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Display Driver IC의 동작 원리와 역할

디스플레이는 다양한 이미지와 영상 정보를 인간에게 시각적 정보를 제공해주는 매개체로의 현대 사회에서 없어서는 안 될 존재입니다. 디스플레이는 평면형 (flat), 곡선형 (flexible), 굽은형 (bendable), 연신형 (stretchable) 등 다양한 형태와 백라이트형 (BLU, Back Light Unit), 유기발광형 (OLED, Organic Light-Emitting Diode), 무기발광형 (Mini/Micro Light-Emitting Diode) 등의 다양한 광원들로 발전되고 있습니다. 본 회차에서는 다양한 디스플레이 형태와 광원속에서도 필수적인 요소로 고려되는 Display Driver IC(이하 DDI)를 살펴보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

* DDI가 디스플레이의 어디에 배치되어 있는지 아시나요?

DDI는 그림 1과 같이 빛이 발광하지 않는 베젤 (Bezel) 영역에 배치되어 있습니다. 디스플레이의 사이즈에 따라 DDI의 배치가 다소 달라지는 것을 확인할 수 있습니다. 여러분들이 시청하시는 스마트 TV, 모니터 테블릿 등과 같은 중∙대형 디스플레이에서는 DDI가 양측 및 상하 베젤에 배치되어 있고, 스마트폰과 같은 소형 디스플레이는 하단부 베젤 내에 DDI가 배치되어 있습니다.

그림 1. 디스플레이 종류에 따른 DDI 배치 모식도

* 디스플레이 내에서 DDI의 역할은 무엇인가요?

사용자에게 정보를 전달하기 위해 이미지를 형성하는 디스플레이 화면을 자세히 관찰하면 화면 내 아주 작은 픽셀 (Pixel)을 보실 수 있습니다. 이러한 픽셀은 빛의 삼원색인 R (Red), G (Green), B (Blue)인 서브 픽셀 (Sub-Pixel)이 배열되어 있으며, R, G, B 색과 밝기를 조합하여 다양한 이미지를 표현하게 됩니다. 그림 2를 참고하면 디스플레이의 동작은 다음과 같이 5단계의 과정을 거쳐 디스플레이 화면이 동작되게 됩니다.

“리모컨 동작 → 중앙처리장치 (AP) 신호 인식 → 회로기판 (PCB) 기반 digital 신호 전달

→ DDI를 통한 analog 신호 전환 → 디스플레이 패널 동작”

우선, 사용자가 터치 입력이나 리모컨 조작을 통해 기기를 컨트롤하는 명령을 인가하면 데이터 처리 기능을 담당하는 중앙처리장치 (AP 또는 CPU)는 사용자가 명령한 내용 인지하고 회로기판 (PCB)에 신호를 인가하게 됩니다. 회로기판은 DDI로 신호를 전달하게 되고, DDI는 인가된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 서브픽셀 (R, G, B)들의 동작을 제어하는 박막트랜지스터 (TFT, Thin-Film Transistor)에 명령을 내리는 역할을 하게 됩니다. DDI에 의해 동작되는 박막트랜지스터의 경우, 서브픽셀의 색상과 밝기를 결정짓게 되므로 DDI의 성능은 디스플레이의 전체적인 이미지 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.

그림 2. 디스플레이 구성 요소 및 화면 구동 흐름 모식도

* 서브픽셀의 동작 원리에 대해 알아봅시다.

DDI의 동작 원리를 이해하기 위해 우선 디스플레이 서브픽셀 내에서 박막트랜지스터의 구동을 이해해야 합니다. 그림 3에 표시된 대표적인 액정형 디스플레이 내 서브픽셀 회로를 보시게 되면 박막트랜지스터와 커패시터의 소자로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있습니다. 만약 디스플레이 화면을 동작시키기 위해서는 그림 3(a)와 같이 gate 배선에 전압을 인가하여 박막트랜지스터를 동작시킴으로써 서브픽셀에 전압이 인가되어 서브픽셀이 켜지게 됩니다. 이와 반대로, 디스플레이 화면을 그림 3(b)와 같이 gate 배선에 걸린 전압을 인가하지 않음으로써 서브픽셀이 꺼지게 됩니다.

그림3. 액정형 디스플레이 내 서브 픽셀 회로 및 동작 모식도 (a) turn-on (b) turn-off

이처럼 수평으로 배치된 gate 배선이 픽셀을 on/off를 관장하는 것을 살펴보았습니다. 이와 반대로, 수직으로 배치된 data 배선은 서브픽셀의 밝기를 조절하는 역할을 하게 됩니다. Gate 배선에 전압이 인가된 조건에서 data 배선의 전압이 얼만큼 걸리는지에 따라 커패시터의 충전용량이 조절되고 그에 따라 서브픽셀에 밝기가 달라지게 됩니다. 그림 4에서 보이시는 바와 같이, data 배선에 걸리는 전압이 달라짐에 따라 R, G, B 서브픽셀의 밝기가 변화되는 것을 확인할 수 있습니다.

그림 4. 액정형 디스플레이 내 서브 픽셀 밝기 조절 모식도

* DDI의 구성과 동작원리에 대해 알아보겠습니다.

이제 본격적으로 DDI의 구성과 동작원리에 대해 알아봅시다. DDI는 그림 5과 같이 크게 source driver IC와 gate driver IC로 구성되어 있습니다.

그림 5. 디스플레이 내 DDI 구성: gate driver IC (좌측) 및 source driver IC (상단)

우선, 그림 6에서 보이는 바와 같이 좌측에 위치한 DDI는 gate driver IC라고 명징합니다. Gate driver IC의 경우 디스플레이 패널 내에 존재하는 gate 배선의 전압을 조절하여 서브픽셀을 끄고 키는 역할을 하게 됩니다. 앞서 설명드린 것과 같이 서브픽셀을 동작시키기 위해서는 gate 배선에 전압이 인가되고 인가된 전압에 의해 박막트랜지스터가 동작되면서 서브픽셀을 구동하게 됩니다. 이와 같이 서브픽셀 내의 박막트랜지스터 gate 전압을 조절하여 서브픽셀을 끄거나 키도록 동작을 도와주는 장치가 gate driver IC입니다. 참고로 1,920 ⅹ 1,080 (가로 영역 픽셀 수 ⅹ 세로 영역 픽셀 수) FHD (Full High Definition) 디스플레이 패널에는 1,080개의 수평 gate 배선이 있으며 이 모두를 gate driver IC가 컨트롤 하고 있습니다.

그림 6. 디스플레이 내 gate driver IC 역할 및 구동 모식도

그 다음으로 그림 7과 같이 상단에 위치한 source driver IC를 살펴보겠습니다. Source driver IC는 디스플레이 패널 내에 존재하는 data 배선의 전압을 조절하여 서브픽셀의 밝기를 조절하는 역할을 하게 됩니다. Gate 배선에 전압이 인가되어 서브픽셀이 동작된 상태에서 이전에 설명드린 것처럼 data 배선에 인가되는 전압 차이에 따라 서브픽셀의 밝기가 달라지게 되므로 source drive IC 동작을 통해 디스플레이에 표현될 색상의 차이를 만들어 냅니다. FHD 디스플레이에서는 패널 내 5,760개 (1,920 ⅹ 3색 (R, G, B))의 수직 data 배선이 있으며 source driver IC가 컨트롤 하고 있습니다.

그림 7. 디스플레이 내 source driver IC 역할 및 구동 모식도

* 마무리하며…

이와 같이 DDI는 우리가 일상생활에서 보게 되는 디스플레이 화면 내에 직접적으로 보이지는 않는 영역에 위치하지만, 디스플레이 화면을 구현하기 위해 필수적으로 필요한 부품인 DDI의 역할과 구동원리에 대해 배워보는 시간을 가져보았습니다. 다음시간에는 모바일과 같이 작은 소형 디스플레이 패널에서 사용되는 MDDI (Mobile Display Driver IC)와 스마트 TV, 모니터 등 대형 디스플레이 패널에 사용되는 PDDI (Panel Display Driver IC)에 대해 알아보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

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