지난 글에서 자동차 에어백의 도입과정과 종류에 대하여 살펴보았다. 그러면 자동차 에어백은 어떻게 구성되고 작동되는지 알아보자. 그림 1은 에어백의 작동 예를 나타내고 있다. 일반적으로 에어백 시스템은 충돌감지시스템과 에어백 모듈로 이루어져 있으며, 충돌감지시스템은 센서, 배터리, 진단장치(Air bag ECU) 등으로 이루어진다. 에어백 모듈은 에어백과 작동기체 팽창장치로 이루어져 있다.

에어백의 작동 조건은 종류 및 차종에 따라 다르며, 일반적으로 정면충돌 에어백은 정면에서 좌우 30도 이내의 각도에서 유효충돌속도가 약 20 ~30km/h 이상일 때 작동된다. 여기서 유효충돌속도는 자동차 충격의 크기를 추정할 수 있는 속도변화량을 의미한다.

예를 들어 자동차가 100km/h로 주행하다가 충돌 후 70km/h로 감속되었다면, 유효충돌속도는 30km/h이다.

운동 중인 물체의 운동량은 물체의 질량과 속도의 곱으로 표시된다. 따라서 주행 중인 자동차 안의 탑승자는 자동차와 같은 속도로 움직이고 있는 것과 같으므로 운동량을 갖게 된다.

자동차가 충돌하게 되면 속도가 변화하게 되고 운동량도 변화한다. 처음에 탑승객이 가지고 있던 운동량에서 충돌 후 운동량의 차이, 즉 운동량의 변화량이 바로 충격량으로 표시된다. 또한 충격량은 물체에 힘을 작용하여 운동 상태를 바꿀 때 가한 충격의 정도, 즉 힘(충격력)과 시간을 곱한 벡터량으로 나타난다. 자동차가 충돌할 때, 탑승객이 실제 받는 힘은 충격력으로 이는 물체에 실질적으로 가해지는 힘의 크기이다. 탑승객이 가지고 있는 운동변화량은 일정하므로 충격량이 값 또한 일정하다.

따라서 탑승객이 충격을 적게 받으려면 충돌시간을 길게 하여 충격력을 줄여주어야 한다.

즉, 충격량이 일정할 때 충격력과 시간은 반비례하므로 충격력을 줄이려면 충돌시간을 늘려주는 것이다. 자동차 에어백은 이러한 원리를 이용한 것이다. 에어백에서 발생된 질소가 에어백을 쿠션으로 만들어 사람이 차체에 충돌하는 시간이 길어지도록 하는 것이다. 따라서 성대적인 충격력이 감소되어 사람에게 가해지는 충격이 줄어들고, 그에 따라 운전자가 덜 다치게 되는 것이다. 이것은 세게 던진 공을 받을 때 손을 뒤로 빼면서 받으면 손에 가해지는 충격이 작아지는 것과 같은 원리이다.

센서에 의해 충돌이 감지되면 작동기체장치가 폭발되며, 폭발가스로 인해 백이 순간적으로 부풀게 된다.

충돌부터 에어백이 완전히 작동되는 시간은 보통 0.05초 이내의 짧은 시간이다. 에어백에 담기는 질소가스의 양은 약 60L 정도로 많은 기체가 공기자루(bag)에 들어가 충격을 완화시켜 주는 것이다.

에어백을 순간적으로 부풀리는 데 사용하는 물질은 나트륨과 질소로 이루어진 아지드화나트륨(NaN3, sodium azide)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.

그러나 기존 에어백은 대부분 평균적인 남성의 신체를 기준으로 설계되어 있고, 작동 조건도 일정한 조건만 충족되면 무조건 터지도록 되어 있음으로 해서 또 다른 피해를 유발하기도 한다.

에어백 팽창시에 탑승자는 순간적으로 고압의 팽창압력을 받게 되므로 체격이 작은 여성들이나 어린이들에게 이 압력은 매우 치명적일 수 있다. 즉, 탑승자의 안전을 위하여 개발된 에어백이 오히려 이에 의하여 상해를 입는 경우가 발생하는 것이다. 이것은 승객의 탑승여부, 성인과 소아의 구별, 착석 위치, 충돌 상황 등에 관계없이 일정한 기준 이상의 차체 감속이 일어나면 작동하기 때문이다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 스마트에어백이 개발되고 있고, 일부는 양산 차량에 적용되고 있다.

스마트에어백은 승객의 다양한 착석 상황을 고려한 것으로, 안전벨트의 착용유무, 탐승자의 무게, 충돌의 세기, 측면 또는 정면 충돌 구분 등을 고려하여 적절한 양의 기체를 적절한 시간에 발생하도록 제어하는 에어백 시스템이다.

 

 

동양일보TV

저작권자 © 동양일보 무단전재 및 재배포 금지