user: 집전장치의 가공가선 또는 공중가선 방식에 대해 설명해 주세요.

gpt: 가공가선 또는 공중가선 방식은 차량의 위 쪽에 매달아 놓은 급전선 내지 강체가선 등의 설비로부터 수전을 받기 위하여 사용하는 여러 장치들을 의미한다. 가공가선 또는 공중가선 방식의 집전장치는 대개 습판 등으로 구성된 접촉부와 접촉부와 차량 간의 변위를 감당하기 위한 가동부로 나누어 다룰 수 있으며, 이 중 가동부의 설계 형태나 특성에 따라서 분류를 한다. 가공가선 또는 공중가선 방식에 해당하는 집전장치로는 팬터그래프, 뷔겔, 집전봉 등이 있다.

## 집전봉
**집전봉**은 가장 고전적인 집전 장치로, **트롤리 폴**으로도 불린다. 이것은 차체로부터 긴 장대 1개 또는 2개를 들어올려서, 가공가선에 접촉시켜 집전하는 방식이다. 가선의 접촉면에는 습판 내지는 도르래가 붙어있어 마찰 효율을 보조하도록 되어 있다. 대개 집전 폴은 차량 측에 탑재된 간단한 스프링 장치나, 스스로의 탄성에 의해서 접촉을 유지한다. 대개 그 승강은 절연되어 있는 연결 케이블에 의해서 수동적으로 이루어진다.

집전봉은 가장 간단한 방식이지만, 그 구조상 이선 또는 탈선이 쉽게 발생하며, 접촉압력을 조정하기 어렵다. 특히, 가공가선이 차량의 진행 중심선과 오차없이 평행하지 않을 경우 탈선 가능성이 크게 증가하므로 고속운전은 거의 불가능하다. 이로 인해서, 커브 구간에서는 이탈 가능성이 높아 늘 주의해야만 했으며, 특히 노면전차에 편승하는 차장 또는 운전조수는 늘 집전봉의 이탈이 일어나는지 감시해야만 했다.

또한, 차량이 후진하는 경우 적용이 완전히 불가능한 경우가 많아서 진행 방향 별로 집전봉을 비치하여 두거나, 집전봉의 방향을 회전시켜야만 한다. 대개, 이 방식을 채택하는 차량은 아예 한 방향으로만 주행할 것을 전제로 한 예가 많다. 또한, 집전봉 방식을 취할 경우 분기기 설비가 복잡해짐으로 인해서, 운행계통이 복잡한 경우 집전봉을 집전장치로 사용하는 것은 거의 불가능해진다.

다만, 집전봉은 급전선뿐만이 아니라 귀전선도 가공가선으로 설치할 수 있어서, 특히 직류식 전기철도에서 문제가 되는 전식 현상을 회피하기 위해서, 또는 레일을 사용한 귀전이 불가능한 무궤도전차의 경우 집전 폴 방식을 여전히 사용하게 된다. 대개, 집전봉 방식이 유지되는 곳은 급전선과 귀전선이 분리된 이른바 쌍선식의 가공가선이 채용되어 있는 곳인 경우가 많다. 전 세계적으로 이런 이유가 없는 곳에서 집전봉 방식을 유지하는 경우는 흔치 않다.

한국에서는 과거 서울전차와 부산전차에서 극초기에 사용하였으나 일치감치 도태되어, 뷔겔 내지 팬터그래프로 대체되었다. 북조선의 경우 각지에 존재하는 무궤도전차가 이를 사용 중이다.

## 뷔겔
**뷔겔**은 집전 폴을 개량한 집전 장치이다. 이 호칭은 독일에서의 호칭으로 일본을 경유하여 반입된 표현이며, 영어권에서는 보 콜렉터라고 부른다. 뷔겔은 안장에 붙어있는 등자를 의미한다. 이는 집전봉과 달리 폴의 끝단에 가로대를 설치하여, 전차선과의 접촉면을 점에서 선으로 바꾸어 횡변위에 대응할 수 있도록 한 것이다. 종방향의 변위는 집전봉과 유사하게 스프링과 관절로 대응한다.

뷔겔은 독일의 지멘스 사가 집전봉의 특허를 피하기 위해서 개발했다고 알려져 있다. 그러나, 이 방식은 안정성이 높아서 이후 다수의 노면전차들에서 대거 채택되었다. 현재도 팬터그래프에 비해서 간단하고 가볍다는 점 때문에 활용되고 있는 경우가 많다.

뷔겔은 집전봉에 비해서 간단하고, 횡변위를 허용할 수 있기 때문에 집전의 안정성이 상당히 높다. 특히, 이선 또는 탈선 가능성이 집전봉에 비해 현저히 낮기 때문에 따로 이를 감시할 사람이 불필요하며, 제어 역시 기계적으로 수행하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 아울러, 그 크기도 비교적 작고 경량이며, 고장 가능성도 적다. 그러나, 종변위에 대한 대응은 집전봉과 큰 차이 없이 회전점과 스프링에 의존하고 있어서, 운행 속도나 방향에 따라 집전 효율과 안정성이 변동하며, 특히, 역방향으로 운행하는 경우 손상 또는 파손의 가능성이 크게 증가하며, 추종성도 나빠진다는 문제를 가지고 있다. 또한 대응 가능한 가선 높이가 이후 개발된 팬터그래프에 비해서 떨어지는 점도 단점으로 꼽힌다. 고속성능의 부족은 특히 철도 등지에서 뷔겔을 채용하는 데 가장 큰 장애가 되었으며, 따라서 노면전차라고 하더라도 어느 정도 성능이 요구되는 현재에는 그 사용예가 줄어들고 있다.

한국에서는 서울전차 등지에 채용된 바 있으며, 현재 보존중인 노면전차 차량은 모두 뷔겔이 사용된 차량들이다. 다만 한국 내에서 현재 철도 및 궤도 현업에 사용중인 예는 전무하다.

## 팬터그래프
**팬터그래프**는 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 집전 장치로 종종 **판토**, **팬터**, **판타**등으로 약칭되기도 하며, 국내 철도에서는 **Pan**이라는 영문약어로 불린다. 팬터그래프식 집전장치는 전차선의 종변위를 감당하는 가동부를 다단 링크 구조 또는 스프링 구조에 의존한 것으로, 이를 통해서 접촉부의 권동을 상하방향으로 최대한 억제하고, 다양한 높이의 가공가선에 대응할 수 있도록 설계한 것이다. 팬터그래프는 기본적으로 싱글암식과 더블암식으로 구분한다. 일본 등지에서는 500계 신칸센에 시범도입된 익형 등 다른 형식의 집전장치를 판타그래프로 분류하기도 한다.

### 더블암 식
더블암 식 팬터그래프는, 마름모꼴의 링크 구조를 가진 전통적인 구조의 팬터그래프를 의미한다. 종종 다이아몬드형 등으로 변형되어서 불리기도 한다. 더블암 식은 접촉면과 차체 사이의 가동부를 두 개의 링크로 구성한 형태이다. 종종 링크의 배치 형상에 따라서, 세부적으로 능형, 하부교차형 등으로 구분하기도 한다. 현재는 하부교차형이 주를 이룬다.

더블암 식 팬터그래프는 구조적으로 안정적이고, 그 강도가 뛰어나며, 주행 방향에 따른 강도 부담이 없다는 강점이 있다. 특히, 5kg 이상의 압상력을 가진다는 면에서 뛰어나기 때문에, 가선 상태가 좋지 않은 경우 메리트가 있다고 알려져 있으나, 한편으로 별반 차별성이 없다는 주장도 존재한다. 그러나, 반대로 무겁고 크며, 전차선 높이, 특히 높게 설치된 전차선에 대해선 능형보다 대응하기 어려우며, 이에 대응하기 위해서는 전체적인 링크 구조의 크기를 키워야 하는 단점을 가지고 있다.

대한민국에서는 운영 주체를 막론하고 거의 모든 전동차에 이 방식의 팬터그래프가 채택되어 있다. 가장 일반적인 형태이나, 근래에는 검수의 효율화를 목표로 한국철도공사 전동열차 동해남부선 전동차부터 싱글암 팬터그래프가 기 탑재되어 있다. 현재 소사원시선에 투입된 한국철도공사 391000호대 전동차도 싱글암을 채용했다.

#### 능형
가장 고전적이고 일반적인 구조다. 일반적으로는 강관을 트러스 구조로 조립한 것이지만, 라멘 구조로 된 것도 있다.
상승한도가 크므로 전차선이 높이 설계된 노선에서 유용한 형식이다. 산악철도 등에서 사용된다.

조선민주주의인민공화국 철도국에서 운행중인 직류전기기관차가 이 파트의 능형 팬터그래프를 채용한다.

일본 고속철도 신칸센 0계 전동차의 경우, 저속에서의 가선추종성이 좋아, 초창기 가공가선 또는 공중가선 방식 집전장치의 주류를 차지했다. 하지만 가동부의 질량이 커지며, 고속주행시 공기저항이 커지는 단점이 있다. 그래서 현재 새로 제작되는 차량에 이 형태의 팬터그래프가 탑재되는 경우는 전무하다.

일본에서 신칸센에 능형 팬터그래프가 채용된 신칸센 시리즈는 0계와 100계뿐이다.

#### 하부교차형
능형 팬터그래프에서 아래 부분을 교차시켜, 그에 따른 소형화·경량화를 도모한 것이다. 통근용 전동차처럼 표정속도가 낮고 가감속을 반복하는 차량에서는 가동부가 짧아지기 때문에 능형보다 가선추종성이 떨어지지만, 공간 절약 측면에서 뛰어나기 때문에 냉방장치 등의 탑재로 지붕 사용이 증가한 현행 철도차량들에 적합하다는 평을 받고 있다. 2013년 기준 대한민국의 통근형 전동차들 모두가 이 방식의 팬터그래프를 사용하고 있다. 능형 팬터그래프에서 아래부분을 교차시킨 덕에, 완벽하지는 않지만 의외로 나름대로의 고속운행도 보장된다. 도시철도용 전동차로 급행다이아를 편성하는게 가능한 이유이다. 더블암 팬터그래프 항목 서두에서도 거론됐듯이, 완벽하지는 않지만 나름대로의 압상력 강화도 도모되어있기 때문이다. 현재 한국에서 운행중인 도시철도용 전동차들은 주공기압축기에서 공급되는 약 6kg의 압축공기로 집전장치를 상승상태로 유지한다.

### 싱글암 식
싱글암 식 팬터그래프는, 다리처럼 생긴 하나의 관절 구조만을 가진 팬터그래프를 의미한다. 해외에서는 더블암 식을 절반으로 잘라놓은 모양이라는 의미에서 하프 판토, 또는 Z자 형으로 생겼다고 해서 Z판토, 또는 각형 팬터그래프라고도 불린다. 싱글암 식은 접촉면과 차체 사이에 하나의 링크 구조만이 설치되어 있는 형태이다.

싱글암 식 팬터그래프는 가선 상태가 열악한 경우나, 가선 장력이 약화되어 가선이 늘어져 있는 경우에는 팬터그래프의 파손이나 이선 현상이 발생할 수 있어 시설물관리에 엄격함이 요구된다. 더블암 하부교차형 팬터그래프의 경우에는 그 전기습판이 전차선을 고정하는 가동브래킷 구간을 통과할때, 전차선을 고정하는 이 가동브래킷의 탐침같은 것이 자연스럽게 위아래로 흔들린다. 이는 양쪽에서 전기습판을 지탱하는만큼 유연성을 주기 위해서이다. 그러나 전기습판을 한쪽에서만 지탱하는 이 싱글암 식 팬터그래프에서 가동브래킷의 자연스러운 상하진동은 치명적이다. 이러한 이유로 도입 초기에는 강도와 안정성 측면에서 의심을 받기도 했으나, 유럽 등지에서는 이미 광범위하게 사용되어 왔으며, 근래에는 기술적인 검증이 많이 이루어지고 시설물 관리도 엄격해져 그 사용에 이견이 없다. 특히 공기저항이 적고, 경량이며, 가선 높이에 다양하게 대응할 수 있다는 점이 최근에 크게 어필하여, 유럽계의 고속철도에서는 기본형으로 쓰인다.

대한민국에서는 1972년에 도입된 8000호대 전기 기관차가 최초로 사용하였으며, 이후 도입된 대부분의 전기기관차와 KTX, 일본 고속철도 신칸센 300계 전동차부터 기본으로 쓰이고 있다. 대한민국에서 전동차에 채택된 예는 EEC와 TEC, ITX-청춘, ITX-새마을이 있으며 최근에 한국철도공사 311000호대 전동차의 95편성부터 쓰이고 있다.

### 기타 형식
일본 고속철도 신칸센에서는 여러 형식의 팬터그래프가 개발되어 실험, 적용되고 있다. 신칸센 500계 전동차의 경우에는 과거 시험차부터 사용되던 익형 팬터그래프가 사용되고 있으며, FASTECH360 차량에는 차체로부터 분리된 포드 부에서 싱글암식 팬터그래프가 올라가는 이른바 포드형 팬터그래프가 시험 중이다. 이들은 모두 공력저항의 감소 필요성으로 인해 채용된 것들로, 해외에서 비슷한 구조가 고려되거나 채용된 경우는 없다. 특히 익형 팬터그래프의 경우 링크 구조가 없으므로 팬터그래프로 분류할 수 없다고 할 수도 있다.