1. 서론

화재 현장에서 사고를 조사할 때 인화성 물질이 연소된곳은 방화 가능성을 고려해야 한다. 일반적인 물질의 연소와 큰 차이는 없으나 현장이 소손되거나 변형되면 원인을 규명하는 데 어려움이 있다. 특히, 방화로 예상될 때는 더욱 신중을 기해야 하고, 범죄 수사 및 공소 유지를 위한 객관적인 증거가 확보되어야 한다. 그러므로 탄화를 촉진하는데 기여한 물질이 인화성 물질일 때는 유증의 채증과 패턴의 해석이 중요하다. 휘발성 유기 용매가 뿌려진 화재 현장은 짧은 시간에 넓은 범위로 화재가 확산되고, 소훼 및소락 역시 급격하게 진행되므로 산소 결핍을 초래할 수 있다. 그리고 일반인들은 구별이 쉽지 않지만 전문가들은 석유류가 뿌려진 바닥재의 탄화 흔적을 분석하여 일반 연소패턴과 구별할 수 있다. 일반적으로 휘발성이 약한 석유류가 뿌려진 곳은 탄화 흔적이 깊고, 인접한 곳에 놓은 물건밑바닥 및 의류와 같은 천류에 흡착되어 수일 이후에도 그취향을 감지할 수 있다. 그러나 개구부가 형성되어 있거나 공기 및 소염된 물기 등이 유입되어 플래쉬 오버가 발생한 화재 현장은 연소 과정에 생성된 복사 및 전도열에 의해 소손되므로 연소 경계면이 없어질 수 있다⁽¹⁾.

일반 방화자들은 주로 효과적인 착화를 시키기 위해 알코올, 아세톤 및 휘발유에 시너를 혼합하여 착화시키는 경우가 있다. 인화성 유기 용매를 이용한 화재에서 형성되는 화재의 탄화 패턴은 포어 패턴, 스플래시 패턴, 고스트 마크, 틈새 연소 패턴, 도넛 패턴, 트레일러 등이 있다. 인화성 액체를 이용한 화재의 연소 확산 패턴은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 특성이 있다. 그러므로 바닥재의 특성에 따라 확산 범위가 다양하게 형성될 수 있고, 흡수는 물질에 따라 특성이 다른 특징을 보인다. 또한, 액체 화재는 증발하면서 잠열에 따른 냉각 효과가 있으며, 끓게 되면 주변으로 기름방울이 비산되는 패턴을 나타낸다. 그리고 액체 가연물의 일부는 고분자 물질을 침식시키고, 변형시켜용매의 성질을 나타낸다⁽¹⁾.

따라서 본 연구의 목적은 구획된 공간의 비닐장판 위에벤젠, 아세톤, 알코올 등을 일정량 뿌리고, 인위적으로 착화시켰을 때의 화염의 성장 과정을 해석하는 것이다. 그리고 연소가 완료된 후 바닥재의 탄화 패턴과 특징을 해석하여 향후 화재 조사 및 감식 등에 활용하기 위한 객관적인 자료를 확보하고자 한다.

2. 관련 이론

2.1 포어 패턴

포어 패턴(Pour pattern)은 인화성 액체가 바닥에 쏟아졌을 때 액체 가연물이 쏟아진 부분과 쏟아지지 않은 부분을 경계로 탄화 흔적이 발생하는 것을 말한다. 이러한 형태는 화재가 진행되면서 액체 가연물이 있는 곳은 다른 곳보다 연소가 강하기 때문에 탄화 정도의 강, 약에 의해서 구분된다. 일반적으로 액체는 높은 곳에서 낮은 곳으로 자연스럽게 흐르므로 탄화가 형성된 패턴도 비교적 부드러운 곡선을 나타낸다. 또한, 쏟아진 모양 그대로 불규칙한 패턴을 나타내기도 하지만 연소된 부분과 연소되지 않은 부분에 뚜렷한 경계선을 나타낸다. Figure 1은 일반 건축물의 바닥에서 발생한 포어 패턴의 예를 나타낸 것으로 탄화된 경계면이 명확한 것을 알 수 있다⁽²⁾.

Figure 1. Pour pattern and image created during combustion of flammable liquids.

2.2 스플래시 패턴

스플래시 패턴(Splash pattern)은 액체 가연물이 연소되면서 발생하는 열에 의해 스스로 가열되어 액면에서 끓으며 주변으로 비산된 액체가 미연소 되어 국부적으로 점처럼흔적을 나타내는 현상이다. 탄화 패턴의 경계면은 포어 패턴과 매우 유사한 특징을 나타낸다. 그리고 스플래시 패턴은 주변으로 비산된 가연성 방울에 의해 생성되므로 약한 풍향에도 영향을 받는다. 바람이 부는 방향으로는 잘 발생되지 않으며, 반대 방향으로 비교적 멀리까지 발생시키는 특징이 있다. Figure 2는 건축물의 바닥에 형성된 스플래시 패턴의 예를 나타낸 것으로 탄화된 경계면 주변에 탄화된 점들이 집중적으로 발생한 것을 알 있다⁽²⁾.

Figure 2. Splash pattern and image created during combustion of flammable liquids.

2.3 고스트 마크

콘크리트, 아스콘 등의 바닥에 비닐 타일 등이 접착제로 부착되어 있을 때 그 위로 인화성 액체 가연물이 쏟아져 있을 때 화재가 발생하면 그 때 발생한 열에 의해 유기 용매 성분은 타일의 가장자리 부분에서부터 타일을 박리시키고, 그 사이로 액체 가연물은 스며들어 국부적으로 접착제를 용해시킨다. 화염에 의해 생성된 열기가 제한된 공간에 전달되면 액체 가연물과 접착제의 화합물은 타일의 틈새에서 더욱 격렬하게 연소 된다. 결과적으로 바닥재의 틈새 모양으로 변색이 발생되고 탄화 패턴이 형성되는 현상을 고스트 마크(Ghost mark)라고 한다. 이 패턴은 다른 패턴과 달리플래시오버 직전과 같은 강력한 화재 열기 속에서 발생한다. Figure 3은 일반 건축물의 바닥 타일에서 발생한 고스트 마크의 패턴을 예로 나타낸 것이다. 바닥재의 연결 부분 및 틈새 등에 탄화 심도가 확실히 생성된 것을 알 수 있다⁽²⁾.

Figure 3. Ghost mark and image created during combustion of flammable liquids.

2.4 틈새 연소 패턴

목재 마루, 장판, 타일, 문지방, 벽과 바닥 등의 틈새 및모서리에 가연성 액체가 흘러 들어가거나 더 많은 액체가고이게 된다. 그리고 그 액체가 연소하면서 다른 부분에 비해 더 강하게 더 오래 동안 연소하게 되므로 탄화 패턴이 심하게 형성되는 것을 말한다. 고스트 마크와 외형이 유사한 특징이 있으나 단순히 가연성 액체의 연소라는 점, 콘크리트 바닥이 아니라 마감재 표면에서 보이는 패턴이라는 점, 화재 초기에 나타나며 플래시 오버와 같은 강한 화염속에서는 쉽게 사라질 수 있다는 점이 다르다. Figure 4는나무 마루에 형성된 틈새 연소 패턴을 예로 나타낸 것으로 탄화 심도가 생성된 것을 알 수 있다⁽²⁾.

Figure 4. Combustion pattern and image when a liquid flows through the clearance of wood finishing materials.

2.5 도넛 패턴

도넛 패턴(Doughnut pattern)은 거친 고리 모양으로 연소된 부분이 덜 연소된 부분을 둘러싸고 있는 것을 말하며, 가연성 액체가 응집체처럼 고여 있을 때 발생한다. 고리처럼 보이는 주변부나 얕은 곳에서는 화염이 바닥이나 바닥재를 탄화시키는 반면에 비교적 깊은 중심부는 액체가 증발하면서 증발 잠열에 의해 응집체 중심부를 냉각시키는 현상 때문에 발생한다. 도넛과 같은 동그란 형태를 가지고 있지 않더라도 대부분의 패턴은 유류가 쏟아진 곳의 가장자리 부분이 내측에 비하여 강한 연소 흔적을 나타내는 것이 일반적인 특징이다⁽²⁾.

2.6 트레일러에 의한 패턴

방화범은 대부분 방화를 성공하기 위해서 용기를 사용한다. 방화에 사용할 물질을 한 지역에서 다른 지역으로 이동할 때 용기에서 누설되어 바닥에 떨어져 연소가 진행됨에 따라 발생되는 패턴이다. 방화가 발생되어 화염이 확산됨에 따라 방화에 사용된 물질이 먼저 연소되고, 그 때 발생된 화염에 의해 탄화 심도가 형성되는 것이다. 트레일러(Trailer)라는 말뜻에서 알 수 있듯이 화재 형태는 바닥을 따라 독립적 화재와의 연결이나 층계로의 상승, 건축물 내부의 한 층에서 다른 층으로 불이 옮겨가는 과정을 알 수 있다. 트레일러에 쓰이는 연료는 일반적으로 인화성 액체, 고체 또는 유사한 성질을 갖는 물질이 조합된 경우가 대부분이다. 액체 가연물을 이용한 트레일러의 패턴은 포어 패턴이라고도 하며, 화재가 진압된 후의 패턴 및 현장의 상황등을 종합하여 결론을 내리는 것이 바람직하다⁽²⁾.

3. 실험 방법

Figure 5는 인화성 액체의 뿌림 실험(Oil sprinkling test)이 진행된 실험 공간의 개략도를 표시한 것이다. 신뢰성을 확보하기 위해 실험은 구획된 공간에서 진행됐으며, 실험 공간의 한 변의 길이는 2 m이다. 그리고 뿌림 실험이 진행된 바닥 내부는 일반 가정과 유사하며, 비닐 장판은 1 m2을 설치하였다. 연소 실험이 진행될 때의 온도는 약 21 ℃, 상대습도는 60 ± 2%를 유지시켰다. 연소 형상 및 패턴 해석을 위한 뿌림 실험을 진행하였으며, 1회에 50 ml를 모두 뿌림을 실시하였다. 사용된 인화성 액체는 50 ml의 아세톤(Acetone), 벤젠(Benzene) 및 알코올(Alcohol) 등을 각각 사용하였다. Table 1은 각각의 물질에 대한 특징을 정리한 것이다(9,10). 그리고 연소 실험이 진행될 때의 연소 패턴, 방사범위, 연기의 색상 및 기류 등을 실시간으로 촬영하기 위해 비디오카메라(Samsung Company, SV-U10, Korea)를 이용했고, 디지털카메라(Nikon Company, D-80, Japan)를 이용하여 실험의 각 단계마다 사진을 촬영하였다.

Figure 5. Schematic diagram of equipment used for combustion test apparatus.

Table 1. Characteristics of Flammable Liquids used for Tests

4. 결과 및 고찰

Figure 6은 뿌림 실험이 진행된 벤젠의 연소 과정에서 생성된 화염 및 패턴을 나타낸 것이다. Figure 6(a)는 구획된 공간에 인화성 액체를 장판의 바닥에 50 ml를 뿌리고 인위적으로 화염을 착화시키기 위한 준비 단계이다. Figure 6(b)는 화염이 착화되고 약 0.6 s 경과된 실체 사진으로 짧은 시간인데도 불구하고 화염이 인화성 액체 전체로 전파되어최성기에 도달한 것을 알 수 있다. 화염의 하단 부분은 층류 패턴이 지배하고 있고, 상단 부분은 난류 패턴을 보이며불규칙적인 화염이 방사되었다. 그리고 다량의 연기가 발생했으며, 화염의 길이는 약 1,000 mm로 측정되었다. Figure 6(c)는 뿌려진 인화성 액체 50 ml가 대부분 연소되어 화염이 쇠퇴기로 접어든 실체 사진이다. 불완전 연소에 의한 다량의 검은색 연기가 발생하고 있고, 바닥에 검정색의탄화 흔적이 확인된다. Figure 6(d)는 착화되어 약 360 s 경과되었을 때 화염이 꺼진 상태의 실체 사진을 나타낸 것이다. 화열에 의해 장판이 소손되어 명확한 탄화 패턴을 나타내고 있는 것이 확인된다. 벤젠이 뿌림 상태에서 연소되어 소손된 범위는 약 가로 30 mm, 세로 30 mm로 측정되었다. 인화성 액체가 뿌려진 형태를 따라 탄화 패턴이 형성되었다. 즉, 인화성 물질이 액체이므로 높이가 높은 곳에서 낮은 쪽으로 이동되었고, 그 경로를 따라 탄화 흔적이 발생되는 것을 알 수 있었다. 탄화 흔적의 분석에서 인화성 물질이 묻은 부분과 묻지 않은 부분의 경계에서 탄화 흔적이 형성되었으나 바닥면의 틈새가 없었기 때문에 고스트 마크나 틈새 연소 패턴 등은 확인할 수 없었다(3).

Figure 6. Flame pattern and image created during combustion of benzene for which sprinkling test was performed.

Figure 7(a)는 아세톤의 뿌림 실험을 수행하기 위해서 비닐 장판의 중앙에 아세톤을 뿌리고 있는 실체 사진이다. 비닐 장판의 바닥은 틈새 및 접착한 부분이 없는 상태이며, 표면의 고저차가 없도록 설치하였다. Figure 7(b)는 착화 후약 0.2 s 경과한 사진으로 강렬하게 연소되는 것을 확인할 수 있다. 화염의 길이는 약 가로 700 mm, 세로 800 mm로 측정되었다. 화염은 대부분 난류패턴을 보였으며, 연기의 색상은 흰색 연기이다. Figure 7(c)는 착화 후 약 27 s 경과한 것으로 연소가 완료된 사진이다. 연소했던 부분에 장판의 소손이 있었으나 벤젠과 비교하여 장판에 큰 소손 패턴을 보이지 않았다. Figure 7(d)는 탄화 패턴을 나타낸 것으로 경계면이 확실하게 형성되었고, 포어 패턴 및 스플래시패턴 등이 확인된다. 그러나 바닥면의 틈새가 없었기 때문에 고스트 마크나 틈새 연소 패턴 등은 확인할 수 없었다⁽¹¹⁾. 동일한 조건에서 아세톤에 의한 방화 또는 실화가 발생했다면 연소 시간은 상대적으로 짧고, 화염의 최성기가 빠르게 형성되므로 2차 화재로 확산이 빠르게 진행될 수 있다는 것을 예측할 수 있었다. 또한, 플라스틱, 장판, 비닐 등과 같은 유기물이 아세톤 용액에 집적 접촉되어 연소가 진행된다면 일반 연소와 구분하는 데 주의가 요구된다.

Figure 7. Flame and image created during combustion of acetone for which sprinkling test was performed.

Figure 8(a)는 연소 물질을 장판에 뿌려 착화를 시키기 위해 준비 단계를 나타낸 것이다. Figure 8(b)는 인위적으로 인화성 액체에 착화시켜 1.1 s 경과한 후의 실체 사진으로 강렬한 연소가 진행되는 것을 확인할 수 있다. 화염의 길이는 약 500 mm로 측정되었으며, 육안으로 식별할 정도의 연기는 발생하지 않았다. 화염의 하단은 층류 패턴이 형성되었고, 상단은 난류 패턴이 대부분인 것으로 해석되었다. Figure 8(c)는 연소가 시작되어 약 30.10 s 경과한 후의 실체 사진으로 화염이 쇠퇴기에 접어든 것을 알 수 있다. 장판의 일부분에서 소손 패턴이 확인되며, 흰색 연기가 소량 발생하는 것으로 확인되었다. Figure 8(d)는 연소 실험이 종료되고 탄화 흔적을 나타낸 실체 사진으로 연소 시간은 약 40.0 s 정도이다. 인화성 액체가 고인 곳에서 탄화 심도가 크게 형성되었고, 인화성 액체가 흘러간 곳의 경계면이 확인되었다. 탄화 흔적의 분석에서 바닥이 낮은 부분이 집중적으로 소손되나 그 밖의 부분의 장판은 소손 흔적 확인이 어렵거나 매우 미약한 것을 알 수 있다. 그리고 벤젠 및 아세톤보다 상대적으로 긴 연소 시간을 유지하였고, 포어 패턴은 형성되었으나 스플래시 패턴 등은 확인할 수 없었다⁽³⁾.

Figure 8. Flame and image created during combustion of alcohol for which sprinkling test was performed.

Table 2는 뿌림 실험의 연소 과정을 분석한 가연물의 특성을 요약한 것이다. 화염의 최성기 도달되는 시간은 벤젠약 0.6 s, 아세톤 약 0.2 s, 알코올 약 1.1 s 등으로 해석되었다. 그리고 연소 시간은 알코올이 상대적으로 긴 약 720 s 동안 연소되었다. 또한, 아세톤의 화염 방사 범위는 가로700 mm, 세로 800 mm 정도이었다. 그리고 벤젠의 탄화 패턴은 부분적으로 점 형태의 소손 패턴으로 가로 30 mm, 세로 50 mm의 정도이다. 알코올은 화염이 있던 곳 전체가 아닌 일부분에 대하여 가로 250 mm, 세로 100 mm의 소손 패턴을 보였다. 벤젠은 최성기에 검은색 연기가 발생하였고, 아세톤과 알코올은 연기가 발생하지 않았다. 연소가 완료되었을 때 실험에 사용한 인화성 액체는 흰색의 연기를 확인할 수 있었다⁽³⁾.

Table 2. Comparison of Flammables Confirmed during Combustion for the Sprinkling Test

Figure 9는 인화성 액체가 어떤 조건에서 연소되었는지에 따라 어떤 패턴을 나타내는지를 비교한 실체 사진이다. 동일한 인화성 액체를 흘림 실험, 담유 실험, 뿌림 실험 등을 실시했을 때 연소가 완료된 후의 패턴을 나나낸 것이다. Figure 9(a)는 벤젠의 연소 패턴을 비교한 것으로 담유 실험에 의해 생성된 패턴은 용기의 형상과 밀접한 관계가 있고, 뿌림 실험에 의해 생성된 패턴은 불규칙인 것을 알 수 있었다. Figure 9(b)는 아세톤의 연소 패턴을 비교한 것으로 담유 실험이 진행된 것은 명확한 패턴이 형성되었으나 뿌림 실험의 패턴은 희미한 특성을 보이고 있다. Figure 9(c)는 알코올의 연소 패턴을 비교한 것으로 담유된 용기가 일부 남아 있고, 뿌림 실험된 바닥의 흔적을 확인 할 수 있었다. 즉, 인화성 액체가 어떤 조건에서 연소되었는지에 따라 연소가 완료된 후의 탄화 패턴이 상이함을 알 수 있었고, 이와 같은 객관적 근거를 활용하면 화재원인 조사 및 판정에 기여할 수 있을 것으로 판단된다^(4-6).

Figure 9. Flame pattern comparison of flammable liquid that burning is ended.

5. 결론

구획된 공간의 비닐장판 위에 벤젠, 아세톤, 알코올 등을 일정량 뿌리고, 인위적으로 착화시켰을 때의 화염의 성장과정과 연소가 완료된 후 바닥재의 탄화 패턴을 해석하면 다음과 같이 요약된다.

1) 뿌림 실험이 진행된 아세톤은 화염이 착화되고 약 0.2 s 경과되었을 때 화염이 최성기에 도달하였으며, 하단은 층류 패턴이 주로 형성되었고, 상단은 난류 패턴이 대부분인 것을 알 수 있었다. 화염의 길이는 약 1,000 mm로 측정되었고, 화염이 쇠퇴기로 접어들었을 때 불완전 연소에 의한다량의 검은색 연기가 발생하였다. 연소되어 소손된 범위는 가로 약 700 mm, 세로 800 mm로 측정되었다. 연소 완료된 바닥은 희미한 포어 패턴을 나타냈다.

2) 벤젠은 착화 후 약 0.6 s 경과하였을 때 강렬한 화염이 생성되었고, 화염의 길이는 약 700 mm로 측정되었다. 화염은 난류 패턴을 보였으며, 연기의 색상은 흰색이었다. 연소가 완료된 바닥면의 탄화 패턴은 포어 패턴 및 스플래시 패턴 등이 확인되었다.

3) 알코올은 착화되어 약 1.1 s 경과하였을 때 강렬한 화염이 형성되었고, 길이는 약 500 mm로 측정되었다. 하단의 화염은 층류 패턴이었고, 상단은 난류 패턴이 대부분이었다. 인화성 액체가 고인 곳은 탄화 심도가 크게 형성되었고, 인화성 액체가 흘러간 곳의 경계면이 형성되었다. 그리고 실험에 사용된 알코올은 730 s 동안 연소가 진행되었다.

4) 인화성 액체가 어떤 조건에서 연소되었는지에 따라 연소가 완료된 후의 탄화 패턴이 상이함을 알 수 있고, 이와 같은 객관적 근거를 활용하면 화재원인 조사 및 판정을과할 적으로 할 수 있을 것이다.

이상과 같이 인화성 물질은 다른 연소 조건에 따라 연소속도, 탄화 패턴, 연기의 색상 등의 차이가 있는 것이 확인되었다. 따라서 화재 조사관은 목격자의 진술, 현장 상황 및 탄화 패턴 등을 종합적으로 분석하여 원인을 판정해야 한다는 것을 첨언하고자 한다.