오스트리아마이크로시스템즈
글: 마커스 루이돌트(Markus Luidolt)/
오스트리아마이크로시스템즈(www.austriamicrosystems.com)
휴대폰은 몇 년 전부터 백라이팅 용으로 LED를 사용하고 있다. 현재 LED 기술은 대형 LCD 패널용 LED 백라이팅 뿐 아니라 일반 조명 분야로 빠르게 확대되는 추세이다. LCD 스크린 부문에서 처음으로 LED를 채택한 애플리케이션은 오늘날 대부분 LED 백라이팅을 사용하는 노트북이다. 이는 CCFL에 비해 LED가 보다 친환경적인 소자일 뿐 아니라 박막 및 에너지 소비 감소의 이점을 제공하기 때문이다.
LED 백라이팅의 다음 단계는 TV이며, 이미 2009년부터 대중 시장에서 채택되기 시작했다. 아이서플라이와 같은 시장조사기관에 따르면, 2013년까지 전체 LCD TV의 40%가 LED 백라이팅을 사용할 것으로 보인다.
LED 백라이팅을 사용하는 가장 중요한 이유는 다음과 같다.
- 각각의 블록 디밍을 통해 직접 백라이팅을 사용한 시스템에서 최고의 명암비가 구현된다. 예: LG TV의 최신 제품에서 3,000,000:1의 뛰어난 명암비 구현
- 로컬 디밍으로 스크린 상의 움직임이 강조될 수 있다.
- 얇은 패널 설계가 가능하며 특히 에지 라이트 모델에 있어서 1인치 이하의 두께가 실현될 뿐 아니라 직하 라이팅 모델의 경우에도 1인치 두께가 가능해지고 있다.
- RGB LED 모듈은 표준 백라이트 기술(CCFL)에 비해 컬러 재현이 훨씬 우수하다.
- 그리고 LED 백라이팅을 채용한 TV는 현재 사용되는 CCFL 기술에 비해 훨씬 더 환경 친화적인데, 그 이유는 무수은 제품이면서 에너지 소비도 크게 감소시킬 수 있기 때문이다.
이 글에서는 LED 구동 시 고려해야 할 점과 최상의 성능을 실현하는 방법 등에 대해 살펴보고자 한다. 최상의 성능은 광학 및 열 모두에서 최고의 총체적인 시스템 성능을 의미한다.
LED 구동 - 우수한 광원 균일성 구현
LED 휘도는 LED 광원을 통한 전류 흐름에 의해 결정되므로 LED 구동 회로는 LED를 전도시킨 후 광도 조절을 위해 전류를 조절하기 때문에 충분한 전압을 제공해야 한다. 백라이팅 시스템에서 휘도는 LED 타입, 전류, 광학 및 LED 수에 의해 특징 지어진다.
LED TV 에지 방식은 보통 20개 이하의 LED 스트링을 사용해 단지 2면, 가끔은 4면에서 패널에 광원을 제공한다. 그러나 어떤 LED도 LCD 패널 뒤에 직접적으로 장착되지는 않는다. 이와 대조적으로 직하 방식의 라이팅 아키텍처는 최고의 명암비를 적절히 지원하기 위해 100개 이상의 LED 채널을 개별적으로 디밍 할 수 있다. 최고 명암비에 도달하기 위해 백라이트는 여러 블록으로 나누어진다. 이 '블록 디밍(block dimming)' 결과는 반드시 필요한 백라이트 부분만 구현시켜 TV 이미지의 명점(bright spot)은 매우 밝게 하고 어두운 부분은 아주 검게 한다.
두 가지 아키텍처 모두 LED 채널 간의 전류 편차가 최소화되어야 한다. 백색 LED 시스템의 경우, 백라이팅 시스템의 전류 편차에 의해 야기되는 휘도 변동이 스크린 상에 나타나게 된다. RGB 아키텍처에서는 부정확한 드라이버 아키텍처로 인해 화이트 밸런스를 제대로 구현할 수 없다는 점이 문제가 된다.
매우 정교한 LED드라이버만이 편차를 최소화하는데 여기에서는 채널간의 정확성뿐 아니라 소자간의 정확성도 매우 중요한 요소가 된다. 그림 1은 이에 대한 LED 전류 싱크 아키텍처의 다른 예를 보여주고 있다. 분명한 목표는 전압 변화에도 전류 싱크 상의 전류가 안정적이어야 한다는 것이다.
여러 종류의 저가 LED 드라이버는 매우 단순한 전류 미러 아키텍처를 사용하는데 이는 상당히 많은 전류 변동의 원인이 된다. 오스트리아마이크로시스템즈의 LED 드라이버에 채택된 첨단, LED 드라이버 아키텍처에는 매우 정밀하게 트리밍된 레퍼런스 전압을 사용한다. 이 드라이버와 컨트롤러 제품들은 이상적인 전류 싱크에 접근하게 되는데 이 경우 채널간 또는 하나의 드라이버 소자에서 다른 소자까지는 단지 0.5%의 전류만 변동된다.
또한 LED 드라이버의 전류 편차가 낮을수록 높은 편차의 LED가 허용될 수 있는 것은 디자인에도 도움이 된다. LED 자체는 LED 백라이팅 시스템에 있어서 가장 큰 가격 요소이므로 LED 가격을 낮출 수 있는지 여부가 고려되어야 한다.
LED 구동 - 전력 손실을 막는 방법
전력 손실은 LCD 백라이팅 시스템의 LED 구동에 있어 가장 중요한 요소 중 하나이다. 이 문제가 중요한 이유는 상온에서 최대 70°의 온도와 이상적으로는 45°의 온도가 시스템에서 구현되어야 하기 때문이다. 이 목표는 TV가 점점 얇아지면서 실현하기 어려워졌고, 이로 인해 최적의 열 설계는 매우 중요한 요소가 되었다. 요약하자면, 소비자들은 슬림 타입의 TV를 선호하므로 더 나은 열 설계는 더 얇은 TV 모델을 만들어내고 결과적으로 더 높은 판매량으로 연결된다.
일반적으로 두 가지가 이뤄져야 하는데 이는 매우 단순한 듯 하나 실제로는 그렇지 않다. 첫째로 높은 전력 손실을 방지해야 하며 둘째로 이를 잘 관리해야 한다.
높은 전력 손실을 방지하는 이상적인 방법은 LED의 전압 요구에 적합한 출력 전압을 갖고 있는 DC/DC 컨버터를 LED 스트링 당 하나씩 갖는 것이다. 각 LED 스트링에서 필요한 전압은 LED 스트링의 Vf와 주변온도 및 에이징 효과에 의해 다르게 공급될 수 있다. (그림 2 참조) 그러나 이 솔루션의 약점은 가격이 높다는 것과 많은 LED 스트링 기반의 아키텍처에 실용적이지 않다는 것이다.
최저 가격의 솔루션은 모든 LED 스트링을 하나의 DC/DC 컨버터로 구동하는 것이다. 그러나 이러한 구성으로는 드라이버에서의 손실이 최고치에 이르므로 열 관리가 더욱 어렵게 된다. 오늘날 대량 생산에 채택된 최신 설계의 접근 방식은 주로 여러 개의 DC/DC 컨버터가 제각기 여러 개의 LED 스트링을 단독으로 조절한다는 것이다. 이 아키텍처를 이용하는 것이 가능한 한 가장 낮은 가격으로 효율성을 높이는 합리적인 접근 방식이 될 것이다.
이러한 전력 손실을 피할 수 있는 유일한 방법은 더 낮은 바이어스 전압을 보유한 LED에 들어가는 파워공급을 줄이는 것이다. LG 디스플레이와 공동 개발된 AS369x 시리즈는 필수 전압 출력만을 공급하므로 전력 손실을 최소화하기 위해 외부 전력 공급을 자동으로 조절하며 그 결과 전력 효율성이 뛰어난 시스템을 구현할 수 있게 되었다.
다수의 AS369x LED 드라이버의 피드백 제품들은 최적의 출력 전압을 실현하기 위해 하나로 연결될 수 있다. 어떤 아키텍처든 전압 출력은 '최악의 LED 스트링'인 경우에도 자동으로 잘 적용되도록 해야 한다. 오스트리아 마이크로 시스템즈의 LED 드라이버에 내장된 피드백 시스템처럼 스마트한 피드백 시스템은 아주 유연하게 여러 개의 피드백 라인이 여러 개의 DC/DC에 연결될 수 있어야 한다.
추가적으로 최적화된 발열 분산 또한 매우 중요한데 하나의 방법은 트랜지스터가 내장된 LED 드라이버 대신 외장 FET를 사용하는 LED 컨트롤러 IC를 통해 전력 손실을 분배하는 것이다(그림 3). 또한, PCB 쿠퍼(copper) 부분을 효과적으로 사용한 열관리를 통해 많은 것을 실현할 수 있다. 다양한 설계의 열 측정을 바탕으로 상당한 기술적인 노하우가 쌓였으며 이를 활용해 여러 가지 IC 패키지를 이용한 애플리케이션 노트가 준비되어 있다.
저개발 비용으로도 모든 사이즈의 디스플레이와 시스템 아키텍처 처리하기
오늘날 LED 백라이팅 설계자들이 겪는 어려움은 시장이 아직 성숙되지 않았다는 것이다. 이로 인해 다양한 디스플레이 크기, 에지 혹은 측면 방식의 LED 백라이팅 아키텍처, 백색과 RGB 시스템 방식 등 다양한 형태의 TV가 혼재하고 있다.
또한 LED 드라이버가 TV 내부 중 별개의 LED 드라이버 보드에 장착되느냐 혹은 주요 파워서플라이 보드에 장착되느냐에 따라 복잡도는 더해진다. 일부 시스템은 별개의 백라이트 MCU를 통해 LED의 복잡한 컨트롤을 필요로 하지만 단순한 시스템은 단지 PWM 신호만으로도 필요한 휘도를 얻는다.
필수조건에 따른 명백한 사실은 위의 모든 조건에 맞는 하나의 드라이버 제품이 존재하지 않는다는 것이다. 따라서 여러 형태의 패키지로 공급되면서도 모든 타입의 아키텍처를 지원하는 별개의 성능을 지닌 LED 드라이버와 LED 컨트롤러 IC 모두를 제공하는 공급업체를 확보하는 것이 중요하다.
이 LED 드라이버는 각기 다른 스크린 사이즈에 맞는 모듈러 접근 방식을 확보하기 위해 쉽게 확장이 가능해야 한다. 물론 모든 제품들은, 그리고 곧 출시되는 신제품까지도 100% 소프트웨어 호환성을 가져야 한다. 이는 또 다른 매우 중요한 명제를 필요로 하는 바, 이 소자를 공급하는 회사는 향후 지속적인 투자 전략을 가지면서 신속하게 타임투마켓을 제시할 능력이 있어야 한다. 그래야만 미래의 TV 제품들이 유사한 하드웨어 아키텍처와 동일한 소프트웨어 아키텍처를 사용하면서 이처럼 급속하게 성장하는 시장에서 요구하는 최신의 특징들을 수용할 수 있게 될 것이다.
결론
LED 백라이팅 시스템 개발은 더 이상 신기한 것이 아니다. 오늘날 많은 정보와 지식을 통해 성공적인 상용화가 이뤄지고 있다. LED 드라이버 분야에서 올바른 파트너 선택은 어떤 회사든지 가장 중요하게 고려해야 할 사항 중 하나이다. 그 중에서도 가장 핵심적인 요건은 가장 최신의 기술을 반영한 선도적인 제품 성능을 제공함과 더불어 최고의 스펙과 최적의 광학 및 열 성능을 위해 필요한 모든 시스템 요구 사항을 이해하고 있는 시스템 애플리케이션 팀과 엔지니어링이 조화를 잘 이뤄야 한다는 것이다.
시장을 선도하는 한국 TV 생산업체들이 선택한 드라이버 공급 업체인 오스트리아마이크로시스템즈는 한국형 애플리케이션에 대한 전문 지식을 갖춘 최상의 엔지니어들을 통해 한국에서 진행되는 여러 가지 LED 백라이팅 프로그램을 성공적으로 지원할 만큼 모든 경험을 보유하고 있다.
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음