LightInk E-ink 스마트워치: 태양광·LoRa·GPS와 10개월 배터리의 조건

LightInk는 전자종이 화면과 태양전지, ESP32를 결합한 오픈소스 DIY 손목시계다. LoRa와 GPS 같은 기능을 넣으면서도 충전 횟수를 줄이는 초저전력 설계를 목표로 한다. 다만 10개월 이상의 사용 시간은 모든 기능을 자유롭게 사용했을 때 보장되는 상용 제품 사양이 아니라 배터리 용량과 기능 사용 조건을 바탕으로 한 프로젝트의 계산 및 시험 결과로 이해해야 한다.

LightInk는 어떤 스마트워치일까

LightInk는 1990년대 태양광 디지털시계처럼 충전 부담이 적은 기기를 현대적인 부품으로 구현하려는 프로젝트다. 핵심 부품으로 ESP32-PICO-D4와 200×200 해상도의 1.54인치 흑백 전자종이 패널을 사용한다. 정전식 터치와 진동 모터, 피에조 스피커 및 어두운 곳에서 화면을 비추는 LED도 구성에 포함된다.

이 프로젝트는 판매점에서 구입해 바로 착용하는 완제품이 아니다. 회로기판과 케이스 설계, 부품 목록 및 펌웨어가 공개되어 있어 사용자가 직접 제작하고 수정하는 방식이다. 스마트폰 앱의 편리함보다 전력 최적화와 하드웨어 실험에 초점을 맞춘 기기라고 볼 수 있다.

10개월 배터리 수명의 의미

프로젝트 자료에서는 시간 표시만 유지할 때 소비 전류를 약 2µA 수준까지 줄이는 설계를 소개한다. 전체 시스템의 목표 소비량은 하루 0.5mAh 미만이며, 이를 200mAh 배터리에 단순 적용하면 약 400일이라는 계산이 나온다. 따라서 10개월이라는 표현은 초저전력 조건에서 가능한 범위를 설명하는 수치에 가깝다.

다만 현재 공개된 시계용 하드웨어는 공간 때문에 약 50mAh급 배터리를 사용하도록 안내되고 있다. 200mAh를 기준으로 한 약 400일 계산을 현재 크기의 완성 시계에 그대로 적용할 수는 없다. 실제 작동 시간은 배터리 용량과 태양광 노출량, 알람 및 무선 기능의 사용 빈도에 따라 달라진다.

장기간 배터리 수명은 GPS와 LoRa, 와이파이를 계속 켜 둔 상태에서 얻은 결과가 아니다. 시계가 대부분의 시간을 절전 상태로 보내고 시간 표시와 필요한 기능만 짧게 실행한다는 조건이 필요하다.

전자종이와 초저전력 설계 방식

전자종이 화면은 표시된 내용을 유지하는 동안 지속적으로 전력을 공급할 필요가 없다. 화면 내용을 바꿀 때 주로 전력을 사용하므로 초 단위 표시를 생략하고 분 단위로 갱신하는 시계에 적합하다. OLED처럼 화면을 계속 발광시키지 않아도 밝은 곳에서 내용을 확인할 수 있다는 장점도 있다.

LightInk는 화면뿐 아니라 ESP32가 깨어 있는 시간도 줄인다. 일반적인 부팅 절차를 모두 실행하지 않고 절전 해제 직후의 웨이크업 스텁에서 화면 갱신 작업을 처리한다. 프로젝트에서는 이 과정에서 ESP32의 작동 시간을 1밀리초 미만으로 줄이는 것을 목표로 한다.

절전 요소	적용 방식	제약 사항
전자종이 화면	내용을 바꿀 때만 주로 전력 사용	빠른 애니메이션과 동영상에 부적합
깊은 절전	대부분의 시간 동안 ESP32를 정지	상시 실행 기능을 사용하기 어려움
웨이크업 스텁	전체 부팅 없이 시간 표시 갱신	사용 가능한 코드와 메모리가 제한됨
주변장치 전원 차단	GPS와 LoRa를 필요할 때만 작동	기능 실행 중 소비 전력이 크게 증가함
저대기전력 변환기	TPS63900을 이용해 대기 손실 감소	전용 회로기판이 필요함

태양광 충전 구조와 안전 문제

LightInk의 태양전지는 방전된 배터리를 빠르게 완전 충전하기보다 평소 소모되는 적은 에너지를 보충하는 역할을 한다. 시계의 기본 소비량이 충분히 낮다면 작은 태양전지로 얻는 전력도 충전 간격을 늘리는 데 도움이 될 수 있다. 발전량은 햇빛의 세기와 노출 시간, 착용 각도 및 옷소매에 가려지는 정도에 따라 달라진다.

현재 공개된 회로에서는 태양전지와 배터리가 별도의 태양광 충전 조절기 없이 직접 연결된다. 태양전지는 강한 햇빛에서 배터리의 일반적인 충전 전압보다 높은 전압을 만들 수 있다. 배터리가 이미 충전된 상태로 장시간 강한 햇빛에 노출되면 과전압과 발열 또는 배터리 손상 위험이 있으므로 상용 태양광 시계와 같은 안전성을 기대해서는 안 된다.

리튬 배터리는 피부와 가까운 손목에서 사용된다. 직접 제작할 때는 보호회로가 있는 적합한 배터리를 사용하고, 충전 전압과 발열 및 배터리 팽창 여부를 반드시 점검해야 한다.

LoRa와 GPS는 어떻게 사용할까

LoRa는 적은 양의 데이터를 비교적 먼 거리로 전달하는 데 적합한 저전력 무선 방식이다. LightInk에서는 LoRa 신호 수신과 제한적인 신호 송신 기능을 실험할 수 있다. 일반 스마트워치처럼 스마트폰의 모든 알림을 지속적으로 동기화하기 위한 기능과는 목적이 다르다.

GPS도 지원하지만 위성을 검색하고 위치를 계산하는 동안 많은 전력을 사용한다. 필요할 때 한 번 위치를 확인한 뒤 바로 끄는 방식은 고려할 수 있지만, 운동 경로를 계속 기록하면 배터리 사용 시간이 크게 줄어든다. 실내나 건물 사이처럼 위성 신호가 약한 곳에서는 위치 확인 시간이 길어져 소비 전력이 더 증가할 수 있다.

기능	적합한 사용 방식	배터리에 미치는 영향
LoRa	간헐적인 수신과 짧은 신호 전송	무선 모듈 작동 중 소비량 증가
GPS	필요할 때만 일회성 위치 확인	위성 검색 시간이 길수록 소비량 증가
와이파이	시간과 시간대 정보 동기화	상시 연결에는 적합하지 않음
블루투스	향후 보조 앱 연동에 활용 가능	완성된 기본 기능으로 보기 어려움

지원 기능과 빠진 기능

LightInk는 시간 표시와 알람, 정전식 터치 및 진동 기능을 구현할 수 있다. 피에조 스피커를 이용한 소리와 LED 조명도 지원한다. 일출과 일몰 시간, 달의 위상, 조석 정보 및 이미지 표시 같은 화면 기능도 개발 범위에 포함되어 있다.

반면 전력 소비를 줄이기 위해 가속도 센서는 기본 설계에서 제외되었다. 이에 따라 걸음 수와 수면, 손목 들기 감지 같은 기능은 바로 사용할 수 없다. 심박수와 혈중 산소를 측정하는 광학 센서도 기본 구성에 포함되지 않는다.

구현된 주요 기능: 시간 표시, 터치, 진동, 소리, LED 조명
무선·위치 기능: 와이파이 시간 동기화, LoRa, GPS
기본 제공되지 않는 기능: 심박수, 걸음 수, 수면 분석, 운동 자동 감지
추가 개발이 필요한 기능: 완성된 스마트폰 보조 앱과 지속적인 알림 연동

직접 제작할 때 필요한 준비

LightInk를 만들려면 전용 회로기판을 주문하고 여러 표면실장 부품을 조립해야 한다. 전자종이 패널과 태양전지, 배터리, 진동 모터 및 스피커도 별도로 준비해야 한다. 케이스는 공개된 설계 파일을 이용해 3D 프린터나 출력 서비스를 통해 제작할 수 있다.

펌웨어는 ESP-IDF 환경에서 빌드하고 ESP32에 설치해야 한다. 프로젝트가 사용하는 ESP-IDF에는 일반 배포판과 다른 수정 사항이 포함될 수 있어 제공된 설치 절차를 따라야 한다. 납땜과 회로 검사, 펌웨어 오류 해결 경험이 없다면 제작 난도가 높게 느껴질 수 있다.

하드웨어 버전과 부품 목록 확인
회로기판 제작 및 부품 실장
전자종이와 태양전지 및 배터리 연결
3D 프린팅 케이스 제작
ESP-IDF 환경 구성과 펌웨어 설치
터치 감도와 시간 오차 및 소비 전력 점검
배터리 전압과 발열 및 절연 상태 확인

현재 하드웨어의 알려진 제약

공개된 최신 회로기판에는 사용자가 직접 수정해야 하는 알려진 문제가 있다. LoRa 모듈의 안테나 패드 연결 문제 때문에 안테나를 수동으로 다시 연결하거나 외부 안테나를 사용해야 한다. GPS 모듈 장착 공간도 정확히 맞지 않아 부품이나 기판 일부를 손질해야 할 수 있다.

작은 배터리는 화면과 ESP32가 동시에 작동할 때 발생하는 순간 전류를 안정적으로 공급하지 못할 수 있다. 제작 문서에서는 불안정성을 줄이기 위해 50mAh보다 큰 배터리나 추가적인 전원 보완을 고려하도록 안내한다. 다만 케이스 내부 공간이 제한되어 배터리 크기를 늘리면 조립 구조도 함께 수정해야 한다.

회로는 정식 무선 인증과 방수 시험, 정전기 보호 검증을 거친 소비자 제품이 아니다. 국가별 주파수 규정과 안테나 출력 제한도 제작자가 직접 확인해야 한다. 일상적으로 착용하려면 케이스 강도와 땀, 물 및 충격에 대한 보호도 별도로 고려해야 한다.

외형이 투박해 보이는 이유

LightInk의 외형은 쉽게 구할 수 있는 전자종이 패널과 태양전지, 안테나 및 배터리 크기에 맞춰 설계된다. 상용 제조사가 전용 디스플레이와 맞춤형 부품을 주문해 만드는 방식이 아니므로 케이스 크기와 형태에 제약이 많다. 직사각형 화면과 넓은 테두리가 전자 가격표처럼 보일 수 있는 이유도 여기에 있다.

둥근 화면과 원형 태양전지를 사용하면 전통적인 손목시계에 가까운 디자인을 만들 수 있다. 그러나 원형 전자종이 패널은 선택지가 적고 회로기판과 안테나 및 배터리를 배치할 공간도 줄어든다. 디자인을 얇고 세련되게 만들수록 부품 비용과 제작 난도가 함께 높아질 가능성이 있다.

일반 스마트워치와의 차이

비교 항목	LightInk	일반 스마트워치
제품 형태	사용자가 제작하는 오픈소스 프로젝트	검사와 인증을 거쳐 판매되는 완제품
화면	흑백 전자종이	컬러 OLED 또는 LCD
배터리 방향	기능을 제한해 장시간 사용 추구	다양한 기능과 충전 주기의 균형
건강 센서	기본적으로 제공되지 않음	심박수와 운동 및 수면 센서 제공
스마트폰 연동	직접 개발하거나 확장해야 함	완성된 앱과 알림 기능 제공
수정 가능성	회로와 펌웨어를 직접 변경 가능	제조사가 허용한 범위에서 사용
방수와 보증	제작 상태에 따라 달라짐	제품별 인증과 보증 조건 제공

LightInk는 긴 배터리와 항상 보이는 화면이라는 점에서 과거 전자종이 스마트워치를 떠올리게 한다. 그러나 건강 관리와 스마트폰 알림, 지도 안내 및 앱 생태계를 갖춘 상용 제품의 직접적인 대체품은 아니다. 완성된 사용 경험보다 초저전력 회로와 펌웨어를 직접 연구하는 과정에 더 큰 의미가 있다.

Meshtastic와 기능 확장 가능성

LoRa 모듈을 탑재했다고 해서 Meshtastic를 바로 실행할 수 있는 것은 아니다. 해당 펌웨어가 지원하는 무선 칩과 핀 연결, 화면 및 입력 장치에 맞춘 이식 작업이 필요하다. 기본 프로젝트 자료만으로 공식적인 Meshtastic 호환성을 단정하기는 어렵다.

간단한 계산기나 저속 게임 같은 기능도 코드를 작성하면 실험할 수 있다. 다만 전자종이 화면은 빠른 화면 전환에 적합하지 않고 갱신 횟수가 늘어나면 소비 전력도 증가한다. 복잡한 게임을 실행하는 것은 기술적인 실험이 될 수 있지만 장기간 배터리라는 설계 목표와는 거리가 있다.

선택 기준을 정리하면

LightInk가 긴 사용 시간을 목표로 할 수 있는 이유는 대용량 배터리가 아니라 불필요한 기능을 꺼 두는 설계에 있다. 전자종이 화면과 웨이크업 스텁, 저대기전력 전원 회로 및 주변장치 전원 차단을 결합해 기본 소비량을 줄인다. 태양전지는 이렇게 낮아진 소비량을 보충하는 역할을 한다.

10개월이라는 수치만 보고 상용 스마트워치의 대안으로 판단해서는 안 된다. 실제 배터리 수명은 장착한 배터리와 태양광 조건, GPS 및 무선 기능의 사용량에 따라 크게 달라진다. 건강 측정과 편리한 앱이 필요하다면 상용 제품이 적합하고, 납땜과 펌웨어 수정 및 초저전력 기술에 관심이 있다면 제작 프로젝트로 고려할 수 있다.

it-knowledge