1. 서 론
최근 기후변화와 건조한 기상 조건으로 인해 산림화재 발생 빈도가 증가하고 있으며(1), 이에 따른 소방대원의 활동 강도와 위험성도 함께 증가하고 있다(2). 우리나라에서는 산림화재 대응에 있어 산림청이 산불 진화와 방어선 구축을, 소방청이 산림 인접 지역의 시설 보호를 각각 담당하는 이원화된 체계를 갖추고 있다(3). 그러나 실제 현장에서는 소방대원이 산불 직접 진화, 잔염 처리, 산림 내 요구조자 구조 등 산림화재의 일부 과정에 참여하고 있으며(4), 이로 인해 장시간의 산악 활동과 고온 노출에 따른 피로도와 안전 문제가 제기되고 있다. 특히 산림 지형은 경사도가 크고 접근성이 낮아 일반적인 도시 화재와는 다른 피로 누적 양상을 보이며, 소방대원의 생리적 부담이 현저히 높다.
방화복은 일반적으로 아라미드 섬유 기반의 외피와 내피로 구성되며, 외피는 화염 차단과 열전도 저감 기능을, 내피는 방사투습과 피부 접촉면 보호 역할을 수행한다(5,6). 방화복 외피에 사용되는 PBI, 파라아라미드, 메타아라미드 등 난연 소재는 일반 대기 환경에서 직접적인 화염 접촉 또는 복사열에 의한 영향을 막아주는 역할을 하며 외부 충격에 의해 파열⋅파괴되지 않아 착용자를 보호한다. 방화복과 관련한 기존 연구는 주로 고정식 화원과 수직 복사열 조건을 중심으로 수행되어, 실제 산림화재와 같이 비정형적 열원이 동반되는 복합적 열 조건을 반영하지 못한 한계가 존재한다(7).
이러한 상황은 기존 방화복이 갖는 활동성 저하와 통기성 부족 문제를 더욱 부각시키고 있으며, 실제 현장에서는 보호성과 착용 편의성 사이의 균형 문제가 반복적으로 제기되고 있다(8). 이와 관련하여, 산불이 많이 발생하는 강원도의 경우 국립소방연구원에서 운영 중인 ‘119리빙랩’을 통해 방화복 내피 제거에 따른 산불 진화 시의 화상위험성과 관련한 연구를 요청하기도 하였다. 실제 일부 소방대원들은 비공식적으로 내피를 제거하거나 비정형적인 착용 방식을 택하고 있으며, 이는 개인의 판단에 맡겨진 위험한 결정일 수 있다. 현행 복제 규칙(9)과 현장 실태 사이의 괴리를 해소하기 위해서는 과학적 데이터에 기반한 장비 착용 기준 수립이 요구된다.
NFPA code(10,11)에 따르면 산림화재는 복사열, 직접 화염, 비화(firebrands) 등 다양한 열 전달 메커니즘을 포함하며, 지형⋅기상⋅연료 조건에 따라 확산 속도와 열 세기가 급격히 변화한다. 특히 복사열과 비화는 소방대원에게 직접적인 열 노출과 화상을 유발할 수 있는 주요 요인으로 지목된다. 화재 초동 대응 시에는 복사열과 비화에 의한 간접 영향이 주요하며, 확산 억제를 위한 신속한 판단과 이동이 요구되기 때문에, 착용 장비의 무게와 열 발산 특성은 작전 효율성과 밀접한 관련이 있다. 비화에 의한 착화는 민가나 산림 인접 건축물로의 확산 가능성이 높기 때문에, 이러한 상황에서 소방대원이 착용하는 보호장비는 단순 화염 차단 기능 이상이 요구된다.
최근 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로, 방화복의 내피를 제거함으로써 통기성과 활동성을 확보하고자 하는 착용 방식 개선에 대한 논의가 이루어지고 있다. 실제로 방화복 외피는 산불진화복에 관한 국제적으로 인정받는 표준들이 요구하는 성능요건을 모두 만족한다(12). 하지만 국내 상황에서는 내피 탈거에 따른 열차단 성능 저하와 화상 위험성 증가는 명확히 검증되어야 할 부분이다. 미국 산림청은 산불 대응 시 화염 높이의 최소 4배 거리 확보를 권장하고 있다(13,14). 국내는 산림청과 소방청이 각각 다른 역할을 수행함에 따라, 화염과의 거리뿐 아니라 장비 착용 기준 또한 일관되지 않은 문제점이 존재한다. 특히 소방의 경우 산림화재 진화의 일부 과정에도 참여할 뿐만 아니라 산림경계 지역과 건축물의 방호에 대한 임무도 수행하기에 이러한 특수성을 고려한 방화복 복제 규칙 등의 마련이 필요하다.
현장 소방대원들 사이에서도 보호성과 활동성 간의 이분법적 선택에 대한 고민이 지속되고 있으며, 이는 제도적 기준보다 실무적 경험에 의존한 착용 판단으로 이어지는 경향이 있다. 따라서 현장 중심의 데이터를 기반으로 한 과학적 근거 확보는 장비 정책 수립뿐만 아니라, 소방대원의 생명 보호를 위한 필수 조건이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 산림화재 환경을 실험적으로 모사하고, 방화복 내피 착용 유무에 따른 방호 성능 및 화상 위험성을 비교하여, 소방대원의 활동 유형에 따른 적절한 착용 지침 수립을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 실험방법
2.1 실험설계
본 연구는 산림화재 상황에서 방화복 착용 방식에 따른 열 차단 성능 및 화상 위험성을 정량적으로 평가하기 위해 수행하였다. 실험 조건은 다음과 같이 설정하였다: (1) 소방청 전용 방화복의 내피와 외피를 모두 착용한 조건(방화두건 미착용), (2) 동일한 방화복의 외피만 착용한 조건(방화두건 착용), (3) 산림청 산불진화복 착용 조건이다. 산불진화복은 난연성능을 갖춘 노멕스 및 테카세이프 직물로 제작된 의복을 사용하였다(15).
실험 환경은 실제 산림화재를 모사하기 위해 수평풍동장비를 활용하였으며, 일정한 바람 속도(3 m/s)를 유지하였다. 화재의 주요 열원으로 참나무 장작 3 kg과 건조된 소나무 낙엽 300 g을 사용하여 실험을 수행하였다. Figure 1과 같이 열적 영향을 평가하기 위해 높이 1.8 m 마네킨을 활용하였으며, 신체 주요 부위인 목, 어깨, 팔꿈치, 복부, 허벅지, 무릎에 K-type 열전대를 부착하였다. 이때 신체의 중심(center)에 해당하는 목(neck)과 복부(abdomen)의 경우 해당 측정 위치에서의 온도 값을 사용하였으며, 신체의 좌측 및 우측 면(side)에 위치하는 어깨(shoulder), 팔꿈치(elbow), 허벅지(thigh), 무릎(knee)의 경우 좌측과 우측에서 측정된 온도데이터의 평균값을 사용하였다.
2.2 실험조건
실험은 국가산불실험센터에서 진행하였다. 소방대원들이 주로 노출되는 산림화재 상황인 지표화(surface fire)와 비산화(spotting)을 고려하여 화재 조건을 설정한 후 참나무 장작을 점화하고, 약 10 s 후 건조된 소나무 낙엽을 추가 투입하여 비화(firebrands)를 발생시켰다. Figure 2와 같이, 사전실험을 통해 산불 잔염 등의 미소한 복사열 상황과 함께 소방시설등의 성능위주 설계 방법 및 기준 별표1의 인명안전기준 중 열에 의한 영향인 60 °C를 상회하는 값을 기준으로 적정 이격거리를 산정하였으며, 마네킨과 화재원의 거리는 2 m로 설정하였다.
각각의 설정값은 Figure 2에 나타난 바와 같이 사전실험을 통해 도출하였으며, 해당 값을 기준으로 풍동실험장비를 통해 3 m/s의 바람을 가하여 비화 확산을 유도하고 총 1,600 s간 온도 데이터를 수집하였다. 모든 변수는 실험 간 일관성 유지를 위해 동일하게 설정하였으며, 연료 배치 및 바람 세기 또한 반복 실험 간 표준화하였다. 실험은 Figure 3과 같은 순서로 진행하였으며, 각 조건별 2회 반복하여 결과의 신뢰성을 확보하였다. 상세 조건은 Table 1에 표기하였다.
3. 실험 결과
본 장에서는 산림화재를 모사한 실험 환경에서 수집된 데이터를 기반으로 착용 조건별 열 차단 성능, 부위별 온도 분포 특성, 내부 온도 안정성, 그리고 열 축적 지속시간에 대한 분석 결과를 서술하였다. 분석 대상은 방화복(내피 + 외피 착용), 방화복(외피 단독 착용), 산불진화복의 세 가지 착용 조건이며, 각 조건에 대한 동일 실험 반복 수행 결과를 기준으로 하였다.
3.1 열 차단 성능 비교
Table 2는 Figure 4를 바탕으로 식(1)을 사용하여 의복의 외부(표면) 온도와 내부(피부 접촉면) 온도의 차이를 통해 복사열 및 비화로부터의 열차단 성능을 정량적으로 분석한 결과이다. 여기서 shielding effectiveness ratio는 열차단률을, Toutside는 의복 외부 온도를, Tinside는 외복 내부 온도를 의미한다.
Table 2
Maximum Temperature of Outside and Inside
Figure 4는 방화복 내⋅외부 최대 온도 상승률에 대한 결과에 나타낸 것으로, outer + inner는 방화복 외파와 내피를 모두 착용한 경우를, only outer는 방화복 외피 단독 착용 조건을, complete unit은 산림청의 산불진화복 조건을 의미한다. 이때 목(neck, 61.2%) 부위의 경우 외피만 존재하기 때문에 내피와 외피를 모두 착용한 조건과 약 0.5 °C의 미소한 차이만 나타났다. 특히 신체 부위별 측정 위치에 따라 온도 차이가 발생하는
이유는, 산림화재 대응 시 소방대원들이 주로 노출되는 산림화재 상황인 지표화와 비산화 상황을 고려하여 하부에서 상부로 화염이 비스듬히 생성되는 상황이기 때문이다. 즉 바람에 의하여 기울어진 화염과 비교적 가까운 부위인 팔꿈치⋅복부의 온도가 화염과 비교적 멀리 있는 어깨 등에 비해 외부 온도가 높게 나타났다.
방화복의 내피 + 외피(outer + inner) 착용 조건은 실험 전체 부위에서 가장 높은 열차단 성능을 보였으며 최대 약 63%의 차단 효과를 나타냈다. 외피 단독 착용 조건의 경우 최대 약 59.4%의 차단 효과를 보였으나, 어깨의 경우 47.1%로 일부 부위에서는 내⋅외피를 모두 착용한 조건 대비 외피 착용만으로는 열에 의한 보호 효과가 저하됨을 확인하였다. 산불진화복의 경우 열차단 성능이 현저히 낮았으며, 특히 고온 노출 시 내부 온도 상승폭이 크게 나타났다. 이는 산불진화복의 복사열 차단 구조의 한계로 해석될 수 있으며, 장시간 대응 시 화상 위험이 높아질 수 있음을 내포한다.
3.2 내부 온도 변화
Table 3과 같이, 실험 시간 동안 측정된 내부 온도의 시간별 변화를 기반으로 각 조건별 내부 온도의 안정성을 표준편차를 통해 비교하였다. 방화복(내피 + 외피) 조건에서는 대부분 부위에서 내부 온도 변화의 표준편차가 1 °C 내외로 매우 안정적인 열 반응 양상을 보였다. 반면, 외피 단독 착용 시 일부 부위에서는 3∼4 °C 수준의 표준편차가 나타났으며, 산불진화복의 경우 최대 8.7 °C에 이르는 급격한 온도 편차가 관측되었다. 이는 산불진화복이 외부 열 환경에 민감하게 반응하며, 피복 내에서의 열 분산 능력이 상대적으로 부족함을 시사한다. 특히, 반복적인 고온 노출 상황에서 이러한 불안정한 온도 반응은 피부 화상이나 급성 열 스트레스의 위험을 증가시킬 수 있다.
3.3 열 축적 및 냉각 특성
최대 온도 도달 시점과 이후 상온(25 ± 2 °C)으로의 복귀까지의 시간을 측정하여 열 축적 지속시간을 분석하였다. 이때 Table 4의 peak는 내부의 최대 온도 도달 시점을, duration은 최대 온도 도달 후 열 축적이 지속되는 시간을 의미한다. Figure 5와 Table 4에서 나타난 바와 같이, 모든 부위에서 방화복 외피 단독 착용 조건 대비 방화복 외피와 내피를 모두 착용한 조건에서 의복 내부 피부면의 최대 온도 도달 시점이 느린 것을 확인하였다. 이는 내피 구조가 열의 급격한 축적을 방지하는 효과를 가짐을 나타낸다.
Table 4
Time to Peak Temperature and Duration of Thermal Load (s)
반면, 산불진화복의 경우 의복 내부의 온도가 짧은 시간에 급격히 고온에 도달하고, 비교적 빠르게 내부 온도가 냉각되는 현상이 나타났다. 이는 산불진화복의 경우 초기 열 대응력이 낮고, 잔열이 지속되는 상황에서 피부 조직에 손상을 줄 수 있는 위험성이 높다는 것을 의미한다.
한편, Figure 5(a)와 같이 목 부위(neck)의 경우 방화두건을 착용한 조건에서는 외부 대비 내부의 온도 차이가 53 °C인 반면, 방화두건을 착용하지 않은 조건에서는 47.7 °C로 방화두건을 착용함으로써 외부로부터의 열기를 보다 효과적으로 차단 가능함을 확인하였다. 산불진화복의 경우 목을 보호할 수 있는 기능의 부재로 외부의 온도가 여과없이 목 부위에 도달하여 온도가 최대 51.3 °C까지 도달하였다.
종합적인 분석 결과, 방화복 내피와 외피를 모두 착용한 조건은 열 차단 성능, 내부 온도의 안정성, 그리고 열 축적 억제 측면에서 가장 우수한 성능을 나타냈다. 특히 Figure 6과 같이, 전체 착용 시간 동안 내부 온도가 비교적 낮고 일정하게 유지되었으며, 급격한 온도 상승 없이 복사열 및 비화 노출에 안정적으로 대응할 수 있음을 확인하였다. 또한, 인명안전기준에서 제시하고 있는 열에 의한 기준인 60 °C 이상의 고온에 도달하는 시간 역시 가장 늦었고, 고온이 지속된 시간도 짧아, 장시간의 고열 노출 환경에서도 소방대원의 신체 보호에 효과적임이 실험적으로 입증하였다.
반면, 외피 단독 착용 조건의 경우 외피와 내피를 모두 착용한 조건 대비 공기층의 미형성으로 인한 구조적인 문제로 일부 측정 부위에서 온도 상승이 발생하고 내부 온도 변동 폭이 크게 나타났다. 이는 복사열이 집중되는 환경에서는 화상위험성이 존재함을 보여준다. 다만, 국내 방화복 외피 기준이 국제 산림화재 대응에서 요구하는 성능을 만족(12)하는 것과 함께 산림화재의 특수성을 고려하여 주로 잔염 확인, 주변 감시 등 비접촉 작업에 제한적으로 사용하는 등 복제 규칙에 관한 세부적인 방안을 마련하여 활동성과 통기성을 증진시켜 적극적인 진화 활동에 적용할 수 있는 방안 마련이 필요하다.
산불진화복 착용 조건은 전체적으로 가장 높은 내부 온도와 낮은 차단 성능을 보였으며, 고온 노출 시간이 가장 길게 나타났다. 이는 산불진화복이 경량성과 활동성에는 유리할 수 있으나, 장시간의 고열 대응 작업이나 화염 접촉이 예상되는 상황에서는 보호 기능이 현저히 부족함을 의미한다. 따라서 현재의 산불진화복은 국지적이고 저강도 작업에 한정해 사용해야 하며, 산림경계를 방호하고 산림 내 요구조자 발생 시 투입되는 소방대원이 착용하기 위해서는 보호 성능의 개선 또는 상황별 착용 기준 정립이 필요하다.
4. 결 론
본 연구는 산림화재 대응 현장에서의 의복 착용 방식이 열 차단 성능 및 화상 위험도에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 방화복 내피와 외피를 모두 착용한 조건에서 평균 열 차단율이 약 60% 이상으로 가장 높았으며, 전 부위에서 내부 온도 상승폭이 가장 작고 온도 변화의 표준편차 또한 가장 안정적으로 나타났다. 이는 장시간 복사열 및 비화 노출 환경에서도 방호 성능이 유지됨을 시사한다.
(2) 외피 단독 착용 조건에서는 외피와 내피 모두 착용 조건 대비 내부 온도 상승이 상대적으로 높았고, 최대 온도 도달 이후 고온 지속시간도 길게 나타났다.
(3) 소방청의 방화복 내⋅외피 동시 착용 지침은 본 연구의 실험 결과에 비추어 볼 때 열 노출로 인한 화상 위험을 최소화하는 데 효과적인 기준으로 판단되며, 실제 산림화재와 같은 불규칙 열 환경에서도 내피의 방호 기능이 중요한 역할을 수행한다.
(4) 다만, 방염처리된 산불진화복 대비 모든 조건에서 방호성능이 높았으며, 해당 결과와 함께 산림화재의 특성 및 국제적인 복제 규정을 참고하여 산림화재 대응 시 활동 강도와 위험 수준에 따른 적절한 방화복 착용 지침 마련을 통해 사용자의 활동성과 편의성을 증진함과 동시에 안정성을 만족할 수 있는 방안에 대한 고려가 필요하다.
(5) 향후에는 실험 조건을 다양화하여 실제 산림 지형, 풍향 변화, 연료 축적 밀도 등을 반영한 실증 기반 연구가 추가적으로 수행되어야 하며, 산림화재 대응별 적절한 복제 착용 방안 마련을 위한 마네킨 기반 실험 외에도 실제 착용자의 생리 반응을 고려한 열 쾌적성 평가와 고기능성 방화복 개발 등이 고려되어야 할 것으로 판단된다.
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