시계

역사

초기에 인간은 시간에 따라 변하는 물체의 그림자 모양을 기준으로 시간을 쟀다.

그리고 해가 없는 밤이나 흐린 날에는 물의 흐름을 이용한 물시계를 사용했다. 그밖에 물시계와 같은 이치를 이용하여 물 대신 모래의 흐름을 이용한 모래시계, 향이나 초를 태워 그것이 타들어가는 속도로 시간을 재는 불시계 등을 사용하거나, 달 또는 별의 움직임으로 시간을 쟀다. 그러나 이것들은 불편하고 여러 한계점이 있었기 때문에 기계의 발달과 함께 기계식으로 옮겨가게 되었다.

완전한 기계식 탈진기(이스케이프휠에 정지작용과 이송작용을 교대로 주어 규칙적이고 간헐적인 운동을 하게 하는 기구)를 가진 기계의 기원은 알려져 있지 않지만, 최초의 이 장치는 종을 울려서 수도사들에게 시간을 알리기 위해 발명·사용되었다.

문헌에 기록된 최초의 기계식 시계는 탑시계로 알려져 있는데, 이것은 탑에 설치된 추로 작동하는 큰 기계였다. 여기에는 시각을 알리는 종을 치지도 않았으며 바늘이나 문자반도 없었다(수도원제도).

종을 쳐서 시간을 알리는 최초의 공중시계(公衆時計)는 1335년 밀라노에서 제작·설치되었다. 잉글랜드에서 현존하는 가장 오래된 시계는 솔즈베리 대성당에 있으며, 1386년까지 거슬러 올라간다.

1389년 프랑스 루앙에 세워진 시계는 아직까지 있으며, 잉글랜드의 웰스 대성당용으로 제작된 것은 런던의 과학박물관에 보존되어 있다. 솔즈베리 대성당의 시계는 종을 울려 시각을 알렸으며, 루앙과 웰스의 것은 25분마다 종을 울리는 장치가 있었다. 얼마 후에 나온 영국시계들은 부피가 크고 틀이 쇠로 되어 있으며, 태엽통에 감긴 줄에 부착되어 레버식(또는 크라운 기어식) 탈진기로 조절되는 추를 낙하시켜 작동시켰다.

이들의 오차는 하루에 30분 정도로 컸다. 최초의 가정용 시계는 이런 대형 공중시계를 축소한 형태의 것이었는데, 14세기 후반에 등장했으며 지금은 거의 남아 있지 않다. 아주 간단하게 설계된 이것은 대부분 덮개가 없었으며, 추를 설치할 수 있는 구멍이 있는 받침대 위에 세워졌다.

1500년경 독일의 자물쇠 수리공인 P. 헨라인은 스프링으로 작동되는 소형시계를 만들기 시작했다.

이것이 최초의 휴대용 시계였으며, 획기적인 진보였다. 이 시계의 상단에 시침(분침은 1670년까지 등장하지 않았음)만 있는 문자반은 17세기까지 유리 같은 덮개가 없는 형태로 바깥에 직접 노출되었다. 16세기말부터 시계는 직립형으로 만들어졌다. 이것은 가정용 추시계와 유사했지만 휴대용은 아니었다.

17세기 초반 이 시계는 황동으로 만든 덮개로 밀폐되었다.

1582년 갈릴레오는 진자의 계시성(計時性)에 관심을 가지게 되었다. 네덜란드의 천문학자이자 물리학자인 호이헨스는 1656년부터 시계의 시간조절기로 진자를 활용했다. 그의 발명은 시계제작의 범위와 중대성을 대단히 증대시켰으며, 단진자로 작동하는 추시계는 나무상자에 넣고 벽에 걸 수 있도록 제작되었다. 1670년 영국의 시계 제조공인 W. 클레멘트는 초(秒)를 나타내기 위해 긴 진자를 도입했다. 그 뒤에는 진자와 추를 밀폐시켰으며, 대형 괘종시계가 탄생되었다.

1676년에는 R. 훅이 현대 괘종시계에 사용되고 있는 앵커를 사용한 퇴각식 탈진기를 발명했다.

시계에 분침을 사용하기 시작한 때도 바로 이때이다. 1715년 G. 그레이엄은 이 탈진기를 개량해 직진식 탈진기를 발명했고, 1722년에는 수은으로 된 보정진자를 발명했다. 1726년 J. 해리슨은 성질이 다른 2종류의 금속을 사용하여 온도에 의해 진동주기가 바뀌지 않는 보정진자를 발명했다. 1755년 영국의 T. 머지는 휴대용 시계에서 사용하는 레버식 탈진기를 발명했으며, 1890년 C. E. 기욤이 온도변화에 따른 팽창·수축이 거의 없는 인바(invar)라고 하는 합금을 발명했다.

이 합금을 균형바퀴와 유사(游絲：작은 시계의 초침을 움직이게 하는 나선 모양의 가느다란 부속품)에 사용함으로써 온도변화에 따른 시간의 오차가 거의 없는 시계를 만들었다.

해시계

막대를 수직으로 세워 그 그림자의 이동으로 시각을 나타내는 시계로, 후에 막대를 북극성을 향하도록 해 더 정확한 시간을 알 수 있었다. 해시계는 이집트에서 사용되기 시작했으며 그후 유럽을 비롯해 중국에서도 사용되었다. 한국에서는 기록에 나타나 있지 않지만 신라시대의 해시계 파편으로 보이는 유물이 발견됨으로써 삼국시대부터 사용되었다고 생각되며, 조선 세종 때에는 앙부일구·천평일구·정남일구·현주일구 등 4가지가 있었다. 이중 앙부일구는 세종 때에 제작되기 시작하여 일본에 영향을 미친 대표적인 해시계로 세종은 이 시계를 크게 만들어 지금의 종로 1가와 종묘 앞에 설치했다.

물시계

안쪽에 눈금이 새겨지고 밑바닥에 작은 구멍을 가진 그릇에 물을 채워 이 물이 일정하게 흘러나오는 것을 이용한 시계로, 흐린 날과 밤에 사용할 수 없다는 해시계의 단점을 극복하기 위해 제작되었다. BC 1400년경에 이집트에서 사용되었다고 전해지며, BC 500년경에는 그리스에서도 물시계가 사용되었다.

한국에서는 〈삼국사기 三國史記〉의 기록을 보아 삼국시대부터 사용되었음을 알 수 있다. 통일신라 때에는 물시계인 누각을 만들었으며, 조선 태조 시기에는 경루를 설치했다는 기록도 있다. 1434년 장영실이 세종의 명을 받아 자격루를 완성했는데, 이 시계는 여러 물시계 중 가장 정밀한 것이며, 자동시보장치가 장착되어 있어 시각을 자동으로 알려주었다.

기계시계

시계의 바퀴열(기어 열)은 추나 태엽의 작용을 시침과 분침에 전달하는 가동기계부품(기어)의 집합체이다.

바퀴와 피니언을 정밀하게 만들고 힘이 가능한 한 일정하게 전달될 수 있는 치형(齒形)의 설계가 중요하다. 추 또는 태엽에 의해 움직이는 시계에서는 먼저 주륜(main wheel)으로 힘을 전달한다. 이것은 1번 피니언과 맞물리고, 계속해서 이 피니언의 축에는 2번 피니언과 맞물려 있는 2번 바퀴가 부착되어 있는 식으로 기어 열을 통해 탈진기로 전달된다. 기어 비를 조절하면 보통 2번째나 3번째의 한 주축이 1회전하게 되며, 따라서 분침을 움직이는 데 사용할 수 있다.

'모션워크'(motion work)로 알려진 12：1의 기어 비(큰 기어의 잇수를 작은 기어의 잇수로 나눈 값)를 가진 기어 장치는 시침을 움직이는 데 필요한 감속비를 준다. 태엽이나 추에는 필요할 때 되감을 수 있는 장치가 붙어 있으며, 분침을 움직이는 축에는 분침을 정확한 시간에 맞출 수 있는 간단한 형태의 미끄럼 클러치(slipping clutch)가 있다.

조그만 호에서 완전 진동에 대한 시간(주기)은 단진자의 길이에만 의존하고 호의 길이에는 거의 무관하며, 약 990㎜인 진자의 길이가 0.025㎜ 늘어나면 시계는 하루에 약 1초 정도 느려진다.

따라서 진자의 길이변경은 보통 진자의 추와 결합된 너트를 돌려 진자막대의 아래위로 추를 이동시켜야 한다. 온도변화에 따라 진자막대가 수축하거나 팽창하면 진자의 계시성에 영향을 미친다. 예를 들어 강철 진자막대를 사용한 진자시계는 온도가 2.2℃ 상승하면 하루에 1초 늦어진다.

따라서 정밀도를 위해 진자의 길이를 가능한 한 일정하게 유지시켜야 한다. 이러한 방법에는 여러 가지가 있는데, 그중 하나는 팽창계수(단위 온도변화당 팽창량)가 서로 다른 금속을 사용하여 상쇄효과를 얻는 것이다. 그러한 일반적인 방법으로는 적당한 양의 수은이 포함된 유리나 금속으로 만들어진 단지 모양의 보정진자를 사용하는 방법이 있다. 격자꼴 진자(두 금속봉을 암으로 하는 주기보정진자)는 황동과 강철막대를 이용하는 반면, 아연-철의 합금관에서 진자막대는 아연과 철의 동심관(同心管)으로 만들어진다.

그러나 비교적 값싼 방법은 인바(invar)라고 하는 특수금속을 사용하는 것이다. 이 재료는 미세한 온도변화를 상쇄하는 팽창계수를 가진다. 진자시계의 이스케이프휠(escape wheel)은 진자가 매번 진동할 때마다 기어를 1피치만큼 회전시키며, 진자가 계속 진동할 수 있도록 추진력을 전달한다. 이상적인 탈진기는 자유진동을 방해받지 않고 이 2가지 기능을 수행한다. E. 베켓은 이중삼각가(二重三脚架) 중력탈진기를 발명했으며, 1859년에 설치된 영국 의회의사당의 거대한 시계(오늘날 빅벤으로 알려져 있음)에 이 장치를 사용했다.

그뒤로 이것은 정밀한 모든 탑시계의 표준이 되었다.

대형 탑시계를 비롯한 모든 기계시계의 계시부분은 본질적으로 동일하다. 그림은 진자를 갖는 간단한 추시계의 구조를 보여준다. 몸체는 여러 가지 바퀴와 다른 가동부의 회전축을 지지하는 2개의 판으로 이루어져 있는데, 이것은 4개의 축에 의해 일정한 간격으로 연결되어 있다.

구동추는 태엽통에 감겨진 줄에 매달려 있고 감는 장치에 의해 위로 올려진다. 주륜은 중심바퀴가 설치된 축에 중심 피니언(1번 피니언)과 맞물려 있다. 중심바퀴와 피니언의 앞쪽 회전축은 보는 바와 같이 그림의 왼쪽으로 연장되어 있고, 분침과 시침을 움직이는 데 필요한 기어장치를 움직인다. 중심바퀴는 바로 그 위의 기어를 통해 이스케이프휠과 연결되며, 이스케이프휠은 앞쪽판과 진자지지 콕 사이의 축이나 회전축에 고정되어 있는 팰릿과 맛물려 있다. 클러치는 팰릿 축과 붙어 있고 클러치 아래쪽 끝에는 진자막대와 연결되는 갈퀴가 있다.

모션워크는 시계바늘을 움직이는 데 사용되는데, 문자반과 틀의 앞쪽판 사이에 설치된다.

시침을 움직이는 바퀴는 1시간에 1회전한다. 이것은 클러치처럼 작동하는 편평한 스프링에 의해 중심축과 연결되어 있고 시계바늘을 조정할 수 있게 한다.

가장 정밀한 기계시계는 쇼트 진자시계이며 이것의 작동법은 전기시계의 모시계(母時計) 장치와 같다. 이 시계는 하나를 다른 하나와 시간을 일치시킨 2개의 시계로 이루어졌다.

계시에 있어 중요장치는 30초마다 천천히 낙하하는 레버로부터 임펄스를 받을 때를 제외하고는 자유롭게 진동하는 진자이다. 이 레버는 종속시계로부터 받은 펄스에 의해 작동된다. 임펄스를 받은 뒤 동기신호는 진자가 받은 임펄스가 받기 전의 임펄스보다 정확히 30초 늦게 방출되도록 종속시계로 다시 보낸다. 진자는 낮고 일정한 공기압이 유지되는 밀폐된 상자에서 진동한다. 관측소의 쇼트 시계는 온도가 거의 일정한 방(보통 지하실)에 보관되며, 이로 인해 하루에 수천 분의 1초 이하의 오차를 가지는 정밀도를 유지할 수 있다.

전기시계

추나 태엽 대신 전류를 원동력으로 사용하는 시계로, 중앙모시계(中央母時計) 1개가 여러 개의 문자반을 원격조정하여 시간을 나타낼 수 있다. 1840년 발명된 최초의 전기시계는 스프링과 진자에 의해 작동되었고 수많은 실험을 거친 후 1906년 비로소 건전지를 내장시킨 전기시계가 발명되었다(→ 축전지). 모시계 장치에서 전기를 사용하여 임펄스를 진자에 전달하여 기어 열을 움직이거나 레버를 올리는 진자에 직류의 임펄스를 공급했다.

현대의 여러 모시계 진자는 2회 진동에 1개의 톱니가 움직이는 이스케이프휠을 작동시키고 30초마다 레버를 풀어준다. 이 레버는 임펄스를 진자에 전달하고 전자석에 의해 원 위치로 돌아간다. 전자석을 작동시키는 펄스는 일련의 문자반에 원격으로 전달되어 30초마다 시계바늘을 움직이게 한다. 이러한 방법은 1개의 모시계로 여러 문자반을 움직일 수 있을 뿐 아니라 시간 기록계나 사이렌과 같은 장치를 제어할 수 있다. 이러한 형태의 전기식 모시계는 진자가 중앙점을 통과할 때 임펄스를 대칭적으로 줄 수 있을 뿐 아니라, 운동 방해가 적기 때문에 좋은 계시성(計時性)을 지닌다.

1918년에 시계에 동기전동기(同期電動機)가 사용되면서부터 가정용 전기시계가 대중화되었는데 이 긴 전동기는 정확한 비율로 시계바늘을 움직이는 감속 기어 장치와 연결되어 있다. 이 시계는 자체에 시간조정 성질이 없고 공급된 교류전류의 주파수 안정성에 전적으로 의존한다. 만약 이 주파수가 변하면 시간이 틀려지게 된다.

휴대용 시계

휴대가 가능한 시계로, 휴대용 시계는 휴대용 전기시계와 휴대용 기계시계로 나눌 수 있다.

독일 뉘른베르크의 자물쇠수리공인 P. 헨라인이 추시계를 움직이는 데 추 대신 태엽을 도입했던 1500년 직후 최초의 휴대용 시계가 출현했다고 본다. 초기 휴대용 시계에 사용했던 탈진기는 추시계에 사용한 레버식 탈진기와 같은 종류였다. 초기의 휴대용 시계는 독일과 프랑스의 블루아에서 만들어졌으며, 그 지름은 약 100~125㎜이고 두께는 75㎜였으며, 손에 들고 다닐 수 있었다. 휴대용 시계의 태엽은 구부리거나 둘둘 말아서 압력을 가한 스프링으로 이루어졌는데, 태엽을 감으면 스프링의 곡률이 증가하면서 에너지가 저장된다.

이 에너지는 기어 열과 탈진기에 의해 균형바퀴라는 시계의 진동부에 전달되고, 이 균형바퀴의 움직임은 탈진기 작동의 조절과 동시에 임펄스 유지의 계시성을 조절한다. 시계바늘에 대한 마찰구동은 알맞은 속도로 회전하는 바퀴에 의해 1시간에 1번 제공된다. 이 마찰구동에 의해 시계바늘이 고정된다.

스프링에 의해 구동되는 최초의 시계 태엽은 그 중앙에 있는 작은 축에 거는 반면, 그것의 바깥쪽 끝을 시계틀에 붙였다.

래칫과 제륜자(制輪子)는 태엽을 감는 동안 기어 열 가운데 제1톱니바퀴의 움직임을 방해하지 않고 아버(작은 축)가 회전하도록 했다.

초기 손목시계의 큰 결점 가운데 하나는 태엽에서 발생하는 토크가 일정치 않다는 것이다. 즉 태엽의 힘은 완전히 감겼을 때가 거의 풀렸을 때보다 더 크다. 시계의 구동력은 레버식 탈진기를 사용하는 손목시계의 정밀도에 커다란 영향을 미치므로, 이 문제는 매우 중요했다.

1515~40년에 체코슬로바키아의 야코프가 퓨지(fusee：태엽통과 함께 사용되는 원뿔 모양으로 홈이 나 있는 도르래)를 발명하여 이 문제의 해결이 한 걸음 나아갔다. 이러한 장치로 태엽이 태엽통을 회전시킨다. 후에 체인으로 대체된 특정 길이의 장선(腸線)이 태엽통에 감겨 있고 다른쪽 끝은 퓨지 둘레에 감겨 있다. 태엽이 완전히 감기면 장선이나 체인은 원뿔 모양을 한 퓨지의 반지름이 가장 작은 부분에 감긴다.

태엽과 퓨지의 반지름이 정확하게 비례하면, 태엽이 풀리는 동안 토크는 거의 일정하게 유지된다. 나중에는 태엽을 감는 동안에도 시계가 가도록 하는 태엽통이 발명되어, 오늘날 거의 모든 손목시계에 퓨지 대신에 사용되고 있다. 태엽통 아버(태엽통의 작은 축)와 태엽통의 지름이 태엽의 두께와 비례하게 만들어 토크의 변화가 최소가 되었다.

1580년경까지 손목시계의 장치는 모두 철로 만들었으며 이 시기에 황동이 도입되었다.

1625년 이후 황동은 손목시계의 몇 개 부품에 사용되었으며, 더욱 정교한 부분에는 강철이 사용되었다.

초기 시계에서는 균형바퀴라고 하는 무거운 테를 가진 바퀴달린 기계를 이용하여, 기계의 회전비를 조정하는 데 사용했다. 그것은 질서정연한 구속조건이 없고 수학적으로도 진동주기를 정할 수 없었다. 결과적으로 진동주기와 시간의 비율은 태엽의 영향을 받는다.

이것은 퓨지가 얼마나 중요한가를 말해준다. 태엽을 가지고 있는 균형바퀴의 진동을 조정하는 것은 시계의 역사에서 중요한 단계를 차지한다. 1650년대 후반에 로버트 훅은 균형바퀴 태엽을 가진 손목시계를 설계했다고 하지만 증거는 없다. 그러나 그 태엽은 나선형이었으며 효과가 좋아 폭넓게 사용되었다. 아마도 C. 호이헨스가 나선형 균형바퀴 태엽 또는 유사를 가진 손목시계를 최초로 설계한 것 같다(1674~75). 균형바퀴 태엽은 정교한 강철 스프링으로 만들었으며 보통 나선형으로 감긴다.

감은 부분의 안쪽 끝은 작은 이음고리에 핀으로 연결하는데, 이 이음고리는 마찰에 잘 견디도록 균형바퀴 막대기 위에 고정한다. 그리고 바깥쪽 끝은 운동하는 부분에 강하게 고정해둔다. 이 태엽은 중력이 진자에 작용하듯이 균형바퀴에 작용하며, 만약 균형바퀴가 한쪽으로 움직이면 태엽이 감기고 그 태엽 안에 에너지를 저장한다. 이 에너지는 균형바퀴로 되돌아 온다. 균형바퀴를 풀어놓으면 다른쪽으로 거의 똑같은 거리만큼 회전한다. 만약 거기에 마찰 때문에 생기는 손실(공기 마찰, 스프링 재료 안에서의 내부 손실, 받침대에서의 마찰 등)이 없다면 균형바퀴는 다른쪽으로 정확히 똑같은 거리를 회전하면서 끝도 없이 진동을 계속할 것이다.

그러나 마찰로 인한 손실 때문에 실제로 진동은 점점 줄어든다. 균형바퀴의 진동을 계속 유지하는 것은 태엽에 저장되었다가 일련의 기어 열과 탈진기를 통하여 균형바퀴로 보내지는 에너지이다.

오늘날 손목시계의 성능은 균형바퀴의 진동 주기와 그에 따른 운동의 규칙이 얼마나 일정한가에 따라 판가름된다. 균형바퀴에 붙어 있는 태엽은 원 상태로 돌아가려는 비트는 힘을 공급한다. 균형바퀴는 그것의 질량과 형태에 따라 변하는 관성력을 가지고 있다. 태엽은 아무 압력을 받지 않는 원래 위치에서 변위가 생기면 그 변위에 비례하게 복원력이 생기며, 균형바퀴는 막대기 또는 지지점을 가진 굴대에 붙어 있다.

품질이 우수한 손목시계는 보석을 균형바퀴로 사용한다. 균형바퀴 막대기의 각 끝에 2개의 보석을 사용하는데 한쪽은 지점(支點)을 만들기 위하여 꿰뚫어 놓고, 다른쪽은 주축의 반구형 끝을 지지함으로써 축 방향의 위치이동을 주며 끝이 편평하다. 축에서의 마찰효과는 여러 위치에서(예를 들면 눕혀놓았거나 걸어놓았을 때) 손목시계의 성능에 영향을 미친다.

태엽에서 생기는 복원우력(復原遇力)과 균형바퀴의 관성력 중에 하나를 변화시켜 시간을 맞출 수 있다.

태엽의 복원우력의 경우, 필요에 따라 유사를 늘이거나 줄일 수 있는 가동성 속도조절바늘을 붙인 한 조(租)의 구속 핀을 이용하여 변화시켰다. 균형바퀴의 관성력의 경우, 균형바퀴의 테두리 위의 서로 반대쪽의 두 지점 중의 한 곳에 마찰을 이용해 죄어진 나사를 안이나 바깥으로 움직여 변화시켰다. 태엽장치가 없는 휴대용 시계에서 시계조절바늘이 없다면 유일한 시간을 맞출 수 있는 조정자는 균형바퀴의 테두리에 끼워져 관성력을 변화시키는 나사들이다.

오늘날의 많은 기계식 손목시계는 1765년 T. 무즈가 발명한 레버식 탈진기를 사용하는데 이것은 균형바퀴가 자유롭게 회전하도록 되어 있다가, 일련의 바퀴를 통하여 태엽으로부터 충격을 받을 때 그리고 열려 있을 때 서로 연결된다.

이것은 19세기초 곤봉 모양의 톱니를 가진 이스케이프휠에서 오늘날까지 발전해왔지만 20세기초까지는 거의 채택되지 않았다.

품질이 우수한 손목시계에서 곤봉 모양의 톱니를 가진 이스케이프휠은 실제 작동하면서 접촉하는 면을 단련된 강철로 만든다. 이런 모양이 톱니바퀴와 팰릿 사이의 운동손실을 줄여준다. 레버식 탈진기의 특징은 '2중 롤러 안정작용'이라 할 수 있는데, 이 작용은 롤러 밑에서 일어난다.

이 경우 롤러와 안내 핀 사이의 교차점은 단일 롤러를 사용하는 경우보다 더 안쪽에 위치한다. 따라서 착용하고 다니면서 생기는 충격에 의한 어떠한 마찰도 균형바퀴에 영향을 덜 주며, 손목시계의 시간을 유지하는 특성에 해를 덜 끼친다. 지금까지 손목시계에 사용된 탈진기 중 가장 중요한 것은 레버식 탈진기인데, 이것은 보통 시계에서 고성능 시계까지 보석을 사용한다. 그리고 강철 팰릿핀을 사용하기도 하고 더 값싼 시계에는 간단한 포크 롤러 장치를 사용했다.

오늘날 손목시계의 일련의 톱니바퀴는 태엽통과 지도톱니바퀴 사이에 1：4,000 정도의 전진비를 반드시 갖도록 하고 있다.

피니언은 차지하는 공간을 고려해야 하므로 이의 개수가 보통 6~12개 정도로 적어야 한다. 이것은 기어에 있는 피치의 정교함 때문에 악화되는 몇 가지 특별한 문제를 일으킨다. 따라서 중심거리·형태·집중성에 있어서의 어떤 오류는, 기어 장치가 클수록 비례하여 더 중요해진다. 1704년 최초로 특허를 딴 덮개는 손목시계에 보석을 이용했는데, 다이아몬드와 사파이어를 사용했다. 오늘날은 분말 알루미나(알루미늄 산화물)를 녹여 만든 인조보석을 사용한다.

손목시계의 보석들은 아주 높은 광택을 내어야 하며, 보석 베어링이 일정한 바깥지름을 갖는 것이 중요하다. 왜냐하면 보석 베어링보다 더 작은 구멍으로 정확히 밀려들어가야 하며 마찰로 거기에 고정되어야 하기 때문이다. 균형바퀴 보석의 전형적인 구멍지름은 약 0.1㎜이다.

1780년 런던에서 자동으로 태엽이 감기는 소형 회중시계에 대한 특허를 최초로 획득했다.

1924년에 특허를 받은 영국의 발명품인 손목시계는, 감속바퀴와 기어장치를 통과하는 태엽통 아버에 연결되어 있는 운동장치의 중앙에 지지점을 가진 흔들리는 추를 가지고 있다. 더욱더 현대적인 자동으로 태엽을 감는 손목시계는 360° 회전하면서 양폭 방향으로 태엽을 감는 추 또는 회전자를 가지고 있다.

전기로 움직이는 손목시계는 다음의 3가지 구동장치 중의 하나를 사용한다.

① 전통적인 균형바퀴-유사 발진기로 이루어진 검류계(檢流計)구동장치：코일과 영구자석의 자기(磁氣) 상호작용에 의해 계속 운동하게 한다. ② 유도(誘導)구동장치：안에 있는 전자석이 약한 자기를 띠는 물질을 함유한 균형바퀴를 끌어당긴다. ③ 공명(共鳴)구동장치：안에 전기로 가동되는 작은 소리굽쇠(길이가 약 25㎜)가 동력을 공급한다. ①과 ② 두 형태는 적당한 때에 전기 구동 펄스를 공급하기 위하여 균형바퀴가 움직임에 따라 같이 움직이는 기계적인 접촉을 이용한다.

각각의 균형바퀴 발진기는 톱니바퀴를 한 톱니씩 전진하여 시간을 나타내는 일련의 기어 열이 작동하도록 한다. 1953년에 처음 나온 ③의 형태를 전자시계라 부르는데, 이것은 균형바퀴형 시계에서 훨씬 더 정확하다. 점점 더 높은 주파수를 요구함에 따라 트랜지스터가 기계적인 접촉을 대신했다. 소리굽쇠의 미세하고 빠른 운동이 아주 섬세한 톱니를 갖고 있는 래칫이 앞으로 전진하도록 한다. 전자시계는 마찰이 아주 적으므로 필요한 윤활유의 양도 적다. 건전지가 너무 약해서 소리굽쇠를 제대로 작동하지 못하면 시계는 정지한다.

이들 3가지 형태의 시계는 모두 동력원(動力源)으로 고(高)에너지 밀도를 갖는 소형 건전지를 사용한다.

20세기 후반에 전자부품의 소형화가 모든 전자시계의 발전을 가능하게 했다. 이런 시계는 필수적인 트랜지스터·저항기·축전기와 다른 기계요소들이 모두 하나 또는 몇 개의 소형 고밀도 직접회로로 제작된다. 그런 시계의 복잡한 회로가 다양한 시계 기능을 가능하게 했으며 또한 전통적인 시침·분침·초침을 가지는 시계를 대신하여 시간을 디지털 정보로 볼 수 있게 했다.

수정시계

1929년 시계의 부품으로 수정결정이 최초로 사용되었는데, 아마도 이 발명은 정밀한 시간측정에 대한 유일하고 가장 큰 공헌일 것이다(→ 석영). 10만㎐의 진동수로 진동하고 있는 수정결정들을 비교해보면 1/1,010의 진동수 차이밖에 발견할 수 없었다.

수정시계의 계시에 있어 중요장치는 지름이 약 6.25㎝인 수정고리이며, 단열실에 넣어져 매달려 있다. 전극들은 고리표면에 부착되며, 진동을 유지할 수 있도록 전기회로와 연결되어 있다. 10만㎐의 진동수는 편리한 시간측정에 사용되기에는 너무 높기 때문에 진동수 분할이라는 과정을 이용하여 그 진동수를 감소시켜 기계식 기어장치를 통해 시계 문자반과 연결된 동기전동기에 전달한다.

10만㎐의 진동수를 1번에 600만：1의 전기식·기계식 조합 기어감속장치에 적용하면, 동기전동기를 사용하는 시계의 초침은 정확하게 60초에 1회전하게 된다. 진동은 매우 규칙적이므로 관측용 측정시계는 하루에 수만 분의 1초, 즉 10년에 1초 정도의 최대오차를 갖는다.

원자시계

원자 내의 진동을 이용하는 모든 원자시계에 의해 수정시계보다 훨씬 우수한 정밀도를 얻을 수 있다. 이들 미소한 전자 진동은 외부의 조건에 거의 영향을 받지 않고 그 진동수는 원자 자신의 성질에 좌우되기 때문에 이들 원자는 모두 같은 진동수를 갖는다(→ 원자시, 원자시계). 원자시계에서는 보통 세슘 원자가 사용되고 있다.

자장(磁場) 속에서 원자는 미세한 자석과 같이 움직이며, 원자핵의 자기 모멘트는 자장에 대해 평행 혹은 역평행해진다. 원자가 놓인 자기장이 교류자기장(交流磁氣場)이고, 그 진동수가 세슘 원자의 고유 진동수와 같으면 원자의 자극(磁極)의 방향이 변화한다.

세슘 원자시계의 원리는 다음과 같다. 원자로에서 발사되는 세슘 원자의 빔은 진공관 내를 통과하여 고정된 자석에 의해 굽어져 교류자기장에 들어간다. 자장의 주파수가 맞으면 원자의 자극은 방향을 바꾸어 또하나의 고정된 자석에 의해 역방향으로 굽어져 검출기(檢出器) 위에 초점을 맺는다. 자기장의 주파수가 맞지 않으면 원자는 발산된다. 실제로는 교류자기장의 주파수를 조금씩 변화시켜 검출기가 최대의 감도(感度)를 나타났을 때의 주파수가 세슘 원자의 주파수와 같게 된다.

런던 근처 테딩턴의 국립물리연구소에 있는 세슘 원자시계는 정밀도가 1/300,000,000,000억이며 오차는 1,000년에 1초이다.