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Display Driver IC의 종류와 구조

지난번 Display Driver IC의 동작 원리와 역할 회차에서 디스플레이의 종류에 따라 DDI의 배치가 달라지는 것을 간략하게 확인할 수 있었습니다. 이번 시간은 DDI 종류와 구조에 대해 알아보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

* 디스플레이 종류에 따라 DDI 종류도 달라진다 : PDDI & MDDI

통상적으로 디스플레이 화면의 크기에 따라 DDI는 2가지 종류로 구분되게 됩니다. 그림 1과 같이 대면적 디스플레이에서 사용되는 DDI인 PDDI(Panel Display Driver IC)는 디스플레이 측면 Bezel에 위치한 Gate Driver IC, 디스플레이 상부 Bezel에 위치한 Source Driver IC 2가지로 구성되어 있습니다. 이보다 작은 디스플레이 화면을 갖고 있는 스마트폰, 워치와 같은 모바일 디스플레이 기기의 경우 IC가 하나로 통합되어진 MDDI(Mobile Display Driver IC)가 하부 베젤에 위치하게 됩니다.

그림 1. 디스플레이 종류에 따른 DDI 배치 모식도

* MDDI 구조의 변천사 : 통합화 (Integration)

초창기 휴대폰 화면을 구동시키기 위한 DDI를 보시게 되면 Gate Driver IC와 Source Driver IC가 분리되어 그림 2(a)와 같이 각각 측면 및 하단 배젤에 위치한 것을 확인할 수 있습니다. TV, 모니터, 태블릿과 마찬가지로 사용자들은 스마트폰과 같은 작은 기기에서도 큰 화면을 시청하고자 하는 요구가 있었습니다. 이에 그림 2(b) 와 같이 패널 영역에 위치하던 Gate Driver IC를 디스플레이 패널 내로 위치시키는 GIP(Gate In Panel) 기술을 적용하여 사용되는 베젤 면적을 최소화함으로써 스마트폰의 화면 면적을 극대화하였습니다. 이러한 GIP 기술은 소형을 넘어서 중형 및 대형 디스플레이에도 확대되고 있습니다.

그림 2. (a) GIP 기술이 접목되지 않은 DDI 및 (b) 측면 베젤의 폭을 감소시키기 위해 GIP 기술이 접목된 DDI 모식도

앞서 말씀드린 GIP 기술을 통해 스마트폰의 양 측면 베젤을 감소시켰다면, 이번에는 스마트폰 하부 베젤이 어떻게 감소될 수 있는지를 알아보겠습니다. 그림 3(a)의 제일 초창기 스마트폰 MDDI 구성을 보시게 되면, Source Driver IC, T-Con(Timing Controller), PMIC(Power Management IC)로 구성되어 있는 것을 확인하실 수 있습니다. 반도체 공정 기술의 발달로 인해 미세 패터닝 공정이 가능해지면서 앞서 언급한 T-Con, PMIC 들의 chip 사이즈가 점점 줄어들게 되고 그림 3(b)처럼 T-Con, PMIC가 하나로 통합된 Integrated Driver IC를 구현할 수 있게 되었습니다. 이렇게 하나의 Driver IC로 MDDI를 구성하게 될 경우, 기존 대비 PCB(인쇄회로기판) 면적을 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 하부 베젤을 줄일 수 있다는 장점이 존재합니다.

그림 3. (a) 초창기 스마트폰 MDDI 및 (b) 통합형 MDDI 모식도

아마 여러분들은 앞서 언급한 T-Con이라는 말을 처음 들어 보셨을 텐데요. T-Con이란 Timing Controller의 약자로 DDI를 구동 시키기 위해 필요한 신호들과 데이터 양을 시간에 따라 조절하는 역할을 하는 장치입니다. 좀 더 자세히 T-Con의 역할에 대해 설명 드리겠습니다. 그림 4과 같이 AP(중앙처리제어장치)로부터 Data가 T-Con으로 들어오게 됩니다. 이렇게 T-Con으로 들어온 Data를 디스플레이 화면을 구동하기 위해 Source Driver IC와 GIP로 제어된 시간에 맞게 Data를 전달하게 됩니다. AP에서 전송되는 데이터를 패널 통신에 맞게 데이터 순서를 remapping을 해준다고 보시면 될 것 같습니다. 이러한 T-Con의 역할로 인해 화질 개선을 효과를 얻을 수 있으며, T-Con에 이상이 생긴다면 디스플레이 화면 내에 색상이 나타나는 과정에서 시차가 발생하게 되고 이는 화면의 잔상을 유발시킬 수 있습니다.

그림 4. T-Con 동작 모식도

그다음으로 PMIC에 대해 설명 드리겠습니다. PMIC란 Power Management IC의 약자로 각종 전자기기(스마트폰, 모니터, TV, 워치 등)의 배터리에서 입력되는 전압을 해당 기기가 올바르게 동작할 수 있도록 기기 내의 부속품들로 적합한 전압으로 변환하는 전력반도체 chip입니다. 이러한 PMIC는 그림 5에서 보는 것과 같이 휴대폰 배터리에서 인가되는 전압을 Source Driver IC, GIP, T-Con을 정상적으로 작동시키기 위한 전압으로 변화시킴으로써 디스플레이 화면이 올바르게 동작할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다.

그림 5. PMIC 동작 모식도

* DDI에 기능을 더하다 : SRIC, TDDI

TV, 모니터, 노트북으로 활용되던 디스플레이가 스마트폰, 태블릿, 워치, 키오스크, Automotive와 같은 제품군으로 확장되며 제품에 적합한 기능들이 추가되고 있습니다. 그 중, 대표적인 기술로 터치 기능이 있습니다. 디스플레이에서 전달되는 정보를 눈으로만 인식하던 시대에서 터치 기능이 도입되며 디스플레이와 상호작용을 할 수 있는 시대로 변화했습니다. 이에, 디스플레이가 사용자의 터치를 인식하고 송출되는 화면 영상의 변화까지 유발시키기 위해서 DDI에도 기능이 더해지고 있습니다.

터치 디스플레이는 Add on 및 In-cell 터치 방식으로 나누어집니다. 기존 패널에 터치 패널을 올려놓는 Add on 방식은 패널에 터치센서를 배치한 In-cell 터치 방식 대비 디스플레이의 두께가 두꺼워지기 때문에 디스플레이 두께를 얇게 구현할 수 있는 In-cell 방식이 채택되고 있습니다. In-cell 터치 방식의 디스플레이에서 터치 신호를 인지하기 위해서는 이를 읽어낼 수 있는 Touch Readout IC 부품이 필수적입니다. Touch Readout IC는 디스플레이 패널 내 약 수 밀리 미터 단위의 수많은 *Touch block들로부터 사용자의 펜 또는 손가락에 의해 변화되는 정전용량을 읽어내어 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 역할을 하며, Touch MCU(Micro Controller Unit)에 전송함으로써 AP에서 터치에 대해 인지할 수 있도록 돕는 IC입니다. 이러한 Touch Readout IC는 기존 Source Driver IC 옆에 따로 배치되어 터치 신호를 읽어 냈지만, 이제는 Source Driver IC와 Touch Readout IC를 통합한 SRIC (Source Driver IC + Touch Readout IC)로 발전되고 있습니다. 기존 Source Driver IC에 Touch block으로부터 인가되는 신호를 받아들이는 채널을 Source Driver IC에 추가했다고 보시면 됩니다 (그림 6 참조). SRIC를 사용하게 되면 조립 과정이 간소화되어 생산 비용 절감에 기여하며 제조 공정의 효율성을 증진시킬 수 있습니다.

*Touch block : 약 수 밀리 미터 이내 면적의 수많은 픽셀들의 상부 투명 전극(ITO, Indium-Tin-Oxide)이 연결되어 사용자의 터치를 통해 변화되는 정전용량을 읽기 위해 만든 터치 단위체

그림 6. 터치 디스플레이 내 Source Driver IC 및 Touch Readout IC와의 통합 (a) 전, (b) 후의 모식도

이 외에도, T-Con, PMIC, GIP level shifter, Touch Modulation IC, Touch MCU를 모두 합친 TDDI(Touch and Display Driver Integration) 기술이 있습니다. 스마트폰 및 워치와 같은 소형 디스플레이에서는 작은 면적에 배터리 및 타 부속품들에 대한 영역들을 확보하는 것이 중요합니다. 이에 PCB 사이즈를 줄이기 위해서 상기 언급된 PCB에 존재하는 부품들을 DDI에 모두 결합시키는 기술이 요구되어 TDDI 기술이 개발되었습니다. 모든 기능들이 집약된 TDDI 기술은 소형 디스플레이에서 빛을 발휘하는 DDI 기술로 고려되지만, 최근 중형 디스플레이 제품으로 기술개발 및 확장되고 있으며, 최근에 태블릿에 TDDI 기술이 적용되고 있는 상황입니다. 연구진들은 더 나아가 노트북에도 TDDI 기술을 접목시키기 위해 연구 중에 있습니다.

* 마무리하며…

이번 시간에는 DDI의 종류와 구조라는 주제로 DDI가 어떻게 발전되어 왔으며, 디스플레이 구동 뿐만 아니라 터치 기능을 추가한 TDDI는 어떻게 적용되는지 배워보는 시간을 가져보았습니다. 다음 시간에는 DDI 패키지에 대해 배워보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

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