2.1 벽체의 재료 선정

본 연구에서는 가정에서 실제로 사용되고 있는 벽지들 가운데 벽지의 구성성분을 고려하여 종이벽지, 지사벽지, 방염벽지, 질석벽지, 전분벽지, 실크벽지, PP벽지 등 7가지를 분석대상으로 선정하였다. Fig. 1에 본 연구에서 선정된 벽지들의 종류를 나타내었다.

Fig. 1

Experiment materials (Types 7 of the Interior Wallpapers)

종이벽지(paper)는 원지 2장을 가로 세로로 붙여 그 표면에 프린트 또는 부풀림(emboss) 가공한 것이다. 디자인과 색상이 매우 풍부하고 색상의 내후성이 좋은 것이 특징이다.

지사벽지(Paper weave)는 기능성에서 떨어지는 종이벽지의 단점을 보완하여 종이를 실처럼 꼬거나 접어서 제작된 것으로, 천연소재의 자연스러운 느낌으로 독특한 분위기를 연출 시 사용된다. 하지만 내구성이 상대적으로 떨어진다.

방염벽지(Flame retardant)는 제조과정에서 방염제를 첨가하여 화재 시 착화지연의 목적으로 제조된 벽지이다. 화제 시 착화시간을 지연시킬 수 있으나 유독가스의 발생이 심각해질 수 있다.

질석벽지(Vermiculite)는 질석 자체의 불규칙한 디자인과 천연소재의 느낌 표현이 가능하도록 만든 벽지이며, 질석 소재에 은은한 펄을 가미해 고급스러운 느낌을 주고, 자연미와 멋스러운 분위기를 연출하는 방에 주로 사용된다. 질석 벽지엔 못이나 압정의 흔적이 남지 않기 때문에 인테리어에 부담 없이 사용되고 있다.

전분벽지(Corn starch)는 친환경 소재를 이용한 벽지로 기존의 PVC를 이용한 비닐벽지가 아닌 옥수수전분을 사용한 친환경 벽지이다.

실크벽지(Silk)는 종이 위에 비닐을 코팅처리 한 벽지로 PVC벽지라고도 한다. 방수와 단열효과가 뛰어나나 비닐성분이 코팅되어 있어 화재 시 쉽게 점화될 수 있으며, 유독가스가 많이 발생할 수 있다. PVC에 대한 막연한 거부감으로 인한 비 친환경제품으로 인지하고 있는 소비자가 있으나, 다양한 디자인 표현 및 엠보싱 표현이 가능하여 가벼운 오염 등에도 물걸레 등으로 닦아낼 수 있어 유지 관리가 용이하다.

PP벽지(Polypropylene)는 연화온도가 높고, 투명성은 폴리에틸렌 보다 매우 뛰어나며, 이것은 뛰어난 기계적 강도나 내열성과 더불어 필름 등의 포장재료 로서 사용하기도 한다.

2.2 실험

연소특성 분석방법으로는 Fig. 2의 영국 FTT사의 cone calorimeter 장비를 이용하였으며, 탄화잔류물, 열과 연기의 영향 분석을 위하여 발열량, 총연기방출량, CO 및 CO₂ 방출량 그리고 착화시간을 분석하였으며, ISO 5660-1과 ISO5660-2 규격에 의한 실험을 수행하였다. 결과 값은 3회 실험하여 측정된 값의 평균값을 결과 값으로 사용하였으며, 중량에 대하여 더 이상 중량감소 변화가 없을 때의 시간에서 실험을 종료하여 계산된 값을 사용하였다. 실험조건은 Table 1에 제시하였다.

Fig. 2

The feature of cone calorimeter apparatus used in this study

Table 1

Experimental Conditions of Cone Calorimeter

2.3 연소특성 분석

연소특성을 분석하기 위하여 탄화잔류물, 열, 그을음의 영향을 분석하였으며, CO₂ 및 착화시간을 분석하였다.

3.1. 탄화잔류물 CO 배출 영향 분석

Fig. 3에는 시간 변화에 따른 CO 배출량 누적농도를 나타내었다. 모든 벽지는 연소 개시 후 80초정도에 급격하게 CO를 배출하는 것으로 나타났으며, 80초를 경과하면서 180초까지 꾸준히 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 이 후 CO 배출농도는 현저하게 줄어들어 180초 이후에는 농도변화가 크지 않은 것으로 나타났다.

Fig. 3

The accumulated concentration variation of CO according to the time

벽지 종류별 누적농도를 살펴보면, 방염벽지(Flame retardant)는 180초 까지 급격하게 증가하여 누적농도는 70 ppm인 것으로 나타났으며, 실크벽지(Silk) 35 ppm, 전분벽지(Cornstarch) 27 ppm, 종이벽지(paper) 14 ppm, 지사벽지(Paperweave) 44 ppm, 질석벽지(Vermiculite) 42 ppm, PP벽지(Polypropylene) 42 ppm 정도인 것으로 나타나 CO의 배출량이 많은 순서로는 방염벽지 > 지사 > 질석, PP > 실크 > 전분 > 종이 순으로 나타났다.

특히, 방염벽지는 연소 개시 후 120초가 경과되면서 허용농도인 50 ppm을 초과하였으며, 총 누적농도를 살펴보면, 종이벽지 보다 5.0배 많은 CO를 배출하는 것으로 나타났고, 방염벽지를 제외한 6가지 벽지(종이, 지사, 질석, 전분, 실크, PP벽지)는 허용농도인 50 ppm을 초과하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 일산화탄소는 화재 시 발생한 유해한 가스 중 거의 모든 경우에 발생하여 무색·무취하고, 극히 미량이라도 인체에 치명적인 해를 주며 발생농도는 50 ppm 이상에 도달하는 것으로 위험한 성분으로 중요시 된다(National Fire Service Academy, 2006). 따라서 방염벽지는 화재 초기에는 화재를 지연시키는 역할과 성능을 갖지만, 일단 화재가 크게 성장하게 되면 일반 가연물 보다 방염처리 제품은 수배의 독성가스를 방출할 것으로 사료된다.

또한, 이러한 일산화탄소의 발생은 불완전 연소에 의한 것으로 대부분 검은색 연기가 발생하는데 이는 연소되는 물질 중에 탄소 분자의 비율이 높기 때문이며, 탄소가 타지 않고 공기 중으로 기화되기 때문이다. 즉, 포화탄화수소화합물의 탄소수가 많아질수록 완전연소하기 어려운 것으로 보고된 바가 있다(Kim, et al., 2004). 또한, CO는 거의 모든 화재에서 일정 수준 발생되며, 유기가연물을 연소시키는 동안 CO는 초기에 생성된 후 산화되어 CO₂가 된지만, O₂의 공급이 충분하지 않거나 훈소 또는 플래시오버 후 화재에서는 1~10% 정도(10,000~100,000 ppm)의 CO가 발생하게 된다(Lee, 2009; Kim, et al., 2004).

일반적으로 구획실 화재의 화재패턴은 화재현장에 남겨진 탄화잔해물의 형태 및 열과 연기의 영향으로 생긴 물리적인 형상이나 흔적이 시각으로 식별이 가능하다(최진만, 신화재조사총론, p. 131, 성안당). 따라서 벽지의 경우 화재실의 온도에 따라 경계선을 남기지 않을 수도 있고 명확하지 않을 수도 있으나, 방염벽지는 그을음 발생이 상대적으로 많아 벽체에 경계선을 더 명확하게 남기게 될 것으로 사료된다.

또한, 이러한 불완전연소의 흔적으로 발화실 내에서는 벽체에 나타난 형태가 가장 뚜렷하며, 화재의 확산형태는 벽면에 열처리 경계선으로 나타나거나 연소의 강약으로 증명된다. 또한, 실제 벽체의 피복재가 연소에 의해 일단 파괴되면, 기초를 이루는 벽면 및 지지 샛기둥에 다양한 형태를 나타낼 수 있으며, 대체로 V형태, U형태, 완전연소 및 폭열 현상이 일반적이다. 이러한 패턴형성으로 불길의 진행방향과 화재온도, 화염의 이동경로를 추정하는데 유용하다(Jung et al., 2009).

3.2. 탄화잔류물 CO₂배출 영향 분석

Fig. 4에는 시간 변화에 따른 CO₂의 누적농도를 나타내었다. 급격한 CO₂의 배출은 연소 개시 후 80초 전·후에서 급격하게 이루어졌으며, 연소종료 시까지 꾸준히 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 7가지 모든 벽지는 60초에서 120초시간 사이동안 가장 많은 CO₂를 배출하였으며, 120초 이후 서서히 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 4

The accumulated concentration variation of CO2 according to the time

7가지 벽지의 누적된 방출농도를 살펴보면, 0.18~0.22 ppm사이에서 종류별 약간의 차이를 보이는 것으로 나타났는데, 지사, 질석, PP는 0.20~0.22 ppm 범위에서 나타났고 실크, 전분, 종이, 질석벽지는 0.18~0.20 ppm 범위에서 벽지 종류별 약간의 차이를 보이는 것으로 구분되었다. 이러한 CO₂의 배출량 차이는 열분해 온도에서 가연성 증기가 형성되어 산소의 공급과 탄소함유량에 따라 일산화탄소가 배출된 양 만큼 O₂의 공급이 충분한 상태에서 산화반응도 증가하게 되어 CO2발생량이 증가한 것으로 사료된다. 이러한 독성가스의 자료확보는 연소상황을 관찰하는데 중요하며, 이러한 연소생성물은 연소의 강약이나 연소진행방향 및 수열방향과 연소흔적 등을 관찰하는데 중요한 단서가 될 수 있다.

3.3 열 영향 분석

Fig. 5와 Table 1에는 7가지 벽지의 평균 열방출율 결과를 나타내었다. 평균 열방출율을 살펴보면, 종이 72.00 kW/m², 지사 18.73 kW/m², 방염 9.60 kW/m², 질석 14.86 kW/m², 전분 9.24 kW/m², 실크 4.60 kW/m², PP 83.54 kW/m²으로 나타나 PP벽지는 상대적으로 열방출율이 높았으며, 다음으로 종이 > 지사 > 질석 > 방염 > 전분 > 실크 순으로 나타났다.

Fig. 5

HRR characteristics of interior wallpaper

평균열방출율이 가장 높은 PP는 실크보다 18.61배 높은 열량을 방출하는 것으로 나타났으며, 방염벽지와 옥수수전분 벽지와는 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.

Peak 값을 살펴보면, 종이는 195.51 kW/m², 지사 298.12kW/m², 방염 226.50 kW/m², 질석 401.20 kW/m², 전분272.26 kW/m², 실크 203.09 kW/m², PP 137.03 kW/m²인 것으로 나타나 질석벽지의 경우 401.20 kW/m²으로 가장 높은 피크 값을 보였다. 따라서 질석벽지는 PP벽지보다 2.93배 높은 피크값을 보였으며, 최대열방출율 크기 순서로는 질석 >지사 > 전분 > 방염 > 실크 > 종이 > PP 순서로 나타났으며, 종이벽지와 PP벽지는 최대열방출율 값은 상대적으로 낮게 나타났지만 연소개시 후 지속적인 열량 방출로 인하여 평균열방출율은 상대적으로 높게 나타나는 특징을 보였다.

열방출율(HRR)은 가연물이 타는 시간의 길이만큼 손상의 정도에 많은 영향을 끼칠 수 있다. 광범위한 손상이 일어난 지역은 해당 위치에 중요한 가연물이 있었다는 것을 의미한다. 따라서 화재가 발생했을 경우, 얼마나 빠르게 진행되는지를 예측할 수 있는 화재에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나 라고 할 수 있다. 따라서 PP벽지는 상대적으로 많은 열량을 방출하는 만큼 화재진행을 빠르게 할 수 있으며, 이러한 연소특성의 차이에 의해 1차적인 패턴이 형성되며, 수열방향 및 수열시간의 장·단과 열에너지의 대·소 등에 의해서도 패턴이 변화할 수 있으며, 이 변화과정에서의 차이가 연소의 강약을 나타낼 수 있을 것으로 사료된다.

이러한 열량 차이로부터 벽지의 어떤 측면이 다른 면과 비교하여 보다 심하게 탄화 되었는가 또는 이와 같이 탄화, 용융, 변색 등의 강약을 나타내고 있는가는 부재 및 물건을 집약하여 연소의 방향을 추정하고 이들의 방향에서 연소경로가 얻어진다. 하지만 이러한 흔적은 화재하중의 영향을 받아 변화하는 경우가 있으므로 주의하여야 한다(Jung et al., 2009).

3.4 그을음 영향 분석

Fig. 6과 Table 1에 벽지의 7가지 종류별 총연기방출량(Total smoke release, m²/m²) 결과를 나타내었다. 본 연구에서는 ISO 5660 규격에 따라 콘칼로리미터로 분석을 수행하였는데 규격을 살펴보면, 총연기방출량은 시편의 단위면적당(m²) 연기발생(m²)으로 정의하고 있다. 총연기방출량 결과를 살펴보면, 종이 5.49 m²/m², 지사 38.01 m²/m², 방염 61.19m²/m², 질석 85.11 m²/m², 전분 26.56 m²/m², 실크 57.42 m²/m², PP 118.76 m²/m²인 것으로 나타나 연기방출량이 많은 순서로는 PP > 질석 > 방염 > 실크 > 지사 > 전분 > 종이 순으로 나타났다. 따라서 PP는 상대적으로 연기방출량이 가장 많았으며, 종이벽지 보다 21.63배나 많은 연기를 방출하여 벽지종류별 많은 차이를 보였다.

Fig. 6

TSR characteristics of interior wallpaper

화재발생 시 PP벽지는 종이, 지사, 전분벽지 보다 많은 연기방출로 결국 구획실의 열기류와 함께 천장의 연기층 형성에 일부 작용할 것으로 사료된다. 하지만, 화재현장에서는 벽지가 탄 흔적 즉 변색, 발포, 소실 등이 많이 보이지만, 단서가 될 만한 상태로 남는 것은 적고, 벽지는 일반적으로 얇은 도포상의 판이므로 이들의 수열 강약을 식별하는 것은 쉽지 않다(Choi, 2010).

패턴형성의 원리로는 열원으로부터 멀어지는 복사열이 약해지는 차등원리, 열원으로부터 멀어지는 고온가스 온도가 낮아지는 원리, 화염 및 고온가스의 상승원리, 연기나 화염이 물체에 의해 차단되는 원리로 화재패턴이 생성된다.

3.5 착화시간 특성

Table 2에는 착화시간(Ignition time)에 대한 결과를 나타내었다. 착화시간은 복사열에 노출된 시편이 스파크에 의해 착화되어 10초 이상 지속적인 불꽃이 유지되었을 때의 시간을 측정하였다.

Table 2

Combustion characteristics of interior wallpaper

벽지의 착화시간을 살펴보면, 종이 11초, 지사 22초, 방염 12초, 질석 26초, 전분 11초, 실크 14초, PP 25초에 착화가 시작되는 것으로 나타났으며, 착화가 빠른 순서로는 전분, 종이> 방염 > 실크 > 지사 > PP > 질석 순으로 나타났다. 따라서 종이와 전분의 경우 가장 빠른 시간에 착화가 진행되어 화재발생 시 착화위험성은 상대적으로 큰 것으로 나타났다.

벽지의 연소특성은 주요 구성성분과 구성성분의 배합비 차이, 방염 처리상황 등에 의해 화재 상황에서 착화시간의 차이가 발생한 것으로 사료되며, 구체적인 구성성분은 밝힐 수 없었다. 따라서 착화시간이 빠를수록 화재 상황에 노출되었을 방출하는 만큼 화재진행을 빠르게 할 수 있으며, 이러한 연소특성의 차이에 의해 1차적인 패턴이 형성되며, 수열방향 및 수열시간의 장·단과 열에너지의 대·소 등에 의해서도 패턴이 변화할 수 있으며, 이 변화과정에서의 차이가 연소의 강약을 나타낼 수 있을 것으로 사료된다. 이러한 열량 차이로부터 벽지의 어떤 측면이 다른 면과 비교하여 보다 심하게 탄화 되었는가 또는 이와 같이 탄화, 용융, 변색 등의 강약을 나타내고 있는가는 부재 및 물건을 집약하여 연소의 방향을 추정하고 이들의 방향에서 연소경로가 얻어진다. 하지만 이러한 흔적은 화재하중의 영향을 받아 변화하는 경우가 있으므로 주의하여야 한다(Jung et al., 2009).

3.6 연소생성물의 표면효과 분석

벽지나 페인트류 등으로 마감처리를 한 벽면은 열분해가 일어나면서 크고 작은 균열을 동반하며 탄화가 진행되기도 한다(Jung et al., 2009). 발열량이 많은 수록 연소범위가 넓어지게 되고, 이것은 온도의 상승에 따라 반응속도가 빨라지고, 열의 발생이 커진다는 의미이다.

또한, 종이벽지류를 바르거나 펄프찌꺼기와 목재 부스러기 따위를 압축하여 만든 텍스(Tex) 등으로 마감한 천장은 공기의 유동이 없다는 전제하에 가장 뜨거운 열과 연기층이 굴절과 교란을 일으키며, 가장 뜨거운 열과 연기층이 굴절과 교란을 일으키며 연소를 촉진시킨다. 이러한 연기발생량이 많고 시야확보가 곤란한 단점 때문에 연소구역을 쉽게 단정해서는 안 된다.

벽체의 주요 연소특성은 벽면을 따라 복도나 통로로 출하되고 벽체 등 하단부보다 손상정도가 크다. 발화초기에는 천장벽지류가 열에 터져나간 형태로 부풀려지거나 뜯겨진 형태를 보임에 따라 화염의 이동경로 측정이 가능하다.

또한 벽면의 연소형태는 벽지의 종류에 따라 수직방향을 향해 빠르게 치솟지만 천장과 맞닿은 부분에서 열기류가 휘거나 꺾이는 굴절현상이 되풀이되면서 천장면을 따라 흐름이 바뀌게 되고 바닥에서 벽면으로 이어지며 확산된 방향성을 남기게 된다. 또한, 열과 연기의 접촉으로 인한 연기의 분진 등에 의해 착색되었거나 변색된 형태를 보면 연소방향성 식별이 용이해진다(Jung et al., 2009).

연기의 여향은 불꽃과 가까운 곳은 생성되더라도 곧 증발되거나 탄화되지만 발화지역과 멀리 떨어진 구역에서는 천장면에서 확산된 열기층과 대기상의 공기가 혼합되어 벽면에 이슬처럼 맺힌 형태로 식별되거나 점성이 있는 검은 액체인 타르(Tar)와 같이 흘러내린 자국들이 남기도 한다. 화염이 덮치기 이전에 빠르게 확산된 연기의 영향을 지배적으로 받았을 때 생성되기 때문에 연기의 확산경로를 파악하는데 응용될 수 있다.