자동차의 수동안전 시스템

자동차의 수동안전시스템 

자동차의 안전시스템은 크게 수동안전시스템과 능동안전시스템으로 구분할 수 있다. 수동안전시스템은 충돌시의 충격을 흡수 또는 완화시켜 탑승자의 상해를 저감시키는 시스템이고, 능동안전시스템은 사고 이전에 충돌을 방지하기 위한 모니터링, 경고, 회피조향, 자동제동 등의 사고회피 안전장치를 말한다. 본고에서는 수동안전시스템의 대표적인 안전장치인 안전벨트(seat belt)와 에어백(air bag)에 대해 살펴보기로 한다.

자동차 안전벨트

차량이 상대 차량 또는 장애물과 정면충돌하면 차체가 파손되면서 급격히 감속된다. 이때 차량에 탑승한 운전자와 승객은 관성에 의해 전방으로 튕겨나가게 되는데, 운전자는 핸들이나 계기패널에 가슴이나 머리를 부딪치고, 조수석 탑승자는 전방 대시보드 또는 앞유리를 충격하면서 상처를 입게 된다. 안전벨트(seat belt)는 충돌시 탑승자가 전방으로 튕겨나가 핸들, 계기패널, 앞유리 등과 2차 충돌하는 것을 방지하기 위한 승객구속 안전장치다. 안전벨트는 크게 탑승자를 감싸주는 웨빙(webbing, 벨트), 벨트를 고정시켜주는 버클(buckle), 벨트의 수납 및 잠금(구속)장치인 리트렉터(retractor)로 구성되어 있다. 최근에는 리트렉터의 구속기능 이외에 충돌초기 탑승자의 신체를 시트에 정확히 밀착시킬 수 있도록 도와주는 프리텐셔너(pre tensioner), 벨트가 탑승자의 가슴에 과도한 힘이 가해지는 것을 제한하는 로드리미트(load limiter) 등이 추가되고 있다.

1950년 중반부터 장착되기 시작한 안전벨트는 충돌 사고시 탑승자의 신체를 시트에 단단히 구속시킴으로써 교통사고에 의한 2차 상해와 사망사고를 줄이는데 지대한 공헌을 하였다. 초기에 장착된 2점식 안전벨트는 전방 충돌시 탑승자의 허리부분을 유용하게 구속시켰으나 상대적으로 탑승자의 상체는 계속 전방으로 이동하면서 가슴이나 머리부분이 조향 핸들이나 계기판에 부딪치는 2차 상해를 유발시킬 수 밖에 없었다. 이후 등장한 3점식 안전벨트는 탑승자의 허리부분과 가슴부분을 동시에 효과적으로 구속하여 충돌 관성에 의한 상체의 움직임을 제어할 수 있었다. 그러나 3점식 안전벨트에서도 구속이 어려운 머리는 높은 충격 하중에 의해 심하게 흔들리거나 꺾이면서 머리 또는 목 부위가 부상당하는 한계점이 노출되었다. 이러한 안전벨트의 승객보호 한계를 보완하기 위해 도입된 안전장치가 에어백이다.

자동차 에어백

에어백은 충돌시 쿠션(공기주머니)을 순간적으로 부풀려 운전자 및 탑승자의 머리, 가슴 등의 신체가 차량의 핸들, 계기패널, 전면 및 측면 유리, 차체의 구조물과 직접 부딪치는 것을 방지하기 위한 탑승자 보호 안전장치다. 에어백은 탑승자가 안전벨트를 착용한 상태에서 최대 효과를 발휘하기 때문에 안전벨트의 보조장치(SRS ; Supplement Restraint System)로 기능하고 있다.

【정면충돌 에어백】

에어백 시스템은 크게 충격을 감지하는 센서(sensor), 가스발생장치(inflater)와 팽창 쿠션으로 구성된 에어백 모듈(module), 에어백 시스템을 제어하는 컨트롤 유닛(ACU or ACM)으로 구성되어 있다.

 【에어백시스템 구조】

※참조이미지, 윤대권외, 자동차 사고기록장치 이론 및 실무(2017), 골든벨

충격센서는 충돌을 감지하고 충격의 부하 수준을 평가하는 기능을 한다. 충격센서에 의해 측정된 충격량은 에어백제어모듈(ACM)에 전달되어 에어백의 전개 여부를 결정하는 기초 데이터로 활용된다. 가스발생기는 에어백 모듈 내부 용기에 담겨져 있는 고체연료를 연소시켜 질소가스를 발생시키고, 이 질소가스를 쿠션(공기주머니, air bag)으로 공급하는 역할을 한다. 핸들과 계기패널 등에 내장된 쿠션은 충돌 시 순간적으로 팽창되어 부풀어 올라 탑승자의 머리 및 가슴부위가 핸들이나 대시판넬 등에 직접 부딪치는 것을 방지하는 역할을 한다. 에어백제어모듈(ACM)은 각종 센서로부터 입력된 충돌정보를 분석하여 에어백의 작동 여부를 결정하고, 시스템 고장시 경고등을 점등시킨다. ACM의 내부에는 충돌감지 프로그램 (Algorithm)이 내장되어 있고, 여러 개의 에어백과 안전벨트 프리텐셔너를 작동시킬 수 있는 점화회로가 연결되어 있다.

에어백은 보호 목적과 적용위치에 따라 다양한 크기와 형상으로 장착되고 있다. 보호 목적에 따라 전방충돌 에어백, 측면충돌 에어백, 전복 에어백, 보행자보호 에어백 등이 있고, 쿠션이 장착되는 위치에 따라 운전석 에어백, 조수석 에어백, 측면 에어백, 커튼 에어백, 무릎 에어백 등으로 구분되고 있다. 최근에는 탑승자들이 2차적으로 충돌하는 것을 막아주는 승객간 에어백(far-side airbag)이 개발되어 적용되고 있으며, 에어백의 장착이 자동차의 실내뿐만 아니라 실외로 확장되어 기술적인 발전을 거듭하고 있다.

앞서 언급한 바와 같이 에어백은 안전벨트의 보조장치로 기능하기 때문에 반드시 안전벨트를 올바르게 착용한 상태에서 최적의 승객보호 효과를 기대할 수 있다. 충돌시 안전벨트를 매지 않으면, 탑승자는 충격관성에 의해 전방 또는 측면으로 급가속되어 에어백이 미처 작동하기 이전에 내부 구조물과 충돌하거나 에어백 쿠션의 보호범위를 벗어나 내부 구조물과 충돌할 수 있다. 더욱이 충돌에 의해 차체가 스핀(spin) 되면 전방 에어백의 경우 본래의 효과를 기대하기 어렵게 된다.

또한 에어백의 충격 흡수 효과는 쿠션이 충분히 팽창된 상태에서 전방으로 쏠린 탑승자를 감쌀 때 제 기능을 발휘하게 되는데, 탑승자가 과도하게 전방으로 쏠린 상태에서 에어백이 터지면 오히려 쿠션이 팽창하면서 탑승자의 머리 부분에 상해를 발생시킬 수 있다.

한편, 일반적으로 에어백은 안전벨트만으로 탑승자를 효과적으로 보호할 수 없는 충격조건에서 전개되도록 설계되고 있다. 이것은 안전벨트만으로 탑승자를 충분히 보호할 수 있는 조건에서 에어백이 터지면 오히려 에어백의 팽창력에 의해 탑승자가 상해를 입을 수 있고 또한 과도한 수리비가 소요되기 때문이다. 에어백의 작동조건은 차종과 모델에 따라 다소 상이하나 정면충돌 에어백의 경우 대체적으로 정면에서 좌우 30도 이내의 각도로, 유효충돌속도(delta-V)가 약 20-30km/h이상일 때 작동한다.

【정면충돌 에어백의 일반적인 작동 조건】

여기서 유효충돌속도란 자동차의 충돌 시 속도를 의미하는 것이 아니라 충격부하의 크기를 추정할 수 있는 속도변화(delta_V)를 의미한다. 예를 들어 100km/h로 단단한 고정벽에 충돌한 후 0km/h가 되었다면 이때 유효충돌속도는 100km/h가 되지만 100km/h로 단단한 고정벽에 스치면서 충돌하고, 충돌후의 속도가 85km/h로 감속되었다면 이때 유효충돌속도는 15km/h가 된다. 즉 충돌속도가 고속이라도 반드시 에어백이 작동되는 것은 아니다. 안전벨트만으로 승객보호가 가능한 유효충돌속도 범위에서는 에어백이 작동하지 않는다. 또한 좌우 30도 범위를 벗어난 경사 또는 측면충돌, 후방 추돌, 전복사고에서는 전방 에어백이 작동하지 않는다. 전신주와 나무와 같은 기둥(pole)충돌, 대형차 밑으로 끼어 들어간 충돌(under ride)에서는 충격의 감도(感度)에 따라 에어백이 작동할 수도 있고 작동하지 않을 수도 있다. 다만, 이러한  안전벨트와 에어백에 대한 승객보호 효과는 운전자가 안전운전을 실천할 때 보다 효과적으로 탑승자를 보호할 수 있다는 것을 잊지 말자.