1. 서론
김치냉장고는 현대 의식주 생활필수품으로 자리 매김하면서 사용이 증가하고 있다. 하지만 김치냉장고의 특성상 지속적인 가동상태로 유지되어야하기 때문에 화재의 위험에 노출되어 있다. 김치냉장고는 사용상 편리성과 내용물에서 풍기는 김치발효냄새와 국물이 흘러나올 수 있는 관계로 대부분 발코니나 외부 공간에서 사용하는 경우가 많다.
이러한 열악한 환경은 김치냉장고에 습기의 침투와 오염물질의 유입으로 인해 고장의 원인이 되거나 전원계통에 장애를 가져올 수 있다. 전기제품에서 화재가 발생할 경우 제품의 원리, 구조, 부품 특성 등을 파악하여 현장에서 화재원인 발굴에 적극 활용하여야 한다. 또한 화재원인 입증 시 제조물책임법(PL) 적용과 관련하여 제조사 의견, 기술력, 그리고 조사관의 현장조사 내용 등 상호간의 소통을 통하여 정확한 원인규명이 이루어져야 한다.
통계에 따르면 주방에서 화재가 발생하는 경우가 증가하고 있으며, 그 중 김치냉장고에서 발화된 경우는 2013년 56건, 2014년에는 98건, 2015년에는 139건으로 확인되었다.
김치냉장고는 전기를 동력으로 사용하기 때문에 다양한 전기적 원인으로 화재가 발생할 수 있으며 그중 외부로부터 유입된 먼지가 PCB 소자나 회로에 부착될 경우와 음식물인 김칫국물이 부품에 유입될 경우에 화재로 발전할 수 있는지에 대한 연구가 필요하였다.
생각건대, 먼지는 PCB에 이상 전압이나 트래킹과 같은 새로운 도전로를 형성하여 부품의 파손이나 합선 등의 원인이 될 것이고, 김칫국물의 다양한 성분 중 특히 염분은 제품의 기판이나 배선의 접속부에 부식을 유발하고 이러한 부식은 접속부의 접촉저항을 증가시키고 저항의 증대는 곧 화재의 원인으로 작용할 것이다. 하지만 화재 이후 먼지 부착에 의한 발화인지, 김칫국물에 의해 발화인지를 규명하기란 어렵다.
그러기 때문에 실제 김치냉장고를 이용하여 먼지와 김칫국물의 성분 중 염화나트륨을 냉장고 하부에 유입 시키고 그로인한 화재가 발생할 수 있는지와 발화할 경우 그 발화 양상을 분석하고 이를 바탕으로 정확한 화재원인 판정에 기초자료로 활용하고자 한다.
2. 이론적 고찰
2.1 종류 및 작동 원리
김치냉장고는 전기에너지를 주동력으로 하여 압축기에서 가스를 압축과 팽창, 응축, 증발을 반복하면서 공기 중의 냉열을 흡수하여 냉각 효과를 얻는 구조이다.
김치냉장고는 가정용 일반냉장고와는 다소 차이가 있다. 일반적으로 Table 1.과 같이 직접냉각방식을 채택하고 있으며, 현재 판매되고 있는 스탠드 방식은 압축기가 하단에 있는 것도 있고 상부에 위치한 것도 있으며, 냉각방식의 일부는 간접 방식을 채택하는 경우도 있다. 그러나 대부분의 김치냉장고는 직접냉각방식을 채택하고 있으며, 직접냉각방식은 팽창 변을 이용하여 온도조절을 하고 일부 제품은 히터를 이용하는 경우도 있다.
Table 1
Type of Kimchi Refrigerator.
2.2 냉매
김치냉장고 가스는 R12, R-134a, R-600a를 사용하고 있으며, 이중 R12는 환경규제로 인하여 현재는 생산이 규제되고 있다. R-134a는 청정 가스로 분류되어 널리 사용하고 있는 냉매이며 R-600a는 그 주성분이 이소부탄으로 수년간 안정화가 확인되었으나, 가연성 가스이기 때문에 때론 폭발의 원인이 되기도 하고 주변에서 발생한 화재가 냉장고에서 발화되었다고 오인되는 원인으로 작용하기도 한다.
김치냉장고는 Fig. 1.과 같이 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되며 증발기로부터 증발된 가스가 압축기에서 응축기로 모세관을 통하여 이동하고, 팽창밸브를 통과하여 증발기에서 팽창되며 주변 냉열을 흡수하여 김치냉장고 내부로 증발시킨다.
2.3 화재발생 가능성
뚜껑 식 김치냉장고의 경우 대부분 하단부 압축기 부위에서 발화 되는 것으로 알려져 있다. 김치냉장고의 외장은 내부에 우레탄폼과 같은 가연성 단열재가 심재로 사용되고 그 외부는 금속재질로 구성되어있다. 그리고 주요 부품으로는 SMPS (Switched Mode Power Supply), 압축기, 응축기, 팽창변, 컨트롤러가 있으며, 이러한 부품 대부분은 화염에 취약하여 화재 발생이후에는 심하게 소손되거나 소실되어 그 형태를 유지하기 어렵다.
김치냉장고의 전원부에는 AC전원, 변환기, 등이 위치하고 있으며, 가정용 김치냉장고의 경우 사용전압은 AC 220V를 사용하고 있다. 1차적으로 SMPS를 통하여 AC 220V를 사용하는 부분과 DC전압을 각각 12V, 5V로 감압되어 내부 회로를 제어한다.
김치냉장고 전자회로 부분 중 가장 많은 발열이 예상되는 부분은 숙성히터 부분이다. 김치 숙성을 위하여 온도를 제어하는 릴레이를 통하여 히터에 전원을 공급하는 구조로 구성되어 있다. 전원 AC 220V가 공급되어 김치냉장고 내부에서 직접 발열하는 부분은 숙성히터 부분이 유일하다. 숙성히터 외 타 부분은 전기, 전자 회로 구성상 필요한 간접 발열 부분이다.
숙성히터에 전원을 공급하는 릴레이의 불량 혹은 먼지에 의하여 도전로가 형성되고 숙성히터에 지속적으로 전원을 공급하면 발열, 발화하는 구조로 되어 있다. 실재 화재 현장에서 숙성히터를 컨트롤 하는 릴레이가 탄화되어 잔류된 것이 확인된다. 또한 PCB(Printed Circuit Board)에 이물질이 쌓이면 도전로가 형성되어 전기적 스트레스로 인한 발열, 발화하는 경우도 있다.
3. 화재사례
김치냉장고의 기판에는 SMPS 부분에 다량의 먼지가 부착되어 있는 경우가 많다. 이러한 먼지는 PCB의 부품에 이상전류의 흐름을 유발할 수 있고, 트래킹과 같이 회로 이외의 방향으로 도전로를 형성하기도 하며 또한 접속부에서 합선을 유발하거나 각 부품 소자의 특성을 변화시키거나 이곳에 부착된 먼지 등에 착화되기도 한다.
Fig. 2.는 김치냉장고 부품에 김칫국물이 유입되어 기판에 손상을 준 경우이다. 김칫국물이 흘러간 부분에 삽입되어 있는 PCB가 검게 그을려 있고 그곳에 부착되어 있는 부품이 국부적으로 탄화된 형태를 띠고 있다.
가전제품의 경우 내부 기판 등이 부착된 먼지 제거가 쉽지 않은 관계로 한번 구입하면 장기간 그대로 방치되는 경우가 대부분이다.
PCB나 배선 등에 부착된 먼지나 이물질은 습기나 유분 등의 침투에 의해 소자나 회로에 비정상적인 회로를 구성하거나 이상발열의 원인으로 작용할 수 있다.
2015년 경기도의 한 공동주택 발코니에 놓아둔 김치냉장고에서 화재가 발생하여 주민 3명이 부상을 입고 건물일부가 소훼되었다.
김치냉장고를 중심으로 연소 확대된 형태가 식별되었고, 김치냉장고가 놓여 있던 벽체는 하부와 맞닿은 부위에 김치냉장고에서 분출한 화염으로 인한 국부적인 백화의 형태가 식별되었다. 내부 PCB가 심하게 소손되거나 일부가 소실되어 각 소자의 이상 유무 확인은 불가능한 상태였으며, 퓨즈가 용단되었고, 냉장고 하부에서 벽체 방향으로 출화된 화염의 형태와 압축기 부위에서 상단 뚜껑부위로 타 올라간 수열형태 그리고 내부 기판 등과 연결된 배선 수 곳에서 합선흔적이 식별되는 점으로 보아 김치냉장고 내부에서 발화되었음을 알 수 있었다. 또한 내부의 부품 중 압축기의 접속부와 응축기에는 화인으로 작용하였을만한 특이점은 식별되지 않았고 대부분의 PCB가 소실된 점으로 볼 때 PCB 자체의 트래킹 또는 이에 꼽힌 소자에서 발화된 것으로 사료되나 구체적인 화재 원인은 논단할 수 없었다. PCB나 배선 등에 부착된 먼지나 이물질은 습기나 유분 등의 침투에 의해 소자나 회로에 비정상적인 회로를 구성하거나 이상발열의 원인으로 작용할 수 있다.
2015년 경기도의 한 공동주택 발코니에 놓아둔 김치냉장고에서 화재가 발생하여 주민 3명이 부상을 입고 건물일부가 소훼되었다.
김치냉장고에서 출화된 형태로의 분열흔과 탄화 형태가 하부에서 식별되는 것은 전선과 컨트롤러 등이 노출되어 있는 상태이며, 압축기를 구동 시키고 발열하는 부품들이 집결되어 있고 외부에서 이물질의 유입이 용이한 상태로 개방되어 있다. 또한 김치냉장고 하단 뒷부분은 기계를 구성하고 있는 부분 중 발열 온도가 가장 높고 김칫국물이 흘러 PCB나 전선을 따라 도전로가 형성되고, 전자회로를 구성할 때 발열, 발화하여 출화한 형태로 해석된다. 또한 내부 부품 중 압축기의 접속부와 응축기에는 화인으로 작용하였을만한 특이점은 식별되지 않았고 대부분의 PCB가 소실된 점으로 볼 때 PCB 자체의 트래킹 또는 이에 꼽힌 소자에서 발화된 것으로 사료되나 구체적인 화재 원인은 논단할 수 없었다.
김치냉장고 PCB에 화재와 관련된 영향을 줄 수 있는 원인으로는 발코니에서 물의 사용이 빈번한 관계로 냉장고 하부로 유입된 습기가 PCB 소자에 침착되어 본회로 외 누전회로를 구성하여 도전로가 형성되어 발화되었거나 오랜 시간 사용한 제품인 관계로 먼지 침착 또는 각종 부품의 열화로 발화되었을 가능성도 배제 할 수는 없는 상태였다.
또 다른 사례는 2015년 10월 경기도 평택의 일반주택의 김치냉장고에서 화재가 발생하여 1명이 사망하고 건물이 전소되었다. 화재원인은 김치냉장고 전원선이 지나는 바닥 부위에서 그 주변으로 확산된 형태가 식별되고 내부의 기판에서 전기적인 아크 흔적이 있었던 점으로 볼 때 기판에 꼽혀 있는 어떠한 소자에서 발화되었을 것으로 보이나 소손정도가 심하여 구체적인 발화 원인은 규명할 수 없었으나 이 김치냉장고가 놓여있던 곳이 다용도실인 점을 감안해 볼 때 PCB에 침착된 먼지에 의해 발화된 것으로 판단되었다.
2015년 11원에는 경기도 광명시 공동주택 발코니 놓여 있던 김치냉장고에서 발화되어 건물이 전소되고 1명이 심한 화상을 입고 인근 주민 수십 명이 대피하였던 화재사건이 있었다.
김치냉장고는 내부에서 외부로 출화한 흔적이 확인되었고, 하부에 부착된 응축기 및 팬 모터가 심하게 소손된 상태였다. 화재가 발생한 김치냉장고는 수년간 사용하였고 냉장고의 수열형태 및 부품의 소손정도를 감안해 볼 때 내부 PCB기판 및 응축기 팬 모터 과열로 인해 발화되었을 것으로 판단하였다.
사례에서 살펴본 바와 같이 김치냉장고에서 발화할 수 있는 가능성은 다양할 수 있으나 일반적으로 냉장고 하부가 개방된 관계로 먼지, 습기 또는 이물질의 유입에 의해 발화하는 것으로 확인되었다. 그러기 때문에 이물질의 유입이나 김칫국물 등의 염분이 유입될 경우 어떤 현상이 발생할 수 있는지 확인이 필요하다.
4. 실험
4.1 실험 방법
실험은 모 사에서 생산한 뚜껑 형 김치냉장고를 가지고 실시하였으며, 첫째 조건은 김치냉장고에 먼지가 유입되었을 경우를 가정하여 흑연분말을 PCB에 도포한 다음 전원을 인가하여 그 형태를 관찰한다. 두 번째는 김치냉장고에 김칫국물이 흘러들어갈 가능성이 있으므로 김칫국물의 성분 중 염분의 농도를 측정하고 그 측정된 염분 0.85%를 같은 비율의 염화나트륨을 물에 희석하여 PCB에 도포한 상태로 전원을 인가한다. 그리고 시간이 경과함에 따라 PCB에 어떠한 변화가 일어나는지 관찰하고 오슬로스코프를 이용하여 전압변동을 확인한다.
김치냉장고 내부의 숙성히터 부하에 걸리는 전압과 PCB에서 히터로 연결된 커넥터의 전압을 측정한 전압은 Fig. 5.와 같이 217V로 확인되었다.
김치냉장고는 AC 220V를 사용하며 1차적으로 SMPS를 통하여 AC 220V를 사용하는 부분과 DC 전압 12V와 5V로 각각 감압하여 내부 회로에 공급된다. PCB 회로 중 발열이 예상되는 부분은 숙성히터로 생각된다. 숙성히터의 온도제어는 적절한 전원공급을 위한 릴레이를 사용하며 이 릴레이에 먼지나 이물질이 부착될 경우 히터에 공급되는 전압이 통제되지 않아 이상 발열이 예상되며, 이러한 이상발열은 PCB에 침착된 먼지에 의해 트래킹과 같은 전기적 발화의 원인으로 작용할 수 있을 것이다.
실험에 이용한 김치냉장고는 뚜껑식으로 압축기와 응축기가 한 공간에 설치되어 있고 화재가 빈번하게 발생하는 김치냉장고는 대부분 뚜껑식으로 본 실험에서도 뚜껑식을 사용하였다.
4.2 흑연을 이용한 실험
실험은 정상적인 김치냉장고의 PCB에 먼지가 부착되었을 경우와 같은 형태를 만들기 위해 연필심인 흑연을 PCB의 회로구정 단자가 돌출된 회로부위에 5회, 10회, 20회를 칠하고 전원을 인가하여 그 반응을 확인하였다. 이때 연필심 흑연을 이용한 실험은 트레킹이 발생할 때 나타나는 그라파이트(Graphite) 현상을 고려하여 연필 심 흑연을 이용하였고, 먼지는 조건에 따라 달리 나타나기 때문이다. 즉 미세먼지에 소량의 습기가 있다면 콘덴서 역할을 하기 때문에 흑연을 이용하여 실험하였다.
전원은 상용전기 AC 220V를 이용하였으며, 전원 측에 용량 20A 배선용 차단기를 부착하고 비닐코드를 이용하여 PCB 전원부에 연결하여 통전시켰다.
흑연을 5회 칠하고 전원을 인가한 실험에는 PCB에 이상 반응은 보이지 않았으며, 10회 칠한 실험에서는 통전 후 약5초가량이 경과한 시점에서 육안으로 확인이 가능한 정도의 약한 섬광이 발생하였다가 사라지는 형태를 보였으며, 이때 흑연을 칠한 PCB 표면에는 탄화도전로는 형성되지 않았다.
흑연 20회를 반복하여 덧칠한 후 전원을 인가한 실험에서는 Fig. 6.과 같이 약3초가 경과한 시점에서 흑연 부위가 붉은 형태로 발열을 하였고, 흑연을 칠한 부위가 탄화되는 형태를 보였다. 또한 PCB 표면이 탄화되는 과정에서 검은 형태의 짙은 연기가 발생하였으며, 곧이어 화염이 시작되어 PCB 전체로 점차 확대하는 형태를 보였다.
위의 각 실험을 진행하는 동안 전원부에 부착한 차단기는 동작하지 않았다.
4.3 염화나트륨을 이용한 실험
염화나트륨을 이용한 실험은 동일한 김치냉장고 완제품에 상용전기 220V를 인가한 상태에서 PCB 사이에 뿌리고 김치냉장고의 반응을 살펴보았다. 전원을 인가한 상태로 약 5초가량이 경과하자 PCB 사이에서 전기 아크가 5회 가량 지속적으로 발생하였고, 15초가 경과하자 화염은 PCB 전체로 확대하였다. 이후 Fig. 7.과 같이 화염은 김치냉장고 전체로 확산되어 다량의 연기를 발생시키며 맹렬하게 연소되기 시작하였다. 이러한 연소 형태는 1 MW가 넘는 김치냉장고를 구성하고 있는 단열재인 우레탄폼과 외장 일부를 구성하고 있는 플라스틱 소재가 소훼되기 때문이다.
5. 결과 및 고찰
흑연을 PCB 회로와 회로 사이에 칠하고 전원을 인가한 실험에는 5회 덧칠한 상태에는 아무런 증세가 나타나지 않았으나 10회 반복에는 약한 섬광이 확인되었고, 20회 반복 칠한 상태에는 짧은 시간에 덧칠한 흑연부위가 발열되며 곧이어 화재로 발전되는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 이 상태에서 탄화된 PCB 표면은 전류가 통하는 탄화도전로가 형성됨을 할 수 있었다.
또한 김칫국물의 염도 같은 0.85%의 염화나트륨과 물을 희석하여 PCB에 뿌린 실험에서는 5초가량이 지나자 즉시 염화나트륨이 뿌려진 부위에서 전기 아크가 발생하였고, 15초 정도의 짧은 시간에 PCB 전체로 화염이 확산되는 형태를 확인 할 수 있었다.
소훼된 김치냉장고 내부에는 PCB와 연결된 연선에서 합선흔적이 생성되었고, PCB는 심하게 탄화되거나 대부분이 소실되어 발화 이후 PCB를 통해 어떠한 원인에 의해 발화되었는지를 확인하기 곤란하였다.
이토록 김치냉장고는 습기가 많은 발코니에서 사용하여 PCB에 습기 또는 분진과 같은 이물질과 김칫국물이 쏟아져 PCB에 영향을 줄 경유 화재로 발전할 수 있는 위험성을 가지고 있었다. 또한 김치냉장고 하부에는 압축기, 증발기 등이 위치하고 있는 관계로 냉장고 하부는 개방된 형태를 하고 있어 이곳을 통해 습기나 오염물질이 유입된다.
대부분의 김치냉장고 화재 발생 위치는 98%이상이 하부 압축기 내측이다. 하부에는 매인 동작부와 기계부 그리고 전기부로 구분되어지며, 전원부의 안전장치로는 크게 퓨즈(Fuse)와 배리스터(Varistor)가 있다. 퓨즈는 내부 회로에 이상이 발생하거나 과부하의 경우 즉 저항 값이 ‘0’으로 가깝게 수축하는 경우 퓨즈 내부의 가용선이 용단되어 전류를 차단하는 기능을 하며, 배리스터는 가해지는 전압의 극성에 관계없이 전압 크기에 의해 저항이 정해지는 대칭형 배리스터를 사용하고 전기접점 불꽃을 소거하거나 서지전압(Surge Voltage)로부터 기기를 보호한다.
연소실험 이후 김치냉장고 분해검사 확인하였을 때 내부전선은 모두 연선으로 구성되어 있으며, 전원부에서 연선이 PCB와 전면 조작부 등으로 연결되어 있었다. 조작부에 유입되는 전압은 DC 5V이며 동작 버튼을 누르면 PCB로 신호를 보내어 냉장고가 동작하는 형태였다. PCB 동작전원은 DC 12V이며 연결된 전선을 살펴보면 압축기, 응축기 팬 모터, 기동콘덴서, 히터, 온도센서 등에 연결되어 있다.
PCB와 연결된 배선 1개소에서 합선흔적이 확인 되었으나 이는 화염이 확산되는 과정에서 통전상태의 배선 피복이 소실되면서 생성된 것으로 보인다. PCB는 심하게 소손되어 그 형태를 알아볼 수 없을 정도이며, 이곳에 부착된 각종 소자는 대부분 소실되어 이상 유무 확인이 불가한 상태였다.
이처럼 김치냉장고의 PCB에 먼지가 부착되거나 김칫국물과 같은 이물질이 유입되어 화재로 발전할 경우에는 화재 이후 김치냉장고 내부의 PCB는 대부분이 유실되거나 심하게 소훼되어 어떠한 원인으로 화재가 발생하였는지 확인하기 어렵다. 그렇기 때문에 대부분의 화재조사는 김치냉장고 내부에서 확인되는 배선의 합선유무 만으로 김치냉장고 내부에서 발화되었다고 판단하고 구체적인 화재 원인을 규명하기란 쉽지 않을 것으로 판단된다.
김치냉장고와 같은 전기제품에서의 화재는 제조물책임법(PL)의 규제를 받기 때문에 손해배상의 대상이 된다. 그러기 때문에 사용자의 과실에 의한 원인인지 또는 기계적 결함에 의한 발화인지가 중요한 관심사항으로 작용한다.
김치냉장고 화재원인을 살펴보면 첫째, 회로에 이물질이 안착되어 도전로가 형성되어 발열하는 경우이다. 둘째, 부품의 특성불량에 의한 발열이 있다. 셋째, 부주의에 의한 발열 등으로 압축할 수 있다.
김치냉장고의 내부 스티로폼에 대한 발화점 측정 결과 약 470 ∼ 490 °C, 내부케이스가 550 °C로 나타났다. 그러기 때문에 숙성 히터 과열로 주변의 전기배선의 피복이 손상될 경우 그 배선의 합선 시 발생하는 고온의 아크열은 주변 내장재 또는 먼지 등에 착화될 가능성이 높을 것으로 보인다. 그러기 때문에 화재 예방의 차원에서 김치냉장고 내부에 먼지 부착에 대한 예방책과 이물질에 의한 기기보호에 대한 대책이 필요하다.
6. 결론
김치냉장고는 지속적으로 사용하는 전기제품으로 대부분의 김치냉장고는 발코니 또는 한적한 외부 공간에서 사용하는 경우가 많다. 또한 김치냉장고의 특성상 내부에서 발생하는 열을 밖으로 방열시키기 위해 뒷면 하부를 개방하여 먼지, 습기, 김칫국물과 같은 오염물이 유입이 가능한 구조이다. 이러한 개방구조는 내부 기기의 오작동 및 화재를 발생시키는 원인들과 작용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 이러한 열악한 환경조건과 오염물이 김치냉장 PCB에 유입될 경우를 가정하여 PCB 회로 연결 부분에 흑연 칠을 하고 전원을 인가한 실험과 염화나트륨 0.85%의 물을 PCB에 뿌려 전원을 인가한 실험을 하여 다음과 같은 결론을 확인하였다.
첫째, 사용 중 염분이 함유된 김칫국물과 같은 오염물질이 PCB에 유입될 경우 PCB에 꼽혀 있는 소자 또는 회로에 트래킹과 같은 이상 회로를 구성하거나 탄화도전로가 형성되어 화재가 발생하였다.
둘째, 김치냉장고는 먼지의 유입이나 오염물질이 유입되지 않도록 하여야 한다.
셋째, 김치냉장고 내부의 PCB와 배선의 먼지는 최소한 년 1회 이상 제거하고 습기나 이물질이 유입될 수 있는 수돗가나 외부에서 사용을 자제하여야 한다.
넷째, 제조사는 냉장고의 하부를 오염물이 유입되지 않는 구조로 하고, 단열재는 난연재 또는 불연재를 사용하여야 한다.
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