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주택용 화재경보기의 기술 변천과 동향
2013년 1월 23일 (수) 15:53:16 |   지면 발행 ( 2013년 1월호 - 전체 보기 )



일본에서 주택 화재로 말미암은 사망자는 전체 화재 사망자 수의 약 90%를 차지해 주택 화재에 따른 사망자 수 감소를 목적으로 소방법 개정을 통해 2011년 5월 말 신축·기존 주택의 주택용 화재경보기 설치가 의무화됐다. 특히 취침 중에 일어난 화재의 사망자 수가 많았기에 각 침실과 이동하는 계단 부분의 화재경보기 설치는 각 지자체 및 구 모두 동일하게 설치를 의무화했다. 주택용 화재경보기 설치의 주요 사례로 미국에서는 주택용 화재경보기의 보급과 함께 화재에 따른 사망자 수가 감소한 데이터가 발표됐으며 일본에서도 2006년 6월부터 신축 시공 시 주택용 화재경보기의 의무화로 사망자 수가 감소하고 있다는 보고가 있다. 오늘에 이르기까지 화재경보기의 기술적 변천과 향후 기술 동향을 소개한다.

정리 유미희 기자

2010년 일본의 주택 화재 발생 건수는 연간 1만 4044건으로 건물 화재 건수 중 약 60%를 차지한다. 주택 화재의 사망자는 2003년부터 연간 1000명이 넘는 사람이 희생됐지만 사망자의 절반 이상이 65세 이상이기에 향후 고령화의 진전에 따라 더욱 증가할 위험이 있다. 특히 <그림 1>에 나타냈듯이 취침 시간에 사망 발생이 두드려졌으며 화재 시 탈출하지 못해 사망에 이르는 케이스가 약 59%로 나타났다.
앞서 소개한 미국에서는 1970년대 후반 약 6000명의 사망자가 발생하고 있던 것이 2002년의 시점에서 주택 화재경보기 보급률이 90%를 넘어서면서 사망자 수가 3000명 미만으로, 거의 절반 수치로 떨어졌다. 아울러 일본에도 주택 경보기의 설치 유무로 보이는 화재 사망자 수는 화재경보기 설치 시 5.1명, 미설치 시 7.6명(화재 100건당, 2008~2010년)으로 화재경보기의 설치 효과가 나타났다.
소방법 개정으로 2006년 6월부터 전국에 걸쳐 일률적으로 주택 경보기의 설치 의무화를 시행해 2011년 6월 기준으로 화재경보기 설치율이 71.1%에 도달했다. 화재 원인으로는 방화를 제외하고 난로 및 담배에서 발화한 경우와 야간에 일어나는 화재 발생률이 높았다.
세계적으로 볼 때 미국처럼 주택용 화재경보기의 설치 의무화 성공률이 높은 나라도 있지만 중국처럼 의무화가 이제 막 진행되고 있는 나라도 많다. 아울러 글로벌 관점으로도 최근 계속적으로 화재 사망자가 늘고 있는 가운데 화재경보기에 대한 연구와 개발이 중요하다.

주택용 화재경보기의 변화
고도 경제 성장과 함께 주택 착공 건수의 증가에 따라 주택용 화재경보기 설치가 의무화됐지만 오래전 주택용 화재경보기에 대한 상세 정보는 안타깝게도 구하기가 어렵다. 초기 연기 감지 방식 주택용 화재경보기는 1978년 처음으로 개발돼 주택이 착공된 후 천장이나 벽에 설치하는 유형으로 건전지 배터리를 사용했다(<그림 3> 참조). 아울러 이에 관한 간이형 화재경보기의 기준이 제정돼 감정 시험이 실시됐다.
1991년에는 기존 기준이 폐지되면서 지금의 주택용 화재경보기에 관한 기술 가이드라인이 새롭게 제정됐으며 이의 규격에 의거한 감정 시험은 2005년에 개발됐다. 주택용 화재경보기에는 연기를 감지하는 연기 감지 방식, 고온을 감지하는 열식, 일산화탄소를 감지하는 가스식 등이 있는데 이 중 소방법 설치 의무화 대상으로 연기 감지 화재경보기가 지정됐으며 설치 장소는 침실과 침실이 있는 층의 계단이다.

연기감지경보기
화재의 대부분은 먼저 연기부터 피어오르기에 화재의 조기 발견으로 적합한 경보기다. 연기를 감지하는 연기 감지 경보기 종류는'광전식 연기 감지기'와'이온식 경보기'가 있다. 화재경보기의 대부분은 광전식 연기 감지기로 2011년 기준으로 약 84%를 차지한다. 연기 감지부에는 미로형(Labyrinth) 구조체에 적외선 발광 다이오드(투광소자)와 포토다이오드(수광 소자)를 미 산란(Miescattering)*에 의거해 최적화된 각도로 교차되게끔 배치시킨다. 투광된 근적외광(Far-red, 파장 940㎚부근)으로 연기가 유입 시 연기 입자(0.1~10㎛)는 빛을 차단하거나 반사하는 원리를 이용해 일정 농도이상의 연기가 계속적으로 적외선의 진로를 방해하면 연기의 농도를 측정·검출, 화재를 판단한 후 경보를 알린다. 또한 방충망은 0.5㎜ 정도의 작은 구멍이 무수히 나 있는 구조로, 감지하는 공간 내에 먼지나 벌레 등의 침입으로 인한 오작동을 막는다(<그림 4> 참조).
미로형 내부 주름 형태의 기능은 간헐적으로 발광되는 근적외광이 본체 내로 유입되지 않도록 돌기모양의 주름진 형태로 배치해 차단한다. 또한 미로형 구조는 오작동 발생에 큰 원인으로 알려진 외란광(기기 내부의 광원, 형광등, 백열등) 노출에 대한 특성을 강화시켜 기기의 오작동 방지 기능도 겸비했다. 미로부와 투수광 소자로 구성되는 광학계(Optical system)* 부분은 연기 검지 기능의 심장부에 해당하며 주택용 화재경보기의 성능과 신뢰성을 좌우한다고 말해도 과언은 아니다.
이온화식 화재경보기는 방사성 물질 아메리시움 241을 사용해 방사선의 전리 작용을 이용하며 연기에 의한 전리 전류의 변화를 감지하는 방식이다. 충전 전극 사이에 방사선 물질을 삽입시켜 이온화된 공기를 전자로 운반해 전류가 흐르도록 하는 회로로 구성돼 있다. 화재가 발생하면 연기가 충전 전극 사이로 들어와 이온화된 공기와 결합해 평상시 흐르던 전류보다 적은 전류가 흐르게 되고 이러한 전류의 변화량에 센서가 작동해 수신기에 신호를 보낸다. 다른 방식보다 고감도이기에 비용 대비 효과가 뛰어난 면 등 여러 나라에서 많이 사용하지만 일본에서는 방사성과 동일한 원소로 보며 방사선 장해 방지법 개정으로 방사성 원소 장비 설치 기계에 해당돼 침실에는 설치하지 못한다. 또한 폐기 시 주의가 필요해 주택용으로는 제조하지 않는다.

* 미 산란(Mie scattering): 빛의 파장과 같은 정도 크기의 입자에 따른 빛의 산란.
* 광학계(Optical system): 광학의 반사, 굴절 등의 현상을 이용해 물체의 상을 만드는 것을 목적으로 하는 장치의 총칭.

열 감지 경보기
열 감지 방식 경보기는 일정한 온도가 되면 작동하는 정온식과 화재 시 급격하게 온도가 올라가게 되면 감지기 내의 세팅으로 작동하는 차동식이 있다. 정온식은 감지기 내부에 바이메탈Bimetal*이 내장돼 있어 센싱부에 온도가 65℃ 이상 도달하게 되면 바이메탈의 접점이 붙게 되어 감지하는 방식의 온도 감지기다. 연기와 수증기의 발생 빈도가 높은 부엌 등의 장소에 적절하지만 주변 온도가 상승하지 않으면 작동하지 않기에 연기 감지 방식 경보기와 비교 시 감지 시간이 길고 화재의 발견이 늦어지는 결점이 있다.
차동식은 외부의 열에 감지기 내부가 열팽창이 되며 팽창된 부분의 접점이 붙어서 감지하는 온도 감지방식이다. 열 검출 원자로는 써미스터Thermistor*방식과 바이메탈 방식이 있다. 지금까지의 바이메탈방식과 비교해 양도체를 이용한 써미스터 방식이 온도에 따른 반응 속도가 더욱 신속하고 화재 감지가 빨라 주택용 열 감지 경보기에는 써미스터 방식이 널리 채용되고 있다.

*바이메탈Bimetal: 열팽창 계수가 매우 다른 두 종류의 얇은 금속판을 포개어 붙여 한 장으로 만든 막대 형태의 부품으로 열을 가했을 때 휘는 성질을 이용해 기기를 온도에 따라 제어.
*써미스터Thermistor: 온도가 상승하면 전기 저항 값이 민감하게 감소하는 성질이 있는 반도체 소자.

기타 화재 감지기
가스 감지기는 화재 발생 시에 발생하는 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)를 감지해 경보를 발하는 장치다. 화재 사망자들의 직접적인 사인은 화상 다음에 일산화탄소에 의한 질식사가 많았다. 도시가스와 LP가스 등 연료용 가스는 누설 시 냄새로 알아차릴 수 있다. 그러나 가스 누출이 일어난 장소에 사람이 없거나 또는 수면 등의 경우에는 냄새를 알아채지 못한다. 또한 최근 주택은 기밀화로 변화하고 있기에 실내에서 가스 기계를 계속 사용하면 불완전 연소를 일으켜 일산화탄소가 발생할 위험이 높다.
그래서 가스 누설이나 불완전 연소의 발생을 경보음에 알림으로써 사고를 미연에 방지한다.
연료 가스 감지 방식에는 반도체 표면에 가스가 흡착함으로써 반도체의 전기 저항이 감소하는 것을 감지하는 반도체식, 전류를 흘리고 있는 백금선에 가스가 접촉하면 미세한 연소를 일으켜 백금선의 저항이 증가하는 것을 감지하는 접촉 연소식, 전류를 흘리고 있는 백금선에 공기와 다른 가스가 접촉하면 온도가 변화하기에 이를 감지하는 기체 열전도식이 있다. 그 밖에 화재 발생 시 파장 0.2㎛ 부근의 자외선을 감지하는 UV토론Thoron은 자외선 투과 유리 등의 자외선이 통하는 재료로 형성된 용기 속에 직렬 저항을 통해 직류 전원에 접속하는 구조로, 자외선 화재 감지기라 불린다. 또한 투수광 간의 신호 감쇠량으로 화재를 판단해 주로 체육관이나 시설의 천장 등에 사용되는 광전식 분리형 감지기 등이 있지만 법의 규제하에 자동 화재 경보 설비 수신기에 연결해 사용하는 것으로 주택용으로는 사용하지 않는다.

정격 전압에 따른 경보기 방식
주택용 화재경보기의 정격 전압 방식으로 건전지 방식과 AC 100V 방식(외부 전원 방식)의 두 타입이 있다. 건전지를 사용하는 화재경보기는 전원 배선이 불필요하기에 설치가 간단하지만 AC 100V방식은 전원 등 배선 공사가 필요해 일반적으로 기존 주택에는 건전지 경보기를 사용하고 신축 주택에는 AC 100V 방식의 경보기를 채택하는 경향이 있다.
건전지 방식은 일차 건전지(원통형 리튬)의 사용이 많으며 표준으로 널리 사용되고 있다. 또한 부착이 간단한 반면 10년 정도의 배터리 수명이 정해져 있어 이에 맞춰 건전지 교환 또는 본체의 교체가 필요하다. 아울러 시공이 간단한 장점으로 기존 주택부터 신축 주택까지 건전지 방식의 경보기가 주류를 이룬다.
AC 100V 방식은 부품 교환이 불필요한 장점을 갖고 있지만 복잡한 배선 공사가 필요하기에 전기공사 자격증을 취득한 자만이 시공할 수 있으며 정전 시는 화재경보기가 동작하지 않는 단점이 있다.
경보음 방식으로는 단독형과 연동형이 있다. 단독형은 하나의 경보기가 혼자 경보음을 크게 내는 방식(음압 70㏈/m 이상)이며 화재 시 옆방에도 알리기 위해서는 소리의 압력에 따른 감쇠 효과(약 10㏈가정)를 생각하면 실제 80㏈/m 이상의 경보 음압이 필요하다.
연동형은 한 개의 경보기라도 화재를 감지할 시 모든 경보기가 울리는 유형이다. 경보기 사이마다 배선의 작업이 필요한 불편이 있지만 경보기가 설치된 각 방에 일제히 경보음을 알려 모든 사람이 조기에 화재를 알 수 있는 장점이 있다. 주로 설계 단계에서 배선 계획을 세워 신축 주택에서 많이 채용하는 방식이다. 연동형은 AC 100V 방식이 주류였지만 최근에는 무선 연동형도 개발돼 판매 중이다.
화재를 감지한 한 개의 센서가 다른 모든 센서에 무선으로 신호를 전송해 화재를 알릴 수 있으므로 고령자나 어린이가 있는 가정에 유익하다. 그러나 단독형보다 비싼 가격과 배터리 교체가 필요하며 장비의 등록 작업이 필요한 등의 번거로움으로 유선형보다 아직 설치량은 미미한 정도다.

감정시험 NS 마크
일본 내에서 현재 시판되고 있는 주택용 화재경보기는 일본 제품뿐 아니라 다른 나라의 경보기도 판매하고 있다. 미국이나 영국, 스웨덴 등 많은 국가에서 주택용 화재경보기의 설치가 의무화 돼 이러한 흐름에 따라 안전 규격의 적합 표시도 국내외를 불문하고 다양하다. 주택용 화재경보기는 기후나 풍토, 온도나 습도 등에 따라 각각 시험 기준을 두고 검사를 하지만 수입 제품은 각 나라의 기후와 환경을 고려하지 않아 경보기의 기능을 신뢰할 수 없다.
일본에서는 고온 다습한 특유의 환경에 맞는 기준으로 일본 소방검정협회가 감정시험을 실시해 합격한 주택용 화재경보기에 NS 마크를 붙인다. 감정시험 항목은 ▲화재 경보 작동 ▲동작(불동작) 시간 ▲음압 강도 ▲건전지 경보 동작 ▲자동 고장 경보 ▲내충격성 등이다. 특히 작동 시간(검지 감도)에 관해서는 360도 전체 방향을 8분할해 각 방향마다 5%/m정도의 연기 농도를 60초 내에 검출해 발보(Alarm) 등의 규정이 추가됐다.

주택용 연기 감지 화재경보기의 설치
주택용 경보기의 기본 기능은'조기 화재 발견'과'화재를 인지하기 쉬운 경보 수단'이다. 주택용 화재경보기는 침실마다 설치해야 하며 연기 감지 방식 센서를 설치해야 된다. 또한 계단 층마다 화재경보기를 설치해야 하며, 설치 의무는 아니지만 기타화재 발생의 우려가 발생되는 곳(부엌, 거실, 차고 등)에도 화재경보기를 설치하는 게 바람직하다. 아울러 설치 위치의 환경에 따라 영향을 받지 않고 화재의 연기만 유입되는 위치 확보가 중요하다.
연기 감지 방식 주택용 화재경보기의 설치 장소는 천장의 경우 벽이나 대들보에서 60㎝ 이상 떨어진 천장 중앙에 설치해야 한다. 또한 에어컨 바람의 영향을 없애기 위해서 1.5m 이상 설치, 먼지가 많거나 습기가 많은 곳과 열과 수증기 등이 발생하는 장소는 오작동이나 오탐지 및 기기 고장의 원인이 되기 때문에 설치를 피해야 한다.

화재경보기 중 주류인 건전지식 경보기는 배선이 없어 설치하기 쉽기 때문에 개인이 설치하는 경우가 많다. 천장 장착 및 벽걸이용 등으로 기종이 각각 다를 수 있지만 연기 유입성 확보를 위해서는 공기저항에 따른 연기 유입이 쉬운 장소 등에 설치를 고려해야 한다. 그밖에 상품의 디자인, 품질 마크, 상품의 평가 등을 자세히 알아본다. 특히 연기 감지 기능 중 수광 소자의 출력 신호 S/N(잡음비)가 화재발생을 정확하게 감지하는지 제품을 꼼꼼히 확인하는 게 중요하다.
경보기음은 0.3~04㎑의 주파수 대역의 ▲음성타입 ▲부저음 타입 ▲발광 타입 ▲냄새 경보기 타입이 있다. ▲음성 타입은 음성을 통해 화재를 경보하며 제품마다 부저음도 같이 병용하는 경우가 있어 아이와 고령자에게 안전하기에 인기가 높다. 특히 고령자와 청년층은 귀로 감지하는 소리의 주파수 대역이 다르므로 저음에서 고음으로 소리가 변하며 교대로 남녀의 목소리로 경고하는 등 여러 가지 종류가 있다. ▲부저음 타입은'삐~'소리 등의 전자 부저 소리만 내는 유형으로 일정 간격으로 소리가 계속 울린다. ▲발광 타입은 경보음과 연동해 고휘도의 깜빡이는 불빛을 발생한다. 경보음을 듣기 어려운 노인이나 청각장애인이 거주하는 주택시설 전용 등으로 설계된 제품이다. ▲냄새 경보기 타입은 경보음과 연동해 특징적인 강한 냄새를 발생하는 타입이다. 주로 청각장애인과 시각장애인용 등으로 설계됐다.

화재경보기의 기술 동향과 과제
화재경보기의 향후 성능 개선이 필요한 기술적 과제를 정리해 보면 ▲연기의 종류에 관계없이 안정된 감지 감도 성능 ▲화재 오작동 감지의 원인이 많은 부엌에서도 사용할 수 있는 오작동 감지 ▲먼지나 수증기 또는 작은 곤충의 침입에 따른 비화재 경보 저감 ▲저소비화를 위한 건전지의 장수명화 ▲고령자, 아이, 장애인 등 재해 시 상황에 빠르게 대응할 수 있도록 인지하기 쉬운 소리, 빛, 진동 등의 경보 방식 ▲무선 연동화를 위한 전파 성능의 향상 ▲저비용 실현을 위한 설계·기술 등이다.

분석 평가 기법
연기 감지 영역 부분의 성능 향상을 위해서 광선추적 시뮬레이션 및 유체 분석 시뮬레이션 등을 이용해 분석·평가에 의한 기술 개발이 중요하다(<그림 7> 참조). 구상 설계 단계에 있어 미로(Labyrinth) 내부의 적외광 궤적을 추적하는 것으로써 얼마나 산란광을 줄이고 고S/N(잡음비)을 확보하는지, 미로 내부 형상 고안으로 360도 전체 방향에서 연기 유동을 얼마나 높게 감지하는지, 설치구조 표면부의 연기 유동 영향, 연소 실험 시간 단축 등을 고려해야 한다. 아울러 설계 결과를 실제적이고 정량적인 방법으로 재현성을 구현하면 신뢰성이 높은 화재경보기 개발이 가능하다. 이밖에 무선화에 따라 각 전파 경로 상의 장애물에 대한 투과 감쇠영향을 적용하기 위한 특징으로 투과 감쇠 성능 측정 등이 향후 더욱 중요해질 것이다.

화재경보기의 점검과 청소
월 1회 정도 화재경보기의 안전 점검과 청소를 실시한다. 점검 방법은 버튼을 누르거나 전원을 끄는 방식 등 제품마다 다양해 제품 설명서를 참조한다. 경보기에 먼지가 붙으면 화재 연기를 감지하기 어렵기에 1년에 한두 번씩 마른 천으로 경보기를 닦는다.
부엌에 설치된 경보기는 기름이나 음식에서 나는 연기 등으로 더러워질 수 있어 가정용 중성 세제에 천을 충분히 담가 물기 없이 짜낸 다음 가볍게 닦는다. 특히 경보기 내부에 물이 들어갈 경우 고장의 원인이 되므로 청소 시 주의한다.
화재경보기 중 건전지 배터리를 사용하는 경보기는 배터리가 다됐을 때 음성이나 소리, 빛 등을 통해 알려주는 기능이 있다. 배터리 수명이나 대처 방법 등은 메이커 기종에 따라 달라 제품의 설명서를 참조한다. 화재 이외의 연기나 수증기 등으로 경보가 울렸을 때는 경보음 정지 버튼을 누르거나 문을 열어 환기하면 경보음을 멈추고 다시 정상 상태로 돌아간다. 또한 종종 경보음이 발생하는 경우에는 연기가 닿지 않는 장소로 바꿔 달거나 열 감지 경보기로 교체하는 방법이 있다.

향후 기술 동향
미국은 주택뿐 아닌 차고에도 경보기를 병설하는 경우도 많으며 자동차의 배기가스에 따른 사고 방지를 위해 일산화탄소 감지 및 연기 감지 방식의 두가지 기능이 합쳐진 복합형 주택 화재경보기도 보급 중이다. 일본에도 조기 화재 발견에 관련된 개발 및 신뢰성과 다양성을 향상시켜 주택용 화재경보기 보급이 활성화되도록 노력하고 있다. 아울러 자국뿐 아니라 국외에도 관심을 가져 유럽 규격(EN: European Norm)이나 미국 규격(UL:Underwriters Laboratories Inc.)에 정해져 있는 감지 성능, 경보 음량, 그 외의 사양 등을 포함해 설계 및 평가 기준을 활용한다. 또한 글로벌 시장으로 시야를 넓히면 고신뢰성 화재경보기를 저비용에 제공하게 돼 화재경보기의 확대 및 화재로부터의 안전에 기여할 것으로 기대된다.

*

지금까지 일본의 화재경보기 보급과 기술에 대해 다뤘다. 국내에서도 지난해 8월'소방시설설치 유지 및 안전 관리에 관한 법률'을 개정해 올해 2월부터 신축 단독주택과 공동주택에 소화기구와 단독 경보형 화재경보기 설치가 의무화됐다. 예년보다 매서운 한파로 가구마다 전열기구 사용이 늘면서 단독주택화재가 잇따르고 있지만 화재경보기가 설치돼 있지 않은 가구가 많아 화재 사각지대에 놓여 있다.
아울러 일본이 채택한 연기 감지 경보기의 경우처럼 우리나라도 이를 채택해 2월 이전에 지어진 주택의 경우 2017년까지 단독형 연기 감지 경보기를 설치해야 한다. 그러나 화재경보기 설치율은 아직 미비한 형편이다. 소방방재청 통계에 따르면 현재 화재경보기 설치 가구는 17만 5000호인 것으로 나타났다.
단독주택의 경우 아파트와 달리 경보기가 설치돼 있지 않은 곳이 많은 데다 주택가 골목으로 소방차 진입은 어렵기에 불이 나면 인명 피해로 이어질 위험이 크다. 실제로 올해 전국에서 발생한 화재 3만 9000건 중 단독주택 화재는 5411건으로 아파트에서 발생한 3626건보다 두 배 가까이 높다. 또한 화재 사망 건수도 단독주택 사망은 전체 216건 중 절반에 해당하는 105건인 것으로 조사됐다.
주택용 화재경보기를 설치하지 않은 경우 미설치에 따른 벌칙은 아직 규정돼 있지 않아 설치 효력이 약하다. 그러나 화재경보기는 가족의 생명과 재산을 보호하기 위한 최소한의 방법이니 반드시 설치한다.

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