서론

소화장치는 공장, 산업시설, 학교 등 대단위 시설이나 가정에도 설치되며, 화재 발생을 알려주는 경보장치가 장착되어 있다. 과거 화재경보는 화재를 발견한 사람이 수동으로 조작하였기 때문에 화재를 늦게 발견할 경우 충분히 진압 가능한 화재가 대형 화재로 번질 가능성이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 화재 시 발생하는 열이나 연기 등을 이용하여 화재를 감지하여 자동으로 화재경보를 울리도록 하는 감지기가 적용된 소화장치가 개발되었다. 화재 감지기의 개발로 화재를 좀 더 신속히 진화하여 화재로 인한 인명 및 재산 피해를 효과적으로 줄일 수 있었고, 정확한 현장의 상황을 파악할 수 있어 소방 활동의 효율성을 높였다.

군이 운용하는 무기체계에서도 소화장치는 매우 중요한 역할을 한다. 군이 운용하는 무기체계 특성상 고가의 정밀기기가 밀집되어 있고, 밀폐된 공간에 승무원이 탑승하게 된다. 따라서 화재를 발생 초기에 진압하지 않으면 무기체계의 작전 수행능력 저하는 물론 큰 폭발로 이어져 인명 피해가 발생할 수 있다. 이를 예방하고자 전투차량에는 자동 소화장치가 설치되며 승무원실에는 불꽃 감지기, 엔진실에는 화재 감지선을 통해 화재를 조기 감지하여 진압한다.

본 기고문에서는 전투차량과 같은 특수차량에 사용되는 자동 소화장치의 핵심 부품인 화재 감지선의 원리에 대해 알아보고, 최근 소화장치 기술 동향을 소개하고자 한다.

화재 감지기 종류

화재 감지기는 화재 시 발생하는 열이나 연기를 이용하여 화재를 조기에 감지하여 화재로 인한 인명 및 재산 피해를 줄여주는 소화장치의 핵심 역할을 한다.

화재 감지기는 화재에 의한 화학적, 물리적 변화를 감지하며, 연기 감지기, 열 감지기, 복합형 감지기 및 불꽃 감지기로 구분된다. 연기 감지기는 광전식, 이온식이 있으며 침투한 연기에 의한 변화를 통해 화재를 감지한다. 열 감지기는 차동식, 정온식이 있으며 온도에 의한 변화를 통해 화재를 감지한다. 복합형 감지기는 특성이 다른 두 감지기를 일체화하여 2가지 감지기가 모두 동작하였을 때만 화재 신호를 송출하여 비화재보를 방지한다. 불꽃 감지기는 자외선식, 적외선식이 있으며, 불꽃에서 발생하는 자외선과 적외선을 검출하여 화재를 감지한다.

화재 감지기의 한계점

앞서 설명한 화재 감지기는 일반적으로 사무실, 아파트 등 건물에 이용되는 것으로, 통신, 전력 케이블 등이 매설된 선박과 항공기의 엔진실 또는 보일러실 혹은 특수차량과 같은 협소한 장소에는 환경적으로 화재감지에 한계가 있다. 이러한 특수한 환경에서 열 감지기를 이용하는 경우 화재 감지 위치와 범위가 제한적이며 재사용할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 불꽃 감지기는 다양한 연소물질에 따라 불꽃에서 방사되는 자외선과 적외선의 파장 성분이 달라 감지기를 선택할 수 있는 범위가 좁다. 따라서 감도 및 감응 속도에 문제가 있고, 오염원 발생 및 시야 확보가 어려운 장소에서는 사용이 제한적이다. 군이 운용하는 무기체계의 특성상 고가의 정밀기기가 밀집되어 있어 시야 확보가 어렵고, 엔진실의 경우 고온의 환경으로 화재감지에 어려움이 있다. 이와 같은 특수한 환경에서 화재를 감지하기 위해서는 화재감지의 위치가 광범위해야 하며 반영구적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 고온다습한 환경에서도 성능을 유지할 수 있어야 한다.

전투차량용 화재 감지선

위와 같은 문제를 해결하기 위해 우리 군은 열전대의 원리를 응용한 화재 감지선을 개발하여 운용 중이다. 열전대를 활용한 감지선은 길이 및 크기와 무관하게, 그리고 열이 가해지는 부위와 영역에 무관하게 특정 범위의 온도에 대하여 열기전력을 발생시킬 수 있어 특수한 환경에 적합하다. 또한, 반영구적으로 사용할 수 있으며, 고온다습한 환경에서도 원하는 성능을 유지할 수 있다.

열전대 원리

화재 감지선은 열전대(Thermocouple)의 원리를 이용하며, 열전대의 원리인 제벡 효과는 1821년 토마스 제벡(Thomas Seebeck)에 의해 발견되었다. A와 B 두 개의 서로 다른 금속 또는 합금선을 양단에 연결하여 폐회로를 구성하고, 이 접점의 온도를 변화시키면 그 온도차에 따라 양 접점 간에 전위차가 생겨 전류가 흐르게 된다. 즉, 열전대는 열에너지를 전기에너지로 변환시켜주며 발생하는 전기에너지의 양으로 외부에서 전류를 공급하지 않고도 온도를 측정할 수 있다.

열전대는 원자로, 항공기, 제철소 등 여러 공정에서 사용되며, 구조가 간단하고 가격이 싸며, 내구성이 있고 비교적 정확히 온도를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 응답속도가 빠르며 0℃~2,600℃ 범위의 온도를 측정 가능하여 특정한 곳이나 좁은 장소의 온도 측정이 용이하다. 그리고 온도가 열기전력으로 검출되므로 측정, 조절, 증폭, 제어, 변환 등의 정보처리에 용이하여 화재 감지기로 활용하기 적합하다. 열전대는 금속 쌍 조합에 따라 B, R, S, K, E, J, T 타입으로 구분된다. 그중 K 열전대는 소선의 지름에 따라 최고 1200℃ 정도까지 내열도를 유지하며 열기전력이 크다. 또한, 기전력 특성의 직선성이 양호하고, 내열, 내식성이 높아 현재 공업용으로 가장 널리 사용되고 있다. 전투차량의 엔진실에 사용되는 화재 감지선 또한 K 열전대를 활용하여 개발되었다.

온도에 따른 열기전력은 열전대 타입별로 표준으로 정해져 있어 금속 쌍에 가해지는 열에 따라 발생하는 일정한 기전력을 토대로 온도 값을 환산하여 측정한다.

단종된 부품은 단순히 운영유지만의 문제로 끝나는게 아니라 원제작사의 생산 종료로 애프터마켓에서의 가격이 상승하면서 운영유지비에 부담을 주고 있다. 단종부품은 시간이 지남에 따라 가격 상승 추세를 보이고 있으며[4], 이로 인해 예산절감을 위해 노후된 무기체계를 유지하는 행위가 오히려 운영유지비를 상승하는 원인으로 작용하고 있다.

미국 및 한국의 정책적 대응방향

이러한 부품단종 문제점을 해결하기 위해 미군의 경우 부품단종관리프로그램(SD-22: “Diminishing Manufacturing Sources and Material Shortages”) 을 2006년에 제정하여 부품단종에 대한 대응을 정책적으로 수행하고 있다[4]. 국내의 경우 획득단계 부품단종관리 업무 매뉴얼, 부품단종관리 가이드북을 제정하여 총수명주기에 걸쳐 부품단종관리 업무를 지원하고 있다.

K 열전대의 온도(T)와 기전력(E)의 관계는 수식(1)과 같다. 여기서 상수 a는 온도(T)에 따라 달라진다.

열전대 응용

일반적인 열전대는 서로 다른 금속 쌍의 접점을 활용하여 온도를 측정하므로, 접점인 온도 측정부에 열이 가해져야 기전력이 발생하여 온도 측정이 가능하다는 한계가 있다.

이를 극복하고자 화재 감지선은 시스(Sheath) 타입 열전대를 응용하였다. 시스(Sheath) 타입 열전대란 금속 보호관에 무기 절연재 금속 분말을 단단하게 충진하여 금속 보호관과 열전대 소선 사이를 절연시켜 금속 보호관, 열전대 소선, 절연재를 일체화한 열전대이다. 전투차량에 적용되는 화재 감지선은 금속 보호관(STS304)과 베이스의 금속 분말 충진재를 사용하며, K 열전대 소선인 크로멜 선과 알루멜 선을 활용한다.

충진재로 활용된 베이스의 금속 분말은 반도체 특성을 가진다. 따라서 상온에서는 부도체이지만 온도변화에 반응하여 도체로 바뀌어 크로멜 선과 알루멜 선의 접점 역할을 하게 된다.

충진재는 평상시 절연재 역할을 하지만 화재 발생 시 화재 감지선 전체가 온도 측정부가 되어 화재 범위와 무관하게 일정한 온도에서 화재를 감지할 수 있다.

즉, 감지선 일부분만 열을 가해도 일정한 온도에서 화재라고 인식하게 된다.

화재 감지선은 충진재에 크로멜 선과 알로멜 선을 삽입하고, 이를 보호관에 삽입한 다음 인발 및 열처리를 통해 제조한다. 이에 사용자의 요구에 따라 원하는 굵기만큼, 원하는 길이로 제조 가능하다는 장점이 있다. 또한, 내부의 충진재로 인해 열전대를 굽혀도 내부 소선의 이동이 없어 자유자재로 구부려 사용할 수 있으며 강도, 내열, 내진성이 우수하다.

결론

본 기고문에서는 전투차량용 소화장치에 사용되는 화재 감지선에 대해 소개하였다. 통상 화재 감지기는 열, 연기, 불꽃에 의한 변화를 통해 화재를 감지하나, 일반적으로 사용하는 화재 감지기를 군에서 운용하는 무기체계와 같은 특수한 환경에 적용하기란 제약이 따른다. 이에 우리 군은 열전대의 원리를 응용한 화재 감지선을 개발하여 적용하고 있다. 열전대는 금속 쌍의 접점에 가해지는 열에 따라 발생하는 열기전력을 토대로 온도 값을 환산하여 열을 측정한다. 화재 감지선은 열전대 중 K 열전대 시스 타입을 응용하였으며, 충진재로 반도체 특성을 가진 금속 물질을 사용한다. 충진재는 평상시 절연재 역할을 하지만 화재 발생 시 화재 감지선 전체가 접점이 되어 화재 범위와 무관하게 일정한 온도에서 화재를 감지할 수 있다. 따라서 화재가 발생하면 열에 의해 화재 감지기에 열기전력이 발생하게 되고, 통합조종상자에서 열기전력과 저항 변화를 읽어 화재경보와 함께 소화기를 분사하여 화재를 진화한다.

통상 대중들은 전차, 장갑차, 전투기 등의 무기체계에 지대한 관심을 보인다. 하지만 화재 감지선과 같이 무기체계를 지원하는 전력지원체계에 대한 관심은 미비한 편이다. 전력지원체계는 무기체계의 지속적인 전투력 발휘와 승무원의 생존성 향상에 중요한 역할을 한다. 또한, 군사부문뿐만 아니라 민간부문까지 응용할 수 있다는 장점이 있다. 본 기고문을 기점으로 대중들이 전력지원체계에도 관심을 가지기를 기대한다.