휴대폰 충전기의 화재위험성

휴대폰 충전기의 화재위험성이후

휴대폰 충전기의 화재위험성

글 이승훈 · 박주희 · 허수정 · 유완석 · 박영국서울경찰청 과학수사과*현대하이라이프손해사정(주)

휴대전화기 충전용 직류전원공급장치에서 화재사례는 대부분 충전 중에 발생하였다. 본 연구에서는 현재까지 공식적으로 보고된 바가 없는, 기기가 분리된 충전단자에서 발생한 화재사례를 보고하며 이 화재사건의 원인으로서 단자 전극 간 트래킹 현상에 대하여 고찰하였다. 충전 케이블에 전원이 연결되어 있다면, 단자의 전극에는 최소 5V의 전위차가 있으며 전극간의 거리가 0.2mm로 매우 좁기 때문에 트래킹 현상에 의한 화재발생 위험이 높다. 이 화재는 충전케이블에 전원을 연결한 상태로 사용하는 잘못된 사용습관 때문에 발생한 것으로 볼 수 있다. 충전 단자 전극에서 트래킹 현상에 의한 화재를 예방하기 위해서는 전극의 청결 상태를 유지하는 것도 중요하지만 무엇보다도 스위치가 있는 콘센트 등을 사용해서 충전 중이 아닌 경우에는 전원이 차단되도록 하는 것이 중요하다. 안전 사용에 대한 적극적인 홍보가 필요한 것으로 사료된다.

1. 연구의 목적

휴대전화기는 생활과 분리할 수 없을 만큼 사용빈도가 가장 높은 전기전자 제품으로 꼽을 수 있다. 휴대전화기의 사용빈도가 높은 만큼 휴대전화기 충전기의 사용빈도도 높다. 특히 휴대전화기용 충전기는 휴대전화기 뿐만 아니라 노트북, 휴대용 선풍기 등 휴대용 제품들의 배터리 충전에 공통적으로 사용할 수 있게 되면서 사용빈도가 증가하고 있는 실정이다. 보통 충전기라고 알려진 제품의 정확한 명칭은 ‘직류전원공급장치’이다. 이 제품은 특정 형태의 직류 전원을 공급하며, 휴대전화기 등의 기기는 이러한 전원을 공급받아 배터리의 전원을 충전한다. 충전케이블에서 발생할 수 있는 화재 원인은 다양하나 본 연구에서는 휴대전화기 충전용 단자의 전극 간 트래킹 현상에 의한 화재 위험성을 중심으로 논하고자 한다.

휴대전화기 충전용 직류전원공급장치의 화재 사례는 충전 중에 불완전접촉이나 반단선에 의해 발생한 것이 주로 보고되어 왔다. 그러나 최근에 단자가 분리된 상태에서 발생한 화재사례가 있었고 본 연구를 통해 연구자가 경험한 화재사례에 대하여 보고하고자 한다. 그리고 이 화재의 발화원인으로서 충전단자 전극 간 트래킹 현상의 발생 가능성을 검토하고 잘못된 사용 습관의 개선을 촉구하며 안전 사용방법에 대한 주의를 당부하고자 한다.

2. 이론적 고찰

가. 휴대전화기 충전용 직류전원공급장치

휴대용 전화기 등에 사용하는 직류전원공급장치는 단자의 모양에 따라서 USB micro B-type, C-Type, I-phone에서 사용하는 Lightning 등으로 분류되며 공급 전원에 따라서 고속 또는 보통의 충전기로 분류된다. 여러 가지의 스펙이 있지만 전원이 공급된 상태에서는 기기의 연결과 무관하게 출력 전극 간 전위차가 있는 Live 상태라는 점은 동일하다. 출력은 충전 중인 기기와의 통신을 통해 출력 정격이 다양하다. 직류전원공급장치는 점차 높은 출력이 가능하도록 발전해 왔으며 최근에 개발된 Power Delivery 규격을 채용한 기기는 20V를 공급할 수 있어 노트북 등 고 사양 기기의 사용 및 충전이 가능하다.

예로서, XX전자의 직류전원장치(EP-TA300, 2019. 8. 제조)의 정격 출력을 살펴보면 DC 12.0 V, 2.1 A, DC 9.0 V, 1.67 A, DC 5.0 V, 2.0A로, 3가지 정격을 모두 출력한다1). 이 장치는 기기에서 요구하는 전류량을 확인하여 3가지의 모드로서 전환된다. 다중 정격 출력의 직류전원공급장치는 전류량에 따라서 발열과 전류 손실의 부작용을 감소시키기 위해서 소비 전류가 많을 경우에는 높은 전압으로 전류를 제공하고, 적을 경우에는 낮은 전압으로 전류를 제공한다. 기기가 연결되지 않은 상태에서 단자 전극에는 정격 출력의 최소값인 5V의 전압이 인가된 상태이며 부하가 발생하면 소비되는 전류량에 따라서 전압이 12V까지 높아질 수 있다.

나. 직류전원공급장치 단자의 사용환경

최근 충전기의 사용은 휴대 전화기뿐만 아니라 휴대용 조명, 휴대용 음향기기, 노트북 등 다양한 포터블 기기에 활용되고 있다. 모든 전기 전자 제품의 안전사용을 위해서는 사용 중에만 전원을 연결할 것을 권장하고 있으나 사용빈도가 높은 제품이다 보니, 편의 상, 사용자들이 어댑터 또는 컴퓨터 등의 USB 포트에 삽입하여 전원이 공급된 상태로 고정하여 활용하는 경우가 많다. 그리고 동시에 여러 개의 기기를 충전하기 위해서 또는 사용 기기의 충전 단자가 다른 경우 때문에 2개 이상의 충전기를 운영하는 경우도 많다. 편의상 All in One 방식으로 3가지의 주요 단자(USB micro B-type, C-type, Lightning)가 함께 묶여 있는 케이블을 사용하는 경우도 있다. 가정집이나 사무실뿐만 아니라 영화관 커피숍이나 관공서, 공공 화장실 등 다중이용시설 등 공간에서 전원이 공급된 케이블과 단자를 노출하여 필요한 사람이라면 누구든지 사용할 수 있도록 편의를 제공하기도 한다. 이처럼 전원이 공급된 상태로 노출된 단자는 우리들의 생활 속 곳곳에서 쉽게 마주칠 수 있을 만큼 흔하다.

다. 충전단자의 오염 가능성

충전단자는 노출되어 있기 때문에 환경에 따라서 단자의 오염이 발생할 수 있다. 특히, 전극 사이의 간격이 좁기 때문에 전극 사이의 오염과 그로 인해 탄화도전로가 형성될 수 있는 위험성이 높다. 일상에서 충전기 단자에 오염이 발생할 수 있는 가상의 시나리오는 다음과 같은 경우를 예상해 볼 수 있다.

(1) 커피 및 음료수의 엎지름에 의한 단자 침수 오염

(2) 사용자의 손으로부터 이물질 전이 오염

(3) 사용 환경에 따른 단자의 오염

예시의 사진과 같이, 가정이나 사무실에서 충전단자는 탁자 또는 책상 위로 올려놓는 경우가 있다. 만일 테이블 위에서 마시던 커피 등 음료가 쏟아진다면 여러 가지 소품들이 음료수에 젖을 것이지만 테이블 위에 있던 충전단자도 침수 오염이 발생한다. 그리고 사용자들의 땀이나 물에 젖은 손으로 단자를 만질 경우에는 손에 부착되었던 오염물질이 단자로 전이될 수 있다. 충전기를 사용하는 공간에서 도전성 먼지 또는 증기들이 발생하는 장소이거나 야외 환경에서 눈, 비 또는 먼지, 수분 등에 노출된 단자는 오염될 가능성이 높으며 이로 인해 트래킹 현상의 발생에 대한 위험이 있다. 이상, 충전단자에서 오염이 발생하는 가상의 경우를 예로서 살펴보았으나 실제 오염이 발생할 수 있는 경우는 헤아리기 어려울 만큼 다양할 것이다.

라. 트래킹에 의한 화재 위험성

트래킹 현상은 전위차가 있는 전극 사이(절연체)에 도전성 오염물이 부착되고 이곳에서 미소발광방전이 발생하며 전기적인 트랙이 발생하는 현상2)을 말하며 이것은 화재의 원인이 될 수 있다. Android phone은 대체로 USB micro B-Type 또는 C-Type 단자를 사용하고 있으며 Apple 사의 I-Phone은 전용 충전단자인 Lightning을 사용하고 있다. 대부분의 기기는 5V부터 고사양기기의 충전 전압까지 다양한 출력 모드를 지원한다.

부하가 없는 일반적인 상태에서는 단자의 전극 사이에는 최소 출력 정격인 5V의 전위차가 있다. 그리고 USB C type 단자의 경우, 충전단자의 전극 간 간격은 판매자가 제공하는 규격의 세부사항3)을 살펴보았을 때, 8.6mm 너비의 PCB에 앞뒤로 12개씩 총 24개의 전극이 배열되어 있고 각 전극의 너비는 0.3mm, 전극 사이의 거리는 0.2mm로 매우 좁다. 전극 사이에 오염과 전기적 트랙이 형성되기에 매우 용이한 구조를 가지고 있다.

트래킹 현상의 발생 가능성은 전압에 비례하고 전극간 거리에 반비례한다. 이 현상은 미소발광방전에 의해 발생하므로 그 발생가능성은 전압에 비례한다. 보통의 트래킹 화재를 접하는 상용전압 220V에 비교하였을 때 5V의 전압은 매우 미약한 수준에 불과하다. 그러나 트래킹의 위험은 전극 간의 거리와 반비례하는 관계이므로 전압이 낮다는 이유만으로 그 발생가능성을 무시할 수 없다. 그리고 발생 가능성이 낮다고 하더라도 화재의 위험성이 낮다고 평가할 수는 없다. 희박한 가능성의 화재라고 해도, 일단 발생하면 그 결과와 피해가 결코 경미하지 않기 때문이다. 그리고 멀티 출력이 가능한 직류전원공급장치의 경우, 충전 대상기기가 연결되지 않은 상태에서 전위차는 5V이지만 만일 이곳에서 트래킹현상이 발생할 경우에는 트랙을 통한 전류량에 따라서, 높은 전압의 출력으로 전환될 수 있다는 점 때문에 충전 단자의 트래킹에 의한 화재가능성을 더욱 높게 평가할 수 있다.

3. 화재 사례

2021. X. XX. 14:00경 서울 XX구 XX동 소재 아파트에서 화재가 발생하였다. 피해자들은 거실 소파까지 연장된 멀티콘센트에 충전기 플러그를 삽입하여 소파 팔걸이 위로 충전기 케이블을 올려 두고 사용하고 있었다. 피해자들은 충전 케이블을 그대로 방치한 상태에서 핸드폰만을 분리하여 외출하였다. 피해자들이 외출한 사이 화재가 발생하였고 화재는 스프링클러에 의해서 자동 소화되었다. 화재는 충전 단자가 있던 소파의 일부와 케이블 일부가 연소하였다. 케이블의 전선은 피복이 소실되었으나 단자와 연결된 부분까지 남아 있었지만, 단자부위는 소실 등의 이유로 발견되지 않았다.

가. 사례에 대한 고찰

이 건 화재의 조사 결과, 휴대전화기가 분리되어 있는 상태이며 충전 중이 아니었다는 점, 단자부위가 심각하게 소훼된 점, 다른 잠재적 발화원인의 가능성이 배제되는 점으로 보아 발화원인에 대하여 검토할 때 충전단자의 전극 간 트래킹 현상에 의해 발화한 것으로 추정된다는 결론을 도출하였다.

핸드폰 충전 케이블관련 화재를 인터넷 검색하였을 때 많은 사고사례를 볼 수 있었다. 대부분 충전 중 발생한 화재이며 특히, 접속부의 불완전접촉과 소선의 일부가 파괴되면서 발생하는 반단선에 의한 화재가 대부분이었고 기기와 충전 케이블이 분리된 상태에서 화재가 발생한 경우는 인터넷 검색결과에서 확인할 수 없었다.

반단선이나 불완전 접촉에 의한 화재는 사용 중 발생하는 장력과 반복적 운동에 의해서 발생하는 현상으로 상당시간의 열화과정이 요구되지만, 본 연구에서 보고하는 전극 간 트래킹현상에 의한 화재는 장기간 사용한 케이블은 물론이며, 처음 사용하는 새로운 케이블에서도 동일한 발생 가능성이 있다. 또한 단자 간 트래킹 현상에 의한 화재는 기기 충전중인 상태가 아닌 경우에도 발생할 수 있다. 특히, 충전 중이 아닌 경우에는 사용자의 무관심과 방심을 불러 올 수 있다는 점에서 더욱 위험한 잠재적 발화원인이 될 수 있다.

4. 맺음말

현재의 사용 중인 케이블의 전극 간 트래킹에 의한 화재 위험을 피하기 위해서는 단자의 청결을 유지하며 오염기회를 줄여야 한다. 그리고 특히, 전원이 인가된 상태로 방치하는 것을 피해야한다. 사용 중에만 전원을 연결해야 하며 사용 후에는 분리해야 한다. 이러한 과정이 불편하다면 스위치가 부착된 콘센트를 사용하며 사용하지 않을 때에는 스위치를 꺼 두어야 한다. 충전 단자의 트래킹 화재를 예방하기 위해 유념해야 할 점을 다음과 같이 제시한다.

⦁ 책상 위와 같이 쉽게 오염이 발생할 수 있는 곳에 단자를 방치하지 않는다.

⦁ 땀이나 물에 젖은 손으로 단자를 만지지 않는다.

⦁ 침수, 눈 또는 비에 젖지 않도록 주의한다.

⦁ 사용하지 않는 동안은 케이블을 분리하거나 스위치를 끈다.

⦁ 침구류 등 쉽게 착화되는 가연물 가까이에 두지 않는다.

⦁ 오염된 단자는 폐기한다.

⦁ 발열이 의심되는 단자는 폐기한다.

휴대 전화기용 충전기 단자의 트래킹에 의한 화재 위험은 흔하게 발생하지 않지만 책상 위에 음료를 엎지르는 일과 같이 일상적인 이벤트와 관련하여 발생할 수 있다 점을 간과해서는 안 되겠다. 발생가능성이 낮다는 점 때문에 위험을 간과하는 일이 있을 수 있으나 일단 화재가 발생하였을 때에는 그 결과는 전혀 경미하지 않을 것이다.

단자의 트래킹 현상에 의한 화재의 예방을 위해서는 일상에서 충전기 단자의 오염이 발생하지 않도록 단자의 청결 등 유지관리에 관심을 기울여야 한다. 그리고 근본적인 위험은 단자에 전원이 인가된 상태로 방치하는 잘못된 습관으로부터 기인한다는 점을 명심해야 하겠다. 안전 사용에 대한 적극적인 홍보가 필요한 것으로 사료된다.

[후기] 본 연구는 서울특별시경찰청 과학수사과의 기법연구 단체인 [과학수사 현장 스터디 모임]의 연구 활동과 지원에 의해 수행되었습니다. 관계제위께 감사드립니다.

참고문헌

1) 삼성전자 직류전원장치(EP-TA300, 2019. 8. 제조) 사용설명서
2) 이승훈, 2017, 화재과학 3rd Edition, 동화기술, pp. 83-86
3) USB C-type Recommended PCB layout 세부사항
http://www.msummit.co.kr/product_view.php?p_no=589. 2021. 9. 30. 검색