오토매틱 시계의 원리

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Automatic Generating System

요즘 들어 여러 종류의 충전식시계가 판매되어 소비자들과 판매업체간에 트러블이 발생하는 등 많은 불편을 주고 있는 것 같아 소매점과 소비자들의 이해를 돕기 위하여 자동권 발전시계에 관한 내용을 연구하여 보기로 하였다.

현재 판매되어 소비자들이 사용하고 있는 자동권 발전시계(이하 AGS 라고 칭한다)는 1987년 일본의 세이코(SEIKO)에서 개발하였다 당시 AGS 시계의 발표는 시계업계와 시계학계에 큰 충격을 주었었다.

시계의 Quartz화가 실현된 것은 1927년 와렌 에이 마리손(Warren A Marrison : 1896 - 1980)에 의하여 가능하였으며, 그 후 40년이 지나서 Quartz는 세이코에 의하여 손목시계로 개발되어 시계시장의 약 90%를 석권하게 되었다.

전자시계가 시계시장의 비중을 크게 차지하게 되므로 전자시계에 사용되어지는 에너지원인 시계용 전지(cell)는 시계를 구동시키는 중요한 에너지원으로 각광을 받았으나, 시계의 기종(소비전류)에 따라 다르지만 1 - 3 년이라는 수명의 한계점을 넘어설 수는 없었다.

[그림 1] 1987년 세이코사에서 개발한 AGS 시계

시계학회와 시계제조업체는 이에 전지가 차지하는 자리를 메우기 위하여 "시계의 에너지원을 무엇으로 할까" 라는 연구는 매우 중요한 테마로써 각계방면으로부터 연구가 진행되었었다.

그 중의 하나로 1987년 일본시계학회에서 발표한 AGS(Automatic Generating System)회로와 원리 및 개발의 의미와 문제점 등 소비자와 판매인이 주의하여야 할 점들을 연구하여 보겠다.

1. AGS의 원리

자동권 발전시계의 원리는 다음과 같다
① 손목을 움직이면 자동추가 회전한다.
② 자동추의 회전은 윤열의 증속(增速)배열에 의하여 회전은 증속되어 발전로타에 전달된다.
③ 발전로타가 회전하면, 발전 스테이타를 통하여 발전코일을 교차하는 자속이 변화한다.
④ 자속이 변화하면 전자유도에 따라 발전코일에 교류전압이 발생한다.
⑤ 교류전압은 정류회로에의해 정류되고 2차 전원에 충전된다. 여기서 2차 전원에는 충방전 싸이클을 영구적으로 확보할 수 있는 전기 2중층 콘덴셔(condenser : 단순하게 capacitor 라고 하겠다)를 사용했다.

[그림 2] AGS 시계에 장착된 므브먼트 내부에 발전코일이 보인다.

2. AGS 개발의 의미와 목적

자동권 발전손목시계는 아래와 같은 목적을 위하여 개발되었다.
① 기계식 자동권시계와같은 인간의 운동 에너지를 시계의 구동 에너지원으로 이용하는 동시에 수정시계로서의 정도를 유지할 것.
② 태양발전 시계와 같이 일조 조건이나 휴대상태에 영향을 받지 않을것.
③ 전지조달의 불편한 지역에서도 사용할 수 있는 수정시계일 것.
④ 전지교환이 필요없는 클린 에너지일 것.

3. 개발과제와 설명

자동권 발전시계의 원리는 아래의 그림과 같이 본 기구가 손목시계에 내장되면 아래에 표시된 원리와 같이 발전을 할 수 있다.

[그림 3] Automatic Generating System 기본원리

AGS를 이용해서 수정시계를 구동시킬시는 아래 도표와 같이 캐패시타의 넓은 전원전압 변화를 생각하지 않으면 안된다. 캐패시타는 충전상태에 있으면 상승해가고, 방전상태에 있으면 하강한다.

도면의 캐패시타의 전압변동은 모의적으로 표시한 것인데, 실제로는 그 방전상태에 따라 0 V(제로 볼트)에서 Vcc(캐패시타의 직류내압) 까지의 각종값을 얻어낸다. 이것에 비해서 1차전지(산화은전지)에 의한 수정시계의 구동시에는 좁은범위의 전원 전압변화를 생각하면 될 것이다.

본 자동권 발전시계는 아래에 표시된 회로과제를 극복하는것에따라 전압변화가 큰 캐패시타를 사용하게 되었다.
첫째는 회로의 저전압측 작동영역의 확대와.
둘째는 전압변동에 대한 회로의 동작안정화가 해결되야 하였다.

[그림 4] AGS 회로 캐패시타 전압변화도면

자동권발전 손목시계의 중요한 원리는 저전압측의 작동영역을 확대하는 것에 따라 "멈추고 있는 상태에서도 진동하면 즉시 움직이는시계" 로서 방치를 하였는데도 긴 기간동안 움직임을 계속하는 시계가 실현되어야 한다는 것이다.

이것은 발진회로, 구동회로, 모타동작을 구동전원전압의 각개소에서 분명하게 수정시계로서의 기본성능을 확보하여야 한다는 의미이기도 하다.

4. 자동권발전손목시계의 개요

다음 그림은 회로시스템의 기본구성도와 전력의 흐름을 수력의 흐름으로 바꾸어 놓은 가상 시스템 그림이다.

[그림 5] AGS 회로시스템의 기본구성도와 전력의 흐름을 수력의 흐름으로 바꾸어 놓은 가상 시스템.

발전기가 작동을 하면 캐패시타에 충전되지만 본 시스템은 캐패시타가 전압이 낮아서 시계의 구동가능전압에 미치지 않을 때는 승압회로에 따라 캐패시타 전압을 고전압으로 변환해서 시계를 구동하는 형식으로 되어 있다.

전압이 변환되어진 전력은 보조콘덴셔에 축전된다, 따라서 실제 시계를 구동시키는 전원은 보조콘덴셔로 되는 것이다. 그러므로 캐패시타의 정전용량은 0.33F 와 고용량의 것을 이용하고 보조콘덴셔의 용량은 15 ㎌의 것을 이용하였다.

가상의 시스템 그림에서는 캐패시타와 보조 콘덴셔를 용량이 아주 다른 대수조(大水操)와 소수조(小水操)로 바꾸어 그려놓았다.

즉 대수조에는 발전기(펌프라고 생각하여도 좋다)에서 물이 공급되어 수량이 증가하여도 수조가 크기 때문에 여간해서 수위가 오르지 않는다. 바로 이 대수조에서 펌프로 소수조에 물을 옮겨서 소수조의 수력으로 시계를 구동하는 원리를 설명하였다.

소수조는 약간의 수량이라도 높은 수위가 얻어져 시계를 구동하게 되는 것이다. 그러므로 대수조의 수위가 부족하여도 별 문제가 되지 않는다.

[그림 6] AGS시계의 회로불럭 보조콘덴셔와 집적회로가 부착되어 있다.

또한 리밋터(Limiter)는 캐패시타의 과충전보장을 목적으로 하고 있어, 캐패시타의 전압이 소정의 전압이 통과하면 리밋터가 작동하고 전류를 바이패스(by pass)하는 식으로 구성되어 있다.

지금까지 AGS의 제원과 구성 개요를 공부하였다. 이 내용대로라면 인간의 신체운동의 에너지만 충족된다면 이시계는 무한한 작동을 하여야 할 것이다.

한마디로 말하면 영원불멸의 시계인 것이다. 그런데도 왜 많은 소비자가 시계의 이상과 문제를 호소하는 것일까 ?

많은 이론과 논리, 특히 전자공학에서는 무한대 또는 반영구적이라는 주장과 선전문구가 소비자들을 현혹하고 있다. 물론 이론대로라면 분명히 반영구적인 원리이며 반론의 여지가 없는 발명품이다.

[그림 7] AGS 시계의 므브먼트. 발전코일과 구동코일이 각각 독립되어 있다.

그러나 오직 신만이 영원한 작품을 만들 수 있으며 인간은 절대 영원한 상품을 만들수는 없다. 장 레온의 아트모스 역시 300년동안 분해소제가 필요하지 않고 작동할 것이라는 이론으로 개발되었지만 결국에는 대기의 오염과 현실에 비추어 20년이내에 정기적인 점검이 필요하듯이.

AGS역시도 이론을 실망시키는 불행한 일들이 나타나고 있다. 개발한 업체와 설계자들이 모르고있는 것일까?
아니면 그들이 잠시 착각을 하였을까?

필자는 1년이면 약 20 여개의 충전식 시계의 수리를 의뢰 받고 있다. 물론 80% 이상은 소비자의 과실(사용 중 충격, 침수, 과방전등)이라고 할 수 있지만 여기서 분명하게 집고 넘어가야 할 중요한 문제가 있다.

첫째는 과방전이다. 자동차를 운행하지 않고 장기간 방치를 하면 시동을 걸어주는 충전밧데리가 과방전으로 인하여 사용할 수가 없듯이 AGS시계에 사용되는 축전지(캐패시타 또는 2차전지)도 장기간 사용하지 않거나 방치 할 경우 축전지의 과방전은 피할 수 없다.

[그림 8] 2차전지라고도 하며 캐패시타 또는 축전지라고도 한다.

즉 생산업체에서 강력히 주장하는 전지교환이 필요 없는 시계라는 문구는 곧 수정되어야 한다는 결론이다. 과방전 되어버린 축전지는 사용자가 많은 활동을 하여도 충전이 될 수 없으며 에너지가 충전되지 않은 시계는 정상적인 작동을 할 수가 없는 것이다.

이러한 과방전현상은 언제든지 즉 시계를 구입한 후 즉시 방치하고서 2 - 3개월이 지나면 축전지는 방전된다. 그러므로 사용자에게 항시 사용을 해줄 것을 요구한다 하여도 소비자의 환경과 생활습관에 따라 언제든지 과방전이 될 수있는 것이다.

[그림 9] 발전기에서 공급되는 전류의 손실과 접속불량으로 발생하는 오염을 방지하기 위하여 접점이 고주파용접이 되어있다.

또한 축전지가 과방전된 상태에서 소비자가 계속 시계를 흔든다거나 사용을 하면 시계는 활동하기에 따라서 발전을 계속하게 되고, 제너레다는 과도한 저항에 몸살을 않게 되며 이는 곧 발전윤열에 과중한 마찰을 주게되는 원인을 제공하게될 것이다.

[그림 10] 과도한 과충전으로 인한 저항을 효과적으로 분산시키기 위한 발전윤열.

그것은 축전지가 과방전되었어도 보조콘데셔의 충전이 가능하므로 소비자가 착용을 하는 동안은 시계의 작동이 가능하기 때문이다, 보조콘덴셔의 용량이 작으므로 시계는 움직이지 않으면 잠시 후 멈추게 된다.

또한 자동권의 와인딩(자동추)의 1회전에 발전로-타는 86회 회전이라는 회전증속이 증가하므로 발전기에서 얻어지는 전압은 보조콘덴셔의 용량을 곧 넘치게 된다, 물론 리밋터의 작동으로 넘치는 전압은 바이패스하게 되어있으나 방전된 축전지의 쇼트 등에 의한 과도한 발전용량으로 인하여 발생하는 치차의 저항은 피할 수는 없다.

발전기의 발전윤열에는 저항을 방지하는 가볍게 미끄러지는 윤열장치를 하였다 하여도 시계에 윤활유의 증발이 있을 경우 발전윤열의 저항방지 장치도 전혀 도움이 될 수 없다

[그림 11] 발전용 자동추 106개의 톱니를 가지고있다.

그렇게되면 치차의 마모는 물론이고 발전 중에 가장 많은 회전을 하는 발전로-타의 회전축 파손을 급격히 마모되는 결과를 초래할 것이다. 기계적인 고장은 여기에서 논쟁을 끝내기로 하자.

방전되어 쓸모가 없어진 축전지의 교환은 당연한 수순이며 오랜 기간동안 축전지의 과방전을 모르고 사용하여 승압회로의 이상이 발생하였다면 축전지의 교환도 도움이 될 수는 없다, 과방전상태에서 지속적인 발전이 있을 경우 승압회로의 고장도 피할 수는 없으며 승압회로의 교환도 필요하게 된다.

이렇게 되면 소비자는 승압회로(PCB 회로불럭전체)와 축전지의 교환이라는 막대한 지출을 감수하여야 하며, 전지의 교환이 전혀 필요없이 장기간(메이커주장 약 12년)작동을 하여야 하는 충전용 시계의 모든 선전문구는 허구가 되는 것이다.

이 모든 문제점은 제조업체에서 판매자들에게 충전용시계는 장기간 방치를 하였을 경우 축전지(캐패스타 또는 2차전지)의 과방전 원인이 될 수 있다는 문제와 방전된 축전지는 교환하여야 한다는 문제를 충분하게 교육시키지 않았을 경우와, 시계의 특성과 제원을 모르고 판매를 한 판매자들의 책임도 분명하게 집고 넘어가야 할 것이다.

소비자는 광고문구만을 믿고서 상품을 구입하며 사용설명서에 전자에 기록된 중요한 기술적인 문제점들을 고지하지 않았다면 축전지의 과방전이 소비자들의 과실이라고 판단할 수는 없는 것이다.

물론 시계를 판매할 때 과방전의 문제점을 소비자에게 전달할 경우 소비자의 반응은 다양하겠지만 상품의 구입을 회피하는 경우도 발생할 수는 있다. 그러나 현대는 정보화 사회이며 소비자의 주장은 곧 절대적인 권한이 되어버린지도 오래이다, 소비자의 불만이 지속된다면 업계의 도덕성과 신용에 많은 지장을 주게될 것이다.

우리 모두가 시계를 수리하거나 판매를 하든 또는 제조를 하든 간에 먼저 시계인이다는 사실을 잊어서는 안되며 시계인이 된 이상 자신이 취급한 시계의 제원과 사용법 또는 문제점들을 알고 있어야 할 것이다.

시계인이 시계를 소비자에게 권하면서 시계의 특성을 제대로 소비자에게 전달 할 수 없다면 신용사회에 이처럼 불행한 일이 또 있을까 싶다. 시계를 구동시키는 내장의 특성을 모르고 사용하는 소비자는 사용 중에 발생하는 많은 트러블을 판매자와 메이커에게 원상복구를 요구하게 될 것이며 여기에서 발생하는 모든 트러블은 소비자와 시계인들간의 유대를 불안하게 할 것이다.

분명한 것은 AGS시계는 전술한 문제점들을 소비자들이 숙지하고 사용한다면 장기간 시계의 전지를 교환하지 않고서도 Quartz 시계의 정확성과 아날로그의 심플한 이미지 그리고 기계식시계의 친숙함을 함께 하는 우수한 시계로써 오랜 기간을 많은 소비자들을 위하여 봉사 할 것이다.

그러므로 우리는 시계라는 상품을 우리의 직업으로 선택한 이상 시계에 관한 전반적인 지식과 상식을 판매자와 수리기능사 모두 소비자에게 전달하는 자세를 가져야 할 것이다.

물론 제조업체는 자신들이 제조하여 공급한 시계의 특성과 문제점을 여러 방면으로 교육시키는 자세를 잊지 말아야할 것이다.
이 모든 것들을 소홀히 한다면 시계업계의 지속적인 발전도 기약 할 수 없는 것이다.

대한민국 명장
고급 시계사
시계 산업기사 정 윤 호