극저온의 환경

오메가 라이프타임 윈터 에디션에서 발췌


글: 로버트 라이언
사진: 앤디 바터


전자 장치의 성능이 저하되고 장치가 얼어붙는 영하의 기온에서 시험 작동 및 테스트를 거친 기계식 오메가 시계는 시간을 흐름을 측정하는 신뢰할 수 있는 장비입니다.

약 한 세기 전 영국의 로버트 스콧과 노르웨이의 로알 아문센은 각자 팀을 꾸리고 "남극 레이스"로 널리 알려진 남극 탐험길에 도전하였습니다.

두 팀 모두 신빙성을 높이기 위해 같은 의류와 동일한 장비를 착용하고 육중한 무게의 썰매에 올랐습니다. 1910년, 그 다음 해 하반기에 남극점에 도달한다는 목표를 가슴에 새기고 순백색의 남극 대륙을 향한 탐험에 도전했던 두 팀은 현장이라는 커다란 차이점을 가지고 있었습니다. 남극 대륙은 더 이상 썰매 개를 허용하지 않았으므로 그린란드에서 유사한 코스를 계획하였습니다. 경주를 대하는 두 팀의 자세는 커다란 차이가 있었습니다. 경주 전날 밤, 노르웨이 팀원들은 기어를 점검하고 썰매를 끌 허스키에게 충분한 먹이를 주었으며 눈썰매 러너를 날카롭게 정돈하였습니다. 하지만 영국 팀원들은 바에서 시간을 보냈습니다. 전직 특공대원이자 팀 리더였던 브루스 페리는 시간을 정확하게 파악하기 위해 의대생 로리 오코너의 앤틱 타임피스에 전적으로 의존하였다고 당시를 회상합니다. “당시 저희는 로리가 소유한 1911 알람 시계에서 울리는 10초간의 알람 벨 소리를 듣고 기상하였습니다. 실제 경주 시작 시간은 오전 8시였고, 경주 시작 시간에 맞춰 준비를 마칠 수 있도록 오전 5시로 알림을 맞추었습니다. 그러나 새벽 12시 10분에 로리의 알람 시계가 얼어 버리면서 뜻하지 않게 늦잠을 잤습니다." 결국 냉혹한 추위로 인해 제 시간에 일어날 수 없었고, 그 후에도 문제는 계속되었습니다. (의도치 않게 노르웨이 팀에 다시 한번 행운이 따랐습니다.) 기계 장치나 저온에서 작동하도록 설계되지 않은 시계 등에 의존하여 북극과 남극을 모험하는 탐험가와 모험가들 혹은 만년설 최저 경계선이나 한겨울 극지방을 탐험하는 모든 사람들에게 빈번하게 발생할 수 있는 일입니다. 영국 팀은 디지털 시계 또는 쿼츠 시계를 사용하였는데 전기 회로는 추위에 상당히 민감하므로 오작동하기 쉽습니다. 카메라, 컴퓨터 및 휴대 전화는 갑작스러운 한파에 쉽게 고장 나기도 합니다. 기온이 떨어지면 정교하게 배치되어 있는 다양한 소재의 구성 요소들이 각기 다른 비율로 팽창과 수축을 하게 되고 압박을 가하면서 리튬 이온 배터리 등 일부 구성품에 작용하는 부담이 현저하게 상승합니다. 27°C/80°F 온도에서 100% 용량을 제공하는 배터리의 경우 -18°C/0°F에서는 성능이 50% 감소합니다. 남극 탐험가 벤 사운더스는 2013 ~ 2014년에 스콧의 남극 횡단 루트를 따라갔고 혹한 속에서 전자 장치가 정상 작동하지 않는다는 사실을 발견하였습니다. 그는 “남극 지역의 극한 환경은 전자 장치의 성능을 저하시킵니다. 특히 LCD 화면에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 극한의 추위 속에서 GPS 장치에도 문제가 발생하였습니다.”라고 밝혔습니다.

"회로에 사용되는 대부분의 반도체는 ‘작동 중단’ 온도 이하의 환경에서 작동을 멈추게 되는데 이러한 원인이 일부 작용하였을 수 있습니다."

스마트폰, 노트북 및 GPS 장치에 내장되어 있는 구성 요소는 영구적으로 손상되거나 실제로 금이 갈 수도 있습니다. 특히 플라스틱은 저온에 매우 불안정한 속성을 지니고 있습니다. 첨단 장치들은 광범위한 온도 변화에 노출될 경우 응결에 매우 취약하며 그로 인해 장치 구동에 치명적인 손상을 받을 수 있습니다. 따라서 휴대폰 제조업체들은 권장 작동 온도를 명시하고 있습니다. 예를 들어 삼성은 -20°C/-4°F ~ +50°C/122°F 조건에서 휴대폰이 최상으로 작동한다고 밝히고 있으며, 애플은 0 ~ 35°C/32 ~ 95°F 범위에서 아이패드를 사용하도록 권장하고 있습니다. 회로에 사용되는 대부분의 반도체는 ‘작동 중단’ 온도 이하의 환경에서 작동을 멈추게 되는데 이러한 원인이 일부 작용하였을 수 있습니다. 극한의 기온 환경에서 작업하는 공학자/기술자를 위한 extremetemperatureelectronics.com 웹사이트에 따르면 반도체 소재의 변질 위험 역시 존재하며 돌이킬 수 없는 손상을 야기할 수도 있습니다. 그렇다면 전통적인 와인딩 방식의 알림 시계 성능에는 어떠한 영향을 미칠까요? 영국 팀 텐트 내부의 저온 환경에서 무브먼트 윤활유의 점성이 상승하면서 서서히 작동을 멈추게 되지는 않을까요? 무엇보다 오일과 접촉하는 지점들이 시계 무브먼트에서 가장 취약한 곳입니다. 대부분의 시계 윤활유가 어는 온도는 -30°C/-22°F입니다. 그러나 -20°C/-4°F가 되면 윤활유가 서서히 농축된다고 알려져 있습니다. 따라서 오메가의 스페셜 에디션 시계는 -40°C/-40°F 및 -55°C/-67°F에서 얼지 않는 특별한 오일을 사용합니다. 메탈 구성품이 수축하면서 형태가 변형될 가능성 역시 존재하며, 낮은 토크로 회전하는 톱니는 토크가 높은 톱니보다 쉽게 작동을 멈추는 경향이 있습니다. 브루스 페리가 확인한 사실처럼 어떠한 이유에서든 시계가 멈추면 재앙을 초래하게 됩니다.

OMEGA 라이프타임은 오메가 시계를 -70°C/-94°F에 노출한 후 일반 주변 온도까지 섭씨 5°C씩 온도를 높여 시계 작동에 문제가 발생하지 않는지 확인하는 테스트를 의뢰하였습니다. 테스트용 시계로 선정된 제품은 씨마스터 플래닛 오션 600M 코-액시얼 마스터 크로노미터였습니다.

마스터 크로노미터로 인정 받기 위해 타임피스는 자기장, 온도, 방수를 비롯하여 일일 평균 정확성 테스트 등 다양한 환경 조건에서 타임피스를 점검하는 스위스 계측학 연방학회(METAS)의 승인 및 인증을 받은 엄격한 일련의 테스트를 통과해야 합니다. 오메가는 METAS 테스트를 받기 전 사내에서 무브먼트를 -20°C/-4°F에 노출시킵니다. 씨마스터는 METAS 인증을 받은 후 실온에서 -70°C/-94°F까지 섭씨 -5°C씩 온도를 내리는 스페셜 냉각 장치에 설치됩니다. 기온 하강에 따른 성능을 모니터링하기 위해 시계 헤드에 마이크를 장착한 다음 4시간 동안 -70°C/-94°F 환경에 노출된 시계를 다시 실온으로 가져옵니다. 이 과정에서 시계 작동이 멈추었다고 해도 전혀 놀랍지 않은 최저 기온에 노출됩니다. 예상대로 오일이 농축되었다가 -70°C/-94°F 이전에 얼어붙습니다. (세부 데이터는 여전히 분석 및 처리 중입니다.) 관찰자들은 극한의 저온에서 다시 실온으로 되돌아왔을 때 장치의 성능이 유지되는지 여부에도 주의를 기울였습니다. 그 결과 시계에 사용된 오일은 변질되지 않았고 권장 작동 온도 범위에 들어가면 다시 정상 작동한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한 시계가 극한의 환경에 노출된 후에도 다시 실온으로 돌아오면 엄격한 METAS 테스트를 통과하였습니다. 기타 씨마스터 마스터 크로노미터 타임피스를 대상으로 같은 과정을 반복하였고 그 결과는 항상 같았습니다. 냉각 장치 속에 방치된 후에도 메커니즘이 손상되거나 전자 시스템이 파괴되지 않았습니다. 모든 결과는 아날로그 워치메이킹의 승리와도 같은 성과를 보였습니다. 오메가의 놀라운 도전은 여기에서 멈추지 않았습니다. 오메가는 극비리에 시계학 분야의 51구역이라 할 수 있는 알래스카 프로젝트에 참여하여 수십 년간 극비 극저온 테스트 프로그램을 실행하였습니다.

"오메가는 극비리에 시계학 분야의 51구역이라 할 수 있는 알래스카 프로젝트에 참여하여 수십 년간 극비 극저온 테스트 프로그램을 실행하였습니다."

우주 비행을 위한 타임피스

1964년 NASA의 젊은 우주 공학자 제임스 H. 레이건은 우주 비행 도중 직면할 수 있는 극한의 환경에서 여러 타임피스의 성능을 테스트하기 위한 프로그램 설계 책임자로 선정되었고 레이건은 미국 유통기업 오메가를 비롯한 여러 기업에 크로노그래프 시계를 공급해달라고 요청하였습니다.

레이건은 고온, 극도의 압력, 높은 습도, 산소로 구성된 대기, 충격, 가속, 진공 감압, 진동 및 음향 잡음을 비롯하여 고압 등 기타 변수를 동반한 저온 환경 등 다양한 "환경 테스트 조건" 하에서 시계를 테스트하였습니다. 4시간 동안 -18°C/0°F에서 시계를 방치한 후 다시 실온으로 가져오는 혹한 테스트를 실시하고 시계를 점검하였습니다(위에 명시된 오메가 라이프타임 테스트와 같은 엄격한 환경). -18°C/0°F라는 기준은 오메가 라이프타임 테스트와 비교해 자칫 관대해 보일 수 있을 정도입니다. 무엇보다 달 표면의 온도는 -200°C/-328°F까지, 그리고 화성 적도의 온도는 -90°C/-130°F(극점 -125°C/-193°F)까지 급락할 수 있으며, 궤도를 선회하는 우주선의 그늘은 -100°C/-148°F로 측정되기도 합니다. 지금까지 남극 대륙의 최저 기온은 -89.2°C/-128.56°F였으며, 1월 시베리아 베르호얀스크에 거주하는 주민들은 -45°C/-49°F의 혹한을 견뎌야 합니다. 또한 에베레스트 정상은 평균 -36°C/-33°F의 온도를 보이지만 -60°C/-76°F까지 떨어지기도 합니다. (실제로 시계가 기록적인 혹한에 노출될 기회는 거의 없지만 체온 및 의류는 환경 조건을 변화시키고 수은 주변 발열로 인해 시계 온도가 현저하게 높아질 수 있습니다.) 실제로 스피드마스터는 -18°C/0°F에서도 성능을 유지하였습니다. 1956년 북극 항공로를 거쳐 에드먼턴에서 암스테르담으로 비행한 캐나다 태평양 항공사의 더글라스 DC-6B 외부에 시계를 부착하였습니다. 스키폴 공항의 기장과 지상직 승무원들은 최대 속도 5,300m/17,500피트 및 -18°C/0°F 이하의 기온에 9시간 동안 노출된 시계를 점검하였고 한치의 오차도 없이 작동되고 있다는 사실을 확인하였습니다. 오메가와 스미스소니언이 1960년대 초 선구적인 시계 실험 결과를 발표하였을 때 다음 해에 있을 나사 테스트의 저온 규정에 대한 답을 이미 찾았을 가능성이 있습니다. 그러나 오메가 스피드마스터 타임피스가 레이건의 모든 테스트를 높은 점수로 통과하였고, 1965년 3월 1일 "모든 유인 우주 미션에 적합한 비행 자격을 갖춘 시계"로 나사의 인정을 받았다는 사실만은 부정할 수 없습니다.

흥미로운 사실은 나사에서 우주 탐사를 위한 맞춤 시계를 의뢰하지 않았다는 점입니다. 나사는 일반에서도 언제든지 구매할 수 있는, 이후 '문워치'가 된 COTS(상용) 제품을 선택하였습니다.

닐 암스트롱과 버즈 올드린과 함께 달 표면에 도착하며 스피드마스터가 달에 도착한 최초의 시계로 역사에 기록된 1969년 아폴로 11 미션 이전부터, 오메가는 나사 공식 시계의 품질을 개선하여 최고 수준의 우주 타임피스를 만들기로 결정합니다. 이에, 나사의 모든 품질 공정과 테스트를 지켜봐 왔던 엔지니어 제임스 H. 레이건과 협력하여 수년간 일부 혼선을 야기한 초극비 알래스카 프로젝트를 실시하였습니다. 알래스카는 우주만큼이나 차갑지만 알래스카라는 이름이 선정된 데는 다른 이유가 있습니다. 알래스카는 나사와 비밀 프로젝트를 진행할 당시 오메가 사내에서 사용한 코드명이었습니다. 오메가는 나사와 함께 특별 프로젝트를 진행하고 있으며 우주 탐험에 적합한 맞춤형 시계를 제작하고 있다는 사실이 경쟁사는 물론 나사 이외의 그 어느 곳에도 노출되지 않도록, 특히 미국 국내에서 극비를 유지하기 위해 이러한 코드명을 고안하였습니다. 또한 알래스카 프로젝트는 단일 프로젝트가 아닌 1969년 시작된 일련의 동시 프로젝트(I ~ IV) 형태로 진행되었습니다. 정기적인 달 착륙 시대(및 달의 뒷면에 나아가려는 나사의 야망)에 첫 성과를 올렸으며, 폴리싱 처리된 티타늄 케이스를 사용한 세계 최초의 시계가 바로 그것입니다. 1970년 스피드마스터 프로페셔널 우주 탐사용 시계의 프로토타입은 오버사이즈의 레드 알루미늄 "도넛" 커버 형태의 새로운 에디션으로 진화하였습니다. 열전도율이 낮은 알루미늄은 저온 및 고온 환경에서 방패 역할을 하기 위해 설계되었으며, 레드 커버 컬러가 특정 방사 파장으로부터 시계 내부의 메커니즘을 보호해 주었습니다. 돔형 형태의 디자인 덕분에 -148°C/-234.4°F ~ +260°C/500°F 온도 범위에서도 정상 작동을 유지하고 400°C 이상의 극한 고온에 노출되어도 작동하는 놀라운 성능을 갖추었습니다. 타임피스의 화이트 다이얼은 복사열을 반사하고 긴 화이트 스트랩에 Velcro 잠금장치를 설치하여 부피가 큰 우주복에 단단하게 고정할 수 있도록 성능을 강화하였습니다.

그러나 달을 향한 대중의 관심은 점차 줄어들었습니다. 1970년, 12월 나사는 예산 부족으로 인해 아폴로 18-20 미션을 취소하였고 다크 사이드 오브 더 문 시계의 필요성이 사라지면서 프로젝트가 보류되었습니다. 따라서 오메가의 스피드마스터 '문워치'는 유일한 우주 탐사 인증 손목 시계라는 명성을 얻었습니다.

2008년 오메가는 스피드마스터 프로페셔널 알래스카 프로젝트 칼리버 1861을 공개하고 디자인이 설계된 해를 기념하여 오직 1,970피스만 한정 제작하였습니다. 알래스카 프로젝트 리미티드 에디션은 오리지널 모델과 같이 레드 아우터 케이스와 긴 화이트 스트랩 버전으로 출시되었으며, 현재 많은 수집가들의 머스트 해브 아이템으로 사랑 받고 있습니다. 나사는 지구를 되돌아보는 프로젝트 등 정확한 시간 측정이 요구되는 새로운 미션에 도전하였습니다. 스카이랩(1973 ~ 1979년)은 궤도를 도는 최초의 우주 정거장이였으며, 과학적 연구의 일부로 단일 고해상도 카메라로 구성된 ETC(Earth Terrain Camera)가 탑재되어 있었습니다. ETC는 지구의 이미지(흑백, 컬러, 적외선)를 촬영하기 위해 설계된 5인치 및 18인치 초점 렌즈를 사용하여 이미지를 만들었습니다. 나사와 오메가는 이후 알래스카 II(1972년)로 알려진 타임피스를 설계하고 기계식 음차 무브먼트를 활용하여 스페셜 오메가 타이밍 장치를 엄격하게 테스트하는 작업을 공동 진행하였습니다. 실제로 모든 공식 ETC 사진에 나타난 시계에서 오메가 로고를 찾을 수 있습니다. 또한 스피드마스터 프로페셔널에 기반을 둔 프로토타입 우주 시계를 향한 은밀한 작업이 진행되고 있었습니다. 오메가는 스카이랩을 대체할 재사용 가능한 우주왕복선 프로젝트에도 참여하였습니다. 왕복선 프로그램은 활동이 진행되는 동안 정기적인 EVA 또는 우주 유영을 필요로 했습니다. 오메가는 정확한 시간 측정과 탁월한 가독성 및 크로노미터 성능을 필요로 하는 우주비행사들을 위해 ETC에 사용된 크로노그래프 음차 무브먼트를 활용하여 나사를 위한 혁신적인 프로토타입 모델을 제작하였습니다. 또한 알래스카 IV 프로젝트에 참여하여 스피드마스터에 LCD 디스플레이를 추가하였고 왕복선 교육에서 시계를 테스트하기 위해 나사에 "우주에서 입증된" 스피드마스터 프로페셔널 쿼츠(제품 번호: ST186.0004) 12피스를 전달하였습니다. 오메가의 유서 깊은 타임피스가 경쟁 제품들을 굴복시키며 우주 왕복선에 탑승할 시계로 재인증을 받았습니다. 그에 따라 1978년 하반기에 첫 56피스의 시계가 나사에 전달되었습니다. 클래식 타임피스의 진화는 자칫 어렵고 불가능해 보입니다.

"나사는 지구를 되돌아보는 프로젝트 등 정확한 시간 측정이 요구되는 새로운 미션에 도전하였습니다."

그러나 어렵다고 해서 불가능하다고 단정할 수는 없습니다. 연구는 여전히 지속되고 있습니다. 1998년 오메가는 쿼츠 무브먼트로 구동되는 티타늄 스피드마스터 X-33을 출시하였습니다. 알래스카 I ~ IV 프로젝트에서 얻은 지식과 기술을 활용한 본 모델은 지금까지도 국제 우주 정거장에서 활발하게 사용되고 있습니다. 첫 출시 후 나사의 다음 목표를 향한 동반자로 이름을 알리며 “마스(화성)” 시계라는 별명을 얻기도 하였습니다. 스피드마스터 프로페셔널은 수십 년간의 우주 생활 후 나사에서 선외 활동(EVA)용으로 인정 받은 유일한 시계로 남아 있습니다. 그렇다고 해서 X-33과 같은 타임피스가 110°C/198°F 온도 변화(낮: +20°C/68°F, 밤: -90°C/-130°F)와 화성 표면의 혹독한 모래 폭풍에 견딜 수 없다는 의미는 아닙니다. 나사 테스트의 책임을 맡고 있는 그룹 리더 제임스 H. 레이건은 문워치에 대해 다음과 같이 밝혔습니다. “앞으로 진행될 모든 유인 탐사 미션에서 개인용 크로노그래프에 대한 수요는 끊임없이 계속될 것입니다. 저는 화성에 착륙하는 최초의 우주비행사의 손목에 오메가 크로노그래프가 있을 것이라고 확신합니다.” 첫 미션이 시작된 이후 스피드마스터를 우주 탐사용 타임피스로 선정한 담당자의 말에 반기를 들 사람을 없을 것입니다.