느껴지지 않는 무게: NeoSander의 카운터웨이트 시스템

NeoSander에 대한 피드백을 충분히 살펴보면, 대개 저희가 표현하는 말이 아니라 사용자 자신의 말로 같은 내용이 계속 등장합니다. 진동이 적다, 흔들리지 않는다, 사용을 마칠 때까지 손이 안정적으로 유지된다는 이야기입니다.

진동은 사양표에 표시되지 않으며, 진동이 없는 샌더를 사는 사람도 없습니다. 하지만 진동은 손이 가장 먼저 느끼는 요소이고, 한 시간 동안 작업하고 나면 손이 안정적으로 유지될지 피로해질지를 결정합니다.
 NeoSander를 손에 들었을 때 느껴야 하는 것은 안정감과 가벼움, 두 가지뿐입니다. 바닥의 고무 스위치를 누르고 스트로크 슬라이더를 조절하면, 이 컴팩트 디테일 샌더가 작동합니다. 내부의 왕복 리니어 모터가 커넥팅 로드를 앞뒤로 움직이고, 끝부분의 공구 홀더가 정밀한 샌딩 움직임을 만들어 냅니다. 사용자는 볼 수 없지만, 샌더가 손에 제대로 느껴질지를 결정한 이야기가 그 경험 뒤에 있습니다.

하나의 해법, 두 가지 문제

왕복 리니어 모터를 선택한 것은 의도적인 절충이었습니다. 기존의 로터리 샌더는 손에 거칠게 느껴지고 과열되기 쉽습니다. 시중의 다른 왕복 샌더는 움직임은 제대로 구현하지만, 내부적으로 여전히 기어 구동 모터를 사용하기 때문에 비효율적이고 멈춰 버리기 쉽습니다. 왕복 리니어 모터는 두 문제를 모두 피해 갑니다. 두 번째 리뷰어가 설명한, 제멋대로 튀지 않고 열이 쌓이지 않으며 모서리에 걸리지 않는 공구의 특성이 바로 이 모터에서 비롯됩니다. 하지만 새로운 문제도 생겼습니다.
모터의 작동 원리는 간단합니다. 코일에 전류가 흐르면 자기장이 발생하고, 자기장이 자석과 상호작용해 추력을 만들어 내며, 기계 구조가 그 힘을 하나의 축을 따라 앞뒤로만 움직이도록 제한합니다. 이것이 왕복 운동의 원천입니다. 문제는 모터 양쪽의 무게가 균형을 이루지 못할 때 시작됩니다. 축을 따라 얌전히 유지되어야 할 힘이 흔들리기 시작하고, 축을 벗어난 움직임이 발생하면서 기계가 진동합니다.
개발 초기에는 커넥팅 로드를 모터 한쪽에만 장착하고 다른 쪽은 비워 두었습니다. 이러한 구조적 비대칭 때문에 작동 중 기계가 심하게 흔들렸고, 책상 위를 튀어 다닐 정도로 진동이 컸습니다. 진동을 제어하기 위해 모터의 빈 쪽에 카운터웨이트를 추가하고 반대쪽과 균형을 맞췄습니다. 비대칭 구조에서 비롯된 흔들림을 발생 원점에서 상쇄한 것입니다.

충분히 가볍고, 충분히 정확하게

카운터웨이트의 설계 원칙은 양쪽을 완벽하게 균형 잡힌 상태로 유지하면서 최대한 가볍고 컴팩트하게 만드는 것입니다. 하지만 실제로는 결코 간단하지 않습니다.
모터의 출력 에너지는 한정되어 있습니다. 시스템은 샌딩 동작 자체를 구동하는 것 외에도 구조적 균형을 유지하는 데 에너지 일부를 사용해야 하며, 샌딩 헤드가 작업물에 가하는 압력으로 추가 손실도 발생합니다. 카운터웨이트와 커넥팅 로드가 무거울수록 실제 샌딩에 사용할 수 있는 힘은 줄어듭니다. 간단히 말해 모터가 10그램을 감당할 수 있고 양쪽에 카운터웨이트가 각각 1그램씩 추가된다면 작업에 사용할 수 있는 힘은 8그램입니다. 하지만 양쪽에 각각 5그램이 추가되면 양쪽만으로 모터의 용량을 모두 사용하게 되어 샌딩에 쓸 힘이 거의 남지 않습니다.

여기서 카운터웨이트 시스템의 진짜 어려움이 드러납니다. 커넥팅 로드 쪽의 전체 무게(플라스틱 샌딩 헤드, 로드 자체, 장착 나사)와 카운터웨이트 쪽의 전체 무게(카운터웨이트 블록과 나사)가 정확히 일치해야 구조가 대칭을 이루고 진동을 낮출 수 있습니다. 동시에 양쪽 모두 최대한 가볍고 컴팩트해야 샌딩 작업 자체에 더 많은 에너지를 사용할 수 있습니다. 완벽한 균형과 최소 무게는 서로 반대 방향으로 작용합니다.

알루미늄 합금의 한계

프로젝트 초기에 R&D 팀은 업계에서 흔히 사용하는 방식에 따라 커넥팅 로드에 알루미늄 합금을 사용했습니다. 테스트를 통해 두 가지 문제가 드러났습니다.
첫째, 알루미늄 합금은 밀도가 비교적 높아(약 2.7 g/cm³) 로드 자체가 필요 이상으로 무거워졌습니다. 균형을 맞추려면 카운터웨이트도 더 크고 두꺼워져야 했고, 이는 전체 기계의 무게를 조용히 늘려 모터가 샌딩에 사용할 수 있는 에너지를 줄였습니다. 실제로는 모터의 출력이 단순히 부족한 것처럼 느껴졌고, 한때는 더 강한 모터가 해답인지 고민하기도 했습니다.
둘째, 알루미늄은 밀도가 높기 때문에 목표 무게를 맞추려면 로드를 작고 얇게 만들어야 했고, 가공 과정에서 미세 조정할 수 있는 소재가 거의 남지 않았습니다. 그 결과 카운터웨이트와 정확히 일치하는 경우는 드물고, 근접한 수준에 그쳤습니다. 차이가 조금이라도 있으면 보정하기 위해 카운터웨이트를 더 늘려야 했고, 이는 전체 무게를 다시 증가시켰습니다.

돌파구

진정한 돌파구는 팀 논의 중 무심코 나온 한마디에서 시작되었습니다. HOZO의 창립자 중 한 명인 Peter가 마그네슘-알루미늄 합금의 낮은 밀도에 대해 언급했고, 그 순간 해답이 보였습니다. 이 소재는 이미 자동차 업계에서 하중을 지지하는 구조 부품으로 널리 사용되고 있었으며, 특히 전기차의 경량화와 경량 노트북에 활용되고 있었습니다. 마그네슘-알루미늄 합금이 실제 기계적 하중을 견디는 휠에 사용할 수 있다면, 커넥팅 로드에도 시도해 볼 가치가 있었습니다.
저희는 마그네슘-알루미늄 CNC 프로토타입 로드를 제작해 테스트했습니다. 결과는 명확했습니다. 마그네슘-알루미늄 합금의 밀도는 약 1.8 g/cm³로 알루미늄 합금의 2.7 g/cm³보다 훨씬 낮고, 플라스틱의 밀도(약 1.3 g/cm³)와도 가까웠습니다. 밀도가 낮기 때문에 기존 알루미늄 합금과 같은 무게를 맞추려면 더 많은 부피의 소재가 필요했고, 더 큰 부피 덕분에 가공 과정에서 미세 조정할 여지가 훨씬 커졌습니다. 그 결과 스테인리스 스틸 카운터웨이트와 정확히 일치하는 목표 무게를 구현할 수 있었습니다. 그뿐만 아니라 마그네슘-알루미늄 합금은 강도에서도 알루미늄 합금에 뒤지지 않았고, 일부 측면에서는 오히려 더 뛰어났습니다.

결국 저희는 커넥팅 로드에 마그네슘-알루미늄 합금을 전면적으로 적용했습니다. 이제 로드 쪽 전체 무게가 스테인리스 스틸 카운터웨이트 쪽과 정확히 일치했습니다. 차이를 보정하기 위해 어느 쪽에도 추가 소재가 필요하지 않았고, 기계 전체가 더 가벼워져 샌딩에 사용할 수 있는 에너지도 늘어났습니다. 왕복 운동에서 발생하던 진동을 근본적으로 해결한 것입니다.

다시 시작한 1년

카운터웨이트 시스템의 최종 무게와 소재가 한 번에 정해진 것은 아닙니다. 프로토타입 제작과 테스트 한 차례에 약 2~3주가 걸렸습니다. CNC 프로토타입 제작에만 7~8일이 걸렸고, 이후 비용을 계산하고 다양한 카운터웨이트 구성을 테스트했습니다. 기준군으로 일부러 약간 가벼운 버전과 약간 무거운 버전도 시도했지만 결과는 변하지 않았습니다. 양쪽이 완벽하게 균형을 이루는 것이 언제나 정답이었습니다.
가장 흔한 차질은 처음 설정한 성능 목표인 모터 출력, 진동 진폭, 소음 수준을 단순히 충족하지 못하는 프로토타입이었습니다. 이 중 하나라도 기준에 미치지 못하면 부품 조립과 내부 인터페이스부터 PCB 레이아웃까지 설계 자체를 다시 검토해야 했습니다. 모든 것을 재고해야 했습니다. 1세대 레이아웃은 문서상으로는 문제가 없어 보여도 실제로 제작하면 일부 항목에서 기준에 미치지 못할 수 있었고, 그럴 때마다 처음부터 다시 시작해야 했습니다.

이러한 재시작 과정은 적어도 세 번 반복되었고, 매번 1~2개월, 때로는 3개월까지 걸렸습니다. 돌이켜보면 진정한 설계의 통찰은 시작 단계에서 나타나는 경우가 드물다는 것을 알게 되었습니다. 통찰은 대개 전체 노력의 70~80%가 이미 투입되고, 테스트를 한계까지 진행한 뒤 실패가 반복되면서 새로운 사고방식을 강요할 때 찾아옵니다. 처음부터 모든 일이 순조롭게 진행됐다면 그런 통찰은 끝내 드러나지 않았을지도 모릅니다.

보이지 않지만 분명히 존재하는 시스템

이 모든 프로토타입 제작과 테스트, 재시작은 단 하나의 이유를 위해 존재했습니다. 사용자가 그 어떤 것도 느끼지 않도록 하기 위해서였습니다.
HOZO에게 진동을 최소화하는 것은 샌딩 경험의 핵심 요소입니다. 이는 공구를 손에 쥐어 봐야 비로소 제대로 이해할 수 있는 부분이며, 일부 사용자에게는 작업이 가능한지 여부를 가르는 차이이기도 합니다. 한 시간 동안 작업하고 나면, 같은 차이가 나머지 사용자들이 안정적으로 작업을 이어 갈지 피로해질지를 결정합니다.
좋은 디자인은 대부분 단순하고 안정적인 경험 뒤에 복잡성을 숨기는 것입니다. 이 기계 안의 카운터웨이트 시스템이 바로 그렇습니다. 보이지 않고, 언급되지도 않지만, 모든 것을 결정합니다.