지난 10년 동안 자동차는 운전자, 탑승자, 사이드, 윈도, 무릎 보호 등 보드에 10개의 에어백을 탑재할 수 있게 됐다. 현재 유럽과 북미의 에어백은 충돌 상황에 따라 에어백의 팽창 정도를 조절하는 듀얼 스테이지(dual stage) 에어백으로 발전해 있다. 예를 들어 Volvo S80은 듀얼 스테이지 운전자 및 탑승자 에어백, 듀얼 스테이지 챔버 사이드 에어백, 사이트 커튼 에어백 및 무릎 에어백을 탑재하고 있다.

에어백의 지능화

그런데 이 듀얼 스테이지 에어백은 상대적으로 경미한 사고에서도 에어백을 팽창시켜 차를 손상시키는 약점을 지니고 있다. 경미한 사고에 팽창함으로써 인테리어 트림의 순수 교체 비용이 매우 커지고 있다. 이는 보험금융 산업에 민감한 부문이 되고 있다. 이같은 이유로 인해 최근의 에어백에는 지능형 에어백 센서와 컨트롤러가 장착되기 시작했다.
에어백 수가 증가하면서 정교한 센서 시스템 및 제어 장치의 개발은 필수가 됐다. 폭스바겐의 페이튼(Phaeton)의 에어백 릴리즈 시스템은 두 개의 내부 가속 기록계와 차량 외부에 6개의 위성 센서를 둔 제어장치를 포함한다. 각 센서는 평가 및 릴리즈 신호를 관장하는 제어 알고리즘으로 수직 및 수평 가속을 측정한다. 이같은 측정의 목적은 고속 충돌 발생 시 탑승자에 가해지는 부하를 줄이는 동시에 적정 속도에서의 충돌 보호 기능을 최적화하기 위함이다. 페이튼의 도입으로 폭스바겐은 세계 최초로 좌측 및 우측 프런트 헤드라이트에 인접한 두 개의 충돌 센서를 구현한 메이커가 됐다.
2008년식 메르세데스 벤츠 E-Class의 에어백 관리 시스템은 다중 충돌 센서를 사용해 작동 타이밍 및 속도를 제어한다. 이 시스템은 조수석 탑승자의 중량을 고려해 충돌 강도에 따라 안전벨트 프리텐셔너를 조절한다. 에어백 작동을 제어하는 센서 시스템은 IEE에 의해 제작됐다. BodySense™ 시스템은 좌석의 탑승 상태를 모니터링 하고, 좌석의 전기장 센서를 사용해 탑승자를 구분한다. 시스템은 아이들이 앉는 좌석이나 빈 좌석에 대해 에어백 방출을 억제할 수 있다. 현재 탑승자 구분을 위한 BodySense™ 등의 도입은 지능형 에어백 작동에 대한 미국의 도로교통안전국(NHTSA)의 연방자동차안전기준(FMVSS) 208 규정에 의해 주도되고 있다.
벤츠의 시스템은 또 프런트 센서를 통해 자동차가 트럭 밑에 들어가는 유형의 사고에 대해 보다 신속한 보호 반응을 할 수 있도록 한다. E-Class는 이같은 형태의 사고를 감지하고 데이터를 구속 시스템의 중앙 제어 모듈에 즉시 전달할 수 있도록 롤오버 센서(트랜스미션 터널에 장착)를 세계 최초로 탑재했다. 센서의 케이싱 내부에는 전기 자극에 응답하고 유사한 형태로 튜닝 포크에 진동을 전달하는 금속 봉을 둔다. 차량 전복 시 동작하는 코리올리(회전 시스템 내 관성력)의 힘은 ‘튜닝 포크’의 주파수를 변경한다. 제어장치에 의한 전기 측정을 통해 이러한 변화를 감지하고 보호 시스템이 즉시 활성화된다.

안전벨트

안전벨트의 착용은 현재 전세계적인 표준으로 자리잡았으나, 여전히 법적으로 착용을 강제하는 것에 대한 반대도 존재하고 있다. 안전벨트는 충돌 시 중상 부상 위험을 60~70%, 사망 위험을 약 45% 줄이는 것으로 평가된다. 전복으로 인한 非 충돌의 경우엔 사망사고를 약 75% 줄인다. 미국은 안전벨트가 연간 1만 명 이상의 생명을 구하고 20만 건의 사고 부상을 방지하는 것으로 평가하고 있다. 예를 들어 미국의 2007년 도로 사망 통계치에 따르면, 자동차 충돌로 인한 사망자는 3만 7,248명인데, 이 중 30%는 안전벨트를 착용하지 않은 사람들이었다.
안전벨트 착용을 매우 싫어하는 사람들도 존재한다. 스웨덴의 함스타드(Halmstad) 대학이 수행한 임산부 안전벨트 착용 실태에 대한 연구는 다양한 결론을 보여준다. 조사 대상자 139명 중 한 명을 제외하고 모두 임신 전엔 안전벨트를 사용했었다. 출산이 임박한 시점에서는 여러 임산부가 안전벨트를 덜 착용했다. 이는 착용 상태의 거북함, 뱃속의 아기에 대한 영향, 그리고 벨트 착용의 어려움 등 때문이었다. 임신 후반기에는 전체 임산부의 약 절반가량이 벨트가 아래쪽에 머물지 않고 복부 위로 이동하는 문제를 경험했다.
미국에서도 유사한 조사를 수행했는데, 조사 대상 200명 중 대다수가 마찰, 위로 올라감 등을 이유로 안전벨트 착용의 불편함을 호소했다. 미국 여성의 상당수는 벨트가 불편을 초래해 임신 시 착용을 중지할 것이라고 답했다.
스마트 안전벨트는 2001~2002년에 오토리브(Autoliv)와 IEE에 의해 최초로 도입돼 현재 자동차의 표준 사양으로 정착됐다. 오토리브의 스마트 안전벨트는 충돌 정도와 에어백의 구속력에 따라 구속력을 적절히 대응시킨다. 1995년에 안전벨트 시스템에 도입된 정적 부하 리미터를 통한 경험으로부터 스마트 안전벨트의 리액터는 기어박스에 탑재돼 안전벨트 이동 범위를 제어한다. 충돌 시 스마트 안전벨트는 대부분의 현대식 안전벨트 시스템과 같이 파이러테크닉(pyrotechnic) 프리텐셔너를 이용해 벨트를 최대 15 cm 조임으로써 기동한다. 느슨함을 없애고 탑승자에 대한 부하가 과도하게 커지면, 이후 단계에서 조임을 완화시킨다.
기존 시스템에서 안전벨트 및 에어백의 탑승자에 대한 부하는 에어백이  탑승자를 구속시키기 시작할 때 각각 상호 더해진다. 그러나 스마트 안전벨트의 경우, 시스템은 두 번째로 가벼운 기어로 전환되어 상대적으로 구속력을 일정한 수준으로 유지한다. 기어의 전환은 상대적으로 넓은 시간 범위에서 가변될 수 있다. 보다 경미한 충돌 시 가벼운 토크로 전환하기 전에 4만초 동안 첫 번째 기어에서 스마트 안전벨트를 충분히 구동할 수 있다. 그러나 극심한 충돌 시 기어의 변경은 보다 이후에 발생해야 한다. 부하 리미터의 여기가 충돌의 정도에 따라 조정될 때 전면 에어백을 제어하는 센서는 동일한 센서가 사용되지만 에어백 제어 장치의 소프트웨어 프로그래밍이 업그레이드 돼야 한다.
스마트 안전벨트는 특히 노약자에게 유리하다. 60세 노인의 흉곽은 20대 때의 신체에 비해 절반 수준의 부하를 견딜 수 있다. IEE가 개발, 생산한 스마트 안전벨트 리마인더 시스템은 경고등과 오디오 신호를 발생시켜 탑승자가 안전벨트를 매도록 주지시킨다. 또 시스템은 자동차가 이동 중에 누군가가 안전벨트를 풀면, 탑승자 및 운전자에게 주의를 줌으로써 안전성을 향상시킨다. Euro NCAP은 탑승자 측 안전벨트 경고 시스템을 안전 요소로 선정했다.

뒷좌석 안전벨트

뒷좌석 안전벨트 시스템은 충돌의 최대 쟁점부가 전방 충돌이고 뒷좌석 탑승자는 충돌 위치로부터 거리가 있어 부상 위험이 낮기 때문에 앞좌석 시스템에 비해 상대적으로 관심을 덜 받아왔다. 그러나 NHSTA의 연구는 50세 이상의 뒷좌석 탑승자의 경우 에어백으로 보호되는 앞좌석보다 부상 위험이 클 수 있다고 경고했다. 뒷좌석 탑승자는 차량의 후방 충돌, 측면 충돌 또는 전복 시 큰 위험에 노출된다. 뒷좌석에는 대체로 에어백, 프리텐셔너, 3점식 안전벨트 그리고 조절형 머리 지지대 등이 장착되지 않아 부상 위험이 증대되고 있다.
후방 충돌은 승용차 충돌 중 두 번째 높은 빈도를 차지하지만, 대부분의 후방 충돌이 저속에서 발생하기 때문에 중상 및 사망률이 극히 낮다. 그러나 측면 충격, 충돌 및 전복 사고는 전방 충돌보다 부상 및 사망 사고율이 높아 뒷좌석 탑승자와 관련한 보다 높은 관심이 요구되고 있다. 뒷좌석 중앙에 널리 탑재되는 랩 벨트는 현재 복부, 척추, 머리 부상에 대한 우려로 점차 사라지고 있다. 미국의 경우 리어 3점 아웃보드 숄더 벨트가 1989년부터 요구돼 왔고 2008년이 되면서 필수사양이 됐다.
최적의 보호 성능을 위해선 안전벨트는 탑승자에게 잘 맞아야 하지만 뒷좌석 안전벨트는 뒷좌석의 구조와 벨트 자체의 고정 장치로 인해 탑승자에게 잘 맞지 않는 경향이 있다. 상반신이 짧은 성인에게는 벨트의 착용 어깨부가 너무 높아 목에 걸쳐 질 수 있고, 표준 체형의 성인은 좌석 자체 구조로 인해 랩 벨트 착용 높이가 너무 높을 수 있다. SAE가 발표한 연구에 따르면, 표준 3점식 구조는 뒷좌석 탑승자를 위해 역전되면 보다 효과적일 수 있다. 따라서 벨트의 어깨띠는 차량의 중앙 쪽으로 장착된다. 구조는 보다 다양한 탑승자에 대한 안전벨트의 형태학적 특성을 향상시키고 편안하게 하며, 보호성능을 향상시키는 것으로 확인됐다. ‘역전형 숄더 벨트 형태’는 1980년대 후반부터 1990년대 후반까지 일부 BMW 모델에 사용됐다. 그러나 BMW가 뒷좌석 중앙 탑승자를 위해 3점식 벨트를 추구함으로써 사용이 중단됐다. 세 개의 인보드 숄더 벨트는 혼란을 야기할 수 있고 접이식 뒷좌석을 갖는 모델의 간섭이 발생할 수 있다는 이유였다.
사브는 사브 서플러멘터리 벨트(Saab Supplementary Belt, SSB)를 제공한 바 있다. 이 컨셉은 각 앞좌석 등받이 상단의 인 보드 측에 장착된 추가 2점식 숄더 벨트를 특징으로 한다. 탑승자의 가슴을 교차해 풀다운 되었으며 기존 3점식 하네스의 추가 옵션으로 사용됐다. 또 프리텐셔너로도 동작했다. 브레이크 페달의 가속도계를 통해 작동된 것처럼 급제동이 발생하면 느슨함을 죈다. 그러나 사브는 3점식 모드와 완전 4점식 모드로 동작하는 시스템의 부적합성으로 인해 SSB의 개발을 포기했다. 시스템은 탑승자의 가슴부에 보다 큰 부하를 가중할 때 잠재적으로 심각한 가슴 부상을 야기할 수 있고, 벨트의 탄성은 3점식 또는 4점식 용도에 대해 최적화될 수 있으나, 두 경우 모두에 대해선 그럴 수 없었다.
포드는 소형의 튜브형 에어백을 갖는 팽창 형 안전벨트를 개발, 시험했다. 포드는 이 시스템이 갈비뼈 골절과 목 부상으로부터 특히 노인 탑승자를 보호할 수 있을 것으로 봤다. 에어백은 전면 및 측면 충격 시 펼쳐지고 전복사고 시 보호를 위해 장기간 펼쳐진 상태로 유지된다.
능동형 머리 지지대

1997년 사브 9-5에 의해 세계 최초로 도입된 능동형 머리 지지대(active head restraint)는 그 실제적인 차이에 대해 많은 연구가 진행됐다. 스웨덴의 보험회사인 다이얼(Dial)은 기존 머리 지지대가 탑재된 초기 사브 모델과의 성능비교 연구를 수행했다. 1998년 9월부터 2000년 4월까지 18개월 동안 스웨덴 도로에서 발생한 교통사고에 대한 연구가 수행됐으며, 1회성 후방 충돌이 고려됐다. 전체 사례의 약 80%에서 자동차는 정지 상태였다. 부상은 1주일 간 지속되는 단기 부상, 10주까지 지속되는 중기 부상 그리고 10주 이상 지속되는 장기 부상으로 구분됐다.
표준 헤드레스트가 장착된 사브 900/ 9000은 85건, 능동형 머리 지지대가 장착된 사브 9-3 및 9-5 모델은 92건이었다. 보고서에 따르면, 900/9000 그룹의 경우 47%가 어떠한 부상도 없었으며, 9-3/9-5 그룹은 59%로 25% 향상된 결과를 나타냈다. 단기 부상의 정도는 두 그룹이 비슷한 양상을 나타냈다. 그러나 중장기 부상은 75% 향상된 결과를 보였다. 900/9000 그룹은 중장기 부상을 호소한 사람이 15명이었는 데 반해, 9-3/9-5 그룹은 4명 수준에 그쳤다. 장기 부상 사례의 경우, 9-3/9-5 그룹은 총 세 명이 기존 편타 부상 상태였고 더 이상 악화되지 않았다. 900/9000 그룹의 경우, 7명의 장기 부상자 중 5명이 기존 상태가 악화되었다고 호소했다. 흥미롭게도 능동형 머리 지지대를 사용한 한 여성은 어떤 편타 부상도 입지 않았으며 좌석 또한 수리 또는 교체할 필요가 없었다.
이 연구를 비롯한 다양한 연구 결과를 통해 능동형 머리 지지대는 올해 9월부터 미국 자동차의 FMVSS 202 요건이 돼 필수요건이 될 예정이다. 또 뒷좌석도 능동형 머리 지지대가 필수요건이 될 전망이다.

탑승자 감지 시스템

미국의 법은 현재 미국에서 판매되는 차량에 대해 첨단 에어백 시스템, 에어백 팽창을 제어하는 탑승자 감지 시스템(occupant detection system)을 탑재하도록 규정하고 있다.
수동 온/오프 스위치 시스템과 달리 수동형 탑승자 감지 시스템은 적절한 팽창 결정을 위해 운전자 또는 탑승자의 간섭, 동작을 요구하지 않는다. 또 충돌 성능 및 편안함에 영향을 주지 않고 모든 형태의 좌석에 공통적으로 적용할 수 있다.
델파이는 에어백 팽창을 제어하기 위한 FMVSS 208 인증 탑승자 감지 시스템을 도입한 최초의 서플라이어이다. 재규어는 2001년형 모델에 PODS(Passive Occupant Detection System)를 도입했다. PODS는 좌석 쿠션 아래 장착돼 압력 센서에 연결된 실리콘 블래더(bladder)를 사용해 앞좌석 탑승자의 중량을 측정한다. 이를 통해 좌석이 빈 상태이거나 어린이석에 어린이 또는 아기가 앉아 있을 경우 에어백 제어 시스템이 에어백 팽창을 억제한다. 이 시스템은 탑승자에 따라 적절한 보호 성능을 강화하는 동시에 불필요한 에어백 팽창을 피함으로써 차량 수리 비용을 줄여준다.
좌석 정보를 보완하고 자극별 에어백 팽창을 최적화하기 위해 적외선 및 초음파 기반 시스템이 개발되고 있다. 루프 모듈에 장착된 센서가 대시보드와 탑승자 간의 거리, 그리고 앉은 자세를 결정한다. 탑승자가 부적절한 위치에 있는 경우 에어백은 1단계만 동작하거나 전혀 작동하지 않을 수 있다.
센사타(Sensata Technologies)는 보다 정확한 안전벨트 경고 시스템을 설계할 수 있는 다양한 탑승자 감지 방식을 개발하고 있다. 여기에는 다양한 설계 폭을 제공하는 압전 센서 및 단결성 실리콘 변형계(monocrystalline Silicon Strain Gauge) 센서가 포함된다. 압전 센서는 사람과 상자 또는 야채바구니 등 물체를 구분하지 못해 잘못된 안전벨트 착용 경고를 발생시키는 중량 감지 시스템의 문제를 해결한다. 좌석 쿠션 아래에 장착된 패드와 쉽게 결합돼 전자 모듈에 입력을 제공하는 압전 와이어는 인간의 주파수 응답을 감지하고 탑승자의 상대적 위치를 결정할 수 있다.
IEE의 BodySense™ 시스템은 자동차 좌석의 탑승 상태를 모니터링 하고 좌석의 전기장 센서를 사용해 탑승자를 구분한다. 다이나디스(Dynadis™) 제품은 자동차의 중앙 오버헤드 콘솔에 위치한 비전 센서로서 동적 탑승자 감지 및 구분을 위한 실시간 지형학적 이미지를 전달한다. 애플리케이션은 광학 3D-MLI Sensor™ 기술을 기초로 적용해 광학 "Time Of Flight" 원리를 사용한다. 시스템은 근적외선 범위에서 발광을 사용하는 "Modulated Light Intensity" 기술을 적용한다. 변조광 반사는 매트릭스 형태의 CMOS-CCD 기술로 구현된 분광 픽셀 구조에 의해 측정된다. 방출 및 반사광 간의 상 이동은 시스템의 FOV (Field of View)의 물체에 대한 직접 거리 정보를 제공한다. Dynadis™ 센서는 거리 값 매트릭스를 만들며 이는 컨트롤러 장치로 전송된다.
거리 데이터는 탑승자 또는 물체의 정확한 공간 위치를 제공한다. 지형학적 이미지는 거리 값 매트릭스로부터 구해지고, 이는 3D 컨투어 기반 분류를 제공한다. 2D 이미지 처리의 주요 문제인 물체와 텍스처 또는 그림 간의 잘못된 해석은 지형학적 데이터에 의해 해결된다. 3D 거리 데이터는 직접 3D 매트릭스 센서 출력이 가능하고 추가 이미지 처리를 요구하지 않는다.
VISS(Vision-based Interior Sensing System)는 델파이의 차세대 탑승자 감지 시스템으로 보다 정확한 탑승자 크기 구분 및 위치 감지 기능을 제공한다. 시스템은 윈드 스크린 레일에 장착된 다중 카메라 시스템을 사용해 조수석 탑승자를 모니터링 한다. 카메라들은 초당 최대 50개의 흑백 이미지를 디지털 신호 처리 시스템에 전송하며, 디지털 신호 처리 시스템은 장면을 빈 좌석, 뒤를 바라보는 유아석, 앞을 바라보는 유아석, 제 위치의 어린이, 제 위치에 있지 않은 어린이, 제 위치의 성인, 제 위치에 있지 않은 성인 등 7개의 범주로 분류한다. 이 시스템의 특징은 탑승자의 머리 및 상체를 인식하고 이동시 머리의 위치를 추적할 수 있는 기능이다. 시스템은 탑승자가 부분적으로 가려진 경우에도 탑승자의 머리 위치를 추정하기 위해 다른 신체 특징의 위치 데이터를 사용하는 동적 추적 기능을 제공한다.
머리 위치는 탑승자의 정위치 여부를 판단하는 중요 기준이다. 특정 충돌 상황에서는 에어백의 작동을 억제할 필요가 있다. 델파이에 따르면, 이 시스템은 차량 구조와 결합이 용이하고 설치가 쉬우며 심각한 충돌 후 의료진에게 탑승자 데이터를 제공할 수 있도록 텔레매틱스 시스템과 결합해 이미지를 병원에 직접 전송할 수도 있다. 또 차량에 갇힌 사람 또는 동물의 이동 상태를 감지할 수 있으며 윈도를 내리고 도어 잠금 상태를 해제하기 위해 서비스 센터에 접속하는 등 적절한 대응 수단을 강구할 수 있다.
TRW의 탑승자 감지 비전 시스템 또한 탑승자의 머리 위치를 파악, 추적해 동적 정위치 이탈 감지를 수행할 수 있다. 비전 탑승자 센서가 탑승자의 위치를 에어백 동작에 부적합한 위치로 판단하는 경우 에어백 작동은 억제된다. 시스템은 스테레오 카메라를 사용해 오버헤드 콘솔의 장착 위치에서 차량 실내를 모니터링 한다. TRW는 경제적인 차량용 DSP(Digital Signal Processing) 마이크로 프로세서를 사용하며 북미 및 아시아에서 탑승자 감지 비전 시스템 개발 계약을 체결했다.