화염 연소와 훈소의 차이를 연소적인 측면에서 설명하자면, 화염 연소는 조건에 따라서 화염의 강도가 강하거나 약하게 반복적인 변화를 겪으며 반응이 지속할 수 있다. 그러나 훈소는 미세한 반응으로서 상대적으로 작은 조건의 변화에도 반응이 지속하거나 또는 아예 반응이 멈추어 버릴 수 있다. 화염 연소를 마치 다리 위에서 차를 타고 운전해 건널 때 다리의 폭이 넓어지거나 좁아지는 경우라고 설명한다면 훈소의 연쇄반응은 가느다란 외줄을 타고 걸어가는 것이라고 설명할 수 있을 것이다.

1. 화재의 잠복, 훈소

훈소는 [그림 2]에서 보는 바와 같이 고체 표면에서 일어나는 미약한 연소반응이다. 반응의 전파속도가 매우 느리며 발생하는 에너지도 미약하기 때문에 반응이 일어나고 있더라도 사람이나 열감지기 등에 의한 발견이 어렵다. 그리고 훈소는 화염 연소에 비하여 연기가 많이 생성되는 반응이지만 담배꽁초와 같은 불씨에 의해 작은 범위에서 훈소가 시작되는 초기에는 열이 매우 낮기 때문에 이에 의한 대류 현상도 미약하다. 따라서 발생한 연기를 천정에 설치된 연기 감지기까지 밀어 올리지 못하기 때문에 연기 감지기의 반응도 지연된다.

훈소는 에너지가 미약하기 때문에 목재, 종이류 등 고체 가연물에서 반응이 시작되었다고 해도 곧바로 화염 연소로 전환되는 경우는 없다. 훈소에 의해 화염 연소가 발생하기 위해서는 반응 부위가 넓어지며 온도를 높이는 과정이 필요하기 때문에 그에 해당하는 시간이 소요되고 이 시간을 훈소의 잠복기라고 할 수 있다(훈소의 화염 전환과 관련이 있는 산소농도에 대한 문제는 별론으로 한다).

이러한 특성 때문에 화재 조사관은 어떤 화재 사건의 가설을 고려할 때 점화원이 제공된 시점과 화재가 발견된 시점 간에 시차가 있는 경우 훈소에 의한 잠복 가능성을 거론하는 경우가 종종 있다. 그러나 종종 점화원 제공과 화재 발견의 시차가 발생할 때 과학적 고려가 없이 훈소의 메커니즘을 막연히 인용하여 결론을 내리는 비과학적 화재조사도 눈에 띈다. 특히 공사장 화재와 같은 언론 보도를 검색해 보면 여전히 근거 없는 통념에 의한 화재조사가 만연하고 있음을 확인할 수 있고 관공서의 화재 감식 결과 보고서와 전문가들의 기고문에서도 이와 같은 문제점이 종종 발견된다.

위 가설의 과학적 타당성에 대한 검토는 다음과 같다.

훈소에 의한 화재, 훈소의 잠복 과정에 대한 화재가설을 고려할 때 가연물의 성질에 대한 고려가 필요하다. 의심되는 가연물 시료를 수집하고 화학적 분석을 통해 물질의 정확한 성분을 확인하는 방법이 있지만, 현장에서 가연물에 라이터 등 화염을 접근시키는 간단한 실험만으로도 충분하다. 만일 라이터 화염에 의해 시료가 녹으며 흐르는 물질이라면 훈소가 불가능한 물질이다. 위 그림 중 면직류의 연소실험과 같은 모습으로 연소한다면 이는 열분해-연소 가연물로 훈소가 발생할 수 있다. 그러나 위 Polyester 직물의 연소실험과 같이 화염이나 열이 제공되었을 때 녹아 액체가 된다면 이는 상변화-연소 가연물로 훈소가 불가능하다.

2. 스티로폼의 발화 및 연소과정

Supan Wang(2015) 등은 뜨겁게(900-1,100℃) 가열된 금속 입자(직경 3-7mm)를 스티로폼 위에 떨어뜨려 불이 붙는 과정을 실험 후 스티로폼의 변화과정을 관찰하였다. 이 실험을 통해 용접 불티 또는 그라인더 불티, 담배꽁초 등 미소화종이라고 하는 작은 불씨가 스티로폼에 떨어져 화재가 발생하는 메커니즘을 확인 할 수 있다. 실험 결과 스티로폼은 불씨가 떨어진 즉시 화염 연소하거나 연소하지 않는 결과를 나타냈으며, 훈소 등 그 외의 반응은 나타나지 않았음을 확인하였다.1)

Supan Wang(2015) 등은 각 물질의 물리·화학적 성질을 입력하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였고, 금속 입자의 온도에 따라서 스티로폼의 화염 발생 상황과 화염이 발생하지 않은 상황에 대하여 온도-시간 곡선을 위 그림들과 같이 구하였다.

[그림 7]은 금속 입자의 온도가 스티로폼의 상변화(용융-기화)에 요구되는 잠열을 극복하고 이어서 발생한 기체에 착화에너지를 제공하여 화염 발생에 성공한 실험이다. [그림 8]은 금속 입자의 온도가 스티로폼의 상변화(용융-증발)에 요구되는 잠열을 극복하지 못했기 때문에 화염 연소를 하지 못했고 시간이 지남에 따라서 냉각되는 모습을 나타내고 있다.

화염 연소에 성공한 그래프에서 알 수 있듯이 뜨거운 금속 입자가 접촉하였을 때 화염 연소는 0.5초 이내에 완성되었다. 스티로폼은 뜨거운 입자가 접촉하였을 때 즉시라고 이야기할 수 있을 정도의 짧은 시간 내에 화염 연소가 발생하지 않는다면 우측의 화염 연소에 실패한 그래프와 같이 입자의 온도는 시간이 지날수록 냉각되므로 이후에는 더욱이 아무런 이벤트도 발생할 수 없다.

Supan Wang(2015)이 또 다른 연구2)에서 제시했던 그림에서 뜨거운 금속 입자(8mm, 990℃)가 스티로폼(18kg/m3, 80mm thick)을 녹이며 관통한 내부의 표면을 확인할 수 있다. [그림 9]의 (a) 는 화염 연소에 이르지 못한 상태로 녹아 관통된 모습이며, (b) 는 금속 입자가 접촉했을 때 화염 연소가 시작되고 약 2cm 깊이로 타들어 간 후 소화된 모습이다. 관통된 내부 표면은 단지 열에 의해 용융되었을 뿐 탄화 등 훈소현상과 관련 지을만한 어떠한 흔적도 찾아볼 수 없다. 잠깐 화염 연소하였던 (b) 의 상단 2cm 부위가 부분적으로 검게 변한 모습을 볼 수 있는데 이것은 용융-증발한 스티로폼의 기체가 화염 연소할 때 발생한 그을음이 표면에 부착된 것이며 스티로폼이 탄화된 것은 아니다. 스티로폼에서 훈소반응이 일어나지 않는다는 점은 함께 제시하는 폴리우레탄 폼의 훈소실험 사진에서 내부가 검게 탄화된 모습과 비교하면 그 차이를 쉽게 알 수 있을 것이다.

앞서 설명하였던 것처럼 스티로폼 등 열가소성 물질은 훈소 반응을 일으킬 수 없다. 사례에서 오전에 주어진 점화원이 장시간에 걸쳐 잠복하거나 화염 연소가 지연될 가능성은 없다. 따라서 오전의 절삭 불티는 스티로폼의 점화원으로서 부적합하다. 이러한 물질에서 화염 연소가 시작되었다면 점화원이 주어진 시기는 동시라고도 말할 수 있는 정도의 바로 직전이다. B가 현장으로 도착하였을 때 화염을 발견한 것이 아니라 작업 준비 중에 불이 나는 것을 보았다면 B가 현장에 있는 동안 점화원이 주어졌다는 것을 예상해 볼 수 있다. 따라서 화재는 A의 그라인더 작업이 아니라 오히려 B의 용접 작업에 의해 발생하였을 가능성이 높다.

앞서 제시한 사례와 가설의 예는 실제로 유통되었던 화재조사 보고서와 관공서에서 배포한 언론 보도 자료에서 발췌한 것이다. 선의의 피해자와 안타까운 누명에 대한 사례이다. 비과학적 화재조사 결론이 법정에서라도 바로 잡히길 바라지만 한번 내려진 결론이 화재조사관의 손을 떠나면 수정되기 어렵고 그 가능성도 작다.

3. 방화범의 진술 검증

수사기관의 강력한 의심을 받는 방화범들, 특히 현장 부재 증명이 어려운 방화범들, 구체적인 수법은 알 수 없지만, 자신의 행위와 밀접한 관련이 있을 거라는 의심을 받는 방화범들은 자신의 죄를 경감시키기 위해서 방화가 아닌 실화를 종종 주장한다. 그들은 직접 불을 낸 사실을 감추기 위해 “침대 위에서 담배를 피우고 나왔는데 불씨가 떨어져 불이 난 것 같다.”라며 담배꽁초의 발화 가능성을 종종 언급한다. 방화범 혼자 있는 공간에서 발생한 화재에 대하여 그 진술을 확인할 만한 증거는 많지 않다. 그러나 이런 경우에 지목된 초기 가연물의 라이터 화염 접근 실험을 해보고 훈소가 발생하지 않는 물질이라는 점을 확인한다면 거짓 진술이라는 것을 확인할 수도 있다.

필자가 경험하였던 40억 상당의 보험사기 방화 사례는 피의자가 범행의 일부를 시인하면서 방화 수법에 대하여 “계단에 놓여 있는 소파 위에 석유류 액체 가연물을 뿌리고 담배꽁초를 올려 두고 나오는 방법으로 화재를 일으켰다.”라고 진술하였다. 현장의 소파는 비닐 재질의 표면과 내부는 스펀지로 채워져 있었다. 피의자의 진술을 토대로 화재가 일어날 수 있는 가장 양호한 조건으로 실험을 수행하였지만 모두 화염 연소에 이르지 못했다.

이러한 사례에서 관계자의 수법에 대한 거짓 자백이 검증되지 않고 공소장 범죄사실에 그대로 기재된다면 이 재판의 결과는 누구라도 충분히 예상해 볼 수 있을 것이며 그 결과의 책임은 화재조사관에게 있을 것이다. 화재조사관은 화재 가설로서 훈소의 메커니즘을 인용하고자 할 경우에는 초기 가연물의 성질에 대한 검증이 필요하다.

대부분의 교재에서 훈소의 가연물에 대한 설명을 살펴보면 ‘다공성’, ‘축열조건’만을 거론하고 있다. 이러한 단편적인 설명 때문에 경험과 지식이 부족한 화재조사관들은 다공성이며 축열 조건이 매우 우수한 스티로폼을 훈소의 가연물로 이해하고 있는 경우가 많다. 그러나 이 물질은 열가소성 물질이다. 열가소성 물질은 고체 상태일 경우 이와 같은 조건을 충분히 만족하다 하더라도 열에너지가 전달되면 용융되어 밀도가 높은 액체가 되며 헌열과 잠열의 소비 및 열전도 손실로 인하여 축열 조건이 현저히 떨어지는 물질로 변한다는 점을 고려하지 못한 것이다.

필자는 본 고를 통해 훈소의 가연물 조건에 대하여 ‘훈소는 다공성이며 축열 조건이 우수한 열분해-연소 가연물’이라고 수정·보완할 것을 제안한다.