KR0170997B1 - 회전/수평이동형 광개폐소자의 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표시장치 및 광 모듈레이터용 회전이동형 광개폐소자의 구조와 제조방법에 관한 것으로, 빛의 사용효율을 높이고 생산단가를 낮추기 위하여 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 3차원 미소 기계 구조체를 형성하며, 하부의 구동전극 및 선택전극과 상부의 이동전극 사이의 인가전압 차이를 이용한 정전력을 구동원으로 하여 회전이동자가 움직이며, 최상부의 마스크 및 빗살무늬로 형성된 창의 교차를 이용하여 빛의 차단 및 통과를 제어하며, 마이크로 머시닝 기술의 약점인 희생층 제거시에 상층과 기판과의 고착을 방지하기 위한 지지빔으로 구성됨을 특징으로 하는 미소기계 구조체 회전이동형 광개폐소자 및 그 제조방법.

Description

회전/수평이동형 광개폐소자의 구조 및 그 제조방법

제1도는 본 발명에 의한 회전이동형 광개폐소자의 구조를 도시한 것으로,

(a)는 평면도를,

(b)는 1(a)도의 A-A'선 단면도를,

(c)는 1(a)도의 B-B'선 단면도를 각각 나타낸다.

제2도는 본 발명에 회전이동형 광개폐소자의 작동원리로서,

(a)는 빛을 차단하는 상태.

(b)는 빛을 통과시키는 상태를 나타낸 도면.

제3도는 (a)~(f)는 본 발명에 따른 회전이동형 광개폐소자의 제조방법을 나타낸 공정 단면도.

제4도는 본 발명에 의한 수평이동형 광개폐소자의 구조를 도시한 것으로,

(a)는 평면도를,

(b)는 1(a)도의 A-A'선 단면도를,

(c)는 1(a)도의 B-B'선 단면도를 각각 나타낸다.

제5도는 본 발명에 따른 수평이동형 광개폐소자의 작동원리로서,

(a)는 빛을 차단하는 상태.

(b)는 빛을 통과시키는 상태를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 절연막 40a, 40b : 제1 및 제2 희생층

101 : 기판 102 : 지지빔

103 : 회전이동자 및 이동전극 104 : 마스크

105 : 구동전극 107 : 선택전극

109 : 창 303 : 패드

201 : 기판 202 : 하부전극

203 : 하부지지빔 204 : 수평이동자 및 이동전극

205 : 상부 지지빔 206 : 상부전극 및 마스크

207 : 창

본 발명은 빛을 차단 또는 통과시키는 표시장치 및 광 모듈레이터용 회전이동형 광개폐소자에 관한 것으로, 특히 정전력(electrostatic force)을 구동원(actuation source)으로 하며 반도체 공정을 이용하여 제작된 광개폐소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 대표적인 표시장치인 액정(Liquid Crystal)을 사용하는 광개폐소자는 응식각도에 따른 빛의 콘트라스트 변화가 심하고 또 빛의 사용효율이 낮다는 결점외에 액정주입, 액정정렬을 위한 별도의 조립공정이 필수적인 점 등 생산단가가 고가화된다는 큰 문제가 있다.

현재 디스플레이의 한 화소의 크기는 200㎛ x 200㎛ 정도이다.

종래의 기계적 광샷터는 일반적으로 전력소모가 많으며 빠른 동작이 어렵고, 수백 ㎛ 크기의 미소한 광샷터를 만드는 것이 어려우며 이들을 복수개 배치하여 디스플레이의 화소로서 사용하는 것은 불가능하였다.

그러나 최근에 반도체 가공기술을 활용하여 수 ㎛에서 수백 ㎛ 크기의 기계적 구조체를 제작하는 기술, 즉 마이크로 머시닝 기술을 마이크론 크기의 센서 및 액츄에이터 제작에 응용하고 있다.

따라서, 이러한 마이크로 머시닝 기술을 활용하여 미소 기계구조체를 제작함으로써, 액정(Liquid Crystal)을 사용하는 표시장치의 단점인 낮은 빛의 사용효율을 높이고, 높은 생산단가 역시 양산성이 우수한 반도체 공정만을 사용하므로서 획기적으로 낮출 수 있다.

또한 미세한 가공이 가능한 반도체공정을 사용하므로서 더욱 미소한 수십 ㎛ 크기의 디스플레이 화소를 만들 수 있다.

본 발명은 반도체 공정만으로 제작하고 마이크로 정전력을 이용하여 광을 개폐하는 광개폐소자의 구조 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러, 다양한 정적 또는 동적인 영상을 구현할 수 있는 미세화소 평면 디스플레이 등에 응용할 수 있는 광개폐소자를 제공하는 것도 목적이다.

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 마이크로 머시닝 기술로서 회전운동이 가능한 박막 이동자를 제작하고, 절연체에 매립되어 있는 구동전극에 적절한 전압을 가하여 마주보는 전극에 인가되는 전압의 차이가 있을 때 발생하는 정전인력을 구동력으로 하여 광의 개폐를 수행하는 회전이동자에 대하여 이 이동자를 원하는 방향으로 움직이게 함으로써 빛을 개폐하는 방식을 사용한다.

한편, 상기 회전이동자 대신에 수평의 병진 운동이 가능한 박막 이동자를 제작하고, 절연체에 매립되어 있는 전극과 상부 공간에 형성한 전극에 적절한 전압을 가하여 이 이동자를 원하는 방향으로 움직이게 함으로써 빛을 개폐하는 방식을 사용할 수 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

본 발명의 회전이동형 광개폐소자의 전체적인 구조는 제1도와 같다.

제1도에서처럼 회전이동형 광개폐소자는 구동전극(105) 및 선택전극(107)이 구현되어 있는 규소기판(101), 회전이동자 및 이동전극(103), 박막이동자를 지지하는 지지빔(102), 그리고 광의 개폐를 도와주는 마스크(104) 및 이 마스크(104) 상에 만든 창(109)으로 구성된다.

본 발명의 광개폐소자의 작동원리는 제2(a)도, 제2(b)도와 같다.

제2(a)도는 초기상태로서, 구동전극(105)과 선택전극(107)에 인가한 전압이 차이가 없는 경우이다.

이 상태에서는 상부의 회전이동자(103)가 회전운동을 하지 않고 평형 상태로 유지되므로 빛을 모두 통과시킨다.

제2(b)도는 구동상태로서, 구동전극(105)과 선택전극(107)에 인가한 전압이 차이가 없는 경우이다.

이 상태에서는 상부의 회전이동자(103)에 하부의 구동전극(105) 및 선택전극(107)사이의 인가전압차이에 의한 정전 흡인력의 차이가 발생한다.

이 흡인력의 차이에 의해 상부의 회전이동자(103)는 회전운동을 하게 되며, 회전운동자(103) 및 마스크(104)와 마스크상에 구성된 창(109)에 의해 빛을 차단한다.

이 상태에서 인가전압을 해제하면, 회전이동자(103)는 초기상태로 돌아온다.

상기 제2a도 및 제2b도에 보인 것과 같이 구동전극과 도전성 박막으로 이루어진 회전이동자 사이의 인가전압의 차이에 의하여 회전이동자가 회전하여 광의 개폐를 수행한다.

여기서, 회전이동자는 빛을 통과시키기 위한 창과 빛을 차단하기 위한 마스크로 구성되어 있으며, 그 형태는 창문에 쇠창살이 촘촘하게 박혀있는 형상이다.

평상시에는 쇠창살 사이의 틈을 통하여 빛을 통과시키지만, 구동전극에 전압을 인가하면 이중창으로 구성된 회전이동자가 회전하여 쇠창살 사이의 틈을 막아 빛을 차단하게 되어 있는 것이다.

본 발명에 따른 광개폐소자의 제조방법을 나타내는 공정은 다음과 같다.

제1공정(제3(a)도)은 전압을 인가하는 전극의 형성공정으로, 기판(101) 위에 전극과 기판사이의 절연을 위해 제1절연막(10)을 형성한 후, 전원이 공급될 패드(303)와 반도체 기판위에 서로 수평적으로 반도체 가공기술을 이용하여 기계적 구조체를 제작하는 마이크로머시닝기술로서 제작이 가능한 간격인 10㎛이하의 간격으로 이격형성된 구동전극(105) 및 선택전극(107)을 한 번에 형성한다.

제2공정은 제1희생층(40a)형성 공정으로, 제3(b)도와 같이 앞서 제작한 전극과 뒤에 제작하는 이동전극(103)과의 절연을 위해 제2절연막(20)을 형성한 후, 산화막을 이방성 식각하여 회전이동자 모양으로 형성하여 제1희생층(40a)으로 한다.

제3공정은 회전이동자(103) 및 지지빔(102)을 형성하는 공정으로, 제3(c)도와 같이 박막으로 형성한 후 이방성 식각하여 회전이동자(103) 및 지지빔(102)을 형성한다.

여기서 회전이동자는 상부전극으로서도 작동해야하므로 도핑을 한다.

또한 지지빔(102)은 회전방향으로 작은 강성을 갖도록 하고, 수직방향으로는 회전이동자(103)를 충분히 지지할 수 있도록 하는 형상을 갖는다.

제4공정은 제2희생층(40b) 형성공정으로, 제3(d)도와 같이 산화막을 형성한 후, 회전이동자와 뒤에 형성하는 마스크가 일체로 되도록 하기 위해 회전이동자 모양으로 회전이동자보다 조금 작게 이방성 식각으로 형성하여 제2희생층(40b)으로 한다.

제5공정은 마스크(104) 및 창(109)을 만드는 공정으로, 제3(e)도와 같이 박막을 형성한 후 이방성 식각으로 회전이동자의 모양과 같이 마스크(104) 및 창(109)을 형성한다.

제6공정은 제1 및 제2희생층(40a, 40b) 제거공정으로, 제3(f)도와 같이 앞서 형성한 제1희생층(40a) 및 제2희생층(40b)을 부식액을 사용하여 제거한다.

이때 지지빔(102)이 고착하는 현상이 발생하므로 지지빔은 이러한 고착현상을 충분히 이길 수 있도록 충분한 수직방향 강성을 갖도록 단면과 형상을 형성한다.

이상에 설명된 공정에 따라서 제3(f)도와 같은 구조의 기계적 회전이동형 광개폐소자를 구현하였다.

한편, 본 발명에 의한 수평이동형 광개폐소자는 제4도(a) 내지 (c)에 도시된 바와같이, 하부전극(202)이 형성되어 있는 규소기판(201), 수평이동자 및 이동전극(204), 수평이동자 및 이동전극(204)을 지지하는 하부지지빔(203), 광의 개폐를 도와주도록 상기 수평이동자의 상부에 프린지 전기장이 발생되는 일정공간을 사이에 두고 형성된 상부전극 및 마스크(206), 마스크(206)상에 만든 창(207), 그리고 상부전극 및 마스크(206)를 지지하는 상부 지지빔(205)으로 구성된다. 여기서 상기 수평이동자는 상기 하부전극과 10㎛이하의 간격으로 이격되어 수평의 병진운동이 가능한 도전성 박막으로 이루어지며, 상기 하부지지빔(203)은, 상기 수평이동자를 지지하고 수평운동을 원할히 할 수 있도록 상기 하부전극과 수평이동자 사이의 공간을 관통하여 기판위에 지지되며, 상기 상부 지지빔(205)은, 상기 상부전극 및 마스크의 양측을 지지하여 기판위에 소정의 형성으로 형성된다.

그리고, 상기 수평이동자, 하부전극 및 마스크는 빛의 통과를 위한 창을 각각 구비하고, 상기 하부전극과 상부전극의 각 창들은 초기 상태시 광의 차단을 위해 수평이동자의 창들과 서로 수직적으로 엇갈리도록 형성된다.

제5도(a)는 초기상태로서 하부전극(202)과 이동전극(204), 상부전극(206)에 인가한 전압이 차이가 없는 상태로서 수평이동자(204)가 수평운동을 하지 않고 평형 상태로 유지되므로 빛을 모두 차단한다.

제5도(b)는 구동상태로서, 하부전극(202)가 상부전극(106)에 인가한 전압과 이동전극(204)에 인가한 전압이 차이가 있는 경우이다.

초기상태에서 상기와 같이 전압을 인가하면 하부전극(102) 및 이동전극(204), 상부전극(206)이 놓여있는 공간에 프린지(fringe) 전기장과 수직 전기장에 발생하며, 그때의 정전력을 수평이동자(204)가 힘을 받아 병진운동을 하게 된다.

이동하는 수평이동자는 상기 제5(b)도와 같은 상태에서 정지하며, 수평이동자(204) 및 마스크(206)상에 구성된 창에 의해 빛을 통과시킨다.

수평이동자(204)가 이동하면, 이동자를 지지하는 하부지지빔이 탄성변형하게 되며, 모든 전극에 인가한 전압을 해제하면, 하부지지빔에 저장된 탄성에너지에 의해 수평이동자는 초기상태로 돌아온다.

이와 같은 본 발명의 광개폐소자는 구동전극 및 선택전극에 같은 전압이 인가된 상태에서 빛을 통과시키는 Normally-on 형의 광소자로서 빛의 차단은 구동전극 및 선택전극의 인가전압에 차이를 두어 그에 따른 정전흡인력의 차이에 의해 회전이동자 미 마스크가 회전이동하여 빛의 경로를 차단하는 형태로 형성된다.

본 발명에서는 특히, 마이크로 머시닝 기술에서 약점인 희생층제거시에 발생하는 상부층과 기판층과의 고착문제를 해결하기 위해 지지빔을 채용하고, 또 창을 형성하여 희생층 제거공정을 단순화하여 생산수율을 비약적으로 높이는 것이 특징이다.

또한, 상기와 같이 수행함으로써, 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, 이하 LCD라 칭함) 보다 훨씬 높은 광개폐효율을 얻을 수 있고 제조방법으로도 기존에 확립되어 있는 반도체 가공기술을 이용함으로써, 대량생산을 통해나 가격 절감을 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 빛을 차단하거나 개폐시키는 광개폐소자에 있어서, 반도체 기판과; 상기 반도체 기판위에 서로 수평적으로 10㎛이하의 간격으로 이격형성된 구동전극 및 선택전극과; 상기 구동 및 선택전극과 수직적으로 10㎛이하의 간격으로 이격되어 상기 구동전극과 선택전극 사이의 인가전압 차이를 이용한 정전력을 구동원으로 하여 회전운동이 가능한 도전성 박막으로 이루어진 회전이동자와; 상기 회전이동자와 일정공간을 사이에 두고 일체로 형성되어 빛의 차단 및 통과를 제어하는 마스크; 및 상기 회전이동자 및 마스크를 지지하기 위한 지지빔으로 구성됨을 특징으로 하는 3차원 미세 기계 구조체 회전이동형 광개폐소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 지지빔은 상기 회전이동자와 마스크를 충분히 지지할 수 있고 회전운동을 원활히 할 수 있도록 상기 기판위에 소정의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전이동형 광개폐소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 회전이동자와 마스크는 가운데층이 비어있는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전이동형 광개폐소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 회전이동자와 마스크 표면은, 빛의 통과를 가능하게 하기 위한 다수개의 창(WINDOW)을 구비한 것을 특징으로 하는 회전이동형 광개폐소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 반도체 기판과 구동전극 및 선택전극 사이에, 그리고 상기 구동전극과 선택전극과의 사이에 이들의 전기적 절연을 위한 절연수단이 부가된 것을 특징으로 하는 회전이동형 광개폐소자.
6. 회전이동형 광개폐소자를 제조하는 방법에 있어서, 반도체 기판위에 전압을 인가하기 위해 제공되는 구동전극 및 선택전극을 형성하는 단계와; 상기 기판상에 상기 전극들을 형성한 후 절연막을 형성하는 단계와; 운동하는 부재를 분리독립시키기 위해 제거될 제1희생층을 절연막 위에 형성하고 회전이동자를 형성한 후, 제2희생층을 형성하는 단계와; 상기 회전이동자와 한 몸체를 이루어 빛의 개폐를 수행하기 위한 마스크 및 창을 형성하는 단계 및 상기 제1 희생층 및 제2 희생층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전이동형 광개폐소자의 제조방법.
7. 광개폐소자에 있어서, 반도체 기판과; 상기 반도체 기판위에 형성된 하부전극과; 상기 하부전극과 10㎛이하의 간격으로 이격되어 수평의 병진운동이 가능한 도전성 박막으로 이루어진 수평이동자와; 상기 수평이동자의 상부에 프린지 전기장이 발생되는 일정공간을 사이에 두고 형성된 상부전극 및 마스크와; 상기 수평이동자를 지지하고 수평운동을 원활히 할 수 있도록 상기 하부전극과 수평이동자 사이의 공간을 관통하여 기판위에 지지되는 하부지지빔과; 상기 상부전극 및 마스크의 양측을 지지하여 기판위에 소정의 형상으로 형성되는 상부지지빔으로 구성된 것을 특징으로 하는 수평이동형 광개폐소자.
8. 제7항에 있어서, 상기 수평이동자, 하부전극 및 마스크는 빛의 통과를 위한 창을 각각 구비하고, 상기 하부전극과 상부전극의 각 창들은 초기 상태시 광의 차단을 위해 수평이동자의 창들과 서로 수직적으로 엇갈리도록 형성된 것을 특징으로 하는 수평이동형 광개폐소자.