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[비센의 재미있는 과학 이야기] 에어 백(Air Bag)의 원리

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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-09-10 11:46 조회358회 댓글0건

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에어 백에 숨어있는 과학 원리 - 충격 발생시 0.04 초만에 부풀어 올라

 

 

 

한 지인이 SNS에 교통사고를 당했는데, "차는 많이 손상됐지만 에어백이 터진 덕분에 다행히 몸은 크게 다치지 않았다"는 글을 올렸습니다.

 

사진을 보니 정말 에어백이 없었더라면 크게 다쳤을 수도 있겠다 싶을 정도로 큰 사고였습니다.

 

이렇게 큰 사고로부터 탑승자를 보호해주는 에어백은 어떤 원리로 작동되는 것일까요?

 

에어백은 미국의 한 개발자에 의해서 1971년에 처음 개발되었습니다.

 

이 개발자는 에어백 관련 많은 특허들을 등록하고 ‘SRS Airbag’이라는 중소기업을 설립하여 처음으로 에어백을 생산했습니다.

 

‘SRS Airbag’은 안전띠 보조용 승차자 보호장치라는 의미의’Supplemental Restraint System Air-bag’라는 말의 약자입니다.

 

비록 이 회사는 없어졌지만, 지금도 모든 에어백은  ‘SRS에어백’이라고 불리며, 독자분들이 타고 다니시는 차들의 에어백 위치에도 ‘SRS Airbag’이라고 쓰여있는 것을 볼 수 있으실 것입니다.

 

차량 충돌시 에어백을 작동시키기 위해서 자동차에는 유효 충돌속도 감지 센서가 있습니다.

 

유효 충돌속도란 단위 시간당의 속도 변화량을 의미하는 것으로 자동차의 충격의 크기를 측정할 수 있는 수치입니다.

 

각 자동차 회사마다 유효 충돌속도 제한값은 다르지만, 일반적으로 유효 충돌속도가 시속 20~30 킬로미터 (km/h) 이상이 되면 에어백이 작동되도록 세팅되어있습니다.

 

유효충돌속도가 시속 30 킬로미터라는 것은 정해진 시간간격 내에 100 km/h의 속도가 70 km/h로 급격히 줄어들어 30 km/h의 속도변화가 생긴 것을 말합니다.

 

에어백에 또다른 중요한 부분은 에어백 내부에 있는 가스발생 장치입니다.

 

가스발생 장치 내부에는 아지드화나트륨(NaN3)이라는 화합물이 들어있는 얇은 금속막의 캡슐과 산화철(Fe2O3), 그리고 작은 폭발을 일으키는 기폭장치가 들어있습니다.

 

아지드화나트륨이라는 화합물은 섭씨 300도 이상의 매우 높은 온도에서도 불이 붙지 않으며 충돌이 일어나도 폭발하지 않는 매우 안정적인 화합물입니다.

 

하지만, 이 화합물이 산화철을 만나면 순간적으로 높은 열을 발생시키며 나트륨(Na)과 질소가스(N2)로 분해되어 다량의 질소가스를 배출하게 됩니다. 

 

자동차가 사고로 인해 정해진 유효 충돌속도값보다 큰 변화를 일으키는 것이 센서에 감지되면 컴퓨터는 에어백의 가스발생장치로 전류신호를 보내게 되는데, 이 때 걸리는 시간이 약 0.01초정도입니다.

 

이렇게 신호가 전달되면 아지드화나트륨을 담고있는 캡슐의 기폭장치가 터지면서 아지드화나트륨이 산화철에 노출되게 되고, 엄청나게 빠른 반응속도를 갖고 있는 이 두 화합물이 반응하여 에어백에 질소가스를 채우는 데 걸리는 시간이 약 0.03초정도로서 충돌이 감지된 후, 에어백이 완전히 부풀어 오르는 데까지 걸리는 시간은 약 0.04초 정도가 되는 것입니다.

 

에어백을 작동시키는 데에는 아지드화나트륨과 산화철만 있으면 되지만, 실제 에어백에는 이 외에 질산칼륨(KNO3), 이산화규소(SiO2) 등의 화합물이 함께 들어 갑니다. 

 

이유는 질소가스와 함께 만들어지는 나트륨(Na)때문입니다. 나트륨은 반응성이 매우 큰 알칼리 금속(Alkali metal)으로서 물과 격렬하게 반응하기 때문에, 사고에 의해 나트륨이 방출되어 외부의 물과 만난다면 반응을 통해 수소기체와 많은 양의 열을 만들어 내게 됩니다.

 

만약 휘발유가 길에 노출된다면 2차 화재를 일으킬 수 있는 원인이 될 수 있습니다. 

 

이러한 위험성을 미리 예방하기 위해서 질산칼륨과 이산화규소를 함께 넣어두는 것이고, 나트륨은 이들과의 일련의 화학반응을 통해서 반응성이 낮은 안전한 물질로 합성되게 됩니다.

 

에어백의 도움으로 큰 부상을 피한 경우에도 에어백 때문에 화상을 입는 경우가 종종 있습니다. 

 

이것은 아지드화나트륨과 산화철의 반응에서 발생되는 큰 열과 실제 피부와 에어백간의 마찰에 의한 찰과상에 의한 화상입니다.

 

에어백 자체에서 고온의 가스를 필터를 통과시키며 식혀주도록 설계되어 있지만, 사고시 이러한 부분들이 완전히 작동되지 못해서 화상을 입기도 하는 것입니다.

 

비록 에어백이 승차자의 부상을 최소화하기 위한 중요한 장치임에는 틀림없지만, ‘안전띠 보조용 승차자 안전장치’라는 이름에서 확인할 수 있듯이 에어백은 안전밸트의 보조장치일 뿐 입니다.

 

아무리 에어백이 잘 장작된 차라 할 지라도 안전밸트는 필수인 것입니다. 앞서 설명드렸듯이 에어백이 온전히 부풀어 올라서 충격을 최대로 흡수할 수 있을 때까지 걸리는 시간은 약 0.04초 정도이며, 충돌이 일어나는 찰나의 순간에 이 0.04초를 벌어주는 것이 바로 안전벨트인 것입니다.

 

이 시간이 0.01초만이라도 모자르게 되면 에어백이 부풀어오르고 있는 도중에 몸이 앞으로 튕겨져 나가 부상을 당하게 됩니다. 

 

가스가 폭발하는 압력을 그대로 전달받기 때문에 부상을 최소화 할 수 없게 될 뿐만 아니라, 고온 가스와의 직접적인 접촉, 그리고 에어백 표면과의 심한 마찰로 인하여 화상이 더 심해질 수도 있습니다.

 

차량 사고시 우리의 생명을 지켜주는 에어백, 하지만 '안전밸트 착용없이는 에어백도 안전을 보장해 줄 수 없다'는 사실 꼭 명심하시고 오늘도 안전운전하시기 바랍니다.

 

석준영.gif

석준영 (비센학원장)

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