カラーTFT液晶ディスプレイの選び方（後編）

2004年7月号

カラーTFT液晶ディスプレイの選び方（後編）

カラーTFT液晶ディスプレイを機器に組み込む際、機器の用途やユーザーの開発環境によって、ディスプレイに求められる仕様はさまざまに変わる。2回連載の後編では、カラーTFT液晶ディスプレイを実際に機器に組み込む上で重要になるインターフェースや駆動用のドライバー、コントローラーについて解説する。

ロブ・ダウテル＊1）	米オール・アメリカン・セミコンダクター社
Rob Dautel	All American Semiconductor, Inc.

　前編（EDN Japan 2004年6月号、p.57を参照）ではカラー TFT＊液晶ディスプレイの物理的性質、ユーザーが選択できるディスプレイのタイプやバックライトについて説明した。今回の後編ではカラーTFT液晶ディスプレイのインターフェースや駆動用のドライバー、コントローラーについて解説する。また、基本的なインターフェース方式を説明するとともに、TFT液晶ディスプレイを選ぶ際に見落されがちな細かな点についても触れていく。
　カラーTFT液晶ディスプレイの駆動方法はディスプレイの仕様によってさまざまである。単純マトリクス型＊カラー液晶ディスプレイの場合、簡単なコントローラーICを使うか、単にシステム・バスに接続するだけである。一方、カラーTFT液晶ディスプレイの場合、ビデオ回路の駆動に必要なデータ転送速度を確保するプロセッサーとビデオ・サブシステム、専用のTFT液晶コントローラーICが必要になる。このために数多くのICやチップ・セット、システムLSIが用意されている。コンバーターICやビデオ用LSI、グラフィックス用LSIが入手できる。TFT液晶コントローラーICとカラーTFT液晶ディスプレイを接続するインターフェースには、標準的な2つの方式がある。1つはパラレル・インターフェースで、通常 TTL＊あるいはLVTTL＊と呼ばれる（図1）。これは、カラーTFT液晶ディスプレイに送るデータ信号とクロック信号を個別の信号接続を介して並列に送信する方式である。もう1つは LVDS＊と呼ばれる差動シリアル・インターフェースである。LVDSにはデュアルLVDSや TMDS＊などの類似の方式が存在する（図2）。

　LVDSインターフェースで送られるデータ信号とクロック信号は複数の差動シリアル・ペアで時分割多重される。そしてカラーTFT液晶ディスプレイでデコードされる。LVDSインターフェースで重要なのは、LVDSの差動ペアは特定のデータ信号あるいはデータ形式に対応しないということだ。一般に、赤（R）のペアだけ、緑（G）のペアだけ、青（B）のペアだけという形式では送信しない。データ転送の効率を高めるため、複数のペアにまたがってデータ信号を多重化する（図3、図4）。
　インターフェースの仕様で注目されるのは、転送するデータ幅を示すビット数である。主なビット数として12ビット、18ビット、24ビット、36ビット、48ビットが挙げられる。このビット数はインターフェース全体のデータ幅を表す。カラーTFT液晶ディスプレイの画素は通常、R、G、Bの3色で構成される。それぞれの色について1画素あたり4～8ビットのデータを使用する。例えば、24ビットのカラーTFT液晶ディスプレイを考える。Rが8ビット、Gが8ビット、Bが8ビットになる。これは、1色あたり256階調の中間色が表現できることを示す。すなわち、24ビットのカラーTFT液晶ディスプレイは1670万色（256×256×256=1670万）の色表現が可能ということになる。
　高解像度のディスプレイの場合、画素の奇数ライン（奇数画素）と偶数ライン（偶数画素）を別々に処理するデュアル・インタフェースを使用することもある。ディスプレイへのデータ転送クロック周波数をあまり上げずに済ませるためである。48ビット・インターフェースのカラーTFT液晶ディスプレイの場合、奇数画素用と偶数画素用の2つの24ビット・インターフェースを持つ（図5）。おのおののインターフェースは RGB各色ごとに、1画素あたり8ビットで構成される（全体で1670万色）。ビット数をさらに増やした場合、色数は増えるものの、ディスプレイの画質が向上するとは限らない。表1に代表的なインターフェースの仕様と表示色数を示す。
　TTLやLVDS以外では、DVI＊、アナログRGB、NTSC＊ビデオ、PAL＊ビデオといったインターフェースがある。これらのインターフェースを使用する場合、専用のドライバーやコントローラーをディスプレイ・モジュールに組み込む。このため、特定用途のディスプレイ向けになる。また、回路設計を簡単にするという目的もある。

コントローラー回路の組み合わせ方法

　カラーTFT液晶ディスプレイのインターフェースとしてTTLやLVDSを直接取り扱うことが難しい場合がある。ユーザー側の開発環境によって、設計する時間がなかったり、予算が足りなかったりするためである。ほかにも、簡単な設計が必要なものや、開発リソースが足りない、データのフォーマットが異なるなど、さまざまな事情がある。このような場合は、サード・パーティー企業を利用する。サード・パーティー企業はいろいろなタイプのTFT液晶コントローラー・ボードを提供している。これらのボードにはデータをフォーマットする回路や、DVI、アナログRGB、NTSCビデオ、PALビデオといった信号をTTLやLVDS信号に変換する回路が含まれる。さらに、輝度、コントラスト、カラー・バランスなどの制御や、イメージ・シェイピング、バックライトの制御、ディミング、消費電力管理、電源供給シーケンス制御などの機能も備えている。
　サード・パーティー企業のコントローラー・ボードを使うと開発期間を短縮できる。ただしコストは増加してしまう。そのトレード・オフを慎重に考える必要がある。例えば、ビデオ・カード、シングル・ボード・コンピューター、あるいはほかのビデオ機器からのRGB信号出力を要求する設計の重要性を考えてみよう。CRTディスプレイやプロジェクション・システムを動作させるためには標準のRGB出力が必要になる。また、実装を簡単にしたり、長いケーブルでディスプレイを駆動したりするためにはTTLインターフェースあるいはLVDSインターフェースを用いたほうがよい。いずれにせよ、TTLまたはLVDSを使用できない場合は、余分なコストがかかる。コントローラーや信号変換ボード、信号変換システムなどを別に採用しなければならないためである。
　この問題を避ける方法に、コントローラー回路をTFT液晶ディスプレイに組み込む方法がある。特定用途向けに設計されたディスプレイになる（図6）。カラーTFT液晶ディスプレイを動作させるのに必要な外付けの部品点数をできるだけ減らすため、追加の回路を組み込んでいる。これらの回路として、CCFL＊インバーター、DC-DCコンバーター、およびさまざまな入力信号をサポートするコントローラーなどがありうる。DVI、NTSCビデオ、PALビデオ、アナログRGB、デジタルRGBなども、入力信号に当たる。こういったディスプレイの中には、複数種類の入力信号をサポートするものもある。例えばアナログRGBとNTSCビデオ、PALビデオ信号の両方に対応するディスプレイがある。
　最後にディスプレイ、電源、コントローラーICがどのように組み合わされるかを考えて見よう。
　図6はNTSCビデオ入力に対応するコントローラーを組み込んだTFT液晶ディスプレイの例である。典型的な利用法としてはDVD、VTR、衛星放送受信機などからの映像信号を自動車内のモニターに映し出す車載用エンターテインメント・システムが考えられる。このような用途では、実装スペースやコスト、広範囲の動作温度保証などが重要な設計基準となる。この場合、設計者がドライバーICやインバーター・ボードをどのように、またどこに実装すべきかを思い悩むより、完全なパッケージ品を利用する方が望ましい。
　図7は市販のコントローラー・ボードを用いてコンポジット・ビデオ信号とアナログRGBビデオ信号をTTLまたはLVDS信号に変換し、ディスプレイに出力する。コントローラー・ボードには、「ボタン・ボード」が接続されている。ボタン・ボードは、表示画面のパラメーターである輝度やアラインメント、コントラスト、カラー・バランスなどを調整するためにある。
　図8はシングル・ボード・コンピューターを使用した例である。多くのシングル・ボード・コンピューターは、カラーTFT液晶ディスプレイへのダイレクト接続と標準のRGBコンピューター/ビデオ出力の両方をサポートしている。図8の例は、TTLとLVDSインターフェースのいずれかを利用し、シングル・ボード・コンピューターとカラーTFT液晶ディスプレイを接続している。シングル・ボード・コンピューターの中には追加の入力インターフェースを備えているものもある。この例ではオプションのDVIインターフェースを搭載している。CCFLインバーターは個別のモジュールとなっており、シングル・ボード・コンピューターに接続される。シングル・ボード・コンピューターは、CCFL管のディミング（輝度低下制御）を行うためのアナログ信号またはPWM信号と電源をCCFLインバーターに供給する。シングル・ボード・コンピューターは、デュアル電源ICからシステム全体に電源を供給する。さらにシングル・ボード・コンピューターに接続されたすべてのIDEドライバーへの電源供給も行う。
　図9は組み込みシステムとカラーTFT液晶ディスプレイを直結した例である。この場合、ディスプレイのコントローラーは独立したICチップの場合もあれば、システムLSIやFPGA、マイコンなどに内蔵されている場合もある。また、グラフィックスやテキストを表示するためにメイン・メモリーや別のフレーム・バッファー・メモリーを使用することがある。コントローラーはディスプレイを直接駆動する。追加のドライブ・バッファー・ロジック回路を介して接続することもある。シングル・ボード・コンピューターを使用した例と同様、CCFLインバーターは個別に用意し、組み込みシステムに接続される。これによって、電力供給のシーケンス制御やアナログまたはPWM信号によるディミング・コントロールを実行する。

詳細な項目を検討する

　本稿はカラーTFT液晶ディスプレイを選択し、使用する際の主なポイントを説明している。しかし、ユーザーの用途やディスプレイ選択のプロセスにおいて、解説が必要な細かい事項がまだ数多くある。
　第1の項目はコントラスト比である。これはディスプレイが表示できる最も暗い黒と最も明るい白の明暗比のことである。この比率が高いほど明暗ががはっきりするため、よりシャープで、鮮明な画像が表示される。ただし、コントラスト比が高いほどコストも高くなる可能性がある。
　第2の項目は画素欠陥である。良品のカラーTFT液晶ディスプレイでも不良または欠落した画素がある可能性がある。奇異に思われるかも知れないが、これはディスプレイ・メーカーが自社の品質管理プロセスを定義するために用いる概念である。ディスプレイは膨大な数の画素で構成されているが、ディスプレイ・メーカーは実用上問題ないレベルでの画素欠陥数の許容範囲を決めている。この数はディスプレイ中の全画素数に対してはるかに小さな数であり、ディスプレイの物理的寸法と比較しても極めて微小な面積を占めるにすぎない。例えば、10.4インチ型SVGA（800×600画素）ディスプレイは48万個の画素で構成されている。この場合、許容できる画素欠陥数の上限値は9とされており、これは画素全体のわずか0.002％以下を占めるにすぎない。なお、画素欠陥同士の距離についても限界値を設定している。画素欠陥のある個所の近傍に別の画素欠陥があると、エンド・ユーザーが明確に「穴」と認識してしまうためだ。
　視角も設計者が考慮すべき仕様である。特に特殊な形状や小型のカラーTFT液晶ディスプレイでは注意が必要である。視角とは、ディスプレイを正面からある方向に角度をずらして見たとき、どの角度から見るのが最適に見えるかを示す指標である（図10）。一般的な視点は12時、3時、6時、および9時の方向に置かれる。ここで、時計の中心軸に相当する、ディスプレイの表面に垂直な中心線を仮定する。視角は、視点をこの中心線から上下左右に角度を変えて見たとき、最も正しい画像として認識できる角度を示している。
　ただし、別の角度からディスプレイを見ることができないことを意味しているわけではない。最高条件でカラーTFT液晶ディスプレイを見ることができる角度を示すだけである。例えば、ノート・パソコンの前に座ったと想定しよう。通常、人間の目の位置はノート・パソコンよりも少し上になるため、見下ろす形でスクリーンを捉えることになる。このため、ノート・パソコンの最適な視角は12時方向とされている。PDAの場合は上または下からスクリーンを眺めるため、12時または6時の視角が最適である。一方、ラック・マウント型のディスプレイ、車載GPSシステムのディスプレイ、医療機器用モニターなどは3時方向または9時方向が最適な視角となる。
　携帯型機器や消費電力を抑えた機器を考えた場合、ディスプレイの消費電力を考慮すべきである。カラーTFT液晶ディスプレイは単純マトリクス液晶ディスプレイより消費電力が大きく、電力のシーケンス制御を行う必要がある。カラーTFT液晶ディスプレイの消費電力は、表示される画像によって大きくもなり、小さくもなる。ほとんどのカラーTFT液晶ディスプレイのデータ・シートには、最大消費電力または多種多様のテストから得られた平均的な消費電力のいずれかが表示されている。なおテストは、通常はモザイク・パターンを使って行われる。
　ディスプレイによっては、タイミング・コントローラーIC、グレイ・スケール発生回路、DC-DCコンバーターといった追加のLSIを必要とすることがある。小型のカラーTFT液晶ディスプレイの場合が多い。実装スペースが限られている機器、例えばPDAなどの携帯型機器の場合は、ディスプレイ・モジュールからこういったLSIを切り離して実装スペースを削減することが要求される。切り離したLSIはほかの回路と統合させたり、ASICやFPGAに埋め込んだりする。こうしてより小型のディスプレイの設計が可能になる。小型のカラーTFT液晶ディスプレイを評価する際は、このことを考慮に入れる必要がある。設計者はディスプレイ・メーカーに、ディスプレイがすべての必要な回路を含んでいるかを確認した方がよい。通常規定されているディスプレイ・インタフェースの要求条件のほかにLSIを追加する必要があるかどうかが分かる。
　屋外や航空機、あるいはほかの厳しい環境でディスプレイを使用する場合、ディスプレイの温度特性や大気圧特性は重要なポイントとなる。カラーTFT液晶ディスプレイは温度が常温よりも高い、あるいは低い条件の場合や、大気圧が高い、あるいは低い環境では故障したり動作不良を起こしたりする。厳しい環境で使用する場合、TFTディスプレイ・メーカーに相談することが重要である。車載機器用ディスプレイや携帯型機器用ディスプレイのように、広い温度範囲で動作するように設計されている製品はある。しかし極端に低い気圧における航空機器での使用を想定し、情報を明確に記載しているデータ・シートは極めて少ない。温度や気圧の条件以外でディスプレイが要求仕様を満足している場合は、ヒーターやクーラー、圧力ケースなどを追加して温度条件や大気圧条件を満足させることもできる。
　多くのカラーTFT液晶ディスプレイ・メーカーは、取り扱い条件やパッケージングのデータとともに品質管理情報をデータ・シートに掲載している。この品質管理情報はディスプレイ・メーカーの製造プロセスの情報や良品ディスプレイの判定条件などをうかがい知ることができるため、極めて有用である。
　ケーブルやコネクターはカラーTFT液晶ディスプレイにおいて見落とされがちな部品であるが、重要な存在である。ディスプレイ・メーカーはコネクターの標準化を試みている。しかしまだ正式に規格化される段階に至ってはいない。仕様も確立されてはいない。ディスプレイ用ケーブルやコネクターの中には最小発注単位の数量が多いものや、製造が難しいものがある。また、小型で多ピンのコネクターを実装するために高額な装置が必要となる場合がある。
　標準化に関して注目される組織として、SPWG（Standard Panels Working Group, www.spwg.org）がある。SPWG はカラーTFT液晶ディスプレイの機械的仕様と電気的仕様の標準化を進めている。SPWGは光学特性や性能については取り上げず、個々のディスプレイ・メーカーに委ねた。SPWG では、TFT液晶ディスプレイの製造全体にわたってコストを低減したり、デザイン面で携帯性を維持したりする努力をサポートしている。
　ほとんどの販売代理店は、サード・パーティー企業と密接な協力関係を築いている。販売代理店はディスプレイに必要なアド・オン装置やケーブル・キット、補強部品などを取りそろえている。また、多くの販売代理店は、彼らの顧客やディスプレイ・メーカー、サード・パーティー企業とやりとりする包括的なグループまたは専門のビジネス・ユニットを組織化している。この組織は、機器メーカーがカラーTFT液晶ディスプレイを選択し、機器を開発する際に必要となるサービスを提供している。
　カラーTFT液晶ディスプレイではなく、完成品としての液晶モニターを使えば、コストを削減でき、かつ部品点数も減らせる。しかしながら、液晶モニターの完成品ではなく、カラーTFT液晶ディスプレイにお金を払う意味はある。液晶モニター・メーカーはカラーTFT液晶ディスプレイを自社で製造するか、大量に購入するかのいずれかによりディスプレイのコスト削減を図っている。液晶モニターのサプライヤーはコストを削減し、機能を追加するために常に製品の再設計を行っている。ユーザーが現在使用している液晶モニターが将来も同じ部品構成になることは保証されない。また、損傷のない状態でモニターからカラーTFT液晶ディスプレイを取り外して、再利用するには時間と手間がかかる。さらに、問題が発生した場合、欠陥パネルや材料が変質した際の品質管理や RMA＊に対する有効な方策がないからである。

用語解説 / 会社情報

＊1）
ロブ・ダウテル（Rob Dautel）氏はオール・アメリカン・セミコンダクター社のフィールド・アプリケーション・エンジニアである。現在、製造ラインのエンジニアリング・サポートを担当している。

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【TFT】
thin film transistor
薄膜トランジスタ

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【単純マトリクス型】
液晶ディスプレイの駆動方式の一つ。格子状にX軸電極とY軸電極を配置し、XとYの2方向から電圧をかけて交点の液晶（画素）を駆動する方式。液晶はX軸方向の配線とY軸方向の配線に挟まれるように各交点に並んでいる。単純マトリクス型液晶ではSTN（super twisted nematic）方式とDSTN（dual-scan super twisted nematic）方式が代表的である。

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【TTL】
transistor-transistor logic

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【LVTTL】
low-level TTL

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【LVDS】
low-voltage differential signaling
低電圧差動方式。インターフェース規格TIA/EIA644で標準化された液晶ディスプレイへの信号伝送方式。

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【TMDS】
transition-minimized differential signaling
米シリコンイメージ社が開発したディスプレイへの信号伝送方式

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【DVI】
Digital Visual Interface
デジタル方式のディスプレイ接続インターフェース

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【NTSC】
National Television System Committee
米国のカラー・テレビジョン放送方式の標準化委員会並びに同委員会が策定したテレビ映像方式

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【PAL】
Phase Alternation by Line
カラー・テレビジョン放送方式の1つ。欧州、中国で採用されている。

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【CCFL】
cold-cathode fluorescent lamp
冷陰極蛍光ランプ

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【RMA】
return-material authorization
返品保証

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