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"에어백"의 두 판 사이의 차이
leejia1222 (토론 | 기여) (새 문서: '''에어백'''(airbag)은 차량 충돌 시 충격으로부터 운전자나 승객을 보호하기 위해 조향 핸들이나 대시보드에 장착해 놓은 안전장치다. 자동...) |
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달리는 자동차 안에서 우리의 몸은 자동차와 같이, 같은 속력으로 달리고 있는 것과 같다. 따라서 우리 몸도 운동량을 갖게 되는데, 이 운동량은 물체가 다른 물체와 충돌할 때 변하게 된다. 충격량은 가해진 힘의 크기 즉, 충격력(F)에 충돌한 시간(t)을 곱한 값으로, 운동의 변화량과 같다. 자동차가 부딪혔을 때, 실제 승객이 받는 힘은 충격력으로, 물체에 실질적으로 가해지는 힘의 크기이다. 승객이 가지고 있는 운동 변화량은 일정하므로 충격량의 값 또한, 일정한데, 승객이 충격을 적게 받으려면 충돌 시간을 길게 하여 충격력을 줄여주어야 한다. 즉, 충격량의 식에서 충격량이 일정할 때, 충격력과 시간은 반비례하므로 충격력을 줄이려면 충돌시간을 늘려주면 된다. 에어백에서 생성되는 질소가 에어백을 쿠션으로 만들어 사람이 차체에 충돌하는 시간을길도록 해준다. 따라서 상대적인 충격력이 감속되어 사람에게 가해지는 충격, 즉 힘의 크기는 줄어들게 되고, 그에 따라 운전자는 덜 다치게 된다. 이는 마치 우리가 세게 던진 공을 받을 때 뒤로 물러나며 받으면 충격이 덜한 것과 마찬가지이다. | 달리는 자동차 안에서 우리의 몸은 자동차와 같이, 같은 속력으로 달리고 있는 것과 같다. 따라서 우리 몸도 운동량을 갖게 되는데, 이 운동량은 물체가 다른 물체와 충돌할 때 변하게 된다. 충격량은 가해진 힘의 크기 즉, 충격력(F)에 충돌한 시간(t)을 곱한 값으로, 운동의 변화량과 같다. 자동차가 부딪혔을 때, 실제 승객이 받는 힘은 충격력으로, 물체에 실질적으로 가해지는 힘의 크기이다. 승객이 가지고 있는 운동 변화량은 일정하므로 충격량의 값 또한, 일정한데, 승객이 충격을 적게 받으려면 충돌 시간을 길게 하여 충격력을 줄여주어야 한다. 즉, 충격량의 식에서 충격량이 일정할 때, 충격력과 시간은 반비례하므로 충격력을 줄이려면 충돌시간을 늘려주면 된다. 에어백에서 생성되는 질소가 에어백을 쿠션으로 만들어 사람이 차체에 충돌하는 시간을길도록 해준다. 따라서 상대적인 충격력이 감속되어 사람에게 가해지는 충격, 즉 힘의 크기는 줄어들게 되고, 그에 따라 운전자는 덜 다치게 된다. 이는 마치 우리가 세게 던진 공을 받을 때 뒤로 물러나며 받으면 충격이 덜한 것과 마찬가지이다. | ||
| − | == | + | ==진화== |
| + | ===SRS 에어백=== | ||
| + | SRS에어백으로도 불리는 최초의 에어백은 가장 기본적인 방식으로 작동했다. SRS는 보조 구속 장치라는 의미로, 차량충돌이 일어나면 센서가 신호를 보내고 화약이나 가스가 폭발하면서 0.001초 단위로 에어백을 팽창시키는 방식이다. 이때 생성되는 기체는 1000분의 1초 단위로 공기주머니를 부풀게하여 승객이 다른 내장제품에 부딪치는 것을 막는다. 1991년에서 1996년 사이에 주로 사용되었다. 하지만 한 번에 전체가스가 배출되므로 따로 팽창속도와 세기가 조절되지 않아 어린이 혹은 벨트 미착용 시 작동하게 되면 위험한 상황을 초래하곤 했다. 이점이 1세대 에어백의 가장 큰 단점이었다. 한번에 모든 가스가 폭발하므로 그 힘이 강하여 가스 폭발로 화상을 입는 경우도 있어서 크게 다치고 사망하는 경우도 생기곤 했다. 때문에 현재의 자동차에는 SRS 에어백보다 한참 진화된 에어백이 장착되지만, 에어백이 장착된 곳에는 아직까지도 SRS 에어백이라고 쓰여있는 모습을 볼 수 있다. 유사시 에어백이 폭발하는 지점이라는 뜻이기도 하고 폭발이 일어날 때 위험할 수 있는 물건을 근처에 두지 말라는 뜻이기도 하다. 만약 에어백이 폭발하는 곳에 내비게이션이나 컵홀더 같은 액세서리를 부착해두면 폭발이 일어남과 동시에 흉기가 될 수 있다. 한편 국산차 중 에어백을 최초로 장착한 모델은 1992년 현대자동차 뉴 그랜저다. | ||
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| + | ===디파워 에어백=== | ||
| + | 디파워 에어백(depowere airbag)으로도 불리는 2세대 에어백은 1세대 에어백을 보완하기 위해 에어백의 팽창력을 줄이는데 초점을 맞춘 에어백이다. 짧은 시간 안에 전개되어야 하는 에어백은 상당한 팽창압력을 가진다. 이게 안전벨트를 한 어른이라면 별 문제 없는 상황이지만 안전벨트를 제대로 안한 어린이들에겐 치명적인 상해를 일으키기 시작했다. 메이커들은 에어백이 장착된 좌석에는 아이를 태우지 말라는 경고문을 부랴부랴 돌리며 당장의 불을 끄기 위한 가장 손쉬운 방법을 적용한다. 그러나 이것은 임시방편이 되었고, 자동차 회사들은 2세대 에어백, 디파워 에어백을 개발 및 자동차에 탑재하기 시작한다. 디파워드 에어백은 팽창력을 20~30% 정도 줄였기 때문에 초기보다 팽창력이 부족하지만 어린이를 포함하여 작은 체구의 사람까지 넓은 범위에서 사용이 가능해졌다. 또한 운전자가 조수석 에어백을 직접 끌 수 있도록 하는 에어백 킬 스위치도 달리게 된다. 하지만 체구가 큰 탑승자들의 보호성능이 상대적으로 떨어져 이를 보완할 새로운 방식의 에어백이 여전히 필요했다. | ||
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| + | ===스마트 에어백=== | ||
| + | 디파워 에어백으로 시간을 번 회사들은 신속하게 다음 에어백을 개발했다. 그리고 문제를 본질적으로 개선할 수 있는 에어백을 만들게 된다. 3세대 에어백인 스마트 에어백은 운전자의 위치와 안전벨트 착용 여부, 그리고 충격강도 등을 센서가 감지해 팽창력을 조절할 수 있다. 어느 정도의 충돌인지, 탑승자가 안전벨트를 착용했는지도 감지를 한다. 따라서 센서가 충격이 약할 때는 약하게 에어백이 터지도록, 충격이 강하면 세게 에어백이 터지도록 감지하여 능력이 발휘된다. 충격강도에 따라 팽창력을 조절하기 때문에 조금 더 세밀하게 탑승자의 안전을 보장할 수 있다는 장점이 있다. 때문에 이후 4세대 에어백이 출현했지만 3세대 또한 4세대의 일부 기능을 받아들여, 3.5세대로 진화하여 여전히 쓰이고 있다. | ||
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| + | ===어드밴스드 에어백=== | ||
| + | 3세대만으로도 어린이가 에어백에 상해를 입을 가능성은 없어졌지만 기술은 그 가능성마저 원천봉쇄하기 위해 노력해 나가게 된다. 기본적으로 어드밴스드 에어백(Advanced Air bag)은 스마트 에어백에 탑승자의 무게를 감지하는 압력센서를 추가한 것인데, 이를 통해 에어백모듈은 착석한 승객의 정보를 마치 스캔 하듯 낱낱이 파악한다. 승객의 위치와 체격, 앉은 자세 및 충돌 정도를 판단해 에어백이 스스로 팽창 여부를 결정한다. 약한 충격의 경우에는 에어백이 나오지 않거나 2단계로 나눠 팽창하는 기능이 포함된다. | ||
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===자율주행 자동차=== | ===자율주행 자동차=== | ||
| + | 아직 자율주행차가 상용화되지 않은 상황에서 그 모습을 상상하는 데에는 한계가 있지만, 이미 자율주행 자동차 관련 업체들은 에어백에 대한 연구를 진행하며 다가올 미래를 준비하고 있다. 미국에서 자율주행 관련 기술을 축적해가고 있는 구글의 경우 얼마전 차량 측면뿐 아니라 정면 전개 외장 에어백에 대한 특허를 출원하기도 했다. 이는 운전자가 없는 자율주행 자동차로 인해 보행자가 입을 수 있는 피해를 줄이기 위한 것이었다. 또 세계 2위 에어백 업체인 ZF-TRW도 차세대 외장 에어백, 뒷좌석 에어백 등과 같은 미래 에어백 개발에 심혈을 기울이고 있다. 외장 에어백은 커튼 에어백의 2배인 약 200리터의 용량으로 측면 충격의 30%를 흡수하는 것으로 알려졌다.<ref name="박도제">박도제 기자, 〈[http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20170717000769 진화하는 에어백…자율주행 시대엔 어떤 모습으로 변화할까?]〉, 《헤럴드경제》, 2017-07-18</ref> 자율주행 기술이 발달로 운전자의 조종이나 제동 등 차에 대한 개입이 적어지면서 안전장치에 대한 소비자들의 요구가 더욱 증가할 것이라는 분석이다.<ref name="김현우">김현우 기자, 〈[https://www.hankookilbo.com/News/Read/201807310924794096 (오토라이프) 자율주행 시대 신형 에어백 쏟아진다]〉, 《한국일보》, 2018-08-07</ref> 한편 국내에서도 미래 에어백에 대한 관심이 높다. 현대자동차는 센터 사이드 에어백, 허그 에어백 등 자율주행 자동차 시대를 맞이하기 위한 에어백의 진화에 동참하고 있다. | ||
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====센터 사이드 에어백==== | ====센터 사이드 에어백==== | ||
센터 사이드 에어백은 전동화와 자율주행 시대에 맞춘 새로운 개념의 시스템으로, 주로 사람과 사람이 부딪히는 2차 충돌을 방지한다. 현대자동차그룹이 개발했다. 운전석 시트에 수납되어 있다가 운전자와 동승자 사이에서 전개되는 에어백이다. 측면 충돌 직후, 승객이 반대편으로 넘어가는 것을 방지해 사람간의 충돌은 물론, 내장재와의 충돌도 막아주는 개념이다. 여기서 핵심은 테더(Tether)라는 고정 장치다. 테더는 일반적으로 승객의 움직임을 최소화하면 복합 충돌 시 승객의 피해가 줄어든다다는 데서 착안됐다. 전개된 에어백이 승객을 감싸는 형태로 고정돼 충돌 후 승객의 움직임을 제어한다. 동승자가 탑승했을 경우, 측면 충돌이 일어나면 승객 간 2차 충돌이 일어날 수 있다. 승객 상해가 심각할 경우 사망 가능성도 높아진다. 하지만 승객 사이에서 센터 사이드 에어백이 전개되면 이와 같은 상황을 방지할 수 있다. 또한 운전자만 탑승했을 때도 센터 사이드 에어백은 전개된다. 운전자가 동승석 쪽 내장재와 충돌할 수 있기 때문이다. 센터 사이드 에어백의 경우 용량을 크게 해 체격이 작은 승객부터 큰 승객까지 충분히 보호할 수 있도록 제작됐다. 따라서 팽창 정도 구분 없이 모든 승객을 아우를 수 있다. 또한 비정상적인 착좌 상태에서도 에어백에 의한 상해가 발생하지 않도록 설계됐다. 센터 사이드 에어백은 시트의 깔끔한 외관을 유지하기 위해 내부에 장착된다. 자동차 시트가 점점 더 슬림해지고 있기 때문에 모듈의 소형화는 필수다. 이를 위해 부피를 크게 줄일 수 있는 열압축 폴딩 공법을 현대자동차그룹 최초로 적용했다. 이 공법은 에어백을 접어 부직포로 감싼 후, 열을 가하여 압축시키는 방식으로, 덕분에 부피를 최대한 줄이면서 모듈의 형태는 고스란히 살릴 수 있었다.<ref>현대자동차그룹, 〈[https://news.hmgjournal.com/Tech/%EC%8A%B9%EA%B0%9D-%EC%95%88%EC%A0%84%EC%9D%84-%EC%9C%84%ED%95%9C-%EB%98%90-%ED%95%98%EB%82%98%EC%9D%98-%EA%B8%B0%EC%88%A0-%EC%84%BC%ED%84%B0-%EC%82%AC%EC%9D%B4%EB%93%9C-%EC%97%90%EC%96%B4%EB%B0%B1 승객 안전을 위한 또 하나의 기술, 센터 사이드 에어백]〉, 《현대자동차그룹 저널》, 2019-09-18</ref> | 센터 사이드 에어백은 전동화와 자율주행 시대에 맞춘 새로운 개념의 시스템으로, 주로 사람과 사람이 부딪히는 2차 충돌을 방지한다. 현대자동차그룹이 개발했다. 운전석 시트에 수납되어 있다가 운전자와 동승자 사이에서 전개되는 에어백이다. 측면 충돌 직후, 승객이 반대편으로 넘어가는 것을 방지해 사람간의 충돌은 물론, 내장재와의 충돌도 막아주는 개념이다. 여기서 핵심은 테더(Tether)라는 고정 장치다. 테더는 일반적으로 승객의 움직임을 최소화하면 복합 충돌 시 승객의 피해가 줄어든다다는 데서 착안됐다. 전개된 에어백이 승객을 감싸는 형태로 고정돼 충돌 후 승객의 움직임을 제어한다. 동승자가 탑승했을 경우, 측면 충돌이 일어나면 승객 간 2차 충돌이 일어날 수 있다. 승객 상해가 심각할 경우 사망 가능성도 높아진다. 하지만 승객 사이에서 센터 사이드 에어백이 전개되면 이와 같은 상황을 방지할 수 있다. 또한 운전자만 탑승했을 때도 센터 사이드 에어백은 전개된다. 운전자가 동승석 쪽 내장재와 충돌할 수 있기 때문이다. 센터 사이드 에어백의 경우 용량을 크게 해 체격이 작은 승객부터 큰 승객까지 충분히 보호할 수 있도록 제작됐다. 따라서 팽창 정도 구분 없이 모든 승객을 아우를 수 있다. 또한 비정상적인 착좌 상태에서도 에어백에 의한 상해가 발생하지 않도록 설계됐다. 센터 사이드 에어백은 시트의 깔끔한 외관을 유지하기 위해 내부에 장착된다. 자동차 시트가 점점 더 슬림해지고 있기 때문에 모듈의 소형화는 필수다. 이를 위해 부피를 크게 줄일 수 있는 열압축 폴딩 공법을 현대자동차그룹 최초로 적용했다. 이 공법은 에어백을 접어 부직포로 감싼 후, 열을 가하여 압축시키는 방식으로, 덕분에 부피를 최대한 줄이면서 모듈의 형태는 고스란히 살릴 수 있었다.<ref>현대자동차그룹, 〈[https://news.hmgjournal.com/Tech/%EC%8A%B9%EA%B0%9D-%EC%95%88%EC%A0%84%EC%9D%84-%EC%9C%84%ED%95%9C-%EB%98%90-%ED%95%98%EB%82%98%EC%9D%98-%EA%B8%B0%EC%88%A0-%EC%84%BC%ED%84%B0-%EC%82%AC%EC%9D%B4%EB%93%9C-%EC%97%90%EC%96%B4%EB%B0%B1 승객 안전을 위한 또 하나의 기술, 센터 사이드 에어백]〉, 《현대자동차그룹 저널》, 2019-09-18</ref> | ||
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====허그 에어백==== | ====허그 에어백==== | ||
허그 에어백은 측면 충돌 시 기존의 측면 에어백 보호 영역과 동일하게 쿠션을 구성해 탑승자를 보호한다. 현대자동차그룹이 개발했다. 정면 충돌 시에는 쿠션 형상이 가이드가 되어 에어백의 형태를 유지해주고 승객의 체중을 견디도록 돕는 끈 형태의 부품, 테더가 승객 어깨부를 구속한다. 현대차그룹의 허그 에어백은 충돌 방향에 따라 쿠션(측면 보호)과 테더(정면 보호)의 역할을 분리했다. 구속력을 갖추면서도 크기 최적화가 용이하며 어느 각도에서 충격이 오더라도 탑승객을 보다 안전하게 보호할 수 있도록 고안됐다. 허그 에어백은 테더 외에도 크게 3개의 챔버(Chamber)로 구성됐다. 챔버는 위치에 따라 역할이 다르다. 상단 챔버는 탑승객의 머리와 가슴을 보호하고 신체 이동을 구속한다. 중앙 챔버는 허그 에어백에서 유일하게 전방으로 꺾여 탑승객의 전방부를 지지하며, 하단 챔버는 골반을 보호하는 개념이다. 각각의 챔버는 테더로 연결된다. 허그 에어백이 사고 시 탑승객의 몸을 단단히 잡아 전방 보호 기능까지 수행할 수 있는 것은 바로 이와 같은 챔버와 테더의 유기적인 연결 덕분이다. 허그 에어백은 기존의 측면 에어백을 기준으로 탑승객의 평균 신체 크기에 맞춰 보호 영역이 설계된다. 그러나 머리를 보호하는 상단 챔버의 경우, 승객의 키에 따라 보호 기능이 제대로 작동하지 않을 수 있는 만약의 경우까지 대비해야 한다. 이를 위해 머리에 추가 상해가 발생하지 않게 테더의 장력과 상단 챔버의 압력을 조절하는 기술을 보완하기 위해 연구를 계속하고 있다.<ref>현대자동차그룹, 〈[https://news.hmgjournal.com/Tech/%EC%9E%90%EC%9C%A8%EC%A3%BC%ED%96%89%EC%B0%A8-%EC%8B%9C%EB%8C%80%EB%A5%BC-%EB%8C%80%EB%B9%84%ED%95%9C-%EC%83%88%EB%A1%9C%EC%9A%B4-%EC%95%88%EC%A0%84-%EA%B8%B0%EC%88%A0-%ED%97%88%EA%B7%B8-%EC%97%90%EC%96%B4%EB%B0%B1 자율주행차 시대를 대비한 새로운 안전 기술, 허그 에어백]〉, 《현대자동차그룹 저널》, 2020-07-12</ref> | 허그 에어백은 측면 충돌 시 기존의 측면 에어백 보호 영역과 동일하게 쿠션을 구성해 탑승자를 보호한다. 현대자동차그룹이 개발했다. 정면 충돌 시에는 쿠션 형상이 가이드가 되어 에어백의 형태를 유지해주고 승객의 체중을 견디도록 돕는 끈 형태의 부품, 테더가 승객 어깨부를 구속한다. 현대차그룹의 허그 에어백은 충돌 방향에 따라 쿠션(측면 보호)과 테더(정면 보호)의 역할을 분리했다. 구속력을 갖추면서도 크기 최적화가 용이하며 어느 각도에서 충격이 오더라도 탑승객을 보다 안전하게 보호할 수 있도록 고안됐다. 허그 에어백은 테더 외에도 크게 3개의 챔버(Chamber)로 구성됐다. 챔버는 위치에 따라 역할이 다르다. 상단 챔버는 탑승객의 머리와 가슴을 보호하고 신체 이동을 구속한다. 중앙 챔버는 허그 에어백에서 유일하게 전방으로 꺾여 탑승객의 전방부를 지지하며, 하단 챔버는 골반을 보호하는 개념이다. 각각의 챔버는 테더로 연결된다. 허그 에어백이 사고 시 탑승객의 몸을 단단히 잡아 전방 보호 기능까지 수행할 수 있는 것은 바로 이와 같은 챔버와 테더의 유기적인 연결 덕분이다. 허그 에어백은 기존의 측면 에어백을 기준으로 탑승객의 평균 신체 크기에 맞춰 보호 영역이 설계된다. 그러나 머리를 보호하는 상단 챔버의 경우, 승객의 키에 따라 보호 기능이 제대로 작동하지 않을 수 있는 만약의 경우까지 대비해야 한다. 이를 위해 머리에 추가 상해가 발생하지 않게 테더의 장력과 상단 챔버의 압력을 조절하는 기술을 보완하기 위해 연구를 계속하고 있다.<ref>현대자동차그룹, 〈[https://news.hmgjournal.com/Tech/%EC%9E%90%EC%9C%A8%EC%A3%BC%ED%96%89%EC%B0%A8-%EC%8B%9C%EB%8C%80%EB%A5%BC-%EB%8C%80%EB%B9%84%ED%95%9C-%EC%83%88%EB%A1%9C%EC%9A%B4-%EC%95%88%EC%A0%84-%EA%B8%B0%EC%88%A0-%ED%97%88%EA%B7%B8-%EC%97%90%EC%96%B4%EB%B0%B1 자율주행차 시대를 대비한 새로운 안전 기술, 허그 에어백]〉, 《현대자동차그룹 저널》, 2020-07-12</ref> | ||
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==사고== | ==사고== | ||
2021년 6월 30일 (수) 17:19 판
에어백(airbag)은 차량 충돌 시 충격으로부터 운전자나 승객을 보호하기 위해 조향 핸들이나 대시보드에 장착해 놓은 안전장치다. 자동차의 앞부분이 충돌하는 순간 급격히 공기주머니가 팽창하여 머리와 가슴의 충격을 흡수하게 된다. 에어백 시스템은 검지 시스템과 에어백 모듈로 이루어져 있다. 검지 시스템은 센서·배터리·진단장치 등으로 이루어지며, 에어백 모듈은 에어백과 충격감지시스템, 작동기체팽창장치로 이루어져 있다. 센서에 의해 충돌이 감지되면 작동기체장치가 폭발되고, 점화가 되면 폭발가스로 인해 백이 순간적으로 부풀게 된다. 충돌부터 에어백이 완전히 작동되는 시간은 보통 50/1,000초 정도의 짧은 시간이다. 에어백에 사용되는 가스는 고체의 급격한 연소로 발생되는 고압가스나 고압가스 용기에 저장된 기체를 사용한다. 충돌 때 승객 보호성능이 매우 우수하므로 세계적으로 사용이 급격히 증가하고 있다.
목차
역사
1950년대까지 자동차에는 안전벨트조차 없었다. 고속으로 달리는 자동차에 아무런 보호장치가 없었던 시절이다. 1950년대 메르세데스-벤츠, 사브, 볼보, 제너럴모터스(GM) 등 자동차 회사들이 안전에 대한 경각심을 가지면서 차 사고로 인해 부상당하거나 사망하는 일이 줄어들도록 많은 연구를 하기 시작했다. 하지만 당시 자동차 회사들은 에어백의 안전요소보다는 스타일에 더 많은 관심이 있었다. 처음 에어백의 특허를 따낸 것은 이러한 회사들이 아닌 미국인 토목 기사 존 헤트릭이다. 1952년 어느 날, 운전 중이던 존 헤트릭은 장애물을 피하기 위해 급제동해야 했다. 그 당시 헤트릭의 차 앞 좌석에는 부인과 딸이 함께 타고 있었다. 그와 부인은 딸을 보호하고자 본능적으로 대시보드와 앞 유리창 쪽으로 팔을 뻗었다. 이 사건이 계기가 되어 헤트릭은 에어백 장착 차량을 연구하게 됐다. 제2차 세계대전 당시 미 해군 엔지니어로 근무했던 헤트릭은 터지는 순간 눈 깜짝할 사이에 모든 것을 덮어버리는 압축 공기 지뢰를 우연히 생각해냈다. 1952년 헤트릭은 자동차가 충돌할 시 압축공기를 사용하여 급속히 에어백을 팽창시키는 방법을 제안했다. 그는 1953년 자신의 발명에 대한 특허를 취득했다. 당시 제품은 자동차 후드 밑에 압축 공기를 두고 차량 여러 곳에 공기 주머니를 설치해서 충돌로 관성 질량이 가해지면 주머니 안에 공기가 주입되는 방식이었다. 1960년대, 미국에서 대중화된 안전벨트는 자동차 사고 시 탑승자를 시트에 묶어둠으로써 치명적인 피해를 줄여주는 데 큰 역할을 하였다. 하지만 초기에 사용된 2점식 안전벨트는 허리만 고정시켜 가슴, 머리 등이 핸들이나 계기판 등에 부딪히는 피해는 여전하였다. 이를 개선하여 나온 3점식 안전벨트는 허리벨트와 어깨 벨트를 통하여 상체의 움직임을 제어하였는데, 여전히 머리와 목 부위가 다치는 문제를 남겼다. 이러한 안전벨트를 보완하기 위해 보조 안전장치로 에어백이 개발되었다. 1968년 탤리 디펜스 시스템즈에서 일하던 미국인 화학자 존 파에츠가 아지드화 나트륨과 금속 산화물을 이용한 고체 추진체를 개발했다. 이후 제너럴모터스, 포드의 협조 아래 4년간의 연구 끝에 1971년, 질소 생성 고체 추진제가 탑재된 최초의 에어백이 개발되었다. 안전띠 보조용 승차자 보호장치(SRS; supplemental restraint system airbag)이라 불렸던 이 에어백은 당시 운전자의 허리만 시트에 고정하는 2점 고정 방식의 안전띠 때문에 자동차 충돌시 발생하는 사망 사고를 방지하기 위해 만들어졌다. 이때부터 점차 에어백 기술은 개선되었고 소비자들은 안전에 더욱 신경쓰게 되었다. 한편 최초로 에어백이 장착된 차량은 1980년 12월 출시된 메르세데스-벤츠의 S클래스다. 안전벨트와 함께 에어백을 장착해 출시했으며 1992년부터는 모든 메르세데스-벤츠 차량에 운전석 에어백을 장착했다.
원리
최근의 자동차들은 특정 상황에만 에어백이 작동하도록 설계됐다. 잘못 작동하면 승객에게 오히려 부상을 입힐 수 있고 한번 터지면 재사용이 불가능하기 때문이다. 에어백이 작동하는 순간은 사고가 일어났을 경우다. 차체에 장착된 센서가 충돌을 감지하는데 에어백 컨트롤 유닛이라는 장치에 들어 있는 가속센서, 충돌센서가 이런 역할을 한다. 일부 업체에서는 충돌을 감지하는 것보다 충돌 시 발생하는 소리를 감지해 에어백을 폭발시키기도 한다. 에어백과 연결된 센서는 상상외로 많다. 바퀴속도센서, 브레이크압력센서, 자이로스코프까지 에어백의 작동에 관여한다. 센서가 에어백의 폭발을 지시하면 에어백은 0.05초 안에 팽창한다. 에어백이 처음 개발된 1970년대에는 공기를 넣어 작동시키기도 했지만 최근에는 질소를 폭발시켜 작동한다. 에어백은 주로 나일론 섬유로 제작한다. 또 폭발이 일어난 다음에는 승객이 차에서 탈출할 수 있도록 수축된다. 팽창 상태가 유지되면 승객이 질식하거나 차에서 탈출하지 못해 2차 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 통상 에어백이 충돌을 감지한 후 펴지는 시간은 0.03~0.05초로 정말 눈깜짝할 사이에 펼쳐지며 펼쳐진 이후에도 운전자 시야를 가리지 않게 위해 바로 꺼지게 된다. 통상적인 방법으로는 이렇게 짧은 시간동안 에어백을 부풀릴 만큼의 기체를 한꺼번에 발생시키는 것은 매우 어려운 일이다.
폭발
에어백을 순간적으로 부풀리는 데 사용하는 물질은 나트륨과 질소로 이루어진 아지드화나트륨(NaN3)이라는 물질이다. 이 물질은 350℃ 정도의 높은 온도에서도 불이 붙지 않으며, 충돌이 일어날 때 폭발하지 않는 안정성을 가지고 있어 차내에 저장해두기에 매우 안전한 물질이다. 이러한 물질에 산화철이라는 화합물을 섞어 놓으면, 격렬히 반응하며 질소를 생성하는데 이를 이용한 것이 바로 에어백이다. 에어백이 장착된 운전대에는 접혀져 있는 에어백과, 아지드화나트륨 캡슐, 약간의 산화철(Fe2O3), 그리고 기폭 장치가 들어있다. 충돌 시에 스위치가 작동하여 전류가 기체발생장치 내의 점화기를 작동시키면 순간적으로 높은 열이 발생하여 불꽃이 생긴다. 이 때 아지드화나트륨 캡슐을 터트려 산화철과 반응하게 만들고 아지드화나트륨을 나트륨과 질소로 분해된다. 이 때 나오는 질소 가스가 에어백을 채워 부풀어지게 한다. 아지드화나트륨에는 질소가 질량 퍼센트로 65% 들어 있는데, 충돌 시에 생성된 불꽃에 의해 0.04초 이내에 화합물들이 분해되면서 많은 양의 질소기체가 발생된다. 이 때 생기는 나트륨은 산화철과 섞이면서 산화나트륨을 만드는데, 이것은 금속 나트륨보다 훨씬 안전하다. 발생된 질소는 압력이 낮은 에어백 속으로 들어가 이를 부풀리고 시간이 지나면 작은 구멍을 통해서 점점 빠져나가게 된다. 이 과정에서 자동차 탑승자는 충격을 적게 받게 되고, 에어백은 본래의 상태로 되돌아가 다시 사용할 수 있게 되는 것이다.
충격 완화
달리는 자동차 안에서 우리의 몸은 자동차와 같이, 같은 속력으로 달리고 있는 것과 같다. 따라서 우리 몸도 운동량을 갖게 되는데, 이 운동량은 물체가 다른 물체와 충돌할 때 변하게 된다. 충격량은 가해진 힘의 크기 즉, 충격력(F)에 충돌한 시간(t)을 곱한 값으로, 운동의 변화량과 같다. 자동차가 부딪혔을 때, 실제 승객이 받는 힘은 충격력으로, 물체에 실질적으로 가해지는 힘의 크기이다. 승객이 가지고 있는 운동 변화량은 일정하므로 충격량의 값 또한, 일정한데, 승객이 충격을 적게 받으려면 충돌 시간을 길게 하여 충격력을 줄여주어야 한다. 즉, 충격량의 식에서 충격량이 일정할 때, 충격력과 시간은 반비례하므로 충격력을 줄이려면 충돌시간을 늘려주면 된다. 에어백에서 생성되는 질소가 에어백을 쿠션으로 만들어 사람이 차체에 충돌하는 시간을길도록 해준다. 따라서 상대적인 충격력이 감속되어 사람에게 가해지는 충격, 즉 힘의 크기는 줄어들게 되고, 그에 따라 운전자는 덜 다치게 된다. 이는 마치 우리가 세게 던진 공을 받을 때 뒤로 물러나며 받으면 충격이 덜한 것과 마찬가지이다.
진화
SRS 에어백
SRS에어백으로도 불리는 최초의 에어백은 가장 기본적인 방식으로 작동했다. SRS는 보조 구속 장치라는 의미로, 차량충돌이 일어나면 센서가 신호를 보내고 화약이나 가스가 폭발하면서 0.001초 단위로 에어백을 팽창시키는 방식이다. 이때 생성되는 기체는 1000분의 1초 단위로 공기주머니를 부풀게하여 승객이 다른 내장제품에 부딪치는 것을 막는다. 1991년에서 1996년 사이에 주로 사용되었다. 하지만 한 번에 전체가스가 배출되므로 따로 팽창속도와 세기가 조절되지 않아 어린이 혹은 벨트 미착용 시 작동하게 되면 위험한 상황을 초래하곤 했다. 이점이 1세대 에어백의 가장 큰 단점이었다. 한번에 모든 가스가 폭발하므로 그 힘이 강하여 가스 폭발로 화상을 입는 경우도 있어서 크게 다치고 사망하는 경우도 생기곤 했다. 때문에 현재의 자동차에는 SRS 에어백보다 한참 진화된 에어백이 장착되지만, 에어백이 장착된 곳에는 아직까지도 SRS 에어백이라고 쓰여있는 모습을 볼 수 있다. 유사시 에어백이 폭발하는 지점이라는 뜻이기도 하고 폭발이 일어날 때 위험할 수 있는 물건을 근처에 두지 말라는 뜻이기도 하다. 만약 에어백이 폭발하는 곳에 내비게이션이나 컵홀더 같은 액세서리를 부착해두면 폭발이 일어남과 동시에 흉기가 될 수 있다. 한편 국산차 중 에어백을 최초로 장착한 모델은 1992년 현대자동차 뉴 그랜저다.
디파워 에어백
디파워 에어백(depowere airbag)으로도 불리는 2세대 에어백은 1세대 에어백을 보완하기 위해 에어백의 팽창력을 줄이는데 초점을 맞춘 에어백이다. 짧은 시간 안에 전개되어야 하는 에어백은 상당한 팽창압력을 가진다. 이게 안전벨트를 한 어른이라면 별 문제 없는 상황이지만 안전벨트를 제대로 안한 어린이들에겐 치명적인 상해를 일으키기 시작했다. 메이커들은 에어백이 장착된 좌석에는 아이를 태우지 말라는 경고문을 부랴부랴 돌리며 당장의 불을 끄기 위한 가장 손쉬운 방법을 적용한다. 그러나 이것은 임시방편이 되었고, 자동차 회사들은 2세대 에어백, 디파워 에어백을 개발 및 자동차에 탑재하기 시작한다. 디파워드 에어백은 팽창력을 20~30% 정도 줄였기 때문에 초기보다 팽창력이 부족하지만 어린이를 포함하여 작은 체구의 사람까지 넓은 범위에서 사용이 가능해졌다. 또한 운전자가 조수석 에어백을 직접 끌 수 있도록 하는 에어백 킬 스위치도 달리게 된다. 하지만 체구가 큰 탑승자들의 보호성능이 상대적으로 떨어져 이를 보완할 새로운 방식의 에어백이 여전히 필요했다.
스마트 에어백
디파워 에어백으로 시간을 번 회사들은 신속하게 다음 에어백을 개발했다. 그리고 문제를 본질적으로 개선할 수 있는 에어백을 만들게 된다. 3세대 에어백인 스마트 에어백은 운전자의 위치와 안전벨트 착용 여부, 그리고 충격강도 등을 센서가 감지해 팽창력을 조절할 수 있다. 어느 정도의 충돌인지, 탑승자가 안전벨트를 착용했는지도 감지를 한다. 따라서 센서가 충격이 약할 때는 약하게 에어백이 터지도록, 충격이 강하면 세게 에어백이 터지도록 감지하여 능력이 발휘된다. 충격강도에 따라 팽창력을 조절하기 때문에 조금 더 세밀하게 탑승자의 안전을 보장할 수 있다는 장점이 있다. 때문에 이후 4세대 에어백이 출현했지만 3세대 또한 4세대의 일부 기능을 받아들여, 3.5세대로 진화하여 여전히 쓰이고 있다.
어드밴스드 에어백
3세대만으로도 어린이가 에어백에 상해를 입을 가능성은 없어졌지만 기술은 그 가능성마저 원천봉쇄하기 위해 노력해 나가게 된다. 기본적으로 어드밴스드 에어백(Advanced Air bag)은 스마트 에어백에 탑승자의 무게를 감지하는 압력센서를 추가한 것인데, 이를 통해 에어백모듈은 착석한 승객의 정보를 마치 스캔 하듯 낱낱이 파악한다. 승객의 위치와 체격, 앉은 자세 및 충돌 정도를 판단해 에어백이 스스로 팽창 여부를 결정한다. 약한 충격의 경우에는 에어백이 나오지 않거나 2단계로 나눠 팽창하는 기능이 포함된다.
자율주행 자동차
아직 자율주행차가 상용화되지 않은 상황에서 그 모습을 상상하는 데에는 한계가 있지만, 이미 자율주행 자동차 관련 업체들은 에어백에 대한 연구를 진행하며 다가올 미래를 준비하고 있다. 미국에서 자율주행 관련 기술을 축적해가고 있는 구글의 경우 얼마전 차량 측면뿐 아니라 정면 전개 외장 에어백에 대한 특허를 출원하기도 했다. 이는 운전자가 없는 자율주행 자동차로 인해 보행자가 입을 수 있는 피해를 줄이기 위한 것이었다. 또 세계 2위 에어백 업체인 ZF-TRW도 차세대 외장 에어백, 뒷좌석 에어백 등과 같은 미래 에어백 개발에 심혈을 기울이고 있다. 외장 에어백은 커튼 에어백의 2배인 약 200리터의 용량으로 측면 충격의 30%를 흡수하는 것으로 알려졌다.[1] 자율주행 기술이 발달로 운전자의 조종이나 제동 등 차에 대한 개입이 적어지면서 안전장치에 대한 소비자들의 요구가 더욱 증가할 것이라는 분석이다.[2] 한편 국내에서도 미래 에어백에 대한 관심이 높다. 현대자동차는 센터 사이드 에어백, 허그 에어백 등 자율주행 자동차 시대를 맞이하기 위한 에어백의 진화에 동참하고 있다.
센터 사이드 에어백
센터 사이드 에어백은 전동화와 자율주행 시대에 맞춘 새로운 개념의 시스템으로, 주로 사람과 사람이 부딪히는 2차 충돌을 방지한다. 현대자동차그룹이 개발했다. 운전석 시트에 수납되어 있다가 운전자와 동승자 사이에서 전개되는 에어백이다. 측면 충돌 직후, 승객이 반대편으로 넘어가는 것을 방지해 사람간의 충돌은 물론, 내장재와의 충돌도 막아주는 개념이다. 여기서 핵심은 테더(Tether)라는 고정 장치다. 테더는 일반적으로 승객의 움직임을 최소화하면 복합 충돌 시 승객의 피해가 줄어든다다는 데서 착안됐다. 전개된 에어백이 승객을 감싸는 형태로 고정돼 충돌 후 승객의 움직임을 제어한다. 동승자가 탑승했을 경우, 측면 충돌이 일어나면 승객 간 2차 충돌이 일어날 수 있다. 승객 상해가 심각할 경우 사망 가능성도 높아진다. 하지만 승객 사이에서 센터 사이드 에어백이 전개되면 이와 같은 상황을 방지할 수 있다. 또한 운전자만 탑승했을 때도 센터 사이드 에어백은 전개된다. 운전자가 동승석 쪽 내장재와 충돌할 수 있기 때문이다. 센터 사이드 에어백의 경우 용량을 크게 해 체격이 작은 승객부터 큰 승객까지 충분히 보호할 수 있도록 제작됐다. 따라서 팽창 정도 구분 없이 모든 승객을 아우를 수 있다. 또한 비정상적인 착좌 상태에서도 에어백에 의한 상해가 발생하지 않도록 설계됐다. 센터 사이드 에어백은 시트의 깔끔한 외관을 유지하기 위해 내부에 장착된다. 자동차 시트가 점점 더 슬림해지고 있기 때문에 모듈의 소형화는 필수다. 이를 위해 부피를 크게 줄일 수 있는 열압축 폴딩 공법을 현대자동차그룹 최초로 적용했다. 이 공법은 에어백을 접어 부직포로 감싼 후, 열을 가하여 압축시키는 방식으로, 덕분에 부피를 최대한 줄이면서 모듈의 형태는 고스란히 살릴 수 있었다.[3]
허그 에어백
허그 에어백은 측면 충돌 시 기존의 측면 에어백 보호 영역과 동일하게 쿠션을 구성해 탑승자를 보호한다. 현대자동차그룹이 개발했다. 정면 충돌 시에는 쿠션 형상이 가이드가 되어 에어백의 형태를 유지해주고 승객의 체중을 견디도록 돕는 끈 형태의 부품, 테더가 승객 어깨부를 구속한다. 현대차그룹의 허그 에어백은 충돌 방향에 따라 쿠션(측면 보호)과 테더(정면 보호)의 역할을 분리했다. 구속력을 갖추면서도 크기 최적화가 용이하며 어느 각도에서 충격이 오더라도 탑승객을 보다 안전하게 보호할 수 있도록 고안됐다. 허그 에어백은 테더 외에도 크게 3개의 챔버(Chamber)로 구성됐다. 챔버는 위치에 따라 역할이 다르다. 상단 챔버는 탑승객의 머리와 가슴을 보호하고 신체 이동을 구속한다. 중앙 챔버는 허그 에어백에서 유일하게 전방으로 꺾여 탑승객의 전방부를 지지하며, 하단 챔버는 골반을 보호하는 개념이다. 각각의 챔버는 테더로 연결된다. 허그 에어백이 사고 시 탑승객의 몸을 단단히 잡아 전방 보호 기능까지 수행할 수 있는 것은 바로 이와 같은 챔버와 테더의 유기적인 연결 덕분이다. 허그 에어백은 기존의 측면 에어백을 기준으로 탑승객의 평균 신체 크기에 맞춰 보호 영역이 설계된다. 그러나 머리를 보호하는 상단 챔버의 경우, 승객의 키에 따라 보호 기능이 제대로 작동하지 않을 수 있는 만약의 경우까지 대비해야 한다. 이를 위해 머리에 추가 상해가 발생하지 않게 테더의 장력과 상단 챔버의 압력을 조절하는 기술을 보완하기 위해 연구를 계속하고 있다.[4]
종류
사고
에어백이 터지는 평균 속도는 무려 321Km이다. 이 때문에 체형이 작은 사람이나 어린아이가 에어백과 얼굴이 직접 부딪힐 경우 심한 충격을 받게되며 때론 사망에까지 이를 수 있다. 미국의 경우 이런 사고로 숨진 아이들이 상당수이며 독일의 경우 안전을 위해 12살 미만의 어린이는 에어백이 적용된 차의 앞자리에 태우지 못하게 되어있다.
각주
- ↑ 박도제 기자, 〈진화하는 에어백…자율주행 시대엔 어떤 모습으로 변화할까?〉, 《헤럴드경제》, 2017-07-18
- ↑ 김현우 기자, 〈(오토라이프) 자율주행 시대 신형 에어백 쏟아진다〉, 《한국일보》, 2018-08-07
- ↑ 현대자동차그룹, 〈승객 안전을 위한 또 하나의 기술, 센터 사이드 에어백〉, 《현대자동차그룹 저널》, 2019-09-18
- ↑ 현대자동차그룹, 〈자율주행차 시대를 대비한 새로운 안전 기술, 허그 에어백〉, 《현대자동차그룹 저널》, 2020-07-12
