1. 서 론

전기요는 우리나라의 주거문화 특징 중 하나인 온돌 생활방식을 만족하게 해주는 전기용품으로 사용이 꾸준히 증가하고 있다. 겨울철 난방용 매트는 전기매트, 온수 매트, 카본 매트 등으로 분류된다. 전기매트류에 속하는 전기요는 천이나 가죽 소재 내부에 열선을 결합하여 전기를 이용해 열을 발생시키는 전기제품을 의미한다. 현재 국내에는 주거용, 의료용 등 다양한 전기요가 보급되어 있으며, 전기요 사용 과정에서 사용자의 과실이나 제조상의 결함 등으로 인해 전기화재가 꾸준히 발생하고 있다. 화재통계를 집계하는 소방청 국가화재통계시스템에서는 전기요를 계절용 기기로 분류한 다음 전기장판, 전기요, 전기방석을 하나로 묶어 화재통계에 반영하고 있다. 난방용 매트류는 주택에서 사용되는 계절 기기 중 가장 높은 비율을 차지하며, 전열 기구의 발열 특성으로 인해 화재의 위험성을 내포하고 있다[1-2]. 국가화재통계시스템에 따르면, 난방용 매트류의 화재는 ‘20년 190건 ‘21년 179건, ’22년 242건으로 지속해서 발생하고 있다^[3]. 난방용 매트의 화재 관련 연구에 따르면, 축열이 발생하는 상황에서 전기요 온도는 100℃ 이상 상승할 수 있고^[4], 무자 계열선 방식의 전기요는 발열량이 증가함에 따라 온도제어 불량이 발생할 수 있다^[5]. 또한, 온도조절기 내부 스위칭소자의 동작이 균일하지 않아 전열선 온도가 상승하는 때도 존재한다. 또한, 시중에 판매되고 있는 전기요는 종류와 판매 경로가 다양하여 리콜제품 수거가 어려운 부분이 존재한다^[6].

전기용품 안전기준을 관리하는 국가기술표준원에서는 전기장판류를 전기용품 및 생활용품안전관리법에 따른 안전인증대상으로 분류하고 있으며 전기용품의 전기기기(electrical appliances) 항목에 포함하고 있다. 또한, 세부적으로 전기매트, 전기요, 전기 카펫, 전기장판, 전기침대로 분류하고 있다. 해당 품목들은 유연성을 가진 전열기기로 국가기술표준원에서 지정한 안전인증시험 기관에서 시험표준 KC 60335-2-17에 의해 안전인증을 받아야 한다. KC 60335-2-17 주요시험에는 온도상승(heating) 시험이 존재하며, 95℃를 초과해서는 안 된다. 그러나 전기매트류의 축열에 의한 사고는 지속적으로 발생하고 있어, 발화메커니즘과 예방대책에 관한 연구가 지속적으로 수행되고 있다[7-9]. 무자계열선을 사용하는 전기매트류의 온도제어는 온도제어기와 무자계열선의 상호작용에 의해 수행되는 제어방법을 다수의 제조사에서 사용하고 있다. 온도제어기는 무자계열선에서 발생되는 전기적신호를 받아 스위치 소자를 제어하여 온도를 제어한다. 무자계열선에서 발생하는 전기적 신호는 온도 따라 변화하는 임피던스의 영향을 받는다. 본 논문에서는 축열에 의한 사고사례를 확인하고 온도제어에 사용되는 무자계열선의 품질에 따른 온도제어의 영향을 확인하였다.

2. 사고사례 원인분석

2.1 전기요 구조

일반적으로 전기요는 외관을 이루는 몸체, 열을 발생시키는 열선, 온도를 제어하는 온도조절기로 나누어 구성된다. 몸체는 합성섬유, 면 또는 비닐장판이라고 하는 레자로 구성된다. 열선은 그림 1과 같이 자기장을 줄일 수 있는 무자계열선이 급증하고 있다^[2]. 무자계 열선의 제작은 발열선을 PE(합성섬유)에 나선형으로 감은 다음 나일론으로 절연시키고 그 위에 다시 감지선을 감아 사용하는 구조이다. 무자계 열선은 발열선과 감지선의 이중구조로 자기장이 서로 상쇄되도록 설계된다. 온도조절기는 감지선 또는 바이메탈의 전기적 신호를 받아 온도제어를 수행한다. 특히 감지선에 흐르는 전기적 신호는 주변 온도에 따라 변화하는 나일론써미스터 임피던스에 영향을 받게되며, 변화하는 감지선 신호는 위상제어소자(silicon controlled rectifier, SCR)의 온/오프에 영향을 준다. 발열선과 감지선은 주로 합금과 구리를 사용하며, 온도가 상승하면 전선의 저항값이 커지는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 특성을 가진다. 하지만, 발열선과 감지선 사이에 사용되는 나일론 써미스터는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 특성을 가지며, 이를 정리하면 식 (1) ~ (3)과 같다.

(1)

$R(t)=R_{P}(t_{0})\times(1+\alpha_{t}\triangle t)+R_{N}(t_{0})\times(1-\beta_{t}\triangle t)$

(2)

$\triangle t = t - t_{0}$

(3)

$\alpha_{t}=\dfrac{\alpha_{t_{0}}}{1+\alpha_{t_{0}}\triangle t}$, $\beta_{t}=\dfrac{\beta_{t_{0}}}{1+\beta_{t_{0}}\triangle t}$

여기서, $t$ : 측정온도[℃], $t_{0}$ : 초기온도[℃], $R(t)$ : 온도 $t$에서 저항[ohm], $R_{P}$ : PTC 특성에 의해 변동된 저항[ohm], $\alpha_{t}$ : 온도 $t$에서 PTC 특성의 온도계수, $R_{P}$ : NTC 특성에 의해 변동된 저항[ohm], $\beta_{t}$ : 온도 $t$에서 NTC 특성의 온도계수

식 (1) 우변의 1항은 발열선, 감지선과 같은 PTC 특성에 의해 증가한 저항값을 나타내고, 2항은 나일론의 NTC 특성에 의해 감소한 저항값을 나타낸다. 또한, 온도계수는 온도에 따라 같은 값이 아닌, 식 (3)과 같이 온도에 따라 변하는 특성을 고려해야 한다. 한편, 나일론의 유전율($\epsilon_{t}$)과 두께($d$), 발열선과 감지선의 지름에 의해 식 (4)와 같이 감열선의 정전용량이 결정된다.

(4)

$C(t)=\epsilon_{t}\dfrac{A}{d}$

여기서, $C(t)$ : 온도 $t$에서 감열선의 정전용량[nF], $t$ : 측정온도[℃], $\epsilon_{t}$ : 온도 $t$에서 나일론의 유전율[$C /mm$], $A$ : 유효면적[$mm^{2}$], $d$ : 나일론의 두께[$mm$]

정전용량은 온도가 상승함에 따라 증가하는 특성을 가진다. 결과적으로 고온에서 무자계열선의 저항은 식 (1)에 따라, 고온에서 PTC 또는 NTC 특성에 의해 증가 또는 감소할 수 있지만, 커패시턴스는 식 (4)에 따라 증가하여 합성 임피던스 값에 따라 감지선에 흐르는 전기적 신호에 영향을 미치게 된다.

그림 1. 무자계열선의 구성^[10]

Fig. 1. Structure of non-magnetic hot wire^[10]

2.2 전기요 사고사례 및 원인분석

2.2.1 사고사례-1

그림 2는 사고사례-1 사고현장 사진을 보여준다. 사고현장의 전기요는 이불과 함께 겹쳐있었으며 겹쳐진 부위에 동일한 탄화패턴이 확인된다. 사고제품의 탄화패턴과 열선의 상태를 확인하기 위해 수거하였다.

그림 3은 사고 발생 전기요에서 식별된 특이사항을 보여준다. 그림 3(a)은 사고가 발생한 전기요를 펼친 모습으로, 사각모양의 그을린 흔적이 󰍽, 󰍾, 󰍿 면에서 각각 식별된다. 특히 󰍾와 󰍿면에서 대칭적인 형태의 천공이 6개소에서 식별된다. 󰍾와 󰍿면의 천공 발생 지점에는 열선이 노출되어 있으며 피복이 탄화되어 있다. 천공 지점이 여러 개소에서 식별되는 점으로 볼 때, 동시다발적으로 탄화가 진행된 것으로 추정된다. 목격자 진술, 현장조사, 감정 결과를 토대로 사고 당시 전기요 사용 상태를 나타내면 그림 3(b)과 같다. 그림 3(b)과 같이 전기요와 이불이 중첩되어 축열이 발생하기 쉬운 중심 부위를 기반으로 탄화가 발생한 것을 확인할 수 있다. 그림 3(c)은 전기요 열선에서 발견된 용융흔으로 사고 당시 전기요에 전원이 공급되고 있었음이 확인된다.

사고제품은 동일패턴의 그을린 흔적이 󰍽, 󰍾, 󰍿면에서 식별된다는 점과, 󰍾와 󰍿면에서 대칭적인 형태의 천공이 확인되는 점, 전류 퓨즈가 단선되지 않고 온도조절기가 정상 작동하는 점으로 볼 때, 축열에 의한 전기요의 탄화사고로 추정할 수 있다.

그림 2. 사고사례-1의 현장

Fig. 2. Site of Accident Case-1

그림 3. 사고사례-1 전기요 분석

Fig. 3. Analysis of the cause of electric blanket accident (Accident Case-1)

2.2.2 사고사례-2

그림 4는 사고사례-2 사고현장 사진을 보여준다. 사용자는 거실 소파에서 메모리폼 방석과 함께 전기요를 사용하였으며 사고 당일 타는 냄새와 함께 연기가 발생하는 것을 발견하고 전원을 차단하였다.

그림 5와 같이 사고제품을 수거하여 사용자 사용환경과 유사한 상황을 구성하고 재연실험을 수행하였다. 그림 5(a), (b)와 같이 축열이 발생하지 않은 상황에서 전기요 온도는 51도로 측정되었다. 그러나 그림 5(c), (d)와 같이 메모리폼 소재의 물질이 전기요 위에 올려져 축열이 발생하였을 때, 최대온도는 132.4℃까지 상승하였다. 특히, 그림 5(c)와 같이 전기요가 부분적으로 과열되었을 때, 온도컨트롤은 동작하지 않았다. 그림 5(e)는 축열 재연실험 후 메모리폼 방석의 축열부위를 관찰한 것으로, 사고 당시와 유사하게 방석에 열선 자국이 생성된 것이 확인된다.

사고사례 1, 2의 전기요는 축열에 의해 발생한 사고로 추정할 수 있다. KS C IEC 60335-2-17과 KS C 9220에 의하면, 전기요 온도축열 시험 시 95℃를 초과해서는 안 된다. 그러나 사고사례로 미루어 볼 때 95℃를 초과하는 온도가 발생할 가능성이 높으며, 이때 온도 컨트롤러는 작동하지 않은 것을 추정할 수 있다.

그림 4. 사고사례-2의 현장

Fig. 4. Site of Accident Case-2

그림 5. 사고제품에 대한 온도측정실험

Fig. 5. Temperature measurement experiment on accidental product

3. 실험 방법

무자계열선을 사용하는 전기요의 온도조절방식은 나일론 서미스터의 임피던스 변화에 의해 발생하는 제어 신호를 기반으로 온도조절기의 SCRT소자 스위칭을 통해 구현된다. 온도조절기는 무자계열선의 나일론 서미스터 임피던스를 이용하기 때문에 온도에 따른 나일론 서미스터의 임피던스가 적절하게 변화하지 않을 경우, 제어기의 동작에 악영향을 미치게 된다. 즉, 나일론 서미스터의 임피던스가 일정 범위에서 일정한 비율로 변화(균일)해야 한다. 본 논문에서는 무자계열선을 사용하는 5가지 전기요 제품군에 대하여 축열시험을 진행하였다. 이후, 온도상승에 따른 나일론 써미스터의 임피던스를 확인하였다. 또한 동일한 제품 내에서 차이를 확인하기 위해 각 제품군마다 2개의 시료를 사용하였다. 표 1은 시중에 사용되고 있는 무자계열선을 사용하는 전기요 5종(A, B, C, D, E)을 보여준다.

표 1 실험을 위한 무자계 열선 전기요 제품

Table 1 Non-magnetic heated electric blanket products for experiment

전기요의 축열에 따른 온도특성을 분석하기 위하여, 온도기록계(LR 8400)를 이용하여 전기요 온도와 주위온도를 동시에 측정하였다. 전기요의 주위 온도조절을 위한 챔버(TH500)는 그림 6(a)과 같으며, -100℃에서 150℃까지 챔버 내 온도를 조절할 수 있다. 전기요의 온도변화에 따른 저항, 리액턴스 성분을 확인하기 위하여, 그림 6(b)과 같은 LCR 측정기(E4908AL)를 이용하여 10[kHz] 주파수 대역에서 리액턴스 성분을 측정하였다. 저용량 콘덴서나 고 임피던스 소자(10kΩ 이상)를 측정하는 경우에는 그림 7과 같이 병렬 등가 회로 모드를 사용하며, 식 (5)과 같이 측정된 I, V값을 이용하여 병렬로 R과 X값을 연산하게 된다. 전기요의 경우, 열선과 센서부 사이의 저항이 크기 때문에 병렬 등가 회로 모드를 사용하여 측정하였다.

여기서, $Z_{s}$ : 직렬 임피던스[ohm], $R$ : 저항[ohm], $X$ : 리액턴스[ohm], $V$ : LCR 측정기의 측정전압, $I$ : LCR 측정기의 측정전류, $Z_{p}$ : 병렬 임피던스[ohm]

그림 8은 전기요 나이론 서미스터 리액턴스 측정 단자를 보여준다. 그림 8(a)은 전기요 제어기와 연결되는 커넥터를 보여주며 (b)는 제어기 회로도를 보여준다. 나일론 서미스터의 리액턴스를 측정하기 위해 그림 8의 ⓐ(열선부)과 ⓑ(센서부)를 각각 단락시키고 ⓐ와 ⓑ 사이의 40℃에서 약 80℃까지 10℃ 변화시키며 나일론 서미스터의 리액턴스 변화를 측정하였다. 온도는 챔버를 이용하여 조절하였으며, 전기요 온도가 충분히 포화 될 때까지 기다린 후 전기요의 등가 임피던스를 측정한다.

그림 6. 실험장비와 측정장비

Fig. 6. Experimental equipment

그림 7. LCR 측정기의 병렬 등가회로 모드 임피던스 측정 방식

Fig. 7. Parallel equivalent circuit mode impedance measurement method of LCR meter

그림 8. 전기요 나일론서미스터 리액턴스 측정 단자

Fig. 8. Electric blanket nylon thermistor reactance measurement terminal

4. 실험 결과

4.1 축열시험 결과

사고원인분석 결과를 토대로 그림 9와 같이 A, B, C, D 제품 각각 두 개를 준비하고 축열시험을 진행하였다. 온도제어기를 최대온도로 설정하고, T1, T2(그림 9) 두 지점에 동판과 연결된 온도 센서를 설치하였으며, 1분 간격으로 12시간 동안 온도를 측정하였다.

그림 10은 축열시험 결과를 보여준다. 주변 온도는 22℃~25℃를 유지한 채 축열시험을 진행하였다. A, B 제품(그림 10(a), (b)) 모두 약 3시간 후 온도가 포화하였다. A 제품 1, 2의 최고온도는 각각 73℃와 68℃이다. 그러나, C, D 제품(그림 10(c), (d))의 경우, 동일한 제품이지만 전기요의 표면 온도가 기준치(KS C IEC 60335-2-17 기준 95℃, KS C 9220 기준 90℃)를 초과하는 경우가 발생하였다.

그림 9. 사고 재연과 온도측정기 센서 위치

Fig. 9. Accident reenactment and temperature sensor location

그림 10. 축열시험 온도 그래프

Fig. 10. Heat storage test temperature graph

4.2 나일론 서미스터 임피던스 특성 시험결과

축열시험과 같이 전기요제품(A, B, C, D)에 대하여, 동일한 두 개의 제품으로 시험을 수행하였다. 표 2는 온도 변화에 따른 전기요의 병렬 등가 임피던스(Zp) 변화를 보여준다. 온도가 상승함에 따라 무자계 열선의 병렬임피던스는 하락하는 것을 보여준다. 표 3은 온도가 10℃ 상승할 때 발생하는 임피던스의 변화율을 나타낸다. 축열시험에서 95℃를 초과하지 않은 제품인 A-1, A-2, B-1, B-2, C-1, D-1의 경우 임피던스의 변화율의 범위는 각각 10~15%, 10~14%, 12~13%, 10~15%, 17~22%, 17~22%로 10% 이상의 변화율을 가지고 있으며 변화율 최댓값과 최솟값의 편차가 5% 이내로 형성된다. 반면, 축열시험에서 95℃를 초과한 제품 C-2, D-2의 경우, 임피던스 변화율의 범위

표 2 온도에 따른 병렬 등가 임피던스 측정 결과

Table 2 Parallel equivalent impedance measurement results according to temperature

구 분	40[℃]	50[℃]	60[℃]	70[℃]	80[℃]
A-1 Zp[Ω]	1,684	1,419	1,214	1,081	977
A-2 Zp[Ω]	1,515	1,307	1,134	1,023	922
B-1 Zp[Ω]	3,142	2,732	2,368	2,057	1,802
B-2 Zp[Ω]	2,992	2,558	2,175	1,909	1,723
C-1 Zp[Ω]	4,650	3,847	3,019	2,389	1,993
C-2 Zp[Ω]	4,577	3,934	3,609	3,423	3,341
D-1 Zp[Ω]	7,218	5,965	4,706	3,691	2,877
D-2 Zp[Ω]	7,089	6,152	5,557	5,228	5,011

표 3 전기요 임피던스 변화율

Table 3 Electric blanket impedance change rate

구분	40[℃]~50[℃]	50[℃]~60[℃]	60[℃]~70[℃]	70[℃]~80[℃]
A-1 Zp[Ω]	15%	14%	11%	10%
A-2 Zp[Ω]	14%	13%	10%	10%
B-1 Zp[Ω]	13%	13%	13%	12%
B-2 Zp[Ω]	15%	15%	12%	10%
C-1 Zp[Ω]	17%	22%	21%	17%
C-2 Zp[Ω]	14%	8%	5%	2%
D-1 Zp[Ω]	17%	21%	22%	22%
D-2 Zp[Ω]	13%	10%	6%	4%

그림 11. 온도에 따른 임피던스 변화 그래프

Fig. 11. Impedance change graph according to temperature

5. 결 론

KS C IEC 60335-2-17과 KS C 9220에 의하면, 전기요 온도축열 시험 시 95℃를 초과해서는 안된다. 그러나 전기요 탄화사고는 매년 지속적으로 발생하고 있으며, 사고사례로 미루어 볼 때 전기요는 95℃를 초과하는 온도가 발생 할 수 있는 가능성이 높다. 본 논문에서는 지속적인 전기매트 축열사고에 대한 개선을 위해 열선의 품질에 따른 축열 가능성을 확인하였다. 전기요제품(A, B, C, D)의 축열실험결과 A-1, A-2, B-1, B-2, C-1, D-1 제품은 85 ℃ 이하에서 온도 포화가 발생한 반면, 하지 않은 반면, C-2와 D-2제품은 100℃ 이상의 온도상승이 발생되는 것이 확인되었다. 전기요제품(A, B, C, D) 열선의 온도에 따른 병렬 등가 임피던스 측정 결과 동일한 제품일 경우라도 임피던스의 차이가 발생하였고, 임피던스 차이는 전기요의 축열 시, 온도와 연관성을 보였다. 특히 100℃ 이상의 온도상승이 발생한 C-2와 D-2 제품은 약 50℃ 부근에서 임피던스의 변화가 나타나지 않았다. 임피던스가 하강하지 않는 시료는 축열시험에서 100℃ 이상의 온도상승이 발생한 시료로, 적절한 온도컨트롤이 수행되지 않았음을 예상할 수 있다. 전기요 제품 A-1, A-2, B-1, B-2, C-1, D-1의 온도 10℃ 변화에 따른 임피던스 평균 변화율은 각각 12.5%, 11.2%, 12.9%, 12.8%, 19%, 20%이며, C-2, D-2는 각각 7.4%, 8.2%의 평균 변화율을 보인다. 현재, 무자계열선의 임피던스에 대한 안전기준이 존재하지 않는다. 따라서, 전기요 사용 온도 범위인 95 ℃ 이하에서 무자계열선의 온도 10℃ 변화에 따른 임피던스의 평균 변화율을 10% 이상으로 유지하는 무자계열선 시험 기준이 필요하다고 판단된다.