해바라기 씨앗 배열이나 다육식물 잎사귀에서 볼 수 있는 확장하는 이중 나선을 식물학에서는 잎차례(phyllotaxis)라고 부른다. 한 개발자가 이 자연의 패턴을 물리적인 LED 디스플레이로 구현하고, 나아가 방 안의 소리에 실시간으로 반응하도록 만든 개인 프로젝트 기록을 공개했다. 코드로 자연의 창발적 패턴을 이해하려는 시도가 3D 프린팅, 임베디드 오디오 처리, PCB 설계까지 이어진 과정은, 하드웨어와 소프트웨어를 오가는 취미 프로젝트가 어떻게 확장되고 어디에서 막히는지를 구체적으로 보여준다.
수학적 패턴에서 물리적 형상으로
잎차례 패턴의 생성 원리는 의외로 단순하다. 원의 방사선 위에 여러 점을 놓고, 각 점을 황금비의 증가하는 배수만큼 회전시키면 해바라기와 매우 흡사한 점 구름이 만들어진다. 여기에 보로노이(Voronoi) 테셀레이션을 적용하면 씨앗 꼬투리를 닮은 셀 구조가 나온다. 제작자는 이 각 셀에 RGB 주소 지정 LED를 하나씩 심어 일종의 세포형 LED 매트릭스를 만들겠다는 발상에서 출발했다. 고등학교 시절 만든 사각형 네오픽셀 매트릭스보다 더 흥미로운 형태를 오래 기다려온 결과였다.
작업 흐름은 여러 도구를 잇는 방식이었다. Processing 스케치에서 셀 경계 데이터를 추출해 파이썬의 CadQuery 라이브러리로 가져온 뒤, 병합된 전체 보로노이 부피에서 각 셀을 축소한 부피를 빼고 LED 크기의 구멍을 뚫는 방식으로 물리적 지오메트리를 생성했다. 3D 프린터 베드에 맞추기 위해 형상을 네 개 사분면으로 나누고, STEP 파일로 내보낸 뒤 FreeCAD에서 나사 구멍과 얇은 페이스플레이트를 추가하는 후처리를 거쳤다. 빛을 유기적으로 확산시키는 반투명 뽕나무 종이(mulberry paper)를 확산재로 선택한 점은, 기술적 결과물에 감성적 질감을 더하려는 의도를 잘 보여준다.
임베디드에서 실현한 오디오 분석
89개의 LED를 손으로 납땜하는 일은 지루했지만 제작자는 몰입 상태에서 오히려 편안함을 느꼈다고 적었다. 구동에는 여유분으로 갖고 있던 STM32 블랙필 보드를 사용했고, SPI로 네오픽셀 드라이버를 직접 작성했다. 흥미로운 지점은 셰이더 스타일의 프로그래밍 프레임워크다. 모든 LED의 위치를 단위원 위 부동소수점 좌표로 담은 룩업 테이블을 두어, 마치 프래그먼트 셰이더를 짜듯 조명 패턴을 코딩할 수 있게 했다. 이 과정에서 중심에서 바깥으로 밝기를 변조하며 맥동하는 사인파 방사 패턴을 발견했고, 이것이 이후 오디오 반응 스케치의 핵심 기능이 되었다.
정적인 패턴을 넘어 소리에 반응하게 만드는 단계에서 하드웨어 선택이 힘을 발휘했다. STM32 보드가 부동소수점 연산과 ARM DSP 명령어를 지원한 덕분에 마이크로컨트롤러 위에서 직접 푸리에 변환과 오디오 분석을 돌릴 수 있었다. 디지털 신호를 출력하는 INMP441 I2S 마이크를 붙여 아날로그 잡음 위험을 피했고, ARM CMSIS 라이브러리로 신호를 처리했다. 자동 게인 조절과 다중 대역 분할로 주파수별 에너지를 분석하는 토대를 만든 뒤, 수많은 전역 타이머와 어수선한 상태 관리로 뒤엉킨 스케치 끝에 오디오 반응 프로그램이 완성됐다. 이 프로그램이 지금까지도 보드에서 돌아가는 코드의 기반이라고 한다.
반복되는 조립의 난관
마무리는 대나무 도마를 원형으로 가공해 견고한 마운트로 삼고, 컨트롤러와 마이크를 3D 프린팅한 상자에 담는 방식이었다. 그러나 흔들릴 때 LED가 깜빡이는 잡음 문제가 나타나자 제작자는 PCB 제작을 새로 익혀 블랙필 보드와 마이크, 버튼, 로직 레벨 시프터를 제대로 배치한 기판으로 교체했다. 5V 신호를 안정적으로 뽑아내기 위한 조치였다. 2026년 새해맞이 파티에서 반응이 좋았고 갖고 싶다는 친구들이 생기자, 조립이 더 쉽고 튼튼한 2차 버전으로 이어졌다.
2차 버전에서는 PCB를 5장 단위로 주문한다는 점에 착안해 5중 대칭 형태로 바꿔, 같은 PCB 다섯 장을 링으로 조립하는 설계를 택했다. 하지만 여기서 예상치 못한 벽에 부딪혔다. 네오픽셀 LED는 패드가 소자 아래에 숨어 있어 인두 대신 기판 전체를 가열하는 방식으로 납땜하도록 설계돼 있어, 손 인두 납땜이 오히려 더 큰 악몽이 됐다. 프로젝트는 한동안 중단됐고, 2026년 여름 Recurse Center 프로그래밍 리트리트에서 열풍 납땜에 능숙한 동료의 도움으로 겨우 조립을 끝냈다. 이후 ESP32로 교체해 와이파이에 연결하고 펌웨어를 러스트로 다시 작성했으며, 참가자들이 웹어셈블리 기반 소형 API로 스케치와 게임을 업로드할 수 있는 로컬 웹사이트를 제공하는 설치물로 그곳에 남겨두었다.
실무적으로 이 기록이 시사하는 바는 분명하다. 하드웨어 조립 방식과 부품 특성에 대한 이해 부족이 소프트웨어보다 훨씬 큰 병목이 될 수 있다는 점이다. 제작자 스스로도 프로젝트에 아직 만족하지 못한다고 밝혔다. 두 번 모두 납땜이 서로 다른 이유로 고됐고, 종이를 부착하는 작업이 까다로우며 종이 자체가 깨지기 쉽고 수리가 어렵다는 것이다. 손 납땜이 쉬운 다른 종류의 LED, PCB 조립 서비스 활용, 종이를 보호할 투명 아크릴 층, 자석을 이용한 페이스플레이트 부착 등 개선 아이디어를 남겨두었다. 선물하거나 더 널리 판매할 만큼 만들고 싶지만 공정이 이상적이지 않다는 솔직한 평가는, 아름다운 결과물 뒤에 반복 가능한 제조 공정을 세우는 일이 별개의 과제임을 상기시킨다. 프로젝트는 당분간 휴식에 들어가지만, 때가 되면 3차 버전으로 이어질 예정이다.