[선풍금 제작]
0. 동기 / 들어가는 말
1. 선풍금의 작동 원리
2. 초반 실패와 성장
3. 디스크 제작
4. 하드웨어 제작(빛 검출기)
5. 이펙터와 피치 쉬프팅
6. 타 제작자와의 교류와 소감
이 글은 선풍금이라는 악기를 통해 메이커 문화가 한국에 깊이 뿌리내리길 희망하며 쓴 글이다.
이 글을 보고 많은 사람들이 주저 없이 개발에 뛰어드는 현상이 일어나길 바란다. 그리고 추가적으로 궁금한게 있으면 댓글이나 인스타 draggdh2022로 연락 주길 바란다.
[0. 동기 / 들어가는 말]
반갑다. 난 데브로그를 처음 써보는 초짜 대학생 주인장이다.
오늘은 데브로그 첫 글로 날 대학까지 가게 해준 선풍금 개발과 업그레이드에 대해 써 보았다.
악기 개발 뿐 아니라 다른 기술들도 많이 연구해 볼테니 기대해주면 주인장은 많이 고마울 것이다.
내가 선풍금이란 걸 처음 알고 만들게 된 것은 2023년 봄이었다.
고등학교 1학년이던 나는 유튜브에 빠져 사는 평범한 사람일 뿐 이었다.
공부 안 할 때면 매번 유튜브만 보던 나에게 알고리즘은 electronicos fantasticos 라는 일본 전자 악기 밴드의 영상을 추천했다. 이 영상은 CRT모니터로 만든 기타와 드럼, 그리고 선풍기로 만든 기타로 JAM(즉흥 연주)을 하는 영상이었다.
나는 공학과 예술이 결합된 이러한 형태의 행위에 큰 재미를 느끼게 되었고 '내가 한 번 만들어 보는 것은 어떨까?' 생각해보게 되었다.
[1. 선풍금의 작동 원리]
선풍금의 원리는 생각보다 단순하다.
"빛의 깜박임을 빛 감지 소자로 측정하여 전자 신호로 출력하는 것"
그렇기에 빛이 초 당 깜박이는 횟수(주파수)에 따라 빛 검출기가 생성하는 전기(음악)신호의 주파수가 달리지는 것이다.
즉, 선풍금은 빛의 깜빡임을 제어하는 것을 목적으로 하는 악기인 것이다.
빛의 깜빡임을 제어하기 위해서는 3가지 구성 요소가 필요하다. 광원, 디스크, 빛 감지기
광원에서 나온 빛이 원형 디스크로 향한다. 이때, 디스크에는 규칙적인 간격으로 구멍이 나있기 때문에 회전을 하며 빛이 정면으로 향하는 것을 막았다 허용했다를 반복한다. 즉, 빛의 깜박임이 발생하는 것이다.
이후 빛 검출기를 회전하는 디스크 앞에 대면 빛 검출기에 있는 빛 감지 소자가 빛의 깜빡임에 따라 전기신호를 생성한다.
이 전기신호를 빛 검출기 내부에 있는 연산 증폭기로(OP AMP) 증폭시키고, 이 증폭된 신호를 스피커에 입력시키면 소리가 나는 것이다.
더 정확한 원리 설명이 궁금하면 "선풍금 원리"라고 검색해 보는 것을 추천한다.
<광원>
그냥 아무 조명이나 쓰면 된다고 은근히 간과할 수 있는 부분이지만 정말 중요하다.
최초 제작자인 에이 와다 씨는 백열 전구를 쓰셨다. 이걸 보고 4년전 나는 "아 아무 빛이면 되겠구나"
라는 생각으로 그냥 8W LED를 샀다.
이것이 문제였다.
백열전구는 내부에 있는 필라멘트의 전기적 저항으로 인해 과열되어 빛이 나기에 일정한 빛이 출력되는 반면 LED는 딱 전기가 들어올 때만 빛을 내는 특성이 있다. 즉, 220V 60Hz 정격의 전기를 공급해주는 우리나라 전력망 특성상 일반 LED를 사용하면 1초에 60번 씩 끊기는 광원을 사용하게 되는 것과 다름 없는 것이다. 디스크가 아무리 깜빡임을 만들어 줘도 빛 자체가 깜박이면 두 깜박임으로 인해 2가지 배음이 생긴다 ㅋㅋ(ㅠㅠㅠㅠ)
그래서 선풍금을 만드는 사람들은 나처럼 뻘짓하지 말고 처음부터 깜박임 없는 LED (플리커 프리 LED)를 쓰길 바란다.
<회전 디스크>
빛의 깜박임을 만들어주기 위해 필수적이다. 보통 8개 이상의 동심원을 따라 구멍이 규칙적으로 배열되어 있는 슬릿의 형태를 띈다.
회전 축 구멍은 정확히 8mm이며 전체 직경은 350mm 정도로 잡고 만든다. 일러스트나 CAD 프로그램을 이용해 도안을 만든 뒤, 레이저 커팅으로 MDF를 잘라서 만든다. 이 부분은 이후에 좀 더 자세히 설명하겠다.
<빛 감지기>
많은 diy제작자들이 조금 더 정확한 소리를 위해서 teensy 나 arduino와 같은 mcu 보드를 이용해서 빛 감지기를 만든다. 하지만 빛 감지기의 주요 목적은 빛의 깜박임을 소리(전기 신호)로 변환하는 것이기 때문에 나는 보통 아날로그 회로를 이용해서 간소화된 버전으로 만들길 추천한다. (이런 보드가 비싸기 때문)
그리고 빛 감지기에 어떤 센서를 써야하는지 헷갈릴 수 있는데 내가 부품 별 장단점을 모아놨으니 보길 바란다.
- 조도 센서:
장점은 별로 없는 것 같다. 일단 너무 출력이 약하기 때문에 증폭을 하는게 쉽지 않았다.
- 태양 전지:
상당히 좋다. 나는 인터넷에서 파는 25mm * 30mm를 많이 썼다. 2mm 정도 직경의 구멍을 낸 종이를 덮어서 연주하기 편하게 만들었는데, 그 정도 구멍으로만 빛이 들어와도 약 0.3V (AC, DC coupled 기준) 의 전압이 출력되는 걸 확인했다. 그래서 증폭하기도 편하다.
그리고 태양전지는 최고 전압 출력을 내는데 까지 빛을 감지한 후 아주 미세한 시간이 필요해서 포토 다이오드와는 다르게 사인파를 출력할 수 있다. 그래서 좀 더 아름다운 소리가 난다.
- 포토 다이오드:
이것도 상당히 좋다. 최고 전압 출력을 내기까지 시간이 별로 필요하지 않아서 사각파(Square wave)를 출력한다. 그래서 태양 전지보다는 상당히 공격적인 소리가 난다. 아마 즈토마요, 에이 와다 씨의 선풍금 같은 원작에서는 이 센서를 사용하는 것으로 사료된다.
또한 태양 전지보다 좋은 점이 존재한다. 출력 전압이 높다. 2mm 직경의 구멍을 낸 종이를 덮어 그 사이로 빛이 들어오게 했을 때 태양 전지보다 높은 전압인 0.8V (AC, DC coupled 기준)가 출력 됐다.
다만 다이오드 선택 시 주의해야 할 점 또한 존재한다. 어떤 포토 다이오드들은 가시 광선을 탐지하는게 힘든 것들도 있다. 따라서 센서 선택 전 충분히 데이터 시트를 읽어본 후 구매하길 바란다.
정리 하자면
| 센서 종류 | 출력 파형 | 음색 특징 | 출력 전압(2mm 구멍 기준) | 장단점 및 팁 |
| 조도 센서(Cds) | ? | 구림 | 매우 낮음 | 비추천 |
| 태양 전지(솔라 셀) | Sine Wave | 부드럽고 아름다움 | 약 0.3V | 부드러운 음색 / 증폭 용이 |
| 포토 다이오드 | Square Wave | 날카롭고 공격적 | 약 0.8V | 원작 음색과 비슷 / 가시광선 감지 여부는 데이터시트 확인 필수 |
[2. 초반 실패와 성장]
<MK1>
최초로 만든 선풍금으로 지금 보면 많이 조잡하다.
우드락 보드를 손으로 직접 잘라서 초기형 디스크를 제작했다.
그리고 사진에 나오는 것 처럼 빛 검출에는 조도 센서를 이용했다.
완벽하진 않지만 이후 선풍금을 업그레이드 하는데 발판이 된 좋은 경험이 되었다.
<MK2>
MK1을 만든 후 기타 형태로 만들면 어떨까? 라는 생각으로 진짜 망가진 기타를 사용해 선풍금 제작에 도전했다.
쓰레기 버리는 날, 버려져 있던 선풍기 한 대를 가지고 와서 모터만 얻어냈다.
그 후, 아버지가 가지고 계시던 직소를 빌려 기타 정 중앙을 잘라냈다.
그 구멍에다가 선풍기 모터와 전기 배선들을 넣고 글루건으로 단단히 고정했다.
(단단히 고정하려고 글루 스틱 5개는 쓴 것 같다.)
조명은 그냥 12V 탁상 조명을 썼다. (직류 조명)
초기형은 심각한 문제가 있었다.
특히 손으로 포맥스를 잘라서 원형 디스크를 만들었기 때문에 회전시 진동에 취약하고 내구도 문제가 심했다.
또한 디자인이 구렸다.
(따라서 후기형에서는 원작처럼 레이저 커팅으로 디스크를 만들고, 선풍기 그 자체를 들고 연주해야 겠다고 마음먹게 된다. )
[3. 디스크 제작]
앞선 경험들로 디스크의 정밀도가 음질에 매우 중요한 영향을 끼친다는 것을 알게 됐다.
선풍금에서 만들기 가장 어렵고도 정밀해야 하는 작업이라고 생각한다. 솔직히 나머지는 대충 만들어도 되지만 고속으로 회전하는 선풍기 모터 특성 상 조금만 회전이 틀어져도 음의 피치가 흔들리기 때문에 정밀히 만들어야 한다.
아래 사진은 회전축이 똑바로 정렬되어 회전하는 선풍금 디스크의 사진이다.
흔들림이 없다면 아래 사진과 같이 구멍들의 라인을 구분하는 선이 선명하게 나타난다.
그렇지 않으면 이렇게 된다.
그러니 일러스트나 CAD를 이용해서 정밀한 도안을 만든 후 레이저 커팅기로 mdf를 잘라서 만들기 바란다.
레이저 커팅은 어떻게 하냐고 물어볼 수 있는데 다음과 같은 몇 가지 방법이 있다.
1. 대학
- 대학이라면 보통 레이저 커팅기를 쓸 수 있는 학교 공용 공간이 있을 것이다. 무료일테니 자신이 대학생이라면 최대한 여기서 하자
2. 메이커스페이스 / 문화센터 / 청소년센터
- 이런 곳에는 메이커 공간이 있다. 메이커 스페이스는 보통 돈을 내는데 문화센터나 청소년 센터는 보통 무료로 사용할 수 있다. 사전에 신청하여 사용 가능하다. 그리고 청소년 센터도 보통 만 24살 까지는 청소년으로 처리해줘서 청년도 사용 가능하니 한 번 전화해서 알아보자.
3. 레이저 커팅 의뢰
- 디스크 하나를 커팅하는데 보통 30~40분이 걸린다. 그래서 보통 의뢰하면 돈이 많이 드니까 지양하도록 하자.
우리 학교 메이커 공간에는 레이저 커팅기가 없어서 집 주변 문화센터에서 커팅해 왔다.
직원 분이 친절하게 사용법을 안내해 주셔서 1시간 정도 걸려서 자른 것 같다.
<디스크 도안>
CAD나 일러스트 쓰는 방법을 몰라서 디스크를 못 만드는 이들을 위해 도안을 준비했다.
내가 지금까지 만든 몇 가지 도안들인데 이거면 아마 커팅 할 수 있을 것이다. 마음에 드는 것 다운 받아서 커팅하길 바란다.
(유실된 도안들은 찾는대로 업로드 할 예정이다.)
혹시 다운로드 안 되면 인스타(@draggdh2022)나 댓글로 알려주길 바란다.
1. Disk A
- 가장 먼저 만든 디스크
- 8음계
- 딱 봐도 처음 만든 티가 난다
2. Disk Alpha
- 8음계
- 목욕탕에서 연주하는 영상에서 에이와다 씨가 쓰시는 디스크 구멍 개수와 똑같도록 만듬
- 아마 즈토마요 라이브에서도 이걸 쓰지 않나 싶음
3.Disk I
- 8음계
- 이건 왜 만들었는지 잘 모르겠찌만 Disk Alpha 보다는 나중에 만들어서 퀄리티는 높음
4.Disk 24
- 24 음계
- 인터넷에서 봤던 요상한 디스크를 복각해 봄. 24음계였던 것이 충격으로 다가왔음
- 근데 자기 선풍금이 진동이 세다 그러면 안 쓰는게 좋음
5. Disk 25
- 주인장 시그니처 다배열 디스크
- 25음계
- 본인의 선풍금이 잘 흔들린다면 안 쓰는 걸 추천 함
[4. 하드웨어 제작 (빛 검출기)]
앞서 말했던 것 처럼 이 부분은 그나마 쉬운 부분이다. 단, 납땜을 할 수 있으면 말이다.
내가 만든 빛 검출기는 아날로그 기반이다.
필요한 부품과는 다음과 같다.
[부품 목록]
| 부품 이름 | 필요 개수 |
| AAA 배터리 3개 들어가는 홀더 | 1개 |
| 로커스위치 | 1개 |
| 기계식 스위치 및 키캡 | 각각 1개 |
| 오디오 잭(5호 잭) | 1개 |
| LM386(증폭기) 모듈 | 1개 |
| 포토 다이오드나 소형 태양 전지 | 둘 중 1개 |
| 저항 (1M옴 ~ 2M옴 정도) | 1개 |
| 세라믹 or 필름 커패시터(0.047uF) | 둘 중 1개 |
| 전선 (단심 전선 추천) | 약 1m |
| 구리 테이프 or 금속 호일 | 약 1m |
- 첨언:
1. "혹시 쓰신 조도 센서 부품명이 뭔가요?"
이런 질문을 할 수 있는데 정말 미안하지만 나도 내가 쓴 조도 센서 이름을 모른다. 망가진 조도 측정기가 집에 하나 있어서 거기 있는 센서를 분해해서 썼다. 이 부분은 정말 미안하다.
2. "증폭기로 왜 LM386을 쓰셨나요?"
전력 소모가 적어서 그렇다.
초창기 때는 다른 증폭기도 써 봤는데 전력 소모가 너무 커서 1시간이면 AA 베터리 3개를 다 써버리는 최악의 가성비 문제가 있었다. 그래서 LM386 증폭기로 정착했다. 그래서 이제는 AAA 배터리 3개 넣고도 30시간은 쓰는 것 같다. 그리고 LM386 모듈이 싸다는 장점도 있다. 800원 정도 밖에 안 한다. LM386 데이터 시트는 다음과 같으니 참고 바란다.
이제 본격적인 회로 설명을 하겠다.
<회로 설명>
("나는 회로 잘 알아서 회로도만 보고도 만들 수 있다" 이러는 사람은 넘어가도 된다.)
전체적으로 매우 간단하다. 조립 순서는 다음과 같다.
1.
LM386 모듈의 전원부(VCC, GND)와 베터리 홀더를 연결한다. 이 때 배터리 홀더와 LM386 사이에 전원 스위치를 연결해 준다. 전선을 길게 가져가는게 나중에 부품 배치하는데 좋을 거다.
2.
오디오 잭을 LM386 출력단과 연결해준다. (out, gnd 단자)
3.
포토 다이오드(혹은 태양 전지)를 극성에 맞게 LM386 모듈과 연결해야 한다. (다이오드의 +극을 LM386의 in 단자에 / 다이오드 - 극을 당연히 LM386의 gnd 단자에 연결하면 된다.)
이 때 중간에 있는 기계식 스위치와 1M옴 저항의 병렬 연결 + 캐패시터 조합이 중요하다. (다이오드 +극과 LM386의 In 단자 사이) 이는 버튼을 눌러 순간 전압이 갑자기 상승하는 것을 막기 위함이다.
4.
회로도를 보면 저항을 1M 정도 썼는데, 본인 다이오드 성능에 따라서 조금 조절해 주면 된다. 자기 다이오드 출력이 좋다면 1.5M 정도를 추천한다.
근데 캐패시터는 0.047uF을 추천한다. 이 정도를 써야 저음역대 배음이 조금 남아 있다. 0.1uF 쓰면 너무 고음역대 배음만 남아서 듣기 싫은 소리가 난다.
5.
새시 접지는 해주는게 좋다.
안 그러면 노이즈가 너무 많이 난다. 나는 구리테이프를 잘라서 붙이고 거기에다 전선이어서 납땜했다.
[5. 이펙터와 피치 쉬프팅]
알다싶히 선풍금은 자신의 디스크에 있는 구멍의 배치에 따라서 몇 가지 음을 낼 수 있는지가 결정된다.
그래서 자신의 디스크가 8줄이면 8개의 음, 24줄이면 24개의 음만 낼 수 있다.
이 문제를 해결하는 것이 이펙터라는 도구이다.
이 친구는 음악 신호를 디지털적으로 해석하여 현재 신호의 주파수를 구한 후, 사용자가 원하는 주파수의 신호로 변환을 해 준다.(피치 쉬프팅)
타 제작자들을 보면 직접 피치 쉬프터를 직접 만들어 쓰시는 분들도 있던데 나는 그 정도 실력은 아직 안되는 것 같아서 진짜 이펙터를 장만했다.
나는 line6의 pod hd500x를 사용하고 있다. 성능이 나쁘지 않으면서 중고에서 싸게 구할 수 있어서 구입했다. 2024년에 중고가 20만원 정도에 대리고 온 친구이다. (중고 이펙터 구입은 역시 뮬..)
이 이펙터가 아닌 다른 이펙터를 구매하는 것도 좋은 선택일 수 있다. 다만 loop station과 pitch shifting 기능을 모두 지원하고, pitch shiter 여러 개를 구동시킬 수 있을 만 한 dsp 성능을 갖추면서 20만원 대의 이펙터를 찾는 것은 조금 어려울 수 있긴 하다.
다음은 내가 보통 쓰는 이펙팅 셋업이다. 이런 소리가 나니 참고하길 바란다. (즈토마요 Marine Blue Garden 에 맞는 톤 세팅인데 다른 노래에서도 선풍금의 음색이 잘 묻어나는 톤이다.)
<여기서 부터 이펙터 세팅 공유>
노이즈 게이트는 이빠이(중요)
피치 관련은 피치 쉬프터 3개 + Bass 증폭기 1개를 쓴다.
앰프 시뮬 - 솔직히 pod hd500x가 10년도 더 된 모델이라 앰프 시뮬은 좀 구리다.
공간계는 리버브 하나만 쓴다.
디스토션은 적당히
[6. 타 제작자와의 교류와 소감]
대학에 진학한 후, 인스타에서 보게 된 다른 선풍금 제작자를 만나 교류하는 시간을 가졌다. (고등학교 때 보다 시간이 많아져서 만날 수 있었던 것이 다행이다.)
내가 만들었던 CRT 기타 제작 경험을 공유하고, 나 또한 선풍금 디스크 회전 진동을 줄이는 방법을 들었다.
특히 mdf를 얇은 것을 쓰라고 하셨던 것이 기억에 남는다. 원래 6mm 두께의 mdf로 디스크를 만들었는데 3mm로 바꿨다.
- 첨언: 두께가 두껍다는 것은 디스크 질량이 크다는 것이고, 디스크 질량이 크다는 것은 회전 관성 모멘트도 크다는 뜻이다. 즉 디스크 두께가 두께우면 점점 피치가 높아지거나 낮아지는 선풍금 특유의 주법을 신속히 할 수 없다는 것이다. 따라서 두께를 줄여 회전 가속, 감속을 빠르게 했다.
또한 디스크가 얇으면 그 유연성 덕분에 진동 시에도 스스로 안정화 되는 경향성이 크다는 장점이 있기 때문이기도 하다.
이 정도 썼으면 이제 선풍금 제작에 대한 이야기는 다 한 것 같다.
여기까지 모든 글을 읽은 사람은 느끼겠지만 나에게 선풍금이라는 악기는 정말 고마운 존재이다. 이 녀석을 계기로 내 생기부와 진로 분야의 방향성이 어느 정도 잡혔고, 그로 인해 현재 전공인 전자과로 올 수 있는 계기가 되었다.
이 사진은 고등학교 때 과학 부스 활동에서 팀원들이 선생님들 앞에서 선풍금을 시연하는 장면이다. 그리고 내가 그걸 찍고 있다. ㅎㅎ
(잘 보면 앰프 전원 연결을 안 했다 ㅋㅋ)
이쯤에서 선풍금 제작기는 마무리 해야 할 것 같다.
긴 글 읽어 준 모든 이들에게 감사의 말씀 드린다. 모르는게 있으면 인스타 @draggdh2022로 DM 바란다.
다음 글에서는 CRT 기타와 CRT 드럼 제작기에 대한 글을 쓸 것 같다.
기대해 주면 좋겠다.
그럼 그때까지 주와 동행하는 삶 사시길...