▲(주)페스텍인터내셔날 류상훈 대표이사
‘화재평가시험기기’라는 용어는 (주)페스텍인터내셔날의 제품군을 통칭하면서 처음생긴 용어이다.
‘화재평가시험기기’라는 용어의 탄생배경을 간략하게 살펴보면 기존 난연성 시험기 혹은 방염성 시험기, 또는 연소성 시험기 등 다른 종류의 시험기기로써 시험함에도 불구하고 동일한 명칭을 사용하는데 있어 이 모든 시험기기들을 통칭하는 용어의 필요성을 느껴 2004년 12월 8일 ‘화재평가 시험기기’라는 용어가 법인등록 및 조달청에 등록되면서 처음 등장하게 되었다.
‘화재평가시험기기’는 각각의 시험방법에 따른 규격번호와 이에 따르는 기기명칭에 따라 세분화되며 예를들면, iso 1182, ks f 2271, ks f iso 1182, non-combustibility tester, 불연재료난연성능시험장치 등과같이 세분된다.
따라서 이번 칼럼에서는 ‘화재평가시험기기’란 용어를 정의하기 위해서, 화재의 간략한 개요 및 화재평가 시험기기의 정의, ‘화재평가시험기기의 분류’, 화재 시 측정되는 요소들의 기본 측정 원리 및 이에 따르는 화재 시 이러한 측정요소들의 중요성을 살펴 봄으로서 화재평가 시험기기의 필요성을 피력하여 본다.
우리는 얼마 전 또 한 번의 고시원에서 발생한 화재로 인한 안타까운 소식을 접할 수가 있었다. 이 같은 화재사건은 많은 인명 피해와 경제적 손실을 끼쳤다.
이번 화재 사건에서도 볼 수 있듯이 화재가 쉽게 번질 수 있는 내장재와 인체에 치명적인 유독가스 및 연기들에 의한 인재라 할 수 있겠다.
이처럼, 화재시 대피 경로 및 시야를 확보할 수 있도록 건축물 내부마감 재료로부터 연기발생량 및 연기밀도를 규제하는 기준, 인체에 치명적인 유독가스를 규제하는 기준, 화재가 내장재 및 가연물로부터 쉽게 번지지 않는 화염전파성 및 화재의 에너지 크기의 기준이 되는 열방출율에 대한 기준 등의 지금까지 언급된 예들처럼 건축법 및 소방법의 의한 강화가 이루어진다면 화재의 의한 이러한 경제적 손실 및 인명피해를 최소화 시킬 수 있을 것으로 예상되며, 이 같은 화재 시 인명피해와 경제적 손실의 최소화는 다음에서 살펴볼 화재평가시험기기의 정의 및 필요성을 유추 가능케 한다.
• 화재의 개요
화재를 이해하기 위해서는 우리의 인식과 일치된 화재에 관한 과학적 정의가 있어야 하며 역사 속에서의 불의 역할 즉, 불로 인한 유익함과, 인명 및 재산상의 손실에 의한 사회적 비용 등을 이해할 필요가 있다.
‘james g. quintiere의 principles of fire behavior’의 화재의 개요를 인용하면, 유용한 동력을 위한 소위 제어되는 불 또는 연소는 경제발전을 위한 시장성 측면에서 연구되고 있다. 제어되지 않는 불 즉 화재에 대한 연구는 사회에 대한 분명한 위험성과 사회는 그러한 연구에 대하며 투자방법이 있어야 한다는 것이 동기 부여됨으로써 현실화되었다. 화재과학의 발달은 지난 150여년 전부터 가속되어 왔으나 다양한 영역을 포함하는 복잡한 분야로써 다른 많은 기술분야와 비교할 때 상대적으로 발전이 늦은 실정이다.
• 화재란 무엇인가?
과학적인 용어로써 화재 또는 연소는 연료와 산화제를 포함하는 화학반응이며, 이때 산화제는 보통 공기 중의 산소를 말한다. 녹스는 것이나 신문의 황색화 현상도 이 정의에 부합되며 두 과정 모두 에너지의 방출은 있지만, 연소나 화재는 아니다.
그러면, 연소와 화재는 어떻게 구분할 수 있을까? 과학적으로 화재와 연소는 동의어이지만 관례적으로 일들을 구분하고 있다. 즉, 화재는 인간이 의도하거나 제어되지 않은 연소를 말한다.
▲그림1. reactions to fire
위에서 언급된 연소의 정의를 ‘ks f iso 13943 (화재 관련 용어)’에 의해 정의해보면 다음과 같다.
- 연소: 산화제와 함께 물질의 발열반응
- 가연물: 연소가 일어날수 있는 재료
- 착화: 연소의 시작
이와 같이 화재에서 화재의 특성을 나타내는 측정 가능 요소들을 간략하게 살펴보면, 열방출율, 산소소모량, 일산화탄소 및 이산화탄소의 발생량, 화염전파성, 착화시간, 연기밀도 및 연기발생량, 연소가스의 유독성 및 부식성 등이며 이같은 대표적인 측정요소들은 다음에서 살펴볼 ‘화재평가 시험기기’에 의해 측정 및 각각의 산업전반에서 사용되는 기준요소들 이기도 하다.
• 화재평가시험기기란 무엇인가?
‘화재평가시험기기’란 각 산업전반(건축, 운송, 섬유, 플라스틱, 전선)에 걸친 화재안전 규격들을 평가할 수 있는 시험기기를 말하며 거의 모든 난연 및 방염재료(방염제: 불꽃의 발생을 제압 또는 지연시키거나 화염전파속도를 감소시키기 위해 재료에 적용한 물질, 난연제: 연소율을 감소시키거나 착화를 늦추기 위해 재료에 적용하는 처리 또는 부가 물질, 참조 화재관련 용어집: ks f iso 13943)에 대한 적격 혹은 부적격을 판단하는 장비와 품질검사용 장비를 통칭한다. 대표적인 시험방법으로는 다음과 같다.
- 건축구조부재의 내화시험방법: ks f 2271
- 저전력 내화전선의 시험방법: ks c 3341
- 철도차량 내장재의 시험방법: 건설교통부령 제 413 호 ‘도시철도차량안전기준에관한규칙중개정령’(astm e 662, iso 5658, iso 4589-2 등이 포함되어있음)
이러한 시험방법 또는 산업별 규격에 따른 화재평가시험기기의 적용사례를 예를 들어 살펴보면 다음과 같다.
▲표 1. 화재평가시험기기 적용사례 ‘도시철도차량안전기준에관한규칙’
위의 (표 1) 에서도 보는 바와 같이 철도차량 내장재의 종류에 따라 각각의 화재평가시험기기의 종류 및 기준들을 적용사례로 살펴 볼 수가 있다. (구분 우측은 각각의 화재평가 시험기기 종류 및 규격이며 구분 아래 세로는 각각의 철도차량 내장재에 따른 기준이 정리되어 있음)
위의 적용사례에서도 보듯이 ‘화재평가 시험기기’에는 이보다 더 많은 종류의 명칭 및 규격이 존재하고 있다. 따라서 다음은 ‘화재평가시험기기’의 구분방법과 이미 이 글의 도입 말미에도 언급되었지만, 화재평가시험기기의 측정요소들을 다시 한 번 살펴보겠다.
‘화재평가시험기기’의 구분은 크게 두 가지로 분류된다. 첫째, 시험기기의 scale에 따른 분류와 둘째, 시험기기의 시험방법에 의한 분류로 구분된다.
첫째, 시험기기의 scale에 따른 분류를 살펴보면 여기에는 bench scale tester와 real scale tester로 나뉜다. bench scale tester의 의미를 살펴보면 ‘실제 연소가 이루어질 가연물 즉, 시험시편에서 일정부분(표본)을 추출하여 시험이 행해지는 형태의 시험장치 혹은 장비’로 일컬을 수 있겠다.
좀 더 쉽게 의미를 예를 들어 풀어보면 건축물내부마감재료 즉 커튼, 바닥재, 카펫 등의 전체를 연소시킬 수 없으므로 일정부분을 추출 시험하는 형태를 일컫는다.
real scale tester 의 의미를 살펴보면 ‘실제 연소가 이루어질 가연물 즉, 시험시편을 그대로 실제 화재조건과 동일하게 시험이 행해지는 형태의 시험장치 혹은 장비’를 일컬으며 bench scale tester와 차이는 추출된 시험시편(가연물)과 추출되지 않은 시험시편(가연물)의 연소라 하겠다.
이 같은 시험기기의 scale 에 따른 분류의 시험기기명칭 및 규격의 예로 살펴보면 bench scale tester의 종류로는 con calorimeter(iso 5660, astm e 1354), smoke density chamber(astm e 662, iso 5659) 등이 있고 real scale tester의 종류로는 room corner tester(iso 9705), single burning items(pren 13823) 등이 있다.
둘째, ‘시험기기의 시험방법’에 의한 분류를 살펴보면 시험기기의 시험방법에는 세 가지 형태의 시험방법에 따는 분류가 존재한다. 하나는 ignitable type, 둘은 static type, 셋은 dynamic type으로 분류된다. ignitable type은 가연물(시험시편)의 연소시 시험자의 인위적인 착화에 의하여 시험이 진행되는 형태를 일컫는다.
시험기기명칭 및 규격의 예로 살펴보면 limited oxygen index tester (iso 4589-2, astm d 2863)이 대표적인 예라 할 수 있다.
static type 과 dynamic type은 시험방법의 차이를 살펴보면 static type 은 연소 시 생성되는 연소가스를 실시간으로 배출 시키지 않는 밀폐형 형식의 시험장비를 일컬으며, 반대로 연소 시 생성되는 연소가스를 실시간으로 배출 시키면서 연소의 물리적 특성을 분석하는 형태의 개방형 형식의 시험장비를 dynamic type으로 분류한다.
이러한 차이에 의한 시험기기명칭 및 규격의 예로 살펴보면 static type 의 대표적인 예는 smoke density chamber (astm e 662, iso 5659) 등이 있고 반대로 dynamic type 의 대표적인 예는 con calorimeter (iso 5660, astm e 1354) 등이 있다.
▲그림 2. 시험기기의 scale 의 분류에 따른 대표적 장비. 좌 : large scale calorimeter 우 : smoke density chamber (smoke box)
이 같은 ‘화재평가 시험기기’에 의한 측정요소들을 살펴보면 아래와 같다.
- 착화성 (ignitability)
- 화염전파 (spread of flame)
- 산소지수/소모량 (oxygen index/consumption)
- 일산화/이산화 탄소 발생량 (co/co2 yields)
- 열방출율 (heat release rate)
- 연기밀도/발생량 (smoke density/production rate)
- 독성 및 부식성 (toxicity and corrosion)
상기와 같은 화재(연소)시 측정 가능한 화재의 물리적 특성을 ‘화재평가시험기기’종류 중에서 살펴보면 이미 여러번 언급된 smoke density chamber(astm e 662, iso 5659) 는 연소시 발생하는 연소가스의 연기밀도 및 유독성을 측정하며, con calorimeter(iso 5660, astm e 1354)는 열방출율, 착화성, 산소소모량, 일산화/이산화탄소 발생량, 연기발생량, 유독성을 측정한다. 이처럼 ‘화재평가시험기기’의 종류에 따라 화재(연소)시 측정 가능한 물리적 특성의 차이를 가진다.
따라서 ‘화재평가시험기기’의 선택 이전에는 반드시 제시하는 기준 혹은 규격 및 측정요소를 반드시 선행 검토되어야 한다.
지금까지 ‘화재평가시험기기’의 정의를 하고자 화재의 정의, 화재평가시험기기의 적용사례, 화재평가시험기기의 분류방법 등을 살펴보았다. 상기에서 간략하게 살펴본 ‘화재평가시험기기’의 측정요소 중 핵심이 되는 열방출율(heat release rate) 및 연기밀도/연기발생량(smoke density/production rate)의 정의 및 이론식들을 다음에서 살펴봄으로서 화재평가시험기기의 중요성 및 필요성을 간략하게 짚어본다.
• 열방출율 (heat release rate)
열방출율의 정의를 ‘the sfpe handbook of fire protection engineering third edition’의 vytenis babrauskas 의 정의를 인용하자면 다음과 같다.
“그 화재는 얼마나 큰가?”라는 정량적으로 기술할 수 있는 핵심 특성은 해당 화재의 열방출율(heat release rate : hrr)이다. 열방출율은 중요성이 매우 커 화재 위험 부분에서 단일 변수로서는 가장 중요하다고 기술된 바 있다.
연소물질의 열방출율은 kw 단위로 측정한다. 열방출율이란 연소 반응이 열을 발생시키는 속도를 의미한다. 연소율이란 용어가 자주 발견되는데 이는 다소 구체성이 떨어지는 용어로서 열방출율을 의미할 수도 있으나 때에 따라서는 질량손실율을 의미하기도 한다.
이 열방출율을 구하는 공식을 vytenis babrauskas가 쓴 ‘heat release in fires’ 공식 중 대표적인 식을 살펴보면 다음과 같다.
이 같은 열방출율의 실사례를 들어 열방출율의 중요성을 다음 (그림. 3)과 (표. 2)에서 살펴보면
▲그림 3. polystyrene 의 난연 처리의 차이에 따른 열방출율 graph
▲표 2. 그림 3 에서 보여지는 polystyrene 의 열방출율 차이의 실제값
위의 (그림. 3)과 (표. 2)에서 보듯이 난연 처리된 polystyrene과 난연 처리되지 않은 polystyrene의 열방출율의 값의 차이는 (표. 2)의 peak hrr에서 보듯이 3배 정도의 값의 차이를 나타낸다.
이는 전자의 열방출율의 정의에서도 이야기했지만 화재(연소) 시 이 가연물의 “화재는 얼마나 큰가?”의 차이를 위의 그래프 및 표에서 볼 수 있으며 그 중요성을 다시 한 번 정리해 보면
• 열방출율(heat release rate)의 중요성
- 대부분의 화재변수는 화재의 크기에 의존한다.
- hrr는 화재발전성의 유동적인 힘이다.
- heat release는 좀더 큰 heat release를 만드는 가능성을 가진다.
상기의 열방출율의 중요성 중 ‘화재의 발전성의 유동적인 힘’은 열방출율이 최소화된 가연물 즉 화재 시 난연 소재가 또 다른 화재의 발전을 감소시킨다는 사실을 유추케 한다.
이와 같은 열방출율의 중요성은 이러한 열방출율의 측정을 가능하게 하는 ‘화재평가시험기기’의 필요성 및 중요성 또한 유추케하여 화재에 대한 연구목적 및 각 산업전반(특히, 난연 및 방염소재 생사업체)에서의 품질기준 및 품질 검사용으로 필요성을 다시 한 번 피력한다.
• 연기밀도/발생량(smoke density/production rate)
연기밀도 및 연기발생량(smoke density and production rate)의 이론식들을 살펴보기 이전에 ‘the sfpe handbook of fire protection engineering third edition’의 george w. mulholland의 개요를 인용하면 다음과 같다.
화재 시 가장 기본적인 연기의 물리적 성질은 해당 입자의 입도분포도이다. 다양한 종류의 연기에 대한 입자의 크기 실험결과 및 입자 크기 측정기법이 ‘입도분포’항에 제시되어 있다.
‘연기의 특성’항은 방화업계에서 가장 큰 관심을 갖고 있는 몇 가지 특성(연기의 광소멸계수, 가시도, 감지 가능성)에 초점을 맞추고 있다. 해당 특성은 줄 연기농도 및 입자입도분포에 따라 결정된다.
이와 같은 연기밀도 및 연기발생량의 측정의 대표적인 기본원리를 살펴보면 다음의 기본식에서 출발된다.
일반적으로 optical smoke measurements의 결과값들은 optical density 또는 light extinction coefficient로 표현된다. 이 두 특성은 본질적으로 같으며, 계산식에서만 다르게 표현된다. 따라서 참고문헌 heat release in fire(edited by v. babrauskas, s.j. grayson)의 chapter. 7 (c) smoke and soot 에서 다음의 계산식들에 관한 공식을 기술한다.
- extinction coefficient 계산식
위 식에서 언급된 c의 연기입자에 대한 질량비는 다음과 같이도 표현될 수 있다.
이때 대부분의 경우에는 soot의 질량을 고려하지 않기 때문에 연료(fuel)의 질량손실에 기초하여 specific extinction area를 구한다면 다음과 같이 표현될 수가 있다.
따라서 위의 
는 mass optical density로 규정할 수 있으며 이때의 식은 두 가지 유형으로 나뉜다.
하나는, 밀폐된 박스시스템(closed- box system)에 사용되는 식(예를 들면, smoke density chamber, astm e 662)과 또 다른 하나는 개방형 시스템(open system)에 사용되는 식(예를 들면, cone calorimeter, iso 5660)이다.
다음에서는 두 가지의 식 모두를 기술하지만, 실질적으로 large scale calorimeter 혹은 cone calorimeter의 개방형 시스템(open system)에 사용되는 식을 중점으로 기술하겠다.
- 밀폐된 박스 시스템(closed- box system)에 사용되는 식
위의 계산식은 (주)페스텍인터내셔날에서 개발된 smoke density chamber(제품명 : smoke box 2005)에서 사용된 공식이며 참고사항으로 기술하였다. 다음의 식은 실제 large scale calorimeter에서 사용된 mass optical density(또는 specific extinction area)의 계산식이다.
- 개방형 시스템(open system)에 사용되는 식
따라서 우리가 궁극적으로 구하고자 하는 spr(smoke production rate, m2/s)는 다음 식으로 기술될 수가 있다.
이와 같은 연기 발생량의 중요성은 화재 시 인명피해에 직결될 수 있는 화재 시 연기에 의한 피난 시 가시도 및 가시성의 감소를 초래하며 화재(연소) 시 가연물에서 발생되는 연기발생량을 최소화 한다면 열방출율의 정의에서 언급된 것과 마찬가지로 ‘화재평가시험기기’의 필요성 및 중요성 또한번 유추케 하며 화재에 대한 연구목적 및 각 산업전반(특히, 난연 및 방염소재 생사업체)에서의 품질기준 및 품질 검사용으로 필요성을 또 다시 한번 피력케 한다.
지금까지 ‘화재평가 시험기기’의 정의를 규명하며 ‘화재평가 시험기기’의 중요성 및 필요성까지도 피력해 보았다. 마지막으로‘화재평가시험기기의 필요성’을 다시 한 번 정리함으로써 맺음말을 대신하고자 한다.
• 화재평가시험기기의 필요성
- 난연, 방염, 내화제품의 사용으로 화재 시 연소를 억제하여 인명 피해 및 경제적 손실을 줄이는 제품을 개발, 생산되기 위해서는 ‘화재평가시험기기’가 절실히 필요
- 새로운 ‘화재평가시험기기’개발 및 새로운 ‘화재평가시험방법’의 도입은 국민의 생명과 재산을 지키고 국내의 화재예방 시스템 및 기술력 증대의 초석을 이루며, 특히 새로운‘화재평가시험기기’개발 및 도입은 화재예방 기술력의 선진화를 초래한다.
- 현재 한국의 내화, 난연 제품 생산업체들은 외국 시험기관에 평가 의뢰하는 실정으로 단기적으로 외화낭비를 줄이고 장기적으로 화재예방 관련 선진기술을 확보하며, 궁극적으로 화재 시 인명피해 및 경제적 손실을 최소화 하고자 함(http://www.festi.co.kr ☎ 02-839-8941~2).
는 mass optical density로 규정할 수 있으며 이때의 식은 두 가지 유형으로 나뉜다. 
