유리파손형상의법과학적해석 송재용 사승훈 남정우 김동환 최영우 김진표 고재모 박남규 국립과학수사연구원 (2011. 6. 16. 접수 / 2012. 4. 24. 채택 ) Forensic Scientific Analysis for Glass Breakdown Patterns J.Y. Song S.H. Sa J.W. Nam D.H. Kim Y.W. Choi J.P. Kim J.M. Goh N.K. Park National Forensic Service (Received June 16, 2011 / Accepted April 24, 2012) Abstract : We investigated the breakdown patterns of silica glass under the various impacts by forensic scientific analysis. The impacts were chosen by thermal and projectiles impact stress. Thermal impacts under the fire were constructed by changing the position of the flame with gas torches. Physical impacts were constructed with the projectiles of slingshots and rifles by changing the size of the projectiles at the surfaces and the initial distance. Also we identified incident angles of the projectiles by analysis of the punching portion at the glass surface. Under the thermal impacts, the breakdown patterns were various by changing the position of the flame. Especially, the configuration of breakdown patterns had radial shape with the position of the flame at the center of the glass sheet. Under the physical impacts by the projectiles, the breakdown patterns had always radial shape. Key Words : forensic scientific analysis, glass breakdown patterns, thermal impacts, firearms, slingshot 1. 서론 * 유리는가옥, 빌딩, 차량등건축및구조물분야뿐만아니라소품및액세서리까지의다양한분야에적용된소재라고할수있으며, 주변에널리사용되는특수성으로인하여사건사고현장에서다양한형태의정보를함유한보고라할수있다 1-3). 즉, 법과학적인측면에서고찰할경우, 유리의파손형상에나타난다양한정보를체득함으로써사건사고의용이한해석및정확한해석에매우유리한면으로작용할수있다. 따라서각종총기류, 다양한공구류에의한파손형상의해석및물리력에의한파손형상과열적인스트레스에의한파손형상을비교해석할수있는표준모델을개발한다면유리파손에대한정확한원인조사에있어매우유용한수단으로사용될것으로사료되며, 이의판별기준을정립하는것은이후, 사고조사및유리파손형상해석에대한질적우수성및신속성을향상시키는데필수적이라할수있다. 현재까지유리파손형태의연구는대부분망치, 드 To whom correspondence should be addressed. hvlab@korea.kr 라이버등의공구류에의한파손형태에대한연구가대부분이며, 화염에의한파손형상에대한연구는이루어지지못한실정이다. 또한총기류에의한파손형태에대해서는군기관등을중심으로일부연구된바있으나, 총기에의한것으로오인될수있는총기이외의발사체에의한파손형상을연구대상으로고려되지못하였다 3-5). 따라서본연구에서는유리파손의정확한원인분석을위하여화염및총기류를포함한발사체충격에의한파손형태에대한실험적연구를수행하였으며, 본연구에서얻어진결과는유리파손사고발생시, 정확한파손원인규명의기초자료로활용가능할것으로판단된다. 2. 연구대상및실험방법 2.1. 연구대상유리란일반적으로규소, 소다회, 탄산석회등의혼합물을고온에서녹인후냉각하는과정에서결정화가일어나지않은채고체화되면서생기는투명도가높은물질을일컫는다. 유리는점도가무한히높은용액상태로고화된 28
물체로유리용융액 ( 유리물 ) 을냉각시키면열역학적임계영역을통과한후액체의구조와유사한준안정한과냉각액체로동결되며유리용융액은냉각시, 준안정한상태인유리상태로전환된다. 유리용융액 ( 유리물 ) 을 900±100 o C 에서장시간방치하면내부구조가규칙적으로배열되어결정이석출되기때문에불투명하게되고순수유리로서의특성을상실하게된다. 이와같은현상으로부터소위결정화유리 ( 結晶化유리, glass ceramics) 란새로운재료가개발되었는데, 주로우주선기술등에사용되는극한적인내열성을가진재료를들수있으며, 결정화가일어났음에도불구하고투명한성격을갖고있는것도있다. 일반적으로유리는판유리, 병유리, 광학유리등이있으며, 주거시설및사무실환경에사용되는유리는주로판유리가사용된다. 판유리는 SiO 2 인산화규소와 Na 2O, CaO 등의염기성산화물 1 종또는 2 종이상을배합하여, 1400~ 1600 o C 의고온에서용해된액체가결정화되지않고, 상온까지서서히냉각된알카리규산염의비결정성고용체로, 내부에계면이없기때문에투광성이높은재료이다. 일반적으로건축용자재로사용되는판유리는 SiO 2( 규소 ) 70~73%, Na 2O( 소다 ) 12~14%, CaO ( 석회 ) 10~12%, MgO( 마그네시아 ) 1~4%, Al 2O 3( 산화알루미늄 ) 0.5~1.5% 의구성으로되어있으며, 그외불순물들이 0.2% 정도함유된다 2-7). 본연구에사용한판유리의성분비는 Table 1 과같다. 2.2 실험방법 본연구에서는주거시설및사무실환경에가장널리사용되는판유리중, 두께 5 mm 의유리를사용하여열적스트레스에의한파손및발사체에의한파손현상에대한재현실험을수행하였다. 먼저, 열적스트레스에의한파손을재현하기위하여 Fig. 1 과같이가스토치 (KT-2405 1080 g/h, 13,000 kcal, Kovea) 를사용하였으며, 화재상황을 Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus. 고려하여화염의위치를가장자리와중앙에각각위치시킬때의파손형상을관찰하였다. 가스토치의토출구에서실험대상유리까지의거리는 10 cm 이며, 화염길이를고려할때화염은유리표면에직접닿는조건이다. 두번째로온도에따른파손형상을확인하기위하여자체제작한전기로 ( 최고온도 1,700 o C) 를이용하여주변온도를일정하게유지한상태에서시간에따른유리의열변형, 용융및파손형상을관찰하였다. 발사체에의한파손형상을재현하기위하여 K-2 Table 2. Test conditions of sling shot Diameter[ mm] Distance[m] Incidence angle[ ] 6 8 10 10 15 20 10 15 20 10 15 20 0, 30, 45 0, 30, 45 no consideration Table 1. Definite proportions of a plate glass Component Contents Function SiO 2 70~73 main component Al 2O 3 0.8~1.0 increasing hardness Fe 2O 3 0.08~0.14 CaO 7~12 catalyst MgO 1.0~4.5 thermostable effect R 2O 13~15 put a gloss Fig. 2. Photograph of ball bearings., 27 3, 2012 29
소총, 공기총, 사제총및슬링에의한파손실험을수행하였으며, 특히, 최근유리파손의주요발사체로인식되고있으며, 총기를사용할때와유사한파손형상을나타내는슬링을이용하였다. 슬링을이용한실험에서는 Table 2 와같이발사체의크기, 거리및입사각을구분하여충격하였을때발생하는유리파손형상을분석하였다. 실험에사용된강구중, 10 mm 강구를이용하여측면에서충격시키는경우, 심한파손으로인하여파손형상에대한분석이불가하였기때문에 10 mm 강구에대해서는입사각을 고려하지않고, 정면에대한실험만을수행하였다. 슬링에사용한발사체는주로공업용베어링으로 Fig. 2 에실험에사용한강구의사진을나타내었다. 3. 실험결과및고찰 3.1. 열적파손형상가스토치를이용하여열적스트레스를인가하였을때화염의위치에따라상이한파손형상을나타내었다. Fig. 3의결과는창문의중앙부분에 (a) Applied fire (b) Breakdown patterns (c) Zoom in broken patterns Fig. 3. Glass broken patterns by thermal stress applied fire to center of a window. (d) Ripple mark 30 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 3, 2012
화염을제공하였을때, 충격체에의해파손되는형상인방사상의형태로파손이발생하였다. Fig. 3 의 (c) 와같이방사상형상에서유리파손형태의물결모양 (ripple mark) 을관찰하면 (d) 와같이외부충격에의해발생하는것과동일한양상을나타낸다. 이러한형상은화염에의한유리파손에서도방사상의형상으로파괴될수있음을보여준다. 한편, 온도분포에따른유리의열변형및파손형상은 Table 3 에나타낸바와같이온도및시간 의의존성을가지며, 800 o C 이상의온도에서 20 분이상열적스트레스를인가할때에는파손에앞서고온의영향으로액상의형태로녹아내리는것으로확인되었다. 실험후, 전기로밖으로꺼내게되면, 다시재결정이이루어져고체상태로복원되나, 실험전과비교할때투명도나, 광택등이달라지는것을확인할수있었다. 이러한결과는전체적으로동일한열적스트레스가공급되는경우에나타나는것으로실제화재상황에서연소확대되는화염에휩싸이는경우에는용융후재결정 (a) Applied fire (b) Breakdown patterns (c) Zoom in broken patterns Fig. 4. Glass broken patterns by thermal stress applied fire to edge of a window. (d) Ripple mark, 27 3, 2012 31
송재용 사승훈 남정우 김동환 최영우 김진표 고재모 박남규 Table 3. Change in breakdown patterns by the circumference temperature time temp. 600 [oc] 700 [oc] 800 [oc] 900 [oc] 5 min Sample [mm] : 80 80 5 10 min Inner size of the electric furnace [mm] : 200 300 200 20 min 30 min 60 min 90 min 32 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 3, 2012
이이루어지는것으로판단된다. 3.2. 발사체에의한파손형상 총기에의한파손형상은 Fig. 5 에나타낸바와같이방사상의형태를보이며, 중앙의천공부위는탄환에의해관통된형상으로천공부위에서는탄두의납또는구리성분이검출되는특성을갖는다. Fig. 5 의 (a) 는 K-2 소총 (5.56 mm) 에의해파손된형상으로천공의직경은약 5.5 mm 이고, 15 mm 의분화구상파쇄흔이관찰되며, 천공부위가거친형상을나타내었다. (b) 의경우는임의로제작된사제총기에의한것으로천공의직경은 10 mm 이고, 분화구상의파쇄흔은 50 mm 로나타나며, 다수의방사상파쇄선과 1~3 개의동심원상파쇄선이관찰된다. (c) 는공기총에의한파손형상으로천공의직경은 10 mm 이고, 분화구상의파쇄흔은 50 mm 이며, 다수의방사상파쇄선과동심원상의파쇄선이관찰되었다. 특히총기에의한파손에서는총기에사용되는탄환의종류에따라천공부위에서납성분또는구리성분이검출되는특징을갖는다. 이는탄환을구성하는탄환의외피가납또는구리로구성되어있기때문으로판단된다. 다른발사체중하나인슬링에의한파손형상은 Fig. 6 에나타낸것과같이총기에의한파손형상과유사한특성을나타내어총기에의한것으로오인되 는경우가많다. 슬링에의한파손이총기에의한것과확연히구분되는점은천공부위에서납또는구리성분이검출되지않는다는점과발사체의직경보다천공의크기가작으며, 대부부의경우에는유리창을관통시키지못하는특징이있다. 슬링및총기류에의한유리파손형상에대한실험결과에서는발사거리와무관하게 6 mm 직경의강구를발사체로하는경우, 천공부위의크기가발사체의직경과거의유사한약 6 mm 의크기로나타났으며, 8 mm 및 10 mm 의강구를적용하는경우에도동일한결과를나타내었다. 따라서발사체에의한유리파손형상은관통여부에따라다소상이할수는있으나, 대체적으로발사체의입사거리에비해발사체의크기에의존하여천공의크기및방사상의형태가달라지는것을확인하였다. 또한발사체의입사각을검토할경우, Fig. 7 에서나타낸바와같이정면에서충격하는것과달리, 타원형태의천공이생성되며, 입사각에따라천공부위의거침정도가달라지는것으로나타났다. 즉, 정면에서충격하는경우에는천공의가장자리가매끄러운형상을보이지만, 측면 (30 및 45 ) 에서입사되는경우에는가장자리부분은충격체의진행방향에따라달라지는데진행방향의전면은매끄럽고, 후면은거친형상을나타낸다. 충격체의진 (a) A K-2 rifle (b) An artificial gun (c) An air gun Fig. 5. Glass breakdown patterns by firearms. (a) 6 mm (b) 8 mm (c) 10 mm Fig. 6. Glass breakdown patterns by sling shots., 27 3, 2012 33
송재용 사승훈 남정우 김동환 최영우 김진표 고재모 박남규 (a) 30 (b) 30 zoom in (c) 45 (d) 45 zoom in Fig. 7. Glass breakdown patterns by sling shots through side angle 30 and 45. 행방향 가장자리에는 유리 파쇄분말이 부착되는 특 징 또한 관찰할 수 있었다. 또한 슬링의 발사체로 주변에서 쉽게 구할 수 있 는 유리구슬이나 공업용 베어링을 사용하는 특성상, 파손 천공된 부위에서 금속성분이 검출되지 않는다. 이러한 특징으로부터 총기를 사용하는 경우와 구 분이 가능하다. 3.3. 실험결과의 고찰 실험결과로부터, 열적 스트레스에 의해 나타나는 유리 파손형상에서 단순히 용융에 의한 천공 및 2 차적인 파손이 발생되는 형태와 같이 이전의 결과 와는 다른 방사상의 형태를 관찰할 수 있었으며, 끝 단의 국부적인 가열에서는 수지상의 파손형상을 나 타내었다. 발사체에 의한 파손에서 총기에 의한 것은 천공 부분에서 납 또는 구리성분이 검출되는 특징을 가지 며, 탄두의 직경과 천공의 직경이 비슷한 크기로 나 타났다. 또한 슬링에 의한 형상은 총기에 의한 것과 유사하나, 충격체의 크기에 비해 천공의 직경이 작게 34 나타나며, 대부분 관통이 이루어지지 않는 형태로 발 생하였다. 천공부위의 유리 파쇄분말을 관찰하는 것 으로 충격체의 입사각 정도를 유추할 수 있을 것으 로 판단된다. 4. 결 론 본 연구에서는 열적 스트레스 및 발사체에 의해 나타나는 유리 파손형상에 관하여 실험적 검토를 수행하였다. 열적 스트레스에 의한 파손에서는 가열부위에 따라 방사상 및 수지상의 파손형태를 나타내었으 며, 물결무늬 등을 관찰한 결과, 방사상의 파손형 태에서는 충격체에 의해 생성되는 것과 유사한 특 징을 가지는 것으로 확인되었다. 따라서 방사상의 파손형상만으로 충격체에 의한 것으로 단정 짓기 에는 무리가 있을 것으로 판단되며, 방사상 및 수 지상의 파손형상에 대해서도 화염에 의한 파손 가 능성에 대한 조사가 이루어져야 할 것이다. 총기 및 슬링과 같은 발사체에 의한 경우에는 천 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 3, 2012
공부위의검사가필수적이며, 동부위에서납또는구리등의금속성분검출여부에따라총기와슬링의구분이가능하였다. 총기류에의한경우, 탄두의재질에따라구리및납성분이검출되는특징을나타내었으며, 공업용베어링과같은강구를사용하는경우, 천공부위에서금속성분이검출되지않는특징을나타내었다. 천공부위의가장자리에는유리파쇄분말이형성되는데정면엣발사체가충격되는경우, 유리파쇄분말은가장자리에골고루분포되는특징을나타내었다. 측면에서발사체가충격되는경우, 입사되는부위와반대방향으로유리파쇄분말이치우쳐형성되는특징을나타내는데이러한특징분석을통해개략적인발사체의방향에대한확인이가능하였다. 본연구에서얻어진결과는유리파손형상과관련한사고원인해석에기초자료로활용가능할것으로기대한다. 2) Kohyu Satoh, A Numerical Study of Window to Window Propagation in High-Rise Building Fires, ELSE- VIER SCIENCE PUBLISHERS LTD., 1997. 3) A. A. Joshi & P. J. Pagni. Fire-Induced Thermal Fields in Window Glass. Ⅰ- Theory. Fire Safety Journal 22, pp. 25~43, 1994. 4) A. A. Joshi and P. J. Pagn. Fire-Induced Thermal Fields in Window Glass. Ⅱ-Theory. Fire Safety Journal 22, pp. 45~65, 1994. 5) Knigit, C.G., Swain, M.V. and Chaudhri, M.M. Impact of Small Steel Spheres on Glass Surfaces. J. Mater. Sci. 12, pp. 1573~1586, 1977. 6) Tillet. J.R.A, Fracture of Glass by Spherical indenters. Proc. Roy. Soc. B69, pp. 47~54, 1956. 7) Persion, J., Breder, K. and Rowcliffe, D.J. Loading Rate Effects During Indentation and Impact on Glass with Small Spheres. J. Mater. Sci. 28, pp. 6484~6489, 1993. 참고문헌 1) SFPE. SFPE Hand book of Fire Protection Engineering, 1990., 27 3, 2012 35