1. 서 론
1.1 연구의 필요성
실내 건축 분야가 지속적인 성장과 발전함에 따라(Kim and Cho, 2013) 건축물의 규모가 커지고 복합화되어 대형건축물이 출현하였고 소비자의 여가를 위한 여러 형태의 공간이 꾸준히 증가하고 있다(Lee, 2022). 특히, 목재는 일반적인 가구 및 건축 재료의 원료로 지구 온난화의 주요 원인인 이산화탄소(CO2)를 흡수하는 기능이 있어 환경적인 면에서 다른 재료와 대비하여 우수한 특성을 가진 자원으로(Eom, 2007), 삶의 질을 고취하고자 친환경 이슈의 흐름에 따라 건축 내⋅외장재, 가구재 등의 소재로 목재에 주목하고 있다.
목재는 국내 건축 부분에서 빠질 수 없는 소재로, 현대에 이르러 동남아시아, 남아메리카의 활엽수종을 가공한 목재부터 캐나다, 북유럽, 러시아의 침엽수종을 가공한 목재까지 다양한 목재를 활용하고 있다(Shin, 2021). 그러나 목재는 다른 건축재에 비해 화재 시 취약하다(Woo et al., 2017).
화재 시 목재의 취약성을 대표하는 사례로, 2005년 강원도 양양 산불을 보면 180 ha 정도의 대규모 산림을 소실하였을 뿐 아니라 산림 내 있던 낙산사 등 문화재에도 피해가 발생하였다(Fire and Disaster Prevention Newspaper, 2005). 국내 목조 문화재는 산림 부근에 위치하여 지리적 여건뿐 아니라 화재에 취약한 목재의 연소 특성으로 인해 화재 발생 시 불길을 진압하는 데 어려움이 있다(Lee et al., 2011). 2008년에는 화재로 인해 국내 국보 1호인 숭례문을 잃는 대참사가 있었다(Fire and Disaster Prevention Newspaper, 2008). 최근에는 귀농 인구의 증가로 실내 난방 및 미관상의 목적으로 화목 연료 난방 설비를 설치하는 가구 수도 급증하는 추세이다(Park, 2018). 그러나 제도적 뒷받침이 미흡한 관계로 난방 및 배기 설비의 과열과 가연성 물질의 이격거리 부적정, 내부 타르 축적이 원인이 되어 화재가 발생하고 있다(National Fire Protection Association 921 CODE, 2017). 이러한 화재 사건은 건축재료로서 목재의 화재 취약성을 방증하고 있다.
또한 소방청 국가화재정보시스템에 따르면, 최근 5년간(2018~2022) 다중이용업소에서 발생한 화재는 총 2,368건으로, 특히 코로나19 사태를 기준으로 규제가 완화된 2022년부터 다중이용시설을 이용하는 인원이 증가하면서 화재도 증가한 것으로 나타났다(NEWSIS, 2023). 카페, 노래방, PC방 등과 같은 다중이용업소는 개방된 공간으로 누구든 출입할 수 있는 곳이기에 화재 발생 빈도가 높다(Lee et al., 2011).
실내 인테리어에 사용된 목재로 인한 화재 취약성을 대표하는 사례로, 서울 팔레스룸싸롱 화재(1994.8.17.)는 전기합선으로 불꽃이 튀면서 합판으로 설치된 실내 칸막이, 천장 부분으로 화재가 번져 10명이 사망하였다. 또 서울 롤링스톤 락카페 화재(1996.9.29.)는 원인 미상의 불씨에 의해 발화가 일어나 합판으로 된 천장부로 연소가 확대된 사건으로 12명이 사망, 2명 부상을 입었다(Kim, 2006). 인천 MIT 소주방 화재(2000.4.18.)는 불쇼를 선보이다 볼꽃이 치솟으며 천장 실내장식에 불이 옮겨붙어 급격히 연소가 확대되어 2명이 사망, 3명이 중화상, 내부 107평이 소실되었고, 성남 아마존 단란주점 화재(2000.10.18.)는 선풍기 전원 플러그 합선으로 불꽃이 튀면서 카페트 및 실내 장식물로 연소가 확대되면서 내부 30여 평 소실, 7명이 사망하였다(Jung, 2001). 산후조리원 화재(2002.11.17.)는 계단 및 천장 부분의 내장재로 목재를 부착한 상태로 화염이 확대되고 농연이 급속히 번져 산모 2명, 신생아 2명이 사망하는 피해가 초래되었다(Kim, 2006).
그러므로 화재로 인한 물적 및 인적 등 다양한 피해를 최소화하기 위한 대책으로 방염처리가 절대적으로 필요하다. 이러한 문제를 해결하고자 국내는 다중이용시설과 다중이용시설 내 설치된 실내 장식물 등에 방염처리 할 것을 법적으로 규정하였다. 이는 화재 시 연소를 지연시켜 재실자의 피난시간을 확보하는 데 목적이 있다(Kim, 2015).
1.2 선행연구의 분석
방염도료는 수산화알루미늄과 같은 무기계, 브롬을 포함한 할로겐계, 인산에스테르를 이용한 인계로 분류된다. 기존에는 할로겐계인 브롬계, 염소계가 뛰어난 방염효과로 주종을 이뤄왔으나(Park, 2021) 화재 시 인체에 치명적인 독성가스 및 유해가스를 발생시키는 문제로 인해 규제받고 있다(Tanaka, 1988; Hardy, 1999). 이러한 문제를 개선하기 위해 근래에는 인계, 질소계, 붕소계 화합물을 단독 또는 혼합하여 목재 및 목질 재료에 처리하여(Shi, 2011) 방염을 위한 친환경 재료를 개발하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
국외 선행연구에 의하면, Xu et al. (2006)은 목재에 헥사클로로시클로트리포스파젠이라는 난연제를 처리하여 연소특성을 분석하였고 그 결과, 한계산소지수(Limited Oxygen Index)와 탄화길이, 탄화면적의 수치가 개선되었다(Xu et al., 2006). He et al. (2014)은 목질계 난연성 복합재료로 폴리인산암모늄과 나노아연붕산염을 결합하여 목재에 처리하여 방염성능을 실험한 결과, 총열방출율 및 최대열방출율이 감소하였다. 특히, 난연제를 처리하지 않은 대조군과 비교하였을 때 난연성 복합재료를 처리한 목재의 최대열방출율은 31.2% 감소한 것으로 나타났다. 화재 시 착화시간을 지연시키고 화재 강도를 낮추기 위해 방염처리를 시행함이 효율적인 것으로 보인다(He et al., 2014).
국내 선행연구에 의하면, Choi (2011)는 소나무(Pinus densiflora)와 잣나무(Pinus koraiensis)에 목재용 수용성 난연제를 72시간 함침한 후 연소시험장치를 통해 방염성능을 분석한 결과, 대조군인 증류수를 처리한 소나무, 잣나무와 비교하였을 때 방염성능의 효과를 보였다(Choi, 2011). 또 미송(Pseudotsuga menziesii)을 대상으로 방염액을 처리한 후 가열실험을 한 결과, 방염액을 처리한 미송은 목재 내부로의 열확산이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. Park et al. (2020)은 인 및 붕소계 화합물로 구성된 인계 방염제를 타공처리된 자작나무 합판, 낙엽송 합판에 처리한 후 방염성능을 측정한 결과, 타공처리된 자작나무 합판은 탄화길이와 탄화면적이 150 g/m2에서는 방염성능기준을 만족하지 않았고, 300 g/m2에서는 탄화길이 95.1 mm, 탄화면적 3,694 mm2로 측정되었고, 낙엽송 합판은 탄화길이 100.9 mm, 탄화면적 4,019 mm2로 방염성능을 만족한 바 있다(Park et al., 2020).
1.3 연구의 범위 및 목적
국내⋅외 선행연구에 따르면, 목재의 연소 특성의 한계를 개선하기 위해 국내⋅외적으로 높은 방염효과를 보이는 방염제를 개발하는 중이며, 목재에 방염처리를 시행할 때 방염성능 효과가 있는 것으로 보인다. 그러나 방염도료의 성분에 따라 방염성능의 정도는 상이하였다. 방염도료의 주성분 및 구성물질 성분비에 따라 수종별로 방염성능의 효과에 편차가 있을 것으로 추정한다.
따라서, 본 연구는 선행적 연구로서 주성분이 다른 방염도료별 방염성능의 효과 및 편차를 분석하는 데 목적이 있다.
연구의 목적을 실험을 통해 확인하고자 다음과 같이 시료를 선정하였다. 오늘날 카페, 전시장 등 인테리어 자재, 가구재로 많이 이용되고 있는 Oak 합판(Buildmania, 2023)을 시료로 선정하였다. Oak 합판은 다른 자작나무, 편백, 낙엽송처럼 수종명을 띤 명칭이 아닌, 참나무속(Quercus spp.)에 속하는 수종으로 만들어진 합판을 통틀어 지칭한다. 참나무속은 역사적으로 건축 자재의 중요한 공급원으로(Niche Timbers, 2009) 본 연구에서 사용된 Oak 합판은 화이트오크(White Oak)로 유럽산으로 제조되었다. 유럽산 화이트오크(White Oak)를 대표하는 수종은 국내에서 자생하지 않는 Quercus robur, Q. faginea, Q. petraea, Q. pubescens, Q. pyrenaica, Q. canariensis, Q. macranthera 등(Dumolin-Lapègue et al., 1997)으로 Q. robur, Q. faginea, Q. petraea는 유럽에서 장작, 선박, 가구, 건축용 목재로 이용되었다(Royal Botanic Gardens, Kew, 2020). 방염도료는 현장방염처리에 이용되고 있는 상품화된 제품으로 주성분이 다른 3종을 선정하였다. 각 방염도료의 주성분은 암모늄 폴리인산염, 에멀젼 수지, 인계 혼합물이다(Samhwa Paint Industry Co., Ltd., 2018; KCC, 2021; ESC Co., Ltd., 2022). 방염도료의 일반적 및 화학적 구성에 대한 내용은 Table 1과 같다.
Table 1
General and Chemical Composition of Flame Retardants
2. 측정기기 및 실험방법
2.1 측정기기
본 연구에서 사용한 측정기기는 현장방염처리물품의 방염성능을 측정하기 위한 장치로 시료를 건조하는 데 필요한 항온건조기 및 데시케이터, 시료의 방염성능을 측정하기 위한 연소시험함, 전기불꽃발생장치, 맥켈 버너 등을 이용하였다. 측정기기 및 연소시험 장치의 개략도는 Fig. 1과 같다.
2.2 실험환경 및 방법
본 연구는 선행적 연구로서 주성분에 따른 방염도료의 방염성능의 효과 및 편차를 비교하고자 국내 소방청에서 고시한 ‘방염대상물의 방염성능 기준(제2022-29호)’에 준수하여 실험하였다. Oak 합판을 가로 29 cm × 세로 19 cm × 두께 12 mm (± 0.9 mm)로 제작하였고 실험을 위해 선정한 방염도료 3종을 각각의 이론 도포량을 기준으로 시료의 면적에 따라 B는 15 g (5 g씩), C는 18 g (6 g씩), D는 18 g (6 g씩)을 3번에 걸쳐 붓칠하였다. 방염도료의 기술자료에 따르면, 합판의 표면의 먼지, 유분 및 기타 이물질 등을 완전히 제거한 후 방염도료(B는 150 g/m2의 경우, 50 g/m2씩, C, D는 180 g/m2의 경우, 60 g/m2씩)를 균일하게 3회(1회 도장 후 1시간) 붓칠하여 상온에서 24시간 자연건조 또는 3시간 120 ℃ 열풍건조로 완전히 건조하도록 하고 있다. 이 연구에서는 방염처리 후 상온에서 24시간 자연 건조하였고 방염처리를 하지 않은 Oak 합판을 대조군으로 추가하였다. 연구에 사용된 방염도료의 양을 정량적으로 측정하기 위해, 각 시료의 방염처리 전⋅후의 무게와 두께를 측정하여 실제 도포량을 분석하였다. 무게는 방염처리 전⋅후의 무게의 차이로 실제 도포량에서 유실된 양을 제외한 잔량의 무게를 측정하였고, 두께는 합판의 각 꼭짓점 및 각 변의 중점을 기준으로 8곳을 측정하였다. 방염성능 실험에 사용된 시료에 대한 세부적인 방염처리는 Fig. 2, Table 2와 같다.
Table 2
List of Specimens Used in This Study
1) A is unprocessed, B is a fire retardant paint with ammonium polyphosphate as the main ingredient, C is a fire retardant paint mainly composed of emulsion resin, D is a Oak plywood treated with a fire retardant paint containing a phosphorus- based mixture as the main component.
2) The theoretical coating is derived based on the technical data of the fire retardant paint provided by the manufacturer of each fire retardant paint.
3) Based on the theoretical coating, B was coated three times with 15 g (5 g each), C was coated three times with 18 g (6 g each), and D was coated three times with 18 g (6 g each) depending on the surface area of the specimen.
4) In this experiment, to quantify the amount of flame retardant treatment, the weight of the residual amount after subtracting the amount lost in the actual coating process was measured by the difference in weight before and after flame retardant treatment. The following table shows the average values.
연소시험함 및 맥켈 버너 등을 이용하여 방염성능을 비교하였다. 40 ± 2 ℃의 항온건조기에 Oak 합판을 넣어 1시간 동안 건조한 후 실리카젤을 넣은 데시케이터에 2시간 동안 넣어두었다. 이후 시료를 꺼내 방염성능측정을 하였고 3회 반복하였다. 실험이 진행된 곳의 내부 온도는 20.0 ± 15.0 ℃, 습도는 50 ± 30% RH였다. 실험의 총체적 과정은 Fig. 3과 같다.
2.3 현장방염처리물품의 방염성능측정기준 및 방법
｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률 시행령｣ 제31조 제2항에 의거, ｢방염대상물의 방염성능시험｣ 제7조의 2에 근거하여 합판의 방염성능측정을 실시하였다. 시료는 받침틀에 고정한 후 버너의 불꽃 길이를 65 mm로 시료의 중앙부 하단에 접하도록 조정하였다. 각 시료는 2분간 가열하였다. Oak 합판의 방염성능은 ‘현장방염처리물품의 방염성능측정기준’에 따라 잔염시간, 잔신시간, 탄화길이, 탄화면적을 측정하였고 모든 항목이 기준을 만족해야 한다. 이에 대한 세부적인 내용은 Table 3과 같다.
Table 3
Standards for Measuring the Flame Retardant Performance of On-site Flame-retardant Treated Materials
3. 실험 결과 및 고찰
주성분에 따른 방염성능의 효과 및 편차를 비교하기 위해 Oak 합판을 대상으로 연소시험장치를 통해 잔염시간, 잔신시간, 탄화길이, 탄화면적을 측정하였다. 그 결과는 Fig. 4, Table 4와 같다.
Table 4
flame Resistant according to Flame Retardant by Manufacturer
1) According to the “Fire Protection Installation and Safety Management Act Enforcement Decree” Article 31 Paragraph 2 and “Flame Retardant Performance Standards” Article 4 and Article 7-2, the “Flame Retardant Performance Standards for Flame Retardant Materials (Fire and Disaster Headquarters Notice No. 2022-29)” require that for plywood, after flame time should be within 10 seconds, after glow time should be within 30 seconds, char length should be within 20 cm, and char area should be within 50 cm2 to meet all standards.
잔염시간 및 잔신시간은 방염처리 여부와 상관없이 모두 0초로 측정되어 국내 방염성능기준을 모두 만족하였다. 시료로 이용된 합판은 유럽산 Quercus spp.에 속하는 수종으로 제조된 것으로, Quercus spp.는 낙엽활엽수에 속하는 참나무속으로 수목학적으로 코르크층이 두꺼운 수피를 가지고 있어 일반적으로 불에 강하다(Kim et al., 2020). 이에 Oak 합판의 잔염시간 및 잔신시간이 모두 0초로 측정되는 데 영향이 있었을 것으로 추정한다.
탄화길이는 ‘A’에서 11.7 cm, 주성분이 다른 방염도료를 처리한 ‘B~D’는 6.6~7.6 cm의 범위로 측정되었다. 즉, 방염처리 여부와 상관없이 국내 방염성능기준을 모두 만족하였다. 대조군인 ‘A’와 방염처리를 한 ‘B~D’의 탄화길이를 비교한 결과, ‘B’는 42.7%, ‘C’는 35.0%, ‘D’는 43.6%로 탄화길이가 감소하였다.
그러나 탄화면적은 ‘A’에서 68.6 cm2로 측정되었다. 이는 국내 소방청 방염성능기준인 50 cm2 이내를 충족하지 못한 결과로 방염처리를 하지 않은 Oak 합판은 부적합으로 판정되었다. 반면, 주성분이 다른 방염도료를 처리한 ‘B~D’는 23.8~29.8 cm2의 범위로 방염성능기준을 만족하였다. 방염처리를 하지 않은 ‘A’ 대비 ‘B’는 63.0%, ‘C’는 55.0%, ‘D’는 65.3%로 탄화면적이 감소하였다. 탄화길이 및 탄화면적을 분석한 결과, 암모늄 폴리인산염, 에멀젼 수지를 주성분으로 하는 방염도료의 방염성능도 방염처리를 하지 않은 ‘A’에 비해 우수한 방염성능을 보였으나 인계 혼합물을 주성분으로 하는 방염도료의 방염성능이 가장 우수한 경향을 나타냈다.
본 연구에서 사용된 주성분에 따른 방염도료의 방염성능은 국내 소방청의 ‘방염대상물의 방염성능기준(소방청 고시 제2022-29호)’에 따른 합성수지판, 합판 등의 방염성능측정 기준을 만족하였다. 그러나 주성분에 따른 방염도료의 방염성능 효과는 상이한 것으로 나타났다. ‘D’가 ‘B’, ‘C’보다 방염성능이 우수한 경향을 나타냈다. 인계 혼합물로 된 방염도료는 가격경쟁에서도 유리하며, 색상은 무색, 투명하여 합판에 방염처리를 하면 유색 방염도료처럼 수종별 합판의 고유 무늬 등을 차단하지 않고 표면을 매끄러운 상태로 보존할 수 있는 이점이 있다(Lim et al., 2008).
본 연구에서는 인계 혼합물로 된 방염도료를 180 g/m2으로 Oak 합판에 처리한 결과, 탄화길이 6.6 cm, 탄화면적 23.8 cm2로 방염성능기준을 만족하였다. Park et al. (2020)의 연구에서는 같은 인계로 구성된 방염도료를 자작나무, 낙엽송으로 제작된 합판에 처리하였을 때, 300 g/m2에서 자작나무 합판은 탄화길이 9.5 cm, 탄화면적 36.9 cm2로 측정되었고, 낙엽송 합판은 탄화길이 10.0 cm, 탄화면적 40.1 cm2로 방염성능을 만족한 바 있다(Park et al., 2020). 이에 주성분이 인계 혼합물인 방염도료를 다른 수종으로 제작된 합판에 처리하였을 때 방염성능기준을 모두 만족하였다. 그러나 제조사별 방염도료의 기술개발에 따라 방염성능의 효과에 편차가 발생하는 것으로 판단된다. 이 실험은 Oak 합판만을 대상으로 주성분에 따른 방염도료의 방염성능 효과 및 편차를 분석한 것으로 향후 수종별 합판을 대상으로 방염성능을 비교하는 연구가 추가적으로 실행될 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구는 선행적 연구로서 Oak 합판을 대상으로 주성분이 다른 방염도료 3종의 방염성능의 효과와 편차를 분석하는 데 목적이 있다. 국내 법률 기준에 따라 합판의 방염성능을 측정하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 잔염시간, 잔신시간은 방염처리 유무와 상관없이 모두 0초로 측정되었다. 이는 Oak 합판이 참나무속 수종으로 제작된 것이 영향을 주었을 것으로 추정한다. 일반적으로 참나무속은 수목학적으로 코르크층이 두꺼운 수피를 가지고 있어 불에 강하다(Kim et al., 2020).
(2) Oak 합판에 주성분이 다른 방염도료를 처리한 결과, 주성분에 따라 방염성능에 차이가 발생하였다. 본 연구에서는 Oak 합판에 인계가 우수한 것으로 확인하였다.
(3) 선행연구 및 본 연구의 결과를 토대로, 수종별 및 방염도료의 주성분과 구성 물질의 성분비에 따라 방염성능에 편차가 발생한다는 것을 확인하였다.
본 연구는 합판의 재료인 목재 고유의 수목학적 특성 및 방염도료의 주성분에 따라 방염효과에 편차가 있을 것이라는 가설을 설정하고 실험한 것으로, 이를 확인한 목적은 향후 수종별 합판에 가장 높은 방염효과를 보이는 방염도료를 선정할 수 있는 근거가 되는 기초자료를 제공하는 데 있다. 따라서, 다양한 수종별 합판을 대상으로 제조사별 방염도료의 주성분 및 구성 물질의 성분비에 따른 정량적 측정을 통한 방염성능의 효과를 비교하는 연구가 추가될 필요가 있다.
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