건물 에너지절약과 관련 창호로 빼앗기는 열만 잡아도 큰 에너지 효율을 잡을 수 있기 때문에 국내 창호업체들은 단열성능을 강화한 제품을 지속적으로 선보이고 있다. 특히 지난 2012년부터 시행되고 있는 창호의 에너지효율등급 제도가 시행되면서 단열성능 1.0W/㎡K이하의 성능이 대폭 향상된 창호 제품들이 대거 출시되고 있는 상황에서 세계 어느 나라에도 뒤지지 않는 창호기술 수준을 확보하고 있는 국내 창호기술 발전사와 최근의 창호기술 현황까지를 정리해 봤다.
창호기술 발전의 변천사를 살펴보다
국내 창호 업체들은 침체된 현 창호시장에서 차별화된 경쟁력을 갖추고 PVC창과 알루미늄 창 모두 단열과 기밀, 차음 성능의 형상을 위해 지속적으로 신제품을 개발하고 있다. 특히 단열성과 차음성에 대한 소비자 요구가 높아지면서 에너지 절감효과를 극대화하기 위해 기능성 유리와 특수소재의 간봉, 크립톤 가스를 사용한 유리를 사용하면서 정부의 녹색성장 시책에 부합해 전체적인 창호시장을 선도하고 있다.
건축물의 에너지 절감 중 가장 큰 역할을 차지하는 창호제품 기술의 발전 동향을 살펴보면 창호는 크게 창틀과 문틀, 이에 사용되는 하드웨어 및 실링부재를 모두 포함하는 창호시스템과 유리로 나눌 수 있다. 오일쇼크와 더불어 기밀성능과 단열성능이 주요 품질기준이 됨에 따라 1980년대에는 알루미늄 창호보다 PVC창호의 보급이 확대됐다.
1960년대 알루미늄 창호의 보급을 시작으로 70년대 후반 PVC 창호의 보급으로 기밀과 단열성능이 이때부터 주요 품질기준으로 자리 잡았다. 70년대 말 플로트 판유리를 국내에서 직접 생산 할 수 있는 체계를 갖춘 점은 창호의 제작 및 공급면에서 우리나라가 한층 발전할 수 있는 계기를 마련해 주었다. 80년대 들어오면서 정부 및 민간 건설사에 의한 아파트의 급속한 보급으로 국내 창호산업이 본격적으로 성장할 수 있는 계기를 마련하게 됐다.
1990년대에는 고단열·고기밀 창호인 시스템창호의 보급과 더불어 90년대 중반 이전의 단순한 미서기 형태에서 벗어나 독일식 또는 미국식 고단열 창의 도입 및 커튼월 기술의 보급으로 새로운 변화를 추구하게 됐다.
90년대 초반부터는 외국기술 도입으로 국내에 소개된 커튼월 기술의 보급으로 상업용 건물의 새로운 변화를 가져오기도 했다.
2000년대에 들어서는 생활수준 향상, 에너지 문제의 부각 등으로 인해 쾌적하고 건강한 주거환경을 추구함에 따라 고단열, 고기밀, 차음성을 갖춘 에너지 효율형 다기능 창호가 개발됐다.
열교차단 프레임 설계, 접합부위의 단열, 기밀 성능 개선 및 단열간봉에 대한 성능 향상, 아르곤 가스 및 크립톤 가스 충전, 로이코팅 또는 로이필름을 적용한 복층유리, 삼중유리, 진공복층유리 등을 예로 들 수 있다.
특히 유럽 국가들을 중심으로 자연환기시스템을 창문 상부 또는 하부에 설치하는 환기 결합형 창호 프레임, 열교환기 및 송풍기가 내장된 창호시스템, 루버형 전동창 등이 활발하게 개발·보급되면서 우리나라도 이 같은 흐름을 이어 받았다. 추후에는 온·가습기 역할을 하는 창문과 에어컨의 기능을 할 수 있는 창문, 창문의 유리가 디스플레이화면으로 보여 지는 제품 등 과학을 접목한 창문이 개발될 것으로도 보인다.
최근 개발되고 있는 한국형 고기능성 창호기술이란?
고기능성 창호 개발과 관련해 우리나라는 4계절의 뚜렷한 기후를 갖고 있어 우리나라 특성에 맞는 창호개발이 중요하다.
창문의 에너지세이빙을 위해 창의 면적을 줄이는 건 조망을 중요시 하는 우리나라 소비자 정서에 맞지 않다. 이 때문에 프레임에서는 주로 챔버안에 고단열재를 투입하는 방식과 프레임 개발에 한계가 오면서 고성능 유리를 이용해 창호의 성능을 향상시키는 방법 등이 모색되고 있다. 최근에는 전기변색, 열색성 기술 등을 융합한 제품이 연구되고 있다.
실제 관련 업체에서는 우리나라 기후와 주거문화 실정에 맞는 고기능성 창호를 개발하는데 집중하고 있다. 우리나라 창호는 계절이 바뀌면서 온도 역시 달라지는 기후조건으로 온도 변화에 따라 건축물의 냉ㆍ난방 에너지를 줄일 수 있는 기술이 필요하다.
고단열 창호기술을 유리와 프레임으로 나누어 살펴보면 유리의 경우 창호에서 가장 큰 면적 비율을 차지하는 부분이며 단열성능 향상을 위해 다양한 기술들을 적용 할 수 있다. 일반적으로 유리에 적용되는 단열기술은 2중, 3중 유리 구성으로 다수의 유리사이에 비활성 가스층을 두어 유리 전체의 열전도율을 낮추거나 로이코팅을 복합 적용해 열관류율을 패시브하우스 수준인 0.8W/㎡K이하로 낮출 수 있다. 하지만 열적 취약부위인 프레임과 접합이 돼 하나의 창호를 형성할 때는 총체적인 열관류율을 0.8W/㎡K이하로 확보하기는 쉽지 않다.
최근에는 복층유리 구조에서 중공층을 진공화해 중공층 내에서 발생되는 대류 및 전조 메커니즘을 원천적으로 차단하는 진공유리도 개발되고 있지만 본격적인 상용화는 아직 이뤄지지 않고 있다.
창호의 프레임 기술로는 PVC 창호의 경우 열전도율이 낮아 프레임의 단열성능 면에서 유리하나 구조적인 강성이 떨어져 구조 보강재 등 부수적 부품이 소요된다. 알루미늄 창호의 경우 열전도율이 높아 프레임에서의 열적 성능이 떨어지는 단점을 갖고 있어 열전도를 막기 위해서 열이 전도되는 내부와 외부 알루미늄을 아존이나 폴리아미드 같은 단열재로 분리시켜야 한다.
프레임 부위의 경우 재질이 열성능에 가장 큰 영향을 미치지만 구조 또한 열성능에 크게 영향을 미친다. 프레임 부위는 다공 격벽구조로 이뤄져 있으며 창호의 보강재 및 부자재를 설치할 수 있는 공간 및 압출의 용이성이 고려돼 설계된다. 이러한 격벽구조는 일반적으로 단열성능 면에서 많은 격벽구조를 가지는 창호가 성능이 우수하나, 내부 격벽의 크기가 너무 클 경우 격벽에 면하는 표면의 온도차에 의한 자연대류현상이 커져 열성능이 오히려 나빠질 수 있다. 유리 엣지의 경우 프레임과 유리가 만나는 부분으로 복층유리에서 유리 간격을 유지하기 위한 간봉의 재질에 따라 다양한 단열 성능을 확보할 수 있다.
더불어 창호의 고단열 성능 확보를 위한 중요한 기술은 열교 방지 설계이다. 창호는 각 구성부위가 다양한 재질의 재료가 서로 접합돼 시스템을 이루기 때문에 이들의 접합부위와 상대적으로 열성능이 낮은 부위에서 발생하는 열교현상을 막기 위한 전열 해석과 이에 대한 설계가 필수적이다.
단열뿐아니라 창호의 기밀성능도 매우 중요한 사항이다. 지역에 따라서는 단열보다 기밀성능이 더 중요하기도 하다. 최근 개발되고 있는 고기밀 창호의 주요 세부기술은 작동 방식을 이용한 기밀성 강화기술과 실링재, 가스켓 등 부작재에 의한 기밀성 강화 기술로 크게 구분할 수 있고, 이중 창호의 개폐 작동 또는 가동형 가스켓 등 작동 방식에 의한 기밀성 강화 기술이 주요 기술이다.
국내에 널리 적용되고 있는 슬라이드 방식 창호의 경우 높은 수준의 열성능이 확보된 고효율 창호라 하더라도 제품의 구조적 특징 또는 시공 하자 등에 의해 발생된 창틀-창문, 또는 창문-창문 간 공극을 통한 침기에 의한 열손실이 건물의 에너지소비에 영향을 미칠 수 있다. 때문에 슬라이드 창호의 침기에 의한 열손실을 최소화하기 위해서는 기존의 모헤어 등 부자재 및 창호 개폐장치에 의한 기밀화 기술외에 가동형 부자재 및 창호 개폐 매커니즘을 활용하는 보다 능동적인 창호 고기밀성 유지 기술의 개발이 진행되고 있다.
일사조절 관심 증대, 나노소재 융합한 창호 개발 완료
그동안 창호의 열성능을 열관류율로 평가한 것에 반해 최근 들어서는 창호의 일사열 취득에 관한 관심 및 연구가 증대되면서 창호의 차열성능에 대한 관심이 증대되고 있다. 창호의 단열성능이 난방 부하에 밀접한 영향을 미친다면 창호의 차열성능은 외부 일사로부터 유입되는 에너지를 감소시키는 것으로 건물의 냉방부하와 밀접한 관계를 가진다.
최근 개발되는 창호의 차열 성능 확보를 위한 기술들은 조망이나 가시권을 확보함가 동시에 적외선 영역의 파장대를 차단하는 기술로 대표적으로 트리플 로이 코팅 유리를 들 수 있다. 트리플 로이 코팅의 경우 가시광선 투과율은 일정수준 유지하면서 적외선은 90%이상 차단 할 수 있다. 하지만 이러한 창호에 고정형태로 설치되는 차열성능 확보 기술들은 냉방기에 차열성능을 확보하지만 난방기에 일사유입을 막아 난방부하를 증대시키는 단점을 지니고 있다. 이 같은 이유로 최근 개발되는 일사조절용 창호기술은 부하에 따라 차폐율의 가변적인 기술 스마트 원도우와 창호일체형 일사조절 기술로 구분할 수 있다.
스마트 윈도우로 알려진 기술로는 태양광의 차폐기능을 전기적으로 수행하는 일렉트로크로믹 유리와 산화팔라듐 박막을 이용한 써모크로믹 유리가 존재한다. 써모크로믹 유리의 경우 온도에 따라 투명도가 변하는 기술로 현재 개발 중인 제품류는 유리와 플라스틱 간에 젤을 삽입한 형태로 낮은 온도에는 투명도가 높은 온도에서는 분산성이 높아지도록 설계돼 열에 의해 색상이 변하는 특성을 이용해 유리의 투과율과 반사율을 조절하는 기술이다.
이와 함께 고기능성 창호 개발 중 주목받고 있는 것이 바로 나노기술을 융합한 창호 개발이다. 최근 전자기술연구원과 KCC는 국가 R&D 지원과 공동투자를 통해 연구 6년 만에 다중나노코팅 고단열 창호시스템 개발에 성공했다고 밝혔다.
기존의 싱글·더블 로이 유리 대비 단열성능과 차폐성, 가시광 투과성 등이 향상된 다중 나노소재 결합방식의 코팅유리가 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발된 것이다. 산화주석과 실버막 등 13개 나노소재를 복합 코팅·설계해 개발한 유리로, 창호 기능성이 최대 35% 이상 향상된 것으로 평가된다.
다중나노코팅 고단열 창호시스템은 기존의 싱글·더블 로이유리와 비교할 때 투과·차폐, 방사 등에서 우수한 것으로 평가된다.
이번에 개발한 유리는 가시광 투과율 68%를 비롯해 열관류율 1.4W/㎡K, 차폐기능계수 0.4 등을 달성했다. 특히 제작방식도 기존의 습식 코팅방식과 달리 진공상태에서 건식으로 전기를 가해 코팅하는 스포터링 기법 등을 채택한 것으로 알려졌다. 게다가 다중나노코팅 제작비가 현재 더블로이 비용 수준이면 가능한 것으로 나타났다.
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