[논문]양초화재 원인 감정에 관한 연구

한동훈

doi:10.7731/kifse.2016.30.3.104

양초화재 원인 감정에 관한 연구
Cause Analysis in Candle Fire Investigation 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.3, 2016년, pp.104 - 109

초록
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양초로 인한 화재 원인은 양초 불꽃과 양초 주변 가연물과의 접촉 등의 일상생활 속의 부주의로 인한 것으로 알려져 있다. 본 연구는 양초로 인한 화재원인 규명을 위하여 양초의 열적 특성과 양초관련 화재 증거물의 감정 조건 실험을 수행하였다. 시중에 시판 중인 양초 10종을 시간에 따른 무게 감소속도를 측정하였는데, 양초의 심지 길이 등 크게 의존하지 않았으며, 그 감소속도는 2.6 g/h에서 6.7 g/h의 값을 가졌다. 양초 화재는 주위의 접촉 가연물과 연관이 있으므로, 그 주변의 온도를 측정하였는데, 수평 1 cm 위치에서의 온도는 대략 $200^{\circ}C$에서 $400^{\circ}C$로 발화점이 낮은 종이류 등은 불꽃과 접촉하지 않고 발화할 가능성이 있다. 양초의 녹는점은 대략 $50^{\circ}C$에서 $70^{\circ}C$ 사이이며 양초의 주성분은 유기지방산 또는 탄소개수 20개 이상의 노말 탄화수소이다. 가스크로마토그래프/질량분석기를 이용하여 증거물내의 양초성분을 분석할 때에는 양초의 낮은 휘발성으로 인해 석유계 탄화수소와 다른 전처리 조건이 필요한데, 양초관련 증거물을 $150^{\circ}C$에서 16시간을 활성탄조각과 두었을 때 양초 주요성분의 검출이 용이하였으며, 실제 화재증거물의 경우도 본 조건을 사용하였을 때 양초성분의 검출이 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Candle fires do not occur frequently, but can easily result in death. In this study, the thermal characteristics of candles and conditions and debris of candle fires were investigated to determine the causes of candle fires. The rates of decrease in weight of 10 candles were measured and found to be between 2.6 g/h and 6.7 g/h. Most candle fires are caused by the ignitiong of combustible materials close to them. The temperature near a candle ranges from about $200^{\circ}C$ to $400^{\circ}C$ at a distance of 1 cm and low ignition temperature materials such as papers can easily catch fire. The melting temperature of candles ranges between $50^{\circ}C$ and $70^{\circ}C$ and their major chemical components are fatty acids and normal hydrocarbons (over C20). Using pretreatment conditions involving the use of activated charcoal strips at $150^{\circ}C$ for 16 hours, the fire debris including candle residues were analyzed using a Gas-chromatograph/Mass-spectrometer (GC/MS).

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Weight Decreasing Rates of 10 Candles Randomly Selected
표 Table 2. Temperature Near Candles
표 Table 3. Melting Temperature of Candles and Waxes Measured by DSC
그림 Figure 1. Total ion chromatograms of (a) round D:70, H:75, (b) rectangular S:50, H:40 and (c) round D:38, H:25.
그림 Figure 2. Total ion chromatograms of (a) granule wax, (b) palm wax and (c) gel wax.
그림 Figure 3. Total ion chromatograms of (a) liquid candle and (b) beeswax.
그림 Figure 4. Total ion chromatograms of (a) low, (b) medium and (c) high paraffin wax.
그림 Figure 5. Total ion chromatograms of (a) candle (Round D:70, H:75) directly dissolved in n-pentane, (b) extracted solution with n-pentane from ACS at 80 ℃ for 16 hours, (c) at 120 ℃ for 16 hours, (d) at 150 ℃ for 5 hours, and (e) at 150 ℃ for 16 hours in the glass bottle with the Candle.
그림 Figure 6. Total ion chromatograms of extracted solution with n-pentane from ACS (a) at 100 ℃ for 16 hours, and (b) at 150 ℃ for 16 hours in a glass bottle with Fire debris.

AI 본문요약
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문제 정의

양초와 관련된 화재원인을 보다 신뢰성 있게 감정하기 위하여 양초의 특성과 다양한 양초의 성분을 확인하는 실험을 수행하였다. 양초화재원인에 관한 연구결과는 다음과 같다.

제안 방법

양초가 넘어 져서 직접 가연물에 닿아서 화염이 진행되는 경우이외에도 양초와 근접할 경우 복사와 대류열에 의해서 주변 가연물에 의하여 화재로 진행될 가능성이 있다. 2종의 양초의 심지 중앙에서 각각 수평 1 cm, 수직 0 cm와 수평 1 cm, 수직 위 3 cm 및 수평 1 cm, 수직 위 6 cm의 위치에서 온도를 측정해 보았다. 직경이 60 mm, 높이 85 mm의 양초의 경우 수직 0 cm의 위치에서 k-type 열전대를 사용하여 측정한 결과, 최고온도는 450.
Differential Scanning Calorimeter (DSC)를 사용하여 여러 가지 양초와 양초 주 재료의 녹는점을 측정하였다. 이러한 실험은 다양한 양초 및 성분의 녹는점을 알고, 화재시 발생한 증거물의 녹는점 특성으로 양초재료를 역추적할 수 있다.
증거물은 캔에 보관되어 이송되었으며, 본 연구실에서 위 부분의 마개만을 변경하여 보관 용기 자체를 전처리 용기로 사용하여 전처리 하였다. 감정의뢰시 화재조사관이 양초 성분의 유무를 의뢰하여, 본 감정건의 경우는 일반적인 전처리보다 20 ℃ 높게 100 ℃를 전처리 온도로 택하여 전처리하였다. Figure 6의 (a)는 100 ℃, 16시간으로 전 처리한 후, 활성탄 조각을 1 mL의 n-pentane으로 씻은 후 가스크로마토그래프/질량분석기로 분석한 결과인데, noctane(탄소개수 8개)에서 n-octadecane(탄소개수 18개)이 연속적으로 미량씩 검출되었다.
본 연구에서는 양초의 무게감소속도와 양초 심지와 수평으로 1 cm 부근에서 열전대를 사용하여 양초 주변 온도를 측정하였다. 또한 양초와 관련된 화재증거물의 분석 감정의 신뢰성을 확보하기 위하여, 양초 및 양초 주재료의 성분을 가스크로마토그래프/질량분석기로 분석하고, 유류와 다르게 끓는점이 높고 상온에서 고체 성질을 가지는 양초증거물의 전처리 조건 실험을 하고 실제 화재증거물에 적용하여 그 효용성을 확인하였다.
초를 사용하여 화재가 나거나 고의적으로 방화한 경우 양초의 연속 속도를 알고 있다면 화재가 시작된 시간을 예측할 수 있다. 바람이 없는 실험실 상온의 조건에서 저울위에 초를 두고 실시간으로 무게를 측정하였다. 무게감소속도는 양초의 심지, 지름 등의 요소와 연관성을 찾기 어려웠고 각각의 초의 무게감소율은 가장 느린 티라이트(Round D:38, H:25)가 2.
본 연구에서는 양초의 무게감소속도와 양초 심지와 수평으로 1 cm 부근에서 열전대를 사용하여 양초 주변 온도를 측정하였다. 또한 양초와 관련된 화재증거물의 분석 감정의 신뢰성을 확보하기 위하여, 양초 및 양초 주재료의 성분을 가스크로마토그래프/질량분석기로 분석하고, 유류와 다르게 끓는점이 높고 상온에서 고체 성질을 가지는 양초증거물의 전처리 조건 실험을 하고 실제 화재증거물에 적용하여 그 효용성을 확인하였다.
분석 시료는 모두 펜탄에 거의 포화상태로 녹인 후 필터 하여 다른 전처리 없이 가스크로마토그래프로 주입하였다. Figure 1에서 보는 바와 같이 둥근 양초(직경 70 mm, 높이 75 mm), 직각기둥형 양초(변 50 mm, 높이 40 mm), 둥근 양초(직경 38 mm, 높이 25 mm)의 경우 주로 나온 성분은 탄소개수 21개의 노말탄화수소에서부터 탄소개수 35개의 노말탄화수소가 연속적으로 검출되었음을 알 수 있다.
양초 화재 증거물의 감정의 중요한 자료로 쓰기 위하여 위의 일반 양초 3개의 성분(Figure 1)과 양초 주재료와 을 분석하였다. 양초의 성분 분석을 위해서 사용된 장비는 가스크로마토그래프/질량분석기로 Perkin Elmer사의 Clarus 600 모델이며, GC 컬럼의 경우 polymethylsiloxane으로 된 COL ELITE 30 m(총 길이), 두께 0.
양초화재 증거물의 전처리 조건에 관한 실험을 수행하기 위해서 둥근 양초 약 0.1 g을 유리병에 두고 활성탄 조각(ACS, activated charcoal strip)을 매달아 여러 조건의 온도와 시간에서 둔 후, 활성탄 조각을 꺼내어 n-pentane 1 mL로 씻은 후 가스크로파토그래프에 주입하였다.
Figure 6은 본 연구실에 의뢰된 실제 화재증거물의 결과이다. 증거물은 캔에 보관되어 이송되었으며, 본 연구실에서 위 부분의 마개만을 변경하여 보관 용기 자체를 전처리 용기로 사용하여 전처리 하였다. 감정의뢰시 화재조사관이 양초 성분의 유무를 의뢰하여, 본 감정건의 경우는 일반적인 전처리보다 20 ℃ 높게 100 ℃를 전처리 온도로 택하여 전처리하였다.

대상 데이터

Table 1에서와 같이 시중에 판매되고 있는 양초를 무작위로 구입하여 양초 10종의 시간에 따른 무게감소를 측정해 보았다. 초를 사용하여 화재가 나거나 고의적으로 방화한 경우 양초의 연속 속도를 알고 있다면 화재가 시작된 시간을 예측할 수 있다.
양초의 성분 분석을 위해서 사용된 장비는 가스크로마토그래프/질량분석기로 Perkin Elmer사의 Clarus 600 모델이며, GC 컬럼의 경우 polymethylsiloxane으로 된 COL ELITE 30 m(총 길이), 두께 0.25 µm, 0.25 mm(내직경)를 사용하였다.
오븐의 온도는 주로 50 ℃에서 시작하여 300 ℃까지 점차적으로 상승시켰고 split ratio의 경우 농도에 20~10 : 1로 하였다. 캐리어 가스로는 99.999%의 헬륨을 사용하였다.

성능/효과

Figure 5(d)는 150 ℃에서 5시간 전처리 하였을 때인데, 탄소개수 8개인 octane에서부터 탄소개수 20개의 ecoisane이 검출되고, 원래 양초의 주 화학물질인 탄소개수 21에서 27까지의 노말탄화수소가 검출된다. 사실 Figure 5(a)에서 보는 것처럼 본 시료의 주 화학물질은 탄소개수가 22에서 35인 노말탄화수소이지만 전처리를 통해서 분석된 시료는 이보다 탄소체인의 길이가 짧은 것을 볼 수 있다. 이는 양초의 주 성분은 끓는점이 높고 활성탄에 흡착되기가 어려우나, 양초 내의 미량으로 남아있던 탄소개수가 상대적으로 작고 끓는점이 낮은 탄화수소들이 활성탄 조각이 쉽게 흡착되기 때문에 이와 같은 토탈이온크로마토그램을 얻은 것으로 판단된다.
양초화재원인에 관한 연구결과는 다음과 같다.1) 양초를 원인으로하는 화재의 경우 직접 착화와 복사대류열에 의한 간접착화의 경우도 고려할 수 있다. 왜냐하면 양초에 근접한 주위온도를 측정한 결과, 대략 200 ℃~400 ℃의 온도를 가져 발화점이 낮은 종이류의 발화가 가능할 수 있기 때문이다.
왜냐하면 양초에 근접한 주위온도를 측정한 결과, 대략 200 ℃~400 ℃의 온도를 가져 발화점이 낮은 종이류의 발화가 가능할 수 있기 때문이다.2) 양초의 성분은 그래뉼왁스와 크리스탈 팜왁스는 유기지방산이며, 겔 왁스와 액체 양초를 제외한 대부분의 재료와 양초는 탄소개수 20개 이상의 노말탄화수소가 주성분이다. 따라서 파라핀으로 만들어진 양초화재 감정 증거물의 타겟물질은 탄소개수 20개 이상의 노말탄화수소로 판단된다.
따라서 파라핀으로 만들어진 양초화재 감정 증거물의 타겟물질은 탄소개수 20개 이상의 노말탄화수소로 판단된다.3) 가스크로마토그래프/질량분석기를 이용하여 일반적인 유류를 분석할 때 증거물의 전처리 조건은 80 ℃에서 16시간 동안 시료를 두지만, 양초의 높은 끓는점으로 인해 일반적인 유류와 다른 전처리 조건이 필요하고 150 ℃에서 16시간 정도 두어야 한다. 결론적으로 활성탄조각을 사용한 화재증거물의 분석시 양초 성분 검출이 용이하고, 본 조건을 사용하여 실제 화재증거물을 전처리 하였을 때 양초 성분의 검출이 가능하였다.
3) 가스크로마토그래프/질량분석기를 이용하여 일반적인 유류를 분석할 때 증거물의 전처리 조건은 80 ℃에서 16시간 동안 시료를 두지만, 양초의 높은 끓는점으로 인해 일반적인 유류와 다른 전처리 조건이 필요하고 150 ℃에서 16시간 정도 두어야 한다. 결론적으로 활성탄조각을 사용한 화재증거물의 분석시 양초 성분 검출이 용이하고, 본 조건을 사용하여 실제 화재증거물을 전처리 하였을 때 양초 성분의 검출이 가능하였다. 따라서 실제 양초화재 증거물의 경우 일반적인 유류와 다른 전처리를 통하여 감정하여야 한다.
파라핀 왁스는 3개의 종류가 있으며 저온, 중온, 저온 파라핀 왁스의 경우 주초 노말탄화수소가 검출되었다(Figure 4). 저온 파라핀 왁스는 탄소개수 19개인 노말탄화수소에서 탄소개수 31개인 노말탄화수소가 연속적으로 검출되었고, 중온 파라핀 왁스의 경우 탄소개수 21개에서부터 38개인 노말탄화수소가 연속적으로 검출되었음을 알 수 있다. 고온 파라핀의 경우 탄소개수 29, 34, 36, 37개의 노말 탄화수소(추정)가 검출되었다.
이 경우에 얻은 토탈이온크로마토그램은 Figure 6의 (b)이다. 전처리 온도가 150 ℃ 정도가 되어야지 탄소개수 15개에서부터 23개까지 연속적으로 노말탄화수소가 검출되어, 양초의 주성분이 검출된다고 판정할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

따라서 양초 관련 화재의 증거물을 분석 및 감정시에는 탄소개수가 20개 이상의 노말탄화수소가 연속적으로 검출되거나 다량의 n-hexadecanoic acid 또는 n-octadecanoic acid가 검출되면 화재시의 양초 유무를 판정할 수 있을 것이다.
액체 양초의 용액의 경우 분리가 되지 않았지만 질량분석기를 통해 노말탄화수소, 가지달린 탄화수소, 황성분이 포함된 탄화수소 등으로 구성된 것으로 추정된다. 따라서 이러한 액체, 겔 형태의 양초재료로 주로 만들어진 양초의 경우 유류증거물 감정하는 조건과 다르게 분석법을 고안하여야 할 것이다. 밀납비즈 왁스의 경우는 n-hexadecanoic acid(추정)와 탄소개수 23개의 노말탄화수소에서부터 탄소개수 38개의 노말탄화수소가 연속적으로 검출되었음을 알 수 있다.
Figure 1에서 보는 바와 같이 둥근 양초(직경 70 mm, 높이 75 mm), 직각기둥형 양초(변 50 mm, 높이 40 mm), 둥근 양초(직경 38 mm, 높이 25 mm)의 경우 주로 나온 성분은 탄소개수 21개의 노말탄화수소에서부터 탄소개수 35개의 노말탄화수소가 연속적으로 검출되었음을 알 수 있다. 따라서 일반적인 양초의 경우 탄소개수 20개 이상의 노말탄화수소가 주 재료임을 알 수 있으며, 이러한 물질을 화재원인 감정시 타켓물질로 하여 분석을 수행하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양초는 여러 가지 용도에 따라 어떻게 구분가능한가?	양초는 여러 가지 용도로 실생활에 유용하게 쓰는 불이다. 용도에 맞게 장식용, 아로마 테라피용, 정전용, 기능성 양초 등이 있다. 하지만 양초를 잘못 다루게 되면 화재로 인한 인명 및 재산피해가 발생할 수 있다.
	양초란?	양초는 여러 가지 용도로 실생활에 유용하게 쓰는 불이다. 용도에 맞게 장식용, 아로마 테라피용, 정전용, 기능성 양초 등이 있다.
	본 연구 결과 양초의 성분엔 무엇이 있는가?	왜냐하면 양초에 근접한 주위온도를 측정한 결과, 대략 200 °C ~ 400 °C의 온도를 가져 발화점이 낮은 종이류의 발화가 가능할 수 있기 때문이다. 2) 양초의 성분은 그래뉼왁스와크리스탈 팜왁스는 유기지방산이며, 겔 왁스와 액체 양초를 제외한 대부분의 재료와 양초는 탄소개수 20개 이상의 노말탄화수소가 주성분이다. 따라서 파라핀으로 만들어진 양초화재 감정 증거물의 타겟물질은 탄소개수 20개 이상의 노말탄화수소로 판단된다.

참고문헌 (3)

"Fire Cause Analysis by Event Candles", Fire Investigation Class Report, pp.17-28, KyungKiDo Fire Service Academy (2012).
J. D. DeHaan and D. J. Icove, "Kirk's Fire Investigation", 7th edition, pp. 140, Pearson (2012).
Natures Garden Candle Making & Soap Making Supplies, "Gel Wax", http://www.naturesgardencandles.com (2016).

저자의 다른 논문 :

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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