2.1 전기매트의 분류

겨울철 난방매트에는 전기매트, 온수매트, 카본매트 등으로 분류된다. 이 중 전기매트(electric pad)는 열에 강한 천이나 가죽소재 속에 열선(구리소재)을 넣어 따뜻한 상태로 유지해주는 전기제품을 의미한다. 2018년 한국소비자원에서 작성한 ‘전기매트류 위해정보 분석 결과보고’에 따르면 전기매트는 시중에서 전기장판, 전기요, 전기이불 등으로 용어가 혼용되고 있다(8). 그러다보니 전기매트를 다루는 기관마다 전기매트를 의미하는 용어가 조금씩 다르다.

Table 1은 소방청과 국가기술표준원에서 전기매트를 의미하는 품목들이 분류된 현황을 나타낸 것이다. 화재통계를 주관하고 있는 소방청의 국가화재통계시스템에서는 전기매트를 계절용기기로 분류한 다음 전기장판, 전기담요, 전기방석을 하나로 묶어 화재통계를 내고 있다. 전기용품 안전기준을 관리하는 국가기술표준원에서는 전기매트를 전기용품 및 생활용품 안전관리법에 따른 안전인증대상전기용품의 분류에서 전기기기(electrical appliances)에 포함시키고 있으며, ｢classification 1｣ 전기담요 및 매트, 전기침대 안에 세부적으로 ① 전기요, ② 전기매트, ③ 전기카펫, ④ 전기장판, ⑤ 전기침대로 분류하고 있다.

Table 1

Classification of Electric Mat

해당 품목들은 국가기술표준원에서 지정한 안전인증 기관에서 시험표준 KC 60335-2-17에 의해 안전인증을 받아야 한다. KC 60335-2-17은 국제표준 IEC 60335-2-17을 부합화한 것이다. 그러나 부합화시에 IEC 60335-2-17의 용어를 그대로 가져와 번역함으로써 국내 제품명들과는 다소 상이함을 보이고 있다. KC 60335-2-17의 적용범위에는 전기담요, 전기패드 등으로 쓰여 있으며, 용어 및 정의에는 담요(blanket), 요(underblanket), 이불(overblanket), 패드(pad), 매트리스(mattress) 용어가 쓰이고 있다(9).

이처럼 화재통계, 전기용품 안전관리법, 시험표준 등에서 전기매트 의미로 사용되는 용어가 제각각임을 알 수 있다. 국내 제품현황에 맞게끔 시험표준 내 용어가 개정될 필요가 있으며. 화재통계 및 안전기준을 담당하는 기관에서 서로 용어의 통일이 필요하다고 판단된다.

2.2 KC 60335-2-17

전기용품안전기준 KC 60335는 정격 전압 250 V 이하의 가정용 전기기기의 안전성을 확인하는 표준이다. KC 60335-1은 일반 요구사항이다. 각각의 가정용 전기기기의 개별요구사항은 KC 60335-2이며, 전기기기의 특징에 따라 나뉜다. 전기매트의 경우 유연성을 가진 전열기기로 KC 60335-2-17에 해당된다. KC 60335-2-17의 정식 명칭은 가정용 및 이와 유사한 전기기기의 안전성 제2-17부 ‘모포, 패드 및 이와 유사한 유연성을 가진 전열기기의 개별 요구 사항’이다. 제품 유형에 따라 시험방법 및 적합기준 등이 조금씩 차이가 있으나, Table 1의 국가기술표준원 분류에서 전기요(①), 전기매트(②), 전기장판(④) 기기 명으로 제작한 제품들은 KC 60335-2-17에 의해 동일한 시험조건 및 적합기준으로 시험을 받는다.

KC 60335-2-17 주요시험에는 정격전력(power input) 측정, 온도상승(heating) 시험, 누설전류(leakage current) 및 절연내력(electric strength) 측정, 과도과전압(transient overvoltage) 시험, 기계적강도(mechanical strength) 시험, 이상운전(abnormal operation) 시험 등이 있다(9).

Tables 2와 3은 전기요·전기매트·전기장판을 대상으로 주요시험별 시험조건 및 적합기준 등을 나타낸 것이다. Table 2에서 [10] 정격전력(power input) 측정은 정격전압에서 실시되며, 제품에 표시된 와트(watt)의 범위가 +10%～–20% 이내에 들어와야 한다. [11] 온도상승(heating) 시험은 겨울철 사용을 감안하여 주위온도가 0 °C～15 °C 인 상태에서 정격전압의 1.06배로 시험을 실시해야 한다. 이에 따라 전기용품 안전인증기관인 KTL (한국산업기술시험원), KTC (한국기계전기전자시험연구원), KTR (한국화학융합시험연구원)에서는 일률적으로 주위온도를 10 °C로 설정하여 제품시험을 실시하고 있다. 또한 이불, 매트리스와의 사용 등을 감안하여 단열시트로 전기매트의 위, 아래를 덮은 후 단열조건 하에서 시험을 실시하고 있다. 온도 측정 시 전열선은 전열선을 감싸고 있는 피복에 열전대를 직접 접촉하여 실시한다. 표면온도의 경우 전기매트 표면 위에 300 mm × 300 mm × 0.5 mm 크기의 동판을 놓고 동판 중심에 열전대를 부착하여 실시한다. 전기적으로는 최대 2.5 mA을 적합기준으로 누설전류 측정(leakage current) 시험을 실시하고 있으며, 시험전압 3,000 V를 가하는 절연내력(electric strength) 시험 또한 실시한다(9).

Table 2

KC 60335-2-17

Table 3

KC 60335-2-17 (Mechanical Strength)

Table 3은 기계적 강도(mechanical strength) 시험을 나타낸 것이다. (101) 낙하시험 100회, (102) 인장강도 시험 2,000회, (103) 구부림 시험 4,000회, (104) 감기 시험 1,000회, (107) 회전 시험 500회 등을 실시하고 있다. 공통적으로 (101) 낙하시험이 실시되며, 제품 유형별로 진기요-(102) 인장강도 시험, 전기장판-(103) 구부림 시험, 전기매트-(104) 감기 시험을 실시한다. 그 이후에는 Table 1의 [11] 조건에 따라 온도상승(heating) 시험을 500 h 동안 추가 실시한다. [11] 온도상승시험 후에는 제품유형별로 (102), (103), (104) 시험을 다시 실시한다. 이처럼 기계적 강도 시험을 통해 실제 가정에서 전기매트를 사용할 때 접거나 감아서 보관하는 것을 반복하여 시뮬레이션 함으로써 기계적 강도에 대한 안전성을 평가하고 있다(9).

2.3 전기매트 온도제어

국내 전기매트의 열선은 자기장이 서로 상쇄되도록 설계된 무자계열선 방식으로 Figure 2와 같이 전열선(heating wire)과 감지선(sensing wire)의 이중 구조로 되어 있다. 전열선을 PE (합성섬유)에 나선형으로 감은 다음 나일론(nylon)으로 절연시키고 그 위에 다시 감지선을 감아 사용하는 구조이다(10).

Figure 2

Heating wire & sensing wire⁽¹⁰⁾.

온도제어는 전열선과 감지선 사이의 나일론 온도에 따른 임피던스 변화를 온도조절회로에 보내고, 위상제어소자(silicon controlled rectifier, SCR)를 통해 전원의 공급과 차단을 반복함으로서 온도를 유지하는 방식이다(11). Figure 3은 단방향소자인 SCR의 정상 동작에 따른 전압/전류 파형을 나타낸 것이다(12).

Figure 3

SCR operation check⁽¹²⁾.

Figure 4는 전기매트의 개략적인 온도제어회로를 나타낸 것으로 온도조절기 가변저항(VR)과 감지선의 임피던스에 의해 분압회로가 구성되고, 분압전압의 위상지연이 발생되는데 이때 분압된 전압의 차이에 의해서 위상제어소자에 트리거 신호가 전달되고, 전기매트 열선에 공급되는 에너지를 가변시킨다. 감지선은 일반적으로 온도변화에 따라 저항이 변화하는 형태로서 온도변화에 따른 감지선의 저항변화는 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 R_t는 전기매트 동작에 따른 저항값, R₀는 감지선 초기 저항값, α는 저항의 온도계수, t는 전기매트 온도변화에 해당한다(5).

Figure 4

Temperature control⁽⁵⁾.

R_t: 변동된 온도 저항값

R₀: 초기 저항값

α: 저항의 온도계수

t: 온도변화

3.1 리콜 현황 조사 및 결함 분석

국가기술표준원에서는 정기적으로 안전인증제품 대상으로 시제품에 대해서 안전성 조사를 실시한다. 2018년까지는 한국제품안전협회에서 위탁을 받아 실시하였으며, 현재는 제품안전관리원에서 위탁을 받아 실시하고 있다. 전기매트의 경우 현재까지 5차례(2014년, 2016년, 2018년, 2019년, 2020년)에 걸쳐 실시되었다. 안전성 조사는 KC 60335-2-17에 따라 정격전력 측정, 온도상승시험, 누설전류 및 절연내력 시험과 인증 당시 사용된 온도조절기의 주요 부품 소자에 대한 동일성 확인이 실시되었다. Table 4는 안전성 조사 결과에 의한 전기매트 리콜현황을 나타낸 것이다. 리콜명령을 받은 제조사는 53개 업체이며, 전기요 8개, 전기매트 52개, 전기장판 16개로 총 76개의 제품에 대해서 인증취소 및 유통금지 조치가 수반되었다(13).

Table 4

Certification & Recall Status

안전성 조사의 결함을 분석해보면 전열소자 및 표면온도 기준치 초과에 의한 온도상승시험 부적합이 63개(86.30%), 전류퓨즈, 캐패시터 등의 주요부품 상이에 의한 동일성 확인 부적합이 55개(72.3%), 정격입력 기준치 초과에 의한 소비전력 부적합이 21개(27.63%)로 나타났다. 온도상승시험에서는 기준값 95 °C에 비해 최대 50 °C 높은 145 °C까지 상승하는 제품이 있었으며, 정격전력 부적합에서는 정격입력 대비 최대오차 +130.7%인 제품이 있었다(14).

3.2 화재 통계 분석

지난 5년(2016년～2020년)간 전기매트 총 화재 1,308건을 대상으로 소방서 화재조사관들이 화재현장 감식 후 작성한 화재현황조사서의 발화개요 등을 면밀히 분석하였다. 분석 목적은 발화부위가 매트부위에 한정되고 국소적인 화재가 어느 정도 되는지를 알기 위함이다.

송재용 등은 “전기장판 열선 결함에 의한 전기화재 원인분석”에서 전기매트의 온도제어방식이 제대로 이루어지지 않을 경우 발열량이 크게 되는 현상이 발생된다고 하였다. 열선 피복이 상대적으로 취약한 부분에서는 국부적 발열에 의해 가연물이 탄화될 가능성이 있으며, 열선피복이 용융되는 현상이 초래될 경우에는 절연파괴에 의해 전열선과 감지선이 단락되어 화재로 이어질 수 있다고 하였다(4). 만약 온도제어가 되지 않는 불량제품을 사용한다는 것을 가정했을 때 가연물만 일부 탄화되고 기타 특이점이 식별되기 않았다면 화재조사관 입장에서는 축열에 의한 화재로 판단하고 가연물 근접방치에 의한 부주의로 결론 내렸을 확률이 높다고 판단된다.

Figure 5(a)는 분석결과를 나타낸 개략도이다. 분석결과 발화건물 전체 연소와 발화층 연소를 제외하고 발화지점만 연소된 화재는 1,026건이었다. 그 중 명확한 최초착화지점이라고 할 수 있는 국소지점 화재가 506건이었다. 506건의 화재 원인은 부주의, 전기, 기계, 미상 등이었다. 506건의 화재 중 연소부위가 매트에 한정되고 용융흔 등의 전기적 특이점 등이 식별되지 않은 화재가 총 294건이었다. 294건은 모두 화재원인이 부주의(가연물근접방치), 즉 이불 등에 의해 발생한 축열이 원인이 된 화재로 결론 내려진 건들이다. 총 화재 1,308건 대비 22.48%에 해당하는 수치이다. Figure 5(b)는 국소지점 화재의 예를 나타낸 것이다.

Figure 5

Fire caused by heat storage.

3.3 리콜제품 판매현황 조사

3.3.1 전통시장 조사

전주 내 대표적인 전통시장인 남부시장과 중앙시장에서 각각 5개 점포, 총 10개 점포(점포당 1개 제품 구매)를 조사하였다. 그 결과 10개 점포 중 3개 점포에서 리콜제품을 판매하고 있었다. 판매중지와 함께 제조사에서 수거되었어야 할 제품이었다. 소상공인시장진흥공단의 “2020년 전통시장⋅상점가 및 점포경영 실태조사 결과 보고서”에 의하면 전국 전통시장 수는 총 1,401개이며, 그 중 전주 남부시장이나 중앙시장과 같이 자가용전기설비에 해당되는 사용용량 20 kW 이상의 전통시장만 해도 496개나 된다. 전국적으로 전기매트의 리콜제품 판매에 대한 실태조사가 필요하다고 판단된다(15,16). Table 5는 실태조사 현황을 나타낸 것이다. 제품 중에는 4번처럼 2013년도에 제조된 제품도 판매 중이었다. 이 제품을 포함한 3개의 제품은 제조회사가 폐업을 하여 인증이 취소된 상태였다. 폐업에 의한 인증 취소 제품은 리콜 명령을 받은 제품이 아니기 때문에 판매에 있어서 문제가 되지는 않는다. 그러나 제조년이 2013년으로 제조된 지 약 10년 정도 지난 제품이 판매되고 있는 점은 제품의 성능 관점에서 한번쯤 생각해 볼 일이다.

Table 5

Certification & Recall Status

3.3.2 인터넷 마켓 조사

인터넷 마켓 실태조사 결과 리콜제품은 판매하지 않고 있었다. 간혹 판매 중으로 보이는 것은 사이트에서 주문을 통해 확인하였지만, 실제로 배송되어 온 제품은 리콜제품이 아니었다. 사이트의 제품과 상이한 적합 인증을 받은 제품이 배송되었다. 그러나 당근마켓과 같은 중고사이트에서는 Figure 6과 같이 리콜제품이 거래되고 있는 것을 확인하였다.

Figure 6

Internet used site (carrot market) recall product transaction.

4.1 실험방법

4.1.2 온도상승 실험

온도기준은 전열선의 절연소자 95 °C, 일반 표면온도 37 °C, 발끝근처 표면온도 45 °C를 초과하지 않아야 한다. 시험조건은 통상동작 상태에서 정격전압의 1.06배의 전압을 입력한다. 온도는 최고설정값으로 조정한다. 주위온도는 10 °C를 유지한다. 주위온도 10 °C를 유지하기 위해 시료를 ESEPC사의 EBR 항온항습 챔버 안에 설치하여 실험을 실시한다. 전열선은 전열선을 감싸고 있는 피복에 열전대를 직접 접촉하여 실시한다. 표면온도의 경우 전기매트 표면 위에 300 mm × 300 mm × 0.5 mm 크기의 동판을 놓고 동판 중심에 열전대를 부착하여 실시한다. 실험에 사용된 열전대는 K타입(온도범위: -40 °C～1,000 °C)으로 ㈜대현테크놀로지의 K-12-TE 모델을 사용하였다. 온도측정은 Yokogawa사의 MV2000 레코더를 사용하였다. 레코더의 온도범위는 K타입 열전대에 해당되며, 측정 오차범위는 ± 0.15%이다.

Figure 7은 전열선 절연소자온도와 표면온도를 측정한 위치를 나타낸 것으로 별모양 지점이 측정위치이다. 측정지점은 총 6군데로 전열선 절연소자온도 측정지점 4군데, 표면온도 측정지점 2군데이다. Figure 7(a) 전열선 절연소자 측정지점인 1번～4번은 95 °C를 초과하지 않아야 하며, Figure 7(b)의 표면온도 5번 지점은 37 °C, 발끝근처에 해당하는 6번 지점은 45 °C를 초과하지 않아야 한다. 동판은 Figure 7(b)와 같이 사람이 누웠을 때 전기매트 중간과 발끝 부위에 하나씩 놓았다. Figure 8은 열전대를 부착한 실제 위치를 나타낸 사진이다. 시료는 Figure 9와 같이 위아래를 단열재로 덮었다. KC 60335-2-17 부속서 AA에 따라 오픈 셀 구조의 폴리에테르 재질로 밀도 약 30 kg/m³, 두께 36 mm 규격의 단열재를 사용한다. 전원은 대림전기(주)의 슬라이닥스를 사용하였다. Figure 10은 온도상승실험의 개략도를 나타낸 것이다. Table 6은 온도상승 실험에 사용된 실험 장치 세부사양을 나타낸 것이다.

Figure 7

Measurement position.

Figure 8

Thermocouple attachment.

Figure 9

Arrangement for test.

Figure 10

Heating test method.

Table 6

Device Specification for Heating Experiments

4.2 실험결과 및 고찰

실험결과는 Table 7과 같다. 정격전력 측정에서는 4개 제품, 온도상승 실험에서는 7개 제품이 기준치를 초과하였다. 누설전류 및 절연내력 실험은 모두 정상이었다. 정격전력 측정에서 기준치를 초과한 4개 제품은 온도상승 실험에서도 기준치를 초과하였다.

Table 7

Experiment Result

Table 8은 정격전력 측정값을 나타낸 것이다. No.1, No2, No.4, No.5 제품이 부적합을 받았다. No.2 제품의 경우 정격입력 수치 대비 최대오차가 +66.7%까지 초과하였다. 4개 제품 모두 영세업체 제품이었다.

Table 8

Power Input Result

Table 9는 온도상승 실험 측정값을 나타낸 것이다. 온도상승 실험에서 전열선의 절연소자온도 기준치를 초과한 제품은 1개(No.2)로 기준치 95 °C를 초과한 96.1 °C를 나타내었다. 표면온도의 기준치를 초과한 제품은 7개(No.1, No.2, No.3, No.4, No.5, No.7, No.8)로 일반 표면온도는 기준치 37 °C를 초과한 최대 64.3 °C까지, 발끝근처 표면온도는 기준치 45 °C를 초과한 최대 46.4 °C까지 나타내었다. 업체 규모별로 보면 영세업체 제품이 5개, 중소업체 제품이 2개였다. 측정 중 수치가 계속 랜덤하게 달라지는 오류를 보였던 두 포인트(No.1-heating wire-point 4, No.2-surface-point 2)는 제외하였다.

Table 9

Heating Result

Figure 11은 10개 제품의 정격전력 측정 시의 전력변화를 나타낸 것이다. 각각의 제품마다 전력의 크기와 전원이 공급되는 주기가 다르다는 것을 알 수 있다. Figure 12는 각각의 제품별로 전원 특징을 파악하기 쉽도록 제품별로 전력변화를 나타낸 것이다. 온도상승 실험에서 기준치를 초과한 영세업체 제품 모두 전원의 공급과 차단을 반복하는 스위칭 동작이 확인되지 않았다. 스위칭을 통해 전류량을 조절하는 온도제어 방식이 제대로 작동하지 않고 있음을 의미한다.

Figure 11

10 Product power input graph.

Figure 12

Product power input graph.

9번과 10번 제품의 경우 전원이 차단되었다가 다시 공급되는 현상이 확인되었지만, 간헐적이었으며, 6번∼8번과 같이 기본적인 전기매트 전원그래프와는 상이함이 있다. 9번과 10번 제품은 각각 업체고유의 기술이 들어간 경우이다. 9번 제품은 진동센서에 의해 온도를 조절하는 기술이 사용되었다(17). 센서가 인체의 움직임을 감지하지 못할 경우 전력 공급을 줄이도록 되어있다. 10번 제품은 병렬 컨트롤러 방식으로 전기매트의 면적을 반씩 나누어 각각 온도를 컨트롤하는 제품이다(18). 한쪽에서 전력을 차단되더라도 다른 한쪽에서 전력을 공급하게 되면 전원입력 측에서 측정된 그래프 상에서는 계속 공급 상태를 유지하는 것으로 나타난다.

인증을 받았던 인증기관(9번-KTR, 10번-KTC)에 확인한 결과 9번 제품은 전력수치가 떨어지다가 계속 동일하게 유지된 수치인 95 W를 정격으로 하였으며, 10번의 경우 Table 2 KC 60335-2-17 주요시험 내용에서 [10] 입력전력(power input) 측정의 참고사항(reference)에 따라 작동 주기 동안 수치 평균값인 140 W를 정격으로 하였다. 9번과 10번 제품은 인증기관에서 시험 당시 1 h을 초과한 측정데이터를 통해 정격이 결정하였으나, 본 논문에서는 입력전력 측정을 1 h 동안만 실시하였기 때문에 적합⋅부적합에 대한 판단이 불가하다고 판단된다.

4.3 동일성 확인

3.3.1 동일성 확인은 실험을 실시했던 10개 제품의 온도조절기가 인증 받을 당시와 동일한 제품이었는지를 확인하기 위해 안전인증을 실시하였던 인증기관에 의뢰하여 진행하였다. 확인결과 3개 제품이 인증당시의 제품과 차이를 보였다. 3제품 모두 인증당시의 온도조절기와 비교하여 내부의 전류퓨즈, 캐패시터, SCR 등 주요 전기소자가 상이하였으며, 온도조절기 전체적으로 부피가 다름을 확인하였다. 온도조절기 자체가 바뀐 것으로 판단된다. 확인결과는 Table 10과 같다. Figure 13은 동일성 확인을 실시한 제품의 온도조절기 내부 PCB 사진 중 하나이다.

Table 10

Identity Check

Figure 13

Identity check example.