1. 서 론

가사노동의 부담을 줄여주기 위하여 가전제품이 발명되었고, 현재 모든 가정에 보급되어 일상에 없어서는 안 될 필수품이 되었다. 대표적인 예로, 전자레인지, 냉장고, 그리고 오븐 등이 있다. 또한, 기업들은 계속해서 그 성능을 개선하고, 다양한 종류의 제품을 생산하기 위하여 경쟁하고 있다. 이러한 상황 속에서, 필립스가 2011년 에어프라이어를 시장에 내놓았다. 기름 없이 공기로 음식을 조리할 수 있다는 특성은, 전자레인지의 전자파가 유해하다는 인식과 맞물려 많은 관심을 받았다. 이후에도 꾸준히 소비자들의 인기를 얻었고, 현재 여러 기업에서 유사한 제품을 출시하여 많은 가정에 보급되고 있다[1].

에어프라이어는 기기 내부 열선의 전기 저항에서 열이 발생하는 현상을 이용한다. 이 열은 주변 공기의 온도를 높이며, 뜨거운 공기가 팬을 통해 이동하여 내부 기름 온도를 높여 음식이 튀겨진다. 이러한 이유로, 고기나 생선 등 기름기 있는 요리 재료는 따로 기름을 추가하지 않아도 튀김요리가 가능하다. 하지만 사용 시 작동온도가 높고 사용 전력이 약 1,500W에 달하는 데 비하여, 사용 시간이 길어 발화위험성이 높다는 지적이 존재한다. 이를 뒷받침하듯, 최근 에어프라이어로 인한 화재가 잇달아 발생하고 있으며, 화재 원인 규명이 확실치 않은 상황이다. 따라서 에어프라이어의 구조를 분석하여 작동원리를 정확히 이해하고, 이를 통하여 화재발생 원인과 위험성을 규명하고자 한다. 이를 위해서는 원인을 한 가지로 규정하지 않고, 발열부 주변의 안전장치를 분석하고 발열 경로를 추적하여 절연파괴, 구조적 취약성 등 여러 요인들을 복합적으로 고려해야만 할 것이다[2].

2. 에어프라이어의 이론적 배경

2.1 에어프라이어의 원리

열전달은 시스템 간의 열에너지의 생성, 사용, 변환 및 교환을 말하며, 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)의 다양한 메커니즘으로 분류된다(Fig. 1).

전도는 두 시스템이 입자의 운동 에너지를 직접 교환함으로써 일어난다. 즉, 한 시스템(body)이 다른 온도의 시스템(surrounding)과 접촉할 경우, 그 시스템(body)과 주변 시스템(surrounding)이 동일한 온도에 도달하도록 열이 전달된다. 이때, 두 시스템은 열평형 상태에 도달하였다고 하며, 이러한 자발적인 열전달은 열역학 제 2법칙에서 밝혔듯 드시 항상 고온 시스템에서 저온 시스템으로 진행한다[3].

대류는 확산이라고도 부르며, 유체(액체, 기체)와 유체 내의 물질 간의 열전달이다. 복사는 진공공기를 통해 발생하며, 두 시스템 간의 접촉이 없어 매개체가 존재하지 않더라도 열이 전달된다는 점에서 가장 독특한 경로이다.

전도는 직접적으로 닿아 있는 고체간의 열전달로, 에어프라이어 사용 시 열원과 음식이 직접 접촉되지 않기 때문에 주된 열전달 경로는 아니다. 에어프라이어는 주로 대류와 복사를 통해 음식물로 열을 전달한다. <Figure 2>에어프라이어의 열전달 과정은 크게 두 가지로 나뉘며, 열원(Heater)과 팬이 그 과정에 참여한다.

에어프라이어 내부 열선(Heater)은 전기저항으로, 전류가 흘러 많은 양의 열을 방출한다. 그 열은 두 가지 경로를 통하여 음식에 전달된다. 첫째, 열선에서 방출된 복사열이 곧바로 음식에 도달한다. 그러나 복사열은 절대적인 양이 다른 열전달 경로에 비해 적으므로 주된 경로는 아니다. 둘째, 열선에서 방출된 열은 주변 공기에 전달되며, 이는 팬을 통해 기기 내부를 순환한다. 이렇게 가열된 공기가 바스켓의 음식에 도달하면, 최종적으로 대류를 통해 음식에 열이 전달된다.

에어프라이어는 설정 온도 이상 온도가 상승하지 않도록, 바이메탈센서가 내장되어 있어 화재를 예방한다. 바이메탈은 열팽창계수의 차이가 큰 두 종류의 얇은 금속판을 포개어 붙여 만든 막대 형태의 금속이며, 열을 가하였을 때 휘는 특성은 여러 기기의 온도를 측정･제어하는 목적으로 활용되고 있다. 열팽창계수, 즉 온도의 변화에 따라 팽창･수축하는 정도가 다른 두 금속이 붙어있기 때문에, 특정 온도를 벗어나면 바이메탈은 휘어진다. 즉, 온도가 높아질 경우 열팽창계수가 큰 금속이 더 많이 팽창하여 그 방향으로 휘며, 반대의 경우 열팽창계수가 작은 금속 쪽으로 휜다. 따라서 어느 금속 쪽으로 휘었는지, 또한 그 정도에 따라 현재 금속의 온도를 알 수 있다. 또한, 이러한 성질을 이용하여 온도에 따라 스위치를 닫거나 여는 장치를 개발하여 바이메탈 자체를 스위치로 사용하여 회로를 조절하고 있다[4].

2.2 에어프라이어의 구조

<Figure 3, 4>에어프라이어는 ① 외함(합성수지) ② 튀김통(basket) ③ 전열코일로 구성된 발열장치(heater) ④ 팬과 소형모터로 이루어진 송풍장치 ⑤ 타이머 및 온도 조절로 구성된 제어장치 ⑥ 리미트스위치 및 전원코드를 포함한 전원장치로 이루어져 있다. 발열장치는 시즈히터 전열선과 보호관을 절연한 파이프 형태의 자폐히터이다. 송풍장치는 팬과 소형모터로 이루어져 있으며, 강제대류를 담당한다. 제어장치는 상부의 온도 및 시간 로터리 스위치로 온도는 80℃~200℃까지 제어하며, 타임스위치는 시간을 30분까지 제어할 수 있다. 전원장치는 에어프라이어의 바구니와 외함이 닿는 부분에 별도의 스위치가 존재한다[5].

2.3 에어프라이어의 안전장치

에어프라이어의 안전장치는 ① 타임스위치 ② 발열부 온도 퓨즈 ③ 발열체 바이메탈 센서(bimetal thermometer) ④ 송풍부 온도 퓨즈가 있다. 타임스위치는 로터리 방식의 스위치로, 정해놓은 시간에 의해 작동된다. 타임스위치가 작동하지 않을 경우, 기기가 동작되지 못하도록 설정되어 있다[6].

전원(온도) 퓨즈는 특정한 온도에서 변형, 용융하여 전기회로를 여는 과열방지용 스위치로 전기기기의 과열방지를 목적으로 사용되고 있으며, 주로 주석, 납 등의 합금으로 만들어진다. 온도 퓨즈는 바이메탈식 온도조절기와는 달리 한번 작동하면 용융되어 복구되지 않기 때문에 작동온도를 바이메탈식 온도조절기보다 높게 설계하는 것이 일반적이며, <Figure 7>제품에 따라서는 온도 퓨즈를 설치하지 않은 것도 있다.

<Figure 8>발열체 주변에는 바이메탈식 온도센서를 설치하여 온도를 확인한다. 바이메탈은 열팽창률이 다른 두 개의 금속판을 맞붙여 놓은 것으로, 온도 변화 시 두 금속판의 열팽창률의 차이에 의해 바이메탈이 휘어지는 원리를 활용하였다. 평상시에는 접점이 연결되어 있으나 주변 온도가 상승하여 특정 온도에 이르면, 바이메탈의 금속이 팽창하여 접점에서 떨어지게 되어 전원을 차단하며, 다시 온도가 내려가면 접점이 붙게 되어 전원을 인가한다[7].

2.4 에어프라이의 선행연구

현재 에어프라이어에 대한 연구한 논문은 하나도 없으며, 국회도서관에 등록된 전체30편중에 도서자료 10편은 대부분 선전과 편리성에 대한 자료, 학술기사 18편도 획기적인 전자제품이라는 내용, 인터넷과 전자 자료도 마찬가지 제품 설명에 그치고 있다. 본 연구 논문과 차별성으로 실제 화재사례를 가지고 재현 실험하여 소비자들의 안전 확보하기 위함이다.

3. 화재사례 및 분석

3.1 화재 사례

2018년 3월 13일 부산의 한 아파트에서 에어프라이어를 사용하여 고구마를 굽던 중, 1분 정도 지나 퍽 하는 소리가 난 후 연기와 불꽃이 올라왔다고 진술하였다. 화재는 5분 만에 진압되었으나, 사용자의 부주의에 의한 화재가 아니었기에 에어프라이어 기기 자체의 화재위험성이 주목받았다. 에어프라이어 내부 기판(PCB)이 가장 소훼가 심하며 그 주변으로 용융된 점으로 미루어 보아, 내부기판에서 발화한 것으로 추정하였다.

2018년 12월 27일 서울 관악구의 한 다세대주택 2층에서 화재가 발생하였고, 화재 조사 결과, 에어프라이어에서 불이 시작된 것으로 밝혀졌다. 화재 당시 거주자는 방에 위치하였고, 타는 냄새를 맡고 창문을 열었다가 불꽃을 발견하였다. 조리중이던 에어프라이어의 뒤쪽에서 화재가 최초 발생하였고, 주방의 에어프라이어를 이용하여 고구마를 요리하던 중 20분정도 방치하여 화재가 발생한 것으로 추정하였다.

3.2 화재사례분석

2018년 3월 13일 부산 화재는 에어프라이어 상부의 내부기판(PCB)이 가장 소훼가 심하며 그 주변이 용융된 점, 소형트랜스가 거의 탈락될 듯이 붙어있는 점을 중점적으로 조사하였다. 감식 결과, 소형 트랜스의 소훼가 심하며 구리전선이 녹아 용융된 것을 확인했고, 내부 배선 등은 단락이나 합선 등의 흔적이 보이지 않기에 내부기판 전자식 소형 트랜스에서 발화한 것으로 추정한다.

2018년 12월 27일 서울 관악구 화재는 에어프라이어 내부의 가연물(고무마 및 기름종이)이 탄화된 상태로 남아 있는 것을 볼 때, 열선 앞 보호 틀에 끼인 기름때 또는 바닥에 깔아놓은 종이호일, 음식물이 복사열로 인하여 착화되었다고 추정한다. 뒤쪽 후드 배출구를 통해 출화된 것으로, 음식물 조리 중 부주의에 의한 화재로 결론지었다.

3.3 화재사례 검토

에어프라이어의 화재사례를 검토한 바, 부산 화재는 에어프라이어 상부가 전체적으로 소훼되었고, 서울 관악구 화재는 에어프라이어 전체가 소훼되었으며 인접한 벽면에 V패턴이 관찰되었다. 또한, 두 화재 모두 어느 한 부분을 발화지점으로 특정할 수 없었다. 따라서 에어프라이어의 구조, 제어장치 및 안전장치 불능에 따른 위험요소에 대해 알아보고, 이에 따른 실험방법을 설정하여 발화 위험성 연구를 수행하고자 한다.

4. 에어프라이어 발화위험성 실험

4.1 실험개요

본 실험은 한국전기안전공사 본사 실험실과 호서대학교 실험실에서 진행하였다. 실험에 사용된 에어프라이어는 현재 시중에서 판매중인 제품으로, 그 제원은 용량 3.2 L, 사용조절온도 80℃∼200℃, 소비전력 1500W, 정격전압 220V∼240V, 60Hz이다.

본 연구는 에어프라이어(Air fryer), 열화상카메라(Thermal imaging camera), 열전대(Thermocouple)을 사용하여 진행하였다(Fig. 15). 에어프라이어(Fig. 15(a))는 내부 온도가 온도조절기에서 설정한 온도보다 높아질 경우 전원을 차단하는 과열방지 시스템(이하; 온도센서 및 온도퓨즈)이 있는 제품으로 선택하였다. 열화상카메라(Fig. 15(b))는 Flir E5(Sweden) 제품을, 열전대(Fig. 15(c))는 K-Type, Prova 830(Taiwan)을 사용하여 실험 시 온도 측정에 사용하였다.

1차 실험장치는 다음과 같이 구성하였으며(Fig. 16), 전압가변장치를 이용하여 전류를 인입하였다. 오실로스코프를 설치하여 시간에 따른 입력 전압의 변화를 관측하였고, 에어프라이어 열선과 음식물을 조리하는 바스켓 밑 부분과 열풍이 나오는 후드의 온도를 측정하기 위해, PT100 옴의 온도 센서를 3곳에 부착하였다. 열화상카메라로 시간별 온도를 측정하도록 구성하였고, 실험 초기의 습도는 약 38%에 온도는 21.3℃에서 실험하였다.

2차 실험장치는 다음과 같이 구성하였다(Fig. 17). 열화상카메라를 설치하여 기기의 최대온도를 측정하게 설정하였으며, 1차 실험과 동일하게 3군데 온도센서를 설치하여 측정하도록 구성하였고 습도는 약 44%에 온도는 19.8℃에서 실험하였다.

4.2 실험방법

본 연구에서는 다양한 상태변화를 가정하여 실험을 진행하였다. 첫째, 에어프라이어를 최대온도(200℃)로 설정하여 10분간 정상 상태에서 작동하였고, 시간경과에 따른 에어프라이어의 내부와 후드 배출구의 온도를 측정하여 변화를 관찰하였다(5.1 정상상태 동작 실험). 둘째, 안전장치 불량 및 고장에 따른 발화위험성을 측정하는 실험으로, 에어프라이어의 온도 퓨즈를 제거하고 열선 주변에 있는 바이메탈 센서를 탈착하여 기기를 작동하였고, 시간경과에 따른 에어프라이어의 내부와 후드 배출구, 튀김통 바닥의 온도를 측정하여 기기의 온도 변화와 외형변화를 관찰하였다(5.2 온도 센서 고장 시 동작 실험). 셋째, 에어프라이어의 후드 배출구 막힘을 가정하였다. 기기 작동 시 후드 배출구가 막혀 가열된 공기가 방출하지 못하였을 때, 기기 내부의 온도변화와 배출구를 막고 있는 물질의 착화 가능여부와 착화 시간을 측정하였다(5.3 후드 배출구 막힘 시 발화 실험). 넷째, 코드선의 압착 단락 시, 에어프라이어의 상태 변화를 실험하였다(5.4 코드선의 압착 단락 실험). 다섯째, 에어프라이어 열선 및 내부에 기름때가 축척되었을 때, 이로 인한 발화위험성을 실험하였다(5.5 기름때 축적에 따른 발화 실험).

5. 재현실험

5.1 정상상태 동작 실험

본 실험은 작동 중인 에어프라이어를 방치하였을 때의 위험성을 알아보기 위한 실험으로, 최대온도(200℃)로 설정하여 냉동만두를 10분간 가열하고, 시간경과에 따른 에어프라이어의 내부와 후드 배출구의 온도를 측정하였다. 실험 전, 전압계와 전류계를 사용하여, 에어프라이어가 정상적으로 작동할 때의 전압과 전류를 측정하였다. 정상 상태의 공급 전압은 약 219V, 정상 상태의 부하 전류는 약 5A로 측정되었다.

실험 결과, 에어프라이어의 내부 온도가 약 250℃이상 상승할 경우, 온도제어센서가 작동하여 전원이 차단되며 설정온도(200℃) 부근으로 온도가 하강하는 것을 확인하였다. <Figure 18>하강 후 시간이 경과하자 다시 내부 온도가 상승하였으나, 온도제어센서가 정상적으로 작동하여 설정온도 부근으로 반복적으로 하강하는 현상을 관찰하였다. <Figure 19>열화상카메라를 사용하여 외부 온도를 측정한 결과, 그 분포가 일정하여 약 45℃ 이상으로 상승하지 않았다.

5.2 온도 센서 고장 시 동작 실험

본 실험은 에어프라이어 안전장치의 불량 및 고장에 따른 발화위험성을 확인하도록 설계하였다. 에어프라이어의 바이메탈 센서와 온도 휴즈를 제거한 상태에서 기기를 작동하였고, 온도변화와 기기 외부의 형태 변화를 관찰하였다. 기기 내부와 후드 배출구, 튀김통 밑 부분에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였고, 열화상카메라를 이용하여 가시적으로 외부온도를 관찰하였다. 실험은 600 sec 동안 진행하였다.

실험결과, 작동 시간동안(600 sec) 지속적으로 온도가 상승하였으며, 7분이 지나자 온도가 400℃까지 상승하면서<Figure 20> 내부 음식물이 타기 시작하였으며<Figure 22>, 후드의 케이스가 녹기 시작하였다<Figure 23>. 열화상카메라를 사용하여 기기 외부의 온도를 측정한 결과, 후드 부위가 280℃ 이상으로 상승한 것을 관찰하였다<Figure 21>. 주위에 가연물이 있을 경우, 과열로 인한 화재의 위험성이 높다고 판단하였다.

5.3 후드 배출구 막힘 시 발화 실험

본 실험은 에어프라이어의 후드 배출구가 막혔을 경우의 발화위험성을 측정하도록 설계하였다. <Figure 24. 25>후드 배출구를 벽면에 밀착시키거나 수건과 종이박스로 막아, 가열된 공기가 밖으로 배출되지 못하도록 유도하였다. 수건과 종이박스로 막을 경우, 3분까지 온도가 약 200℃ 정도까지 상승하면서 연기가 나기 시작하였으며, 약 5분부터 500℃ 이상 상승하면서 수건과 종이박스가 발화하기 시작하였다.

후드가 막히더라도 내부 바스켓 온도는 크게 상승하지 않았지만, 후드의 온도는 작동 3분 후부터 급상승하여 5분이 경과하자 500℃ 까지 치솟아 발화됨을 관찰하였다. 이는 가열된 공기가 후드에 머물러 열이 배출되지 못해 후드가 가열되어 발화되나, 내부 바스켓은 직접적으로 영향을 받지 않기 때문으로 보인다.

5.4 코드선의 압착 단락 실험

본 실험은 에어프라이어의 코드선이 압착되어 손상되거나, <Figure 26> 트래킹이 지속되어 단락이 일어날 경우, 어떠한 위험성이 있는지 확인하기 위하여 진행하였다. 실험 결과, <Figure 27> 전선에서 스파크가 발생하며 순간적으로 전류가 정상전류 범위(5A)애서 슬라이닥스(SlDE-AC) 최대 설정치인 22.7A까지 상승하였다. 또한, 전선이 단락되자 에어프라이어의 작동이 중지하였으며, 퓨즈가 작동하지 않은 것으로 보아 이는 전선으로부터의 전류 공급이 중단되었기 때문이라 판단하였다.

5.5 내부 기름때 축적에 따른 발화 실험

본 실험은 에어프라이어 사용 후, 내부 청소를 하지 않아 기름때가 축척된 상황을 가정하여<Figure 28> 이때의 내부 발화가능성을 확인하고자 하였다. 약 3년간 사용하면서 기름때가 축적된 에어프라이어를 구하였고, 쉽게 발화되어 실험 시간을 절약할 수 있도록 온도 센서를 고장 내어 실험하였다. 4분이 경과하자 온도가 약 250℃ 정도까지 상승하면서 연기가 발생하기 시작하였으며, <Figure 29>약 6분부터 500℃ 이상 상승하면서 내부 기름때가 점화되어 발화하기 시작하였다. <Figure 31>기름때가 없는 앞선 실험 때와는 달리 전원이 차단되지 않았고, 기름때가 점화하여 기기 전체를 연소시키기 시작한지 1분 만에 상부를 뚫고 화염이 치솟기 시작하였다.

6. 결 론

본 연구는 가정에서 많이 사용하는 에어프라이어 내부의 히터 열풍에 의한 발화 실험을 통하여 발화위험성을 고찰하였으며, 실험은 온도 센서의 고장으로 인한 온도변화 측정실험과 후드 배출구가 가연물에 밀착되어 축열에 의한 발화 실험, 코드선의 노후 및 손상으로 인한 압착 단락 실험, 기름때 축척에 따른 발화 실험을 하였다.

정상적으로 작동하는 기기의 최대 온도를 200℃로 설정하였을 때, 기기 내부의 최대 온도는 약 250℃로 일정하게 제어되었으며, 열풍이 방출되는 후드의 최대 온도는 약 200℃로 제어되었다(5.1 정상상태 동작 실험). 따라서 정상상태의 에어프라이어는 내부 온도를 최대로 설정하더라도 발화위험성이 낮아, 일반적으로 문제가 없음을 확인하였다.

온도 센서 고장으로 온도가 제어되지 않는 상태에서 지속해서 전원이 공급되면, 온도가 500℃ 이상으로 상승하여 내용물이 탄화되는 것을 관찰하였고, 시간이 경과하자 발화됨을 확인하였다(5.2 센서 고장 시 동작 실험). 이는 기기의 노후화, 불량 등으로 인하여 온도 센서에 결함이 있을 경우, 방치하면 큰 화재로 이어질 수 있음을 의미한다.

후드 배출구가 수건 등에 밀착되거나 이물질에 의해 막힌 경우(5.3 후드 배출구 막힘 시 발화 실험), 기기 내부의 온도는 정상 상태와 동일하였으나, 후드 부위의 온도가 약 3분경과 후부터 급상승하여 5분이 경과하자 500℃이상 급상승하여 발화되었다. 본 실험은 주변에 가연물을 배치하거나, 가구 등을 에어프라이어와 밀착하여 사용하는 등의 부주의로 화재가 발생할 수 있음을 시사한다.

코드선이 압착 손상되었을 경우(5.4 코드선의 압착 단락 실험), 전원이 차단되어 코드선 쪽으로는 전선피복을 통하여 연소가 진행 될 수 있으나, 에어프라이어의 전원이 차단되어 발화가 될 수 없음을 확인하였다.

기름때가 축적된 에어프라이어를 온도 센서를 고장 내어 실험한 결과(5.5 기름때 축척에 따른 발화 실험), 약 6분이 경과하자 온도가 500℃ 이상으로 상승하면서 기름때에 착화되어 발화하기 시작하였다. 기름때가 없는 기기의 경우(5.1 정상상태 동작 실험) 약 7분이 경과하자 400℃ 이상으로 상승하였고 후드 부위가 녹았던 것과 비교하였을 때, 기름때가 발화위험성 및 가능성에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 또한, 가정에서 기기의 관리에 부주의하여 기름때가 축적될 가능성을 고려한다면, 다른 발화요인들과 결부되었을 때 큰 피해를 야기할 것이라 예상한다.

최근에 들어서야 가정에 보급되기 시작하여 관련 화재 사례가 많지 않으나, 위 실험들에 의하면 에어프라이어가 상당한 발화 위험성이 있으며, 따라서 충분한 주의가 필요함이 입증되었다.