KIEAE Journal

건축물에 적용되는 유리는 일반적으로 파손시 비산방지를 위해 반강화 유리를 사용한다. 반강화 유리는 냉각과정에서 상대적으로 낮은 열전도율로 인해 압축 응력과 인장 응력이 동시에 형성되어 균형을 이루며 응고된다.[17] Fig 1, 2는 반강화유리의 표면 및 절단면의 응력분포도를 나타낸다.

Fig. 1. 
Stresses in glass at points where hot and cold surfaces meet[17].

Fig. 2. 
Stress distribution in half strength glass[17].

유리의 파손은 균형을 이루던 응력분포가 깨지면서 발생된다. 기본적으로 유리의 파손형태는 창유리의 구성 및 응력분포, 강화여부, 장·단비등에 따라 팽창파손과 응력파손으로 나뉘어 나타난다.[7]

유리의 팽창 파손은 일사에 의한 내부 중공층의 팽창 및 풍하중 등의 외부 요인으로 인하여 유리의 휨응력 또는 처짐 깊이가 한계점에 이르면 유리 면 중 가장 큰 응력을 받는 곳부터 파손되는 형태를 나타내게 되며 보통 유리의 중앙부분에서 발생된다.

열응력 파손은 표면의 온도분포 및 두께, 사이즈, 음영 등 복합적인 요소에 의해 발생되며, 특히 급격한 온도변화에 큰 영향을 받는다.[18] 응력파손은 유리 단부의 미세한 크랙 또는 니켈금속성분(NiS)의 신장으로 발생되는데 이런 NiS 및 크랙은 유리의 제조공정(용융과정)에서 필연적으로 발생하므로, 완전히 제거할 수 없는 것으로 알려져 있다.

Fig 3은 진공유리의 개념도를 나타낸다. 진공유리는 두장의 유리 사이를 진공으로 유지하고, 대기압에 의해 유리가 서로 밀착되는 것을 방지하기 위해 일정한 간격의 필러가 적용되어 있다.[15]

필러는 일반적으로 0.5mm의 지름과 0.25mm의 높이로, 유리사이가 진공으로 유지되는 동안 지속적인 압축력을 받게 된다.

Fig. 3. 
Schematic diagram of vacuum glazing[15]

Fig 4, 5는 진공유리 표면에서의 최대 및 최소 응력분포를 나타낸 것으로, 그림에서와 같이 진공유리는 필러 주위로 항상 잔류응력이 존재하기 때문에 온도변화에 따른 응력 변화가 가중되어 일반유리보다 열응력 파손에 취약할 수 있다.

Fig. 4. 
The maximum principal stresses in vacuum glazing[14]

Fig. 5. 
The minimum principal stresses in vacuum glazing[14]

진공유리는 그 제조방식에 따라 1세대 와 2세대를 구분하고 있다. 1세대 진공유리는 배기관을 통해 유리 내부를 진공으로 만드는 방법으로, 진공도는 10^-2 torr 정도를 유지할 수 있다. 반면 진공챔버에서 제작하는 2세대 진공유리의 경우 진공도를 10^-6 torr 까지 구현할 수 있어 높은 단열성능을 나타낸다. Table 1은 진공유리를 제조방식에 따라 구분해 그 성능을 나타낸 것이다.

Division	2nd vacuum glazing	1st vacuum glazing
Structure of CAP
Production method	Vacuum chamber method	Pumping method
The degree of a vacuum	10-6 torr	10-2 torr
U-value	0.3 W/m²·K (Vacuum double glazing)	0.8 W/m²·K (Vacuum double glazing)
Thickness of vacuum layer	0.25 mm	0.12 mm

Table 2는 비교실험에 사용된 유리의 구성 및 열성능을 나타낸다. 진공유리와 로이유리 모두 로이코팅면의 위치가 실내에 위치하도록 배치하였고, 12mm 공기층을 갖는 24T 복층유리로 구성하였다. 진공복층유리는 2세대 진공유리로 구성하여 공인인증 시험기관에서 0.53 W/m²·K의 열관류율 시험결과를 확보하였고, 로이복층유리의 경우 구성한 유리의 IGDB ID를 바탕으로 Window6.3 프로그램을 이용하여 1.757 W/m²·K의 열관류율 값을 도출하였다.

	Vacuum double glazing	Low-e double glazing
Layer	6 / 12 / 6 2nd Vacuum glass / Air / Clr glass	6 / 12 / 6 Low-e glass / Air / Clr glass
Thermal transmittance	0.53 W/m²·K Measurement data	1.757 W/m²·K Calculated using LBNL Window6.3 program.

Fig 6은 스팬드럴 구간의 후면 조건 모사를 위해 제작된 Scale down mock-up을 도식한 것이다. 50mm XPS 단열재를 이용하여 960mm(W) × 960mm(H) × 690mm(D)의 규모로 제작되었으며, 원활한 열파손 유도를 위해 내부는 검은색 도료로 마감되었다.

Fig. 6. 
3D-Plan of scale down mock-up

실제 커튼월 스팬드럴 구간에서는 복층유리에서 실내 측에 면하는 유리 단부가 외기에 노출되지 않으나 본 실험에서는 최악조건을 가정하여 단부를 외기에 직접 노출시켰다. Fig 7, 8은 Scale down mock-up의 제작과정 및 완성된 챔버 사진을 나타낸다.

Fig. 7. 
Silicone finish for ensuring the air tightness

Fig. 8. 
Scale down mock-up spandrel

진공유리 및 싱글로이 유리의 열적 거동을 측정하기 위해 T-type 열전대(thermocouple)를 스팬드럴 내부공기, 창유리 내·외부 표면 및 단부, 중공층 내 표면 및 공기, 마지막으로 외기온까지 총 9 개 지점에 적용시켰다. 특히 중공층에 적용된 열전대는 중공층 파손을 우려하여 복층화과정 직전에 적용시켰으며, 열전대의 움직임으로 인해 마감부틸이 손상되지 않도록 그 끝을 고정시킨 후 실험을 준비하였다. 일사량은 측정오차 ±0.5% 이내의 Secondary standard급의 일사량계를 이용하여 측정하였으며, Graphtec GL820 Data logger를 이용하여 5분 간격으로 온도를 측정하였다. Table 3은 센서 및 계측장비의 사양을 나타낸다.

Fig 9, 10은 싱글로이 유리와 진공유리의 중공층 열전대 적용 사진 및 센서의 위치를 도식한 것이다.

Fig. 9. 
Installation of thermocouple sensors in the vacuum double glazing

Fig. 10. 
Installation of thermocouple sensors in the low-e double glazing

Fig 11은 청천공 상태에서의 비교실험을 위해 mock-up을 정남향으로 설치한 사진을 나타낸다.

Fig. 11. 
Installation of Mock-up for experiments

실험은 2015년 12월 12일 11:00부터 18:00 까지 수행되었으며, Fig 12는 실험기간 동안의 일사량, 태양고도 및 입사각을 나타낸 것이다.

Fig. 12. 
Solar altitude and incident angle profiles (Dec.12, 2015)

실험은 동절기 태양 고도 최대 40°, 입사각은 60° 이내인 상황에서 수행되었으며, 전반적으로 청천공 상태가 유지되었음을 알 수 있다.

Fig 13은 실험기간 동안 진공유리의 중공층 온도와 스팬드럴 내부 온도를 나타낸다. 진공유리의 경우 실험시작 1시간 15분 뒤인 12시 15분 스팬드럴 내부 온도가 118.9℃에 도달하였고, 이 때 파손이 일어났다. 파손 전 73.8℃ 였던 중공층과 스팬드럴 내부의 온도차는 파손직후 스팬드럴 내부 온도는 20℃가량 하강하였으며, 중공층 온도는 20℃ 가량 상승하였다. 이후 열평형 상태에 도달한 스팬드럴 내부와 중공층의 온도차는 36.4℃로 줄어들었다. 이는 파손 전 진공유리의 높은 열저항에 의해 유지되던 큰 온도차이가 진공 파손에 의해 열저항이 낮아짐에 기인한 현상으로 분석된다.

Fig. 13. 
Measured temperature profiles of the spandrel and air cavity in vacuum double glazing (Dec.12, 2015)

Fig 14는 실험기간 동안의 로이유리 중공층 온도 및 스팬드럴 온도를 나타낸다. 로이유리는 진공유리보다 조금 늦은 13시 00분인 실험시작 2시간 뒤 스팬드럴 온도가 114.4℃로 상승하여 파손되었다. 파손시점 전·후 스팬드럴 및 중공층 내부 온도차는 진공복층유리와는 다르게 큰 차이를 보이지 않았다. 진공유리는 파손 시 발생하는 진공의 손상이 유리의 열저항에 영향을 미치지만, 로이유리의 경우 유리의 파손이 단기간 동안의 유리 열저항에 직접적으로 영향을 주지 않기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 로이유리는 파손 직후에도 단기간 동안은 유리의 열평형을 비교적 지속적으로 유지하고 있는 것으로 분석된다.

Fig. 14. 
Measured temperature profiles of the spandrel and air cavity in low-e double glazing (Dec.12, 2015)

스팬드럴 내부 온도를 비교해 보면 진공유리 파손시점이 로이유리 파손시점보다 약 4.5℃ 높았다. 하지만, 그 차이는 미미하여 스팬드럴 내부 온도가 110℃ 이상 상승하고, 유리 단부가 구조적 문제로 외기에 노출되거나 그림자 영향으로 인해 온도가 낮아질 경우 진공유리 뿐만 아니라 일반유리에서도 열파손이 일어날 가능성이 있음을 나타낸다. 이 파손시점의 스팬드럴과 외기온도차를 Fig 15, 16에 나타내었다.

Fig. 15. 
Temperature difference between spandrel and outdoor

Fig. 16. 
Measured temperature difference of two glazings between spandrel and outdoor (Dec.12, 2015)

진공유리는 내·외부 온도차가 101.9℃에서, 로이유리는 91.6℃에서 파손이 일어났다. 실험 결과에 따르면 진공유리가 로이유리에 비해 더 높은 온도차에 파손되었으므로 진공유리가 더 큰 응력을 견딘 것으로 해석할 수 있으나, 통제되지 않은 외부에서는 유리의 파손에 영향을 주는 많은 변수[6]가 존재하므로 스팬드럴 내·외부가 90℃이상의 온도차를 갖게 되면 진공유리 와 로이유리 두 개의 시료가 열파손 위험에 노출된다고 결론지을 수 있다.

Fig 17, 18은 파손시점의 스팬드럴 내·외부 표면온도 차이를, Fig 19는 mock-up의 지점별 온도구배를 나타낸 것으로, 진공유리의 내·외부 표면 온도차가 로이유리에 비해 약 17℃ 높은 온도차에 파손되었음을 알 수 있다. 실험기간 동안 진공유리의 중공층 내표면 온도 센서가 탈락되어 데이터 누락이 발생하였지만, 나머지 데이터로 추정할 때 내부 레이어에 위치한 진공유리의 높은 열저항으로 인해 외부 표면 온도가 낮아졌기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 17. 
Temperature difference between center of inside glazing and center of outside glazing

Fig. 18. 
Temperature difference of vacuum and low-e glazing between center of inside glazing and center of outside glazing (Dec.12, 2015)

Fig. 19. 
Temperature gradient of tested double glazing

내·외부 온도차 및 표면온도차 분석결과로는 진공유리의 잔류응력에 의한 열파손 취약점을 발견할 수 없었다. 하지만 파손이 일어난 시점을 보면 진공유리가 로이유리에 비해 45분가량 빠르게 일어난 것을 알 수 있는데, 이는 위에서 언급한 바와 같이 진공유리의 높은 열 저항이 실내에 축적된 열에너지를 로이유리에 비해 상대적으로 덜 배출함을 의미한다.

Fig 20은 실험 시작부터 파손시점까지의 일사량에 대한 스팬드럴 내부 온도를 나타낸 것이다. 진공유리에도 같은 low-e 코팅이 적용되어 있음에도, 높은 열 저항으로 인해 실내온도가 가파르게 상승함을 알 수 있다.

Fig. 20. 
Measured temperature under the same horizontal irradiance (Dec.12, 2015)

이는 진공유리가 비정상상태(non-steady state)에 놓였을 때 스팬드럴 내부 온도를 로이유리에 비해 상대적으로 더 빠르게 상승시킬 수 있다는 것을 의미하므로, 스팬드럴 구간의 온도 상승으로 인한 열파손 가능성은 진공유리가 더 큰 것으로 해석된다.

Fig 21, 22는 진공유리 및 로이유리의 파손 형태를 나타낸 것이다. 진공창호와 로이유리 모두 단부에서부터 파손이 일어나는 응력파손의 형태를 띠고 있음을 알 수 있다. 상대적으로 진공유리의 파손 정도가 더 큰 것으로 보이며, 이는 초기 균열이 발생하는 순간 진공이 파손되며 유리에 순간적인 압력이 가해졌다고 판단할 수 있다. 따라서 진공유리를 고층에 사용할 경우 파손에 의한 비산을 방지하는 조치를 취해야 할 것으로 사료된다.

Fig. 21. 
thermal stress breakage of vacuum double glazing

Fig. 22. 
thermal stress breakage of low-e double glazing