시각을 알려주거나 시간을 재는 기계. 일상생활에 가장 많이 사용되는 것이 손목시계·벽시계·좌종시계(坐鐘時計)이지만 이 외에도 해시계·물시계·회중시계·전자시계 등 각종 시계가 있다.

자연현상 가운데 일정하게 규칙적인 운동을 하는 것을 기초로 하여 기계적·전기적으로 시간과 시각을 잴 수 있게 고안한 것에는 물과 모래 같은 것의 유출속도(流出速度)가 비교적 일정한 것을 이용하여 만든 물시계·모래시계, 진자(振子:추)의 왕복운동을 이용하여 만든 진자시계, 음차(音叉)의 진동을 이용한 소리굽쇠시계, 수정(水晶)의 진동을 이용한 수정시계, 원자(原子)의 진동을 이용한 원자시계 등 여러 가지가 있다.

【역사】 시계는 각 시대의 사회·경제생활의 필요에 따라 여러 가지 기구(機構)를 가진 시계가 만들어졌다. 인간이 사회생활을 시작할 때부터 해시계·물시계 등의 간단한 기구의 시계가 고안되어 사용되었다. 이 시계는 문명의 발생 당시부터 약 6,000년이나 사용되었다. 그 후 과학기술이 발달됨에 따라 템포바퀴(한국산업표준협회의 KS 시계부품명칭에서 일반적으로 균형바퀴·템포바퀴·천부 등이라 하던 명칭을 템포 또는 템포바퀴로 1993년 12월 31일 개정)를 사용하여 제어하는 기계시계가 고안되었으며, 더 나아가 진자시계·템포시계·전기시계·소리굽쇠시계·수정시계·원자시계 등이 만들어졌다.

〈해시계〉 해시계는 인류의 생활이 시작되었을 무렵 이집트에서 사용된 시계로서, 태양빛에 의해 생기는 그림자를 이용하여 시각을 표시하는 것으로 그노몬(gnomon)이라고 하였다. 유럽에서 많이 사용되었으나 BC 600년경에 중국에서도 사용되었다. 처음에는 막대를 수직으로 세워 그림자의 이동으로 시각을 표시하였고, 후에는 그 막대가 북극성(北極星)을 가리키도록 기울임으로써 보다 정확한 시각을 알 수 있었다. 해시계는 18세기경까지 사용하였다.

〈물시계〉 해시계는 태양이 있을 때만 쓸 수 있고 날씨가 좋지 않거나 야간에는 사용할 수가 없기 때문에, 태양을 이용하지 않고서도 시각을 측정할 수 있는 시계가 필요하였다. 그래서 고안된 것이 물시계로, BC 1400년경 고대 이집트에서 쓰였다. 밑바닥에 작은 구멍이 뚫린 그릇에 물을 채우고 물이 일정하게 규칙적으로 새어 나오면 수면(水面)이 내려가므로, 그릇 안쪽에 새겨 놓은 눈금으로 시각을 표시하였다.

BC 500년경 그리스에서 클렙시드라(Klepsydra)라고 하는 일종의 물시계가 사용되었는데, 이것은 물을 퍼내는 주방용품의 이름이었다. 이집트의 알렉산드리아에 살던 크테시비오스는 밤낮은 물론, 여름이나 겨울에도 사용할 수 있는 자동식 물시계를 고안하였다. 이 시계는 커다란 원통 용기 위에서 조금씩 일정한 속도로 물이 들어가게 되어 있고, 그 용기 속의 상부에는 인형(人形)을 올려 놓은 대가 들어 있다.

물이 불면 이 장치가 수면에 의해 밀어올려져서 인형이 점점 상승하면서 인형이 가지고 있는 지시봉으로 원통에 새겨진 눈금을 가리켜 시간을 알게 한다. 한국은 1424년 장영실(蔣英實)이 세종의 명을 받아 물시계의 일종인 누각(漏刻)을 만들었다. 현재 덕수궁에 설치되어 있는데, 물시계 연구자료로서 세계적으로 유명하다.

〈모래시계〉 물과 같은 원리를 이용하여 작은 구멍에서 모래가 떨어지는 것을 이용한 모래시계가 4~16세기까지 사용되었다. 모래가 떨어지는 시간으로 시각을 표시하는 것인데, 장구와 같은 모양의 유리 그릇을 만들어 모래가 아래로 떨어지는 것으로 시각을 표시하고, 다 떨어지면 다시 뒤집어놓아 시각을 측정한다.

〈불시계〉 물질이 탈 때의 속도는 물질의 종류에 따라서 다르지만 같은 물질일 때는 타는 시간이 거의 비슷하다. 그러므로 타 없어진 정도를 보고서 시간을 측정할 수 있다. 시간을 측정하는 초시계와 타 없어지는 기름의 양을 보고서 시간을 측정하는 램프시계는 900년 알프레드왕 시대부터 이용하였고, 16세기경 에스파냐 왕실에서는 일반 시민에게 야간시간을 알리기 위하여 램프시계를 이용하였다. 중세에는 초시계와 램프시계가 널리 보급되었다.

〈기계시계〉 기계시계는 14세기 초부터 만들어졌는데, 지금까지 설명한 고대(古代)의 시계와는 달리 동력을 사용한다. 일명 중량시계(重量時計)라고도 한다. 무거운 추를 동력으로 삼고 있으며, 교회 건물 위에 걸어 놓아 건물 전체를 장식하는 동시에 모든 사람에게 시간을 알렸다. 그 후 차차 별·달의 운행, 만년력(萬年曆) 등을 표시하여 여러 가지로 복잡하게 만들어 비싼 값으로 팔았다.

1364년 프랑스에서는 찰스 5세가 유명한 독일의 기계기술자인 H.드비크로 하여금 파리에 커다란 대형시계를 제작하게 하였는데, 이 시계는 높이가 3 m나 되며 현존하는 시계 중에서 가장 오래 된 기계시계이다. 이 시계는 드럼에 노끈이 감겨 있고, 노끈에는 추가 달려 있다. 무거운 추의 무게로 드럼이 회전하고 그 회전을 기어장치로 1개의 지침에 전하는 구조이다.

기계시계에서는 기어만으로는 추가 빨리 떨어져 기어가 급회전하게 되므로 기어의 회전력을 억제하여야 한다. 기어의 회전을 억제하는 장치는 회전 도어식과 같이 동작시키는데, 추균형관형 탈진기(錘均衡冠形脫進機)를 이용하고 있다. 톱니같이 생긴 이[齒]를 가진 관형 기어가 추의 힘으로 돌아갈 때 2개의 관형조가 있어 한쪽 조가 관형 기어의 톱니에 물려 있고 다른 조는 벗어나 있다.

관형 기어가 돌아가면 톱니의 뾰족한 곳이 물려 있는 관형조를 밀어올려 이에서 이탈시킨다. 순간 반대쪽 조는 밀려 들어가서 관형 기어를 문다. 이러한 일을 반복하면 기어의 회전이 일정한 시간에 일정하게 돌아간다. 관형 기어와 추관형조 및 추균형바퀴가 일체가 되어 동작한다. 이들을 조속장치라고 한다.

그 후 이탈리아의 G.갈릴레이가 1583년 흔들이운동의 등시성(等時性)을 발견하였고, 이것을 1656년에 네덜란드의 수학자 C.호이겐스가 처음으로 시계에 응용하였다. 이리하여 시계에 흔들이를 응용하기 시작한 다음부터는 그 정밀도가 대단히 높아지게 되었다. 76년 보통 8일 감기의 괘종시계에 사용되고 있는 앵커를 사용한 퇴각식(退却式) 탈진기가 R.후크에 의하여 발명되었다. 그리고 이 탈진기는 싸게 제작되므로 널리 사용되었고 오늘날까지 사용된다.

시계에 분침이 달리게 된 것도 이 퇴각식 앵커 탈진기가 발명된 후부터이다. 1715년 G.그레함은 앵커 탈진기를 개량하여 직진식 탈진기(直進式)탈진기를 발명하였다. 1500년 독일의 P.헨라인에 의하여 태엽이 발명된 후로는 각 부품의 개량과 함께 시계는 점점 정교해지고 소형화되어 운반에 편리한 휴대용 시계가 탄생하였다.

앞에서 말한 탈진기는 진자시계용 퇴각식 탈진기였으나, 휴대용 시계의 탈진기는 레버식 탈진기를 사용하게 되었는데, 이것은 1755년경 영국인 T.머지가 발명한 것이다. 이와 같이 여러 가지 시계가 많은 사람들을 통해 발명되고 개량된 결과 마침내 실용화의 단계에 이르게 되었는데, 정밀도는 하루의 오차가 0.1초 정도가 되었다. 정밀도가 높아지면서 온도변화가 시계에 미치는 영향을 고려할 필요가 있게 되어 1722년 G.그레함이 수은보정진자(水銀補正振子)를 고안하였으며, 26년 J.해리슨이 성질이 다른 두 종류의 금속을 짝지어 온도에 의해 주기(週期)가 변하지 않는 발 모양의 보정진자를 발명하였다.

휴대용 시계는 템포바퀴를 강철과 놋쇠의 두 종류의 금속으로 만들고 두 곳을 절단한 절균형(切均衡) 바퀴와 이중유사를 사용하여 온도변화를 보정하였다. 1896년 C.E.기욤이 온도변화로 생기는 팽창 및 수축이 거의 없는 인바라는 합금(合金)을 발명하였고 이어서 엘린바(elinvar)라는 합금을 발명하였다.

이 합금을 템포바퀴와 유사(游絲:hair spring)에 사용함으로써 온도변화에 따른 시간의 오차가 거의 없는 시계를 만들 수 있게 되었다. 또 비자성합금(非磁性合金)으로 니바록스(Nivarox:탄력이 줄지 않고 녹슬지 않는 금속)가 유명하다. 이렇게 하여 지금의 고정밀도 시계가 탄생하였다.

〈수정시계〉 전자회로를 사용해 수정을 진동시켜 시(時)의 기준이 되는 전기신호를 얻어내는 원리를 이용한 시계이다. 시계를 작동시키는 에너지원은 전기이다. ⑴ 원리:수정의 결정(結晶)으로부터 한 조각을 잘라내어 진공관 속에 넣은 다음 일정한 전압을 가하면 수정편(水晶片)은 1초에 1,000~1,000,000번까지 진동하게 된다.

수정 절단방법은 주로 NT컷 방법을 사용한다. 천연수정을 사용한 것도 있지만 수정시계에는 일반적으로 인공수정을 사용한다. 수정시계에 채택되는 진동체는 1초에 32,768번 진동하는 것을 주로 이용하고 있으며 이것을 수정진동자라고 한다. 수정진동자는 매우 정확하고 안정된 높은 고유진동을 가지고 있다.

수정진동자에서 얻어지는 높은 주파수는 시각표시가 가능한 범위의 낮은 주파수까지 전자부품으로 구성된 전자회로에 의해 전자적으로 분주(分周)하여 시각표시기구를 움직이게 한 것이 수정시계이다. 템포시계나 진자시계에서는 템포나 진자의 진동수가 일정하게 얻어지면 완급침에 의하여 시간의 빠르고 늦음을 조절하지만, 수정시계에서는 수정진동자의 발진주파수가 언제나 일정하여 정확한 시간을 지속적으로 얻을 수 있으며, 수정진동자는 수정시계의 심장부 역할을 한다.

⑵ 수정진동자:수정은 석영(quartz)의 일종으로 표면 횡단면이 6각형의 결정으로 되어 있다. 수정결정으로부터 잘라낸 수정편의 양면에 기계적인 압력 또는 장력을 가하거나 교류전압을 가하면 한 쪽 면에는 ＋극, 다른 쪽 면에는 －극의 전기가 교대로 발생되며 진동이 지속된다. 이러한 현상을 압전기현상이라고 하며, 1880년 프랑스의 P.퀴리, J.퀴리 형제가 발견하였다.

수정편은 크기가 작아질수록 주파수는 커지며 정도(精度)도 안정된다. 그러나 수정편의 크기가 작을수록 분주단수와 소비전류가 증가하게 된다. 수정시계에는 일반적으로 수정편의 크기가 6~8 mm가 사용되고 있으나 근래엔 6 mm  이하의 초소형도 실용화되고 있다. 수정진동자의 주파수는 8,192 Hz ~32,768 Hz 로써 극히 안정된 것이지만 온도변화에 의한 영향을 무시할 수 없다.

시계용 수정진동자의 온도특성은 정상으로 작동하는 범위가 － 10 ℃~＋ 50 ℃ 이며, 작동이 가능한 온도범위는 － 30 ℃ ~＋ 80 ℃ 이다. 태엽을 사용한 기계식 시계와 다른 점은 진동을 헤아리는 방법과 진동운동을 회전운동으로 변환시키는 방법이 전혀 다른 전기적인 방법에 의존하고 있다. 1초간의 진동수는 기계식의 템포 진동이 5 Hz ~10 Hz , 음차시계의 300 Hz ~360 Hz에 비교가 되지 않는 8,192 Hz ~32,768 Hz의 높은 진동이 진동안정을 유지시킨다.

수정진동자는 기계적 진동을 하지만 기계식 시계와 같이 그 진동이 직접 기계와 연결되어 회전운동으로 변화하지 않는다. 수정시계는 압전기현상에 의해 전기를 신호로써 얻어내어 모터의 회전과는 완전 독립되어 있으므로 기계적 관련은 없다. 즉, 진동자유성이 100 % 확보되었으며, 진동안전성이 100 % 활용된다.

⑶ 표시방법:수정시계의 표시방법은 일반적으로 디지털 방식과 아날로그 방식으로 분류한다. 디지털 방식은 시·분·초 등의 단위 표시를 숫자를 사용한 계수적·비연속적인 표시방식이며 L.C.D(liquid crystal display),  즉 액정표시체와 L.E.D(light emitting diode), 즉 발광 다이오드를 사용하여 시각을 표시한다. 아날로그 방식은 대개 일정한 간격을 두고 회전하는 펄스모터(step motor)를 사용하고 있다.

이 모터는 펄스 신호에 대하여 대단히 민감하며, 빠르게 작동되고, 수정의 신호를 충실하게 회전운동으로 변환시키는 계량적, 연속적인 표시방식이다. 아날로그 방식에 사용되는 스텝모터는 일반적인 모터와 같이 연속적으로 회전하는 것이 아니고 수정의 발진주파수를 분주회로에 의하여 1 Hz 까지 떨어뜨린 신호에 의해 1초에 1회씩 단계적으로 회전하며 정확도 역시 높다.