KR100695170B1 - 압전 액츄에이터를 사용하는 마이크로 미러 - Google Patents

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Abstract

압전 액츄에이터(piezo actuator)를 사용한 고효율 마이크로 미러를 개시한다. 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 미러는, 기판; 상기 기판 위에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 현가되어 있으며, 광을 반사하는 반사판; 상기 기판에 고정되어 있는 고정단과 상기 반사판의 회전축을 수직하게 가로질러 상기 반사판의 측면에 연결되는 자유단을 가지며, 상면에 압전 액츄에이터가 설치된 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 자유단과 상기 반사판의 측면을 연결하는 커넥터; 및 상기 반사판의 회전 구동시 회전축이 되는 한 쌍의 토션 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전 액츄에이터를 사용하는 마이크로 미러{Micro mirror employing piezo actuator}
도 1은 종래의 압전 액츄에이터를 구비하는 마이크로 미러를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 마이크로 미러의 동작을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 구비하는 마이크로 미러를 도시하는 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 효율의 향상 정도를 시뮬레이션을 통해 보다 구체적으로 분석하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 미러와 종래의 마이크로 미러를 각각 단순화한 모델이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로 미러와 종래의 마이크로 미러에서 요구되는 모멘트의 크기를 비교하는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 마이크로 미러와 종래의 마이크로 미러의 동작 상태를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 미러의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 다수의 압전 액츄에이터를 사용한 1축 마이크로 미러의 여러 가지 실시예를 도시하는 평면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 다수의 압전 액츄에이터를 사용한 2축 마이크로 미러의 여러 가지 실시예를 도시하는 평면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20.....마이크로 미러 21.....기판
22.....반사판 23.....토션 스프링
24.....스프링 고정부 25.....캔틸레버 고정부
26.....탄성 캔틸레버 27.....커넥터
28.....압전 액츄에이터
본 발명은 마이크로 미러에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 압전 액츄에이터(piezo actuator)를 사용한 고효율 마이크로 미러에 관한 것이다.
MEMS(Micro-electro-mechanical system) 기술에 의해 제공되는 마이크로 미러는, 예컨대, 레이저 TV 등에서 레이저 빔을 수평 및 수직 방향으로 스캐닝하는 광스캐너로서 사용된다. 이러한 마이크로 미러를 수평/수직 방향으로 구동하기 위한 구동 수단으로서 다양한 기술이 제안되고 있다.
도 1은 압전 액츄에이터를 이용하여 마이크로 미러를 구동하는 종래의 기술을 도시하고 있다. 도 1에 도시된 종래의 마이크로 미러(10)는, 고정부재(16)에 의 해 양단이 고정된 탄성 기판(11), 상기 탄성 기판(11)의 상면에 형성된 하부 전극(12), 상기 하부 전극(12)의 상면에 형성된 두 개의 압전소자(13a,13b) 및 상기 두 개의 압전소자(13a,13b) 위에 각각 형성된 상부 전극(14a,14b)을 포함한다. 여기서, 두 개의 압전소자(13a,13b)는 분극 방향이 서로 반대가 되도록 배치된다. 상기 두 개의 압전소자(13a,13b)와 상하부 전극(12,14a,14b)은 두 개의 압전 액츄에이터를 구성한다. 한편, 미러(15)는 두 압전소자(13a,13b) 사이의 공간에 형성되어 있다.
공지된 바와 같이, 일반적으로 압전소자(예컨대, PZT)는 강유전체 물질을 분극 처리(즉, poling)하여 특정 방향의 분극을 갖도록 한 것으로, 전압의 인가 방향에 따라 수축/팽창하는 성질을 갖는다. 따라서, 상기 하부 전극(12)과 상부 전극(14a,14b)에 전압을 인가하면, 두 개의 압전소자(13a,13b) 중 하나는 팽창하고 다른 하나는 수축하게 된다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 도면에서 좌측의 압전소자(13a)는 수축하고, 우측의 압전소자(13b)는 팽창할 수 있다. 그러면, 수축하는 압전소자(13a)의 하부에 있는 탄성 기판(11)은 위쪽으로 기울어지고, 팽창하는 압전소자(13b)의 하부에 있는 탄성 기판(11)은 아래쪽으로 기울어지게 된다. 이에 따라, 두 압전소자(13a,13b) 사이의 미러(15)는 회전축(16)을 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다. 또한, 전압의 인가 방향이 반대로 바뀌면, 미러(15)는 반시계 방향으로 회전하게 된다. 이러한 원리에 따라, 압전 액츄에이터를 이용하여 마이크로 미러를 구동할 수 있다.
그러나, 상술한 종래의 마이크로 미러(10)의 경우, 도 2에서 원으로 표시된 바와 같이, 동작 중에 탄성 기판(11)이 크게 변형되기 때문에, 압전 액츄에이터의 효율이 매우 낮다. 이를 개선하기 위하여, 탄성 기판(11)과 미러(15)를 분리하고 상기 탄성 기판(11)과 미러(15) 사이에 뒤틀림 변형이 가능한 커넥터를 연결할 수도 있다. 그러나, 도 2에서 선분 A로 표시된 미러(15)의 경사 방향과 선분 B로 표시된 탄성 기판(11)의 경사 방향이 서로 반대(즉, 회전 방향이 반대)가 되므로, 커넥터에서만 모든 변형이 발생하도록 마이크로 미러(10)를 제조하는 것이 어렵다. 따라서, 이 경우에도, 탄성 기판(11)과 미러(15) 사이의 커넥터에서만 변형이 일어나지 않고, 탄성 기판(11)에서도 여전히 변형이 발생하여 압전 액츄에이터의 효율이 저감된다. 이에 따라, 마이크로 미러(10)의 구동 효율이 저감되고, 소비 전압이 증가하게 된다. 또한, 미러(15)의 구동 각도를 증가시키기가 어렵다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 종래에 비하여 구동 효율이 향상되고 구동 각도가 증가된 압전 액츄에이터를 이용하는 마이크로 미러를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 유형에 따른 마이크로 미러는, 기판; 상기 기판 위에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 현가되어 있으며, 광을 반사하는 반사판; 상기 기판에 고정되어 있는 고정단과 상기 반사판의 회전축을 수직하게 가로질러 상기 반사판의 측면에 연결되는 자유단을 가지며, 상면에 압전 액츄에이터가 설치된 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 자유단과 상기 반사판의 측면을 연결 하는 커넥터; 및 상기 반사판의 회전 구동시 회전축이 되는 한 쌍의 토션 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 캔틸레버는 상기 기판으로부터 돌출된 캔틸레버 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정되어 있으며, 비구동시 상기 기판과 평행하게 배치된다.
또한, 상기 커넥터와 상기 반사판의 회전축은 서로 평행한 것이 바람직하다.
상기 토션 스프링의 일단은 상기 반사판 측면의 회전 중심에 연결되어 상기 반사판을 회전 가능하게 지지하고, 타단은 상기 기판으로부터 돌출된 스프링 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정될 수 있다.
또는, 상기 토션 스프링의 일단은 상기 캔틸레버의 자유단으로부터 상기 반사판의 회전축을 수직으로 가로지르도록 절곡되어 연장된 연장판의 회전 중심에 연결되며, 타단은 상기 기판으로부터 돌출된 스프링 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정될 수도 있다.
한편, 상기 캔틸레버는 상기 반사판의 양측에 적어도 한 쌍이 설치될 수 있다.
이 경우, 상기 반사판의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 캔틸레버는 상기 반사판의 회전축을 중심으로 고정단이 서로 반대 방향에 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 마이크로 미러는, 상기 반사판의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 캔틸레버의 자유단 사이를 연결하도록 절곡된 연결판을 더 포함할 수 있다. 상기 연결판은 상기 반사판의 회전축을 수직으로 가로지르는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 마이크로 미러는, 기판; 상기 기판 위에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 현가되어 있는 프레임; 상기 기판에 고정되어 있는 고정단과 상기 프레임의 회전축을 수직하게 가로질러 상기 프레임의 측면에 연결되는 자유단을 가지며, 상면에 압전 액츄에이터가 설치된 제 1 캔틸레버; 상기 제 1 캔틸레버의 자유단과 프레임의 측면을 연결하는 제 1 커넥터; 상기 프레임의 회전 구동시 회전축이 되는 한 쌍의 제 1 토션 스프링; 상기 프레임 내에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 현가되어 있으며, 광을 반사하는 반사판; 상기 프레임에 고정되어 있는 고정단과 상기 반사판의 회전축을 수직하게 가로질러 상기 반사판의 측면에 연결되는 자유단을 가지며, 상면에 압전 액츄에이터가 설치된 제 2 캔틸레버; 상기 제 2 캔틸레버의 자유단과 상기 반사판의 측면을 연결하는 제 2 커넥터; 및 상기 반사판의 회전 구동시 회전축이 되는 한 쌍의 제 2 토션 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 프레임의 회전축과 상기 반사판의 회전축은 서로 수직일 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 마이크로 미러의 구성 및 동작에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 액츄에이터를 구비하는 마이크로 미러의 일 실시예를 도시하는 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따 른 마이크로 미러(20)에서, 기판(21) 위에 광을 반사하는 반사판(22)이 한 쌍의 토션 스프링(23)을 통해 회전 가능하게 현가되어 있으며, 상기 반사판(22)의 양측에는 한 쌍의 캔틸레버(26)가 커넥터(27)를 통해 결합되어 있다.
상기 토션 스프링(23)의 일단은 반사판(22)의 회전 중심에 연결되며, 타단은 기판(21)으로부터 돌출된 스프링 고정부(24)를 통해 기판(21)에 이격되게 고정된다. 따라서, 상기 토션 스프링(23)은 반사판(22)의 회전 구동시 회전축으로서 역할을 하게 된다.
캔틸레버(26)의 일단은 기판(21)으로부터 돌출된 캔틸레버 고정부(25)를 통해 기판(21)에 이격되게 고정된 고정단이다. 상기 캔틸레버(26)와 토션 스프링(23)은 모두 비구동시에 기판(21)에 대해 평행인 상태를 유지한다. 캔틸레버(26)의 타단은 고정되지 않은 자유단으로서, 상기 반사판(22)의 회전 중심으로부터 연장되는 가상의 회전축을 수직하게 가로질러 반사판(22)의 측면에 연결된다. 커넥터(27)는 상기 반사판(22)의 측면과 캔틸레버(26)를 연결하는 것으로, 반사판(22)의 회전축과 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 캔틸레버(26)의 상면에는, 반사판(22)을 회전 구동하기 위한 압전 액츄에이터(28)가 설치된다. 공지된 바와 같이, 상기 압전 액츄에이터(28)는, 예컨대, PZT와 같은 압전소자의 상하면에 각각 전극이 형성된 구조를 갖는다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 미러(20)는, 상기 압전 액츄에이터(28)에 전압을 인가할 때 전압의 인가 방향에 따라 압전소자가 수축/팽창하는 원리를 이용한다. 예컨대, 반사판(22) 양측의 압전 액츄에이터(28)에 서, 압전소자가 모두 수축하는 경우, 반사판(22) 양측의 캔틸레버(26)가 모두 위쪽으로 휘어진다. 그 결과, 도면에서 볼 때, 반사판(22)은 토션 스프링(23)을 중심으로 반시계 방향으로 회전하게 된다. 전압의 인가 방향을 바꾸어 주면, 압전소자가 모두 팽창하게 되고, 반사판(22) 양측의 캔틸레버(26)는 모두 아래쪽으로 휘어진다. 그 결과, 반사판(22)은 토션 스프링(23)을 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다. 이와 같은 방식으로, 전압의 인가 방향을 주기적으로 바꾸면, 반사판(22)은 토션 스프링(23)을 중심축으로 하여 주기적인 시이소 운동을 할 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 기술과는 달리, 캔틸레버(26)가 반사판(22)의 회전축을 가로질러 반사판(22)의 측면과 연결되어 있기 때문에, 캔틸레버(26)의 경사 방향 및 각도가 반사판(22)의 회전 방향 및 각도와 일치하게 된다. 따라서, 마이크로 미러의 구동 중에 캔틸레버(26)에서 거의 변형이 발생하지 않는다. 종래의 경우에는, 캔틸레버의 경사 방향과 반사판의 회전 방향이 서로 반대가 되면서, 캔틸레버의 변형으로 인한 효율의 감소가 발생하였다. 그러나, 본 발명에 따르면, 캔틸레버(26)가 거의 변형되지 않기 때문에, 높은 효율을 유지할 수 있다. 본 발명의 경우에는, 단지 토션 스프링(23)과 커넥터(27)의 비틀림 변형만이 있을 뿐이다. 따라서, 종래에 비해 작은 구동력으로 보다 큰 구동각을 얻을 수 있으며, 소비전압도 저감시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 효율의 향상 정도를 시뮬레이션을 통해 보다 구체적으로 분석하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 미러와 종래의 마이크로 미러를 각각 단순화한 모델이다. 본 발명에 따른 마이크로 미러의 모델에서, 도 4a 에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(26)와 압전 액츄에이터의 길이는 모두 l 이다. 반사판(22)의 회전축(23)은 캔틸레버(26)의 안쪽으로 위치하며, 반사판(22)의 회전축(23)과 캔틸레버(26)의 자유단 사이의 거리는 a 이다. 또한, θ는 반사판(22)의 회전각이고, δ는 캔틸레버(26)의 자유단에서 변위의 크기이며, Mp0는 그러한 변위를 얻는데 요구되는 모멘트(Moment)의 크기를 나타낸다. 한편, 종래의 마이크로 미러의 모델의 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이, 탄성 기판(11)의 길이는 l 이고, 압전 액츄에이터(17)의 길이는 s 이다. 또한, 미러(15)의 회전축(18)은 탄성 기판(11)의 바깥쪽으로 위치한다. 본 발명에 따른 모델과 동일한 조건에서 분석될 수 있도록, 미러(15)의 회전축(18)과 탄성 기판(11)의 자유단 사이의 거리는 a 이며, 미러(15)는 θ 만큼 회전하고, 탄성 기판(11)의 자유단은 δ 만큼 변위되는 것으로 한다. 이때 요구되는 모멘트의 크기는 Mp1 로 표시한다. 한편, Mc 는 탄성 기판(11)의 외부구속 조건에 의해 발생하는 모멘트이다.
도 5는 상술한 조건에서 본 발명에 따른 마이크로 미러와 종래의 마이크로 미러에서 요구되는 모멘트의 크기를 비교하는 그래프이다. 도 5의 그래프에서, 비교의 편의를 위해, l = 1, Mp0 = 1 을 기준으로 하였다. 종래의 마이크로 미러의 경우, 최적의 조건을 찾기 위하여 액츄에이터의 길이 s를 0.1 에서 0.9 까지 변화시켰다. 그 결과, 도 5의 그래프를 통해 알 수 있듯이, s = 0.5 인 경우에 종래의 마이크로 미러가 최적이 되었다. 그러나, 종래의 마이크로 미러의 경우, 최적의 조건 하에서도 필요한 모멘트의 크기는 Mp1 = 8 이 된다. 따라서, 동일한 회전각을 발생 시키는데 본 발명에 따른 마이크로 미러는 종래의 마이크로 미러에 비해 1/8 의 구동력만이 요구됨을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 최적의 조건하에서 본 발명에 따른 마이크로 미러의 모델과 종래의 마이크로 미러의 모델에서 동작 상태의 차이를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 도 6a의 그래프에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 모델의 경우에, 캔틸레버는 압전 액츄에이터의 구동에 의한 휨 변형 이외의 변형은 거의 보이지 않는다. 또한, 캔틸레버의 자유단의 경사각은 미러의 회전각과 거의 동일하게 된다. 반면, 도 6b의 그래프에서 알 수 있듯이, 종래의 기술에 따른 모델의 경우, 캔틸레버는 압전 액츄에이터의 구동에 의한 휨 변형 이외의 변형을 보이고 있다. 즉, 캔틸레버의 자유단 근처에서 변곡이 발생한다. 이는 캔틸레버의 회전 방향과 미러의 회전 방향이 반대이기 때문에 발생하는 것이다. 이러한 변형으로 인해 에너지가 추가적으로 소비되기 때문에 동일한 구동각을 얻는데 본 발명에 따른 모델에 비하여 종래의 기술에 따른 모델은 더 큰 구동력이 요구된다. 또한, 본 발명의 경우, 캔틸레버의 자유단의 경사각이 미러의 회전각과 동일하기 때문에, 종래에 비하여 미러의 회전각을 보다 용이하게 제어할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 마이크로 미러는, 도 3에 도시된 구조 이외에도 다양한 구조로 변형이 가능하다. 도 7은 본 발명에 따른 마이크로 미러의 다른 실시예를 예시적으로 도시하는 평면도이다. 도 7에는 편의상 기판을 도시하지 않았으나, 빗금 친 부분들은 기판에 고정되는 부분을 나타낸다. 도 7의 마이크로 미러의 경우에는, 도 3에 도시된 마이크로 미러와 비교할 때, 한쪽 캔틸레버의 방향이 반대이 다. 즉, 도 3의 마이크로 미러에서, 한 쌍의 캔틸레버는 고정단과 자유단이 모두 동일한 방향이다. 반면, 도 7의 마이크로 미러의 경우, 쇄선으로 표시된 반사판(22)의 회전축을 중심으로, 두 개의 캔틸레버(26a,26b)는 자유단과 고정단이 서로 반대 방향에 위치하고 있다. 이러한 구조에서, 두 개의 캔틸레버(26a,26b)는 서로 반대 방향으로 휨 운동을 한다. 예컨대, 제 1 캔틸레버(26a)가 위쪽으로 휘어질 때, 제 2 캔틸레버(26b)는 아래로 휘어진다. 그러면, 도면에서 반사판(22)의 우측은 상승하고 좌측은 하강하게 된다. 이를 위하여, 제 1 캔틸레버(26a) 상면의 제 1 압전 액츄에이터(28a)는 수축하고, 제 2 캔틸레버(26b) 상면의 제 2 압전 액츄에이터(28b)는 팽창하도록 제어된다.
상술한 실시예들의 경우, 반사판(22)의 양측에 한 쌍의 캔틸레버(26a,26b)만이 연결되어 있지만, 구동력을 증가시키기 위해 다수 쌍의 캔틸레버를 연결하는 것도 가능하다.
도 8a는 반사판(22)의 양측에 두 쌍의 캔틸레버(26a,26b;26c,26d)가 연결된 예를 도시하는 것으로, 도 7에 도시된 마이크로 미러에서 한 쌍의 캔틸레버(26a,26b) 양측에 또 한 쌍의 캔틸레버(26c,26d)가 연결되어 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 반사판(22)의 동일한 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 캔틸레버는 상기 반사판(22)의 회전축을 중심으로 고정단과 자유단이 서로 반대 방향에 위치하는 것이 바람직하다. 예컨대, 제 1 캔틸레버(26a)와 제 3 캔틸레버(26c)의 고정단이 서로 반대 방향이며, 제 2 캔틸레버(26b)와 제 4 캔틸레버(26d)의 고정단이 서로 반대 방향에 위치해 있다. 그러면, 다수의 캔틸레버(26a,26b,26c,26d) 들이 반사판(22)의 회전축을 중심으로 대칭적으로 배치되기 때문에, 안정된 회전 구동을 얻을 수 있다. 이때, 최외측 캔틸레버들의 구동력이 반사판(22)에 전달될 수 있도록, 반사판(22)의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 캔틸레버들의 자유단 사이에 연결판을 연결한다. 예컨대, 제 1 캔틸레버(26a)와 제 3 캔틸레버(26c)의 자유단 사이에는 절곡된 제 1 연결판(29a)이 연결되어 있으며, 제 2 캔틸레버(26b)와 제 4 캔틸레버(26d)의 자유단 사이에는 절곡된 제 2 연결판(29b)이 연결되어 있다. 상기 제 1 및 제 2 연결판(29a,29b)은 상기 반사판(22)의 회전축을 수직으로 가로지르는 것이 바람직하다.
이러한 구조에서, 제 1 및 제 4 캔틸레버(26a,26d)는 서로 동일한 방향으로 휨 운동을 하며, 제 2 및 제 3 캔틸레버(26b,26c)는 서로 동일하고 상기 제 1 및 제 4 캔틸레버(26a,26d)와 반대인 방향으로 휨 운동을 한다. 예컨대, 제 1 및 제 4 캔틸레버(26a,26d)가 동시에 위쪽으로 휘어질 때, 제 2 및 제 3 캔틸레버(26b,26c)는 동시에 아래쪽으로 휘어진다. 이에 따라, 도면에서 반사판(22)의 우측은 상승하고 좌측은 하강하게 된다. 이와 같은 방식으로 반사판(22)은 주기적인 시이소 운동을 할 수 있다. 이때, 두 개의 인접한 캔틸레버 사이를 연결하는 연결판(29a,29b) 역시 상기 반사판(22)과 동일 평면을 유지하면서 시이소 운동을 하게 된다.
또한, 도 8b는 도 3에 도시된 마이크로 미러에서 한 쌍의 캔틸레버(26a,26b) 양측에 또 한 쌍의 캔틸레버(26c,26d)가 연결된 실시예를 도시하는 것이다. 도 8b의 경우, 도 8a에 도시된 실시예와는 달리, 내측의 캔틸레버(26a,26b)는 상기 반사판(22)의 회전축을 중심으로 고정단과 자유단이 동일한 방향에 위치하며, 외측의 캔틸레버(26c,26d)는 반사판(22)의 회전축을 중심으로 고정단과 자유단이 내측 캔틸레버(26a,26b)와 반대 방향에 위치한다. 그 이외에는, 도 8a에서 설명한 것과 동일한 구성과 동작을 갖는다.
한편, 도 8c는 반사판(22)의 회전축 역할을 하는 토션 스프링(23a,23b)이 반사판(22)에 직접 연결되지 않고, 외측 캔틸레버(26c,26d)를 통해 간접적으로 연결되는 실시예를 도시한다. 예컨대, 제 1 토션 스프링(23a)의 일단은 제 3 캔틸레버(26c)의 자유단으로부터 연장된 제 1 연장판(29c)에 연결되며, 타단은 스프링 고정부(24)를 통해 기판에 이격되게 고정된다. 이때, 캔틸레버의 상하 운동이 회전운동으로 변환될 수 있도록, 상기 제 1 연장판(29c)은 제 3 캔틸레버(26c)의 자유단으로부터 절곡되어 반사판(22)의 회전축을 수직으로 가로지르도록 연장되어 있다. 그리고, 상기 제 1 토션 스프링(23a)은 상기 제 1 연장판(29c)의 회전 중심에 연결된다. 마찬가지로, 제 2 토션 스프링(23b)의 일단은 제 4 캔틸레버(26d)의 자유단으로부터 상기 반사판(22)의 회전축을 수직으로 가로지르도록 절곡되어 연장된 제 2 연장판(29d)의 회전 중심에 연결된다. 본 발명에 따른 마이크로 미러의 제조시, 상기 반사판(22), 다수의 캔틸레버(26a,26b,26c,26d), 상기 캔틸레버들 사이의 연결판(29a,29b), 커넥터(27a,27b), 토션 스프링(23a,23b) 및 연장판(29c,29d) 등과 같은 구성요소들이 실제로는 하나의 재료를 에칭하여 일체로 만들어진다. 따라서, 반사판(22)의 회전축 역할을 하는 토션 스프링(23a,23b)이 반사판(22)과 직접 연결되지 않고 외측 캔틸레버(26c,26d)를 통해 간접적으로 연결되더라도, 반사판(22)은 회전축을 중심으로 안정적인 회전 운동을 할 수 있다.
지금까지는 반사판(22)이 하나의 축을 중심으로 회전 운동하는 실시예에 대해서 설명하였다. 그러나, 마이크로 미러를 레이저 TV 등의 광스캐너로서 사용하기 위해서는, 반사판(22)이 서로 수직한 두 개의 축을 중심으로 회전 운동할 수 있어야 한다. 2차원의 스크린에 영상을 형성하기 위해서는 광스캐너가 수직 및 수평 방향으로 레이저 빔을 스캐닝하여야 하기 때문이다. 이하에서는, 도 9a 내지 도 9c를 참조하여, 상술한 본 발명의 원리를 이용한 2축 마이크로 미러에 대해 설명한다.
먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 2축 마이크로 미러(30)에서, 축(A1)을 중심으로 회전하는 프레임(40)이 기판(미도시) 위에 현가되어 있으며, 상기 프레임(40)의 양측에는 한 쌍의 제 1 캔틸레버(31a,31b)가 각각 제 1 커넥터(33a,33b)를 통해 결합되어 있다. 상기 제 1 캔틸레버(31a,31b)의 일단은 기판으로부터 돌출된 캔틸레버 고정부(31)를 통해 기판에 이격되게 고정된 고정단이다. 제 1 캔틸레버(31a,31b)의 타단은 고정되지 않은 자유단으로서, 프레임(40)의 회전축(A1)을 수직하게 가로질러 프레임(40)의 양측에 각각 연결된다. 또한, 상기 제 1 캔틸레버(31a,31b)의 상면에는, 프레임(40)을 회전 구동하기 위한 제 1 압전 액츄에이터(32a,32b)가 각각 설치된다. 한편, 프레임(40)의 회전축으로서 역할을 하는 한쌍의 제 1 토션 스프링(36)의 일단은 프레임(40)의 회전 중심에 연결된다. 상기 제 1 토션 스프링(36)의 타단은 기판으로부터 돌출된 고정부(35)를 통해 기판에 이격되게 고정된다. 따라서, 도 9a에 도시된 2축 마이크로 미러(30)는 도 7의 마이크로 미러에서 반사판이 프레임으로 교체된 것과 동일한 구성이다.
2축 구동을 위하여, 상기 프레임(40) 내에는 축(A1)에 수직한 축(A2)을 중심 으로 회전하는 반사판(41)이 현가되어 있다. 상기 반사판(41)의 양측에는 한 쌍의 제 2 캔틸레버(42a,42b)가 각각 제 2 커넥터(45a,45b)를 통해 결합되어 있다. 상기 제 2 캔틸레버(42a,42b)의 일단은 상기 프레임(40)에 고정된 고정단이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 두 개의 제 2 캔틸레버(42a,42b)의 고정단은 축(A2)을 중심으로 서로 반대 방향의 프레임(40)에 각각 위치한다. 제 2 캔틸레버(42a,42b)의 타단은 고정되지 않은 자유단으로서, 반사판(41)의 회전축(A2)을 수직하게 가로질러 반사판(41)의 양측에 각각 연결된다. 상기 제 2 캔틸레버(42a,42b)의 상면에는, 반사판(41)을 회전 구동하기 위한 제 2 압전 액츄에이터(43a,43b)가 각각 설치된다. 또한, 반사판(41)의 회전축으로서 역할을 하는 한 쌍의 제 2 토션 스프링(47a,47b)의 일단은 반사판(41)의 회전 중심에 연결된다. 상기 제 2 토션 스프링(47a,47b)의 타단은 상기 프레임(40)으로부터 수직하게 돌출된 스프링 고정부(48a,48b)에 고정된다.
상술한 구조의 2축 마이크로 미러(30)에서, 한 쌍의 제 1 캔틸레버(31a,31b)가 서로 반대 방향으로 휨 운동을 하면, 프레임(40)은 축(A1)을 중심으로 회전운동을 하게 된다. 이에 따라, 프레임(40) 내에 현가되어 있는 반사판(41)도 축(A1)을 중심으로 회전운동을 하게 된다. 이와 동시에, 한 쌍의 제 2 캔틸레버(42a,42b)가 프레임(40) 내에서 서로 반대 방향으로 휨 운동을 하면, 제 2 캔틸레버(42a,42b)에 연결된 반사판(41)은 축(A2)을 중심으로 회전운동을 하게 된다. 따라서, 상기 반사판(41)은 서로 수직한 2개의 축, 즉, 축(A1)와 축(A2)에 대해서 모두 회전 운동이 가능하다.
도 9b에 도시된 2축 마이크로 미러는, 도 9a에 도시된 2축 마이크로 미러에서 프레임(40) 내의 구조만이 변형된 것이다. 프레임(40)을 축(A1)을 중심으로 회전시키기 위한 구조는 도 9a에 도시된 것과 동일하다. 반사판(41)을 축(A2)을 중심으로 회전시키기 위한 프레임(40) 내의 구조는 도 8c에 도시된 마이크로 미러의 구조를 그대로 이용하고 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 반사판(41)의 양측에는 두 쌍의 제 2 캔틸레버(42a,42b;42c,42d)가 각각 연결되어 있다. 상기 반사판(41)의 동일한 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 캔틸레버는 상기 반사판(41)의 회전축(A2)을 중심으로 고정단과 자유단이 서로 반대 방향에 위치한다. 또한, 반사판(41)의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 캔틸레버들의 자유단 사이에는 각각 절곡된 연결판(44a,44b)이 연결되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 연결판(44a,44b)은 반사판(41)의 회전축(A2)을 수직으로 가로지르도록 배치된다. 그리고, 제 2 토션 스프링(47a,47b)은 반사판(41)에 직접 연결되지 않고, 외측 캔틸레버(42c,42d)와 프레임(40) 사이에 연결된다. 예컨대, 토션 스프링(47a)의 일단은 캔틸레버(42c)의 자유단으로부터 연장된 연장판(46a)에 연결되며, 타단은 프레임(40)에 연결된다. 상기 연장판(46a)은 캔틸레버(42c)의 자유단으로부터 절곡되어 반사판(41)의 회전축(A2)을 수직으로 가로지르도록 연장되어 있다. 그리고, 토션 스프링(47a)은 상기 연장판(46a)의 회전 중심에 연결된다.
도 9c에 도시된 2축 마이크로 미러는, 도 9b에 도시된 2축 마이크로 미러에서 프레임(40)을 회전시키기 위한 구조만이 변형된 것이다. 프레임(40) 내부의 구조는 도 9b에 도시된 것과 동일하다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 프레임(40)의 양 측에는 두 쌍의 제 1 캔틸레버(31a,31b;31c,31d)가 각각 연결되어 있다. 상기 프레임(40)의 동일한 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 캔틸레버는 프레임(40)의 회전축을 중심으로 고정단과 자유단이 서로 반대쪽에 위치한다. 또한, 프레임(40)의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 캔틸레버들의 자유단 사이에는 각각 절곡된 연결판(37a,37b)이 연결되어 있다. 그리고, 제 1 토션 스프링(36a,36b)은 프레임(40)에 직접 연결되지 않고, 연장판(38a,38b)을 통해 각각 외측 캔틸레버(31c,31d)와 고정부(31) 사이에 연결된다. 예컨대, 토션 스프링(36a)의 일단은 캔틸레버(31c)의 자유단으로부터 연장된 연장판(38a)에 연결되며, 타단은 고정부(31)에 연결된다. 상기 연장판(38a)은 캔틸레버(31c)의 자유단으로부터 절곡되어 프레임(40)의 회전축을 수직으로 가로지르도록 연장되어 있다. 본 실시예에 따르면, 도 9c에 도시된 바와 같이, 기판으로부터 돌출된 하나의 고정부(31)를 사용하여, 상기 제 1 토션 스프링(36a,36b)의 타단과 제 1 캔틸레버(31a,31b;31c,31d)의 고정단을 모두 고정할 수 있다.
지금까지 예시적으로 설명한 실시예 이외에도, 본 기술분야의 당업자는 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함 없이 본 발명에 대한 다양한 변형 및 수정이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 캔틸레버가 반사판의 회전축을 가로질러 반사판의 측면과 연결되어 있기 때문에, 캔틸레버의 경사 방향 및 각도가 반사 판의 회전 방향 및 각도와 일치하게 된다. 따라서, 마이크로 미러의 구동 중에 캔틸레버에서 거의 변형이 발생하지 않으며, 본 발명에 따른 마이크로 미러는 종래의 기술에 비하여 높은 효율을 유지할 수 있다. 따라서, 종래에 비해 작은 구동력으로도 보다 큰 구동각을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 마이크로 미러의 경우, 캔틸레버의 자유단의 경사각이 미러의 회전각과 동일하기 때문에, 미러의 회전각을 보다 용이하게 제어할 수 있다.

Claims (22)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 현가되어 있으며, 광을 반사하는 반사판;
    상기 기판에 고정되어 있는 고정단과 상기 반사판의 회전축을 수직하게 가로질러 상기 반사판의 측면에 연결되는 자유단을 가지며, 상면에 압전 액츄에이터가 설치된 캔틸레버;
    상기 캔틸레버의 자유단과 상기 반사판의 측면을 연결하는 커넥터; 및
    상기 반사판의 회전 구동시 회전축이 되는 한 쌍의 토션 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 상기 기판으로부터 돌출된 캔틸레버 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정되어 있으며, 비구동시 상기 기판과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 커넥터와 상기 반사판의 회전축은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 토션 스프링의 일단은 상기 반사판 측면의 회전 중심에 연결되어 상기 반사판을 회전 가능하게 지지하고, 타단은 상기 기판으로부터 돌출된 스프링 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 토션 스프링의 일단은 상기 캔틸레버의 자유단으로부터 상기 반사판의 회전축을 수직으로 가로지르도록 절곡되어 연장된 연장판의 회전 중심에 연결되며, 타단은 상기 기판으로부터 돌출된 스프링 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 상기 반사판의 양측에 적어도 한 쌍이 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사판의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 캔틸레버는 상기 반사판의 회전축을 중심으로 고정단이 서로 반대 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사판의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 캔틸레버의 자유단 사이를 연결하도록 절곡된 연결판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 연결판은 상기 반사판의 회전축을 수직으로 가로지르는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  10. 기판;
    상기 기판 위에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 현가되어 있는 프레임;
    상기 기판에 고정되어 있는 고정단과 상기 프레임의 회전축을 수직하게 가로질러 상기 프레임의 측면에 연결되는 자유단을 가지며, 상면에 압전 액츄에이터가 설치된 제 1 캔틸레버;
    상기 제 1 캔틸레버의 자유단과 프레임의 측면을 연결하는 제 1 커넥터;
    상기 프레임의 회전 구동시 회전축이 되는 한 쌍의 제 1 토션 스프링;
    상기 프레임 내에 회전축을 중심으로 회전 가능하게 현가되어 있으며, 광을 반사하는 반사판;
    상기 프레임에 고정되어 있는 고정단과 상기 반사판의 회전축을 수직하게 가 로질러 상기 반사판의 측면에 연결되는 자유단을 가지며, 상면에 압전 액츄에이터가 설치된 제 2 캔틸레버;
    상기 제 2 캔틸레버의 자유단과 상기 반사판의 측면을 연결하는 제 2 커넥터; 및
    상기 반사판의 회전 구동시 회전축이 되는 한 쌍의 제 2 토션 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 캔틸레버는 상기 기판으로부터 돌출된 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정되어 있으며, 비구동시 상기 기판과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 토션 스프링의 일단은 상기 프레임의 측면의 회전 중심에 연결되어 상기 프레임을 회전 가능하게 지지하고, 타단은 상기 기판으로부터 돌출된 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 토션 스프링의 일단은 상기 제 1 캔틸레버의 자유단으로부터 상기 프레임의 회전축을 수직으로 가로지르도록 절곡되어 연장된 제 1 연장판의 회전 중 심에 연결되며, 타단은 상기 기판으로부터 돌출된 고정부를 통해 기판과 이격되게 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 캔틸레버는 상기 프레임의 양측에 적어도 한 쌍이 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 프레임의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 제 1 캔틸레버는 상기 프레임의 회전축을 중심으로 고정단이 서로 반대 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 프레임의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 제 1 캔틸레버의 자유단 사이를 연결하도록 절곡된 제 1 연결판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 토션 스프링의 일단은 상기 반사판의 측면의 회전 중심에 연결되어 상기 반사판을 회전 가능하게 지지하고, 타단은 상기 프레임으로부터 수직 돌출 된 스프링 고정부에 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  18. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 토션 스프링의 일단은 상기 제 2 캔틸레버의 자유단으로부터 상기 반사판의 회전축을 수직으로 가로지르도록 절곡되어 연장된 제 2 연장판의 회전 중심에 연결되며, 타단은 상기 프레임에 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  19. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 캔틸레버는 상기 반사판의 양측에 적어도 한 쌍이 설치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 반사판의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 제 2 캔틸레버는 상기 반사판의 회전축을 중심으로 고정단이 서로 반대 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 반사판의 동일 측면 쪽에서 서로 인접하는 두 개의 제 2 캔틸레버의 자유단 사이를 연결하도록 절곡된 제 2 연결판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마 이크로 미러.
  22. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임의 회전축과 상기 반사판의 회전축은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 마이크로 미러.
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