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2026-03-24

[기획] Soyuz: 닉시관 손목시계 프로젝트

1950~70년대 동구권 고전압 방전관(Nixie Tube)을 업사이클링한 프리미엄 아티산 스마트워치

개요

Soyuz(Союз) 는 NOS(New Old Stock) 닉시관 2기를 탑재한 모듈형 손목시계 프로젝트입니다. 냉전 시대의 기술 집약체 중 하나였던 닉시관을 브랜딩하고자 하였습니다.

핵심 사양 (목표값)

항목 내용
표시부 닉시관 2기 (IN-17 추가 모듈형)
MCU ESP32-S3 (BLE 5 / Wi-Fi 2.4GHz)
전원 Li-Po 1000mAh, Qi 5W 무선충전
HV 부스트 3.7V → 165V 승압, 3mA
케이스 6061 알루미늄 CNC (프로토타입 PLA+), 사각 35x35 사파이어 윈도우
인터페이스 8Pin Board-to-Board

문제 인식

국내에는 정식 닉시관 손목시계 브랜드가 없고, 해외 브랜드도 직구 외에는 구하기 어렵습니다. Soyuz는 사용자가 직접 분리·교체할 수 있는 Mezzanine 모듈 구조로, 본체 하나에 여러 표시 모듈(Nixie / Numitron / VFD …)을 갈아 끼울 수 있는 손목 위 플랫폼을 지향합니다.

디자인

폼팩터

35mm 프론트 사파이어와 약 14mm 두께의 닉시관, PCB와 고전압 회로를 포함하면 크기는 40mm x 40mm x 18mm 이상으로, 손목시계 중에서는 매우 큰 축에 속합니다. 그러나 손목 위의 오브제라는 느낌으로 개발하고자 하였습니다.

케이스

  • 현재 디자인: eSUN PLA+
  • 프로토타입 예정: 6061-T6 알루미늄 CNC, 무처리 헤어라인
  • 양산 옵션: 블랙/그레이/티탄 아노다이징 또는 SUS304 PVD
  • 전면 윈도우: 1~2T 곡면형 광학용 사파이어, AR 코팅
  • 스트랩: 24mm 표준 (레이싱 스트랩)

모듈 인터페이스

전면 닉시관 모듈과 본체는 현재 2.54P 8P 커넥터로 연결됩니다. 한 커넥터로 다음을 모두 전달합니다.

  • 170V HV (튜브 양극)
  • 5V 로직 전원
  • SPI (시프트 레지스터 데이터) - LE, DIN, CLK
  • (추후 증설) 모듈 상태 리포트용 I2C 레인

이 구조 덕분에 사용자는 도구 없이도 모듈을 빼서 다른 종류(Numitron, VFD)로 교체할 수 있고, 본체는 드라이빙 프로파일을 읽을 수 있도록 하였습니다.

회로 설계

전체 블록도

디스플레이 드라이버

HV5523 (Microchip, 32채널 고전압 시프트 레지스터, 최대 220V)를 채택했습니다. 70년대식 K155ID1/74141 BCD-to-decimal 드라이버 대신 시프트 레지스터를 쓰는 이유는 폼펙터와 16핀 이상 조작을 위해서입니다.

MCU

프로토타입은 ESP32-S3-SENSE 모듈을 채택했습니다.

  • BLE 5.0 + Wi-Fi 2.4GHz
  • Deep sleep 시 ~10μA

충전·전원 관리

  • Qi 5W 수신: BQ51013B (TI)
  • Li-ion 충전은 ESP32-S3에 내장된 충방전 모듈 사용
  • 시스템 LDO: AP2112-3.3 (저드롭, 600mA)
  • 보호: 내장 OVP/OCP + 외부 PTC

센서

  • IMU: MPU6050 6축 가속도 센서. Jerk (Wake Up)제스처 감지 시 INT 핀 트리거
  • Mercury Switch: 2차 안정성 확보를 위한 추가 스위치 확보

PCB

2층 1.6mm FR-4 구성입니다.

  • L1 (Top): 신호, 부품, 전원 5V
  • L2: GND 솔리드 플레인
  • 메인 본체 PCB: 38 × 38mm
  • 닉시관 모듈 PCB: 30 × 18mm

펌웨어 구조

ESP-IDF + FreeRTOS 기반입니다. 큰 흐름은 5개 태스크와 1개 ISR로 정리됩니다.

태스크 구성

Task Priority 주기 역할
display_task 10 5ms HV5523 갱신, On-Call, 멀티플렉싱, CORE1
power_task 8 1s 배터리·충전 상태 모니터링, 저전력 모드 결정, CORE0
sensor_task 7 IMU IRQ / Mercury SW wake-on-wrist, CORE0
ble_task 6 event-driven GATT 서버, ANCS/AANS, OTA, CORE1
app_task 5 100ms 모드 전환, 알림 시각화, 사용자 설정, CORE0

안티-캐소드-포이즈닝

닉시관은 같은 숫자만 오래 표시하면 사용되지 않는 캐소드 표면에 절연막(spotting/poisoning)이 형성되어 발화 불량이 생깁니다. 이를 막기 위해 매 일 Nuking을 실행(00~99까지 순회)합니다. 이는 매 일 돌아가는 루틴으로 작동됩니다.

시간 동기화

  • BLE 연결 시: 스마트폰 시간으로 1초 단위 동기화
  • 오프라인 시: ESP32 내장 RTC(±20ppm) — 월 약 ±50초 오차

OTA

ESP-IDF의 esp_https_ota API 사용. 파티션 테이블은 factory + ota_0 + ota_1 듀얼 슬롯 구성으로, 부팅 실패 시 자동 롤백됩니다. Flutter 휴대폰 앱을 통해 rom 파일을 서버로 다운받고, 이를 시계에 보내어 checksum 후 사용하는 방식입니다.

전력 프로파일

상태 평균 전류 비고
Display ON (튜브 발화 중) ~500mA HV 부스트 포함
Display OFF, BLE 광고 중 ~2mA 1초 단위 wake
Deep sleep ~150μA RTC + IMU 인터럽트만 동작

하루 15초 wake 100번 사용 시 약 72시간 가용.

조립

Soyuz는 3개 서브어셈블리로 구성됩니다.

1. 닉시관 모듈 (전면, 분리식)

  • 닉시관 2기 (소켓 마운트, 사용자 교체 가능)
  • HV5523 드라이버
  • 8PIN 2.54mm 커넥터

2. 메인 모듈 (본체)

  • ESP32-S3-SENSE
  • MAX1771 HV 부스트
  • BQ51013B
  • MPU6050
  • 1000mAh Li-Po 셀

조립 순서

  1. 닉시관 모듈 PCB SMT → 닉시관 핀 수동 솔더링
  2. 메인 PCB SMT → 펌웨어 플래시 → 전원·충전·BLE 페어링 동작 시험
  3. 메인 모듈 + 배터리를 하부 케이스에 안착 → 실리콘 가스켓 도포
  4. 전면 모듈 결합 → 사파이어 윈도우 + 상부 케이스 → 토크 드라이버로 체결
  5. 최종 기능 시험: 시간 표시, BLE 연결, 무선충전, IMU wake-on-wrist, 안티-포이즈닝 루틴

진행 일정 (26.5 기준)

현재 상표권(소유즈) 등록 완료 상태.

단계 기간 주요 산출물
1차 프로토타입 회로 제작 '26.8 ~ '26.10 사제 HV 부스트·무선충전 회로 검증
MVP 완성 '26.11 풀 어셈블리 동작 확인
모듈 디자인 지재권 확보 '26.11 ~ '27.1 Mezzanine 디자인 출원
크라우드 펀딩 준비 '26.12 ~ '27.1 광고, 인플루언서, 페이지
크라우드 펀딩 '27.1 ~ '27.4 목표 1,000개
집적회로 양산 + KC 인증 '27.4 ~ '27.6 PCB SMT, 인증 완료
CNC 케이스 양산 '27.4 ~ '27.6 1,000개 분량
초도 발송 '27.6 ~ '27.8 조립, QC, 배송
추가 모듈 (Numitron/VFD) '27.9 ~ '27.11 차기 모듈 양산

마치며 — 다음 모듈에 대해

본체 인터페이스(18핀, 170V/5V/SPI/I²C)만 호환되면 다양한 표시 모듈을 끼울 수 있도록 설계하고자 하며, 차기 모듈로 검토 중인 두 가지를 정리하며 글을 마칩니다.

Numitron (IV-9, IV-16, RCA Numitron 3015)

Numitron은 닉시관과 비슷한 시기 개발된 7세그먼트 백열 표시관입니다. 텅스텐 필라멘트가 7개 세그먼트 모양으로 들어가 있어, 글자 형상이 우리가 익숙한 디지털시계의 7-seg과 같습니다.

회로 측면에서 보면 닉시관 대비 훨씬 단순해집니다.

  • HV 부스트 (170V) → 불필요. 4.5V 직접 구동 또는 간단한 5V 부스트
  • 본체 인터페이스는 그대로 유지

전력 소모는 닉시관보다 높지만(필라멘트가 늘 가열되어야 함), HV 회로가 사라지면서 전체 시스템 효율은 비슷한 수준입니다.

VFD (IV-18, IV-22)

VFD(형광 표시관)는 청록색으로, 열음극에서 방출된 전자가 그리드로 가속되어 형광체 코팅된 양극에 부딪혀 발광합니다. 전압이 다르므로 EEPROM Set에 따른 전압 변경 메커니즘이 적용되어야 합니다.

회로 측면:

  • 필라멘트: 2.5V AC 또는 PWM 구동
  • 그리드/세그먼트: 약 30V (HV5523), MAX1771에서 전압만 낮추면 됨.
  • 멀티 자릿수(8자리, 16자리) 가능 → 알람 시간·날짜·짧은 메시지 표시 등 확장 사용성

예고

회로 설계, 펌웨어 일지, 양산 과정은 이 블로그에서 시리즈로 계속 공유하겠습니다.