[표지로 읽는 과학] 미식축구 헬멧에 숨은 충격 흡수의 비밀

3D 프린팅 안감과 유연한 외피로 뇌진탕 위험 30% 감소

사이언스 제공.

충격을 받는 순간 찌그러지는 미식축구 헬멧의 모습이 이번 주 국제학술지 '사이언스' 표지에 실렸다. 미국 프로풋볼리그(NFL) 안전성 평가를 담당하는 민간 연구기관 '바이오코어'의 공압식 충격 시험 장면이다. 헬멧 제조업체 '리델'의 최신 헬멧 모델 '액시엄'이 초당 9.3m 속도로 날아오는 타격기에 정면으로 충돌하는 순간을 포착했다.

사이언스는 5일(현지시간) 데이터 기반 헬멧 안전성 시험이 지난 14년간 미식축구 헬멧 설계에 혁신을 가져왔다고 보도했다.

현대 헬멧의 핵심은 충격을 받으면 찌그러지는 '제어된 변형'이다. 헬멧이 변형되지 않으면 충격이 3밀리초(ms, 1000분의 1초) 안에 뇌로 전달되지만 헬멧이 찌그러지면서 버퍼 역할을 하면 같은 충격이 15ms에 걸쳐 천천히 전달된다. 충격 시간이 5배 늘어나면 순간 가속도는 5분의 1로 줄어든다. 단단한 바닥보다 푹신한 매트에 떨어지는 게 덜 아픈 이유와 같다.

과거 딱딱한 폴리카보네이트 외피와 폼 패딩으로만 구성됐던 헬멧은 이제 유연한 나일론 엘라스토머 외피와 3D 프린팅 안감을 갖췄다. 리델은 2014년 헬멧 외피에 육각형 절개선을 넣은 제품 '스피드플렉스'를 출시했고, 2022년에는 사방에 절개선을 둔 액시엄으로 발전시켰다. 

이를 위해 헬멧 소재와 구조가 바뀌었다. 과거 딱딱한 폴리카보네이트 외피와 폼 패딩으로만 구성됐던 헬멧은 이제 충돌 시 구부러지는 유연한 나일론 엘라스토머 외피를 갖췄다. 리델은 2014년 외피에 육각형 절개선을 넣어 찌그러지기 쉽게 만든 제품 '스피드플렉스'를 출시했고 2022년에는 사방에 절개선을 둔 '액시엄'으로 발전시켰다. 

안감 기술도 혁신을 거쳤다. 2019년 NFL 헬멧 기술 공모전에서 우승한 안감 제조업체 '콜라이드'는 18개의 원통형 패드로 구성된 3D 프린팅 안감을 개발했다. 각 패드 안에는 얇은 원뿔 구조가 들어있다. 압력을 받으면 원뿔이 끝부분부터 단계적으로 접히며 저항을 높인다. 일반 스펀지는 50%까지만 압축되는 데 비해 3D 프린팅 패드는 80~90%까지 압축돼 충돌 시간을 늘리고 에너지를 흡수한다.

NFL의 뇌진탕 발생은 2017년 정점 대비 35% 감소했다. 2020년 바이오코어가 발표한 연구 결과 시험 성적이 좋은 헬멧을 착용한 선수들의 실제 경기 중 뇌진탕 발생률이 낮게 나타났다.

앤 베일리 굿 바이오코어 기계공학자는 "헬멧이 5~10년 전보다 충격을 훨씬 잘 완화한다"며 "2015년 이후 가속도 수치가 약 30% 감소했다"고 밝혔다.

<참고>
doi/10.1126/science.zs6zhs0

[임정우 기자 jjwl@donga.com]