Electronic display devices play an important role as an information display for a man-to-machine interface. With the rapid progress in the information industry, there has been a continuous increase in the demand for new electronic display devices with a large size, high resolution, and high information capacity. Among many hitherto developed display devices, a thin film transistor liquid crystal display (TFT-LCD) has become one of the most popular display devices in small and middle sized applications such as PDA, notebook and monitor, since a TFT-LCD has many advantages such as high resolution, low power consumption, light weight, slim size and so on. Recently, with the large sized TFT-LCD panel over 100 inches being developed, a TFT-LCD is expected to be one of the most promising digital displays of the next generation.
When looking into an LCD used in monitor or TV applications, a backlight unit (BLU) is usually required. The BLU supplys light to the LCD panel and consumes the most power. The backlight lamp and inverter takes great part of production cost. Therefore, the backlight unit is a very important part of an LCD. Recently, as the screen size of the TFT-LCD increases the BLU becomes more important. Multiple fluorescent lamps such as cold cathode fluorescent lamp (CCFL), external electrode fluorescent lamp (EEFL) and flat fluorescent lamp (FFL) have generally been used as a LCD backlight source. However, the RoHS Directive’s limited permission of mercury (Hg) use forces a new LCD employed with an environmentally friendly backlight system. Therefore, the most promising substitutive device is now the light emitting diode (LED). Although, high cost and low light efficiency of LED make it difficult to be widely adopted as a backlight source, LED satisfies the RoHS Directive and has many other merits such as long lifetime, wide color gamut, fast response, etc. compared to fluorescent lamps. Moreover, light efficiency of LED has been continuously improved and the cost of LED has been continuously reduced resulting LEDs to become a suitable solution for the backlight source. Still, further reduction of power consumption and cost is demanded to be widely adopted as a backlight source. Moreover, the LED`s luminance variation caused by temperature needs to be considered to guarantee uniformity of backlight and preserve the original image.
On the other hand, the conventional backlight of LCDs illuminate at full luminance regardless of the displayed images, resulting unnecessary power consumption and low contrast ratio due to light leakage in the dark state. To reduce power consumption and enhance image contrast ratio of a LCD backlight, several techniques, in relation with adaptive dimming control have been introduced. The adaptive dimming technique can be categorized into three classes: 0-D (uniform dimming or backlight scaling), 1-D (line or channel dimming), and 2-D (block or cluster dimming) methods. In the backlight scaling method, the entire backlight luminance is reduced by a dimming factor k, and at the same time, the transmittance of liquid crystal (LC) is enhanced by a factor 1/k, according to the input video signal. To reduce the power consumption more effectively, local (channel or block) dimming methods have been suggested. In these methods, the backlight is divided into local areas (channels or blocks) and a backlight scaling method is applied to each local area. The 2-D block dimming method is the best way to reduce power consumption and enhance image contrast ratio. However, it increases the number of drivers to control the luminance of each division block.
To solve these problems, a new adaptive dimming LED backlight system with X-Y channel drivers for LCD TVs is proposed. The proposed LED backlight utilizes channel switches to control the luminance of individual division screen and a resistor to sense the current of each LED blocks. By using the proposed technique, low power consumption as well as high contrast ratio is successfully obtained with less number of drivers than that of the conventional local dimming method. Moreover, the luminance variation of each LED block caused by temperature variation is effectively compensated. In this dissertation, several new adaptive dimming techniques are presented for the proposed LED backlight in LCD TVs. Moreover, the characteristics of the LED backlight are investigated and a new temperature compensation method is proposed. The proposed dimming technique is verified by simulation and experimental results based on a RGB-LED backlight of a 32-inch LCD TV.
디스플레이 소자는 정보를 전달하는 소자로서 매우 중요한 역할을 한다. 최근, 정보 산업이 급속히 성장함에 따라 많은 정보를 효과적으로 전달하기 위해 크고 화소수 (resolution)가 많은 고성능의 디스플레이 장치가 요구되고 있다. 급속한 정보화 사회로의 발전과 LCD의 기술 개발과 대화면, 고정세, 저소비전력, 경량 박형등의 여러 장점에 힘입어 박막 트렌지스트 액정 디스플레이 (Thin-Film-Transistor Liquid-Crystal-display: TFT-LCD)는 계산기, 휴대폰, PDA (Personal Digital Assistant), 모니터와 같이 소중형 제품에서부터 50인치 이상의 대화면 TV에 이르기까지 광범위한 분야에서 이용되고 있다.
박막 트렌지스트 LCD는 CRT (Cathod Ray Tube)나 PDP (Plasma Display Panel)과는 달리 빛의 투과율을 조절하는 이른바 Hold-up 형태의 투과형 소자로서 화소 (pixel)의 밝기가 백라이트의 휘도와 액정 (Liquid Crystal: LC)의 투과율로 결정된다. 기존의 액정 디스플레이 시스템은 표시되는 영상에 상관없이 백라이트가 항상 켜져있고 액정의 투과율로 원하는 영상을 화면 (LC Panel)에 표시하고 있다. 따라서 어두운 영상에서도 백라이트는 항상 켜져 있어서 불필요한 전력 소비가 일어난다. 또한, 어두운 곳에서 어두운 영상이 표시될 때, 액정이 빛의 투과를 완벽히 차단하지 못하여 빛샘 (light leakage) 현상이 발생하게 되고, 영상의 대비비 (contrast ratio)가 낮아지는 단점을 안고 있다. 이러한 불필요한 전력 소비와 대비비 감소의 문제점을 해결하기 위해 영상에 따라 백라이트의 밝기와 액정의 투과율을 동시에 제어하는 적응 휘도 제어 (Adaptive Dimming Control)에 대한 연구가 많이 진행되어왔다.
적응 휘도 제어는 0차원의 Backlight Scaling 방법, 1차원의 채널(channel) 휘도 제어 방법, 그리고 2차원의 블록 (block) 휘도 제어방법으로 나뉜다. Backlight Scaling 기법은 입력되는 영상에 따라, 전체 백라이트의 휘도를 인수 k만큼 줄이는 동시에 모든 액정의 투과율을 1/k만큼 향상시킴으로서 백라이트에서 불필요하게 소비되는 전력을 줄이는 동시에 화상의 대비비를 높일 수 있는 적응 휘도 제어 효과를 가진다. 그러나 전체 화면의 백라이트 밝기를 조절하기 때문에 전력 소비를 줄이거나 대비비를 향상시키기에 한계가 있다. 1차원의 채널 (channel) 휘도 제어 기법과 2차원의 블록 (block) 휘도 제어기법은 백라이트를 구획짓고, 구획되어진 부분의 영상에 따라 Backlight Scaling 기법을 적용하는 것으로 0차원의 Backlight Scaling 기법과 비교해 보다 우수한 적응 휘도 제어 성능을 얻을 수 있다. 적응 휘도 제어 효과의 성능면에서 2차원의 블록 (block) 휘도 제어기법이 가장 우수하다. 그러나 2차원의 블록 (block) 휘도 제어기법은 제어해야 할 블록의 수가 많아 램프 구동 회로가 많이 필요하게 되어 가격 상승의 문제점을 가진다.
따라서, 본 논문에서는 적은 수의 구동회로를 가지면서도 우수한 적응 제어 효과를 얻기 위해 X-Y 채널 구동 회로를 가지는 새로운 2차원 적응 휘도 제어 LED (Light Emitted Diode) 백라이트 시스템을 제안하였다. 제안된 적응 휘도 제어 LED 백라이트는 LED 블록이 매트릭스 (matrix) 형태로 서로 연결되어 있고, 각각의 블록의 휘도를 제어하기 위해 가로 채널 (X 채널)과 세로 채널(Y 채널)로 구성되어 있다. 그리고, 가로 채널과 세로 채널을 제어하기 위해 채널 스위치들이 하나의 정전압원과 채널 사이에 구성되어 있다. 따라서 제안된 적응 후도 제어 LED 백라이트 시스템의 구조는 매우 간단하며 가로 채널 개수 (M)와 세로 채널 개수 (N)의 스위치로 M×N개의 LED 블록을 제어할 수 있다. 따라서 제안된 적응 제어 LED 백라이트 시스템은 스위치 소자의 개수를 획기적으로 줄일 수 있어 구동 회로의 형태가 매우 간단해지고, 적은 수의 소자로 우수한 적응 제어 성능을 발휘하여 전력 소비를 효과적으로 줄일 수 있고 영상의 대비비를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 제안된 적응 휘도 제어 LED 백라이트의 구동 회로 구조 및 구동 원리를 설명하고 새로운 적응 휘도 제어 구동 알고리즘을 제안하였다. 제안된 새로운 2차원 적응 휘도 제어 기법은 시물레이션을 통해 기존의 적응 휘도 제어 기법과 성능을 비교하였고, 32 인치 LCD TV에 적당한 RGB LED 백라이트와 구동 회로를 제작하여 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다. 제안된 새로운 2차원 적응 휘도 제어 방법은 적은 수의 램프 구동 소자를 사용하여 1차원 채널 휘도 제어 방법과 비교해 월등히 우수하며, 3차원 블록 휘도 제어 방법에 가까운 성능을 나타낸다.
한편, LCD TV에서의 BLU는 LCD의 고색재현율, 고휘도, 대형화, 저가격화, 고화질화, 친환경화, 장수명화 및 경량 박형화와 밀접한 연관이 있어 Backlight의 기술 개발의 중요성은 매우 높다. 또한 BLU는 LCD TV의 재료비의 40%를 차지하고 있고 LCD의 대부분의 전력을 소비하고 있어 매우 중요한 요소이다. 특히, LCD가 대형화 되면서 BLU의 중요성은 더욱 증가되고 있다.
BLU의 광원으로 냉음극형광램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)가 가장 많이 쓰이고 있으며, 외부전극형광램프(EEFL: External Electrode Fluorescent Lamp) 및 면광원(FFL: Flat Fluorescnet Lamp)등의 램프도 개발되어 상용화 단계에 이르렀다. 그러나 이러한 형광램프를 사용하는 BLU는 환경협약에 따른 수은첨가가 금지됨에 따라 고효율, 저가격의 납과 수은을 사용하지 않는 친환경적인 새로운 면광원의 필요성이 대두되고 있다.
이에, LED는 응답 속도가 빠르고 수명이 길며, 수은을 사용하지 않아 친환경적이어서 LCD의 백라이트의 광원으로서 매우 매력적이다. 특히 RGB 삼색의 LED를 사용할 경우 백라이트의 휘도 뿐만 아니라 색을 조절 할 수 있으며 LED의 광원이 자연빛에 가까워 색재현성이 매우 우수하여. 따라서 LED는 디지털 방송의 시작과 함께 선명한 화질과 넓은 색재현성을 구현할 수 있는 유일한 대안이 되고 있어 차세대 LCD의 백라이트로 주목받고 있다. 특히 최근 1W급 이상의 고전력 LED의 개발이 이루어지면서 LED가 여러 분야에서 광원으로서 사용되기 시작하여 LED의 전망을 밝게 하고 있다. 그러나 LED는 가격이 비싸고 광효율이 낮아 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다. 특히 LED의 휘도는 온도에 매우 민감하여 LED의 발열은 매우 심각한 문제이다. 온도에 불안전한 LED의 휘도는 LED의 타고난 성질이어서 LED의 온도 변화를 최소화 하거나 온도에 따른 LED의 휘도 변화를 보상해 줄 필요가 있다.
광학 귀환 시스템 (optical feedback system)은 온도에 따른 LED의 휘도 변화를 보상하는데 매우 훌륭한 시스템이다. 특히, LED의 특성이 시간이 갈수록 조금씩 변화하게 되는데, 광학 귀환 시스템은 온도 변화나 시간 변화에 따른 LED의 휘도변화를 보상하는 성능이 매우 탁월하다. 그러나, 광학 귀환 시스템은 광학 센서와 디지털 제어 회로를 필요로 하여 구조가 복잡한 편이며 가격이 비싼 단점을 안고 있다. 그리고, LCD의 백라이트가 구동하면서 발생하는 열은 위쪽으로 치우쳐저 백라이트의 위 아래 온도 차이가 발생하게 되어 백라이트의 아래쪽과 위쪽의 휘도가 달라졀？된다. 일반적으로 광학 귀환 시스템으로 휘도를 보상하기 위해 2개조 이상의 센서가 필요하게 되어 가격에 부담이 된다. 그리고, 앞서 설명한 1차원 채널 휘도 제어 방법이나 2차원 블록 휘도 제어 방법으로 백라이트가 구동될 경우, 각각의 블록의 밝기가 모두 차이를 보이게 되어 광학 귀환 시스템으로 휘도를 보상하기는 매우 어려워진다.
본 논문에서는 이러한 LED의 온도에 따른 휘도 변화를 보상하기 위해 온도 보상 기능을 갖는 새로운 X-Y 채널 휘도 제어 LED 백라이트 시스템을 제안한다. 제안된 온도 보상 기능을 갖는 LED 백라이트 시스템은 앞서 설명한 X-Y 채널 LED 백라이트에 저항과 MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor)를 사용하여 간단히 구현될 수 있어 구조가 간단하여 저가격으로 온도에 따른 LED의 휘도를 보상할 수 있다. 기본적인 휘도 제어 기법은 앞서 설명한 X-Y 채널 구동 기법과 동일하며, 매우 짧은 시간 동안 각각의 LED 블록에 흐르는 전류의 양을 감지하여 각 블록의 온도에 따른 휘도 변화를 감지하여 변화된 휘도를 적응 휘도 제어 방법을 통해 보상하는 방법이 추가되어 있다. 제안된 방법을 이용해 온도를 보상하기 위해 먼저 LED 백라이트의 특성이 조사되었다. 그리고, 온도에 따른 휘도 변화를 보상하기 위해 백라이트의 휘도를 제어하는 방법과 액정의 투과율을 조절하는 2가지의 방법을 제시하였다. 제안된 온도 보상 기법은 앞서 32인치 LCD TV에 적합하게 제작한 LED 백라이트 시스템을 사용해 실험을 통해 타당성을 검증하였다.
본 논문에서 새로운 2차원 X-Y 채널 휘도 제어 LED 백라이트 시스템은 적응 휘도 제어 성능이 우수하면서도 그 구조가 간단하고 구동 회로의 개수가 매우 적다. 특히, 구동 회로와 구동 알고리즘의 간단한 변화를 통해 온도에 따른 LED의 휘도 변화를 검증하여 보상할 수 있어 LED 백라이트의 단점을 보완할 수 있다. 따라서 제안된 새로운 2차원 X-Y 채널 휘도 제어 LED 백라이트 시스템은 LED 백라이트를 갖는 LCD TV에 매우 적합하다.
