1. 서 론
2000년 이후 국내 경제성장과 도시로의 인구 이동이 증가하면서 전국 대도시를 중심으로 고층아파트 생겨나고 있으며 특히 현대인의 바쁜 생활문화를 고려하여 주거와 업무, 여가를 함께 할 수 있는 지역 랜드마크 성격의 고층 주상복합건축물도 경쟁하듯 생겨나고 있다.
소방청 화재통계(Nation Fire Agency, 2020)에 따르면 2017년부터 2020년까지 아파트, 판매시설, 의료시설, 교육시설, 업무시설, 숙박시설, 공장, 복합건축물 등을 포함하는 고층건축물(30층 이상)은 총 15,379개이며 이 중에서 아파트가 12.316개(80%), 복합건축물이 2,667개(17.3%)로 나타났다. 아파트와 복합건축물의 비중이 전체 고층건축물의 97.3%로 대부분을 차지하였다. 이 건축물은 주거시설로서 단위면적당 인구밀도가 매우 높아 화재 등의 재난 시 막대한 인적피해와 물적 피해를 가져올 위험이 상당히 높다.
따라서 ‘화재예방, 소방시설 설치⋅유지 및 안전관리에 관한 법률’에서는 대통령령이 정하는 소방 시설을 설치하여야 하는 소방 대상물을 지정하고 화재로 인한 인명 피해를 줄이기 위하여 감지기를 포함한 자동화재탐지설비와 소화설비 그리고 재실자의 신속한 피난을 위한 피난설비 등 각종 소방설비를 갖추도록 하고 있다(Jung, 2022). 특히 화재 시 초기에 열이나 연기를 감지하여 화재 발생 정보를 재실자와 방화관리자에게 알려주는 역할을 하는 화재감지기의 역할은 매우 중요하다. 화재감지기는 화재 시 발생하는 열과 연기, 불꽃 등을 감지하는 소방제품으로서, “자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준(NFSC 203, 2019)”에 따라 설치장소에 적응성을 갖는 감지기를 의무적으로 설치하도록 되어있다. 특히 2015년도에는 숙박, 입원 등 이와 유사한 용도로 사용되는 거실의 경우에는 기존의 열감지기에서 연기감지기 설치로 “자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준(NFSC 203, 2019)”의 규정이 변경되어 아파트나 의료시설 등의 건축물에 연기감지기의 설치가 큰 폭으로 증가하였다. 따라서 화재 시 큰 인명피해를 가져올 수 있는 고층아파트 등에 설치되어 있는 연기감지기의 역할은 더 중요해졌다.
아파트를 포함한 대부분의 건축물에 설치되는 광전식스포트형 연기감지기(이하 연기감지기)는 발광소자(발광다이오드, LED)와 수광소자를 암실 내부에 구성하고 이들 소자 사이에 연기가 유입되면 발광소자의 빛이 연기입자에 산란되어 그 빛이 수광소자로 유입되면 작동하도록 한 감지기이다. 여기서 발광다이오드의 빛은 연기입자를 감지하는 근원이며 이 빛을 방사하는 LED광원은 연기감지기의 감지성능을 결정하는 핵심부품이라 할 수 있다. LED광원은 반도체소자로서 수명이 반영구적이나 온도 등에 민감하여 주변온도가 높을수록 광량이 감소하는 특성을 갖고 있다. LED광량이 감소하면 산란광이 약해져 연기감지기의 감지 성능이 떨어질 가능성이 있다.
그러나 국내 소방제품 대부분이 내구연한이 없듯이 연기감지기도 자체 수명이 정해져 있지 않아 한번 시공하여 설치된 감지기는 일정기간 마다 교체되지 않는다. 또한 연기감지기가 설치되어져 있는 장소의 환경조건(온도, 습도 등)이 상이하고 연식이 오래될수록 먼지 등의 오염으로 인해 LED광원의 특성이 출고 때의 초기 값을 유지하기는 어렵다.
따라서 본 연구에서는 연기감지기의 성능유지에 핵심부품인 LED광원의 수명에 영향을 미치는 전기적 특성을 고찰하고 LED광원의 광량이 감소되었을 때 연기감지기의 화재감도 특성을 분석하였다.
2. 연기감지기의 구조 및 원리
화재감지기는 화재 시 발생하는 열, 연기, 불꽃, 또는 연소생성물을 자동적으로 감지하여 수신기에 알려주는 장치를 말하며(National Fire Agency 119 Notice (No. 2019-10), 2019), 연기를 감지하여 화재를 경보하는 장치가 연기감지기이다. 연기감지기의 구조는 암실의 형태로 되어 있으며, 이 암실 내에 광원(발광다이오드)과 광원을 밝히는 구동회로, 연기에 산란된 빛을 받아들이는 수광부로 구분할 수 있다.
2.1 암실(Dark room)
연기감지기의 내부구조는 Fig. 1과 같이 암실로 되어 있다. 이 암실은 발광부인 발광다이오드(IR Diode)와 수광부인 포토다이오드(Photo Diode) 그리고 외부 빛 차단 역할을 하는 차광막(Light Screen)으로 구성된다. 연기입자에 산란된 발광다이오드의 빛만 수광부로 유입되도록 암실구조로 설계된다. 이 암실의 제한된 공간내부로 유입되는 연기입자의 농도에 따라서 감지기는 화재 경보를 판단한다.
감지기내의 암실에 연기입자 등이 없을 때는 발광다이오드의 빛이 수광부인 포토다이오드로 유입되지 않아 감지기가 화재 경보가 작동하지 않는다. 이것은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 발광다이오드와 수광부인 포토다이오드가 동일 광축선상에 있지 않고 일정 각도로 꺾여 있어 연기입자 등이 없을 때는 발광부의 빛이 수광부로 바로 유입되지 않는 구조로 설계되어 있기 때문이다. 암실 내에 연기입자 등이 유입되면 발광다이오드의 빛이 입자에 산란되고 그 빛이 수광부에서 전압의 형태로 변환되어 감지기는 작동하게 된다. 이와 같이 연기감지기의 작동에는 발광다이오드의 빛과 산란이 중요한 역할을 하게 된다. 산란은 어떤 매질을 직선 경로로 통과하는 빛, 소리 등이 하나 이상의 국부적 불균일성에 의해 경로를 벗어나는 현상을 말하며 산란 전의 에너지와 산란 후의 에너지는 상호 관계성을 가지고 있다(Wikipedia, 2022).
2.2 발광다이오드(IR Diode) 및 포토다이오드(Photo Diode)
연기감지기에 사용되는 LED광원은 적외선(Infrared Ray)타입의 LED가 사용되고 있으며 일반 LED처럼 순방향 바이어스 전압에 의해서 빛을 방출하며 또한 IR LED는 육안으로 보이지 않는 적외선을 방출한다. Fig. 2는 IR LED를 나타낸 것이다. LED광원은 Fig. 3과 같은 구동회로에 의해 일정한 주기로 발광을 하며 이 주기는 트랜지스터 등의 반도체 스위칭 소자를 사용하여 제어하며 이 값은 제조사 설계에 따라 상이하다. 또한 감지기에 사용하는 IR LED의 파장은 제조사별로 상이하나 주로 800~950 nm를 사용한다.
3. LED광원의 전기적 특성
2.1절에서 살펴본 바와 같이, LED가 연기감지기의 발광원으로 사용되고 있으며 이 LED는 빛을 발산하는 다이오드로서 반도체 소자이다. 반도체 소자는 일반적으로 수명이 반영구적이고 크기가 작으며 열에 약하나 진동, 충격에는 강한 특징을 가진다. 특히 온도에 민감하여 온도 상승 시 허용전류와 광 출력이 감소하며 수명이 감소한다(Kim et al., 2006).
특히 연기감지기에 사용되는 IR LED의 전기적 특성중의 하나인 LED입력전류(forward current)는 LED의 광 출력과 아주 밀접한 관계가 있다. Fig. 6은 LED전류와 방사강도(Radiant Intensity)와의 관계를 나타내는 그래프이며, Fig. 7은 LED전류와 온도의 관계를 나타내는 그래프이다(Everlight, 2022). Fig. 6에서 LED전류가 증가할수록 LED의 방사강도는 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 LED의 전류(forward current)가 감소하면 LED의 방사강도는 감소하게 된다. Fig. 7에서는 LED광원의 주위온도가 일정온도까지는 일정전류를 유지하다가 광원의 주위온도가 20 ℃보다 높아지면 전류는 감소하는 것을 볼 수 있다. 이러한 LED를 연기감지기의 광원으로 사용한다면 주위온도가 20 ℃보다 높은 곳에 설치된 연기감지기 광원은 전류가 감소하여 광원의 광량 또한 감소하여 연기감지기의 감지 성능이 저하될 가능성이 높다.
따라서 본 연구에서는 연기감지기의 핵심부품이며 감지기의 수명과도 연관이 깊은 LED광원의 광량이 감소했을 때의 연기감지기의 감도특성을 분석하고 이를 고찰하였다.
4. 실험 및 실험결과
4.1 시스템 구성
Fig. 8은 LED광원의 광량 감소 시험을 위해 사용한 연기감지기 시료이다. 이 감지기는 아날로그형 연기감지기로서 실시간으로 감지기 내의 연기 농도를 측정할 수 있다. 또한 LED광원의 광량 조절을 위하여 Fig. 9와 같이 전원단에 가변저항을 설치하고 LED로 유입되는 전류를 제어하여 LED광원의 광량을 제어하였다. 가변저항의 값이 커질수록 LED로 유입되는 전류가 감소하여 광원의 광량은 감소하게 된다. Fig. 10은 LED광원의 전류제어를 위한 회로도이다.
Fig. 11은 감지기의 광량 조절에 따른 연기감지기의 감도 특성을 분석하기 위한 실험 구성도이다. 연기감지기 암실 내의 연기 농도의 실시간 측정과 데이터 취득 등을 위하여 인터페이스 모듈을 개발하여 컴퓨터와 상호 통신하였다. 연기감지기에서 취득한 연기 농도 정보의 정확성과 신뢰성을 확보하고 또한 실시간으로 연기 농도 값을 모니터링 할 수 있는 연기 챔버(Smoke Chamber)를 사용하여 실험을 수행하였다. 또한 이 연기 챔버는 실시간 연기제어가 가능하다.
연기 챔버 내의 조건은 “감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(National Fire Agency 119 Notice (No. 2019-10), 2019)”과 모두 동일한 조건으로서, 풍속은 30 cm/s, 발연로 온도는 400 ℃이며 발연재는 동양호지 No. 2이다.
실험은 연기 챔버 내의 연기 농도를 15%/m를 유지한 상태에서 연기감지기를 챔버 내에 거치하여 연기감지기 암실 내의 연기 농도 정보를 측정하였다. 즉, 연기감지기에 설치된 가변저항을 증가시켜 LED광량을 감소시키면서 연기감지기의 감도 분석 실험을 실시하였다.
4.2 실험결과
앞 절에서 언급한 바와 같이 실시간 연기제어가 가능한 연기 챔버 내의 연기 농도를 15%/m의 일정 농도로 유지하고 난 뒤, 연기감지기의 가변저항이 ‘0 Ω’일 때, 즉 최대광량일 때를 기준으로 광량을 10%씩 감소시키면서 연기감지기의 감도 성능실험을 수행하였다. 이것은 연기 챔버 내의 연기 농도 15%/m를 연기감지기는 얼마의 농도로 인식하는지를 확인하는 실험이다. Fig. 12는 LED광량 감소에 따른 연기감지기의 감도 특성을 나타낸 그래프이다. 즉, 감지기를 연기 챔버에 투입하고 100초 동안 연기감지기의 농도 정보를 인터페이스 모듈을 통하여 컴퓨터로 저장한 값을 5초 간격으로 그래프화한 것이다. 그래프 범례 ‘LIGHT 100’은 감지기의 LED광원 광량이 100%로 출력되었을 때의 연기감지기 감도를 나타낸 그래프이며, ‘LIGHT 90’은 광원의 광량을 10% 감소시켰을 때 연기감지기의 감도 특성을 나타낸 것이다. 또한, 그래프 범례 최하단의 ‘Density in smoke chamber’은 연기 챔버의 농도 15%/m를 나타낸 것으로 연기감지기의 각 광량별 감도 특성과 비교하기 위한 것이다. 또한, 실험은 농도 15%/m인 연기 챔버 상부에 감지기를 거치하고 데이터를 취득하였다.
실험결과, ‘LIGHT 100’일 때 연기감지기 암실에서의 감도는 15초 정도 이후부터 15%/m~16%/m 미만 사이의 연기 농도를 나타내었으며 측정 종료 시까지 같은 변동 폭의 농도를 유지 하였다. ‘LIGHT 90’일 때, 연기감지기는 15%/m농도를 13%/m~14%/m 사이의 농도 값으로 나타내었다. ‘LIGHT 70’일 때, 연기감지기의 농도 값은 대략 9%/m의 농도 값을 나타내었다. 즉 LED광량이 30% 감소할 때 연기감지기의 감도는 40% 감소하게 된다. 일반적으로 2종 연기감지기의 작동범위가 10%/m~15%/m 정도임을 감안할 때 연기감지기의 광량이 30% 감소하게 되면 감지기는 부작동하게 될 가능성이 높게 된다. ‘LIGHT 50’일 때, 연기감지기의 감도는 5%/m의 농도 값을 나타내었다. 이는 최초 농도 15%/m대의 30%에 해당하는 값으로, “감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(National Fire Agency 119 Notice (No. 2019-10), 2019)”에서 연기감지기의 작동 농도가 15%/m이므로 이때의 연기감지기는 감지 성능이 확연히 떨어져 화재감지기로서의 기능을 할 수 없을 것이다. 위의 LED광량 감소 결과, 연기감지기의 LED광원의 광량이 감소하게 되면 연기감지기의 감지 성능은 떨어짐을 확인할 수 있다.
Fig. 13은 연기감지기를 챔버 투입 이후에 측정된 데이터의 평균값을 그림으로 나타낸 것이다. 즉, LED광원의 광량을 10%씩 감소시키면서 측정한 전 주기(full period) 동안의 연기 농도 값을 평균한 것이다. 각 점들의 값이 Fig. 12의 정상상태 농도 값보다 작은 것은 Fig. 12에서 15초 이전의 과도상태 즉, 감지기를 연기 챔버에 투입한 직후 연기가 연기감지기 암실 내로 유입되는 시간 동안의 과도상태의 농도 값이 포함되기 때문이다. 또한 광량감소에 따른 연기 농도 변화의 추세를 확인하기 위하여 Fig. 13에 각 점들을 직선으로 연결하고 직선의 방정식을 함께 나타내었다. 이 직선의 기울기가 (-)은 연기감지기의 LED광량이 감소하면 연기감지기의 감도 성능도 이에 비례하여 선형적으로 감소한다는 것을 의미하고 있다.
Fig. 14는 LED광원의 광량을 10%씩 감소시켰을 때 연기감지기 농도 값에서 연기 챔버에 투입한 후 암실로 연기가 유입되는 과도상태의 농도 값을 제외한, 즉 정상상태의 농도 값만을 평균한 그래프이다. 이것은 연구 목적이 광량 감소시의 감지기의 감도특성을 보기위한 것이므로 과도상태의 값을 제외하고 정상상태의 값을 분석하는 것이 보다 타당하기 때문이다. Fig. 14의 각 데이터 값은 Fig. 13의 데이터 값보다 크다는 것을 확인할 수 있으며 이는 연기가 감지기의 암실 내로 유입되는 초기상태인 과도상태의 농도 값을 제외하였기 때문이다. 각 점들의 값은 Fig. 12의 정상상태의 값들과 유사하며 직선의 기울기 또한 Fig. 13보다 크다는 것을 볼 수 있다. Figs. 13과 14를 비교해 보면 기울기의 크기가 다소 차이가 있을 뿐 연기 농도의 선형적 감소 추이는 동일한 것을 알 수 있다.
Figs. 13과 14는 광량이 감소할 때 연기감지기의 감도 성능의 추세를 확인하는 그래프이고, Fig. 15는 광량이 감소할 때 연기감지기의 감도 성능이 어느 정도 감소하는가를 나타낸 것이다. Fig. 15의 각 점은 Eqs. (1)과 (2)로부터 구해진 Cnr의 값으로서, 연기 농도를 의미한다. 여기서, ‘n’은 광량이 10%씩 감소되는, 즉 10%, 20%, 30%, 40%, 50%일 때를 의미한다. Eq. (1)은 정상상태에서, ‘n%’ 광원 광량 감소 시의 연기 농도 감소분율(%)을 의미한다. 또한 Eq. (2)는 정상상태에서, 광량 감소 ‘0’일 때 평균 연기 농도 값을 ‘100’을 기준해서 각 광량감소 때의 연기감지기의 감도가 얼마나 감소한 것인지를 나타낸 것이다. 이것은 광 감소율 대비 감지기의 감지 성능 특성을 확인하기 위한 것이다. Fig. 15를 살펴보면 광 감소가 ‘0’일 때 연기감지기 농도(감도)가 100%, 광 감소가 10%일 때는 연기감지기 감도, 즉 ‘100%’ 대비 상대 연기 농도는 86.45%이고, 광 감소가 20%일 때 ‘100%’ 대비 상대 연기 농도는 74.19%이다. 이 그래프는 연기감지기의 광량 감소에 따른 연기감지기의 감도 성능을 의미하며 그래프를 직선의 방정식으로 표현한 것이 Eq. (3)이다.
Cnrr: Decrease rate of smoke concentration rate (%) when n% light intensity is reduced
C0: Average smoke concentration value when light intensity reduction is ‘Value 0%’ (in steady state)
Cn: Average smoke concentration value when light intensity reduction is ‘Value n%’ (in steady state)
Cnr: Relative smoke concentration value (%) when light intensity reduction is ‘Value n%’ (in steady state)
이 직선의 방정식의 y절편은 광 감소 ‘0’일 때의 초기 광량 100을 의미하며, 기울기는 -1.3677로 광량 감소율 대비 36.777% 더 감지기의 감도는 떨어진다는 것을 의미한다. 따라서 연기감지기의 광 감소율보다 약 37% 더 연기 감지 성능이 떨어지므로 감지기의 LED광량은 감지기의 수명과 성능을 좌우하는 매우 중요한 요소임을 확인할 수 있다.
Fig. 12의 그래프에서 ‘LIGHT 70’ 즉, 광량이 30% 감소하면 감지기는 15%/m의 연기 농도를 9%/m의 농도로 감지하여 감지기의 감도 성능이 40% 떨어지게 되어 감지기가 부작동의 우려가 있음을 확인했으며 이를 Fig. 15의 상대 농도로서도 다시 확인할 수 있다. Fig. 16은 Fig. 15그래프와 광량 감소와 감도가 1대1로 정비례하는 그래프를 함께 나타낸 것이다. 이는 광량 감소에 따른 연기 감지기 감도성능의 정도를 비교하기 위함이다. 광량 감소가 커질수록 연기감지기의 감도 성능은 점점 더 저하됨을 볼 수 있다. 광량이 50% 감소하면 감지기의 상대 농도는 약 31%로 떨어져 15%/m의 연기 농도를 약 5%/m의 농도로 감지하여 화재감지기로서의 기능을 할 수 없게 될 것이다. 이 5%/m는 “감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”의 광전식스포트형 연기감지기의 부작동 시험 농도에 해당하기 때문에 감지기의 상태가 제조 당시의 부작동 시험 성능을 유지하고 있다면 LED광량이 감소한 이런 감지기는 화재감지 기능을 할 수 없게 될 수도 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 2015년 “자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준(NFSC 203, 2019)”의 개정으로 아파트, 숙박시설 등에 설치가 의무화된 연기감지기의 핵심부품인 LED광원의 전기적 특성을 분석하였으며 이들 특성이 감지기 수명에 미치는 영향 등을 고찰하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 연기감지기 LED광원이 가지는 전기적 특성인 LED입력전류와 방사강도, 주위온도와의 관계 해석을 통하여 연기감지기 LED광원의 수명 특성을 고찰하였으며, LED광원 광량의 점진적 감소에 따른 연기감지기의 감도 성능을 분석하였다. 실험 수행을 위하여 감지기의 실시간 농도 측정을 위한 인터페이스 모듈과 실시간 연기 챔버를 사용하여 연기 제어를 하였으며 또한 연기감지기의 광량 제어를 위하여 광량조절 회로를 구성하였다. 실험결과, LED광량이 10% 감소하면 연기감지기의 감도는 12.5% 감소하고 광량이 30% 감소하면 감지기의 감도는 초기감도의 61%로 떨어졌다. 또한 광량이 50% 감소하면 감지기는 초기 감도의 30%대로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 LED광량 감소에 따른 감지기의 감도 특성 방정식을 도출하였으며, 이로부터 감지기의 감도는 광량 감소 대비 약 37% 더 감소한다는 것을 확인하였다. 따라서 연기감지기의 LED광량은 감지기의 성능을 좌우하는 매우 중요한 요소임을 확인할 수 있었다.
둘째, 현재까지는 연기감지기 내 암실에 먼지 등의 원하지 않은 입자 유입으로 인해 감지기의 오작동(비화재보)으로 많은 소방력 손실과 감지기에 대한 국민 불신 등을 초래하였고 또한 이를 해결하기 위해 많은 노력을 하고 있는 실정이다. 그러나 이러한 비화재보는 핵심부품인 LED광원이 제 기능을 하고 있어 발생하는 오신호이다. 그러나 LED광원 표면에 오랜 시간 동안의 먼지 적층과 주위온도 등으로 인해 LED광원의 광량 감소로 LED의 기능이 현저히 떨어져 있으면 빛을 산란하지 않거나 적은 양을 산란하여 비화재보도 없고 화재 시에도 작동하지 않는 감지기가 될 수 있다. 이것은 비화재보를 발생하는 연기감지기보다 훨씬 더 위험하며 대형화재의 발단이 될 수 있다. 따라서 연기감지기를 개발할 때는 LED전류-방사광 특성곡선 등을 고려하고, 광원의 전류와 주위온도 범위 내에서 사용되도록 LED소자를 선택하여 설계하는 것이 제품의 기능유지 및 사후관리에 큰 도움이 되리라 사료된다.
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