7세그먼트 표시 장치
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1. 개요
7세그먼트 표시 장치는 7개의 세그먼트를 켜고 끄는 방식으로 아라비아 숫자를 표시하는 장치이다. 1903년 특허를 통해 처음 등장했으며, 초기에는 백열 필라멘트나 진공관을 사용했다. 1970년대 LED 기술의 발달로 널리 사용되기 시작했으며, 계산기, 디지털 시계, 가전 제품 등 다양한 분야에서 활용된다. 7세그먼트 외에도 8, 9, 14, 16세그먼트 등 다양한 확장 형태가 존재하며, 멀티플렉싱 기술을 통해 여러 자릿수를 표시하는 데 사용된다.
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해상도는 1인치당 픽셀 또는 점의 수를 나타내는 지표로, 이미지의 선명도를 결정하며 DPI와 PPI 단위를 사용하고, 높을수록 섬세한 표현이 가능하다.
| 7세그먼트 표시 장치 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 발광 다이오드, 액정 표시 장치, 기계식 디스플레이 |
| 용도 | 숫자 표시 |
| 설명 | |
| 특징 | 7개의 선분으로 숫자를 표시하는 표시 장치 |
| 제어 방식 | 각 선분의 LED를 개별적으로 켜고 끔으로써 숫자나 문자를 표시 |
| 구조 | |
| 선분 수 | 7개 (a, b, c, d, e, f, g) |
| 추가 요소 | 소수점 (DP, Decimal Point) - 선택 사항 |
| 구동 방식 | |
| 공통 애노드 (Common Anode) | 모든 LED의 양극을 함께 연결 |
| 공통 캐소드 (Common Cathode) | 모든 LED의 음극을 함께 연결 |
| 활용 | |
| 예시 | 디지털 시계 계산기 전자 제품 계측 장비 |
| 기타 | |
| 관련 기술 | 14 세그먼트 디스플레이 16 세그먼트 디스플레이 도트 매트릭스 디스플레이 |
2. 역사
7세그먼트 숫자를 표시하는 방식은 1903년 칼 킨슬리(Carl Kinsley)가 문자와 숫자를 전신으로 전송하여 분할된 형태로 테이프에 인쇄하는 방법을 발명했을 때 특허(미국 특허 1,126,641)에서 처음 나타났다. 이후 1908년에는 F. W. 우드(F. W. Wood)가 대각선 막대를 사용하여 숫자 4를 표시하는 8세그먼트 디스플레이를 발명했다(미국 특허 974,943). 1910년에는 백열전구로 불을 밝히는 방식의 7세그먼트 디스플레이가 발전소 보일러실 신호 패널에 사용되었다.[2] 또한, 수동 전화 다이얼에서 자동 전화 다이얼 방식으로 전환되던 시기에는 교환원에게 다이얼된 전화번호를 표시하는 데에도 사용되었다.[3] 하지만 7세그먼트 표시 장치가 널리 사용되기 시작한 것은 1970년대 LED가 등장하면서부터이다.
LED가 대중화되기 전, 일부 초기 7세그먼트 디스플레이는 진공 전구 안에 백열 필라멘트를 사용했으며, 이를 '누미트론(numitrons)'이라고도 불렀다.[4] '미니트론(minitron)'이라는 변형된 형태도 있었는데, 이는 진공 상태로 포팅된 상자를 사용했다. 미니트론은 현대의 LED 세그먼트 디스플레이처럼 DIP(Dual In-line Package) 형태를 가진 필라멘트 세그먼트 디스플레이였으며, 최대 16개의 세그먼트를 가질 수도 있었다.[5][6][7] 또한, LED나 백열 필라멘트 대신 소형 백열 전구를 직접 사용한 세그먼트 디스플레이도 존재했다. 이들은 작동 방식 면에서 현대의 LED 세그먼트 디스플레이와 유사했다.[8]
진공 형광 표시 장치(VFD) 형태의 7세그먼트 디스플레이도 1970년대에 사용되었다.[9]
1970년대에 등장한 초기 LED 7세그먼트 디스플레이 중 상당수는 각 숫자가 하나의 다이(die)에 집적된 형태였다. 이 때문에 표시되는 숫자의 크기가 매우 작았고, 일부 디자인에서는 숫자의 가독성을 높이기 위해 확대 렌즈를 포함하기도 했다.[10][11] 다른 디자인들은 디스플레이의 각 세그먼트마다 1개 또는 2개의 LED 다이를 사용하는 방식을 택했다.[12][13]
7세그먼트 패턴은 제품 가격이나 전화번호 등을 표시하는 포스터나 태그에도 활용되는데, 미리 인쇄된 세그먼트 위에 색을 칠하거나 7세그먼트 숫자 모양의 템플릿을 이용하는 방식이다.
이후 다양한 응용 분야에서 도트 매트릭스 방식의 액정 디스플레이(LCD)가 LED 디스플레이를 대체했지만, LCD에서도 7세그먼트 디스플레이 형식은 여전히 흔하게 사용된다. LED와 달리 LCD는 포토 리소그래피 기술을 이용해 패널 요소의 모양을 자유롭게 만들 수 있다. 반면, LED 세그먼트는 물리적으로 모양을 만들어야 하므로 단순한 직사각형 형태가 일반적이며, 7세그먼트보다 복잡한 모양을 만들기 어렵다. 그럼에도 불구하고 7세그먼트 디스플레이는 숫자를 쉽게 인식할 수 있고, 도트 매트릭스 방식에 비해 시각적 대비가 높아 기본적인 계산기 등에서는 여전히 널리 사용되고 있다.
3. 구성 및 구현
7세그먼트 표시 장치는 이름 그대로 7개의 선분(획 또는 세그먼트)으로 구성된다. 각 획은 켜거나 끌 수 있으며, 이 조합을 통해 아라비아 숫자를 비롯한 일부 문자를 표시할 수 있다. 가독성을 높이기 위해 획들이 약간 기울어진 형태로 배열되는 경우가 많다.
각 획은 일반적으로 맨 위 가로획부터 시계 방향으로 A부터 G까지의 문자로 식별된다. 또한, 소수점을 나타내기 위해 오른쪽 아래에 8번째 획(DP, Decimal Point)이 추가되기도 한다.[17][18]
표시 장치를 구현하는 기술은 다양하다. 가장 흔하게 사용되는 것은 발광 다이오드(LED) 방식이며, 대한민국에서도 가장 널리 쓰인다. 액정 디스플레이(LCD) 방식은 계산기와 같이 소비 전력을 낮춰야 하는 기기에 주로 사용된다. 이 외에도 과거에는 진공 형광 표시 장치(VFD), 냉음극 방전관(니키 튜브), 백열 전구를 이용한 방식(Numitroneng)[14][30], 전기 발광 표시 장치[15] 등이 사용되었으며, 주유소의 가격 표시판 등 대형 표지판에는 색깔 있는 판을 전자기력으로 움직여 표시하는 기계식(베인 디스플레이 또는 플립 디스크 디스플레이) 7세그먼트 표시 장치가 사용되기도 한다.
LED로 구현된 7세그먼트 표시 장치의 경우, 각 획을 제어하기 위한 핀과 함께 모든 LED의 음극(cathode) 또는 양극(anode)을 하나로 묶은 공통 핀을 사용한다. 이를 각각 '''캐소드 공통'''(Common Cathode) 방식과 '''애노드 공통'''(Common Anode) 방식이라고 부르며[18], 이 방식을 통해 소수점(DP)을 포함하더라도 총 9개의 핀만으로 제어가 가능하다. 여러 자릿수를 표시해야 하는 경우에는 각 자릿수를 빠르게 번갈아 켜는 멀티플렉싱 기술을 사용하여 제어 핀 수를 더욱 줄이기도 한다.[16] 일부 장치에는 입력된 이진 데이터를 해석하여 해당하는 획을 자동으로 켜주는 디코더가 내장되어 있기도 하다.
3. 1. 숫자 표시
7세그먼트 표시 장치는 7개의 선분(획)으로 이루어져 있으며, 각 획을 켜거나 꺼서 아라비아 숫자를 표시할 수 있다. 각 획은 맨 위 가로획부터 시계 방향으로 A부터 G까지 이름이 붙여져 있다. 소수 표현을 위해 오른쪽에 소수점(DP)을 추가하여 표시하기도 한다.[17][18]
일반적으로 숫자 0부터 9까지를 표시하는 데 사용되며, 각 숫자를 나타내는 가장 흔한 방식은 다음과 같다.[19]
몇몇 숫자(0, 6, 7, 9)는 위 표와 같이 두 가지 이상의 다른 방식으로 표시될 수 있다. 예를 들어, 숫자 6과 9는 각각 위쪽 가로획(A) 또는 아래쪽 가로획(D) 없이 표시되기도 하며("꼬리 없는" 형태), 숫자 7은 오른쪽 아래 세로획(F)을 추가하여 표시하기도 한다("꼬리 있는" 형태).[20] 숫자 0의 경우, 초기 카시오 계산기 등에서는 세그먼트 c, d, e, g만 켜는 방식을 사용하기도 했다.[29]
특히 숫자 1은 주로 오른쪽 두 개의 세그먼트(b, c)를 사용하여 표시하지만, 대한민국의 엘리베이터 등 일부 환경에서는 가독성을 높이기 위해 왼쪽 두 개의 세그먼트(e, f)를 사용하여 표시하는 경우도 있다.
3. 2. 문자 표시
7개의 세그먼트(획)를 조합하여 아라비아 숫자 외에도 제한적으로 문자를 표시할 수 있다.=== 라틴 문자 및 16진수 ===
라틴 문자의 경우, 모든 글자를 표현할 수는 없지만 일부 대문자와 소문자를 표시하여 간단한 단어나 메시지를 전달하는 데 사용된다. 예를 들어 CD 플레이어 등에서 "no disc"와 같은 짧은 메시지를 표시하는 경우가 있다.[29] 그러나 몇몇 글자는 숫자와 혼동될 수 있다. 대문자 'I', 'O', 'S', 'Z'는 각각 숫자 '1', '0', '5', '2'와 비슷하게 보일 수 있으며, 소문자 'g'는 숫자 '9'와, 소문자 'b'와 'q'는 각각 숫자 '6', '9'와 동일한 형태로 표시될 수 있다.[23][24][25][26]
16진법 숫자를 표시할 때는 0부터 9까지는 숫자로 표시하고, 10부터 15에 해당하는 A부터 F까지는 문자로 표시한다. 이때 대문자 'B'와 'D'는 각각 숫자 '8', '0'과 혼동될 수 있으므로 소문자 'b', 'd'로 표시하는 경우가 많다. 또한 숫자 '6'은 소문자 'b'와 구분하기 위해 위쪽 가로획(A)을 켜서 표시하기도 한다.[23][24][25][26]
다음은 7세그먼트 표시 장치로 표현 가능한 라틴 문자의 예시이다. (모든 표현 방식이 포함된 것은 아님)
| A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 대문자 |  | 표시 어려움 |  | 표시 어려움 |  |  |  |  | (숫자 1과 혼동) |  | 표시 어려움 |  | 표시 어려움 | 표시 어려움 | (숫자 0과 혼동) |  | 표시 어려움 | 표시 어려움 | (숫자 5와 혼동) | 표시 어려움 |  | 표시 어려움 | 표시 어려움 | 표시 어려움 | 표시 어려움 | 표시 어려움 |
| 소문자 | (숫자 6과 혼동) |  |  (숫자 0과 혼동) | 표시 어려움 | 표시 어려움 | (숫자 9와 혼동) |  |  (또는 ) | 표시 어려움 | 표시 어려움 | (또는 ) | 표시 어려움 |  | 표시 어려움 | (숫자 9와 혼동) |  | 표시 어려움 |  |  | 표시 어려움 | 표시 어려움 | 표시 어려움 |  | 표시 어려움 |
실제 전자 장비에서는 다음과 같은 영어 단어들이 표시되기도 한다. (표현 방식은 장치마다 다를 수 있음)
- '''OPEN''', '''CLOSE''', '''PLAY''', '''PAUSE''', '''SHUFFLE''', '''no diSC''' (또는 '''no dISC''')
- '''StArt''' (또는 '''START'''), '''StoP''' (또는 '''STOP'''), '''run''', '''FAIL''', '''Error''' (또는 '''Err'''), '''SEtUP''' (또는 '''SETUP'''), '''HELP'''
- '''MODE''', '''on''', '''OFF''', '''yES''' (또는 '''YES'''), '''no''', '''Hot''', '''CoLd''' (또는 '''COLD''')
=== 한글 자모 ===
한글의 자음과 모음도 제한적으로 표시할 수 있다. 복합 모음의 경우, 예를 들어 'ㅔ'는 'ㅓ'와 'ㅣ'를 동시에 표시하는 방식으로, 'ㅘ'는 'ㅗ'와 'ㅏ'를 동시에 표시하는 방식으로 나타낼 수 있다. 다음은 한글 자모를 표시하는 예시이다.
| 자모 | 표시 예시 |
|---|---|
| ㄱ | --       |
| ㄴ |   |
| ㄷ |  |
| ㄹ | -- |
| ㅁ | --  |
| ㅂ |  |
| ㅅ |     |
| ㅇ | -- -- -- |
| ㅈ |   |
| ㅊ | -- -- |
| ㅋ |  |
| ㅌ | |
| ㅍ | |
| ㅎ |  |
| ㅏ |    |
| ㅐ | -- -- |
| ㅑ | |
| ㅒ | -- |
| ㅓ |    |
| ㅕ | --  |
| ㅗ | -- -- -- -- |
| ㅛ |  |
| ㅜ | -- -- -- -- |
| ㅠ | -- -- |
| ㅡ |    |
| ㅢ | -- -- -- |
| ㅣ | -- --    |
=== 기타 활용 ===
대한민국에서는 엘리베이터의 층 표시기에 지하층을 나타내는 'B'(Basement)나 옥상층을 나타내는 'R'(Roof), 또는 정규 층 사이의 층(예: 중이층)을 나타내는 'M'(Mezzanine) 등을 표시하거나, 디지털 시계에서 요일을 영어 약자(예: SUN, MON, TUE 등)로 표시하기 위해 7세그먼트 표시 장치를 변형하거나 추가 세그먼트를 사용하여 문자를 표현하기도 한다. 이러한 특정 목적을 위해서는 9, 14, 16 세그먼트 디스플레이가 사용되기도 하지만, 7세그먼트 기반의 독자적인 방식으로 구현된 경우도 흔히 볼 수 있다.
3. 3. 멀티플렉싱
여러 자릿수를 표시하는 7세그먼트 표시 장치 유닛에는 표시 장치를 제어하는 IC의 핀 수를 줄이기 위해 멀티플렉싱(Multiplexing) 기술이 널리 사용된다.이 방식에서는 여러 자릿수에 걸쳐 동일한 위치에 있는 세그먼트(예: 모든 자릿수의 'a' 세그먼트)를 하나의 공통된 단자에 연결한다. 그리고 별도의 '자릿수 선택' 제어 신호를 사용하여 특정 순간에 어떤 자릿수의 LED를 켤지를 결정한다. 즉, 매우 빠른 속도로 각 자릿수를 번갈아 켜는 방식으로, 사람의 눈에는 모든 자릿수가 동시에 켜져 있는 것처럼 보인다.
이러한 멀티플렉싱 기법을 사용하면, 7개의 기본 세그먼트와 소수점(DP)을 포함한 총 8개의 세그먼트를 제어하기 위해 애노드 드라이버와 캐소드 드라이버가 각각 8개씩만 필요하게 되어 회로 구성을 단순화하고 비용을 절감하는 장점이 있다. 이러한 멀티플렉싱 방식은 전자계산기나 디지털 시계와 같이 여러 개의 숫자를 동시에 표시해야 하는 다양한 전자기기에서 널리 활용된다.
4. 확장된 형태
7세그먼트 표시 장치는 기본적인 숫자 표시에 주로 사용되지만, 알파벳이나 더 복잡한 기호를 표현하는 데에는 한계가 있다. 이러한 표현력을 높이기 위해 세그먼트 수를 늘려 문자 표현 능력을 개선한 다양한 확장 형태의 표시 장치가 개발되었다. 대표적으로 8세그먼트, 9세그먼트, 14세그먼트, 16세그먼트 표시 장치 등이 있으며, 각각 추가된 세그먼트를 활용하여 더 많은 종류의 문자와 기호를 표시할 수 있다.
4. 1. 8세그먼트 표시 장치
7 세그먼트 표시 장치의 F와 G를 연결하고 중앙에 2개의 세로 막대를 추가한 '''8 세그먼트 표시 장치'''도 존재한다.| 스크립트 | 문자 | 로 표시 | |
|---|---|---|---|
| 라틴어 | C, c, d, G, L, N, n, 0, o, r, U, Z, Ə | 문자 | 8 세그먼트 표시 장치에 표시하는 것 |
| 그리스어 | Γ, Ζ, Ν, Ξ, Ο, ο, Π, π | C, [, ( | E |
| 키릴 문자 | Г, г, д, П, п, Э | c, L, r, г | t |
| 기타 | 0, (, [, ", ^, -, /, ? | d, U | Ɐ |
| G | 6 | ||
| N, Ν, λ, Π, П | A | ||
| n, π, п | h | ||
| o, ο | b | ||
| Z, Ζ, | e | ||
| 0, O, Ə, Ο, д | 8 | ||
| Γ, Г | F | ||
| Ξ | C̠ | ||
| Э | 9 | ||
| " | ˅ | ||
| ^ | ° | ||
| - | ` | ||
| / | µ | ||
| ? | P |
4. 2. 9세그먼트 표시 장치
7세그먼트 표시 장치의 중앙에 2개의 세로 막대를 추가한 9세그먼트 표시 장치도 존재한다. 일반적으로 숫자 "1"을 중앙에 표시하는 레이아웃이다. 하지만 타이맥스 시계나 배리 미드웨이 핀볼의 점수 표시에서는 영문자를 표시하는 데 사용되기도 했다.
4. 3. 14세그먼트 표시 장치
'''14세그먼트 디스플레이'''는 세그먼트 수를 14개로 늘려 라틴 문자, 특히 대문자를 더 명확하게 표시할 수 있도록 고안된 표시 장치이다. 기존의 7세그먼트 표시 장치는 숫자를 표시하는 데는 충분하지만, 라틴 문자를 표시하려고 하면 일부 문자의 식별이 어려운 단점이 있었다.[32]
14세그먼트 디스플레이는 7세그먼트 표시 장치에 비해 대각선 방향의 4개 세그먼트와 중앙을 세로로 가로지르는 2개의 세그먼트가 추가되었다. 또한, 중앙의 가로 막대 세그먼트가 2개로 분할되어 중앙 부분이 마치 한자 '미'(米)자 모양을 이루는 것이 특징이다.
이러한 구조 덕분에 도트 매트릭스 디스플레이에 비해 부품 수가 적게 들면서도, 각 세그먼트의 모양을 적절히 디자인하면 도트 매트릭스보다 더 읽기 쉬운 글자 모양을 구현할 수 있다. 이는 소비 전력과 구동 회로의 규모를 줄일 수 있다는 장점으로 이어진다.
14세그먼트 디스플레이는 과거 다양한 전자기기에 활용되었다. 1970년대 말 TI사에서 만든 영어 학습 완구 'Speak & Spell'이나 CRAIG사의 전자 번역기 'M100' 등이 대표적인 초기 사용 사례이다.
또한, 1986년부터 1991년경에 생산된 핀볼 기기에서는 쉼표와 마침표를 표시하는 세그먼트가 추가된, 사실상 16세그먼트 형태의 디스플레이가 사용되기도 했다. 이 외에도 전화기의 발신자 표시 장치, VTR, 카 스테레오, 전자레인지, 슬롯 머신, DVD 플레이어, 엘리베이터의 층 표시기 등 다양한 기기에서 14세그먼트 디스플레이를 찾아볼 수 있다.
4. 4. 16세그먼트 표시 장치
'''16세그먼트 디스플레이'''는 세그먼트 수를 열여섯 개로 늘린 것이다. 앞서 언급한 14세그먼트 디스플레이에 비해 상하 수평 세그먼트가 각각 2개로 분할된 것이 특징이다.16세그먼트 디스플레이는 원래 영숫자 (라틴 문자와 아라비아 숫자)를 표시하도록 설계되었지만, 타이 문자 숫자[33]나 페르시아 문자[34]를 표시하는 데에도 사용된다.
5. 활용
7세그먼트 표시 장치는 단순히 숫자를 표시하는 것만으로 충분한 다양한 용도에서 널리 사용된다. 계산기, 디지털 시계, 가전 제품 및 계측기의 숫자 표시부, 자동 판매기의 투입 금액 표시 등이 대표적이다.[29] 대한민국에서는 특히 주유소의 연료 가격 표시 간판이나 엘리베이터 층수 표시기 등에서 흔히 볼 수 있다. 주유소 간판에는 전자기적으로 색깔 있는 판을 뒤집어 표시하는 베인 디스플레이(vane display) 방식의 기계식 7세그먼트 표시 장치가 사용되기도 한다.[14][30]
과거에는 핀볼 기기(1986년~1991년경, 14/16세그먼트 플라즈마 디스플레이 형태), 전화기의 발신자 표시 장치, VTR, 카 스테레오, 전자레인지, 슬롯 머신, DVD 플레이어 등에도 널리 사용되었다. 1970년대 말 텍사스 인스트루먼트사의 영어 학습 완구 Speak & Spelleng이나 CRAIG사의 전자 번역기 M100 등에서도 활용되었다.
7세그먼트 표시 장치는 도트 매트릭스 디스플레이보다 부품 수가 적고, 세그먼트 모양을 적절히 디자인하면 더 읽기 쉬운 글자를 표시할 수 있어 널리 쓰인다. 또한 소비 전력과 구동 회로 규모가 작다는 장점도 있다.
숫자 외에 문자를 표시해야 할 경우, 예를 들어 엘리베이터의 지하층(B), 옥상층(R), 중간층(M) 표시나 디지털 시계의 요일(SUN, MON 등) 표시는 9, 14, 16세그먼트 표시 장치 또는 변형/확장된 7세그먼트 표시 장치를 사용하기도 한다.
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