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2010 년 09월호

년 월호


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TFT LCD 패널을 위한 향상된 감마 교정 시스템

감마 및 플리커 보정 자동화는 TFT-LCD 패널을 위한 향상된 감마 교정 시스템(AGCS)을 사용하여 구현할 수 있다. AGCS는 소프트웨어, 광 측정기, 프로그래밍 가능한 감마 및 VCOM 버퍼로 구성된다. 이 글에서는 엔지니어링 랩의 TFT-LCD 패널을 위한 감마 및 플리커 보정용 폐쇄 루프 피드백 시스템을 설명한다. 최종적인 목표는 향상된 감마 교정 시스템(AGCS)을 TFT-LCD 생산 라인에 도입하는 데 있다.

글/Steven Huang, Maxim Integrated Products Inc.,

감마 및 플리커 보정 자동화는 TFT-LCD 패널을 위한 향상된 감마 교정 시스템(AGCS)을 사용하여 구현할 수 있다. AGCS는 소프트웨어, 광 측정기, 프로그래밍 가능한 감마 및 VCOM 버퍼로 구성된다. AGCS를 사용할 경우 이전의 수동 시스템에 비해 훨씬 빠르게 감마 및 VCOM 코드를 찾아낼 수 있어 LCD 제조업체는 제품 개발 시간을 단축하고 대량 생산에서 각 LCD 패널을 개별적으로 보정할 수 있다.
LCD 업계는 경쟁의 증가로 시장 진출 시간을 크게 단축시켰다. 현재 엔지니어가 TFT-LCD 패널을 위한 최적의 감마 및 VCOM 전압을 찾으려면 1주일이 필요하다. 그러나 AGCS를 사용하면 엔지니어는 몇 초만에 최적화된 감마 및 VCOM 전압을 찾을 수 있다.
LCD 패널 사용자는 패널의 보다 엄격한 감마 규격을 요구한다. 현재 LCD 제조업체는 모델별로 각 패널에 대한 감마 곡선을 설정하지만 한 모델의 생산 가동 내에서 패널 간 감마 차이는 사용자가 원하는 감마 규격보다 크다. AGCS는 LCD 모듈 제조업체가 생산 라인에서 각 패널의 감마를 미세하게 조정할 수 있게 해준다.
이 글에서는 엔지니어링 랩의 TFT-LCD 패널을 위한 감마 및 플리커 보정용 폐쇄 루프 피드백 시스템을 설명한다. 최종적인 목표는 향상된 감마 교정 시스템(AGCS)을 TFT-LCD 생산 라인에 도입하는 데 있다. AGCS 소프트웨어는 PC에서 실행하며 다음과 같은 작업을 수행한다.
1) 액정 디스플레이 모듈(LCM)에 테스트 패턴을 표시한다.
2) Konica Minolta CA-210을 사용하여 루미넌스와 플리커를 측정한다.
3) 빠른 소프트웨어 알고리즘을 적용하여 감마 곡선을 설정하고 플리커를 최소화한다.
4) 감마 및 VCOM 코드를 프로그래밍 가능 VCOM이 내장된 프로그래밍 가능한 16채널 감마 칩 Maxim MAX9669에 프로그래밍한다.
더욱이 AGCS는 단 하나의 그레이 레벨이 아닌 다양한 그레이 레벨에 대한 플리커를 최소화한다.

결과

그림 1은 AGCS의 시스템 블록 다이어그램을 보여준다. 소프트웨어는 컴퓨터에게 DVI(digital visual interface)를 통해 비디오 테스트 패턴을 전송하도록 명령한다. 그러면 TFT-LCD 패널은 테스트 패턴을 표시한다. 다음으로 소프트웨어는 USB 인터페이스를 통해 Konica Minolta CA-210(LCD 컬러 분석기)에 명령을 전송하여 패널의 루미넌스와 플리커를 측정한다.(CA-210의 원격 광 프로브를 패널 앞에 놓아야 한다.)
AGCS 소프트웨어가 감마 및 VCOM 코드를 계산하고 이를 USB 및 I2C 인터페이스를 통해 MAX9669의 디지털-아날로그(DAC) 레지스터에 로드한다. MAX9669는 16개 채널의 프로그래밍 가능한 감마 버퍼와 1개 채널의 프로그래밍 가능한 VCOM 앰프를 갖고 있다. 이 밖에도 이 소자는 MTP (multiple-time programmable) 메모리를 내장하고 있다(그림 2참조). MTP 메모리는 감마 및 VCOM 코드를 비휘발성 메모리에 쓰고 파워 업 시 DAC 레지스터에 로드할 수 있도록 한다.
감마 곡선, 루미넌스 및 루미넌스 오차는 다음의 방정식(1), (2), (3)에 의해 설명된다.

T(j) = (j/J)y ×100(%) (1)

L(j) = T(j)·[L(J) - L(0)] + L(0) (2)

ε(j) = │LT(j) - L(j)│ / LT(j) (3)

여기서 T(j)는 j번째 그레이 레벨에서 LCD의 투과도를 나타내며, j는 8비트 패널에서 0~255의 그레이 레벨이며, 8비트 패널에서 J = 255이다. L(j)은 j번째 그레이 레벨에서의 루미넌스이고, ε(j)는 루미넌스 오차, LT(j)는 방정식(2)로부터 계산된 목표 루미넌스이다. 감마 보정 과정은 루미넌스 오차가 사용자 정의 허용오차 안에 있을 때 성공한 것으로 간주된다. 그림 3은 AGCS 사용 시 보정된 감마 곡선에서 최대 루미넌스 오차가 42%에서 23%로 감소되었다는 것을 보여준다. 감마 교정은 벤치 테스트에서 13초 내에 완료될 수 있다.
각 픽셀에 인가되는 전압은 프레임별로 포지티브 극성과 네거티브 극성 간에 번갈아 전환하여 이미지 스티킹을 발생시킬 수 있는 DC 전압을 최소화한다. 그러나 기생 커패시턴스에 의해 발생되는 잔여 DC 성분이 그대로 남아 있어 포지티브와 네거티브 극성의 루미넌스가 달라진다. 이와 같이 변동하는 루미넌스를 플리커라고 한다. 플리커를 최소화하기 위해 패널의 공통 전압(VCOM)이 생산 라인에서 패널별로 조정되며, 이는 픽셀에 인가되는 잔여 DC 전압을 효과적으로 제거한다. 생산 라인의 담당자는 디스플레이를 관찰하고 기계적 포텐쇼미터의 나사를 돌려 VCOM 전압을 변경한다.
프로그래밍 가능한 VCOM 버퍼는 기계적 포텐쇼미터의 필요를 없애주고 보정 작업의 자동화를 구현할 수 있게 한다. AGCS는 플리커 보정을 위한 빠른 루트 찾기 알고리즘을 적용하며, 보정은 하나의 그레이 레벨에서 2초 이내에 완료할 수 있다. 그럼에도 불구하고 최적화된 VCOM은 그레이 레벨에 따라 변화한다(그림 4). AGCS는 감마 전압을 조정하여 다양한 그레이 레벨에서 최적화된 VCOM을 찾는 VCOM 이퀄라이제이션 기능을 제공한다. 40인치 LCD 패널의 VCOM 이퀄라이제이션 보정 결과는 그림 5(a)에 나와 있다. 보정된 VCOM DAC는 녹색 점으로 표시되며 목표 VCOM은 분홍색 점으로, 초기 VCOM은 청색 점으로 표시되어 있다. 보정된 VCOM은 10비트 DAC(1LSB~16mV)에서 ±6LSB의 초기 오차와 비교하여 목표 VCOM으로부터 ±2LSB 이내에 있다.
그림 5는 하드웨어(Hardware), 이퀄라이즈된 VCOM (Equalized VCOM), 플리커(Flicker), 감마(Gamma)의 4개 탭이 있는 AGCS GUI를 보여준다. 하드웨어 탭은 수동 모드에서 감마 및 VC-OM 전압을 프로그래밍할 수 있는 기능을 제공한다. 플리커 탭은 흰색 또는 녹색의 다양한 테스트 패턴에서 플리커 측정 기능을 제공한다. 감마 탭은 사용자가 감마 곡선을 측정하고 보정할 수 있게 한다. 이퀄라이즈된 VCOM 탭에서는 일련의 감마 교정과 VCOM 이퀄라이제이션을 수행할 수 있다.
감마 보정은 감마 탭에서 보정(Calibrate) 버튼을 클릭하여 시작한다. AGCS는 만족해야 하는 사용자 정의 감마 곡선을 나타내는 적색의 곡선으로 그린다. AGCS는 테스트하는 패널의 감마 곡선을 측정하고 청색 곡선으로 표시한다. 감마 값이 허용오차 내에 있지 않으면 AGCS는 루트 찾기 알고리즘을 적용하여 원하는 감마 곡선에 맞추어 감마 전압을 보정한다. 보정이 완료되면 녹색 곡선으로 표시된다.
플리커 측정은 플리커 패턴 설정, VCOM 전압 프로그래밍, 플리커 레벨 읽어오기를 거쳐 빠른 알고리즘을 적용하여 최소 플리커 레벨을 위한 최적화된 VCOM 전압을 찾기를 통해 수행된다.
VCOM 이퀄라이제이션은 일련의 AGCS 및 이퀄라이즈된 VCOM(또는 EVCOM) 보정 시퀀스를 수행한다. EVCOM에서 플리커는 감마 전압을 조정하고 플리커 레벨을 측정함으로써 각각의 탭 포인트에 대해 최소화된다. 목표 VCOM 전압은 분홍색 점으로 표시된다. 보정된 VCOM 전압은 청색 점으로, 마지막 VCOM 전압은 녹색 점으로 표시된다. AGCS 및 EVCOM은 수렴을 위해 여러 번의 반복이 필요할 수 있다. 따라서 AGCS 소프트웨어는 사용자가 AGCS 및 EVCOM 시퀀스를 커스터마이징할 수 있게 한다. 대부분의 LCD 패널에서는 하나의 VCOM 레벨만 설정할 수 있기 때문에 이퀄라이즈된 VCOM 탭의 기능은 감마와 플리커 값에 대해 모두 최상의 광 성능을 보장한다.

참고문헌
[1] Jaeho Oh, Seung-Woo Lee, Kwan-Young Oh,Taesung Kim, Brian H. Berkeley and Sang Soo Kim, “Automatic LCD Gamma Curve Optimization”, SID ‘06 Symposium, Vol. 37, pp. 394-397, June 2006
[2] Kwan-Young Oh, Seung-Woo Lee, Jaeho Oh, Taesung Kim, Brian H. Berkeley, and Sang Soo Kim, “Automated Flicker Reduction for Large TFT-LCDs”, SID ‘06 Symposium, Vol.37, pp. 398-401, June 2006