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FingerScore 하드웨어 6 — PCB 설계와 소형화(반지로 만들기)

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들어가며

4편에서 BLE로 똑똑하게 통신하고, 5편에서 오래 켜지는 전원을 설계했습니다. 이제 마지막 단계입니다. 그 모든 회로를 반지 크기의 작은 기판 위에 실제로 올려야 합니다. 이게 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판) 설계입니다.

PCB 설계는 하드웨어 제작의 꽃이자 가장 어려운 부분입니다. 회로도(스키매틱)는 "무엇이 무엇과 연결되는가"라는 논리를 다루지만, PCB는 "그 연결을 어떻게 물리적으로 배치하는가"라는 현실을 다룹니다. 특히 반지처럼 극도로 작고 곡면이며 안테나가 살에 닿는 기기에서는 제약이 산더미입니다.

이번 6편에서는 KiCad 같은 도구로 스키매틱을 PCB로 옮기는 흐름부터, 부품 배치와 라우팅, 반지 폼팩터의 특수 제약, 2.4GHz 안테나 레이아웃, 제조 적합성(DFM)과 거버 출력, 발주와 어셈블리, 그리고 양산과 인증(FCC/KC)까지 — 회로를 진짜 물건으로 만드는 모든 단계를 다룹니다. 이로써 FingerScore 하드웨어 시리즈를 마무리합니다.

1. 스키매틱에서 PCB로 — 전체 흐름

PCB 설계는 보통 다음 순서로 진행됩니다. KiCad(무료 오픈소스)를 기준으로 설명하지만, Altium·EAGLE 등도 흐름은 같습니다.

PCB 설계 흐름

1. 스키매틱 작성     : 부품과 연결을 논리적으로 그림
2. 풋프린트 할당     : 각 부품에 물리적 패드 모양 지정
3. 네트리스트 생성   : "무엇이 무엇과 연결" 목록
4. PCB로 임포트     : 부품들이 보드 위에 둥둥 뜬 상태
5. 보드 외곽 정의   : 반지 형태의 경계선 그리기
6. 부품 배치        : 어디에 무엇을 놓을지 결정 (가장 중요)
7. 라우팅          : 핀과 핀을 구리 선으로 연결
8. 평면/스티칭      : 그라운드·전원 평면, 비아 배치
9. DRC 검사        : 설계 규칙 위반 확인
10. 거버 출력      : 제조용 파일 생성

이 중 가장 시간이 걸리고 실력이 드러나는 단계가 6번 배치와 7번 라우팅입니다. 배치를 잘하면 라우팅이 쉬워지고, 배치를 못하면 아무리 라우팅해도 선이 꼬입니다. "배치가 80%, 라우팅이 20%"라는 격언이 있습니다.

2. 부품 배치와 라우팅 기초

배치의 원칙

부품을 보드에 놓을 때 몇 가지 원칙이 있습니다.

  • 신호 흐름을 따라 배치: 입력 → 처리 → 출력 순서대로 부품을 일직선으로 두면 선이 짧아집니다. 예: 안테나 → BLE SoC → 센서.
  • 디커플링 콘덴서는 칩 핀 바로 옆: 5편에서 강조했듯, 전원 핀에 최대한 가깝게.
  • 크리스털/오실레이터는 칩 가까이, 선 짧게: 클럭 신호는 노이즈에 민감합니다.
  • 열나는 부품은 떨어뜨리기: 충전 IC, LDO는 서로·민감 부품과 거리를 둡니다.
  • 커넥터·버튼은 가장자리: 사람이 접근하는 부품은 외곽에.

라우팅 기초

라우팅은 부품 핀들을 구리 선(트레이스)으로 잇는 작업입니다.

  • 선폭: 전류가 큰 전원선은 굵게(예: 0.3mm 이상), 신호선은 가늘게(0.15mm). 너무 가늘면 끊기거나 발열합니다.
  • 직각 회피: 트레이스는 90도로 꺾지 말고 45도나 곡선으로. 직각은 제조·신호 측면에서 불리합니다.
  • 비아(via): 층을 옮길 때 쓰는 작은 구멍. 너무 많으면 신뢰성·면적에 불리합니다.
  • 차동쌍: USB 데이터처럼 쌍으로 가는 신호는 길이를 맞추고 나란히 둡니다.
트레이스 라우팅 (좋은 예 vs 나쁜 예)

나쁨: 직각 꺾임          좋음: 45도 꺾임
   ───┐                    ───╮
      │                       ╲
      │                        ╲───
      └───                  

직각은 피하고 부드럽게 꺾는다.

3. 반지 폼팩터 제약 — 가장 큰 도전

일반 PCB는 평평한 사각형이지만, 반지는 다릅니다. 이 부분이 FingerScore PCB의 핵심 난제입니다.

곡면과 크기

손가락에 감기려면 PCB가 휘어야 합니다. 방법은 두 가지입니다.

방식설명장단점
작은 강성 PCB평평한 작은 보드를 반지 안쪽 일부에만단순·저렴, 공간 제한 큼
플렉스/리지드-플렉스 PCB휘어지는 기판으로 반지 둘레를 감음공간 활용 최대, 비싸고 설계 난이도↑

FingerScore는 부품이 많지 않으면 작은 강성 PCB로 시작하고, 배터리는 곡면 LiPo를 반지의 다른 면에 배치하는 하이브리드가 현실적입니다. 본격 양산에서는 플렉스 PCB로 전체를 감싸 더 슬림하게 만들 수 있습니다.

양면 활용과 부품 높이

공간이 없으니 PCB 양면에 부품을 올립니다. 또 부품 높이(Z축)도 신경 써야 합니다. 키 큰 부품(커넥터, 큰 콘덴서)은 반지 두께를 키웁니다. 그래서 가능한 한 낮은(low-profile) 부품을 고릅니다.

반지 단면 (개념)

   바깥쪽 (공기, 안테나 방향)
  ┌─────────────────────┐
  │   PCB (부품 양면)     │
  │  [BLE SoC] [센서]    │
  └─────────────────────┘
  ┌─────────────────────┐
  │   곡면 LiPo 배터리   │
  └─────────────────────┘
   안쪽 (손가락 살에 닿음)

4. 안테나 레이아웃 — 2.4GHz의 까다로움

4편에서 안테나가 살에 가까워 거리가 줄어든다고 했습니다. PCB 설계에서 안테나는 가장 까다로운 부분입니다. 잘못하면 BLE가 1미터도 안 갑니다.

안테나 종류

방식설명반지 적합
칩 안테나작은 세라믹 부품공간 절약, 매칭 필요
PCB 트레이스 안테나구리 패턴으로 직접 그림무료지만 면적 차지
외장 안테나별도 안테나 부착반지엔 부적합

작은 기기에서는 칩 안테나나 PCB 트레이스 안테나를 씁니다. 둘 다 정확한 설계가 필요합니다.

키프아웃과 매칭

안테나가 잘 방사하려면 두 가지가 중요합니다.

  • 그라운드 키프아웃(keep-out): 안테나 주변과 아래에는 구리(그라운드)를 비워야 합니다. 그라운드가 가까우면 안테나가 막혀서 방사가 안 됩니다.
  • 임피던스 매칭: 안테나는 보통 50옴으로 맞춰야 합니다. SoC와 안테나 사이에 매칭 회로(작은 인덕터·콘덴서 조합, π-네트워크)를 넣어 조정합니다. 보통 부품 자리만 비워 두고(DNP) 실측 후 값을 결정합니다.
안테나 영역 레이아웃 (위에서 본 모습)

┌──────────────────────────────┐
│  [그라운드 채워진 영역]        │
│  [BLE SoC]──[매칭]──┐         │
│                     │         │
│ ┌───────────────────┴───────┐ │
│ │   안테나 (그라운드 키프아웃) │ │  <- 이 영역엔 구리 없음
│ │   ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓     │ │
│ └───────────────────────────┘ │
└──────────────────────────────┘
       바깥쪽(공기) 방향으로 배치

안테나는 직접 설계하기 어려우므로, SoC 제조사가 제공하는 **레퍼런스 디자인(reference layout)**을 그대로 복사하는 게 가장 안전합니다. nRF52, ESP32 등은 검증된 안테나 레이아웃을 공개합니다.

5. 그라운드·전원 평면과 층 수

평면(plane)이란

PCB의 한 층 전체를 그라운드나 전원으로 채운 것을 평면이라고 합니다. 평면은 다음 역할을 합니다.

  • 신호의 리턴 경로(전류가 돌아오는 길)를 깨끗하게 만듭니다.
  • 노이즈를 줄이고 EMI(전자파 간섭)를 억제합니다.
  • 열을 분산시킵니다.

특히 고주파(2.4GHz BLE) 신호는 바로 아래에 깨끗한 그라운드 평면이 있어야 안정적으로 전달됩니다. 이를 깨면 신호가 흐트러지고 안테나 성능이 망가집니다.

2층 vs 4층

항목2층 PCB4층 PCB
구성윗면/아랫면만신호-그라운드-전원-신호
비용저렴비쌈
노이즈관리 어려움전용 그라운드 평면으로 우수
RF 성능불리유리
소형화라우팅 빡빡여유 있음

FingerScore처럼 작고 RF가 중요한 기기는 4층 PCB가 거의 필수입니다. 가운데 두 층을 통째로 그라운드와 전원에 쓰면, RF 신호 바로 밑에 깨끗한 그라운드가 깔려 안정적이고, 바깥 두 층은 신호 라우팅에 집중할 수 있습니다. 비용은 늘지만 작은 RF 기기에선 타협하기 어렵습니다.

6. 부품 패키지와 납땜 난이도

부품은 같은 기능이라도 다양한 크기·형태(패키지)로 나옵니다. 작을수록 공간은 아끼지만 납땜이 어렵습니다.

패키지크기손납땜반지 적합
08052.0×1.25mm쉬움큼
06031.6×0.8mm보통무난
04021.0×0.5mm어려움소형화에 좋음
02010.6×0.3mm매우 어려움양산 전용
QFN핀이 칩 밑에핫에어/리플로우 필요SoC에 흔함
BGA볼이 칩 밑리플로우+X선 검사고밀도, 난이도 최상

트레이드오프

  • 프로토타입은 손으로 납땜할 수 있게 0603 정도로 시작하는 게 좋습니다.
  • 소형화가 필요한 반지 본제품은 0402가 균형점입니다.
  • BLE SoC는 보통 QFN 패키지라 핀이 칩 밑에 숨어 손납땜이 어렵습니다. 핫에어 건이나 리플로우(아래에서 설명)가 필요합니다.
QFN 패키지 (핀이 밑면에 있음)

   위에서:        옆에서:
   ┌────────┐     ┌────────┐
   │  chip  │     │  chip  │
   └────────┘    ─┴────────┴─  <- 패드가 칩 밑에 숨음
   (핀이 안 보임)   (손으로 인두 못 댐)

7. DFM·거버·발주

설계가 끝나면 공장이 만들 수 있는 형태로 내보내야 합니다.

DFM (제조 적합성)

DFM(Design for Manufacturing)은 "공장이 이걸 실제로 만들 수 있나?"를 확인하는 것입니다. 제조사마다 최소 선폭, 최소 간격, 최소 비아 크기 등 능력 한계가 있습니다. 설계가 이 한계를 넘으면 만들 수 없거나 불량률이 높아집니다.

  • 최소 트레이스 폭/간격 확인(예: 0.15mm/0.15mm)
  • 최소 비아 드릴/패드 크기 확인
  • 보드 외곽과 부품 사이 여유(클리어런스)
  • 솔더마스크·실크스크린 규칙

거버(Gerber) 출력

거버는 PCB 제조의 표준 파일 형식입니다. 각 층(구리, 솔더마스크, 실크스크린)과 드릴 정보를 담은 파일 묶음입니다.

거버 파일 묶음 (예)

board.GTL   - 윗면 구리 (Top Layer)
board.GBL   - 아랫면 구리 (Bottom Layer)
board.GTO   - 윗면 실크스크린 (글자/마크)
board.GTS   - 윗면 솔더마스크
board.GBS   - 아랫면 솔더마스크
board.drl   - 드릴 파일 (구멍 위치)
+ 내부 층 (4층이면 .G2L, .G3L)

발주

거버를 PCB 제조 서비스(JLCPCB, PCBWay 등)에 업로드하면 며칠 만에 기판이 옵니다. 부품 실장까지 맡기는 PCBA 서비스도 있습니다. 발주 전 거버 뷰어로 한 번 더 눈으로 확인하는 습관이 중요합니다.

8. 어셈블리 — 스텐실·리플로우 vs 핸드솔더

기판이 와도 부품을 붙여야 동작합니다. 두 가지 방식이 있습니다.

방식설명적합
핸드솔더인두로 하나씩 납땜큰 부품, 소량
리플로우솔더 페이스트 + 가열로 한 번에QFN/소형, 양산

리플로우 흐름

리플로우 어셈블리 단계

1. 스텐실 정렬   : 금속 스텐실을 PCB에 맞춤
2. 페이스트 도포 : 솔더 페이스트를 패드에 바름
3. 부품 배치     : 핀셋/픽앤플레이스로 부품 올림
4. 리플로우 가열 : 오븐/핫플레이트로 가열 -> 납이 녹아 붙음
5. 검사         : 육안/현미경/X선으로 납땜 확인

QFN처럼 핀이 밑에 숨은 부품은 손납땜이 거의 불가능하므로 리플로우가 사실상 필수입니다. 소량 프로토타입도 솔더 페이스트와 핫플레이트(또는 저가 리플로우 오븐)로 충분히 할 수 있습니다.

BOM과 비용 — 부품표가 곧 원가

설계가 끝나면 **BOM(Bill of Materials, 부품표)**을 정리합니다. BOM은 "이 보드를 만들려면 무슨 부품이 몇 개 필요한가"의 목록입니다. 부품 하나하나가 원가이자 재고·수급 리스크입니다.

FingerScore BOM (간략 예시)

부품          수량  단가(소량)  비고
-----------------------------------------------
BLE SoC       1    높음        QFN, 핵심 부품
가속도계       1    중간        제스처 감지
LiPo 배터리    1    중간        곡면형
충전 IC        1    낮음        TP4056류
LDO           1    낮음        초저 Iq
보호 IC        1    낮음        과충전/과방전
수동소자(R/C)  ~20  매우 낮음    디커플링·풀업 등
커넥터/접점    1    낮음        충전용
-----------------------------------------------

BOM을 짤 때 흔한 실수:

  • 단종(EOL) 부품 선택: 양산 시점에 부품이 단종되면 재설계해야 합니다. 수급이 안정적인 부품을 고릅니다.
  • 소량가만 보고 결정: 소량 단가와 대량 단가는 크게 다릅니다. 양산 규모의 단가를 미리 확인합니다.
  • 대체 부품 미준비: 핵심 부품마다 2nd source(대체 공급처)를 정해 두면 공급망 리스크가 줄어듭니다.

프로토타입 반복 — 한 번에 완성되지 않는다

하드웨어는 소프트웨어처럼 즉시 고칠 수 없습니다. 보드를 새로 발주하면 며칠이 걸리죠. 그래서 리비전(rev)을 거치며 점진적으로 완성합니다.

일반적인 PCB 리비전 흐름

rev A : 첫 보드. 거의 항상 실수가 있다(전원 안 켜짐, 핀 바뀜 등)
        -> 와이어 점퍼/땜질로 임시 수정하며 검증
rev B : rev A 문제 수정 + 안테나 매칭값 확정
        -> 대부분 동작, 소소한 개선점 발견
rev C : 양산 준비. DFM/테스트 포인트/인증 대응 반영

교훈: rev A에 완벽을 기대하지 말 것. 디버깅 여지(테스트 포인트,
      점퍼 자리)를 미리 넣어 두면 수정이 쉬워진다.

첫 보드에 일부러 여유 부품 자리(DNP), 테스트 포인트, 점퍼 옵션을 넣어 두는 것이 베테랑의 습관입니다. 처음부터 완벽한 소형화를 노리기보다, 조금 큰 검증용 보드로 먼저 동작을 확인하고 점차 줄여 가는 것이 안전합니다.

9. 기구 설계 — 방수와 착용감

PCB가 완성돼도 그걸 감싸는 **케이스(하우징)**가 필요합니다. 반지는 몸에 닿는 제품이라 기구 설계가 특히 중요합니다.

  • 착용감: 반지 안지름, 무게, 두께가 편안해야 합니다. 너무 무겁거나 모서리가 날카로우면 못 낍니다.
  • 방수: 땀과 물에 노출되므로 IP 등급(예: IPX5)을 목표로 합니다. 충전 접점·버튼 틈으로 물이 들어가지 않게 실링(개스킷, 포팅)합니다.
  • 소재: 피부에 닿으므로 저자극성(예: 의료용 실리콘, 특정 플라스틱)을 씁니다.
  • 버튼/제스처: 물리 버튼을 최소화하고 제스처(가속도계)로 대체하면 방수에 유리합니다.
방수 포인트 (물이 들어올 수 있는 곳)

- 충전 접점 틈   -> 개스킷/포팅으로 실링
- 버튼 구멍      -> 가능하면 제스처로 대체
- 케이스 접합부  -> 초음파 융착 또는 접착
- 마이크/홀      -> 방수막 (있다면)

10. 양산 고려 — 테스트와 인증

프로토타입 하나 만드는 것과, 수천 개를 안정적으로 만드는 것은 다른 세계입니다.

양산 테스트

  • ICT/기능 테스트 지그: 생산 라인에서 각 보드가 정상 동작하는지 자동 검사하는 치구. 테스트 포인트(패드)를 미리 PCB에 넣어 둬야 합니다.
  • 프로그래밍 지점: 펌웨어를 양산 시 자동으로 굽는 포인트.
  • 수율 관리: 불량률을 추적하고 원인을 분석합니다.

인증 (FCC/KC 등)

무선 기기를 판매하려면 전파 인증이 필요합니다.

인증지역대상
FCC미국전파 방출
CE유럽안전·전파
KC한국전파·안전
기타각국현지 규제

다행히 BLE 모듈을 **사전 인증된 모듈(pre-certified module)**로 쓰면 인증 부담이 크게 줄어듭니다. 직접 칩과 안테나를 설계하면 풀 인증이 필요해 비용·시간이 큽니다. 초기 스타트업은 보통 사전 인증 모듈로 시작합니다.

인증 전략

직접 칩+안테나 설계 -> 풀 RF 인증 필요 (비쌈, 수개월)
사전 인증 BLE 모듈  -> 인증 대폭 간소화 (권장 시작점)

트레이드오프: 모듈은 약간 크고 비싸지만, 인증·개발 리스크를 크게 줄인다.

11. 흔한 함정

  • 안테나 밑 그라운드: 안테나 키프아웃을 안 지켜 그라운드를 깔면 BLE가 거의 안 됩니다. 가장 흔한 RF 실패.
  • 디커플링 위치: 콘덴서를 칩에서 멀리 두면 전원이 출렁여 간헐 오작동.
  • DFM 무시: 제조사 한계를 넘는 가는 선·작은 비아로 설계해 불량 양산.
  • 테스트 포인트 누락: 양산 테스트 패드를 안 넣어 생산 라인에서 검사 불가.
  • 부품 높이 간과: 키 큰 부품 하나가 반지 두께를 키워 착용감을 망침.
  • 인증 늦게 고려: 다 만든 뒤 인증을 떠올리면 재설계가 필요할 수 있음. 처음부터 모듈/인증을 고려.

12. 마치며 — 시리즈 정리

이번 6편에서 FingerScore 회로를 진짜 만질 수 있는 반지로 만드는 PCB 설계를 다뤘습니다. 스키매틱에서 PCB로 가는 흐름, 배치와 라우팅, 반지 폼팩터 제약, 2.4GHz 안테나 레이아웃, 4층 평면, 부품 패키지와 납땜, DFM·거버·발주, 어셈블리, 기구 설계, 그리고 양산과 인증까지 — 회로를 손에 쥐는 물건으로 바꾸는 전 과정을 짚었습니다.

시리즈 전체 회고

FingerScore 하드웨어 시리즈를 통해 우리는 아이디어에서 제품까지의 여정을 함께 걸었습니다.

FingerScore 하드웨어 시리즈 지도

1편: MCU 선택과 개발 환경        -> 두뇌를 고른다
2편: 센서와 제스처 감지          -> 손가락 동작을 읽는다
3편: 펌웨어 기초                -> 두뇌에 생각을 심는다
4편: BLE 무선 통신   (이전 글)   -> 점수를 무선으로 보낸다
5편: 전원·배터리·회로 (이전 글)  -> 오래 켜둔다
6편: PCB 설계와 소형화 (이 글)   -> 반지로 만든다

처음 임베디드를 접하는 분에게 하드웨어는 막막해 보입니다. 소프트웨어와 달리 "되돌리기(undo)"가 안 되고, 보이지 않는 무선과 전류를 다뤄야 하고, 실수하면 부품이 타기도 합니다. 하지만 한 단계씩 쪼개 보면, 각 단계는 충분히 배울 수 있는 명확한 원리 위에 서 있습니다.

이 시리즈가 여러분이 직접 작은 기기를 만들어 보는 첫 발이 되길 바랍니다. 손가락 위에서 점수가 톡 하고 올라가는 그 작은 마법은, 이 모든 단계가 차곡차곡 쌓인 결과입니다. 직접 만들어 보세요. 무선이 끊기고, 배터리가 죽고, 안테나가 안 잡히는 그 모든 좌절 끝에, 처음으로 폰에 점수가 뜨는 순간의 기쁨은 무엇과도 바꿀 수 없습니다.

읽어 주셔서 감사합니다. 좋은 빌딩 하세요.

참고 자료

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