목재의 난연(Fire Retardant) 처리 기술동향
목재의 난연(Fire Retardant) 처리 기술동향
  • 김오윤 기자
  • 승인 2020.08.10 09:00
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목재를 둘러싼 여러가지 모험 98 - 글 ; 노윤석 우드케어 이사
노윤석 우드케어 이사 우드케어 블로그 운영자

건물에 발생하는 화재는 재산 뿐 만 아니라 인명피해를 발생시키는 큰 재난이다. 우리 나라의 경우도 2019년 충북 제천과 경남 밀양에서 대규모 화재가 발생하여 많은 인명피해와 재산피해가 발생한 적이 있다.  따라서 화재를 예방하는 것은 결국 인명피해 및 재산상의 피해를 줄여줄 수 있는 가장 좋은 대안이다. 현대에 와서 소비자의 다양한 욕구와 건축기술의 발전으로 인해 건축물의 구조는 매우 복잡해 졌다. 건축 구조체들은 다양한 재료를 사용하고 있으며, 보다 가볍고, 보다 강한 재료를 찾기 위해 노력하고 있다. 하지만 이런 재료들을 구할 때 중요하게 고려해야 할 것이 바로 난연 성능이다. 화재라는 측면에서만 바라보면 이상적으로는 가장 바람직한 방법은 모든 건축재료를 불연 재료로 사용하는 것이다. 여기서 불연 재료란 금속이나 콘크리트처럼 불에 연소되지 않은 재료들을 말한다. 하지만 이런 불연 재료들도 불에 타지 않을 뿐, 화재가 발생하였을 때 구조적인 문제가 발생하여 구조적 변형에 의한 문제가 발생할 수 있다. 즉 철제나 콘크리트의 경우도 화재가 발생할 경우 녹아 내리거나 폭발하여 문제를 일으킬 수 있다는 것이다.  따라서 건축재료의 경우 불연성도 중요하지만 구조적으로 화재가 발생했을 때 사람들이 대피할 수 있는 일정 시간을 보장해 주는 것이 필요하다.

이런 면에서 목재의 경우 가연성의 건축재료이긴 하지만, 불에 붙더라도 목재표면에 탄화막이 형성되어 구조적으로 완전히 연소되는 것을 막아주며, 다른 건축자재와 비교했을 때, 유해가스의 발생도 적어 화재발생시 인명 대피의 시간을 벌어줄 수 있다. 하지만 그럼에도 불구하고 목재는 가연성인 관계로 화재의 확산을 막기 위해서는 일정 수준의 방염처리가 꼭 필요하다.

최근 새로운 목재기술들이 개발됨에 따라 CLT나 Glulam 같은 구조용 공학목재들을 사용한 고층건물 들이(Mass Timber Construction) 세계 곳곳에 들어서고 있으나, 화재 안전상 문제로 인해 어려움을 겪고 있는 경우가 있다. 이는 우리 나라 뿐만 아니라 영국과 같은 유럽의 경우도 마찬가지 이다. 따라서 목재가 건축자재로서 그 가치를 충분히 발휘하기 위해서는 화재에 견딜 수 있는 난연 성능을 높일 필요가 있다. 여기에서는 붕소나 무기염류와 같은 전통적인 목재 난연처리재에서부터 인-질소화합물, 규소 나노(Nano)화합물과 같은 새롭게 개발되고 있는 난연처리재에 대해서 알아보아 목재를 화재로부터 안전한 건축자재가 될 수 있도록 하고, 이에 따라 목재가 건축재료로 더욱 많이 사용이 될 수 있도록 하고자 한다.

난연성(Fire retardant)과 내화성(Fire resistant)
난연성과 내화성은 매우 혼동되는 개념으로 이를 명확히 구분할 필요가 있다. 위의 그림은 화재가 발생하여 진행되는 상황을 나타내는 것이다. 화재가 발생한 후 진행단계를 살펴보면 점화가 된 후 Flashover(완전발화)단계를 거치게 된다. 그 이후 화재가 지속적으로 일어나는 연소단계를 거치게 된다. 여기서 각기 단계마다 화재에 대응하기 위해 사용되는 처리방법이 달라져야 하는데, 예를 들어 점화가 되어 완전발화가 되기 전까지는 연소, 화염전반, 열 발생, 연기 및 유독가스의 발생을 차단하기 위한 난연처리를 하여야 하며, 완전발화 뒤 연소가 진행중인 경우에는 구조적인 문제가 발생하므로 구조적인 안정을 위한 내화 처리를 하여야 한다. 이는 연소중의 화재는 지속적으로 600도 이상을 유지하여 건물에 구조적인 문제를 일으키기 때문이다.

난연 처리의 경우는 가연성의 물질 예를 들어 목재, 섬유, 패브릭, 가연성 화합물 등에 처리하여 화염의 확산을 줄이거나 막는 것이 목적이며, 내화 처리는 불연 재료에 구조적인 안정성을 주기 위한 처리이다. 따라서 불연재료 및 가연재료에 따라 시험 기준이 달라져야 하는데, 가연재료의 경우에는 산소지수(oxygen index(OI), 어떤 소재가 연소되기 위해 필요한 산소농도), 화염 확산율(flame spread rate), 연소시간(ignition time), 열 차단율(heat intensity), 연기 발생률(smoke generation)과 유독가스방출량(release of toxic gases) 등이 기준이 되며, 불연재료의 경우 단열성(thermal insulation), 차염성(integrity), 하중지지용량(load-bearing capacity) 등이 기준이 된다. 이처럼 재료의 종류와 용도에 따라 건축 재료의 특정 화재 성능 특성을 다른 시험 방법을 사용하여 시험해야 한다. 또한 이 두 가지 재료에 대한 관련 테스트 표준은 국가의 지역에 따라 다른 경우가 많다.

 

난연 처리 코팅
일반적인 코팅재품(페인트류)의 경우 화재 시 화재의 연료로 이용되어 쉽게 연소되거나 녹아 건축물의 연소에 오히려 도움이 되는 경우가 많다. 따라서 화재를 방지하기 위한 난연처리재는 화재의 연료로서 작용하지 않도록 하고, 화염의 확대 및 연기의 발생을 막아주어야 한다. 전통적인 측면에서 난연처리재는 각종 재료를 화재로부터 보호하는 가장 쉽고 오래되고 가장 효율적인 방법 중 하나이다. 특히 목재에 처리하는 난연처리재는 난연처리를 통해 목재의 화학적 변형을 야기하지 않고, 목재에 대한 열의 흐름을 변경시키고 열에 의한 분해, 점화 또는 연소를 억제 할 수 있는 보호 층의 형성을 하는 방식으로 목재에 난연 성능을 부여한다. 이상적인 난연성 코팅은 최소한의 화염 확산, 연기 또는 유독 가스의 무시할 수 있거나 또는 낮은 방출율을 가져야 하고, 적용하기 쉽고, 우수한 내마모성을 나타내며, 다양한 목재에 적용 가능하면서도 저렴한 비용으로 경제성 또한 제공하여야 한다. 일반적으로, 이들은 염소화 알키드 또는 브롬화 에폭시 수지 및 충전 된 수산화 알루미늄 또는 염소화 파라핀과 산화 안티몬 시스템의 조합을 기반으로 하고 있다. 그러나, 반응성 또는 첨가제 및 상이한 부류(할로겐, 인, 질소, 광물, 산화물, 팽창성 및 나노 충전재)의 형태로 광범위한 난연재가 상업적으로 판매되고 있으며, 이는 코팅의 연소를 억제 또는 지연시키기 위해 사용된다. 목재 난연처리재는 주로 건축용 페인트의 형상으로 공급되는 경우가 많으며, 유성의 형태를 가지는 경우가 많다. 사용법은 다른 페인트와 마찬가지로 붓이나 로울러 그리고 스프레이 방식으로 사용되는 경우가 많다.

난연처리재는 비팽창성 및 팽창성 처리재로 크게 두 가지 그룹으로 분류 될 수 있다. 비 팽창성 처리재는 기본적으로 가연성 목재의 화염 확산 및 연기 발생률을 감소 시키도록 설계된 난연성 첨가제를 포함하는 건축용 코팅재이다. 이런 비팽창성 처리재는 화재 및 연기를 발생시키지 않는 능력에 따라 등급 A, B 또는 C 등급으로 구분된다. 화염 확산 속도는 처리하는 목재의 종류와 처리재의 두께에 따라 달라진다. 다른 한편으로, 팽창성 처리재는 첨가물들이 열의 영향으로 팽창하여 다세의 탄화층을 형성하는데, 이는 절연 장벽으로서 작용하고 응축 된 상(Condensed Phase)과 증기 상(Vapor Phase) 사이의 열 및 물질 전달을 느리게 하는 방식으로 난연 성능을 부여한다. 

이 탄화층은 적용된 코팅의 원래 두께의 최대 50 배까지 부풀어 오를 수 있다. 아 두 가지의 난연처리재는 색소 / 착색 또는 투명의 두 가지 유형의 난연 코팅 투명한 바니시는 다른 재료에 사용하도록 설계되었으며 위에서 언급하였 듯이 화재에 노출 될 때 매우 다르게 반응한다. 이 제품들은 주로 건축, 운송, 벽 및 천장 등에 사용되며 지역에 따라 안전기준이 다르게 적용된다.

난연처리재의 기능은 난연재 성분의 작동 방식에 따라 목재를 화재로부터 보호하는 것이다. 예를 들어, 할로겐화 화합물(여기에서는 붕소와 염소계 화합물)을 주성분으로 하는 난연처리재의 경우에는 기체상에서보다 효과적이며, 반응성이 높은 자유 라디칼의 생성을 방해하고, 화염의 전파를 방해하는 할로겐 증기로 형성된 보호막을 형성함으로써 화재가 발생한 구역에서 작용하면서 화재를 소화시키는 작용을 한다. 그러나, 연소되는 동안 할로겐 화합물로부터 독성 및 부식성 가스가 방출됨에 따라 생태적으로 안전하지 않다. 이러 이유로 할로겐 화합물의 난연처리재로서의 사용은 줄어들고 있다. 난연처리재에서 인의 작용은 난연재 및 폴리머 결합체의 유형에 따라 다르다. 이들은 대부분 응축 상으로 작동하여 화염에서 목재으로의 열 전달 및 가스 확산에 대한 물리적 장벽으로 작용하는 보호 탄화층(숯층, 탄화막)을 형성한다. 기체상태에서의 작용은 또한 인 난연재에서 효과적이며, 화염에서 발생하는 고에너지 라디칼을 제어 할 수 있는 팽창성 난연재는 산 공급원, 숯 형성 제 및 가스 공급원의 조합이며, 때로는 3가지 기능을 모두 포함하는 단일 화합물로 이용 가능하다. 팽창성 코팅의 메커니즘은 고온에서 흡열 분해 반응을 수행하여 코팅이 팽창하여 매우 낮은 열전도율(열 절연)을 갖는 매우 다공성의 두껍고 열적으로 안정된 탄화층이 형성 되도록 하는 것이다. 금속 산화물 및 수산화물과 같은 다른 난연재는 수증기의 방출로 목재를 냉각시키고 가연성 연료 및 산소를 희석 또는 제거함으로써 작동 된다.

 

가연성 물질의 난연성
가연성물질은 불이 잘 붙고, 퍼지는 성격을 가지는 물질을 말한다. 즉 발화가 시작되고 완전발화(Flashover)가 일어나기 전까지 화염이 퍼지고 화염강도가 지속적으로 강해지는 물질을 말한다, 완전발화는 이러한 화재성장률(fire growth rate)의 증가속도에 따라 늦어지거나 빨라지거나 한다. 목재는 폴리머류(플라스틱 및 고무), 폼, 섬유, 케이블 등 다른 가연성의 건축자재와 함께 가장 많이 사용되는 건축자재중 하나이다. 방염처리 의한 방염성능의 투명 바니쉬와 유색 발포성 코팅재 그리고 표면처리재 등을 세가지 처리방법을 사용하여 난연처리를 하고 있다. 

난연성능의 대한 구분은 유럽의 경우 특정한 환경에서 완전발화에 달하는 속도를 기준으로 하는 화재성장율지수(fire growth rate index(FIGRA)을 기초로 하여 난연처리재 성능구분을 하고 있다. 그 밖에도 단일 연소 성능(Single burning item(SBI)) 등의 성능시험을 하고 있다. 영국에서는 화염 확산 성능(fire propagation test)과 표면 화면 확산 테스트(surface spread of flame test) 등을 두 가지 성능검사를 하고 있다. 반면 미국 및 다른 국가들에서는 STM E 84, 2010과 ISO 5660 규격이 난연재료 성능시험에 주로 사용된다. 난연처리재의 성능에 영향을 주는 요소로는 두께, 밀도, 부재의 종류, 구성 및 판재의 타입 등이 있다. 따라서 난연성능을 정확히 테스트하기 위해서는 다양한 요소에 대해 검토할 필요가 있다. 

 

목재
목재는 가장 다목적이며 지속 가능하며 심미적으로도 아름다우며, 환경 친화적 인 재료 중 하나이다. 일반적으로 목재는 Hardwood와 Softwood로 분류 할 수 있으며, 주요 구성성분으로는 셀룰로오스(Cellulose), 해미 셀룰로오스(Hemi-Cellulose) 및 리그닌(Lignin) 등이 있으며, 수종이나 환경에 따라 구성비는 약간씩 다를 수 있다. 목재는 단순한 가공뿐만 아니라 기술적인 가공을 거쳐 합판이나 파티클보드(Particle Board), 섬유판(MDF)과 같은 판상재(Wood based Panel)나, 구조용 목재(Dimension Lumber), 집성목(Edge Glued Board) 및 외부용 사이딩(Cladding) 및 목재 바닥재를 포함한 다양한 유형으로 건축 공사, 바닥재 및 가구 재료 및 구조적 목적으로 널리 사용되고 있다. 이처럼 전 세계 가정, 학교 및 사무실에서 목재 제품의 사용되고 있으나, 목재가 가지는 천연 유기적인 특성으로 인해 건축자재로서 가지는 결함이 있다. 그 기본 결함에는 불에 탈 수 있는 가연성, 수분이나 외부 충격에 의한 변형의 가능성 있는 등 치수 안정성이 낮고, 목재부후균이나 흰개미 등 미생물 및 곤충에 의한 피해 등이 있다. 따라서 건축 자재로 사용할 때 이런 결함에 대해 적절한 해결책을 제시해 주어야 한다. 특히 본 주제에서 다루는 목재와 화재와의 관계는 목재는 기본적으로 가연성이 높고 화재에 연료를 공급해 주는 역할을 하기 때문에 화재에 취약한 건축자재로 취급된다. 목재의 경우 연소는 주로 목재의 주 구성성분 중의 하나인 셀룰로오스가 원인이다. 

목재에 난연성을 부여하기 위하여 다음과 같은 다양한 방법들이 있다.

1. 열차단효과를 주기 위한 탈수화 및 탄화촉진 기술
2. 목재 열분해의 화학적 변형 처리 기술
3. 흡열반응을 통한 주변 열을 흡수하는 기술
4. 가스상태의 화염 연소를 억제하는 기술
5. 목재표면에 열을 분산시키기 위해 목재의 열전도율을 증가시키는 기술

목재의 난연처리는 일반적으로 페인트 형식으로 된 난연처리재를 목재의 표면에 도장, 분무, 침지법으로 처리하거나, 고압진공압력 기술 및 플라즈마 처리를 사용하여 수행한다. 이 난연처리재는 목재가 발화되는 것을 막고, 화염이 번지는 것을 막아주는 역활을 하기 위해 제조되었다.

목재의 주요 구성성분인 셀루로오스, 헤미셀로오스 그리고 리그닌의 열에 의한 분해 양식이 매우 다르다. 예를 들어, 헤미셀룰로오스의 경우에는 200 내지 260 ℃에서 분해되며, 셀룰로오스는, 240 내지 350 ℃의 그리고 리그닌의 경우에는 280 내지 500℃의 온도에서 분해된다. 목재가 가열되면 목재는 열에 의해 분해 및 연소되어 가면서 휘발성 가스, 타르(tars, levoglucosan) 및 탄소성분을 가진 숯(탄화된 목재)을 생성하게 된다.

전통적인 목재난연처리에는 붕소계 제품과, 무기산류 그리고 무기염류(monoammonium phosphate, diammonium phosphate, guanylurea phosphate, guanidine phosphate, ammonium polyphosphate, and melamine phosphate) 등이 있으며, 이들 제품은 목재의 방염성능을 증가시키는데 많은 기여를 했다. 하지만 붕소 및 포름알데히드를 함유하고 있는 제품들의 경우 환경문제에 대한 인식이 증가하고, 소비자 안전에 대한 위험성으로 인해 사용이 감소되고 있는 추세이다. 더군다나 무기염류의 경우 목재의 흡습성을 증대시키고, 목재의 강도를 약하게 하여 결과적으로 치수안정성에 나쁜 영향을 준다거나, 목재의 열화, 못이나 나사를 비롯한 금속 연결체의 부식문제, 접착성 문제 및 연마성의 증대 등의 단점들이 존재하기도 하였다. 이에 따라 최근에는 목재난연처리재로 인이나 질소, 실리콘(규소) 및 표면탄화처리재 등을 이용하고 있다. 이 제품들은 기존 제품에 비해 환경에 끼치는 영향이 적으면서도 목재에 같은 성능 혹은 더 좋은 성능의 난연성능을 부여할 수 있는 장점이 있다.

콘 열량계(Cone Calorimeters)에 의한 연소능력 테스트는 목재의 가연성을 평가하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 테스트방법이다. 목재의 일반적인 연소현상에 대해 알아보기 위해 자발적인 발화(자연발화)의 상태에서 일정 수분 함량 하에서 6종의 목재 샘플의 연소특성 및 일산화탄소(CO) 발생율을 콘 칼로리미터에 의해 시험을 진행한 실험을 한 자연 발화는 외부의 발화원 없이 내부 가열에 의해 가연성 물질이 발화되는 현상을 말한다. 자발적 점화 과정은 외부에 의한 발화과정보다 실제 화재 발생에 훨씬 가깝다. 실험결과는 목재의 두께의 경우는 최대 CO 방출 속도에 거의 영향을 미치지 않지만 피크 시간은 더 높은 두께가 두꺼울수록 늦어지는 것으로 밝혀졌다. 피크 CO 방출 속도는 더 높은 외부 열의 강도 함께 감소하며, 평균 CO 발생율은 외부 열유속, 두께 및 밀도에 반비례하는 것으로 밝혀졌다. 목재내의 함수율에 의한 영향의 경우에는 수분의 양이 많을수록 증발에 사용되는 에너지가 증가하기 때문에 화염과 수분 모두 CO 방출 속도를 감소시킬 수 있다. 목재의 발화 시간 및 질량 손실률에 대해 열의 강도 및 산소 농도(20.9, 18, 16 및 15 %)의 영향을 조사하여 운동 파라미터, 활성화 에너지 및 주파수 계수를 수득하였다. 산소 농도가 증가함에 따라 질량 손실률은 증가했지만 점화 시간, 활성화 에너지 및 주파수 계수는 감소했다. 이러한 실험결과를 요약해 보면 다양한 목재의 경우 제품의 밀도, 두께 및 수분 함량 등의 목재의 난연 및 연소성능에 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다.

 

목재의 탄화 속도
목재와 같은 부재가 고온에 노출 될 때 탄화되는 깊이가 증가하는 정도를 나타내는 탄화 속도는 목재가 타지 않고 구조적인 안정성을 유지하는 부분의 크기를 결정할 수 있는 중요한 요소이기 때문에 목재 가연성을 나타내는 중요한 인자이다. 주로 분당 탄화깊이로 나타내며, 단위는 mm/min로 나타나게 된다. 탄화속도는 목재의 종류, 밀도, 수분 함량, 침투성, 구성 및 연소 방향에 따라 달라지게 된다. 예를 들어, 난연재 처리 된 목재의 탄화 속도를 콘 칼로리미터(발열량을 테스트하는 도구)에서 테스트해보면 화력에 비례하고 목재의 밀도에 반비례하는 것으로 나타난다. 탄화 된 목재는 열분해 층, 목재의 열적 열화가 발생한 층과 실제로 탄화되어 숯처럼 변화하여 강도 및 강성이 전혀 없는 탄화(숯)층으로 나뉘게 된다. 탄화깊이는 원래 부재의 외부 표면과 탄화선(탄화가 일어난 층)의 위치 사이의 거리를 나타낸다. 탄화가 진행된 층의 경우 목재에 280 내지 300℃ 까지 가열했을 때에 널리 발생한다. 여러 시험에 의하면 팽창성의 목재 방염재를 사용했을 경우 탄화속도 및 목재구성성분의 화재노출도가 난연재를 처리하지 않았을 경우 보다 현격히 줄어드는 것으로 나타났다.

아래 그림은 여러 가지 화재 열량기준에 따라 가열한 후, 다양한 난연처리재로 처리한 목재와 아무 처리를 하지 않은 목재와 탄화속도를 기준으로 나타낸 것이다. 어느 경우에나(각각 25kW/㎡, 50kW/㎡, ISO 834 test의 열량) 난연처리재를 처리 하지 않은 대조군 보다 낮은 탄화속도를 보이고 있음을 볼 수 있다. 

붕소계 난연 처리재(Boron based fire retardant)
붕산(H3BO3) 및 붕사(Na2B4O7.10H2O) 형태로 사용되는 붕산염은 목재 제품에서 수용성이며 가장 일반적으로 사용되었던 난연재이다. 붕소가 목재난연재로 가지는 장점은 비단 난연재로서의 역할 뿐만 아니라 목재에 해를 가하는 미생물의 생육에도 영향을 주는 방충 방부제로 사용될 수 있기 때문이었다. 또한 다양한 처리방법으로 처리도 가능하고, 가격도 상대적으로 저렴하여 사용량이 많았다고 볼 수 있다. 하지만 붕소의 경우 인체 축적성이 있으며 소화효소 저해성, 영양소 동화작용 방해성질 등 독성이 있으며, 과거에는 식품첨가물로 쓰였으나, 현재에는 식품첨가물로 쓰이지 않는다. 이처럼 붕소계 난연재는 독성이 문제되기 전까지는 염소계 난연재와 더불어 가장 많이 사용되는 방염처리재였다.(이 둘을 할로겐 방염제라고 불렀음). 붕소계 화합물을 목재에 처리하면 화재 시 목재에서 발생되는 탄화면을 늘려주고, 기화열을 낮추어주며, 목재 속에 침투된 부산이 목재의 활성에너지를 낮게 하고, 산화작용을 느리게 하여 목재에 난연성능을 부여하는 역할을 한다. 

붕소계 난연재의 경우는 가압식 처리나 침지법 혹은 도포법으로 처리가 가능하나, 붕소가 목재와 완전히 결합하는 데에 문제가 있어 처리 후 용탈문제가 발생하는 경우가 많다. 특히 붕소의 용탈로 인한 토양오염의 문제도 발생한 사례가 있다.

Diammonium phosphate(DAP) 및 Diammonium sulfate(DAS)의 처리 또한 목재에 난연성을  높여주는데에 도움을 주는데 이들은 연소과정에서 발열온도를 낮춰주며, 많은 양의 탄화면을 생성하고, 가연성 액체의 발생을 억제하며, 물의 발생을 많게 하는 등의 작용을 한다. 

위에 언급한 데로 붕산이나 붕소 그리고 DAP형태로 사용되고 있으며, 방부효과를 높이기 위해서 천연방부제와 혼합하여 사용되기도 한다. 최근에는 Disodium octaborate tetrahydrate라는 성분이 수용성으로 좀 더 개선된 성능을 보이기도 한다. 여러 가지 장점에도 불구하고 붕소계 난연재는 독성과 더불어 침출의 문제 때문에 현재 널리 사용되고 있지는 못하다.

 

인계 난연 처리재
질소 화합물 및 인산으로 구성된 난연 처리재로 목재에 대한 난연 처리를 조사한 결과. 목재의 난연성 및 내구성은 고압가압처리나 강제건조처리 등과 같은 난연처리재의 처리방식에 의해 많은 영향을 받는 것으로 알려졌다. 고열가압처리의 경우 강제건조처리에 비래 목재의 난연성능이 매우 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그리고 난연 특성은 dicyandiamide-formaldehyde-phosphoric acid 및 melamine-dicyandiamide-formaldehyde-phosphoric acid 시스템에서와 같이 난연재에 포름 알데히드와의 양 및 기능적 반응성에 의해 추가로 개선되는 것으로 밝혀졌다. 하지만 위에서도 언급하였듯이 포름알데히드 같은 경우는 인체 및 환경에 위험성이 매우 커 사용이 극도로 제한되고 있는 실정이다. 인산 제품이 난연성능을 발휘하는 기작은 화재 발생시 인산의 응축반응이 흡열반응으로 일어나게 되고, 이는 목재의 온도를 낮추고, 휘발성의 연소가스를 희석키게 되어 목재에 난연성능을 부여하게 되는 것이다, 이 밖에도 많은 실험을 통해 인산을 이용한 처리가 목재에 난연성분을 부여한다는 것이 확인되었다.

유기 인계 난연성 화합물은 아직까지는 상업적인 목재 응용 분야에서 자주 사용되지 않으며 일부는 휘발성이 높은 것으로 알려져 있어 단점으로 작용하기도 하였다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 인산과 질소 사이의 상승 작용은 유도하기 위한 질소 및 유기인 화합물을 목재 난연재로 사용하기도 한다. 이런 질소-인산화합물로 구성된 목재 난연처리재의 경우 탄화표면의 생성을 증대시키고, 목재의 최대 열분해 속도를 상당히 낮추어 주는 효과가 있다고 한다. 다른 연구에서 질소-인계 난연재의 난연성능을 조사한 결과, 난연성 함침 목재에서 치수 안정성 및 산소지수(OI) 값 둘 모두가 상당히 개선되었음을 보여 주었다. 이는 목재 속에 있는 다당류의 탈수현상을 통해 목재 표면에 연소의 확대 및 화염의 확산을 막아주는 탄화막이 형성되었기 때문이다. 이때 생성된 탄화막은 열과 산소를 차단하여 연소 및 화염을 막아주는 역할을 한다. 특히 질소-유기인 화합물의 경우 포름알데히드를 함유하고 있지 않아 환경적인 문제도 상대적으로 적은 장점이 있다.

 

규소 및 인계 상승성 난연재 코팅
위에서 언급한 질소-인화합물에 보다 좋은 난연 성능을 부여하기 위해, 규소(Silicate)를 첨가하여 이 세 원소의 결합으로 인한 상승작용을 통한 난연 처리재가 새롭게 시장에 소개되고 있다. 이러한 규소, 인의 조합은 또는 규소, 인 및 질소 혼합물은 방염성능에서 뛰어난 것으로 잘 알려져 있다. 이 세가지 원소들의 결합으로 인한 상승 작용은 일반적으로 3 가지 첨가제가 각각의 개별 효과가 함께 작용하면서 상승작용으로 일으킴으로서 이루어 진다 각 원소들의 난연 기작을 살펴보면 인(P)은 효과적으로 목재표면에 탄화층을 형성하여 화재가 확산되는 것을 막으며, 질소(N)는 희석제로 작용하는 불연성 가스를 생성하며, 규소(Si)은 탄화면 위에 보호 층을 형성함으로써 소재에 열적 안정성을 제공하게 된다. 연소과정 전반에 걸쳐 탄화표면을 덮고 있는 이산화규소의 흰색 침전물은 복사열 차폐 역할을 하며 탄화면의 산화 속도를 감소시키는 데 도움이 된다. 여기에 주로 사용되는 성분들은 아래와 같다.

* Magnesium hydroxide(MDH), 
* Monoammonium phosphate(MAP), 
* Aluminum hydroxide(ATH)

탄산염 및 탄산 수소는 가스 상태의 난연재로서 매우 높은 효율을 갖는 것으로 알려져 있다. 특히 탄산 칼륨은 목재 제품에 대해 높은 난연 효율을 갖는 화합물로 보고 되어 있다. 탄산 칼륨은 비교적 높은 분해 온도(800 ° C)를 가지고 있으며, 나무의 탈수를 촉진하는 촉매의 역할을 하여 탄화면, 물 및 이산화탄소의 생산을 증가시키는 역할을 하기 때문이다. 그러나 이 화합물은 특히 고농도에서 처리될 경우에는 목재의 폴리머의 분해현상을 효과적으로 막을 수 없으며 일산화 탄소의 발생을 유발한다. 따라서 탄산 칼륨은 저농도에서만 사용된다.

Na2WO4, Na2SnO3, Na2MoO4 와 같은 다양한 무기 염들에 대한 열분해 및 난연 특성에 대한 효과가 입증되었다. 이들 염의 처리시, 목재 샘플의 산소지수(OI)가 증가하였고, 이는 표면상의 탄화층의 면적이 증가하여 난연효과를 나타내는 것이다. 이 무기염들은 탄화 단계 및 하소 단계의 두 단계 모두에서 다 동안 처리 후 목재의 활성화 에너지를 감소 시켜 난연효과를 주는것으로 알려졌다. 이 무기염 난연재는 탈수 반응을 촉진하는 촉매 역활을 하여 더 많은 수분과 이산화탄소 그리고 탄화면을 생성하고 레보 글루코 산 및 레보 글루코스와 같은 가연성 증기를 형성하지 않아 난연성을 증대시킨다.

팽창성 난연 코팅
유색 또는 투명의 팽창성 난연처리재를 목재 기반 제품의 난연재로 사용하기도 한다. 팽창성 코팅이 난연성을 부여하는 기작은 이 팽창성코팅이 열에 노출 될 때 부풀어 오르고 탄화면을 형성하여 표면을 화염로부터 분리시키는 탄소 질 거품을 생성하는 것이다. 또한 여기서 생성된 탄화면 층은 연소 사이클이 지속적으로 순환되는 것을 방지하기 위해 산소 확산의 제한 및 연료의 휘발 감소를 담당한다. 이런 팽창성 난연 코팅 시스템을 목재에 적용한 결과, 탄화면의 형성 및 열 축적을 줄이고 목재의 발화의 시작을 지연시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 

팽창성 난연코팅은 주로 풀포화 폴리에스터 수지나 에폭시 수지에 인산암모늄, Pentaerythritol, Melamine 및 확장성 흑연 등을 첨가하여 만들어 진다. 실험에 의하면 2㎜ 두께의 팽창성 도막은 난연성을 발휘하는데 매우 좋은 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다.

기본적으로 이 열 팽창성 코팅의 경우 철제 구조물의 철 구조체를 보호하기 위해 도입되었으며, 아직도 철제구조물에 많이 사용되고 있는 제품이다. 목재의 경우 몇몇 제품이 팽창성 코팅의 난연재로 도입이 되고는 있지만, 널리 사용되고 있지는 못하다. 하지만 앞으로 많은 연구 개발이 필요한 분야이다.

 

투명 난연 코팅(Transparent fire retardant coatings)
목재의 경우 다른 소재에 비해서 투명도료가 많이 사용되는데 이는 목재의 자연스러운 질감을 느끼기 위해서이다. 따라서 목재의 난연코팅에도 투명도료의 수요가 많지만 기술적으로 투명 난연처리재를 만들기 쉽지 않다. 이에 대한 대안으로 생산되는 것이 바로 자외선을 이용하여 난연처리재를 경화하는 목재의 투명 난연 코팅이다. 

자외선기반의 난연코팅재는 난연처리재로 Cyclotriphosphazene을 사용하여 목재에 자외선(UV)경화형 팽창성도료를 말한다. 이런 제품류는 목재의 외관에 거의 영향을 주지 않으면서도 좋은 난연성을 보이는 것으로 알려져 있다. 

이 분야는 새롭게 개발되는 기술로 현재에도 많은 기술개발이 이루어 지고 있는 분야이며, 다양한 원료소재의 사용 및 처리법이 개발되고 있다.

 

나노 복합체 코팅(Nanocomposite coatings)
최근에 개발된 기술중의 하나인 나노 기술(Nono Technology)을 이용하여 난연 특성의 개선을 위해 나노 복합물을 제조하기 위해 나노 입자가 사용되는 기술이 도입되기 시작하였다. 이 나노입자재료의 기술의 주요 기술는 분산(Dispersion)이다. 나노입자를 처리하기 위해서는 표면처리가 필수적이며, 이를 통해 호환성이 뛰어나고, 균질한 분산을 이루어 낼 수 있다. 현재 점토성분의 나노분말이나 셀루로오즈 기반의 나노섬유가 투명의 목재 난연처리재로 사용되고 있으며, 뛰어난 성능을 발휘하고 있는 것으로 알려져 있다. 

나노 복합체 코팅을 처리한 후 난연성 테스트를 해본 결과, 목재의 점화시간이 크게 증가하고, 총 열 방출량(total heat release)은 33%나 감소하는것으로 나타났다. 또한 최대 평균 열 방출량(maximum average heat emission rate) 역시 46% 정도 감소하는것으로 나타났다. 또한 나노입자가 가지는 열 차폐 및 가스 차단기능은 목재의 열분해 및 가연성 기체의 방출량을 줄여서 난연성능에 기여하는 것으로 나타났다. 또한 새로운 연구를 통해 폴리우레탄 수지를 이용한 팽창성 난연코팅에 나노입자를 첨가하여 난연성을 높이는 연구도 계속 진행되고 있다. 

규소(Silicone)를 이용한 나노입자를 목재에 분산하여 처리하는 것도, 저비용으로 높은 난연성, 낮은 열 확산도속 및 연기발생을 억제하는 데에 효과가 있다. 이 밖에도 이산화티타늄(TiO2)에 나노입자 분말을 처리하는 것도 목재에 난연성능을 부여하는 데에 좋은 것으로 알려져 있다.

새롭게 개발된 목재 난연 처리법 중 하나는 나노은(Nono Silver)처리에 의한 난연 처리 방법이다. 나노은 코팅의 높은 열 전도성을 나타내어 목재의 열 전달을 개선하는 방식으로 목재의 난연 성능을 향상시킨다. 여러 실험결과를 통해 나노은 처리는 목재 제품의 일부 난연 특성을 개선시키는 잠재력을 분명히 보여 주었으며, 상업화를 시작하는 단계에 있다. 나노은 코팅이 빠르게 전달되는 열이 목재내에 축적되는 것을 줄임으로써 목재의 연소 시 발행하는 열 분해 및 탄화를 지연시킬 수 있음을 알 수 있다.

이 밖에도 나노분말로 가공된 규회석(Nano-wollastonite)과 육방형 붕소질화물의 나노화된 층(hexagonal boron nitride nanosheets) 등의 소재를 통한 나노코팅 처리 방법도 개발되고 있다.

 

졸-겔 처리 방법(Sol-gel method)
졸-겔처리법은 재료공학에서 작은 분자로부터 고체물질을 제조하는 방법을 말한다. 이 방법은 주로 금속산화물, 특히 실리콘이나 티타늄의 산화물 제조에 사용된다. 최근에, 졸-겔 공정을 통해  난연재를 제품에 적용시키는 방법이 연구되고 있다. 공정은 무기 또는 유기-무기 하이브리드 코팅의 형성을 야기하는 가수 분해 및 축합 반응을 포함한다. 이러한 기술은 여러 폴리머 중합체에 많이 연구되고 있다. 최근에는 Aminopropylmethyldiethoxysilane, Aminopropyltriethoxysilane 및 둘 다(50/50 비율)의 혼합물을 사용하여 졸-겔 공정에 의해 목재 세포 공극에 폴리실록산(polysiloxanes)을 합성 한 목재 제품이 최고의 난연 효율을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이것은 하이브리드 구조를 형성하는 alkoxide의 반응성이 높기 때문이다. 또 다른 연구를 통해 목재(소나무 및 낙엽송)에 비닐수지를 이용한 졸-겔 방법에 의해 생성된 투명 난연 코팅을 적용하였을 경우 난연 특성을 향상 시켰고 목재 표면의 전체적인 외관에도 영향을 미치지 않음을 보여 주었다.

이 기술은 아직 최신기술이고 처리과정이 복잡하여 경제성 또한 떨어지긴 하지만 앞으로 목재의 난연성능에서 가장 뛰어난 기술이며, 목재의 외관에도 영향을 미치지 않아 향후 가장 유망한 난연처리법으로 인정을 받고 있다.

 

목재의 내화성
최근 들어 공학목재의 개발과 다양한 목재건축 엔지니어링 기술의 개발로 목재를 구조체로 하는 건물들이 증가하고 있다. 이는 목재가 가지는 여러 가지 장점으로 인한 것인데, 그 중의 하나가 화재 발생시 주민들에게 충분한 대피시간을 줄 수 있으며, 화재의 진압에도 다른 건축자재 보다 쉬운 장점이 있기 때문이다. 하지만 분명히 단점도 있다. 목재의 경우 철이나 콘크리트보다 낮은 온도에서 강도와 내구성이 저하된다. 일례로 목재는 100°C에의 강도가 20°C에서 보다 약 50% 이상 감소된다. 반면에 목재는 고온의 조건하에서는 철이나 콘크리트보다 더 화재에 강한 장점을 가지는데, 목재의 경우 목재에 화재가 발생했을 경우 연소가 되면서 목재 표면에 생기는 탄화면이 단열층을 형성하면서 열의 전달을 막아주지만 철이나 콘크리트의 경우 그렇지 못하기 때문이다. 하지만 여기서 주의할 점은 목재의 연결재로 철제 연결제를 사용했을 경우 열전도율이 높이 연결재로 결합된 부분의 강도가 낮아 진다는 점이다. 따라서 목재구조를 설계할 때 이러한 점도 고려하여야 한다.

위에서 살펴본 봐와 같이 목재는 철강이나 콘크리트와는 화재에 반응하는 방식이 매우 다르다. 하지만 목재는 기본적으로 가연성 재료이기 때문에 이에 대한 처리도 필요할 것으로 보인다. 이는 최근에 대규모의 목조건축(Tall(Mass) Wooden Building)이 지속적으로 도입됨에 따라 목재의 난연처리에 대한 필요성이 더욱 증가하고 있기도 하다. 따라서 최근 차세대 공학목재의 경우 이러한 내화처치를 하는 경우가 늘고 있다 이러한 기술의 주요 방식은 표면에 보호피막을 형성하고, 가연성 구조재의 화염확산의 효과 및 연결재의 내화성능에 따라 달라진다. 목재 난연처리재를 사용할 경우 목조건축의 내화성이 크게 향상될 수 있음은 여러 실험과 경험에 의해 확인되었다. 따라서 목재업계나 목조건축업계에서도 목재의 난연처리에 보다 많은 관심을 가지고 투자와 기술개발을 하여야 할 것이다. 목재의 난연처리는 신축건물에 사용되는 목재 뿐만 아니라 기존 건물의 목재부분의 처리에도 사용될 수 있다. 이 경우 목재부분을 다른 건축자재로 교체하는 것보다 경제적으로 더 뛰어날 것이다. 



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