Table 1에 실험 시험편으로 쓰인 벽지의 종류와 실험 조건이 제시되어 있다. 본 연구에서 벽지의 연기밀도 및 연소특성을 비교하기 위해 종이 벽지, 코르크, 목화솜 벽지를 사용하였다. 시험편 각각의 두께는 현장에서 벽지로 사용되는 실제 두께대로 실험에 사용하였다. 벽지는 종류에 따라 두께가 다르므로 각 벽지 고유의 제품 두께로 실험 시 측정된 연기밀도가 실제 화재 발생 시 나타나는 각 벽지의 연기밀도 특성을 보여줄 수 있다.

특정 광학 밀도는 표준 실험 방법인 ISO 5659-2에 따라 설계된 연기밀도 챔버로 측정하였다. 연기밀도 챔버의 개략도는 Figure 1에 나타냈다. 연기밀도 챔버의 가로 × 세로 × 높이 크기는 각각 0.914 m × 0.914 m × 0.610 m를 가지며 챔버 부피는 0.51 m³이다. 챔버는 시험편으로 구성된 지지대, 점화 연소기, 복사열을 제공하는 콘 방열기, 로드셀, 광학 창, 광원, 광 측정 기기 등으로 구성되어 있다. 점화 연소기에는 30 ± 5 mm의 수평한 점화 불꽃이 방출되고, 점화 불꽃은 콘 방열기로부터 15 mm 아래에 위치시켰다. 로드셀은 질량 손실을 측정하는 장치로 시험 중 시험편의 질량을 측정하여 질량 감소율을 결정할 수 있으며 0.5 g의 측정 정확도를 제공한다. 로드셀 조립체는 질량 감소에 대한 광학 밀도를 나타내는 질량 광학 밀도 데이터를 도출할 때 사용된다. 본 실험에서 사용한 시험편 중 종이벽지의 질량이 1.5 ± 0.1 g을 나타냈다. 로드셀의 질량 감소 측정 단위는 0.5 g이었기 때문에 질량 감소를 민감하게 측정하지 못한다고 판단하여 로드셀로 측정한 질량 데이터는 사용하지 않았다. 연기의 투과도 측정을 위해 직경 75 mm의 광학 창을 챔버의 상단과 하단에 하나씩 장착하고 하단의 광학 창 밑면에는 9 W의 광원을 설치하였다. 광원은 6.5 V 단색광을 사용하고 양단에 걸리는 전압은 5.5 ± 0.3 V로 유지하도록 조정하였다. 챔버 내 광 경로의 길이는 0.915 m이다. 광 측정 기기는 기록 장치와 결합되고 다중 범위 증폭기에 연결된 광 배속관으로 구성하였다. 육안과 유사한 투과율 또는 S-4 스펙트럼 감도 응답의 10⁵배 이상의 투과율로 광 세기를 연속으로 측정할 수 있도록 설치하여 실험하였다. 연기에 의한 빛의 감쇠는 광 측정 장치 내에 고정 광학 밀도를 가진 ND 중밀도 필터를 지나쳐 측정된다. ND 중밀도 필터는 발생하는 연기의 모든 파장과 색의 강도를 동등하게 줄이거나 수정하는 필터로써 특정 스펙트럼에 걸쳐 빛의 투과율을 고르게 감쇠시켜 광학 밀도를 산출하였다.

시험편은 75 mm × 75 mm의 정사각형으로 구성하여 0.04 mm 알루미늄 호일로 싸서 중앙에 노출되는 영역이 65 mm × 65 mm가 되도록 하였다. 시험편은 챔버 내에 콘 방열기와 수평으로 배치하고, 조건에 맞게 점화 불꽃의 유무를 선택하여 25 kW/m² 복사열이 제공되는 온도 620 ℃를 설정하였다. 콘 방열기는 시험편 표면에 복사열을 조사한다. 시료가 비팽창성을 가지는 경우 시료를 콘 방열기로부터 25 mm 아래에 위치시킨다. 팽창성은 시험편을 콘 방열기로부터 25 mm 아래에 두고 실험했을 때 두께가 10 mm의 팽창하는 재료를 팽창성 재료로 본다. 본 연구에서 사용한 3종의 시험편은 모두 비팽창성을 가져 콘 방열기로부터 25 mm 아래에 시험편을 두고 실험하였다. 실험이 시작되면 콘 방열기에서 30 min 동안 일정한 복사열을 조사하도록 하였다. 실험 시작 전, 측정되는 연기밀도의 오류를 줄이기 위해 광학 장비는 시작점에서부터 상부 광학창까지 투과율 100%로 설정하였다. 투과율 100%를 만족하기 위해 이 전의 실험이 끝나면 광학 창을 닦고, 충분한 시간 동안 환기를 시켜주었다. 연기밀도는 수직 방향으로 설치된 광학 장치를 통과하는 빛의 세기를 광 측정 기기가 측정하고 측정된 빛의 세기는 투과율로 변환하여 도출한다. 연기를 통한 빛 세기 감소는 광의 흡수와 산란에 따라 달라지고 광 산란은 파장에 따라 달라진다. 광원이 달라지면 실험 값을 비교하는데 주의가 필요하기 때문에 본 실험에서는 동일한 광원을 사용하여 실험하였다. 또한 연기에 의한 빛의 감쇠는 광 측정 장치 내에 고정 광학 밀도를 가진 ND 중밀도 필터를 지나쳐 측정된다. ND 중밀도 필터는 발생하는 연기의 모든 파장과 색의 강도를 동등하게 줄이거나 수정하는 필터로써 특정 스펙트럼에 걸쳐 빛의 투과율을 고르게 감쇠시킨다. 투과율로 변환된 결과는 특정 광학 밀도 D_s (specific optical density)로 나타낸다. 특정 광학 밀도 D_s는 식(1)과 같이 표현된다. 빛의 상대 투과도에 대한 음수 상용로그에 챔버 부피를 시험편 노출면적과 광선 경로 길이의 곱으로 나누어 계산한 인자를 곱한 광학 밀도로써 챔버의 형상을 반영한 연기 불투명도에 대한 척도를 보여준다. 특정 광학 밀도는 연기밀도를 반영한다. 특정 광학 밀도 D_s는 각 조건 당 세 번의 실험을 하여 평균값을 도출하였다.

D_s (specific optical density): 특정 광학 밀도

G: V/AL, 연기밀도 챔버의 형상학적 특성, 연소 챔버 부피를 시험편 노출면적과 광선 경로길이의 곱으로 나누어 계산

V: 챔버의 부피

A: 시험편의 노출된 면적

L: 챔버 내 광 경로의 길이

T: 빛의 투과율

F: 광학 필터의 밀도 (광학 필터를 사용할 시 ‘1’, 광학 필터를 사용하지 않을 시 ‘0’)

Table 2는 3종의 벽지에 대한 최대 특정 광학 밀도 값과 도달시간을 나타내며 Figure 2는 코르크 벽지의 시간에 대한 특정 광학 밀도를 나타낸다. 코르크 벽지는 점화 불꽃이 주어졌을 때 실험 시작 30～40 s 후 시료의 표면에 불꽃이 형성된다. 코르크의 불꽃연소로 인해 연소 초기에 특정 광학 밀도가 급격하게 증가하는 현상을 보인다. 코르크가 계속해서 불꽃 연소를 하지 않고 자연 소화가 일어난 원인 분석을 위해서 적외선 스펙트럼 분석(infrared spectroscopy, IR)을 시행하였다. Figure 3은 실험 전 코르크 벽지(original)와 연소 후 검은 층이 생성된 벽지(flamed)의 적외선 스펙트럼 분석(IR) 결과를 나타낸다. 불꽃 연소 이후 탄소와 탄소 간의 단일, 이중, 삼중 결합으로 이루어진 탄화층이 형성된 것을 확인할 수 있었다. original 코르크와 flamed 코르크의 IR 결과를 비교해보았을 때, 코르크가 연소되면서 탄소와 산소의 결합이 사라지며 탄소 간의 결합이 나타났다. 연소 후 코르크의 IR 결과는 탄화층을 의미하는 그래핀(graphene)의 IR 결과와 흡사하다. 연소하며 생성된 탄화층은 목재 화재 시 생성되는 기화성 가스가 이동하는 것을 막을 뿐만 아니라 목재 표면과 하부에 존재하는 미연소 목재 사이의 열전달과 가연물인 목재의 열 방출율을 저하시킨다(18). 또한 탄화층이 생성되면 코르크 벽지 내부까지 충분한 열에너지가 전달되지 못한다. 따라서 코르크 내부에서 연소가 발생하지 않아 특정 광학 밀도가 줄어드는 현상이 나타난다. 점화 불꽃이 없을 때에도 탄화층이 형성된다. 점화 불꽃이 있을 때와 비교하였을 때, 열에너지 차이로 인해 탄화층의 생성 시기가 늦어지며, 열분해가 천천히 일어난다. 실험 후 표면을 비교해보면 점화 불꽃이 있을 때, 표면의 연소가 더 많이 진행된 것을 확인할 수 있다. 점화 탄화층은 셀룰로오스가 열분해되어 생성된다(19). 실험에 사용된 종이, 코르크, 목화솜의 주요 성분이 셀룰로오스라는 점에서, 연소 실험 중 시험편의 표면에 탄화층이 생성된다.

Figure 4에서 나타낸 종이벽지의 특정 광학 밀도는 점화 불꽃이 없을 때 세 가지 벽지 중에서 가장 단시간에 최대 특정 광학 밀도에 도달한다. 이는 종이벽지의 두께가 얇아 질량이 다른 벽지에 비해 작기 때문에 나타나는 현상이다. 탈 물질이 다른 벽지와 비교했을 때 빠르게 없어지며 최대 광학 밀도가 가장 빠른 시간에 도달한다. 점화 불꽃이 있을 때, 점화 불꽃이 없을 때와 비교하여 더 높은 온도가 가해짐에 따라 탄화층의 생성과 열분해가 빠른 시점에 일어난다. 따라서 점화 불꽃이 있을 때, 더 빠른 시점에서 최대 특정 광학 밀도를 나타내며 더 작은 값을 가진다.

Figure 5에서 나타낸 목화솜 벽지의 특정 광학 밀도를 보면 세 가지 벽지 중에서 가장 큰 최대 특정 광학 밀도를 가지는 것을 확인할 수 있다. Figure 6는 목화솜 벽지를 점화 불꽃의 유무에 따라 실험 후 나타난 표면의 모습이다. Figure 6(a)를 보면 시험편 중심 부분에 목화솜이 회분이 되고 남고, 가장자리는 탄화층이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 점화 불꽃이 없을 때 특정 광학 밀도가 감소하는 것은 목화솜이 회분이 되며 연소할 물질이 감소와 더불어 탄화층의 형성으로 시험편의 연소를 막기 때문이다. 점화 불꽃이 있을 때 특정 광학 밀도가 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 점화 불꽃의 조건에서는 기존의 복사열보다 더 높은 온도가 가해지며 점화 불꽃이 없을 때와 비교하여 빠르게 탄화층을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 탄화층의 형성이 실험 시작과 동시에 곧바로 형성됨에 따라 최대 특정 광학 밀도의 지속적인 증가를 확인할 수 있다. 세 가지 벽지 공통적으로 점화 불꽃이 없을 때 최대 특정 광학 밀도가 점화 불꽃이 있을 때와 비교하여 높은 값을 보인다. 이는 3종의 벽지에서 공통적으로 생성되는 탄화층이 원인이다. 점화 불꽃이 있는 조건에서 더 큰 열에너지가 벽지에 가해지며 점화 불꽃이 없을 때와 비교하였을 때 탄화층의 생성 시점이 빨라진다. 따라서 점화 불꽃이 있을 때 빠른 탄화층의 생성으로 인하여 특정 광학 밀도가 점화 불꽃이 없을 때보다 작은 값을 보인다.

최대 특정 광학 밀도는 점화 불꽃이 있을 때 코르크 벽지, 목화솜 벽지, 종이 벽지 순으로 특정 광학 밀도 값이 높았으며 점화 불꽃이 없을 때 목화솜 벽지, 코르크 벽지, 종이 벽지 순으로 특정 광학 밀도 값이 높은 것을 확인할 수 있다. 점화 불꽃이 있을 때 코르크와 목화솜의 최대 특정 광학 밀도 차이는 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 특정 광학 밀도에 대한 위험성을 비교할 때 3종 벽지들 중에서 최대 특정 광학 밀도 값이 가장 낮은 종이벽지가 세 가지 벽지 중 안전한 것으로 판단된다.

실험을 통해 나타난 특정 광학 밀도 결과에서 연소 초기에 특정 광학 밀도에 대한 변화가 시험편마다 다르다. 시험편마다 다른 초기 특정 광학 밀도를 비교하기 위해 초기 특정 광학 밀도 값을 비교하는 지표인 VOF4 값을 도출하였다. Table 3에서는 벽지의 시간에 대한 특정 광학 밀도를 알아보기 위해 실험 경과시간 1 min, 2 min, 3 min, 4 min 지점에서 나타난 특정 광학 밀도를 나타내었으며 실험 처음 4 min까지 특정 광학 밀도의 누적값인 VOF4을 도출하였다. VOF4는 화재 발생 시 초기의 특정 광학 밀도를 예측하고 대표할 수 있는 지표로서 초기의 특정 광학 밀도 VOF4를 도출하는 식은 식(2)와 같이 표현한다.

D_s(1), D_s(2), D_s(3), D_s(4) : 재료가 복사열에 노출되면서 각각 1, 2, 3, 4 min 경과한 시간의 특정 광학 밀도

벽지의 초기 특정 광학 밀도 값은 피난에 있어서 최대 특정 광학 밀도와 또 다른 위험성을 나타낸다. 화재 시 빠른 시간 내에 대피해야 하는 특성상 화재 초기에 특정 광학 밀도 값이 크게 나타나면 충분한 피난시간 확보가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 특정 광학 밀도 시험에서 측정된 특정 광학 밀도 값을 이용하여 누적특정 광학 밀도의 위험성을 나타냈다. 시간대별 특정 광학 밀도를 살펴보면 1 min 경과시점에서는 모든 벽지에서 유사한 정도의 특정 광학 밀도를 갖는 것으로 나타났다. 2 min이 경과했을 때 점화 불꽃을 준 코르크에서 착화가 진행되며 급격한 특정 광학 밀도의 상승을 보이며 코르크 벽지, 종이 벽지, 목화솜 벽지의 순서대로 특정 광학 밀도가 높은 것으로 나타났다. 3 min이 경과했을 때 점화 불꽃은 준 코르크의 특정 광학 밀도는 경과시간 2 min에서의 특정 광학 밀도에 비해 줄어든 것으로 나타났다. 종이 벽지, 목화솜, 점화 불꽃이 없는 코르크의 특정 광학 밀도는 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 점화 불꽃을 준 코르크를 제외한 모든 벽지에서는 4 min까지 특정 광학 밀도가 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 종이 벽지의 최대 특정 광학 밀도는 목화솜 벽지보다 낮지만 연소 초기 4 min 동안 특정 광학 밀도 값은 높은 것으로 화재 초기에 종이 벽지의 연소가 진행되는 것을 알 수 있다. VOF4 값을 살펴보면, 점화 불꽃이 있을 때 종이벽지 29.3 D_s, 코르크 벽지 120.4 D_s, 목화솜 벽지 9.3 D_s, 점화 불꽃이 없을 때 종이 벽지 50.1D_s, 코르크 벽지 57.6 D_s, 화솜 벽지 31.9 D_s로 나타났다. 벽지의 표면에 착화되는 코르크를 제외한 종이 벽지와 목화솜 벽지는 점화 불꽃이 없을 때 특정 광학 밀도가 더 높으며 점화 불꽃을 준 코르크는 같은 조건의 벽지보다 특정 광학 밀도 값이 최대 12배 이상 차이가 난다. 따라서 연소 초기에 다량의 연기가 발생함과 동시에 화재 시 피난 시 피난자의 가시도 확보에 큰 부정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. VOF4 결과에 의한 연소 초기 연기에 대한 위험도는 코르크 벽지, 종이 벽지, 목화솜 벽지 순으로 높은 것으로 평가된다. 3종 벽지 중에서 가장 높은 최대 특정 광학 밀도 값을 가졌던 목화솜 벽지는 연소 초기에 발생하는 특정 광학 밀도 값이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 반대로 가장 낮은 최대 특정 광학 밀도를 가지는 종이벽지는 점화 불꽃이 없을 때 코르크와 비슷한 양의 초기 특정 광학 밀도가 발생한 것을 볼 수 있다. 화재 발생과 동시에 재실자들이 피난을 할 때의 벽지 위험성은 최대 특정 광학 밀도에 초점을 둔 벽지의 위험성과 다른 양상을 보인다.

Figure 7는 벽지 별 시간에 대한 감광계수의 변화를 나타내고 Table 4에서 벽지 별 최대감광계수를 나타냈다. 감광계수는 챔버 내에 수집된 연기를 통해 연기 농도에 따른 빛의 투과량을 정량화한 것으로 감광계수가 클수록 빛의 감쇠가 많아 빛이 적게 투과됨을 의미한다. 단색광 감쇠의 부우게(Bouguer’s)법칙에 기초하여 다음 식(3)이 유도된다.

C_s: 감광계수(extinction coefficient)

T₀: 초기 투과율

T: 투과율

L: 챔버 내 광 경로의 길이

감광계수를 도출함으로써 시험편의 특정 광학 밀도에 대응하는 가시거리를 알 수 있다는 점에서 시험편이 가지는 연기에 대한 위험도를 비교할 수 있다. 점화 불꽃이 있을 때, 종이 벽지 0.6 m^-1, 코르크 1.1 m^-1, 목화솜 벽지 1.0 m^-1, 점화 불꽃 없을 때, 종이 벽지 1.3 m^-1, 코르크 벽지 2.0 m^-1, 목화솜 벽지 2.4 m^-1임으로 나타났다. 점화 불꽃이 없을 때 벽지의 감광계수는 점화 불꽃이 있을 때에 비해 약 2배 정도 큰 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 최대 특정 광학 밀도 값에 비례하여 감광계수가 크기 때문에 측정된 특정 광학 밀도가 가장 높았던 점화 불꽃이 없을 때의 목화솜 벽지가 가장 큰 값을 보였으며 특정 광학 밀도가 가장 낮았던 점화 불꽃이 있을 때 종이 벽지가 가장 작은 값을 보였다. Table 5는 감광계수와 가시거리의 관계(20)를 나타내었으며, 감광계수(C_s)와 가시거리(D)는 C_sㆍD = constant 의 관계를 가진다. 가시거리는 건물에서 사람이 목표물을 식별할 수 있는 거리를 말한다. 점화 불꽃이 있을 때의 종이 벽지를 제외한 다른 벽지들의 감광계수는 1.0 m^-1 이상의 값으로 화재 시 가시거리 1-2 m가 확보되는 특정 광학 밀도를 가진다. 건물에 익숙한 사람은 5 m, 익숙하지 않은 사람은 30 m의 한계가시거리를 가지지만 이에 훨씬 못미치는 결과를 얻을 수 있었다.