1. 서 론

목재 및 유기 고분자 물질을 포함한 가연성 물질은 연소 시 발생되 는 연기와 연소가스에 의해 많은 피해가 발생한다[1].

따라서 이들의 가연성에 대한 문제점을 보완하기 위해 국내⋅외적 으로 화재성능을 기반으로 한 법규 등을 제정·시행하고 있으며, 목재 및 가연성 물질의 연소속도를 예측하기 위한 연구들이 지속적으로 활 발히 진행되고 있다[2,3].

일반적으로 물질이 쉽게 발화하고 화염으로 빠르게 타는 경향을 나 타내는 가연성은 화재 위험의 한 지표이다. 연소 중 물질의 거동은 많 은 화학적 및 물리적 현상을 포함하기 때문에 다소 복잡하다. 더욱이, 재료는 대부분 여러 구성 요소로 구성되며 각 구성 요소(고분자, 강화 유기 또는 무기 섬유, 유기 또는 무기질, 불활성 또는 반응성 난연제, 기타 다양한 첨가제 등)는 열 분해되는 자체 속도가 다르다. 그러므로 열분해 속도는 주로 재료 자체의 열 안정성에 따라 달라진다. 열분해 생성물인 가스와 휘발성 액체는 약한(< 1 kJ/kg) 2차 화학 결합으로 서로 결합 된 작은 분자이다. 이러한 휘발성 화합물은 쉽게 발화되고 빠르게 연소되는 공기와 함께 가연성 혼합물을 자발적으로 형성한다 [4-6].

따라서 다양한 가연성 재료의 연소성과 화재위험성 규명에 관하여 집중적인 연구의 필요성 판단되어 목재 및 플라스틱 재료 중 일부분 을 대상으로 화재위험 특성을 평가하고자 한다.

화재 시 물질의 열분해로 인해 발생되는 연기량은 빛의 흡수에 의해 측정되고, 그것은 탄소를 포함한 입자, 액체입자(타르), 무기입자, 증기 등을 포함한다. 화재 시 가연성 재료의 비열적 유해 요소는 연기, 냄 새, 부식, 독성 등에 의한 것이다. 이러한 비열적 유해 요인으로 인한 화재 피해는 화염에 직접 노출되는 것보다 피해자들의 약 75~80%가 산소결핍과 연기 및 독성가스 등의 흡입에 의한 것으로 밝혀졌다[7]. 열분해로 인해 발생되는 독성 가스는 생성되는 물질의 연기 종류에 따라 복잡해지며, 플래쉬오버에 도달하는 화재는 일반적으로 화상의 유무와 관계없이 인체에 위험한 수준의 일산화탄소를 생성한다. 목재 및 일반 가연물의 연소는 일산화탄소(carbon monoxide, CO), 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds, VOC) 및 다환성 방향족 탄 화수소(polycyclic aromatics hydrocarbons, PAH)와 같은 일부 독성 물 질이 중요한 독성 배출원으로 알려져 있다. 이들은 모두 불완전 연소 로 인한 생성물이고 다환성 방향족 탄화수소는 발암성 화합물로 밝혀 진 이후 널리 연구되고 있다. 불완전 연소는 니트로-PAH, 옥시-PAH 및 아자렌과 같은 PAH 유도체도 생성한다[8-10]. 이러한 독성 가스의 배출은 화재 조건과 재료 자체의 열분해에 영향을 받는다.

실제 화재 발생 시 재료에 대한 화재유해성은 착화성, 가연성, 그것 이 탈 때 방출되는 열의 량, 열방출률, 화염의 전파, 연기의 생성 그리 고 연기의 독성도등을 포함하는 요인들의 조합에 의해서 결정된다. 화 재로부터 발생된 연기는 사람의 가시도를 감소시키므로 탈출하는 데 어려움이 있고 안전요원의 구조를 방해하기 때문에 화재 시 심각한 문제가 된다. 가시성을 감소시키는 요인은 실제 화재에서 얼마나 많 은 재료가 태워지는지 그리고 연소 된 단위 재료 당 얼마나 많은 연기 가 방출되는지의 두 가지 요소가 결합된 결과로 나타난다. 그리고 발 생된 기체는 부식성이기 때문에 인체에 치명적인 유해성을 가지고 있 으므로 화재 시 생성되는 유독가스에 대한 정량적 연구가 필요하다.

이를 위한 연기발생에 대한 연기측정 시험방법은 Beer-Bouguer- Lambert의 법칙을 기본 원리로 한 콘칼로리미터를 이용한다. 이것은 일반적으로 투과하는 빛의 세기가 거리에 따라 지수 함수적으로 감소 한다는 법칙이다[11]. 이 시험 방법은 연기발생을 나타내는 척도로 연 기발생률, 총연기방출률, 연기인자, 비감쇠면적 등이 사용되고 있지만 [12-14] 이와 같은 방법은 시간이 변화됨에 따른 제한된 방법으로써 연기발생에 대한 정량적인 평가가 미흡하고 연기위험성 평가를 구현 하기에는 아직 충분하지 못한 점이 많다.

선행 연구에서는 콘칼로리미터에 의한 시험자료를 바탕으로 연기 위험성을 평가하기 위하여 Chung’s equations 1~3을 정립하였고[15], 또 Chung’s equations-II를 정립하였다[16]. 이를 정리하면 연기위험성 은 식 (1)과 같이 정의된다.

연기위험성은 연기성능지수(smoke performance index, SPI)가 낮을 수록 연기성장지수(smoke growth index, SGI)가 높을수록 높아진다. 이것은 화재초기 연기위험성을 제시하기 위한 것으로 새로운 연기지 수간의 상관관계를 확장시킴으로써 연기 등급을 종합적으로 평가하 기 위한 기초 자료로 사용하기 위한 것이다. 따라서 본 연구에서는 또 다른 Chung’s equations-V인 연기성능지수-V (smoke performance index- V, SPI-V), 연기성장지수-V (smoke growth index-V, SGI-V)와 Chung’s equation-VI인 연기위험성지수(smoke risk index-VI, SRI-VI) 를 새로 고안하여 종합적인 연기위험성 및 연기위험성 등급을 평가하 였다. 연기위험성의 우선순위를 기준물질을 이용하여 등급화 함으로 써 가연성 물질에 대한 무차원의 신규한 평가 측정지수 및 정량적 등 급 평가지표를 제공하고 이를 이용하여 화재위험성을 평가할 수 있다.

본 연구에서는 주로 건자재 및 내장재로 주로 사용되며, 사용빈도 가 높은 침엽수 중 가문비나무와 활엽수 중 나왕을 선별하였고, 열가 소성 수지 중 비탄화 고분자인 polymethyl methacrylate (PMMA)와 탄 화고분자인 polycarbonate (PC)를 선별하여 시험재료로 사용하였다. 이를 바탕으로 화재 시에 목재, 플라스틱, 난연 처리된 물질, 섬유 등 의 모든 가연성 물질의 연기발생에 대하여 연기위험성을 등급화 하고 자 하였다. 본 연구의 목적은 PMMA를 기준물질로 사용하여 연기위 험성을 무차원지수로 평가함으로써 화재위험성평가 방법으로 이용하 고, 이를 확장하여 화재설계 및 화재 시뮬레이션 데이터의 기초자료 로 활용하기 위함이다.

2. 실험 재료 및 방법

2.1. 재료

본 연구에 사용된 시험편은 가문비나무(Spruce)와 나왕(Lauan)의 순 수한 목재를 구입하여 두께 10 mm로 별도의 가공처리 없이 시험 규 격의 시편 크기에 맞게 사용하였다.

수분함량은 일정량의 시료를 105 ℃의 건조기에서 장시간 건조시 키면서 시료의 중량을 4 h 간격으로 더 이상 중량변화가 없을 때까지 측정하고 다음 식 (2)을 이용하여 계산하였다[17].

W_m은 함수율을 구하고자 하는 목재편의 중량(g)이고, W_d는 건조시 킨 후의 절대건조 중량(g)이다.

목재의 체적밀도와 수분함량은 Table 1에 나타내었다.

또한 플라스틱으로 PMMA는 기준물질로 사용하기 위하여 영국의 Fire Testing Technology사로부터 검은색으로 구입하였으며, PC는 아 크릴최가사에서 구입하여 가공 없이 그대로 사용하였다. 폴리머 시편에 는 충전제와 첨가제가 포함되지 않았다. 각 플라스틱의 물성은 Table 2에 나타내었다[19,20].

2.2. 콘칼로리미터 시험

연소 성질에 대한 시험은 ISO 5660-1의 표준방법에 근거하여 Fire Testing Technology사의 Dual cone calorimeter를 사용하여, 실제 화재 시와 유사한 화재성장기에서 발견되는 50 kW/m² 외부 열 유속(external heat flux)조건에서 진행 하였다[21]. 사용한 시험편의 두께는 10 mm이고 시편은 100 mm × 100 mm ( ± 2 0 ) 크기의 규격으로 절단하였으 며, 연소 반응 후 화재위험성 평가 분석에 필요한 연기 인자 관련 지 수를 구하였다. PC는 화재 시 부풀어 오르는 물질의 고유 성질로 인 하여 그리드(grid)를 사용하였으며, 그 외 시편은 그리드를 사용하지 않았다. Figure 1에 콘칼로리미터 개략도를 나타내었으며 Table 3에 콘칼로리미터 시험에 대한 실험조건을 제시하였다.

3. 결과 및 고찰

본 연구에서는 건자재 목재 및 플라스틱류의 화재위험성을 평가하 기 위한 한 부분으로 연기 특성을 중심으로 평가하였다. 이것은 기준 물질을 이용하여 연기위험성을 등급화시킴으로써 가연성 물질에 대 한 정량적인 등급지표를 제공할 수 있다. 연기방출 특성과 관련된 요소 로 착화시간(time to ignition, TTI), 열방출률(heat release rate, HRR), 연기생성속도(smoke production rate, SPR) 및 최대연기생성속도에 도 달하는 시간(time to reach peak smoke release rate, TSPR)을 측정한 후 연기성능지수(SPI)와 연기성장지수(SGI)를 평가한 후 PMMA를 기 준물질로 무차원의 연기등급지수인 SPI-V 및 SGI-V를 계산하였다. 콘칼로리미터 시험은 PMMA의 우수한 반복성 및 재현성 때문에 이것 을 기준물질로 사용한다. 따라서 본 연구에서는 PMMA를 사용하여 각각 물질의 연기위험성 및 연기위험성 등급을 평가하였다. 그에 대 한 데이터를 Tables 4~8에 제시하였다.

3.1. 열방출률(heat release rate, HRR)

열방출률은 화재의 특성을 제어하고 화재의 발생에 대한 기여도를 나타내며 연소모델링을 하기 위한 중요한 측정값이다. 이것은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기이며, 재료의 연소 위험성을 가 장 잘 나타내는 요소이다[22,23]. 콘칼로리미터 시험법은 순 연소열량 이 연소에 필요한 산소의 양에 비례한다는 점을 기초로 대부분의 유 기재료가 연소 중에 산소 1 kg이 소비되면 약 13.1 MJ의 열이 방출되 는 산소 소비 원리를 바탕으로 하고 있다. 열방출률이 커질수록 산소 소비량이 증가하여 화재위험성은 높아지므로 이를 바탕으로 연소모 델링이 가능해진다. 건축 재료를 열방출률이 낮은 것으로 사용할 경 우 화재발생시 연소억제 효과를 기대할 수 있다[24]. 열방출률이 높은 불꽃연소는 화재영역을 성장시키고 발전시키므로 이것은 화재의 세 기를 좌우한다.

Figure 2에 나타낸 바와 같이 열방출률은 모든 시편이 착화 시 갑자 기 증가하였으며 그 후 감소하는 경향성을 보였다. 목재가 연소되는 기간 동안 2개의 피크가 공통적으로 관찰되었으며, 연소의 첫 단계에 서 1차 피크가 나타나고 불이 꺼지기 전에 2차 피크가 나타난다. 1차 피크는 가연물의 연소 표면 가까운 곳에서 숯이 형성되기 전에 발생 한다. 1차 피크와 2차 피크 사이는 처음 생성된 숯 층이 단열층 역할 을 하고 단열효과로 인하여 시료가 점차적으로 연소하기 때문에 감소 되는 경향성이 관찰되었다. 2차 피크는 열적 파동이 뒷면 절연층에 도 달할 때 일어나고 이런 후면효과(back effect)로 인하여 열이 축적되어 많은 열이 동시에 방출되기 때문에 나타난다[21,25]. 최대열방출률 (peak heat release rate, HRR_peak)은 시료 표면적당 발생한 순간적인 열 량의 크기로 물질의 화재 위험성을 가장 잘 나타낼 수 있는 요소이다. 목재의 1차 최대열방출률(HRR_{1st_peak}) 특성은 가문비나무 234.71 kW/m², 나왕 246.84 kW/m²으로 나타났다. 이어서 나왕의 2차 최대열방출율 (HRR_{2nd_peak})이 가문비나무보다 높게 나타난 것은 체적밀도가 클수록 열 축적이 커지 때문인 것으로 예측된다.

또한 Figure 3에 보인 바와 같이 액체 연소 거동을 보인 PMMA의 HRR_{1st_peak} 값은 1110.56 kW/m²으로 PC와 비교하여 높게 나타났다. 이는 연소 시 휘발성이 높기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 PC의 경우 탄화 고분자(charring polymer)이므로 탄화하여 단열층을 생성함 에 따라 열을 차단하는 효과가 있어 289.13 kW/m²으로 낮게 나타났 다. 이것은 비탄화(non-charring) 시편은 완전히 타버리지만 탄화(charring) 시편은 비교적 잔여물을 생성한다는 보고와 일치한다[25]. 그리 고 초기화재 열방출률은 비탄화 고분자(non-charring polymer)가 탄화 고분자(charring polymer)보다 더 높게 나타므로 비탄화 고분자가 탄 화 고분자보다 화재 위험성이 더 큰 것으로 나타났다[10].

3.2. 연기발생률(smoke production rate, SPR)

시간의 변화에 따른 연기발생률(SPR)는 배기 덕트에서 연기의 체 적유량과 감쇠계수와의 곱으로 계산된다. Figure 3에 나타낸 바와 같 이 가문비나무의 연기발생률은 20과 335 s에서 두 개의 피크가 나타 났다. 이는 일반적인 목재의 열분해 부분과 잘 일치한다. 이것은 화재 시 가연물의 더 많은 표면이 노출됨으로써 나타나는 목재의 균열과 연소가스의 갑작스런 방출의 결과이다. Table 4와 Figure 4에 나타난 바와 같이 가문비나무와 나왕의 1차 최대 연기발생률(SPR_{1st_peak})은 각 각 0.0231과 0.0297 m²/s로 나타났다. 또한 가문비나무와 나왕의 2차 최대 연기발생률(SPR_{2nd_peak})은 각각 0.0214와 0.0273 m²/s나타났다. 이 것은 침엽수인 가문비나무가 활엽수인 나왕보다 높은 리그닌 함량과 낮은 셀룰로오스를 가지고 있기 때문이다[26]. 리그닌의 방향족 화학 구조는 900 ℃에서 35~38%에 달하는 높은 숯을 만들어 낼 수 있다 [27]. 그러나 화재초기 시험편의 순간 연기생성속도는 시험편의 체적 밀도 및 휘발성과 일부 연관이 있는 것으로 이해된다. 따라서 목재에 대한 1차 최대 연기발생률 도달시간은 가문비나무 20 s, 나왕 25 s로 측정되었다. 이것은 침엽수 자체에 휘발성 유기물을 다량 함유하고 있 기 때문으로 이해된다[28]. 이어 2차 최대 연기발생률 도달 시간은 가 문비나무 335 s, 나왕 315 s로 나타났으며 2차 최대 연기발생률 도달 시간이 지연되었다. 이는 연소 시 숯이 생성됨에 따라 연소억제 효과 가 증가되었기 때문이라 판단된다.

시험편의 연소에 의해 형성된 숯은 목재보다 열전도율이 낮기 때문 에 목재의 아래쪽 부분에 열침투를 방해한다[25]. 숯이 증가함에 따라 열분해 전단과 열유속에 노출된 목재 표면 사이에서 열적 저항이 증 가되므로 연소시간을 지연시키는 결과를 초래한 것으로 판단된다.

Table 5와 Figure 5에 나타낸 바와 같이 플라스틱의 1차 최대 연기 발생률(SPR_{1st_peak})은 PMMA가 0.0516 m₂/s, PC가 0.1189 m₂/s로 나타 났으며 PC가 PMMA와 비교하여 2.3배 높았다. 또한 비탄화 플라스틱 인 PMMA는 최대연기발생률이 385 s에서 나타났으며 PC는 285와 660 s에서 관찰되었다. 이것은 플라스틱의 열분해 영역과 일치하며 PC가 2개의 피크를 가지는 것은 착화 후 탄화물이 생성되었기 때문이 다. PC가 화재초기 연기위험성이 높음을 의미하며 가연성 가스가 많 이 생성됨을 의미한다.

착화시간 및 열방출률의 초기 피크의 최대값은 물질의 화재위험성 을 특성화한다[15]. 또한 연기위험성도 맥을 같이 하는 것으로 예상된 다. 따라서 선행 연구에서는 가연물의 연기안전성을 예측하기 위하여 연기성능지수(SPI)를 정립하여 아래의 식 (3)으로 발표하였다[15].

이 식은 연기성능지수를 평가하기 위하여 착화시간(TTI), 최대연기 발생률(SPR_peak)의 변수를 고려하였다. 목재가 연소될 때의 에너지 방 출속도, 연기생성, 가스 독성은 목재의 종류, 수분함량, 밀도, 열적특 성 및 열침투성 등에 따라 결정된다. 가연물과 관련하여 연소 성질의 이해를 돕는 다른 중요한 특성은 착화시간이다. 착화시간은 시험편의 열원에 의한 노출로부터 지속적인 불꽃연소가 시작되기 전까지이며 착 화시간이 빠를수록 재료는 더욱 가연성임을 나타낸다.

Table 4에 나타낸 바와 같이 열유속이 50 kW/m²인 경우, 착화시간 은 가문비나무 9 s, 나왕 10 s로서[18] 특별한 차별성이 없었다. 사용 된 목재 시편들의 수분함량의 차이는 1.9%이었으나 착화 시간에는 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났으며 또한 목재의 체적밀도도 특 별한 영향을 미치지 못하였다.

Table 5에 나타낸 바와 같이 PMMA의 착화시간은 17 s, PC는 135 s로 나타났다. PC는 밀도 및 열적 안정성이 PMMA보다 높아 초기화 재 연소성이 낮은 것으로 판단된다.

그리고 새로운 제2의 연기성능지수-V (SPI-V) 식 (4)를 고안하여 적 용하고자 한다. 즉, SPI-V는 SPI를 SPI_[PMMA] 표준 값(PMMA 기준)으 로 나눈 값으로 정의된다. 목재의 화재 확대와 플래시오버의 시간과 상 관성이 있으므로[29], 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하 는 것과 같이[30] 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다. SPI-V 를 구하는 식 (4)는 다음과 같다.

이 식은 무차원 지수로 나타낸다. 이 연구에서 연기발생률의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 1차 최대 연기발생률(SPR_{1st_peak}) 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 1 차 최대 연기발생률(SPR_{1st_peak})을 적용하고자 한다.

Table 6에 재료의 SPI 및 SPI-V 값을 제시하였다. SPI는 착화시간 및 연기가 조합된 값으로 PC가 가장 높게 나타났다. 이것은 모든 재 료 중 PC의 착화시간이 매우 긴 시간 지연되기 때문으로 판단된다. PMMA를 기준물질로 한 연기등급지수인 SPI-V은 PMMA (1.0) = Lauan (1.0) < Spruce (1.2) < PC (3.4)의 순서로 증가하였다. 이것은 PMMA와 같이 휘발성 유기물질을 함유한 플라스틱은 SPI-V가 매우 낮아지기 때문에 화재위험성이 높다는 것을 의미한다.

SPI와 SPI-V에 의한 연기위험성 평가 결과 PC가 가장 안전한 물질 임을 알 수 있었다.

또한 선행 연구에서 가연물의 연기위험성을 예측할 수 있는 연기성 장지수(SGI)인 식 (5)를 보고한 바 있다[15].

이 식은 최대연기발생률(SPR_peak)과 최대연기발생률에 도달하는 시 간(Time to SPR_peak)을 고려하여 연기 위험성 평가를 구현하였다.

그리고 새로운 제2의 연기성장지수-V (SGI-V) 식 (6)을 고안하여 적 용하고자 한다. 즉, SGI-V는 SGI를 SGI_[PMMA]의 표준 값(PMMA 기준) 으로 나눈 값으로 정의된다. 가연물의 화재 확대와 플래시오버의 시 간과 상관성이 있으므로[29], 화재 확대가 증가할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이[28] 연기안전성 또한 감소하는 것으로 이해된다. 따라서 SGI-V 값이 클수록 연기위험성이 커지는 것으로 예측된다. 이 는 화재위험성이 커지는 것과 맥을 같이한다[30].

SGI-V를 구하는 무차원 지수의 표현인 식 (6)은 다음과 같다.

이 연구에서 연기발생률의 값은 초기 화재의 중요성을 고려하여 1 차 최대 연기발생률(SPR_{1st_peak}) 값을 적용하였다. 특히, 액체성 플라스 틱을 포함한 가연물은 연소과정 중 1차 최대연기발생률(SPR_{1st_peak})을 적용하고자 한다.

Table 7에 나타낸 바와 같이 SGI-V에 의한 연기위험성은 나왕이 가 장 높은 것으로 나타났다. 이것은 연소속도가 빨라짐에 따라 SPR_{1st_peak} 값이 높아지고 TSPR_{1st_peak} 값이 낮아지기 때문으로 판단된다. PMMA 를 기준물질로 한 연기등급지수인 SGI-V는 PMMA (1.0) < PC (3.2) < Spruce (8.9) < Lauan (9.2)의 순서로 증가하였다. 특히 PMMA는 SGI-V가 가장 낮은 것으로 나타났다.

따라서 본 연구에서 시험된 목재 및 플라스틱을 포함한 가연성 물질 은 SGI-V의 값이 클수록 연기위험성 및 화재위험성은 높아지고, 연기 안정성 및 화재안정성은 낮아지는 것을 알 수 있었다. SPI-V와 SGI-V 는 측정된 데이터를 이용해 계산하여 얻어지는 값으로, 콘칼로리미터 실험에서 재료의 연기안전성을 파악하는데 종합적인 평가로 적용될 수 있다. 이를 다시 정리하면 연기위험성은 식 (7)과 같은 상관관계가 된다. 이것은 연기등급을 평가하는 연기등급 수식과 일치한다.

따라서 새로운 연기위험성지수-VI (SRI-VI) 식 (8)을 고안하여 적용 하고자 한다.

SRI-VI를 구하는 식 (8)은 다음과 같다.

즉, SRI-VI는 SGI-V를 SPI-V로 나눈 값으로 정의된다. 이는 화재 확대가 증가 할수록 화재안정성이 감소하는 것과 같이[30] 연기안전 성 또한 감소하는 것으로 이해된다. 따라서 SRI-VI 값이 클수록 연기 위험성이 커지고 반대로 SRI-VI 값이 작아질수록 연기위험성이 감소 하는 것으로서 연기위험성 및 연기등급을 종합적으로 예측할 수 있는 것으로 판단된다.

Table 8에 나타낸 바와 같이 SRI-VI에 의한 연기위험성은 나왕이 가장 높은 것으로 나타났다. PMMA를 기준물질로 한 연기위험성지수 인 SRI-VI는 PC (0.9) < PMMA (1.0) < Spruce (7.6) < Lauan (9.0)의 순서로 증가하였다. 특히 PC는 SRI-VI가 가장 낮은 것으로 나타났으 며 SPI-V, SGI-V에서도 연기위험성이 비교적 낮게 나타났다. 결론적 으로 SRI-VI에 의한 연기위험성 평가 결과 PC가 가장 안전한 물질임 을 알 수 있었다.

3.3. 일산화탄소, 이산화탄소 발생속도(carbon monoxide, carbon dioxide production rate)

일산화탄소(CO)는 목재와 플라스틱을 포함한 가연물과 화염 사이 에서 발생되는 휘발성물질의 불완전연소 생성물이다. 휘발성 물질의 열분해속도를 측정하는 하나의 방법인 열방출속도가 높아지는 것은 동반된 CO 가스 생성이 증가하는 것으로 설명 가능하다. Table 4, Figure 6 및 Table 5, Figure 7에 나타낸 모든 시험편의 CO_peak 발생속도 는 0.0021~0.0067 g/s로 측정되었으며, 선행연구와 비교한 결과 재료 의 구성성분, 두께 및 외부 열유속의 조건이 달라 정량적인 값은 비교 하기 어려웠으나 CO 발생패턴은 유사한 것으로 나타났다[31,32].

CO_2peak 발생속도는 Table 4, Figure 8 및 Table 5, Figure 9에 나타낸 바와 같이 모든 시험편에 대하여 0.1556~0.8484 g/s였다. PMMA가 다 른 시편과 비교하여 불완전연소보다 완전연소가 더 많이 일어나는 것 으로 판단된다. 미국광산보건안전청(Mine Safety and Health Administration, MSHA)에[33] 의하면, 이산화탄소는 단순한 질식을 일으키고 잠재적 흡입 독성 물질이다.

Figures 6~9에 나타낸 바와 같이 목재의 CO, CO₂ 패턴과 플라스틱 의 CO, CO₂ 패턴은 각각 다르게 나타났다. CO의 생성은 불완전 연소 의 결과물이며, 가연물의 조성에 따라 다르게 나타난다. 이것은 연소 시 생성된 표면 탄화층에 의해 산소의 접촉이 제한되기 때문에 오랜 시간에 걸쳐 나타나는 것으로 판단된다. 그러나 CO₂는 완전연소로 인 하여 열방출 영역과 유사한 영역에서 생성됨을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 목재로서 가문비나무와 나왕 및 플라스틱으로는 PMMA와 PC를 선정하고, Chung’s equations-V인 연기성능지수-V (SPI-V), 연기성장지수-V (SGI-V)와 Chung’s equation-VI인 연기위험 성지수-VI (SRI-VI)를 새로 고안하여 연기위험성 및 연기위험성 등급 평가에 적용하였다.

연기위험성 등급지수인 SRI-VI는 PC (0.9) < PMMA (1.0) < Spruce (7.4) < Lauan (9.2)의 순 서로 증가하였다. SRI-VI에 의한 연기위험성 평가 결과 PC가 가장 안전한 물질임을 알 수 있었다.

따라서 연소성이 용이한 유기물질은 연기성능지수-V가 낮고, 연기 성장지수-V가 매우 높으므로 화재로 인한 연기위험성이 높은 것으로 나타났다.