국제적 시험 기준인 ISO 5660-1 (2015)과 ASTM E 1354-17 (2017)에 근거한 콘칼로리미터(Cone calorimeter)는 개방된 공간에서 화염 또는 주위 고온영역으로부터 입사되는 복사 열유속(Radiant heat flux)에 의한 고체 가연물의 난연(Flame-retardant) 평가 및 연소물성 측정을 위해 가장 널리 사용되고 있다(Scudamore et al., 1991; Schartel and Hull, 2007). 비록 콘칼로리미터에서 적용되는 제한된 면적의 시편을 통해 산출된 점화 및 연소특성은 실규모 화재실험결과와는 정량적인 차이를 가질 수 있지만, 제어된 열적환경에서 가연물의 단위 면적당 열 및 화학적 특성을 이해하는데 매우 유용하게 활용되고 있다(Schartel et al., 2005). 일반적으로 콘칼로리미터를 활용하여 얻을 수 있는 대표적인 측정값으로는 입사되는 복사 열유속에 따른 점화시간, 단위 면적당 열방출율(Heat Release Rate, HRR) 및 질량 감소율(Mass Loss Rate, MLR), 연소생성물 그리고 연기 생성율 등이다. 이들 중에서 산소소모율(Oxygen consumption rate)에 근거한 열방출률 측정은 산소소모계수 등을 포함하여 보다 정확한 HRR 측정을 위해 많은 연구들이 수행되고 있다(Dlugogorski et al., 1994; Chow and Han, 2011). 또한 광소멸법(Light extinction method)를 활용한 연기농도의 측정에서도 가연물 및 연소조건에 따른 광소멸계수(Light extinction method)이 도출을 포함하여 보다 정확한 연기농도 또는 발생량 산출을 위하여 지속적인 연구가 이루어지고 있다(Mulholland and Croarkin, 2000; Widmann et al., 2005). 그러나 가연성 기체의 공급량과 직접적으로 연관될 수 있는 가연물의 질량감소율(Mass Loss Rate, MLR; g⋅m²/s) 측정은 단순 원리의 로드셀(Load cell)이 적용됨에 따라 콘칼로리미터의 개선을 위해 크게 관심을 받지 못하고 있다. 즉, 콘칼로리미터를 활용한 고온의 화재환경에서 로드셀을 통해 산출되는 질량 감소율의 측정 정확도 개선에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. MLR을 측정하는데 적용되는 로드셀은 탄성체에 하중이 작용될 때 발생되는 변형량(Deformation)을 저항변화로 측정하는 스트레인 게이지(Strain gauge)를 통해 무게 또는 질량의 변화를 감지할 수 있는 센서(Fig. 2 참조)이다. 스트레인 게이지는 민감도가 좋고 변형량에 따른 저항변화의 선형성이 우수하다는 장점을 갖고 있으나, 스트레인 게이지의 저항 및 민감도 역시 온도에 의해 변화되어 상당한 측정오차를 가져올 수 있다. 특히 콘칼로리미터와 같이 높은 온도의 열적 환경에서 로드셀의 측정오차는 더욱 중요하게 고려되어야 한다고 알려져 있다(En Un and Simakov, 1993). 그럼에도 관련 규격의 시험방법인 KS F ISO 5660-1 (2003)의 11.2.5절과 ASTM E 1354-04 (2004)의 11.4절에는 ‘시험 시간 동안 질량 측정 장치(Figs. 1~2 참조) 의 상부에 열차단 장치(예: 내화 섬유판을 깐 빈 시편 홀더 또는 수랭식 복사열 차단 장치)를 놓아서 과도한 열이 질량 측정 장치에 전달되지 않도록 한다’라는 언급 외에는 콘(원추형) 복사열 전기히터에 의해 열전달(Heat transfer) 즉, 그 전기히터 하에서 생성되는 열복사(Thermal radiation)와 열대류(Thermal convection)에 의해 기인한 금속재질의 시편 지지대와 로드셀 간의 열전도(Thermal conduction) 및 로드셀 박스 내부의 기체 온도상승에 의한 열대류가 이 질량감소 측정 및 그 외 시험결과에 미치는 영향에 대해서는 언급되어 있지 않고 있어 이러한 MLR의 부정확한 측정은 결과적으로 가연물의 연소물성의 부정확한 측정과 직접적으로 연관된다.

예를 들어 시간에 따른 열에너지의 방출율인 HRR (kJ/s)을 MLR (kg/s)로 제함으로서 표현되는 유효 연소열(Effect heat of combustion, kJ/kg)의 부정확한 정보를 가져올 수 있다. 유효 연소율은 측정된 질량 감소율과의 곱을 통해 HRR로 환산될 수 있으며, 화재시뮬레이션에서 화원 정보로 직접 활용되고 있다(Mun et al., 2013). 또한 MLR의 부정확한 측정은 연료 1 kg/s의 소모율에 대한 연소 생성물의 생성률(kg/s)로 표현되는 CO, CO₂ 및 Soot yield (kg/kg)의 오차를 가져올 수 있다(Mun et al., 2019). 이 외에도 피난 및 난연성 평가에서 MLR의 정보가 활용되는 연기지수로서, 연기의 감쇠면적(Extinction area of smoke, m²/s)과 연기의 생성과 연관된 시편의 MLR (kg/s)의 비로 표현되는 비감쇠면적(Specific extinction area, m²/kg)이 있다(Jin and Chung, 2020). 따라서 MLR의 정확한 측정은 가연물의 기초 연소물성 뿐만 아니라 재료의 난연성 및 피난 안전성 평가의 신뢰성에 강화에 매우 중요함을 충분히 인지할 수 있다. 따라서 이러한 배경 하에 본 연구에서는 콘칼로리미터에 적용된 고온의 화재환경에서 로드셀에 미치는 열전달이 질량측정 및 연관된 시험 결과인 유효 연소열(Effect heat of combustion, kJ/kg), 연기의 감쇠면적(Extinction area of smoke, m²/s)에 따른 연기발생률(Smoke Production Rate, m²/s)에 어떠한 영향을 주는지 고찰해 보고 그 개선 방향을 제시 한다.

앞서 언급된 콘칼로리미터에 적용된 고온의 화재환경에서 콘(원추형) 히터에 의한 복사열이 질량측정에 미치는 영향을 확인하기 위해서 대표적인 시험조건인 50 kw/㎡의 복사열(Irradiance) 하에서 앞서 언급된 스트레인 게이지 타입 로드셀(Fig. 5, 녹색 점선, AND사 제품, 모델: LCB03K006M, Capacity: 6 kgf)이 제시하는 보정 온도 범위(Compensated temperature range)인 –10 °C ~ 40 °C를 만족하는지 확인하여 그 초과 여부에 따른 측정오차가 이 질량감소 측정 및 그 외 시험결과에 미치는 영향을 예상하기 위하여 다음 그림과 같이 앞선 서론에서 언급한 콘(원추형) 히터 하에서 금속재질의 시편 지지대와 로드셀 간의 열전도에 의한 영향과 로드셀 박스 내부의 기체 온도상승에 의한 열대류에 의한 영향을 확인하기 위해 Fig. 3과 같이 50 kw/㎡의 복사열하에서 시편 지지대의 표면온도(Surface temp.)와 질량측정장치 박스 내부의 기체온도(Gas temp.)를 사전 실험을 통해 확인 하였다.

그 결과 다음 그래프(Fig. 4)와 같이 열전도에 의한 표면온도 및 열대류에 의한 기체온도 모두 로드셀이 제시하고 있는 온도범위 40 °C를 초과하였으며, Fig. 3(a) 질량측정장치 상부를 내화섬유로 덮지 않은 경우 히터 작동 초기에는 표면온도가 높지만 약 200초 이후에 질량측정장치 내부의 기체온도가 더 높게 측정되고 대부분의 시험자가 히터 복사열 및 실험 중 발생하는 이물질로 부터 보호하기 위한 Fig. 3(b)의 경우 표면온도 및 기체온도 모두 Fig. 3(a) 보다 높게 측정되는 사실을 확인 할 수 있었다.

이러한 결과는 서론에서 전제한 로드셀에 사용되는 스트레인 게이지가 가지는 단점인 온도 변화에 따른 질량측정오차, 즉 측정 정밀도(Accuracy)에 문제가 있음을 확인해 ‘콘칼로리미터에서 열전달이 질량측정 장치에 미치는 영향에 관한 연구’의 필요성을 확인 할 수 있었다.

따라서 이러한 전제들로 Fig. 5와 같이 열전도 차단을 위한 시편이 거치되는 지지대 사이(Fig. 5 붉은색 점선)와 열대류 차단을 위한 로드셀이 위치하는 질량측정장치 상자의 상부면(Fig. 5 파란색 점선)에 열전달 차단을 위한 내화재(Refractory fiber)를 놓아 Table 1과 같이 시험조건 첫 번째(ConditionI)는 각각의 열전달 차단 내화재 모두를 제거해 열전도 및 열대류가 로드셀에 의한 질량 측정에 최대한 영향을 주도록 시험조건을 설정하고 두 번째(ConditionI)의 경우, 콘(원추형) 히터로부터 생성되는 복사열에 의한 간접적 열대류에 의한 질량측정장치 내부 기체온도 상승이 로드셀에 미치는 영향을 확인 할 수 있도록 복사열 차단재(Radition shield)를 질량측장장치 상부에 설치하는 조건을 설정 하였으며, 세 번째(Condition III)는 금속 재질의 시험편 지지대에 의한 직접적 열전도가 로드셀에 미치는 영향을 확인 할 수 있도록 시험편 홀더와 로드셀 지지대 사이의 열전달 차단 내화재를 삽입해 관련 규격에서 제시된 시험방법으로 구성해 세조건 모두 다른 조건하에서 열전달이 질량측정 장치에 미치는 그 영향성을 하기에 제시한 질량감소율이 적용된 콘칼로리미터 시험결과 값들을 비교하여 확인하고자 한다.

이러한 질량감소율(MLR, g⋅m²/s)은 측정된 각 시간 간격에서의 질량 손실을 계산하기 위한 식으로는 하기와 같이 5점 미분식(Five-point numerical differentiation equations)과 유효한 연소 기간 동안의 질량 감소율을 구하기 위해 총 질량 감소가 10 ~ 90%에 도달하는 시간을 알아내 다음 Eq. (1)에 의해 계산하여 그 영향성을 확인하였으며, 더불어 그 외의 실험결과에 미치는 영향성 또한 확인하기 위하여 질량감소율과 상관성을 가지는 유효연소열(Effective heat of combustion, MJ/kg) 계산식 Eq. (2), 연기감쇠면적(Extinction area of smoke, m²/s) 계산식 Eq. (3)에 따른 연기발생률(Smoke Production Rate, m²/s) 계산식 Eq. (4)에 어떠한 영향을 미치는 지도 살펴보았다.

첫 번째 스캔(i=0):

두 번째 스캔(i=1):

1≺i≺n-1번째 스캔(n=총 스캔 횟수):

마지막에서 두 번째 스캔(i=n-1):

마지막 스캔(i=n):

여기에서 -m˙은 5점수치미분식을 이용한 질량감소율이며, m˙은 시편질량감소(g/s), Δt는 샘플링시간간격(s)를 의미해 이렇게 계산된 -m˙ 은 유효연소율 계산에 이용되며, 연소 기간 동안의 질량감소율(총 질량 감소가 10 ~ 90%에 도달하는 시간)은 Eq. (1)로 최종 계산한다.

여기에서 A_s는 초기에 노출된 시편의 표면적(m²)이다.

또한 서론에서 제시한 열에너지의 방출률인 HRR (kJ/s)을 MLR (kg/s)로 제함으로서 표현되는 다음 식 유효연소열(KS F ISO 5660-1: 2003. 부속서 C 참조) 계산식 Eq. (2) 및 연기감쇠면적(Extinction area of smoke, m²/s) 계산식 Eq. (3)에 따른 연기발생률(Babrauskas and Grayson, 1995) 계산식 Eq. (4),

여기에서 Δh_{c, eff} 는 유효연소율, q˙(t)는 단위면적당 열방출율(Heat Release Rate, kW/m²), -m˙앞서 언급된 5점 수치미분식을 이용한 질량감소율을 의미하며, 화재 모델에 연기 데이터를 적용하기 위해 때로는 기기 흐름 조건 및 시료 질량과 무관하게 시료의 단위 질량 손실당 연기 수율 측면에서 데이터를 레포트하는 것이 바람직하다. 이를 위해 특정 소멸 면적은 해당 연기 생산과 관련된 시료의 대량 손실 대비 연기 소멸 영역의 비율로 정의 된다(ISO 5660-1, 2015, Annex A).

여기서 σ는 킬로그램당 평방미터 단위의 특정 소멸 지역(Specific extinction area), κ는 미터당 표현된 소멸 계수(Extinction coefficient) k = (I/L) ln (I₀/I), V˙s는 특정 기간의 측정 지점에서의 매연 체적 유량(초당 세제곱 미터), Δm은 특정 기간 동안 킬로그램 단위의 질량 손실, t는 Δm에 대한 시간(초)이다.

여기에서 yield는 [(kg × produced)/(kg specimen mass lost)]를 의미하며 시험결과 중 이산화탄소 수율(Carbon dioxide yield)을 활용하여 앞서 언급된 각각의 측정 항목들과의 상관성을 통해 고온의 화재환경에서 콘칼로리미터에 적용된 로드셀에 미치는 열전달이 질량측정에 어떠한 영향을 끼치는 지를 확인 하였다.

본 논문은 화재물성 측정을 위한 콘칼로리미터 관련 시험규격은 다른 측정 장치들에 비해 콘(원추형) 히터 하에서 고온의 화재환경에 노출되었을 때 열전달이 질량측정에 미치는 영향에 대해서는 자세히 언급되어 있지 않아 열전도(Thermal conduction) 및 열대류(Thermal convection)가 콘칼로리미터에서 질량측정 및 그 외 시험결과에 어떠한 영향을 미치는지를 확인하였고 금속 재질의 시험편 지지대와 로드셀 사이의 그 열전도 차단(Condition III) 조건이, 그렇지 않은 경우(Conditions I)에 비해 70%의 질량감소율(MLR), 81%의 유효연소율(EHC), 50%의 열방출률(HRR), 83%의 이산화탄소 수율(CDY), 45%의 연기감쇠면적(SEA) 및 34%의 연기발생률(SPR)을 개선시키는 효과를 확인 할 수 있어 ‘고온의 열전달에 의한 부정확한 질량측정이 얼마나 콘칼로리미터 시험 결과에 얼마나 영향을 미치는가?’에 대한 영향을 본 연구를 통해 확인하였다(Table 13). 이는 향후 콘칼로리미터를 활용한 정확성이 향상된 화재반응 해석 및 효율적인 화재시험을 위한 추가 연구의 필요성을 확인할 수 있었다.