KR100644893B1 - 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 스위치와 광 디스플레이 등 광신호 또는 빛의 방향을 기계적으로 바꾸어 주기 위해 큰 힘으로 구동이 가능하면서 구동전압이 낮고, 전력소모가 작은 마이크로 미러에 관한 것으로, 바닥면에서 소정의 높이로 토션바에 의해 회전가능하도록 설치되는 유전층플레이트; 상기 유전층플레이트 상면 중심부에 형성된 마이크로 미러면; 상기 마이크로 미러면을 감싸도록 상기 유전층플레이트 상면에 형성된 코일; 상기 마이크로 미러면의 양측의 유전층플레이트 상면에 형성된 상부전극; 상기 코일과 상부전극에 전류를 공급하는 도선; 및 상기 상부전극이 위치하는 유전층플레이트 부분의 아래로 소정의 거리로 이격되어 설치되는 하부전극을 포함하는 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러이다.

마이크로 미러, 광스위치, 광신호

Description

전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러{Micromirror actuated by combination of electromagnetic and electrostatic forces}

도 1은 본 발명의 실시예의 사시도

도 2는 도 1의 마이크로 미러면이 반시계방향으로 회전한 작동상태를 나타내는 사시도

도 3은 도 2의 정면도

도 4는 도 1의 마이크로 미러면이 시계방향으로 회전한 작동상태를 나타내는 사시도

도 5은 도 4의 정면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101: 마이크로 미러면 102: 코일

103, 107: 토션바 104,108: 도선

105,106: 상부전극 109: 여결부

110,111: 구조체 112,113: 하부전극

114: 유전층플레이트

본 발명은 마이크로 미러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 스위치와 광 디스플레이 등 광신호 또는 빛의 방향을 기계적으로 바꾸어 주기 위해 큰 힘으로 구동이 가능하면서 구동전압이 낮고, 전력소모가 작은 마이크로 미러에 관한 것이다.

상기 마이크로 미러(micromirror)는 구동기(actuator)에 의해서 회전을 함으로써 입력으로 들어온 빛의 경로를 바꾸어서 원하는 곳으로 보내주는 역할을 하는 것으로 광 스위치 디스플레이 등에 널리 사용되고 있다.

종래 발표되었던 대부분의 마이크로 미러는 정전기력(electrostatic force)을 이용하여 구동을 한다.

정전기력으로 구동하는 마이크로 미러는 미국특허 US6201631(Process for fabricating an optical mirror array)와 미국특허 US6618186(Micro electromechanical system)에 나타난 바와 같이, 미러면과 바닥전극 사이에 작용하는 정전기력에 의해서 토션바(torsion bar)를 중심으로 회전하게 된다.

이러한 정전기력 구동은 전력소모가 비교적 제작이 간단하고 전력소모가 적다는 장점이 있다.

하지만, 구동전압이 수십볼트 이상으로 비교적 높아서 구동 회로나 다른 시스템과의 집적이 어렵고 구동하는 구동력이 작다는 단점이 있다.

마이크로 미러는 입력으로 들어온 빛을 원하는 곳으로 보내주는 역할을 하는데, 출력범위를 넓히기 위해서는 마이크로 미러의 회전각도가 커야 한다. 그러나, 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러의 경우에는 작은 힘으로 구동하기 때문에 회전각도가 작다는 단점이 있다.

또한, 정전기력은 두 전극 사이의 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 구동범위가 클수록 구동전압이 제곱에 비례해서 커진다는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 작은 힘으로 인해서 구조체가 기계적으로 약한 구조를 가지게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 미국특허 US 6781732 (electromagnetically Actuated Micromirror Actuator and Fabrication Method Thereof)와 같이 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러가 소개되었다.

전자기력으로 구동하는 마이크로 미러는 외부자장 안에서 도선에 전류가 흐를 때 발생하는 전자기력을 이용해서 구동한다. 이러한 전자기력으로 구동하는 경우에는 큰 힘으로 구동이 가능하고 구동전압이 낮다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 큰 힘으로 구동하기 때문에 회전각도가 크고 기계적으로 강한 구조를 가질 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 전자기력으로 구동하는 경우에는 큰 전류가 필요하기 때문에 전력소모가 크다는 단점이 있다.

따라서 큰 힘으로 구동이 가능하면서 구동전압이 낮고, 전력소모가 작은 마이크로 미러의 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 종래의 마이크로 미러의 문제점을 해결하여 낮은 구동전압과 낮은 전력소모로 큰 회전각도를 가지면서 신뢰성 있는 동작할 수 있는 마이크로 미러를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 바닥면에서 소정의 높이로 토션바에 의해 회전가능하도록 설치되는 유전층플레이트; 상기 유전층플레이트 상면 중심부에 형성된 마이크로 미러면; 상기 마이크로 미러면을 감싸도록 상기 유전층플레이트 상면에 형성된 코일; 상기 마이크로 미러면의 양측의 유전층플레이트 상면에 형성된 상부전극; 상기 코일과 상부전극에 전류를 공급하는 도선; 및 상기 상부전극이 위치하는 유전층플레이트 부분의 아래로 소정의 거리로 이격되어 설치되는 하부전극을 포함하는 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러이다.

상기의 상부전극과 코일 사이의 유전층플레이트에는 연결부가 형성되어, 상기 상부전극 부분의 유전층플레이트가 꺾여 상기 하부전극에 맞닿을 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 연결부는 상부전극과 코일 사이의 유전층플레이트에 가로방향으로 형성된 홈인 것을 특징으로 한다.

상기 미러면은 빛의 반사도를 높이기 위하여 금속 물질로 코팅된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 핵심은 낮은 구동전압과 낮은 전력소모로 큰 회전각도를 가지면서 신뢰성 있는 동작을 할 수 있는 마이크로 미러를 제안하는 것이다. 따라서, 제안된 마이크로 미러는 전자기력과 정전기력을 이용하여 구동한다.

마이크로 미러의 상태를 바꿀 때에는 큰 힘인 전자기력을 이용하여 상태를 바꾸고, 상태를 유지할 때는 정전기력을 이용하여 상태를 유지하게 된다.

큰 힘을 이용하여 구동하기 때문에 큰 회전각도를 가질 수 있고 기계적으로 강한 구조를 가질 수 있으며 구동전압이 낮다는, 전자기력 구동의 장점을 가질 수 있다.

그리고, 상태를 유지할 때는 정전기력을 이용하여 상태를 유지하기 때문에 전력소모가 낮다는 장점이 있다.

정전기력을 이용하는 경우에도 두 전극 사이의 거리가 가까운 상태에서 정전기력이 작용하기 때문에 구동전압이 낮게 된다.

따라서, 전자기력과 정전기력 구동의 장점을 동시에 가질 수 있게 된다.

본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명의 바닥면상에서 초기높이만큼 띄워져 있는 마이크로 미러면(101)이 있고 구조체 위에 전자기력 구동을 위한 코일(102)이 집적되어 있다. 미러면 양쪽에는 마이크로 미러가 회전하였을 때 정전기력으로 회전상태를 유지시켜주기 위한 상부전극(105,106)이 연결되어 있다.

또한, 상기 공중에 띄워진 마이크로 미러는 토션바(103,107)와 토션바에 집 적되어 있는 도선(104,108)을 통하여 기계적으로 지지되어 있고 상기 토션바는 바닥면과 연결된 구조체(110,111)을 통하여 바닥면과 연결되어 있다. 바닥면에는 정전기력 구동을 위한 하부전극 (112,113)이 집적되어 있다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 상기 마이크로 미러는 미러에 집적되어 있는 코일(102)에 전류가 흐를 때 외부자장에 의해서 발생하는 전자기력에 의해서 구동하는 특징을 갖는다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 상기 마이크로 미러에서 미러면의 양쪽에 연결된 상부전극에 의해서 미러의 회전상태를 정전기력으로 유지시켜 주는 특징을 갖는다.

본 발명의 제4특징에 따르면, 상기 마이크로 미러는 인가된 전류의 방향에 따라서 미러의 회전방향이 달라지는 구동을 하는 특징을 갖는다.

본 발명의 제5특징에 따르면, 상기 미러면(101)은 빛의 반사도를 높이기 위하여 금속 물질로 코팅된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러를 도시한 것으로, 바닥면상에서 초기 높이만큼 띄워져 있는 마이크로 미러면(101)이 있고, 상기 마이크로 미러면(101)에는 전자기력 구동을 위한 코일(102)이 집적되어 있다.

그리고, 상기 마이크로 미러면(101)의 양쪽에는 정전기력 구동을 위한 상부 전극(105,106)이 위치한다.

상기의 마이크로 미러면(101)과 코일(102) 및 상부전극(105,106)은 유전층플 레이트(114)에 설치된다.

또, 상기 마이크로 미러면(101)과 상부전극(105, 106) 사이에는 소정의 각도로 접혀질 수 있는 연결부(109)가 형성된다.

상기 연결부(109)는 상기 유전층플레이트(114)에서 접혀질 부분에 길이방향으로 홈을 내는 방법으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 상부전극(105,106)의 밑부분 바닥면에는 하부전극(112,113)이 위치하게 된다. 즉, 상기 평면의 상부전극(105,106)의 아래부분에 하부전극(112,113)이 위치하는 것이다.

상기 마이크로 미러면(101)은 구조체(110,111)에 설치된 토션바(103,107)에 회전가능하도록 고정되어 상기 초기 높이만큼 바닥면에서 공중에 띄워져 있다.

그리고, 상기 마이크로 미러면(101)에 집적된 코일(102)은 도선(104,108)을 통하여 외부에서 전류를 인가해줄 수 있다.

또한, 상기 상부전극(105,106)은 상기 코일(102)과 전기적으로 연결이 되어 있어, 상기 도선(104,108)을 통해서 상부전극(105,106)에 전압을 가해줄 수 있게 된다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 미러의 구동 원리를 설명한 사시도 및 정면도이다.

초기상태에 상기 마이크로 미러면(101)은 바닥면에서 초기 높이만큼 띄워져 있고, 상기 마이크로 미러(10)는 도 2의 화살표 방향과 같이 외부자장이 인가된 곳에 위치하게 된다.

상기 마이크로 미러를 구동시키기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코일(102)에 외부에서 I1방향으로 전류를 인가해 주면, 전류의 방향과 외부 자장의 방향에 수직인 방향인 F1 방향으로 전자기력이 작용하게 된다.

따라서, 이 때 반대쪽 코일에는 F1에 반대되는 방향인 위쪽 방향으로의 힘이 작용하게 되고, 마이크로 미러는 토션바(204,206)을 중심으로 반시계방향으로 회전하게 된다.

이때, 상기 마이크로 미러의 초기 높이는 상기 마이크로 미러의 회전각도를 결정짓는 중요한 요소가 된다.

상기 마이크로 미러가 회전한 후에 그 상태를 유지시키기 위해서 기존의 전자기력으로 구동하는 마이크로 미러의 경우에는 계속 전류를 흘려주어야 했다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 미러는 정전기력을 이용하여 그 상태를 유지하게 된다.

상기 마이크로 미러가 회전하였을 때, 상기 코일(102)에 전류를 흘려주는 대신에 외부도선(104,108)을 통해서 동일 전압을 인가할 경우 상부전극(105)에는 전압이 인가된다.

이때, 상부전극(105)측의 유전층플레이트(114)가 하부전극(112)에 접지할 경우에 상부전극(105)과 하부전극(112) 사이에는 전압차가 발생하고, 이 전압차에 의해서 정전기력이 발생하게 되며 전극은 서로 끌어당기게 된다.

이 정전기력에 의해서 상기 마이크로 미러는 회전상태를 유지할 수 있게 된다.

이 때, 상기 마이크로 미러가 설치된 유전층플레이트(114)는 절연체로써, 상부전극(105,106)과 하부전극(112,113)이 직접 접촉하는 것을 막아주는 역할을 하게 된다.

상술한 바와 같이, 상기 마이크로 미러가 설치된 유전층플레이트(114)에서 제일 약할 부분인 상부전극(105,106)과 상기 마이크로 미러면(101)을 연결하는 연결부(109)가 꺾임으로써 상부전극(105,106) 아래의 유전층플레이트(114)가 상기 하부전극(112,113)에 닿게 된다.

이 때, 정전기력을 사용하여 마이크로 미러의 회전상태를 유지하게 되지만, 힘이 작용할 때 상부전극(105,106)과 하부전극(112,113) 두 전극 사이의 거리가 유전층플레이트(114)의 두께 정도로 매우 작기 때문에 작은 전압으로 큰 힘을 얻을 수 있게 된다. 따라서, 저전압으로 동작이 가능하게 된다.

도 4는 상기 마이크로 미러가 도 2 및 도 3과 반대방향으로 회전하는 원리를 설명한 도면이다.

상기 마이크로 미러를 도 2 및 도 3과 반대방향으로 구동시키기 위해서 상기 코일(102)에 외부에서 I2방향으로 전류를 인가해 주면, 상기 전류의 방향과 외부 자장의 방향에 수직인 방향인 F2 방향으로 전자기력이 작용하게 된다.

따라서, 이때 반대쪽 코일에는 F2에 반대되는 방향인 위쪽 방향으로의 힘이 작용하게 되고, 상기 마이크로 미러는 토션바(304,306)을 중심으로 회전하게 된다.

상기 마이크로 미러가 회전한 후에는 상부전극(106)에 전압을 가해주고, 상기 상부전극(106) 아래의 상기 유전층플레이트(114)가 상기 하부전극(113)에 접지 함으로써 발생되는 정전기력에 의해서 마이크로 미러는 회전상태를 유지하게 된다.

이와 같은 원리로 본 발명에서 제안된 마이크로 미러는 회전을 하는 구동을 하게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 전자기력으로 구동하고 정전기력을 이용하여 회전상태를 유지하는 마이크로 미러에 관한 것이다.

본 발명의 제안된 마이크로 미러는 전자기력을 이용해서 구동하기 때문에 큰 힘을 이용해서 기계적으로 강한 구조를 가질 수 있기 때문에 신뢰성 있는 동작을 할 수 있게 된다.

또한, 저전압으로 구동이 가능하게 된다. 마이크로 미러가 회전했을 때는 정전기력을 이용해서 그 상태를 유지하기 때문에 저전력으로 구동이 가능하게 된다. 따라서, 본 발명에서 제안한 마이크로 미러는 전자기력과 정전기력 구동의 장점을 동시에 갖게 되므로, 큰 힘을 이용하면서도 저전압 저전력 동작이 가능하게 된다.

이러한 마이크로 미러는 광스위치와 광디스플레이 등에 사용될 수 있으며, 저전압, 저전력으로 동작이 가능하므로 시스템과의 집적이 용이하며 신뢰성 있는 동작으로 인해서 제품의 수명을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (4)

1. 바닥면에서 소정의 높이로 토션바에 의해 회전가능하도록 설치되는 유전층플레이트;

   상기 유전층플레이트 상면 중심부에 형성된 마이크로 미러면;

   상기 마이크로 미러면을 감싸도록 상기 유전층플레이트 상면에 형성된 코일;

   상기 마이크로 미러면의 양측의 유전층플레이트 상면에 형성된 상부전극;

   상기 코일과 상부전극에 전류를 공급하는 도선; 및

   상기 상부전극이 위치하는 유전층플레이트 부분의 아래로 소정의 거리로 이격되어 설치되는 하부전극을 포함하는 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러.
2. 제1항에 있어서, 상부전극과 코일 사이의 유전층플레이트에는 연결부가 형성되어, 상기 상부전극 부분의 유전층플레이트가 꺾여 상기 하부전극에 맞닿을 수 있는 것을 특징으로 하는 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러.
3. 제2항에 있어서, 연결부는 상부전극과 코일 사이의 유전층플레이트에 가로방향으로 형성된 홈인 것을 특징으로 하는 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러.
4. 제1항에 있어서, 미러면은 빛의 반사도를 높이기 위하여 금속 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 전자기력과 정전기력으로 구동하는 마이크로 미러.

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