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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 16(5); 2016 > Article
전기매트 및 장판류의 발화개연성에 대한 화재감식 연구

Abstract

In this study, a reproduction experiment was conducted to identify the ignition probability of electric mats and pads(single and double). In the reproduction experiment, heating and heat storage temperature, ignition characteristics of each part and external flame-based carbonization forms were observed. As a result, when power was supplied with no temperature controller, the electric pads were ignited at a temperature of 150°C degrees, the maximum temperature of the electric mats increased to 40°C to 60°C degrees after nearly 20 minutes without an ignition phenomenon and the maximum temperature of the electric pads was 40°C to 150°C degrees after nearly 30 minutes. When they were covered with blankets, also, the temperature was 74 degrees, which was about 20 degrees higher than 43°C degrees when they were not covered with blankets. Hardened carbonization forms were observed and the top was burnt widely, whereas the bottom was burnt narrowly. The ignition post of each material was between 338°C degrees and 560°C degrees and especially, heat-insulting materials of the electric mats began to be ignited at a temperature of 338°C degrees. This means they have a relatively higher ignition hazard.

요지

본 연구에서는 전기매트 및 장판류 (1인용, 2인용)의 발화개연성 감식을 위하여 재현실험을 수행하였다. 재현실험으로부터 발열 및 축열온도, 부위별 발화특성, 외부화염에 의한 탄화형태를 관찰하였다. 연구결과, 온도조절기 없이 전원을 공급하였을 때 전기장판은 150°C에서 발화되었으며, 전기매트는 발화현상 없이 20분 전후에서 최대온도는 40~60°C까지 온도가 증가하였으며, 전기장판은 30분 전후 시간에서 최대온도는 40~150°C 온도범위로 나타났다. 또한, 담요를 덮었을 때는 74°C로 측정되어 담요를 덮지 않았을 때의 온도 43°C 보다 20°C 이상 온도 차이를 확인 할 수 있었다. 탄화형태는 경화된 형태로 상부는 넓고 하부는 좁게 연소되는 현상이 식별되었다. 구성 소재별 발화점은 338~560°C의 온도 사이 인 것으로 측정되었으며, 특히 전기매트의 보온재는 338°C로 상대적으로 발화위험 성이 높은 것을 알 수 있었다.

1. 서론

일반 가정에서 동절기 난방용으로 사용하고 있는 전기매트 류는 다른 제품과 달리 인명과 관련된 위험성이 상대적으로 커서 화재에 대한 높은 안정성이 요구된다고 할 수 있다. 그러나 간혹 제품결함 또는 사용자 부주의에 기인한 화재로 인 명 및 재산피해를 발생시키고 있다 (A, A. 2000; Kim, D. H. 2000). 전기매트류는 장시간 사용횟수가 증가하게 되면 절연 피복의 경년열화로 내구성은 점차 떨어지게 되며, 온도조절기 의 기능상실로 발열최고온도에 이르게 되면 출화할 가능성이 높아진다 (Lee, et al., 2006).
일반적으로 전기매트는 내부에 전열선을 설치해 전기에너지를 열에너지로 바꿔 보온기능을 발휘하는 특성을 공통적으로 지니고 있다. 우리가 일상생활에서 사용하고 있는 전기장판, 전기담요, 전기방석, 전기요 등은 상용전원이 인가되면 온도조절기에서 설정된 온도 값이 적정온도에서 유지될 수 있도록 동작하며, 온도센서는 설정된 유지온도 범위에 따라 고온을 감지하여 작동할 수 있는 구조로 되어 있다. 온도조절 방식은 부품소자에 따라 차이가 있으나 대개 SCR이나 TRIAC 이라는 위상제어소자를 사용하여 아주 짧은 시간 (1/120 초)동 안 ON/OFF 시간을 조절할 수 있도록 하는 방식을 취하고 있어 온도조절기에 의해 동작설정이 이루어질 수 있도록 되어 있다(KATS 2005).
전기매트류는 통상 방바닥에 깔고 사용하는 제품을 총칭하여 분류하고 있다. 전기매트, 전기장판, 전기요로 구분되는 전기매트류는 제품표면 마감재와 부직포 사이에 전열선을 아코디언식으로 배열하여 열효율을 높이는 구조로 제작되고 있는데, 국부적으로 큰 하중을 받게 되면 전열선 및 센서선의 오작동을 초래하여 기능손상은 물론 화재로 이어질 가능성을 배제할 수 없기 때문이다. 특히 장시간 이불을 덮어놓고 외출 할 경우 축열된 열이 침구류에 착화되어 출화된 사례가 종종 보고된 바 있어 사용자의 각별한 주의가 필요하기도 하다(KTC, 2014).
따라서, 본 연구에서는 전기매트류 전열선의 최고 발열 온 도 측정 및 내부 및 외부에서의 발화거동을 관찰하기 위하여 자동온도조절기의 기능적 특성을 배제하고 발열체인 전열선 의 연소반응을 살펴보는데 국한하였다.

2. 전기매트의 구성 분석

2.1 전열선(발열체)

전열선(Heating Wire) 은 전류의 흐름에 저항하여 열을 발생 하는 전기 전도체의 성질을 이용한 재료로서 각종 가정용 전열기구에서부터 산업용 전기기구에 이르기까지 그 범위는 매우 광범위하다 (Kun, 1992). 현재 가장 많이 쓰이고 있는 전기매트의 열선은 발열선과 온도감지선의 이중구조로 되어 있는데 발열선 (Cu) 을 압연 (0.4 mm2)하여 나이론사에 나선형으로 감은 다음 절연시키고 그 위에 다시 온도감지선 (Cu, 0.3 mm2)을 감아 사용하는 구조로 나이론사의 온도변화에 따른 정전용량 변화를 온도조절회로에 보내 Thyristor로 하여금 위상제어를 하고 적정 전압이 인가되도록 하여 온도조절기가 적정한 온도를 유지하도록 하고 있다 (Yun, 1987). 전열선은 PVC열선을 비롯하여 내구성이 우수한 실리콘피복을 사용한 실리콘열선 및 카본열선과 전자파인 자기장이 감쇄되도록 설계한 무자계열선 등이 있는데 Fig. 1과 같이 합성수지를 원료로 한 PVC 열선이 범용성 있게 널리 사용되고 있다(Chei,2007).
Fig. 1
Heating Wires of PVC
KOSHAM_16_05_163_fig_1.gif
전열선은 구리 이외에 니켈 (Ni) 과 크롬 (Cr) 을 기초로 한 합금저항선이 저항률이 높고 고온에서도 잘 산화되지 않는 성질, 즉 내식성이 우수하고 가공성이 좋아 널리 사용되고 있기 도 하다. KS(한국공업규격)에서는 2종류로 구분하여 제 1종 (Ni 77% 이상, Cr 19~21%, Si 0.75~1.5%) 은 고성능 공업용 발열체로서 최고온도 1,100°C까지의 전기로에 사용된다. 제2 종(Ni 57% 이상, Cr 15~18%, Si 0.75~1.5%)은 고온강도에서 제1종보다 조금 떨어지지만 값이 저렴하고 가공성이 좋아 최고온도 950°C 이하의 전열기, 저항선 등으로 사용되고 있다. Fig. 3은 일반 전기매트류에 내장된 PVC열선의 단면을 나타낸 것이다.
Fig. 2
Internal and External Form of the Temperature Regulator
KOSHAM_16_05_163_fig_2.gif
Fig. 3
Schematic Diagram of the the Experimental Apparatus
KOSHAM_16_05_163_fig_3.gif

2.2 부직포

보온성이 뛰어나 각종 옷감의 재료 및 전기매트에 삽입되어 사용하고 있는 부직포 (不織布, Non-Woven Fabric) 는 글자 의 미대로 해석하면 “짜여지지 않는 천”이란 뜻이다. 부직포에 대한 여러 가지 정의 중에서도 ASTM(American Society for Testing and Materials) 에 의하면 “부직포는 방적·제직·편조에 의하지 않고 섬유집합체 또는 필름을 물리적·화학적 수단에 의하거나 기계적 혹은 적당한 수분이나 열로서 섬유 상호간을 결합시킨 것”이라고 정의하고 있다 (KTC, 2014).
이 정의는 미국과 유럽의 부직포 업체들에 의해 가장 오랫동안 사용되어 왔다. 이외에 “Sheet 상의 섬유집합체를 Base 로 하여 이것을 접착체로 결합시키거나 열가소성 섬유를 이용하여 섬유간 접착을 강하게 한 것”이라는 정의도 많이 사용되고 있다.

2.3 온도조절기

전기담요나 전기장판은 온도조절기 볼륨(Fig. 2)으로 설정 온도를 조절하면 내부 가변저항의 저항치가 변화되어 전류값이 변하는데 온도센서를 이용한 위상제어 방식을 주로 사용하고 있다 (KTC, 2014). SCR 이나 TRIAC 이라는 위상제어 소자를 사용하여 전원의 안정적인 조절을 유지하며, 설정된 온도값과 온도센서선에서 읽어 들인 값을 비교하여 안정적인 전원을 공급하도록 되어있다.

3. 재현실험 내용 및 방법

3.1 시험체

전기장판에서 발화되어 화재로 확대된 경우를 가정하여 발화메커니즘을 확인하고자 일반 가정에서 사용되고 있는 전기 매트, 전기장판을 임의로 선정하였다. 특히 전열선의 용융, 발 화, 단락 등 탄화 잔해물을 통한 특징적 형태를 확인하고자 하였다. 실험에 사용된 전기매트의 사양은 Table 3 과 4에구 체적으로 제시하였다.
Table 1
Specifications of Electric Mats and Electric Blanket
Samples Standard (mm) Power consumption Resistance value
Heating wire(Ω) Sensor wire(Ω)
Electric mat 2 people 140W 88 71
2 people 240W 117 90
Electric blanket 1 people 120W 80 65
2 people 120W 80 65
Table 2
Experimental Conditions of the Electric Mats and Electric Blanket
Material selection Experiment Count
Electric mat and electric blanket Observe Heating wires heat up to temperature and carbonized form the state did not remove the thermostat 3 times
Observe Heating wires heat up to temperature and carbonized form the state did not remove the thermostat 3 times
Table 3
Heating Temperature of Two-seater Electric Mat (Thermostat+Futon removed)
Temp. (°C) Elapsed time (minutes)
0 5 10 15 20 25 30 35
Middle 8 35.7 39.9 41.5 42.8 36.8 38.5 43.1
Bottom 14 31.3 35.6 39.9 40.3 40.4 40.8 38.5
전개매트류에 사용된 내장재에 대한 발화점 실험을 위한 시료는 전기매트 마감재 (시료 A), 전기매트 보온재 (시료 B), 전기매트 부직포 (시료 C), 전기장판 부직포 (시료 D) 4종을 실험시료로 선택하였으며, 실험에 사용된 시료는 Fig. 27 에 나타내었다.

3.2 재현실험 조건 및 방법

3.2.1 발열 및 축열온도 측정 실험

발열 및 축열온도 측정은 첫째, K-Type Thermo Couple 를 보온재 표면에 부착하여 실시간으로 발열최고온도와 탄화시간, 연소형태 등을 측정하였다. 시험체인 전기매트는 내부 보온재를 3겹 또는 5겹 이상으로 제조하여 탄력성이 높게 제조 된 것을 일컫는데 옥돌(원형)을 내장하고 망사 및 망사 및 등으로 표면마감재를 처리한 반면 전기장판은 비닐 또는 면사류 등으로 표면을 마감 처리하여 각각 재질을 달리함에 따라 재질별 발화형태를 살펴보았다.
둘째, 시험체의 단면에 상용전원을 인가하여 온도분포는 어떤 양상을 유지하고 있는지 확인하기 위하여 전열선이 단선 될 때까지의 최고온도와 최저온도를 구분하여 측정하였다. 기 본적으로 전열선은 짧은 시간에 열효율을 높일 수 있다는 장 점을 지니고 있지만 온도조절 기능을 상실하게 되면 급격한 온도상승을 동반하게 되는데 절연최고 허용온도 범위에서 이루어지는 경과를 관찰하였다.
실험조건은 첫 번째로 온도조절기를 제거하지 않고 시험체별 최고발열온도를 측정하였으며, 두 번째로 온도조절기를 제거하고 시험체별 최고 발열온도를 측정하였다. 세 번째로 시험체 표면에 이불을 덮었을 때의 축열온도를 측정하였으며, Table 2 에 세부적인 조건을 제시하였다.
실험장치는 Fig. 3의 개략도와 같이 주전원에 전압변환기 (스라이드닥스)를 설치하여 인입 전압을 조정하여 실험을 실시하였으며, 전기매트 전열선에 K-Type Thermo Couple 을 2 개소 연결하였다. 실험에 사용된 열전대의 직경은 0.15 mm 이다. (열전대 설치 : 매트 중간 1개소, 매트 상부 1개소). 실제 재현 실험을 위해 Fig. 4 과 5과 같이 준비하였다.
Fig. 4
Experimental Apparatus
KOSHAM_16_05_163_fig_4.gif
Fig. 5
Power Supplies
KOSHAM_16_05_163_fig_5.gif
전기매트 발열온도를 측정하기 위해 Fig. 7 과 같이 데이터 기록계 (GL-220, 10 채널, Japan), 전기분배 장치를 준비하고, 온도측정 데이터 수집을 위한 노트북(Fig. 6)을 사용하였으며, 열전대 설치 위치는 Fig. 7 와 같이 준비하였다.
Fig. 6
Temperature Recording Device(Data recorder)
KOSHAM_16_05_163_fig_6.gif
Fig. 7
Thermocouple Installation
KOSHAM_16_05_163_fig_7.gif

3.2.2 전기장판 전열선 발화 특성 실험

전기장판 내부의 전열선을 임의로 절단하여 반단선 상황에서 실험을 실시하여 발생한 아크 (Arc) 가 주변에 있던 가연물 에 착화되는지 여부를 확인하고, 전기매트 부위별 발화점을 측정하였다.
발화점 시험기 (Fig. 8) 는 물질의 발화온도 (발화대기시간 4 초)를 조사하는 시험법으로 주요구성은 연소실, 시료투입장치, 전류조정장치, 가열로로 구성되어 있고 물질의 발화온도 (발화 점) 측정 뿐 아니라 발화점에 따른 위험성을 분석하고 위험물 성상을 판정하는 장비이다 (Hong, et al., 1992) 실험을 위한 시료는 Fig. 9 와 같이 준비하였다.
Fig 8
Ignition Point Tester
KOSHAM_16_05_163_fig_8.gif
Fig 9
Experimental Samples(4 species)
KOSHAM_16_05_163_fig_9.gif
온도 20±5°C, 습도 50±10%, 풍속 0.3~0.4 m/sec 조건에서 0.2 g의 시편을 가지고 도가니를 전기로에 세팅하고 열전대를 온도 측정공에 설치한 후 온도조절기를 이용해 온도를 설정하고 온도하강시의 전압을 하강속도가 2°C/분 이하가 되도록 전압조정기를 조정한다. 설정온도보다 10°C 강하 되었을 때 시료 투입공에 한 번에 투입 후 동시에 스톱워치로 발화까지 의 대기시간을 측정한다. 5°C 강하할 때마다 반복 실험하고 대기시간이 1분 안에 발화온도를 측정하였다.

3.2.3 외부화염에 의한 탄화형태 관찰

외부화염에 이한 탄화형태를 관찰하기 위하여 전기장판 외부에 가스 토치로 전열선 인근의 마감재를 탄화시켜 연소현상을 관찰하였다.

4. 결과 및 고찰

본 연구에서는 전기매트 및 장판류 (1인용, 2인용)의 발화 개연성 감식을 위하여 재현실험을 수행한 결과 다음과 같은 결 과를 얻을 수 있었다.

4.1. 발열 및 축열온도 특성

4.1.1 전기매트

4.1.1.1 2 인용 전기매트 (온도조절기+이불 제거)
Fig. 10 에는 온도조절기를 제거하지 않고 이불을 덮지 않은 경우의 발열온도 곡선을 나타내었다. 전원인가 후 10분경 매트 중간부분은 40°C까지 온도가 상승하였으며, 35분경 최고 온도인 43°C까지 상승하는 것으로 나타났다. 또한, 전기매트의 중간층과 상부층의 온도 패턴은 비슷한 경향으로 나타났으며, 중간층은 상부층의 온도를 상회하는 것으로 나타났다. 이 에 대하여 Table 3 에 구체적으로 제시하였다.
Fig. 10
Temperature Curve of Two-seater Electric Mat(Thermostat+Futon removed)
KOSHAM_16_05_163_fig_10.gif
4.1.1.2 2 인용 전기매트 (온도조절기 +이불)
Fig. 11 에는 온도조절기를 제거하지 않고 이불을 덮은 경우 의 발열온도 곡선을 나타내었다. 전원인가 후 10분경 55°C까 지 온도가 상승하였으며, 35 분경 최고온도인 63°C까지 상승 하는 것으로 나타났다. 중간층은 상부층의 온도를 상회하였으며, 상부층의 온도는 미미한 온도변화를 보이는 것으로 나타났다. 이는 외부의 신선한 공기와의 접촉으로 온도가 일시적으로 상승 하락을 반복하여 나타난 결과로 사료된다. 이에 대 하여 Table 4 에 구체적으로 제시하였다.
Table 4
Heating Temperature of Two-seater Electric Mat (Thermostat+Futond)
Temp. (°C) Elapsed time (minutes)
0 5 10 15 20 25 30 35
Middle 12.7 47.7 52.6 54.1 58.4 58.4 60.6 63.2
Bottom 10 39.1 54.6 58 58.3 56.3 61.1 61.3
Fig. 11
Temperature Curve of Two-seater Electric Mat(thermostat+futond)
KOSHAM_16_05_163_fig_11.gif
실험 중 나타난 현상으로는 대기 중 공기와 접하고 있는 보온재 표면을 통한 출화는 이루어지지 않았으며, 바닥면은 축열된 열에 의해 전열선의 절연피복이 용융되어 전열선의 내부 노출부가 드러난 형태로 하단 부직포에 열면이 닿아 부직포를 용융시켜 뒷면 바닥면에 국부적으로 용융, 개방된 형태로 Fig. 12~13의 형태로 나타났다.
Fig. 12
Carbonized form of Electric Mats (front, rear)
KOSHAM_16_05_163_fig_12.gif
Fig. 13
Melt Section of Carbonated and Non-woven Heating Element
KOSHAM_16_05_163_fig_13.gif
전기매트류에 내장된 전열선은 가연물인 부직포와 보온재 표면과 접촉되어 있는 구조상 과열을 동반했을 때 국부적으로 출화할 수 있는 연소 경과를 관찰할 수 있었다. 내부 전열선은 절연피복이 용융되었고 전열선의 비틀림이 촉진된 양상을 나타내어 이불류 등으로 충분한 열집적만 형성된다면 착 화할 수 있는 가능성이 높은 것으로 판단된다.
또한, 이불면과 접한 보온재 표면이 내부 전열선의 형태를 따라 탈색 및 국부적으로 용융된 형태를 나타내었다. 또한 이불 안쪽 면이 내부 축열된 열로 인해 탄화경계선이 이불에 형성되는 형태를 나타내어 일정시간이 경과하게 되면 충분히 발화할 수 있는 가능성을 확인하였다.

4.1.2 전기장판

4.1.2.1 1 인용 전기장판 (온도조절기 제거 +이불 제거)
Fig. 14 에 1인용 전기장판의 온도조절기를 제거하고 이불을 덮지 않은 경우의 축열온도 곡선을 나타내었다. 전원인가 후 15분경 38°C까지 온도가 상승하였으며, 20 분경 최고온도인 41°C까지 상승하는 것으로 나타났다. 이에 대하여 Table 5 에 구체적으로 제시하였다. 전기장판의 중간층에서는 10까지 계 속 온도가 증가하는 경향으로 나타났으며, 반면 상부층은외 부의 신선한 공기유입의 영향으로 온도가 오히려 감소하는 경향을 보이다가 다시 온도가 서서히 상승하는 것으로 나타났다.
Fig. 14
Temperature Curve of One-seater Electric Blanket(Thermostat remove+Futon removed)
KOSHAM_16_05_163_fig_14.gif
Table 5
Heating Temperature of One-seater Electric Blanket (Thermostat remove+Futon removed)
Temp. (°C) Elapsed time (minutes)
0 5 10 15 20
Middle 21.8 23.9 34 37.6 41.4
Bottom 41.4 39.3 32.3 35 41
4.1.2.2 2 인용 전기장판 (온도조절기 제거 +이불 제거)
Fig. 15 에 1인용 전기장판의 온도조절기를 제거하고 이불을 덮지 않은 경우의 축열온도 곡선을 나타내었다. 전원인가 후 20분경 39°C까지 온도가 상승하였으며, 50 분경 최고온도인 43°C까지 상승하였으며, 그 후 온도가 내려가는 온도분포를 확인할 수 있었다. 이에 대하여 Table 6 에 구체적으로 제시하였다.
Fig. 15
Temperature Curve of Two-seater Electric Blanket(Thermostat remove+Futon removed)
KOSHAM_16_05_163_fig_15.gif
Table 6
Heating Temperature of Two-seater Electric Blanket (Thermostat remove+Futon removed)
Temp. (°C) Elapsed time (minutes)
0 10 20 30 40 50
Middle 21.6 26.2 38.7 39.1 42.2 42.5
Bottom 33.6 25.4 30.2 41.1 38.8 36
4.1.2.3 2 인용 전기장판 (온도조절기 제거 +담요 1장)
Fig. 16에 1인용 전기장판에 온도조절기를 제거하고 담요 한장을 덮은 경우의 축열온도 곡선을 나타내었다. 전원인가 후 10분경 전기장판 중간부분에서 53°C까지 온도가 상승하였으며, 35분경 최고온도인 65°C까지 상승하였으며, 그 후 온도가 내려가는 온도분포를 확인할 수 있었다. 이에 대하여 Table 7에 구체적으로 제시하였다.
Fig. 16
Temperature Curve of Two-seater Electric Blanket(Thermostat remove+One blanket)
KOSHAM_16_05_163_fig_16.gif
Table 7
Heating Temperature of Two-seater Electric Blanket(Thermostat remove+One blanket)
Temp. (°C) Elapsed time (minutes)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Middle 13.3 30.3 53 54.3 50.8 64.3 65.7 56.9 57.6
Bottom 17.9 25.4 45.4 56.9 59.4 47.5 50.1 64.4 64.7
4.1.2.4 2 인용 전기장판 (온도조절기 제거 +담요 2장)
Fig. 17 에 1인용 전기장판에 담요 한장을 덮은 경우의 축열 온도 곡선을 나타내었다. 전원인가 후 10분경 전기장판 중간 부분에서 68°C까지 온도가 상승하였으며, 40분경 최고 온도인 68°C까지 상승하는 것으로 나타났다. 특이한 사항은 전기장판 하부에서 52분경 전열선이 단선되면서 온도가 측정되지 않았다. 이에 대하여 Table 8에 구체적으로 제시하였다.
Fig. 17
Temperature Curve of Two-seater Electric Blanket(Thermostat remove+Two blanket)
KOSHAM_16_05_163_fig_17.gif
Table 8
Heating Temperature of Two-seater Electric Blanket((Thermostat remove+Two blanket)
Temp. (°C). Elapsed time (minutes)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Middle 13.3 30.3 67.3 58.2 67.6 70.9 71.4 72 60.9
Bottom 17.9 25.4 63.8 65 64.4 57.8 66.1 73.6 67.2
4.1.2.5 2인용 전기장판(온도조절기 제거+이불)
Fig. 18에는 온도조절기를 제거하고 이불을 덮은 경우로 온도 특성 결과는 전원인가 후 10분대 급속하게 보온재 표면이 축소를 일으키며 20분 만에 국부적으로 용융하며 연기가 발생하였고 40분 만에 150°C까지 온도가 상승하였으며, 불꽃착화가 발생하였다. 또한, 전기장판 하부에서 52분경 전열선이 단선되면서 온도가 측정되지 않았다. 이에 대하여 Table 9 에 구체적으로 제시하였다.
Fig. 18
Temperature Curve of Two-seater Electric Blanket(Thermostat remove+futon)
KOSHAM_16_05_163_fig_18.gif
Table 9
Heating Temperature of Two-seater Electric Blanket (Thermostat remove+futon)
Temp. (°C) Elapsed time (minutes)
0 10 20 30 40 50 52
Middle 17.3 86 97.5 101.8 150.5 25.1 47.1
Bottom 14.6 36.2 33.7 37.3 109.8 31.4 0
전열선은 주로 저항이 많이 걸리는 곡선부분에 탄화된 형태가 집중되어 있었고 전기장판의 바닥면은 전열선 라인을 따라 용융, 탄화된 형태를 보였다. 또한, 전열선의 절연피복이 용융되며 전열선이 팽창함에 따라 겉보온재가 급속하게 축소 되는 경향으로 나타났다. 50분대 단락을 일으키며 온도가 내려가는 형태를 보임에 따라 발열 최고온도에 이르지 않더라 도 선간 접촉 등 물리적 작용에 의한 기능적 이상작동을 일으킬 수 있음을 확인하였으며, 이에 대하여는 Fig. 19 에 나타내 었다.
Fig. 19
Carbonized Form of Volume Reduction and Short-circuiting of the Lagging
KOSHAM_16_05_163_fig_19.gif
Fig. 20
Ignition of the Electric Blanket
KOSHAM_16_05_163_fig_20.gif
착화지점 이외에도 비닐표면이 탄화되어 내부 전열선의 형 태가 노출되기 시작했으며 불꽃은 일정시간 보온재의 경계면을 따라 활발하게 연소 촉진 되었다. 전기매트와 달리 비닐표 면재로 마감되어 쉽게 착화된 것으로 인식되었으며 전기매트에 비해 보온재가 얇아서 빠른 시간 내 착화될 수 있음을 확 인하였다.
대기 중에 노출된 곳은 국부적으로 용융되어 개방된 형태를 나타내었으며 이불을 덮은 곳은 전열선을 따라 골고루 탄화 된 형태를 나타내었다. 또한 바닥면과 접한 밑면은 윗면보다 강하게 탄화되어 전열선의 내부노출부가 드러나는 형태를 관찰 할 수 있었다.

4.2 전기장판 전열선 발화 특성

Fig. 20에는 전기장판 전열선의 발화실험 사진을 나타내었다. 사진에도 나타나듯이 전기장판 전열선의 단락 아크로 보온재가 착화됨을 알 수 있었다.
전기매트류는 인체에 직접 접촉하여 사용하는 제품 특성상 다른 전기제품보다 높은 안정성을 요구하고 있다. 보온재 표 면의 노후로 누설전류가 밖으로 흐르게 되면 누전 및 감전의 우려가 있으며, 고온상태로 장시간 이불을 덮어 열이 축적되면 침구류에 착화될 우려가 크기 때문이다. 전기매트 내부 전열선은 매우 섬세한 조직으로 무거운 하중을 받게 될 경우 불완전접촉 및 단선을 초래할 수 있으며 내용 년 수 경과에 의한 경년열화를 일으켜 보온기능 저하현상을 일으키기도 한다 (Chei, 2007). 무엇보다 장시간 고온으로 설정하고 사용하게 되면 난연 성능이 없는 절연피복이 용융되며 용이하게 착화할 가능성이 크다. 필요이상으로 고온으로 사용하거나 관리소홀은 언제든지 기능적 오작동은 물론 잠재된 사고 위험을 안고 있다고 볼 수 있다(Chei, 2007).

4.3 외부화염에 의한 탄화형태 관찰

Fig. 21에는 외부화염에 의한 탄화형태 사진을 나타내었다. 사진에서도 나타나듯이 상부는 넓고 하부는 좁게 연소되는 형상이 식별되었으며 탄화된 보온재는 기존보다 경화된 형태로 식별되었다. 또한 전열선은 Fig. 22 에 나타나듯이 상부는 넓고 하부는 좁게 연소되는 형상이 식별되었으며 탄화된 보온재는 기존보다 경화된 형태로 식별되었다.
Fig. 21
Carbonized Form by External Flame
KOSHAM_16_05_163_fig_21.gif
Fig. 22
Short Circuit Signs of Heating Element After Flame Formation
KOSHAM_16_05_163_fig_22.gif
전기매트류에 사용된 내장재에 대한 발화점 실험 결과 전기 매트 마감재 발화점이 470~490°C로 나타났으며, 전기매트 보온재 발화점이 338°C, 전기매트 부직포 발화점이 550°C, 전기장판 부직포 발화점이 560°C로 나타났다 이에 대하여 Table 10 에 구체적으로 나타났다.
Table 10
The Ignition Temperature for the Various Materials of the Electric Mat
E.M. division E.M. Finishes E.M. lagging E.M. Non-woven E.B.
I.T.(°C) 470~490 338 550 560
또한, Table 11 에는 각종 고분자 물질의 발화온도와 인화온도를 제시하였다 (Lee, et al., 2013). 부위별 발화점은 338~560°C의 온도 사이인 것으로 측정되었으며, 특히 전기매트 보온재 는 338°C로 상대적으로 발화위험성이 높은 것으로 나타났다. 발화점이 낮다는 것은 그만큼 낮은 온도에서 빠르게 착화가 진행될 수 있음을 의미한다.
Table 11
Ignition Characteristics of Various Polymer Materials
Substance Flash point (°C) Ignition point (C)
Polyethylene 341 349
Polypropylene - 570
Polyvinyl chloride 391 454
polystyrene 345~360 488~496
Polystyrene (standing) 296 491
Polystyrene (blowing agent) 346 491
Acrylic (fiber) - 560
Nitrate cellulose 141 141
Ethyl cellulose 291 296
Phenol resin (glass fiber laminate) 520~540 571~580
Melamine resin (glass fiber laminate) 457~500 623~645

4.4 전기매트류 감식기법 개발

전기매트류 전열선 발열온도 측정과 반단선에 의한 발화 실 험을 실시하여 전기매트류 화재감식기법을 개발하였다. 개발된 감식기법은 전기매트류 외부 및 내부 발화지점을 확인하고 부위별 발화개연성에 대한 요점을 확인하여 발화열원을 배제하는 귀납법을 이용하는 것이 필요하다.

5. 결론

1) 전기매트 및 장판류 (1인용, 2인용)의 발열 및 축열온도 특성으로는 온도조절기 없이 전원을 공급하였을 때 전기장판 은 150°C에서 발화되었으며, 전기매트는 발화현상 없이 20분 전후에서 최대온도는 40~60°C까지 온도가 증가하는 것을 알 수 있었다.
2) 또한, 전기장판은 30분 전 후 시간에서 최대온도는 40~ 150°C 온도범위에서 담요를 덮지 않았을때 43°C로 측정되었으며, 담요를 덮었을 때 74°C로 측정되어 상부에 담요가 있을 경우 20°C 이상 온도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
3) 외부화염에 의한 탄화형태는 경화된 형태로 상부는 넓고 하부는 좁게 연소되는 현상이 식별되었다. 부위별 발화점은 338~560°C의 온도 사이 인 것으로 측정되었으며, 특히 전기매트 보온재는 338°C로 상대적으로 발화위험성이 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 탄화는 상부는 넓고 하부는 좁게 연소되는 형상이 식별되었으며 탄화된 보온재는 기존보다 경화된 형태로 식별되었다. 또한 전열선은 상부는 넓고 하부는 좁게 연소 되는 형상이 식별되었으며 탄화된 보온재는 기존보다 경화된 형태로 식별되었다.
5) 전기매트류에 사용된 내장재에 대한 발화점 실험 결과 전기매트 마감재 발화점이 470~490°C로 나타났으며, 전기매트 보온재 발화점이 338°C, 전기매트 부직포 발화점이 550°C, 전기장판 부직포 발화점이 560°C로 나타났다. 따라서, 무엇보다 장시간 고온으로 설정하고 사용하게 되면 난연 성능이 없는 절연피복이 용융되며 용이하게 착화할 가능성이 클 것으로 사료된다.
6)전기매트류의 감식기법은 외부 및 내부 발화지점을 확인하고 부위별 발화개연성에 대한 요점을 확인하여 발화열원을 배제하는 귀납법을 이용하는 것이 필요할 것으로 사료된다.

감사의 글

“이 논문은 2016 년도 정부 (교육부)의 재원으로 한국연구재 단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2016R1D1A1 B02008374)”.

References

1. Hattangadi, A, A (2000) Electrical Fire and Failures. Mcgraw-Hill, pp. 11-12.

2. Chei, G. M (2007). “Experimental study on Electric mat fire flow characteristics”. Kyonggi University Graduate School of Information Industry, Master Thesis. pp. 13-16.

3. KATS (2005) Electrical and Electronic Standards Team, “Heating element such as for electric blanket”.

4. Kim, D.H (2000) “Electrical Safety Engineering”. DongHwa Technology Publishing.

5. KTC(Korea Mechanical Electrical and Electronics Testing and Research Institute) (2014) “Evaluation of Test Method Development for Household Appliances Fire·electric shock D/ B(Electric mat), pp. 8.

6. Kun, Y.G (1992) “Status. of Electric blanket. Jeongiyo”. 21 Electrical Safety.

7. Lee, B.Y, Park, C.H, Park, S.T, Hong, S.H, and Yu, H.J (2006) “An Experimental Study on the Fire Hazard of Electric Heating Pad”. T. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng, Vol. 20, No. 3, pp. 113-117.

8. Lee, H.P, Kim, Y.D, Kim, H, Ahan, H.H, and Ha, D.M (2013) “New Fire Protection Nngineering”. DongHwa Technotogy publishing.

9. Yun, G.S (1987) “Localized heating element material”. Sammi General Specialty Central Lab, PMC365080.



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