백라이트의 빛 세기를 낮춤으로써「Green TV」구현 가능

현재 많은 LCD TV 제품들이 CCFL 백라이트 시스템을 갖추고 있지만, 기술이 계속 발전함에 따라 앞으로는 LED가 CCFL을 대신하여 차세대 백라이트 시스템으로 자리매김할 것으로 예상된다. LED는 전력 효율이 높을 뿐만 아니라, TV 제조업체들이 자유롭게 설계와 기능을 강화할 수 있게 해준다는 장점도 갖고 있다. 이러한 특징 중 하나로 백라이트의 빛 세기를 낮춤으로써 '그린 TV(Green TV)' 구현이 가능하다는 점을 꼽을 수 있다.

ACBC(적응형 콘트라스트 및 백라이팅 컨트롤)
LCD TV가 영상을 구현하려면 디스플레이 모듈에 백라이트가 있어야 한다. 백라이트가 활성화되면 예컨대 46인치, CCFL 기반의 LCD TV는 총 240W의 전력을 소모한다. 어두운 장면과 같이 백라이팅 활성화가 반드시 필요치 않은 경우에도 항상 100% 가동되며, 전력이 증가함에 따라 백라이트와 디스플레이 모듈의 온도 또한 높아진다. 이로 인해 LED에 의해 방사되는 열의 과도한 열구배(Thermal Gradient) 때문에 LED에 가까운 LCD 전송 특징에 영향을 줄 수 있다. 이러한 이유로 인해 백라이트의 밝기, 즉 전력 소모를 가능한 한 제한하고 있다.
디밍 기술은 평균 백라이트 수준을 낮추고(전력을 절감하고) LCD 전송(영상 이득)을 높인다. 뿐만 아니라 인식되는 빛의 양을 동일하게 유지하여 동적인 명암비 생성으로 화질이 개선되도록 한다(그림 1). 이 같은 기본 디밍을 '0D 디밍'이라고 한다.

디밍이 적용되지 않은 보통의 LCD 디스플레이 모듈에서 46인치 디스플레이 백라이트는 최대 240W의 전력을 소모한다. 일반적인 TV의 소형 신호 보드는 15W 미만의 전력을 소모한다. 그림 2는 일반 TV 시스템의 전력 할당량을 나타낸 것이다.
전력 절감은 항상 중요한 문제가 되기 때문에 TV 설계자들은 백라이트 시스템이 소모하는 전력에 초점을 맞추어야 한다. TV 시스템에서는 백라이트를 측면에서 밝히거나 또는 직접 밝힐 수 있다. 특히 대형 디스플레이의 경우에는 요구되는 수준의 휘도를 달성하기 위해 더 많은 빛을 공급해야 하기 때문에 더 많은 전력을 소모할 수밖에 없다.
많은 영상 이미지들은 명암비 보존을 갖고 있다. 이러한 이미지들은 핫픽셀이 전혀 없거나 거의 없기 때문이다. 이들 이미지의 모든 픽셀은 어떠한 인위적인 시각적 효과 없이 이득으로 증폭될 수 있다. 따라서 디스플레이 모듈을 변경하지 않아도, 인식되는 이미지의 명암비와 밝기가 높아진다.
모든 이미지에 동일한 명암비 보존이 있는 것은 아니지만 적용된 이득이 이미지 컨텐츠에 맞춰져야 한다. 이는 프레임 기반으로 프레임 상의 피드 포워드 반복을 통해 동적으로 제어될 수 있다. 표준 휘도 히스토그램 생성과 분석으로는 최적의 이미지를 생성하기가 충분하지 않기 때문에 '스마트' 히스토그램 생성과 이미지 분석으로 관련 이미지 컨텐츠 감지를 실행할 수 있다.
적용된 영상 이득의 더 밝아지는 부분은 백라이트의 밝기를 줄여(0D 디밍) 보상할 수 있다. 이러한 방식으로 전력을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 이미지의 어두운 부분을 통해 새어 나가는 빛이 줄어듦에 따라 동적인 명암비를 개선할 수 있다.
백라이트의 평균 전력 절감은 보통 33%이다. 백라이트 전력 소모가 200W라면 약 66W가 절감되는 셈이다(그림 3).
팩터를 사용하여 백라이트 밝기를 줄이는 방식으로 전력 소모를 줄일 수 있다
Powerbacklight /α =ŋ×Luminancebacklight
관련 영상 데이터를 증폭하여 낮아진 백라이트 밝기를 보상할 수 있다.
Videoout = Videoin×(Luminancebacklight)1/gamma
= (Videoin×α1/gamma)×(Luminancebacklight/α)1/gamma

PWM(Pulse Width Modulated) 신호를 통해 백라이트의 강도를 조정할 수 있다. PWM 신호는 ACBC(Adaptive Contrast and Backlight Control) 블록에 의해 생성되어, LED의 레귤레이터 회로를 구동한다. 0~100% 범위에서 백라이트 휘도를 조정할 수 있다. 기존 CCFL의 경우에는 드라이버 설계에 따라 10~25%까지 낮출 수 있기 때문에 이처럼 높은 범위는 LED에서만 가능하다. 덕분에 CCFL에 비해 전력 소모를 줄이고 동적 명암 비율을 높일 수 있다.
ACBC 센서를 사용하여 주변 빛을 측정하는 환경 적응형 디밍 기술을 결합하면 전력 소모를 더욱 절감할 수 있다. 주변 빛이 적은 경우에는 백라이트의 최대 출력 전력이 줄어들고 디밍 알고리즘이 주변 센서 단계에 의해 정해진 최대 범위 미만의 전력만을 사용한다.

디밍의 종류
디밍은 각각의 장단점과 전력 효율성을 가진 다양한 방식으로 실행될 수 있다. 가장 단순하면서 가장 저렴한 디밍 방식은 0D 디밍이다. 이는 전체 백라이트를 요구되는 수준까지 디밍하고(1 세그먼트), 그에 따라 전체 프레임의 영상 신호가 맞춰진다(그림 5). 1D 디밍 방식은 각 행이 요구되는 수준까지 디밍되는 여러 개의 수평 행(예: 10 세그먼트)에서 이루어지는 디밍에 기초한다. 행에 소속된 영상 신호는 그에 따라 맞춰진다(그림 5). 2D 디밍은 백라이트를 행과 열로 나누어(매트릭스 세그먼트) 백라이트 수준을 각 세그먼트에 맞게 변경하고 각 세그먼트의 영상을 이에 따라 맞춘다(그림 6). 현재까지는 휘도만 조정이 가능하고 컬러는 조정되지 않는다. 다음 디밍 단계는 2D 컬러 디밍이 될 것으로 자연스럽게 예상되는데, 이 경우에 각 세그먼트의 휘도뿐만 아니라 컬러도 조정이 가능해진다(예컨대, 녹색 잔디를 표시해야 하는데 백라이트에서 파란 색을 생성할 필요가 없는 것과 같은 이치다). 그림 4는 디밍 원리에 따른 다양한 전력 절감 효과를 나타낸다.
디밍 세그먼트가 늘어남에 따라 분석과 보상도 더욱 복잡해진다. LED의 컬러와 휘도, LCD 전송과 컬러 포인트, 백라이트 구성과 백라이트 내부의 빛 분배 행동 양식을 감안하여야 한다. 이상적이고 전력 효율적인 시스템을 구현하려면 이 같은 행동 양식의 특징을 정하고 보완해야 한다. 이는 1920×1080@120Hz의 고급 TV 시스템에 있어서 실제로 어려운 문제가 되고 있으며, 따라서 NXP PNX5100 같은 강력한 픽셀 프로세서가 요구된다.


NXP의 솔루션
그림 7은 일반적인 LCD TV(42인치 이상, 0D 디밍)의 기본 아키텍처를 나타낸다. 주요 구성요소는 다음과 같다:
- 전력 공급
- 소형 신호 보드
- LCD 패널
- 백라이트


TV가 단 한 개의 전원 설계로 전세계 어디에서나 사용이 가능하려면 주요 글로벌 규격에 부합하고, 모든 내부 전압의 도출이 가능한 중간 전압 레일을 생성해야 한다. 대형 화면에서 효율적인 방식으로 이를 실행하려면, 정상 작동에는 레조넌트 전원을 사용하고 필요한 대기 전압을 생성하는 데는 고효율의 전용 소량 전원을 사용할 수 있다. 일례로 NXP는 레조넌트 전원과 대기 전원의 제어 IC로 TEA1613과 TEA1622를 제공한다.
TV는 주로 오프-에어나 케이블 신호를 시청하는데 사용된다. 따라서 RF 튜너와 디코더가 필요하다. 현재 방송 표준이 아날로그에서 디지털로 전환되고 있기 때문에 두 가지 모두 지원되어야 한다. 이는 대부분 다중 표준 하이브리드 IF 프로세싱 및 동반되는 디지털 채널 디코더(TDA9898와 TDA10048 등)를 사용하여 이루어진다.
MPEG 디코딩, 컬러 디코딩, 디인터레이싱, 스케일링 영상 개선, 소스 선택, 오디오 프로세싱에는 전용 칩을 사용할 수 있다(PNX854X). TV의 성능을 한 단계 높이기 위해서 추가적으로 픽셀 프로세서(PNX5100)를 사용할 수 있다. 이 같은 최첨단 프로세서는 0D, 1D, 2D, 심지어 2D 컬러 디밍 알고리즘을 사용하여 백라이트의 모션 보상 프레임 속도 증가 전환과 전력 절감을 실현할 수 있다. 이러한 프로세서들은 소형 신호 보드의 일부나 LCD 패널 모듈에 통합되어 뛰어난 기능의 LCD 패널 제작을 가능케 해준다.
백라이트를 위해 측면에서 밝히거나 직접 밝히는 백색 또는 컬러 백라이트를 사용할 수 있다. 그림 7에 표시된 0D 시스템의 경우에서는 UBA3070(스위치된 LED 드라이버)를 사용하여 상대적으로 높은 전압에서 긴 LED 스트링을 구동하고 있다. 2D나 2D 컬러 디밍 백라이트의 경우에는 다중 채널 선형 드라이버 개념이 더 적합하다

마지막으로 TV 시청 경험을 개선하기 위해 시스템에 음성 증폭기를 장착할 수 있다. 요구되는 출력 전력에 부합하는 몇 가지 종류의 음성 증폭기가 제공되고 있다(TFA9810 등).

결론
TV 설계가 점점 더 복잡해짐에 따라, 업계는 이 같은 시스템을 생산하기 위한 보다 간단한 방법을 찾아야 한다. NXP는 TV 제조업체들이 영상 처리 망을 통합하여 화질을 개선할 뿐만 아니라 동시에 시스템 전력 소모를 절감하는 능력을 갖출 수 있도록 하고 있다. 이와 함께 LED는 CCFL에 비해 더 효율적인 방식으로 빛을 생성할 뿐만 아니라 사용자들에게 어필할 수 있는 한층 더 스타일리시한 설계를 지원한다.

자끄 르 베르(Jacques Le Berre) 마케팅 및 세일즈 디렉터 | NXP반도체 가전부문

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참고문헌
[1] SID 2007 paper 39.1, P.M. de Greef and H.W. Groot Hulze
: "Adaptive Dimming and Boosting Backlight for LCD-TV systems"
[2] SID 2006 paper 26.4, J. Stessen and H. van Mourik: "Algorithm for Contrast Reserve, Backlight Dimming, and Backlight Boosting on LCD"

<출처> NE Asia, 2009년02월호

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Posted by TopARA
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