디스플레이 구동 IC 최신 시장 및 기술 동향

DDI는 휴대전화·PDA·디지털카메라 등 각종 모바일 기기에 주로 채용되는 중소형 DDI와 LCD 모니터나 디지털 TV 등에 부착되는 대형 DDI로 양분된다. 또한 디스플레이 패널의 종류에 따라 TN(Twisted Nematic)·STN(Super Twisted Nematic)·TFT(Thin Film Transistor) 등으로 구분되기도 하며, 해상도를 나타내는 픽셀(pixel) 개수를 기준으로 QQVGA급(160×120)·QCIF급(176×144)·QCIF+급(176×200)·QVGA급(320×240)·CIF급(352×288)·VGA(640×480)급 등으로 나뉘기도 한다.디스플레이 산업 및 DDI 개요디지털 기술을 기반으로 한 정보화 사회에서 수많은 디지털 정보는 전기신호화 된 형태로 저장되어 원하는 장소, 원하는 시간에 언제든지 열람이 가능하게 되었다. 이러한 전기신호화 된 정보는 직접 볼 수가 없으며, 디스플레이 장치를 통해 사람이 인식할 수 있는 형태로 변환되어 표시된다. 디스플레이 산업은 이러한 디스플레이 장치 전반에 관련된 산업을 말한다.이러한 다양한 정보를 시각적으로 인간에게 전달하는 디스플레이 기기는 크게 CRT와 FPD(Flat Panel Display)로 나눌 수 있다. 최근 IT 기술의 발전은 디스플레이 산업에 큰 변화를 가져와 기존의 CRT 기반의 디스플레이 장치에서 휴대화, 대형화, 저전력화, 경량 및 박형화 등의 강점을 지닌 FPD로 급속하게 대체되고 있다. FPD 시장에서 우리나라는 LCD 분야에서는 점유율 1위, PDP 등에서는 치열한 경쟁을 벌이고 있다.FPD 산업은 현재 막대한 규모의 시장이 형성되어 있음에도 향후 기술의 발전과 시장 성장잠재력이 매우 큰 산업으로 평가되고 있어 정부에서는 차세대 성장 동력사업 중의 한 분야로 디스플레이 산업을 선정하고 지원육성하고 있다.현재, 1세대 CRT로 시작된 디스플레이 산업은 LCD, PDP, OLED 등이 등장하면서 2세대 평판디스플레이(FPD, Flat Panel Display)로의 전환이 급속도로 진행되고 있는 상황이며, 차세대 디스플레이로 플렉시블 디스플레이가 각광받으며 3세대 디스플레이로의 활발한 연구개발이 진행되고 있다. FPD는 LCD가 전체 시장의 85%, PDP가 약 8~10%, OLED가 약 2~3%를 점유하고 있다.디스플레이 산업에서 DDI가 차지하는 위상을 TFT LCD의 예를 들어 설명하고자 한다.TFT-LCD 모듈은 크게 3개의 유닛(Unit)으로 나눌 수 있으며, 첫째 유리기판과 유리 기판사이에 액정이 주입된 패널(Panel), 둘째 패널을 구동시키기 위한 드라이버 IC 및 각종 회로소자가 부착된 구동 회로부, 셋째 BLU(Back Light Unit)를 포함한 새시(Chassis) 구조물로 나눌 수 있다. 그 구조는 그림 3과 같으며 DDI는 TFT LCD 완제품에 종속되어 있어 수요업체에 대한 커스터마이징(Customizing), 꾸준한 기술개발의 필요성 , 일정 마진보장 되는 특성이 있다.LCD 모듈의 전체 재료비에서 유리기판은 10%, 액정은 4%, BLU 24% 등이며 드라이버 IC가 차지하는 비중은 15% 정도로 향후 LCD 모니터 및 TV의 대형화, 고해상도화 되면 전체 재료비 비중에서 차지하는 비중은 다소 증가할 전망이다[2].DDI는 LCD TV, LCD 모니터, 휴대전화용 등의 패널과 함께 개발해야 하므로, 개발 초기부터 패널생산 업체와 협의하여 설계 하여야 한다. 그러므로 제품 설계 단계부터 패널 업체와의 지속적인 파트너쉽 유지가 매우 중요하다.업계 및 시장 동향DDI는 생산장비가 고가이기 때문에 1980년 후반부터 자체 반도체 생산 공장을 보유하고 있는 일본, 한국 ,유럽의 거대 IDM 업체들이 주도해 왔으며 현재까지 이들 업체들이 주력 시장인 LCD 모니터, TV 패널용 시장을 주도하고 있다. 그러나 최근에는 리디스 테크놀로지 등의 벤처 기업들도 시장진입에 성공하고 있다.해외업체로는 르네사스(Renasas Techchnology), 샤프(Sharp), 세이코 엡슨(Seiko Epson), 히타치(Hitachi), 롬(Rohm), ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics) 등의 반도체 업체와 솔로몬(Solomon) 등의 팹리스 업체가 있다.국내 업체로는 삼성전자, 매그나칩반도체 등의 IDM과 토마토 엘에스아이, 리디스테크놀로지, 픽셀칩스, 엘디티, 엠시스팹 등의 팹리스가 있다. 이중 IDM은 소형에서 중대형 디스플레이용 DDI를 모두 생산하고 있으나 주로 시장규모가 큰 대형 패널 분야에 치중하고 있으며, 상대적으로 팹리스들은 주로 소형 패널분야에 주력하고 있다.2005년 기준 삼성전자는 세계 1위(약 20%)의 LCD 드라이버 IC 업체로 휴대전화 등 모바일기기용 LCD 드라이버 IC 분야에서도 1위를 차지하고 있다. 히타치, 미쓰비시의 합작법인인 르네사스가 2위(약 15%), NEC가 3위(약 14%), 세이코 엡슨이 4위(8%), 노바텍이 5위(7%) 점유율을 기록하고 있다[7].유기 EL DDI 시장은 삼성전자와 PDP 용 DDI 1위인 ST마이크로일렉트로닉스, 리디스 테크놀로지와 경쟁이 예상된다. 이중 삼성전자는 6만 5,000컬러 OLED 드라이버 IC의 양산체제를 갖추고 STN, TFT 용과 더불어 DDI 3개 분야의 DDI를 모두 생산하게 되었다. 최근에는 2007년부터 본격적으로 형성될 AM-OLED 구동 IC 시장선점을 위해 다양한 업체들이 신규 진입을 준비하며 기술개발에 박차를 가하고 있다.최근에는 평판디스플레이 기술이 발전하면서 크기 및 해상도, 응답속도 등이 개선되어 기존 CRT 모니터 및 텔레비전의 대체, 노트북 컴퓨터와 휴대용 기기의 급격한 성장으로 TFT LCD를 중심으로 평판 디스플레이 시장규모가 급격히 팽창하고 있다.FED 시장이 성장함에 따라 DDI 시장도 크게 향상될 것으로 전망된다. DDI 가격은 FPD 가격의 약 15%를 차지하며, 시장조사기관인 가트너는 세계 DDI시장 규모는 2004년 66억 달러에서 2008년에는 126억 달러로 확대돼 연평균 약 17%의 성장률을 보일 것으로 전망하고 있다. 또한 Frost and Sullivan 자료에 따르면 평면 패널 디스플레이 시장의 총 출하량은 2003년 31억 개에서 2008년 75억 개로 증가할 것으로 전망하고 있다. 이중 휴대단말용 출하량은 그림 6, 그에 따른 휴대단말용 구동 IC의 출하량은 그림 7과 같이 증가할 것으로 예상된다.휴대단말용 구동 IC 시장은 르네사스가 전체 시장의 약 50%(2004년 기준), 삼성전자가 약 25%, 나머지 회사들이 약 25%를 점유하고 있다. 그러나 2005년부터는 기존 르네사스 주도의 시장에서 패널회사와 구동 IC 회사간의 경쟁력있는 공동개발 제품의 시장진입이 활발해 지면서 르네사스의 점유율이 점진적으로 하락하고 있다. 자체 수요처를 가지고 있는 삼성을 제외하면 LG&Epson, TLSI&HANSTAR, HIMAX&CMO의 제휴가 대표적이다.최근 구동 IC 시장에서는 중국시장이 C-STN의 재고 소진 및 TFT LCD 시장의 급성장으로 구동 IC 수요가 급증하고 있다. 이에 따라 국내 대부분의 구동 IC 업체는 중국향 모델을 생산하고 있다. 대만 역시 자국시장이 협소하여 중국시장 확보에 주력하고 있다.기술동향TFT LCD 및 DDI 기본 기술<[5],전자산업진흥회, ‘LCD 구동 IC 기술동향’ 참조>TFT LCD를 구동하는 전체 시스템 구성도를 나타내면 그림 8과 같다. 그래픽 처리 칩에서 출력되는 디지털 화상 데이터가 LCD 타이밍 컨트롤 데이터(TCON) 칩으로 입력된다.- TFT LCD는 디지털 방식으로 동작되기 때문에 입력되는 데이터가 아날로그인 경우는 A-D 변환 회로를 LCD timing control 칩과 같이 사용해야 한다.- 타이밍 컨트롤 칩에서는 입력된 디지털 신호를 소스(column) 화면 크기에 맞추어 구동 IC가 처리 가능한 형태의 디지털 신호로 변환하고 소스와 게이트(row) 드라이버 IC 구동에 필요한 각종 타이밍 제어 신호 등 제어신호를 발생시킨다.- 또 사람의 시각 특성을 고려한 그레이 스케일별 투과율의 직선성을 조절하기 위해 감마 조정(gamma correction)을 수행해야 하는데 이것의 기준을 제공하는 회로가 감마 레퍼런스 전압(gamma reference voltages)라고 쓰인 블록이다.- 아날로그 회로에서는 다단계 그레이 스케일 표시에 필요한 표준전압을 만들어 데이터 드라이버 IC에 공급 한다. 최근의 구동 방법은 공통 교번 방법을 사용하는 데 이때 전압 보상을 해 주지 않으면 odd-frame과 even-frame의 투과율 차이가 발생하여 깜박임(flicker) 현상이 나타난다.- 이러한 상태로 장기간 동작 시키면 액정 셀에 지속적으로 편향된 전압이 인가되어 TFT 셀 특성이 변하고 잔상이 나타나게 된다. 이러한 현상이 나타나지 않도록 보상하는 것이 Vcom 레퍼런스 블록이다.TFT를 on-off 할 수 있는 구동 전압도 아날로그 회로에서 만들어 게이트 드라이버 IC에 공급하여 게이트 신호배선으로 순차적으로 출력되도록 한다.- 이때 TFT 셀의 on-off 구동 전압이 12~20V정도가 되므로 3V나 5V등의 일정 전원으로부터 고전압을 얻을 수 있는 DC/DC 변환기와 저 손실(low dropout, LDO) 레귤레이터 등이 내장된다.TFT LCD에서는 게이트 드라이버 IC와 소스 드라이버 IC 두 종류의 드라이버 IC가 사용되며 게이트(row) 드라이버 IC는 TFT-Array의 게이트 신호배선을 순차적으로 선택하여 스캔 주사 신호를 인가하는 역할을 하고 소스(column) 드라이버 IC는 화상 정보 디지털 데이터를 화소전압으로 변경하여 데이터 신호배선에 인가하는 역할을 한다. Row와 column 드라이버 IC는 각각 게이트 신호배선과 데이터 신호배선을 구동하기 때문에 게이트 드라이버 IC와 데이터 드라이버 IC라 부르며 데이터 드라이버 IC는 TFT의 소스 전극을 구동한다는 의미에서 소스 드라이버 IC라고도 한다. 게이트 드라이버 IC가 주사선을 선택하여 스캔 펄스를 인가하여 TFT를 On 상태로 해주면 소스 드라이버 IC는 데이터 각각의 신호배선을 통하여 액정 셀에 신호전압을 인가하는 역할을 한다.한편 그림 8에 나타나 있지 않지만 인버터라는 전원 장치가 있어 백라이트 램프로 사용되는 CCFL(cold cathode fluorescence lamps)에 전원을 공급하며 램프 전류를 조절하여 LCD 화면 밝기를 조절한다. 고해상도 LCD에서는 디지털 데이터 신호와 클록신호의 주파수가 증가하여 그래픽 칩과 LCD 모듈 사이의 인터페이스에서에서 신호왜곡(distortion)과 EMI(electroma- gnetic interface) 등의 문제가 발생하여 화질이 나빠지게 되므로 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)와 같은 신호형태로 변환하여 전송하고는 접속하는 기술이 개발돼 사용되고 있다. 대화면으로 커질 수 있도록 신호 전송 속도가 기하급수적으로 빨라지게 되므로 이러한 저전압 고속 접속회로의 역할이 매우 중요하다. 또 액정양단에 바이어스를 가할 때 한 방향으로 바이어스가 인가되면 액정의 특성이 열화되므로 화면마다 액정에 인가되는 전압을 바꾸는 반전 방식이 있다.게이트 구동 회로의 기본적인 역할은 화소 배열의 게이트(gate)라인에 순차적으로 주사신호를 공급하는 것이며, 생성되는 주사신호의 전압 범위는 일반적으로 15~30V이고 이 게이트 구동회로는 고전압 공정을 사용하여 제작된다. 그림 8은 다 출력을 갖는 게이트 드라이버 IC의 동작원리를 나타낸 것으로 게이트 드라이버 IC는 TFT의 on-off 신호전압을 순차적으로 발생시켜주는 일종의 시프트 레지스터(shift register)이다. 일반적으로 고 해상도 AMLCD의 경우 다수의 게이트 드라이버 IC가 사용되지만 한 프레임 동안 전체의 게이트 라인(gate line) 중 하나의 특정 라인에서만 출력신호가 나오도록 되어 있다. 게이트 구동회로(gate 드라이버)의 전형적인 구조는 그림 9에 나타낸 바와 같이 시프트 레지스터(shifter register), 레벨 시프터(level shifter), 출력 버퍼로 구성되어 있다. 시프트 레지스터는 클록(clock)에 동기되어 주사신호를 생성하는데 사용되고, 매우 큰 커패시턴스 부하(12.1인치 화면의 경우 200pF 이상)로 작용하는 게이트 전극을 구동하기 위해 출력 버퍼가 필요하다. 그리 고 5V 또는 3.3V로 동작하는 시프트 레지스터와 앞서 언급한대로 15~20V로 동작하는 출력 버퍼를 인터페이스하기 위해 레벨 시프터(level shifter)를 사용한다. 일반적으로 컴퓨터 등의 사무자동화 기기에서는 그림 10의 순차주사 방법이 사용되고, 텔레비전 등 고속 대화면 오디오-비디오 기기에서는 비월주사 등의 개선된 방법이 사용된다. Start-in부터 Start-out까지는 순차주사 시 일반적으로 1프레임이 된다.최근 기술 동향FPD 드라이버 IC 개발과 관련된 분야는 프로세스, 설계, PKG, Test 부문 등이 있다. LCD 패널이 고전압으로 구동되므로 저전력 설계기술이 필요하며 액정 구동에 필요한 고전압 전원을 생성 및 출력시키는 아날로그 회로(빌트인 파워 회로는 오실레이터, DC-DC 컨버터, 전압 레귤레이터, 전압 드라이버로 구성)기술이 포함돼 있어 설계가 어렵고, 생산 공정에 대한 노하우(패키징, 테스트 부문)도 중요하다.DDI는 디스플레이의 사이즈 및 해상도가 증가할수록 설계가 어려워지는 특성이 있어 휴대전화 등 소형 디스플레이기기용 DDI보다는 LCD 모니터, LCD TV 등 중대형 디스플레이용 DI 분야로 갈수록 개발 난이도가 더욱 높아진다. 또한 DDI는 해상도가 높아질수록 더 많은 칩이 필요하다. 이 때문에 이 반도체의 기술 진화 요소 가운데 중요한 것이 멀티채널화다. 멀티채널화는 드라이버 칩의 출력 핀 수를 늘리는 노력으로, 이를 통해 패널당 부착해야 하는 개수를 줄일 수 있어 원가절감에 유효하다. 현 주력은 384∼480채널로 2006년에는 1,026채널까지도 일반화될 것으로 보인다. 17인치(SXGA 1280×1024) LCD 패널 구동을 위해서는 384채널은 10개의 DDI가 필요한 반면 1,024채널은 단 4개로 처리 가능하다.2003년 기준으로 2008년을 전망해 보면 패널 면적의 증가는 3.3배가 예상되나 드라이버 IC의 개수의 증가는 약 1.7배가 예상된다. 그러나 기존 디자인 룰만으로는 늘어가는 칩 크기를 감당할 수 없으므로 패드 간격 감소를 통한 디자인 룰을 낮추는 방법도 동시에 시도되고 있다.또한 TV 수요가 본격화됨에 따라 10비트 제품의 비중도 증가되고 있다.칩의 디자인 룰도 미세화가 가속돼, 0.6㎛에서 최근에는 0.35㎛으로 정착됐으며 0.18㎛ 공정 도입도 검토되면서 칩 원가 절감이 빠르게 진행되고 있다. 특히 기존의 0.35㎛ FAB의 감가삼각은 완료되었고 일반 반도체 칩의 디자인 룰이 0.18㎛이하가 주종을 이루면서 구동 IC의 디자인 룰도 낮아지고 있다.LCD 구동을 위해 DDI를 LCD 패널과 연결시키기 위해서는 COB(Chip on Board), COG(Chip on Glass), COF(Chip on Film), TAB(Tape Automated Bonding) 등 여러 가지 실장기술이 쓰이고 있다. 이는 과거 새그먼트(Segment) 방식의 LCD 또는 낮은 해상도의 패널의 경우 다리 수가 적어 DDI가 PCB 위에 있고, 보드의 다리를 패널과 HSC(Heat Seal Connector) 또는 Elastomeric 커넥터로 연결하는 것이 용이했으나 점차 고해상도화 되어감에 따라 많은 수의 다리를 갖게 되는 DDI를 장착하기가 어렵되었기 때문이다. TAB의 경우를 예로 들어보면, DDI를 캐리어 테이프 위에 장착함으로서 이러한 문제를 해결한 방법이다.현재 TAB은 2004년을 정점으로 점차 줄어들고 있으며 COF가 대세를 이루고 있다. 물론 모바일 제품에는 COG가 대세이긴 하나 중대형 제품에는 COF가 가장 많은 비중을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 현재 주종을 이루고 있는 COF의 패드 피치(Pad Pitch)는 35㎛이며 향후 20㎛까지 지속적으로 줄어들 것으로 보인다. 일부 대만 업체(AUO, CMO)에서 중대형 제품에도 COG를 적용하고 있으나 주로 모니터나 노트북용 제품에 채택되고 있으며 전체적인 물량을 기준으로 보면 그렇게 큰 비중을 차지하고 있지 않다.응용 영역별로 가장 많이 쓰이는 패키지 방식을 살펴보면 노트북용 DDI는 기존 TAB 방식이 COF 방식으로 전환되면서 2006년 이후 대세를 이룰 것이며 COG 방식도 작은 비율이지만 커질 것으로 예상된다. LCD TV 분야에서는 TAB, COF 방식이 모두 증가 하지만 COF 방식이 점차 비중을 넓힐 것으로 예상된다. PDP TV 분야에서는 TAB 방식이 비약적으로 증가하여 기존의 FPC 방식을 대체할 것으로 예상된다. 마지막으로 휴대폰용 DDI에서는 COG가 압도적인 점유율을 보이고 있다. 인터페이스 방식으로는 주로 병렬 방식인 RSDS(Reduced Swing Differential Signaling) 방식이 주류를 이루나 일부 대만 업체들을 중심으로는 아직 TTL 방식도 쓰이고 있다. 아직 물량으로 볼 때 RSDS 방식이 주된 품목이며 최근 Mini LVDS(Low Voltage Differential Signals) 방식 등 하이 스피드 인터페이스 방식으로의 전환이 본격화 되고 있다. 또한 기존의 RSDS나 Mini-LVDS 방식과는 달리 고속 직렬 인터페이스 방식인 TLDS(Ternary Lines Differential Signaling), CICC(Current mode Interface Cascade COG) 등으로의 전환도 본격화 되고 있다. 고속 직렬 인터페이스 방식은 데이터 전송방식에 따라 소비전력을 줄이고 칩간 전송 회선수를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 기존 병렬 방식 DDI는 필름을 사용한 TCP나 COF 등의 값비싼 패키지를 사용한 반면 직렬 방식 DDI는 직접 LCD 패널에 DDI를 붙이는 COG 방식을 채택할 수 있어 비용을 한층 절감할 수 있는 장점이 있다.맺음말디스플레이 제품의 핵심 부품인 DDI는 반도체 산업에 속한 제품이긴 하지만 전체 디스플레이 시장에 큰 영향을 끼치고 있다. 특히 디스플레이 제품의 성능이 고도화 되어가고 동시에 수요확대를 위한 원가 절감의 요구도 어느 때보다 커짐에 따라 드라이버 IC 기술개발이 크게 요구되고 있다.국내 DDI 산업은 디스플레이 산업과 함께 그 시장 규모가 급격히 성장하고 있고 국내 기업들이 디스플레이 산업의 강점을 살려 크게 성장할 수 있는 분야로 지속적인 투자만 적기에 이루어진다면 메모리 산업처럼 국가 경제에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.본 내용은 정보통신부 국책과제의 하나인 ‘정보처리단말기용 영상신호구동 및 입력 IC’의 내용을 토대로 시장/기술 동향을 기술한 것임.

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김가희 (webmaster@techworld.co.kr)

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