KR100439994B1 - 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 본 발명의 구조는 켄티레버 멤브레인 상부에 제 1하부전극, 제 1변형층, 및 제 1상부전극이 적층된 제 1액츄에이터와, 켄티레버 멤브레인 하부에 제 2하부전극, 제 2변형층, 및 제 2상부전극이 적층된 제 2액츄에이터로 이루어진 듀얼 액츄에이터를 구비하며 켄티레버 멤브레인 상부 및 하부의 어느 쪽에 제 1 또는 제 2 하부 전극과 이격되는 끝단에 형성된 프로브 팁을 갖는다. 그러므로, 본 발명은 멤브레인 상/하부에 모두 형성된 제 1 및 제 2액츄에이터를 통해 변위가 일어나는 방향이 윗 방향, 아랫방향으로 확대되며 종래 한 개의 액츄에이터보다 변위량을 2배로 늘릴 수 있다.

Description

켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조 및 그 제조방법{METHOD AND STRUCTURE FOR DUAL ACTUATORS OF CANTILEVER}
본 발명은 켄티레버(Cantilever)의 액츄에이터(Acuator)에 관한 것으로서, 특히 켄티레버 형상의 액츄에이터를 한 개의 멤브레인 상/하부면에 각각 형성함으로써 변위를 늘리고 제품의 선형 특성을 개선한 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
과학 및 기술의 발달로 인해 점차 아주 미세한 규모에서의 여러 가지 현상들을 연구해야 할 필요성이 대두하게 되었다. 이러한 필요에 의해 마이크로-나노(micro-nano) 기술이 발달하게 되었으며, 그에 따라 어떤 샘플의 표면에서 일어나는 각종 현상을 연구하기 위하여 높은 해상도를 갖는 분석 장비가 요구되었다. 대표적 예는 특히 높은 공간 분해능 분석 장비의 하나로써 스캐닝 프로브 현미경(Scanning Probe Microscope; SPM)이 상용화되고 있다.
스캐닝 프로브 현미경의 종류로는 전자의 터널링(tunneling) 현상을 이용한 스캐닝 터널링 현미경(ScanningTunneling Microscope; STM)과 원자간의 반 데르 발스(Van Der Waals) 힘을 이용한 원자힘 현미경(Atomic ForceMicroscope; AFM), 자기력을 이용한 자기력 현미경(Magnetic Force Microscope; MFM) 등 다양한 SPM계열이 있으며 시료의지형(topography), 분광(spectroscopy), 표면 마찰(surface friction) 또는 표면 접착(surface adhesion) 등의 분석 장비로써 주로 연구되고 상용화되어 왔다.
본 출원인은 2001년 1월 5일자로 공개된 특허출원 제 2001-1563호, 제 2001-1565호, 제 2001-1566호 등에 의해 이미 스캐닝 프로브에 관한 기술에서 켄티레버를 프로브에 적용한 바 있다.
그런데, 일반적으로 켄티레버 구조는 다음 도 1a 및 도 1b를 참조하기로 한다. 도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 켄티레버 구조를 간략하게 나타낸 도면들이다.
즉, 종래 기술에 의한 켄티레버(10)는 켄티레버 멤브레인(12)과, 켄티레버 멤브레인(12) 상부 또는 하부에 순차적으로 적층된 하부전극(14a), 변형층(14b), 및 상부전극(14c)으로 이루어진 액츄에이터(14)와, 켄티레버 멤브레인(12) 상부 또는 하부에서 하부 전극(14a)과 소정 거리에 이격된 끝단에 형성된 프로브 팁(16)으로 구성된다.
이러한 켄티레버의 액츄에이터(14)는 상부전극(14c)에 인가되는 전기적인 신호 또는 바이어스 전압에 의하여 하부전극(14a)과 상부전극(14c) 사이에서 발생되는 전계에 따라 변형층(14b)이 변형을 일으킨다. 그런데, 변형층(14b)은 PZT(Pb(Zr, Ti)O3), 또는 PLZT((Pb, La)(Zr, Ti)O3) 등의 압전 물질이 이용되거나 PMN(Pb(Mg, Nb)O3) 등의 전왜 물질로 제조할 수 있다.
그러나, 이러한 PZT, PLZT, 또는 PMN 물질로 제조된 변형층(14b)은 제조 공정 또는 재료 특성상의 히시테리시스(hysteresis)를 갖기 때문에 결국 액츄에이터(14)의 선형 특성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한 종래 기술에 의한 켄티레버(10)는 멤브레인(12)의 한쪽 면에만 액츄에이터(14)가 설계되어 있기 때문에 변위가 일어나는 방향 및 변위량이 제한되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 켄티레버 형상의 액츄에이터를 한 개의 멤브레인 상/하부에 모두 형성하여 듀얼 액츄에이터를 구성함으로써 변위량을 2배로 늘리고 제품의 선형 특성을 개선할 수 있는 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 제조방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 켄티레버 형상을 갖는 액츄에이터 구조에 있어서, 켄티레버 멤브레인 상부에 제 1하부전극, 제 1변형층, 및 제 1상부전극이 순차 적층된 제 1액츄에이터와, 켄티레버 멤브레인 하부에 제 2하부전극, 제 2변형층, 및 제 2상부전극이 순차 적층된 제 2액츄에이터를 구비하며 켄티레버 멤브레인 상부 및 하부의 어느 쪽에 제 1 또는 제 2 하부 전극과 이격되는 끝단에 형성된 프로브 팁을 갖는 것을 특징으로 한다.
이러한 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 켄티레버 형상을 갖는 액츄에이터 제조 방법에 있어서, 켄티레버 멤브레인 하부에 제 1핸들링 기판을 접합하고 켄티레버 멤브레인 상부에 제 1하부전극, 제 1변형층, 및 제 1상부전극을 적층해서 제 1액츄에이터를 형성하는 단계와, 제 1액츄에이터 상부에 보호막을 형성하고, 그 위에 제 2핸들링 기판을 접합하는 단계와, 제 1핸들링 기판을 분리해서 제거하고 켄티레버 멤브레인 하부에 제 2하부전극, 제 2변형층, 및 제 2상부전극을 적층해서 제 2액츄에이터를 형성하는 단계와, 제 2핸들링 기판을 분리 및 제거하고 보호막을 제거하는 단계를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 켄티레버 구조를 간략하게 나타낸 도면들,
도 2는 본 발명에 따른 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조를 나타낸 도면,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 켄티레버의 듀얼 액츄에이터에서 전극에 바이어스가 인가되었을 때 변위 모습을 나타낸 도면들,
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 듀얼 액츄에이터 102 : 켄티레버 멤브레인
103 : 제 1핸들링 기판 104 : 제 1액츄에이터
104a : 제 1하부 전극 104b : 제 1변형층
104c : 제 1상부 전극 106 : 제 2액츄에이터
106a : 제 2하부 전극 106b : 제 2변형층
106c : 제 2상부 전극 108 : 프로브 팁
110 : 보호막 112 : 제 2핸들링 기판
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조를 나타낸 도면이다. 이를 참조하면, 본 발명의 켄티레버(100)는 켄티레버 멤브레인(102)과, 제 1액츄에이터(104)와, 제 2액츄에이터(106) 및 프로브 팁(108)으로 구성된다.
여기서, 제 1액츄에이터(104)는 켄티레버 멤브레인(102) 상부에 제 1하부전극(104a), 제 1변형층(104b), 및 제 1상부전극(104c)이 순차 적층되어 있다. 그리고 제 2액츄에이터(106)는 켄티레버 멤브레인(102) 하부에 제 2하부전극(106a), 제 2변형층(106b), 및 제 2상부전극(106c)이 순차 적층되어 있다.
그리고, 프로브 팁(108)은 컨테레버 멤브레인(102)의 끝단 면에 형성된다. 본 실시예에서는 프로브 팁(108)이 제 2액츄에이터(106)가 있는 쪽의 켄티레버 멤브레인(102) 끝단에 설치되어 있지만, 제 1액츄에이터(104)가 있는 쪽 면에도 설치될 수 있다.
이렇게 구성된 본 발명에 따른 켄티레버는 다음과 같이 작동된다. 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 켄티레버의 듀얼 액츄에이터에서 전극에 바이어스가 인가되었을 때 변위 모습을 나타낸 도면들이다.
도 3a는 본 발명에 따른 제 1액츄에이터(104)의 제 1상부전극(104c) 및 제 2액츄에이터(106)의 제 2상부 전극(106c)에 전기적인 신호/바이어스 전압이 공급되지 않았을 때 모습을 나타낸 것이다.
하지만 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제 1액츄에이터(104)의 제 1상부전극(104c)에만 전기적인 신호/바이어스 전압이 공급되었을 때 제 1변형층(104b)이 수축하여 켄티레버 멤브레인(102)의 끝단(즉, 프로브 팁이 있는)이 윗 방향으로 휘어지게 된다. 그리고 도 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제 2액츄에이터(106)의 제 2상부전극(106c)에만 전기적인 신호/바이어스 전압이 공급되었을 때 제 2변형층(106b)이 수축하여 켄티레버 멤브레인(102)이 끝단(즉, 프로브 팀이 있는)이 아랫 방향으로 휘어지게 된다.
그러므로, 본 발명의 켄티레버는 멤브레인(102) 상부와 하부에 각각 제 1 및 제 2액츄에이터(104, 106)를 구비하고 있기 때문에 켄티레버의 변형 방향을 위와 아래로 제어할 수 있어 변위량을 종래보다 2배정도 크게 할 수 있다. 또한 제 1 및 제 2액츄에이터(104, 106) 각각의 상부전극(104c, 106c)에 바이어스 전압을 선택 공급함으로써 PZT, PLZT, 또는 PMN 물질로 제조된 제 1 및 제 2변형층(104b, 106b)이 갖는 히시테리시스 특성으로 인한 액츄에이터의 선형 특성 저하를 막을 수 있다. 즉, 제 1엑츄에이터(104)의 비선형특성을 보상할 수 있게 제 2엑츄에이터(106)만을 선택 구동시켜 변형을 일으키거나, 이와 반대로 제 2엑츄에이터(106)의 비선형특성을 보상할 수 있게 제 1엑츄에이터(104)를 선택 구동시켜 변형을 일으킬 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 켄티레버의 제조 방법에 대해 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 설명한다. 도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 제조 공정을 순차적으로 나타낸 공정 순서도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 켄티레버 멤브레인(102) 하부에 제 1핸들링 기판(103)을 접합한다. 그리고 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1핸들링 기판(103)이 없는 켄티레버 멤브레인(102) 상부에 제 2하부전극(106a), 제 2변형층(106b), 및 제 2상부전극(106c)을 순차적으로 적층해서 제 2액츄에이터(106)를 형성한다. 그리고, 켄티레버 멤브레인(102)의 상부 끝단에 제 2 하부 전극(106a)과 이격되는 프로브 팁(108)을 형성한다.
그 다음, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제 2액츄에이터(106)가 있는 켄티레버 멤브레인(102) 상부면에 보호막(110)을 형성한다. 그리고, 보호막(110)이 있는 켄티레버 멤브레인(102) 상부면에 제 2핸들링 기판(112)을 접합한다.
그리고 도 4e에 도시된 바와 같이, 켄티레버 멤브레인(102) 하부면에 접합된 제 1핸들링 기판(103)을 분리해서 제거한다. 제 1핸들링 기판(103)이 제거된 켄티레버 멤브레인(102) 표면에 제 1하부전극(104a), 제 1변형층(104b), 및 제 1상부전극(104c)을 순차적으로 적층해서 제 1액츄에이터(104)를 형성한다.
그리고나서 도 4f에 도시된 바와 같이, 켄티레버 멤브레인(102) 상부면에 접합된 제 2핸들링 기판(112)을 분리해서 제거하고, 보호막(110)을 제거한다.
본 발명의 실시예에서는 제 2액츄에이터(106)와 프로브 팁(108)을 제 1액츄에이터(104)보다 먼저 형성하였는데, 그 공정 순서는 당업자에 의해 변경이 가능한사항이다. 즉, 제 1액츄에이터(104)를 먼저 형성하고 제 2액츄에이터(106)와 프로브 팁(108)을 형성할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 켄티레버 형상의 액츄에이터를 한 개의 멤브레인 상/하부에 모두 형성하여 듀얼 액츄에이터를 구성함으로써 변위량을 2배로 늘리고 제품의 선형 특성을 개선할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (4)

  1. 켄티레버의 액츄에이터 구조에 있어서,
    상기 켄티레버 멤브레인 상부에 제 1하부전극, 제 1변형층, 및 제 1상부전극이 순차 적층된 제 1액츄에이터와,
    상기 켄티레버 멤브레인 하부에 제 2하부전극, 제 2변형층, 및 제 2상부전극이 순차 적층된 제 2액츄에이터를 구비하며
    상기 켄티레버 멤브레인 상부 및 하부의 어느 쪽에 제 1 또는 제 2 하부 전극과 이격되는 끝단에 형성된 프로브 팁을 갖는 것을 특징으로 하는 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1액츄에이터의 제 1상부전극과 상기 제 2액츄에이터의 제 2상부전극에는 전기적인 신호 또는 바이어스 전압을 상보적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조.
  3. 켄티레버의 액츄에이터 제조 방법에 있어서,
    상기 켄티레버 멤브레인 하부에 제 1핸들링 기판을 접합하고 상기 켄티레버 멤브레인 상부에 제 1하부전극, 제 1변형층, 및 제 1상부전극을 적층해서 제 1액츄에이터를 형성하는 단계;
    상기 제 1액츄에이터 상부에 보호막을 형성하고, 그 위에 제 2핸들링 기판을접합하는 단계;
    상기 제 1핸들링 기판을 분리해서 제거하고 상기 켄티레버 멤브레인 하부에 제 2하부전극, 제 2변형층, 및 제 2상부전극을 적층해서 제 2액츄에이터를 형성하는 단계; 및
    상기 제 2핸들링 기판을 분리 및 제거하고 보호막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 1액츄에이터 또는 제 2액츄에이터를 형성하는 단계에서 상기 켄티레버 멤브레인 상부 및 하부의 어느 쪽에 선택적으로 제 1 또는 제 2 하부 전극과 이격되는 거리에 프로브 팁을 형성하는 것을 특징으로 하는 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 제조방법.
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