자동차 안전장치의 발달사

1886년 독일의 Daimler가 최초의 가솔린 자동차를 발명한 이래 2010년 현재 전세계적으로 8.3억대의 자동차가 운행되고 있습니다. 유럽 및 미국의 교통환경은 자동차 시대가 출현하기 이전인 1860년대에 지하철 시대가 시작되었으며, 지동차가 출현하기 이전 약 200여년부터 마차 시대를 거쳐 자동차 시대로 접어들게 되었습니다. 그러나 우리나라는 1903년 고종황제가 캐딜락을 도입하면서 자동차 역사가 시작되었습니다. 초기의 자동차는 겨우 말이 없는 운송수단에 불과했으며, 조작성능, 성능 및 제동이라는 개념은 중요한 사안이 아니었습니다.

  자동차가 태동되던 시절에는 도로에 마차와 공존하는 시기를 거쳤는데, 말은 어느 정도 지능이 있어 주인의 의중을 어느 정도 파악하고 행동을 하였지만, 초기의 자동차는 지적 능력이 전혀 없어 운전자가 모든 것을 제어하여야 했습니다. 제동장치와 조작성능이 형편없는 자동차를 운전자가 제어하는 것은 쉬운 일이 아니었습니다. 최초의 자동차 사고로 1896년 8월 런던에서 44세 여성이 보행사고로 숨진 것으로 알려져 있습니다. 또한 최초 탑승자 사망사고는 <그림 1>과 같이 1899년 2월 런던에서 발생하여 2명이 숨진 것으로 기록되었습니다.

<그림 1> 최초의 자동차 탑승자 사망사고(1899년 2월, 런던)

  20세기가 시작될 무렵 약 1만여대의 자동차가 운행되었으며, 5년 뒤엔 Henry Ford의 자동차 대량생산에 힘입어 약 2배로 늘어나게 되었습니다. 이때부터 자동차는 많은 사람들에게 자유롭게 이동할 수 있는 삶의 영향권을 미치기 시작하였습니다. 1,2차 세계대전 동안 군수산업에 치중했던 엔지니어들이 자동차 산업으로 대거 이동하면서 자동차 산업은 재도약을 하게 되었습니다. 그러나 1950~1960년도 중반까지 늘어나는 자동차 수와 함께 수많은 사람들이 교통사고로 희생을 당하게 되었습니다. 교통사고 사망자수가 급격히 늘어나게 되자 미국 및 유럽을 중심으로 자동차안전기준이 제정되고 자동차의 안전도가 급격히 향상되어 오늘에 이르게 되었습니다<그림 2>. 그러나 여전히 도로 교통사고로 인한 사망자는 전 세계적으로 연간 120만여명에 이르고 있습니다(우리나라는 2010년에 5,505명이 사망하였다).

<그림 2> 안전장치 발달단계

□ 초기의 안전장치
 야간 운행의 필요성에 따라 전기식 전조등이 개발되었습니다. 전조등 위치도 초기에는 운전자의 눈 위치보다 위쪽에 있었습니다. 이 경우 전조등을 비추어도 그림자가 잘 발생하지 않아 도로의 상태를 제대로 알 수 없음을 알게 되어 현재와 같이 전면부 하단으로 오게 되었습니다. 제동장치는 기계식에서 유압식으로 바뀌면서 제동력이 향상되었습니다.

  자동차가 출현한 초기에는 상당부분 나무재질을 사용하다가 철 재질로 바뀌게 되었습니다. 당시는 차체가 파손되지 않도록 단단하게 제작하는 것이었습니다. 이는 오늘날의 사고시 차체가 찌그러지면서 충격량을 흡수하는 개념과는 거리가 있습니다. 1952년에 이르러 승객이 타고 있는 공간은 충돌사고시 찌그러지지 않고 단단하게 설계하고 앞뒤 차체는 충돌 에너지를 흡수할 수 있도록 변형되는 구조로 설계하여야 하는 개념이 나오게 되었습니다. <그림 3>에서 왼쪽 그림은 기존 개념이고 오른쪽 그림은 서로 차체 앞뒤와 승객 거주공간이 다른 강성 개념을 도입하여야 함을 의미합니다. <그림 4>는 충돌시 차체가 받는 외력을 나타내고 있습니다.
 

<그림 3> 충돌시 차체 변형에 관한 특허
 

<그림 4> 충돌시 차체가 받는 외력

탑승자의 안전을 크게 향상시킨 것 중의 하나는 기존의 열 강화 유리에서 접합 앞면창유리를 채택한 것입니다. 초기의 자동차는 앞면창유리(windshield)가 없어 주행중 곤충이나 먼지 등을 피하기 위해 고글을 착용하였습니다. 초기의 자동차는 속도가 늦었으나 속도가 증가하면서 앞면창유리의 필요성이 대두되어 1900년대 초에 일반 유리로 된 앞면창유리를 장착하게 되었습니다. 그러나 충격으로 인해 유리파편이 튀어 승객이 다치거나 죽게 되었습니다. 이를 해결하기 위해 1927년에 접합 앞면창유리가 도입되었는데 두 개의 유리판 사이에 수지 층을 넣어 유리 파손시 파편방지와 탑승자가 튕겨져 나가는 것을 방지하게 되었습니다<그림 5>.

<그림 5> 열강화 앞면창유리 및 접합 앞면창유리

□ 내장장치(조향장치/계기판넬)
  내장 구조물에 대한 효과에 대한 연구는 경량 비행기에서 먼저 시작되었습니다. 당시 비행사들은 비행기 사고는 비행 조종기술 미숙에 따라 발생하며, 사상자는 운이 없어 발생한다고 여겼습니다. 그러나 1917년에 젊은 미국 엔지니어인 H. DeHaven은 “운은 더 나은 엔지니어링과 설계로 바꿀 수 있다”고 주장하였으나 당시에는 받아들여지지 않았습니다. 1950년대에 비로소 자동차를 정상 운행할 정도로 안전하게 설계하고, 운전자는 잘 훈련받아 면허를 취득하고 도로 위험요인을 제거한다면 사고는 발생하지 않을 것이라고 사람들은 믿었습니다. 그러나 사고는 더 많이 발생하고 탑승자는 <그림 6>과 같이 계기판넬, 조향장치 등 내장재에 부딪혀 사상자는 속출하게 되었습니다. 

  이와 같이 엔지니어들은 어떻게 상해를 줄일 수 있는지 각종 시험을 통하여 사고시 운전자는 단단한 조향칼럼에 의해 상해를 입는 것을 알게 되었습니다. 충돌 사고시 조향칼럼이 접혀지거나 에너지를 흡수하는 구조물에 관한 특허는 <그림 7>과 같이 1930년대에 출원되었으나 기술적인 어려움으로 1966년에 실제 적용하게 되었습니다. 또한 내장재 역시 사고시 인체가 철로 된 재질에 부딪힐 때 상해를 줄일 수 있도록 에너지를 흡수할 수 있는 충격흡수재로 감싸게 되었습니다.  

<그림 6> 충돌 사고시 운전자의 충격에 의해 변형된 조향 휠

 

<그림 7> 1930년대 충격흡수형 조향장치 특허(예)

□ 안전띠
  안전띠는 20세기초에 항공기에 먼저 적용되었으며, 자동차 및 다양한 산업에 사용되고 있습니다. 그러나 초기에는 탑승자들이 쉽게 받아들이지 않았습니다. 초기에는 골반부위만 고정하는 2점식 안전띠가 도입되었습니다. 시간이 흘러 어깨띠가 개발되었는데 당시에는 어깨띠와 골반띠가 분리된 형태이었으나 1959년 스웨덴 볼보에서 지금과 같은 3점식 안전띠로 발달하게 되었습니다. 안전띠는 신체 중에서 충격을 잘 흡수하는 골반과 가슴뼈를 고정시키고, 사람이 차 밖으로 튕겨나가지 않도록 고정시키는 역할을 하도록 설계되어 있습니다. 안전띠에는 <그림 8>과 같이 운행시의 편의성과 사고시 승객을 신속하게 조여 주는 역할 등의 기능이 있습니다.
 

<그림 8> 안전띠 클램프 메커니즘 및 안전띠 프리텐셔너 구조

□ 에어백
  충돌시 승객의 상해를 줄이기 위한 방법으로 에어쿠션 개념이 에어백 개발의 시초가 되었습니다. 에어백은 사고가 일어난 것을 센서가 감지하면 0.05초라는 극히 짧은 시간에 공기 주머니가 부풀어 승객을 완화시켜주는 장치입니다. 최근에는 대부분의 승용차에 <그림 9>와 같이 운전석 및 조석 에어백이 기본으로 장착되어 있습니다. 에어백은 다양한 센서를 통하여 승객의 탑승유무, 에어백 최적 전개압력 등을 판단하여 작동하는 첨단에어백 등으로 발전하고 있습니다. 그 외에도 <그림 10>과 같이 측면/커튼 에어백 및 보행자 에어백 등이 있습니다.

<그림 9> 정면 에어백 개념도

<그림 10> 커튼 에어백 및 보행자 에어백(예시)

  에어백은 반드시 안전띠와 같이 사용되어야 그 효과가 크게 나타나며 사고의 다양성을 고려하면 모든 사고로부터 에어백이 승객을 보호해주는 것은 아닙니다. 정면 에어백의 사망자 감소효과는 <그림 11>과 같이 안전띠를 같이 사용하여야 효과가 극대화 되어 약 55%의 사망자를 줄일 수 있으나 안전띠 없이 에어백만 사용할 경우 사망사고의 감소효과는 13% 정도입니다.

 
<그림 11> 안전띠 및 에어백의 사망/중상 감소효과(출처 : 미국 NHTSA)

□ 맺는 말
그동안 수많은 안전장치가 개발되어왔고 최근에는 사고를 예방하거나 회피하는 다양한 능동안전장치가 소개되고 있으나 여전히 사상자는 많이 발생하고 있습니다. 따라서 교통사고로부터 ‘사망자 0(zero)’가 되는 날까지 자동차 안전도 분야는 계속해서 발전되어야 할 것입니다. 


작성자 : 최영태 실장(수석연구위원)