에 사용되는 삼중유리의 특성을 요약한 것이다.

삼중유리는 말 그대로 유리가 세장이다.

유리가 더 해 질 수록 빛의 투과는 어려워진다.

패시브하우스가 삼중유리를 사용하는 것은 창호 열관류율 0.8 W/㎡K 이라는 목표치에 도달하기 위해서이다. 

그러나 유리가 세장이다보니 태양에너지를 받아들이는 비율이 줄 수 밖에 없는데, 패시브하우스는 또한 일사에너지투과율을 0.5 이상 요구하고 있다는 것이 어려운 점이다.

즉, 실내열(원적외선)이 빠져나가는 것은 조금 통과시키면서, 들어오는 태양에너지(근적외선)는 많이 투과되는.... 열관류율을 낮추면서 g-값을 올리는 것은 모순적 이야기일 정도로 물리적 특성을 반대로 가져가는 것이기 때문이다.

이게 만만치 않은 것은 아래 그림으로 설명된다.

아래 그림은 아무런 처리가 되어 있지 않은 맑은 유리로 된 삼중유리의 물리적 특성이다.

보다시피 g-값은 0.64 로써 만족하지만, 열관류율은 1.77 W/㎡K 로써 요구하는 0.8 W/㎡K 에 한참 미치지 못하고 있다.

이런 유리의 열관류율을 낮추기 위해서는 Low-E 코팅을 해야 한다.

아래 그림은 위와 같은 구성에 5번면에만 Low-E 코팅을 한 결과이다. Low-E 코팅은 일사에너지투과율이 높은 특성을 가진 코팅을 사용하였다.

결과에도 나타나 있듯이 VLT 는 거의 변함이 없고, g-값은 0.51 로 조금 떨어졌지만, 열관류율은 매우 많이 하락해서 1.07 W/㎡K 까지 나타났다.

아래 그래프는 2,5번 면에 Low-E 유리를 사용한 것이다. 역시 VLT는 거의 변함이 없고, g-값은 0.43 정도로 떨어졌지만, 열관류율은 0.77 W/㎡K 로 패시브하우스가 요구하는 기준에 들어 왔다.

물론 수입산 유리를 사용하면 같은 열관류율에 더 높은 g-값을 가질 수 있다. 

이는 유리 자체의 특성이 아닌, 맑은 유리를 바탕으로한 Low-E 코팅의 특성에 기인한다.

즉, 업무시설의 유리와는 다르게 패시브하우스용 유리는 되도록 g-값이 높으면서, 밖이 잘 보여야 하는 유리로써의 기능을 제대로 하려면 일단 가시광선을 최대한 투과할 수 있게 만들고, 적절히 근적외선 대역을 조절해서 열관류율과 g-값의 균형을 맞추어야 하는 유리인 것이다.

삼중유리에서 g-값을 낮추는 것은 그리 높은 기술이 아니다. 기술은 복층유리에서 유리를 어둡게 가져가지 않으면서 로이코팅만으로 g-값을 낮추는 것이 어려운 기술이다.

오히려 삼중유리에서 g-값을 높히는 것이 어려우며, 우리나라 유리 시장이 아래 설명하는 업무용 유리 시장에 맞추어져 있고, 삼중유리 시장이 작다보니 U-값은 낮으면서 VLT와  g-값이 높은 유리가 나오기 어려웠었다. 다행히 한두개 국내 유리회사가 이 주거용 유리시장을 목표로 서서히 제품을 생산하고 있으니 반가운 현상이다.

■ 업무시설용 유리 분석

업무시설의 유리는 패시브하우스와는 다르게 g-값이 낮아야 한다.

이유는 다른 글에도 있지만, 24시간 난방을 하는 주거시설은 낮에는 햇빛을 많이 받아 들이고, 밤에는 이 열이 빠져 나가지 않아야 하므로, 낮은 열관류율과 높은 g-값을 요구한다. 그러나, 여름에는 물론 많이 덥지만, 냉방시설을 하루종일 가동하는 집은 거의 없다. 또 너무 더우면 집밖에 잠시 나가 있어도 된다. 

그래서 주거시설은 주로 난방에너지만을 고려한다.

그러나, 업무시설은 낮에는 수많은 사람과 컴퓨터로 인해 실내의 온도가 상승되는데, 여름 낮에 태양에너지 마저 많이 들어오면 실내는 한증막처럼 변한다.

또한 실내가 덥다고 직원이 밖에 나가 나무그늘에서 근무를 할 수도 없다. 즉, 불가항력 적인 더위에 직면될 가능성이 있다는 뜻이다.

겨울에는 실내의 인체열, 컴퓨터 열기 등이 어느 정도 난방열로 작용을 하고 있고, 또한 대부분 해가 지면 퇴근을 해서 사용을 하지 않기 때문에 실내열이 야간에 빠져나가는 것도 그리 큰 일은 아니다.

(물론 줄창 야근하는 사무실도 있으나...)

  그 이야기는 낮 동안 일사에너지를 많이 받아서 이를 밤까지 유지해야 하는 주거시설에 비해 업무시설은 태양에너지를 적게 받아도 난방에너지가 크게 상승하지 않는다는 뜻이다.

(그러나, 난방사이클이 있기 때문에, 낮동안의 실내 열이 다음 날 출근 전에도 남아 있어야 아침에 출근 한시간 전부터 난방기기를 가동하는 것이 줄어 들므로, 열관류율도 역시 중요하다.)

하지만 그렇다고 해서 무작정 g-값을 낮추면, 덩달아 VLT도 낮아질 수 있고, VLT가 낮아지면 실내가 어두워진다는 뜻이므로, 거기에 더해서 밖이 잘 보이지 않는다는 뜻이니 업무시설은 가급적 VLT를 높히면서 g-값을 낮추는 것이 유리에게 원하는 것이다.

또한 실내발열량이 높은 업무시설의 특성상 열관류율보다는 g-값이 냉방에너지에 미치는 영향이 더 클 수 밖에 없으므로, 유리의 선택은 무척 중요하다. 

그러므로 업무시설유리는 일단 복층유리부터 시작을 하도록 한다. 

아래 그림은 맑은 유리로만 된 복층유리의 특성이다.

열관류율, g-값, VLT가 모두 높다.

아래 유리는 Low-E 코팅유리를 사용한 것인데, 업무시설의 특성상 2번면에 코팅을 하였고, 코팅의 특성은 업무시설에 맞게 가시광선을 많이 투과시키면서 근적외선과 자외선을 차단시키는 코팅을 선택했다.

열관류율도 낮아졌고, 특히 g-값은 획기적으로 낮아지는 것을 볼 수 있다.

아래 그래프는 g-값을 더 낮출 요량으로 앞의 유리보다 좀 더 어두운 색을 가진 유리를 사용한 것이다.

보다시피 g-값, VLT가 모두 낮아졌지만, VLT의 값이 더 많이 낮아 진 것을 알 수 있다. 즉 더 어두워 졌다는 뜻이다.

흥미롭게 볼 것은 g-값, VLT 가 모두 낮아 졌지만, 열관류율은 오히려 높아졌다는 사실이다. 이 결과가 나온 것은 어두운색의 유리가 일사에너지를 더 많이 흡수하고 방출하면서 열관류율이 높아진 것이다. 즉, 열적으로 더 불리해진 것이다.

이번엔 삼중유리를 해 보았다.

g-값과 VLT는 아주 조금 떨어졌지만, 열관류율은 많이 떨어진 것을 알 수 있다.

이 이갸기는 g-값과 VLT에 영향을 미치는 것은 유리의 장수가 아니라, Low-E 코팅의 종류와 유리색에 달려 있다는 것을 말해준다.

유리의 장수는 열관류율에 지대한 영향을 미칠 뿐이다.

이 이야기는 업무시설의 경우 삼중유리를 사용하면 물론 좋지만, 오히려 복층유리를 사용하고 Low-E코팅을 잘 선택하면 가격대 성능비로 최상의 결과를 얻을 수 있다는 것을 뜻한다.

아래는 Low-E 코팅 유리를 두장 사용한 삼중유리이다.

역시 처음 한장의 Low-E 코팅유리를 사용한 것 보다는 성능의 향상이 크게 비약적이지는 않다.

한장의 같은 Low-E 코팅유리를 사용한 복층유리의 열관류율 : 1.22 W/㎡K, g-값 : 0.26, VLT : 0.65 에 비해 열관류율 : 0.67 W/㎡K, g-값 : 0.20, VLT : 0.47 이므로, 열관류율은 많이 향상되었지만, g-값은 큰 향상이 없고, 오히려 VLT가 많이 낮아졌음을 알 수 있다.

아래는 어두운 Low-E 코팅유리를 두장 사용한 삼중유리이다.

열관류율은 오히려 올라갔고, g-값 : 0.12, VLT : 0.20 으로 변하였다. 

이는 극히 어두운  유리가 되었다는 뜻이고, 사실상 이런 유리가 사용될 건물은 없다고 보아야 한다.

그러므로, 현재의 기술로 업무시설 유리의 경우 VLT 를 0.5 근처로 유지하면서 최대로 내리는  g-값은 약 0.20 정도로 이해하면 무난하다.

■ 업무시설 유리에서의 LSG 값 (VLT 대 g-값의 비)

위에서 설명된 바와 같이 업무시설 유리는 가시광선이 잘 투과되면서 g-값이 낮은 유리가 선호되다 보니 이 둘 사이의 비율을 따지는 LSG 값이란 것이 생겨났다.

이는 가시광선투과율/g-값 으로써, 예를 들어 VLT : 0.5, g-값 : 0.23 이라면, LSG는 2.17 이라는 뜻이다.

이 LSG는 값이 클 수록 일사에너지는 적게 투과하면서 가시광선은 많이 투과한다는 뜻이니, 업무시설의 유리를 선택하는데 중요한 고려사항이 될 수 있다.

그러나, 패시브하우스 등 주거시설 용도의 유리는 반대로 이 LSG가 작을 수록 유리할 것 같지만, 꼭 그렇지도 않다. 

이유는 VLT, g-값이 모두 낮아서 생길 수 있는 왜곡현상이 있기 때문이다.

즉, VLT : 0.55, g-값 : 0.42  = 0.55/0.42 = 1.31 이고,

VLT : 0.55, g-값 : 0.52  = 0.55/0.52 = 1.06 이므로, LSG 값이 낮은 두번째 유리가 패시브하우스에 유리한 것이 맞다는 결과를 얻게 되지만, 

VLT : 0.40, g-값 : 0.35  = 0.4/0.35 = 1.14 로 계산되어지므로, 결국 변별력이 없다.

그러므로 주거시설용 유리에서는 따로 이 LSG 값을 따지지 않는다.

이 외에도 유리는 아래와 같은 두가지 용어를 더 이해해야 한다.

■ 외부 반사율 (Rfvis)

이는 유리를 외부에서 바라보았을 때의 반사 정도를 나타낸 값이다. 1에 가까울 수록 거울처럼 된다는 뜻이다.

■ 내부 반사율 (Rbvis)

이는 반대로 내부에서 유리를 바라보았을 때의 반사 정도를 나타낸다. 이 역시 1에 가까울 수록 거울처럼 보인다.

이 내부반사율, 외부반사율은 내외부의 조도가 동일하다고 가정했을 때의 값이다.  

■ 유리의 색 정보 (L,a,b)

유리는 색을 L"  a"  b" 라는 기호로 나타낸다. 이 기호는 RGB 처럼 색의 조합을 나타내는데 우리 눈이 감지할 수 있는 색차와 색 공간에서 수치로 표현된 색차를 거의 완벽히 일치시킬 수 있도록 만들어진 색 기호체계이다. 

아래 그림에서 보다시피 모든 색체계 중에서 가장 넓은 값을 가지고 있다. 즉, 표현할 수 있는 색의 범위가 가장 넓은 색공간 체계라는 뜻이다.

CIE 1976 (L", a", b") color space 라고 불리우며, 통칭하여 CIE LAB 이라고 부릅니다.

더 알고 싶은신 분은 http://en.wikipedia.org/wiki/Lab_color_space 를 참조하시길 바랍니다만, 괜히 클릭하여 보시면 머리만 아프실 가능성이 농후하다. 

이 색을 RGB로 환원하여 알고 싶으시면 여러 프로그램이 있지만, 잘 알려진 Adobe Photoshop 을 사용하면 되는데, 색을 선택하는 화면에 가면 L  a  b 를 정의하는 칸이 보인다. (아래 그림 붉은 박스) 여기서 유리회사로 부터 받은 숫자를 입력하시면 되는데, 단, 정수로 입력하여야 한다. 즉, 87.98 은 88 로 입력하면 된다. 그러면 선택한 유리의 색을 알 수 있고, 그 선택 색의 RGB 코드로 알 수 있다.

■ 유리 회사로 부터 얻을 수 있는 정보

유리 회사에게 유리에 대한 정보를 요청하면 다음과 같은 정보를 받을 수 있다.

열관류율  U-값 W/㎡K	일사에너지 투과율 g-값 (SHGC)	가시광선 투과율 (VLT)	외부반사율 (Rfvis)	내부반사율 (Rbvis)	투과색 (Tcolor)	반사색 (Rcolor)
1.22	0.43	0.56	0.27	0.17	88,-3,4	37,1,-9

이를 해설하면 다음과 같다.

열관류율 : 1.22 W/㎡K, 복층유리라면 매우 괜찮은 성능이다. 대게의 복층유리는 약 1.6 정도의 값을 갖는다.

g-값 : 0.43 , 0.5에 근접하고 있으므로, 업무시설용으로는 부적합하다.

VLT :  0.56 , 복층유리는 쉽게 도달이 가능한 숫자이나, 삼중유리라면 준수한 성능이다. 이 정도의 가시광선투과율이라면 어느 정도 투명하다고 느낄 수 있다. 

외부반사율 : 0.27 , 내부반사율 : 0.17 , 반사율이 높은 유리는 아니며, 내부에서의 반사보다 외부에서의 반사가 높음을 의미한다. 투명한 유리 쪽에 더 가까운 수치이다.

이 모든 내용의 근거는 Window 프로그램을 통해서 산출 할 수 있다.

Window 에서 유리를 시뮬레이션하면 열관류율과 각종 투과율은 아래 표에서 볼 수 있고,

색에 관한 정보는 아래 표에서 확인 할 수 있다.

이를 종합하면 설계시에 유리에 대해 고려해야 하는 것이 꽤 많음을 알 수 있다.

건축설계를 하는 자가 머 리 속의 이미지를 실제 건축물로 제대로 구현하기 위해서는 청색, 갈색 등 이른바 퉁친 유리의 색만 중요한 것이 아니라, 내외부 반사율, 가시광선투과율을 이해하고 있어야 하며, 열적 성능을 제대로 구현하기 위해서는 U-값과 g-값을 이해하고 있어야 한다.

이 모든 것이 설계자가 알고 이해해야 하는 사항 중 하나이다.

<출처 : 한국패시브건축협회, www.phiko.kr>