디자인 단계 - 뚜껑 조립 메커니즘 파트 1

오픈 소스 노트북 프로젝트에 다시 오신 것을 환영합니다! 이번 업데이트에서는 노트북 뚜껑의 기계 설계에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 이전에는 어떤 디스플레이 패널이 사용 가능한지, 그리고 우리의 애플리케이션에 가장 적합한 패널은 무엇인지 탐색했습니다. 우리의 탐색은 성공적이었고 패널의 테스트도 성공적이었습니다! 이제 어려운 부분이 시작됩니다: 모든 것을 견고하고 기능적이며 또한 보기 좋은 시스템에 맞추는 일입니다.

이 업데이트의 제목이 뚜껑 조립 메커니즘이지만, 곧 보시겠지만 전기적 설계와 기계적 설계 사이의 경계는 상당히 모호해질 것입니다. 하지만, 그것이 바로 이런 프로젝트의 특성입니다. 기계적 측면에서의 많은 결정들이 전기적 설계에 직접적인 영향을 미치며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 물론, 우리는 두 측면을 동시에 봐야 합니다.

웹캠 PCB의 1.0 버전

재료 및 제조 방법

우리가 답해야 할 첫 번째 질문은 어떤 재료를 사용하고 뚜껑을 어떻게 제조할 것인가입니다. 이것은 우리가 뚜껑에 모델링할 수 있는 형태와 관련된 비용에 직접적인 영향을 미칠 것입니다. 마지막 포인트는 특히 중요합니다. 왜냐하면 우리는 현재 매우 높은 볼륨의 제품 디자인을 보고 있지 않기 때문입니다. 이것은 고가의 공구 비용이 관련된 제조 기술의 선택을 제한합니다. 따라서 시트 메탈 성형 공정과 모든 종류의 주조 기술은 고려 대상이 아닙니다. 두 제조 기술 모두 비싼 금형이나 스탬핑 다이가 필요하기 때문에 낮은 수량에는 비용 효율적이지 않습니다.

남은 유일한 실행 가능한 옵션으로 현대적이고 견고한 외관을 제공하는 것은 단단한 알루미늄 블록에서 뚜껑을 기계 가공하는 것입니다. CNC 가공된 프로토타입은 비교적 저렴하며 리드 타임이 짧습니다. 기계 가공 부품의 관련 설정 비용은 현대 CAM 프로그램이 기계의 프로그래밍을 어느 정도 자동화할 수 있기 때문에 꽤 적당합니다.

CNC 가공이 선택된 제조 공정이 될 것임을 알고 있으므로, 3D 모델링을 진행할 수 있습니다.

뚜껑의 3D 모델링

우리는 먼저 디스플레이 패널을 통합하기 시작할 것입니다. 이 목적을 위해 Framework에서 제공하는 패널과 마운팅 브래킷의 3D STEP 파일을 사용할 수 있습니다:

https://github.com/FrameworkComputer/Framework-Laptop-13/tree/main/Display

먼저, 뚜껑의 기본 형태는 모서리가 둥근 직사각형이며 디스플레이 패널을 위한 포켓이 있습니다:

노트북 뚜껑의 기본 형태

전체 부품이 단일 알루미늄 블록에서 가공될 것이므로, 디스플레이를 장착하기 위한 필요한 모든 기능을 이미 설계할 수 있습니다. 디스플레이에 사전 설치된 브래킷 덕분에, 패널을 장착하기 위해 M2 내부 나사산과 정렬 핀만 제공하면 됩니다.

스페이서의 높이는 패널이 알루미늄 트레이 위에 평평하게 놓이지 않도록 선택됩니다. 대신 패널과 뚜껑 트레이 사이에는 1mm의 간격이 있습니다. 이것은 뚜껑을 열 때 알루미늄 트레이가 휘어지면서 패널의 민감한 뒷면이 알루미늄 트레이와 직접 접촉하지 않도록 보장하는 매우 중요한 설계 특징입니다.

노트북 뚜껑의 휨

어쨌든 왜 노트북 뚜껑이 휘어질까요, 디스플레이 패널을 보호하고 사용 중에 휘어지지 않는 얇지만 견고한 뚜껑을 만드는 것이 설계 목표가 아닌가요?

이상적인 경우일 수 있지만, 실제로는 무게, 두께 및 강성 사이에서 좋은 절충을 찾아야 합니다. 전혀 휘어지지 않는 매우 견고한 뚜껑을 구성할 수 있지만, 이는 높은 재료 두께를 요구하며 이는 전체 노트북의 두께를 전반적으로 증가시키고 무게도 많이 늘립니다. 우리는 뚜껑을 가능한 한 얇고 가볍게 만들면서도 변형을 제어하고 싶습니다.

CAD 모델에서 일부 탄성 시뮬레이션을 실행하여 이상적인 재료 두께를 대략적으로 추정할 수 있습니다. 노트북을 여는 데 필요한 대략적인 힘을 알고 있으므로 그것을 시뮬레이션 입력으로 사용하여 뚜껑의 변형을 계산할 수 있습니다. 커버 글라스가 어떻게 장착될지 아직 모르기 때문에, 시뮬레이션에는 포함되지 않을 것입니다.

노트북을 한 쪽 모서리에서만 열 때 뚜껑의 변형을 보여주는 일러스트레이션

웹캠 보드 통합

디스플레이 패널이 제자리에 있고 올바른 재료 두께를 알아낸 후, 웹캠 PCB를 어떻게 통합할지 생각하기 시작할 수 있습니다. 대부분의 노트북과 마찬가지로, 우리 시스템의 웹캠은 화면 위쪽 가운데, 화면 베젤에 위치합니다. 이는 웹캠의 가장 직관적인 배치이지만, 패널과 뚜껑 사이에 작업할 수 있는 작은 틈만을 남깁니다.

CAD 모델에 웹캠과 주변 기능 블록을 배치하고 디자인을 시작하기 전에, 먼저 웹캠 보드에 어떤 구성 요소가 있는지, 그리고 설치할 때 고려해야 할 사항이 무엇인지 자세히 살펴볼 필요가 있습니다. 다음 다이어그램은 웹캠 외에도 웹캠 보드에 위치할 많은 기능 블록이 있음을 보여줍니다:

웹캠 보드에 배치된 기능 블록의 일러스트레이션

웹캠 PCB를 통합하는 것이 조금 까다로워지는 부분입니다. 웹캠 PCB에 네 가지 주요 기능 블록의 배치를 결정해야 합니다. 이 중 하나는 기계적 관점에서 우리의 요구에 맞게 조정할 수 있는 터치패드로, 프라이버시에 중요한 기능을 활성화하고 비활성화합니다. 다른 세 가지 기능 블록은 주로 주변광 센서와 같은 개별 구성 요소로 구성됩니다. 개별 구성 요소를 간략히 살펴보며 부품별 기계적 설계 요구 사항을 강조해 보겠습니다.

주변광 센서

Vishay Semiconductors의 주변광 센서는 VEML3235입니다. 이는 투명한 상단이 있는 작은 2.0mm x 2.0mm x 0.87mm 플라스틱 패키지로 제공됩니다: https://www.vishay.com/en/product/80131/.

주변광 센서 VEML3235의 클로즈업 이미지

광학 센싱 부분은 패키지 중심에 거의 위치해 있습니다. 광 센서가 낮은 주변 광에서 올바르게 작동하려면 커버 글라스의 관찰 창에 가능한 한 가깝게 배치해야 합니다. VEML3235의 응용 노트는 부품과 관찰 창의 거리에 따라 창 크기를 계산하는 방법을 보여줍니다. 우리에게 가장 중요한 교훈은 센서를 가능한 한 커버 글라스의 바닥면에 가깝게 배치해야 한다는 것입니다. 커버 글라스 인쇄를 설계하기 시작할 때, 우리는 응용 노트로 돌아가 올바른 관찰 창 크기를 계획해야 합니다.

VEML3235 통합 응용 노트의 스크린샷

듀얼 MEMS 마이크로폰

우리 시스템에서 사용되는 마이크로폰은 Knowles SPK0641HT4H-1입니다. 카메라의 좌우에 두 개의 마이크로폰을 사용하여 스테레오 사운드를 녹음할 것입니다. 이 두 마이크로폰의 장착 상황은 주변 광 센서와 유사합니다. 우리는 마이크로폰 포트를 커버 글라스의 해당 구멍에 가능한 한 가깝게 배치하고자 합니다. 또한 커버 글라스의 포트와 마이크로폰 사이에 "가이드"를 만들기 위해 마이크로폰 주변에 폼 가스켓을 배치하고 싶지만, 이는 마이크로폰 보드의 다음 개정판의 일부가 될 것입니다.

MEMS 마이크로폰 Knowles SPK0641HT4H-1

웹캠 카메라 센서

마지막으로, 결코 가볍게 여겨져서는 안 될 것은 OmniVision OV2740 웹캠 이미지 센서입니다. 이미지 센서 자체는 총 두께가 대략 0.8mm에 불과합니다. 지금 우리에게 훨씬 더 흥미로운 것은 센서 위에 위치할 마이크로 렌즈 어셈블리를 포함한 센서의 총 높이입니다. 몇 가지 렌즈 유형이 있지만 대부분은 총 높이가 약 4mm입니다. 이는 이미지 센서가 커버 글라스의 바닥면에서 최소 4mm 이상, 여유분을 더해 떨어져 있어야 함을 의미합니다.

OmniVision OV2740 이미지 센서

웹캠 회로 기판

우리는 이제 커버 글라스 아래 단일 PCB에 다양한 높이 요구 사항을 가진 여러 구성 요소를 수용하는 도전에 직면해 있습니다. 이를 기계적 및 전기적으로 달성하는 몇 가지 방법이 있습니다. 우리는 카메라 PCB의 두 가지 개정을 통해 적어도 두 가지 접근 방식을 탐구할 것입니다. 이를 위한 한 가지 방법은 여러 가지 강화재 유형 및 두께를 사용하는 유연한 PCB를 사용하는 것입니다.

여러 강화재 두께로 다양한 높이 수준의 보드 생성

우리는 뚜껑의 전기 설계 부분에서 PCB 자체를 더 자세히 살펴볼 것입니다. 지금은 웹캠 PCB가 어떻게 장착되는지에 초점을 맞춥시다. 보드의 중간 부분은 0.2 mm 스테인리스 강화재를 사용합니다. 이 중간 부분에는 이미지 센서와 웹캠을 메인보드에 연결하는 보드 대 보드 커넥터가 포함되어 있습니다. 강화재의 낮은 두께로 인해 이 섹션을 노트북 뚜껑에 가공된 작은 포켓에 배치함으로써 카메라 렌즈의 4 mm 높이 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

아래 이미지에서, 카메라 포켓에 가공된 두 개의 작은 정렬 핀을 볼 수 있습니다. 이 핀들은 스테인리스 강화재의 왼쪽과 오른쪽 가장자리에 가까운 두 개의 작은 구멍에 맞춰집니다. 이 핀들은 보드와 특히 카메라 렌즈가 커버 글라스의 관찰 창에 정렬되도록 보장합니다.

정렬 구멍이 있는 웹캠 PCB

위의 사진은 전체 보드가 시스템에 어떻게 장착되는지 이미 나타낼 수 있습니다. 하지만, PCB의 중간 부분이 기계 가공된 포켓에 밀착되어 있고, 심한 진동이나 충격을 받았을 때 정렬 핀을 넘어가거나 이동하지 않도록 여전히 확인해야 합니다.

이 질문과 그 외 많은 질문들이 다음 업데이트에서 답변될 것입니다! 우리는 전기 설계로 넘어가기 전에 뚜껑의 기계 설계와 관련된 몇 가지 도전과제를 아직 해결해야 합니다. 다음 업데이트도 함께 따라와 주시길 바랍니다!