수정 조각은 어떻게 시간을 잴까, 쿼츠 시계가 바꾼 손목시계의 기준

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손목시계를 뒤집어 뒷면을 살펴보면 'QUARTZ'라는 글자를 발견할 때가 있다. 너무 흔하게 볼 수 있는 표시라 특별하게 느껴지지 않지만, 이 단어는 20세기 시계의 역사를 크게 바꾼 기술을 의미한다.

Quartz, 즉 쿼츠는 수정을 뜻한다.

앞선 글에서는 회중시계가 손목 위로 이동하면서 시간을 확인하는 행동이 더욱 간편해진 과정을 살펴봤다. 하지만 당시 기계식 손목시계는 여전히 수많은 작은 기계 부품의 움직임을 이용해 시간을 측정했다.

정밀하게 만든 기계식 시계도 조금씩 오차가 발생한다. 그렇다면 톱니바퀴와 기계적인 조속 장치보다 더 일정하게 반복되는 현상을 기준으로 시간을 나눌 수는 없을까?

그 답 가운데 하나가 수정 결정의 진동이었다.

수정이 진동한다는 것은 무슨 뜻일까

쿼츠 시계의 원리를 이해하려면 먼저 수정의 특성을 알아둘 필요가 있다.

수정 같은 특정 결정 물질에는 압전 효과라는 성질이 있다. 기계적인 힘을 가하면 전기적인 변화가 나타날 수 있고, 반대로 적절한 전기 신호를 가하면 결정이 미세하게 변형되면서 진동할 수 있다.

시계에서는 이 규칙적인 진동을 시간 측정의 기준으로 이용한다.

일반적인 쿼츠 손목시계에서 널리 사용되는 수정 진동자의 주파수는 32,768Hz​다. 이는 수정이 1초 동안 32,768회의 주기로 진동하도록 설계된다는 의미다.

왜 이렇게 어중간해 보이는 숫자를 사용하는지 처음에는 의문이 들 수 있다.

32,768은 2의 15제곱이다.

전자회로에서는 이 진동을 2로 반복해서 나누는 과정이 편리하다. 32,768번의 진동을 단계적으로 나누면 최종적으로 1초에 해당하는 신호를 얻을 수 있다.

이 1초의 신호를 이용하면 바늘을 움직이거나 디지털 숫자를 변화시킬 수 있다.

즉, 쿼츠 시계에서 우리가 보는 '1초' 뒤에는 작은 수정 결정의 매우 빠른 반복 운동과 이를 계산하는 전자회로가 있는 셈이다.

기계식 시계와 무엇이 다른가

겉모습만 보고는 쿼츠 시계와 기계식 시계를 구별하기 어려운 경우도 있다.

둘 다 둥근 문자판을 사용할 수 있고 시침과 분침, 초침이 달려 있을 수 있기 때문이다.

그러나 시간을 만들어내는 내부 원리는 다르다.

기계식 시계는 태엽에 저장된 에너지를 이용하고, 탈진기와 밸런스 휠 같은 기계적인 장치의 반복 운동을 시간의 기준으로 삼는다.

쿼츠 시계에서는 배터리에서 공급받은 전기에너지와 수정 진동자, 전자회로가 핵심적인 역할을 한다.

이 차이는 관리 방법에서도 나타난다.

수동 태엽식 기계시계는 사용자가 주기적으로 태엽을 감아야 한다. 자동 기계식 시계는 착용자의 움직임을 이용해 태엽을 감는 구조를 사용할 수 있지만 역시 기계 장치가 중심이다.

일반적인 배터리식 쿼츠 시계는 배터리에 충분한 전력이 남아 있다면 사용자가 매일 태엽을 감을 필요가 없다.

일상적인 사용자 입장에서는 상당히 큰 편의성이다.

아침마다 시계가 멈추지 않았는지 살피고 태엽을 관리하는 부담이 줄어들기 때문이다.

쿼츠가 정확도에서 유리한 이유

시계가 정확하려면 기준이 되는 반복 운동이 일정해야 한다.

기계식 시계에서는 밸런스 휠과 헤어스프링 등이 일정한 리듬으로 움직인다. 하지만 기계 부품은 중력의 방향, 온도, 마찰, 충격 등 여러 조건의 영향을 받을 수 있다.

정밀 기계식 시계가 이러한 영향을 줄이기 위해 복잡한 기술을 사용하는 이유다.

수정 진동자는 전기적으로 구동할 때 매우 안정적인 주파수의 진동을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

그래서 일상적인 쿼츠 손목시계는 일반적인 기계식 시계보다 오차를 작게 유지하기 쉽다.

직접 두 종류의 시계를 며칠 또는 몇 주 동안 사용해 보면 차이를 체감할 수 있다.

기계식 시계는 시간이 지나면서 기준 시각과 조금씩 차이가 생겨 다시 맞추게 되는 경우가 있다. 쿼츠 시계는 상대적으로 오랫동안 시간을 맞춘 상태를 유지하기 쉽다.

물론 쿼츠 시계라고 해서 오차가 전혀 없는 것은 아니다.

수정의 진동도 온도 등의 영향을 받을 수 있고 제품의 설계와 품질에 따라 정확도에는 차이가 있다. 중요한 것은 '쿼츠는 절대로 틀리지 않는다'가 아니라 비교적 단순한 구조로 높은 수준의 정확도를 구현하기 쉬웠다는 점이다.

쿼츠 시계는 왜 시계 산업에 큰 변화를 일으켰을까

수정 진동을 이용한 시계 기술 자체는 손목시계가 등장하면서 갑자기 시작된 것이 아니다.

20세기 전반부터 쿼츠를 이용한 정밀한 시간 측정 기술이 발전했다. 초기 장치는 크고 복잡했지만 전자 기술과 소형화 기술이 발전하면서 손목에 착용할 수 있는 크기의 쿼츠 시계가 현실화됐다.

손목시계 역사에서 중요한 이정표 가운데 하나는 1969년 세이코가 출시한 아스트론(Astron)​이다. 상용 쿼츠 손목시계 시대를 상징하는 제품으로 자주 언급된다.

초기의 쿼츠 손목시계가 누구나 부담 없이 구입할 정도로 저렴했던 것은 아니다.

그러나 전자부품의 생산 기술이 발전하고 대량생산이 확대되면서 상황은 빠르게 달라졌다.

쿼츠 방식은 높은 정확도를 확보하면서도 대량생산에 유리했다. 시간이 흐르면서 비교적 저렴한 시계에서도 좋은 정확도를 얻을 수 있게 됐다.

1970~1980년대에 이러한 변화는 기존 기계식 시계 산업에 큰 충격을 주었다. 흔히 쿼츠 위기(Quartz Crisis)​라고 부르는 산업적 변화도 이 시기에 나타났다.

기계식 시계가 사라진 것은 아니지만 '정확한 개인용 시계'가 반드시 복잡한 기계식 구조여야 한다는 전제는 크게 흔들렸다.

정확한 시계가 특별한 물건에서 일상품으로

쿼츠 시계의 역사에서 눈여겨볼 부분은 정확도뿐만이 아니다.

시간을 꽤 정확하게 보여주는 시계를 더 많은 사람이 사용할 수 있는 환경이 만들어졌다는 점도 중요하다.

과거 정밀 시계는 제작자의 기술이 집약된 복잡한 기계였다. 작은 톱니바퀴와 스프링 등을 정교하게 제작하고 조립해야 했다.

전자식 쿼츠 기술이 대량생산과 결합하면서 다양한 가격대의 손목시계를 만들 수 있게 됐다.

학생이 손목시계를 차고 학교에 가고, 업무 중 시간을 확인하며, 운동이나 일상생활에서 개인이 자신의 시계를 사용하는 풍경이 훨씬 자연스러워질 수 있었다.

이 변화는 시계의 의미에도 영향을 주었다.

시간을 정확히 확인한다는 기능 자체가 점점 특별한 기술이 아니라 당연한 기능처럼 받아들여지기 시작한 것이다.

오늘날 저렴한 전자기기에서도 상당히 정확한 시간을 확인할 수 있는 환경은 이런 기술 발전의 연장선에 있다.

초침이 한 칸씩 움직이는 데도 이유가 있다

아날로그 쿼츠 시계를 관찰하면 재미있는 특징이 있다.

많은 제품에서 초침이 한 초마다 '틱' 하며 한 칸씩 움직인다.

수정 자체는 초당 수만 번 진동하는데 왜 초침은 한 번만 움직일까?

전자회로가 수정의 빠른 진동을 단계적으로 나누어 1초 단위의 신호로 바꾸기 때문이다.

이 신호가 작은 모터를 작동시키고, 기어를 통해 초침과 분침, 시침을 움직인다.

따라서 아날로그 쿼츠 시계도 내부에 움직이는 기계 부품이 전혀 없는 것은 아니다.

시간의 기준을 만드는 방식이 전자적이라는 것이 핵심적인 차이다.

이 점은 '기계식 대 전자식'이라는 단순한 구분보다 시계 구조가 훨씬 흥미롭다는 사실을 보여준다.

수정의 진동은 전자회로가 계산하고, 그 결과는 다시 모터와 기어를 통해 익숙한 시곗바늘의 움직임으로 바뀐다.

오래된 아날로그 문자판과 현대적인 전자 기술이 한 시계 안에 함께 들어 있는 셈이다.

바늘이 없어도 시간을 볼 수 있게 되다

쿼츠 기술과 전자회로의 발전은 또 다른 변화를 가능하게 했다.

시간을 반드시 시침과 분침으로 보여줄 필요가 없어졌다는 것이다.

'10시 25분'을 두 개의 바늘 각도로 표현하는 대신 화면에 10:25라고 직접 표시할 수 있다.

오늘날에는 너무 익숙하지만 이는 시간 표시 방식에서 상당한 변화다.

아날로그 시계에서는 문자판에서 바늘의 위치를 해석해야 한다. 디지털 방식에서는 숫자를 그대로 읽으면 된다.

전자 기술이 발전하면서 알람과 스톱워치, 타이머 같은 기능도 작은 손목시계 안에 넣을 수 있게 됐다.

시계는 단순히 현재 시각만 알려주는 장치에서 여러 종류의 시간 정보를 다루는 전자기기로 변하기 시작한다.

다음 글에서는 바로 이 디지털 시계의 등장과 대중화를 살펴본다. 시침과 분침이 사라지고 숫자가 시간을 직접 보여주기 시작하면서 손목시계의 사용 방식과 기능이 어떻게 달라졌는지 이어서 알아본다.

FAQ

Q1. 쿼츠 시계에서 수정은 실제로 움직이나요?

그렇다. 다만 눈으로 볼 수 있을 정도로 크게 움직이는 것은 아니다. 수정 결정에 적절한 전기 신호를 가하면 매우 미세하면서 규칙적인 진동이 발생하고, 시계의 전자회로가 이 진동을 시간 측정의 기준으로 이용한다.

Q2. 쿼츠 시계는 기계식 시계보다 무조건 정확한가요?

일반적인 일상용 제품을 비교하면 쿼츠 시계가 높은 정확도를 비교적 쉽게 얻는 편이다. 다만 모든 제품의 성능이 같은 것은 아니며 쿼츠 역시 온도와 설계 등에 따라 오차가 발생한다. 고정밀 쿼츠처럼 오차를 더욱 줄이기 위한 기술도 존재한다.

Q3. 쿼츠 시계의 배터리가 없어지면 수정도 진동하지 않나요?

일반적인 배터리식 쿼츠 시계에서는 전기에너지가 필요하다. 배터리가 소진되면 수정 진동자와 전자회로, 모터 등을 정상적으로 구동할 수 없어 시계가 멈추게 된다. 배터리를 교체하면 다시 사용할 수 있는 제품이 많다.