1. 머리말

태양은 모든 에너지의 근원이라고 볼 수 있을 만큼 지구에 영향을 미친다. 우리가 사용하고 있는 화석에너지 또한 그 근원을 고찰해 보면 유기물의 생성과 성장이라는 점에서 결국 태양으로 수렴된다. 태양은 이처럼 높은 에너지를 가지고 있고 활용도도 높지만 우리의 삶에 긍정적인 영향만을 주는 것은 아니다. 본고에서 소개하고자 하는 태양광에 의한 화재 사례는 매우 드물게 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 설사 발생하였다고 해도 그것을 원인으로 판단할만한 지표들을 남기지 않으므로 화재조사 시에 발화원인으로서 태양광이 지목되는 경우는 더욱 드물다. 화재감식에서 발화원인 판단 시의 신중함과 태양광 수렴화재가 특이할 만한 흔적을 남기지 않는다는 특징을 고려한다면 실제 발생하는 화재 사례 중에서도 극히 일부만이 보고되고 있을 것이며 대부분은 미상으로 분류되고 있을 것이라는 점을 쉽게 예상해 볼 수 있다. 현재까지 실무와 학계에 보고되었던 태양광 수렴에 의한 화재가 매우 경미하게 연소된 사례들뿐이라는 점은 이러한 가설을 방증하고 있다.

2. 태양광 수렴 화재 일반

태양광 집속에 의한 발화는 성화를 채화하는 장면에서 오목거울을 사용해 초점에 집속된 태양의 복사열을 이용하여 불을 붙이는 모습을 상기해 보면 어렵지 않게 이해할 수 있다. 태양의 복사선은 평행한 상태로 지구에 도달하고 대기를 통과하는 중에 수증기나 먼지 등에 의해 흡수되거나 산란되어 실제로 지면에 도착하는 것은 태양이 지구로 방사하는 에너지의 약 70%에 달하며 그것은 직각면에서 860kcal/m2 정도가 된다. 이는 태양광과 지면이 직각인 상태에서의 에너지량이며 일반 지표면에 도달하는 에너지는 태양의 입사각에 따라서 달라지며 입사각은 지구상의 위치와 공전주기에 따라 변한다. 태양에너지는 대기권을 지나며 일부 산란되고, 손실된다고 하였는데, [그림 1]에서 보는 것과 같이 우리나라의 경우를 계절별로 비교해 보면 입사각이 가장 큰 하지 때에 대기권 통과거리가 가장 짧아져 방사되는 에너지는 여름철이 가장 많고, 겨울은 비교적 적어지는 것을 알 수 있다. 그러나 실제로는 지표면에 도달하는 태양에너지양은 여름철 높은 습도로 인해 대기권 손실정도가 크므로 오히려 건조하여 대기권에서 손실이 적은 겨울철이 더욱 크다.1)

산과 들에 내리쪼이는 태양광 자체로서는 직접적인 점화원으로 작용하기보다는 일반적인 상황에서 가연물의 건조와 온도상승에 기여하는 정도로서 화재의 조력자 역할을 할 수 있다. 일반적인 상황에서는 발화의 위험성이 없으나 볼록렌즈나 오목거울 또는 이와 유사한 역할을 하는 물체에 입사되면 에너지가 좁은 범위에 집중되어 가연물 표면의 온도를 높이고 화재 위험성이 높아진다.

3. 태양광 수렴 화재의 3요소

태양광의 수렴에 의한 화재는 중요한 3가지인 집속물체의 입사 면적, 초점거리, 가연물의 성질(반사율, 열전도도, 입사각)에 영향을 받는다. 이 3가지 요소 중 1개가 만족되지 않을 경우에는 발화에 이르지 못할 수 있으며 상호보완을 통해 발화에 이를 수도 있다.

요소1. 집속물체의 입사면적

태양광은 복사선의 형태로 이동하여 특별한 집속이 없다면 면 전체에 균등한 에너지를 전달하며 우리는 그것을 따뜻한 정도로 느낄 수 있다. 그러나 오목거울이나 볼록렌즈 등에 입사되면 반사와 굴절이 발생하면서 특정 지점에 집중하게 되는데 입사면적이 넓을수록, 핫스팟(Hot spot)이 좁을수록 해당부위의 에너지가 증가된다. 예를 들어 집속물체의 면적이 10이고 이곳에 투사된 에너지가 굴절이나 반사에 의해서 1이라는 면적으로 집중된다면 굴절 전에 비하여 에너지량은 10배가 된다. 집속물체의 면적이 100이고 1이라는 면적으로 집중된다면 에너지량은 100배가 된다. 집속물체의 입사면적이 넓을수록 수렴된 에너지의 양은 증가하므로 위험이 증가한다. 집속물체의 태양광 입사면적은 화재 위험성과 비례한다.

요소2. 초점

초점은 광선이 굴절과 반사에 의해서 수렴되는 지점을 말한다. 곡률반경이란 집속물체의 곡선부분을 포함하는 가상의 원을 그렸을 때 이 원의 중심을 곡률중심이라고 하며 곡률중심까지의 거리(반지름)를 곡률반경이라고 한다. 초점은 곡률반경의 1/2 거리에 위치한다.

집속물체의 입사면적이 일정할 경우 초점거리와 가연물의 위치에 따라서 화재위험성이 높아지거나 낮아진다. 집속물체로부터 가연물의 위치가 초점거리와 일치할 경우 태양광의 집중도가 가장 높으며, 어느 방향으로든 관계없이 초점거리로부터 멀어질 경우 핫스팟은 넓어지고, 집중도는 낮아지고 가연물의 표면온도를 높이기 어려워진다. 핫스팟의 크기는 화재 가능성과 반비례한다.

집속물체의 곡률반경에 따라서 가까운 거리에 초점이 형성될 수도 있고 먼 거리에 초점이 형성될 수도 있다. 특정한 집속물체의 초점거리와 가연물의 위치가 일치할 경우 집속물체의 모든 면적에 입사되는 광선은 한 개의 점과 같은 작은 지점으로 집중되어 가연물의 온도를 높이고 화재에 이를 수 있다. 곡률반경이 작을 경우 초점 거리는 불과 수 cm 수준의 근거리에서 집중될 수 있지만 곡률반경이 더욱 큰 경우에는 수 m, 수십 m에 이를 정도로 훨씬 먼 초점 거리를 가지게 되는데 이런 경우 발화장소와 발화를 일으킨 집속물체의 거리가 멀기 때문에 현장조사에서 발견되지 않거나 그 가능성이 간과되는 경우도 있다.

발화지점이 집속물체로부터 거리가 멀다는 이유로 막연히 에너지의 손실이 발생한다고 생각하거나 태양광 수렴에 의한 발화가능성을 낮게 평가하거나 간과해서는 안 된다는 점을 강조한다. 집속물체의 입사 면적이 동일하다면 어느 거리에 집중이 되던 간에 대기 중을 이동하는 복사선의 손실이 없다면 집중된 지점의 에너지 밀도는 같다. 이미 태양으로부터 지구의 거리 1억5천만km를 이동하면서 대기권 약 1,000km를 통과한 태양광이 수십 m를 더 이동한다고 해도 주목할만한 에너지 손실은 예상되지 않는다. 즉 광선이 먼 거리를 이동하는 대기 중의 먼지, 수증기 등이 많지 않다면 손실이 적고 유사한 수준의 에너지이기 때문에 발화 가능성을 검토할 때 거리는 집속물체의 입사면적에 비하여 상대적으로 덜 중요한 요소일 수밖에 없다.

만일 방화범이 이를 이용한다면 특정 건물을 침입하거나 창문을 깨뜨리지 않더라도 그리고 심지어는 건물 근처에 접근하지 않더라도, 원거리에서 창문을 통해 내부에 화재를 발생시킬 있다는 것으로 화재조사관에게는 위협적인 도구가 될 수 있을 것이다.

초점의 위치는 집속물체와 태양의 입사각에 따라서 결정된다. 집속물체의 위치가 고정되어 있다고 하더라도 공전과 자전에 따라서 지구에 입사되는 태양의 입사각은 변화하고 이에 따라서 초점의 위치도 이동한다. 미국의 저명한 화재조사관인 존 렌티니(John J. Lentini)가 본인의 저서 ‘Scientific Protocol for Fire Investigation’에서 소개하였던 사진2)을 살펴보면 태양의 위치변화에 따라서 초점이 이동한 모습을 관찰할 수 있다.

요소3. 가연물의 성질

태양광 수렴에 의한 화재 가능성을 검토할 때 빼놓을 수 없는 것이 바로 가연물의 성질이다. 이 경우 고려되는 성질은 일반적인 가연물의 연소성뿐만 아니라 빛의 흡수율과 관련된 표면의 성질과 입사면의 각도에 영향을 받는다. 입사각이 직각(90°)에 가까울수록 복사에너지 전달율이 높으며 예각일수록 낮아진다. 표면에 광택이 있다면 집중된 태양광의 전부 또는 일부를 또 다른 방향으로 반사시킬 수도 있다. 광택이 없는 어두운 표면일수록 복사에너지의 흡수율이 높아지므로 화재가 발생할 가능성이 높다. 그리고 기본적으로 물질의 열전도도가 높다면 집중된 부위에 전달된 열에너지가 빠르게 분산되기 때문에 온도상승이 더디며 화재가 발생할 가능성은 낮아진다.

가연물의 연소성, 표면의 빛 흡수율, 입사각의 직각(90°) 일치도는 화재 위험성과 비례한다.

4. 일상에서의 집속물체

화재발생 가능성과 입사면적을 고려할 때 주의해야 한다. 집속물체의 입사면적의 크기는 화재발생 가능성과 비례하지만 화재를 발생시키기 위한 입사면적은 상당한 크기를 필요로 하지 않는다. 입사면적에 있어서 손바닥 크기의 돋보기로도 쉽게 점화시키는 실험을 해본 기억들이 있을 것이다. 그리고 심지어 과거 화재조사관들 사이에서는 나뭇잎에 맺힌 이슬방울의 태양광 수렴에 의해서도 화재가 발생할 수 있다는 가설이 논의되었던 적이 있다. 이것이 과장된 이야기일 수 있지만 입사면적뿐만 아니라 집중도에 대하여도 중요하게 논의되어야 한다는 점은 명백하다. 입사면적이 작은 경우에도 핫스팟의 크기가 작다면(초점이 일치하는 경우) 에너지 밀도가 높아지므로 역시 화재가 발생할 수 있다는 점을 유념해야 한다.

돋보기나 오목거울이 아니더라도 일반적으로 우리 생활에서 사용하는 여러 물건들 중에는 이와 비슷한 외형을 가지고 있는 물건들이 많으며 이 때문에 예상치 못한 수렴화재가 발생할 수 있다. 일상에서 수렴화재가 발생할 수 있는 생활용품들은 스테인리스 양푼 등 주방용품, 물이 담긴 볼록한 형태의 음료수병, 둥근 어항, 빗물로 처진 비닐하우스, 부탄가스 등 용기의 움푹한 하부경판, 조형물 또는 건물의 외벽의 곡면 등을 예로 들 수 있다. 특히 들판에 버려진 이와 같은 물체들이 임야화재를 일으키는 경우가 많으며 최근 미국 전력회사 Idaho Power는 물이 담긴 PET 병으로 자동차 좌석 시트를 태우는 실험 영상을 공개했다. 해당 영상에서는 PET 병을 투과한 빛줄기에 의해 시트의 표면온도가 99℃까지 온도가 올라가면서 두 개의 구멍을 내며 시트를 태웠다.3) 수렴화재와 관련된 유튜브(Youtube.com) 영상을 검색해 보면 물이 고인 유리냄비뚜껑과 물이 담긴 PET병의 실험영상들이 많으며 불과 1-2분 사이에 신문지에 불이 붙는 모습을 볼 수 있다. 그 외에도 건축물과 조형물 의한 반사-집광으로 인해 도로에 주차해 둔 차량이 열에 의해 손상되는 사례를 어렵지 않게 찾아 볼 수 있다.

5. 사례

5.1 생활용품에 의한 집광 사례

5.1.1 화장 거울에 의한 화재 사례

2020. 1월경 Facebook 화재조사관 그룹에서 태양광 수렴에 의한 화재 사례가 게시된 적이 있었다. 사례의 피해자는 집에서 무언가 타는 냄새를 맡았고 소방서에 신고하였지만 출동한 소방관들도 원인을 발견할 수 없었다. 그들은 그러기를 한참 후 창가 놓여 있는 화장거울을 발견하였다.(여성들의 화장거울, 남성들의 면도거울은 더욱 자세히 들여다 볼 수 있도록 확대기능이 있는데 오목거울로 만들어져 있다.) 이 거울에 반사된 빛이 플라스틱 창틀에 집중되어 있고 이곳이 검게 탄화되고 있었다. 피해자는 창가에 놓은 화장거울의 위험성을 깨달았으며 소방관들에게 더 큰 사고가 발생하지 않도록 이 사례를 SNS에 포스팅하여 널리 알려 줄 것을 요구했다고 한다. 이 사례에서 반사된 광선의 초점은 플라스틱 창틀에 조준되었지만 만일 커튼이나 기타 가연물이었다면 쉽게 화재로 진행되었을 것이다. 당시 포스팅에 제시된 몇 장의 사진4)을 본고에 인용하였다.

5.1.2 스테인리스 용기에 의한 화재사례

아파트 베란다에 커피가루를 건조하기 위해 스테인리스 용기에 넣어 두었는데 용기의 내측에서 반사된 태양광이 마치 오목거울처럼 커피가루 위에 수렴되어 화재가 발생하였다.5)

5.2 조형물 및 건물에 의한 집광사례

5.2.1 조형물의 집광사례

곡률반경에 따라서 집속물체의 초점은 근거리에서 발생할 수도 있지만 원거리에 집중될 수도 있다. 김현기(2017) 등의 사례 연구6)를 살펴보면 노상에 주차하였던 검은색 승용차의 화재사건의 원인에 대하여 인근에 설치된 스테인리스 조형물의 태양광 수렴에 의한 것으로 지목하였다. 그 외에도 유사한 화재사건들을 언론보도에서 확인할 수 있었다. [그림 6]에 제시된 스테인리스 조형물은 실제 태양광 수렴으로 화재를 일으킨 조형물이며 태양광이 집중되고 있는 곳에 신문지를 가져다 대는 언론기자들의 재현실험에서 3분 이내의 짧은 시간에 화재가 발생하는 모습을 보였다. 김현기는 논문에서 건물이나 조형물의 최초 설계 시 이러한 주변 환경의 광학적 환경을 검토해야 하고, 필요한 경우 기술기준에 적용해야 한다고 설명하고 있다.

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5.2.2 건축물의 집광사례

영국 런던에 위치한 독특한 형태의 워키토키빌딩(20 Fenchurch Street, The Walkie-Talkie, 160m, 38층)은 전체적으로 오목한 곡면으로 이루어져 있는데 이곳에 태양광이 비치면 도로의 특정 지점에 핫스팟이 형성되며 이곳에 위치한 차량의 플라스틱 부속품을 녹여 손상시키고, 심지어 계란 후라이를 요리할 정도로 달궈지기 때문에 프라이스크래퍼(Fryscraper)라는 별명을 얻게 되었다. 이러한 현상은 태양의 고도에 따라서 연중 2-3주의 기간 동안 하루 2시간 정도 발생하며 길바닥의 온도는 117℃까지 기록되었다. 엔지니어들은 설계자가 건물의 곡률을 10% 가량 더 줄였다면 태양의 빛과 열은 '극도의 살인광선'이라고 부를 만큼 훨씬 더 작고 더 강렬한 핫스팟으로 집중되었을 것이며 이것은 태양광의 최대 30배 수준으로 길거리의 아스팔트를 녹이기에 충분할 것이라는 점을 3D 모델링과 수치계산을 통해 예측하였다.7)

6. 맺음말

앞서 살펴본 바와 같이 우리의 일상에서 사용하는 물건들과 조형물 및 건축물들이 태양의 고도와 방향에 따라서 태양광을 집중시켜 화재를 일으킬 수 있다는 위험을 확인할 수 있었다. 이와 같은 태양광 수렴화재를 예방하기 위한 주의사항과 화재조사 관점에서 감식 착안사항을 다음과 같이 정리할 수 있다.

태양의 입사각도는 공전과 자전 통해서 1년을 주기로 변한다. 수개월간 무탈하게 보관되어 있던 물체들도 우연한 기회에 태양의 각도와 일치하게 되면 화재가 발생할 수 있다는 점을 명심해야 한다. 작은 관심과 주의로 화재를 예방할 수 있다. 지금 당장 창문과 발코니로 나가서 태양광을 수렴할만한 반짝이는 장식물 또는 생활용품 등 집속물체가 놓여 방치되고 있지는 않은지를 확인하길 바란다.

참고문헌