양초는 대부분의 가연물에 착화시킬 수 있는 화염이 노출되어 있기 때문에 자칫 주의를 게을리 하였을 때 화재가 발생할 확률이 높기 때문에 사용상의 높은 주의가 요구된다. 최근 Tea light candle이 실내 악취제거 또는 이벤트 장식용으로 많이 활용하고 있으며 그로 인한 화재사고가 증가하고 있다. 본 연구는 Tea light candle의 컵 바닥의 온도 상승과 열가소성 플라스틱 변형에 의한 화재 가능성에 대하여 고찰하였다. Tea light candle의 이중심지에 의한 화재 위험은 다양한 매체를 통해 홍보되고 있으나, 실험 결과에 의하면 이중심지가 아닌 경우에도 컵 바닥의 온도가 일부 열가소성 플라스틱의 가열변형온도 이상으로 상승하여 화재발생의 위험이 높은 것을 확인하였다. Tea light candle 컵의 온도가 상승할 수 있는 경우는 다양할 수 있다. 그러나 화재를 일으키는 직접적인 촉발요인은 바닥재의 열변형이므로 이러한 화재를 예방하기 위해서는 열변형이 발생하지 않는 비가연성 초 받침대를 사용하는 것이 중요한 것으로 사료된다.

1. 연구의 배경

    양초는 우리의 주변에서 다양한 목적으로 사용되고 있다. 어둠을 밝히는 전통적인 용도 외에도 실내악취를 제거하거나 분위기 연출을 위한 이벤트 장식용으로 많이 사용되고 있다. 양초에 의한 화재 위험성은 다양한 매체를 통해서 강조되어 왔지만 양초에 의한 화재사고는 변함없이 발생하고 있다. 지난 해(2021년도)의 발화원인별 국가화재통계를 살펴보면 전국에서 236건의 화재가 양초에 의해 발생하였으며 이로 인하여 2명의 사망을 포함하는 27명의 사상자가 발생하고 157900만원의 재산피해가 발생했다1).

    많은 화재조사관들에게 양초에 의해 화재가 발생하는 원인은 바람이나 애완동물에 의해서 양초가 가연물 위로 쓰러지거나 또는 가연물이 양초 위로 접근하기 때문인 것으로 알려져 있다. 그러나 창문이 닫혀있어 바람이 불지 않거나 애완동물을 키우지 않는 등 양초가 쓰러지거나 가연물이 접근하는 경우를 예상할 수 없는 상황 또는 조건에서도 양초로 화재가 발생한 경우를 종종 마주하게 된다.

    연구자들이 과학수사관으로 근무하는 지역 내에서도 양초에 의한 화재가 최근 여러 건 발생하였으며 그 중 대부분은 양초 중에서도 Tea light candle에 의해서 발생하였다. 연구자들은 사례 및 선행연구와 Tea light candle의 온도 측정 실험을 통해 발화메커니즘을 확인하고 사례공유를 통해 화재 위험성을 알리고 주의를 권고하고자 본 연구를 수행하였다.

    많은 화재조사관들에게 양초에 의해 화재가 발생 하는 원인은 바람이나 애완동물에 의해서 양초가 가 연물 위로 쓰러지거나 또는 가연물이 양초 위로 접근 하기 때문인 것으로 알려져 있다. 그러나 창문이 닫혀 있어 바람이 불지 않거나 애완동물을 키우지 않는 등 양초가 쓰러지거나 가연물이 접근하는 경우를 예상할 수 없는 상황 또는 조건에서도 양초로 화재가 발생한 경우를 종종 마주하게 된다.

    연구자들이 과학수사관으로 근무하는 지역 내에서 도 양초에 의한 화재가 최근 여러 건 발생하였으며 그 중 대부분은 양초 중에서도 Tea light candle에 의해서 발생하였다. 연구자들은 사례 및 선행연구와 Tea light candle의 온도 측정 실험을 통해 발화메커니즘을 확 인하고 사례공유를 통해 화재 위험성을 알리고 주의 를 권고하고자 본 연구를 수행하였다.

    현장을 관찰한 과학수사관은 책상 위 모니터 부위가 부분적으로 연소된 것을 확인하였고, 모니터의 뒤편으로 지나가는 전원선에서 합선흔적을 발견하였다. 그리고 책상과 방에 있던 좌식 테이블 위에서 Tea light candle에 의해서 바닥재가 변색 또는 변형되어 있는 모습이 발견되었다. 발견된 양초 흔적의 모습을 Fig. 2.에 제시하였다. 현장에 출동했던 과학수사관은 모니터의 전원코드의 합선을 발화원인으로 판단하기에는 외부화염에 의해서도 동일한 합선의 형태가 나타날 수 있고, 특히, 발화부라고 가정하였을 때 합선의 위치가 전체적인 연소형태와 부합하지 않으며, 합선이 발견된 지점에서 피복손상의 개연성이 없는 것으로 판단하였고, 현장에서 Tea light candle 외에는 점화원으로 작용하였다고 볼만한 시설 및 기구, 조건이 발견되지 않는 점에 근거하여 본 화재사례의 발화원인을 Tea light candle에 의한 것으로 결론 내렸다.

2. 이론적 고찰

2.1 Tea light candle

     Tea light candle의 명칭은 차 주전자(Teapot) 또는 퐁듀(Fondue)와 같은 음식물을 데우는 목적으로 활용되었던 것으로부터 유래하였다. 이 양초는 다양한 형태와 크기로 만들어질 수 있는데, 작은 알루미늄 컵에 담긴 양초의 사용빈도가 높다. 최근의 이 양초의 실질적인 사용 목적은 실내의 악취를 제거하거나 이벤트 장식용으로도 사용된다. 시중에서 흔하게 구매할 수 있으며 사용빈도가 높은 일반적인 Tea light candle의 형태는 지름 약 3.8cm, 높이 약 1.4cm의 알루미늄 컵에 파라핀 왁스와 향료의 혼합물질 약 12g이 담겨 있다. 낮고 넓은 원통 형태인 컵의 외형을 고려하였을 때 쓰러지지 않을 정도의 안정적인 형태를 가지고 있다. 심지의 직경은 약 0.2cm이며 연소시간은 약 3시간 이다. 연소 중, 모두 액상으로 변할 때 지지력을 잃고 심지가 쓰러지는 것을 막기 위해서 심지는 양초의 아래쪽에 디스크 형태의 마운트 중심에 세운 채로 고정되어 있다. Tea light candle의 사진을 대하여 Fig. 3., Fig. 4.에 제시하였다.

2.1.1 파라핀 왁스

    파라핀(paraffin)은 CnH2n+2(n≥19)의 화학식으로 표현되는 알케인 탄화수소를 두루 일컫는 단어이다. 물에 녹지 않으나 에테르나 벤젠, 에스터(에스테르)에는 녹는다. 파라핀은 20 혹은 40의 탄소분자로 이루어진 탄화수소분자의 혼합물로 석유나 석탄, 오일셰일에서 도출된 하얗고 색깔 없는 부드러운 고체이다. 파라핀은 윤활, 절연, 양초에 사용된다. 녹는점은 47 °C, 인화점은 200–240 °C, 끓는점은 370 °C이다2).

2.2 Tea light candle 의 화재 위험성

2.2.1 화재 주의사항

    이 양초의 소비자 주의 사항 중에서 화재와 관련된 내용을 살펴보면 “1. 불에 타지 않는 초 받침대를 사용할 것, 2. 가연물 등 화재 위험이 있는 곳에서 사용하지 않을 것, 3. 취침이나 외출 시 반드시 끌 것, 4. 기울어진 곳에서 사용 및 보관하지 말 것, 5. 나무 또는 플라스틱 등 열변형되는 물질 위에서 사용하지 말 것, 5. 심지가 중앙을 벗어나거나 바닥면에 심지가 닿는 것이 보일 경우 사용을 중단할 것.”이라고 명시되어 있다3). 사례의 사용자는 초 받침대를 사용하지 않았던 것으로 확인되었으며, 가연물이 있는 곳에 켜 둔 상태로 잠이 들었던 것으로 추정된다.

2.2.2 알려진 화재 위험성

     Tea light candle의 화재위험성과 관련하여, 영국의 머시소방서(Mersey fire, UK)에서 그 위험성을 경고하기 위해 유튜브에 업로드한 재현실험 영상을 발견할 수 있었다. 영상에서는 성냥을 사용하여 점화한 후, 성냥을 양초 위에 올려두었을 때 성냥에 의한 이중 심지 효과가 발생하며 그로 인해 플라스틱 바닥재가 열변형되면서 연소 중인 양초가 아래로 함몰되는 것을 볼 수 있었다. 영상의 일부를 캡쳐하여 Fig. 5.에 제시하였다4). 본고에서 인용한 실험동영상 외에도 Tea light candle을 플라스틱 외함의 전자제품 위에 올려두었다가 함몰되어 화재가 발생하는 여러 개의 실험영상을 유튜브에서 확인할 수 있었다.

    양초의 이중 심지는 화염이 커지는 효과가 발생하고 비교적 왕성한 화염에 의해 파라핀 액의 온도가 상승하며 컵에 열이 전달되고 컵 바닥의 온도가 높아져 열가소성 바닥재에 열변형이 발생한 결과인 것으로 사료된다. 사례에서도 Fig. 2. 와 같이 책상 등 여러 바닥재에 과열흔적들을 발견할 수 있었고 화재가 발생한 발화점은 모니터의 플라스틱 받침대 부분이다. 사례의 경우도 실험 영상과 마찬가지로 바닥이 열변형되면서 Tea light candle이 기울어지거나 함몰되면서 불씨가 옮겨 붙었을 가능성을 배제할 수 없다.

2.3. 열가소성 바닥재

    열가소성 물질은 온도가 높아질수록 특성이 감소하는 성질이 있다. 이 물질의 변형이 발생하는 온도를 가열변형온도(HDT. Heat Deflection Temperature)이라고 하며 가열변형온도가 100℃ 이하인 종류는 Acrylic, PE, PP, PS, PET, ABS 등이다. 대체적으로 열가소성 물질의 종류와 그 융점은 다양하지만 그 중에서도 가열변형온도가 낮은 열가소성 물질은 연소 중인 Tea light candle을 올려두었을 때 컵의 온도에 따라 영향을 받을 수가 있다. 일반적인 열가소성 플라스틱의 열변형 온도를 Table 1.에 제시하였다.

     Table 1.에서 제시한 가열변형온도는 ASTM D 648 테스트, 하중 하에서 플라스틱의 변형 온도를 측정한 값이다. '하중 변형 온도'(DTUL), '열 변형 온도'(HDT)라고도 한다. 이와 관련하여 일반적인 ASTM 테스트는 ASTM D 648이고 유사한 ISO 테스트는 ISO 75이다. 1.8MPa 하중을 사용하는 테스트는 ISO 75 방법 A에서 수행되는 반면 0.46MPa 하중을 사용하는 테스트는 ISO 75 방법 B에서 수행된다5). 이 방법은 Oil Bath 내에 설치된 지지대 위에 시편을 배치하고 Oil bath의 온도를 분당 2±0.2℃씩 올리며 시편이 0.25mm 변형되는 온도를 측정한 값이다. 이 값은 여러 플라스틱의 열적 특성을 상대적으로 비교하기 위한 것이다. 열가소성 플라스틱의 변형은 온도뿐만 아니라 하중과 고온에 노출된 시간도 영향을 미치기 때문에 시험을 통해 확인된 가열변형온도에 못 미치는 온도일 때, 변형이 발생하지 않는 것은 아니다. 다시 말하면 가열변형온도에 못 미치는 온도에서도 하중이 높거나 노출시간이 길면 변형이 발생할 수 있다.

    일상 주변에서 열가소성 플라스틱으로 제조된 다양한 물건들을 흔하게 발견할 수 있으며 특히 양초를 올려놓음직한 평평한 형태를 가지고 있는 것들도 많다. 예를 들자면 세탁기 윗면, 스피커 등 윗면, 플라스틱 상자 또는 용기의 윗면 등 이루 거론할 수 없을 정도로 다양하며 주변에서 흔하게 발견할 수 있다. <표 1>에 의하면 그들 중 일부는 융점이 낮기 때문에 이곳에 Tea light candle을 올려두는 경우 바닥재가 변형을 일으키면서 컵이 기울어지거나 천공되어 연소 중인 양초가 함몰되어 화재를 일으킬 수 있는 것 사료된다.

3. 실험

     Tea light candle에 의한 바닥재 변형을 가능성을 확인하기 위해서, 0.7mm 두께의 Polystyrene 플래이트 위에서 2가지 방법으로 연소시키며 실험체의 옆에서 바닥재와 접한 부분을 열화상 카메라로 촬영하여 온도를 측정하였다.

    실험1은 무풍상태에서 연소중인 Tea light candle을 올려두고 온도 변화를 관찰하였다. 실험2는 실험1과 동일한 상태이지만 선풍기로 일정한 바람을 일으켜 양초의 화염을 옆으로 눕혔다.

4. 결과 및 고찰

4.1 실험결과

    각 실험세트별 온도 변화를 Fig.7과 Fig. 8.에 제시하였다.

    실험1은 무풍상태의 온도변화를 관찰한 것으로 바닥과 접한 부위의 온도가 상대적으로 완만하게 상승하는 것을 볼 수 있다. 약 200분간을 관찰하였으며, 최고 온도는 180분을 경과하면서 73.5℃로 기록되었다. 190분부터 파라핀의 잔량부족으로 소극적인 화염을 유지하다가 소화되었다.

    실험2는 바람을 일으켜 화염을 옆으로 뉘인 상태의 온도변화관찰이며 약 60분간 진행하였다. 점화 후, 파라핀이 액상으로 변한 이후부터 급격하게 컵의 온도가 상승하였다. 약 10분이 경과하면서 70℃에 근접하였고 30분이 경과되었을 때에는 80℃를 초과하였으며 최고 온도는 87.2℃로 기록되었다. 화염이 옆으로 누웠을 때 파라핀과의 거리가 가까워지면서 복사열에 의해 더욱 빠르게 온도가 상승한 것으로 사료된다. Table 1.에서 제시한 열가소성 플라스틱인 Polyethylene, HDPE, Polyethylene Terephthalate(PET), Polypropylene의 가열변형온도를 고려하였을 때 중요한 영향을 미칠 수 있는 70℃ 이상으로 기록된 구간은 15분부터 50분 사이, 총 35분간 이었다. 그리고 실험에서 Tea light candle을 올려두었던 Polystyrene 재질의 플레이트에서는 경미한 열변형이 관찰되었다. 최고 온도 상태의 열화상 이미지와 열변형된 모습을 Fig. 9.와 Fig. 10.에 제시하였다.

4.2 고찰

     Tea light candle의 기존에 알려진 위험으로서는 성냥의 이중심지 효과에 의한 화재를 중심으로 경고하고 있다. 그러나 이중 심지가 아니더라도 열가소성 플라스틱 바닥재에 열변형을 발생시킬 수 있으며 그로 인한 화재 위험성이 있는 것을 확인하였다. 특히, 바람 등에 의해서 화염이 옆으로 눕는 경우 정상적인 상태에 비하여 위험성이 큰 것으로 사료된다. 일상적인 환경에서 화염이 바람에 의해 옆으로 기우는 상황은 선풍기 또는 공기청정기 등과 같은 기구의 근처에 놓여 있을 때와 환기를 위해 열어둔 창문을 통해 잔잔한 바람이 불어오는 대류를 고려해 볼 수 있다.

    본 실험의 결과로서, 실험1의 온도변화는 상대적으로 느렸지만 온도가 지속적으로 상승하였으며 일부 열가소성 플라스틱의 가열변형온도를 초과하였다. 그리고 만일 바닥재의 재질이 축열이 더욱 양호한 재질 또는 현장상황이었다면 동일한 양초라도 온도 상승효과는 더욱 커질 수 있으므로 양초가 기울거나 함몰될 위험이 있는 것으로 사료된다.

    실험2에서 바람으로 양초의 화염을 기울였을 때 Tea light candle의 바닥 온도가 실험1에 비하여 더욱 높고 빠르게 상승하는 것과 그 결과로서 양초를 올려 두었던 Polystyrene 플레이트에서 변형이 발한 것을 확인하였다. 바람이 부는 것은 대기 냉각에 의해 컵의 온도 상승을 저해하는 요소로 예상되었지만 오히려 반대로 온도가 빠르고 더 높게 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 바람에 의해 양초의 화염 누워 액면에 가까워지면서 복사열 전달율이 높아진 이유인 것으로 추정된다. 비록 실험에서는 완전한 변형으로 양초가 함몰되어 화재가 발생하는 결과를 확인하지 못하였지만, 변형 자체를 확인함으로서 이에 의한 화재위험성을 예측할 수 있었다. 경우에 따라 함몰에 이르는 변형도 가능할 것으로 사료된다.

5. 결론

    양초는 대부분의 가연물에 점화원으로 작용 가능한 화염이 노출되어 있으므로 화재 위험이 높고 그것의 취급에 있어서 주의를 아무리 강조해도 지나치지 않을 것이다. 가연물이 화염에 접근하는 것을 제외하고, 일반적으로 양초의 이중심지에 대한 위험성은 많이 알려져 있지만, 본 연구의 사례와 실험을 통해서 이중심지가 아닌 경우에도 Tea light candle 알루미늄 컵의 온도가 매우 위험한 수준인, 열가소성 플라스틱의 가열변형온도를 초과하는 것을 확인하였다. Tea light candle의 온도 상승원인은 다양할 수 있으나 결과적으로 플라스틱 바닥재의 변형으로 인해 양초가 기울어지거나 함몰되었을 때 화재가 발생할 수 있으므로 특히, 열변형이 발생하지 않는 비가연성 초 받침대를 사용하는 것이 화재 안전을 위해 중요한 요소인 것으로 사료된다.

후기

    본 연구는 [서울경찰청 과학수사과]와 과학수사기법연구 단체인 [과학수사 현장 스터디 모임]의 연구 활동과 지원에 의해 수행되었습니다. 관계제위께 감사드립니다.