[논문]가정용 전기매트에 대한 화재 및 감전 시험법에 관한 연구

장인혁; 이창훈; 이영주; 임홍우

가정용 전기매트에 대한 화재 및 감전 시험법에 관한 연구
The Testing Methods of the Fire and the Electric Shock on the Electric Pad Using the House 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.14 no.3, 2014년, pp.169 - 175

장인혁 (조선대학교) , 이창훈 (한국기계전기전자시험연구원) , 이영주 (한국기계전기전자시험연구원) , 임홍우 (한국기계전기전자시험연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the evaluating test methods of the fire and the electric shock on the Electric pad using the house is proposed. We analyzed electric pad using magnetic shielded type hot wire because electric pad using the magnetic shielded type hot wire generally be used in the home. We analyzed FMEA in order to analyze the mechanism of the fire and the electric shock of the electric pad and designed testing methods (Durability tests on the environment, Mechanical durability tests, Electrical durability tests) obtained through the two-step QFD and tested. We verified the evaluating test methods of the fire and the electric shock on the Electric pad using the house through the analysis of the test results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 가정에서 사용 중 노후화된 전기매트의 화재 및 감전 고장모드를 제품 초기에 재현할 수 있는 시험법을 제안하였다. 본 시험법은 일반적으로 많이 사용되는 무자계열선 방식의 전기매트를 대상으로 하였다.
그 결과 초기품에 비해 내부 반도체 소자 등이 열화되어 보다 낮은 전압에도 탄화가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 실제 필드에서 신뢰수명 이후의 노후화된 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시법헙에 대해 연구한 것으로, 실제 필드 화재 조사와 관련 규격 및 문헌을 통해 FMEA분석 및 QFD2 단계를 설계하였고, 이를 바탕으로 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계 및 실행하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 시험법을 검증하였다.
본 논문에서는 가정 내에서 사용 중 신뢰 수명 이후의 노후화된 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시험법에 대해 연구하였다. 본 시험법은 일반적으로 가정 내 많이 사용되는 무자계열선 방식의 전기매트를 대상으로 설계하였다.

제안 방법

2단계 QFD 결과 전기매트의 화재 및 감전의 주요고장 메커니즘은 주로 고온과 고온고습 등의 주변 환경적 요인과 서지 및 과전압, 과전류 등으로 인한 전기적 요인 그리고 매트의 접음 및 눌림 등의 기계적 스트레스 등으로 분류할 수 있었다. QFD에서 분석한 환경적, 기계적, 과도 전기적인 요인 들을 뽑아 아래와 같은 내구성 시험을 설계하였고, 이를 실험을 통해 결과를 분석하였다.
전기매트의 동작 정지 원인으로는 굽힘을 받는 부분의 저항이 상승 → 축열 현상 발생 → 열선열화진행 → 열선 내구성 감소 → 지속적인 굽힘 반복으로 인해 열선이 단선되며 동작 정지한 것으로 실제 필드에서 발생할 수 있는 사용부주의(접힘 동작)이나 장기간 보관부주의(접힘 상태 보관)로 인한 발화 메커니즘과 유사함을 확인하였다. 과도 전기적 내구성 시험은 온도조절기 초기품과 열화품을 100 V 단계별 전압 상승시 회로 파손 및 이상여부를 관측하였다. 그 결과 초기품에 비해 내부 반도체 소자 등이 열화되어 보다 낮은 전압에도 탄화가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다.
발화요인 분석을 위해 FMEA를 실시하였고, 2단계 QFD를 통해 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계 및 시험하였다. 그리고 각각의 시험결과 분석을 통해 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시험법을 검증하였다.
따라서 본 논문에서는 실제 필드에서 신뢰수명 이후의 노후화된 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시법헙에 대해 연구한 것으로, 실제 필드 화재 조사와 관련 규격 및 문헌을 통해 FMEA분석 및 QFD2 단계를 설계하였고, 이를 바탕으로 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계 및 실행하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 시험법을 검증하였다. 추후 전원 계통 노이즈인가 시험 및 다양한 스트레스시험을 보완하고, 점검사항을 추가 개선시킨 후 보다 완성도를 높인다면, 실제 가정 내에서 사용 중 신뢰수명 이후의 노후화된 제품의 화재 및 감전 위험이 높은 제품에 대해 열화에 대한 고장 메커니즘을 규명할 수 있으며 이러한 결과를 DB화하여 산업체에 보급함으로써 화재 및 감전에 안전한 제품을 생산할 수 있도록 설계시부터 반영 가능할 것으로 예상한다.
본 시험법은 일반적으로 많이 사용되는 무자계열선 방식의 전기매트를 대상으로 하였다. 발화요인 분석을 위해 FMEA를 실시하였고, 2단계 QFD를 통해 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계 및 시험하였다. 그리고 각각의 시험결과 분석을 통해 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시험법을 검증하였다.
본 시험법은 일반적으로 가정 내 많이 사용되는 무자계열선 방식의 전기매트를 대상으로 설계하였다. 본 시험법에 적용되는 전기매트의 발화요인 분석을 위해 FMEA를 실시하였고, 그 결과를 바탕으로 2단계 QFD를 설계하여 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계하였다. 환경 내구성 시험은 고온고습시험(85 ℃ 85% R.
시험결과를 바탕으로 실제 필드에서 발생할 수 있는 환경 내구성과 기계적 내구성 및 과도 전기적 내구성을 고려하여의 시험방법을 확정하였다.
객관적인 자료로는 국내 및 국제 규격, 학회 및 학위 논문, 제품의 필드고장 사례, 선행시험 사례 등을 통하여 QFD 1단계에 적용하도록 한다(금종룡 등, 2008). 앞의 FMEA에서 구해진 RPN 값을 이용하여 전체 비율 내에 차지하는 각각의 RPN Scale 값을 구하고 그 값을 이용하여 RPN Score 유효성을 파악하여 시스템에서 가장 우선적으로 개선해야 할 부분(또는 부품)을 결정한다. <표 5>는 우선 개선 부분 선정을 위한 QFD 1단계 매트릭스를 나타낸 것이다.
전기매트 성능시험 및 안전성 시험을 위해 초기 품과 고온 70 ℃(외관케이스의 일그러짐이 없는 한계 온도)에서 1000시간 방치한 열화제품을 다음 와 같이 실험하였다.
전기매트의 환경 내구성 시험을 위해 고온고습시험(85 ℃ 85% R.H), 고온 시험(100 ℃)의 각각의 상태에서 동작 상태와 무동작 상태 시험을 다음 과 같이 실험하였다.
화재․감전에 대한 기계적 내구성 시험은 KS C 2612의 굽힘 시험을 응용하여 와 같이 자체 제작한 굽힘 시험용 지그에 전기매트를 고정한 후 과 같이 수행한 후 각 항목별 점검하였다.
본 시험법에 적용되는 전기매트의 발화요인 분석을 위해 FMEA를 실시하였고, 그 결과를 바탕으로 2단계 QFD를 설계하여 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계하였다. 환경 내구성 시험은 고온고습시험(85 ℃ 85% R.H), 고온 시험(100 ℃)의 각각의 상태에서 동작과 무동작상태의 매트 내부온도와 동작 정지시간을 측정하였다. 그 결과 무동작 상태에서 고온고습 및 고온 시험의 경우가 실제 필드에서 발생하는 축열조건으로 인한 발화현상과 유사함을 발견하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 가정 내에서 사용 중 신뢰 수명 이후의 노후화된 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시험법에 대해 연구하였다. 본 시험법은 일반적으로 가정 내 많이 사용되는 무자계열선 방식의 전기매트를 대상으로 설계하였다. 본 시험법에 적용되는 전기매트의 발화요인 분석을 위해 FMEA를 실시하였고, 그 결과를 바탕으로 2단계 QFD를 설계하여 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 가정에서 사용 중 노후화된 전기매트의 화재 및 감전 고장모드를 제품 초기에 재현할 수 있는 시험법을 제안하였다. 본 시험법은 일반적으로 많이 사용되는 무자계열선 방식의 전기매트를 대상으로 하였다. 발화요인 분석을 위해 FMEA를 실시하였고, 2단계 QFD를 통해 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계 및 시험하였다.

성능/효과

2단계 QFD 결과 전기매트의 화재 및 감전의 주요고장 메커니즘은 주로 고온과 고온고습 등의 주변 환경적 요인과 서지 및 과전압, 과전류 등으로 인한 전기적 요인 그리고 매트의 접음 및 눌림 등의 기계적 스트레스 등으로 분류할 수 있었다. QFD에서 분석한 환경적, 기계적, 과도 전기적인 요인 들을 뽑아 아래와 같은 내구성 시험을 설계하였고, 이를 실험을 통해 결과를 분석하였다.
<표 5>는 우선 개선 부분 선정을 위한 QFD 1단계 매트릭스를 나타낸 것이다. QFD 1단계 결과 전기매트의 주 고장부위는 발열선 및 가열선이 가장 높게 추정되었고 주요 고장원인은 단락과 단선으로 확인되었다.
QFD 2단계는 1단계에서 결정된 RPN Score와 각각의 고장 모드별 점수별의 합계를 이용하여 다음 <표 6>과 같이 결정하였다. 그 결과 전압상승과 온도가 주요 고장에 가장 큰 영향을 주는 고장모드로 확인되었다.
과도 전기적 내구성 시험은 온도조절기 초기품과 열화품을 100 V 단계별 전압 상승시 회로 파손 및 이상여부를 관측하였다. 그 결과 초기품에 비해 내부 반도체 소자 등이 열화되어 보다 낮은 전압에도 탄화가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 실제 필드에서 신뢰수명 이후의 노후화된 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시법헙에 대해 연구한 것으로, 실제 필드 화재 조사와 관련 규격 및 문헌을 통해 FMEA분석 및 QFD2 단계를 설계하였고, 이를 바탕으로 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계 및 실행하였다.
온도컨트롤러 동작 정지 원인은 전압상승 시험의 경우 <그림 3>과 같이 과전압 상승 시험의 경우 PCB기판 내의 저항의 탄화로 인해 동작 정지 하였다. 시험을 통해 열화제품의 경우 초기품에 비해 내부 반도체 소자 등이 열화되어 보다 낮은 전압에도 탄화가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다.
그 결과 무동작 상태에서 고온고습 및 고온 시험의 경우가 실제 필드에서 발생하는 축열조건으로 인한 발화현상과 유사함을 발견하였다. 온도컨트롤러의 경우 고온 시험과 고온고습시험 모두 외관케이스가 녹아 스위치 파손 등으로 인해 동작이 불가능하게 되어 실험법 적용에는 다소 무리가 있음을 확인하였다. 기계적 내구성 시험은 자체 제작한 굽힘 시험용 지그를 이용하여 실행한 결과 약 110,000회에 내부 열선 단선으로 인해 동작이 정지하였다.
전기매트 FMEA 분석 결과 와 같이 주요한 고장의 원인은 온도 컨트롤부의 전기적 과부하(SCR의 내부 전압 불균형), 주회로 열화 및 손상(가변저항의 저항값 증대)과 전기장판 내부의 내부 피복 손상 및 탄화(발열선과 감열 선에 의한 발열량에 의한 피복손상 및 보관상 부주의), 온도제어 불능(온도센서의 접속부 손상 및 구조상 결함) 등으로 발생빈도가 높은 것으로 추정된다.
전기매트온도 특성은 와 같이 축열조건(이불, 전기 매트 접힘) 동작상태 매트내부 평균 온도가 82.26 ℃로 정상 동작 상태 평균 온도 49.5 ℃보다 높았으며, 내부 열선의 눌림이 있거나 접힘 부분이 정상부분에 비해 더 높은 것으로 확인되었다.
전기매트의 동작 정지 원인으로는 굽힘을 받는 부분의 저항이 상승 → 축열 현상 발생 → 열선열화진행 → 열선 내구성 감소 → 지속적인 굽힘 반복으로 인해 열선이 단선되며 동작 정지한 것으로 실제 필드에서 발생할 수 있는 사용부주의(접힘 동작)이나 장기간 보관부주의(접힘 상태 보관)로 인한 발화 메커니즘과 유사함을 확인하였다.

후속연구

그리고 실험 결과를 바탕으로 시험법을 검증하였다. 추후 전원 계통 노이즈인가 시험 및 다양한 스트레스시험을 보완하고, 점검사항을 추가 개선시킨 후 보다 완성도를 높인다면, 실제 가정 내에서 사용 중 신뢰수명 이후의 노후화된 제품의 화재 및 감전 위험이 높은 제품에 대해 열화에 대한 고장 메커니즘을 규명할 수 있으며 이러한 결과를 DB화하여 산업체에 보급함으로써 화재 및 감전에 안전한 제품을 생산할 수 있도록 설계시부터 반영 가능할 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가전제품의 안전사고가 증가하게 된 배경은 무엇인가?	최근 산업의 발전과 국민소득의 증대로 인해 가전제품의 보급이 증가하는 추세를 보이고 있다. 소비자들은 기능에 대한 요구가 높아짐에 따라 다양화 되고 있으며, 무역개방과 함께 저가형 전기기기들의 수입이 늘어나고 있고, 이에 따라 가전제품의 안전사고 역시 증가하고 있는 추세이다. 가전제품의 전기․기계적 요인으로 인한 화재의 피해현황은 소방방재청(2014, 2013) 자료를 참고한 <표 1>과 같다.
	전기매트는 가정 내 화재사고에 관해 어떤 특징을 갖고 있는가?	가전제품의 전기․기계적 요인으로 인한 화재의 피해현황은 소방방재청(2014, 2013) 자료를 참고한 <표 1>과 같다. 그중 전기매트는 가정 내 화재사고 품목별 현황 중 1위를 차지하며 전기화재의 주요 발화 원인중 하나이다. 발화 위험성에 대한 고찰에 대해 홍백성(2010)이 연구하였고, 발화 요인으로는 사용 중 이불을 장시간 덮어둔 채 방치하거나, 동작상태의 매트를 접은 상태로 방치하는 등의 축열조건 내 동작 또는 보관상의 부주의로 인한 단선 및 합선을 들 수 있다.
	본 논문에서 수행한, 전기매트의 발화요인 분석을 위해 FMEA를 실시하여, 그 결과를 바탕으로 2단계 QFD를 설계하여 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계한 결과는 어떠한가?	H), 고온 시험(100 ℃)의 각각의 상태에서 동작과 무동작상태의 매트 내부온도와 동작 정지시간을 측정하였다. 그 결과 무동작 상태에서 고온고습 및 고온 시험의 경우가 실제 필드에서 발생하는 축열조건으로 인한 발화현상과 유사함을 발견하였다. 온도컨트롤러의 경우 고온 시험과 고온고습시험 모두 외관케이스가 녹아 스위치 파손 등으로 인해 동작이 불가능 하게 되어 실험법 적용에는 다소 무리가 있음을 확인하였다. 기계적 내구성 시험은 자체 제작한 굽힘 시험용 지그를 이용하여 실행한 결과 약 110,000회에 내부 열선 단선으로 인해 동작이 정지하였다. 전기매트의 동작 정지 원인으로는 굽힘을 받는 부분의 저항이 상승 → 축열 현상 발생 → 열선열화진행 → 열선 내구성 감소 → 지속적인 굽힘 반복으로 인해 열선이 단선되며 동작 정지한 것으로 실제 필드에서 발생할 수 있는 사용부주의(접힘 동작)이나 장기간 보관부주의(접힘 상태 보관)로 인한 발화 메커니즘과 유사함을 확인하였다. 과도 전기적 내구성 시험은 온도조절기 초기품과 열화품을 100 V 단계별 전압 상승 시 회로 파손 및 이상여부를 관측하였다. 그 결과 초기품에 비해 내부 반도체 소자 등이 열화 되어 보다 낮은 전압에도 탄화가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 실제 필드에서 신뢰수명 이후의 노후화된 전기매트의 화재 및 감전에 대한 시법헙에 대해 연구한 것으로, 실제 필드 화재 조사와 관련 규격 및 문헌을 통해 FMEA분석 및 QFD2 단계를 설계하였고, 이를 바탕으로 환경 내구성 시험, 기계적 내구성 시험, 과도 전기적 내구성 시험을 설계 및 실행하였다.

참고문헌 (5)

소방방재청 (2014), 2014년 화재발생현황 분석, pp. 1-17.
소방방재청 (2013), 2013년 8월 전국 화재발생현황 분석, pp. 1-16.
금종룡.서용석.이준구.박재윤 (2008), FMEA를 활용 한 디지털 신호처리기 보드의 진단 유효범위의 측정, 한국신뢰성학회지 : 신뢰성응용연구, 제8권, 제2호, pp. 101-111.

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송재용.사승훈.남정우.김진표.조영진.오부열 (2011), 전기장판 열선 결함에 의한 전기화재 원인분석, 한국안전학회지, 제27권, 제2호, pp. 7-12.
홍백성 (2010), 전기장판류의 발화위험성에 대한 고찰, 한국화재감식학회지, 제2권, 제2호, pp. 17-28.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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