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【Trend Report】 조선 전기 자격루의 동력전달과 시각조절 장치의 비밀, 주전
2022-08-23

조선 전기 자격루의 동력전달과 시각조절 장치의 비밀, 주전
서울 인사동 출토 유물 분석을 통한 주전시스템 복원 설계 성공
국립중앙과학관(관장 이석래)은 조선 전기 자격루의 핵심부품으로 동력전달과 시각조절 장치인 ‘주전(籌箭)’에 대한 비밀을 풀고 이를 복원(설계)하는데 성공했다고 밝혔다. 이로써 『조선왕조실록』에서 문헌으로만 전해져 베일에 쌓여있던 ‘주전’의 실체가 명확히 규명되었다.

정리 정영주 
자료 과학기술정보통신부, 문화재청
영화 <천문>에서 장영실이 세종대왕에게 물시계를 시연하는 장면

영화 <천문>에서는 『세종실록』에 남아 있는 짧은 기록으로 자격루의 작동원리를 제대로 재연해냈다는 평이다. 장영실이 세종대왕 앞에서 물시계를 선보이는 장면에서다. 자격루는 세종대왕 때 장영실이 제작한 자동물시계로 조선의 표준시계이다. 자격루의 구조와 설명은 『세종실록』의 「보루각기(報漏閣記)」와 「보루각명병서(報漏閣銘幷序)」에 자세히 설명되어 있다. 물시계는 물의 증가량 또는 감소량으로 시간을 측정하는 장치로서, 삼국시대부터 나라의 표준 시계로 사용하였다. 조선 세종 16년(1434) 장영실에 의해 정해진 시간에 종과 징·북이 저절로 울리도록 한 물시계가 처음 제작되었으나, 오래 사용되지는 못하였고, 중종 31(1536)년에  다시 제작한 자격루의 일부가 현재 남아 있다.

장영실과 김조 등이 2년간 제작하여 세종 16년 8월 5일 완성하고, 발표하였다. 이후 중종 31년에 이전의 자격루를 개량하여 다시 제작하였으며, 경복궁과 창덕궁의 보루각에서 보관되었다. 현재는 문화재청 국립고궁박물관에 소장되어 있다.
국보 제229호 창경궁 자격루 누기(自擊漏 漏器)

대한민국 역사에 등장하는 최초의 물시계 관련 기록은 통일신라 성덕왕 시대에는 누각전이라는 물시계를 관장하는 관아에 대한 기록이 있다. 하지만 태조 7(1398)년에 제작된 경루(更漏). 이 물시계로 시간을 측정해서 종을 쳐서 시간을 알렸다. 하지만 세종 때 궁궐에서 쓰고 있던 물시계인 경점지기는 정밀하지 못할 뿐만 아니라 항상 시각을 알리는 관리가 이것을 지켜보고 알려야 했으며 이때 만약 착오가 있으면 중벌로 다스리는 폐해도 적지 않았다. 이를 고치기 위해 세종이 장영실, 김조 등에게 지시하여 2년간 노력한 끝에 세종 16(1434)년 6월에 완성되었고 경복궁 남쪽에 세워진 보루각에 설치했다. 물을 끌어 올리는 기관뿐 아니라 알아서 시간이 되면 인형이 움직이고 북이 울리는 구조라, 당시로선 획기적인 자동 시보장치였다.

그해, 7월 1일을 기해, 조선 왕조의 표준시계로 사용되었으나 자격루가 제작된 지 21년 만인 단종 3(1455)년 2월에 자동시보장치 사용을 중지했다. 장영실이 세상을 떠나 고장난 자동장치를 고칠 수 없었음이 주된 원인이었던 듯하다. 그 후 14년 만인 예종 1(1469)년 10월에 다시 가동했다. 이후 연산군 11(1505)년에는 자격루가 창덕궁에 이전되어 새로 지은 보루각에 설치되었다. 그 후 중종대에 이르러 자격 장치에 의한 시보와 시간이 잘 맞지 않게 되자, 자격루가 만들어진 지 100년 만인 중종 29(1534)년에 새 자격루를 만드는 작업이 착수되어 중종 31(1536)년에 장인 박세룡(朴世龍)이 완성했다. 여러 대에 걸쳐 개보수가 되었으나 전란과 일제강점기를 거쳐 사라졌고, 남은 것이라고는 중종 때 제작된 자격루 단 1개밖에 없다. 수압을 조절하기 위한 물통 4개와 시간을 측정하기 위한 실린더를 넣은 물통 2개를 두어 오차를 줄이려고 노력했으며 추가로 일성정시의(日星定時儀) 등을 이용하여 보정하였다.

자격루의 원리 
자격루는 외형적으로 두 개의 대형 장치가 결합되어 보이는데, 하나는 물의 양과 유속을 조절하는 파수호와 수수호가 있는 수량제어 부분이고, 다른 하나는 인형의 움직임을 통해 시간을 알리는 자동시보 부분이다. 이때 수량에 따라 일정한 시각마다 구슬을 방출시켜 동력 전달 및 시각을 조절하는 부분이 있는데, 이번에 복원한 주전시스템이 바로 수량제어장치와 자동시보장치를 연결하여 자격루 표준물시계의 두뇌 역할을 하는 동력 전달 및 시각조절 장치이다. 파수호는 자격루에서 물 공급 항아리를 말하고, 수수호는 파수호에서 나오는 물을 받는 원통형 항아리를 의미한다. 다음은 세종실록에 자격루의 기록이다.
 
물시계의 원리를 간단히 설명하자면, 맨 위에 있는 큰 물그릇에 넉넉히 물을 부어주면 그 물이 아래의 작은 그릇을 거쳐, 제일 아래쪽 길고 높은 물받이 통에 흘러든다. 물받이 통에 물이 고이면 그 위에 떠 있는 잣대가 점점 올라가 미리 정해진 눈금에 닿으며, 그곳에 장치해 놓은 지렛대 장치를 건드려 그 끝의 쇠 구슬을 구멍 속에 굴려 넣어준다. 이 쇠구슬은 다른 쇠구슬을 굴려주고 그것들이 차례로 미리 꾸며놓은 여러 공이를 건드려 종과 징·북을 울리기도 하고, 또는 나무로 만든 인형이 나타나 시각을 알려주는 팻말을 들어 보이기도 한다. 지금 남아 있는 물시계는 쇠구슬이 굴러 조화를 이루던 부분이 없어진 채, 물통 부분들만 남아 있다. 항아리에 물이차서 흘러내리면 살대가 점점 떠오르고 그게 구슬들을 움직이게 해서 그 구슬이 인형의 팔꿈치를 건드려 종이 울리게 하는 방식이다.
자격루의 작동 원리

조선에서는 하루 12시(時)를 알려주는 정시법을 사용하였다. 그러나 밤 시간이 되면, 그 길이를 5등분하여 5경(更)을 만들고 경(更)마다 다시 5등분한 점(點)을 만들어 사용했다. 이를 경점법(更點法)이라고 한다. 밤시간을 25등분한 시각체계는 절기마다 변하는 부정시법인데, 『누주통의(漏籌通義)』는 이러한 밤 시간을 알려주는 지침서이다. 『누주통의』에는 총 11개의 경점용 주전이 언제 사용되는지 자세히 기록되어 있다. 예) 1전은 동지 전후, 6전은 춘추분경, 11전은 하지 전후에 사용하였다. 여기서 한밤중 3경(三更, 오후11시~새벽1시)에 시각을 알리는 북소리가 세 번 저절로 울리면, 그 소리를 들은 경복궁 정문의 문지기들은 다시 문루 위에 있던 북을 세 번 쳤다. 그리고 그 소리가 종각의 북 치는 사람 귀에 들어가 다시 종각에 북을 세 번 울려주어 서울 시내에 북소리가 울려 퍼졌다.
복원 설계 주전시스템의 중종 보루각 자격루에 적용 설계와 조감도
동판과 구슬방출기구의 결합모습

자격루의 물받이통은 두 개가 있다. (이하 편의상 두 물받이통을 ‘수수호A’와 ‘수수호B’로 설명) 이 두 물받이통은 평소에는 하나만 사용한다. 예를 들어 수수호A를 사용하고 나면 수수호A의 물이 다 차서 물을 빼고 새로 넣고 다시 구슬 세팅하는 데 당연히 시간이 걸리므로 수수호A의 물이 다 차면 즉시 미리 구슬을 세팅해 놓은 수수호B로 물관을 옮긴다. 그리고 구슬을 회수한 후 수수호A의 물을 빼놓고 다시 수수호A의 구슬을 세팅한다.

즉, 수수호A의 물을 빼고 구슬을 다시 세팅하는 시간 동안에 수수호B가 작동하므로 물받이통 교체에 따른 시간 지연을 없애 정밀한 시간 측정을 꾀하는 것이다. 물론 그 다음날은 다시 세팅된 수수호A로 물관을 옮긴 다음 수수호B의 물을 빼고 다시 구슬을 세팅하는 식으로 매일 번갈아가면서 물을 빼고 구슬을 세팅한다.

주전시스템은 수수호 안에 있는 부전인 주전죽(籌箭竹)과 그 위에 있는 방목(方木), 방목 속 좌우에 설치되는 2종류의 동판(銅板), 동판에서 구슬을 장전하는 구슬방출기구로 구성된다. 연구책임자 윤용현 박사(국립중앙과학관 한국과학기술사과장)는 국립중앙과학관의 기본연구과제인 ‘조선전기 자동물시계 주전(籌箭) 전시품 개발’ 연구를 통해 주전의 원형을 588년 만에 새롭게 복원(설계) 할 수 있었다.

서울 인사동에서 출토된 동판과 구슬방출장치의 유물에서 주전시스템 복원
 2021년에 서울 인사동에서 출토된 동판과 구슬방출장치의 유물을 바탕으로, 흠경각 옥루를 복원한 바 있는 국립중앙과학관 윤용현 과장이 주축이 되어 한국천문연구원의 김상혁 박사, 민병희 박사, (재)수도문물연구원 오경택 원장이 함께 자격루 주전시스템 복원설계에 성공하였다.

출토된 동판과 구슬방출기구 유물은 경점용 주전에 해당한다. 연구진은 주전 사용법을 설명한 『누주통의』와 비교하여, 동판 유물은 명문이 표시된 ‘일전(一箭)’ 이외에도 ‘3전’과 ‘6전’에 해당되는 주전이 함께 출토된 것임을 밝혀냈다.
또한 발굴된 경점주전인 동판과 구슬방출기구를 ▲「보루각기」 내용과의 비교, ▲함께 출토된 일성정시의, 금속활자, 총통, 동종의 제작시기 고려, ▲조선 전기 자동물시계인 보루각 자격루와 흠경각 옥루의 구조를 고려하여 출토 주전유물의 제작 시기를 1536년 중종 보루각의 주전으로 제시하였다.

현재 국립중앙과학관에서는 한국과학기술사관 리모델링사업을 진행 중인데, 여기에 국립고궁박물관에서 전시 중인 복원 자격루를 이관한 뒤 이번에 연구된 조선 전기 자동물시계 주전시스템을 적용하여 보다 원형에 가까운 복원 자격루 전시를 계획하고 있다. 또한 주전의 과학원리 이해를 위한 체험형 전시품 개발을 통해 국민들의 자긍심을 높이는데 기여할 것이다.

국립중앙과학관 이석래 관장은 “지난해 서울 인사동에서 과학 유물을 발굴한 성과에 이어, 미제로 남아있던 자격루의 주전시스템을 밝히게 된 것이 이번 연구의 의의”라고 말하면서 향후 국립중앙과학관에서는 자격루의 구슬신호 발생에 대한 핵심 과학원리를 국민들께 보여 줄 수 있는 전시기법을 강구하기 위해 최선을 다해 노력할 예정이라고 밝혔다.

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