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디스플레이 고성능화 및 저소비 전력화 Ⅲ
액정 백라이트 설명 및 차세대 디스플레이 디바이스
TV용 디스플레이에서 요구되는 성능 및 기술은 각 용도에 대응하여 다양한 것들이 있지만 결국 ‘선명한 표시’를 구체화하기 위함이다. TV용 액정 디스플에이는 다계조화를 시작으로 대화면화, 고해상도화, 응답속도 개선 등의 기술 개혁이 진전되어 왔다. 다계조화란, 디스플레이의 색재현성을 높이는 것으로 일반적으로 모니터용으로의 액정 디스플레이의 색수가 1677만색으로 ‘풀컬러’라고 이야기할 수 있지만, RGB 64계조 기준에 FRC(Frame Rate Control)를 이용하여 계조를 증가시키는 방식을 같이 도입한 것이기 때문에 완전한 의미의 ‘풀컬러’는 아니다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
저전력·고화질 액정 백라이트 기술
액정 디스플레이(LCD)의 화면 사이즈가 커지면서 저전력화 및 고화질화가 중요한 요소가 되고 있다. 저전력화는 50%의 전력을 차지하는 백라이트의 저소비 전력화가 가장 중요한 요소이며, 고화질화는 램프의 스캐닝 백라이트, LED 백라이트의 로컬 디밍 등 다양한 기술들이 있다. 액정 디스플레이 대형 백라이트에 적합한 시스템 및 이것을 제어하는 LSI 개발 동향에 대하여 소개한다.
CCFL, EEFL, HCFL 등 램프 광원에 따른 백라이트 동향
램프 광원에 따른 백라이트 저전력화
PFC 출력을 전원으로 한 인버터 시스템(Direct Inverter)
종래의 액정 디스플레이 전원 시스템은 약 380V의 PFC 출력에서부터 메인 컨버터로 24V를 만들고, 이 전원을 백라이트용 인버터 회로의 전원으로 사용하고 있지만, 그러면 메인 컨버터와 인버터부에 이중으로 손실이 발생한다. 이에 Rohm社는 PFC를 전원으로 하는 다이렉트 인버터 방식을 개발하고, 메인 컨버터부의 손실을 최소화했다. 46인치 사이즈에서 10% 정도 전력 소비를 줄였다. PFC 출력은 전원의 1차 측에 있기 때문에 전원 2차 측만 동작시킨 종래의 인버터 회로를 그대로 사용할 수 없다. 전 회로를 전원 1차 측에 구성할 수 있으면 좋지만, 백라이트는 세트 쪽과 연관이 많아 제어 회로는 전원의 2차 측에 배치하는 것이 유리하다. 또한 전원 1차 측과 2차 측에 걸쳐 인버터 회로를 구성하기 때문에 제어 루프의 어디에는 절연할 필요가 있다.
절연 방법으로는 전원의 1차 측의 인버터용 변압기를 구동하기 위하여 브릿지(풀 브릿지, 하프 브릿지)의 게이트 드라이브 부분에서 이루어지는 방법이 있다. 이 중에서도 1차 측에 고내압(500~600V) 게이트 드라이브 IC를 배치해서 신호를 포토 커플러나 펄스 변압기로 송부하는 방식과 펄스 변압기를 이용해서 이 변압기의 게이트 드라이브용으로 이용하는 방법이 있다.
다이렉트 인버터의 성능을 최대한 발휘하기 위하여 인버터 변압기의 구동 주파수를 높일 필요가 있지만 Rohm社는 인버터 제어 LSI 개발로 세계 최고 정밀도의 ±2.5%를 달성했다. 또한 일반적으로 컨덴서와 저항의 LSI 외장 부분에 주파수를 설정하지만, 주파수 설정용 컨덴서를 내장함으로써 저항만으로 주파수 설정이 가능한 LSI(정밀도 ±3%)도 구축하였다. 그 외에 상기 펄스 변압기를 다이렉트 드라이브가 되도록 하는 등 최적의 LSI를 개발하고 있다(그림 1).
그림 2와 그림 3은 CCFL과 EEFL의 다이렉트 인버터의 구체적인 구성을 나타낸 것이다. 여기서는 현재 주류를 이루고 있는 전원 1차측의 브릿지 드라이브를 펄스 변압기에서 실시하는 방식을 소개한다. 드라이브 부분 이외의 전원 1차 측과 2차 측의 절연 부분이 중요하다.
CCFL의 다이렉트 인버터 시스템
① 종래 인버터 변압기의 절연 타입
종래의 인버터 변압기를 전열 변압기로써 사용하는 시스템. 절연 변압기 자체가 고가이기 때문에 인버터 시스템으로 전체 가격이 상승하는 단점이 있다.
② 절연 변압기 + 인버터 변압기 타입
브릿지로 절연 변압기를 구동하고, 펄스를 전원 2차 쪽으로 보낸다. 이 펄스에 의하여 종래의 인버터에서 인버터 변압기를 구동한다. 기존의 인버터를 사용함으로 가격이 낮아지는 장점이 있다.
③ 집중공급, 절연형 인버터 변압기 + 램프 전류 밸런스 시스템
대전력의 절연형 인버터 변압기를 이용한다. CCFL의 경우 램프 전류를 균일하게 할 필요가 있기 때문에 램프간에 전류 밸런스를 맞출 회로가 필요하다. 이 부분은 컨덴서나 변압기를 사용한다.
EFFL의 다이렉트 인버터 시스템
EEFL의 특징은 CCFL과 다르게 전류 밸런스를 제어하는 회로가 필요 없고, 병렬로 접속하기만 하면 램프의 전류가 균일하게 된다. 그러기 때문에 집중 공급, 절연형 인버터 변압기를 이용해서 이 변압기의 출력을 직접 램프에 접속하는 방식이 된다. 그래서 CCFL보다 다이렉트형 인버터는 만들기 쉽고, 액정 TV 전원기판(PFC + 메인 1차 전원)과 공통 기판화의 소형 사이즈에서 실현이 가능하다.
그 외의 백라이트 저소비 전력화
전원 부분뿐만 아니라 램프의 발광 효율의 향상, 램프 수의 감소, 액정 필터의 개선 등에 의하여 최근 백라이트 전력의 감소가 크게 발전되었다. 예를 들어 2007년에는 32인치의 램프가 10~12봉-100W에서 2009년에는 6~8봉-40W 정도로 전력이 낮아졌다. 또한 CCFL보다 발광 효율이 우수한 HCFL의 백라이트 채용도 준에 뛰고 있다.
램프 광원 백라이트의 고화질화
명암비 향상
화면 전체를 표시하는 영상에서 휘도를 조절하는 방법으로 특히 블랙 표시 시에 백라이트의 빛샘으로 휘도가 나빠지기 때문에 블랙 휘도를 낮추어야 된다. 이 방법은 영상 신호에 마쳐서 밝기를 변환시킬 필요가 있다. Rohm의 인버터 제어 IC로는 휘도 조절 속도가 빠른 시스템을 내장하고 있다.
동영상 잔상 방지
액정 TV는 동영상에서 영상 잔상이 발생하는 단점이 있다. 이 결점은 액정의 응답 속도를 빠르게 한다고 해결이 되는 것은 아니다. 이를 해결하기 위해서는 완전 영상을 표시하는 신호를 2배, 4배화 하여야 된다. 이러한 2배속, 4배속 백라이트에 동영상 개선에 기여할 수 있는 기술로는 ‘스캐닝 백라이트’가 있다. 스캐닝 백라이트는 화면을 복수로 분할하고 영상 신호에 맞춰진 순으로 백라이트가 꺼진다. 즉 영상과 영상 사이에 블랙 영상 + 백라이트 소등을 행함으로써 영상 신호가 2배속 이상이 되며, 2배속 패널을 다시 조합하면 4배속 패널이 된다. 향후 방향은 4배속 또는 2배속 + 스캐닝 백라이트가 될 전망이다. 이러한 동영상 패널의 개발로 플라즈마 패널과 동등한 수준의 동영상 대응이 가능하다고 평가되고 있다.
Rohm 백라이트 인버터 제어 LSI
고화질 실현을 위해 Rohm社에서는 백라이트 인버터 제어 LSI 'BD9XXX' 시리즈의 출시했으며, 그 특징은 다음과 같다.
① PFC 출력 다이렉트형 인버터의 파워 MOS 드라이버를 용
이하게 하는 드라이버 내장
② 파워 MOS 게이트 구동용 펄스 변압기를 직접 드라이브에
가능
③ 고정도 주파수(거동, 조광) ±2.5%
④ 램프 전류, 변압기 출력 전압의 피드백 제어에 의한 높은 안
정성
⑤ 인버터, 인버터용 전원 등의 이상 검출, 보호 회로 내장
⑥ 스캐닝 백라이트 대응
⑦ 빠른 속도의 조광 기능
LED 광원 백라이트
LED 백라이트는 LED의 배치에 따라 직하형과 엣지형으로 구분되며, LED 광원에 따라 백색 LED와 RGB LED로 구분된다. 따라서 4종류의 백라이트 시스템이 가능해져, 상품의 특징에 따라 제품의 사용 영역이 달라진다.
LED 백라이트의 저전력화
LED 직하형 방식은 종래의 CCFL 방식과 다르게 ‘로컬 디밍(국부적 조광) 기술’이 특징이다(그림 4 참조). 이것은 영상 데이터의 짙고 옅음에 백라이트 자체도 부분적으로 명암 조절을 하여 명암비를 향상시킬 수 있다. 따라서 결과적으로 백라이트의 평균 전력을 저감할 수 있다.
LED의 거동 전압 생성 방식에서도 저전력화가 검토되고 있다. TV의 경우, LED의 거동 전압은 PFC(역률 개선 회로)의 출력(380V 정도의 고전압)에 의해 녹색 컨버터를 통하여 생성한 전압(예를 들어 24V)을 LED 드라이버로 넣고 승압(또는 감압)해서 공급한다. 이 방식은 녹색 컨버터에 의한 감압과 LED 드라이버에 의한 승압으로 이중의 변환 손실이 발생한다. 이것을 회피하기 위해 PFC 출력에 의한 LED 거동 전압을 직접 생성하는 고내압 다이렉트 방식이 검토되고 있다.
엣지형 방식은 직하형처럼 LED 드라이버 채널에 개별 조광을 하지 않기 때문에, 1개의 LED 드라이버 채널에 많은 층수의 LED가 있을수록 좋다. 즉, 거동 전압이 높을수록 좋다. 따라서 PFC 출력에서 직접 변환하는 방식이 유리하다. 그러나 직하형의 경우 로컬 디밍을 전제로 하기 때문에 층수의 증가는 면적 증가가 되고, 로컬 디밍의 효과가 저감되어 버리기 때문에 직하형에서는 LED 거동 전압은 높을 수가 없다.
LED 백라이트의 고화질화
고화질화는 앞에서 설명한대로 로컬 디밍 기술이 유효하다. 백색 LED 모델에서 100만대 1의 높은 명암비를 실현한 제품도 출시되고 있다. 또한 RGB LED를 사용한 모델에서 R, G, B를 각각 독립적으로 휘도를 제어함으로써 휘도의 명암뿐만 아니라 색의 짙고 옅음까지 제어할 수 있게 되었다. 그 결과, CCFL에 비교하여 넓은 영역의 색상 구현도 가능해 졌다.
Rohm의 액정 백라이트용 LED 드라이버 LSI ‘BD9202EFS’에는 각 채널의 휘도 계조를 1024 단계(10bit)로 설정하고, 높은 명암비를 실현하였다. 하지만 로컬 디밍의 기술에서도 결점이 있다. 밝은 부분이 국부적으로 존재하는 경우, 그 주변의 블랙 영역에 휘도 얼룩이 발생한다. 면적 사이즈를 줄이면 해결되지만 총 LED 수의 증가와 LED 드라이버의 채널 수의 증가로 가격 상승의 요인이 된다. 따라서 명실 환경에서 보완 설계를 통한 급격한 휘도 변화를 제어하고 있다. 추가적으로 동영상의 잔상을 저감함으로써 고화질화를 실현할 수 있다. 잔상은 중간 프레임을 영상 처리할 때 발생하는 것으로 통상 프레임 속도를 배속 또는 4배속 거동 방식이 주류를 이룬다. 이것과 더불어 백라이트를 상시 점등하는 것에서 각 프레임의 영상이 나올 때 백라이트를 소등하고, 영상이 종료가 된 후에 점등하는 형태로 잔상을 저감할 수 있다. 이러한 기술은 LED의 특색 중 하나로써 고속 구동에 의하여 비교적 용이하게 실현된다.
Rohm의 LED 백라이트 제어 LSI
LED 백라이트를 구동하는 LSI ‘BD920X 시리즈’의 특징은 다음과 같다.
① 복수 ch.(8~24ch.)의 LED 드라이버 단자를 내장
② 고내압 출력(40~60V)
③ 로컬 디밍 대응(ch.별 조광 기능 : 계조 10~12bit)
④ 고정도 정전류(2~3%)
⑤ 고효율 피드백 방식(LED 드라이버 출력 귀한 방식)
액정 TV는 50인치대의 소비 전력이 200W이하의 제품이 출시되고 있고, 저소비 전력의 장점을 살려 시장을 더욱 확대하고 있다. 화질면도 PDP와 동등한 수준까지 진화하고 있으며, Rohm社에서도 액정 TV의 저소비 전력화, 고화질화 부분에 기술 개발을 강화하고 있다.
차세대 대형 액정 TV용 디스플레이 디바이스의 기가바이트의 고속 인터페이스 기술 ‘Advanced PPmL’
TV용 디스플레이에서 요구되는 성능 및 기술은 각 용도에 대응하여 다양한 것들이 있지만 결국 ‘선명한 표시’를 구체화하기 위함이다. TV용 액정 디스플에이는 다계조화를 시작으로 대화면화, 고해상도화, 응답속도 개선 등의 기술 개혁이 진전되어 왔다. 다계조화란, 디스플레이의 색재현성을 높이는 것으로 일반적으로 모니터용으로의 액정 디스플레이의 색수가 1677만색으로 ‘풀컬러’라고 이야기할 수 있지만, RGB 64계조 기준에 FRC(Frame Rate Control)를 이용하여 계조를 증가시키는 방식을 같이 도입한 것이기 때문에 완전한 의미의 ‘풀컬러’는 아니다. TV용 액정 디스플레이는 RGB 256계조 제어 가능한 액정 드라이버 IC를 이용하여 액정 디스플레이로서는 원래의 1677만색을 실현했다. 더욱이 FRC를 조합하면 계조 표현을 더욱 높일 수 있다.
다계조화의 다음 단계의 기술 개혁은 화면의 대형화에 따른 화면의 고해상도이다. 37인치 → 40/42인치 → 47인치로 화면 크기가 커질수록 해상도도 HD(1366×768) → Full HD(1920×1080)으로 증가한다. 또한 일본에서는 2003년 12월부터 디지털 방송이 시작되어 고해상도 디스플레이의 특징을 살릴 수 있는 영상 소스를 제공하고 있다. 또한 동영상 응답 속도의 개선으로는 배속 구동이라고 불리는 프레임 주파수의 고속화이다. 배속 구동이란 입력 측의 영상 신호를 디스플레이 내부 회로에 영상 처리를 행함으로써 프레임 보완하고, 2배의 프레임 주파수를 표시하는 것이다. TV 방송의 영상과 DVD 등으로 제공하는 컨텐츠에서 오는 프레임 주파수는 60Hz이지만 배속구동으로 120Hz의 프레임 주파수로 표시되어 액정의 결점인 응답 속도를 개선할 수 있다.
향후 선명한 화질을 위하여 ‘3D’와 ‘초고해상도’ 등의 지속적인 영상 기술이 진화될 것이다. TV용 액정 디스플레이의 기술 과제 및 향후 동향을 액정 디스플레이의 기술 과제 및 향후 동향을 액정 드라이버 IC의 인터페이스 기술의 관점에서 설명한다.
TV용 액정 디스플레이 현상
그림 5는 TV용 액정 디스플레이 내부회로 구성을 나타내고 있다. 화면 사이즈가 큰 TV의 경우는 액정 드라이버 IC를 제어하는 컨트롤러 IC(타이밍 컨트롤러)는 각각의 기판에 실장되어 있다. 50인치 패널에서는 타이밍 컨트롤러에서 액정 드라이버 IC까지 거리가 최단 10cm, 최장 50cm가 넘는다. 또한 계조의 증가, 해상도의 향상, 프레임 주파수의 향상에 의하여 데이터 전송 비율은 상당히 높아지고 있다. 현재는 액정 드라이버 IC의 인터페이스로써 mini-LVDS가 일반적으로 사용되고 있지만, Full HD 프레임 주파수 120Hz의 경우 클록 주파수는 300MHz 정도까지 높아진다.
Mini-LVDS는 버스 토폴로지(Bus Topology)에 의한 멀티 드롭으로 구성되어 있고, 데이터 버스를 병주한 클록 신호에 동기된 데이터를 이용하고 있다. 하지만 50인치 대형 TV는 버스 토폴로지의 기술적 한계가 있다. 그림 6에 모식도를 나타냈듯이 클록 신호와 데이터 신호의 타이밍-마진이 어느 정도인지 나타내고 있고, 인터페이스의 구성 요소인 트랜지스터(타이밍 컨트롤러), 전송로 및 수동부(드라이버 IC)의 불균일성을 고려하면 마진은 더욱 없어진다. 방법은 부품의 불균일성을 제어하여 전송 품질을 최대한 확보하는 것이 중요하지만 향후 데이터의 전송비율을 고려하면 근본적인 신기술 도입이 필요하다. 이처럼 액정 디스플레이 내부의 인터페이스 기술이 직면하고 있는 과제를 해결하기 위하여 Advanced PPmL를 개발하였다.
Advanced PPmL이 해결한 과제
2Gbps의 초고속 전송
그림 7은 TV용 디스플레이 해상도, 프레임 주파수 그리고 이것을 실현하기 위한 데이터 전송 비율을 나타내고 있다. 3D 디스플레이와 4K × 2K 디스플레이 등 차세대 디스플레이를 실현하기 위하여 2Gbps 정도의 인터페이스 기술이 필요하다. 물론 mini-LVDS를 이용하여 데이터 패스 폭을 넓히던지, 화면을 4등분하여 고해상도를 대응하는 것도 가능하지만 비용 및 복잡한 시스템 등을 고려하면 현실적이지 않다.
한편, FT-4 등의 안전한 재료를 이용한 일반적인 프린트 기판에는 유전 손실에 때문에 전송 거리가 멀수록 고주파 성분의 손실이 커지고 주파수 특성이 한계에 도달한다. 이러한 이유로 Advanced PPmL은 인터페이스 규격으로써 전송 비율 =2Gbps로 설정했다.
Point to Point 토폴로지
액정 드라이버 IC와 타이밍 컨트롤러와의 거리는 디스플레이의 사이즈에 따라 다르다. 최대 수십 cm 차이가 난다. Mini-LVDS의 버스 토폴로지의 경우의 문제점으로써 전송거리의 차이에 의한 데이터-클록 간의 스큐(skew)가 존재하는 것으로 데이터 버스에 복수의 수신부(액정 드라이버 IC)가 접속되어 있어서 인터페이스의 혼선 그리고 데이터 및 클록 신호의 반사파와의 혼선으로 수신부의 오작동 유발 가능성 등이다(그림 8 참조).
Advanced PPmL은 Point-to-Point 토폴로지를 채용하여 인터페이스의 혼선을 최소한 제어하고 전송로의 거리가 차이가 있어도 트랜스미터의 제어가 가능하다. 예를 들어 전송거리가 먼 경우는 파형의 엣지를 강조하여 전송 손실을 제어한다.
클록 임베디드
패널의 대형화와 신호의 고속화에 따른 클록-데이터의 타이밍-마진의 문제는 기존의 mini-LVDS로는 한계가 있다. 그 원인으로 데이터-클록 간의 스큐 때문이지만, 클록 신호와 데이터 신호를 다른 출력 회로 또는 다른 신호선으로 전송하고 있는 한 스큐는 제로가 되지 않는다(그림 9 참조). Advanced PPmL는 클록 신호와 데이터 신호를 동일선으로 전송하는 클록 임베디드를 채용함으로써 다른 출력 회로 간의 스큐와 전송로상의 데이터-클록 간의 스큐의 문제를 해결하였다.
Advanced PPmL의 특징 및 원리
그림 10은 Advanced PPmL 수신부 회로의 클록도를 나타냈다. Advanced PPmL은 데이터에 클록을 중첩하기 때문에 고속 시리얼 신호를 이용하는 4B5B 부호화를 채용했다. 타이밍 컨트롤러에서 액정 드라이버 IC로 전송되는 계조 데이터와 수평 동기 신호 및 극성 반전 신호인 액정 드라이버 IC를 제어하는 신호를 5비트 패킷으로 변환하여 송신한다(그림 10의 ①). 이 패킷 데이터에서 클록 성분을 추출하고 주파수 비교기 또는 위상 비교기에서 정확한 클록 신호를 재생한다(그림 10의 ②). 이 재생된 클록 신호에 의하여 패킷 데이터를 읽어내고, 이것을 4비트 데이터로 변환해서 액정 드라이버 IC 내부로 전송한다(그림 10의 ③).
액정 드라이버 IC는 액정 패널을 구동하기 위하여 급속도로 Charge/Discharge 동작을 한다. 그리고 액정 드라이버 IC가 실장되는 프린터 기판은 가늘고 긴 형상이어서 전원 및 GND의 안정성이 확신할 수 없다. 이처럼 액정 드라이버 IC는 GND 바운스 등의 외부 노이즈의 내성을 가지는 것이 중요하다. Advanced PPmL은 비트 전송화 비트가 이동된 노이즈를 설정하여 4B5B 부호화에 대한 에러 내성을 향상시키는 개발을 진행하고 있다.
결론
Advanced PPmL의 고속 시리얼·인터페이스 기술 개발로 3D 디스플레이와 4K × 2K 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 큰 효과가 있다. 또한 Gigabyte의 인터페이스를 실현하기 위하여 트랜스미터(타이밍 컨트롤러)와 수신부(액정 드라이버 IC)의 협조 설계 및 전송 설계가 중요하다. NEC는 Advanced PPmL를 차세대 TV용 액정 드라이버 IC 인터페이스의 주요 기술로 인정받고, 관련 기업과의 협력을 통하여 액정 디스플레이 업계 내부에 보급하고 있다.
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제목: 디스플레이 고성능화 및 저소비 전력화 Ⅲ
