창호기술 : 가스주입단열(복층)유리에 대한 이해
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2012년10월05일 16시25분
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가스주입단열(복층)유리에 대한 이해
가스주입단열유리로 에너지절약 실현

복층유리 적용으로 단열성능 향상

건축물에서 에너지 손실율을 살펴보면 창호를 통해서 빠져나가는 에너지가 전체에 35%를 차지한다. 창호를 통해 빠져나가는 에너지 손실을 막으면 쾌적한 주거환경 구현과 함께 건축물에서의 에너지 절약에 중심 포인트가 될 것이다. 이에 사회 전반적으로 에너지절약에 대한 노력은 계속되고 있으며 창호의 에너지 관련 규정 및 절감에 대한 대책이 계속 나오고 있다. 

에너지 절약에 대한 관심은 높아지고 강도 높은 정책이 쏟아져 나오는데 있어 창호 부분에서 가장 중심적인 역할을 하는 부분이 복층유리이다. 단열을 위한 창호의 가장 기본이 복층유리이며 복층유리를 통해 에너지 절감 및 차음 효과도 동반된다. 건축물에서 외기와 맞닿는 부분에 적용되는 유리가 복층유리고 국내 주거용 유리시장에서 복층유리의 사용 비중은 전체 70%에 이를 정도로 그 비중이 크다.

이러한 복층유리에서의 단열성을 높이기 위해서는 기본적으로 적용되는 유리를 단열효과가 우수한 로이코팅유리의 적용은 기본이다. 로이유리와 더불어 복층유리에서 유리와 유리 사이에 공기층을 아르곤 및 크립톤 가스를 주입하여 열전도율을 낮추어 단열효과를 극대화하는 것이 필요하다.

복층유리를 통한 에너지 절약이 건축물 에너지 절약의 기본  

복층유리는 최소 2장의 판유리와 간봉(Spacer)을 이용하여 건조한 공기층을 갖도록 만들어진 제품으로 창을 통해 빠져나가는 열 에너지의 양을 감소시켜 단열과 결로방지의 효과를 준다. 특히 단열에서의 효과가 우수하여 난방비를 절약하며 소음차단의 효과와 함께 원판 색상에 따른 건축물의 개성도 표현할 수 있다. 

복층유리 제조공정은 잘 세척된 두 장의 유리에 스페이서와 1,2차 접착제, 흡습제등을 적용하여 완성된다. 복층유리는 통상적으로 1장의 유리를 사용하는 것보다 2배 이상의 단열성을 가지므로 냉난방(특히 난방) 부하를 경감시켜 주므로 단열성이 우수하다.

창호를 통해서 빠져나가는 열손실을 줄이기 위해서는 복층유리의 기능을 높여 쾌적한 실내공간을 구현하는 것이 중요한 포인트가 될 것이다. 복층유리에서 단열 성능을 높이기 위해서는 우선 기능성코팅유리인 로이유리를 적용하여 열손실을 막아주는 것이 중요하다. 하지만 로이유리만을 사용했을 시 복층유리의 공기층을 통한 열전도율은 그대로 존재한다. 이에 공기층에 아르곤 및 크립톤가스를 주입하여 단열효과를 더욱 우수하게 만들 수 있으며 덧붙여 단열 스페이서를 같이 적용했을 때, 난방효과의 극대화와 결로발생 억제 등 쾌적한 생활공간을 연출 할 수 있다.

아르곤 및 크립톤 가스는 복층유리의 열전도율을 낮춰주는 효과 

복층유리의 공기층에 적용되는 아르곤 및 크립톤 가스는 공기대신 적용되어 복층유리의 외부쪽 유리와 내부쪽 유리의 온도차에서 발생되는 열 교환현상을 막아주어 결로현상 및 냉복사 현상을 억제하고 단열성능을 높여준다. 

아르곤 가스는 비활성 기체로 무색·무취·무독성의 기체로 1894년 영국의 과학자 레일리 경과 윌리엄 램지가 공기에서 분리했다. 대기중 0.9%의 아르곤 가스가 함유되어 있고 공기중에서 산소와 질소를 제거하고 남은 비활성 기체가 아르곤이며 아르곤은 공기보다 밀도가 높고 열전도율이 낮으며 압력이 높아 대류현상을 감소시키고 열전도율을 저하시키며 높은 압력을 유지하여 복층유리의 단열성능을 높이는데 매우 효과적이다.
 
덧붙여 크립톤 가스는 아르곤에 포함된 기체로 볼 수 있으며 아르곤 보다 열전도율은 우수하다. 크립톤 가스는 활성 기체에 속하는 원소로, 원소 기호가 Kr인 크립톤은 화합물을 잘 형성하지 않으며, 공기보다 3배 정도 무겁고 색이나 맛, 냄새가 없다. 공기를 밀폐시킨 뒤 강한 전기 불꽃으로 방전시키면 질소가 산화되어 물에 용해된다. 그러나 전기 불꽃에서도 아르곤은 산화되지 않으므로 공기 중에서 아르곤을 분리할 수 있다. 크립톤은 이러한 방법으로 분리한 아르곤 속에 포함되어 있다.

아르곤 및 크립톤 가스의 특징적인 면은 공기보다 무겁기 때문에 복층유리 내부에서 대류현상을 줄이고 열전도율을 낮춰주고 냉복사현상을 줄여주어 단열효과 및 차음효과등 다양한 효과를 연출하여 복층유리에서의 에너지 절약의 기본으로 자리잡고 있다. 

복층유리 가스주입 통한 최적의 에너지 절약 시스템 구현 

이렇듯 아르곤 및 크립톤 가스는 복층유리에서 에너지를 절약할 수 있는 중요한 요소이며 크립톤 가스보다는 아르곤 가스가 비교적 저렴하고 비용대비 효율성이 우수해 복층유리 에너지 절약 시스템에 가장 필요하고 부합되는 제품이다. 

국내에서는 크립톤가스 보다는 아르곤 가스의 적용이 대부분을 차지하고 있다. 이는 아르곤이 크립톤보다 비용적으로 저렴하기 때문이다. 아르곤 가스를 밀봉된 판유리 사이에 주입하면 이 공간의 대류 활동을 늦춰 열손실을 줄여준다. 따라서 아르곤 가스는 비용 효율이 높으며 저 방사 코팅이 된 (Low-E) 판유리와 함께 사용하면 좋다. Low-E 코팅이 안 된 단열 유리라고 하면 판유리 사이에 공기를 단열재로 사용한 창유리를 말한다.
특히, 공기 자체가 좋은 단열재이기 때문에 판유리 사이를 아르곤처럼 전도율이 낮은 가스로 채우면 열전도율과 전달율을 낮춰서 창유리의 성능을 향상시킬 수 있다. 이 현상은 공기 밀도보다 가스의 밀도가 더 높기 때문에 발생하는 현상이다. 여러 가지 가스를 주입할 수 있지만 그 가운데 아르곤은 단열기능이 뛰어나고 비용이 효율적이기 때문에 가장 흔하게 사용된다.
특히 복층유리에서 유리와 유리 사이의 간격도 단열에 큰 영향을 준다. 국내에서는 아직도 6mm의 공기층을 적용한 복층유리제품이 많이 사용되고 있지만 6mm는 냉기가 전달되는 가장 적합한 거리로 유리를 얇게 하더라도 공기층을 두껍게 가져가는 것이 단열에 효과가 높다. 아르곤 가스의 주입 시 가장 효율성이 높은 복층유리의 공기층은 12mm, 14mm이다. 복층유리 사이의 공간을 채우는 데는 여러 가지 기술이 사용된다.
그러나 어떤 기술을 사용하든 가스와 공기가 섞이게 될 수밖에 없다. 보통 가스의 농도를 항상 90% 이상으로 유지를 시켜야 되지만 시간이 지나면 일 년에 0.5∼1%씩 사라지는 것으로 추산된다. 가스를 주입하는 것도 중요하지만 가스가 세어나가지 않게 세심한 작업은 무엇보다 우선시 되어야 한다.
이러한 가스복층유리의 제조공정은 원판절단 → 세척 → 스페이서 조립(1차 접착) → 가스주입 → 봉착(2차 접착)공정 순이며, 본 공정 중 1, 2차 접착 상태가 중요한 공정으로 작업의 세심한 관리가 진행되어야 완벽한 밀봉상태로 가스가 세는 것을 방지하고 고품질의 제품을 생산할 수 있다.

가스복층유리 품질 높이기 위해 세는 가스 막아라

가스복층유리가 복층유리의 열효율을 높이는데 탁월하여 적용이 늘어나고 있지만 단점은 비활성 기체의 가스이기 때문에 공기중으로 빠져나가버리는 점이다. 이 때문에 가스복층유리의 제작에 있어서 엄격한 품질 기준이 요구되고 있으며 완벽한 주입과 밀봉을 통해 세는 가스를 막았을 때 비로소 고품질의 가스복층유리의 생산이 완료된다. 

가스는 한번 빠지기 시작하면 빠른 속도로 빠져나가 버리기 때문에 잘못 생산된 가스복층유리는 짧은 시간안에 가스가 빠져나가 제 성능을 발휘하지 못하는 큰 문제점도 안고 있다. 가스복층유리 생산에 가장 중요한 부분은 가스 충진율이다. 가스 주입의 방법으로는 복층 제작시 자동으로 가스를 주입해주는 판프레스 타입과 수동으로 복층유리 코너부분에 구멍을 내어 가스를 넣어주는 수동형 주입타입이 있다. 자동 타입은 복층유리 프레스 과정에서 공기를 빼고 가스를 주입해주어 압착하는 방법으로 효율적이고 안정적인 생산이 가능하다. 

수동의 주입 방법은 가스가 공기보다 밀도가 높기 때문에 아랫부분에 구멍을 내어 주입하고 윗부분으로 공기가 빠져나가게 주입하며 강제 주입형태로 작업의 방법이나 작업자에 따라 자동보다 더 많은 가스를 충진할 수 있다. 하지만 수동식은 자동식에 비해 제작에 있어 밀봉이나 제작자의 컨트롤에 따라 가스가 더 많이 세어 나갈 수 있으며 자칫 제대로 밀봉을 못하면 나중에 가스가 다 빠져나갈 수도 있다. 제대로 된 방식을 갖추고 세심하게 제작만 잘 한다면 수동식이 더 품질을 좋게 만들 수도 있지만 자동식에 비해 생산성이 급격히 저하되고 품질이 떨어질 수 있는 요인이 많이 존재하여 가공업체는 자동식의 판프레스 타입을 선호하는 편이다. 

복층유리에서 가스가 세는 것을 막기 위해서는 제작과정에서의 어떤 방법을 선택하느냐와 더불어 세심한 제작 규정을 잘 지키느냐에 따라 제품의 품질이 좌우된다.

가스복층유리는 세심한 주의를 기울여서 생산되는 까다로운 제품 

가스복층유리 생산에 있어 가스의 세는 부분을 막는 것은 단순히 가스만을 잘 주입한다고 해결되는 것은 아니다.
우선 가스가 체워지는 공간에 가스와 밀접하게 접촉하는 스페이서, 부틸부위 등의 품질을 유지하는 것이 중요하다. 스페이서와 부틸의 접착력이 약화되면 가스는 세게 되어 있다. 이를 위해 스페이서와 부틸의 접착력을 높이고 부틸의 압착폭을 4mm이상으로 생산해야 된다. 부틸에 단선이 없어야 하며 코너부위쪽은 더욱 관리를 잘해야 한다. 부틸이 오염됐을 시 접착력이 떨어질 수 있기 때문에 제작시 손자국이나 이물질은 절대 묻게 하면 안 된다. 

스페이서와 부틸의 제작 외에도 정확한 밀봉을 위해서 복층유리 2차 실란트의 도포 깊이도 중요하다. 폴리설파이드계의 실란트는 도포 깊이를 8mm이상, 실리콘 실란트는 10mm이상 적용해야 하며 코너키 사이로 실란트가 충분히 도포되어야 한다. 제품 생산 방법에 있어 품질 차이도 많이 나타나고 있으며 스페이서는 일반적인 수동의 코너키 타입보다는 자동의 오토밴딩시, 봉착재 재질은 실리콘 실란트보다는 치오콜이 우수했으며 가스 주입에 있어서는 수동보다는 자동이 균일한 품질을 유지하는데 우수하게 나타나고 있다.

정확한 주입과 검사를 통한 품질 기준 데이터 제시


가스복층유리는 단순히 주입만 해서 끝난 게 아니다. 가스의 특성상 사는 것이 중요하기 때문에 주입 후에 주기적으로 가스의 양을 측정하여 정확한 품질 기준 데이터를 축적해야 한다.
가스 주입에 있어서도 자동라인에서 효율적으로 생산되는 판프레스 타입과 과거부터 이어오는 수동식의 주입형태에서 최근에는 이동이 간편하고 주입 시 가스의 양과 상태를 표시해주는 장비등이 속속 국내에 공급되고 있다. 가스를 주입하는 코너부분에도 가스주입용 코너키가 따로 생산되어 공급이 되고 있으며 복층유리의 상태에 맞게끔 맞춤형 가스주입도 가능하다. 

주입에서부터 정확한 가스량을 확인하고 주입한 후 복층유리를 제작한다고 완성된 것은 아니다. 제작 된 복층유리는 가스의 치환과정을 거쳐 제대로 성능을 발휘할 때부터 지속적으로 측정을 통해 가스의 함유량을 체크해야 된다. 가스 주입은 100% 가스 주입은 불가하다. 보통은 최대 90% 정도로 나타나며 90%이상을 얻기 위해서는 진공공정을 거쳐야 한다. 이렇듯 진공상태에서 주입을 하지 않는 한 주입시 소량의 공기는 남게 되고 이로 인해 가스는 시간이 지나면 조금씩 세게 된다. 유럽은 85%, 미국은 90%의 가스충진 기준을 잡고 있으며 국내도 85%의 기준이 제시되어 있다. 

가스 함유율 대비 열관류율 값을 측정했을 시 70% 이하로 떨어지면 급격하게 열관류율 값이 떨어지고 가스도 순식간에 빠져버리게 된다. 이에 가스 주입에 있어 80%이상 충진에 3~5년 사이에 70%이상을 유지하면 그 품질은 그대로 유지된다. 가스의 경우 밀봉이 제대로 안된 상태에서 3년이내에 대부분 누출이 되기 때문에 기간 안에 가스의 세는 부분을 체크하여 품질 상태를 파악하는 것이 중요하다. 특히 EN1279-3 규정에 의하면 가스 충진율이 85% 일 때와 90%일 때 열성능의 차이가 크지 않아 85%로 관리를 진행하고 있으며 인공적인 노화시험을 통하여 누출율이 1%이하이면 25년된 제품을 확인했을 시 누출율이 5% 보다 적게 나타났다. 

가스를 측정하는 방법으로는 파괴시험과 비파괴시험으로 나뉜다. 파괴시험은 밀봉된 복층유리 가스층에 구멍을 뚫어 가스를 포집하여 측정하는 방식으로 사용한 시료를 재 사용이 불가하며 정확도가 높다. 반면에 비파괴 시험은 순간적으로 고전압을 방출시 아르곤 가스와 충돌시 발생하는 파장(색상)의 퍼센트를 읽어 가스 농도를 측정하는 방법으로 통상 파괴검사와 비교시 3%내외의 차이가 발생된다. 현재는 파괴시험보다는 보통의 비파괴시험이 많이 이뤄지고 있으며 비파괴 시험은 간편한 장비만을 갖추고 편리하게 이동하면서 측정할 수 있는 장점이 있다. 정확한 측정을 위해서는 파괴시험을 거치는 것이 좋지만 적용된 제품을 뜯어 시험 후 재사용이 불가하고 비용 및 시간적인 문제로 제조업체나 건설사는 비파괴 시험을 많이 시행하고 있다. 특히 가스측정에 있어서도 환경적 요인에 따라 변화가 큼으로 적절한 환경과 반복적 시험을 통해 정확한 수치를 잡아내는 것이 중요하다.

한국판유리산업협회 가스주입 단열유리 단체표준 제정

에너지절약에 대한 관심이 높아지면서 가스복층유리에 대한 수요 늘어나고 있지만 정작 가스복층유리에 대한 품질 기준이 없어 한국판유리산업협회는 가스주입 단열유리에 대한 단체표준을 제정하였다. 

단체표준 제정 배경으로 건물에 있어 유리를 통한 열손실이 24∼45%를 차지할 정도로 심각하다. 이에 선진 유럽 등에서는 열손실을 줄이기 위하여 많은 노력들이 이루어지고 있으며 그 일환으로 가스(아르곤, 크립톤)를 주입한 단열유리 사용이 보편화 되고 있고, 근래 우리나라에서도 가스를 주입한 제품 사용이 증가하는데 반해 가스주입 유리에 대한 품질 기준이 없어 단체표준을 제정하게 되었다. 

단체표준 제정에 따른 효과로는 그동안 가스가 주입된 제품에 대하여 가스 주입량 및 누출량에 대한 정확한 시험 방법이 없어 애로사항이 많았으나 단체표준의 제정으로 명확한 시험은 물론 생산 제품에 대한 신뢰를 얻을 수 있어 시장 저변 확대에 기여할 수 있게 되었고 근래 정부에서 추진하고 있는 저탄소배출 및 에너지효율 개선정책에도 기여할 수 있게 된 점이다.

협회에서는 가스 충진에 있어서 함유율을 85%이상으로 단체표준에 명시하고 있다. 이는 원래 불활성 가스인 아르곤의 비중은 공기를 1로 볼때 1.35가 된다. 그래서 가스를 주입시 어느 정도의 치환(Purging)이 가능하다. 하지만 100% 혼합되지 않는 특성이 있다. 이에 생산자가 얻을 수 있는 값은 최대 90% 정도로 파악하고 있다. 이 외에도 협회는 한국건자재시험연구원과 협조아래 내후성시험 및 가스의 충진과 누수상태등 다양한 시험을 통하여 완벽한 품질의 제품에 대하여 단체표준 인증을 수여하고 있으며 소비자들이 믿고 적용 할 수 있는 고품질의 가스복층유리 공급에 힘을 보태고 있다.

국내 가스복층유리 시장 확대와 인식 변화 필요

가스복층유리의 수요는 계속 늘어나고 있지만 국내 복층유리 시장은 대다수의 업체들이 아직까지도 품질 기준을 못 잡고 있으며 가스복층유리 생산을 꺼리는 경우가 많다. 

이는 까다로운 제작 과정과 높은 품질 수준을 요구하는 시장에 부응하지 못하기 때문이며 과거에서부터 이어온 일반복층유리 생산에 길들여져 있어 세심한 품질관리에 취약점을 나타내고 있다. 일반적인 복층과 다르게 가스의 특성을 파악하고 가스가 세지 않게 완벽한 복층 제작을 위해서는 정확한 제작 지침과 품질에 대한 높은 인식의 변화가 필요하다. 건축물의 에너지 절약에 대한 강도 높은 정책과 최근에 실시되고 있는 건축물 에너지 소비효율등급제등의 제도에 부합한 고기능성복층유리를 제작하기 위해서는 반드시 가스복층유리는 필요한 제품이다. 

단순히 로이유리만 적용해서는 1등급의 복층유리를 생산하기 힘들기 때문에 로이와 더불어 가스의 주입은 향후 필수로 자리매김할 것이다. 이에 복층유리 생산업체들은 변화하는 시장에서 뒤떨어지지 않고 완벽한 제품을 공급하기 위해서는 우선 체계적인 품질관리 시스템을 확충하고 복층유리 제작 시 가스주입을 완벽하게 적용할 수 있는 시스템으로의 변화가 시급하다.

 

 

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