KR102059347B1 - Electrostatic multimorph cantilever structure capable of stepwise actuation - Google Patents

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Abstract

정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체는 전극; 및 상기 전극 상에 배치되고, 고정된 일단과 이동 가능한 자유단을 가지며 정전기력에 의해 구동되는 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam);를 포함하며, 상기 멀티모프 캔틸레버보는: 상기 전극과 상기 멀티모프 캔틸레버보 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 제1값으로 유지되는 제1상태; 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 다른 제2값으로 유지되는 제2상태; 및 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 상기 제2값 사이의 값으로 유지되는 중간 상태를 가진다.The electrostatically driven multimorph cantilever structure includes an electrode; And a multimorph cantilever beam disposed on the electrode and having a fixed end and a movable free end and driven by an electrostatic force, wherein the multimorph cantilever beam comprises: the electrode and the multimorph cantilever beam. A first state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a first value according to the magnitude of the voltage applied between the first and second electrodes; A second state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a second value different from the first value; And an intermediate state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a value between the first value and the second value.

Description

단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체{ELECTROSTATIC MULTIMORPH CANTILEVER STRUCTURE CAPABLE OF STEPWISE ACTUATION}ELECTROSTATIC MULTIMORPH CANTILEVER STRUCTURE CAPABLE OF STEPWISE ACTUATION

본 발명은 멀티모프 캔틸레버 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 관한 것이다. The present invention relates to a multimorph cantilever structure, and more particularly, to a statically driven multimorph cantilever structure capable of stepwise driving.

멀티모프 캔틸레버(multimorph cantilever)는 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 박막들이 겹쳐져 구성된 캔틸레버를 의미하는 것으로, 이 중에서 두 개의 층으로 구성된 캔틸레버는 바이모프(bimorph) 캔틸레버라고 지칭한다.Multimorph cantilever refers to a cantilever composed of a plurality of thin films made of different materials overlapping. Among them, a cantilever composed of two layers is called a bimorph cantilever.

멀티모프 캔틸레버의 각 층을 구성하는 물질의 물리적 특성이 다른 성질을 이용하여 캔틸레버를 움직임으로써, 멀티모프 캔틸레버는 구동기(actuator) 또는 센서(sensor) 등으로 사용될 수 있다. 또한, 멀티모프 캔틸레버를 구성하는 각 층의 잔류 응력의 차이를 이용하여 휘어진 초기 상태를 갖는 캔틸레버 구조체를 제조하는데 이용될 수 있다. The multimorph cantilever can be used as an actuator, a sensor, or the like by moving the cantilever by using different properties of the material constituting each layer of the multimorph cantilever. In addition, it can be used to produce a cantilever structure having a bent initial state using the difference in residual stress of each layer constituting the multimorph cantilever.

여기서 캔틸레버가 휘어지는 정도는 캔틸레버 내부에서 발생된 힘(예를 들어, 응력)과 캔틸레버 외부에서 가해지는 힘(예를 들어, 전자기력)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 정전구동 방식의 멀티모프 캔틸레버는 캔틸레버와 주변 전극과의 전압차에 의해 캔틸레버가 휘어지는 정도가 조절될 수 있다.The degree to which the cantilever is bent may be determined by a force generated inside the cantilever (eg, a stress) and a force applied outside the cantilever (eg, an electromagnetic force). For example, in the electrostatically driven multimorph cantilever, the degree to which the cantilever is bent may be controlled by a voltage difference between the cantilever and the peripheral electrode.

정전구동식 멀티모프 캔틸레버는 잔류응력의 차이로 휘어진 초기 형태를 가지는 전도성의 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam)와 기판에 형성된 바닥 전극간의 전압차에 따라 형성되는 정전기력을 이용하여 구동되는 소자이다. The electrostatically driven multimorph cantilever is a device driven by using electrostatic force formed according to a voltage difference between a conductive multimorph cantilever beam having an initial shape bent due to a difference in residual stress and a bottom electrode formed on a substrate.

도1은 종래의 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 일반적인 구조를 예시한다. 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)는 일반적으로 기판상에 형성되는 전극(110)과 캔틸레버보(120)를 포함한다. 이때, 캔틸레버 구조체(100)는 캔틸레버보(120)의 일단이 고정되는 앵커(130: anchor)를 더 포함할 수 있다. 캔틸레버보(120)는 앵커(130)에 고정된 일단과 자유로운 타단을 가지며 상기 일단으로부터 타단이 전극(110)의 길이 방향으로 연장되어 있다. 캔틸레버보(120)가 풀인(pull-in)되었을 때 캔틸레버보(120)는 전극(110) 쪽으로 당겨져 내려와 전극(110)과 포개질 수 있다. 캔틸레버보(120)가 전극(110)과 포개어질 때, 캔틸레버보(120)가 전극(110)에 직접 접촉하게 되면 전기적 단락(short-circuit)이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 전극(110) 상에 유전 물질 층(dielectric layer)을 배치할 수 있다.1 illustrates a general structure of a conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure. The electrostatically driven multimorph cantilever structure 100 generally includes an electrode 110 and a cantilever 120 formed on a substrate. In this case, the cantilever structure 100 may further include an anchor 130 at which one end of the cantilever beam 120 is fixed. The cantilever beam 120 has one end fixed to the anchor 130 and the other end free, and the other end extends in the longitudinal direction of the electrode 110 from the one end. When the cantilever 120 is pulled in, the cantilever 120 may be pulled down toward the electrode 110 and overlapped with the electrode 110. When the cantilever 120 is stacked with the electrode 110, if the cantilever 120 is in direct contact with the electrode 110, an electrical short-circuit may occur. A dielectric layer may be placed in the.

정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)는 도1에 예시된 바와 같은 초기 상태를 가질 수 있으며, 초기 상태는 기본적으로 움직일 수 있는 캔틸레버보(120)와 전극(110) 사이에 전압이 걸리지 않는 비구동 상태일 수 있다. 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 초기 상태는 소자 설계와 공정 과정에 따라 결정될 수 있다. 초기 상태의 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 캔틸레버보(120)와 전극(110) 사이에 적절한 전압을 인가하면, 이동이 자유로운 타단을 갖는 캔틸레버보(120)가 전극(110)쪽으로 내려와 전극(110)에 포개지며, 이러한 멀티모프 캔틸레버보(120)의 움직임을 이용하여 정전구동식 멀티모프 캔틸리버 구조체(100)를 다양한 목적에 따라 이용할 수 있다. The electrostatically driven multimorph cantilever structure 100 may have an initial state as illustrated in FIG. 1, wherein the initial state is basically a non-voltage-tracing voltage between the movable cantilever beam 120 and the electrode 110. It may be in a driving state. The initial state of the electrostatically driven multimorph cantilever structure 100 may be determined by device design and process. When an appropriate voltage is applied between the cantilever 120 and the electrode 110 of the electrostatically-driven multimorph cantilever structure 100 in the initial state, the cantilever 120 having the other end which is free to move is lowered toward the electrode 110. The electrostatically driven multimorph cantilever structure 100 may be used for various purposes by using the movement of the multimorph cantilever beam 120 superimposed on the electrode 110.

정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)는 일반적으로 풀인(pull-in) 현상에 따라 동작한다. 풀인 현상은 캔틸레버보(120)가 전극(110) 쪽으로 움직일 때, 소정 변위 이상 캔틸레버보(120)가 움직이게 되면 순간적으로 캔틸레버보(120)가 전극(110)에 붙어버리는 현상을 일컫는다. The electrostatically driven multimorph cantilever structure 100 generally operates according to a pull-in phenomenon. Pull-in phenomenon refers to a phenomenon in which the cantilever beam 120 is temporarily stuck to the electrode 110 when the cantilever beam 120 moves toward the electrode 110 when the cantilever beam 120 moves toward the electrode 110.

이러한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)에서 초기 상태로부터 풀인 상태인 최종 상태 사이의 중간 상태를 갖도록 캔틸레버를 구현하는 것은 달성될 수 없다. Implementing the cantilever in such a electrostatically driven multimorph cantilever structure 100 to have an intermediate state between the initial state and the final state, which is the pull-in state, cannot be achieved.

아래 선행기술문헌은 바이모프 캔틸레버를 이용하는 실시예에 관한 것으로서, 바이모프 캔틸레버가 두 가지 상태를 가지는 내용을 개시하고 있으나, 캔틸레버를 중간 상태로 구현하는 것에 대해서는 전혀 인식하고 있지 않다. The following prior art document relates to an embodiment using a bimorph cantilever, and discloses a bimorph cantilever having two states, but it does not recognize any implementation of the cantilever in an intermediate state.

Kyung-Ho Lee, JaeHyuk Chang and Jun-Bo Yoon, "High performance microshutter device with space-division modulation" Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 20 (2010) 075030 (7pp) Kyung-Ho Lee, JaeHyuk Chang and Jun-Bo Yoon, "High performance microshutter device with space-division modulation" Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 20 (2010) 075030 (7pp)

본 발명의 일 목적은 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a step-by-step electrostatically driven multimorph cantilever structure.

본 발명의 다른 목적은 캔틸레버보가 한번에 전극으로 풀인되는 것이 방지되는 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a electrostatically driven multimorph cantilever structure in which the cantilever beam is prevented from being pulled into the electrode at one time.

본 발명의 다른 목적은 다단계 구동이 가능하도록 설계된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극 패턴을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an electrode pattern of an electrostatically driven multimorph cantilever structure designed to enable multi-step driving.

다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the object of the present invention is not limited to the above objects, and may be variously expanded within a range without departing from the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체는 전극; 및 상기 전극 상에 배치되고, 고정된 일단과 이동 가능한 자유단을 가지며 정전기력에 의해 구동되는 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam);를 포함하며, 상기 멀티모프 캔틸레버보는: 상기 전극과 상기 멀티모프 캔틸레버보 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 제1값으로 유지되는 제1상태; 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 다른 제2값으로 유지되는 제2상태; 및 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 상기 제2값 사이의 값으로 유지되는 중간 상태를 가진다.In order to achieve the object of the present invention, the electrostatically driven multimorph cantilever structure according to the embodiments of the present invention is an electrode; And a multimorph cantilever beam disposed on the electrode and having a fixed end and a movable free end and driven by an electrostatic force, wherein the multimorph cantilever beam comprises: the electrode and the multimorph cantilever beam. A first state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a first value according to the magnitude of the voltage applied between the first and second electrodes; A second state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a second value different from the first value; And an intermediate state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a value between the first value and the second value.

또한, 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 상기 멀티모프 캔틸레버보는 적어도 하나 이상의 상기 중간 상태를 가진다. In addition, in order to achieve the object of the present invention, the multimorph cantilever beam has at least one intermediate state.

또한, 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 적어도 하나 이상의 갭(gap)을 포함할 수 있다. In addition, in order to achieve the object of the present invention, the electrode, at least a portion of the region where the multimorph cantilever beam and the electrode is overlapped when the free end of the multimorph cantilever beam moves in the direction of the electrode It may include at least one gap.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 상기 일단으로부터 상기 자유단으로 연장되는 방향으로 이격된 복수의 부분전극을 포함할 수 있다.In order to achieve the object of the present invention, the electrode, the one end in at least a portion of the region where the multimorph cantilever beam and the electrode is overlapped when the free end of the multimorph cantilever beam moves in the direction of the electrode It may include a plurality of partial electrodes spaced apart from the direction extending to the free end from.

본 발명의 실시예들에 따르면 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공할 수 있다. According to embodiments of the present invention, it is possible to provide an electrostatically driven multimorph cantilever structure capable of driving in stages.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 캔틸레버보가 한번에 전극으로 풀인되는 것이 방지되는 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공할 수 있다. In addition, according to embodiments of the present invention can provide a electrostatically driven multimorph cantilever structure that can prevent the cantilever be pulled into the electrode at one time.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 다단계 구동이 가능하도록 설계된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극 패턴을 제공할 수 있다. In addition, according to embodiments of the present invention can provide an electrode pattern of the electrostatically driven multimorph cantilever structure designed to enable multi-step driving.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 다단계 구동(stepwise actuation)이 가능하다. 따라서, 첫번째 풀인이 발생하더라도 캔틸레버보의 일부만 전극에 붙어 펴진 상태가 되고 나머지 부분은 초기 상태와 같이 휘어진 상태를 유지할 수 있다. Further, according to embodiments of the present invention, multi-stepwise actuation of the electrostatically driven multimorph cantilever structure is possible. Therefore, even if the first pull-in occurs, only a part of the cantilever can be extended to the electrode and the remaining part can be bent as in the initial state.

다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and may be variously extended within a range without departing from the spirit and scope of the present invention.

도 1은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 예시한다.
도 2는 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 그래프이다.
도 3은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 일어나는 풀인 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 예시한다.
도 5는 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 측면도이다.
도 6은 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 1차풀인이 발생한 상태를 예시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극을 예시한다.
도 8은 도 7에 예시된 전극(210)을 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구현예이다.
도 10은 도 9에 예시된 구현예에 인가된 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 실험 결과를 나타낸다. 1 illustrates a conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure.
2 is a graph showing displacement of a cantilever with respect to a voltage applied to a conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure.
3 is a view for explaining the pull-in phenomenon occurring in the conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure.
4 illustrates an electrostatically driven multimorph cantilever structure in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a side view of the electrostatically driven multimorph cantilever structure illustrated in FIG. 4.
FIG. 6 illustrates a state where primary pull-in occurs in the electrostatically driven multimorph cantilever structure illustrated in FIG. 4.
7 illustrates an electrode of a electrostatically driven multimorph cantilever structure in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a simulation result illustrating displacement of a cantilever beam according to a voltage applied to an electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 according to an embodiment of the present invention having the electrode 210 illustrated in FIG. 7.
9 is an embodiment of the electrostatically driven multimorph cantilever structure in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows experimental results showing the displacement of the cantilever with respect to the voltage applied to the embodiment illustrated in FIG. 9.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. The same reference numerals are used for the same elements in the drawings, and duplicate descriptions of the same elements are omitted.

본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구조 및 동작을 설명하기에 앞서, 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구조 및 동작을 먼저 간단히 살펴본다. Prior to describing the structure and operation of the electrostatically driven multimorph cantilever structure according to the embodiment of the present invention, the structure and operation of the conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure will be briefly described first.

도 1은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 예시한다. 도 1과 관련하여서는 이미 설명되었으므로 이하에서 중복된 설명은 생략한다. 1 illustrates a conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure. Since it has already been described with reference to FIG. 1, duplicate description thereof will be omitted below.

도 2는 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 그래프이다. 도 3은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 일어나는 풀인 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서 캔틸레버보의 종단 위치는 앵커(130)에 고정되지 않은 캔틸레버보(120)의 자유단의 전극(110)에 대한 높이일 수 있다. 2 is a graph showing displacement of a cantilever with respect to a voltage applied to a conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure. 3 is a view for explaining the pull-in phenomenon occurring in the conventional electrostatically driven multimorph cantilever structure. In FIG. 2, the end position of the cantilever beam may be a height of the electrode 110 at the free end of the cantilever beam 120 that is not fixed to the anchor 130.

일반적인 캔틸레버보와의 구조적인 차이점으로 인해, 멀티모프 캔틸레버보의 경우 일반적인 캔틸레버보와는 다소 다른 풀인 현상을 나타낸다. 도 2의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 멀티모프 캔틸레버보(120)는 길이에 따른 풀인 전압의 차이가 없거나 매우 작다. 예컨대, 도 2에서 캔틸레버보(120)의 다양한 길이에 대해서 풀인 전압이 모두 6V이다. 이는 일반적인 캔틸레버보의 길이가 길어짐에 따라 풀인 전압이 작아지는 것과 다른 현상이다. Due to the structural difference from the general cantilever beam, the multimorph cantilever beam exhibits a pull-in phenomenon which is somewhat different from the general cantilever beam. As can be seen in the graph of FIG. 2, the multimorph cantilever beam 120 has no or very small difference in pull-in voltage along its length. For example, the pull-in voltages for the various lengths of the cantilever 120 in FIG. 2 are all 6V. This is different from the pull-in voltage as the length of a general cantilever becomes smaller.

도 2의 그래프는 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 정전구동의 특징을 잘 나타낸다. 보다 구체적으로, 소정 길이 이상의 길이를 가지며 동일한 곡률의 휘어짐을 갖는 멀티모프 캔틸레버보(120)는 연쇄적으로 일어나는 풀인 현상에 따라 모두 동일한 전압에서 풀인 현상을 나타낸다. 즉, 도 2의 우측 하단에서 캔틸레버보(120)의 길이가 L1, L2 및 L3로 서로 다르더라도 동일한 곡률의 휘어짐을 갖는 경우 동일한 전압에서 풀인 현상을 나타낸다. 도 3에 예시된 바와 같이 소정 길이 이상의 길이를 갖는 멀티모프 캔틸레버보(120)는, 전극(110)과 멀티모프 캔틸레버보(120) 사이에 풀인 전압이 인가되는 경우, 초기 상태에서 1차 풀인 상태로 변화할 수 있다. 1차 풀인 상태에서는 멀티모프 캔틸레러보(120)의 일부 길이에만 풀인이 발생할 수 있다. 이때, 1차 풀인 상태에 돌입하면 2차 풀인 상태 등을 거쳐 멀티모프 캔틸레버보(120)의 나머지 길이에 대해서도 풀인 동작이 연쇄적으로 발생한다. The graph of FIG. 2 well illustrates the characteristics of the electrostatic drive of the multimorph cantilever structure 100. More specifically, the multimorph cantilever beam 120 having a length equal to or more than a predetermined length and having the same curvature exhibits a pull-in phenomenon at the same voltage according to a pull-in phenomenon that occurs in series. That is, even if the lengths of the cantilever beams 120 are different from each other as L1, L2, and L3 at the lower right of FIG. As illustrated in FIG. 3, when the pull-in voltage is applied between the electrode 110 and the multimorph cantilever beam 120, the multimorph cantilever beam 120 having a length longer than or equal to a predetermined length is in a state of being a primary pull in an initial state. Can be changed to In the first pull-in state, pull-in may occur only in a part of the length of the multimorph cantilever beam 120. At this time, when the vehicle enters the primary pull-in state, the pull-in operation is serially generated with respect to the remaining length of the multimorph cantilever 120 through the secondary pull-in state and the like.

종래 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)에서는 멀티모프 캔틸레버보(120)의 길이에 무관하게 풀인 전압이 인가되면 한번에 멀티모프 캔틸레버보(120)가 전극(110)으로 풀인된다. 따라서, 일반적인 캔틸레버보와 동일하게 멀티모프 캔틸레버보(120)의 경우에도 초기 상태와 최종 풀인 상태 사이의 중간 단계 상태의 구현이 불가능했다. In the conventional multimorph cantilever structure 100, when a pull-in voltage is applied regardless of the length of the multimorph cantilever 120, the multimorph cantilever 120 is pulled in to the electrode 110 at a time. Therefore, in the case of the multimorph cantilever beam 120, as in the general cantilever beam, it is impossible to implement an intermediate stage state between the initial state and the final pull-in state.

하지만, 일반적인 캔틸레버보와 달리, 멀티모프 캔틸레버보(120)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 연쇄작용에 의해 풀인 현상이 발생한다는 차이점을 갖는다. However, unlike the general cantilever beam, the multimorph cantilever beam 120 has a difference that pull-in phenomenon occurs due to a chain action as described with reference to FIG. 3.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 멀티모프 캔틸레버보(120)의 풀인 동작시 연쇄 작용 사이에 불연속적인 구동 단계를 구현하여 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공하고자 한다. Accordingly, an embodiment of the present invention is to provide an electrostatically driven multimorph cantilever structure capable of stepwise driving by implementing discontinuous driving steps between chain actions during pull-in operation of the multimorph cantilever 120.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 예시한다. 4 illustrates an electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 according to an embodiment of the invention.

도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 전극(210)과 캔틸레버보(220)를 포함한다. 이때, 캔틸레버 구조체(200)는 캔틸레버보(220)의 일단이 고정되는 앵커(230: anchor)를 더 포함할 수 있다. 캔틸레버보(220)는 앵커(230)에 고정된 일단과 이동이 자유로운 타단으로서 자유단을 가지며 상기 일단으로부터 타단이 전극(210)의 길이 방향으로 연장되어 있다. 캔틸레버보(220)가 완전히 풀인(pull-in)되었을 때 캔틸레버보(220)는 전극(210) 쪽으로 당겨져 내려와 전극(210)과 포개질 수 있다. As illustrated in FIG. 4, the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 according to the embodiment of the present invention includes an electrode 210 and a cantilever 220. In this case, the cantilever structure 200 may further include an anchor 230 at which one end of the cantilever beam 220 is fixed. The cantilever beam 220 has one end fixed to the anchor 230 and the other end free to move and has a free end, and the other end extends in the longitudinal direction of the electrode 210 from the one end. When the cantilever 220 is fully pulled in, the cantilever 220 may be pulled down toward the electrode 210 and overlapped with the electrode 210.

이때, 캔틸레버보(220)가 전극(210)에 포개어진다 함은 완전 포개어지는 경우뿐 아니라 둘 사이에 다른 물질을 사이에 두고 미량 이격된 경우도 포함할 수 있다. 캔틸레버보(220)가 전극(210)과 포개어질 때, 캔틸레버보(220)가 전극(210)에 직접 접촉하게 되면 전기적 단락(short-circuit)이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 전극(210) 상에 유전 물질 층(dielectric layer)을 배치할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 이러한 전기적 단락을 방지할 수 있는 다른 수단 및/또는 구성이 이용될 수 있다.In this case, the cantilever 220 is stacked on the electrode 210 may include not only a case where the cantilever 220 is completely overlapped, but also a case in which the cantilever 220 is spaced apart with a different material between the two. When the cantilever 220 is overlaid with the electrode 210, if the cantilever 220 is in direct contact with the electrode 210, an electrical short-circuit may occur. A dielectric layer may be placed in the. In addition, other means and / or configurations may be used, which may prevent such electrical shorts, depending on the embodiment.

전극(210)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극(210)은 크롬(Cr)과 같은 금속을 포함할 수 있다. 전극(210)은 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)가 구동될 때 소정의 정전하를 가질 수 있고, 그 결과 캔틸레버보(220)에 대해 전압차를 형성할 수 있다.The electrode 210 may include a conductive material. For example, the electrode 210 may include a metal such as chromium (Cr). The electrode 210 may have a predetermined static charge when the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 is driven, and as a result, may form a voltage difference with respect to the cantilever 220.

캔틸레버보(220)는 전극(210) 상에 배치될 수 있고, 일단이 고정될 수 있다. 따라서, 캔틸레버보(220)는 전극(210)과 전자기적 상호작용을 할 수 있고, 그 결과 타단이 전자기력에 의해 움직일 수 있다. 실시예에 따라, 캔틸레버보(220)의 일단은 고정 부재인 앵커(230)에 의해 고정될 수 있다.The cantilever 220 may be disposed on the electrode 210 and one end thereof may be fixed. Accordingly, the cantilever 220 may have electromagnetic interaction with the electrode 210, and as a result, the other end may be moved by the electromagnetic force. According to an embodiment, one end of the cantilever 220 may be fixed by an anchor 230 that is a fixing member.

캔틸레버보(220)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 여기서, 캔틸레버보(220)에 포함된 각 층은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버보(220)는 티타늄(Ti)을 포함하는 제1 층 및 금(Au)을 포함하는 제2 층을 포함할 수 있다. 실시예에 따라 본 발명의 실시예에 따른 멀티모프 캔틸레버보(220)를 구성하는 복수의 물질층 중 적어도 하나는 금속을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 멀티모프 캔틸레버보(220)는 복수의 물질층 중 적어도 하나의 층은 금속층일 수 있다. Cantilever 220 may include a plurality of layers. Here, each layer included in the cantilever 220 may include a conductive material. For example, the cantilever 220 may include a first layer including titanium (Ti) and a second layer including gold (Au). According to an embodiment, at least one of the plurality of material layers constituting the multimorph cantilever 220 according to the embodiment of the present invention may include a metal. In some embodiments, at least one layer of the plurality of material layers may be a metal layer in the multimorph cantilever 220.

캔틸레버보(220)는 응력 특성이 상이한 복수의 층들에 기초하여 제1 방향으로 휠 수 있다. 이때, 제1방향은 도4에서 자유단이 전극(210)과 멀어지는 방향일 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버보(220)이 티타늄을 포함하는 제1 층과 금을 포함하는 제2 층으로 구성되어 있을 경우, 제1 층과 제2 층 사이의 응력차에 기초하여 캔틸레버보(220)는 소정의 방향(즉, 제1 방향)으로 휠 수 있다. 그 결과, 캔틸레버보(220)는 휘어있는 형상의 초기 상태를 가질 수 있다.The cantilever 220 may be bent in the first direction based on a plurality of layers having different stress characteristics. In this case, the first direction may be a direction in which the free end is far from the electrode 210 in FIG. 4. For example, if the cantilever beam 220 is composed of a first layer containing titanium and a second layer containing gold, the cantilever beam 220 is based on the stress difference between the first layer and the second layer. May be bent in a predetermined direction (ie, the first direction). As a result, the cantilever 220 may have an initial state of a curved shape.

캔틸레버보(220)는 정전기력에 의해 제2 방향으로 구동될 수 있다. 여기서, 제2 방향은 제1 방향과 실질적으로 반대되는 방향일 수 있으며, 예컨대 자유단이 전극(210)으로 향하는 방향일 수 있다. 캔틸레버보(220)가 갖는 전압과 전극(210)이 갖는 전압 사이의 차이에 기초하여 움직일 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버보(220)와 전극(120) 사이의 전압차가 소정의 구동 문턱전압 미만일 때 초기 상태에 위치할 수 있고, 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이의 전압차가 구동 문턱전압 이상일 때 제2 방향으로 움직일 수 있다.The cantilever 220 may be driven in the second direction by the electrostatic force. Here, the second direction may be a direction substantially opposite to the first direction, for example, the free end may be a direction toward the electrode 210. It may move based on the difference between the voltage of the cantilever 220 and the voltage of the electrode 210. For example, the voltage difference between the cantilever 220 and the electrode 120 may be positioned at an initial state when the voltage difference between the cantilever 220 and the electrode 120 is less than a predetermined driving threshold voltage. The voltage difference between the cantilever 220 and the electrode 210 may be a driving threshold voltage. When it is abnormal, it can move to a 2nd direction.

도 4에 예시된 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 도 1에 예시된 종래의 캔틸레버 구조체(100)와 유사하며 이하에서는 그 차이점을 위주로 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)의 전극(210)은 도 4에 예시된 바와 같이 패터닝(patterning)되어 있을 수 있다. 도 4에 도시된 전극(210)은 일 예시일 뿐이며 실시예, 목적 및/또는 필요 동작에 따라서 다른 방식으로 구현될 수 있다. The electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 according to the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 4 is similar to the conventional cantilever structure 100 illustrated in FIG. 1 and will be mainly described below. The electrode 210 of the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 according to the embodiment of the present invention may be patterned as illustrated in FIG. 4. The electrode 210 shown in FIG. 4 is merely an example and may be implemented in other ways according to the embodiment, the purpose, and / or the required operation.

도 5는 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)의 측면도이다. 도 5 및 도 4에 예시된 바와 같이, 전극(210)은 앵커(230)로부터 캔틸레버보(220)가 연장되는 방향과 동일한 길이 방향에서 서로 이격되는 구간이 포함되도록 패터닝될 수 있다. 보다 구체적으로, 캔틸레버보(220)가 풀인될 때 전극(210)과 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 전극(210)은 앵커(230)로부터 멀어지는 방향, 즉 길이 방향에서 서로 이격된 구간을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 실시예에 따라 전극(210)은 상기 일부 영역에서 분절된 복수의 부분전극(211, 212, 213, 214)을 포함할 수 있다. 인접한 부분전극(211, 212, 213, 214) 사이는 거리 d로 이격되어 있을 수 있다. 이때, 각 이격거리는 서로 동일할 수 있으나 실시예에 따라 다르게 설계될 수 있다. 예컨대, 제1부분전극(211)과 제2부분전극(212) 사이의 이격 거리와, 제2부분전극(212)과 제3부분전극(213) 사이의 이격거리는 서로 동일하게 또는 서로 다르게 형성될 수 있다. 이러한 이격 거리는 실시예 및/또는 필요 동작에 따라 다르게 구현될 수 있다. 5 is a side view of the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 illustrated in FIG. 4. As illustrated in FIGS. 5 and 4, the electrode 210 may be patterned to include sections spaced apart from each other in the same length direction as the direction in which the cantilever 220 extends from the anchor 230. More specifically, when the cantilever 220 is pulled in, at least one region of the electrode 210 and the overlapped region, the electrodes 210 may be spaced apart from the anchor 230, that is, at least one section spaced apart from each other in the longitudinal direction. It may include more. In some embodiments, the electrode 210 may include a plurality of partial electrodes 211, 212, 213, and 214 segmented in the partial region. The adjacent partial electrodes 211, 212, 213, and 214 may be spaced apart by a distance d. In this case, each separation distance may be the same but may be designed differently according to the embodiment. For example, the separation distance between the first partial electrode 211 and the second partial electrode 212 and the separation distance between the second partial electrode 212 and the third partial electrode 213 may be the same or different from each other. Can be. Such a separation distance may be implemented differently according to an embodiment and / or a required operation.

본 발명의 실시예에 따라, 캔틸레버보(220)가 풀인될 때 전극(210)과 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 전극(210)은 갭(gap)을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 이때, 갭은 전극(210) 물질이 형성되지 않은 구멍(hole)을 포함할 수 있다. 이러한 갭의 일 예시가 도 9에 도시되어 있다. According to an embodiment of the present invention, when the cantilever 220 is pulled in, the electrode 210 may be described as including a gap in at least some of the regions overlapped with the electrode 210. In this case, the gap may include a hole in which the material of the electrode 210 is not formed. One example of such a gap is shown in FIG. 9.

도 5에서는 전극(210)이 기판(240) 상에 형성 및 패터닝된 것이 예시된다. 이때, 기판(240)는 실시예에 따라 다양한 물질 및/또는 제조 방법에 따라 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 전극(210)은 기판(240)상에 형성된 후 패터닝되거나 기판(240)상에 패터닝된 형상의 전극(210)이 직접 형성될 수도 있다. In FIG. 5, the electrode 210 is formed and patterned on the substrate 240. In this case, the substrate 240 may be formed according to various materials and / or manufacturing methods according to the embodiment. In the embodiment of the present invention, the electrode 210 may be formed on the substrate 240 and then patterned, or the electrode 210 having a patterned shape may be directly formed on the substrate 240.

본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 몰티모프 캔틸레버 구조체(200)는 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이에 전압이 인가되지 않은 때, 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같은 초기 상태를 가질 수 있다. 또는, 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이에 전압이 인가되지 않거나 캔틸레버보(220)가 1차 풀인되기 위한 1차 문턱전압 미만의 전압이 인가된 때 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 초기 상태를 가질 수 있다. 도 5에 예시된 바와 같이, 캔틸레버보(220)의 자유단 종단의 전극(210)에 대한 높이(h)는 자유단의 종단에서 전극(210)으로 수직선을 그었을 때 그 수직선의 길이를 지칭할 수 있다. 초기 상태에서 상기 높이(h)는 가장 큰 값을 가지면 최종 풀인 상태에서 0의 값을 가질 수 있다. The electrostatically driven maltimorph cantilever structure 200 according to an embodiment of the present invention has an initial state as illustrated in FIGS. 4 and 5 when no voltage is applied between the cantilever 220 and the electrode 210. Can have Alternatively, when the voltage is not applied between the cantilever 220 and the electrode 210 or when a voltage less than the first threshold voltage for applying the cantilever 220 is first applied, the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 is applied. ) May have an initial state. As illustrated in FIG. 5, the height h of the electrode 210 at the free end of the cantilever 220 may refer to the length of the vertical line when the vertical line is drawn from the end of the free end to the electrode 210. Can be. In the initial state, the height h may have a value of 0 in the final pool state if the height h is the largest value.

도 6은 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)에서 1차풀인이 발생한 상태를 예시한다. 도 6에 예시된 바와 같이 전극(210)과 캔틸레버보(220) 사이에 소정 전압이 인가되면, 멀티모프 캔틸레버보(220)의 풀인 특성에 의해 캔틸레버보(220)의 일부 길이(Lm1)에 대해서 풀인이 발생한다. 1차 풀인이 발생하기 위해서 전극(210)과 캔틸레버보(220) 사이에는 1차 문턱전압 이상의 크기를 갖는 전압으로서 2차 풀인이 발생하기 위한 2차 문턱전압 미만의 크기를 갖는 전압이 인가된 때, 도 6에 예시된 바와 같은 1차 풀인 상태를 유지할 수 있다. 6 illustrates a state where primary pull-in occurs in the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 illustrated in FIG. 4. As illustrated in FIG. 6, when a predetermined voltage is applied between the electrode 210 and the cantilever 220, the pull-in characteristic of the multimorph cantilever 220 is applied to a partial length L m1 of the cantilever 220. Pull-in occurs. When a voltage having a magnitude less than the secondary threshold voltage for generating the secondary pull-in is applied between the electrode 210 and the cantilever 220 to generate the primary pull-in. , The primary pull-in state as illustrated in FIG. 6 may be maintained.

일반적인 종래의 전극(110)을 이용하는 경우라면, 이후 연쇄작용에 의해 캔틸레버보(220)의 나머지 길이에 대해서도 연쇄적으로 풀인이 발생한다. 하지만, 본원의 실시예에 따른 패터닝된 전극(210)을 이용함으로써, 부분전극(211, 212, 213, 214, 215) 사이의 갭(gap) 또는 이격거리로 인해 풀인의 연쇄작용이 방해받게 된다. 즉, 이미 인가된 소정 전압만으로는 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이에 이격 거리(d) 또는 갭을 극복할 정도의 정전기력이 형성될 수 없는 것이다. 따라서, 도 6에 예시된 바와 같이 상기 소정 전압을 인가한 경우, 멀티모프 캔틸레버보(220)의 일부 길이(Lm1)에 대해서만 풀인이 발생한 중간 상태를 가지게 된다. 이후, 상기 소정 전압보다 높은 전압이 인가된 때 다음 단계의 풀인 연쇄작용이 발생할 수 있다. 이때, 상기 소정 전압보다 높은 전압은 2차 풀인이 발생하기 위한 2차 문턱전압 이상의 크기를 갖는 전압일 수 있다. In the case of using the conventional conventional electrode 110, the pull-in occurs in the chain length for the remaining length of the cantilever 220 by the subsequent chain action. However, by using the patterned electrode 210 according to the embodiment of the present application, the gap or the distance between the partial electrodes 211, 212, 213, 214, 215, the pull-in chain action is hindered . That is, only a predetermined voltage that is already applied may not form an electrostatic force enough to overcome the separation distance d or the gap between the cantilever 220 and the electrode 210. Therefore, as illustrated in FIG. 6, when the predetermined voltage is applied, pull-in occurs only for a part of the length L m1 of the multimorph cantilever 220. Thereafter, when a voltage higher than the predetermined voltage is applied, a pull-in chain action of the next step may occur. In this case, the voltage higher than the predetermined voltage may be a voltage having a magnitude greater than or equal to a secondary threshold voltage for generating a secondary pull-in.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극(210)을 예시한다. 도 7에서 전극(210)은 앵커(230)로부터 멀어지는 길이 방향에서 동등하게 거리(d)로 이격된 부분전극(211, 212, 213, 214)을 포함하여 구성되는 것이 예시된다. 이때, 각 부분전극(211, 212, 213, 214)은 전도성 커넥션 물질(211C, 212C, 213C, 214C)을 통해 구동 전압 인가를 위한 전도성 공통부(210A)에 연결되어 있다. 실시예에서 전도성 공통부(210A)는 구동부(미도시)로부터의 구동 전압을 각 부분전극(211, 212, 213, 214)에 전달하도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라 각 부분전극(211, 212, 213, 214)은 전도성 커넥션 물질(211C, 212C, 213C, 214C)을 통해 직접 구동부(미도시)에 연결되도록 구성될 수도 있다. Figure 7 illustrates the electrode 210 of the electrostatically driven multimorph cantilever structure in accordance with an embodiment of the present invention. In FIG. 7, the electrode 210 is illustrated to include partial electrodes 211, 212, 213, and 214 spaced apart at an equal distance d in the longitudinal direction away from the anchor 230. In this case, each of the partial electrodes 211, 212, 213, and 214 is connected to the conductive common part 210A for applying a driving voltage through the conductive connection materials 211C, 212C, 213C, and 214C. In an embodiment, the conductive common portion 210A may be configured to transfer a driving voltage from the driver (not shown) to each of the partial electrodes 211, 212, 213, and 214. In some embodiments, each of the partial electrodes 211, 212, 213, and 214 may be configured to be directly connected to a driving unit (not shown) through the conductive connection materials 211C, 212C, 213C, and 214C.

도 8은 도 7에 예시된 전극(210)을 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. FIG. 8 is a simulation result illustrating displacement of a cantilever beam according to a voltage applied to an electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 according to an exemplary embodiment including the electrode 210 illustrated in FIG. 7.

도 8에서 시뮬레이션은 초기 상태에서 캔틸레버보(220)의 자유단의 종단(tip) 높이(h)가 36μm 및 32μm인 경우 각각에 대해서 수행되었다. 도 8을 참조하면, 9V, 19V 및 26V에서 총 3번의 풀인이 구현된 것을 알 수 있다. 여기서, 1차 문턱전압이 9V, 2차 문턱전압이 19V 및 3차 문턱전압이 26V임을 알 수 있다. In FIG. 8, the simulation was performed for the case where the tip height h of the free end of the cantilever 220 is 36 μm and 32 μm in the initial state, respectively. Referring to FIG. 8, it can be seen that a total of three pull-ins are implemented at 9V, 19V, and 26V. Here, it can be seen that the primary threshold voltage is 9V, the secondary threshold voltage is 19V, and the tertiary threshold voltage is 26V.

초기 상태에서 캔틸레버보(220)의 종단 높이(h)가 32μm인 경우에, 각각의 풀인 전압의 인가에 따라 종단 높이(h)가 25μm, 14μm 및 0μm에서 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 초기 상태에서 캔틸레버보(220)의 종단 높이(h)가 36μm인 경우에, 각각의 풀인 전압의 인가에 따라 종단 높이(h)가 27μm, 15μm 및 0μm에서 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.In the initial state, when the terminal height h of the cantilever 220 is 32 μm, it can be seen that the terminal height h is stably maintained at 25 μm, 14 μm, and 0 μm according to the application of the respective pull-in voltage. In addition, when the terminal height (h) of the cantilever 220 in the initial state is 36μm, it can be seen that the terminal height (h) is stably maintained at 27μm, 15μm and 0μm in accordance with the application of the respective pull-in voltage. .

본 발명의 실시예에 따라 갭/이격거리를 갖도록 패터닝된 전극(210)을 포함하여 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 구성함에 따라, 기존의 멀티모프 캔틸레버가 두 가지 상태(초기 상태 및 풀인 상태)만을 갖는 한계를 극복할 수 있다. 이때, 전극(210)의 패턴에 따라 다양한 개수의 중간 단계를 구현할 수 있다. 예컨대, 전극(210)을 구성하는 부분전극(211, 212, 213, 214)의 개수, 부분전극 사이의 이격거리, 부분전극(211, 212, 213, 214)의 너비, 부분전극(211, 212, 213, 214)의 형상 및/또는 각 단계마다 인가되는 전압의 크기에 따라 초기 상태와 최종 풀인 상태 사이에 적어도 하나 이상의 중간 단계 상태를 구현할 수 있다. As the electrostatically-driven multimorph cantilever structure 200 is configured to include the electrode 210 patterned to have a gap / spacing distance according to an embodiment of the present invention, the existing multimorph cantilever has two states (initial state and It is possible to overcome the limitation of only the pull-in state. In this case, various numbers of intermediate steps may be implemented according to the pattern of the electrode 210. For example, the number of partial electrodes 211, 212, 213, and 214 constituting the electrode 210, the separation distance between the partial electrodes, the width of the partial electrodes 211, 212, 213, and 214, and the partial electrodes 211 and 212. , At least one intermediate step state may be implemented between an initial state and a final pull-in state according to the shape of each of the steps 213 and 214 and / or the magnitude of the voltage applied to each step.

본 명세서에서 초기 상태를 제1상태로 지칭하고 최종 풀인 상태를 제2상태로 지칭할 수도 있다. 또한, 이때, 중간 상태는 제1상태와 제2상태 사이의 상태일 수 있다. 이때, 각 상태를 유지하는 것은 동일한 상태에서 인가되는 전압의 변화가 없을 때 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)가 동일 상태에서 머무는 것을 의미할 수 있다. 이전 문턱전압 이상 및 다음 문턱전압 미만의 범위 내에서 인가되는 전압이 변화하더라도 각 상태는 유지될 수 있다. 하지만, 도 3에 예시된 바와 같이 소정 문턱전압 이상의 전압이 인가된 때 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 캔틸레버보(120)는 1차 풀인 상태가 되지만 연쇄작용에 따라 더 이상의 전압 변화가 없음에도 곧바로 2차 풀인 상태로 변화하는 바, 이 경우에는 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)가 1차 풀인 상태로 유지된다고 할 수 없다. In this specification, an initial state may be referred to as a first state, and a final pull-in state may be referred to as a second state. In this case, the intermediate state may be a state between the first state and the second state. In this case, maintaining each state may mean that the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 stays in the same state when there is no change in voltage applied in the same state. Each state can be maintained even if the voltage applied within the range above the previous threshold voltage and below the next threshold voltage changes. However, as illustrated in FIG. 3, when the voltage above the predetermined threshold voltage is applied, the cantilever 120 of the electrostatically-driven multimorph cantilever structure 100 is in the primary pull state, but further voltage change is caused by the chain action. Even if none is immediately changed to the secondary pull-in state, in this case, the electrostatically driven multimorph cantilever structure 100 cannot be said to remain in the primary pull-in state.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구현예이다. 도 9는 단계적 구동이 가능한 바이모프(bimorph) 캔틸레버 구조체를 실제 제작한 결과를 도시한다. 도 9의 우측 상단에 제작된 앵커(230)와 패터닝된 전극(210)이 도시된다. 전극(210)은 앵커(230)로부터 연장되는 길이 방향에서 갭을 포함하여 형성되는 3개의 부분전극으로 구성되고, 앵커(230)로부터 가장 가까운 제1부분전극(211) 및 제2부분전극(212)의 길이는 20μm로 동일하고, 제1부분전극(211)과 제2부분전극(212) 사이의 이격 거리(d)는 5μm이고 제2부분전극(212)과 제3부분전극(213) 사이의 이격 거리(d)는 7μm로 형성되어 있다. 또한, 전극(210)에서 갭이 형성되는 폭은 30μm의 수치를 갖는다. 부분전극 사이의 이격 갭은 양 가장자리가 앵커(230)로부터 멀어지는 방향으로 더 패인 형상을 갖도록 제작되었다. 9 is an embodiment of the electrostatically driven multimorph cantilever structure in accordance with an embodiment of the present invention. 9 illustrates the actual fabrication of a bimorph cantilever structure capable of driving stepwise. An anchor 230 and a patterned electrode 210 are shown in the upper right of FIG. 9. The electrode 210 is composed of three partial electrodes including a gap in a length direction extending from the anchor 230, and the first partial electrode 211 and the second partial electrode 212 closest to the anchor 230 are formed. ) Is equal to 20 μm, the separation distance d between the first partial electrode 211 and the second partial electrode 212 is 5 μm, and between the second partial electrode 212 and the third partial electrode 213. The separation distance d is formed to be 7 μm. In addition, the width at which the gap is formed in the electrode 210 has a value of 30 μm. The gap between the partial electrodes is manufactured so that both edges have a more recessed shape in a direction away from the anchor 230.

도 10은 도 9에 예시된 구현예에 인가된 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 실험 결과를 나타낸다. 도 9와 같이 제작된 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 구동 전압을 0V부터 점진적으로 증가시켜 인가하면서 캔틸레버보(220)의 종단 높이(h)를 측정하였다. 구동 전압 0V-21V까지는 종단 높이(h)가 대략 49μm에서 초기 상태로 유지되고, 구동 전압 21V-25V까지는 종단 높이(h)가 대략 25μm에서 제1중간상태로 유지되고, 구동전압 25V-29V까지는 종단 높이(h)가 대략 10μm에서 제2중간상태로 유지되고, 마지막으로 구동전압 29V 이상에서는 종단 높이(h)가 0μm에서 최종상태로 유지된다. 이때, 최종상태는 캔틸레버보(220)가 전극(210)에 완전히 풀인된 상태일 수 있다. 제1상태 및 제2상태는 초기 상태와 최종 상태 사이의 중간 단계의 상태일 수 있다. FIG. 10 shows experimental results showing the displacement of the cantilever with respect to the voltage applied to the embodiment illustrated in FIG. 9. The terminal height h of the cantilever 220 was measured while gradually applying a driving voltage from 0V to the electrostatically driven multimorph cantilever structure according to the embodiment of the present invention. The terminal height h is maintained at an initial state at approximately 49 μm until the drive voltage 0V-21V, and the terminal height h is maintained at the first intermediate state at approximately 25 μm until the drive voltage 21V-25V, and the drive voltage is 25 V-29V until The terminal height h is maintained at the second intermediate state at approximately 10 μm, and finally, at the drive voltage of 29 V or more, the terminal height h is maintained at the final state at 0 μm. In this case, the final state may be a state in which the cantilever 220 is completely pulled into the electrode 210. The first state and the second state may be intermediate states between the initial state and the final state.

도 9에 예시된 바와 같이 3개의 영역으로 나눠진 (2개의 갭) 패터닝된 전극(210)의 역할로 인해 도 9에서 제작된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 4개의 안정적인 상태를 갖도록 동작함이 도 10을 통해 확인할 수 있다. As illustrated in FIG. 9, the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 fabricated in FIG. 9 operates to have four stable states due to the role of the patterned electrode 210 divided into three regions (two gaps). It can be confirmed through the FIG.

이상에서 살펴본 전극(210)을 패터닝하는 방법은 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)의 불연속적 구동을 위한 일 예시이며, 실시예에 따라 다양한 방식으로 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 구현할 수 있다. 예컨대, 멀티모프 캔틸레버의 물질 변화, 구조 변화, 멀티모프 캔틸레버보(220)의 제작시 형성되는 희생층으로서 캔틸레버보(220)가 그 위에 형성된 후 제거되는 희생층의 두께 변화 등 다양한 방법을 통해 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 제공할 수 있다. The method for patterning the electrode 210 described above is an example for discontinuous driving of the electrostatically driven multimorph cantilever structure 200, and the electrostatically driven multimorph cantilever structure capable of stepwise driving in various manners according to an embodiment. 200 may be implemented. For example, the material change, the structural change of the multimorph cantilever, and the sacrificial layer formed during fabrication of the multimorph cantilever 220 are formed stepwise through various methods such as the thickness change of the sacrificial layer removed after the cantilever 220 is formed thereon. It is possible to provide an electrostatically driven multimorph cantilever structure 200 that can be driven.

보다 구체적으로, 아래와 같은 방식이 이용될 수 있다. More specifically, the following scheme may be used.

1. 길이 방향으로 곡률이 변화하도록 멀티모프 캔틸레버보를 구성할 수 있다. 예컨대, 앵커로부터 멀어질수록 멀티모프 캔틸레버보 휘어짐이 더욱 커지도록, 즉 곡률이 증가하도록 멀티모프 캔틸레버보를 구성하는 복수의 층을 조절할 수 있다. 2. 전술한 1번의 방식과 동일한 결과, 즉 길이 방향으로 곡률이 변화하도록 멀티모프 캔틸레버보를 구성하는 물질을 길이 방향에서 변화시킬 수 있다. 3. 멀티모프 캔틸레버보의 하부에 배치되는 전극을 편평하지 않게 높이 차를 갖도록 구성할 수 있다. 전극이 앵커로부터 길이 방향에서 서로 다른 높이를 갖도록 구성되면 단계마다 전극과 멀티모프 캔틸레버보 사이에 서로 다른 정전기력이 발생할 수 있다. 예컨대, 앵커에서 멀어질수록 전극의 높이를 낮게 구성할 수 있다. 4. 제작시 멀티모프 캔틸레버보 하부에 형성되는 희생층을 편평하지 않게 높이 차를 갖도록 구성할 수 있다. 이 경우 3번 방식과 마찬가지로 단계마다 멀티모프 캔틸레버보와 전극 사이에 서로 다른 정전기력이 발생할 수 있다. 5. 전극의 형태 또는 모양을 변화시켜 단계마다 멀티모프 캔틸레버보와 전극 사이에 형성되는 정전기력이 달라지도록 구성할 수 있다. 6. 기계적인 방해물을 제작하여 멀티모프 캔틸레버보의 연쇄적인 풀인 동작이 멈추도록 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 형성할 수 있다. 1. The multimorph cantilever can be configured to change the curvature in the longitudinal direction. For example, it is possible to adjust the plurality of layers constituting the multimorph cantilever beam so that the greater the multimorph cantilever deflection, the greater the curvature, the further away from the anchor. 2. The material constituting the multimorph cantilever beam can be changed in the longitudinal direction so that the same result as in the above-described method 1, that is, the curvature changes in the longitudinal direction. 3. The electrodes disposed below the multimorph cantilever can be configured to have a height difference not to be flat. If the electrodes are configured to have different heights in the longitudinal direction from the anchor, different electrostatic forces can be generated between the electrodes and the multimorph cantilever in each step. For example, the farther away from the anchor, the lower the height of the electrode can be configured. 4. In manufacturing, the sacrificial layer formed on the bottom of the multimorph cantilever can be configured to have a height difference not to be flat. In this case, as in the third method, different electrostatic force may be generated between the multimorph cantilever beam and the electrode at each step. 5. The shape or shape of the electrode can be varied so that the electrostatic forces formed between the multimorph cantilever and the electrode can be varied at each step. 6. Mechanical obstacles can be fabricated to form electrostatically driven multimorph cantilever structures to stop the chain pull-in motion of the multimorph cantilever.

본 명세서에서 언급된 초기 상태와 최종 상태는 실시예에 따라 서로 반대의 상태를 지칭할 수 있다. The initial state and the final state referred to in this specification may refer to states opposite to each other according to embodiments.

이상, 본 발명의 실시예들에 따른 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 도면을 참조하여 설명하였지만, 상기 설명은 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 및 변경될 수 있을 것이다.As mentioned above, although the electrostatically-driven multimorph cantilever structure according to the embodiments of the present invention has been described with reference to the drawings, the above description is illustrative and is generally in the art without departing from the spirit of the present invention. It may be amended and changed by those of skill in the art.

본 발명에 따르면 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide an electrostatically driven multimorph cantilever structure capable of driving stepwise.

멀티모프 캔틸레버는 매우 간단한 구조를 가지고 공정의 편리성과 쉬운 구동 방법을 가지므로 다양한 영역에 응용될 수 있다. 특히, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버는 다른 정전구동기와 달리 매우 큰 구동 변위를 가지고 있기 때문에 디스플레이 또는 커패시터 등의 영역에 적극적으로 응용될 수 있다. 하지만, 정전구동기의 특징인 풀인 형상으로 인해 단지 두 가지 상태(초기 상태 및 구동 상태(풀인 상태))만을 가질 수 있다는 점은 정전구동식 멀티모프 캔틸레버의 활용에 큰 한계로 인식되어 왔다. The multimorph cantilever has a very simple structure, has a convenient process and an easy driving method, and can be applied to various areas. In particular, the electrostatically driven multimorph cantilever has a very large driving displacement unlike other electrostatic actuators, and thus can be actively applied to an area such as a display or a capacitor. However, the fact that the pull-in shape, which is a characteristic of the electrostatic actuator, can have only two states (initial state and driving state (pulled state)) has been recognized as a big limitation in the application of the electrostatically driven multimorph cantilever.

본 발명에 따를 경우 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 초기 상태와 풀인 상태 사이에 적어도 하나 이상의 중간 단계를 매우 간단한 방법으로 구현할 수 있어, 멀티모프 캔틸레버의 폭넓은 응용을 기대할 수 있다. According to the present invention, at least one or more intermediate steps between the initial state and the pull-in state in the electrostatically driven multimorph cantilever structure can be implemented in a very simple manner, and thus a wide range of applications of the multimorph cantilever can be expected.

상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.Although described above with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I will understand.

100, 200: 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체
110, 210: 전극
120, 220: 캔틸레버보
130, 230: 앵커
240: 기판100, 200: electrostatically driven multimorph cantilever structure
110, 210: electrode
120, 220: cantilever
130, 230: anchor
240: substrate

Claims (9)

전극; 및
상기 전극 상에 배치되고, 고정된 일단과 이동 가능한 자유단을 가지며 정전기력에 의해 구동되는 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam);를 포함하며,
상기 멀티모프 캔틸레버보는:
상기 전극과 상기 멀티모프 캔틸레버보 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 제1값으로 유지되는 제1상태; 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값보다 낮은 제2값으로 유지되는 제2상태; 및 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 상기 제2값 사이의 값으로 유지되는 중간 상태를 가지며,
상기 고정된 일단으로부터 상기 자유단까지의 길이 방향에서 상기 멀티모프 캔틸레버보의 구성물질이 일정하고,
상기 전극은 동일한 평면상에 형성되고,
상기 제1상태에서 상기 전압은 상기 중간 상태로 이동하기 위한 제1 문턱전압 미만으로 인가되어 상기 자유단이 상기 전극으로부터 멀어지는 방향으로 휘어진 상태이고,
상기 중간 상태에서 상기 전압은 상기 제1 문턱전압 이상의 크기를 갖는 전압으로 상기 제1 문턱전압보다 높은 제2 문턱전압 미만의 크기를 갖는 전압이 인가되고,
상기 제2상태에서 상기 전압은 상기 제2 문턱전압 이상으로 인가되어 상기 멀티모프 캔틸레버보가 상기 전극에 포개진 상태인,
정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.electrode; And
And a multimorph cantilever beam disposed on the electrode and having a fixed end and a movable free end and driven by an electrostatic force.
The multimorph cantilever beam:
A first state in which a terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a first value according to a magnitude of a voltage applied between the electrode and the multimorph cantilever; A second state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a second value lower than the first value; And an intermediate state in which the terminal height of the free end with respect to the electrode is maintained at a value between the first value and the second value,
The material of the multimorph cantilever beam is constant in the longitudinal direction from the fixed end to the free end,
The electrodes are formed on the same plane,
In the first state, the voltage is lower than a first threshold voltage for moving to the intermediate state, and the free end is bent in a direction away from the electrode.
In the intermediate state, the voltage is a voltage having a magnitude greater than or equal to the first threshold voltage, and a voltage having a magnitude less than a second threshold voltage higher than the first threshold voltage is applied.
In the second state, the voltage is applied above the second threshold voltage so that the multimorph cantilever is superimposed on the electrode.
Electrostatically driven multimorph cantilever structure. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 중간 상태에서 상기 전압의 크기는, 상기 제1상태에서 상기 전압의 크기와 상기 제2상태에서 상기 전압의 크기 사이의 크기를 갖는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.The method of claim 1,
The magnitude of the voltage in the intermediate state has a magnitude between the magnitude of the voltage in the first state and the magnitude of the voltage in the second state. 제 1 항에 있어서,
상기 멀티모프 캔틸레버보는 적어도 하나 이상의 상기 중간 상태를 갖는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.The method of claim 1,
And the multimorph cantilever beam has at least one intermediate state. 제 1 항에 있어서,
상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 적어도 하나 이상의 갭(gap)을 포함하는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.The method of claim 1,
Wherein the electrode includes at least one gap in at least some of the region where the multimorph cantilever and the electrode overlap when the free end of the multimorph cantilever moves in the direction of the electrode Driven multimorph cantilever structure. 제 1 항에 있어서,
상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 상기 일단으로부터 상기 자유단으로 연장되는 방향으로 이격된 복수의 부분전극을 포함하는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.The method of claim 1,
The electrode is spaced apart in a direction extending from the one end to the free end in at least a portion of a region where the multimorph cantilever and the electrode overlap when the free end of the multimorph cantilever moves in the direction of the electrode. An electrostatically driven multimorph cantilever structure comprising a plurality of partial electrodes. 제 1 항에 있어서,
상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 일단이 고정되는 앵커를 더 포함하는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.The method of claim 1,
And an anchor to which one end of the multimorph cantilever is fixed. 삭제delete
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