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문제 정의
- 구동회로와 LED를 연결하기 위하여 Connector를 사용하여 연결하였다. 많은 수의 Connector가 사용되어 지지 않도록 설계하였으며 구동회로 부분에 있어서도 높이를 많이 차지하지 않는 SMD 부품으로 Compact 화를 구현하고자 하였다. 제어회로의 Connector 부분에는 차후의 확장을 위하여 Reserved Pin이 설정되어 LCD Controller와 연결될 수 있는 구조로 설계하였다.
- 본 연구에서는 HB LED를 이용하여 LCD의 Back Light 광원으로 적합한 BLU의 제품개발을 하였다. LED 구동회로 및 제어회로, 그리고 LED module을 개발함으로써 BLU 시스템을 구성할 수 있는 요소들의 기술력을 확보하였다.
제안 방법
- 방열에 대한 부분과 광학적인 특성을 고려하여 선정하였다. 1.5W의 R, G, G, B LED가 사용되어지는 PKG를 선정하여 패키지에 대한 광학적 . 전기적 특성을 측정 및 데이터를 분석하였다.
- 3. 마이크로 컨트롤러와 ICM IC와의 TWI 통신을 통하여 관련 레지스터의 Setting 및 CMS 기능을 위한 Firmware를 구현하여 CMS 기능을 할 수 있는 알고리즘 및 코드를 구현하여 시제품을 제작하였다.
- 사용자의 입력에 의해 전체적인 시스템을 Reset 할 수 있도록 Reset에 대한기능도 추가하였다. CMS IC에 대한 하드웨어 구성은 CMS IC의 레지스터의 Setting 및 Sensor 값의 입력으로 PWM 신호가 발생되므로 이 신호가 HV9910의 PWM pin에 입력될 수 있도록 구성하였다. HV9910에 입력되는 PWM 신호는 HV9910 이 입력으로 사용되는 전압이 높기 때문에 EMI/EMC 부분에 상당한 영향을 생각해서 하드웨어를 구성해 주어야 한다.
- LED의 구동전류를 고려하여 선정하였으며 복잡성을 피하기 위하여 배선을 직선으로 할 수 있도록 고려하였다. Frame 뒷면에 Drive와 제어회로가 구성된 PCB가 부착될 수 있도록 설계를 하였다.
- LED 구동회로 및 제어회로, 그리고 LED module을 개발함으로써 BLU 시스템을 구성할 수 있는 요소들의 기술력을 확보하였다. LED BLU에 적합한 LED Array를 구성하고 최적 제어를 하기위한 구동회로와 마이크로 컨트롤러 및 Sensor를 통한 CMS 기능의 제어회로를 시제품으로 개발하였다. 본 연구에서 개발된 LED BLU 시제품을 시험 및 측정한 결과는 다음과 같다.
- X죽을 기준으로 대칭이 되도록 설계하였다. LED PCB 에서의 복잡성을 피하기 위하여 배선과 결합의 컴팩트화가 될 수 있는 구조를 선택하였다. 전체적으로 16개의 체결 Hole을 만들어서 PCB* 고정하는 방식을 택했다.
- LED 구동회로 및 제어회로, 그리고 LED module을 개발함으로써 BLU 시스템을 구성할 수 있는 요소들의 기술력을 확보하였다. LED BLU에 적합한 LED Array를 구성하고 최적 제어를 하기위한 구동회로와 마이크로 컨트롤러 및 Sensor를 통한 CMS 기능의 제어회로를 시제품으로 개발하였다.
- LED 를 이용한 BLU 의 제어회로를 구현하고자 MicroController와 Agilent의 ICM IC를 이용하여 설계를 진행하였다. Microcontroller는 Atmel 사의 Atmegal28을 사용흐}였다.
- LED part와 Drive part는 Connector 를 사용한 연결방식으로 설계하였다. LED의 구동전류를 고려하여 선정하였으며 복잡성을 피하기 위하여 배선을 직선으로 할 수 있도록 고려하였다. Frame 뒷면에 Drive와 제어회로가 구성된 PCB가 부착될 수 있도록 설계를 하였다.
- Microcontroller는 Atmel 사의 Atmegal28을 사용흐}였다. MicrocontrollerTWI 통신을 이용하여 ICM IC와의 통신을 구현하였고 이를 통해 ICM IC의 내부 레지스터를 Setting하고 동작시켰다. 그림6에 제어회로의 Micom 부분을 나타내었다.
- 회로를 단순화하기 위해서 내부 Flash memory를 가지고 있는 Microcontroller를 선택하여 설계하였다. 구동회로에 PWM 신호를 전달하기 위해서 같은 보드 상에 구동회로와 제어회로 부분을 통합하여 설계하였다. 신호가 전달되는 경로에서 EMI/EMC 부분에 대해 고려를 하여 설계를 진행하였다.
- 구동회로와 제어회로를 하나의 PCB에 설계함으로서 가격이 저렴하여지고 공간의 효율성을 높였다. 구동회로와 LED를 연결하기 위하여 Connector를 사용하여 연결하였다. 많은 수의 Connector가 사용되어 지지 않도록 설계하였으며 구동회로 부분에 있어서도 높이를 많이 차지하지 않는 SMD 부품으로 Compact 화를 구현하고자 하였다.
- 전체 PCB는 4장으로 구성되므로 그림에서 보이는 것처럼 전체적인 균일 배치가 되도록 설계하였다. 균일 휘도를 얻기 위한 방법으로 회로의 복잡성과 양산성을 고려하였다. 실제로 PCB 설계는 위의 좌, 우 2부분만을 설계하면 된다.
- 하드웨어의 개발환경을 구축함에 있어서 ISP(In System Programmable)기능이 가능하도록 ISP Port를 통한 Firmware Downloading 이 가능한 구성을 하였다. 사용자의 입력에 의해 전체적인 시스템을 Reset 할 수 있도록 Reset에 대한기능도 추가하였다. CMS IC에 대한 하드웨어 구성은 CMS IC의 레지스터의 Setting 및 Sensor 값의 입력으로 PWM 신호가 발생되므로 이 신호가 HV9910의 PWM pin에 입력될 수 있도록 구성하였다.
- 구동회로에 PWM 신호를 전달하기 위해서 같은 보드 상에 구동회로와 제어회로 부분을 통합하여 설계하였다. 신호가 전달되는 경로에서 EMI/EMC 부분에 대해 고려를 하여 설계를 진행하였다. 높은 전압으로 구동되는 구동회로 부분의 전원이 Connector를 통하여 전달되고 이 전원선이 제어회로 부분과 분리되어 있지 않으므로 설계에 어려움이 있었다.
- LED는 R, G, G, B로 구성된 4inl PKG를 이용하였다. 양산성을 고려하여 직렬구조를 선택하였다. 4 개의 Stringe 32개의 LED가 직렬로 연결되고, 2 개의 Stringe 16개의 LED가 직렬로 연결되어 총 5개의 String으로 구성되었다.
- 이러한 알고리즘을 기반으로 하여 Atmegal28 내부에 동작 가능한 코드를 작성하였다’ C언어를 기반으로 하였으며 AVR-Gcc 컴파일러를 사용하였다.
- PWM에 대한 Duty 비율은 0T00% 까지 가능하며 12bit의 분해능을 가지므로 4096단계로 Duty를 변화시킬 수 있다. 이러한 제어 신호들을 구성하여 하드웨어를 구성하기 위한 PCB를 제작하였다. 이를 그림7에 나타내었다.
- LED에 전류를. 인가하는 부분이라서 직선의 배선구조가 가장 좋으므로 구동회로의 복잡성을 감안하고 설계하였다. LED PCB는 발열을 고려하여 Metal Core PCB 재질을 사용하였다.
- 입 력전압에 따라 LED가 안정 적 인 동작을 할 수 있도록 설계하였다. LED 각각에 대한 Vf는 Red 2.
- 5W의 R, G, G, B LED가 사용되어지는 PKG를 선정하여 패키지에 대한 광학적 . 전기적 특성을 측정 및 데이터를 분석하였다. 표1에 LED 샘플에 대한 전기적, 광학적인 특성을 나타내고 있으며 측정장비는 한국광기술원에 있는 LED Tester(모델명:OL770 UV/VIS)를 이용하여 전기적 - 광학적 특성을 측정 분석하였다.
- 전체 크기는 515x322 가된다. 전체 PCB는 4장으로 구성되므로 그림에서 보이는 것처럼 전체적인 균일 배치가 되도록 설계하였다. 균일 휘도를 얻기 위한 방법으로 회로의 복잡성과 양산성을 고려하였다.
- 그림4 는 PCB를 위한 Layout 작업을 진행한 그림이다. 전체적으로 배선이 복잡하지 않도록 하기 위해서 직선으로 배선을 하는 구조로 진행하였다. LED에 전류를.
- 전체적인 시스템의 동작 상태를 나타내기 위하여 LED를 이용하여 동작 상태를 표시할 수 있도록 구성하였다. 하드웨어의 개발환경을 구축함에 있어서 ISP(In System Programmable)기능이 가능하도록 ISP Port를 통한 Firmware Downloading 이 가능한 구성을 하였다.
- 많은 수의 Connector가 사용되어 지지 않도록 설계하였으며 구동회로 부분에 있어서도 높이를 많이 차지하지 않는 SMD 부품으로 Compact 화를 구현하고자 하였다. 제어회로의 Connector 부분에는 차후의 확장을 위하여 Reserved Pin이 설정되어 LCD Controller와 연결될 수 있는 구조로 설계하였다.
- 전기적 특성을 측정 및 데이터를 분석하였다. 표1에 LED 샘플에 대한 전기적, 광학적인 특성을 나타내고 있으며 측정장비는 한국광기술원에 있는 LED Tester(모델명:OL770 UV/VIS)를 이용하여 전기적 - 광학적 특성을 측정 분석하였다.
- 하드웨어의 개발환경을 구축함에 있어서 ISP(In System Programmable)기능이 가능하도록 ISP Port를 통한 Firmware Downloading 이 가능한 구성을 하였다. 사용자의 입력에 의해 전체적인 시스템을 Reset 할 수 있도록 Reset에 대한기능도 추가하였다.
- 제어회로를 간략화 하기 위하여 MicroController와 CMS IC가 사용되어졌다. 회로를 단순화하기 위해서 내부 Flash memory를 가지고 있는 Microcontroller를 선택하여 설계하였다. 구동회로에 PWM 신호를 전달하기 위해서 같은 보드 상에 구동회로와 제어회로 부분을 통합하여 설계하였다.
대상 데이터
- 24“ LED BLU에 적용될 LED 개수를 160개로 결정하였다* Matrix 형태를 가지도록 구성하였다. LED는 R, G, G, B로 구성된 4inl PKG를 이용하였다.
- LED BLU에 사용될 수 있는 LED Package를 선정하기 위하여 대표적으로 사용되어지는 형태를 고려하였다. 방열에 대한 부분과 광학적인 특성을 고려하여 선정하였다.
- LED BLU의 LED part 크기는 길이 558mm, 폭 359mm, 높이 30mm 로 하였고 그림 1과 같이 디자인 하였다.
- 인가하는 부분이라서 직선의 배선구조가 가장 좋으므로 구동회로의 복잡성을 감안하고 설계하였다. LED PCB는 발열을 고려하여 Metal Core PCB 재질을 사용하였다. 가격은 FR4에 비해 다소 높지만 특별한 발열부분에 대한 구조물이 존재하지 않기 때문에 PCB만은 MC PCB로 설계하였다.
- 하였다. LED 선정시 방열구조를 고려하여 MCPCB와 열전달 경로를 구성할 수 있는 부분을 가진 LED를 선정하였다.
- LED PCB에는 160개의 LED가 16개씩 10줄로 배열되어있다. LED는 1.5W의 R, G, G, B Type의 4inl PKG 를 이용하였다. 또한 구동회로에는 HV9910을 사용하여 회로를 구현하였다.
- 구성하였다. LED는 R, G, G, B로 구성된 4inl PKG를 이용하였다. 양산성을 고려하여 직렬구조를 선택하였다.
- 기능적인 복잡성을 피하기 위하여 동작 특성이 안정된 HV9910으로 설계를 진행하였다.
- 5W의 R, G, G, B Type의 4inl PKG 를 이용하였다. 또한 구동회로에는 HV9910을 사용하여 회로를 구현하였다. 구동회로와 제어회로를 하나의 PCB에 설계함으로서 가격이 저렴하여지고 공간의 효율성을 높였다.
- 목표하는 휘도를 나타내게 되면 그때의 전류값을 한계값으로 활용한 것이다. 본 연구에서는 목표휘도 6000 cd/m2을 기준으로 하였다.
- 선정한 Driver IC HV9910을 이용하여 160개의 LED를 구동할 수 있는 Drive 회로를 그림5에 나타내었다. 기능적인 복잡성을 피하기 위하여 동작 특성이 안정된 HV9910으로 설계를 진행하였다.
성능/효과
- 1. 다양한 HB LED를 전기적, 광학적 특성을 측정한 결과 LED BLU에 적합한 LED를 선택하였고 선정된 LED 특성에 적합하도록 동작개수 및 광학적 배치, Array module을 구성 하였다.
- 2. LED 개수에 맞는 동작전압 및 적정한 전류 조건을 찾아서 차후에 전원용 Power supply 개발에 유용한 조건을 찾을 수 있었다. 개발된 구동 회로에 있어서 RED의 동작전압은 68V, 전류는 430mA, GREEN 의 동작전압은 97.
- 4. LCD 컨트롤러와의 연동을 위해서 차후 변경 가능한 부분에 대한 대처가 가능하도록 시제품이 설계 되어서 연동부분에 대한 제어회로 구현에 가능성을 구현하였다.
- LED 개수에 맞는 동작전압 및 적정한 전류 조건을 찾아서 차후에 전원용 Power supply 개발에 유용한 조건을 찾을 수 있었다. 개발된 구동 회로에 있어서 RED의 동작전압은 68V, 전류는 430mA, GREEN 의 동작전압은 97.7V, 전류는 460mA, BLUE의 동작전압은 92.2V, 전류는 205mA 이었다.
- 또한 구동회로에는 HV9910을 사용하여 회로를 구현하였다. 구동회로와 제어회로를 하나의 PCB에 설계함으로서 가격이 저렴하여지고 공간의 효율성을 높였다. 구동회로와 LED를 연결하기 위하여 Connector를 사용하여 연결하였다.
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