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표시 장치의 패널 전압 제어 방법, 컴퓨터 판독 가능한 매체 및 컨트롤러
METHOD, COMPUTER-READABLE MEDIUM AND CONTROLLER FOR CONTROLLING PANEL VOLTAGE OF DISPLAY DEVICE
소 속
아주대
연구책임자
김영진
기술분류
저전력 기술
키워드
AMOLED display
 
기술개발 단계(TRL 9단계)
기초연구단계 실험단계 시작품단계 제품화단계 사업화
1. 기초이론/실험   3. 실험실 규모의
기본성능 검증
V 5. 확정된 시작품
제작 및 성능평가
  7. 신뢰성 평가 및
수요기업 평가
  9. 사업화  
2. 실용목적의
아이디어,
특허등 개념 정립
  4. 실험실 규모의
평가
  6. 파일롯 규모
시작품 제작 및
성능 평가
  8. 시제품 인증 및
표준화
   
- 출원 번호: 10-2015-0102895  (2015.07.21.)
- 등록 번호: 10-1674046  (2016.11.02)
- 공개 여부: O
 
- AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode) 디스플레이는 백라이트를 사용하는 LCD (Liquid Crystal Display)와는 다르게 각 픽셀이 빛을 낸다. 따라서 화면 컨텐츠에 따라 다른 전력소모를 보인다. AMOLED 디스플레이에서의 소프트웨어 측면에서의 저전력 기술은 두 가지 방법으로 발전되어 왔는데 1)색 변환(color transformation)을 통해 전력을 절감시키는 기법과 2)디스플레이에 공급되는 전압을 동적으로 가변(dynamic voltage scaling, DVS)하여 전력을 절감시키는 기법이다.
- 본 발명에서는 인간 시각 만족도의 변화를 엄밀히 고려하는 색 변환 방법과 시각 만족도와 소모전력 두 요소를 최적으로 균형 있게 고려한 DVS 기법을 상승적으로 결합하는 새로운 방법을 제안함으로써 최적 전력 절감 및 인간 시각 만족의 모바일 AMOLED 디스플레이 시스템을 구현함을 목적으로 한다.
- 모바일 AMOLED 디스플레이 모듈에 DVS를 적용할 수 있고 동시에 소모 전력을 분석할 수 있는 시스템을 그림 1과 같이 구성한다. 모바일 AMOLED 디스플레이 모듈은 세 개의 독립적인 전압원이 필요하다. AMOLED DC-DC 컨버터는 패널에서 필요한 전력을 공급하고 VCI는 패널을 구동하는 아날로그 회로, IOVCC는 패널을 구동하는 디지털 회로에서 필요로 한 전력을 각각 공급한다. 화면 컨텐츠에 따라 패널에 공급되는 전압을 동적으로 컨트롤하기 위해서 프로그램 가능한 AMOLED DC-DC 컨버터가 사용된다. Main processor에서 전압 값을 AMOLED DC-DC 컨버터에 전달하여 AMOLED 패널에 공급되는 전압을 동적으로 컨트롤할 수 있다.
- 전력 측정을 위해서는 저항 값이 아주 작은 전류 감지 저항(shunt resistor)이 사용된다. IOVCC와 VCI 전압을 공급하는 레귤레이터(regulator) 출력 단과 AMOLED 패널의 전압을 공급하는 DC-DC 컨버터 IC의 입·출력 단에 전류 감지 저항을 연결하여 소모 전력을 구할 수 있다. 전류 감지 저항 양단의 전압차를 측정하여 소모 되는 전류량을 구하고, 접지와의 전압차를 측정하여 전압 값을 구한다. 구해진 전류와 전압 값을 통해 소모 전력을 계산할 수 있다.
- 시각적으로 균일한 색체계인 CIELab 색 공간에서의 작은 변화는 인간 시각 시스템(human visual system, HVS)에 영향을 주지 않는다. 따라서 CIELab 색 공간에서 이미지의 모든 픽셀들의 색을 전력 소모가 적은 색으로 균일하게 변환시키면, HVS를 만족시키면서 디스플레이에서 소모하는 전력을 크게 줄일 수 있다.
- CIELab 색 공간에서 두 색의 유클리디안 거리는 HVS에서 인지하는 차이를 나타낸다. 즉 동일한 거리만큼 떨어진 색은 인간의 눈에 같은 크기의 색 차이로 인지된다. CIELab에서의 유클리디안 거리 공식은 식 (1)과 같다. 식 (1)에서 h 값은 원본 색 (L, a, b) 과 변환된 색 (L’, a’, b’) 간의 거리를 나타낸다.
- 저전력 색 변환을 위해 우선 실험을 통해 CIELab 색 공간에서 전력 소모를 최소화하면서도 HVS를 만족시키는 저전력 방향 벡터를 찾는다. 저전력 방향 벡터는 패널 특성에 따라 달라지므로 패널 종류에 따라 다른 벡터가 구해진다. 원본 색 (L, a, b)을 이 벡터의 방향으로 h만큼 이동시키면 변환된 색 (L’, a’, b’)이 구해진다. 이 때 h의 크기에 의해 전력 감소량과 화질이 결정된다. 만약 h가 너무 크면 전력 소모는 줄어들지만 화질이 저하되게 된다. 따라서 화질을 고려하여 최적의 h 값이 선택되어야 한다.
- DVS 적용 시에 원 전압일 때와 같은 휘도를 내기 위해 필요한 충분한 전압 밑으로 전압이 하강할 경우, 휘도가 원본보다 저하되는 왜곡 픽셀 (distorted pixel)들이 생기게 된다. 이 때 원본의 휘도와 같은 휘도를 내기 위해 픽셀 값을 증가시키는 픽셀 보상 (pixel compensation)이 이루어진다. 픽셀 보상을 통해 전압 하강으로 발생되는 휘도 저하를 막을 수 있다. 그림 2는 패널에 공급되는 Vdd가 9V에서 7V로 하강할 때 Green 채널에서의 픽셀 보상을 보여준다. 픽셀 값을 216에서 255로 증가시켜 원본 휘도 (90.1)를 출력 할 수 있다. 하지만 그림 1에서 볼 수 있듯이 각 입력 전압에 따라 출력할 수 있는 최대 휘도가 정해져있다. 따라서 픽셀 보상은 각 전압이 출력 할 수 있는 최대 휘도 범위 안에서 이루어질 수 있다. 만약 어떤 픽셀의 휘도 값이 해당 전압의 최대 휘도를 넘어선다면 그 픽셀의 휘도 값은 해당 전압의 최대 휘도 값으로 포화된다. 포화 픽셀의 개수는 전력 절감량과 화질에 따라 정해질 수 있다. 소수의 밝은 픽셀들의 휘도를 희생함으로써 디스플레이의 소모 전력을 크게 줄일 수 있다. 전체 픽셀 중에 포화 되지 않고 원본 휘도를 유지하는 픽셀들의 백분율을 saturation threshold로 정한다. h와 마찬가지로 saturation threshold에 따라 전력 감소량과 화질이 결정된다.
- CIELab 색 공간에서 h 값에 따라 색 변환을 수행 한 후, saturation threshold에 따라 DVS를 적용할 수 있다. 소모 전력을 최소화하면서 고화질을 구현하기 위해서 h와 saturation threshold 쌍을 동시에 탐색하여 h와 saturation threshold의 최적화된 쌍(optimal pair)을 구해야 한다. 또한, 이미지들은 각각의 고유한 특성이 있기 때문에 이미지 특성에 따라 다른 h와 saturation threshold의 최적 값 쌍을 구해야 한다.
- 색변환 기반의 동적 전압 가변 기법의 구체적인 알고리즘은 아래와 같다. 알고리즘은 오프라인과 온라인으로 이루어진다. 오프라인에서는 첫 째로 이미지 데이터베이스를 사용하여 이미지들을 평균 휘도에 따라 여러 개의 카테고리로 분류한다. 그 후 각 카테고리의 특성을 반영할 수 있는 대표이미지를 선택한다. 대표이미지를 사용하여 각 카테고리의 h와 saturation threshold의 최적 값 쌍을 계산한다. 온라인 알고리즘에서는 입력 이미지의 평균 휘도에 따라 어느 카테고리의 이미지인지 판단한 후 오프라인에서 구한 h와 포화 임계치의 최적 값 쌍을 사용하여 색변환과 DVS를 수행한다.
- saturation threshold 값에 따라 DVS가 수행된다. saturation threshold 값에 따라 RGB 채널별로 포화되지 않은 픽셀들의 최고값인 sth_val 값이 계산된다. 채널별 sth_val 값을 구하기 위해서는 RGB 채널별 히스토그램이 사용된다. 예를 들어 그림 3에서와 같이 saturation threshold 값이 90인 경우 green 채널에서 sth_val 값은 164이다. RGB 채널별 sth_val 값을 계산한 후에는 출력 전압이 구해진다. 각 전압에 따라 최대 휘도 값이 달라지므로 픽셀 보상 시 전압에 따라 보상 가능 범위가 결정된다. 따라서 RGB 각 채널 sth_val는 선택된 전압의 픽셀 보상 범위 안이어야 한다. 전압 선택 시 세 개의 sth_val을 만족하는 가장 작은 전압을 선택하여 전력 소모를 최소화한다. 그림 5는 앞에서 설명한 전압 선택 과정을 보여준다. 히스토그램을 이용하여 sth_val을 구한 후 각 전압의 최대 보상 범위를 저장하고 있는 Voltage table을 참조하여 최종적으로 전압을 선택한다.
- 오프라인에서 결과 이미지의 화질 평가를 위해 SSIM (Structural Similarity) 이라는 이미지 평가도구를 사용한다. SSIM은 원본과 변환된 이미지의 휘도 (luminance), 대비 (contrast), 구조 (structure)의 유사성을 분석하여 0에서 1까지의 점수로 유사도를 평가한다. 1에 근접할수록 원본과 유사함을 나타낸다. 현재 발명의 내용에서는 인간 시각 만족도 측정을 위한 평가 도구로서 SSIM을 사용하고 있으나 구현의 측면에서는 여러 다른 평가 도구의 사용이 가능하다. 온라인에서는 입력 이미지의 평균 휘도를 계산하고 이를 이용하여 이미지의 카테고리를 분류한다. 오프라인에서 계산하여 LUT (loolup table)에 저장한 카테고리별 최적 h 및 sth_opt값과 voltage table을 사용하여 최적 화질 변경과 최적 공급 전압 선택 및 변경이 수행된다.

 
- 상용 AMOLED display를 대상으로 현재 제품화된 동적 전압 가변 (DVS) 기술은 없음.
- 기존 연구들에서 종래 색 변환 기법들은 인간 시각 만족도를 고려한 색 변환을 시도하였으나 색 변환 시 일부 색에 대해 중점을 두거나 휘도가 증가하는 제약 조건으로 인해 최적의 저전력 색 매핑이 불가하거나, 전체 디스플레이 이미지가 아니라 관심영역(saliency)에 한하여, 이미지간의 충실도(fidelity)보다는 사용성(usability)에 초점을 맞춰서 색 변환을 하였음. 게다가 이러한 기법들의 응용이 게임, 웹 브라우저 등의 특정 응용에만 국한되는 한계가 있었음. 
- 또한 색 변환 기법과 DVS 기법은 각기 적용되어왔고, 색 변환에 따른 최적 휘도를 제공하는 방식으로 이 두 가지를 결합한 기술은 이제껏 없었음.
 
- AMOLED display는 낮은 소비전력, 대형 및 고해상도 구현 가능, 박형 구현 가능, 높은 색재현력 등의 장점을 기반으로 시장 점유율이 지속적으로 증가 추세에 있음. 특히, 스마트폰 시장의 경우 약 33%의 점유을 차지하고 있으먀 2021년에는 약 62%의 점유율이 예측되고 있음. 
- AMOLED display는 모바일 기기에서는 주로 삼성 갤럭시 S 시리즈 스마트 폰에 사용되고 있는데, Apple은 AMOLED display가 장착 된 iPhone8을 2017년 9월중에 출시할 예정이며 최근에는 Apple이 iPhone의 OLED display를 삼성 갤럭시 시리즈와 경쟁하기 위해서 6인치가 넘는 고화질의 대화면으로 확대하여 양산하는 계획을 발표함. 또한 삼성 전자는 태블릿 및 노트북 디스플레이용 LCD의 비중을 줄이고 AMOLED display 공급량을 늘릴 계획을 발표함. 한편, LG 전자는 스마트 폰 용 AMOLED display 패널 개발 및 양산을 추진하고 있으며 애플과 구글과의 제휴를 통해 스마트 폰 OLED display 시장에 진출할 계획이라고 발표했음.
- AMOLED display는, TFT LCD에 비해 상대적으로 전력을 적게 소모하지만, 스마트폰과 같이, display 상의 사용자 인터페이스를 이용하여 수시로 정보를 검색하고 게임을 하고 메시지를 보내고 메일을 확인하며 동영상을 보는 등의 다양한 사용자와 기기간의 인터페이싱을 직접적이고 지속적으로 사용하는 경우, 적지 않은 전력 소모가 나타나게 됨. 따라서, 전체 기기 전력 소모 중 AMOLED display의 전력 소모는 여전히 상당한 비율을 차지한다. 통화가 아닌 사용 작업에 대해서 AMOLED 탑재 스마트폰에서의 AMOLED display 전력 소모는 20%를 상회하고 있음. 따라서, 스마트폰의 배터리 수명을 연장하고 사용자의 기기 사용의 편의성과 만족도를 높이기 위해서 AMOLED display의 전력 소모의 최적화가 매우 필요함. 
- 본 기술은 AMOLED display의 소모 전력 최적화를 위한 핵심 기술로 최적의 전력과 최적의 화질을 얻는 방법을 실제 상용 패널 대상으로 구현하고 있으므로 시장 경쟁력을 가지는 것으로 판단함.

 
- 공동연구(Joint R&D), 기술이전(매각) 또는 라이센싱
 
- 아주대학교 산학협력단 노은미(031-219-3734 / rem2016@ajou.ac.kr)
 
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