기호 및 약어 설명

L : 복사 휘도[cd/m²]

𝜃 : 고도각[°]

𝜙 : 방위각[°]

하첨자 설명

i : 입사각[°]

r : 반사각[°]

1. 서 론

빛 공해는 인공조명뿐만 아니라 건물 외장재 및 태양광발전(Photovoltaic, PV) 모듈의 반사광에 의해서도 발생할 수 있다. 특히 이러한 반사광은 인근 거주자, 보행자, 운전자 등에게 가시불능 상태인 불능현휘(Disability glare) 또는 불쾌현휘(Discomfort glare)를 유발하며, 이로 인해 시야 방해, 시각적 피로, 심리적 불안, 안전사고 등의 문제가 발생할 수 있다¹⁾. 한편, 최근 탄소중립 목표에 따라 신재생에너지 설치 의무화가 확대되면서 건물일체형 태양광발전(Building-Integrated Photovoltaics, BIPV) 시스템이 증가하고 있으며, 도심 내 건물 외피에 대면적으로 설치되는 BIPV 모듈의 눈부심(glare) 문제도 증가하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일부 국가에서는 건물 외장재의 반사율을 제한하는 등 법적 규제를 통해 눈부심 피해를 방지하고 있으나, BIPV 모듈은 발전 성능 향상을 위해 표면 반사율을 최소화하는 기술이 적용되므로, 단순히 반사율을 제한하는 방식만으로 눈부심 피해를 효과적으로 방지하는 데 한계가 있다. 또한 BIPV 시스템은 대면적으로 설치되므로 눈부심 발생 시, 지속시간이 길어지는 문제가 발생한다. 이에 따라 BIPV 모듈의 눈부심 피해를 방지하기 위해 반사율을 규제하는 것만으로는 한계가 있으며, 눈부심 발생 여부, 지속시간, 강도 등을 정량적으로 평가하는 방법이 필요한 실정이다.

최근 BIPV 모듈의 표면 반사 특성을 고려한 눈부심 평가 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. Sreenath et al. (2021)²⁾은 공항 내 PV 시스템으로 인한 눈부심 문제를 검토하고, 평가 방법 및 지표를 분석하였다. 또한 눈부심이 태양의 위치, PV 패널의 기울기, 표면 질감, 색상 및 설치 위치 등에 영향을 받는 것을 확인하였다. Ho and Khalsa (2010)³⁾, Barrett et al. (2014)⁴⁾ 등의 연구에서는 PV 시스템으로 인한 눈부심이 항공 안전과 조종사 및 관제사의 시야에 미치는 영향을 평가하였다. 이처럼 기존 연구들은 공항이나 대규모 태양광 발전소 등 특정 환경에서의 눈부심을 평가하고 있으며, 주거지역 및 상업지역 건물에 적용되는 BIPV 모듈의 눈부심에 관한 연구는 미비한 실정이다. 특히 표준화된 평가 방법이 부재하여 연구마다 눈부심 발생 기준, 측정 요소 및 평가 범위가 상이하고, 이에 따라 연구 결과를 정량적으로 비교·분석하는 데 어려움이 있다. 또한 최근 도심 내 BIPV 시스템 설치가 증가하고 있어, PV 모듈의 표면 특성을 고려한 체계적인 눈부심 평가 방법이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 국가별 눈부심 관련 규정 및 BIPV 모듈의 눈부심 평가 방법에 관한 연구 동향을 고찰하고, 이를 바탕으로 표면 반사 특성을 고려한 정량적 평가 기준을 제안하고자 한다. 특히 기존 연구에서 활용된 측정 지표 및 방법을 비교·분석하고, BIPV 모듈의 표면 반사 특성을 고려한 눈부심 평가 항목 및 측정 범위를 도출하였다.

2. BIPV 모듈 및 건물 외장재에 따른 눈부심 규정

일부 국가는 지침 및 규정을 통해 건물 외장재로 인한 눈부심 문제를 사전에 방지하고 있다. 또한 BIPV 시스템 및 대규모 PV 시스템을 설치할 경우, 눈부심 발생을 최소화하기 위한 가이드라인을 권장하고 있다.

2.1 네덜란드(Netherland)

네덜란드에는 건축물에 관한 구체적인 눈부심 관련 규정은 없으나, 모든 건축물은 ‘Besluit Bouwwerken Leefomgeving (BBL)’ 규정에 따라 빛 반사로 인한 불편을 방지해야 한다⁵⁾. 한편, BIPV 시스템 및 건물 외장재로 인한 눈부심 문제 발생 시 소송을 통해 갈등을 해결하고 있으며, 일반적으로 대규모 PV 시스템 및 고속도로 방음벽 설치 사례에서 논란이 발생하고 있다.

최근에는 건축물 설계 단계에서 눈부심 문제를 사전에 방지하기 위해 ForgeSolar 소프트웨어를 활용한 눈부심 영향 평가 보고서 제출을 요구하고 있다. ForgeSolar는 미국 Sandia National Laboratories에서 개발한 Solar Glare Hazard Analysis Tool (SGHAT)의 알고리즘을 기반으로 한 GlareGauge, GlaReduce 도구를 사용하여 눈부심 현상을 분석한다. GlareGauge는 PV 시스템에 대한 연간 눈부심 위험을 분석하며, GlaReduce는 단일 PV 모듈의 기울기 및 방향에 따른 눈부심을 최소화하고 시스템 출력을 최대화하는 조건을 도출한다⁶⁾. 해당 프로그램에서는 망막 방사조도에 의한 잠재적 영향에 따라 눈부심 영향을 구분하였다. 녹색 영역은 잔상을 일으킬 가능성이 작고, 노란색 영역은 일시적인 잔상을 일으킬 가능성이 있는 것을 의미한다. 또한 빨간색 영역은 망막 화상을 일으켜 영구적인 시각 손상을 일으킬 가능성이 있는 것을 의미하며, 이는 Fig. 1과 같다⁷⁾.

Fig. 1.

Glare hazard plot defines ocular impact as function of retinal irradiance and subtended source angle³⁾

2.2 뉴질랜드(New Zealand)

뉴질랜드 태즈먼(Tasman) 지역에서는 ‘Tasman Resource Management Plan’에 따라 금속 클래딩이나 반사광이 발생하는 지붕재는 페인트 및 차폐를 통해 빛 반사를 방지해야 하며, 무반사 마감재로 코팅되어야 한다⁸⁾. 퀸스타운-레이크스(Queenstown-Lakes) 지역에서도 District Plan 제7조 주거지역 규정(Rules for Residential Zones)에 따라 모든 금속 클래딩을 사용한 지붕과 울타리는 무반사 마감재로 마감해야 한다⁹⁾.

또한 뉴질랜드의 자원관리법(Resource Management Act, RMA)¹⁰⁾에 따라 태양광 발전소와 같은 대규모 개발 프로젝트에서는 반짝임(glint)과 눈부심을 중요한 요소로 고려하고 있으며, 주변 주거지, 도로 이용자, 철도, 공항에 미치는 영향을 분석하여 사전에 눈부심 문제를 방지해야 한다. 반짝임과 눈부심에 대한 평가를 토대로 자원 동의(Resource Consent)를 받아야 하며, 결과에 따라 프로젝트의 허가 여부가 결정된다. 평가 시 미국 연방항공청(Federal Aviation Administration, FAA) 기준이나 호주 뉴사우스웨일스(New South Wales, NSW) 정부의 지침을 참고하며, ForgeSolar와 같은 소프트웨어를 활용하여 평가를 수행한다.

2.3 덴마크(Denmark)

덴마크의 경우 눈부심에 대한 구체적인 법적 규제는 없으나, 법원의 판례를 통해 발전된 ‘사회적 규범(naboretlige tålegrænse)’ 원칙에 따라 소음, 빛 반사, 음영 등의 형태로 이웃에게 불편을 주어서는 안된다¹¹⁾. 이때 눈부심으로 인한 불편 사항은 개별적으로 평가되며, 눈부심이 발생하는 빈도, 강도, 지속시간, 지역의 특성(주거지역, 상업지역 등), 피해 정도 및 전문가 평가를 통해 종합적으로 이루어진다. 특히, 인근 건물의 외장재로 인한 반사광이 본인의 주거지에서 연간 3개월 동안 4.5시간 이상 지속되는 경우 허용 한계를 초과한 것으로 간주한다. 또한 대규모 PV 시스템을 설치하는 경우 ForgeSolar와 같은 소프트웨어를 활용하여 눈부심을 정량적으로 평가하는 것을 권장한다.

2.4 미국(USA)

미국 캘리포니아(California)주 로스앤젤레스 카운티(Los Angeles County)에서는 반사성 재료, 광택이 있는(glossy) 재료, 연마된(polished) 금속 외장재 및 지붕재 사용을 금지하고 있으며, 태양 에너지 장치(solar energy devices)를 제외한 고반사 재료의 사용을 제한하고 있다. 또한 건물 외장에 사용하는 모든 창문은 눈부심을 유발하지 않는 유리로 구성되어야 한다¹²⁾. 동일한 주의 롱비치(Long Beach)에서는 모든 단독주택의 금속 또는 금속처럼 보이는 외장재 사용을 금지하고 있다¹³⁾. 또한 특정 상업지구 건물의 지상층 창문은 건물 외관의 2/3 이상을 차지해야 하며, 반사율이 8% 이하인 투명 유리를 사용해야 한다¹⁴⁾. 건물 외관 리모델링 시, 프레임을 포함한 창호의 외부 일광 반사율이 15% 이상일 경우 유리창 교체, 차양, 캐노피, 처마 장식 등 추가 또는 제거 조치가 요구된다¹⁵⁾. 한편, 텍사스(Texas)주 댈러스(Dallas)에서는 계획 개발(Planned Development, PD) 구역에 따라 다르게 규정하고 있다. 대부분의 건물은 외장재로 고반사 유리(highly reflective glass) 사용을 금지하고 있으며, 고반사 유리는 외부 가시광선 반사율이 27% 이상인 유리로 정의된다^16,17). 특히 PD 269구역에서는 1 ~ 2층 건물 외장 유리의 반사율이 15%를 초과할 수 없으며, 3층 이상에서는 27%를 초과하는 유리를 사용할 수 없다¹⁸⁾. 텍사스주 오스틴(Austin)시에서도 반사율 20%를 초과하는 유리 사용을 금지하고 있다¹⁹⁾. 오레건(Oregon)주에서는 반사율이 25% 이상인 고반사 유리를 모든 건물 외장재에 사용할 수 없으며, 건물에 사용하는 모든 유리는 외부 가시광선 반사율이 최대 15%를 초과할 수 없다²⁰⁾.

또한 2013년에 발표된 FAA Interim Policy²¹⁾에 따르면 공항 주변에 PV 설비를 설치하는 경우, 조종석 및 관제탑에서 ‘유의미한 눈부심(significant glare)’이 발생해서는 안 된다. 2021년 이후부터 공항 운영 안전을 고려한 태양광 설비의 설치 및 평가 절차를 규정하는 FAA AC 150/5370-2G²²⁾ 지침에서는 PV 설비 설치 시, SGHAT 분석 결과를 제출해야 한다.

2.5 싱가포르(Singapore)

싱가포르의 Building Control Regulations 2003에서는 지붕재를 포함하여 건물 외장재로 인한 태양반사광이 인근 건물 거주자의 생활 환경에 불편함을 유발하지 않도록 설계 및 시공되어야 한다고 규정하고 있다²³⁾.

2.6 스위스(Switzerland)

스위스에서 눈부심 평가는 환경 보호법(Umweltschutzgesetz, USG)²⁴⁾에 따라 사례별로 진행되며, 구체적인 허용 기준은 없으나 눈부심 지속 시간과 강도를 주요 평가 요소로 고려한다. 권장 사항에 따르면 주거지역 내 PV 시스템의 태양반사광은 (1) 하루 최대 눈부심 지속 시간이 30분을 초과하지 않아야 하며, 연중 어느 날도 이를 초과할 수 없다. 만약 해당 기준을 충족하지 못할 경우, (2) 하루 최대 눈부심 지속시간이 60분을 넘지 않으며, 연중 최대 60일까지만 발생할 수 있다. (2) 기준도 충족하지 못할 경우, (3) 하루 최대 눈부심 지속 시간이 120분을 초과하지 않고, 연중 최대 20일까지만 허용되며, 최소한 (4) 연간 총 눈부심 발생 시간은 30시간을 초과해서는 안 된다. 이때 눈부심 발생 기준은 스위스 연방 환경청(Bundesamt für Umwelt, BAFU)에서 제안한 휘도(luminance) 50,000 cd/m²이며, 평가 기준에는 실제 눈부심이 발생하는 시간, 반사광의 각도, 적용된 모듈의 특성 등이 포함된다.

또한 스위스에서는 EnergieSchweiz와 Swissolar가 협력하여 PV 패널에서 발생하는 눈부심을 최소화하기 위한 ‘Photovoltaikanlagen: Blendwirkung und Massnahmen zur Reduktion der Reflexionen’ 가이드라인을 발표하였다²⁵⁾. 해당 가이드라인은 법적 구속력은 없으나, PV 시스템 설계 시 반사광 저감을 위한 권장 사항을 포함하고 있다. 건설 및 농업 구역에 설치하는 PV 시스템은 충분히 조정된(sufficiently adapted) 상태여야 하며, 이를 위해 산업 표준에 따라 반사율이 낮은 재료를 사용해야 한다. 또한 실현 가능하고, 운영상 실용적이며 경제적으로 합리적인 기술을 적용하여 PV 모듈 표면에서 발생하는 반사광을 저감시켜야 한다.

2.7 호주(Australia)

호주 시드니(Sydney)의 개발 규제 계획(Development Control Plan 2012) 제3.2.7조²⁶⁾에 따르면, 빛을 반사하는 재료를 건물 외벽에 사용하는 경우, 다른 보행자나 건물 사용자에게 불편한 눈부심을 초래할 수 있으며, 잠재적으로 운전자에게 눈부심 위험을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해 건물 외벽에 사용하는 건축 재료의 빛 반사율을 20% 이하로 규제하고 있으며, 고층 건물의 경우 눈부심 보고서를 제출하도록 요구하고 있다. 버셀톤(Busselton) 지역 개발 정책 제31호(Local Planning Policy No.3.1)²⁷⁾에서는 반사성 자재가 인근 주거 환경에 눈부심 피해를 유발할 수 있다고 언급하고 있으며, 반사성 자재에는 아연 도금 또는 아연-알루미늄 코팅 시트 및 연마 금속, 스테인리스 스틸, 산화 방지 코팅이 된 구리, 반사율 50% 이상 또는 높은 채도를 가진 페인트 마감 등이 포함된다. 수비아코(Subiaco) 지역에서는 아연, 아연-알루미늄 합금 도금강, 광택 금속, 타일, 집열기를 제외한 유리 또는 고광택 마감재를 고반사 재료로 규정하고 있다.

2.8 대한민국(Republic of Korea)

국내에서는 건물 외장재 및 PV 시스템에서 발생하는 눈부심에 관한 구체적인 법률은 없으나, 태양광 시설을 공공 시설물로 설치하는 경우 ‘빛 반사에 따른 영향을 최소화하기 위해 무광택 소재를 적용’하여야 한다²⁸⁾. 지하철 입구에 PV 시스템을 설치하는 경우 캐노피 상부면에 설치하는 것을 권장하고 있으며, 이용자의 눈부심 및 시야 방해를 고려하여 측면 설치는 지양하도록 하고 있다. 또한 도로변 축대 벽에 PV 시스템을 설치하는 경우 주행자의 눈부심 및 안전성을 고려하여 설치할 것을 권장하고 있다²⁹⁾.

현재까지 PV 시스템으로 인한 눈부심 피해 사례는 보고되지 않았으나, 건물 외장재로 인한 눈부심 피해로는 확인된 사례가 있으며, 법적 소송으로 갈등을 해결하고 있다. 관련 판례들은 공통적으로 태양반사광으로 인한 생활 방해가 사회통념상 일반적으로 참아낼 수 있는 수준(수인 한도)을 초과해야 눈부심 피해가 인정된다. 이때 눈부심 피해를 판단하기 위해 태양반사광이 건물에 유입되는 강도와 각도, 유입되는 시간, 가해 건물의 건축 경위 및 공공성, 피해 건물의 창과 거실 등의 위치 등을 종합적으로 고려하며, 눈부심 피해 발생은 휘도가 25,000 cd/m²를 초과한 경우로 간주한다.

한편, 서울시는 2023년 12월 유리 커튼월 건축으로 인한 눈부심 피해를 최소화하기 위해 ‘서울시 유리 커튼월 가이드라인’을 발표하였다³⁰⁾. 본 가이드라인은 법적 구속력은 없으나, 서울시 내 유리커튼월 건물 계획 시 고려사항을 제공하는 참고자료로 활용된다. 적용 대상은 서울시·구 건축심의(자문) 대상 유리커튼월 건물(공공·민간 건축물 중 주거지역과 동·서·남측에 연접한 경우)이며, 외벽형 BIPV 모듈이 적용된 건물도 포함된다. 눈부심 발생 기준은 기존 판례들과 동일하게 25,000 cd/m²으로 적용되며, 평가 절차는 건물을 중심으로 춘·추분, 하지, 동지 기준으로 일출부터 일몰까지 시간대별 반사 영역도를 작성한 후 피해가 예상되는 주거용 건물의 입면에 대해 저감 대책을 수립한다. 저감 대책으로는 반사율이 높은 자재 사용을 최소화하고, 유리 사용 시 가시광선 반사율이 20% 이하인 제품을 적용해야 한다. 또한 수평·수직 차양 장치(수평 차양 5단 이상, 수직 차양 1.0 m 이하 간격)를 설치하여야 하며, 스팬드럴 영역에 유리를 사용할 경우 반사율 20% 이하의 제품을 사용할 것을 권장한다.

이처럼 일부 국가에서는 건물 외장재로 인한 눈부심 피해를 방지하기 위해 반사율 기준을 적용하고 있으나, 이외 국가에서는 구체적인 규제가 없어 법적 소송을 통해 분쟁이 해결되고 있다. 또한 국가별로 눈부심 발생 기준이 상이하고, 휘도, 눈부심 지속 시간(연중 및 일간) 등 고려되는 평가지표가 상이한 것을 Table 1과 같이 확인하였다.

3. BIPV 모듈 표면 특성을 반영한 눈부심 평가 방법 연구 동향

3.1 PV 모듈 표면 특성

PV 모듈 전면에는 발전 성능 향상을 위해 다양한 표면 처리 기술이 적용되며, 해당 기술들은 공통적으로 반사율을 최소화하는 특징이 있다. 이로 인해 PV 모듈의 반사 특성은 대부분 경면반사(specular reflection)보다 확산 반사(diffuse reflection) 현상이 나타난다. 확산 반사가 증가할수록 반사광의 휘도는 낮아지므로 눈부심의 강도는 줄어들며, 반사광의 면적이 증가하여 눈부심 지속시간은 길어진다. 또한 PV 모듈에 입사하는 빛의 각이 증가할수록 반사 휘도는 증가하므로 눈부심의 강도가 증가하며, 특히 입사각이 50° 이상일 때 기하급수적으로 상승한다³¹⁾. 이러한 특성으로 인해 BIPV 시스템에서 눈부심 현상은 주로 태양 고도가 낮은 일출 및 일몰 시간대에 발생하며³²⁾, 고정형 PV 모듈의 반사 특성은 태양의 위치, 모듈의 방향, 유리의 표면 질감, 관찰자의 시야각 등에 따라 달라진다.

Fig. 2.

(a) Clear float glass (left) and low-iron glass (right), (b) Transmittance of glass type³³⁾

PV 모듈 전면에 가장 널리 사용되는 저철분 유리(low-iron glass)는 철분 함량이 120 ppm 이하로 일반 플로트 유리(float glass)보다 빛의 흡수 및 반사가 적어 태양광 발전에 적합한 소재로 활용되고 있으며 이는 Fig. 2에 나타내었다³⁴⁾. 또한 2013년 이후 대부분의 PV 모듈은 태양광 투과율을 높이기 위해 반사방지(Anti-Reflective, AR) 코팅 기술을 적용하고 있다³⁵⁾. AR 코팅은 입사광의 반사를 최소화하고 투과율을 증가시키는 기술로, 적용된 유리 코팅의 반사율은 약 4%³⁶⁾, 굴절률 1.2 ~ 1.3, 두께 약 100 nm로 제작한다³⁴⁾. 이와 유사한 기술로는 눈부심 방지(Anti-Glare, AG) 코팅이 있으며, Fig. 3과 같이 반사광의 강도 낮추고 확산 반사를 유도하여 반사 영역을 확대하는 특징이 있다^37,38).

Fig. 3.

Reflectance of glass surfaces with applied AR and AG

이 외에도 PV 모듈 표면 처리 기술로 텍스처링(texturing)과 에칭(etching) 기법이 활용되며, Fig. 4와 같다. 텍스처링 기술은 유리 표면에 미세한 피라미드 구조 또는 비정형 패턴을 형성하여 빛의 산란을 증가시키고, 반사광의 양을 줄이는 방식으로 단결정(mono-crystalline) 및 다결정(poly-crystalline) 실리콘 PV 모듈에 주로 적용된다. 에칭 기술은 화학적 또는 물리적 방법으로 유리 표면을 미세하게 부식시켜 입사광의 산란을 유도하는 기법이다.

이러한 기술들이 적용된 유리 표면은 플로트 유리 대비 낮은 반사율을 나타내나, 입사각이 증가할수록 표면 반사 휘도가 급격히 증가하는 특징이 있다. 따라서 단순히 반사율만을 규제하는 것은 PV 모듈의 눈부심 방지 대책으로 적절하지 않으며, PV 모듈의 반사 특성을 반영한 종합적인 눈부심 평가 방법이 필요하다.

Fig. 4.

Texturing glass (left)³⁹⁾ and etching glass (right)⁴⁰⁾

3.2 BIPV 모듈 눈부심 평가 방법

일부 국가에서는 PV 시스템의 눈부심 피해 가능성을 평가하기 위해 SGHAT, ForgeSolar 등 다양한 소프트웨어를 활용하며, 시뮬레이션 프로그램은 대부분 입사각과 관계없이 일정한 값으로 반사 특성을 단순화하여 반영한다⁴¹⁾. 그러나 BIPV 모듈은 표면 구조에 따라 다양한 각도로 빛을 반사하므로 시뮬레이션을 통해 특정 표면에서의 반사 위치 및 강도를 예측하기 어렵다⁴²⁾. 또한 눈부심 발생 여부는 지리적 위치, PV 시스템의 설치 방향, 관찰자의 위치에 따라 상이하게 나타나므로³⁸⁾, BIPV 시스템을 설치하는 지리적 특성이 정밀하게 모사되지 않는 경우 실제 PV 모듈의 반사 현상과 차이가 발생한다. 이에 따라 눈부심 평가 시뮬레이션 결과와 실제 PV 모듈 표면의 눈부심 발생 시간, 강도 등 반사 특성에는 오차가 발생한다⁴³⁾. PV 모듈의 눈부심 평가를 위해서는 설계 초기 단계에서 눈부심 발생 가능성을 정확하게 예측해야 하며, 모듈에서 발생하는 확산 반사를 정밀하게 모델링하는 것이 중요한 요소이다. 이에 따라 PV 모듈의 반사 특성을 정확하게 측정하기 위한 다양한 연구들이 아래와 같이 진행되었다.

Ruesch et al. (2016)³⁸⁾의 연구에서는 양방향 반사 분포 함수(Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF)를 기반으로 4가지 PV 모듈과 건축 외장재 44개의 반사 특성을 정량적으로 비교·분석하였다. 이를 위해 각 재료 표면에 대해 입사각 20°에서 BRDF 값을 측정하였다. 분석 결과, 흰색 석고는 일반 유리보다 10배 높은 반사율을 나타내나, 강한 확산 반사 특성으로 인해 눈부심 발생이 미미한 것을 확인하였다. 또한 Fig. 5와 같이 플로트 유리와 미세한 패턴이 있는 유리는 눈부심 발생 가능성이 높은 반면, 피라미드형 표면 구조를 가진 유리는 눈부심 발생 가능성이 작게 나타났다. 이는 눈부심 평가 시 재료의 확산 반사가 중요한 변수임을 의미하며, 반사 특성을 고려해야 한다는 것을 나타낸다.

Fig. 5.

Light reflection of three glass types (left: float glass, middle: micro-patterned glass, right: pyramidal surface glass)

PV 모듈의 표면 반사 특성을 정량적으로 분석하는 데 사용되는 지표 중 하나인 BRDF는 주로 고니오리플렉토미터(Gonioreflectometer)로 측정되며, 특정 파장 입사 광선의 단위 복사조도(irradiance, W/m²)와 반사 광선의 단위 복사휘도(radiance, W/m²/sr) 간의 비율로 정의한다. 측정된 BRDF 값과 입사 조도를 활용하여 표면의 복사휘도(Lr)를 산출하며, 이는 식(1)³⁸⁾과 같다.

Kim et al. (2018)⁴³⁾의 연구에서는 PV 모듈 전면에 AR 및 AG 코팅을 적용하여 모듈의 광학적 특성을 분석하였다. 유리 샘플(4 × 4 cm)과 PV 모듈 샘플(40 × 40 cm, 60 cell)에 코팅을 적용하여, 투과율, 반사율, 광택도, 휘도 등을 측정하였다. 투과율과 반사율은 각각 380 ~ 1,100 nm, 380 ~ 780 nm 범위에서 측정하였으며, 휘도는 2 m 및 15 m 거리에서 휘도계로 측정하였다. 연구 결과, 투과율은 두 코팅이 유사하게 나타났으나, Fig. 6과 같이 AG 코팅 PV 모듈의 반사율이 AR 코팅 PV 모듈보다 약 5.88% 증가한 것으로 확인되었다. 이는 AG 코팅의 확산 반사 특성과 PV 모듈 내 리본의 영향을 받은 것으로 판단된다. 또한 AR 코팅을 적용한 PV 모듈의 휘도는 측정 거리와 관계없이 25,000 cd/m²을 초과하였으며, AG 코팅을 적용한 모듈의 휘도 값은 2 m 거리에서 15,067 cd/m², 15 m 거리에서 26,497 cd/m²으로 Fig. 7과 같이 측정되었다. 이는 PV 모듈의 눈부심 평가 시, 반사율, 휘도 등 다양한 지표를 활용하여 평가해야 하는 것을 의미한다.

Fig. 6.

Transmittance and reflectance of glass and PV modules with AR and AG coatings

Fig. 7.

Luminance for AR and AG PV modules (left) and reflected light on AR and AG PV modules (right)

Bucher et al. (2021)⁴⁴⁾ 연구에서는 현장에서 PV 모듈의 눈부심을 정량적으로 평가하기 위해 휘도계와 PV 모듈 사이의 거리에 따른 휘도값을 비교하였다. 연구에서는 눈부심 발생 기준을 50,000 ~ 100,000 cd/m² 범위로 설정하였으며, 실험은 1,000 W/m² 이상인 맑은 하늘 조건에서 수행되었다. 측정 거리가 2 m 이하일 경우, Fig. 8과 같이 PV 모듈 내 버스바 반사 영향으로 측정값의 변동성이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 버스바에 대한 영향을 최소화하기 위해 측정 장치는 Fig. 9와 같이 최소 두 개 이상의 버스바를 포함하여야 한다. BIPV 시스템이 대규모로 설치되는 반면, 휘도계는 매우 제한된 영역을 수동으로 측정하므로 동일한 표면 위치에서 일관된 방법으로 측정하여 일관된 결과를 도출하는 것이 중요하다.

Fig. 8.

Luminance based on measurement distance (Left: incident angle 10°, Right: incident angle 45°)

Fig. 9.

Luminance measurement method considering the influence of busbars

Babin et al. (2022)⁴¹⁾ 연구에서는 PV 모듈의 표면 반사 특성을 정량화하기 위해 Fig. 10과 BRDF 측정하였다. 연구에서는 BRDF와 망막 조사율(Retinal irradiance)을 기반으로 눈부심의 정도를 망막 화상 손상(Retinal burn damage), 플래시 블라인드니스(Flash blindness), 불편 눈부심으로 Table 2와 같이 구분하여 평가하였다. BRDF 측정은 입사각 0°, 30°, 60°, 75° / 반사각 -30° ~ 80° / 파장 300 nm ~ 980 nm 범위에서 측정하였다. 연구 결과, PV 모듈 전면에 AR 코팅과 텍스처링 유리를 적용함에 따라 휘도가 감소하는 것을 확인하였으나, 입사각이 60° 이상일 때 여전히 불편 눈부심 기준을 초과하는 것을 확인하였다. 본 연구는 BIPV 모듈 표면 형상에 따른 반사 특성을 정량적으로 평가할 때 BRDF 측정이 효과적임을 입증하였다.

Fig. 10.

Gonioreflectometer test equipment

Moereke et al. (2022)⁴⁵⁾ 연구에서는 PV 모듈과 일반 건축 외장재의 반사 특성을 비교하여 BIPV 모듈의 눈부심 발생 가능성에 대해 분석하였다. 연구에서는 ISO 2318:2014 (Paints and varnishes, Determination of gloss value at 20°, 60° and 85°) 기준에 따른 광택 측정과 BRDF 측정을 수행하였다. 광택 측정은 경면반사 방향에서의 반사 특성을 분석하는 데 유용하지만, 확산 반사 영향을 고려하기 어렵다는 한계를 확인하였다. 이후 380 nm ~ 1,100 nm 파장 범위에서 BRDF 측정을 수행하여 입사각 및 반사각에 따른 반사 강도를 분석하였으며, 160,000 cd/m² 을 기준으로 BIPV 모듈의 눈부심 여부를 평가하였다. 본 연구는 BIPV 모듈의 BRDF 기반 반사 특성 분석이 기존 건축 외장재와 비교하여 정량적 평가가 가능함을 제시하였다.

Toh et al. (2023)⁴⁶⁾의 연구에서는 AG 코팅, 필름, 오염, 실리콘 박막 기술에 따른 반사율을 분석하였다. 본 연구는 380 nm ~ 1,100 nm 파장대에서 입사각 및 반사각 범위를 0°에서 ±80°까지 10° 간격으로 측정하였다. 분석 결과, AR 코팅 PV 모듈이 0.01%로 가장 낮은 반사율을 나타냈으며, 이는 Moereke et al. (2022)⁴⁵⁾의 요구 사항을 충족하는 유일한 샘플로 확인하였다. 반면 실리콘 박막 PV 모듈은 4.9%로 가장 높은 반사율을 나타내었으며, 이는 Fig. 11과 같다. 연구에서 사용한 반사율 측정 방법은 다양한 BIPV 소재 및 코팅 기술의 반사 특성을 정량적으로 비교할 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 시각적 눈부심과의 연관성이 부족하며, 반사율 평가만으로는 건물 환경에서의 눈부심 영향을 규명하기 어렵다. 따라서 향후 연구에서는 반사율 데이터와 시각적 눈부심 측정 지표를 결합한 평가 방법이 필요하다.

Fig. 11.

Measured spectral reflected illuminance of the tested samples (left) poly-Si PV, (right) AR coating PV

Bucher et al. (2023)³¹⁾의 연구에서는 PV 모듈의 광학 반사 특성을 분석하기 위해 BRDF를 활용하여 광선 확산(beam spreading) 현상을 2차원적으로 표현하는 방식을 제안하였다. Bucher 연구에서 눈부심 판단 기준은 절대적 눈부심(Absolute Glare)과 불편 눈부심으로 구분하였으며, 절대적 눈부심은 100,000 cd/m² 이상으로 정의하였다. 또한 해당 연구에서는 불편 눈부심 영역을 정의하기 위해 두 가지 기준으로 영역을 산출하였다. 첫 번째로는 30,000 cd/m² 초과 영역을 눈부심 타원(glare ellipse) 초과하는 영역으로 정의하였으며, 두 번째로는 FWHM (Full Width Half Maximum) 기준을 적용하여 휘도 최댓값의 절반에 해당하는 영역을 눈부심 영역으로 정의하였다. 분석 결과, 입사각이 증가함에 따라 타원의 수평축과 수직축 길이가 증가하였으며, Fig. 12와 같이 수직축이 수평축보다 더욱 빠르게 증가하는 추세로 나타났다. 또한 입사각(5° ~ 80°)에 따른 반사 영역은 50°부터 급격하게 증가하여 절대적 눈부심 기준을 초과한 것을 확인하였다.

Fig. 12.

Description of the glare ellipse

Hess and Bucher (2024)⁴⁷⁾의 연구에서는 다양한 PV 모듈 표면의 눈부심 평가를 위해 BRDF, 휘도계, 카메라를 활용하였으며, 선행 연구를 바탕으로 눈부심이 없는 PV 모듈의 정의를 제시하였다. 입사각이 0°에서 50°인 경우 휘도는 30,000 cd/m² 이하, 60° 이하인 경우 40,000 cd/m² 이하, 70° 이하인 경우 100,000 cd/m² 이하, 80° 이하인 경우 400,000 cd/m² 이하일 때를 기준으로 평가하였다. 입사각과 관계없이 휘도가 30,000 cd/m²를 초과하는 반사 영역은 눈부심 발생 영역으로 간주하였으며, 입사각이 80° 이상인 경우 눈부심 평가에서 제외하였다. 분석 결과, 모든 측정값이 입사각이 증가할수록 휘도가 증가하는 것을 확인하였다. 휘도계와 카메라로 측정한 휘도 오차를 비교한 결과 편차는 대부분 20% 미만이었으나, 무광 표면의 경우 Fig. 13과 같이 20% 이상의 편차가 나타났다. 무광 표면의 경우, 확산 반사가 발생하므로, 최대 반사 영역이 측정 범위 이외의 영역에서 나타나 오차가 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 13.

(a) Luminance by measuring method and surface type according to incidence angle, (b) Ratio of luminance to camera as a function of the incidence angle

이처럼 BIPV 모듈의 눈부심 평가를 위해 다양한 방법으로 연구가 진행되고 있으며, Table 3과 같이 선행 연구별 측정 지표, 요소 및 범위를 비교 분석하였다.

4. BIPV 모듈의 눈부심 측정 평가 방법 제안

기존 선행 연구에서는 BIPV 모듈의 반사 특성을 정량적으로 평가하기 위해 주로 휘도를 지표로 사용하였다. 휘도 측정 방법은 휘도계, 카메라, BRDF 등의 방법이 활용되며, 각 방법의 특징을 분석하였다. 휘도계의 경우, 측정 범위가 제한적이고, 대부분 수동 측정 방식으로 동일한 모듈이라도 측정 위치나 각도에 따라 값이 상이하게 나타나 재현성이 낮은 단점이 있다. 그러나 측정 결과가 휘도[cd/m²]로 산출되므로, 눈부심 평가 시 연계성이 명확한 장점이 있다. 한편, 카메라를 기반으로 휘도를 측정하는 경우, 표면 반사 특성에 따라 오차율이 크게 나타나는 단점이 있으며, 특히 무광 표면의 경우 오차율이 20% 이상으로 나타난다⁴⁷⁾. 이에 따라 PV 모듈과 같이 확산 반사 특성이 있는 표면의 휘도를 정밀하게 측정하기 어려운 한계가 있는 것을 확인하였다.

반면, BRDF는 입사각과 반사각에 따라 표면의 반사 특성을 정량적으로 측정하며, 경면반사 및 확산 반사 특성을 모두 고려하는 장점이 있다. 이에 따라 BIPV 모듈의 반사 특성을 가장 정밀하게 측정하는 지표로 BRDF가 적절하다고 판단된다. 그러나 BRDF 값은 입사각, 반사각, 측정 파장대, 입사 복사휘도 등 다양한 측정 요소에 따라 결과가 상이하므로, 각 연구 결과를 정량적으로 비교하기 위해 측정 요소별 범위를 명확히 정의하는 것이 필요하다. 이에 본 연구에서는 측정 요소별 범위를 Table 4와 같이 제안하였다.

입사각 및 반사각이 80°를 초과하는 경우, 태양광은 PV 모듈 표면에 거의 수평으로 입사하게 되며, 이로 인해 유효 복사에너지가 급격히 감소한다. 이러한 조건에서는 반사 휘도 변화가 미미하게 나타나며, 관찰자의 시야에서 벗어날 가능성이 높아 눈부심 피해 가능성이 낮아진다. 따라서 대부분의 선행 연구에서는 BRDF 측정 시 입사각 및 반사광을 약 80° 이내로 제안하였다. 본 연구에서는 이러한 선행 연구의 기준과 실제 태양 고도 변화를 반영하여 입사각(incident angle)은 0° ~ 80° 범위로 설정하였다. 반사각(reflection angle)의 경우, 경면반사뿐만 아니라 확산 반사까지 포함하는 전체 반사 분포를 평가하기 위해 –80° ~ 80° 범위로 제안하였다. 또한 측정 파장대(wavelength)의 경우, 눈부심을 인식하는 주요 파장대인 가시광선 영역과 PV 모듈의 전력 변화와 관련된 반사 특성을 평가하기 유용한 근적외선 영역을 포함한 380 nm ~ 1,100 nm로 선정하였으며, 이는 다수의 선행 연구에서 적용한 범위가 일치한다. 한편, 입사 복사휘도(irradiance)는 BRDF 측정에서 반사율 및 산란 특성에 직접적인 영향을 미치는 주요 요소이다. ASTM E2387-19 (Standard Practice for Goniometric Optical Scatter Measurements)⁴⁸⁾에서는 입사 복사휘도를 명시하고 있지 않으며, 측정 목적, 시료 특성, 광원 종류 등에 따라 유동적으로 설정하도록 제시하고 있다. 그러나 다양한 BIPV 모듈 간의 BRDF 특성을 비교하기 위해서는 실험 조건의 일관성이 중요하므로, BIPV 모듈의 눈부심 평가 시에는 입사 복사휘도를 정의하는 것이 요구된다. 이에 따라 본 연구에서는 실제 태양광 조건에서 PV 모듈이 받는 평균 복사 에너지를 반영하여, 국제 표준 IEC 61215-2 (Terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design qualification and type approval - Part 2: Test procedures)⁴⁹⁾에서 정의한 STC (Standard Test Condition)의 복사 조건인 1,000 W/m²를 기준으로 입사 복사 휘도를 설정하였다.

5. 결 론

본 연구는 국가별 눈부심 관련 규정과 BIPV 모듈의 눈부심 평가 방법에 대한 선행연구를 고찰하고, 이를 바탕으로 BIPV 모듈의 눈부심 평가를 위한 측정 요소별 기준 범위를 제안하였다.

● 대부분의 국가에서는 건물 외장재나 PV 시스템으로 인한 눈부심 피해를 방지하기 위해 반사율 제한 등의 규정을 두고 있으나, 국가별로 기준이 상이하여 객관적이고 통일된 평가 체계 마련이 필요한 것을 확인하였다.

● BIPV 모듈은 경면반사 및 확산 반사 현상이 모두 나타나며, 경면반사만 고려하여 눈부심을 평가하는 경우 실제 반사 특성을 정확하게 반영하기 어렵고, 이에 따라 눈부심 피해를 과소평가할 가능성이 있다. 따라서 BIPV 모듈의 눈부심을 정량적으로 평가하기 위해서는 경면반사와 확산 반사를 모두 측정할 수 있는 BRDF 측정 방법이 적절할 것으로 판단된다.

● 분석 결과로부터 BRDF 값에 영향을 주는 요소들은 입사각, 반사각, 측정 파장대, 입사 조도로 도출하였다. 측정 범위는 입사각 0° ~ 80°, 반사각 –80° ~ 80°, 측정 파장대 380 nm ~ 1,100 nm, 입사 조도 1,000 W/m²로 제안하였으며, 해당 기준으로 평가하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

도심 내 BIPV 시스템 설치가 증가함에 따라 눈부심으로 인한 민원 및 안전 문제를 더욱 중요해질 것으로 예상된다. 특히 대면적으로 설치되는 외벽형 BIPV 시스템으로 인한 눈부심 피해는 광범위하게 나타날 수 있으므로, 정량적이고 일관된 눈부심 평가 방법이 필요하다. 본 연구에서 제안한 측정 방법 및 범위는 향후 표준화된 눈부심 측정 방법 및 관련 연구의 일관된 데이터 구축에 기여할 것으로 기대된다.