커스텀 키보드 제작 가이드: PCB부터 케이스까지

PCB 설계 및 제작

 커스텀 키보드 제작의 첫 단계는 PCB(인쇄회로기판) 설계입니다. PCB는 키보드의 핵심 부품으로, 키 입력을 전기 신호로 변환하여 컴퓨터에 전달하는 역할을 합니다. PCB 설계를 위해서는 먼저 키보드 레이아웃을 결정해야 합니다. 원하는 키 배열, 크기, 기능 등을 고려하여 레이아웃을 계획합니다. 일반적으로 60%, 75%, TKL(텐키리스), 풀사이즈 등 다양한 레이아웃 중에서 선택할 수 있습니다.

 

 레이아웃이 결정되면 KiCad, Eagle, Altium Designer 등의 PCB 설계 소프트웨어를 사용하여 회로도를 작성하고 PCB 레이아웃을 설계합니다. 회로도 작성 시에는 마이크로컨트롤러, 스위치 매트릭스, LED 등 필요한 모든 구성 요소를 포함해야 합니다. 특히 키 매트릭스 설계는 중요한 부분으로, 효율적인 키 스캐닝을 위해 적절한 행과 열의 구성이 필요합니다.

 

 PCB 레이아웃 설계 시에는 부품 배치, 트레이스 라우팅, 그라운드 플레인 등을 고려해야 합니다. 신호 무결성을 위해 트레이스의 길이와 폭을 적절히 조절하고, EMI(전자기 간섭) 방지를 위해 그라운드 플레인을 효과적으로 배치해야 합니다. 또한, 키보드의 특성상 많은 스위치가 밀집되어 있으므로, 효율적인 공간 활용이 중요합니다.

 

 설계가 완료되면 거버(Gerber) 파일을 생성하여 PCB 제조업체에 주문합니다. JLCPCB, PCBWay 등의 업체를 통해 비교적 저렴하게 PCB를 제작할 수 있습니다. 주문 시 PCB 두께, 표면 처리, 구리 두께 등의 옵션을 선택할 수 있습니다. 일반적으로 키보드 PCB는 1.6mm 두께, HASL 또는 ENIG 표면 처리를 선택합니다.

 

 PCB가 도착하면 육안으로 불량 여부를 확인하고, 멀티미터를 사용하여 회로의 연속성을 테스트합니다. 특히 전원 라인과 그라운드 사이의 단락이 없는지 꼼꼼히 확인해야 합니다. 이 단계에서 문제가 발견되면 수정하거나 재주문해야 할 수 있으므로 신중한 검사가 필요합니다.

부품 선택 및 조립

 PCB가 준비되면 필요한 부품들을 선택하고 구매합니다. 주요 부품으로는 마이크로컨트롤러(예: ATmega32U4), 다이오드, 스위치, LED, 저항, 커패시터 등이 있습니다. 마이크로컨트롤러는 키보드의 '두뇌' 역할을 하므로 신중히 선택해야 합니다. ATmega32U4는 USB 통신이 내장되어 있어 키보드 제작에 자주 사용됩니다.

 

 스위치는 개인의 선호에 따라 청축, 갈축, 적축 등 다양한 종류 중에서 선택할 수 있습니다. 청축은 뚜렷한 클릭감과 촉각 피드백을 제공하며, 갈축은 부드러운 촉각 피드백을, 적축은 선형적인 키감을 제공합니다. 최근에는 광축 스위치나 로우 프로파일 스위치 등 새로운 유형의 스위치도 인기를 얻고 있습니다.

 

 LED는 백라이트나 RGB 조명을 원하는 경우에 필요합니다. 단색 LED나 RGB LED를 선택할 수 있으며, 개별 LED나 LED 스트립 형태로 사용할 수 있습니다. 다이오드는 키 매트릭스에서 고스팅 현상을 방지하기 위해 필요합니다.

 

 부품이 준비되면 조립을 시작합니다. 먼저 작은 부품부터 시작하여 점차 큰 부품으로 넘어갑니다. SMD(표면실장) 부품의 경우 핀셋과 납땜인두를 사용하여 조심스럽게 부착합니다. 다이오드와 저항은 극성에 주의하여 올바른 방향으로 납땜합니다. 마이크로컨트롤러를 납땜할 때는 핀 배열을 정확히 확인해야 합니다.

 

 스위치는 PCB의 해당 위치에 맞춰 끼운 후 납땜합니다. 핫스왑 소켓을 사용하는 경우, 소켓을 먼저 납땜한 후 스위치를 끼워 넣습니다. LED를 사용하는 경우 극성에 특히 주의해야 합니다. RGB LED의 경우 데이터 라인의 방향도 중요하므로 주의가 필요합니다.

 

 모든 부품을 납땜한 후에는 쇼트나 잘못된 연결이 없는지 다시 한 번 확인합니다. 멀티미터를 사용하여 주요 연결부를 테스트하고, 육안으로도 납땜 상태를 점검합니다. 조립이 완료되면 키보드를 컴퓨터에 연결하여 각 키가 올바르게 인식되는지 테스트합니다. 이 단계에서 문제가 발견되면 해당 부분을 다시 확인하고 수정해야 합니다.

펌웨어 개발 및 설치

 키보드 하드웨어가 준비되면 펌웨어를 개발하고 설치해야 합니다. 펌웨어는 키보드의 동작을 제어하는 소프트웨어로, 키 입력을 처리하고 컴퓨터로 전송하는 역할을 합니다. 대부분의 커스텀 키보드는 오픈소스 펌웨어인 QMK(Quantum Mechanical Keyboard)를 사용합니다. QMK는 다양한 기능을 제공하며, 사용자가 원하는 대로 키맵을 구성할 수 있습니다.

QMK 펌웨어 개발을 위해서는 먼저 QMK 개발 환경을 설정해야 합니다. Git을 사용하여 QMK 펌웨어 소스코드를 클론하고, 필요한 도구들을 설치합니다. Windows 사용자의 경우 MSYS2나 WSL(Windows Subsystem for Linux)을 사용하여 개발 환경을 구축할 수 있습니다.

 

 그 다음 키보드 설정 파일을 생성하고 키맵을 정의합니다. 키맵에는 각 키의 기능, 레이어, 매크로 등을 설정할 수 있습니다. QMK는 강력한 커스터마이징 기능을 제공하여 복잡한 키 조합, 탭 댄스, 원샷 키 등 다양한 고급 기능을 구현할 수 있습니다.

 

 펌웨어 코드를 작성한 후에는 컴파일하여 .hex 또는 .bin 파일을 생성합니다. 이 파일을 QMK Toolbox나 avrdude와 같은 도구를 사용하여 키보드의 마이크로컨트롤러에 플래싱합니다. 플래싱 과정에서 부트로더 모드로 진입해야 하는데, 이는 보통 PCB의 리셋 버튼을 누르거나 특정 키 조합을 통해 가능합니다.

 

 펌웨어 설치가 완료되면 모든 키가 의도한 대로 작동하는지 철저히 테스트합니다. 각 키의 기본 기능뿐만 아니라 레이어 전환, 매크로, 특수 기능 등을 모두 확인해야 합니다. 필요한 경우 키맵을 수정하고 다시 플래싱하는 과정을 반복합니다.

QMK 외에도 TMK, KMK(CircuitPython 기반) 등 다른 오픈소스 펌웨어를 사용할 수도 있습니다. 각 펌웨어는 고유한 특징과 장단점이 있으므로, 프로젝트의 요구사항에 따라 적절한 펌웨어를 선택할 수 있습니다.

케이스 설계 및 제작

 마지막으로 키보드의 케이스를 설계하고 제작합니다. 케이스는 키보드의 외관을 결정하고 내부 부품을 보호하는 역할을 합니다. 케이스 설계는 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 진행합니다. Fusion 360, SolidWorks, Blender 등의 프로그램을 활용할 수 있습니다.

 

 설계 시 PCB의 크기와 형태, 스위치의 위치, 포트의 위치 등을 고려해야 합니다. 또한 케이스의 각도, 높이, 무게 등도 사용자의 편의성을 고려하여 결정합니다. 인체공학적 설계를 적용하여 타이핑 시 손목에 가해지는 부담을 줄일 수 있습니다.

케이스 설계 시 고려해야 할 중요한 요소 중 하나는 타이핑 시 발생하는 소리와 진동입니다. 케이스 내부에 흡음재를 추가하거나, 케이스 자체의 구조를 통해 소리를 조절할 수 있습니다. 또한, 키보드의 타건감에도 영향을 미치므로 플레이트의 재질과 두께, 마운팅 방식 등을 신중히 선택해야 합니다.

 

 설계가 완료되면 3D 프린팅, CNC 가공, 또는 사출 성형 등의 방법으로 케이스를 제작할 수 있습니다. 3D 프린팅은 프로토타입 제작이나 소량 생산에 적합하며, 다양한 재질(PLA, ABS, PETG 등)을 선택할 수 있습니다. 3D 프린팅의 장점은 복잡한 형상도 쉽게 제작할 수 있고, 빠르게 디자인을 수정하여 재제작할 수 있다는 점입니다.

 

 CNC 가공은 알루미늄과 같은 금속 재질로 고품질의 케이스를 제작할 때 주로 사용됩니다. CNC 가공은 정밀도가 높고 내구성이 뛰어난 케이스를 만들 수 있지만, 비용이 상대적으로 높고 복잡한 형상을 만들기 어렵다는 단점이 있습니다.

사출 성형은 대량 생산에 적합한 방식으로, 플라스틱 재질의 케이스를 빠르고 일관되게 생산할 수 있습니다. 그러나 초기 금형 제작 비용이 높아 소량 생산에는 적합하지 않습니다.

 

 케이스가 완성되면 PCB를 장착하고, 필요한 경우 스위치 플레이트를 추가합니다. 플레이트는 스위치를 고정하고 타건감에 영향을 주는 중요한 요소입니다. 알루미늄, 황동, FR4 등 다양한 재질의 플레이트를 선택할 수 있으며, 각 재질마다 고유한 특성이 있습니다.

 

 마지막으로 키캡을 장착하여 키보드를 완성합니다.