Airbags (에어백)

교통 사고가 발생할 경우 안전벨트는 몸이 튀어나가지 않도록 고정해주지만, 고정되어 있지 않는 머리 부분은 목을 기준으로 회전하면서 핸들에 부딪히거나, 큰 부상을 야기할 수도 있다. 이를 방지하기 위해서 공학자들은 에어백을 생각해내게 된다.

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초기에는 위 사진과 같은 형태의 에어백이 제시되었다. 하지만 이런 형태는 사고가 발생했을 때 스프링이 사고가 났는 지를 잘 판단하지 못한다는 문제와, compressed air가 에어백을 빠르게 채우지 못한다는 문제 때문에 널리 사용되지 않았다.

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Allen K.Breed는 ball in-tube sensor를 통해서 사고를 잘 판단하지 못한다는 문제를 해결하였다. Ball in-tube sensor는 평소에는 자석을 통해서 ball의 위치를 고정하고 있다.

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그러다가 사고가 발생할 때, 차량은 감속을 하게 되고, ball은 inertia에 의해서 앞으로 굴러가게 된다. 해당 ball은 circuit을 연결시키고, 에어백 inflator에게 신호를 전달하게 된다.

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그리고 compressed air의 느린 반응성 문제는 Sodium Azide를 이용해서 해결하였다. Sodium Azide는 섭씨 300도 이상의 열을 받게 되면 매우 빠르게 gas 상태로 변하게 된다. 50g의 Sodium Azide는 70L의 질소를 발생시킨다.

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Sodium Azide를 핸들 뒤에 실린더에 채워 넣는다. Ball이 회로를 연결해서 전류가 흐르게 되면 안에 있던 얇은 resistant wire가 300도 이상으로 올라가게 되고, Sodium Azide가 폭발하면서 질소 가스를 만들어낸다. 이러한 과정은 에어백을 30ms 이내에 펼칠 수 있게 만든다.

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하지만 이러한 형태의 에어백은 두가지 문제점이 있는데, 첫번째는 바로 Sodium Azide의 폭발 이후에 만들어지는 가스가 유해하다는 것이다.

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해당 문제는 위 사진과 같이 Potassium Nitrate와 Silicon Dioxide를 넣어서 문제를 해결했다.

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두번 째 문제는 습기이다. Sodium Azide는 습기를 매우 잘 흡수하는데, 만약에 design stage나 manufacturing 과정에서 leakage가 있다면 Sodium Azide는 습기를 흡수하게 된다.

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그러한 상황에서 triggered 되면, violent explosion이 일어나 에어백을 뚫어버리고, 파편이 튀어 운전자가 다치게 된다는 문제점이 있다.

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요즘은 Sodium Azide 대신에 덜 유해하고, 습기에도 예민하지 않은 Guanidine Nitrate를 사용한다.

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이러한 변화에도, 만약에 위 사진처럼 pothole을 마주하게 되면 센서가 작동하고, 에어백이 펴진다는 문제점이 남아있다.

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따라서 지금은 capacitance-based method를 갖고 있는 MEMS sensor와 Wheel speed sensor, Gyroscopes, Brake pressure sensor, Seat occupancy sensor 등으로 부터 Electronic Control Unit (ECU)가 정보를 입력받고, 언제 gas generator를 작동시킬 지 판단한다.

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에어백은 뒷 부분에 두 개의 vent hole을 통해서 가스를 내보내며 deflate 하기도 하는데, 이를 통해서 운전자 몸의 속도를 줄인다.

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안전벨트를 안하고 있는 경우에 에어백이 안터지는 경우도 있다. 이는 에어백이 터지는 속도가 약 320km/h 이므로 안전벨트가 없이 에어백에 부딪히는 경우 더욱 큰 부상을 입을 수도 있기 때문이다.

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출처: https://www.youtube.com/watch?v=qCIes_xJdGo&list=WL&index=2&ab_channel=Lesics