1.머리말

전기장판은 겨울철 실내의 난방을 위하여 가정 등에서 많이 사용되는 가전제품이다. 현재 우리사회는 아파트를 중심의 서구식 주거문화로 빠르게 변하는 추세임에도 불구하고, 온돌문화에 익숙한 과거 정서를 만족시켜주는 특성과 가격이 저렴하며 사용이 편리한 장점 때문에 전기장판은 꾸준히 사용되고 있으며, 전기요, 전기방석, 의료용 기기 등 그 용도는 매우 다양하다. 이러한 전기장판에 의한 화재는 사용자의 과실 또는 제품상의 결함 등에 의해 꾸준히 발생되고 있으며, 그에 따라 인명 및 재산상의 손실도 증가하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 전기장판의 발열원리 및 발화메커니즘을 이해하고, 화재사례를 통해 화재위험성을 파악하여 그에 대한 손실예방대책을 강구하고자 한다.

2. 발화위험

가. 구조 및 원리

전기장판은 온도조절기를 통한 전류가 전열선으로 흐르면서 발생되는 열을 이용하는 가전제품이며, 전열선, 보온재 및 온도조절기 등으로 구성된다.

(1) 전열선

전열선은 저항체에 전류가 흐를 때 발생되는 열을 이용한 전도체로서 가정용 전열기구에서 산업용 전기기기까지 그 사용범위는 상당히 광범위하다. 전열선은 일반적으로 고유저항이 크고, 저항온도계수가 작으며, 내열성⋅내구성⋅내식성이 우수해야 한다. 또한, 고온에서 강도가 유지되어야 하며, 가공성이 용이할수록 좋다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 전열선은 발연선과 감지선의 이중구조로 되어있는 전열선이다.

절연선은 구리-카드뮴 계열의 발열선을 압연하여 나이론사에 나선형으로 감은 다음 실리콘으로 절연시키고, 그 위에 감지선을 감은 구조로서, 발열선과 감지선의 위상차에 의해 사이리스터(Thyristor)로 하여금 위상제어를 하여 적절한 전압을 반복적으로 공급하는 원리를 이용한다. [그림 1]은 무자계열선의 계략도를 나타낸 것이며, [그림 2]는 사이리스터를 이용한 위상제어회로의 개략도를 나타낸 것이다.

(2) 보온재

전기장판 외형은 전면 및 후면의 내피 사이에 부직포재질의 보온재가 설치된 구조이다. 부직포는 열과 수지를 이용하여 섬유가 서로 얽히도록 기계적인 처리를 하여 만든 원단이다. 가볍고 통기성과 보온성이 좋으며, 절단 부분이 풀리지 않는 특징이 있어 전기장판의 내피로 주로 사용된다.

(3) 온도조절기

현재 판매되고 있는 대부분의 전기장판에는 사이리스터를 이용한 위상제어방식의 온도조절기가 설치되어 있다. 위상제어방식의 핵심 소자인 사이리스터는 SCR(silicon controlled rectifier)이라고 불리는 실리콘 제어정류기의 한 종류로서, pnpn 또는 npnp형 구조의 3단자 단방향 스위치 소자이다. [그림 13은 SCR의 기호를 나타내고 있으며, SCR의 Anode(A)와 Cathode(C) 그리고 Gate(G)의 3개 단자의 명칭과 전류의 흐름을 나타내고 있다.

위상제어방식에 의해 사이리스터의 Anode(A)측에서 Cathode(C)측으로 전류가 흐르기 위해서는 Anode(A)단자에 (+)극이 인가되고, Cathode(C)단자에 (-)극이 인가되며, Gate(G)단자에 순방향 전압인 (+)전압이 인가되어야 한다. 즉, Anode(A)단자와 Cathode(C)단자에 공급되는 전압의 위상과 Gate(G)단자에 공급되는 전압의 순방향(+) 위상이 동일한 구간동안만 전류가 흐르게 되는 것이다. [그림 4]에서 보는 것과 같이 회로의 위상과 동일한 위상에서 게이트에 펄스가 인가되는 경우 순방향(+)의 전체파형이 회로에 인가되며, 회로의 위상보다 게이트펄스가 뒤진 경우 게이트단자에 펄스가 인가된 시점부터의 파형이 회로에 인가되는 것이다.

나. 발화 메커니즘

(1) 전열선 손상에 의한 발화위험

국내에서 가장 많이 사용되는 전열선은 구리-카드뮴 합금계열의 발열선(hot wire)을 실리콘으로 절연한 후 감지선(signal wire)을 감은 구조의 무자계열선이다. 무자계열선은 발열선과 감지선의 전류의 방향을 반대로 흘려주어 발열선에 전류가 흐르면서 발생되는 자속을 감지전의 전류에서 발생되는 자속이 상쇄시켜 인체에 흡수되는 전자파의 영향을 줄이도록 고안된 열선이다. 이러한 방식에서 설정 온도에 따라 발열선에 흐르는 전류의 양이 변하는데, 이때 감지선에도 변하는 전류가 흐르며, 고온으로 설정할수록 많은 전류가 흐르게 된다. 이때, 절연이 취약한 부분이 있거나 국부적인 가열에 의해 절연피복에 용융이 진행되는 경우 발연선과 감지선의 절연이 파괴되는 결과를 초래하여 결국 발열선과 감지선 사이에서 단락이 발생하게 된다. [그림 5]는 무자계 열선에서 발열선에 싸여진 실리콘 절연물의 절연이 파괴되어 발연선과 감지선 사이에서 단락이 발생된 사례를 나타내고 있다.

[그림 5] 무자계열선의 절연파괴 현상

(2) 온도조절기에 의한 발화위험

전기장판류의 온도조절기는 전기장판 표면을 설정한 온도로 유지하는 역할을 한다. 난방기기의 온도조절방식은 바이메탈을 이용한 온도제어방식, 벨로우즈식 온도제어방식 등 여러 가지가 있으나 대부분의 전기장판은 사이리스터라는 반도체소자를 이용한 위상제어방식을 사용한다. 위상제어방식은 사이리스터의 게이트(G)단자에 인가되는 신호선의 위상에 의해 회로전류를 제어하는 방식으로 그 자체적으로는 화재의 위험이 낮다. 하지만 전기장판의 온도조절기는 전원코드를 통해 전기장판의 전열선으로 전류를 전달 및 제어역할을 하는 부분으로서 단자 사이의 접속부분이 존재하는 부분이며, 온도조절기 내부에서 전열선과 전원코드의 접속부분의 접속이 불량한 경우 전기장판을 사용하는 과정에서 그 접속부분에서 과열이 발생될 위험이 있다. 온도조절기와 전열선 또는 전원코드의 접속부분이 헐겁거나 모두 체결되지 않고 일부만 체결된 경우 접속불량에 의한 화재위험이 있으므로 각별한 주의가 필요하다.

(3) 축열에 의한 발화위험

전기장판의 전열선에서 축열에 의해 과열되는 경우는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 아래와 같이 구분할 수 있다.

1. ▣ 전열선이 부직포에 완벽히 제봉되지 않아 전열선 간에 겹치는 경우
2. ▣ 전기장판을 겹쳐진 채로 사용하는 경우
3. ▣ 날카로운 물체 또는 중량물에 의해 전열선의 절연피복이 손상되는 경우
4. ▣ 전기장판을 라텍스 매트리스와 같이 장시간 사용하는 경우

관련 업계에 따르면, 전기장판의 화재 중 소비자의 사용상 부주의에 기인한 화재가 전체의 60%를 차지하고 있어 전기장판의 사용자의 각별한 주의가 요구된다.

3. 화재사례

가. 라텍스 메트리스와 겹쳐 사용하여 발화된 사례

(1) 일반사항

1. - 소재지: 서울시 서초구 양재동 소재 주택
2. - 화재발생일시: 2011년 03월 22일 18:00분경
3. - 재산피해: 약 1천만원

(2) 화재경위

본 화재는 사용자가 침대 위에 전기매트를 켜놓은 상태로 오후 3시경 외출을 한 후, 당일 오후 6시경 동일 주택의 주민에 의해 소방서에 신고 되어 진압된 화재사고이다. 화재 초기사진을 확인한 결과 전기매트의 바닥부분에는 침대 매트리스, 침대커버 2매가 위치하고 있었고, 전기매트 상부에는 라텍스 매트리스, 거위털 이불이 위치하고 있었다.

(3) 발화원인

전기매트는 침대의 상부에서 라텍스 매트리스와 거위털 이불이 덮혀 있는 상태에서 고온으로 장시간 사용되는 과정에서 라텍스 매트리스에 장시간 열 축적이 진행되었고, 라텍스 매트리스가 자체 발열하는 과정에서 화재로 진행된 것으로 보인다.

나. 반단선에 의해 발화된 사례

(1) 일반사항

1. - 소재지: 강원도 춘천시 석사동 소재 주택
2. - 화재발생일시: 2015년 04월 16일 20:10분경
3. - 재산피해: 약 2천만원

(2) 화재경위

사용자는 화재당일인 2015년 04월 16일 20:00경 안방에 있는 전기요의 전원을 ‘ON’시킨 후 거실에서 TV를 시청하던 중, 20:10경 안방에 검은 연기가 나오는 것을 목격하고 즉시 물을 부어 자체 소화하였다.

(3) 발화원인

전기요의 온도조절기의 접속단자와 인접한 연결전선에서 반단선 현상이 발생되었으며, 반단선으로 인해 연결전선의 내부 소선에서 발생된 지속적인 직렬아크(series arc)로 인해 화재가 발생된 것으로 보인다.

4. 손실예방대책

가. 전열선과 전열선에 접촉되는 부분(부직포 등)은 난연성능이 있을 것

전기장판 전열선의 절연피복이 손상된 상태로 사용되는 경우 전열선의 손상된 부위에서 아크가 발생될 수 있으며, 이 아크로 인해 화재로 진행될 수 있다. 이에 전기장판의 전열선과 전기장판의 내부에 설치되는 부직포 등의 보온재는 난연성이 있는 제품을 사용할 필요가 있다.

나. 외부 충격에 의한 전열선의 절연이 손상되지 않는 구조일 것

외부의 충격에 의해 전열선의 절연이 손상되는 경우 화재 및 감전의 위험이 존재한다. 이러한 위험을 방지하기 위하여 전열선의 피복은 외부충격에 충분한 강도가 구조로 설치될 필요가 있다.

다. 전열선이 교차되지 않도록 제조할 것

전기장판 등과 같이 내부에서 전열선 및 보온재가 설치되는 전열제품의 경우 전열선이 부직포에서 이탈되거나 재봉이 불량하여 전열선 상호간에 교차되는 경우 국부적으로 과열이 증가하여 화재의 위험이 증가하게 된다. 따라서 사용자는 전기장판의 전열선이 두껍게 느껴지거나, 국부적으로 발열이 심하게 느껴지면 즉시 사용을 중지해야 할 필요가 있다.

라. 전기장판을 접힌 상태로 사용하지 말 것

전기장판이 접힌 상태로 사용되는 경우 축열에 의한 화재위험이 증가하므로, 사용자는 전기장판을 사용하는 과정에서 접히거나 구부려지지 않도록 각별히 주위 해야 할 필요가 있다.

마. 천연 라텍스 메트리스와 함께 사용하지 말 것

천연 라텍스 메트리스는 전기장판과 함께 고온에서 장시간 사용되는 경우 자체 발열하는 특징이 있다. 이때 발생되는 열에 의해 훈소과정을 거쳐 화재로 진행될 수 있기 때문에 사용자는 전기장판과 라텍스 메트리스와 함께 사용하지 않도록 주의하여야 한다.