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충격감지시스템은 충돌센서와 전자센서 두 부분으로 되어 있는데, 차가 일정속도 이상으로 충돌하는 순간 충돌센서의 롤러는 관성의 법칙에 따라 앞쪽으로 구르면서 스위치를 누르게 된다. 이때 회로에 전류가 흘러 가스 발생장치에 폭발이 일어나게 한다. 이때까지 걸리는 시간은 0.01초이다. 점화가 되면 질소 가스가 발생하여 에어백 안으로 순식간에 들어간다. 가스 발생장치의 작동과 함께 에어백을 잘 접어 넣어둔 용기가 완전히 부풀기까지는 약 0.05초 이내의 시간이 걸린다. 에어백에 담기는 질소가스의 양은 약 60L로 많은 기체가 공기자루에 들어가 충격을 완화시켜줌으로써 1차적 충돌에서 오는 치명적 부상을 피할 수 있게 해준다.
에어백은 어떻게 부풀어질까?
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.
아지드화나트륨이 분해되어 질소가 발생되고 나트륨산화물이 되는 반응
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.
에어백은 어떻게 충격을 완화시켜줄까?
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. 처음에 승객이 가지고 있던 운동량에서 충돌 후 운동량의 차이인 ‘운동의 변화량’은 충격량의 식과 같은데 이를 표현하면 다음과 같다.
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 시간을 길도록 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.
에어백, 앞으로의 방향은?
최근 승객의 안전을 위하여 개발된 에어백이 오히려 이에 의해 목숨이나 상해를 입는 경우가 많이 생겼다. 이는 에어백이 승객의 상태와 관계없이 일정한 충돌 상황에서 무조건 작동하는 데에 있다. 즉, 승객의 탑승여부, 성인과 소아의 구별, 착석 위치, 충돌 상황 등에 관계없이 충돌로 인한 일정한 기준 이상의 차체 감속이 일어나면 작동하기 때문이다. 이런 문제점을 해결하고자 최근 승객의 다양한 착석 상황(안전벨트 착용 유무, 탑승자의 무게, 소아 유무, 측면·정면충돌 구분 등)을 감지하는 센서들과 그에 따른 에어백의 적절한 양의 가스를 적절한 시간에 발생시키도록 하는 장치가 달린 ‘스마트 에어백’이 개발되고 있다.
참고문헌:한국 자동차 공학회
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가 약 20~30km/h이상일 때 작동한다. 그렇다면 에어백은 어떻게 해서 펴질까? 에어백은 충격감지시스템과 에어백이 터지도록 하는 기체 팽창장치, 에어백으로 이루어진 에어백 모듈로 구성되어 있다.
