KR100677204B1 - A deformable micromirror with two dimension - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2축 회전이 가능한 마이크로미러에 관한 것으로, 기판 위에 돌출 형성되는 돌출 지지부와, 상기 돌출 지지부 상면의 중앙부에 형성되는 굴신연결부와, 상기 굴신연결부의 주위에 형성되는 4개의 기판전극과, 상기 굴신연결부의 상단부에 연결되는 미러를 포함하여 구성된다. 이러한 본 발명은 기존의 마이크로미러와는 달리 기판 위에 높게 돌출 형성된 돌출 지지부 위에 굴신연결부가 형성되고 이 굴신연결부에 미러가 연결되어 있으므로 미러의 회전각도를 증가시킴과 아울러 기판전극 사이의 전압을 충분히 좁혀 구동 전압을 감소시킬 수 있으며, 간단한 공정으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래의 장치와 비교하였을 때에 공정의 간편성, 큰 회전 각도, 낮은 구동 전압이 특성들을 얻을 수 있기 때문에 본 발명이 2축 회전이 가능한 마이크로미러는 프로젝션 디스플레이(projection display), 스페이셜 라이트 모듈레이터(spatial light modulator), 옵티컬 커뮤니케이션(optical communication) 등에 매우 유리하게 응용할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a micromirror capable of biaxial rotation, comprising: a protruding support portion protruding on a substrate, an extension connection portion formed on a central portion of an upper surface of the protruding support portion, four substrate electrodes formed around the extension connection portion, It is configured to include a mirror connected to the upper end of the flexural connection. In the present invention, unlike the conventional micromirror, since the flexural connection is formed on the protruding support portion protruding high on the substrate, and the mirror is connected to the flexural connection, the rotation angle of the mirror is increased and the voltage between the substrate electrodes is sufficiently narrowed. The driving voltage can be reduced and can be manufactured in a simple process. Therefore, the present invention is characterized by the simplicity of the process, the large rotation angle, and the low driving voltage as compared to the conventional apparatus, so that the micromirror capable of biaxial rotation of the present invention is a projection display, a spatial There is an effect that can be very advantageously applied to the light light modulator (spatial light modulator), optical communication (optical communication).

Description

2축 회전이 가능한 마이크로미러{A DEFORMABLE MICROMIRROR WITH TWO DIMENSION}Micromirror with 2-axis rotation {A DEFORMABLE MICROMIRROR WITH TWO DIMENSION}

도 1(a),(b)는 종래 일렉트로스태틱 엑튜에이션 장치의 구성을 보인 사시도.1 (a), (b) is a perspective view showing the configuration of a conventional electrostatic actuation device.

도 2는 종래 일렉트로스태틱 엑튜에이션 장치의 작용을 보인 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing the operation of the conventional electrostatic actuation device.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 2축 회전이 가능한 마이크로미러에 관한 도면으로서,3 to 5 are views of a micromirror capable of biaxial rotation according to the present invention,

도 3은 미러가 수평을 유지하고 있는 평상상태의 사시도.3 is a perspective view of a normal state in which the mirror is kept horizontal.

도 4는 미러가 정전력에 의해 기울어진 상태를 보인 사시도.4 is a perspective view showing a state in which the mirror is inclined by the electrostatic force.

도 5는 미러의 각도조절 작용을 보인 단면도.Figure 5 is a cross-sectional view showing the angle adjustment action of the mirror.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of reference numerals for main parts of the drawings>

10 : 기판 11 : 돌출 지지부10 substrate 11 projecting support

12 : 굴신연결부 13 : 미러12: flexing connection 13: mirror

14 : 기판전극14: substrate electrode

본 발명은 2축 회전이 가능한 마이크로미러에 관한 것으로, 특히 광학 MEMS 기술을 이용하여 프로젝션 디스플레이(projection display), 스페이셜 라이트 모듈레이터(spatial light modulator), 옵티컬 커뮤니케이션(optical communication) 등에 유리하게 응용할 수 있도록 미러의 2축 회전이 가능하고, 조절각도가 증대되도록 한 2축 회전이 가능한 마이크로미러에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a micromirror capable of biaxial rotation, and in particular, to be advantageously applied to a projection display, a spatial light modulator, optical communication, etc. using optical MEMS technology. The present invention relates to a micromirror capable of biaxial rotation of a mirror and biaxial rotation capable of increasing an adjustment angle.

최근 마이크로일렉트로미케니컬(Microelectromechanical system;MEMS) 기술이 광학소자에 적용되어 기존의 옵토메카니컬(optomechanical) 소자와 비교했을 경우 무게가 가볍고, 크기가 적으며, 빠른 속도와 전력 소모가 낮은 새로운 광학소자와 시스템이 다수 보고되고 있으며, 종래에 마이크로 엑튜에이터(microactuator)의 메카니즘으로 알려지고 있는 것들에는 압전 메카니즘(piezoeletric mechanism), 서멀 엑튜에이션 메카니즘(thermal actuation mechanism), 마그네토스태틱 메카니즘(magneticstatic), 일렉트로스태틱 엑튜에이션(electrostatic actuation) 등이 있다.Recently, microelectromechanical system (MEMS) technology has been applied to optical devices, resulting in new optical devices that are lighter in weight, smaller in size, faster in speed, and lower in power consumption compared to conventional optomechanical devices. Many systems and systems have been reported, and conventionally known as microactuator mechanisms include piezoletric mechanisms, thermal actuation mechanisms, magnetostatic mechanisms, and electrostatics. Electrostatic actuation and the like.

위와 같은 마이크로 엑튜에이터의 메카니즘에서 압전 메카니즘에 의해 구동되는 미러(mirror)은 물질의 특성상 압전 구조물의 크기가 커야만 충분한 변위를 발생시킬 수 있는 단점이 있으며, 서멀 엑튜에이션 메카니즘의 경우는 열적 응답속도를 높이면 전력 소비가 증가하는 단점이 있었다. 또한, 마이크로 엑튜에이터의 경우는 전력 소비가 크고, 기존 IC(intergrated circuit) 공정과의 양립성 문제 등이 있었다.The mirror driven by the piezoelectric mechanism in the mechanism of the micro-actuator as described above has the disadvantage of generating sufficient displacement only when the size of the piezoelectric structure is large due to the characteristics of the material. In the case of the thermal actuation mechanism, the thermal response Increasing the power consumption has the disadvantage. In addition, in the case of the micro actuator, the power consumption is high, and there are compatibility problems with the existing IC (intergrated circuit) process.

그리고, 일렉트로스태틱 엑튜에이션의 경우는 충분한 변위를 발생시키기 위해 큰 면적과 두 물체 사이의 간격이 좁아야 하므로 공정상의 어려움이 있으나 전력 소비가 거의 없으며, 기존 IC공정으로 쉽게 제작이 가능하기 때문에 이 분야에 많은 연구가 진행되고 있으며, 미러를 이용한 광학소자 구현에서도 정전력(electostatic force)을 구동력으로 갖는 미러가 많이 연구되고 있다.In addition, in the case of electrostatic actuation, a large area and a gap between two objects must be narrow in order to generate sufficient displacement, but there are difficulties in the process, but there is almost no power consumption, and this field can be easily manufactured by the existing IC process. Many studies have been conducted in the field of optical devices using mirrors, and many studies have been conducted on mirrors having electrostatic force as a driving force.

도 1(a),(b))는 위와 같은 종래 일렉트로스태틱 엑튜에이션 장치의 구성을 보인 사시도이고, 도 2는 종래 일렉트로스태틱 엑튜에이션 장치의 작용을 보인 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)위에 미러(2)가 경첩 역할을 하는 연결부(3)로 연결되고, 기판(1)의 상면에는 상기 미러(20)의 하부에 위치하도록 기판전극(4)이 형성된 구성으로 되어 있다.1 (a), (b) is a perspective view showing the configuration of the conventional electrostatic actuation device as described above, Figure 2 is a cross-sectional view showing the operation of the conventional electrostatic actuation device, as shown in the substrate (1) ), The mirror 2 is connected to the connecting portion 3 that serves as a hinge, and the substrate electrode 4 is formed on the upper surface of the substrate 1 so as to be positioned below the mirror 20.

이와 같은 종래 일렉트로스태틱 엑튜에이션 장치의 구동원리는 기판(1)에 연결부(3)로 연결된 미러(2)가 미러(2)와 기판전극(4) 사이의 정전력과 연결부(3)의 토션스프링력에 의해 좌우로 회동하여 각도가 조절된다. 이와 같이 정전력을 구동력으로 사용하는 구조에서는 기판(1) 위의 기판전극(4)과 미러(2) 사이의 간격이 충분히 좁으면 낮은 전압에서 미러(2)가 구동될 수 있지만 미러(2)의 회전각도가 줄어드는 단점이 있다. 또한, 회전 각도를 증가시키기 위해 기판(1) 위의 기판전극(4)과 미러(2) 사이의 간격을 늘이면 미러(2)를 구동시키기 위한 구동 전압을 높여야 하는 단점이 있다. 그리고, 최근에는 2축 회전이 가능한 미러의 구조도 보고되고 있지만 이 경우 제작과정이 복잡하다는 단점이 있다.The driving principle of the conventional electrostatic actuation apparatus is that the mirror 2, which is connected to the substrate 1 by the connection part 3, is connected to the electrostatic force between the mirror 2 and the substrate electrode 4 and the torsion spring of the connection part 3. The angle is adjusted by rotating left and right by force. In the structure using the electrostatic force as the driving force as described above, if the distance between the substrate electrode 4 on the substrate 1 and the mirror 2 is sufficiently narrow, the mirror 2 can be driven at a low voltage, but the mirror 2 There is a disadvantage that the rotation angle of the decrease. In addition, if the distance between the substrate electrode 4 on the substrate 1 and the mirror 2 is increased to increase the rotation angle, there is a disadvantage in that the driving voltage for driving the mirror 2 must be increased. In addition, in recent years, the structure of a mirror capable of rotating two-axis has been reported, but in this case, the manufacturing process is complicated.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 기판 위에 돌출형성한 돌출 지지부에 굴신연결부를 형성하고, 이 굴신연결부에 미러를 연결하고, 굴신연결부의 주위에 4개의 전극을 배치하여 미러의 2축 회전이 가능하고, 조절각도가 증대될 수 있게 되는 2축 회전이 가능한 마이크로미러를 제공하기 위한 것이다.The present invention has been devised to solve such problems and defects. The invention provides a stretched connection part in a protruding support projecting on a substrate, connects a mirror to the stretched connection part, and provides four electrodes around the stretched connection part. It is to provide a micromirror capable of two-axis rotation can be arranged to enable two-axis rotation of the mirror, the angle of adjustment can be increased.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 2축 회전이 가능한 마이크로미러는 기판 위에 돌출 형성되는 돌출 지지부와, 상기 돌출 지지부 상면에 형성되는 굴신연결부와, 상기 굴신연결부의 주위에 배치되도록 상기 돌출 지지부의 상면에 형성되는 4개의 기판전극과, 상기 굴신연결부의 상단부에 연결되는 미러를 포함하여 구성된다.In order to achieve the above object, a biaxially rotatable micromirror according to the present invention includes a protruding support part protruding from a substrate, an extension connection part formed on an upper surface of the protruding support part, and the protruding support part to be disposed around the extension connection part. Four substrate electrodes formed on the upper surface of the, and comprises a mirror connected to the upper end of the flexural connection.

이와 같은 본 발명의 장치는 광학 MEMS 기술을 이용하여 프로젝션 디스플레이(projection display), 스페이셜 라이트 모듈레이터(spatial light modulator), 옵티컬 커뮤니케이션(optical communication) 등에 이용이 가능한 미러 배열에 사용될 단위 미러를 유리하게 제작할 수 있다.Such an apparatus of the present invention advantageously fabricates a unit mirror to be used in a mirror arrangement that can be used for projection display, spatial light modulator, optical communication, etc. using optical MEMS technology. Can be.

이하, 이와 같은 본 발명의 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 미러가 수평을 유지하고 있는 평상상태의 사시도이고, 도 4는 미러가 정전력에 의해 기울어진 상태를 보인 사시도이며,도 5는 미러의 각도조절 작용을 보인 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(10) 위에 돌출 지지부(11)가 형성되고, 상기 돌출 지지부(11) 위에 휘어지고 펴짐이 가능한 굴신연결부(12)가 형성되며, 상기 돌출 지지부(11)의 상부에 배치되는 미러(13)의 하면에 상기 굴신연결부(12)의 상단부가 연결되고, 상기 돌출 지지부(11)의 상면에는 상기 미러(13)을 회동시키기 위한 복수개의 기판전극(14)이 형성된 구성으로 되어 있다.3 is a perspective view of a normal state in which the mirror is horizontal, Figure 4 is a perspective view showing a state in which the mirror is inclined by the electrostatic force, Figure 5 is a cross-sectional view showing the angle adjustment action of the mirror, A protruding support part 11 is formed on the substrate 10 as described above, and a flexural connection part 12 is formed on the protruding support part 11 to be bent and extended, and the mirror 13 disposed on the protruding support part 11. The upper end of the extension connecting portion 12 is connected to the lower surface of the (), and a plurality of substrate electrodes 14 for rotating the mirror 13 is formed on the upper surface of the protruding support portion 11.

이러한 본 발명 장치의 바람직한 실시형태는 도시한 바와 같이 상기 돌출 지지부(11)의 상면에 4개의 기판전극(14)을 좌우, 전후로 배치하여 형성함으로써 상기 미러(13)의 2축 회전이 가능하도록 구성하는 것이나, 상기 기판전극(14)의 수는 필요에 따라 증감할 수 있다. 또, 상기 돌출 지지부(11)는 장방 기둥형으로 형성하는 것이 바람직하나, 원기둥형, 역원추형 등의 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.The preferred embodiment of the device of the present invention is configured to enable two-axis rotation of the mirror 13 by forming four substrate electrodes 14 on the upper surface of the protruding support part 11, left and right, as shown in the figure. In addition, the number of the substrate electrodes 14 can be increased or decreased as necessary. In addition, the protruding support portion 11 is preferably formed in a rectangular columnar shape, but may be formed in other forms such as a cylindrical shape and an inverted cone shape.

이와 같은 본 발명의 장치를 제조함에 있어서는 예를 들어 기판(10) 위에 식각공정이나 도금공정으로 돌출 지지부(11)를 만들고 그 위에 굴신연결부(12)로 사용될 물질(Si, Si3N4, Ni 등)을 증착한다. 또 폴리실리콘(polysilicon)을 증착하여 미러(13)을 만들어, 전체적으로 2축 회전이 가능한 구조로 만든다.In manufacturing the apparatus of the present invention as described above, for example, the protrusion support 11 is formed on the substrate 10 by an etching process or a plating process, and the material to be used as the stretched connection part 12 thereon (Si, Si 3 N 4 , Ni). And the like). In addition, by depositing polysilicon (polysilicon) to make a mirror (13), to make a structure capable of biaxial rotation as a whole.

상기한 바와 같은 본 발명 2축 회전이 가능한 마이크로미러의 동작원리는 도 3과 같이 미러(13)가 수평을 유지하고 있는 평상의 상태에서 미러(13)을 어떤 한 방향으로 기울이기 위해 4개의 기판전극(14) 중에서 임의의 것에 전압을 가하면, 도 4와 같이, 미러(13)가 기판전극(14)과의 사이에 발생되는 정전력에 의해 하측으로 기울어진다. 그리고, 도 5는 미러(13)가 정전력에 의해 2축 회전될 수 있음을 보여주고 있다. 이 도 5와 같이 본 발명 장치는 미러(13)가 기판(10) 위에 높게 돌출 형성된 돌출 지지부(11)에 설치되어 있으므로 상기 도 1(c)의 회전각

Figure 112000023620030-pat00001
보다 더 큰 회전각
Figure 112000023620030-pat00002
로 회동하여 더 큰 범위에서 각도 조절이 가능하게 된다. 그리고 미러(13)가 정전력에 의해 기울어져 있을 때에는 굴신연결부(12)가 스프링 역할을 하여 복원력을 갖게 되며, 이 때 임의 기판전극(14)에 인가되던 전압을 제거하면 기울어져 있던 미러(13)가 굴신연결부(12)의 복원탄력에 의해 원래 상태로 돌아가게 되며, 이와 같은 방법으로 4개의 기판전극(14)을 이용하여 2축 회전이 가능하게 된다.As described above, the operation principle of the micromirror capable of biaxial rotation as described above is based on four substrates for tilting the mirror 13 in one direction in a flat state in which the mirror 13 is horizontal. When a voltage is applied to any of the electrodes 14, the mirror 13 is inclined downward by the electrostatic force generated between the substrate electrodes 14 as shown in FIG. 4. 5 shows that the mirror 13 can be biaxially rotated by the electrostatic force. As shown in FIG. 5, in the present invention, since the mirror 13 is installed on the protruding support portion 11 protruding high on the substrate 10, the rotation angle of FIG.
Figure 112000023620030-pat00001
Rotation angle greater than
Figure 112000023620030-pat00002
It can be rotated to adjust the angle over a larger range. In addition, when the mirror 13 is inclined by the electrostatic force, the extension connecting portion 12 acts as a spring to have a restoring force, and when the voltage applied to the arbitrary substrate electrode 14 is removed, the inclined mirror 13 ) Is returned to its original state by the restoring elasticity of the flexural connection part 12, and in this way, two-axis rotation is possible using the four substrate electrodes 14.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 기존의 마이크로미러와는 달리 기판 위에 높게 돌출 형성된 돌출 지지부 위에 굴신연결부가 형성되고 이 굴신연결부에 미러가 연결되어 있으므로 미러의 회전각도를 증가시킴과 아울러 기판전극 사이의 전압을 충분히 좁혀 구동 전압을 감소시킬 수 있으며, 간단한 공정으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래의 장치와 비교하였을 때에 공정의 간편성, 큰 회전 각도, 낮은 구동 전압이 특성들을 얻을 수 있기 때문에 본 발명의 2축 회전이 가능한 마이크로미러는 프로젝션 디스플레이(projection display), 스페이셜 라이트 모듈레이터(spatial light modulator), 옵티컬 커뮤니케이션(optical communication) 등에 매우 유리하게 응용할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention, unlike the conventional micromirror, has a stretched connection portion formed on a protruding support portion protruding high on the substrate and a mirror is connected to the stretched connection portion, thereby increasing the rotation angle of the mirror and between the substrate electrodes. The voltage can be narrowed sufficiently to reduce the driving voltage and can be manufactured in a simple process. Thus, the present invention is characterized by the simplicity of the process, the large rotation angle, and the low driving voltage as compared to the conventional apparatus, so that the biaxial rotation capable micromirror of the present invention is a projection display, a spatial There is an effect that can be very advantageously applied to the light light modulator (spatial light modulator), optical communication (optical communication).

Claims (1)

기판상에 상향으로 돌출되게 형성된 돌출 지지부와,A protruding support formed to protrude upward on the substrate, 상기 돌출 지지부 상면의 중앙부에 상향으로 돌출되게 형성된 굴신연결부와,An extension connecting portion formed to protrude upward in a central portion of the upper surface of the protruding support; 상기 굴신연결부의 주위에 배치되도록 상기 돌출 지지부의 상면에 형성된 4개의 기판전극과, Four substrate electrodes formed on an upper surface of the protruding support part so as to be disposed around the flexural connection part; 상기 굴신연결부의 상단부에 연결된 미러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2축 회전이 가능한 마이크로미러.And a mirror connected to the upper end of the flexural connection part.
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