KR100724740B1 - 미러 패키지 및 광 스캐너 - Google Patents
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Abstract
일렬로 제공되는 빛의 경로를 전환하기 위한 미러 패키지 및 광 스캐너로서, 광 스캐너는 광원, 제1 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지며 광원으로부터 조사된 광을 반사하는 제1 미러, 제1 미러를 일정 주기로 진동시키는 제1 진동수단, 제1 미러에 인접하게 위치하며 상기 제1 토션 축과 다른 제2 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지는 제2 미러, 제2 미러를 일정 주기로 진동시키는 제2 진동수단, 및 제1 미러에 의해서 반사된 광을 제2 미러로 반사하는 고정 미러를 포함한다. MEMS 기술을 응용하여 초소형화를 구현할 수 있으며, 전극 구조를 간단하게 유지할 수 있고, 회전체의 크기 및 질량을 줄여서 고주파수의 진동으로 설계할 수 있고, 미러 패키지로 입사되는 빛과 최종적으로 반사되는 빛 간의 간섭을 예방할 수 있다.
광 스캐너, MEMS
Description
도 1은 종래의 2개 미러를 이용하여 빛의 경로를 변경하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 MEMS 기술을 이용하여 제작된 하나의 미러를 2축으로 움직여 빛의 경로를 변경하는 종래의 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 도 3의 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 도 5의 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 측면도이다.
도 7은 도 5의 광 스캐너 및 미러 패키지의 실제 사용례를 설명하기 위한 측면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100：광 스캐너 310：광원
200：미러 패키지 210：케이스
220：제1 미러 230：제2 미러
240：제1 진동부재 250：제2 진동부재
260：고정 미러 270：모듈 커버
본 발명은 빛의 경로를 변경하는 광 스캐너에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 간단한 구조를 가지면서도 2축 구동이 가능한 미러 패키지 및 그 미러 패키지를 포함하는 광 스캐너에 관한 것이다.
광 스캐너는 주로 레이저의 경로를 변경하기 위한 것으로서, 간단하게는 레더 프린터(leather printer)나 바코드 리더기(bar code reader) 등에 사용될 수 있으며, 복잡하게는 레이져 텔레비전 등과 같이 복잡한 영상을 처리하기 위한 장치에 사용될 수 있다. 일반적으로 광원으로서 레이저는 일정한 경로를 따라 제공되기 때문에, 레이저의 경로를 2차원적으로 변경하여 원하는 영상을 얻을 수 있다. 종래에는 레이저의 경로를 전환하기 위해 서로 다른 2축으로 움직이는 2개의 미러를 사용하는 방법이 있으며, 다르게는 하나의 미러를 2축으로 움직이게 함으로써 레이저의 경로를 2차원적으로 변경하는 방법이 있다.
도 1은 종래의 2개 미러를 이용하여 빛의 경로를 변경하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 스캐닝 장치(10)는 수직 투사부(12) 및 수평 투사 부(14)를 포함한다. 영상신호에 의해 변조된 합성광의 경로는 수직 투사부(12)에 의해 반사되어 스크린(16)의 상하 방향으로 변경되며, 수직 투사부(12)에 의해서 반사된 광의 경로는 수평 투사부(14)에 의해 좌우로 변경될 수가 있다. 수직 투사부(12)는 일종의 갈바노 메터(Galvanometer)로서 미러와 연결된 회전축의 회전각을 조절하여 입사되는 합성광의 경로를 상하로 변경하며, 수평 투사부(14)는 다각형 미러(polygon mirror)를 회전시켜 합성광의 경로를 좌우로 변경할 수 있다.
하지만, 상기 스캐닝 장치는 통상의 모터를 이용하기 때문에 부피를 많이 차지하여 소형으로 제작하기가 어려우며, 모터의 소음 또는 진동 등을 정확하게 제어할 수가 없다.
도 2는 MEMS 기술을 이용하여 제작된 하나의 미러를 2축으로 움직여 빛의 경로를 변경하는 종래의 방법을 설명하기 위한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 미러 구조(20)는 중앙의 반사 코팅된 반사부(22), 반사부(22)로부터 양단으로 연장된 제1 토션 축(23), 상기 제1 토션 축(23)과 연결되어 반사부(22) 주변에 형성된 내부 프레임(24), 내부 프레임(24)으로부터 연장되며 제1 토션 축(23)과 수직 관계를 형성하는 제2 토션 축(25), 그리고 제2 토션 축(25)과 연결된 외부 프레임(26)을 포함한다. 제1 토션 축(23)을 중심으로 반사부(22)의 양단에는 빗(comb) 구조의 제1 회전자(rotor)가 형성되며, 제1 회전자에 대응하여 내부 프레임(24)의 내부로는 역시 빗 구조의 제1 고정자(stator)가 제공된다. 또한, 제2 토션 축(25)을 중심으로 내부 프레임(24)의 양단에는 빗(comb) 구조의 제2 회전자가 형성되며, 제2 회전자에 대응하여 외부 프레임(26)의 내부로는 빗 구 조를 갖는 제2 고정자가 제공된다.
반사부(22)에 교류 전원이 공급됨에 따라 반사부(22)는 제1 토션 축(23)을 중심으로 진동하며, 내부 프레임(24) 및 반사부(22)는 제2 토션 축(25)을 중심으로 진동을 할 수 있다. 그 결과, 하나의 미러를 이용하여 영상신호를 2축으로 분배할 수가 있다.
하지만, 영상신호의 특성 상 반사부(22)에 요구되는 진동수와 내부 프레임(24)에 요구되는 진동수가 달라질 수 있으며, 이를 구현하기 위해 각 전극으로 연결되는 전극의 구조가 매우 복잡해질 수가 있다. 복잡한 전극분리를 구현하기 위하여 통상 홈(trench)을 파기도 하는데 이것은 구조물의 신뢰성에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 또한, 반사부(22)와 내부 프레임(24)은 제 2토션 축(25)을 중심으로 동시에 진동하게 되는데, 내부 프레임의 질량이 크므로 저주파수 특성을 가지고 진동하게 된다. 이 경우, 구동의 비선형성이 발생하고 낙하, 충격 등의 구조적 신뢰성 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 목적은 초소형화를 구현할 수 있는 광 스캐너 및 미러 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전극 구조를 간단하게 유지할 수 있으며, 전극 구조를 전기적으로 연결함에 있어 복잡하지 않은 광 스캐너 및 미러 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 진동하는 회전체의 크기 및 질량을 줄여서 고주파 수의 진동으로 설계할 수 있는 광 스캐너 및 미러 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 미러 패키지로 입사되는 빛과 최종적으로 반사되는 빛 간의 간섭을 예방할 수 있는 광 스캐너 및 미러 패키지를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광 스캐너는 광원을 포함한다. 여기서 광원이라 함은 일정한 세기의 빛을 제공하는 광원의 의미 외에도 영상신호에 따라 변조된 빛을 포함할 수가 있다. 따라서, 영상신호에 따라 변조된 빛을 제1 및 제2 미러로 2차원적으로 분산시킬 수 있으며, 분산된 영상정보로부터 텔레비전 화면, 모니터 화면 등을 구현할 수가 있다.
광원으로부터 들어온 빛은 제1 미러에 의해서 반사되며, 제1 미러에 의해서 반사된 빛은 고정 미러 및 제2 미러를 거쳐 차례로 반사되면서 외부로 조사될 수 있다. 종전에 하나의 미러에 2축을 구현하던 것과는 다르게, 2축에 대한 각각의 미러를 제공하여 각 미러의 관성(inertia)을 줄일 수 있다. 각 미러를 소형화하고 관성을 줄임으로써 미러의 고주파 설계가 가능하게 할 수 있으며, 각 구조를 분리함으로써 복잡했던 전극 배치 문제를 해결할 수가 있다.
또한, 입사된 빛이 제1 미러, 고정 미러 및 제2 미러를 통해 반사되기 때문에 미러 패키지에서 입사되는 부분과 반사되어 조사되는 부분을 일정 거리 이상 이격시킬 수 있다. 종래에는 미러 패키지에 빛이 입사되는 과정에서 입사되는 빛 중 일부가 패키지 상면에서 반사되어, 실제 영상에 잡광으로 영향을 미치는 경우가 발 생하였다. 실제로, 종래에는 이 문제를 해결하기 위해 유리 커버를 기울여 패키징 하였고, 패키징 단가가 증가하는 원인이 되고 있다. 하지만, 본 발명에서는 입사되는 부분과 반사되어 영사되는 부분을 근본적으로 분리시킬 수 있으며, 그 결과 투광성이 있는 모듈 커버를 기울여 장착할 필요가 없고, 패키징을 더욱 간단하고 저렴하게 할 수가 있다.
또한, 진동수단은 제1 및 제2 미러에 각각 제공되며, 스캐너가 작동하는 동안 제1 미러 및 제2 미러를 각각 일정한 주파수로 진동을 시킨다. 진동을 위해서는 종래의 여러 방법이 사용될 수 있으며, 일 예로 전자기장(electromagnetic), 정전기(electrostatic), 압전(piezoelectric)현상, 열(thermal) 등을 이용한 진동방법이 사용될 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 평면도이며, 도 4는 도 3의 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 측면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 레이저 등을 이용한 영상 장비는 광 스캐너(100)를 포함하며, 광 스캐너(100)는 빛을 조사하는 광원(110) 및 조사된 빛을 2차원 평면으로 분해하는 미러 패키지(200)를 포함한다. 영상 신호에 따라 변조부는 삼원색 또는 다른 조합의 빛들을 혼합하여 각 화소에 맞는 빛을 생성하며, 생성된 빛은 광원(110)을 통해 일렬로 제공될 수 있다. 일렬로 조사되는 빛은 미러 패키지(200)를 통해서 수평 및 수직으로 분산되며, 각 화소에 대응되는 빛이 스크린으로 분산되면서 2차원으로 구현된 화면을 제공할 수가 있다.
광원(110)은 변조부(미도시)로부터 영상 신호에 대응하는 빛 신호를 받으며, 전달되는 빛 신호에 따라 변조된 빛을 발생할 수 있다. 광원(110)으로부터 조사된 빛은 미러 패키지(200)를 통해 스크린 등에 투사될 수 있다.
미러 패키지(200)는 제1 미러(220), 제1 미러(220)를 시소(seesaw)와 같이 진동시키기 위한 제1 진동부재(240), 제1 미러(220)에 인접한 제2 미러(230), 제2 미러(230)를 시소 같이 진동시키기 위한 제2 진동부재(250) 및 제1 미러(220)와 제2 미러(230) 사이에서 반사로 빛을 전달하는 고정 미러(260)를 포함한다. 광원(110)에서 조사된 빛은 제1 미러(220)로 조사된다. 여기서, 제1 미러(220)는 제1 토션 축(225)을 중심으로 진동을 하기 때문에 제1 미러(220)에 의해서 반사된 빛은 제1 토션 축(225)에 수직한 방향으로 분산된다. 또한, 제1 미러(220)에 의해서 반사된 빛은 고정 미러(260)를 통해 제2 미러(230)로 조사된다. 여기서, 제2 미러(230)는 제2 토션 축(235)을 중심으로 진동을 하기 때문에, 제2 미러(230)에 의해서 반사된 빛 역시 제2 토션 축(235)에 수직한 방향으로 분산될 수 있다. 여기서 제1 토션 축(225)과 제2 토션 축(235)을 평행하지 않게, 즉 서로 교차하거나 어긋난 방향으로 배열함으로써, 광원(110)에서 조사된 빛은 2방향 벡터로 분산시킬 수 있으며, 2차원 영상을 표현할 수가 있다.
일반적으로 제1 미러(220)를 제1 토션 축(225)에 대해 진동시켜 빛을 수평하 게 분해할 수 있으며, 제2 미러(230)를 제2 토션 축(235)에 대해 진동시켜 수평으로 분해된 빛을 다시 수직으로 분해하여 2차원 영상을 제공하거나 2차원 정보를 읽기 위해 빛을 조사할 수가 있다. 이렇게 양 토션 축을 수직하게 배열하는 것이 일반적이지만, 경우에 따라서는 양 토션 축을 평행이 아닌 수직 이외의 각도로 배열하여서도 원하는 2차원 영상을 얻을 수가 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 미러 패키지(200)에서 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)는 에칭 등을 이용한 미세구조 제작방법을 통해서 제작될 수가 있다. 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)는 실리콘 등을 통해서 제조될 수 있으며, 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)의 상면에 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr) 등의 금속물질이나 유전층(dielectric layer)을 다층으로 증착하여 빛을 반사시킬 수 있는 기능을 부여할 수 있다.
제1 미러(220) 및 제2 미러(230)는 제1 토션 축(225) 및 제2 토션 축(235)에 의해서 사각형의 프레임에 고정되어 있다. 따라서 제1 미러(220)는 제1 토션 축(225)에 대해 회전 자유도를 가지며, 제1 토션 축(225)을 축으로 시소와 같은 진동 운동을 할 수 있다. 또한, 제2 미러(230)는 제2 토션 축(235)에 대해 회전 자유도를 가지며, 제2 토션 축(235)을 축으로 시소와 같은 진동 운동을 할 수 있다. 여기서, 제2 토션 축(235)은 제1 토션 축(225)에 대해 수직한 방향으로 배열되며, 광원(110)에서 조사된 빛을 수평 및 수직 방향으로 분해시킬 수가 있다.
제1 토션 축(225)을 중심으로 제1 미러(220)의 양단에는 제1 진동부재(240)가 제공된다. 제1 진동부재(240)는 제1 미러(220)를 소정의 각도 내에서 진동시키 기 위한 것으로 전자기장, 정전기, 압전 소재, 열 등을 이용하여 일정 주파수로 진동시킬 수가 있다. 또한, 제2 진동부재(250) 역시 제2 토션 축(225)을 중심으로 제2 미러(230)의 양단에 제공되며, 전자기장, 정전기, 압전 소재, 열 등을 이용하여 제2 미러(230)를 일정 주파수로 진동시킬 수가 있다. 제1 토션 축(225)은 제1 미러(220)와 일체로 형성되어 있으며, 일종의 토션 스프링으로서 제1 미러(220)의 뒤틀림에 대한 복원력을 제공한다. 마찬가지로, 제2 토션 축(235)도 제2 미러(230)와 일체로 형성되며, 제2 미러(230)의 뒤틀림에 대한 복원력을 제공할 수 있다.
본 실시예에서는 제1 미러(220), 제2 미러(230), 제1 토션 축(225) 및 제2 토션 축(235)을 동일한 기판 상에서 형성할 수 있으며, 에칭 등을 이용한 종래의 반도체 공정을 응용하여 칩(chip)과 같은 형태로 반사 모듈을 제작할 수가 있다. 칩 형태의 반사 모듈은 케이스 구조(210) 내에 수용되며, 케이스 구조(210)의 상면을 유리 또는 투광성 수지로 구성된 모듈 커버(270)로 덮음으로써 소형화된 미러 패키지(200)를 제작할 수가 있다. 이때, 모듈 커버(270)의 저면에는 반사물질을 코팅하여 고정 미러(260)를 형성할 수 있으며, 고정 미러(260)는 제1 미러(220)로부터 반사된 빛을 제2 미러(230)로 반사시킬 수가 있다. 여기서 고정 미러(260)는 고정된 위치에서 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)를 마주보며, 양 미러와 평행한 자세를 유지하고 있다.
제1 미러(220) 및 제2 미러(230)가 공중에 부양되어 있기 때문에 제1 토션 축(225)을 중심으로 회전할 수 있고, 광원(110)으로부터의 빛을 수평 방향으로 분 해할 수가 있다. 또한, 제2 미러(230)는 제2 토션 축(235)을 중심으로 회전하며, 이미 제1 미러(220)에 의해서 수평 방향으로 분해된 빛을 다시 수직 방향으로 분해하여 2차원적으로 분해할 수가 있다.
일 예로, 광원의 지름이 d이고, 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)가 동일 평면 상에 있으며, 제1 미러(220)로 입사되는 빛의 입사각이 θ이고, 제1 미러(220)가 약 ±Ω의 각도로 움직이며, 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)로부터 고정 미러(260)가 일정 높이(h)만큼 이격되어 있다면, 제2 미러(230)로 진입하는 빛의 궤적은 약 4h*tanΩcosθ+d 정도의 폭을 갖는다. 이는 제2 미러(230)의 크기를 결정하는 요소로서, 미러 패키지(200)의 높이(h)를 작게 함으로써 제2 미러(230)의 크기가 필요 이상 커지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 위와 동일한 조건이고, 제2 미러(230)가 약 Ψ의 각도로 움직이며, 제2 미러(230)와 스크린(미도시)가 거리(H)만큼 이격되어 있다면, 제2 미러(230)를 통해 스크린으로 투사되는 화면의 크기는 가로로 약 4H*tanΩcosθ 정도이고, 세로로 약 2H*tanΨ/(1-tanθtanΨ)정도가 될 수 있다. 즉, 수평 구동각인 Ω 및 수직 구동각인 Ψ에 의해서, 화면의 크기가 결정될 수 있으며, 대체로 구동각을 증가시키면 화면의 크기를 더 크게 할 수가 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 제1 미러(220)는 광원의 지름 정도의 크기 또는 광의 입사각을 고려하여 지름보다 다소 큰 타원형으로 형성될 수 있지만, 제2 미러(230)는 빛의 수평 궤적에 따라 광원의 지름보다 큰 길이를 갖도록 설계되어야 한다. 따라서 동일한 두께에서 제2 미러(230)의 질량이 더 크며, 그만큼 관성 (inertia)도 커지고, 고진동수로 진동시키기가 어려워진다. 그래서 일반적으로 제1 미러(220)는 높은 진동수를 필요로 하는 수평 주사를 위한 용도로 사용되며, 제2 미러(230)는 상대적으로 낮은 진동수를 필요로 하는 수직 주사를 위한 용도로 사용된다.
또한, 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)의 진동수는 화면의 해상도를 결정할 수 있기 때문에, 고화질의 화면을 구현하기 위해서는 진동수가 높고 구동각도가 큰 미러 패키지를 제공할 수 있어야 한다. 특히, 제1 미러(220) 및 제2 미러(230)의 진동수를 증가시키기 위해서는 미러 및 토션 축의 질량이 작아야 하는데, 본 실시예에서는 2개의 미러를 분리하여 각 미러 및 토션 축 질량을 줄이고, 각 미러의 고유 진동수를 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 미러 및 2축의 액츄에이터를 사용하는 종래의 미러 패키지에서는 빛이 입사되는 과정에서 빛의 일부가 모듈 커버로부터 직접 반사되어, 스크린에 직접 투사될 수가 있다. 실제로 이러한 잡광에 의해서 스크린에는 부자연스러운 화소가 만들어질 수 있으며, 잡광의 영향을 제거하기 위해서 빛을 차단할 수 있는 구조물이 필요하다. 하지만, 종래의 미러 패키지에서는 빛의 입구 및 출구 사이의 거리가 매우 짧기 때문에 별도의 구조물을 형성하기가 매우 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 투명한 모듈 커버를 기울여 패키징 하는 방법이 사용되고 있으나, 패키징을 기울어지도록 하는 것은 패키징 단가를 증가시키고 부피를 크게 하는 원인이 되고 있다.
하지만, 본 실시예에 따른 미러 패키지(200)는 고정 미러(260)를 이용하여 적어도 3회 이상 빛을 반사하기 때문에 미러 패키지(200)에서 빛이 입사되는 입구와 빛이 최종적으로 반사되는 출구 간의 거리가 상대적으로 길다. 따라서 미러 패키지(200)에서는 모듈 커버(270)로부터 직접 반사되는 빛의 일부를 차단할 수 있는 구조물을 패키징 외곽에 용이하게 설치할 수 있으며, 굳이 모듈 커버(270)를 기울여 패키징을 할 필요가 없고, 패키징을 더욱 간단하고 저렴하게 할 수가 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 평면도이며, 도 6은 도 5의 광 스캐너 및 미러 패키지를 설명하기 위한 측면도이고, 도 7은 도 5의 광 스캐너 및 미러 패키지의 실제 사용례를 설명하기 위한 측면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 광 스캐너(300)는 빛을 조사하는 광원(310) 및 조사된 빛을 2차원 평면으로 분해하는 미러 패키지(400)를 포함한다. 영상 신호에 따라 변조부는 삼원색과 같은 빛들을 혼합하여 각 화소에 맞는 빛을 생성할 수 있으며, 생성된 빛은 광원(310)을 통해 일렬로 제공된다. 일렬로 조사되는 빛은 미러 패키지(400)를 통해서 수평 및 수직으로 분산되며, 각 화소에 대응되는 빛이 스크린으로 분산되면서 2차원으로 구현된 화면을 제공할 수가 있다.
미러 패키지(400)는 제1 미러(420), 제1 미러(420)를 시소(seesaw)와 같이 진동시키기 위한 제1 진동부재(440), 제1 미러(420)에 인접한 제2 미러(430), 제2 미러(430)를 시소 같이 진동시키기 위한 제2 진동부재(450) 및 제1 미러(420)와 제2 미러(430) 사이에서 반사로 빛을 전달하는 고정 미러(460)를 포함한다. 광원(310)에서 조사된 빛은 제1 미러(420)로 조사된다. 여기서, 제1 미러(420)는 제1 토션 축(425)을 중심으로 진동을 하기 때문에 제1 미러(420)에 의해서 반사된 빛은 제1 토션 축(425)에 수직한 방향으로 분산된다. 또한, 제1 미러(420)에 의해서 반사된 빛은 고정 미러(460)를 통해 제2 미러(430)로 조사된다. 여기서, 제2 미러(430)는 제2 토션 축(435)을 중심으로 진동을 하기 때문에, 제2 미러(430)에 의해서 반사된 빛 역시 제2 토션 축(435)에 수직한 방향으로 분산될 수 있다. 여기서 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)는 2개의 실리콘 층 사이에 절연층이 형성된 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 이용하여 형성될 수 있으며, MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 소형으로 제작될 수가 있다. 제1 토션 축(425)과 제2 토션 축(435) 역시 제1 및 제2 미러(420, 430)과 동시에 형성되며 서로 수직하게 배열되어 광원(310)에서 조사된 빛은 2개의 수직 벡터로 분산시킬 수 있다. 일반적으로 제1 미러(420)를 제1 토션 축(425)에 대해 진동시켜 빛을 수평하게 분해할 수 있으며, 제2 미러(430)를 제2 토션 축(435)에 대해 진동시켜 수평으로 분해된 빛을 다시 수직으로 분해하여 2차원 영상을 제공하거나 2차원 정보를 읽기 위해 빛을 조사할 수가 있다.
도 5를 보면, 미러 패키지(400)에서 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)는 에칭 등을 이용한 미세구조 제작방법을 통해서 제작될 수가 있다. 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)는 실리콘 등을 통해서 제조될 수 있으며, 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)의 상면에 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 크롬(Cr) 등의 금속물질이나 유전층(dielectric layer)을 다층으로 증착하여 빛을 반사시킬 수 있는 기능을 부여할 수 있다.
제1 미러(420) 및 제2 미러(430)는 부양된 구조를 가지며, 각각 일체로 연결된 제1 토션 축(425) 및 제2 토션 축(435)에 의해서 주변 지지 구조물에 고정되어 있다. 제1 미러(420)는 제1 토션 축(425)에 대해 회전 자유도를 가지며, 제1 토션 축(425)을 축으로 시소와 같은 진동 운동을 할 수 있다. 또한, 제2 미러(430)는 제2 토션 축(435)에 대해 회전 자유도를 가지며, 제2 토션 축(435)을 축으로 시소와 같은 진동 운동을 할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 토션 축(425, 435)은 대략 직선 형상으로 형성되어 있지만, 꼬불꼬불한 미앤더 스프링(meander spring) 형상 등 뒤틀림 변형이 가능한 다양한 형상으로 형성될 수가 있다.
제1 토션 축(425)을 중심으로 제1 미러(420)의 양단에는 제1 진동부재(440)가 제공된다. 제1 진동부재(440)는 제1 미러(420)를 소정의 각도 내에서 진동시키기 위한 것으로, 제1 미러(420)와 일체로 형성된 제1 회전자(442) 및 주변 프레임에 형성된 제1 고정자(444)를 포함한다. 본 실시예에서는 제1 회전자(442)는 복수의 외팔보가 나란히 배열된 빗(comb) 구조를 가지며, 제1 미러(420)와 동일한 실리콘 소재로서 SOI 기판의 상층 실리콘 부에 형성된다. 또한, 제1 고정자(444) 역시 외팔보가 나란히 배열된 빗 구조를 가지며 SOI 기판의 하층 실리콘 부에 형성된다. 이때 제1 회전자(442) 및 제1 고정자(444)의 빗 구조는 서로 교호적으로 배치된다. 따라서, 제1 회전자(442) 또는 제1 고정자(444) 중 하나에 교류 전원이 제공되어 수십 kHz의 진동을 수행할 수 있다. 본 실시예에서는 제1 미러(420)의 모서리에 제1 회전자(442)가 형성되어 있지만, 경우에 따라서는 제1 토션 축(425) 또는 제1 미러(420)와 일체로 형성된 별도의 연결 구조를 이용하여 제1 회전자를 형성할 수 있다.
제2 토션 축(435)을 중심으로 제2 미러(430)의 양단에는 제2 진동부재(450)가 제공된다. 제2 진동부재(450) 역시 제2 미러(430)를 소정의 각도 내에서 진동시키기 위한 것으로, 제2 미러(430)와 일체로 형성된 제2 회전자(452) 및 주변 프레임에 형성된 제2 고정자(454)를 포함한다. 제2 회전자(452)도 역시 복수의 외팔보가 나란히 배열된 빗 구조를 가지며, 제2 미러(430)와 동일한 소재로서 SOI 기판의 상층 실리콘 부에 형성된다. 또한, 제2 고정자(454) 역시 제2 회전자(452)와 교호적으로 배치되기 위해서 빗 구조를 가지며 SOI 기판의 하층 실리콘 부에 형성된다. 제2 미러(430)는 수직 미러로서 교류 전원이 제공되어 약 60Hz의 진동을 수행할 수 있다.
본 실시예에서는 제1 미러(420), 제2 미러(430), 제1 토션 축(425) 및 제2 토션 축(435)을 동일한 기판 상에서 동일한 공정을 이용하여 형성할 수 있으며, 에칭 등을 이용한 종래의 반도체 공정을 응용하여 칩(chip)과 같은 형태로 반사 모듈을 제작할 수가 있다. 칩 형태의 반사 모듈은 케이스 구조(410) 내에 수용되며, 케이스 구조(410)의 상면을 유리 또는 투광성 수지로 구성된 모듈 커버(470)로 덮음으로써 소형화된 미러 패키지(400)를 제작할 수가 있다. 이때, 모듈 커버(470)의 저면에는 반사물질을 코팅하여 고정 미러(460)를 형성할 수 있으며, 고정 미러(460)는 제1 미러(420)로부터 반사된 빛을 제2 미러(430)로 반사시킬 수가 있다. 여기서 고정 미러(460)는 고정된 위치에서 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)를 마주보며, 양 미러와 평행한 자세를 유지하고 있다.
제1 미러(420) 및 제2 미러(430)가 공중에 부양되어 있기 때문에 제1 토션 축(425)을 중심으로 회전할 수 있고, 광원(310)으로부터의 빛을 수평 방향으로 분해할 수가 있다. 또한, 제2 미러(430)는 제2 토션 축(435)을 중심으로 회전하며, 이미 제1 미러(420)에 의해서 수평 방향으로 분해된 빛을 다시 수직 방향으로 분해하여 2차원적으로 분해할 수가 있다. 또한, 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)의 몸체를 이루는 실리콘 패턴은 각각 외부와 전기적으로 연결되어 필요한 특성의 전원을 공급 받을 수 있다.
도 7을 참조하면, d는 광원의 지름, θ는 빛의 입사각, Ω는 제1 미러(420)의 회전각, Ψ는 제2 미러(430)의 회전각, h는 미러들(420, 430) 및 고정 미러(460) 간에 수직하게 이격된 거리를 의미한다. 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)가 동일 평면 상에 있으며, 고정 미러(460)를 통해 제2 미러(430)로 진입하는 빛의 궤적은 약 4h*tanΩcosθ+d 정도의 폭을 갖는다. 이는 제2 미러(430)의 크기를 결정하는 요소로서, 제1 미러(420)보다 제2 미러(430)의 길이가 길어야 함을 알 수 있으며, 미러 패키지(400)의 높이(h)를 작게 함으로써 제2 미러(430)의 크기가 필요 이상 커지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 미러들(420, 430)으로부터 일정 거리(H)만큼 이격된 부분에서의 화면 크기는 가로로 약 4H*tanΩcosθ 정도, 세로로 약 2H*tanΨ/(1-tanθtanΨ) 정도로 예상할 수 있다. 즉, 수평 구동각인 Ω 및 수직 구동각인 Ψ에 의해서, 화면의 크기가 결정될 수 있으며, 대체로 구동각을 증가시키면 화면의 크기를 더 크게 할 수가 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 제1 미러(420)는 광원의 지름 정도의 크기 또는 광의 입사각을 고려하여 지름보다 다소 큰 타원형으로 형성될 수 있지만, 제2 미러(430)는 빛의 수평 궤적에 따라 광원의 지름보다 큰 길이를 갖도록 설계되어야 한다. 따라서 제2 미러(430)의 질량이 더 커질 수 있으며, 그만큼 관성(inertia)도 커지고, 고진동수로 진동시키기가 어려워질 수 있다. 그래서 일반적으로 제1 미러(420)는 높은 진동수를 필요로 하는 수평 주사를 위한 용도로 사용되며, 제2 미러(430)는 상대적으로 낮은 진동수를 필요로 하는 수직 주사를 위한 용도로 사용된다. 또한, 제 2 미러는 낮은 진동수로 진동하므로 동적인 변형량이 작기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 미러(430)의 두께를 제1 미러(420)보다 얇게 제작하여 질량을 줄일 수 있으며, 제2 미러(430)의 주파수 특성을 향상시킬 수가 있다.
또한, 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)의 진동수는 화면의 해상도를 결정할 수 있기 때문에, 고화질의 화면을 구현하기 위해서는 진동수가 높은 미러 패키지를 제공할 수 있어야 한다. 특히, 제1 미러(420) 및 제2 미러(430)의 진동수를 증가시키기 위해서는 미러 및 토션 축의 질량이 작아야 하는데, 본 실시예에서는 2개의 미러를 분리하여 각 미러 및 토션 축 질량을 줄이고, 각 미러의 고유 진동수를 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 미러 패키지(400)는 고정 미러(460)를 이용하여 적어도 3회 이상 빛을 반사하기 때문에 미러 패키지(400)에서 빛이 입사되는 입구와 빛이 최종적으로 반사되는 출구 간의 거리가 상대적으로 길게 할 수 있다. 따라서 미러 패키지(400)에서는 모듈 커버(470)로부터 직접 반사되는 빛을 차단하기 위한 구조물이 불필요하며 설령 필요하더라도 그 구조물을 용이하게 설치할 수 있으며, 굳이 모듈 커버(470)를 기울여 패키징을 할 필요가 없고, 패키징을 더욱 간단하고 저렴하게 할 수가 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 광 스캐너 및 미러 패키지는 MEMS 기술을 이용하여 소형화가 가능하며, 제1 미러 및 제2 미러를 구성하는 셀을 분리함으로써 진동하는 회전체의 크기를 더 축소시킬 수 있다.
또한, 각 셀의 소형화가 가능하기 때문에 제1 미러 및 제2 미러의 질량을 줄일 수 있으며, 질량을 감소시키는 만큼 고주파수 설계가 가능하다는 장점이 있다. 진동수를 수~수십 kHz에서 60Hz까지 다양한 설계가 가능하고, 고주파수 설계를 통해 우수한 화질의 디스플레이 장치를 제작할 수가 있다.
또한, 종래의 2축 구동 액츄에이터와는 달리, 제1 및 제2 미러가 상호 분리되어 있기 때문에 전극 구조를 간단하게 유지할 수 있으며, 전극 구조를 전기적으로 연결함에 있어 복잡함 없이 간단하게 광 스캐너 등을 제작할 수 있다.
또한, 고정 미러를 통해서 미러 패키지로 빛이 입사되는 입구와 최종적으로 반사되는 빛이 투사되는 출구 간의 거리를 용이하게 조절할 수 있으며, 그 위에 차단 구조물을 아예 형성하지 않거나 형성하더라도 매우 용이하게 형성할 수가 있다. 따라서, 모듈 커버의 입구 측에서 투광벽으로부터 바로 반사되는 잡광이 발생할 수 있는데, 본 발명에서는 이 잡광과 출구를 통해 투사되는 빛을 용이하게 분리시킬 수 있다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 패키징을 기울여야 했지만, 본 발명에서는 기울임 없이도 양호한 결과를 얻을 수 있어 제작 비용을 절약할 수 있다.
또한, 하나의 미러를 2축으로 구동하기 위한 칩(chip) 사이즈보다 약 30% 정도 작은 사이즈를 가질 수가 있기 때문에, 웨이퍼 당 얻을 수 있는 칩의 개수가 약 43% 정도 증가할 수가 있다. 게다가, 칩의 구조를 간단하게 할 수 있어 불량률을 감소시킬 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 미러 패키지에서 칩에서 발생할 수 있는 누설 전류가 거의 없어 절연층(SiO2)의 두께를 더 얇게 유지할 수 있으며, 절연층의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에 공정의 난이도를 더욱 감소시킬 수가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (16)
- 광원;제1 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지며, 상기 광원으로부터 조사된 광을 반사하는 제1 미러;상기 제1 미러를 일정 주기로 진동시키는 제1 진동수단;상기 제1 미러에 인접하게 위치하며, 상기 제1 토션 축과 교차하거나 어긋나게 배열된 제2 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지는 제2 미러;상기 제2 미러를 일정 주기로 진동시키는 제2 진동수단;상기 제1 미러에 의해서 반사된 광을 상기 제2 미러로 반사하는 고정 미러;를 구비하는 광 스캐너.
- 제1항에 있어서,상기 제1 미러 및 제2 미러는 동일 평면에 형성되고, 상기 고정 미러는 상기 제1 미러 및 제2 미러를 마주보며 상기 제1 미러로부터 반사된 광을 상기 제2 미러로 반사시키는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
- 제1항에 있어서,상기 제1 진동수단은 상기 제1 토션 축을 중심으로 상기 제1 미러의 양측에서 빗 구조로 형성된 제1 회전자 및 상기 제1 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되 고 상기 제1 회전자와 교호적으로 배치된 제1 고정자를 포함하고,상기 제2 진동수단은 상기 제2 토션 축을 중심으로 상기 제2 미러의 양측에서 빗 구조로 형성된 제2 회전자 및 상기 제2 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되고 상기 제2 회전자와 교호적으로 배치된 제2 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
- 제1항에 있어서,상기 제1 및 제2 진동수단은 전자기력, 정전기력, 압전현상 또는 열을 이용하여 상기 제1 및 제2 미러를 각각 진동시키는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
- 제1항에 있어서,상기 제2 미러는 상기 제1 토션 축에 수직한 방향으로 연장된 형상을 가지며, 상기 제2 미러의 두께가 상기 제1 미러의 두께보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
- 광원;기판, 상기 기판으로부터 부양된 구조를 가지며 제1 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지는 수평 미러 및 상기 기판으로부터 부양된 구조를 가지며 상기 제1 토션 축에 수직한 제2 토션 축에 대해 회전 자유도를 가지는 수직 미러를 포함하는 반사 모듈;상기 수평 미러를 일정 주파수로 진동시키는 수평 진동수단;상기 수직 미러를 상기 수평 미러보다 상대적은 낮은 주파수로 진동시키는 수직 진동수단; 및상기 반사 모듈의 상부에 제공되는 투광 벽 및 상기 투광 벽에서 상기 수평 미러 및 수직 미러를 마주보며 형성된 반사 코팅을 포함하는 모듈 커버;를 구비하는 광 스캐너.
- 제6항에 있어서,상기 수평 진동수단은 상기 제1 토션 축을 중심으로 상기 제1 미러의 양측에서 빗 구조로 형성된 제1 회전자 및 상기 제1 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되고 상기 제1 회전자와 교호적으로 배치된 제1 고정자를 포함하고,상기 수직 진동수단은 상기 제2 토션 축을 중심으로 상기 제2 미러의 양측에서 빗 구조로 형성된 제2 회전자 및 상기 제2 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되고 상기 제2 회전자와 교호적으로 배치된 제2 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
- 제6항에 있어서,상기 수직 미러의 두께가 상기 수평 미러의 두께보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
- 광원으로부터 조사된 빛을 2차원으로 반사시키는 미러 패키지에 있어서,제1 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지며, 상기 광원으로부터 조사된 광을 반사하는 제1 미러;상기 제1 미러를 일정 주기로 진동시키는 제1 진동수단;상기 제1 미러에 인접하게 위치하며, 상기 제1 토션 축과 교차하거나 어긋나게 배열된 제2 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지는 제2 미러;상기 제2 미러를 일정 주기로 진동시키는 제2 진동수단; 및상기 제1 미러에 의해서 반사된 광을 상기 제2 미러로 반사하는 고정 미러;를 구비하는 미러 패키지.
- 제9항에 있어서,상기 제1 미러 및 제2 미러는 동일 평면에 형성되고, 상기 고정 미러는 상기 제1 미러 및 제2 미러를 마주보며 상기 제1 미러로부터 반사된 광을 상기 제2 미러로 반사시키는 것을 특징으로 하는 미러 패키지.
- 제9항에 있어서,상기 제1 진동수단은 상기 제1 토션 축을 중심으로 상기 제1 미러의 양측에서 빗 구조로 형성된 제1 회전자 및 상기 제1 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되고 상기 제1 회전자와 교호적으로 배치된 제1 고정자를 포함하고,상기 제2 진동수단은 상기 제2 토션 축을 중심으로 상기 제2 미러의 양측에 서 빗 구조로 형성된 제2 회전자 및 상기 제2 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되고 상기 제2 회전자와 교호적으로 배치된 제2 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미러 패키지.
- 제9항에 있어서,상기 제1 및 제2 진동수단은 전자기력, 정전기력, 압전현상 또는 열을 이용하여 상기 제1 및 제2 미러를 각각 진동시키는 것을 특징으로 하는 미러 패키지.
- 제9항에 있어서,상기 제2 미러는 상기 제1 토션 축에 수직한 방향으로 연장된 형상을 가지며, 상기 제2 미러의 두께가 상기 제1 미러의 두께보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 미러 패키지.
- 광원으로부터 조사된 빛을 2차원으로 반사시키는 미러 패키지에 있어서,상면이 개방된 패키지 케이스;상기 패키지 케이스에 수용되는 기판, 상기 기판으로부터 부양된 구조를 가지며 제1 토션 축에 대한 회전 자유도를 가지는 수평 미러 및 상기 기판으로부터 부양된 구조를 가지며 사기 제1 토션 축에 수직한 제2 토션 축에 대해 회전 자유도를 가지는 수직 미러를 포함하는 반사 모듈;상기 수평 미러를 일정 주파수로 진동시키는 수평 진동수단;상기 수직 미러를 상기 수평 미러보다 상대적은 낮은 주파수로 진동시키는 수직 진동수단; 및상기 패키지 케이스의 상면을 덮는 투광 벽 및 상기 투광 벽에서 상기 수평 미러 및 수직 미러를 마주보며 형성된 반사 코팅을 포함하는 모듈 커버;를 구비하는 미러 패키지.
- 제14항에 있어서,상기 수평 진동수단은 상기 제1 토션 축을 중심으로 상기 제1 미러의 양측에서 빗 구조로 형성된 제1 회전자 및 상기 제1 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되고 상기 제1 회전자와 교호적으로 배치된 제1 고정자를 포함하고,상기 수직 진동수단은 상기 제2 토션 축을 중심으로 상기 제2 미러의 양측에서 빗 구조로 형성된 제2 회전자 및 상기 제2 회전자에 대응하여 빗 구조로 형성되고 상기 제2 회전자와 교호적으로 배치된 제2 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미러 패키지.
- 제14항에 있어서,상기 수직 미러의 두께가 상기 수평 미러의 두께보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 미러 패키지.
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