2.1 실험 장치

주변 기구물에서 반사된 빛은 복사열로 전환되는 과정에서 스펙트럼이 변화한다. 이러한 노이즈를 제외하기 위해 자연광원 실험장치를 주변 빛을 흡수하는 검은색으로 제작하였다. 반사판(Reflector)에서 반사된 빛은 PMMA 외피와 수막층을 통과하여 Standard board를 비추게 되고 이 빛을 분광복사계(Spectral Evolution社, PSR-3500, Accuracy 6%, Resolution avg. 6 nm)로 광량을 측정한다. 실험변수인 수막층의 두께는 심(Shim)을 쌓아서 조절하였고, PMMA 두께도 실험조건에 맞춰 변경하였다. 자연광원 실험장치의 상세구성은 Fig. 1(Left), 실험조건은 Table 1에서 확인할 수 있다.

인공광원 실험은 실험조건별 시편을 제작하여 실내에서 수행하였다. 시편의 크기는 130×110 mm, 두께는 1.5 mm의 PMMA로 제작하였다. 인공광원은 태양광과 가장 유사한 할로겐램프(Illumination 100×50, Specim Spectral Imaging Ltd)를 사용하여 Specim社의 fx10(파장: 400~1000 nm), fx17(파장 900~1700 nm)로 광량을 측정(Accuracy 4%, Resolution avg. 5.5 nm)하였다. 인공광원 실험장치의 상세구성은 Fig. 1(Right), 실험조건은 Table 1에서 확인할 수 있다.

Fig. 1 Schematic of experimental apparatus; Natural light (Left), Artificial light (Right).

2.2 실험 조건

본 연구는 자연광원과 인공광원을 사용하여 다양한 수막층 및 PMMA층 두께 조건에서 실험을 수행하였다. Case #N-1과 Case #A-1은 PMMA층과 수막층 없이 광원만 있는 조건으로 모든 실험결과의 Baseline이 된다. 실험에 사용된 자연광원과 인공광원의 PMMA층 두께가 다르다. 이것은 실험에서 PMMA 두께의 영향력이 작아 실험조건을 간소화하였기 때문이며, 3.2절에서 관련 내용을 확인할 수 있다. 이외 일반 비닐온실에 사용되는 PE 필름(Case #A-6)도 실험하여 수막층 조건과 성능을 비교하였다.

3.1 수막층의 광학적 특성

태양열획득계수(Solar heat gain coefficient, $g$)는 ⁽¹⁾ 태양광이 창문 또는 외피를 투과하여 실내로 유입되는 에너지(광학적 성분)와 ⁽²⁾ 태양광이 창 또는 외피에 흡수되고 실내로 재방사되는 에너지(열적 성분)를 합한 값이다. 일반적인 창과 비교하여 WFG 기술의 $g$는 물의 순흡수율($A_{v}$)이 추가되며 이 값은 유량에 의한 3가지 성분으로 구분되는 등 복잡한 물리현상으로 설명된다. Fig. 2는 이러한 $g$를 설명하기 위해 WFG 기술의 태양복사 성분을 구분한 개념도^(7,8)이다. 본 실험은 $g$에서 광학적 성분에 해당하는 태양방사 광투과율(Transmittance, $T$)을 측정하는 실험이다. 향후 소규모 온실 실험을 통해 열적 성분(2차 실내 열적 방사율, $A_{I}$)에 대한 실험을 수행할 예정이다.

Fig. 2 Distribution of solar radiation in WFG technology.

3.2 자연광원 실험 결과

가시광선(Visible light, VIS)은 일반적으로 350 ~ 750 nm의 파장범위를 가진다. 적외선(Infrared, IR)은 750 ~ 1,000,000 nm의 파장범위를 가지며, 여기서 750 ~ 2,500 nm의 파장범위가 근적외선(Near infrared, NIR) 이다. 이 실험은 350 ~ 2,500 nm 파장범위의 광량을 측정하였으며, 가시광선과 근적외선으로 구분하여 실험결과를 분석하였다. 자연광원 실험은 태양이 이동하면서 광량이 변화하므로 실험결과를 정량적으로 비교를 할 수 없다. 그러므로 실험의 광량을 0 ~ 1의 값으로 변환하는 정규화(Normalization) 방법을 통해 광량 데이터를 스케일링 하였다. 여기에는 선행연구^(9,10)에서 확인된 두 가지 가정을 적용하였다. 첫 번째는 자연광원은 특정 가시광선 파장영역에서 최대 광량을 가진다. 두 번째는 수막층 30 mm 이하 조건에서 특정 가시광선 파장영역에서 광량의 변화는 거의 없다. 이렇게 자연광원 실험결과가 정규화된 스펙트럼으로 변화된 것을 Fig. 3에서 확인할 수 있다.

Fig. 4는 전체 자연광원 실험결과를 정리한 그래프이며 수막층 두께변수는 색으로, PMMA층 두께변수는 모양으로 기호를 구분하였다. PMMA층과 수막층이 있는 조건(Case #N-2 ~ 10)은 PMMA층과 수막층이 없는 조건(Case #N-1)과 비교하여 가시광선 영역의 광량이 약 10% 감소하였다. 이것은 일반적인 PMMA 재료의 광차단율(반사율과 흡수율의 합)과 일치하였다. 가시광선 영역에서 PMMA층과 수막층의 두께에 의한 광량의 변화는 거의 없었다. 선행연구⁽¹⁰⁾를 통해 확인된 가시광선 영역 광량이 감소하는 수막층 두께는 50 mm 이상이며, 이 실험의 최대 수막층 30 mm까지는 선행연구와 동일하게 거의 영향이 없었다. 근적외선 영역에서 PMMA층 두께 증가에 따른 광량의 변화는 거의 없었지만, 수막층 두께가 증가하면 근적외선 광량이 크게 감소하였다. 특히나 근적외선 중에서도 파장이 길수록 5 mm의 얇은 수막층에도 광량이 95% 이상 감소하였다.

Fig. 4는 실험변수에 따른 경향을 확인할 수 있으나 파장별 광량의 차이가 크므로 변수에 따른 정량적 변화를 확인하기 어렵다. Fig. 5는 Case #N-1의 파장별 광량을 기준(Baseline)으로 투과율을 나타낸 그래프이며, Table 2는 가시광선과 적외선 투과율을 정리한 표이다. 이 그래프와 표를 통해 파장영별 실험변수의 영향력을 뚜렷하게 확인할 수 있다. 여기서 투과율은 빛이 물체를 통과하는 정도를 의미하며, 차단율(반사율과 흡수율의 합)과 투과율의 합은 100%이다. 가시광선 영역에서 PMMA층 두께에 의한 투과율 변화는 거의 없었다. 수막층 5, 12 mm의 경우(Case #N-2, 3, 5, 6, 8, 9) 투과율 85% 이상이며 실험조건별 투과율의 차이는 거의 없었다.

수막층 30 mm의 경우(Case #N-4, 7, 10) 600 nm 파장을 시작으로 투과율이 조금 감소하였다. 모든 실험조건에서 근적외선의 투과율은 10 ~ 25% 수준으로 크게 감소하였는데, 특히 1,300 nm보다 장파장인 근적외선 투과율은 5% 미만이었다. 750 ~ 1,300 nm 범위의 근적외선에서는 PMMA층과 수막층 두께에 의해 투과율이 크게 변화하였다. 동일한 수막층 조건에서 PMMA층 두께 0 → 1 → 5 mm 순서로 투과율이 높았으며, 수막층이 두꺼울수록 PMMA층 두께에 따른 투과율 차이는 감소하였다. 즉, 근적외선 영역에서 수막층의 영향력이 강해질수록 PMMA층의 영향력은 감소하였다.

Fig. 3 Comparison of natural light experiment data; Before normalization (Left), After normalization (Right).

Fig. 4 Overall experiment data of natural light (Case #N-1 ~ N-10).

Fig. 5 Natural light transmittance by experimental conditions.

3.3 인공광원 실험 결과

Fig. 6은 전체 인공광원 실험결과를 정리한 그래프이다. 수막층 두께변수는 색으로, PMMA층은 선 종류로 기호를 구분하였다. 인공광원 실험은 광원의 변화가 없으므로 정규화 방법을 사용하지 않았다. PMMA층과 수막층이 있는 조건은 PMMA층과 수막층이 없는 조건과 비교하여 가시광선 광량이 감소하였고, 전체 실험조건에서 수막이 없는 PMMA층(Case #A-2)과 PE 필름(Case #A-6)의 가시광선 광량이 가장 낮았다. 가시광선 영역에서는 특이하게도 PMMA층이 있는 실험조건 중 수막층이 없는 조건보다 수막층이 있는 조건(Case #A-3 ~ 5)의 가시광선 광량이 높았다. 이것은 이종 물질간의 굴절률 차이가 작을수록 반사되지 않고 투과하는 빛의 특징 때문이다. PMMA의 굴절률이 약 1.5이고 물(굴절률 1.33)이 공기(굴절률 1)보다 굴절률 차이가 작으므로 공기층보다 수막층의 가시광선 광량이 증가하였다. 이것은 가시광선 투과율이 높을수록 좋은 온실의 특징을 고려하면 매우 긍정적인 효과이다. 근적외선 영역에서 수막층 두께가 증가하면 근적외선 광량이 크게 감소하였고, 근적외선 중에서도 파장이 길수록 5 mm의 얇은 수막층에도 광량이 크게 감소하였다. 이것은 자연광원 실험의 경향과 일치하였다.

Fig. 7은 Case #A-1의 파장별 광량을 기준(Baseline)으로 투과율을 나타낸 그래프이며, Table 3은 가시광선과 적외선 투과율을 정리한 표이다. 가시광선 영역에서 PMMA층(Case #A-2)과 PE 필름(Case #A-6)의 투과율은 약 85 ~ 86% 수준으로 비슷하였다. 수막층 5, 12 mm(Case #A-3, 4)의 투과율은 89% 수준으로 비슷하였으나, 수막층 30 mm(Case #A-5)의 투과율은 3% 높은 92%로 실험조건 중 가장 높았다. 자연광원과 비교하여 인공광원 실험의 가시광선 투과율이 3% 가량 높았다. 자연광원 실험에서는 굴절효과에 의한 수막층의 가시광선 투과율 증가와 같은 현상이 관찰되지 않았는데, 이것은 자연광원 실험결과 분석에 사용한 정규화 방법의 한계 때문이다. 750 ~ 1,300 nm 범위의 근적외선 투과율은 수막층 두께에 반비례하여 감소하였다. 1,300 nm보다 장파장인 근적외선 투과율은 수막층이 있는 경우 5% 미만으로 크게 감소하였다. 이 실험을 통해 관찰된 특징을 온실용 외피에 적용하기 위해서는 수막층 두께 증가의 장점인 근적외선 투과율 감소와 단점인 중량 증가의 트레이드 오프(Trade-off)를 고려하여 적절한 수준으로 선택해야 한다. 온실에 적용하기 위한 적절한 두께의 외피 선택에 관해서는 향후 연구에서 다룰 예정이다.

Fig. 6 Overall experiment data of artificial light (Case #A-1 ~ A-6).

Fig. 7 Artificial light transmittance by experimental conditions.

3.4 실험결과의 신뢰성

자연광원과 인공광원 실험을 종합한 결과는 Fig. 8에서 확인할 수 있다. 자연광원 실험조건인 Case #N-5, 6, 7은 각각 수막층 5 mm(빨간색), 12 mm(파란색), 30 mm(녹색)이며 점선으로 나타내었다. 인공광원 실험조건인 Case #A-2, 3, 4는 각각 수막층 5 mm(빨간색), 12 mm(파란색), 30 mm(녹색)이며 실선으로 나타내었다. 두 실험의 결과는 750 ~ 1,000 nm의 근적외선 파장에서 차이가 있지만 이외 근적외선과 가시광선 파장 영역에서는 투과율의 경향과 수치가 유사하였다. 특히나 파장이 길수록 그리고 수막층 두께가 증가할수록 자연광원과 인공광원의 실험결과가 일치하였다. 자연광원 실험에서 정규화 방법과 같은 인위적인 데이터 스케일링이 적용된 점과 측정장비의 신뢰성을 고려하면 자연광원 실험보다는 인공광원 실험결과의 신뢰성이 높다고 판단한다. 인공광원 실험결과는 인공광원을 활용해 물 두께에 따른 투과율을 측정한 Kanayama and Baba⁽⁹⁾의 실험결과와 경향이 유사하다. Kanayama and Baba⁽⁹⁾의 실험은 PMMA층이 없으므로 이 실험보다 전반적으로 투과율이 높다는 점과, 수막층 두께가 3, 10 mm로 실험조건이 조금 상이한 점을 감안하면 이 실험의 측정결과와 상당히 일치한다.

Fig. 8 Natural light & artificial light transmittance by experimental conditions.