1. 서 론

유리창호는 일반적으로 건물의 개구부에 설치되어 내부와 외부를 구분하는 창이나 문을 지칭한다. 유리창호는 단순히 내외부를 차단하는 기능을 넘어 다양한 역할을 수행한다. 주요 기능으로는 건물 내외부 상황 인지, 자연광 유입, 실내 열손실 방지, 그리고 개폐를 통한 실내 공기 환기 등이 있다(Korea Flat Glass Window Association, 2018). 이러한 다양한 기능을 통해 유리창호는 건물의 에너지 효율성과 거주자의 쾌적성을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 그런데, 유리창호에 사용되는 유리는 취성적인 재료의 특성으로 인하여 쉽게 파손되는 사례가 많다.

외부 충격에 대한 유리판의 내충격성능 평가 및 내충격성능 강화를 위한 다양한 연구가 진행되어졌다. Kim and Choi(2000)은 공기총식 강구 충격 시험장치를 제작하여 소다유리판에 직물형 유리섬유/에폭시 복합재료를 피막한 유리 시편을 이용하여 미소강구에 의한 표면충격 실험을 진행하였다. 직물형 유리섬유/에폭시 복합재료 박막이 피막처리된 취성재료는 미소입자충격에 의한 표면파괴를 효과적으로 감소시키는 것으로 평가하였다. Song et al.(2012)은 법의학적 분석을 통해 열 및 발사체 충격 응력에 의한 유리의 파괴 패턴을 조사하였다. 30° 및 45°의 입사각도로 발사체가 유리에 충돌한 후 파손 형상을 분석하였다. Jeon et al.(2013)은 약 500 km/h 속도로 충돌체를 발사할 수 있는 압축 공기식 충격시험 발사 장치를 설계 및 제작한 후 도시철도 및 일반철도에 사용되는 전면창유리 시편(1000 mm × 700 mm)에 제작한 발사 장치를 이용해 충돌 속도에 따른 시편의 충격 특성에 관하여 연구하였다. Ha and An(2018)은 7개의 소다라임 유리층과 폴리카보네이트 백킹(polycarbonate backing)이 얇은 층간 재료로 마스킹(masking)된 다중적층 유리의 탄체 침투에 의한 크레이터(crater) 및 침투 깊이, Hertz type 균열, 방사형 균열 및 물결 무늬 균열과 꽃모양균열 등을 실험 연구를 수행하였다. Choi et al.(2017)은 성인 머리모형(Headform)을 자동차 전면유리(접합유리)에 다양한 속도로 충돌시키는 실험연구를 진행하였다.

Cheong et al.(2003)은 단일 입자 충돌 실험에서 얻은 유리 조각의 크기 분포에 대한 충돌 각도와 충돌 속도의 영향을 연구하였다. 탄성 파괴는 낮은 충격속도와 완만한 충격 각도에서 환형으로 재료가 분리되는 반면, 비탄성 파괴는 높은 충격속도와 가파른 충격 각도에서 광범위한 파편화를 유발한다고 보고하였다. Harshey et al.(2017)은 다양한 두께(3 mm, 4 mm, 5 mm)의 유리창(일반 유리판 및 얇은 태양열 차단 필름 부착 유리)에 4.5 mm 구경 공기 소총으로 납탄을 발사하여 발생하는 유리창의 균열 패턴을 연구하였다. 모든 유리판 구멍의 직경이 카이제곱 검정(chi-square test)에 의해 입증된 선형 플롯에서 일관성이 관찰되었고, 구멍 직경이 4.77 mm에서 7.5 mm 사이인 것으로 보고하였다. Tiwari et al.(2019)는 공기총에 의한 유리의 다발골절 패턴을 평가하기 위해 다양한 두께의 유리판을 둥근 노즈 펠릿을 가진 공기총으로 고정된 범위에서 수직으로 발사하는 시험을 수행하였다. 파단 유리 판유리의 육안 검사에서 3 mm 판유리는 원형 모양의 미스트 영역을 가지고, 4 mm(투명 및 프라이버시 모두) 유리판의 미스트 영역은 가장자리가 둥근 타원형 또는 삼각형이며 5 mm 두께 유리판의 미스트 영역은 불규칙한 것으로 나타났다. Cai et al.(2022)는 다양한 샌드위치 재료인 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리우레탄(PU), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 센트리글라스(SGP)의 네 가지 유형의 합판 유리로 충격 파괴 패턴에 대해서 연구하였다. 낮은 속도(35 m/s)에서는 PU와 PVB로 부착한 접합유리가 EVA와 SGP 재료로 채워진 접합유리보다 내충격성이 우수했으며, 중간 속도(50 m/s)와 높은 속도(65 m/s)에서는 충격 저항이 더 우수하다고 보고하였다. Waghmare(2018)은 AK 47/56 소총을 이용하여 유리의 파손 형태를 분석하였으며, 발사체에 의해 형성된 천공경으로부터 동심원이 방사형으로 형성됨을 확인하였다. 발생되는 유리 파편 형상은 발사속도 및 충격 각도에 따라 다르게 나타났다고 보고하였다. Kim et al.(2025)는 8, 10 mm 쇠구슬을 5 mm 두께의 로이유리에 발사하여 손상임계속도(damage limit velocity)에 관하여 연구하였다. 8 mm 강구가 5 mm 두께 로이판유리에 손상을 발생시킬 수 있는 손상임계속도는 약 40 m/s로 보고하였다.

다양한 유리의 내충격성능 평가 연구가 수행되었지만, 각도에 따른 연구는 국내외적으로 많이 부족한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 Kim et al.(2025) 연구를 바탕으로 8 mm 쇠구슬을 다양한 각도로 발사하였을 때, 발생하는 유리의 파손형태를 분석하고자 한다.

2. 실험 계획

2.1 실험 계획

실험은 공칭 두께 5 mm의 로이판유리를 대상으로 50 m/s 이상 속도를 가지는 8 mm 강구를 다양한 각도로 충돌하고자 한다(Table 1). 실험대상 유리로 상가와 주택에 가장 많이 사용되는 로이단판유리를 선정하였다. 로이유리(Low-Emissivity glass, Low-e glass)란 일반 유리에 silver coating을 하여 태양열 또는 난방열을 상당부분 반사시킴으로 에너지 절약에 효과적인 유리이다(Bocchese et al., 2023). 일반적으로 로이 단판유리 2장을 약 3 mm간격으로 두고 만든 복층로이유리를 많이 사용한다. KS L 2017(2008)에 따라 측정된 유리의 두께는 4.8 mm, 내습성은 0.3, 방사율은 0.111이다.

2.2 실험 장비

실험장비는 실제 새총을 모사하여 고무줄의 장력을 이용한 실험장비를 구상하였다(Fig. 1). 실험장비는 크게 5파트로 구성되었다. Part 1은 전자석을 당기는 줄감개 도르래이다. Part 2은 전자석을 이용한 발사장치로써 로프를 당겨 고무줄에 장력을 도입한다. 발사장치로써 한쪽에는 전자석, 다른 한쪽에는 와이어가 고리에 연결되어져 있으며, 전류가 흐르면 전자석이 와이어 고리를 고정하며, 전류를 차단하면 와이어 고리가 풀리면서 와이어가 풀리는 방식이다. 고무줄 당김거리를 조절함으로써 발사속도를 조절 가능하다. Part 3은 발사장치로서 한쪽에는 와이어가 연결되어져 있으며, 다른 한쪽은 고무줄로 체결된 작은 수레가 연결되어져 있다. 전자석 발사장치로 와이어로프를 당긴 후 발사버튼을 누르면, 작은 수레가 비상체를 밀고 나아간다. Part 4는 속도 측정 파트로서 시중에서 판매하는 레이저 속도 측정기를 설치하였다. Part 5는 유리 고정 장치로서, 실제 유리창과 동일하게 유리 창틀도 함께 제작하여서 설치 가능하다. 유리 창틀의 크기는 800 × 800 mm²이며, 창틀의 크기는 약 75 mm 폭이며, 두께는 50 mm이다. 따라서, 유리의 크기는 650 × 650 mm²이며, 유리는 창틀에 의해서 4면 고정이다. 유리창틀을 고정하기 위해서 푸쉬 토클 버튼을 상하에 각각 4개씩 설치하였다. 또한, 충돌 후 유리 파편의 비산을 막기 위해서 대형 보호막을 설치하였다.

Fig. 1.

Test device

3. 실험 결과

8 mm 강구가 5 mm 두께의 로이판유리에 충돌 후 발생된 파손의 크기를 Table 2에 나타내었다. 충돌하중을 받은 유리는 대부분 Fig. 2와 같이 원뿔대(truncated cone)의 파손이 발생하였다. 여기서, C_max와 C_min은 원뿔대 밑면 원형 손상(cone crack)의 최대 지름과 최소 지름, P_max와 P_min은 원뿔대 윗면 천공(perforated hole)의 최대지름과 최소지름이다. ARC(aspect ratio of cone crack)와 ARP(aspect ratio of perforated hole)는 원형손상과 천공의 형상비(=최대지름/최소지름)이다. 이 때, 각 실험에서 충돌속도가 다소 다르므로, 실험결과의 동등한 비교를 위해서 강구의 운동에너지(kinetic energy, KE)로 나누어서 Table 2에 함께 나타내었다. 충돌 실험 후 대표적인 실험체 사진을 Fig. 3에 나타내었다.

손상이 발생한 실험체 중 2번 실험체를 제외하고, Fig. 2와 같이 동심원형 형태의 원형 손상과 천공이 나타났다. 2번 실험체는 다른 실험체와 다르게 방사형태의 균열이 다수 발견되었다. 이는 동일한 조건의 실험일지라도 다양한 파괴형상이 발현될 수 있음을 나타내며, 취성적인 유리의 특성이 반영된 결과라 판단된다. 그리고, 80° 충돌 각도로 5회 발사하였는데, 이 중에서 2회는 유리에 파손이 발생되지 않았으며, 유리 표면에 타격 흔적만 남았다. 파손이 발생한 3회에서도 손상이 크지 않았다.

Fig. 2.

Cone crack and perforated hole of damage (Kim et al., 2025)

Fig. 3.

Selected test specimens

Fig. 4는 충돌 각도에 따른 C_max/KE와 C_min/KE 관계이다. 여기서, 방사형 균열이 발생한 2번 실험체의 데이터는 제외하였다. 정면 충돌(0°)과 각도 15° 충돌의 C_max/KE 값은 각각 8.48 mm/J과 8.83 mm/J로 유사하였다. C_min/KE 관해서도, 정면 충돌과 각도 15° 충돌의 C_min/KE 값은 각각 7.13 mm/J과 7.04 mm/J로 유사하였다. 그리고, 30°, 45°, 60° 충돌의 C_max/KE 값은 6.88, 6.77, 7.01 mm/J로 매우 유사하였다. 30°~60° 충격각도의 C_min/KE 값 또한 유사하였다. 각도 80° 충돌의 C_max/KE와 C_min/KE 값은 각각 1.37과 1.11 mm/J로 60° 충돌에 비해 상대적으로 손상이 많이 발생되지 않았다.

Fig. 4.

Cone crack normalized by kinetic energy

Fig. 5는 충돌 각도에 따른 P_max/KE와 P_min/KE 관계이다. 정면 충돌일 때 P_max/KE와 P_min/KE는 각각 1.36과 1.2 mm/J로 측정되었다. P_max/KE는 충돌 각도 30°까지 크게 증가하여, 30° 충돌일 때 P_max/KE 값이 2.30 mm/J이다. 30°와 45° 충돌의 P_max/KE 값은 유사하였고, 45° 이후 60°와 80° 충돌의 P_max/KE 값이 크게 감소하는 것으로 나타났다. P_min/KE는 충돌 각도 15°까지는 증가하였으나, 15°~45° 충돌의 P_min/KE 값이 1.55~1.59 mm/J로 유사하였다. 45° 이후 60°와 80° 충돌의 P_min/KE 값은 크게 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 5.

Perforated hole normalized by kinetic energy

Fig. 6은 충돌 각도에 따른 원형손상과 천공의 형상비(aspect ratio)이다. 정면 충돌일 때 ARP와 ARC는 1.17과 1.12이다. ARC는 각도 증가와 무관하게 1.13~1.29 형상비를 보였다. ARP는 ARC의 경향과 다르게 충돌 각도 60°까지는 증가하는 경향을 보이고 있다. 60° 충돌의 ARP는 1.66으로 0° 충돌보다 약 1.48배 증가하였다. 80° 충돌은 ARP가 1.0으로 현저하게 떨어졌다.

Fig. 6.

Aspect ratio of cone crack and perforated hole

4. 결 론

본 연구에서는 8 mm 강구를 다양한 각도(0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 80°)로 5 mm 두께 로이판유리에 약 50 m/s의 속도로 충돌시켜 발생되는 유리의 파손 패턴을 분석하였다. 실험 결과, 충돌 각도에 따라 유리의 손상 패턴이 다양하게 나타났다. 원형 손상의 경우, 0°와 15° 충돌 시 가장 큰 손상이 발생되었으며, 각도가 증가할수록 손상 크기가 감소하는 경향을 보였다. 특히 80° 충돌에서는 손상이 현저히 작아졌다. 천공의 경우, 30°와 45° 충돌에서 가장 큰 손상이 발생되었으며, 이후 충돌 각도가 증가함에 따라 손상 크기가 감소했다. 원형 손상의 형상비(aspect ratio)는 각도 변화에 큰 영향을 받지 않았으나, 천공의 형상비는 60°까지 증가하다가 80°에서 급격히 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 유리의 충돌 각도에 따른 파손 메커니즘의 차이를 보여주며, 향후 유리 구조물의 안전성 평가 및 설계에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.