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태엽

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목차

1. 개요

태엽은 에너지를 저장하고 방출하는 장치로, 15세기 유럽에서 시계의 추를 대체하며 처음 등장했다. 초기에는 강철로 제작되어 내구성이 약했지만, 18세기에 제작 기술이 발전했다. 현대의 태엽은 경화 및 청색 처리된 강철 합금 또는 특수 합금으로 만들어지며, 시계, 장난감, 오르골 등 다양한 기기의 동력원으로 사용된다. 태엽은 나선형, 반전, 역전의 세 가지 형태로 제작되며, 자동 시계에도 활용된다. 태엽은 분해 시 부상 위험이 있으며, 금속 피로로 인해 파손될 수 있지만, 현대 야금술의 발전으로 파손 빈도가 줄어들었다.

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태엽
개요
종류비틀림 스프링
재료금속 리본
용도기계식 시계 및 태엽 장치 동력원
상세 정보
작동 원리감겨 풀리면서 동력 공급
형태나선형
주요 특징긴 작동 시간, 비교적 균일한 토크
재료 특성탄성, 내구성

2. 역사

태엽은 15세기 유럽에서 최초로 스프링 동력 시계에 등장했다. 이전의 모든 기계식 시계는 도르래에 감긴 끈에 매달린 추를 동력원으로 사용했지만, 태엽의 등장으로 추를 사용하지 않고도 시계를 작동시킬 수 있게 되었다. 1400년경에는 코일 스프링이 자물쇠에 사용되기 시작했는데,[3] 초기 시계 제작자들은 대부분 자물쇠 제조공이기도 했다.[4] 태엽은 시계를 이전의 추 동력 시계보다 작고 휴대할 수 있게 해주었으며, 이는 1600년경 최초의 회중시계 개발로 이어졌다.

많은 출처에서 1511년경 뉘른베르크의 시계 제작자 페터 헨라인을 태엽의 발명자로 잘못 언급하고 있다.[5][6][7] 그러나 15세기의 여러 문헌에서 '추가 없는' 휴대용 시계에 대한 언급이 발견되고, 최소 두 개의 현존하는 사례를 통해 스프링 구동 시계가 15세기 초에도 존재했음을 알 수 있다.[3][8][9] 현존하는 가장 오래된 태엽 구동 시계는 뉘른베르크의 게르마니셰스 국립박물관에 소장된 화려한 금박 챔버 시계인 ''부르군데루어''(Burgundy Clock)인데, 도상학적 연구에 따르면 이 시계는 1430년경 필리프 3세를 위해 만들어졌다.[3]

초기의 태엽은 템퍼링 또는 경화 공정을 거치지 않은 강철로 만들어졌다. 따라서 오래 작동하지 않아 하루에 두 번 감아줘야 했다. 헨라인은 40시간 동안 감아줄 필요가 없는 시계를 만드는 것으로 유명했다. 18세기에 태엽을 만드는 방법은 Berthoud[10]와 Blakey[11]에 의해 설명되었다.

3. 작동 원리

태엽은 판 모양의 금속 등을 그 면 방향으로 감아 만든 것으로, 중심축을 감으면 면에 대한 가로 방향의 변형이 일어난다.[1] 힘을 낼 때는 늘어나는 방향으로 변형되어 축을 회전시킨다.[1]

태엽을 감아 에너지를 저장하고, 풀면서 서서히 에너지로 변환할 수 있다.[1] 시계나 장난감 등의 동력으로 사용된다.[1]

현대 시계에는 ''가는 배럴'' 방식이 사용된다. 태엽은 아버라는 차축을 중심으로 감겨 있고, 자유롭게 회전하는 배럴이라는 원통형 상자 안에 들어 있다.[1] 태엽은 안쪽 끝에서 아버에, 바깥쪽 끝에서 배럴에 부착된다.[1] 이 방식은 태엽이 감기는 동안에도 시계에 계속 전원을 공급할 수 있게 해준다.[1]

시계 등에 사용되는 S자형 태엽은 용수철 전체에 걸리는 응력을 균등하게 하여 탄성 파단을 방지한다.[1]

4. 현대의 태엽

현대 시계의 태엽은 길이 20~30cm, 두께 0.05~0.2mm의 경화 및 청색 처리된 강철 또는 특수 강철 합금으로 만들어진 긴 스트립이다. 일반적인 1일 무브먼트의 태엽은 시계가 36~40시간 동안 작동하도록 계산되어, 매일 태엽을 감는 경우 12~16시간의 예비 동력을 제공한다. 이는 수동 시계뿐만 아니라 오토매틱 시계에도 적용되는 일반적인 표준이다. 주간 단위로 태엽을 감는 시계에 사용되는 8일 무브먼트는 최소 192시간 동안 동력을 제공하지만, 더 긴 태엽과 더 큰 배럴을 사용한다.

1945년 이후, 탄소강 합금은 철, 니켈, 크롬에 코발트, 몰리브덴 또는 베릴륨을 첨가한 새로운 특수 합금과 냉간 압연 합금(구조 경화)으로 대체되었다. 시계 제작자들에게 "백색 금속" 스프링(청색 탄소강과 반대)으로 알려진 이 합금들은 스테인리스강의 일종이며, 더 높은 탄성 한계를 가지고 있어 영구적인 굽힘(피로)에 덜 영향을 받고 파손 위험이 거의 없다. 그 중 일부는 실질적으로 자성이 없다. 독점 합금에는 세이코에서 제조한 SPRON과 스와치 그룹의 니바록스가 있다.[1][2]

태엽은 이완된 형태에서 세 가지 모양으로 만들어진다.


  • '''나선형 코일:''' 단순한 나선형으로 전체적으로 동일한 방향으로 감긴다.
  • '''반전:''' 태엽의 바깥쪽 끝이 1회전 미만(360° 미만)으로 반대 방향으로 감긴다.
  • '''역전'''(탄성): 태엽의 바깥쪽 끝이 1회전 이상(360° 초과)으로 반대 방향으로 감긴다.


반전 및 역전 유형은 태엽의 에너지가 거의 소진되어 시계가 끝까지 일정한 속도로 작동하도록 작동 기간이 끝날 때 추가적인 힘을 제공한다.

4. 1. 태엽의 위험성

태엽은 많은 에너지를 담고 있어 분해 과정에서 주의하지 않으면 갑자기 풀려 심각한 부상을 입을 수 있다. 정비 전에는 와인딩 키를 잡고 클릭을 뒤로 당겨 용수철이 천천히 풀리도록 하여 부드럽게 "풀어"준다. 그러나 "풀어진" 상태에서도 태엽은 위험한 잔류 장력을 가지고 있다. 시계 제조공과 시계 제작자는 "태엽 와인더"라는 도구를 사용하여 태엽을 안전하게 설치하고 제거한다. 시계의 큰 태엽은 제거하기 전에 "태엽 클램프"로 고정한다.

4. 2. 태엽의 파손과 오버와인딩

1960년대까지는 응력 사이클이 지속적으로 가해져 태엽이 금속 피로로 파손되는 경우가 많았다. 이러한 파손은 주로 태엽을 감는 과정의 마지막 부분에서 발생했는데, 이때 태엽이 아버(arbor)에 팽팽하게 감겨 코일 사이에 공간이 없어 과도한 압력이 가해지기 쉬웠다. 온도 변화도 파손의 원인 중 하나였는데, 밤에 온도가 떨어지면 열 수축으로 인해 태엽 끝부분이 파손될 수 있었다.[13] 그러나 1960년대 이후 야금술이 발전하면서 태엽 파손은 드물어졌다.

태엽을 감을 때 과도한 힘이 가해지면 '노킹(Knocking)' 또는 '뱅킹(banking)'이라는 문제가 발생할 수 있었다.[14][15] 이는 밸런스 휠이 과도하게 회전하여 임펄스 핀이 포크 혼 뒷면에 부딪히게 하는 현상으로, 시계가 빨라지거나 임펄스 핀이 파손될 수 있었다. 현대 시계에서는 와인딩 후 아버가 약간 뒤로 회전하도록 설계하여 이 문제를 방지한다.

흔히 태엽을 완전히 감으면 시계가 손상된다는 오해가 있는데, 이를 '오버와인딩(overwinding)'이라고 한다.[16] 그러나 시계는 완전히 감기도록 설계되었으므로, 오버와인딩 자체가 문제는 아니다.[16] 시계가 멈추는 주된 원인은 먼지, 오일 마름, 밸런스 축 파손 등 다른 결함 때문이다. 먼지가 쌓이고 오일이 마르면 마찰이 증가하여 태엽이 시계를 작동시킬 힘을 잃게 된다.

5. 다양한 태엽의 활용

1950년대에 널리 도입된 자동 시계는 손목의 자연스러운 움직임을 이용하여 태엽을 감는다. 시계 중앙에 고정된 반원형 추가 손목의 움직임에 따라 회전하며, 와인더 메커니즘은 양방향 회전을 통해 태엽을 감는다. 자동 시계는 미끄럼 클러치 장치를 통해 태엽이 끊어지는 것을 방지한다.[17]

태엽은 판 모양의 금속 등을 감아 만든 것으로, 감는 동작을 통해 에너지를 저장하고, 풀리는 힘을 이용하여 시계, 장난감 등의 동력으로 사용된다. 에도 시대에는 고래 수염을 사용한 태엽이 자동 인형에 사용되었다.

최근에는 생태주의나 생존(재난 대비)의 측면에서 태엽이 재조명되고 있다. 저전력 장시간 작동 기기, 전력을 사용하지 않는 자동문, 농업용 수로를 이용한 수력 발전 등에 활용된다. 빈곤국 지원이나 재해 시 비상용으로 태엽식 라디오, 태엽식 손전등 등이 제작되고 있다.

참조

[1] 웹사이트 Seiko Instruments Inc. Micro Energy Division https://www.sii.co.j[...]
[2] 웹사이트 'SPRON [Watch Wiki]' https://www.watch-wi[...]
[3] 서적 Medieval Technology and Social Change https://archive.org/[...] Oxford Univ. Press
[4] 서적 Artisans in Europe, 1300-1914 https://books.google[...] Cambridge University Press
[5] 서적 Time and Timekeepers MacMillan
[6] 간행물 Clock https://books.google[...] Univ. of Chicago
[7] 서적 Famous First Facts: A record of first happenings, discoveries, and inventions in world history https://archive.org/[...] H.W. Wilson
[8] 서적 A History of Mechanical Inventions https://books.google[...] Courier Dover
[9] 서적 History of the Hour: Clocks and Modern Temporal Orders https://books.google[...] Univ. of Chicago Press
[10] 서적 How to make a verge watch http://www.watkinsr.[...] Richard Watkins
[11] 서적 The art of making watch mainsprings, repeater springs and balance springs http://www.watkinsr.[...] Richard Watkins
[12] 웹사이트 Why do mainsprings break? http://vmuseum.ehoro[...] Hamilton Watch Co. 2007-10-08
[13] 웹사이트 The Roskopf Watch http://www.musketeer[...] Ulrich Bretscher's pocket watch page 2007-12-07
[14] 서적 Practical Watch Repairing, 3rd Ed. Robert Hale Ltd.
[15] 문서 Milham 1945, p.105
[16] 웹사이트 You can wind a mainspring too tight http://www.masterclo[...] Master Clock Repair Gainey's website 2014-05-23
[17] 문서 De Carle 1969, p.90-91
[18] 웹사이트 Workshop hints: mainsprings http://www.bhi.co.uk[...] British Horological Institute website 2008-04-20
[19] 서적 Medieval Technology and Social Change Oxford Univ. Press
[20] 서적 Time and Timekeepers MacMillan
[21] 간행물 Clock https://books.google[...] Univ. of Chicago
[22] 서적 Famous First Facts: A record of first happenings, discoveries, and inventions in world history null H.W. Wilson
[23] 서적 A History of Mechanical Inventions https://books.google[...] Courier Dover
[24] 서적 History of the Hour: Clocks and Modern Temporal Orders https://books.google[...] Univ. of Chicago Press


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