Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 3, pp. 16-22, 2016 [Research Paper]

16

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.3.016

Phase Change Material (PCM) 소재 적용 소방보호복의

화상발생 억제효과에 관한 연구

이준경

경남대학교 기계공학부

Inhibitory Effect of adding Phase Change Material (PCM)

to Fire Fighter Protective Clothing on Burn Injuries

Jun Kyoung Lee

Dept. of Mechanical Engineering, Kyungnam Univ.

(Received April 4, 2016; Revised June 21, 2016; Accepted June 21, 2016)

요 약

소방공무원의 화상방지를 위해 소방보호복의 개발이 이루어지고 있으나, 보호 성능을 높이기 위해서 소재의 두께가 증

가하고, 그럼으로 경량화 달성이 어려워지는 단점이 존재한다. 이를 극복하기 위한 여러 가지 방법 중 Phase Change

Material(PCM, 상변화 물질)을 적용한 섬유를 소방보호복 안감에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 기존 연구의 경우, 고

온노출시 PCM 적용 섬유의 온도 특성에 대한 연구가 일부 있었으나, 화상 발생과의 직접적인 연관성을 살펴볼 수가

없다는 큰 단점이 존재한다. 본 연구에서는 짧은 시간 고열유속 상태의 돌발화염조건에 대해 현재 사용되고 있는 소방보

호복 안감에 대한 PCM 적용 여부에 따라 2도 화상 발생 억제 효과를 수치계산을 통해 살펴보았다. 피부의 화상 해석

을 위해 생체 열전달 방정식(Bio-heat transfer)을 이용하여 지배방정식을 유도하였으며, 유한차분법(Finite Difference

Method)을 활용하여 화상에 대한 예측을 수행하는 수치해석 접근법을 사용하였다. 시간에 따른 온도 및 손상함수 결과

분석을 통해 PCM 소재의 열흡수가 열전달을 지연시키는 효과가 큼을 확인할 수 있었고, 그에 의해 화상발생을 방지하

는 매우 유효한 방법임을 확인할 수 있었다.

ABSTRACT

Fire fighters rely on fire fighter protective clothing (FFPC) to provide adequate protection in the various hazardous

environments. To enhance its protection performance, the FFPC material must be thick and thus it is difficult to achieve

weight reduction. One of the methods of overcoming this problem, the addition of phase change material (PCM) to FFPC,

is a new technology. In previous studies, the researches was mostly related to the temperature characteristics of the fibers

incorporating PCM, but little information is available about its effect on burn injuries. Thus, in this study, the inhibitory

effects of adding PCM to FFPC on second degree burns were investigated through numerical calculations. Thermal analy-

ses of biological tissues and FFPC with embedded PCM exposed to several fire conditions causing severe tissue damage

were studied by using a finite difference method based on the Pennes bio-heat equation. FFPC with embedded PCM was

found to provide significantly greater protection than conventional fire fighting clothing, because the heat of absorption

due to the phase change within the material is used to limit the heat conduction of the material.

Keywords : Phase change material, Skin burn injury, Flash flame, Bio-heat equation

1. 서 론

화재현장에서 소방공무원은 강렬한 화염과 뜨거운 열기

로부터 신체를 보호하기 위하여 보호복을 착용하고 있으

나 소방공무원 화상사고는 매년 지속적으로 발생하고 있

다. 2008년 소방공무원 공사상 원인분석 자료에서 화염접

촉에 의한 경우가 5.5%를 차지하고 있으나, 자가치료와

공사상미신청건을 고려하면 실제에는 이보다 많이 발생할

것으로 판단된다(1)

. 미국의 경우 2014년도 소방공무원 사

망원인의 8%정도가 화상으로 나타났으며 이를 예방하기

위한 다양한 연구가 진행중이다(2)

.

우리나라의 화상환자 발생현황을 국민건강보험공단에 급

E-Mail: jklee99@kyungnam.ac.kr

TEL: +82-55-249-2613, FAX: +82-55-249-2617

Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 3, 2016

Phase Change Material (PCM) 소재 적용 소방보호복의 화상발생 억제효과에 관한 연구 17

여청구된 자료를 중심으로 살펴보면 2005년부터 2009년까

지 약 30.6% 증가하는 것으로 나타났으며, 인구 10만명당

984명 발생하는 것으로 조사되었다(3)

. 2011년 미국화상협회

자료에 의하면 화재사고는 우리나라가 미국보다 인구대비

약 6배 이상 많이 발생하며, 미국은 사고발생 경향이 지난

10년간 약 50% 감소한 반면 우리나라는 오히려 증가하는

것으로 나타나 이에 대한 방지대책이 시급한 실정이다(4)

.

Veghte(5)는 화재시 열유속이 10 kW/m

2이며, 온도가 300

oC

이상인 경우에 대해 화상 발생가능성이 매우 높다고 분류

하였다(Figure 1). 최근 기술의 발전과 더불어 도시의 건축

물은 고층밀집화, 대심도화 및 고발열 신소재 사용으로 화

재 발생시 이전과는 비교할 수 없는 빠른 연소속도와 많은

열에너지를 방출한다. 이에 따라 화재진압을 담당하는 소

방공무원의 화상 발생 가능성은 매우 증가하였으며, 특히

Lawson(6)은 5초 미만의 짧은 시간에 고열유속(80 kW/m

2

이상)을 방출하는 돌발화염이 매우 심각한 화상을 일으킨

다고 보고하였다. 그러므로 이로 인한 화상을 예방하기 위

한 보호복 개발이 이루어지고 있으며, 그 중 Phase Change

Material(PCM, 상변화 물질)적용 소재를 보호복 안감에

사용하는 연구가 진행되고 있다.

PCM 소재는 고체에서 액체로의 상변화시 높은 융해열

(heat of fusion)을 가지고 있으며, 많은 양의 열을 저장시

킬 수 있음으로 인해 외부의 높은 열적 변동에 대상물을

보호하는 목적으로 개발된 물질이다. 500여개의 자연 및

복합 물질이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 우주 등 열

적 극한 조건에서 사용되고 있다. 또한 고체에서 액체로의

상변화시 유실 가능성 등이 있음으로 인해 캡슐화하여 적

용하는 방안 등이 활발히 연구되고 있다.(7)

최근에 단시간

의 높은 열유속(돌발화염)에 노출 발생 빈도가 높은 소방

보호복에의 PCM 적용시도가 이루어지고 있으며, 국내에

도 실험적 연구가 진행되었다(8)

.

그러나 PCM 적용 소재의 고온 노출시 소재의 온도특성

에 대한 연구가 주로 이루어져 이것이 화상발생 지연을 정

량적으로 얼마나 시키는지에 대한 구체적 연구는 전무하

다. 따라서 본 연구에서는 소방보호복에 PCM 소재의 적

용 유무에 따른 화상 발생 정도를 예측하고자 한다. 이를

위해 Pennes(9)가 제안한 생체열전달 방정식을 이용하여 지

배방정식을 유도하고 유한차분법(Finite Difference Method)

을 활용하여 2도 화상에 대한 예측을 수행하는 수치해석

접근법을 사용한다. 열유속 조건에 따른 소방보호복 및 피

부조직 내 온도분포와 손상함수 값의 시간변화를 나타내

고, 피부조직 내의 화상이 발생하기까지의 변화를 살펴본

다. 그리고 PCM 소재를 변경하였을 때 피부의 온도변화

를 살펴보고, 화상에 미치는 영향을 정리하였다.

2. 화상예측 계산

2.1 수학적 모델

소방보호복 및 피부에서의 열전달 현상을 정확하게 파

악하기 위해서는 지배방정식 수립이 중요하다. 본 연구에

서는 Figure 2의 영역에 대해 화염의 열유입에서 피부 내

열전달까지를 1차원 열전도로 가정하고, 다음과 같은 지배

방정식을 유도하였다(9)

.

(1)

전체적으로 소방보호복 내의 열전달, PCM의 상변화에

의한 열흡수 효과, 그리고 피부조직 내에서의 열전달 효과

에 대한 고려를 해야하고, 각 부분에 대해 연속체로 이루

어져 있고, 두께 또한 균일하지 않음을 볼 수 있다. 그리고

각 부분의 열전도도, 밀도, 비열 등이 조직과 온도에 따라

달라지는 비선형 문제가 발생하게 된다.

PCM을 제외한 소방보호복에 대해서는 식(1)의 좌변항

과 우변의 첫 번째 항을 이용하면 비교적 간단히 온도 분

포를 구할 수 있다. PCM의 상변화에 의한 열흡수 효과를

식으로 구현하면 다음과 같다(10)

.

(2)

PCM 소재의 상변화에 의한 열흡수 효과에 대한 방정식

을 자세히 살펴보면 다음과 같다. PCM 소재에 열을 가하

면 소재의 녹는점에 도달했을 때 융해가 발생하게 되고,

잠열을 흡수하게 된다. 실제로 PCM 소재는 단일 성분이

아닌 혼합물을 사용하게 되고, 그에 의해 녹는점이 명확하

지 못하다. 따라서 체적 에너지 흡수율(volumetric energy

absorption rate)로 식을 구성하며, Q는 PCM 소재의 융해

ρC∂T

∂t------ = k

t∇2

T + q·PCM'' + q·

blood'' + q·

m''

q·PCM'' = ρQ

∂Z

∂t------

Figure 1. Classification of fire fighting conditions(5)

.

Figure 2. Schematic diagram of the multi-layer protective

clothing and skin.

18 이준경

한국화재소방학회 논문지, 제30권 제3호, 2016년

열(heat of fusion, J/kg), Z는 PCM 소재 내에 고체의 질량

분율(Z = 1이면 모두 고체, Z = 0이면 모두 액체)을 나타낸

다. 고체상태의 PCM 소재가 열을 흡수하면 녹기 시작하

고 액체상태로 변하게 될 때, Z가 1에서 0으로 변하게 된

다. 따라서 Z는 다음과 같이 표현할 수 있다(10)

.

(3)

Tm은 PCM 소재의 대략적 융해온도(Approximate melting

temperature)를, T0는 융해온도범위(Melting temperature

range)를 나타낸다.

그리고 피부조직의 열전달 문제에 대해서 Pennes(9)는

와 2개항이 추가되는 열전달 지배 방정식을 제

시하였다. 여기서, 는 혈류(동맥 및 정맥)의 영향으

로 인한 단위 피부조직당 열발생(손실)이고, 은 신진대

사를 통해 나타나는 피부조직내 열발생(손실)이며 대개의

경우 무시할 수 있다. 와 관련하여 다음과 같이 간

단히 나타낼 수 있다.

(4)

여기서, ω는 초당 혈관류량(the volumetric rate of blood

perfusion to the tissue per unit volume), Ta는 동맥류 온

도, Tv는 정맥류 온도가 된다. Pennes(9)는 미세 혈관의 면

적이 매우 크기 때문에 Ta는 인체의 심부 온도 Tc와 같다

고 보았다. 정맥에 대한 온도(Tv)는 피부조직 내부를 유동

하다가 다시 정맥으로 모아지므로 피부조직 온도(Tt)와 같

다고 볼 수 있다.

Pennes(9)

생체열전달 방정식에 대해 상기의 논의와 PCM

소재의 상변화에 의한 열흡수 효과를 함께 나타낸 지배방

정식은 다음과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.

(5)

기술된 식(5)의 편미분 방정식에 대해 다음의 경계조건

및 초기조건을 설정하였다.

초기조건: (6)

경계조건: (7)

(8)

경계 조건에 대해 인체의 심부온도 Tc는 37oC로 설정하

였고, 초기에는 피하조직 기저까지 피부중심온도가 유지되

고, 피하조직 및 진피와 표피, 그리고 피부조직까지는 32oC

로 선형적으로 감소하는 것으로 기존연구결과를 바탕으로

가정하였다(9)

. 또한 Figure 1에서와 같이 화염은 온도와 열

유속 조건이 동시에 주어지지만, 일정한 온도의 물, 증기

또는 물체에 직접 접촉이 발생한 경우는 온도의 조건을,

돌발화염 등의 화염인 경우는 열유속 조건을 주어 모사하

게 된다(6)

. 따라서 본 연구에서는 화염 발생에 의한 화상

예측에 대한 계산을 수행하므로 후자에 해당되며, 식(8)과

같이 열유속 조건을 경계조건으로 설정하였다.

Henriques and Moritz(12)는 일정한 온도로 유지되는 물

에 사람과 돼지피부를 접촉시키고 노출시간에 따라 피부

조직의 온도와 화상의 정도를 비교하여 화상에 대한 실험

을 수행하였다. 그들은 피부손상은 화학반응에 의해 발생

하는 것처럼 모사할 수 있고, 따라서 1차 Arrhenius 화학

반응속도 방정식을 이용하여 조직 손상의 시간변화율에

대해 다음과 같이 제안하였다.

(9)

식(9)를 적분하면 다음과 같은 손상함수(damage function)

를 얻을 수 있다.

(10)

고온 또는 고열유속 조건에서 온도가 4oC 이상이 되면

피부조직의 변성이 발생하게 됨을 발견하였고, 따라서 기

준값(threshold)인 44oC를 기점으로 피부조직의 변성 정도

에 따라 손상함수의 값을 정하였다. 즉, 고온 또는 고열유

속 노출시간에 대해 44oC를 초과할 때부터 이후 노출시간

까지를 위의 함수에 대해 적분하면 손상함수에 대한 값을

얻을 수 있고, 2도 화상에 대해 피부를 시작으로 표피 기저

부분에 대한 손상함수의 값이 1.0이라는 임의의 값을 가정

하였다. 그로부터 지수앞자리인자(pre-exponential factor)인

P는 3.1 × 1098

(단위 s−1

)이고, ΔE는 활성에너지(activation

energy)이며, 627,900 J/mol로 결정하였다. R은 일반기체

상수이며, 그로부터 ΔE/R = 75,000 K이다. 이러한 결과를

기준으로 1도 화상은 표피 기저의 손상함수 값이 0.53임

을 밝혔고, 3도 화상은 진피 기저의 손상함수 값이 104이

되면 발생됨을 발견하였다.

Z = 1

2---erfc

T − Tm

T0

-----------------⎝ ⎠⎛ ⎞

q·blood'' q·

m''

q·blood''

q·m''

q·blood''

q·blood'' = ωρ

bCb

Ta − T

v( ) = ωρ

bCb

Tc − T

t( )

ρC∂T

∂t------ = k

t∇2

T + ωρbCb

Tc − T

t( ) + ρQ

∂Z

∂t------

T x, t = 0( ) = Ti

x( )

T x = L, t( ) = Tc

t 0>( )

k∂T

∂x------

⎝ ⎠⎛ ⎞ + q'' t( ) = 0 x = 0, t( )

dΩdt------- = Pexp −

ΔE

RT-------⎝ ⎠

⎛ ⎞

Ω = Pexp − ΔE

RT-------⎝ ⎠

⎛ ⎞dt0

t

∫

Figure 3. Phase change effect of PCM(11)

.

Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 3, 2016

Phase Change Material (PCM) 소재 적용 소방보호복의 화상발생 억제효과에 관한 연구 19

이후 Mehta and Wong(13)

등이 P, ΔE에 대해 조금씩 다

른 값들을 제안하였으나, 가장 일반적으로 Henriques and

Moritz(12)의 결과가 사용되며, 본 연구에서도 그 결과를 사

용하였다.

2.2 피부조직 및 보호복 물성치

인간의 피와 피부조직 각각에 대한 열 물성치를 정확하

게 파악하려는 연구가 지속적으로 진행되었으며, 피부 열

물성치는 인체 각 부분에 따라 차이가 나며, 그것을 균질

물질에 대한 물성치처럼 일반적으로 사용할 수 있는 데이

터는 사실상 존재하지 않는다. 따라서 Lee and Bang(14)의

연구결과에 따라 Torvi and Dale(15)가 제안한 피부 물성치

를 사용하였다. 보호복의 열물성치는 일반적으로 사용되는

보호복의 물성치를 이용하였다(16)

. 이러한 보호복 및 피부

물성치를 Table 1에 정리하였다.

2.3 수치해석적 접근

1차원 유한차분법(finite difference method)을 이용하여

Pennes의 생체열전달 지배방정식(식(4))을 다음과 같이 풀

었다. 비균일 공간 메쉬(Non-uniform space meshes)와 균

일 시간차(uniform time steps)를 활용하였고, 메쉬 크기에

독립적으로 온도분포를 얻을 수 있도록 충분히 작은 최대

노드수 1000개, 최소 시간차 0.001초를 사용하였다. Implicit

time scheme을 활용하여 미분방정식을 다음과 같이 차분

화하였다.

(11)

여기서 ke, kw는 산술평균된 유효열전도(effective thermal

conductivity)이다. Tridiagonal Matrix Algorithm (TDMA)

를 활용하여 위의 방정식을 풀이하여 온도분포를 얻었다.

손상함수의 경우는 다음과 같이 계산을 수행하여 해당지

점에 대한 기준값으로 활용하였다.

(12)

해당 지점의 손상 함수의 값이 기준값을 넘는 순간 계산은

중지되며, 그 순간까지의 시간을 화상에 대한 노출시간으

로 간주하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 돌발화염 발생시 PCM 소재 효과

고열유속의 돌발화염 발생시 PCM 소재의 적용 유무에

대해 계산을 수행하였다(Figure 4(a)). PCM 소재를 적용

하지 않은 경우는 inner 소재를 적용하여 단열 성능만 높

여놓은 경우에 대해 계산을 수행하였다(Figure 4(b)). 돌발

화염의 조건은 Figure 1의 Emergency에 해당하는 조건으

로 82.3 kW/m2 (2.0 cal/cm

2· s)의 열유속이 3초간 지속되

는 경우에 대해 계산을 수행하였다.

전체적으로 PCM 소재의 온도에 의해 전체적인 온도의

경향이 결정됨을 알 수 있다. 즉, PCM 소재를 적용한 경

우 외피의 최고 온도는 104oC인데 반해 Table 1의 Inner

소재로 PCM을 교체한 경우는 외피의 온도가 630oC로 최

고 온도가 증가하여 큰 온도 차이를 볼 수 있다. 그리고

온도변화의 경향도 차이가 났는데, PCM 적용의 경우는

열흡수와 방출이 상변화에 의해 진행되므로 긴 시간동안

온도가 일정하게 지속됨을 알 수 있다. 화상에 대한 영향

ρCTi

k − Ti

k−1

Δt-----------------------Δx = k

e

Ti+1

k − Ti

k

Δx---------------------- − k

w

Ti

k − Ti−1

k

Δx----------------------

+ ωρbCb

Tc − T

i

k( )Δx + ρQZi

k − Zi

k−1

Δt-----------------------Δx

Ω = Pexp − ΔE

RTi

k----------

⎝ ⎠⎛ ⎞Δt

k=ki

kf

∑

Table 1. Thermophysical Properties of Fire Fighter Protective Clothing and Human Tissues(15,16)

PropertyThickness

(mm)

Thermal Conductivity,

k (W/m K)

Specific Heat,

Cp (J/kg K)

Density,

ρ (kg/m3)

Blood Perfusion Rate,

ω (m3/[s m

3])

Outer 0.7 0.080 1005 0286 -

Inner 00.95 0.052 1300 0220 -

Air Gap 0.5 0.026 1005 1.18 -

Epidermis 00.08 0.240 3600 1200 -

Dermis 2.0 0.450 3300 1200 0.00125

Subcutaneous 10.00 0.180 2500 1000 0.00125

Table 2. Thermophysical Properties of Phase Change Material(17)

PropertyThermal Conductivity,

k (W/m K)

Specific Heat,

Cp (J/kg K)

Density,

ρ (kg/m3)

Heat of fusion,

Q (J/kg)

Melting Temperature,

Tm (oC)

Ba(OH)2 · 8H2O 0.65 0670 2070 301,000 78

Mg(NO3) · 6H2O 0.61 1560 1636 163,000 90

Na2S2O3 · 5H2O 0.57 1470 1730 200,000 48

20 이준경

한국화재소방학회 논문지, 제30권 제3호, 2016년

을 조금 더 자세히 살펴보기 위해 Figure 5에 표피기저의

손상함수 값을 나타내었다. PCM 적용 소방 보호복(Figure

5(a))은 10−4

미만의 매우 작은 값을 가지는 데 반해 미적

용 보호복(Figure 5(b))은 38초 후에 1.0 값을 초과하여 2

도 화상이 나타남을 확인할 수 있다. 이는 직접적인 비교

는 힘들지만 기존의 McCarthy(18)의 PCM 적용 실험결과

에 대해 60oC의 온도강하와 20~60초의 시간지연이 확인

되었고, 이는 본 연구결과와 유사한 경향을 나타낸다.

3.2 저열유속 조건시 PCM 소재 효과

저열유속의 경우, 1.2 kW/m2 (0.03 cal/cm

2· s)의 열유속

이 5분간 지속적으로 노출이 되는 경우에 대해 계산을 수

행하였다. 고열유속 조건과 유사하게 PCM 소재의 온도가

전체적인 온도 분포를 크게 결정짓고 있음을 볼 수 있다

Figure 5. Loss function values at Epidermis due to the exposure time variation for Figure 4 condition.

Figure 6. Temperature variations at different layers in the clothing and skin when subjected to 1.2 kW/m2 for 300 s.

Figure 4. Temperature variations at different layers in the clothing and skin when subjected to 82.3 kW/m2 for 3 s.

Fire Sci. Eng., Vol. 30, No. 3, 2016

Phase Change Material (PCM) 소재 적용 소방보호복의 화상발생 억제효과에 관한 연구 21

(Figure 6, 7). 특히 PCM이 열을 흡수하면서 Outer의 온도

가 PCM의 온도와 별로 차이가 나지 않는 반면 PCM 소

재가 없는 경우 Outer의 온도와 소방복 내피 소재와의 온

도차가 커지면서 최고온도가 124oC까지 커짐을 알 수 있

다. 화상에 미치는 영향을 살펴보기 위해 Figure 7에 표피

기저의 손상함수 값을 나타내었다. PCM 적용 소방 보호

복(Figure 7(a))은 0.6 미만의 값을 가지는 데 반해 미적용

보호복(Figure 7(b))은 292초 후에 1.0 값을 초과하여 2도

화상이 나타남을 확인할 수 있다. 고열유속 뿐만 아니라

저열유속의 경우에도 PCM 소재의 적용은 화상발생을 방

지하는 매우 유효한 방법임을 확인할 수 있다.

3.3 PCM 소재 변화의 영향

PCM 소재를 변경하였을 경우 열보호성능이 어떻게 달

라지는지를 살펴보기 위해 Table 2의 Ba(OH)2 · 8H2O 이

외에 2개의 소재를 활용하여 계산을 수행하였다. 돌발화염

조건에 대해, 모든 치수조건을 동일하게 하여 계산을 수행

하였다. Ba(OH)2 · 8H2O에 비해 Mg(NO3) · 6H2O는 비열

이 2배, 융해열이 1/2, 녹는점이 12oC 높은 것이 특징이고,

Na2S2O3 · 5H2O는 융해열이 2/3, 녹는점이 30oC가 낮은

것이 특징이다.

PCM 소재의 온도가 전체 경향을 결정함을 재확인할 수

있으며, 각 소재에 대해 PCM 소재의 녹는점이 큰 영향을

미치고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 각 PCM 소재의 온도가

녹는점에 수렴하여 유지됨을 확인할 수 있다. (Ba(OH)2 ·

8H2O는 75oC (Figure 4(a)), Mg(NO3) · 6H2O는 90

oC

(Figure 8(a)), Na2S2O3 · 5H2O는 50oC (Figure 8(b))) 특히

돌발화염이므로 순간적인 높은 에너지의 공급으로 PCM

소재를 녹는점까지 온도를 높이고, 그것이 유지됨으로 인

해 방화복 및 피부의 온도가 PCM의 온도에 수렴됨을 확

인할 수 있다. 따라서 각 PCM 소재에 대한 피부 손상함수

의 값의 시간변화량에 대해 살펴보면(Figure 9) 녹는점이

낮을수록 작은 값이 나타남을 확인할 수 있다.

따라서 돌발화염시 화상발생 억제를 위해서는 녹는점이

낮을수록 그 효과가 크다고 할 수 있다. 그러나 보다 다양

한 열유속 크기와 지속 시간에 대해 화상발생특성을 살펴

보아야 할 것이고, 이는 향후 연구에서 살펴볼 계획이다.

향후 PCM 소재 특성 변화에 대해 열보호 성능이 어떠

한 관계를 가지는지 다양한 열유속 조건에 대해 계산을 수

행하여 내용을 정리할 것이다.

Figure 7. Loss function values at Epidermis due to the exposure time variation for Figure 6 condition.

Figure 8. Temperature versus time at different layers in the clothing and skin.

22 이준경

한국화재소방학회 논문지, 제30권 제3호, 2016년

4. 결 론

본 연구에서는 Phase Change Material (PCM) 소재 적

용 소방보호복의 화상발생 억제효과를 살펴보기 위해 생

체열전달 방정식을 유도하고, 수치해석 방법으로 온도분포

와 화상 관련 변수를 구하였으며, 다음과 같은 결과를 얻

을 수 있었다.

1) 생체 열전달 방정식(Bio-heat transfer)을 이용하여 지배

방정식을 유도하고, 유한차분법(Finite Difference Method)

을 활용하여 피부조직에 대한 온도분포를 얻었다. 이를 바

탕으로 한 손상함수를 이용하여 2도 화상을 예측하였다.

2) 고열유속 뿐만 아니라 저열유속의 경우에도 PCM 소

재의 적용은 화상발생을 방지하는 매우 유효한 방법임을

확인할 수 있다.

3) 전체적으로 PCM 소재의 온도에 의해 전체적인 온도

의 경향이 결정됨을 알 수 있다.

4) 돌발화염시 화상발생 억제를 위해서는 PCM 소재의 녹

는점이 낮을수록 그 효과가 크다고 할 수 있다. 그러나 보다

다양한 열유속크기와 지속 시간에 대해 화상발생특성을 살

펴보아야 할 것이고, 이는 향후 연구에서 살펴볼 계획이다.

후 기

이 결과물은 2016학년도 경남대학교 학술진흥연구비 지

원에 의한 것임.

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Figure 9. Loss function values at Epidermis due to the expo-

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