[과학을읽다]에어백이 터지는데 걸리는 시간은?

에어백이 펴지는 시간은 0.04초에 불과합니다. [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]자동차의 '에어백(Air Bag)'은 사고가 났을 때 운전자와 탑승객자들의 생명을 지켜주는 장치입니다. 이 에어백은 자동차가 충돌을 감지한지 0.04초만에 펴집니다. 어떻게 이렇게 빨리 펴질 수 있을까요? 그리고 충돌사고가 났지만 어떤 때는 펴지고, 어떤 때는 펴지지 않을 때가 있습니다. 그 기준은 무엇일까요?

에어백의 작동 조건은 차량에 따라 약간씩 차이가 있습니다. 일반적으로 안전벨트를 착용한 상태에서 좌우 30도 범위를 벗어나지 않는 각도로, 유효 충돌속도가 30㎞/h 이상일 때 펴집니다.

그러나 20㎞/h 이하의 저속에서 가벼운 접촉사고가 나거나, 후방에서 충돌했을 때, 차량이 전복하는 등 에어백 센서를 벗어나 충돌했을 때, 면적이 좁은 물체와 충돌했을 때는 에어백이 작동하지 않습니다. 반면, 갑자기 바퀴가 빠져 충격을 받거나, 주덩이에 빠지면서 충격을 줄 때는 에어백이 터질 수도 있습니다. 센서를 자극하느냐에 따라 달라지는 것이지요.

에어백은 1952년 미국 해군에서 엔지어니로 일하던 존 W. 헤트릭이 갑작스런 사고에 앞좌석에 앉은 아내와 딸을 보호하기 위해 팔을 뻗어 둘을 보호하게 되는데 이 순간 안전밸트 만으로는 자신의 가족들을 지킬 수 없다는 사실을 깨닫게 됩니다.

이에 패트릭은 수십년 동안 자동차 사고로 인한 부상을 줄이기 위한 안전장치에 대한 연구를 계속하게 되는데 그 해 결국 압축공기를 사용해 에어백을 팽창시키는 방법을 개발해 1953년 특허를 취득하게 됩니다. 그 후 1960년대에는 에어백 안전망시스템과 충돌감지센서가 개발됐고, 1970년대 들어서는 포드사와 제너럴모터사에서 차량에 에어백을 장착하기 시작합니다.

에어백이 펴지는데 걸리는 시간은 불과 0.04초. 이렇게 빨리 에어백이 펴지는 비결은 나트륨과 질소로 이뤄진 '아지드화나트륨(NaN3, Sodium azide)'에 있습니다. 아지드화나트륨은 350℃ 정도의 높은 온도에서도 불이 붙지 않고, 외부의 충격에도 폭발하지 않는 안정적인 화합물이어서 차내에 오래 저장해도 아무런 문제가 없는 안전한 물질입니다.

그런데 이런 안정된 화합물인 아지드화나트륨에 '산화철(Fe2O3)'이 섞이면 격렬한 반응을 보여주면서 질소를 생성하게 됩니다. 에어백은 바로 이 원리를 이용한 것이지요.

에어백 장치에는 접혀있는 에어백, 아지드화나트륨 캡슐, 그리고 약간의 산화철과 기폭 장치가 들어있습니다. 충돌하면 센서가 전류를 발생시켜 점화기(기폭장치)가 작동해 순간적으로 높은 열이 발생하면서 불꽃이 생깁니다. 이 때 아지드화나트륨 캡슐이 터져 산화철과 반응해 아지드화나트륨은 순식간에 나트륨과 질소로 분해됩니다.

아지드화나트륨 초기질량의 65% 정도가 질소로 분해되는데 이 질소가 에어백을 채워 부풀게 하는 것입니다. 이 모든 과정이 불과 0.04초만에 이뤄진다고 하니 놀라울 따름입니다. 충돌신호를 전기적 신호로 바꿔 기폭장치가 작동하는데 0.01초가 걸리고, 두 화합물이 반응해 질소 가스가 팽창하는데 0.03초가 걸려 모두 0.04초면 충분하다고 합니다.

에어백은 안전밸트를 반드시 매야 만 제대로 효과를 발휘합니다. [사진=유튜브 화면캡처]

그런데 여기서 한 가지 문제가 생깁니다. 아지드화나트륨에 포함된 고체상태의 나트륨은 물과 접촉하면 폭발 반응을 일으키는 매우 위험한 물질입니다. 사고 후 2차 폭발사고로 이어질 위험이 있는 것이지요. 과학자들은 이 부분을 다른 물질을 더 섞어 해결합니다.

에어백 장치 속에는 소량의 질산칼륨과 이산화규소 등이 함께 들어 있는데 이들 성분이 2차 반응하면서 폭발 반응이 낮은 물질로 합성되기 때문에 폭발의 위험성은 없다고 합니다. 그리고, 급격한 팽창으로 인한 질식의 위험도 없습니다. 질소 가스는 팽창된 이후 곧바로 에어백의 작은 구멍사이로 빠져나가도록 설계돼 질식이나 탈출에 방해가 되지 않습니다.

다만, 에어백은 화약이 터지는 원리와 비슷해 에어백이 터지는 장치와 너무 가까이 앉아있을 경우에는 굉장히 빠른 속도로 부풀어 오르는 에어백 때문에 찰과상이나 화상을 입을 수도 있습니다. 만약, 안전벨트를 매지 않은 상태에서 에어백이 전개된다면 탑승자의 목 부분이나 안면부에 치명상을 입힐 가능성이 있고, 대상이 어린 아이라면 생명을 잃을 가능성도 있다고 합니다.

에어백은 안전벨트와 함께 해야 그 효과를 발휘할 수 있다는 말입니다. 또 에어백이 터지는 속도가 빠른 만큼 에어백 장치 주변에 다른 물건이 있다면 아주 빠른 속도로 날아갈 위험성도 있습니다. 장치 근처에 물건을 두지 않아야 하고, 운전할 때는 몸을 너무 앞으로 내밀거나, 너무 뒤로 젖히는 것도 바람직하지 않습니다.

에어백은 안전밸트와 함께 생명을 지키기 위해 만든 보조 장치입니다. 안전밸트를 하지 않으면 에어백은 소용이 없다는 사실 명심해야 하지 않을까요?

김종화 기자 justin@asiae.co.kr