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RGB 대 백색 LED, 선택의 기로

관리자

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[편주]
많은 설계자들이 LCD 패널 백라이트를 결정할 때 백색 LED를 사용할 것인지 더 순수한 백색을 제공하는 RGB 라이트 소스를 사용할 것인가에 대한 선택의 기로에서 딜레마에 봉착한다. 이 질문의 대답의 어느 정도는 ‘이 두 라이트 소스를 구동하는 것과 관련되어 어떤 문제들이 있는가’라는 또 다른 질문 속에 숨어 있다.


백색 LED 드라이버와 RGB 드라이버는 서로 다른 것은 명백하다.
예를 들어 인덕터가 없는 저잡음 LED 드라이버 IC는 휴대용 전자 디바이스 및 일반 백라이팅 애플리케이션에서 프로파일이 낮은 RGB LED를 구동하기 위해 설계되었는데, 이는 표준 백색 LED 드라이버 IC와는 상반되는 성능 조건들을 지니고 있다. 그 이유는 RGB LED가 백색 LED와 다른 순방향 전류를 지녀서 백색 LED와는 다른 IC 아키텍처를 요구하기 때문이다.
일반적으로 RGB LED 드라이버는 싱글 와이어 온/오프 인터페이스와 디밍(dimming) 및 밝기 조절 용 3개의 별도 레지스터 프로그램 가능 LED 전류 소스를 지니고 있다. 뿐만 아니라 ‘백색’ 모드는 3개의 모든 RGB LED의 켜져 있도록 프로그램 되어있을 때, 빨강, 녹색 및 파란색 LED 전류 비율을 최적의 백색을 얻을 수 있도록 최적화하는데 사용된다.

서로 다른 백라이팅 소스간의 트레이드 오프
디스플레이 백라이트에 사용되는 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lights)는 컬러 스펙트럼이 제한되어 있고 선명도가 떨어지는데 반해 RGB LED는 가시광선의 범위를 확장시킨다. 뿐만 아니라 CCFL는 NTSC가 규정한 색의 80%만을 표현해 내지만 RGB는 NTSC 컬러 스펙트럼을 110%까지 끌어올려 스크린에서 더 정확한 이미지를 표현해낸다.
빨강색, 파란색 및 녹색 레이저(RGB)와 같은 3개의 단광색 사용으로 도달할 수 있는 최고의 컬러 스펙트럼을 달성한 것이다.
반면, 소형의 요소들로 이루어져 있어 휴대용 및 모바일 디스플레이 패널에 적합하기로 널리 알려진 백색 LED 백라이팅은 구동이 간편하고 매커니컬 스트레스에 덜 민감하여 CCFL과 비교했을 때 그 수명이 두 배는 길다. 하지만, 백색 LED는 광대역 라이트 소스와 상당하기 때문에 컬러 스펙트럼 부분에서 CCFL과 같은 단점을 지닌다. 백색 LED는 파란빛 부분을 노란빛으로 전환하고자 블루 다이오드에 형광체를 덮은 것으로, 이렇게 통합된 스펙트럼은 백색 라이트로 인지된다.
RGB LED는 협대역 스펙트럼을 단광색 라이트 소스의 몇 분에 일 밖에 안 되는 비용으로 전송할 수 있는 단계에 가깝게 다가섰다. RGB LED는 필요한 광 에너지인 빨강색, 녹색 및 파란색만을 방출시켜 컬러 스펙트럼뿐만 아니라 효율도 향상시켰다. 백색 LED 및 CCFL 같은 광대역 라이트 소스는 컬러 스펙트럼의 질을 떨어뜨리는 불필요한 색들을 비교적 많이 포함하고 있어 효율이 낮추는 원인이 된다.
RGB LED에서는 각각의 색들이 독립적으로 구현되어 백색 포인트 또는 RGB LED의 색 온도는 수정 가능하지만, CCFL 및 백색 LED는 백색 포인트가 고정이 되어있다.

RGB 대 백색 LED의 비용 관련 문제
백라이팅 소스로 RGB와 백색 LED 중의 무엇을 선택할지는 이들이 사용될 최종 제품의 특정 요구 사항에 기반을 두고 있어야 적절할 것이다. 예를 들어 소비자들은 색의 선명도를 위해 프리미엄을 더 내고 LCD TV 모델 중 하나를 선택하기 때문에 백색 LED 대신 영상을 뛰어나게 향상시킬 수 있는 확장된 컬러 스펙트럼을 제공하는 RGB를 사용하는 것이 올바르다.
하지만 RBG LED는 더 크고 복잡하며 가격이 높은 솔루션을 요구한다. 따라서 확장된 컬러 스펙트럼이 최종 생산품에 프리미엄 가격으로 연결되지 않는 애플리케이션에서는 백색 LED 솔루션이 백라이트 소스로 적합하다.

디밍에 대한 고려
일반적으로 LED의 디밍은 DC 신호 또는 필터 처리 된 PWM을 통해 LED로 들어오는 순방향 전류를 조절하여 이루어진다. LED 전류의 감소로 LED 라이트 출력의 강도를 조절하는 것이다. 하지만, 전류와 함께 LED의 색도도 함께 변하여 순방향 전류가 변하면 LED의 색도 함께 변한다.
자동차 및 LCD TV 백라이팅 같은 많은 애플리케이션들은 LED의 색이 변하는 것을 허용치 않는다. 이러한 애플리케이션들이 넓은 범위의 디밍을 요구하는 것은 대기 환경에서의 다양한 빛의 변화 및 사람의 눈이 광도의 작은 변화에도 민감하다는 사실 때문이다. PWM 신호를 적용한 LED의 명암 제어는 LED가 색의 변화 없이 디밍을 할 수 있게 했다.
LED는 PWM 신호를 통한 ‘트루 컬러 PWMTM 디밍(true color PWMTM dimming)’을 통해 디밍된다. 이는 본질적으로 PWM 주파수의 완전 전류 상태에서 LED를 턴온/오프를 수반한다.
(사진 1)을 보면, 인간의 눈은 초당 60프레임의 한계를 지니고 있다. 예를 들면, 80Hz~100Hz 범위에서 PWM 주파수를 높이면 사람의 눈을 추가된 라이트 소스가 지속적으로 들어오고 있다고 믿도록 속일 수 있다. 뿐만 아니라 충격 계수(온 타임의 양)을 조절해 LED의 명암을 조절할 수 있다.
LED 전류 값이 제로 또는 일정하여 이 구조에서 LED의 색은 변하지 않는다. 많은 LCD TV 설계자들은 대기 빛 상태의 폭 넓은 정렬을 조절하기 위해 3000:1 이상의 디밍 비율을 요구한다.

실용적 드라이버 솔루션
RGB LED 드라이버의 일례로는 리니어 테크놀로지의 LT3476 쿼드 LED 드라이버가 있다. LT3476은 각 채널이 최대 직렬8개 LED(빨강색, 녹색 및 파란색)를 1A로 구동하여 32x 1A LED까지 구동하면서 96%의 효율을 전달할 수 있다. 4개 각 채널은 트루 컬러 PWM 신호를 통해 독립적으로 동작해 1000:1의 비율만큼 높은 디밍을 개별적으로 구현할 수 있다.
고정된 주파수 및 전류 모드 아키텍처를 통해 넓은 범위의 공급 및 출력 전압에서 안정된 동작을 제공한다. 사용자는 주파수 조절 핀을 이용하여 200KHz 및 2MHz 범위에서 주파수를 프로그램 할 수 있어 효율을 최적화하고 외장 부품의 사이즈를 최소화 한다. 열 강화된 5mm×7mm QFN 패키지는 대형 LCD TV에서 일반적으로 찾아 볼 수 있는 100w LED 애플리케이션을 위해 매우 컴팩트한 솔루션 풋프린트를 제공한다.
LT3476은 LED 이네이블 벅, 벅 부스트 또는 부스트 컨피규레이션의 하이 사이드 출력 전류를 감지한다. 사용자는 외장 감지 레지스터로 각 채널의 출력 전류 범위를 프로그램한다. 각각의 4개의 독립된 드라이버 채널은 내장 1.5A 및 36V NPN 스위치를 이용하고, 그 외 특징으로는 개방 LED 보호, 열 제한 기능이 있다.
또 다른 예로는 리니어 테크놀로지의 LTC3212가 있다. 이는 휴대용 전자 디바이스 디스플레이 및 라이팅 애플리케이션의 낮은 프로필 RGB LED를 구동하기 위한 인덕터가 없는 저잡음 LED 드라이버 IC이다. RGB LED는 백색 LED와 다른 순방향 전류를 지니고 있어 다른 IC 아키텍처를 필요로 한다.
LTC3212는 3개의 LED를 2.7V~5.5V의 넓은 범위 내에서 각각 최대 25mA까지 동작시킬 수 있으며, 싱글 셀 리튬이온/폴리머 배터리 애플리케이션에 최고로 적합하다. LTC3212는 싱글 와이어 온/오프 인터페이스과 디밍 및 밝기를 조절 용 3개의 개별 레지스터 프로그램 가능 LED 전류를 통해 간편성 및 유연성을 갖추었다.
백색 모드는 3개의 모든 RGB LED가 켜져 있도록 프로그램 되어 있을 때 최적의 백색을 얻기 위해 빨간색 녹색 및 파란색 LED 전류 비율을 최적화한다. 스탠바이 모드 전류의 대기 전류(Quiescent current)는 400uA에 그쳐 배터리의 수명을 최대화한다.
LTC3212의 멀티모드 충전 펌프는 저잡음 및 연속 주파수 동작으로 리플을 최소화하며, 디바이스의 자동화 모드 스위치는 효율을 최적화한다. 이 디바이스의 전력은 1x 모드까지 올라가며, 드롭 아웃이 어떤 LED에서라도 발견될 경우에는 충전 펌프가 더블(2x) 모드까지 올라갈 수 있다.
내장 소프트 스타트 회로는 돌입 전류를 방지하고 셧다운 디스커넥트(shutdown disconnect), 합선 방지 및 열 차단의 안전 기능이 IC 및 LED 모두에게 추가적으로 제공된다. 일반적인 애플리케이션으로는 휴대 전화, 미디어 플레이어 디스플레이, 키패드 조명, RGB 및 백색 LED 백라이팅이 있다.
LTC3212는 낮은 프로파일의 12핀 DFN(2×3×0.75mm) 패키지로 제공된다. 이 디바이스는 소형의 완전한 RGB 및 백색 LED 전류 컨트롤러 그리고 전력 공급 솔루션을 위해서는 오직 3개의 작은 커패시터 및 1~3개의 프로그래밍 레지스터만이 필요하다.

결론
디스플레이의 백라이팅을 위해 백색 LED과 비교할 때, 더 많은 RGB LED가 또 그로 인한 더 많은 RGB LED 드라이버가 요구되지 않는다 하더라도 컬러 스펙트럼 및 더 정확한 컬러 이미지는 추가적인 설계의 복잡성을 감당할 가치가 있다.
따라서 설계자들은 백라이팅을 위해 RGB 대 백색 LED간의 선택의 기로에서 표준적인 가격보다는 성능을 택하는 것이다.

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