기능성 유리 적용으로 건축물 에너지 절감

2013년 05월 05일

유리의 다양한 기능 활용이 관건

건축물에서의 유리의 사용은 날로 늘고 있으며 전체 외장을 유리 커튼월로 구성하는 것에서부터 인테리어, 파티션, 난간 등 우리가 흔히 접하는 모든 공간에서 유리는 우리의 생활 깊숙이 다가와 있는 건축물의 가장 중요한 요소가 되어가고 있다.

과거 건축에서의 유리의 적용은 상당히 제한적이었고 단순히 창을 중심으로 거울 제품등 자르고 붙이는 수준에서 최근에는 유리를 이용한 넓은 조망권의 확보에서부터 사생활 보호, 에너지 절감, 영상구현, 보드, 색감을 비롯한 아름답고 독특한 개성의 디자인 연출까지 그 쓰임새가 확대되고 있는 추세이다. 건축에서 유리의 제한적인 적용에 가장 큰 이유는 유리라는 소재가 쉽게 깨지고 깨졌을 시 인명 피해를 입힐 수 있으며 열 및 냉기의 유입이 쉬워 에너지 사용량을 높일 수 있어 부정적인 이미지가 중심에 있었다.

하지만 유리는 친환경 건축자재로서 유리의 투명성을 중심으로 내외부의 넓은 조망권의 확보와 답답한 공간을 쾌적한 공간으로 연출할 수 있는 여러 장점을 갖추고 있어 건축물에서 유리의 적용은 점차 늘어나고 있다. 단순히 에너지만을 절감하고 디자인적인 측면과 기능을 포기한다면 건축물은 꽉 막힌 벽으로만 구성이 될 것이며 내부의 공간도 사생활등의 보호를 위해 벽 또는 일반적인 칸막이로 생활공간이 폐쇄적으로 구성될 수 있다.

이러한 모든 공간에 유리가 적용됨으로써 건축물 자체에 깨끗한 이미지와 디자인이 연출되고 내부도 사생활 보호와 동시에 다양한 디자인의 깨끗한 공간 연출이 가능할 뿐만 아니라 이제는 생활공간 자체가 나누어져 있는 구조가 아닌 방, 거실, 욕실이 하나의 생활공간으로 일체화가 되는 시점에서의 유리의 역할 및 기능은 그 만큼 커지고 있으며 사무공간에서도 보다 능률적이고 효율적인 감성 공간의 구현을 가능하게 한다.

이렇듯 건축물에서의 유리의 쓰임새 및 용도가 높아질 수 있게 하는 것은 일반적인 유리가 아닌 유리에 기능성을 넣어 다양한 공간에서 활용할 수 있는 기능성유리의 개발이 주된 이유가 될 수 있다. 다양한 기능성이 부과된 유리는 생활 곳곳에서 필요에 의해 적용이 되고 있으며 보다 많은 용도로 편리하게 유리를 선택하여 적용할 수 있게 만들어 준다. 기술의 발달은 유리에 다양한 기능성을 높여주고 있으며 이런 기능성 유리를 적절히 활용하는 것이 에너지 절감을 필두로 다양한 공간에서의 비용 절감 및 기대효과를 높이 수 있는 방편으로 자리 잡고 있다. 기능성유리를 적절히 활용하며 일반적인 유리로 얻을 수 있는 효과와 더불어 에너지 절약 건축물에서 사용되는 비용을 획기적으로 줄일 수 있어 삶의 질을 높일 수 있다.

기능성 유리로 건축물에서 새는 에너지 비용 절감

기능성 유리의 가장 중요한 요소는 에너지 절감을 비롯하여 우리가 흔히 사용하는 공간에서의 유리의 기능을 부과하여 새어나가는 비용을 절감 하는 게 관건일 것이다.

외기와 내기가 맞닿는 부분에 적용되는 유리는 쾌적한 조망권 확보와 더불어 외기로부터 들어오는 열 및 냉기의 차단을 통해 내부의 에너지 소모를 줄여주어 쾌적한 공간을 연출할 수 있게 하는 다양한 기능을 갖춘 유리의 적용은 필수이다. 건축물이 고층화되고 있는 현실에서 외부유리의 오염을 스스로 막아주는 유리에서부터 자외선을 차단해주고 직접적인 태양열 및 복사열을 막아주는 유리도 실내 공간의 쾌적성을 높이고 효과적으로 비용을 절감할 수 있는 방편이다.

이 외에도 내부에서는 사생활 보호와 더불어 파티션을 통해 생활공간을 나누어주고 동시에 영상을 구현할 수 있는 소품이나 메모용 보드, 테이블, 다양한 디자인의 연출까지 각각의 기능을 갖춘 유리들의 적절한 조화와 선택으로 편리한 생활과 더불어 외적으로 발생할 수 있는 기회비용을 낮춰줄 수 있는 역할까지 할 수 있다.

일반 유리만으로 이뤄진 모든 공간에 기능성 유리의 적용은 삶을 더욱 윤택하게 하며 건축물이 최근 나아가고 있는 방향인 에너지를 절감하는 친환경 녹색성장에 가장 큰 동력으로 자리 잡을 수 있다. 이는 유리의 기술 발전으로 다양한 코팅기술을 포함한 신기술, 신소재의 기술 발전이 이뤄지면서 일반 투명유리 시장으로 대변되던 건축용 유리시장이 점차 기능성유리 시장으로 변화를 모색하고 있다.

로이유리 적용률 5~10% 수준

건축용 기능성 리 중에 대표적인 유리가 단열효과를 높여주어 난방 에너지를 획기적으로 줄여주는 로이유리이다.

로이유리의 가장 큰 특징으로는 겨울철에는 실내로부터 발생되는 적외선을 반사해 실내로 되돌려 보내고 여름철에는 실외의 태양열로부터 발생하는 복사열이 실내로 들어오는 것을 차단해 창호의 단열성능을 우수하게 해준다. 흔히 건축물에 있어서 에너지 절약에 관한 기준을 제시할 때 많이 쓰는 단어가 열관류율이다. 열관류율(U Value:Uw)은 실내외의 온도차로 유리를 통과하는 열량의 크기로써 난방에너지 및 결로저항성능을 예측하는데 많이 활용되고 있다.

현재 정부에서는 저탄소 녹색성장을 중심으로 건축물에 강도 높은 에너지 절약 정책을 시행하고 있다. 순차적으로 열관류율을 낮추고 있으며 향후 제로에너지하우스까지 목표로 내세우고 법제화를 진행 진행중에 있다. 이에 기본적인 에너지 절감의 열관류율을 낮춰줄 수 있는 유리가 로이유리이며 에너지 절약에 탁월성을 인정받고 있다.

로이유리를 적용하였을 때 일반 복층유리에 비해 에너지가 25%절감이 되어 냉난방비를 감소할 수 있다. 16mm(5mm유리+6mm공기층+5mm유리)일반복층의 열관류율은 2.8W/㎡K이지만 22mm(5mm유리+12mm공기층+5mm유리)로이복층의 열관류율은 1.8W/㎡K로 높은 에너지 절감효과를 볼 수 있다. 열관류율 수치가 낮을수록 유리를 통한 에너지 손실은 저감된다. 실례로 32평형 주택에 로이유리를 적용하였을 시 연간 18만 2천원의 절감효과를 거둘 수 있다. 이 외에도 자원에너지 절약으로 냉난방비 에너지 절약을 통한 연간 3,600만 베럴의 원유 절약, 냉난방 에너지 절약으로 석유사용을 줄여 CO2 절감효과도 볼 수 있는 녹색성장, 그린 사업의 바탕이 되고 있다.

국내 로이유리 적용 비율은 불과 몇 년전만 해도 1%미만으로 극히 미비한 수준에 머물렀다. 이는 로이유리에 대한 인식 부족과 가격의 상승요인으로 인하여 외면 받았던 것이 사실이다. 하지만 국내에 친환경 녹색성장이 자리 잡아가면서 신축건물의 대부분이 로이유리를 적용하고 있으며 현재 5～10%정도의 적용비율을 보이고 있다. 이는 법제화와 함께 지속적인 성장을 예상되고 있다.

열관류율을 낮추고 에너지 절약형 고기능성 창호를 제작하기 위해서 일반 싱글로이유리에서부터 더블로이유리의 사용은 높아지고 있으며 더 나아가 트리플로이유리까지도 국내에 점차 적용이 이뤄지고 있다.

여름철 태양열 막아주는 반사유리, 자외선 막아주는 솔라유리

아직까지도 국내에서는 에너지 절약형 유리로는 난방 에너지를 절약해주는 단열유리인 로이유리로 한정되어 생각하는 경우가 많다.

하지만 국내는 4계절이 뚜렷하고 최근 지구 온난화 현상의 가속으로 이상기후가 많이 발생하면서 여름철에는 이상고온 현상이 많이 발생하고 있다. 이에 냉방가전 사용량이 늘고 있으며 해마다 전력난을 겪고 있어 일반 가정뿐만 아니라 산업계에서도 적지 않은 타격을 받고 있는 것이 사실이다. 기능성유리의 기본으로 자리 잡은 로이유리와 함께 여름철 냉방부하를 경감시켜주어 에너지절약에 앞장서고 쾌적한 생활을 영위할 수 있게 도움을 주는 기능성유리는 반사유리와 솔라유리등이 있다.

반사유리(heat reflecting glass)는 보통의 투명유리 표면에 금속질의 얇은 막을 붙여 태양광선의 반사율을 높인 것으로, 건물의 냉방부하를 감소시키며 옥외에서 보면 거울처럼 보이는 특징이 있다.

반사유리는 에너지 절약효과를 목적으로 제작되어진 유리로서 특성상 가시광선의 반사율이 높다. 이와 같은 특성상 태양의 가시광선을 차단하여 냉방비를 절감하는 효과를 나타낸다. 또한 밖에서 보면 반거울 효과가 나타나게 되어 주변이 선명하게 보이는 디자인 효과도 띠게 된다. 보통의 반사유리는 유리 제조 공정중에 유리표면에 특수코팅을 하여 제작되며 가시광선의 투과율을 70%이상 차단한다.

반사유리는 투명한 것과 색이 들어있는 제품이 있는데 투명한 반사유리도 약 15%의 가시광선이 차단되고 실버나 브라운 같은 어두운색의 반사유리는 약 59%의 가시광선이 차단되어 그만큼 어둡게 된다. 반사유리의 사용이 꾸준히 늘어나는 이유는 비단 냉방비 절감만 있는 것이 아니다. 다양한 색상으로 미려한 건축물의 조형을 이룰 수 있으며 높은 가시광선 반사율로 선명한 반사영상도 얻을 수 있다. 이는 건축물의 미려한 외관을 중시하는 관점에서 반사유리는 주변의 환경을 유리에 그대로 투영되어 보이게 함으로서 건축물을 보다 심미하고 고급스럽게 연출할 수 있는 특징을 갖추고 있다. 이 외에도 건축물 외부에서 내부가 잘 보이지 않아 프라이버시 보호효과도 높다. 최근에는 반사유리로는 블루반사유리가 건축물에 많이 적용되고 있다.

반사유리 이외에도 자동차에 썬팅을 한 것처럼 색상을 넣거나, 그린, 블루등 색유리들도 일반 투명유리 대비 차폐계수를 낮출 수 있다. 하지만 난방에너지를 잡기 위해 로이유리만을 강조하면 냉방효율이 떨어지는 것과 마찬가지로 냉방의 효율만을 강조하면 난방의 효율이 떨어지고 깨끗한 조망권을 방해받기도 하는 것이 사실이다.

특히 과도한 반사유리의 적용은 급속한 도시화가 진행되는 우리나라에서 주변 환경에 많은 피해를 야기시키기도 한다. 이는 과도한 반사를 통해 주변에서의 눈부심이 발생하고 이로 인해 다양한 사고도 유발시킬 수 있고 도심의 미관을 해칠 수 있어 적절한 사용이 이뤄져야 한다.

솔라유리는 일반유리 대비 자외선 차단 효과가 우수한 유리를 말하며, UV-cut glass라고도 한다. 그동안 고급 자동차용 유리에만 적용되어 왔으나 최근에는 건축용 유리에 적용되어 많은 각광을 받고 있다. 기본적으로 유해한 자외선을 차단해주기 때문에 실내의 가구 및 소품등의 변색을 방지해주고 건강을 지켜주는 역할을 하며 직사광선을 적절히 차단하여 실내 온도 분포를 균일하게 유지시켜 냉방비를 절감하는 효과까지 갖추고 있다. 특히 솔라유리의 은은한 색감이 더해져 건축물을 아름답게 보이게 하며 가시광선 투과율까지 조정하여 외부를 눈부심 없게 보다 편하게 볼 수 있게 해준다.

외부의 오염물질로부터 스스로를 보호하는 자정유리

에너지 절약 이 외에도 최근 건축물이 고층화 되고 유리가 대형화 되면서 외부오염으로 인한 시야를 방해하고 건축물의 미관을 해치는 경우가 많아 주기적인 청소를 통한 적지 않은 비용이 발생한다.

이에 외부 오염물질로부터 스스로를 보호하는 자정유리의 적용은 깨끗한 건축물의 미관과 함께 내부에서 외부로의 조망권 확보가 용이하며 주기적인 청소로 인한 비용을 절감할 수 있어 효과가 높은 유리이다.

자정유리는 Self cleaning glass라고도 하며 유리표면에 광촉매 물질인 TiO2(산화티탄)를 코팅하여 생산된다. 광촉매란 자신은 반응 전후에 변화하지 않지만 광(光)을 흡수함으로써 다른 물질의 반응을 촉진시키는 물질을 말한다. 흔히 광촉매 물질로 많이 사용되는 TiO2(산화티탄)는 태양광의 자외선과 반응해 유기물을 분해하거나 유기물들의 결합을 분리시켜 빗물에 쉽게 씻겨 지도록 하는 특성을 가지고 있다. 광촉매가 건축물에 주로 사용되는 이유는 이러한 TiO2(산화티탄)의 특성을 이용하면 표면을 스스로 깨끗하게 유지하는 자정(自淨; Self cleaning)효과를 얻을 수 있기 때문이다.

유리를 오염시키는 먼지는 크게 동, 식물 등 유기체에서 발생하는 유기먼지와 흙이나 광물로 이루어진 무기먼지로 나눌 수 있다. 일반적으로 유기먼지는 무기먼지에 비해 결합력이 강해서 씻어내기 어렵다. 이러한 유기먼지를 비등의 외부의 자연적인 현상으로 쉽게 없앨 수 있어 깨끗한 건축물을 유지할 수 있으며 물만 뿌려주어 쉽게 청소가 이뤄질 수 있는 특징도 갖고 있다. 이는 코팅막 자체가 유리표면과 유기먼지의 결합을 약하게 만들기도 하지만 자외선을 받으면 친수성을 유지하기 때문에 물방울이 맺히지 않고 흘러내려 쉽게 먼지를 분리시킬 수 있다.

하지만 도시화, 고층화 되고 있는 건축물에서 자정유리의 적용은 아직까지는 미비한 것이 사실이다. 이는 유리를 시공하는데 있어 실리콘이 사용되고 자정유리는 실리콘과 반응했을 시 효과가 떨어질 수 있기 때문에 습식시공이나 특수 가스켓을 사용해야 한다. 이러한 사용상의 제한 때문에 시장 확산이 늦춰지고 있으며 무엇보다도 아직까지 자정유리에 대한 소비자들의 인식이 높지 않은 것이 큰 부분으로 작용한다.

투과도 조절해 칸막이나 영사막으로 활용할 수 있는 조광유리

유리를 통해 에너지를 절감하고 투명성을 이용하여 조망권을 확보하는 여러기능이 있지만 투명한 것만을 강조했을 시는 사생활 보호의 문제점이 발생한다.

실내외 독립된 공간을 때에 따라 막았다가 열었다가 조절을 할 수 있는 조광유리는 높은 공간 활용도를 연출 할 수 있고 다양한 활용을 통해 여러 가지 기능을 동시에 할 수 있는 제품이다.

조광유리는 흔히 투과도 가변유리라고도 하며 액정을 얇은 필름화 하여 접합유리로 가공하여 만든다. 투명과 불투명으로 투과도를 변화 시킬 수 있기 때문에 일반적인 칸막이나 영사막으로 많이 적용되고 있다. 단순히 막혀 있는 독립공간에서 투명함을 통해 전체 공간을 확대할 수 있으며 다양한 영상물등을 투영할 수 있어 쓰임새가 높아 세계적으로 적용이 늘어나고 있는 추세이다.

조광유리는 단순히 공간을 확대하고 나누고 사생활을 보호하는 개념에서 벗어나 보다 효율적인 공간구성과 사용을 통해 다양한 공간에서의 편리성과 비용절감등의 효과도 탁월하다.

에너지를 생산하는 태양광유리

에너지 절약과 편리성, 비용절감의 다양한 기능성 유리에서 더 나아가 에너지를 자체적으로 생산하여 건축물이 스스로 에너지를 만들어 쓸 수 있게 만드는 유리가 태양광유리이다.

일반적인 복층유리에 로이유리를 적용한 로이복층유리, 로이복층유리를 적용하여 개발 된 고기능의 삼중복층유리, 복층유리의 공기층을 없애고 에너지효율성을 극대화한 진공복층유리까지 건축물에서 에너지 손실을 최소화하기 위한 고기능성 유리 제품들이 끊임없이 선보이고 있다.

기존의 에너지소비효율등급제와 친환경주택 건설에 필요한 1등급 기준을 넘어 제품의 에너지 손실을 최소화하기 위한 제품의 개발은 꾸준히 이뤄지고 있고 향후 건축용 유리시장의 변화와 일맥을 같이하고 있다. 삼중유리와 진공유리가 에너지의 손실을 최소화시켜주는 높은 기능성유리라면 정부가 청사진을 밝힌 2020년 "제로에너지하우스"의 개념까지 간다면 결과적으로 에너지의 소비량을 줄여주는 선에서 끝나지 않고 건축물이 에너지를 직접 생산하여 자급할 수 있는 구조의 방향으로 진행되어야 한다. 유럽 및 일본 등 다양한 나라에서 이러한 시도를 지속적으로 하고 있으며 건축물의 에너지 자족을 위해서는 태양광유리 산업의 발전은 반드시 필요하다.

태양전지 시장과 함께 관련 부품 소재 시장도 동반 성장 중으로 특히 유리 시장은 지난 2008년 7억5000만달러에서 2013년경이면 23억6000만달러 시장의 확대를 예상하고 있다. 특히 태양전지용 유리기판 등 유리재료는 다른 용도를 비롯 대규모 산업을 이루고 있다. 태양전지 산업용 유리의 세계 규모는 2009년 기준으로 약 11.7GW 수준. 이를 유리 면적으로 환산하면 약 11만4523Ksqm 정도이며 무게로 환산하면 약 900kton가량으로 예상되고 있다.

태양전지에서 유리는 결정질 실리콘 태양전지 뿐 아니라 비정질 실리콘 박막형, CIGS 박막형, CdTe 박막형 등 다양한 형태의 태양전지 모듈을 보호하는 커버유리 등으로 사용된다.

커버유리의 사용조건은 흔히 건축용 유리로는 공정상 500~1000ppm 정도의 철분을 함유한 저철분 유리가 사용되는데 이 철분으로 유리 투과율이 낮아지고 이는 태양전지의 모듈 효율과 직결된다. 결국 효율을 위해 철분함량이 150~200ppm으로 낮은 저철분의 백색유리를 사용한다. 또 태양전지용 커버유리로는 플로트 유리나 무늬유리가 있고 이들 모두 강화과정을 거쳐야 태양전지에 사용할 수 있다.

커버유리에는 반사 방지막을 입히는데 이는 태양광 반사를 막기 위한 것. 반사로 인한 태양광 손실은 결국 변환 효율을 낮추기 때문이다. 일반적으로 창유리에 사용되는 소다라임 유리의 태양광 반사율은 4%다.

태양광 산업은 일반적으로 PV, BIPV로 나뉘며 모듈산업인 PV 보다는 건물일체형의 BIPV시스템의 관계법령이 점차 강화될 것으로 예상되고 있다. 일반적으로 태양광 모듈을 생산하여 유리에 접합공정을 거치고 가공을 통해 틀에 맞추고 끼워지는 공정을 거쳐 BIPV일체형 유리가 적용된다.

국내 유리가공업체들은 대부분 모듈생산보다는 가공파트에 초점을 맞추고 있으며 연속로를 통한 강화시설등을 갖추고 있다. 가공파트에 초점을 맞추는 것은 기존 모듈생산과 접합의 공정에서 전기적인 부분의 어려움과 초기투자비용이 많이 들기 때문에 모듈제작업체와 협력관계를 유지하여 제품을 생산하는데 힘을 쏟고 있다. 하지만 현재까지 태양광 유리시장은 아직 미미한 수준으로 국내에서는 많은 어려움을 겪고 있는 것이 사실이지만 향후 2년 후에 시장이 빠른 속도로 커질 것을 예상하여 준비를 서두르고 있다.

현재 건축용 기능성유리시장은 그 수요가 점차 커지고 있는 시점이다. 일반적인 기능성유리 단일 품목이 아닌 로이와 반사등 기능성유리의 적절한 조합을 통한 복합기능성 제품으로 선택이 이뤄져야 한다. 단순히 단열만을 높이기 위해 로이유리만을 적용하는 것이 아닌 복층유리에 가스주입, 단열 스페이서 적용, 삼중유리, 진공복층유리, 태양광복층유리등 다양한 조합을 통해 에너지 사용을 더욱 낮출 수 있으며 디자인적인 요소와 편리성, 효율성등을 겸비한 다양한 기능성유리등의 적절한 선택 및 사용은 향후 건축산업에서 유리가 변화해 나아갈 길이다.