KR0174914B1 - 광로조절장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광로조절장치에 관한 것으로서, 액츄에이터(49)를 상기 구동기판(31)의 패드(33) 부분에 고정시키기 위한 고정단; 에어 갭에 의해서 상기 구동기판(31)과 평행하게 이격 배치되고, 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 하부 전극(41)에 신호 전압이 인가되면 상기 하부전극(41)과 상기 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 상기 구동기판의 수평 방향에 대해 구동하는 수평 구동단; 및 상기 수평 구동단의 일측과 상기 고정단 사이에 수직으로 형성되고, 상기 수평 구동단과 동일한 구조를 가지며, 상기 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 상기 하부전극(41)에 신호 전압이 인가되면 상기 하부전극(41)과 상기 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 상기 구동기판의 수직 방향에 대해 구동하는 수직 구동단(d);으로 이루어지는 광로조절장치를 제공하므로써, 액츄에이터의 경사각을 크게 할 수 있고, 또한, 에어 갭을 한정하는 희생막의 제거가 용이하며 희생막 제거시 구동단이 구동기판에 접촉되는 것을 방지할 수 있다.

Description

광로조절장치
본 발명은 투사형 화상 표시장치에 이용되는 광로조절장치에 관한 것으로서, 특히, 액츄에이터의 구조를 지지부에 연장하여 수직 구동단으로 형성하므로써, 변위량을 증가시키고 희생막을 용이하게 제거할 수 있도록한 광로조절장치에 관한 것이다.
화상표시장치는 표시방법에 따라, 직시형 화상표시장치와 투사형 화상표시장치로 구분된다.
직시형 화상표시장치는 CRT(Cathode Ray Tube)등이 있는데, 이러한 CRT 화상표시장치는 화질은 좋으나 화면이 커짐에 따라 중량 및 두께의 증대와, 가격이 비싸지는 등의 문제점이 있어 대화면을 구비하는데 한계가 있다.
투사형 화상표시장치는 대화면 액정표시장치(Luquid Crystal Display : 이하 LCD라 칭함)등이 있는데, 이러한 대화면 LCD의 박형화가 가능하여 중량을 작게 할 수 있다. 그러나, 이러한 LCD는 편광판에 의한 광의 손실이 크고 LCD를 구동하기 위한 박막 트랜지스터가 화소마다 형성되어 있어 개구율(광의 투과면적)을 높이는데 한계가 있으므로 광의 효율이 매우 낮다.
따라서, 미합중국 Aura사에 의해 액츄에이티드 미러 어레이(Acturated Mirror Arrays : 이하 AMA라 칭함)를 이용한 투사형 화상표시장치가 개발되었다. AMA를 이용한 투사형 화상표시장치는 광원에서 발광된 백색광을 적색, 녹색 및 청색의 광으로 분리한 후, 이 광을 액츄에이터들로 이루어진 광로조절장치의 구동에 의해 광로를 변경시킨다. 즉, 액츄에이터들에 실장되어 이 액츄에이터들이 개별적으로 구동되는 것에 의해 기울어지는 거울들에 각각 반사시켜 광로(light path)를 변경시키는 것에 의해 광의 양을 조절하여 화면으로 투사시킨다. 그러므로 화면에 화상이 나타나게 된다. 상기에서, 액츄에이터는 압전 또는 전왜세라믹으로 이루어진 변형부가 인가되는 전압에 의해 전계가 발생되어 변형되는 것을 이용하여 거울을 기울게 한다. AMA는 구동방식에 따라 1차원 AMA와 2차원 AMA로 구별된다. 1차원 AMA는 거울들이 M × 1 어레이로 배열되고, 2차원 AMA는 거울들이 M × N 어레이로 배열되고 있다. 따라서, 1차원 AMA를 이용한 투사형 화상표시장치는 주사거울을 이용하여 M × 1개 광속들을 선주사시키고, 2차원 AMA를 이용하는 투사형 화상표시장치는 M × N개의 광속들을 투사시켜 화상을 나타내게 된다.
또한, 액츄에이터는 변형부의 형태에 따라 벌크헝(bulk type)과 박막형(thin film type)으로 구분된다. 상기 벌크형은 다층 세라믹을 얇게 잘라 내부에 금속전극이 형성된 세라믹웨이퍼(ceramic wafer)를 구동기판에 실장한 후 쏘잉(sawing)등으로 가공하고 거울을 실장한다. 그러나, 벌크형 액츄에이터는 액츄에이터들을 쏘잉에 의해 분리하여야 하므로 긴 공정시간이 필요하며, 또한, 변형부의 응답속도가 느린 문제점이 있었다. 따라서, 반도체공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형의 액츄에이터가 개발되었다.
제1도는 종래의 광로조절장치(10)의 단면도이다.
상기 광로조절장치(10)는 구동기판(11)과 액츄에이터(29)들을 포함한다.
구동기판(11)은 유리 또는 알루미나(Al2O3)등의 절연물질이나, 또는, 실리콘 등의 반도체로 이루어지며 M × N 개의 트랜지스터들(도시되지 않음)이 매트릭스(matrix)형태로 내장되어 있다. 또한, 구동기판(11)의 표면에 트랜지스터들과 전기적으로 연결된 패드(15)들이 형성되어 있다.
액츄에이터(29)들은 멤브레인(15), 플러그(plug : 19), 하부 전극(21), 변형부(23) 및 상부전극(25)으로 이루어져 구동기판(11)의 상부에 N × M개가 형성되어 있다. 상기 액츄에이터(29)는 계단 형상으로 일측의 고정단이 구동기판(11)에 부착되며, 타측의 구동단이 에어 갭(air gap :27)을 사이에 두고 구동기판(11)과 이격되어 있으며, 구동기판(11)과 수직하는 일측과 타측의 중간 부분은 고정단과 구동단을 연결하는 연결단이 된다. 상기에서 에어 갭(27)은 높이가 a, 예를 들면, 1 ∼ 2㎛ 정도이며 액츄에이터(29)의 연결단의 길이를 한정한다.
상기 멤브레인(15)은 계단 형상을 이루어 일측은 구동기판(11) 상에 패드(15)를 덮으며, 타측은 에어 갭(27)을 사이에 두고 구동기판(11)과 이격된다. 멤브레인(15)의 일측에 형성된 개구(17)에 패드(13)와 전기적으로 연결된 플러그(19)가 채워져 있다.
하부전극(21)은 멤브레인(15)의 상부에 플러그(19)와 전기적으로 연결되도록 형성되어 외부로부터 인가되어 트랜지스터에 의해 스위칭되는 화상신호가 전달된다.
변형부(23)는 하부전극(21)의 상부에 형성되며, 플러그(19)를 통해 외부회로(도시되지 않음)로 부터 인가되는 화상신호에 의해 발생되는 전계를 기계적인 변형으로 변환시키는 압전 및 전왜세라믹으로 형성된다. 따라서, 변형부(23)는 발생되는 전계의 방향으로 팽창하며 수직방향으로 수축된다.
상부전극(25)은 변형부(23)의 상부에 공통으로 접지되도록 형성되어 있다. 상부전극(25)은 입사광을 반사하는 반사경으로도 이용되는 것으로 반사특성 및 전기전도도가 좋은 금속으로 형성된다.
제2도는 제1도의 광로조절장치(10)의 동작 상태도이다.
외부회로로 부터 입력되고 트랜지스터에 의해 스위칭된 화상 신호가 플러그(19)를 통해 하부전극(21)에 인가되면 하부전극(21)과 상부전극(25) 사이의 전압 차이에 의해 변형부(23)에 전계가 발생된다. 이에 의해, 변형부(23)는 전계와 동일한 방향으로 팽창되고 수직방향으로 수축된다. 그러므로, 변형부(23)와 멤브레인(15) 사이의 계면에서 응력(stress)이 발생되어 액츄에이터(29)의 구동단이 상부 방향으로 휘어져 경사지게 된다. 이때, 변형부(23)는 하부전극(21)과 상부전극(25)이 중첩되는 부분에 전계가 발생된다. 상기에서 변형부(23)는 연결단에서 하부전극(21)과 상부전극(25)이 소정길이 b 만큼만 중첩되는데, 이 길이 b는 변형부(23)의 두께에 비해 매우 짧아 발생되는 응력을 무시할 수 있다. 그러므로, 액츄에이터(29)는 구동단의 변형부(23)와 멤브레인(15)의 응력에 의해 최대로 소정 각(1), 예를 들면, 5°만큼 경사지게 된다.
그러나, 상술한 종래의 광로조절장치는 액츄에이터 구동단에 의해서만 경사지게 되므로 경사각이 작은 문제점이 있었다. 또한, 에어 갭을 한정하는 희생막은 표면적에 비해 두께가 얇으므로 이 희생막을 제거하기 위한 용액의 유동성이 저하되므로 제거에 긴시간이 필요할 뿐만 아니라 구동단이 구동기판에 접촉되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 액츄에이터의 구동단을 연장하여 액츄에이터의 구동단과 고정단 사이에서 수직 구동단을 형성하므로써 경사각을 크게 할 수 있는 광로조절장치를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위해서는 본 발명에서는, 트랜지스터가 매트릭스형태로 내장되고 표면에 각각의 트랜지스터와 전기적으로 연결된 패드(33)를 갖는 구동기판(31)과 상기 구동기판(31)에 계단 형상을 갖고 위치되어 일측이 접촉되고 타측이 에어 갭(47)에 의해 상기 구동기판(31)과 이격되며, 멤브레인(35)과, 상기 멤브레인(35)의 상부에 형성된 하부전극(41)과, 상기 패드(33)와 하부전극(41)을 전기적으로 연결하도록 멤브레인(35)을 관통하여형성된 플러그(39)와, 상기 하부전극(41)의 상부에 형성된 변형부(43)와, 상기 변형부(43)의 상부의 부분에 형성되며 반사막으로도 사용되는 상부전극(45)으로 이루어진 액츄에이터(49)를 포함하는 광로조절장치에 있어서, 상기 액츄에이터(49)는, 상기 액츄에이터(49)를 상기 구동기판(31)의 패드(33) 부분에 고정시키기 위한 고정단; 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 상기 하부전극(41)에 신호 전압이 인가되면 상기 하부전극(41)과 상기 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 상기 구동기판의 수평 방향에 대해 구동하는 수평 구동단; 및 상기 수평 구동단의 일측과 상기 고정단 사이에 수직으로 형성되고, 상기 수평 구동단과 동일한 구조를 가지며, 상기 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 상기 하부전극(41)에 신호 전압이 인가되면 상기 하부전극(41)과 상기 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 상기 구동기판의 수직 방향에 대해 구동하는 수직 구동단(d);으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광로조절장치를 제공한다.
제1도는 종래 기술에 따른 광로조절장치의 단면도.
제2도는 제1도의 광로조절장치의 동작 상태도.
제3도는 본 발명에 따른 광로조절장치의 단면도.
제4도는 제3도의 본 발명에 따른 광로조절장치의 동작 상태도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 광로조절장치 31 : 구동기판
33 : 패드 35 : 멤브레인
37 : 개구 39 : 플러그
41 : 하부전극 43 : 변형부
45 : 상부전극 47 : 에어 갭
49 : 액츄에이터
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 광로조절장치(30)의 단면도이다.
상기 광로조절장치(30)는 구동기판(31)과 액츄에이터(49)들을 포함한다.
구동기판(31)은 유리 또는 알루미나(Al2O3) 등의 절연물질이나, 또는, 실리콘 등의 반도체로 이루어지며 M × N 개의 트랜지스터들(도시되지 않음)이 매트릭스(matrix)형태로 내장되어 있다. 또한, 구동기판(31)의 표면에 트랜지스터들과 전기적으로 연결된 패드(33)들이 형성되어 있다.
액츄에이터(49)들은 멤브레인(35), 플러그(39), 하부전극(41), 변형부(43) 및 상부전극(45)으로 이루어져 구동기판(31)의 상부에 M × N 개가 형성되어 있다. 수직 구동단(d)에 의해서 수평 구동단의 일측을 고정단에 부착되고, 그 고정단을 관통하여 형성된 플러그(39)를 통해서 패드(33)와 하부전극(41)이 연결되는 구조로 이루어져 있다. 이때, 고정단은 액츄에이터(49)를 구동기판(31)의 패드(33) 부분에 고정시키기 위한 부분을 말하고, 수평 구동단은 종래의 액츄에이터, 즉, 구동기판(31)과 평행하게 이격 배치되고, 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 하부전극(41)에 신호 전압이 인가되면, 하부전극(41)과 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 구동기판의 수평 방향에 대해 구동하는 부분을 말하여, 수직 구동단(d)는 본 발명에 따라서 종래의 광로조절장치에 부가되는 부분으로서, 수평 구동단의 일측과 고정단 사이에 수직으로 형성되고, 수평 구동단과 동일한 구조를 가지며, 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 하부전극(41)에 신호 전압이 인가되면, 하부전극(41)과 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 구동기판의 수직 방향에 대해 구동하는 부분을 말한다.
상기에서 에어 갭(47)은 액츄에이터(49)의 제조공정시 희생막(도시되지 않음)을 제거함에 따라 형성되는 것으로 높이는 c, 예를 들면, 5 ∼ 10㎛ 정도이며 액츄에이터(49)의 수평 구동단(d)의 높이를 한정한다.
상기 멤브레인(35)은 질화실리콘(Si3N4) 또는 탄화실리콘 등의 규화물이 스퍼터링 또는 CVD방법 등에 의해 1 ∼ 2㎛ 정도의 두께로 침적되어 형성되는 것으로 계단 형상을 이루어 일측은 구동기판(41) 상에 패드(45)를 덮으며, 타측은 에어 갭(47)을 사이에 두고 구동기판(41)과 이격된다. 멤브레인(35)의 일측에 형성된 개구(37) 내에 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti) 등의 금속으로 이루어진 플러그(39)가 패드(33)와 전기적으로 연결되게 형성된다.
하부전극(41)은 멤브레인(35)의 상부에 백금(Pt) 또는 백금/티타늄(Pt/Ti) 등이 진공증착 또는 스프터링 등에 의해 500 ∼ 2000Å 정도의 두께로 증착되어 형성된다. 상기에서 하부전극(41)은 플러그(39)와 전기적으로 연결되도록 형성되어 외부회로로 부터 입력되어 트랜지스터에 의해 스위칭되는 화상신호가 플러그(39)를 통해 전달된다.
상기 하부전극(41)의 표면에 변형부(43) 및 상부전극(45)이 순차적으로 형성된다. 상기에서 변형부(43)는 BaTiO3, PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 또는 PLZT(Pb, La)(Zr, Ti)O3) 등의 압전세라믹이나, 또는, PMN(Pb(Mg,Nb)O3) 등의 전왜세라믹이 Sol-Gel법, 스퍼터링 또는 화학기상 침적법(CVD) 등에 의해 1 ∼ 2㎛ 정도의 두께로 도포되어 형성된다. 상기 변형부(43)는 플러그(39)를 통해 외부회로로 부터 인가되는 화상신호에 의해 발생되는 전계를 기계적 변형으로 변환시키는 것으로 발생되는 전계의 방향으로 팽창하며 수직방향으로 수축된다. 상기에서, 변형부(43)가 압전세라믹으로 형성되어도 얇은 두께를 가지므로 별도의 분극을 하지 않고도 구동시 인가되는 화상신호에 의해 분극된다.
상기 상부전극(45)은 알루미늄 등과 같은 전기 전도도 및 반사 특성이 좋은 금속이 스프터링 또는 진공증착방법으로 500 ∼ 1000Å 정도의 두께로 증착되어 형성된다. 그러므로, 상부전극(45)은 입사광을 반사시키는 반사경으로도 이용하며 공통으로 접지된다.
상술한 광로조절장치(30)는 액츄에이터(49)에 에어 갭(47)의 높이 c가 5 ∼ 10㎛ 정도이므로 수직 구동단 (d)에서 하부전극(41)과 상부전극(45)이 중첩되는 부분은 3 ∼ 8㎛ 정도가 된다.
그러므로, 광로조절장치(30)의 액츄에이터(49)는 구동단 뿐만 아니라 수직 구동단(d)에서도 변형부(43)과 멤브레인(35)의 계면에서 응력이 발생된다. 따라서, 액츄에이터(49)의 경사각은 수평 구동단에 의한 성분과 수직 구동단(d)에 의한 성분의 합이 되어 변위량이 증가된다. 또한, 에어 갭(47)의 높이 c가 매우 크므로 이 에어 갭(47)의 높이를 한정하는 희생막(도시되지 않음)의 제거시 식각 용액의 유동성을 향상시키므로 빠른 시간동안에 제거할 수 있을 뿐만 아니라 구동단이 구동기판에 접촉되는 것을 방지할 수 있다.
제4도는 제3도의 광로조절장치(30)의 동작 상태도이다.
외부회로로 부터 입력되고 트랜지스터에 의해 스위칭된 화상신호가 플러그(39)를 통해 하부전극(41)에 인가되면 하부전극(41)과 상부전극(45) 사이의 전압 차이에 의해 변형부(43)에 수직방향으로 전계가 발생된다. 이에 의해, 변형부(43)는 전계와 동일한 수직 방향으로 팽창되고 수평 방향으로 수축된다. 그러므로, 변형부(43)와 멤브레인(45) 사이의 계면에서 응력이 발생되어 액츄에이터(49)는 수평 구동단이 상부 방향, 즉, 구동기판(31)의 표면에 대해서 수평 방향으로 경사지게 된다. 상기에서 변형부(43)과 액츄에이터(49) 사이의 응력이 하부전극(41)과 상부전극(45)이 중첩되는 부분에서 발생되는 데, 수직 구동단(d)에서 하부전극(41)과 상부전극(45)이 중첩되는 부분이 소정 길이, 예를 들면, 3 ∼ 8㎛ 정도이므로 수평 구동단 뿐만 아니라 수직 구동단(d)에 의해서도 경사지게 된다. 즉, 액츄에이터(49)의 수평 구동단이 상부 방향으로 휘어지는 소정 각(3)은 수평 구동단에 의한 소정 각(1), 예를 들면, 5°와 수직 구동단(d)에 의한 소정 각(2)의 합인1 +2가 된다. 상기에서 수직 구동단(d)에 의한 경사각(2)는 021로 상기 수직 구동단(d)의 높이에 비례한다. 따라서, 소정 각(3)은1321, 즉 5°310°가 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 액츄에이터의 에어 갭의 높이를 크게하여 수직 구동단(d)에서 하부전극과 상부전극이 중첩되는 부분의 길이를 크게하므로 수평 구동단 뿐만 아니라 수직 구동단(d)에서도 변위가 발생되도록 하여 액츄에이터의 경사각은 수평 구동단에 의한 성분과 수직 구동단(d)에 의한 성분의 합이 되도록 한다. 또한, 에어 갭(47)의 높이를 크게하여 희생막의 제거시 식각 용액의 유동성을 향상시킨다.
따라서, 본 발명은 액츄에이터를 구동시킬 때 종래의 액츄에이터, 즉, 수평 구동단에서 뿐만 아니라 수직 구동단(d)에 대해서도 경사지게 하므로써 경사각을 크게 할 수 있고, 또한, 에어 갭을 한정하는 희생막의 제거가 용이하며 희생막 제거시 수평 구동단이 구동기판에 접촉되는 것을 방지할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (3)

  1. 트랜지스터가 매트릭스형태로 내장되고 표면에 각각의 트랜지스터와 전기적으로 연결된 패드(33)를 갖는 구동기판(31)과, 상기 구동기판(31)에 계단 형상을 갖고 위치되어 일측이 접촉되고 타측이 에어 갭(47)에 의해 상기 구동기판(31)과 이격되며, 멤브레인(35)과, 상기 멤브레인(35)의 상부에 형성된 하부전극(41)과, 상기 패드(33)와 하부전극(41)을 전기적으로 연결하도록 멤브레인(35)을 관통하여 형성된 플러그(39)와, 상기 하부전극(41)의 상부에 형성된 변형부(43)와, 상기 변형부(43)의 상부의 부분에 형성되며 반사막으로도 사용되는 상부전극(45)으로 이루어진 액츄에이터(49)를 포함하는 광로조절장치에 있어서, 상기 액츄에이터(49)는, 상기 액츄에이터(49)를 상기 구동기판(31)의 패드(33) 부분에 고정시키기 위한 고정단; 상기 구동기판(31)과 평행하게 이격 배치되고, 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 상기 하부전극(41)에 신호 전압이 인가되면 상기 하부전극(41)과 상기 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 상기 구동기판의 수평 방향에 대해 구동하는 수평 구동단; 및 상기 수평 구동단의 일측과 상기 고정단 사이에 수직으로 형성되고, 상기 수평 구동단과 동일한 구조를 가지며, 상기 상부전극(45)에 공통 전압이 인가되고 상기 하부전극(41)에 신호 전압이 인가되면 상기 하부전극(41)과 상기 상부전극(45)의 전위차에 대응하는 소정 각도만큼 상기 구동기판의 수직 방향에 대해 구동하는 수직 구동단(d);으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광로조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에어 갭의 높이가 5 ∼ 10㎛인 광로조절장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연결단에서 하부전극과 상부전극이 중첩되는 부분의 길이가 3 ∼ 8㎛인 광로조절장치.
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