자동차 응용 제품을 위한 초박막 LED 배경 조명 디스플레이의 통합 핵심

LED 모듈은 무접점 조명 산업의 집적 회로로 자리잡고 있습니다. 마이크로 컨트롤러의 진화와 같은 방법으로, LED는 일반적으로 사용되는 다양한 주변 장치를 통합하여 거의 모든 응용 분야에 대해 점점 더 모듈 형식으로 판매되고 있습니다. 이점 역시 IC 시장과 마찬가지로 더 쉽고 빠른 설계, 부품 개수 감소를 통한 총 비용 절약 및 더 작아진 폼 팩터를 들 수 있습니다. 또한 대부분의 조명 응용 분야에서 뛰어난 에너지 효율 및 조명 성능을 실현할 수 있습니다.

흥미롭게도, 소형화는 무접점 조명 시장에서는 경우에 따라 대단히 중요한 이점이 아닐 수도 있지만 디스플레이 배경 조명 응용 제품에서는 분명히 주요한 요인이며, 빠르게 증가하는 자동차 LCD 분야는 특히 까다로운 하위 분야입니다. GPS, 대시보드, 정보 클러스터 및 뒷자석 엔터테인먼트를 비롯한 응용 제품과 함께 신차 내부의 화면 수가 증가되고 있습니다.


그림 1: 자동차의 운전자 정보 시스템 및 GPS 매핑 응용 제품에서 LED 배경 조명 LCD의 사용이 점점 더 증가하고 있습니다. 사진: Magneti Marelli Electronic Systems.

이 기사에서는 제조업체들이 높은 휘도 및 색 충실도 같은 요구 사항을 수용하는 초박막 LED 배경 조명 모듈을 제공하기 위해 사용하는 여러 기술에 대해 설명합니다. 설계 옵션에는 흰색 또는 RGB LED 모듈의 사용, 직접 또는 간접 배경 조명 접근 방법 및 반사판 박스 또는 광 가이드 사용 등이 있습니다. OSRAM Opto Semiconductors의 PowerTopLED 및 MultiLED LED 모듈 범위를 참조할 수 있습니다.

또한, 광원 및 해당 구조가 중요하기는 하지만 솔루션의 전체 크기와 효율은 구현되는 구동기 전자 장치 및 전력 관리 솔루션에 따라 대부분 결정됩니다(특히 조광 같은 기능의 경우). 배경 조명을 위한 고집적 LED 구동기는 현재 여러 공급업체에서 주문 가능합니다. 뒷부분에서, 자동차 시장의 엄격한 요구 사항에 따라 특별히 설계된 다음 2개 제품에 대해 자세히 설명합니다. Allegro Microsystems의 A8513 및 Linear Technology의 LT3518

내응력 모듈

LED 모듈은 단일 또는 다중 단순 다이 패키지 및 납땜 지원부터, 작은 PCB 또는 기판에 실장된 패키지형 LED(예: COB(칩 온 보드) LED) 및 이차 광학 및 열 관리 기능을 통합하여 소형 인클로저로 하우징한 정교한 장치까지 구성이 다양합니다. 구동기 전자 장치를 통합하는 모듈은 구체적으로 말하자면 주로 조명 엔진으로 정의됩니다.

LED의 향상된 효율과, 향상된 루멘 출력 및 통합 패키지 설계를 통해, LCD용 LED 배경 조명은 일반적인 기준이 되었습니다. 한동안 상대적으로 작은 디스플레이로 제한되었던 이 기술은 현재 대형 TV 화면을 비롯하여 더 큰 디스플레이 패널에 적용할 수 있게 되었습니다. 특히 색 공간과 색 일치성 관점에서 증가된 디스플레이 크기 및 정보 밀도는 높은 성능을 필요로 하며 이것이 바로 LED 기술이 기존에 대형 디스플레이 배경 조명에 사용되었던 CCFL 소스를 능가하는 부분입니다.


그림 2: 뒷자석 엔터테인먼트는 강화된 LED 배경 조명 LCD 스크린의 주요 응용 분야입니다. 사진: Continental.

자동차 응용 분야에서 기계적 응력 및 진동에 대한 내력은 매우 중요합니다. 여기에서도 LED 기술은 우수성을 증명하고 있습니다. 장기적 수명과 결합된 내구성, 낮은 전압 수준에서 작동하는 더 간단한 제어 회로망, 짧은 스위칭 시간을 제공하는 LED는 자동차 내 디스플레이와 인포테인먼트 시스템을 위한 매력적인 선택입니다. 자동차 디스플레이에서 LED 배경 조명의 이점 및 요구 사항에 대한 자세한 내용은 이전 기사²에서 확인할 수 있습니다.

LCD용 LED 배경 조명에 대한 유용한 지침은 OSRAM Opto Semiconductor에서 제공하는 최신 응용 참고 사항(‘LED - 디스플레이 배경 조명을 위한 새로운 광원' 및 ‘LED 디스플레이 배경 조명 – 6리드 MultiLED를 사용하는 모니터 응용 제품’¹)을 참조하십시오.

밝은 흰색 조명

OSRAM은 단색 배경 조명을 요구하는 디스플레이에 대해 단색, 다색 또는 흰색 LED가 모두 적합하다고 제안합니다. 그러나 다색 디스플레이의 배경 조명을 설계하는 경우 각 유형의 이점과 단점을 모두 알고 있어야 합니다. 단색 LED는 효과적인 색 혼합을 위해 추가적인 공간을 필요로 하므로 결코 이상적이지는 않습니다. 다색 및 흰색 LED 모듈의 경우 패키지 내에서 색 혼합이 수행되므로 보다 콤팩트한 설계가 가능합니다.

흰색 LED는 광범위한 패키지 유형과 전력 수준을 사용할 수 있다는 이점이 있으며 낮은 전력 수준에서 상대적으로 간단하게 구동되는 경향이 있습니다. OSRAM의 Power TopLED 계열에서와 마찬가지로 흰색 장치는 발광 변환의 기존 방법을 기반으로 합니다. 파란색 다이오드의 빛은 인광층에 의해 노란색 빛으로 변환됩니다. 결과 흰색 빛의 정확한 색온도는 인광층의 두께와 구성에 의해 생성되고 자체적으로 결정되는 파란색-노란색 빛의 비율로 결정됩니다. OSRAM은 대시보드 디스플레이, 지도 조명 및 뒷자석 엔터테인먼트 디스플레이 같은 자동차 응용 제품에 대해 전력 TopLED 계열의 LED를 사용하도록 권장합니다.

그러나 특히 대형 색 공간이 필요한 경우 컬러 디스플레이 배경 조명으로 다색 LED를 사용하는 것이 좋습니다. 단일 모듈에 여러 다양한 색(대개 RGB) 다이를 통합하면 설계 유연성이 향상될 뿐만 아니라 자동차 시장의 엄격한 요구 사항을 충족하도록 구성할 수 있는 콤팩트 패키지를 구현할 수 있습니다(그림 3). 모든 3개 칩이 적절한 RGB 강도(30:60:10 비율(통상))로 동시에 구동되면 흰색 빛이 생성됩니다.


그림 3: OSRAM의 MultiLED 범위 6리드 RGB 모듈의 한 예.

중간 크기의 고휘도, 공간 제약적 응용 제품(>500cd/m²)의 경우, 직접 배경 조명을 선호하는 경향이 있습니다. LED는 일반 패턴에서 넓은 간격을 가지며 디스플레이 패널에 걸쳐 균일한 조명을 제공하도록 반사판 박스 구조를 갖추고 있습니다. 반사판 박스의 깊이는 LED 간격과 다이오드의 방출 각도에 따라 달라집니다. 직접 배경 조명은 다양한 디스플레이 크기와 휘도 레벨에 대해 조정할 수 있습니다.


그림 4: RGB LED 모듈을 사용하는 LED 배경 조명 설계의 코너 영역.

반드시 높은 휘도를 필요로 하지는 않는 대형 크기 디스플레이의 경우, 간접 배경 조명 구조가 적합할 수 있습니다. 대개 광 가이드의 사용을 통해 패널의 후면에서 빛이 굴절되거나 반사됩니다. 광 가이드에 내장된 마이크로 렌즈는 균일한 배광을 구현하는 데 도움이 됩니다. 다양한 광 가이드 구성과 각형 편향판 디플렉터 표면이 가능합니다. 설계에 따라 상단 방향 및 측면 방향 LED를 모두 사용할 수 있습니다.


그림 5: 직접 배경 조명 설계의 회로도 구성 - LED, 반사판 및 확산기 표시.

예를 들어, 17" LCD 화면은 일반적으로 광 가이드의 상부와 하부에 대한 직접 접점이 측면에 실장된, 2열의 50개 RGB LED 모듈을 사용하여 배경 조명을 제공할 수 있습니다. OSRAM MultiLED 범위의 전형적인 예로 120°의 시야각과 확산형 렌즈를 사용하는 6리드 RGB 직사각형 모듈인 LTRBGFSF-ABCB를 들 수 있습니다. 광학 효율은 통상 45lm/W에서 인용되며 700mcd (빨간색), 1350mcd(녹색) 및 160mcd(파란색)의 개별 밀리칸델라 정격을 갖습니다. LED 밝기가 향상됨에 따라 미래 설계에는 더 적은 장치가 필요하게 됩니다.

OSRAM의 MultiLED는 운전자 대시보드 디스플레이를 비롯한 자동차 실내 응용 제품용으로 설계 및 패키징되었습니다.

통합 구동기

특히 대형 LCD 계기판과 운전자 정보 시스템이 더욱 만연함에 따라 자동차 디스플레이 배경 조명 응용 제품은 고집적 LED 구동기를 필요로 합니다. 예를 들어, 배경 조명을 위한 LED 구동은 유연하여 펄스 작동 및 PWM 조광에 모두 적합하지만 모든 구동기가 AEC-Q100 인증을 획득했거나 적절한 자동차 전압 및 온도 정격을 충족하는 것은 아닙니다. 구동기는 또한 스트링, 모듈 수, 스트링 수 및 LED 전류에 따라 LED 또는 모듈 수가 일치하도록 선택해야 합니다. LED 전류 자체는 필요한 색 조합 및 혼합에 따라 달라집니다.

특히 자동차 인포테인먼트, 계기판 및 중앙 스택 디스플레이 배경 조명을 대상으로 하는 Allegro Microsystems A8513에서 적절한 LED 구동기 예를 찾을 수 있습니다. 단일 출력 흰색 LED 구동기로 설계된 이 장치는 전류 모드 부스트 컨버터와 내부 전력 스위치 및 전류 싱크를 통합합니다. 또한 4.5V ~ 40V의 단일 전원 공급 장치에서 작동하며 2MHz 부스트 커버터 스위칭 주파수를 사용합니다.

무엇보다도 이 장치는 소형 10핀 MSOP 또는 16핀 TSSOP 패키지로 제공됩니다. 향상된 열 방출을 위해 이러한 패키지는 모두 노출형 열 패드를 갖추고 있습니다.

안전 기능(전압 변동으로 최대 40V의 과도 상태를 생성할 수 있는 자동차 응용 제품에 필수)에는 출력 단락 및 과전압, 개방 및 단락 다이오드, 개방 또는 단락 LED 핀, 단락 부스트 스위치 또는 인덕터, 단락 ISET 저항기 및 IC에 대한 보호 등이 있습니다. 이중 레벨 전류 제한 기능은 소프트 스타트를 제공하며 고전류 과부하에 대해 내부 전류 스위치를 보호합니다.

또 다른 옵션은 앞에서 설명한 16핀 TSSOP 또는 16리드 QFN(4mm x 4mm) 패키지로 제공되는 고집적 장치인 Linear Technology의 LT3518입니다. 내부 2.3A, 45V 스위치를 갖춘 전류 모드 DC/DC 컨버터로 설명되는 이 제품은 자동차 및 항공 전자 시스템의 디스플레이 배경 조명 응용 제품을 위한 LED를 구동하도록 특별히 설계되었습니다. 부스트, 벅 및 벅-부스트 모드의 LED 구동기로 작동하는 이 제품은 기존 전압 루프와 고유한 전류 루프를 결합합니다. 그러므로 정전류원 또는 정전압원으로서 기능을 수행할 수 있습니다.

스위칭 주파수의 프로그래밍을 통해 부품 크기 및 효율을 위해 외부 부품을 최적화할 수 있습니다. 스위칭 주파수는 외부 클록 신호에 대해 동기화할 수 있으며 LED 전류는 100mV 감지 저항기를 사용하여 외부에서 프로그래밍할 수 있습니다. 외부 PWM 입력은 자동차 디스플레이의 야간 작동에 유용한 기능인 3000:1 ‘트루 컬러 PWM’ LED 조광을 제공합니다. 제어핀은 더 나아가 10:1의 조광 비율을 제공합니다.

요약

LED는 디스플레이 배경 조명 응용 제품을 위한 생태학적(저전력) 및 경제적 이점뿐만 아니라, 향상된 색 공간, 우수한 색 렌더링 및 색 일치성(특히 조광 시)을 제공합니다. 통합 LED 모듈 및 소형 구동기는 충분히 높은 휘도로 초박막 설계를 달성할 수 있도록 합니다. 견고한 패키징과 저전압 작동을 갖춘 대형 LED 배경 조명 자동차 운전자 정보 디스플레이는 실현 가능하고 매력적인 솔루션으로서 제공될 수 있습니다.

참고 자료:

1. 응용 참고 사항: LED - 디스플레이 배경 조명을 위한 새로운 광원: OSRAM Opto Semiconductors & LED 디스플레이 배경 조명 – 6리드 MultiLED를 사용하는 모니터 응용 제품(해당 자료로 이동)
2. DigiKey 기사: 보다 밝은 배경 조명을 요구하는 자동차 디스플레이