송이영 혼천시계의 작동 메커니즘에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to build an armillary clock that duplicates the structure and operational mechanism of the armillary clock that Song I-yong (宋以穎) built in 1669. To achieve the comprehensive understanding of the clock that was necessary for such a task, thorough investigations into its history and working mechanism were undertaken. Its historical significance in relation to the developmental history of astronomical and timing devices was examined. Each of many different parts was analyzed for its structure and mechanism, and the connections between different parts and operational mechanism were investigated. Finally blueprints of the armillary clock were drawn, an organic system of the different parts was worked out, and a new model and eventually an operational apparatus was successfully built.
Song I-yong's armillary clock is influenced by various structures and mechanisms found in earlier works both in eastern and western societies. The mechanism of the armillary sphere succeeded that of Sejong era's armillary sphere (Honui 渾儀, 1435) and celestial sphere (Honsang 渾象, 1435), and the Jade Clepsydra (Ongnu 玉漏, 1438)'s sun-carriage apparatus. Such mechanisms are similar to Ch'oe Yu-ji (崔攸之, 1603~1673)'s armillary sphere(1657). The structure of time going train and the mechanism of striking-release in the part of clock is influenced by the crown escapement which has been developed from 14th century, and is applied to gear system which had been improved until the middle of 17th century in Western-style clockwork. In particular, timing device of Song I-yong's Armillary Clock adopts the early 17th century pendulum clock system which could remarkably improve the accuracy of a clock.
While it is influenced by the time-signal mechanism of Chinese Shui yun i hsiang t'ai (水運儀象臺, 1092) and Korean Ongnu in the time-annunciator wheel of the armillary clock, and it is at the same time very similar to the structure of Clepsydra with automatic time-signal apparatus (Chagyongnu 自擊漏, 1434)' 12 time-announcing medallions. Its strike-release ball-system of which metal balls are infinitely circulated to make signal and mounted automatically, is as the synthetical technology that puts the water powered mechanism of Chinese Shui yun i hsiang t'ai, the ball-signal mechanism of Islamic water clock, and the ball operating system of Chagyongnu together.
At the center of armillary sphere, the spherical shape of terrestrial globe was probably made under the influence of Liang i hsuan lan t'u (兩儀玄覽圖, 1603) or Hun t'ien i shuo (渾天儀說, 1644)'s Hun t'ien i t'u (渾天儀圖). The world map of terrestrial globe was drawn based on geographic information of Chih fang wai chi (職方外記, 1631) and Liang i hsuan lan t'u. There are some names on the world map which only are seen after Chiguchonhudo (地球前後圖, 1834). Such occurrence of later historical material points to the possibility that terrestrial globe was repaired several times after Song I-yong's Armillary Clock was constructed in 1669. According to Ch'oe Sok-chong (崔錫鼎, 1646~1715)'s Chamyongjong-myong (自鳴鐘銘) which explains the structure of Song I-yong's Armillary Clock, the escapement of the armillary clock adopted pendulum system.
With the results of investigating the structure and operating system of armillary clock, we made a total of 57 sheets of blueprints of the armillary clock and carried out two times the experiments to restore Song I-yong's Armillary Clock. The details of this process of restoration are as following.
First we reconstructed the mechanism of operating escapement and bob-pendulum apparatus. Power of pendulum's falling movement carries bob-pendulum apparatus, then pallets connected to verge on bob-pendulum have control of the rotation of crown escapement, and finally regular power is created.
By this regular power, sun-model on the armillary sphere is rotated about a fixed polar axis once a day, so that it shows sun's one day-one rotate movement. And the power connected to string drives a sun-carriage apparatus along the solar ecliptic ring on the armillary sphere corresponding to the apparent annual movement of the sun in the plane of the ecliptic. It indicates the solar calendar. For the purpose of representing relative movement between the sun and the moon, we reconstructed two toothed-gears located in the south of armillary sphere, as the rotate-ratio of 59:57 considering to the rotation of the solstitial-colure double ring and the moon-transport single ring. Moon-carriage apparatus is restored that enable to show the lunar calendar corresponding to the moon's 1/29.5 phase shift a day.
Based on the study of the article on striking mechanism in Chamgok p'iltam (潛谷筆談) written by Kim Yuk (金堉, 1580~1658) in 17th century, striking system is designed so that the number of hourly striking sequence is 9, 1, 8, 1, 7, 1, 6, 1, 5, 1, 4, 1 for each interval of twelve hours. The fly as a reduction gear is manufactured to weigh 8g in order to properly control the speed of striking.
The strike-release ball-system is found to be a remarkable development on the mechanism of a clock that metal balls are automatically mounted and released with the infinite-circulate system. It improved the manual mounting system of Sejong era's Chagyongnu. Four metal balls each 22mm in diameter and weighing 44g were used.
The time-announcing mechanism in the front part of the armillary clock was clearly worked out. The 12 time-announcing medallions were transported to spring apparatus (‘?’ shape) by a T-shaped rod which was connected to the sliding apparatus of arrow shape. When a medallion is passing the time-announcing window, a new second medallion comes up and the T-shaped rod touches the spring apparatus, causing the first medallion to fall. Additionally it was possible to estimate the accuracy of the clock. The oscillating period was about 0.71 second and the newly reconstructed clock was accurate within less than ±3 minutes a day.
In constructing his armillary clock, Song I-yong combined the structures and mechanisms found in East Asian traditions of horological instrumentations with those of clockwork devices developed in Islam and West. It represented the most advanced state available at the time. By reconstructing an operating model duplicating his armillary clock, we could clearly and systematically understand the actual operation mechanism of Song I-yong's Armillary Clock.

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 송이영이 1669년에 제작한 혼천시계를 기술사적으로 조사하고 작동 메커니즘을 분석하여 복원하는 것이다. 각 부속장치를 분석하고 동력발생 및 천체운행 메커니즘과 시계작동 메커니즘을 규명하였다. 분석 연구된 결과들을 설계도면으로 작성하고, 유기적인 시스템으로 연결하여, 새로운 작동모델로 복원하였다.
혼천시계의 천체운행 메커니즘에는 세종대 혼의와 혼상(1435), 그리고 옥루(흠경각루, 1438)의 태양운행 기술이 적용되었는데, 이러한 천체운행시스템은 최유지의 혼천의(1657)에서 사용하고 있는 작동 메커니즘과 상당부분 일치한다. 또한 혼천시계의 시계장치 부분에서 시간지속장치와 타종장치의 기어구조는 서양의 14C부터 발달해온 왕관형기어의 탈진시스템과 17C 중반까지 발전해온 톱니기어 장치들의 특징을 보여주고 있다. 특히 시계의 정확성을 획기적으로 높여준 탈진시스템은 진자시계 개발(1657) 초기에 사용한 진자기술이 적용되었다.
시간지시장치는 중국 수운의상대(1092)와 조선 옥루의 시보시스템에 들어있는 기술을 갖추고 있는데, 조선 자격루(1434)의 12지 시패장치(평륜)와 매우 유사한 특징과 구조를 보여주고 있다. 구슬신호발생장치는 중국 수운의상대의 동력발생 메커니즘과 이슬람 물시계의 구슬신호, 자격루의 구슬운영시스템의 기술이 집약되어 구슬의 신호발생과 구슬 장착이 자동으로 순환하고 반복되도록 구현한 무한순환시스템의 기술이 개발되어 사용되었다.
혼천의 가운데에 있는 지구의 형태적 구현은『양의현람도』(1603)에 그려진 천문학 지식을 습득하였을 가능성과『혼천의설』(1644)에 실린「혼천의도」등의 영향이 있었던 것으로 보인다. 구면위의 세계지도는『양의현람도』나『직방외기』(1631) 등에서 얻은 지리 정보를 받아들여 새겨 넣었을 가능성이 크다.『지구전후도』(1834)와 같은 후대의 자료들의 지명이 발견되는 것은 제작이후 몇 차례 보수했을 가능성을 보여주고 있다. 한편 송이영 혼천시계의 자명종 구조를 밝히고 있는 최석정(崔錫鼎, 1646~1715)의 <자명종명>을 분석한 결과 여기에 사용한 탈진시스템은 진자방식을 사용하고 있음을 확인하였다.
2005년에 혼천시계의 특징과 구조를 분석하여 총 57장의 설계도면으로 작성하였다. 그리고 1차, 2차의 재현실험을 통하여 혼천시계를 복원하였다. 혼천시계의 복원을 통하여 얻은 정보와 성과는 다음과 같다.
우선 시간지속장치의 동력발생의 핵심구조인 탈진장치와 진자장치의 구조에 대한 메커니즘을 복원하였다. 추의 낙하 운동에 의한 동력이 진자장치를 움직이게 하고, 이와 연결된 수평봉(verge)에 붙어있는 쌍이(雙珥)가 왕관형탈진기의 회전을 제어하여 일정한 동력을 발생시켰다.
이 동력은 혼천의로 연결되어 태양이 1일 1회전하는 운행을 나타내고, 노끈에 태양운행장치를 묶어 1년 동안의 황도상 태양 위치로 양력날짜를 표현하였다. 혼천의의 삼신의흑쌍환과 월운환의 회전비가 59:57을 유지하도록 혼천의 남측에 톱니기어를 복원하였다. 이것으로 지구를 중심으로 달과 태양의 하루 동안 상대적 위치를 나타내고, 달운행장치를 제작하여 달의 위상이 하루에 1/29.5일씩 변하도록 하여 음력날짜를 표현하였다.
또한 김육(金堉, 1580~1658)의『잠곡필담』에 밝힌 타종법이 실제 유물의 부품에서 어떻게 구현되었는가를 확인하여, 타종수기어의 타종수를 정오와 자정을 기준으로 할 때 오늘날의 한 시간 간격으로 9, 1, 8, 1, 7, 1, 6, 1, 5, 1, 4, 1의 횟수만큼 타종하도록 복원하였다. 이때 타종속도를 제어하는 바람개비(감속장치)의 무게는 약 8g 으로 제작하였다.
구슬신호발생장치는 세종대 자격루의 수동식 구슬장착방식을 개량한 쇠구슬이 자동으로 장착되는 무한순환시스템을 이용한 획기적인 발명시스템으로 제작되었음을 밝혀내고 복원하였다. 이것은 자격루의 구슬 장착의 번거로움을 일시에 해결한 진일보한 기술발전이었다. 복원에 사용한 쇠구슬의 지름은 22mm, 무게는 44g, 4개의 쇠구슬이 사용되었다.
혼천시계의 전면부의 시패장치를 올려주는 여러 장치에 대한 기술적 메커니즘을 완전히 규명하여 12지 시패장치가 활모양의 슬라이딩 장치를 타고 T자형장치에 의해서 스프링장치(? 모양)로 옮겨와 운행되도록 복원하였다. 이것은 시패장치가 시패알림 창을 통해 지나가면서 새로운 시패장치가 스프링장치로 올라올 때 T자형장치가 스프링장치를 건드리게 되어 지나가는 시패를 자동으로 내려가는 구조로 되어있다. 제작당시 혼천시계가 어떠한 정밀도를 갖은 시계장치였는지 밝혀낼 수 있었다. 복원한 혼천시계의 진자주기는 약 0.71초이고, 1일 ±분의 오차를 보였다.
1669년에 제작한 송이영의 혼천시계는 조선을 비롯한 동아시아와 이슬람, 서양의 기계시계 시스템의 기술발전의 흐름이 잘 구현되도록 시계장치의 기능과 성능을 개량하여 제작한 당시 첨단적인 시계장치라고 할 수 있다. 이러한 혼천시계의 메커니즘 복원을 통하여 추론적 연구 방법에서 벗어나 실제로 운행하는 작동 메커니즘을 종합적인 유기적 관계로 파악 할 수 있게 되었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 가. 연구 개요와 목적 = 1
• 나. 혼천시계에 대한 연구사 = 5
• Ⅱ. 송이영의 천문활동과 혼천시계 제작배경 = 9
• 가. 송이영과『연안송씨세보』검토 = 9
• 나. 천문활동에 대한 문헌연구 = 17
• 다. 혼천시계의 시대적 제작배경 = 24
• Ⅲ. 혼천시계 원천기술에 대한 문헌과 구조연구 = 30
• 가. 세종시대의 시계장치 = 33
• 1. 혼의와 혼상 = 33
• 2. 자격루와 옥루 = 36
• 나. 조선 중기 혼천시계의 비교 = 47
• 1. 최유지의 혼천시계 = 49
• 2. 이민철의 혼천시계 = 57
• 3. 송이영의 혼천시계 = 65
• 다. 1700년대 이후 조선의 혼천시계 = 79
• 라. 중국과 이슬람의 시계기술 = 84
• 1. 중국 수운의상대의 구조와 작동 메커니즘 = 85
• 2. 이슬람 물시계의 작동구조 = 92
• 마. 서양의 기계시계 발달과 조선의 진자장치 도입 = 95
• 1. 서양의 폴리오트와 진자를 이용한 기계시계 = 95
• 2. 조선의 진자장치 도입시기 검토 = 107
• Ⅳ. 혼천시계 각 부속장치와 작동 메커니즘 분석 = 112
• 가. 시간지속장치 = 114
• 1. 구조분석 = 114
• 2. 진자장치의 운행 = 120
• 3. 동력발생과 작동 메커니즘 = 121
• 나. 혼천의 = 126
• 1. 구조분석 = 126
• 2. 지구의와 세계지도 = 140
• 3. 태양운행 메커니즘 = 152
• 4. 달운행 메커니즘 = 154
• 다. 시보시스템 = 157
• 1. 시계장치상자 = 157
• 2. 시간지시장치 = 160
• 3. 구슬신호발생장치 = 164
• 4. 타종장치 = 168
• Ⅴ. 혼천시계의 복원과정 = 176
• 가. 재질에 대한 논의 = 176
• 나. 설계도면 작성 = 180
• 다. 제작과정 = 187
• 라. 복원제작과 작동 모델 재현실험 = 194
• Ⅵ. 결론 = 197
• 가. 송이영의 생애와 천문활동의 내용과 시대적 배경 = 197
• 나. 메커니즘을 중심으로 비교한 동서양 천문전통과 시계기술 = 199
• 다. 메커니즘 규명을 통한 복원연구와 제작상황 = 204
• 참고문헌 = 209
• 부록 1. 혼천시계의 교육학습을 위한 활용과 운영관리 = 218
• 부록 2. 기계시계 관련문헌 = 236
• 국문요약 = 239
• Abstract = 242