목재 저온발화의 사례분석 및 실험적 연구
Case Analysis and Experimental Study of Low-temperature Ignition of Wood
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Abstract
본 논문에서는 목재 저온발화에 의해 발생된 화재사례를 분석하고, 시즈히터의 복사열에 의한 시간별 목재의 특성 변화를 연구하였다. 가로 120 cm × 세로 100 cm × 높이 185 cm의 삼나무 재질의 사우나실에 최대 6 kW의 시즈히터를 설치하였다. 목재 벽면과 시즈히터의 거리를 10 cm에서 5 cm로 감소하면서 목재표면의 변화를 관찰하였다. 10 cm에서 약 32 h이 경과 하였을 때, 황토색의 목재 표면이 흑갈색으로 변색되었다. 거리를 5 cm로 변경 후, 약 56 h이 경과 하였을 때, 표면이 탄화되면서 갈라지기 시작하였다. 이 때, 목재 표면의 평균 온도는 약 120 ℃ 정도였다. 총 88 h이 경과 하였을 때, 백색 연기가 발생하면서 화염이 발생되었고, 최대 온도는 644 ℃로 측정되었다. 복사열에 의한 시간별 목재 표면의 특성 변화와 관련된 선행연구가 부족하기 때문에 본 연구가 화재조사 분야에서 중요 할 것으로 판단된다.
Trans Abstract
In this paper, fire caused by low-temperature ignition of wood was analyzed. The hourly change in wood characteristics caused by the radiant heat of a sheath heater was also studied. A sheath heater with a maximum heat output of 6 kW was installed in a cedar sauna room with dimensions of 120(W) × 100(D) × 185(H) cm3. Changes in the wood surface were monitored while decreasing the distance between the wood wall and the sheath heater from 10 to 5 cm. At a distance of 10 cm, the wood surface started to become discolored from amber to dark brown after approximately 32 h. At a distance of 5 cm, after approximately 56 h, the surface began to crack while being carbonized. At this time, the average temperature of the wood surface was ~120 °C. After 88 h, the temperature reached 644 °C and a fire started, generating white smoke. This study is important to the field of fire investigation owing to a lack of prior studies concerning the changes in the surface characteristics of wood upon sustained exposure to radiant heat.
1. 서 론
목재(木材)는 건축 또는 가구 제작 등에 사용되는 나무 재료를 의미한다. 학술적으로는 수목의 성장에 따라서 형성층 세포가 분열증식 하여 형성층의 안쪽에 생성되는 목질 부분을 의미한다.
우리나라의 경우, 목조 주택을 바탕으로 하는 한옥 형태의 주거 공간이 많다(1). 그러나 목재는 화재 발생 시, 연소되기 쉽고, 가연물로써 연소 확산의 원인이 된다. 목재의 주성분은 cellulose, hemicellulose 및 lignin으로 구성된다. 열분해 온도는 cellulose가 240 ℃～350 ℃, hemicellulose 200 ℃～260 ℃, lignin 280 ℃～500 ℃로 보고된다(2).
Figure 1과 같이 소방청에서 보고한 2019년 발화원인을 분석하면, 전도, 복사에 의한 화재는 상대적으로 낮은 비율을 나타낸다. 이는 화재조사 과정에서 목재 등에서 발생된 화재는 발화원인과 관련하여 흔적이 남아 있지 않아, “발화원인을 증명하는 것이 어렵다”는 해석도 가능하다(3). 목재 저온발화와 관련하여 화재조사 분야에서는 화재 사례 분석에 관한 내용, 탄화속도 분석 및 가스토치 등을 사용하여 목재에 직접 열을 가하여 목재의 변화를 연구한 결과들이 보고되고 있다.
Cause of fire in 2019.
본 연구에서는 사우나실에서 발생된 실제 화재 사례를 정밀 분석한 후, 복사열에 의한 화재 재현 실험을 수행하였다. 복사열에 의해 시간이 경과함에 따라 목재의 일반적인 발화 온도가 아닌 저온에서 발화되기까지 목재 표면의 변화를 단계적으로 분석하고, 온도 분포를 측정하였다. 기존에 보고되고 있는 연구와 저온의 복사열에 의한 목재 표면 변화를 분석하여 연구의 차별성을 나타내었다.
또한 다양한 원인으로 발생한 화재 중, 목재 저온 발화로 추정되는 화재 현장에서 원인 조사를 수행 할 경우, 본 논문에서 제시한 연구 결과를 통해 소훼된 목재 표면이 어느 정도의 시간으로 열기 등에 노출되었는지를 예측하여 화재 조사 분야에서 발화지점과 발화원인을 추정할 수 있는 자료로 활용하고자 한다.
2. 관련 이론 및 사례 분석
2.1 목재 저온발화
온도별 목재의 열분해 과정은 다음과 같다. 100 ℃ 내에서는 목재 내부의 함유수분(moisture content)이 증발하여 함수율이 감소한다. 160 ℃～200 ℃에서 주요 성분이 분해되면서 불연성 가스가 생성된다. 200 ℃～225 ℃에서는 열분해가 진행되면서 가연성 가스와 비가연성 가스가 혼합되어 발생한다. 225 ℃～275 ℃에서 열분해가 활발히 진행되며, 착화가 진행될 수 있다. 280 ℃～500 ℃에서는 급격한 열분해와 함께 메탄(CH4) 등의 가연성 기체가 발생한다. 500 ℃ 이상일 때는 폭발적인 연소가 진행되면서 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2) 등이 발생한다(4).
목재 저온발화 과정에서 저온으로 목재에 열이 가해지면, 수분이 방출되어 표면이 변색되는 건조상태가 되고, 약 120 ℃ 정도에서 발열성을 나타내며 탄화가 시작된다. 목재 구조상, 산소가 내부까지 전달되는 것이 어렵지만, 탄화된 목재에서는 다공질 목탄으로 변하기 때문에 내부까지 산소의 공급이 쉬워진다.
목재 내부에서 열이 축적되면서 탄화 정도가 확대되면, 탄화부에서 무염연소를 하며, 탄화범위가 확산되는 과정에서 산소와 결합하여 불꽃을 발생시키면서 발염연소 한다(5).
목재는 종류에 따라 재질이 다양하지만, Figure 2와 같이 약 400 ℃ 이상의 열기가 가해져야 발화하게 된다. 축열이 잘 되는 환경에서는 표면온도가 약 50 ℃인 저온에서도 산화가 진행되어, 반응열이 발생한다. 목재 표면의 산소와 접촉하는 부분에서 산화에 의한 발열반응이 나타나지만, 열이 외부로 방출되기 때문에 온도가 상승하는 것은 어렵다. 목탄의 탄화 정도가 깊을 경우, 목탄 내부에서도 산화현상이 발생되며, 탄화 과정에서 생성된 목탄 내부의 다공질 부분에서 축열이 진행될 수 있다. 산화발열 과정에서 상승된 온도가 목탄의 열분해 속도를 더욱 촉진시킬 수 있다. 그 결과, 목재 내부에서 훈소(smoldering combustion)가 진행되면서 발화될 수 있다(6).
Phase changes in the wood by temperature.
2.2 사례 분석
2016년 12월 경남 ○○시의 사우나 건물 2층 남탕에서 원인을 알 수 없는 화재가 발생하여 2층 남탕이 전소된 사건을 Figure 3에 나타내었다. 2층 내부를 보면 Figure 3(a)와 같이 남자 사우나실에서 천장 등을 통해 화염이 2층 전체로 확산된 모습을 볼 수 있다. 연소형상 등을 통해 남자 사우나실을 발화지점으로 추정하였다.
Fire scene of the sauna room.
남자 사우나실은 Figure 3(c)와 같이 사우나의 열원이 되는 시즈히터가 목재 문으로 만들어진 벽 안에 설치되어 있었다. 또한 목재 문을 포함하여 사우나실은 하부보다 상부가 심하게 탄화되었고, 목재 문은 시즈히터 높이의 중간 이후 부분이 연소 과정에서 소실되어 그 형태가 남아 있지 않았다.
Figure 4와 같이 시즈히터를 중심으로 상승 연소된 형상이 뚜렷하였다. 시즈히터와 목재 문 사이의 거리는 약 30 cm로 측정되었다. 시즈히터의 전원코드에서는 단락흔 등의 전기적 특이점이 식별되지 않아 전기적인 요인에 의한 발화 가능성은 배제되었다. 또한 수사 과정에서 인적요인에 의한 발화 가능성도 배제되었다. 이를 통해 남자 사우나실의 발화원인은 시즈히터의 복사열로 추정 할 수 있었다.
Combustion around a sheath heater.
Figure 5와 같이 화재가 발생하지 않은 동일한 구조의 여자 사우나실을 조사한 결과, 목재 문이 검게 탄화된 형상이 관찰되었다. 또한 목재 문이 바깥보다는 안쪽이 심하게 소훼된 것을 알 수 있었다. 이를 통해 화재원인은 사우나실에 설치되어 있는 시즈히터에서 발생된 고온의 복사열이 목재 문에 착화⋅발화된 것으로 확신하였다.
Combustion of the women’s sauna room.
3. 실험 방법 및 분석
3.1 실험계의 구성
사우나실의 목재 저온발화에 의한 화재를 모의하기 위하여 Figure 6과 같이 가로 120 cm × 세로 100 cm × 높이 185 cm 삼나무(cedar, 학명: cryptomeria japonica) 재질의 사우나실을 설치하였다.
The sauna room and a sheath heater.
목재의 일반적인 발화온도는 450 ℃～550 ℃로 알려져 있으며, 수종에 무관하게 평균 약 490 ℃에서 목재가 발화된다고 한다. 목재의 발화에 필요한 최저 복사 강도를 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 일반적인 삼나무는 밀도 0.36 kg/m3에서 0.64 cal/cm2s 이상의 복사열이 있어야 발화될 수 있는 것으로 보고된다.
Minimum Radiant Strength Required for Ignition
실제 발생된 화재사례에서 시즈히터와 목재 문의 거리가 30 cm였던 점을 고려하여 Figure 7과 같이 시즈히터와 목재 벽면의 거리(d)를 설정하였다. 처음 10 cm 거리에서 실험을 시작하였으나, 목재 표면의 빠른 변화를 관찰하기 위하여 거리를 5 cm로 감소시켜 가속 실험을 진행하였다. 시즈히터의 길이를 고려한 후, 목재 벽면의 복사열을 측정하기 위하여 3개의 온도센서를 설치하였다. 바닥을 기준으로 20 cm 이격시켜 온도센서를 설치한 후, ‘하’로 표기하였다. ‘하’를 기준으로 각각 10 cm씩 이격시켜 ‘중’과 ‘상’의 위치를 선정하였다. 온도는 Figure 8과 같이 데이터로거(LR8431-20, HIOKI)를 사용하여 시간별로 측정하였다.
Location of temperature sensors.
Photograph of a data logger.
또한 복사열에 의해 발생된 목재 표면과 Figure 9와 같이 가스토치를 사용하여 화염을 직접 가하였을 경우, 목재의 표면을 비교하였다.
Appearance of using a gas torch.
3.2 분석 및 고찰
목재 벽면에서 약 10 cm 이격시킨 거리에 시즈히터를 최대 6 kW까지 동작시킨 후, 32 h이 경과하였을 때, Figure 10과 같이 목재 표면이 최초 황토색에서 흑갈색으로 변색되었다.
After 32 h at 10 cm, the shape of the wood surface.
32 h 경과되는 과정에서 8 h 동안 측정한 센서별 온도 추이를 Figure 11에 나타내었다. 시즈히터의 표면온도를 포함하여 온도 추이가 증가와 감소를 반복하는 이유는 사우나실의 내부 온도가 설정된 온도에 도달하면, 시즈히터의 온도가 감소하고, 재차 설정된 온도로 증가하는 과정에서 온도가 자동으로 변화되기 때문이다.
Temperature change at 10 cm.
센서 ‘하’의 평균온도는 102 ℃, ‘중’은 116 ℃, ‘상’은 97 ℃, 시즈히터의 표면온도는 203 ℃, 사우나실 내부온도는 82 ℃로 측정되었다. ‘하’, ‘중’, ‘상’ 온도 중, ‘중’의 온도가 가장 높게 측정되었으며, ‘중’과 ‘하’ 부분의 목재 표면이 시간이 경과함에 따라 흑갈색으로 변색되었다.
목재 저온발화의 과정을 가속화 하기 위하여 시즈히터와 목재 벽면의 이격거리를 10 cm에서 5 cm로 감소시켜 실험을 진행하였다.
시즈히터와 목재 벽면의 이격 거리가 5 cm일 때, 온도 추이를 Figure 12에 나타내었다. 센서 ‘하’의 평균온도는 109 ℃, ‘중’은 124 ℃, ‘상’은 122 ℃, 시즈히터의 표면온도는 228 ℃, 사우나실의 내부온도는 82 ℃로 측정되었다. 10 cm일 때보다 온도가 소폭 증가하였으나, 전반적인 온도 추이는 10 cm와 유사한 형태를 나타내었다.
Temperature change at 5 cm.
5 cm에서 약 56 h 경과하였을 때, Figure 13과 같이 목재 표면은 검은색으로 탄화되었으며, 표면이 갈라지는 현상이 발생되었고, 화염은 발생하지 않았다.
After 56 h at 5 cm, the shape of the wood surface.
‘중’ 부분의 최대 온도는 온도 추이와 유사하게 약 122 ℃로, Figure 14와 같이 측정되었다.
Temperature of the wood surface.
5 cm에서 약 87 h이 경과되었을 때, Figure 15와 같이 목재 표면은 검게 탄화되고 표면이 갈라진 상태에서, 국부적으로 화염이 발생되었다.
After 87 h the shape of the wood surface.
실험 시작 후, 총 88 h이 경과되었을 때, 백색의 연기가 발생하면서 Figure 16과 같이 연소가 진행되었다. 목재는 화염으로 인해 표면이 갈라지고 변형되었으며, 일부는 소훼되어 재로 변화된 모습이 관찰되었다.
After 88 h the shape of the wood surface.
연소 과정에서 형성된 화염의 최대 온도는 Figure 17과 같이 약 644 ℃로 측정되었다. 실험에 사용된 사우나실의 재료가 되는 삼나무는 조직이 치밀하다는 물리적 특성을 가진다. 이에 복사열이 가해졌을 초기에는 원래의 형태를 유지하며 변색만 되었다. 약 120 ℃의 복사열을 지속적으로 받으면서 삼나무 내부의 수분이 증발되면서 논이 가뭄에 갈라지는 것과 동일한 형태로 목재 표면이 갈라지기 시작하는 연소 특성을 보였다. 이는 삼나무의 내부 조직이 치밀한 상태에서 복사열로 인해 균등하게 탄화되며 목재 내부 구조 간의 층간 간격이 좁혀져 탄화되었기 때문으로 사료된다.
Temperature of the wood surface.
또한 복사열에 의해 발생된 목재 표면과 가스토치를 사용하여 직접 화염을 가하였을 때의 목재 표면을 Figure 18에 비교하였다.
Comparison of wood surfaces.
실험에서는 가스토치에 의한 목재 표면의 갈라진 형태가 복사열보다 다소 크게 발생하였다. 하지만 실제 화재 현장에서 화염이 성장하여 연소가 심하게 진행되었을 때는 차이점을 식별하기는 어려울 것이다(7).
4. 결 론
본 논문에서는 사우나실에서 실재 발생된 목재 저온발화와 관련하여 실험을 통해 온도변화 및 목재 표면의 특성을 분석하였다.
실험을 시작하여 총 88 h이 경과되었을 때, 화염이 발생하여 연기가 관찰되면서 연소가 진행되었다. 목재는 400 ℃ 이상에서 발화될 수 있으나, 연구 결과와 같이 평균 온도 약 120 ℃의 상대적으로 낮은 온도에서 장시간 열이 목재에 가해지면, 수분이 방출되어 표면이 건조되면서 목재 표면에서부터 탄화가 진행되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 목재에 접촉 등으로 직접적인 열이 가해지지 않더라도 전열기구의 복사열 등에 의해 화재가 발생될 수 있는 바, 목재 주변에 전열기구를 설치할 경우, 충분한 이격거리를 고려해야 한다.
또한 가스토치와 목재 저온발화에 의해 생성된 목재 표면은 실험 과정에서는 갈라진 형태가 일부 다른 것으로 관찰되나, 화염이 크게 성장하였을 때(충분한 연소 시간을 가지고 탄화되었을 때)는 서로 다른 차이를 발견 할 수 없었다.
실제 화재조사 과정에서 목재 저온발화에 기인하여 화재가 발생되어도 현장이 심하게 소훼되었을 경우, 남아 있는 흔적 검사를 통해 ‘목재 저온발화’에 의한 화재원인을 입증하기는 어려울 것이다.
따라서 연소형상과 CCTV 등을 통해 발화지점을 한정한 후, 다른 발화원인을 배제하면서 목재 저온발화에 의한 화재를 증명해야 할 것이다.
복사열에 의한 목재 저온발화의 시간별 목재 표면 변화에 관한 선행연구가 부족하기 때문에 본 논문에서 수행된 연구 결과가 화재조사 분야에서 중요하게 활용될 것으로 기대한다.
후 기
이 논문은 행정안전부 주관 국립과학수사연구원 중장기과학수사감정기법연구개발(R&D) 사업의 지원을 받아 수행한 연구임(NFS2022FSA01).