화재사례를 통한 전자 모기향의 발화특성에 관한 연구
A Study on the Ignition Characteristics of the Electric Mosquito Repellent Mat
최재성·최승복*·민세홍**·최돈묵**†
Jae-Sung Choi · Seung-Bok Choi* · Se-Hong Min** · Don-Mook Choi**
† 경원대학교 화학과, *
서울지방경찰청 과학수사계화재감식팀,
**
경원대학교 소방방재공학과(2009. 9. 22.
접수/2009. 10. 9.
채택)
요 약
전자모기향매트는배선피복의손상, 반단선, 과부하및트래킹등다양한원인에의하여발화할수
있다. 본 연구에서는 전자모기향 매트의 구조, 발열체인 PTC서미스터(Positive temperature coefficient
thermistor) 및화재현장에서수거한전자모기향매트잔해의현상학적특징을관찰하고동일제품의 PTC
서미스터를재현발화실험을한후각각에대하여비교분석한결과발열판의용융형태와 PTC서미스터
의파열형태등이동일하다는것을확인하였다.
ABSTRACT
Electric mosquito repellent mats can be ignited by damage of cables, partial disconnection, overload.
tracking and so on. In this study, we examined the structure of mosquito repellent mat, positive tem- perature coefficient(PTC) thermistor, used for heating element and phenomenological characteristics of remains, obtained on the scene of fires. After reappearance ignition test of PTC thermistors, we did comparison analysis them. And we could confine that the feature of heating plate and the shape of bursting were same.
Key words :Electric mosquito repellent mats, Positive temperature coefficient(PTC) thermistor, Reappearance ignition test.
1. 서 론
화재의발화메커니즘은다양한형태와방법에의해 발생한다
.
인위적인 착화,
깻묵과 같은유지류에 의한 자연발화,
절연파괴등에의한전기화재,
낙뢰등과학의발전은인간이편안한삶은영위할수있도록개선 된각종가전제품을 개발보급하고있다
.
하지만인간에게 편리한 전기
,
전자 제품의제조결함,
사용부주의 등으로 인해때론 감당하기 힘든화를가져오기도 한 다.
소방방재청 통계연보에의하면2008
년도화재건수는
49,631
건으로 전년대비3.7%(1,749
건)
증가하였고,
인명피해는
2,719
명으로10.5%(257
명)
증가하였으며,
재산피해는
383,141
백만원으로54.2%(134,709
백만원)
증가하였다
.
전년대비재산피해가크게증가한사유는숭례문화재
,
이천물류창고등대형화재로인해54.2%(1,050
백만원
)
증가하였고2008
년 일일평균 화재건수는136
건
,
인명피해7.4
명,
재산피해1,050
백만원이었다.
발화 요인별화재발생현황을살펴보면부주의가48.5%(24,052
건
)
로가장 높은발생율을 보였고,
다음으로전기적요 인22.8%(11,308
건),
방화와방화의심8.5%(4,240
건),
기계적요인
7.2%(3,550
건)
순으로발생하였다.
화재장소별발생순서는비주거
35.5%(17,642
건),
주거24.8%(12,285
건
),
차량13.0%(6,444
건),
임야8.1%(4,024
건),
철도·선박·항공기
0.3%(131
건),
위험물·가스 제조소등0.1%(47
건)
순이었으며 장소별 주요 화재원인으로 주택·아파트
(12,285
건)
에서 음식물조리중 부주의(2,436
건
, 21.7%),
음식점(2,722
건)
에서도 음식물조리중 부주의
(476
건, 18.5%),
일상서비스업(1,588
건)
에서는담배꽁†E-mail: [email protected]
초부주의
(242
건, 14.8%),
공장(2,700
건)
에서는용접·절단·연마
(298
건, 11.1%)
가차지하는비중이가장높았다
.
1)일반주택화재를감시하던중전자모기향에서화재 가발생한사례가있어그원인을확인하던중전자모기향매트에내장되어있는발열체인
PTC
서미스터가파열되면서발화되었음을확인하게되었다
.
산업과 문명이발달함에 따라 에너지원으로서전기 를많이사용하게 되었고 전류의 저항의증감에 따른 열의발생메커니즘을이용한
PTC
와NTC
반도체의사 용도급증하고있다.
이것은티탄산바륨계(BaTiO
3)
로서 반도체소자는안정된발열체로전자모기향매트의발 열체와각종기계의안전장치와센서등으로사용되면 서복잡한기기를 소형화에큰기여를 해왔다.
따라서 본연구에서는 전자모기향
PTC
에서 화재가 발생한 사례를 분석하고 전자모기향에서 사용되었던 동일한PTC
를 사용하여발화에이르기 까지 여러가 지시험과실험을통하여PTC
가파열되면서화재가발 생함을 확인할수있었다.
2. 서미스터
서미스터란 열에 민감한 저항체
(Thermally sensitive
resistor)
로온도변화에 의해소자의 전기저항이 큰폭으로 변화하는금속산화물반도체로구성된 감온소자 를 말한다
.
서미스터를 기본적 특성에 따라 분류하면 온도가 상승하면 전기저항이 감소하는NTC(Negative
temperature coefficient)
와 이와 반대로 온도가 상승함에따라저항값이증가하는정온특성인
PTC
가있다.
2)2.1 NTC서미스터의특성
산화물 반도체의부
(
−)
의저항온도계수를 이용하는 소자로서온도계수가커서감도가좋고응답성이빨라 급속한온도변화에대응이용이하다. NTC
서미스터는 온도가증가함에따라저항이감소하는세라믹소재로원료는 주로
Mn, Ni, Co, Fe
등전이금속의산화물이며도선저항을 무시할 수있어원격제어가용이하며 경시변화가극히적어안정성및신뢰성이좋다
.
또한 작은형태로소성이가능하여제품의소형화와용이하 여계측용공업용기계,
자동제어등에널리쓰리며가격이저렴하다
.
2.2 PTC서미스터의특성
PTC
는온도변화에대한저항값의변화를나타내는반도체 저항체이다
. PTC
서미스터는통상적으로온도 상승과함께저항값이증가한다.
이들서미스터들은일정한온도범위에서온도의상승과감소에대하여저항 값이 비교적 선형적으로 변화하는특성을 가진다
.
정특성 온도계수를가지는
PTC
서미스터는티탄산바륨(BaTiO
3)
에미량(0.1~1.5%)
의 란탄(Ra),
이트륨(Y),
비스무트
(Bi)
및토륨(Th)
등의산화물을혼합하여소성하는데 이렇게제조한 티탄산바륨계 세라믹스는 특이 한온도저항특성을나타낸다
.
즉낮은온도에서는비 교적작은저항치를갖지만어떤온도에도달하면,
갑 자기저항이증가하며그증가폭도대단히크다.
이온 도이상에서는전류가 흐르기어렵게된다.
이세라믹스등의성질이급변하는온도를큐리
(Curie)
온도또는큐리점이라하며온도가이를넘어서면정특성의저항 급증 영역에 들어가게된다
.
이 큐리점은 세라믹스의 성분을약간변화시키면,
고온쪽혹은저온쪽으로이 동시킬 수있어서여러가지 특성의서미스터를 만들수있다
. PTC
서미스터가큐리온도까지상승하면저항이급증한다
. PTC
서미스터는온도의변화에민감하게저항이증가하는소자라는점에서온도센서
,
온도로전 류를제한하는소자또는스스로가저항체이므로전류 가흐르면발열하여이온도상승으로저항이급증,
전 류를억제하는과전류보호소자 등여러가지 목적으로 사용되며 많은특성의제품들이있다.
3)2.2.1
저항-
온도(R-T)
특성서미스터의가장기본적인 특성으로
1.5V DC
이하에서
PTC
서미스터의주위온도변화에따른전기적저항률을측정하면
Figure 1
과같이저항-
온도특성이나타난다
.
이특성에서저항이급격히 증가한온도를스위칭
(Switching)
온도 또는 큐리(Curie)
온도라고 하는데일반적으로최소 저항치기준온도의
2
배에대응하는온도로정의하면재료특성의중요한파라미터
(parameter)
Figure 1. Characteristics of resistance and temperature.
가 된다
.
4) 이 특성을이용하면 온도의 감지가 가능하 므로온도를제어또는보상하며과열을막는등의용 도로사용할 수있다.
2.2.2
전류-
전압(I-V)
특성PTC
서미스터에전압을 인가하여서서히 증가시키면
Figure 2
와같이자기발열에의해소자의온도가상승하여큐리온도부근에도달하면전압증가에따라전 류감소가나타난다
.
소자에 인가되감소가압이어떤값 을 초과하면 전압의 증가에 따라 전류값도 증가하여break down
에이르게 되감데이전압을파괴전압이라한다
.
이특성을이용하면정온발열기능 소자와과전 류보호용소자로 이용할수있다.
2.2.3
전류-
시간(I-t)
특성PTC
서미스터에일정이상의전류를인가하면줄열에상당하는자기발열로소정의시간이경과한후큐
리온도에도달하여
Figure 3
과같이저항이급격히증가함에 따라전류를 제한하는 작용이 일어나게 된다
.
이특성을 이용하면 전류감쇄
(
제한)
기능 소자나delay
회로와
degaussing
회로소자로 사용할수있다.
또한전류의 양이 클수록
PTC
자체의 줄열이 크게 발생하므로동작시간도그만큼 빠르게동작한다
.
5)2.2.4 PTC
서미스터재료6)PTC
서미스터를 구성하는 원소들과그들의 역할에대하여
Table 1
에나타내었다.
3. 전기모기향 매트
일반적으로전기모기향매트는모기약훈증기라고부 르기도하는데매트형훈증기와액체훈증기가대표적 이며
,
훈증기는열을나게해서살충기능이내포된매트 나액상의살충제를데워증발시키는기능이있는것을 말한다.
훈증기의발열기능은열선을이용하는제품과PTC
서미스터를이용한제품이있으나 열선을이용한 경우는별도의안전장치를설치해야하므로최근에는안 전장치와발열체의기능을동시에수행할수있는PTC
서머스터를이용한훈증기를주로생산판매하고있다
.
3.1전기모기향의모듈구조
Figure 4
와5
에조립된상태의전자모기향모듈과분해한상태를나타내었다
.
전자모기향매트는플라스틱 외함에PTC
가 앞뒤에 접속단자로밀착되고 배선으로 연결되어LED
램프와전원코드순의,
간단한형태이며 별도의안전장치는없다.
접속단자의상부는PTC
가덮 Figure 2. Characteristics of electric current and voltage.Figure 3. Characteristics of electric current and time.
Table 1. Chemical Compositions of PTC Thermistor
Compositions Role
BaTiO3 PTC 모체형성
La, Y, Gd, Nb 원자가제어에의한반도체화실현
Pb, Sr, Sn, Zr Switching 온도이동 Al2O3, SiP2TiO3 소결촉진, 결정입경제어
Fe, Cr, Mg, K 반도체화방해
Figure 4. Module construction state of PTC thermistors.
일정도의얇은금속단자가발열판과접촉되고그사 이에절연지를끼운형태이며전자모기향매트는플라 스틱 외함에
PTC
가들어있는 모듈과 비닐코드로구 분되며 간단한구조로되어있다.
3.2전자모기향매트의성분
시험에사용한전자모기향의화학적 조성
,
용도및함유량을
Table 2
에나타내었다.
4. 전자모기향 매트에서 발화 사례
4.1현장감식
4.1.1
사건개요05
년9
월10
일20:00
경서울마포구00
아파트 에서 피해자가방안에전자모기향을피워놓고잠시집을비 운사이 화재가발생하여가옥내부가전소되었다.
4.1.2
내부구조 및발화부판단소실된가옥은거실
,
방3
개,
및입식부엌으로구성되어있고면적은약
82.5m
2이었다. Figure 7
에서확인할수있듯이 거실은 방
2)
에서출화된 열기층에의해 천장부위와 벽체 상단 내장재 등이 소훼되어 있었으며 중성대는 벽체
2/3
지점에서형성된상태에서방2)
에서출화된화염으로인해문설주상단부천장이박리되어 있고방
2)
는발코니방향의창문이개방되면서유입된공기로인해 방전체가 백화
(Clean burn)
된상태로 방2)
에서최초로발화되었음을 알수있었다.
4.1.3
발화부의연소형태Figure 8
과9
에서 볼수있듯이 방2)
는 천장 및벽체의벽지가 모두탄화되고 소실되어상단코너와 모 서리부위와방입구벽체를제외한여타부위는백화 되었다
.
벽체에 형성된 탄화흔적은 발코니 방향의 바 닥부위에서거실방향상단으로형성되어있는형태로 볼때발코니의바닥부위에서거실 방향으로연소확 대된것을확인할수있다.
Figure 5. Disassemble of module.
Table 2. Chemical Compositions of Mosquito Repellent Mat
성분명 용도 함유량
(wt%) ISOPROPYL
MYRISTATE(IPM) 용제(부형제) 45.5 Dibutylhydroxytoluene (BHT) 산화방지제
00.3
PIPERONYL BUTOXIDE 효력증강제 25.4
D-ALLETHRIN 살충성분 27.4
AMINO(Solvent Blue 35) 색소
00.5
향료 착향제
00.9
Figure 6. Inner structure of a burned house.
Figure 7. Burned feature of living room.
방
2)
의 발코니 앞바닥에서 방 입구 거실 방향으로 상승열기에의한탄화흔적이벽체상단2/3
지점까지형성되어 있었고 방바닥에는옷가지 및다량의 연소잔
해에의해덮여있는상태를
Figure 10
에서확인할수있었다
.
또한방안의전기계통을확인한결과,
우측벽체상단
‘
□’
부위에매입되어있는콘센트에서침대옆 바닥‘
○’
부위멀티콘센트로 확장연결되어 있었고바닥잔해를발굴하였을때바닥에서발굴된
5
구콘센트 에는전기모기향매트와휴대폰충전기가꼽혀있다.
4.1.4
전기계통검사Figure 11
과발화점을발굴하고감식한결과,
방내부의 전기 계통 중 벽체에서 바닥으로 확장되는
5
구 멀티콘센트에 꼽혀있는 충전기와전자모기향 매트중 전자모기향매트연결배선4
개소에서합선흔적이식별 되었으며 이외여타부위의 배선등에는 합선흔적특 이점은식별되지 않았다.
4.1.5
발화원판정방
2)
의전체적인연소형상은전자모기향매트가꼽 혀있는바닥부위에서 방입구방향으로타올라간 연 소형태가 식별되고이곳 바닥에전원이 인가된 상태 에서소훼된 핸드폰충전기와전자모기향 매트중전 자모기향매트코드4
개소에서합선흔적이식별되었고 충전기와 연결배선등에는 전기적인특이점이식별되 지않았다.
전기배선의합선은 전원이인가된 상태에서주변에 서생성된열기에의해절연피복이소실되거나꺾임이 나눌림
,
자체경년열화,
절연파괴등의원인으로합선 이생성될수있을것이므로발화부판단에있어간접 증거로 사용되며기기자체또는배선에서합선이 생 성될수있는개연성이발견되지않는다면외열에 의 해 생성되었다는 것을 의미 할 것이므로 제품검사가 필수적이다.
Figure 8. Burned feature of wall. Figure 11. Fire scene of excavation.
Figure 9. Burned feature of balcony.
Figure 10. Position of wall socket and plug inserted with mosquito repellent mat and mobile phone for charging.
4.2소훼된전자 모기향검사
Figure 12
에확인할 수 있듯이 플라스틱외함이 용융되면서주변의연소잔해와함께융착되었으며발열 판가장자리에전기적으로형성된용융구멍이생겼다
.
또한
Figure 13
에서관찰할 수 있듯이 모기향 매트를올려놓는발열판의우측에전기적인아크흔적이생성 되어있고이부위는내부
PTC
와밀착되어있는접속 단자의꺾임부위이며용융물의비산흔적은내부의고 열이외부로 분출되면서형성된것이관찰되었다.
PTC
와밀착접속되어있는발열판내부의접속단자는배선과 연결되는부위가 용융 증발되어있고
PTC
중앙부와맞닿은부위에아크에의한구멍이뚫려있고 이구멍을 중심으로단자끝단방향으로방사형 형태 로 좁은아크흔적이 길게형성된 것을
Figure 14
에서 관찰할 수있었다.
7)5. 재현실험
화재현장의 연소형태를 관찰한결과
,
방2)
에서 발화 하여거실과주변으로확산되었고 방2)
내부의침대옆방바닥에콘센트에꼽혀있는전자모기향매트에서발화 된것으로판단하였으나
PTC
의경우지금까지 안정된발열체로스스로발화한사례가없어실제전자모기향 매트에서발화되었다는것을입증하기곤란한점이있 었다
.
하지만매트발열판의전기적용융흔적과PTC
와 접한접속단자의용융흔적은PTC
에서발화되었음을짐 작케 함으로 피해자가 사용하였던 전자모기향 매트와 동일한제품을상대로당해연도생산된제품과PTC
가 결합된모듈을가지고직접전원을인가한후발열되 는온도특성을관찰하면서발화과정을시험하였다.
5.1실험방법
실험은현장시료에 생긴용융흔과같은형태가 어 떠한메커니즘에 의해서 발생하는지확인하기위하여 Figure 12. A status of the mosquito repellent mat after
burning.
Figure 13. Heating plate of the mosquito repellent mat after burning.
Figure 14. Molten state of connection terminal of PTC.
Table 3. Experimental Conditions
No Experimental Conditions 1 불량 PTC 결합후전원인가
2 외함연소실험
3 PTC 파괴후결합후전원인가
4 PTC 표면은도금을긁어접촉저항증가후전원인가
5 절연지제거후전원인가
6 접속단자일부제거후전원인가
7 접속단자강제합선후전원인가
8 불량 PTC에직접전원인가
9 모듈절연파괴실험
Table 3
과같은조건으로실험을 하였다.
5.2실험장치 및재료
실제 화재현장에서 사용했던 전자모기향과 동일한
PTC
로모듈을 조립하고220V AC
상용 전원을 인가하고 모듈에 온도측정기를 부착하여 표준발열온도
(163
oC)
이상으로증가하는제품에서PTC
를선별하여모듈에 체결하고
Table 3
과 같은조건으로발화될 때까지관찰하였다
.
6. 결과 및 고찰
PTC
를 훈증기 모듈에 체결하고Figure 16
과 같이전원을 인가한후
4
시간 동안6
개의 모듈의발열 온도를 측정했다
.
그 결과, Figure 17
과같이 대부분의PTC
의발열온도는150
oC
를유지하고있었으나간혹비정상
(
불량)
으로PTC
는 처음부터 표준온도이상으로 발열하여4
시간경과후200
oC
이상으로발열하는형태를 보였다
.
6.1비정상발열 PTC제품의전원인가실험 발열온도시험 측정결과
,
비정상적인 발열을 보이는PTC
를선별하여모듈을조립하고Table 3
과같은방법으로실험하였을 때불량
PTC
로추정되는 모듈의 온도는처음부터
160
oC
이상에서발열하여 온도기 측정 상한인200
oC
가까이까지 천천히 온도가 증가하다가Figure 18
과같이폭발음을 내면서화염이분출하였다.
Figure 19~21
에서관찰할 수있듯이 소훼된 훈증기는
PTC
접속단자 양끝단과일치하는발열판2
개소가용융되며구멍이뚫렸고이곳을통해스파크불꽃이
2
분간분출되다가단자양단이단락되면서전원이차단 되었으며모듈의뒷면양단자부위가열변형되고
PTC
소자가방사형형태로파열되면서
PTC
를중심으로앞 뒷면의접촉단자가 용융되었다.
Figure 15. Observation of the end products after power supply.
Figure 17. Estimation results of the temperature of PTC modules and time after power supply.
Figure 18. Ignition happening of the mosquito repellent mat.
Figure 16. Apparatus of the estimation of temperature.
6.2외함연소실험
전원이인가되어있던전자모기향이외부화염에의
해연소될때
PTC
소자내부전기배선의합선으로발열판에용융흔이생길가능성이있으므로전원을인가 한전자모기향에불붙은매트를올려놓고플라스틱외 함이 소진될때까지 연소시켰으나 내부의
PTC
와발 열판에화재사례현장에서획득한시료와동일한특징 의전기적용융흔은생성되지않았다.
6.3 PTC파괴후실험
PTC
소자를 물리적으로 파괴한 후 모듈에 체결하여전원을 인가하였을때발열판의온도및코드의 저항
은 깨지지 않은
PTC
에 비해 약500
배인600k
Ω으로관찰되었으나
PTC
가폭발하거나접속단자가용융되는 현상은나타나지 않았다.
6.4 PTC 표면 은도금을 긁어 접촉저항을 증가 후 전원인가실험
PTC
접촉저항을높이기 위해표면에도포되어있는 은도금을긁어내고단자를접촉시켜전원을인가한실 험에서발열온도및코드의저항은정상적인PTC
와비 슷한저항1~3k
Ω과140~160
oC
의발열온도를유지하였다.
6.5발열판내부의절연지를제거후전원인가실험 절연지를제거하고전원을인가한 실험에서는 정상 적인발열을보였지만파괴등은일어나지않았다
.
6.6 PTC와 접속된 단자 일부를 제거하고 전원인가 실험
접속단자를일부 제거하여전원을 인가한 실험에서 는정상제품과 같이일정한 온도와저항을 유지하였 으며
PTC
의과열은일어나지않았다.
6.7접속단자강제 합선후 PTC형태분석
PTC
가접속된단자에직접전원을인가하고강제합선시켰을때
PTC
를통한과전류는흘렀으나PTC
는파 괴되지않았다.
6.8비정상 PTC에 직접전원 인가
비정상적으로 발열하는
PTC
자체에 접속단자만을 접속하고바이스로고정후전원을인가한실험에서는 전원을 인가한 후4
시간이 경과된 지점에서 갑자기200
oC
로온도가 급상승하면서Figure 22
와같이 폭발 음을 내면서PTC
가파열되었으며 접속단자에는 전기 적인아크에의한용융이 형성되었다.
6.9모듈절연파괴 실험
모듈 내부에 식염수
(10wt%)
를 이용한 절연파괴 실Figure 19. Feature of the mosquito repellent mat after burning.
Figure 20. Molten state of connection terminal of PTC.
Figure 21. Broken state of inner part of PTC.
험한 결과
Figure 23~25
와같이 접속단자간과전류로인하여단자꺾임부위가용단되었고
PTC
는용단된단자부위가일부깨어졌다
.
7. 결 론
PTC
서미스터를발열체로사용하는전자모기향의사 용이증가하고있다.
화재현장에서관찰·확인된 자료를종합한 결과를바탕으로 재현실험을한결과 다음 과같은결론을얻을수있었다
.
1. PTC
서미스터전자모기향매트는 내부의전기배선이 조립과정에서 눌림이나 꺾임
,
계속된 저온 발열 에의한접속단자와모듈의 탄화로 인한접속단자간트래킹에의한합선및
PTC
서미스터의차단기능이저하될경우발화할가능성이크다
.
2.
내부발열체인PTC
가적정한 온도와전류억제역할기능을 하지못하고 순간적으로
PTC
를통해 많은 전류가흘러폭발하면서전원단자간합선이유발되고 이때생성되는스파크불꽃에플라스틱외함에착화되 는것으로볼수있었다.
3.
비정상적으로발열하는PTC
에전원을인가한 후4
시간후에갑자기 온도가 급상승하면서 폭발음을내 면서PTC
가파열되었으며 접속단자에는 전기적인아 크에의한용융이형성되었다.
4.
모듈 내부에 식염수(10wt%)
를 이용한 절연파괴실험한 결과 접속단자간 과전류로 인하여 단자 꺾임 부위가용단되었고
PTC
는용단된단자부위가일부깨 어졌다.
감사의 글
본연구는
2008
년도경원대학교학술연구지원사업의연구비지원에 의하여연구되었음
.
Figure 25. Bursting of PTC after insulation breaking.
Figure 22. Bursting of PTC and melting of connecting terminal.
Figure 23. Insulation breaking test of module.
Figure 24. Status of melting of the insulation breaking connecting terminal.
참고문헌 1.
소방방재청화재통계년보(2008).
2.
한상무,
포항산업과학연구원,
부품신소재연구센터 권영규,
위덕대학교, “PTC
써미스터기술동향”, pp.1- 4(2004).
3.
김영우,
포항산업과학연구원, (
주)
비아글로벌,
허운행,
“
써미스터종류별기술동향분석”, pp.1-2(2005).
4.
장재훈,
포항산업과학연구원, “
반도성세라믹소재-
666”(2006).
5.
곽동걸,
정도영,
강원대학교방재기술전문대학원, “PTC
서미스터의온도특성을이용한전기안전제어장치개 발에관한연구