취미생활-시계편[3] - 시계의 구동 방식(Movement)

오랜만입니다!
 
오늘은 시계의 구동 방식에 대해 적어보려고 한다!
 
시계를 모를 때에는, 모든 시계가 거기서 거기였다. 하지만 알면 알수록 시계는 무궁무진하고 헤리티지가 끝도 없다.
그 작은 시계 안에 엄청난 기술력과 역사가 숨겨져 있다. 그래서 사람들이 비싼 가격임에도 시계를 소비하는 것이 아닐까.
 
시계를 사용 목적에 따라 구분해 보면 드레스 워치, 필드 워치, 파일럿 워치, 레이싱 워치, 스포츠 워치, 다이빙 워치로 나눌 수 있다.
그리고 구동방식(Movement)에 따라 나눈다면 쿼츠(Quartz)와 기계식(Mechanical) 방식으로 나눌 수 있다.
 
먼저, 쿼츠와 기계식 시계에 대해 알아보자!
 

1) 쿼츠(Quartz)
 

영어로는 Quartz. 즉 석영(수정)이다. 이 수정 조각의 진동을 이용하여 시계를 구동시키는 것이 쿼츠 시계이다.
전공 수업 들을 때 압전효과라는 단어를 들어본 적이 있다. 영어로는 Piezoelectricity. 압력을 이용하여 전기를 만드는 것이다.
이 원리의 반대인 역압전효과를 사용하여 전기를 통해 수정에 힘을 가하여 진동을 발생시킨다.

세이코 아스트론 쿼츠 시계의 무브먼트

 
 
시계 내부의 배터리를 통해 수정 조각에 전압을 가하면, 특정 진동수를 만들어 내어 공명현상이 발생하게 된다.
이때 발생되는 진동수는 32,768Hz이다. 이 진동수는 물리적, 경제적 등 여러 이유로 정해진 숫자이다.
진동수를 시계 내의 IC칩을 이용해 2의 15승으로 나누면 정확히 1Hz가 된다. 이것을 스테핑 모터로 전달하여, 전기적 신호를 물리적 운동으로 변환하여 기어가 돌아가며 핸즈가 째깍째깍 울리며 시계를 작동시키게 된다.
간단하게 써보면 배터리 → 수정 진동자 → IC칩 → 스테핑 모터 → 기어 → 핸즈 순서이다.
 
생각보다 복잡하죠? ㅎㅎ
나도 찾아보면서 조금 놀랐다. 단순히 그냥 건전지로 가겠거니 했는데 이 조그마한 시계 속에 이런 원리가 숨어 있을 줄이야..
 
최초의 쿼츠 시계는 1927년 벨 연구소 전자 통신 연구원이던 워런 매리슨이 만들었다고 한다. 하지만 이때 당시의 시계는 상용화하기에는 부적합했다.
이후, 1969년에 일본의 세이코는 '아스트론'이라는 쿼츠 시계를 상용화하며 시계 업계의 큰 파동을 일으켰다. 일명 쿼츠 파동.
이때까지만 해도 기계식 시계가 주를 이루었고, 쿼츠는 단순한 구조임에도 오차가 거의 없고 관리하기 편하다는 것은 엄청난 사건이었다.
당시 최고의 시계가 하루에 5초 이상의 오차가 있었는데, 아스트론은 한 달에 5초였다.
 

세이코의 아스트론

 
이 시계로 인해 스위스의 많은 시계 브랜드들이 문을 닫았고, 여러 회사들이 기업과 흡수되었다.
이때 스위스 시계 브랜드 들중 독자적인 노선으로 아예 차별화하는 방향으로 간 회사들은 지금까지 럭셔리 브랜드의 이미지를 갖추고 있다. 예를 들어 롤렉스와 파텍필립.
그러면서 일본의 시계와 스위스의 시계는 굉장히 다른 길을 가게 되었다.
 

2) 기계식(Mechanical)
 

기계식 시계는 쿼츠 시계에 비해 구동 방식이 복잡하고, 만들기 어렵고, 관리도 어렵다.
심지어 오랫동안 안 차면 시계가 멈춘다. 게다가 쿼츠시계보다 오차도 심하다.
그런데 왜 비싸고 인기가 많은 것일까?
 
전기 없이 오로지 물리적 힘으로만 시계를 구동시키기 위한 엄청난 기술의 집약체를 내 손목 위에서 느낄 수 있다는 점이 크게 다가와서 인듯하다.
낭만적이지 않은가? 수백 년의 역사와 기술이 째깍째깍 소리로 심장을 흔든다.
 

 
그렇다면 어떤 원리로 시계가 돌아가는 것일지 알아보자.
기계식 시계는 물리적 에너지를 적절히 조절하여 일정한 주기로 바꿔주어야 한다.
이것을 시계 부품을 통해 설명하자면,
메인스프링의 퍼텐셜 에너지를 밸런스 휠로 전달을 시켜야 한다. 이때, 이스케이프먼트 휠을 통해 에너지를 escape. 즉, 탈출시켜서 일정한 주기로 변환해 주어 시간을 표현한다.
 
단어가 생소한데, 하나하나 차근차근히 알아보자!!
 
일단 순서는 이렇다.
메인스프링 → 기어트레인 → 이스케이프먼트 휠 → 팰럿 → 주얼 핀 → 밸런스 휠
 
①메인스프링 Main spring, 주 태엽
메인스프링은 시계를 작동시키는 주요 동력원이다. 태엽을 감게 되면, 동력이 저장된다. 태엽을 감는 방식에는 매뉴얼 와인딩과 오토 와인딩 방식이 있다.
매뉴얼 와인딩: 보통 시계 3시나 4시 방향에 튀어나와 있는 용두(crown)를 손으로 직접 돌려 태엽을 감는다.
오토 와인딩: 사용자가 시계를 찬 채로 일상생활 중 흔들림으로 시계 안의 로터(Rotor)로 인해 자동으로 태엽이 감긴다.
더 파고들면... 두 방식의 원리를 공부해 볼 수 있으나, 지금은 여기서 끝낸다. 머리 아프다...
암튼, 태엽이 감기면서 동력이 저장되면 이 에너지는 기어트레인을 따라서 이스케이프먼트 휠(Escapement wheel)로 전달된다.
 
②이스케이프먼트 휠 Escapement wheel, 탈진기
탈진기에 도착한 에너지는, 적절히 조절해주어야 한다. 그렇지 않으면, 열심히 태엽에 저장해 둔 에너지가 탈진기 한번 돌리고 끝나버린다. 즉, 탈진기가 한 번에 조금씩만 움직일 수 있도록 조절해주어야 한다. 그 역할이 바로, 팰럿(Pallet)이다.
그 후, 팰럿은 주얼 핀을 밀어 밸런스 휠이 움직일 수 있도록 한다.
 
③밸런스 휠 Balance wheel
밸런스 휠은 헤어스프링과 조합되어 있는데, 이것이 최종적으로 동력이 전달되는 장소이자, 이름 그대로 동력의 밸런스를 잡아준다.
밸런스 휠은 헤어스프링이 감겼다 풀렸다를 반복하면서 시계방향, 반시계방향으로 번갈아 회전한다.
한번 한쪽으로 회전하면, 탈진기의 톱니바퀴 1개가 움직인다.
 
근데, 이것만으로 시간을 어떻게 표현하는데?
 
메인스프링과 이스케이프먼트 휠 사이에, 시간을 보여줄 수 있는 휠들이 추가된다.
이스케이프먼트 휠과 연결된 휠에 초침을 단다. 그 옆에 연결된 휠에 분침, 그 옆에 시침을 단다.(정확히는 이게 아니긴 한데 그냥 넘어가자)
그렇게 초침이 1바퀴 돌면 분침은 1분을 이동하고, 분침이 1바퀴 돌면 시침이 1시간을 이동한다.
 
아래 이것을 표현한 짧은 영상이 있다. (출처: 위키피디아)

 
최대한 이해하기 쉽게 써보려고 노력했다.
아무래도 모든 단어가 생소하고, 눈으로는 보이지 않는 것이다 보니 잘 와닿지 않기는 한다.
그래도 이렇게 알면 알수록 시계가 더 궁금해지고, 재밌어지는 것 같다 ㅎㅎ