연소 조건에 따른 폴리메타크릴산 메틸(PMMA)의 연기 입자 크기가 광소멸에 미치는 영향 분석
Analysis of the Light Extinction Effect of Polymethyl Methacrylate by Smoke Particle Size in Combustion Conditions
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요 약
연소시 생성되는 다량의 연기 및 유독가스는 피난자의 가시도를 감소시켜 피난을 방해하는 주요한 인자로 작용한다. 연기 입자의 크기는 빛의 산란 및 흡수에 영향을 미치기 때문에 연기의 불투명도를 결정짓는 주요한 요소이다. 따라서 피난 안전성 확보를 위하여 연기 입자 크기 분포와 연기 불투명도간의 상관관계를 밝히는 것은 중요하다. 본 실험은 polymethyl methacrylate (PMMA)를 대상으로 ISO 5659-2 연소 챔버에 입자 측정 장치(OPC)를 연결하여 온도 및 점화 불꽃의 유무에 따른 광학 밀도와 연기 입자 크기 분포를 측정하였다. 실험 결과를 바탕으로 특정 광학 밀도를 도출하여 연기 입자 크기와 광소멸의 상관관계를 분석하였다. 실험 결과 특정 광학 밀도가 증가할수록 0.25 - 0.3 µm 크기의 입자 농도는 감소하고 0.3 - 0.58 µm 크기의 입자 농도가 증가하였으며 회귀분석을 통해 0.25 - 0.58 µm 입자가 광소멸에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
Trans Abstract
ABSTRACT
Large amounts of smoke and toxic gases generated during combustion are the main causes of fire casualties and are major factors that hinder evacuation (i.e., by reducing the visibility). Since the size of the smoke particles closely influences the scattering and absorption of light, it has a direct effect on the opacity of the smoke. Therefore, it is important to determine the correlation between the particle size distribution of smoke particles and smoke opacity to ensure the safety of evacuees. In this study, the correlation between density and size distribution of smoke particles from polymethyl methacrylate (PMMA) and visibility were measured with and without flame conditions. We achieved this by setting up an ISO 5659-2 smoke density chamber, equipped with a particle measuring device (OPC), and recording the visibility changes with increasing temperature. Specific optical density and visibility secured during evacuation were compared. As the specific optical density increased, the particle concentration with a size of 0.25 - 0.3 µm decreased but the one with a size of 0.3 - 0.58 µm increased significantly. Regression analysis confirmed that 0.25 - 0.58 µm particles affected light extinction the most. The difference in visibility secured during evacuation was determined based on the number of particles and size distribution.
1. 서 론
화재시 발생하는 연기는 피난시 가시도를 결정하며 피난 시간에 영향을 미친다. 연기의 농도 값이 커질수록 피난자의 가시도가 감소하여 피난을 지연시키기 때문에 연기에 노출되는 시간을 증가시킨다. 연기에 노출되는 시간의 증가는 피난자에게 다량의 연기 흡입을 초래하며 연기 흡입으로 인한 사망자 수는 전체 화재로 인한 사망자 수의 50% 이상을 차지한다(1).
화재시 발생하는 연기는 가연물의 열분해 및 연소과정에서 발생하는 다양한 생성물과 주변에 잔존하는 고체, 액체, 기체 미립자들의 혼합물이다. 연기는 연소가스 및 연기 입자로 이루어지며 연기 입자의 광 산란 및 광 흡수로 인해 광소멸이 발생한다. 광 산란 및 흡수가 커짐에 따라 광소멸이 증가하여 확보되는 가시거리가 줄어들기 때문에 피난의 안전성 확보를 위해선 연기 입자의 광학적 특성에 대한 이해가 필수적이다.
식(1)은 광원의 빛의 세기(Io)를 기준으로 광경로를 지나 수광부까지 측정되는 빛의 세기(I)의 비율인 광 투과율을 나타낸다. 광 투과율은 부우게 람버트(Bouguer’s Lambert) 법칙을 기반으로 투과되는 빛의 세기는 거리에 따라 기하급수적으로 감소한다는 실험적 데이터를 기반으로 광 경로 길이(L) 및 감광계수(bext)의 지수 함수로 나타내어진다(2). 감광계수는 광 경로 길이당 감소되는 입사광의 비율로서 광 경로에 위치하는 입자 표면적과 그에 상응하는 무차원 광소멸계수 곱의 누적값으로 나타내어질 수 있으며 해당식을 정리하면 식(2)와 같이 나타낼 수 있다. 식(2)를 입자 크기에 대해 정규 분포를 취한 후 정리하면 식(3)과 같이 나타낼 수 있으며 이를 입자 크기에 대한 감광계수의 식으로 유도하면 식(4) 형태로 정리된다(3). 식(4)는 입자 크기 변화(ddp)에 대한 감광계수의 변화도(dbext)를 나타내는 지표로서 해당 식을 통해 광소멸이 연기를 구성하는 입자 크기에 대해 영향을 받음을 알 수 있다.
Figure 1은 연기 입자가 성장하는 메커니즘을 나타낸다. 연기 입자는 연소 초기에 발생한 증기 및 미연탄소에 가스 및 먼지가 흡착되며 생성된다. 전구체(precursor)가 핵생성(nucleation) 및 응축(condensation)의 과정을 통해 구형의 입자(primary particle)를 형성한다. 초기의 구형 입자는 개별의 입자가 흡착되어 입자와 입자 사이의 물리적인 거리가 감소되는 응고(coagulation), 개별의 입자가 흡착된 후 새로운 크기의 구형 입자를 형성하는 합체(coalescence) 그리고 파손(breakage)의 과정을 거쳐 응집체(agglomerates)로 성장한다(4). 응집체는 0.5 - 5 μm의 사슬 및 포도송이 형태를 보이며 응집체의 크기는 연소 조건에 영향을 크게 받기 때문에 연소 온도, 입자의 화학적 조성 및 당량비 등 다양한 조건에 따라 연기 입자 크기가 커질 수 있다. 따라서 연기 내에는 다양한 크기의 연기 입자가 분포하기 때문에 연소 조건별 가장 많이 발생하는 연기 입자 크기에도 차이가 발생(5)하므로 조건에 따라 많이 생성되는 연기 입자 크기를 측정하여 비교할 필요성을 가진다.
연기의 광소멸 현상으로 인한 피해는 줄어들지 않음에 따라 연기의 광소멸에 영향을 미치는 요소들에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. Yang 등(6)은 화력 발전소 등의 연료로 사용하는 역청탄을 대상으로 연소 환경에 따라 변화하는 광소멸계수를 측정하였다. 동일한 압력에서 온도가 상승하고, 동일한 온도에서 압력이 상승할 시 광소멸계수가 증가하여 빛의 감쇠가 증가하는 것을 확인하였다. David(7)는 대기 중에 부유하는 2.5 μm 이하 탄소 입자 개수 질량 농도에 따라 변하는 가시도를 측정하였다. 탄소의 질량 농도가 증가함에 따라 가시도가 기하급수적으로 감소하는 경향을 보였다. Duthon 등(8)은 광소멸에 빛의 파장이 미치는 영향을 측정하였다. 입자 크기가 커질수록 입자에 대한 감광계수는 2 m-1로 수렴을 하는 경향을 보이는데 광원의 파장이 길수록 파장이 짧을 때와 비교하여 감광계수가 2 m-1로 수렴하기 시작하는 입자 크기가 커지는 것을 확인하였다. Kleeman 등(9)은 목재, 육류 및 담배를 대상으로 동일한 연소 조건에서 발생되는 가연물별 연기 입자의 크기 분포를 측정하였다. 가연물별 발생하는 연기의 성분이 다르며 동일한 성분이더라도 크기 분포가 다르게 나타나는 현상을 통해 광소멸은 가연물의 성분에 따라 고유한 특성을 가짐을 알 수 있다. 광소멸에 영향을 미치는 다양한 요소 중 연기 입자는 다양한 연소 조건에서 폐침전을 야기하는 10 μm 이하의 입자 크기 및 개수 분포를 연소 환경에 따라 도출하는데 집중된다. Goo(10)는 ISO/TS 19700방법에 규정된 등속 튜브연소방식으로 목재에 대하여 온도 및 당량비 차이에 따른 연소 조건에서 연기 입자 크기별 개수 농도 분포를 측정하였다. 동일한 당량비를 가질 때, 온도가 높아질수록 작은 입자(0.1 μm 이하)와 큰 입자(1 μm 이상) 범위에서는 개수 농도가 감소하며 중간입자 범위에서 개수 농도가 증가하는 것을 확인하였다. Keith와 Derrick(11)은 담배 연기의 입자 크기 및 농도를 측정하였다. 0.33 mm의 담배를 피울 때 0.1 - 1 μm 입자의 크기가 대부분을 이루고 있으며 그 중 0.2 μm에서 최대 값을 보였다. 담배를 피우는 시간이 증가함에 따라 응고 과정이 진행되어 연기를 구성하는 입자의 크기가 대체로 커지는 것을 확인하였으며 다양한 필터를 사용하여 연기 입자 크기 및 개수 농도를 줄일 수 있는 것을 실험적으로 증명하였다. 이전 선행 연구들(6-9)과 같이 연기로 인한 광소멸에 영향을 미치는 다양한 요인들에 대한 많이 연구가 진행되고 있으며 그 중 연기 입자 크기 및 개수 분포는 연소 조건에 따라 달라지는 값을 비교하며 도출된다(10,11). 하지만 해당 결과를 토대로 연기의 입자 크기가 빛의 감쇠에 미치는 영향에 대한 정량적인 분석은 상대적으로 미비하다.
연기 내 연기 입자 크기에 따른 광학적 특성은 가시도에 직접적인 영향을 미치기 때문에 화재시 연기에 의한 광소멸을 이해하고 예측하기 위해선 연소 조건별 변화하는 연기 입자의 크기 분포에 대한 이해가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 온도, 점화 불꽃 유무에 따른 연소 형태에 따라 달라지는 특정 광학 밀도를 도출하여 피난시 확보되는 가시도를 비교하고자 한다. 또한 연소 조건별 연기 입자 크기 분포를 측정을 통해 연기 입자 크기와 광소멸의 상관관계를 분석하여 연기 입자 크기가 연기의 광소멸 및 피난에 미치는 영향을 비교하고자 한다.
2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 재료
본 실험에서는 화재시 연기 발생의 위험성이 높은 플라스틱 섬유 중 무색투명한 고분자 재료로 유리를 대신하여 널리 사용되고 있는 polymethyl methacrylate (PMMA)를 실험 재료로 선정하였다. PMMA는 methylmethacrylate (MMA)를 기본 모노머(monomer)로 하는 아크릴 수지로써 MMA에 methyl acrylate (MA) 또는 ethyl acrylate (EA)를 함께 사용하는 공중합체이다(12). PMMA는 화염전파속도 및 폭발압력 상승 속도가 빠르기 때문에(13) 불꽃 연소시 높은 화재의 위험성을 가진다. Figure 2는 PMMA 시험편 사진을 나타내며 Table 1은 실험 조건을 제시하였다. 실험은 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C 및 600 °C, 점화 불꽃이 있는 조건의 500 °C에서 진행하였다. 점화 불꽃의 유무는 착화원의 유무로 작용한다. 시험편에 가해지는 온도를 100 °C 씩 증가시켰을 때 400 °C 이하의 온도에서는 1000 s 동안 증가하는 특정 광학 밀도의 변화가 극히 미비하였기 때문에 500 °C 복사열에서부터 실험을 진행하였다. 또한 모든 조건은 불꽃 연소가 일어나지 않는 동일한 상황에서 비교하고자 하였으며 이에 따라 점화 불꽃이 있는 조건의 600 °C에서와 그 이상의 온도에서는 1000 s 내에 불꽃 연소가 진행됨에 따라 제외하였다. 500 - 600 °C의 복사열은 인근에서 대형 화재가 발생한 경우, 외부로 방출되는 복사열의 수준으로 화재가 발생하였을 때 주위 가연물에 복사되는 온도에 해당한다.
Polymethylmethacrylate specimen.
List of Test Condition
2.2 실험 장치
2.2.1 연기밀도 챔버
연기로 인한 빛의 감쇠는 표준 실험 방법 ISO 5659-2에 따라 설계된 연기밀도 챔버(Korea Fire Assessment Tester Equipment., Ltd)로 측정하였다. 연기밀도 챔버는 가로 × 세로 × 높이가 각각 0.914 m × 0.610 m × 0.914 m으로 0.51 m3의 부피를 가진다. 연기밀도 챔버는 시험편의 지지대, 복사열을 제공하는 콘 방열기, 점화 불꽃을 방출하는 점화 연소기, 광학 창, 광원, 광 측정 기기로 구성된다. 광학 창을 챔버 상하부에 위치시키고 하부 광학 창 아래에 6.5 V 단색광의 광원을 설치한다. 광원의 빛 강도로부터 연기에 의해 감소되는 빛의 강도를 광 측정 장치가 측정하여 광 투과율을 산출한다. 이 값으로부터 연기의 광학적 농도를 나타내는 특정 광학 밀도를 결정할 수 있다.
2.2.2 광학적 입자 계수기
연기 입자 크기는 광학적 입자 계수기(OPC 1.109, Grimm Aerosol Technik Co., Germany)로 측정하였다. Figure 3(a)는 위에서 본 셀 내부의 산란 측정 원리를 나타내며 Figure 3(b)는 OPC 장비의 자세한 측정 원리를 나타내었다. 연소하며 발생한 연기는 희석과정을 거친 후 OPC의 공기 흡입구로 이동하여 샘플링 되며 샘플링 된 연기 입자는 측정 셀 내부 광 산란에 의해 감지된다. 셀 내부의 광원으로 사용되는 레이저 다이오드는 655 nm의 파장을 가져 0.25 - 32 μm 크기의 입자를 감지할 수 있으며 측정 셀의 공간을 고르게 비춰 광 트랩으로 빛을 유도한다. 또한 연기 입자에 의해 방출된 산란광은 산란각도 90°의 광학 장치에 의해 감지된 광각 거울을 통해 수신기 다이오드로 수집 가능하다. 수집되는 산란광의 강도를 통해 특정 입자 크기를 도출한다.
Measuring principle of OPC.
2.3 실험 방법
시험편은 75 mm × 75 mm × 25 mm 정육면체 형태로 0.04 mm의 알루미늄 호일로 싸서 75 mm × 75 mm인 윗면의 노출되는 면적이 65 mm × 65 mm가 되도록 하였다. 시험편은 복사열을 제공하는 콘 방열기로부터 25 mm 하단에 수평으로 배치하고, 조건에 맞게 점화 불꽃의 유무를 선택하여 콘 방열기를 온도 500 °C (16.5 kW/m2), 및 600 °C (24 kW/m2)의 온도로 설정하였다. 실험이 시작되면 시험편은 30 min 동안 일정한 복사열에 조사된다. 각 조건별 발생된 연기는 연기밀도 챔버에 포집되며 연기밀도 챔버 내 수직 방향으로 설치된 광학 장치를 통과하여 빛을 감쇠시킨다. 광 측정 기기가 연기로 인해 감쇠는 빛의 세기를 측정하여 투과율로 변환시킨다. 변환된 결과 연기의 광학적 농도로 나타내어지며 본 실험에선 챔버의 형상을 반영한 연기의 불투명도에 대한 척도인 특정 광학 밀도 Ds (specific optical density)로 도출된다(14). 특정 광학 밀도 Ds는 식(5)와 같이 나타내어진다. 특정 광학 밀도는 신뢰성 확보를 위해 각 조건당 세 번의 실험을 통해 도출하였다.
특정 광학 밀도 Ds는 연기밀도 챔버 형상을 나타내는 G와 광학 밀도의 곱으로 도출된다. G는 V/AL로써 V는 챔버의 체적, A는 시험편의 노출 면적, L은 챔버 내 광 경로 길이를 나타낸다. T는 광 투과율, F는 광학 필터의 밀도로써 광학 필터가 사용되는 경우 ‘0.3’, 사용되지 않는 경우 ‘0’의 값을 가진다.
Figure 4는 실험 장치의 배치를 나타낸다. 광학적 입자 계수기는 연기밀도 챔버의 상단에 연결하여 연소 중 생성되는 연기를 수집하여 각각 연기 입자 크기를 측정하였다. 해당 데이터의 신뢰성 확보를 위해 각 조건당 세 번의 실험을 통해 값을 도출하였다. 특정 광학 밀도 측정시 챔버 내 누출되는 공간이 없어야하는 특성상 특정 광학 밀도와 입자 측정 및 가스 분석은 각각 따로 시행하였다.
Layout of experimental equipment.
연소시 발생하는 연기는 고농도로 OPC의 입자 농도 최대 측정값인 2,000,000을 초과한다. 따라서 별도의 유량계(flow meter)를 설치하여 연소 조건에 따라 에어 컴프레셔로부터 유량을 조절하여 연기와 혼합되도록 1차 희석과정을 거쳤다. 희석된 연기는 희석기를 통하여 2차 희석을 시켜 광학적 입자 계수기로 유입되도록 설정하였다. Table 2는 연소 조건별 적용한 희석비를 도시하였다.
Dilution Ratio of Smoke Particle according to Combustion Condition
3. 결과 및 고찰
3.1 특정 광학 밀도
Figure 5는 각각의 연소 조건에서 연소 후 시험편의 모습을 나타낸다. 500 °C 점화 불꽃 유무에 따라 다르게 나타나는 시험편의 차이는 기포의 수에 의한 투명도의 변화이다. 점화 불꽃이 없는 조건에서 시험편은 기포가 더 많이 발생하여 시험편이 불투명한 모습을 보인다. 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C, 600 °C의 시험편을 비교할 시 온도가 더 높은 600 °C의 시험편에서 더 많고 조밀한 기포를 보이며 더욱 불투명한 모습을 보인다. Figure 6은 연소 조건별 측정된 특정 광학 밀도를 나타낸다. 그래프 하단의 범례는 1000 s 동안의 시간을 나타내며 왼쪽 범례는 시간에 따른 특정 광학 밀도를 나타낸다. 온도가 증가할수록 특정 광학 밀도 값이 커지고 점화 불꽃이 있는 조건보다 점화 불꽃이 없는 조건에서 특정 광학 밀도가 더 높은 값을 보였다. 본 실험 재료로 사용된 PMMA는 고분자물질로서 외부에서 열이 가해지면 산소와 반응하여 연소가 일어나며 가연성 가스 및 불연성 가스가 생성된다(15). 불연성 가스는 응축되어 고체 미립자로 부유하며 온도가 증가함에 따라 가연물의 연소가 활발히 일어나기 때문에 연기를 구성하는 연기 입자의 개수가 증가하여 온도가 높을수록 특정 광학 밀도가 높게 나타난다. 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C와 600 °C를 비교시 600 °C 온도에서는 실험 시작 후 약 3 min 경 특정 광학 밀도가 서서히 증가하는 반면 500 °C 온도에서는 실험 시작 후 약 6 min 경 특정 광학 밀도가 증가한다. 또한 1000 s 동안 측정된 특정 광학 밀도 중 가장 최대 값인 최대 특정 광학 밀도는 600 °C에서 측정된 특정 광학 밀도(94.7 Ds)가 500 °C에서 측정된 최대 특정 광학 밀도(15.0 Ds)보다 약 6배 큰 값을 보였다. 500 °C 온도에서 점화 불꽃 유무에 따라 변하는 특정 광학 밀도를 비교시 점화 불꽃이 있을 때 측정된 특정 광학 밀도가 점화 불꽃이 없을 때 측정되는 특정 광학 밀도보다 더 낮은 증가율을 보인다. 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C에서 측정된 최대 특정 광학 밀도(15.0 Ds)보다 점화 불꽃이 있는 조건의 500 °C에서 측정된 특정 광학 밀도(6.6 Ds)가 약 2배 큰 값을 보였다.
Polymethylmethacrylate specimens after combustion at (a) 500 °C flame condition, (b) 500 °C non-flame condition, (c) 600 °C non-flame condition.
Specific optical density for combustion condition.
3.2 연기 입자 크기 분포
Table 3은 연소 조건별 시간에 따라 측정된 특정 광학 밀도 값 및 해당 시간에서 측정된 총 입자 개수를 나타난다. Figure 7은 500 °C 점화 불꽃이 있는 조건에서 실험 시작 후 300 s, 600 s, 1000 s일 때 측정된 연기 입자 크기 별 개수 분포를 보여준다. 특정 광학 밀도와 입자 크기 별 개수 농도의 비교는 세 가지 연소 조건에서 모두 특정 광학 밀도가 서서히 증가하는 지점인 300 s부터 진행을 하였으며 시간에 따른 경향을 보기 위하여 총 300 s, 600 s, 1000 s에서 비교 분석하였다. 500 °C 점화 불꽃이 있는 조건에서 연기 입자는 0.25 - 2.98 μm 분포하였으며 1 μm 이상의 입자는 다른 입자 크기과 비교하여 미비한 수준이었기 때문에 1 μm까지의 입자 개수를 표기하여 나타내었다. 500 °C 점화 불꽃이 있는 조건에서 실험 시작 후 300 s, 600 s, 1000 s일 때 측정된 특정 광학 밀도는 각각 1.7 Ds, 2.2 Ds, 6.6 Ds으로 값의 큰 차이를 보이지 않았으며 광소멸의 수준이 미비하였다. 해당 시간에 대한 입자 크기 분포를 보면 시간이 증가할수록 총 입자 개수 농도가 증가하고 그 중 특히 0.25 - 0.3 μm 입자가 가장 큰 비율을 차지하는 것을 확인할 수 있다. 300 s에서 600 s, 600 s에서 1000 s까지 특정 광학 밀도가 증가하는 비율(6.6 – 2.20) / (2.2 – 1.7) = 6.6과 총 입자 개수 농도가 증가하는 비율(408000000 – 75800000) / (75800000 – 820635) = 4.3이 일치하지 않으므로 특정 광학 밀도는 입자의 개수 농도 뿐만 아니라 다른 요소에 영향을 받음을 알 수 있다. 그 중 특정 광학 밀도에 대한 입자 크기의 영향을 알아보기 위해 시간에 따른 연기 입자 크기 분포를 비교하고자 하였다. Figure 8은 500 °C 점화 불꽃이 있는 조건에서 실험 시작 후 300 s, 600 s, 1000 s일 때 측정된 전체 입자 개수에 대한 입자 크기별 개수 비율을 나타낸다. Table 4는 500 °C 점화 불꽃이 있는 조건에서 측정된 입자 크기별 개수와 개수 분율 값을 나타낸다. 표에서 기술된 입자 크기는 입자 크기 범위의 중앙값을 나타낸다. 300 s, 600 s, 1000 s 시간이 증가할수록 입자 수는 증가하고 세 시간대 모두 0.25 - 0.3 μm의 범위에서 가장 큰 개수 분포를 보이며 입자가 커질수록 낮은 개수 분포를 차지한다. 그러나 시간대별 입자 크기에 개수 분율을 비교시 0.25 - 0.3 μm의 입자는 시간에 따라 분율이 감소하고 0.3 - 0.58 μm의 입자는 시간에 따라 크기 분율이 증가한다.
Total Particle Count and Specific Optical Density at 300 s, 600 s, 1000 s
Particle number distribution for 500 °C flame condition.
Particle number fraction per particle size for 500 °C flame condition.
Particles Count and Count Fraction Values of 500 °C Flame Condition
Figure 9(a)와 Figure 9(b)는 각각 500 °C, 600 °C의 점화 불꽃이 없을 때 측정된 입자 개수 농도 분포 및 크기 분율을 나타낸다. Table 5는 500 °C 점화 불꽃이 없을 때 입자 크기별 개수 농도 및 개수 분율 값을 보여주며 Table 6은 600 °C의 점화 불꽃이 없을 때 입자 크기별 개수 농도 및 개수 분율 값을 나타낸다. 점화 불꽃이 없을 때 500 °C의 300 s, 600 s, 1000 s에서 측정된 특정 광학 밀도는 각각 2.3 Ds, 5.2 Ds, 15.0 Ds이다. 점화 불꽃이 있을 때 500 °C와 유사하게 0.35 - 0.49 μm의 입자 크기 분율이 시간에 따라 증가한다. 600 °C의 점화 불꽃이 없는 조건에서 300 s, 600 s, 1000 s에 측정된 특정 광학 밀도는 각각 9.0 Ds, 44.7 Ds, 94.7 Ds로 나타난다. 이때 측정된 특정 광학 밀도는 500 °C의 특정 광학 밀도 수치와 달리 큰 값을 가지며 광소멸에 영향을 미친다. 점화 불꽃이 없는 조건의 600 °C의 1000 s에서 측정된 총 입자의 개수 농도는 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C의 1000 s에서 총 입자 개수 농도보다 약 5배 많으며 특정 광학 밀도는 약 6.3배 높은 값을 보여 총 입자 개수 농도가 증가할수록 특정 광학 밀도 값이 높게 나타난다. 특정 광학 밀도가 급격히 상승하는 600 s 와 1000 s의 입자 크기 분율을 보면 0.25 - 0.3 μm 입자 크기 분율은 크게 감소하며 시간에 따라 0.3 - 1.0 μm 입자 크기의 분율이 크게 증가함을 확인 가능하다. 500 °C, 600 °C의 결과를 정리하면 연기로 인한 광소멸에 큰 영향을 미치는 입자의 크기는 0.35 - 0.58 μm이다.
Particle number distribution and fraction per particle size for (a) 500 °C non-flame non flame (b) 600 °C non-flame condition.
Particles Count and Count Fraction Values of 500 °C Non-flame Condition
Particles Count and Count Fraction Values of 600 °C Non-flame Condition
0.25 - 0.3 μm 크기의 입자는 전체 입자 개수 중 차지하는 비율은 시간에 따라 감소하지만 입자의 개수는 가장 많이 증가하기 때문에 0.25 - 0.3 μm 크기 입자의 광소멸에 대한 영향을 무시할 수 없다. 따라서 본 실험을 바탕으로 입자 크기와 농도가 광소멸에 미치는 영향을 분석하기 위해 Jupyter를 사용하여 회귀분석을 진행하였다. 연소 조건별로 회귀분석 결과를 얻고, 예측값과 실제 값을 비교하여 결정 계수(R2)를 계산하도록 하였다. 독립 변수(입자 크기별 개수)가 종속 변수(특정 광학 밀도)에 미치는 영향을 계산하기 위해 특정 입자 크기별 개수가 한 개 증가할 때 특정 광학 밀도가 증가하는 정도를 나타내었으며 관계식(6)과 같은 선형 회귀 모델로 표현된다.
β0는 절편으로 모든 입자 개수가 0일 때 측정되는 특정 광학 밀도 값이며, β1 - βn는 독립 변수의 계수(coefficient)로 특정 크기 입자가 한 개 증가할 때 감소하는 특정 광학 밀도의 양이다. X1 - Xn은 독립 변수, 즉 입자 크기에 따른 개수를 나타낸다. 특정 크기 입자 어느 것도 발광하지 않기 때문에 독립 변수의 계수는 양의 값을 갖는 회귀분석을 수행하였으며 Table 7은 결과를 나타낸다.
Extinction of Light by Particle Size Depending on Combustion Conditions
R2값은 모든 연소 조건에서 0.95 이상으로 높은 신뢰성을 가짐을 확인할 수 있다. 연소 조건에 따라 연기 입자 크기별 특정 광학 밀도에 미치는 영향이 다르게 나타났다. 점화 불꽃이 있는 조건의 500 °C에서는 0.87 μm, 0.275 μm, 0.63 μm, 0.535 μm, 0.325 μm, 0.45 μm, 0.38 μm, 0.74 μm 순으로 높았다. 0.87 μm 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C에서는 작은 입자 크기부터 0.275 μm, 0.325 μm, 0.38 μm, 0.45 μm, 0.535 μm, 0.63 μm, 0.74 μm, 0.87 μm 순서대로 높게 나타났다. 점화 불꽃이 없는 조건의 600 °C에서는 0.275 μm, 0.45 μm, 0.535 μm, 0.387 μm, 0.63 μm, 0.87 μm, 0.74 μm, 0.325 μm 순으로 높게 나타났다. 세 조건 모두 공통으로 0.275 μm와 0.535 μm 크기의 입자가 상대적으로 높은 특정 광학 밀도의 상승을 야기하는 것을 확인할 수 있다. 점화 불꽃이 있는 조건의 500 °C에서는 0.87 μm를 제외한 다른 입자에서는 다른 연소 조건과 비교하여 광학 밀도 상승에 기여하는 값이 큰 차이를 보이지 않는다. 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C와 600 °C에서는 0.25 - 0.58 μm 사이의 입자에서 특정 밀도 증가에 영향을 미치는 정도가 큰 것을 알 수 있다.
연소 중 발생하는 연기 입자의 크기는 가시광선의 파장과 유사하다. 가시광선과 입자의 크기가 유사할 때 발생하는 산란을 미산란이라고 하며 연기 입자에 작용하는 산란은 대부분 미산란이다(16). 미산란은 입자의 크기가 빛의 파장과 비슷할 때 빛의 산란이 최대로 일어난다(17). 본 실험에서 사용한 광원의 파장은 550 nm이며 연소 시간에 따라 증가하는 연기 입자 크기의 범위는 0.3 - 0.58 μm로 본 실험에서 사용한 광원의 파장 크기를 포함한다. 365 - 575 nm 파장 아래에서는 일반적으로 0.2 - 0.5 μm 크기의 입자에서 광 산란이 가장 많이 발생한다. 광원의 파장 크기에 따라 특정 광학 밀도에 영향을 미치는 입자 크기가 다르게 나타나기 때문에(18) 어떤 광원의 파장을 사용하는 것이 유리할지 판단할 필요성을 가진다. 시간에 따라 증가하는 입자 크기별 개수 분율과 회귀분석을 통해 도출된 결과를 종합하면 0.25 - 0.58 μm 크기의 연기 입자에서 빛의 산란이 최대로 일어나 광소멸에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 이에 따라 0.25 - 0.58 μm의 입자 개수가 증가할수록 광소멸이 크게 발생하여 피난을 지연시킬 것으로 예상된다.
연소 조건별 측정되는 연기 입자 크기의 최대값은 다르게 나타난다. 최대 연기 입자 크기는 점화 불꽃이 없는 500 °C에서 2.15 μm, 점화 불꽃이 있는 500 °C에서 2.98 μm, 점화 불꽃이 없는 600 °C에서 3.5 μm이다. 고온 환경에서는 연소 과정에 발생하는 증기상 물질들이 빠르게 응축하여 고체 입자로 전환된다(19). 연소 온도가 높아지면 화학 반응 속도가 증가하여 연료가 더 빠르게 분해된다. 이는 단위 시간당 더 많은 연소 생성물이 발생 됨을 의미하며 연소 생성물에서는 온도가 증가할수록 응축 및 응고 과정이 활발하게 작용하여 더욱 큰 입자로 형성하게 된다(20). 온도가 높을수록 입자들의 운동 에너지가 증가하여 충돌 빈도가 높아진다(21). 또한 연소 시간이 오래 지속되며 발생하는 큰 입자 형성의 원인은 두 가지 원인으로 분석된다. 연소 중 불완전 연소의 지표인 CO 농도가 증가하는 것을 확인하였으며 Figure 10에 나타내었다. 연소가 지속됨에 따라 불완전 연소로 인한 미연의 탄소량이 증가하고 챔버 내에 체류하는 시간이 증가하여 입자의 크기가 커진다(4,22-24). 그러나 1 μm 이상 크기의 입자는 생성량이 매우 적으며 가시광선의 파장밖에 위치하여 광소멸에 미치는 영향은 적을 것으로 판단된다.
Carbon monoxide concentration over time for 600 °C non-flame.
4. 결 론
본 실험에서는 연소 형태별 달라지는 특정 광학 밀도를 도출하여 피난시 확보되는 가시도를 비교하고자 하였다. 또한 연소 형태별 다르게 나타나는 연기 입자 크기 분포를 측정을 통해 연기 입자 크기와 광소멸의 상관관계를 분석하여 연기 입자 크기가 연기의 광소멸 및 피난에 미치는 영향을 비교하고자 하였다.
연소 온도가 증가할수록 연기 입자 개수 농도가 증가하였다. 시간에 따른 입자 개수 농도 증가율과 특정 광학 밀도의 증가율이 일치하지 않았기 때문에 연기로 인한 광소멸은 입자 개수 농도뿐만 아니라 다른 요소도 영향을 미침을 알 수 있다. 그 중 입자 크기에 대한 영향을 정리하였다. 실험을 통하여 연소 시간이 지속됨에 따라 특정 광학 밀도가 상승함을 확인하였다. 특정 광학 밀도가 상승함에 따라 연기 입자 개수 농도가 증가하고 0.25 - 0.3 μm은 입자 분율은 감소하였다. 반면 0.3 - 0.58 μm 입자 분율은 계속해서 상승하였다.
세 가지 연소 조건에서 측정된 특정 입자 크기와 농도가 특정 광학 밀도 미치는 영향도를 도출하기 위해 회귀분석을 수행하였다. 점화 불꽃이 있는 조건의 500 °C에서 0.87 μm가 가장 큰 영향을 미쳤으며, 이를 제외한 다른 크기의 입자에서는 비슷한 수준으로 특정 광학 밀도 상승에 영향을 미쳤다. 보다 높은 특정 광학 밀도의 값을 보이는 점화 불꽃이 없는 조건의 500 °C, 600 °C에서는 0.25 - 0.58 μm 크기의 입자 범위에서 특정 광학 밀도 상승에 영향을 준다.
연기 입자의 크기는 가시광선의 파장과 거의 일치하여 미산란이 지배적으로 일어난다. 연기 입자 크기가 광원의 파장과 비슷할 때 광 산란이 최대로 발생한다. 미산란과 입자 크기별 개수 분율 및 회귀분석 결과를 종합할 때 광원의 파장 크기인 550 nm를 포함하는 0.25 - 0.58 μm 입자에서 특정 광학 밀도의 상승에 큰 영향을 미친다. 해당 크기의 입자 개수가 증가할수록 특정 광학 밀도의 상승에 영향을 미치며 가시도가 저하됨에 따라 피난이 지연된다.
후 기
이 논문은 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2021R1I1A3051976).