1. 서 론

오늘날 경제성장 속도에 따라 많은 지역들의 도시화가 이 루어지며 그에 따라 에너지 소비량 증가와 각종 건축물들의 대형화 및 고층화가 이루어지고 있다. 특히 다양한 가연성 인테리어 재료의 사용으로 화재 발생 시 인명피해 또한 상 대적으로 커지고 있다. 따라서 재실자의 안전을 위해 경보 시스템 구축 및 화재방지 대책에 관한 여러 연구들이 진행 중에 있지만 화재 발생 시 배출되는 유독가스를 제어하는 연구 개발은 상대적으로 부족하다(Shin et al., 2009;Lim et al., 2007;Hwang and Seo, 2017;Park et al., 2002).

이러한 화재와 재실자의 안전에 대한 문제는 육상뿐만 아 니라 해상에서도 빈번히 발생하는데 선박에서 발생하는 화 재는 육상보다 심각한 인명피해를 야기한다. 특히 해양 구 조물의 특성 상 좁고 밀폐된 공간으로 인해 질식사로 인한 사망률이 전체 사망원인 1위에 해당할 만큼 화재에서 발생 되는 유독가스 배출문제는 안전관리(safety management) 측면 에서 심각한 사안으로 대두되고 있다.

해양 선박 및 해양플랜트 화재 사고에 대한 대표적인 두 가지 사례로는 2010년 멕시코만에서 발생한 딥워터 호라이 즌(Deepwater Horizo)호 폭발 사건과 1988년 스코틀랜드 해상 에서 발생한 파이퍼 알파(Piper Alpher) 사건을 예로 들 수 있 다. 딥워터 호라이즌호 폭발 사건은 2010년 4월 멕시코만에 서 30여명의 사상자(11명 사망, 17명 부상)와 490만 배럴의 기름이 유출된, 재앙에 가까운 사고였으며 선원들에게 주어 진 탈출 시간은 5분이 채 되지 않았다고 보고되고 있다. 1988년 스코틀랜드 해상에서 발생한 파이퍼 알파 사건에 경 우, 시추 작업 중 강한 폭발과 화재로 인해 총 167명이 사망 하는 비극적인 사고였다. 이러한 큰 사건들 이후, 해당 국가 에서는 해양플랜트의 안전관련 감독기관이 창설되었고 많 은 법규가 강화되었다. 또한 최근 국내에서는 해양플랜트 내 화재 위험도 평가와 화재 경감시스템을 고려한 화재 시 뮬레이션 연구도 활발히 진행되었다(Kim et al., 2016;Kim and Lee, 2015;Seok et al., 2013;Jeong and Kang, 2014;Koo et al., 2013). 하지만 육상과 마찬가지로 실질적으로 화염과 화 재로 인한 유독가스를 제어하는 기술은 환기용 팬(fan)을 이 용한 방법 외에 다른 제어 방안은 전무한 실정이다. 특히 해 양화재는 화재 특성 상 규모가 크고 화재 진압시간이 상대 적으로 길기 때문에 환기용 팬을 이용한 연기 제어방식은 한계가 있다고 볼 수 있다(Joung, 2019).

따라서 본 연구는 화재로 인해 발생되는 유독가스의 배출 방향을 인위적으로 제어하기 위하여 기존의 환기용 팬을 활 용한 방법과 차별화된 새로운 개념의 제어 방안을 제안하고 자 한다. 일반적으로 화재 발생 시, 가연물로 여겨지는 건축 물 자재의 대부분은 탄화수소 계열의 분자구조를 가지며 화 학 이온화로 인해 발생하는 양전하와 음전하를 다수 함유하 고 있다. 이때 전기장을 인가하게 되면 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의해 양전하와 음전하는 전극쪽으로 이동하게 되며, 이동하는 전하들의 운동량 전달(momentum transfer)로 인해 대부분의 수밀도를 차지하는 중성자들도 함께 움직이게 된 다. 이것을 “이온풍”이라고 정의한다(Park et al., 2017;Yoon et al., 2019).

이러한 이온풍을 활용하여 화염을 소화시키는 연구(Sher et al., 1993)는 매우 드물게 존재하였고, 대부분의 연구는 화 염속도 제어에 치중하여 연구가 진행되었다. Sher의 연구 또 한 townsend 영역에서 코로나 방전을 유도하여 화염소화 및 면적제어에 국한되었기 때문에 사실 상 화재연기 제어에 관 한 연구는 전무하다고 할 수 있다.

따라서 본 연구는 준항복 장(sub-breakdown field)에서 이온 풍을 활용하여 화재에서 발생되는 유독가스를 인위적으로 제어하는 실험적 연구를 진행하고자 한다.

2. 실험 방법

Fig. 1은 실험에 사용된 전기장을 활용한 화재연기 제어 시스템 성능평가를 위해 고안된 실험의 개략도이다. 실제 화재를 모사하기 위해 사각 형태의 세라믹 접시 위에 가연 물로 채택된 스티로폼 혹은 종이를 두고 점화하였다. 화재 발생 시 외부 교란(external disturbance)으로 인한 유동을 방지 하기 위하여 가로, 세로 및 높이가 각각 50 × 60 × 75 cm로 구 성된 아크릴 챔버 내에서 실험을 수행하였다. 또한 재실자 의 안전한 공간 확보를 위한 시나리오를 모사하기 위해 사 각형 금속 망사(9 × 22 cm, 격자 사이즈 0.7 × 0.7 cm)를 화염 왼쪽에 설치하였고 세라믹 접시와 3 cm 간격을 일정하게 유 지하였다. 예비 실험에서 확인한 결과, 금속 망사와 세라믹 접시와의 간격이 증가할수록 연기제어 효과가 선형적으로 감소하였는데 본 실험에서 채택된 금속망사 크기의 경우 약 15 cm까지 제어 효과가 있는 것으로 확인되었다. 금속 망사에 고전압을 인가하기 위하여 함수 발생기(wave form generator)와 고전압 발생기(power supply)를 이용하였으며 인가된 전압은 DC ± 2, 5, 10 kV이다. 현재 인가된 전압은 금속망사와 화염 간 의 스트리머(streamer)가 발생되지 않는 준항복 장(sub-breakdown field)을 구현할 수 있는 전압 영역으로, 현재 제시된 전압보 다 높은 전압을 인가할 경우, 다량의 이온화로 인해 화재의 규모가 상대적으로 커질 우려가 있다. 이는 본 논문에서 추 구하는 연구방향과 일치하지 않기 때문에 실험에서 제외하 였다. 실험 전 인가된 전압의 손실여부를 확인하기 위해 고 전압 프로브와 오실로스코프를 연결하여 인가된 전압 값을 보장하였다. 실험재료로 채택된 스티로폼과 종이는 매 실험 마다 0.54 g의 동일한 질량으로 연소시켰다. 연소 후 화염 근 처에서 발생하는 이온풍을 가시화하기 위하여 532 nm의 다 이오드 레이저를 활용하여 미산란 기법(mie-scattering method) 으로 내부 유동장을 관찰하였다. 또한 원활한 산화재 공급 을 위해 아크릴 챔버 바닥면에 메쉬 스크린(mesh screen)을 설치하였으며 화재 발생과 동시에 화재연기가 중력으로 인 해 챔버 내에 체류하지 않도록 10 L/m의 유량으로 suction을 진행하였다.

Fig. 2는 0 kV에서 스티로폼을 가연물로 발생시킨 화재연 기 분포도를 나타내고 있다. 현재의 실험 케이스를 본 논문 에서는 “기본화염”으로 정의한다. Fig. 2(a)의 이미지는 디지 털 카메라를 통해 화재 발생시 화염과 유독가스의 거동을 나타내고 있다. 유독가스 유동의 자세한 분석을 위해 빨간 색 실선으로 표기된 330 × 255 pixel 영역을 매트랩(Matlab) 프 로그램을 활용하여 RGB 색상값 중 Green에 해당하는 값만 추출한 후 Fig. 3(c)에 도시하였다. 그림 내 블라인드 처리된 부분은 메쉬 스크린에 반사된 광원에 해당한다. Fig. 2(b)에 경우, 이미지를 분석한 Fig. 3(c)에서 x축에 해당하는 픽셀마 다 y축에 해당하는 green의 값을 모두 합산하여 수평 거리에 따른 레이저 빛의 강도를 1차원으로 표현하였다. 화염의 중 심을 빨간색 점선과 함께 center line으로 표기하였고, y축의 값이 높을수록 화염으로 인해 발생한 연기의 분포도가 농후 하게 존재하는 것으로 평가할 수 있다. 두 그래프 모두 x축 의 중심을 0 cm로 표현하였다.

기본화염(0 kV)인 경우, 그림에서 보듯 화재 연기가 중력 으로 인해 수직하게 배출되는 것을 알 수 있다. 일반적으로 화재 연기는 화염 근처에서 1000 K 이상의 고온으로 유지되 기 때문에 부력에 의해 위쪽 방향으로 이동하게 된다.

3. 실험결과 및 고찰

실험 결과는 인가된 직류 전압이 낮은 순서대로 논하며, 종이보다 스티로폼을 고체연료로 채택하였을 때 경향성이 뚜렷하게 나타났기 때문에 스티로폼 위주로 실험 결과를 논 하고자 한다.

Fig. 3(a), (b)는 금속 망사에 ± 2 kV 직류전압을 인가하였을 때 스티로폼 화재에 따른 화재 연기 분포를 나타내고 있다. Fig. 3(a)에 경우, +2 kV 양전압을 인가하였을 경우 발생되는 실험 결과를 나타낸 것이다. 기본화염을 나타낸 Fig. 2와 큰 차이가 없이 대부분의 연기는 화재 발생 중심부에 위치하 고 있는 것이 관찰되었다. Fig. 3(b)는 동일한 실험 조건에서 -2 kV 음전압을 인가하였을 때 나타난 실험 결과이다. Fig. 3(a)와 마찬가지로 기본화염을 나타낸 Fig. 2와 큰 차이 없이 대부분의 연기는 화재 발생 중심부에 위치하고 있는 것이 관찰되었다. 따라서 ± 2 kV의 전압으로 인한 이온풍의 효과 는 부력에 의한 힘보다 더 작아 대부분의 연기가 화재 발생 중심부에 위치하는 것으로 판단된다.

Fig. 4(a), (b)는 금속 망사에 ± 5 kV 직류전압을 인가하였을 때 스티로폼 화재에 따른 화재 연기 분포를 나타내고 있다. Fig. 4(a), (b) 모두 Fig 3(a), (b)와는 다르게 이온풍의 효과가 나타나기 시작하며 화재로 인해 발생되는 연기의 분포도가 전기장을 인가한 왼쪽 금속 망사 방향으로 이동하고 있는 현상이 관측되었다. Fig. 4(a)는 +5 kV 양전압을 인가하였을 때 나타난 실험 결과이다. 앞서 언급하였듯이 연기의 분포 도가 왼쪽 금속 망사 방향으로 이동되고 있는 것이 관찰되 며, 빛의 세기를 나타낸 그래프를 보았을 때 보다 명확한 효 과가 관찰된다. center line을 기준으로 왼쪽의 실선이 오른쪽 의 실선보다 높은 y값을 나타내고 있다. Fig. 4(b)는 -5 kV 음전압을 인가한 실험 결과이다. Fig. 3(a), (b) 보다 인가된 전압이 증가하며 이온풍의 효과도 명확히 발생되는 것이 관측된다. 또한 수치적으로 동일한 5 kV의 전압이지만 양전 압(Fig. 4(a), +5 kV)을 인가하였을 때보다 음전압(Fig. 4(b), -5 kV)을 인가하였을 때 더 효과적으로 연기의 분포도가 이 동하는 것이 관측된다.

이는 양전하와 음전하의 구성과 이동도(Mobility)의 차이 에 의한 현상으로 판단되며 자세한 설명은 ± 10 kV 직류전 압을 인가하였을 때 발생한 실험 결과를 먼저 논한 후에, Conceptual image를 통해 자세히 기재하였다.

Fig. 5(a), (b)는 스티로폼을 고체연료로 사용하여 금속 망 사에 직류전압을 각각 +10 kV, -10 kV를 인가한 경우이고, Fig. 5(c)는 종이를 고체연료로 사용하여 +10 kV를 인가한 실 험 결과를 나타내었다. Fig. 5(a), (b)에 경우, ± 5 kV 직류전압 을 인가하였을 때 나타난 결과와 마찬가지로 강한 전압의 인가로 인해 이온풍의 효과가 강하게 나타나며 금속 망사 방향으로 화염과 화염으로 인해 발생되는 유독가스의 거동 이 명확하게 한쪽 방향으로 이동되는 것이 관측되었다. 또 한 Fig. 4(a), (b)에 인가된 직류전압보다 2배 높은 전압을 인 가한 만큼 화염으로 인해 발생되는 유독가스의 거동은 왼쪽 에 설치된 금속 망사를 통과하여 한쪽 방향으로 이동하는 모습이 관측되었다. 따라서 ± 5 kV 이상에 강한 직류 전압은 부력의 효과보다 이온풍의 효과를 강하게 발생시키는 것이 확인된다. 종이를 고체 연료로 사용하여 ± 2, 5, 그리고 -10 kV 직류전압을 인가하였을 경우에도 동일한 경향을 나타냈으 며 ± 5 kV 이상으로 강한 전압을 인가하였을 경우에 부력의 효과보다 이온풍의 효과보다 더 크게 나타나는 것으로 판단 된다. 하지만 Fig. 5(c)를 살펴보면, 종이를 고체연료로 사용 하여 +10 kV에 강한 직류 전압을 인가하였지만 동일한 수치 의 전압을 인가한 Fig. 5(a), (b)보다 약한 이온풍의 효과를 나 타내었다. 연기의 거동을 살펴보면, 금속 망사 방향으로 이 동하는 연기와 중심부로 발생되는 연기가 동일한 비율로 발 생되는 것이 관측되었다. +10 kV에 강한 직류 전압을 인가 하였지만 오히려 스티로폼을 고체연료로 채택하여 +5 kV 직류전압을 인가하였을 때 나타난 실험결과와 비슷한 것으 로 판단된다.

종이를 연료로 채택하였을 경우, 스티로폼을 연료로 채택 하였을 경우와 다른 결과가 발생한 이유는 전자가 주변의 O₂와 부착되는 전자 흡착 현상(O₂ attachment)으로 인해 발생 되는 현상으로 판단된다.

Fig. 6(a), (b)는 각각 음전압, 양전압을 인가하였을 때, 전 하의 이동을 도식화한 개략도를 나타내었다. 서론에서 간략 하게 언급했듯이, 화염은 양전하와 음전하가 존재한다. 전극 에 음전압을 인가하게 되면, 양전하를 구성하는 양이온들이 전극으로 이동하게 된다. 이는 대부분의 수밀도를 차지하고 있는 중성자들에게 운동량을 전달하게 되면서 벌크 유동인 이온풍을 야기하게 된다.

반면, 양전압을 인가하였을 경우, 화염에서 생성된 음전하 는 기본적으로 전자와 음이온으로 구성된다. 음전하의 구성 은 전자가 90 %를 차지하기 때문에 음이온은 거의 무시할 수 있다. 전자의 이동도(Mobility)는 이온에 비해 1000배 정도 빠르기 때문에, 전자에 의한 운동량 확산은 이온에 비해 약 하다. 하지만 전자가 주변의 전기음성도가 높은 O₂와 전자흡 착현상으로 음이온인 O₂^-를 생성하게 된다. 음이온이 로렌 츠 힘에 의해 가속하고 중성자에게 운동량을 확산시켜 벌크 유동을 야기한다. 따라서 양전압을 인가할 경우, 전극으로의 이온풍이 발생하게 되고, 화염으로부터 발생된 연기의 거동 이 전극으로 이동하는 것을 관측할 수 있다(Kim et al., 2017). 이러한 이온들의 구성과 이동도(Mobility)의 차이로 인해 Fig. 4(a), (b)의 차이가 발생하는 것이다.

또한 종이와 스티로폼에서 V_DC = +10 kV를 인가한 경우를 다시 한번 비교하게 되면 종이는 스티로폼에 비해 상대적으 로 에너지 밀도가 높기 때문에(분자구조상 탄화수소 계열의 화학종이 많다.) 종이를 연료로 채택하여 화염을 발생시키게 되면 연소 과정 중 주변의 공기를 스티로폼에 비해 많이 소 비하는 것으로 판단된다.

양극으로의 이온풍은 전자가 전자흡착현상으로 주변의 O₂와 부착되어 음이온을 형성해야 이온풍이 발생될 수 있 다. 하지만 종이는 스티로폼에 비해 상대적으로 주변의 O₂를 많이 소비함으로써 충분한 양의 음이온을 형성하지 못하게 되고, 이로 인해 스티로폼을 연료로 채택하여 +10 kV를 인가 하였을 때 보다 미미한 효과를 나타내는 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 전기장을 화염에 인가하여 화재 시 발생하는 화재연기를 인위적으로 제어하여 유독가스를 외부로 배출 하는 화재 모사 실험을 수행하였다. 실험에서 도출된 결과 는 아래와 같다.

따라서 본 실험 연구를 통해 전기장을 화재연기 제어에 활용할 경우, 5 kV 이상의 인가전압이 요구되며 양전압보다 음전압이 효과적인 것을 알 수 있었다. 본 연구에서 제안한 화재 연기제어 기술을 실제 화재현장에서 적용할 경우, 화 염 및 금속망사의 크기에 따라 인가되는 전기장의 출력이 상대적으로 증가할 것은 불가피하다. 그럼에도 불구하고 본 논문에서 제안한 전압 크기 및 극성변화 효과는 스케일 (scale)에 의존하지 않기 때문에 제안된 실험결과를 근거로 화재 발생 시 재실자의 안전한 대피 공간을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.