이 글의 목적은 하드웨어 및 소프트웨어 모두의 관점에서 e리더 구현 시의 옵션과 과제를 논의하는 것이다.
e리더의 설계 방법에 대해 논의하기 전에, 먼저 e리더가 주목을 받고 있는 이유에 대한 시장 관측에 이어 e리더를 정의하는 배경, 다른 유형의 디바이스와 차별화되는 특징에 대해 알아보는 것이 중요하다.
글 : 데릭 필립스(Derek Phillips) /
컨수머 세그먼트 마케팅 매니저
자료 제공 : 프리스케일 반도체 / www.freescale.com
e리더 개요
e리더는 새로운 개념이 아니며, 지난 10여 년 동안 여러 회사에서 다양한 제품을 소개해왔다. 현재의 시장이 특별한 이유는 그 성장세에 있다.
아마존 킨들(Amazon Kindle™) 시리즈, 소니(Sony짋) PRS 시리즈, 반즈 앤 노블 누크(Barnes & Noble Nook™) 등과 같은 제품은 모두 이전 제품을 크게 뛰어넘는 상업적 성공을 거두었다.
이러한 성공의 이유에는 여러 가지 다양한 이유가 있겠지만, 모든 제품이 가지고 있는 공통점은 고품질 제품에 최종 사용자에게 편의성을 제공하는 콘텐츠에 대한 간편한 액세스가 결합되었다는 점이다.
가격이 $99에 도달하면 e리더 수요가 대폭 증가할 것이라고 여러 소비자 설문 조사에서 밝혀진 것을 고려할 때 차후의 성장 여부를 결정할 요소는 바로 비용 절감 역량이다.
현재의 e리더를 특별하게 만들어주는 몇 가지 차이점이 있다. 그 중 하나는 독서라는 활용 사례이다. 독서 중에는 사용자가 같은 화면을 오랜 시간 동안 볼 수 있다. 현재의 e리더 기술은 이러한 활용 사례를 활용하여 배터리 사용 시간을 일 단위가 아니라 주 단위로 늘렸다.
이 글의 목적상 e리더 디스플레이를 EPD(전자종이 디스플레이)라고 정의하겠다. e리더란 실제로 독서에 사용할 수 있는 모든 디바이스
(태블릿, 스마트폰 등)를 가리키며 장래에 여러 가지 다양한 유형의 디스플레이가 사용될 수 있으므로 이는 엄밀히 말하면 사실이 아니다.
다만 현재 일반적으로 e리더로 판매되는 디바이스 종류는 대부분 EPD 디스플레이를 사용하므로 이 문서에서는 EPD 기술에 중점을 둘 것이다.
EPD의 장점은 쌍안정성(bistable)이다. 이는 업데이트 없이 이미지를 유지할 수 있음을 의미한다. 또한 시스템이 작업 후 전원을 차단하여 배터리 사용 시간을 연장할 수 있다(그림 1 참조).
현재 EPD 스크린은 LCD보다 리프레시 레이트가 느리다. 이어서 논의하겠지만, 시스템 설계자는 e리더 소프트웨어를 설계 및 구현할 때 이 문제를 반드시 고려해야 한다. EPD의 또 다른 장점은 반사형이라는 점으로, 이는 실내 주변 조명을 사용하여 볼 수 있음을 의미한다.
백라이트가 필요하지 않으므로 배터리 사용 시간이 상당히 절약된다. 더불어, 빛이 있는 곳이라면 실내외에 관계없이 디바이스를 사용할 수 있다.
e리더 하드웨어 설계
블록도 측면에서 보면, e리더 디자인은 SOC를 중앙 프로세서로 사용하며 스크린 및 다수의 연결 옵션이 있는 다른 여러 휴대용 전자장치와 유사하다. 그림 2에 프리스케일 e리더 솔루션의 블록도가 나와 있다.
e리더를 선택할 때 다음과 같이 다양한 옵션을 고려할 수 있다.
연결 기술
기능 세트와 목표 가격에 따라 USB 디바이스, WIFI 또는 3G 모뎀 중에서 하나 이상의 연결 기술을 포함시킬 수 있다.
USB 디바이스: 일반적으로 콘텐츠 다운로드, 충전, 소프트웨어 업데이트에 사용된다. 가장 저렴한 연결 옵션이므로 현재 대부분의 디바이스에 장착되어 있다.
WIFI: USB에 비해 편리하게 무선으로 컨텐트에 액세스할 수 있다.
3G 모뎀: 최상의 편의성을 제공하며 지속적인 연결이 가능하지만, 3G 모뎀은 가격 또한 가장 높다. 더불어, 사용하려면 통신회사와 페어링(pairing)을 해야 한다. 시스템 설계 측면에서 보면, 3G 모듈은 가격적으로 부담이 되지만 인증과 기본 기능 구현에 필요한 노력을 대폭 줄여준다.
블루투스(Bluetooth짋) 무선 기술: 블루투스는 오디오 스트리밍 또는 스마트폰 테더링(tethering)을 통한 컨텐트 액세스에 사용할 수 있다.
센서
현재 e리더에 채택되는 센서 시스템은 일반적으로 터치 스크린 또는 가속도계 방식이다.
터치 스크린: 저항식, 정전용량식, 유도식, 음파식 터치, 광학식 터치 등 다양한 터치 스크린 기술을 e리더에 적용할 수 있다. e리더의 EPD 스크린은 최대 명암비일 때가 가장 보기 좋다.
따라서 저항식 터치와 같이 오버레이가 필요한 기술은 명암비를 감소시키므로 사용자 만족도를 저해할 수 있다. 음파식 터치는 전면 오버레이 없이 손가락을 사용하여 선택하는 기능을 제공하며, 광학식 터치도 오버레이 없이 손가락 또는 스타일러스를 사용할 수 있다.
각각의 기술은 고유한 기술적 과제가 있으며, 이는 별도의 논문으로 다루어야 한다. 또한 가장 인기 있는 e리더 중 일부는 터치 인터페이스를 사용하지 않도록 선택했다는 점도 주목해야 한다.
가속도계: 가속도계는 사용자에게 자연스럽게 세로 모드에서 가로 모드로 변경하는 기능을 제공한다.
메모리
e리더에는 부트 코드와 실제 도서용으로 시스템 RAM(DDR) 및 일종의 스토리지 메모리(원시 NAND, eMMC 등)가 필요하다.
대개 배터리 사용 시간을 극대화하기 위해 RAM으로는 LPDDR2 및 mDDR이 사용된다. 저가형 시스템에는 DDR2를 사용할 수도 있지만 배터리 사용 시간이 짧아진다.
eMMC는 일반적으로 대용량 데이터 스토리지에 사용되며, RAW NAND 또한 옵션이 될 수 있다. 경우에 따라 패널 전용 정보를 담는 데 SPINOR을 사용할 수 있다.
오디오
모든 e리더에 필요한 것은 아니지만, 오디오는 사용자에게 오디오 북을 듣거나, 새로운 언어를 배울 때 단어의 번역을 듣거나, 음성 메모를 녹음하는 기능을 제공한다.
키보드/조이스틱/버튼
터치 스크린을 사용하지 않을 경우, e리더에 페이지를 변경하거나 텍스트 및 제목을 검색할 수 있는 수단이 포함되어야 한다. 여기에는 키보드, 화면의 키보드를 조작하는 조이스틱 및/또는 버튼을 사용할 수 있다.
스크린 요구사항
EPD 스크린을 구동하려면 특별한 컨트롤러가 필요하다. 이 컨트롤러는 화면 업데이트 요구 인식과 전력 절감이 필요할 때 화면을 끄는 방법에 그 독특함이 있다. 표준 LCD 컨트롤러는 EPD 패널과 호환되지 않는다.
현재 시판되고 있는 거의 모든 e리더의 EPD 컨트롤러는 외부 컨트롤러이다. 차세대 아키텍처에서는 비용 절감 조치의 하나로 EPD 컨트롤러가 SOC에 통합되고 있다. 통합형 컨트롤러의 장점으로는 시스템 메모리 공유가 가능하다는 점과 시스템 BOM의 상당량이 감소된다는 점을 들 수 있다.
EPD 컨트롤러는 하드웨어 또는 소프트웨어에서 구현 가능하다. HW 컨트롤러는 성능 및 전력상의 장점을 제공한다. 성능상 장점은 메모리에서 직접 DMA가 가능한 전용 하드웨어 블록에서 기인한다. 절전 특성은 SOC 코어가 저전력 모드일 때 EPD 컨트롤러가 패널을 업데이트할 수 있는 기능 때문이다.
전원 관리
다른 일반적인 휴대용 디바이스와 마찬가지로 SOC, 충전 및 나머지 시스템에 대한 전원 관리 기능이 제공되어야 한다. 또한 EPD 디스플레이용으로 특별한 전원 관리 IC가 포함되어야 한다. EPD PMIC는 패널 백플레인에 필요한 높은 바이폴라 전압을 제공한다.
더불어, 일반적으로 패널 PMIC는 온도 센서가 기판에 통합되어 있다. 이 센서는 SOC에서 시스템의 온도 차이를 감지하고 필요한 변경을 적용할 수 있도록 EPD에 장착된다.
소프트웨어 시스템 설계
대부분의 시스템과 마찬가지로 e리더의 소프트웨어 설계 또한 하드웨어 설계에 필적하는 영향력을 가진다.
소프트웨어 설계에 반드시 EPD 자체의 상이한 특성과 함께 시스템의 활용 사례가 적용되어야 한다.
또한 폰트 스케일링, 사전 및 검색 기능, 다양한 파일 유형의 디코딩 및 렌더링, 사용 편의성(경쟁 상대가 책임) 등 독서 환경을 강화하는 데 필요한 기능이 통합되어야 한다.
이 글의 목적상 소프트웨어 설계의 절충안이 제시될 것이다. 자세한 구현 내용의 대부분은 스크린 제조사의 독점 기술이다.
개방형 대 폐쇄형 시스템
먼저 간단한 정의가 필요하다. 개방형 시스템이란 타사 프로그램의 다운로드가 허용되며, 시스템에서 사용되는 애플리케이션과 데이터를 제조사가 통제하는 것이 아니라 사용자가 결정하도록 설계된 시스템을 의미한다. 가장 쉬운 예로 PC를 들 수 있다.
반면에 폐쇄형 시스템은 로드할 수 있는 애플리케이션 또는 데이터가 통제된다. 그 예로 게임기를 들 수 있다. 폐쇄형 시스템에서도 애플리케이션(게임)을 사용할 수 있지만, 사용할 수 있는 애플리케이션과 로딩 방식에 대한 통제권을 제조사가 가진다. 개방형 시스템은 유연성을 제공하지만 비호환성으로 인한 문제에 취약하다. 폐쇄형 시스템은 유연성이 떨어지지만 호환성 문제를 테스트하기가 훨씬 수월하다.
e리더는 현재까지 폐쇄형에 가까운 독특한 상황을 유지했지만, 안드로이드(Android™)가 확산되면서 일부 제조사는 개방형으로 선회하고 있다.
그 이유(및 결정)는 앱스토어의 앱(Apps)과 호환되도록 만들고자 하는 것이다. 다만 앱스토어의 앱이 디바이스와 호환되지 않을 수 있다는 위험 요소도 있다. 그 보완책은 테스트가 완료되고 사용자가 액세스할 수 있는 앱의 서브셋을 설정하는 것이다. 이는 본질적으로 폐쇄형 시스템이지만 최종 사용자에게 추가적인 유연성을 제공한다.
일부 폐쇄형 시스템의 경우 최종 사용자에게 한 애플리케이션만 제공할 수 있다. 사용자는 해당 디바이스를 특정 기능에만 사용할 수 있으며 OS가 노출되지 않는다.
드라이버
어떤 OS를 사용하든 EPD 컨트롤러에 맞는 드라이버가 필요하다. 드라이버는 EPD 컨트롤러에 대한 소프트웨어 인터페이스로, 프레임 버퍼에서 정보를 가져오고 컨트롤러를 통해 패널을 업데이트하는 역할을 한다.
드라이버는 화면의 느린 리프레시 레이트를 인식해야 하며, 차후 발생 가능한 문제를 처리할 수 있어야 한다.
예를 들어, 화면 업데이트 도중 업데이트되는 영역과 동일한 물리적 영역에서 프레임 버퍼가 변경되는 경우 어떤 일이 발생하겠는가? 언급한 것처럼 특정 솔루션은 독점 기술이지만, 시스템 설계자가 이 분야에 정통해야 하며 드라이브 공급업체에 이러한 문제를 해결하는 데 어떤 옵션을 사용할 수 있는지에 대한 설명을 요청해야 한다.
OS 및 드라이버
현재 리눅스(Linux짋), 안드로이드, 윈도우 CE(Windows짋 CE)로 실행되는 e리더가 있으므로, 어떤 OS든 e리더에 사용할 수 있다. 하지만 애니메이션, 비디오 또는 어떤 것이든 높은 프레임 레이트를 요구하는 항목은 선택할 수 없다.
EPD 스크린은 60Hz LD 스크린과 같은 방식으로 업데이트할 수 없으므로 프레임 레이트가 높은 항목을 제거하는 조치를 취하지 않으면 광학적 왜곡이 발생한다. OS 디스플레이 프레임워크는 애플리케이션에서 일정한 프레임 업데이트에 대해 충실도와 속도 사이의 절충을 할 수 있도록 설계되어야 한다.
폐쇄형 시스템의 경우 적절한 프레임 업데이트를 선택하고 애니메이션 또는 기타 프레임 레이트가 높은 이벤트가 발생하지 않도록 애플리케이션을 설계할 수 있으므로 이는 문제가 되지 않는다.
소프트웨어 설계자는 OS를 발표할 때 항목이 애니메이션 없이 간단하게 표시되도록 OS GUI가 업데이트되었는지 확인해야 한다(예를 들어 표시되거나 사라지는 메뉴는 괜찮더라도 메뉴 스크롤은 정확하게 표시되지 않을 수 있음).
애플리케이션
애플리케이션은 e리더를 컨텐트와 결속시키는 존재이므로 e리더 소프트웨어에서 가장 독점적인 부분이다. 가장 간단하게 생각하면, e리더를 PC에서 책을 로드하고 콘텐츠를 여는 메뉴가 제공되는 대용량 스토리지 디바이스로 설계할 수 있다.
반대로 생각해보면 애플리케이션이 오직 한 위치에서만 콘텐츠를 로드하도록 허용하는 스토어 프런트가 될 수도 있다. 현재는 안드로이드 앱 등을 통해 스토어 프런트를 제공하려고 하는 콘텐츠 제공업체가 여러 곳이 있다.
실제로는 두 가지의 조합(스토어 액세스 + 공개 문서 출판 기능)이 아마도 최선일 것이다. 소비자는 무료 컨텐트를 액세스하고 소비할 수 있다고 믿고 싶어한다. 실제로는 소비자가 궁극적으로 가장 즐겨 사용하는 컨텐트에서 비롯된 편의성의 미끼일 수 있다.
어떠한 경우든 시스템이 폐쇄형이라면 EPD의 느린 프레임 레이트를 따르며 OS 수준의 수정을 줄이거나 없애도록 애플리케이션을 설계할 수 있다.
콘텐츠
일반적으로 콘텐츠는 시스템 설계 자료의 일부가 아니지만, e리더의 성공 여부는 본질적으로 디바이스가 콘텐츠와 얼마나 잘 결속되어 있는지에 달려있다.
기술적으로 뛰어난 e리더를 생산했지만 성공하지 못했던 업체도 여럿이 있다. 이러한 실패는 콘텐츠 전략이 e리더 설계 과정의 일부가 되어야 한다는 사실을 나타낸다.
경쟁 상대가 책이라면, 무료든 상점에서 구입한 것이든 콘텐츠의 액세스 및 다운로드 방식이 간단해야 한다. 소비자들은 일관적인 형식의 책에 익숙해져 있으므로 형식도 고려되어야 한다.
확대/축소 기능, 책 전반에 걸쳐 일관적인 디스플레이, 그리고 궁극적으로 사용 편의성이 연결 기술보다 성공에 더 중요한 요소가 될 수 있다. 단어 또는 문자 검색, 언어 번역과 같은 언어 기능 또한 고객이 원하는 편의성 중 일부일 수 있다.
프리스케일 e리더 시스템 솔루션
그림 2에서 볼 수 있는 것처럼 프리스케일은 i.MX508 SOC, MC13892 전원 관리 IC, MMA7660 3축 가속도계, MPR121 정전용량식 근접 센서, SGTL5000 오디오 코덱 등 포괄적인 e리더 솔루션을 공급하고 있다.
i.MX508: ARM Cortex-A8 기반의 SOC로 동급 최상의 성능, 절전 기능, 시스템 BOM 감소 기회를 제공한다.
유연성: i.MX508은 간단히 패널 및 연결 옵션을 변경하는 것으로 보급형에서 최상급 성능까지 확장 가능하다. 나머지 시스템은 동일하게 유지할 수 있다.
성능: 이 SOC는 800MHz Cortex A8 코어를 기반으로 266MHz의 LPDDR2 메모리 지원과 통합형 EPD 컨트롤러를 제공한다. 하드웨어 EPD 컨트롤러는 가장 큰 차세대 디스플레이를 지원할 수 있는 HD급의 비디오 대역폭을 지원한다.
전원: i.MX508 하드웨어 EPD 컨트롤러는 페이지 업데이트 도중 ARM 코어가 절전 모드에 진입하는 것을 지원하므로 상당한 절전 효과를 제공한다. 더불어 극히 낮은 메모리 전력을 소비하는 LPDDR2도 지원된다.
시스템 비용: EPD 컨트롤러가 통합되었으므로 외부 EPD 컨트롤러 및 관련 메모리 비용을 고려할 때 BOM에서 약 5~10달러가 절감될 것으로 예상된다. 저가형 시스템용으로 mDDR 및 DDR2도 지원된다.
더불어 USB 포트 2개가 PHY와 함께 통합되어 있으므로 외부 구성요소가 필요하지 않다. EPD 컨트롤러는 글루 로직 없이 EPD를 직접 구동한다.
MC13892: 통합형 전원 관리 IC로, i.MX508을 구동하는 데 필요한 레일과 함께 싱글 셀 리튬이온 배터리용 충전 회로가 포함되어 있다. 또한 저항식 터치 스크린 컨트롤러도 포함되어 있다.
MMA77660은 비용 효율적인 3축 가속도계이다.
MPR121 정전용량식 근접 센서는 기계식 스위치 없이 산업 디자인의 스킨 위에 터치 "버튼"을 구현할 수 있도록 해준다.
SGTL5000은 스테레오 입출력과 더불어 통합형 헤드폰 잭을 지원하는 오디오 코덱이다.
결론
e리더 시스템 설계에는 스크린 요구사항과, 하드웨어 및 소프트웨어 설계에 이러한 요구사항이 어떻게 적용되는지에 대한 이해가 필요하다. 하드웨어의 경우, 일반적으로 시스템 목표 가격에 따라 연결 옵션이 결정된다.
소프트웨어 측면에서는 폐쇄형 및 개방형 시스템 중 어떤 것을 선택하는지에 따라 애플리케이션에만 또는 전체 시스템에 걸쳐 화면 기능이 지원될 것인지가 결정된다. 최종 아키텍처에 관계없이 콘텐츠는 성공에 핵심적인 부분이며, 가능하다면 설계 과정에서 반드시 고려되어야 한다.
프리스케일이 제공하는 하드웨어로는 i.MX508 SOC, MC13892 전원 관리 IC, MMA7660 3축 가속도계, MPR121 정전용량식 근접 센서, SGTL5000 오디오 코덱 등이 있다. 또한 시스템 솔루션의 일부로 리눅스, 안드로이드, WinCE에 대한 OS 지원을 제공한다.
i.MX508은 이 성장하는 시장에서 고객의 성공을 지원할 수 있는 성능, 저전력 및 시스템 비용 절감 효과를 통해 현재와 미래의 e리더 솔루션에 적합하게 단일 플랫폼으로 여러 계층의 제품에 걸쳐 확장할 수 있는 유연성을 제공한다.
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