동선에서 압착손상이나 동선간 이음새부분이 충격에 의해 손상 탈락되었을 경우를 적용하여 가정에서 사용되는 정격 부하에 대한 아산화동 증식발열 특성을 분석하고자 한다. 실험은 전원측 단자대와 가진기가 설치된 부하측 단자대의 전선을 연결하고 Fig. 2(c)와 같이 전선 중간부위를 절단하여 양단 피복을 1.5 cm제거 후 진동에 의한 적열반응이 활발하게 발생될 수 있도록 양단의 구리선을 0.3 ± 0.1 cm 가량 겹쳐 놓아 실험을 진행하였다. 진동은 모든 부하조건 동일하도록 가진기의 진동을 300 rpm만 인가하였으며, 아산화동 증식이 발생되는 적열부가(Hot zone) 생성되면 가진기를 정지하였다. 공급전류는 4.5 A, 9 A, 18 A세 가지 조건으로 실험을 진행하였고 실험시간은 적열부(Hot zone)가 생성되고 지속적인 열축적에 의해 전선간 용단이 발생될 때까지 실험을 진행하였다. 최종 실험 값제시는 평균 5회 실험을 진행하여 평균값으로 제시하였다.

단자대 접촉부 불량에 따른 진동세기별 온도특성 분석실험은 Fig. 2(d)와 같이 단자대의 한쪽 토크는 전선은 완전체결하고 반대편 토크와 전선의 경우 완전체결하지 않은채 실험을 진행하여 진동세기에 따른 시간별 온도변화와 불완전 접촉 체결부에 발생되는 전기적 위험성을 분석하고자 아래와 같이 실험을 진행 하였다. 실험은 4.5 A의 부하전류를 기준으로 300, 500, 700, 900 rpm 진동을 인가하였다. 해당 실험의 경우 계측장비의 안정성을 위해 총 실험 시간은 30 min으로 제한하여 진행하였고, 실험도중 전기적 원인에 의해 전원인가가 불가하거나 용융 탄화되어 전선 또는 단자대가 탈락되어 전기적 회로가 이탈될 경우 실험을 종료하였다.

추가적으로 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 활용한 표면분석과 EDS 성분 분석을 진행하고자 하며 5가지 조건(정상전선 시료, 전선간 발생된 아산화동증식 시료, 쇼트 전선 시료, 정상 단자대 접촉부, 아산화동증식 단자대 접촉부)에 대한 비교분석을 통해 차이점을 도출하고 전기화재 시 화재조사에 대한 과학적 근거를 제시하고자 한다.

Fig. 3은 실험 사진을 나타낸 것으로 Fig. 3(a)는 초기상태로 실험을 시작하기 전 구리 선의 접촉부를 일정하게 노출 시킨 사진이며, Figs. 3(b), 3(c)는 청색 스파크와 적색 스파크를 나타낸 것이다. Fig. 3(d)는 반복적인 탈락⋅접촉에 의해 열이 축적되고 구리선 접촉부에 주황색의 적열 스포트(Red-hot spot, Glow spot)가 형성된 사진이다. 이후 시간을 두어 공급전류를 인가할 경우 Fig. 3(e)와 같이 적열부(Hot zone)를 형성하게 되고 이때의 경우를 아산화동 증식 발생(Copper Oxide Growth Time)으로 판단하였다. Fig. 3(f)는 실험 결과 사진으로 지속적인 열축적에 의해 구리선이 용융되어 용단이 발생되고 용단 이후 구리선의 끝부분에 몽울 형상이 발생되어 최종 아산화동이 형성된 것을 확인하였다.

Table 1은 동선간 아산화동 증식발열 재현 실험 결과 데이터를 나타낸 것이다. 4.5 A에서 청색스파크는 실험 시작 즉시 발생되었고 적색 스파크의 경우 1.5 sq 1.5 min, 2.5 sq 2 min에서부터 발생되었다. 진동에 의한 Hot zone이 발생되고 아산화동 증식이 시작되는 시간은 1.5 sq에서는 10 min에 발생되었으며, 2.5 sq에선 20 min에 발생되었다. 열 축적에 의한 용단 발생 시간의 경우 1.5 sq에서는 8 h 30 min, 2.5 sq는 8 h에서 용단이 발생되었다. 9 A의 전류에서 청색스파크는 두 가지 전선 두께 모두 실험 시작 즉시 발생되었고 적색 스파크의 경우 1.5 sq는 20 s, 2.5 sq는 30 s에 발생되었다. 아산화동 증식이 발생된 시간은 1.5 sq에서 3 min, 2.5 sq에 서 7 min으로 나타났다. 용단 발생 시간의 경우 각각 4 h과 3 h 30 min에서 용단이 발생되었다. 18 A 전류에서는 실험 시작 즉시 두 가지 전선 조건 모두 청색과 적색 스파크가 실험 즉시 발생되었다. 아산화동 증식 시간은 A가 증가될수록 짧아져 각각 1 min과 2 min내에 아산화동이 증식되었고, 용단 시간 또한 2 h 50 min과 2 h 20 min으로 짧아진 것을 확인할 수 있었다. 용단 후 아산화동 산화물에 대한 크기를 분석해본 결과 전류 크기에 따라 아산화동의 크기가 커지며 동일 전류 상 굵은 전선에서 더욱 큰 산화물이 발생된 것을 확인할 수 있었다.

최종 실험 결과 공급전류 9 A에서는 적색 스파크가 실험즉시 발생되었고 점차 발생 시간이 줄어들면서 4.5 A의 공급전류에서 최대 2 min 정도의 실험경과 후 적색 스파크가 발생되었다. 또한 청색 스파크는 모든 조건에서 실험 즉시 발생되었다. 이는 구리선이 접촉과 탈락을 반복하는 과정에 접촉저항이 높아지면서 국부적인 고온이 발생되는데 이때 Cu 이온은 자체적인 불꽃 형상을 가지고 있어 일정 온도 이상 상승하게 되면 열에 의해 원자의 전자들이 들뜬 상태로 전자기파 스펙트럼을 방출한다. 이러한 특성으로 인해 실험 즉시 Fig. 3(b)와 같이 비산되는 형상이 나타나지 않고 고유한 섬광현상만 발현되며, 이후 지속적인 전류 의한 급격한 고열이 발생될 경우 접촉점을 구성하는 원자나 분자들이 산산히 부서지면서 주변으로 튀어 나가게 되고 이때 공기 중의 산소와 반응하여 Fig. 3(c)와 같이 적색 스파크의 형상을 띄며 비산하는 특성으로 보여진다. 이에 따라 비교적 공급전류가 낮은 4.5 A의 경우 적색 스파크가 발현될 때까지의 열축적 시간이 필요하기 때문에 소요시간이 발생되어 비교적 늦게 적색 스파크가 나타난 것으로 판단된다. 추가적으로 아산화동 증식발열 현상은 공급전류가 높아질수록 짧은 시간 내에 발현되었는데, 이는 높은 전류에 의해 줄열의 온도 상승속도가 빠르게 나타나기 때문으로 이러한 고열은 적열부(Hot zone)의 발생을 촉진 시켜 공급전류가 높을수록 열축적 면적이 넓고 열상승이 빠르게 발생되어 이와 같은 특성이 나타난 것으로 판단된다. 또한 아산화동이 생성되는 적열 스포트가 발생될 때 구리선의 온도는 900 ℃ 이상 발생되었고 사용 용량에 따라 온도상승 속도의 차이가 발생 될 뿐 모든 조건에서의 온도는 충분히 절연체를 녹여 주변으로부터 화재를 발생시킬 수 있을 정도의 온도까지 상승하였다. 최종 실험 종료 후 아산화동의 크기는 단면적 크기 및 공급전류에 따라 크게 발생되었는데 이는 구리선의 단면적이 넓어질수록 적열부의 발생 크기도 넓어지게 된다. 또한 공급전류의 크기가 커짐에 따라 줄열의 온도 또한 높게 상승되기 때문에 적열부(Hot zone)에서 주변으로 온도분포가 높게 나타나 구리선의 용융 크기가 넓어져 아산화동 발생 단면적 또한 점차 커지게 된 것으로 판단된다.

실험 분석하기 앞서 본 논문의 가독성을 높이기 위해 자주 표현되는 최초연기발생시간은 FSGT (First Smoke Generation Time), 최초용융발생시간은 FMGT (First Melting Generation Time), 최초탄화발생시간은 FCGT (First Carbonization Generation Time), 아산화동발생시간은 COGT (Copper Oxide Growth Time)로 명명하여 분석하였다.

실험은 진동에 의해 접속과 탈락이 반복되어 전선과 단자대의 접촉저항을 높여 줄(H=0.24I²RT [cal]) 열의 법칙에 따라 지속적은 온도상승이 발생되었다. Fig. 4는 사용 전류 4.5 A에서 두께 1.5 sq의 절연전선과 단자대의 진동 세기 별 온도특성 분석 실험결과를 나타낸 그래프이다. Fig. 4(a)는 300 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT는 90 s, FMGT는 100 s, FCGT는 190 s, COGT는 400 s에 발생되었다. Fig. 4(b)는 500 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT 35 s, FMGT 65 s, FCGT 75 s, COGT 345 s로 발생되었다. Fig. 4(c)는 700 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT 25 s, FMGT 40 s, FCGT 60 s, COGT 205 s로 발생되었다. Fig. 4(d)는 900 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT 25 s, FMGT 30 s, FCGT 45 s, COGT 165 s에 발생되었다. Fig. 4(e)는 실험사진을 나타낸 것으로 모든 실험특성은 사진과 같은 현상이 발생되었을 경우로 선정하여 나타내었다.

Fig. 5는 사용 전류 4.5 A에서 두께 2.5 sq의 절연전선과 단자대의 진동 세기 별 온도특성 분석 실험결과를 나타낸 그래프이다. Fig. 5(a)는 300 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT는 835 s, FMGT는 845 s, FCGT는 850 s, COGT는 1430 s에 발생되었다. Fig. 5(b)는 500 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT 50 s, FMGT 80 s, FCGT 90 s, COGT 725 s로 발생되었다. Fig. 5(c)는 700 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT 40 s, FMGT 55 s, FCGT 70 s, COGT 255 s로 발생되었다. Fig. 5(d)는 900 rpm 진동에 따른 온도특성으로 FSGT 35 s, FMGT 55 s, FCGT 110 s, COGT 130 s에 발생되었다.

이처럼 접촉불량에 따른 진동 세기별 온도특성 분석결과 전체적으로 진동이 빨라질수록 용융, 탄화, 아산화동의 발생 시간이 단축되었고 높은 온도까지 올라가는 것을 볼 수 있다. 1.5 sq 절연전선 기준으로 rpm 변화에 따라 700 rpm과 900 rpm은 접촉불량에 따른 고열에 의해 단자대와 절연전선의 절연물질인 PVC의 피복이 용융되면서 발생되는 가연성 증기가 Hot zone에 접촉되면서 화재가 발생되었다. 즉, 700 rpm에서는 410 s에서 900 rpm은 실험시작 190 s에 화염이 발생된 것을 확인할 수 있었다.

2.5 sq 전선 기준에서도 1.5 sq 전선과 동일한 선상으로 rpm을 증가할수록 용융, 탄화, 아산화동이 빠르게 나타났지만 900 rpm을 제외하고 화염은 발생되지 않았다. 이는 비교적 1.5 sq의 단면적인 구리선보다 2.5 sq의 구리선이 단면적이 넓기 때문에 아크에 의한 Hot zone발생이 될 때까지의 축열 시간이 소요되고, 접촉저항이 낮아짐에 따라 열 증식 또한 낮아져 이와 같은 특성이 나타난 것으로 판단된다.

실험 분석 시료는 실험을 진행하지 않은 정상적인 절연전선과, 아산화동이 증식된 절연전선, 220 V상용전원 합선에 의한 쇼트 발생 절연전선, 정상 단자대 접촉부, 아산화동 증식 단자대 접촉부를 기준으로 SEM 및 EDS분석을 진행하였다. 여기서, 합선에 의한 절연전선 요소를 추가시킨 이유는 다양한 전기화재 발생 시 나타나는 절연전선 특성과 성분분석을 통해 화재조사에 대한 기초자료를 마련하고자 하여 위와 같이 선정해 진행하였다.

Table 2는 시료별 성분을 나타낸 표이다. 먼저 일반 절연전선의 경우 C 16.5 wt%, O 3 wt%, Cu 80.5 wt%가 나타났으며, 동선간 실험을 진행하여 아산화동이 생성된 시료의 경우 C 4.4 wt%, O 7.3 wt%, Cu 88.3 wt%로 나타났다. 정상시료보다 아산화동 증식 현상이 발생될 경우 탄소(C)의 성분수치가 적어지면서 산소(O)농도와 구리(Cu)성분이 더욱 증가하였다. 이론상 아산화동(Cu₂O) 중 구리(Cu)의 조성은 88.8 wt%이며 실제 실험 후 측정한 시료에 경우에도 88.3 wt% (Park and Lee, 2020)가 측정되면서 아산화동 생성의 근사치를 도달한 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 합선에 의해 손상된 구리선의 경우 탄소(C)의 성분 수치가 45.97 wt% 측정되면서 순간적인 점화 스파크에 의한 구리선의 탈락 및 탄화에 의해 나타난 것으로 판단되며, 산소(O)의 경우 정상적인 전선보다 높은 5.8 wt% 측정되었고, 구리(Cu)의 경우 46.73 wt% 측정되면서 순간적인 고열에 의한 파열 박리되면서 구리성분이 급격히 저하되는 특성을 확인할 수 있었다. 표에서 보았을 경우 탄소(C) 성분의 생성으로 보이지만 해당 특성은 측정 포인트에서 100%의 조성으로 포함되어있는 성분을 나타낸 것으로 구리양이 적어지면서 구리선에 내포된 C의 양이 증대되어 나타난 특성으로 보여진다. 또한 칼슘(Ca)의 성분의 경우 합선이 발생되면서 순간적인 고열에 의한 주변 피복 및 첨가제를 함께 탄화시키면서 탈착된 성분으로 보여진다.

정상 단자대의 접촉단자의 경우 C 10.1 wt%, Fe 4.9 wt%, Ni 85 wt%가 측정되었고, 접촉불량을 발생시켜 아산화동이 증식된 단자대 접촉단자의 경우 C 24.9 wt%, O 9.5 wt%, Cu 2.3 wt%, Fe 58.4 wt%, Ni 5 wt% 성분이 측정되었다. 정상 접촉단자의 기준으로 니켈(Ni)의 성분이 80 wt%가 감소되었는데 이는, 접촉단자의 경우 절연전선과 접촉되어 상시 전류가 통전되고 전류에 의한 열 축적과 동시에 공기중에 상시 노출되어 있다. 이에 따라 산화현상 방지에 대한 각별한 주의가 필요한데 이를 방지하기 위해 철 보다 안정적이고 공기 속에서 녹슬지 않는 니켈 도금을 통해 산화현상을 방지 하고 있다. 하지만 접촉불량과 지속적인 직렬아크에 의해 니켈도금이 벗겨지면서 본 재료인 철(Fe)이 노출되었고 이후 접촉부에 아산화동증식에 의한 산소(O)와 구리(Cu)가 측정되었다. 추가적인 탄소(C)의 경우 단자대의 주재료(PVC) 용융에 의해 측정된 것으로 판단된다(Kim et al., 2014).

Fig. 6은 시료별 주사전자현미경을 통한 표면을 측정한 사진이다. Fig. 6(a-1)은 정상상태의 구리선으로 제조가공 과정에서 나타나는 보편적인 직선적 연신구조를 확인하였다. Fig. 6(a-2)는 아산화동(CuO) 표면으로 일반 구리선의 연신구조의 형태를 이루지 못하고 구리가 산화되어 응집된 사슬형태의 패턴이 확인되었다. Fig. 6(a-3)는 합선에 의한 소손이 발생된 구리선 표면이다. 해당시료 표면 분석결과 합선(short) 의한 순간적인 고열이 발생되었고 이에 따른 표면에 천공 등 고저가 깊은 형태의 불규칙한 표면구성이 나타났다. Fig. 6(b-1)은 단자대의 접촉단자의 표면을 나타낸 것으로 니켈도금에 의한 매끄러운 표면형태를 확인하였다. 하지만 Fig. 6(b-2)와 같이 아산화동 형성에 의한 접촉단자의 표면의 경우 다발성 결정구조의 형태가 발생되었는데 이는 표면에 니켈 도금이 벗겨지면서 니켈도금 내부 철의 도출, 절연전선의 구리, 단자대 절연재료인 PVC 등 복합적 열 결합에 의한 표면형성으로 판단된다(Oh et al., 2016).