KR100682958B1 - 2축 마이크로 스캐너 - Google Patents

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KR100682958B1 KR1020060002689A KR20060002689A KR100682958B1 KR 100682958 B1 KR100682958 B1 KR 100682958B1 KR 1020060002689 A KR1020060002689 A KR 1020060002689A KR 20060002689 A KR20060002689 A KR 20060002689A KR 100682958 B1 KR100682958 B1 KR 100682958B1
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김준오
이화선
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 고주파 운동을 필요로 하는 수평 구동은 수직 콤전극 구조를 이용하고, 저주파 운동을 필요로 하는 수직 구동은 압전 액츄에이터를 이용하는 2축 마이크로 스캐너를 개시한다. 본 발명의 양호한 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너는, 프레임; 마이크로 미러, 상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극 및 상기 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극을 구비하는 수평 구동부; 및 상기 프레임으로부터 연장되어 상기 수평 구동부의 양단에 각각 연결됨으로써 상기 수평 구동부를 지지하는 다수의 캔틸레버 및 각각의 캔틸레버의 상면에 설치된 다수의 압전 액츄에이터를 구비하는 수직 구동부;를 포함하며, 상기 압전 액츄에이터의 수축/팽창 작용에 따라 상기 캔틸레버가 상하 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 한다.

Description

2축 마이크로 스캐너{Two-axes micro optical scanner}
도 1a는 일반적인 마이크로 스캐너의 수직 콤전극 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 마이크로 스캐너의 수직 콤전극 구조에서 고정콤전극과 구동콤전극 사이의 상대적인 위치를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 2b는 도 2a에서 선분 A-A'를 따라 절단된 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 2축 마이크로 스캐너에서 압전 액츄에이터를 이용한 수직 구동의 원리를 설명하는 단면도이다.
도 4 및 도 5는 압전 액츄에이터의 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개 략적으로 도시하는 평면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
21.....하부 실리콘 기판 22.....고정콤전극
23.....절연층 24.....상부 실리콘 기판
25.....마이크로 미러 26.....스프링
27.....구동콤전극 28.....압전소자
29a,29b.....전극 30.....압전 액츄에이터
31.....캔틸레버 32a,32b.....커넥터
35.....토션 스프링 37.....프레임
본 발명은 2축 마이크로 스캐너에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고주파 운동을 필요로 하는 수평 구동은 수직 콤전극 구조를 이용하고, 저주파 운동을 필요로 하는 수직 구동은 압전 액츄에이터를 이용하는 2축 마이크로 스캐너에 관한 것이다.
MEMS(Micro-electro-mechanical system) 기술에 의해 제공되는 마이크로 스캐너는, 통상, SOI(Silicon on insulator) 기판의 상하층에 각각 빗살 모양의 구동콤전극(또는, 회전자(rotor))과 고정콤전극(또는, 고정자(stator))이 형성된 수직 콤전극 구조를 구비하고 있다.
도 1a는 일반적인 마이크로 스캐너의 수직 콤전극 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 1a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 마이크로 스캐너(10)는, 일반적으로, 고정콤전극(12)이 형성된 하부 실리콘 기판(11) 위에 구동콤전극(17)이 형성된 상부 실리콘 기판(14)을 적층한 구조이다. 상기 상하부 실리콘 기판(11,14) 사이에는 산화물층(예컨대, SiO2)과 같은 절연층(13)이 형성되어 있다. 다수의 구동콤전극(17)은, 마이크로 미러(15)의 양측에 수직으로 형성되어 있다. 또한, 다수의 고정콤전극(12)은 하부 실리콘 기판(11) 내에 수직으로 형성되어 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 고정콤전극(12)과 구동콤전극(17)은 서로 엇갈리도록 배치된다. 이러한 구조에서, 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12)에 전압을 인가하면, 상기 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12) 사이에 작용하는 정전기력에 의해 구동콤전극(17)이 고정콤전극(12)들 사이로 이동하게 된다. 이에 따라, 마이크로 미러(15)가 축(16)을 중심으로 시이소 운동을 하게 된다.
이러한 마이크로 스캐너는, 예컨대, 레이저 TV 등에서 영상을 스크린에 주사하는 데 이용될 수 있다. 이 경우, 스크린 전체에 영상을 주사하기 위해서는, 스크린의 수평 방향 뿐만 아니라 수직 방향으로도 영상을 주사하여야 한다. 종래에는 2개의 마이크로 스캐너를 이용하여 각각 수평 방향과 수직 방향으로 영상을 주사하였다. 그러나, 최근에는, 수평 구동과 수직 구동이 모두 가능한 하나의 2축 마이크로 스캐너를 이용하여 수평 방향과 수직 방향의 주사를 실현할 수 있게 되었다. 이러한 2축 마이크로 스캐너에서, 수평 구동은 약 25kHz의 고주파 운동을 하며, 수직 구동은 약 60Hz의 저주파 운동을 한다. 이를 위해, 마이크로 미러(15)는 고유의 공진 주파수가 수평 구동 주파수와 일치하도록 형성되고, 수평 방향으로는 상기 마이크로 미러(15)의 공진 주파수에 맞추어 고주파의 공진 구동을 한다. 반면, 수직 방향으로는 저주파의 비공진 구동을 하게 된다.
그런데, 도 1a 및 도 1b에 도시된 수직 콤전극 구조는, 비공진 구동을 하는 저주파의 수직 구동 보다는 공진 구동을 하는 고주파의 수평 구동에 더 적합한 특성을 보인다. 예컨대, 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12) 사이에 발생하는 구동력은 전압의 제곱에 비례하므로, 미러(15)가 선형적으로 구동되기 위해서는 SQRT(square root) 파형의 전압을 생성할 필요가 있다. 그러나, SQRT 파형의 전압에는 마이크로 미러(15)의 공진 주파수에 해당하는 파형의 전압 성분이 포함되어 있기 때문에, 상기 미러(15)가 저주파의 선형 운동만을 하는 것이 아니라 고주파의 공진 주파수 성분이 포함된 운동을 하게 된다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 일반적으로 상기 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12) 사이에는 수직 방향으로 간극(T)이 존재하므로, 초기 구동력이 저하할 수 있다. 즉, 상기 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12)이 중첩되어 있을 때 선형적인 구동력이 발생하므로, 초기에는 구동콤전극(17)과 고정콤전극(12) 사이의 전압차가 문턱값 이상으로 커질 때까지 마이크로 미러(15)가 선형적으로 구동되기 어렵다.
본 발명의 목적은, 고주파 운동을 필요로 하는 수평 구동은 수직 콤전극 구 조를 이용하고, 저주파 운동을 필요로 하는 수직 구동은 압전 액츄에이터를 이용함으로써, 상술한 종래의 문제점을 개선한 2축 마이크로 스캐너를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스캐너는, 프레임; 마이크로 미러, 상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극 및 상기 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극을 구비하는 수평 구동부; 및 상기 프레임으로부터 연장되어 상기 수평 구동부의 양단에 각각 연결됨으로써 상기 수평 구동부를 지지하는 다수의 캔틸레버 및 각각의 캔틸레버의 상면에 설치된 다수의 압전 액츄에이터를 구비하는 수직 구동부;를 포함하며, 상기 압전 액츄에이터의 수축/팽창 작용에 따라 상기 캔틸레버가 상하 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 캔틸레버는, 상기 프레임의 서로 대향하는 두 변으로부터 각각 연장되어 상기 수평 구동부의 일단에 연결되는 제 1 및 제 2 캔틸레버와 상기 프레임의 서로 대향하는 두 변으로부터 각각 연장되어 상기 수평 구동부의 타단에 연결되는 제 3 및 제 4 캔틸레버를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 마이크로 스캐너는, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버의 서로 대향하는 단부들과 상기 수평 구동부의 일단을 연결하는 제 1 커넥터와 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버의 서로 대향하는 단부들과 상기 수평 구동부의 타단을 연결하는 제 2 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 캔틸레버는 제 2 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하며, 상 기 제 3 캔틸레버는 제 4 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하고, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버는 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버와 반대 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 스캐너는, 상기 수평 구동부의 양쪽 측면의 중심부로부터 각각 대향하는 프레임으로 연장되는 2개의 토션 스프링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수의 캔틸레버는, 상기 프레임의 한쪽 코너로부터 서로 수직한 방향으로 연장되는 제 1 및 제 3 캔틸레버와 상기 프레임의 반대쪽 코너로부터 서로 수직한 방향으로 연장되어 상기 제 1 및 제 3 캔틸레버에 각각 수직하게 연결되는 제 2 및 제 4 캔틸레버를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수평 구동부의 일단은 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버가 만나는 점에 연결되고, 상기 수평 구동부의 타단은 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버가 만나는 점에 연결된다.
이 경우, 상기 마이크로 스캐너는, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버가 만나는 점과 상기 수평 구동부의 일단을 연결하는 제 1 커넥터와 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버가 만나는 점과 상기 수평 구동부의 타단을 연결하는 제 2 커넥터를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 캔틸레버에서, 상면에 상기 압전 액츄에이터가 위치하는 영역의 일부는 다른 부분 보다 두께가 얇을 수 있다.
또는, 상기 캔틸레버에서, 상면에 상기 압전 액츄에이터가 위치하는 영역의 일부는 절단되어 있을 수도 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 압전 액츄에이터는, 제 1 전극 위에 제 1 압전소자, 제 2 전극, 제 2 압전소자 및 제 3 전극이 차례로 적층된 2중층 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프레임은, 하부 실리콘 기판; 상기 하부 실리콘 기판 위에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 위에 형성된 상부 실리콘 기판;을 포함하며, 상기 마이크로 미러, 구동콤전극 및 캔틸레버는 상기 상부 실리콘 기판과 동일 평면 상에 형성되고, 상기 고정콤전극은 상기 하부 실리콘 기판과 동일 평면 상에 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 스캐너는, 프레임; 마이크로 미러, 상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극 및 상기 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극을 구비하는 수평 구동부; 및 상기 프레임으로부터 연장되어 상기 수평 구동부의 양쪽 측면에 각각 연결됨으로써 상기 수평 구동부를 지지하는 다수의 캔틸레버 및 각각의 캔틸레버의 상면에 설치된 다수의 압전 액츄에이터를 구비하는 수직 구동부;를 포함하며, 상기 압전 액츄에이터의 수축/팽창 작용에 따라 상기 캔틸레버가 상하 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 캔틸레버는, 상기 프레임의 한쪽 변으로부터 서로 나란하게 연장되어 상기 수평 구동부의 양쪽 측면에 각각 연결되는 제 1 및 제 2 캔틸레버와 상기 프레임의 반대쪽 변으로부터 서로 나란하게 연장되어 상기 수평 구동부의 양쪽 측면에 각각 연결되는 제 3 및 제 4 캔틸레버를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수평 구동부의 양쪽 측면의 중심으로부터 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버까지의 간격과 상기 수평 구동부의 양쪽 측면의 중심으로부터 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버까지의 간격은 같은 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도이다. 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 스캐너(20)는, 프레임(37), 마이크로 미러(25), 다수의 구동콤전극(27)과 고정콤전극(22) 및 다수의 캔틸레버(cantilever)(31a~31d)와 압전 액츄에이터(30a~30d)를 구비한다.
종래의 기술과 마찬가지로, 상기 다수의 고정콤전극(22)과 구동콤전극(27)은 마이크로 미러(25)를 공진 구동시키기 위한 수직 콤전극 구조를 갖는다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 다수의 구동콤전극(27)이 상기 마이크로 미러(25)의 양쪽 측면을 따라 나란히 수직하게 형성되어 있다. 또한, 고정콤전극(22)은 상기 다수의 구동콤전극(27)과 서로 교번하도록 나란히 수직하게 형성되어 있다. 따라서, 상기 다수의 고정콤전극(22)과 구동콤전극(27) 사이의 정전기력에 의해, 상기 마이크로 미러(25)가 수kHz 내지 수십kHz(예컨대, 약 25kHz)의 고주파로 시이소 운동을 할 수 있게 된다. 이를 위하여, 상기 마이크로 미러(25)는 그 양단에 형성되어 있는 스프링(26)을 통해 현가되어 있다. 상기 스프링(26)은 마이크로 미러(25)의 회전축 역할을 하는 동시에, 상기 마이크로 미러(25)에 탄성 복원력을 부여한다. 본 발명 의 경우, 이러한 수직 콤전극 구조는 상기 마이크로 미러(25)를 수평 방향으로 구동하는 데에만 이용된다. 따라서, 이하에서, 상기 마이크로 미러(25), 고정콤전극(22), 구동콤전극(27) 및 스프링(26)을 수평 구동부(38)로 부른다.
본 발명의 경우, 상기 마이크로 미러(25)를 수직 방향으로 선형 구동시키기 위한 수단으로서, 다수의 캔틸레버(31a~31d)와 압전 액츄에이터(30a~30d)를 이용한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 캔틸레버(31a~31d)는 각각 프레임(37) 내측의 한 변으로부터 수직하게 연장되어 상기 수평 구동부(38)의 양단에 연결되어 있다. 상기 캔틸레버(31a~31d)에 의해, 수평 구동부(38)는 프레임(37) 내에서 지지 및 현가된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 도면에서 볼 때, 제 1 캔틸레버(31a)는 프레임(37) 내측의 좌변으로부터 수직하게 연장되어 수평 구동부(38)의 상단에 연결되어 있으며, 상기 제 1 캔틸레버(31a)와 대향하는 제 2 캔틸레버(31b)는 프레임(37) 내측의 우변으로부터 수직하게 연장되어 수평 구동부(38)의 상단에 연결되어 있다. 또한, 제 3 캔틸레버(31c)는 프레임(37) 내측의 좌변으로부터 수직하게 연장되어 수평 구동부(38)의 하단에 연결되어 있으며, 상기 제 3 캔틸레버(31c)와 대향하는 제 4 캔틸레버(31d)는 프레임(37) 내측의 우변으로부터 수직하게 연장되어 수평 구동부(38)의 하단에 연결되어 있다. 즉, 제 1 캔틸레버(31a)와 제 2 캔틸레버(31b)는 상기 프레임(37)의 서로 대향하는 두 변으로부터 각각 수직하게 연장되어 수평 구동부(38)의 상단에 연결되며, 제 3 캔틸레버(31c)와 제 4 캔틸레버(31d)는 프레임(37)의 서로 대향하는 두 변으로부터 각각 수직하게 연장되어 상기 수평 구동부(38)의 하단에 연결된다. 또한, 상기 제 1 및 제 3 캔틸레버(31a,31c)는 각각 상기 제 2 및 제 4 캔틸레버(31b,31d)와 동일 선상에 위치하며, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)의 위치와 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)의 위치는, 상기 수평 구동부(38)의 측면 중심을 기준으로 대칭이 된다.
또한, 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)는 상기 수평 구동부(38)와 직접 연결될 수도 있지만, 도 2a에 도시된 바와 같이, 커넥터(32a,32b)를 통해 수평 구동부(38)에 연결될 수도 있다. 예컨대, 제 1 커넥터(32a)는 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)의 서로 대향하는 단부들과 상기 수평 구동부(38)의 상단을 연결하고, 제 2 커넥터(32b)는 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)의 서로 대향하는 단부들과 수평 구동부(38)의 하단을 연결한다.
한편, 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)의 상면에는 각각 압전 액츄에이터(piezo actuator)(30a~30d)가 하나씩 설치되어 있다. 상기 다수의 압전 액츄에이터(30a~30d)가 전압의 인가 방향에 따라 수축/팽창 작용을 함으로써, 상기 캔틸레버(31a~31d)들이 상하 방향으로 휨 운동을 할 수 있게 한다. 따라서, 상기 다수의 캔틸레버(31a~31d)와 압전 액츄에이터(30a~30d)는 상기 마이크로 미러(25)를 수직 방향으로 구동시키기 위한 수직 구동부(39)를 이룬다.
도 2b는 도 2a의 선분 A-A'를 따라 절단된 본 발명의 일 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너(20)의 단면 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 종래의 기술과 마찬가지로, 본 발명에 따른 마이크로 스캐너(20) 역시 하부 실리콘 기판(21)과 상부 실리콘 기판(24) 사이에 SiO2와 같은 산화물 절연층(23)이 개재된 SOI 기판을 에칭함으로써 일체로 제조되는 것이 바람직하다. 즉, SOI 기판의 내부를 에칭하여, 다수의 캔틸레버(31a~31d), 커넥터(32a,32b), 고정콤전극(22), 구동콤전극(27), 마이크로 미러(25), 스프링(26) 등을 형성할 수 있다. 또한, 상기 SOI의 바깥쪽 테두리는 에칭하지 않고 남겨 두어 프레임(37)을 형성할 수 있다. 예컨대, 도 2b에 도시된 바와 같이, 다수의 캔틸레버(31a~31d), 커넥터(32a,32b), 마이크로 미러(25), 스프링(26) 및 구동콤전극(27)은 상부 실리콘 기판(24)으로 이루어지며, 고정콤전극(22)은 하부 실리콘 기판(21)으로 이루어질 수 있다. 이렇게 SOI 기판을 에칭한 후에는, 상기 다수의 캔틸레버(31a~31d) 위에 각각 압전 액츄에이터(30a~30d)를 설치한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 압전 액츄에이터(30a~30d)는, 예컨대, PZT와 같은 압전소자(28)의 양면에 전극(29a,29b)이 각각 형성된 구조를 하고 있다.
도 3a 내지 도 3c는 상기 압전 액츄에이터(30a~30d)를 이용한 구동 원리를 설명하기 위한 단면도이다. 앞서 설명한 바와 같이, 압전 액츄에이터는 압전소자(28)의 양면에 전극(29a,29b)을 각각 형성한 구조를 갖는다. 일반적으로, 압전소자(28)는 강유전체 물질을 분극 처리(즉, poling)하여 특정 방향의 분극을 갖도록 한 것이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 분극 방향이 수직한 방향을 향하도록 압전소자(28)를 배치한다. 도 3a에서는 압전소자(28)의 분극 방향이 아래쪽을 향하고 있으나, 위쪽을 향하더라도 무방하다.
이러한 압전소자(28)는 분극 방향과 동일한 방향의 전기장이 인가되면 수축하고, 분극 방향과 반대 방향의 전기장이 인가되면 팽창하는 성질을 갖는다. 따라서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상부 전극(29a)에 (-)전압을 인가하고 하부 전극 (29b)에 (+)전압을 인가하면, 압전소자(28)가 팽창하게 된다. 이에 따라, 압전 액츄에이터(30)가 설치되어 있는 캔틸레버(31)의 상면이 압전소자(28)와 함께 팽창하게 된다. 그 결과, 캔틸레버(31)의 상면이 하면 보다 길어지게 되어 캔틸레버(31)는 아래쪽으로 기울어진다. 반대로, 상부 전극(29a)에 (+)전압을 인가하고 하부 전극(29b)에 (-)전압을 인가하면, 압전소자(28)가 수축하게 된다. 이에 따라, 압전 액츄에이터(30)가 설치되어 있는 캔틸레버(31)의 상면이 압전소자(28)와 함께 수축하게 된다. 그 결과, 캔틸레버(31)의 상면이 하면 보다 짧아지게 되어 캔틸레버(31)는 위쪽으로 기울어진다. 여기서, 상기 캔틸레버(31)가 기울어지는 각도는 압전소자(28)에 인가되는 전압의 크기와 비례한다는 것이 알려져 있다.
상술한 원리에 따라, 수직 구동부(39)를 작동함으로써 마이크로 미러(25)를 수직 방향으로 선형 구동하는 것이 가능해진다. 다시 도 2a를 참조하면, 제 1 내지 제 4 압전 액츄에이터(30a~30d)에서 압전소자의 분극 방향이 모두 동일하게 배치되어 있는 경우, 제 1 및 제 2 압전 액츄에이터(30a,30b)에 동일한 전압을 인가하고 제 3 및 제 4 압전 액츄에이터(30c,30d)에 그와 반대의 전압을 인가하면, 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)와 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)는 서로 반대 방향으로 휘어지게 된다. 예컨대, 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)는 위쪽으로 휘어지고, 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)는 아래쪽으로 휘어진다. 그 결과, 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)에 연결되어 있는 수평 구동부(38)의 상단이 상승하고 하단이 하강하게 된다. 인가 전압의 방향이 바뀌면, 반대로 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)는 아래쪽으로 휘어지고, 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)는 위쪽으로 휘 어진다. 그 결과, 상기 수평 구동부(38)의 상단은 하강하고 하단이 상승하게 된다. 또한, 제 1 및 제 2 압전 액츄에이터(30a,30b)의 압전소자와 제 3 및 제 4 압전 액츄에이터(30c,30d)의 압전소자가 분극 방향이 서로 반대가 되도록 배치되는 경우에는, 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)에 모두 동일한 전압을 인가하여 상술한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 방식으로 상기 마이크로 미러(25)의 수직 선형 구동이 가능하게 된다.
한편, 캔틸레버(31)가 실리콘으로 구성되어 있는 경우, 캔틸레버(31)의 수축/팽창 및 그로 인한 휨 운동을 얻는데 보다 큰 힘이 요구될 수 있다. 이를 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 두 개의 압전소자(28a,28b)를 이용하여 압전 액츄에이터(30)를 형성할 수도 있다. 이 경우, 상부의 압전소자(28a)와 하부의 압전소자(28b)는 분극 방향이 동일하여야 한다. 그리고, 하부 및 상부 전극(29b,29c)에는 동일한 전압이 인가되고, 중간 전극(29a)에는 그와 반대의 전압이 인가된다. 이렇게 함으로써, 두 개의 압전소자(28a,28b)가 동시에 수축/팽창할 수 있다. 도 4에서는, 압전 액츄에이터(30)가 두 개의 압전소자만을 이용하고 있으나, 그 이상의 압전소자를 이용하는 것도 가능하다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(31)에서 압전 액츄에이터(30)가 위치하는 영역의 일부를 절단하는 것도 가능하다. 이렇게 함으로써, 캔틸레버(31)가 보다 용이하게 휨 운동을 할 수 있게 된다. 도 5에는 상기 캔틸레버(31)의 일부분이 완전히 절단된 것으로 도시되어 있으나, 압전 액츄에이터(30)가 상면에 위치하고 있는 캔틸레버(31) 영역의 일부분이 다른 부분 보다 얇은 두께를 갖도록 형성 하는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도이다. 도 6에 도시된 마이크로 스캐너(40)의 경우, 4 개의 캔틸레버(31a~31d)가 각각 프레임(37)의 대향하는 내면과 나란하게 형성됨으로써, 사각형 형태로 배열되어 있다. 수평 구동부(38)는 상기 프레임(37)의 대각선 방향으로 배치된다. 보다 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 3 캔틸레버(31a,31c)는 상기 프레임(37) 내의 동일한 코너 부분에서 서로 수직한 방향으로 연장된다. 또한, 제 2 및 제 4 캔틸레버(31b,31d)는 상기 프레임(37) 내의 반대쪽 코너 부분에서 서로 수직한 방향으로 연장된다. 그리고, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)는 프레임(37) 내의 다른 코너 근처에서 서로 수직하게 연결된다. 마찬가지로, 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버(31b,31d)는 프레임(37) 내의 또 다른 코너 근처에서 서로 수직하게 연결된다. 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)의 상면에는 각각 압전 액츄에이터(30a~30d)가 설치되어 있다.
또한, 수평 구동부(38)의 일단은 제 1 커넥터(32a)를 통해 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)가 만나는 점에 연결되고, 수평 구동부(38)의 타단은 제 2 커넥터(32b)를 통해 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)가 만나는 점에 연결된다. 이로써, 상기 수평 구동부(38)는 프레임(37) 내에 대각선 방향으로 지지 및 현가된다. 도 2a의 실시예와 비교할 때, 수평 구동부(38)가 프레임(37) 내에 대각선 방향으로 연결됨으로써, 전체적인 프레임(37)의 크기를 절약할 수 있다. 도 6에 도시된 실시예는, 상기 캔틸레버(31a~31d) 및 수평 구동부(38)의 배열 형태를 제외하고는, 도 2a에 도시된 실시예와 동일한 구성을 갖는다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2축 마이크로 스캐너의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도이다. 도 7에 도시된 마이크로 스캐너(50)의 경우, 프레임(37)으로부터 연장된 다수의 캔틸레버(31a~31d)가 수평 구동부(38)의 양쪽 측면에 연결되어 있다. 보다 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)는, 예컨대, 상기 프레임(37)의 상변으로부터 서로 나란하게 연장되어 수평 구동부(38)의 서로 맞은편 측면에 각각 연결된다. 또한, 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)는 상기 프레임(37)의 하변으로부터 서로 나란하게 연장되어 수평 구동부(38)의 서로 맞은편 측면에 각각 연결된다. 여기서, 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)는 상기 수평 구동부(38)와 직접 연결될 수도 있지만, 각각 대응하는 제 1 내지 제 4 커넥터(33a~33d)를 통해 수평 구동부(38)와 연결될 수도 있다. 또한, 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)의 상면에는 각각 압전 액츄에이터(30a~30d)가 설치되어 있다.
한편, 상기 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d)가 수평 구동부(38)와 연결되는 지점은, 상기 수평 구동부(38)의 양쪽 측면 중심으로부터 상단부 또는 하단부를 향해 편향되어 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)와 수평 구동부(38)가 연결되는 지점은 수평 구동부(38)의 측면 중심으로부터 상단부를 향해 치우쳐 있다. 또한, 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)와 수평 구동부(38)가 연결되는 지점은 수평 구동부(38)의 측면 중심으로부터 하단부를 향해 치우쳐 있다. 여기서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 수평 구동부(38)의 양쪽 측면의 중심부로부터 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버(31a,31b)까지의 간격과 상기 수평 구동부(38)의 양쪽 측면의 중심부로부터 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)까지의 간격은 같다. 즉, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버(31c,31d)와 제 3 및 제 4 캔틸레버(31c,31d)는 상기 수평 구동부(38)의 양쪽 측면의 중심부에 대해 서로 대칭적이다. 도 7에 도시된 실시예는, 제 1 내지 제 4 캔틸레버(31a~31d) 및 수평 구동부(38)의 이러한 배열 형태를 제외하고는, 도 2a에 도시된 실시예와 동일한 구성을 갖는다. 도 7의 실시예에 따르면, 캔틸레버(31a~31d)들의 휨 각도가 비교적 작더라도, 수직 방향의 구동 각도를 비교적 크게 할 수 있다.
또한, 도 8은 도 7에 도시된 2축 마이크로 스캐너(50)를 약간 변형한 실시예이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 스캐너(60)는 수평 구동부(38)의 양쪽 측면 중심부로부터 각각 대향하는 프레임(37)의 내변으로 연장되는 2개의 토션 스프링(35a,35b)을 더 포함하고 있다. 즉, 프레임(37)의 좌변에서 수평 구동부(38)의 좌측면 중심으로 제 1 토션 스프링(35a)이 연결되어 있으며, 프레임(37)의 우변에서 수평 구동부(38)의 우측면 중심으로 제 2 토션 스프링(35b)이 연결되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 토션 스프링(35a,35b)은 상기 수평 구동부(38)가 수직 방향으로 구동될 때 회전축의 역할을 하며, 또한 탄성 복원력을 부여한다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2 토션 스프링(35a,35b)을 사용함으로써, 보다 안정된 수직 구동을 얻을 수 있다. 한편, 비록 도시되지는 않았지만, 도 2a의 실시예에 따른 마이크로 스캐너(20)도 마찬가지로 상술한 토션 스프링을 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 스캐너는, 공진 운동을 하는 수직 콤전극 구조를 이용하여 고주파의 수평 구동을 수행하고, 비공진 운동을 하는 캔틸레버 및 압전 액츄에이터를 이용하여 저주파의 수직 구동을 수행한다. 이러한 캔틸레버와 압전 액츄에이터를 사용함으로써, 매우 안정적이고 선형적인 수직 구동을 얻을 수 있다.

Claims (24)

  1. 프레임;
    마이크로 미러, 상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극 및 상기 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극을 구비하는 수평 구동부; 및
    상기 프레임으로부터 연장되어 상기 수평 구동부의 양단에 각각 연결됨으로써 상기 수평 구동부를 지지하는 다수의 캔틸레버 및 각각의 캔틸레버의 상면에 설치된 다수의 압전 액츄에이터를 구비하는 수직 구동부;를 포함하며,
    상기 압전 액츄에이터의 수축/팽창 작용에 따라 상기 캔틸레버가 상하 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 캔틸레버는, 상기 프레임의 서로 대향하는 두 변으로부터 각각 연장되어 상기 수평 구동부의 일단에 연결되는 제 1 및 제 2 캔틸레버와 상기 프레임의 서로 대향하는 두 변으로부터 각각 연장되어 상기 수평 구동부의 타단에 연결되는 제 3 및 제 4 캔틸레버를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 캔틸레버의 서로 대향하는 단부들과 상기 수평 구동부의 일단을 연결하는 제 1 커넥터와 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버의 서로 대향하는 단부들과 상기 수평 구동부의 타단을 연결하는 제 2 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 캔틸레버는 제 2 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하며, 상기 제 3 캔틸레버는 제 4 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하고, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버는 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버와 반대 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 수평 구동부의 양쪽 측면의 중심부로부터 각각 대향하는 프레임으로 연장되는 2개의 토션 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 캔틸레버는, 상기 프레임의 한쪽 코너로부터 서로 수직한 방향으로 연장되는 제 1 및 제 3 캔틸레버와 상기 프레임의 반대쪽 코너로부터 서로 수직한 방향으로 연장되어 상기 제 1 및 제 3 캔틸레버에 각각 수직하게 연결되는 제 2 및 제 4 캔틸레버를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수평 구동부의 일단은 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버가 만나는 점에 연결되고, 상기 수평 구동부의 타단은 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버가 만나는 점에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 캔틸레버가 만나는 점과 상기 수평 구동부의 일단을 연결하는 제 1 커넥터와 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버가 만나는 점과 상기 수평 구동부의 타단을 연결하는 제 2 커넥터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 캔틸레버는 제 2 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하며, 상기 제 3 캔틸레버는 제 4 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하고, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버는 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버와 반대 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버에서, 상면에 상기 압전 액츄에이터가 위치하는 영역의 일부는 다른 부분 보다 두께가 얇은 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버에서, 상면에 상기 압전 액츄에이터가 위치하는 영역의 일부는 절단되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터는, 제 1 전극 위에 제 1 압전소자, 제 2 전극, 제 2 압전소자 및 제 3 전극이 차례로 적층된 2중층 구조인 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  13. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은, 하부 실리콘 기판; 상기 하부 실리콘 기판 위에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 위에 형성된 상부 실리콘 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러, 구동콤전극 및 캔틸레버는 상기 상부 실리콘 기판과 동일 평면 상에 형성되며, 상기 고정콤전극은 상기 하부 실리콘 기판과 동일 평면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  15. 프레임;
    마이크로 미러, 상기 마이크로 미러의 양쪽 측면을 따라 나란히 형성된 다수의 수직한 구동콤전극 및 상기 구동콤전극과 서로 교번하도록 형성된 다수의 수직한 고정콤전극을 구비하는 수평 구동부; 및
    상기 프레임으로부터 연장되어 상기 수평 구동부의 양쪽 측면에 각각 연결됨으로써 상기 수평 구동부를 지지하는 다수의 캔틸레버 및 각각의 캔틸레버의 상면에 설치된 다수의 압전 액츄에이터를 구비하는 수직 구동부;를 포함하며,
    상기 압전 액츄에이터의 수축/팽창 작용에 따라 상기 캔틸레버가 상하 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다수의 캔틸레버는, 상기 프레임의 한쪽 변으로부터 서로 나란하게 연장되어 상기 수평 구동부의 양쪽 측면에 각각 연결되는 제 1 및 제 2 캔틸레버와 상기 프레임의 반대쪽 변으로부터 서로 나란하게 연장되어 상기 수평 구동부의 양쪽 측면에 각각 연결되는 제 3 및 제 4 캔틸레버를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 수평 구동부의 양쪽 측면의 중심으로부터 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버까지의 간격과 상기 수평 구동부의 양쪽 측면의 중심으로부터 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버까지의 간격은 같은 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 캔틸레버는 제 2 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하며, 상기 제 3 캔틸레버는 제 4 캔틸레버와 동일한 방향으로 휨 운동을 하고, 상기 제 1 및 제 2 캔틸레버는 상기 제 3 및 제 4 캔틸레버와 반대 방향으로 휨 운동을 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 수평 구동부의 양쪽 측면의 중심부로부터 각각 대향하는 프레임으로 연장되는 2개의 토션 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버에서, 상면에 상기 압전 액츄에이터가 위치하는 영역의 일부는 다른 부분 보다 두께가 얇은 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  21. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버에서, 상면에 상기 압전 액츄에이터가 위치하는 영역의 일부는 절단되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터는, 제 1 전극 위에 제 1 압전소자, 제 2 전극, 제 2 압전소자 및 제 3 전극이 차례로 적층된 2중층 구조이며, 상기 제 1 압전소자와 제 2 압전소자는 서로 반대 방향으로 분극 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  23. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은, 하부 실리콘 기판; 상기 하부 실리콘 기판 위에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 위에 형성된 상부 실리콘 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러, 구동콤전극 및 캔틸레버는 상기 상부 실리콘 기판과 동일 평면 상에 형성되며, 상기 고정콤전극은 상기 하부 실리콘 기판과 동일 평면 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스캐너.
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