1. 서 론

우리나라는 「교통약자의 이동편의 증진법」을 제정·시행하여 교통약자의 이동권 보장을 위한 제도적 기반을 구축하고, 휠체어 탑승이 가능한 교통수단의 확대 등 다양한 정책을 추진해 왔다. 교통약자가 이러한 교통수단을 이용할 경우, 차량 내 일반 좌석으로 옮겨 앉아 이동하거나 휠체어에 그대로 탑승한 상태로 이동하게 된다. 일반 좌석에 착석한 경우에는 차량 제작 단계에서 요구되는 안전 법규를 충족하므로, 일반 승객과 동일한 수준의 보호 성능이 확보된다. 그러나, 휠체어에 탑승한 상태에서 이동하는 경우에는 휠체어가 차량 좌석과 동등한 수준의 구조적 강도 및 충돌 안전성을 갖추고 있어야 하지만, 실제 충돌 사고나 비상 상황에서 휠체어 이용자의 상해 위험이 더 높은 것으로 보고되고 있다.^(1~5)

교통약자의 휠체어 탑승 이동과 관련하여 국내·외 법규는 차량 접근성, 휠체어 고정 위치, 대중교통 장비의 요구사항 등을 규정하고 있으나, 차량 내 고정 장치와 휠체어 간의 호환성 보장과 탑승자 보호 성능에 대한 요구 수준은 여전히 미흡하다. 이 한계를 보완하기 위해, 차량 좌석으로 사용되는 휠체어 및 휠체어 탑승자에 대한 안전성 평가 기준을 확립하려는 자발적 산업 표준의 개발과 개선 노력이 지속되고 있다.^(6,7)

이러한 국제적 자발적 산업 표준의 일환으로, ANSI/RESNA WC19⁽⁸⁾은 자동차 좌석으로 사용 가능한 휠체어의 규격과 시험방법에 관한 표준을 제공하고 있다. 이 표준은 SAE J2249⁽⁹⁾에서 누락된 자동차 좌석 역할을 보완하여, 차량용으로 설계되지 않은 휠체어에 대한 최소 요구사항을 제시하고 있으며, 휠체어 고정 및 탑승자 구속장치와 관련된 안전성을 강화하고 있다. 한편, 국내의 경우 수동 휠체어는 KS P 6113,⁽¹⁰⁾ 전동 휠체어는 의료기기 기준 규격⁽¹¹⁾에 따라 제작·판매되고 있으나, 차량 내 좌석 대체 사용을 전제로 한 안전성 확보를 의무화하고 있지 않다. 다만 ‘차량에서 사용될 수 있음’을 명시하는 휠체어에 한해 ISO 7176-19⁽¹²⁾ 준수를 요구하고 있다. 이와 관련하여 휠체어의 구조 안전성 규정에 근거한 연구로, 이용우 등⁽¹³⁾은 ISO 10542-1에서 정의된 대체 휠체어(Surrogate wheelchair)에 대하여 WC19의 평가 조건에 따라 유한요소해석을 통해 휠체어 프레임의 구조 강도 특성을 분석하는 연구결과를 제시하였으며, 장대진 등⁽¹⁴⁾은 전동휠체어에 대하여, ISO 7176-19에 따른 충돌 시험을 통해 프레임의 최적화 및 안전성을 검증하였다. 또한, 휠체어 탑승 승객에 대한 상해 및 안전성에 대한 연구로 김성민⁽¹⁵⁾ 등은 벨트 유형에 따른 탑승자 거동 및 상해에 대한 연구를 제시하였으며, 김경석⁽¹⁶⁾ 등은 ANSI/RESNA에서 규정한 3점식 벨트 적용 시 전방·측면 충돌에 대한 상해를 평가하였으며, 특별교통수단인 장애인 탑승 차량에 대하여 승객의 안전성 평가를 중심으로 한 연구도 보고되었다.^(17,18) 이러한 다양한 선행 연구에도 불구하고, 실제 국내에서 시판 중인 수동 및 전동 휠체어의 구조적 안전성과 탑승객의 상해 지표를 종합적으로 연계한 연구는 여전히 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내에서 실제 사용 중인 수동형 휠체어 3종과 전동형 휠체어 3종을 대상으로 슬레드(Sled) 시험을 수행하고 ISO 7176-19 표준과 자동차안전기준(KMVSS, Korea Motor Vehicle Safety Standards)에 근거하여, 차량 내 좌석으로 사용되는 휠체어의 구조적 안전성과 탑승자 상해 특성을 종합적으로 평가하였다.

2. 시험 대상 및 방법

2.1. 시험 대상 휠체어

국내에서 사용되는 휠체어는 수동형과 전동형으로 구분되며, 각각 KS P 6113:2022 및 의료기기 기준규격에 따라 관리되고 있다. 이러한 기준 규격에 따라 시판되는 휠체어 중 판매량, 제품의 형태 등을 고려하여 수동휠체어 3대, 전동휠체어 3대를 선정하였다. 선정 휠체어의 제원 및 형상은 Table 1과 같다.

Table 1.

Geometry and specifications of the tested wheelchairs

Type	Model No.	Dimension (mm) / Mass (kg)	Figure
Manual	A	L: 685, W: 1090, H: 935 / 17.0
	B	L: 1030, W: 640, H: 1110 / 20.0
	C	L: 980, W: 625, H: 910 / 11.0
Powered	D	L: 635, W: 1140, H: 1100 / 108
	E	L: 642, W: 1250, H: 1110 / 129
	F	L: 650, W: 1169, H: 1235 / 112

2.2. 충돌 Sled 시험 방법

ISO 7176-19 규정에 따라, 슬레드 시험은 48 km/h의 전방 충돌 속도를 기준으로 Fig. 1과 같은 감속도 펄스를 적용하였다. 감속도 펄스는 RESNA 및 ISO에서 시험기준으로 사용하고 있으며 충돌 이후 0.015 초에서 20 g를 초과해야 하며 0.08초에서는 28 g를 초과해서는 안 된다.

Fig. 1

Sled test impact pulse according to ISO 7176-19 and RESNA

탑승자 구속장치(WTORS, Wheelchair Tiedown Occupant Restraint System)는 4점 스트랩 고정 방식을 적용하였고, 승객 안전벨트는 3점식 벨트를 사용하였다. 무릎 벨트의 휠체어 고정점은 휠체어 후방 하단부 바닥면에 설치하였으며, 어깨 벨트의 차량 고정점은 SAE J2249에서 권장하는 높이에 따라 설정하였다. 또한 인체 모형(ATD, Anthropomorphic Test Device)으로는 Hybrid III 50 퍼센타일 성인 남성 더미를 사용하였다. Fig. 2는 탑승자 구속장치를 포함한 휠체어 Sled 시험장치를 보여주고 있다.

Fig. 2

Wheelchair sled test setup with occupant restraint system

2.3. 시험 평가 기준

충돌 시험의 평가는 ISO 7176-19 표준에서 규정한 성능 요구사항에 근거하여 수행하였다. 이 표준은 휠체어가 차량 좌석으로 사용될 때, 충돌 상황에서 탑승자를 보호하고 구조적 안정성을 유지할 수 있는지를 평가하기 위한 기준을 제시한다. 특히, 충돌 중 휠체어와 탑승자의 과도한 이동을 제한하는 능력은 탑승자 안전 확보와 차량 내부 구조물과의 2차 충돌 방지를 위한 핵심 요소로, ISO 7176-19에서는 휠체어 기준점(P점)과 ATD의 주요 신체 부위(무릎 중심, 머리의 전방·후방 위치)에 대한 수평 이동 허용 한계를 정의하고 있다. 또한, 휠체어는 충돌 하중 하에서도 좌석으로서의 기능을 유지하고 탑승자를 보호할 수 있는 충분한 구조 강도를 확보해야 한다. 이를 위해 충돌 후 휠체어는 직립 자세(Upright Position)를 유지해야 하며, ATD의 몸통 기울기는 수직 기준 대비 45° 이하를 유지해야 한다. ATD의 H점 평균 높이는 시험 전 대비 20% 이상 감소하지 않아야 하며, 이는 시트 구조 붕괴나 서브마린 현상(Submarining) 발생 여부를 평가하는 기준이 된다.

아울러, 2차 충돌로 인한 상해를 제한하기 위해, 질량이 150 g을 초과하는 부품이나 부속품은 충돌 중 분리되어서는 안 되며, 탑승자와 접촉 가능한 구성 부품은 날카로운 모서리를 형성하지 않아야 한다고 규정하고 있다. 추가적으로, ISO 7176-19에서 직접적으로 규정하지는 않지만, 머리 상해지수(HIC36), 흉부 가속도(Chest Acceleration), 경부 하중(Neck Force) 및 대퇴골 하중(Femur Force) 등 인체 상해 지표는 KMVSS(Korea Motor Vehicle Safety Standards) 를 준용하여 검토하였다. 이에 대한 세부 기준은 Table 2와 같다.

3. 평가 결과

3.1. 수동 휠체어

수동형 휠체어 3종(모델 A, B, C)에 대한 충돌시험 결과, 모든 모델의 인체 상해지표는 KMVSS 기준을 만족하였으나, ATD의 이동량은 허용 한계를 초과하여 ISO 7176-19의 요구사항을 충족하지 못하였다. Fig. 3의 시험 전·후 형상 비교에서 확인된 바와 같이, 충돌 후 휠체어의 등받이와 하부 프레임에서 구조적 변형이 관찰되었으며, 특히 모델 A와 C는 리바운드 구간에서 등받이 강도의 부족으로 파손이 발생하였다. 한편, 모델 B는 ISO 7176-19에서 규정한 휠체어 및 무릎의 전방 이동량 기준은 충족하였으나, 하부 시트 프레임의 강성이 불충분하여 ATD가 하단으로 이동하는 서브마린 현상 발생이 나타났다.

Fig. 3

Comparison of manual wheelchairs before and after the sled test

서브마린 현상은 탑승자가 무릎벨트 하단부 쪽으로 미끄러져 내려가면서 안전벨트가 신체를 효과적으로 구속하지 못하는 상태를 의미한다. 전방 충돌 시 휠체어는 관성하중에 의해 전방으로 이동하고, 후방 고정장치가 이를 지지한 시점에서 전방 이동량이 최대에 도달한다. 이후 안전벨트는 ATD의 전방 이동을 억제하지만, 충돌 후 리바운드 구간에서는 ATD가 하단부 시트 방향과 후방으로 복합 이동하게 된다. 이 과정에서 하부 시트 프레임의 강성과 강도가 충분하지 않을 경우, ATD가 시트 하단으로 과도하게 내려앉으며 벨트의 지지 범위를 벗어나게 된다. 그 결과, 탑승자가 벨트 아래로 미끄러져 휠체어 시트에서 부분적으로 이탈하는 거동이 발생한다.

모델 B에서 관찰된 서브마린 현상은 하부 시트 프레임의 강성 부족에 따른 좌석 형상 변화뿐 아니라, ATD와 랩벨트의 초기 기하학적 조건이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 시험 전 초기 자세를 검토한 결과, 수동 휠체어 A, B, C의 랩벨트 초기 각도는 각각 42.0°, 35.1°, 36.1°였으며, 초기 골반 각도는 각각 9.2°, 19.3°, 14.9°로 측정되었다. 이 중 모델 B는 세 모델 가운데 랩벨트 초기 각도가 가장 작고 초기 골반 각도는 가장 크게 나타나, 충돌 시 랩벨트가 골반을 안정적으로 구속하기보다 골반의 전방 회전 및 하방 이동을 충분히 억제하지 못한 것으로 판단된다. 또한 일반 차량용 좌석은 anti-submarining 기능을 고려한 쿠션 형상과 골반 지지 구조를 통해 충돌 시 탑승자의 하방 미끄러짐을 억제하도록 설계되는 반면, 수동 휠체어 좌석의 착좌면은 이러한 형상을 반영하지 못하므로 골반 지지 성능 확보에 상대적으로 불리하다. 따라서 H-point와 벨트 라우팅이 동일 수준으로 최적화되지 않은 경우, 충돌 시 골반 구속 성능이 저하되어 서브마린에 취약할 가능성이 있다. 본 시험에서 모델 B는 이러한 초기 자세 및 벨트 기하학적 조건, 그리고 충돌 시 하부 시트 프레임의 변형이 복합적으로 작용하여 서브마린 현상이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 차량 탑승용 휠체어는 구조적 완전성 확보와 함께 ATD의 착좌 자세를 안정적으로 유지할 수 있는 좌석 및 구속계의 기하학적 조건이 중요하며, 향후 안전성 강화를 위해 등받이와 하부 프레임의 보강뿐 아니라 착좌 자세에 대한 검토도 병행될 필요가 있다.

Table 3의 결과에서 모델 A와 C의 후방 머리 이동량값이 –973 mm와 –724 mm로 측정되어 허용 기준을 초과하였다. 후방 머리 이동량의 증가는 리바운드 구간에서의 휠체어, ATD와 WTORS의 복합적인 동역학 거동에 의해 결정된다. 전방 충돌 sled 시험에서 감속 초기에는 휠체어와 ATD가 관성에 의해 전방으로 이동하고, 이 과정에서 후방 tiedown 스트랩이 인장되며 전방 이동을 제어한다. 이후 감속 종료 후에는 인장된 tiedown 스트랩의 탄성 복원력, 휠체어 프레임의 탄성 회복, 그리고 sled 시스템의 반발 특성이 중첩되어 후방 방향의 rebound 거동이 발생하게 된다. 따라서 후방 이동량은 휠체어 구조 강성뿐 아니라 시험계의 동적 반발 특성에도 영향을 받는다. 그러나 모델 A와 C의 경우에는 리바운드 구간에서 후방 이동량이 증가한 것과 동시에 등받이 파손이 관찰되었다. 이는 sled 시험장비의 반발 효과에 비해 등받이 구조의 강성 및 에너지 흡수 능력이 리바운드 하중을 견디기에 충분하지 않았음을 의미한다. 즉, 후방 이동량의 절대값은 sled 시험 장비의 rebound 거동에 영향을 받을 수 있으나, 동일한 시험 조건에서 구조 파손과 과도한 후방 이동이 함께 나타난 점은 휠체어 자체 구조 특성에 의한 영향이 큰 것으로 분석된다. 모델 B는 후방 이동량이 기준 이내로 측정되었으나, Fig. 3에서 볼 수 있듯이 하단부 프레임의 변형으로 인한 서브마린 거동이 확인되어 기준을 충족하지 못하였다.

모델 A, B, C의 각 HIC36 값은 113.97, 184.99, 153.02로 나타나 허용 기준(1000)의 20% 이하 수준이었으며, 3 ms clip 기준 흉부 가속도는 각각 27.12 g, 31.61 g, 29.88 g으로 모두 80 g 이하였다. 경부 인장력은 최대 1.13 kN, 전단력 1.04 kN, 모멘트 30.05 N·m으로 모두 기준값(3.30 kN, 3.10 kN, 57 N·m) 이내였고, 흉부 변형량은 모델 B에서 32.56 mm로 가장 높았으나 기준치(42 mm) 이내였다. 대퇴골 하중은 모든 모델에서 기준값(9.07 kN)의 15% 이하로 측정되어 규정을 충족하였다.

3.2. 전동 휠체어

전동형 휠체어 3종(모델 D, E, F)의 Sled 시험 결과, 모든 모델에서 인체 상해지표는 KMVSS 허용 기준을 충족하였으나, ISO 7176-19에서 규정한 구조 강도 요건은 모두 만족하지 못하였다. Fig. 4는 각 모델의 시험 전·후 형상을 보여주고 있다.

Fig. 4

Comparison of powered wheelchairs before and after the sled test

모델 D는 충돌 시 후방 고정장치가 파손되면서 휠체어의 전방 이동량이 211 mm로 측정되어 ISO 기준을 초과하였다. 모델 E는 충돌 과정에서 등받이가 파손되어 구조적 완전성 요건을 만족하지 못하였고, 리바운드 구간에서 ATD 머리의 후방 이동량이 ISO 기준을 초과하였다. 모델 F 또한 등받이 파손이 발생하였으며, 무게 중심이 휠체어 후측 상단부에 위치함에 따라 리바운드 시 ATD의 목 부위에 인가되는 모멘트가 다른 모델보다 크게 측정되었다. 특히, 전동형 휠체어는 수동형에 비해 높은 중량으로 인해 충돌 시 전방 이동량이 증가하였고, 이에 따른 관성하중 상승으로 모델 D에서는 tiedown 후방 고정점의 파손이 발생하였다. 또한, 모델 F에서는 리바운드 과정 중 하단부 배터리 팩과 전자 구동장치가 이탈하여 2차 상해 가능성이 존재하였다. 이러한 구조적 손상 부위는 Fig. 5에 제시되어 있다.

Fig. 5

Structural failures observed in powered wheelchairs (Models D and F)

특히, 모델 D의 질량 108 kg, 감속도 20~28 g, 후방 tiedown 설치각(수평면 기준 31.5°, 내측 각도 6.5°)을 고려하고, 후방 tiedown 2개가 전방 관성하중을 대칭으로 지지한다고 가정하면, 후방 tiedown 1개당 동적 인장하중은 약 12.5~17.5 kN으로 추정된다. 이는 ISO surrogate wheelchair 85 kg, 20 g 조건에서 동일한 기하 조건으로 환산한 후방 tiedown 1개당 약 9.84 kN보다 약 1.27~1.78배 높은 수준이다. 또한 형상에 따른 굽힘 및 응력집중 효과를 고려하지 않더라도, 후크 체결부가 두께 4.0 mm, 길이 방향 유효 전단길이 10.0 mm의 전단면으로 하중을 저항한다고 가정할 경우 평균 전단응력은 약 310~440 MPa 수준으로 추정된다. 따라서 모델 D에서 관찰된 후방 고정부 파손은 전동 휠체어의 증가된 질량으로 인해 ISO surrogate 기반 시험조건이 대표하는 하중 수준을 상회하는 동적 인장하중과 높은 체결부 응력에 의해 유발된 결과로 해석된다.

Table 4는 각 모델의 주요 인체 상해지표를 요약한 것이다. 머리 상해지수(HIC36)는 모델 D, E, F에서 각각 162.5, 141.8, 193.7로 나타나 KMVSS 허용 기준(1,000)의 20% 이하 수준이었다. 또한 흉부 변형량은 각각 24.2 mm, 19.6 mm, 15.3 mm로 나타나 기준치(42 mm)를 만족하였다. 경부 인장력(Neck tension force)은 최대 0.97 kN으로 기준값(3.3 kN) 이하였으며, 전단력(1.16 kN)과 모멘트(41.3 N·m) 또한 모두 허용 범위 내에 있었다. 대퇴골 하중은 모든 모델에서 좌우 각각 1 kN 이하로 나타나 기준값(9.07 kN)의 10% 미만 수준을 보였다.

따라서 전동형 휠체어는 KMVSS의 인체 상해 기준을 충족하였음에도 불구하고, ISO 7176-19에서 요구하는 등받이 및 후방 고정부의 구조 강도가 충돌 및 리바운드 하중을 견디기에는 불충분한 것으로 확인되었다. 이에 따라 배터리 및 부속품의 이탈을 방지하고 구조적 완전성을 확보하기 위한 추가적인 고정구 설계 보완이 필요하다.

4. 결 론

본 연구에서 수행한 수동형 및 전동형 휠체어의 sled 충돌시험 결과를 ISO 7176-19 및 자동차 안전기준(KMVSS)과 비교한 결과, 인체 상해지표는 전반적으로 허용 기준 이내의 값을 보였으나, 휠체어의 구조적 건전성과 이동량 측면에서는 다수 모델이 관련 규정을 충족하지 못하였다. 특히 수동형 휠체어 모델 B는 하부 시트 프레임 변형과 초기 랩벨트 및 골반 자세 조건이 복합적으로 작용하여 ATD의 서브마린 현상이 발생하였고, 이로 인해 ISO 7176-19 요구사항을 충족하지 못하였다. 또한 ISO 7176-19는 충돌 후 휠체어가 좌석으로서의 기능을 유지할 것을 요구하지만, 모델 B를 제외한 대부분의 시험 모델에서는 등받이 손상 또는 후방 고정부 파손 등 구조적 손상이 관찰되어 해당 기준을 충족하지 못하였다.

인체모형의 상해 값은 KMVSS 기준에 따른 HIC, 흉부 가속도, 대퇴골 하중 항목에서 모두 양호한 결과를 보였다. HIC36은 허용기준 대비 약 20~40% 수준으로 매우 낮았으며, 대퇴골 하중 또한 10 kN 기준 대비 현저히 낮아 탑승자 상해 위험은 낮게 나타날 수 있는 것으로 판단된다.

반면 ISO 기준에 따른 이동량 평가에서는 모델 B를 제외한 모든 휠체어에서 등받이 파손 및 과도한 후방 이동이 발생하여 부적합 판정을 받았다. 특히, 전동형 휠체어의 경우 중량이 100 kg을 초과함에 따라 충돌 시 관성하중이 크게 작용하여, tiedown 고정부의 파손 및 휠체어 본체의 과도한 변형이 확인되었다. 이는 수동형 휠체어에 비해 구조물의 중량 대비 강도 비가 낮고, tiedown 고정부 시스템의 설계 한계가 존재함을 시사한다. 따라서 KMVSS에서 규정하는 지표에 따른 휠체어 탑승자의 직접적인 상해 위험은 낮게 평가될 수 있으나, 휠체어 프레임 및 구조의 파손을 고려할 때 상해가 발생할 수 있는 가능성은 매우 클 수 있다. 따라서, 인체 상해 지표만으로는 휠체어의 안전성을 충분히 설명할 수 없으며, 구조 안전성(Structural Integrity) 확보가 필수적임을 확인하였다.

이러한 결과는 휠체어의 충돌 안전성 확보를 위해서는 등받이 및 하부 프레임의 강도 보강, tiedown 고정부의 강도 향상, 그리고 전동 휠체어의 중량 증가에 대응할 수 있도록 하는 규정에 대한 연구가 필요함을 의미한다. 따라서 향후 연구에서는 휠체어 유형별 질량 중심, tiedown 위치, 하중 분포 및 리바운드 구간의 복합적인 동역학 거동을 고려한 연구를 통해 세부 기준을 검토할 필요할 것으로 판단된다.