KR100861623B1 - 진동형 회절 광변조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변조 유닛별 진동형 회절 광변조기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 회절의 한 단위를 이루는 마이크로미러 픽셀 유닛을 소정 주파수로 진동시킴으로써 필요한 픽셀 유닛수를 줄일 수 있는 개선된 진동형 회절 광변조기에 관한 것이다.

본 발명의 픽셀 유닛별 진동형 광 변조기는, 인가되는 전압에 따라 입사된 광을 회절시켜 피사체로 전달하는 다수의 마이크로미러 픽셀 유닛; 상기 다수의 마이크로미러 픽셀 유닛을 지지하는 서브 기판; 상기 서브 기판에 고정되어 인가되는 전압에 따라 소정 주파수로 상기 마이크로미러 픽셀 유닛을 진동시키는 다수의 진동 유닛; 및 상기 다수의 진동 유닛들을 지지하는 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

진동, 광변조기, 회절

Description

진동형 회절 광변조기{Vibrating diffractive optical modulator}

도 1은 종래 기술의 정전기 방식 격자 광 변조기를 도시하는 도면.

도 2는 종래 기술의 정전기 방식 격자 광 변조기가 변형되지 않는 상태에서 입사광을 반사시키는 것을 도시하는 도면.

도 3은 종래 기술의 격자 광 변조기가 정전기력에 의해 변형된 상태에서 입사광을 회절시키는 것을 도시하는 도면.

도 4는 종래 개선된 기술에 따른 컬럼형 정전기 방식 회절격자 광 밸브의 측면도.

도 5는 종래 개선된 기술에 따른 단일 디스플레이 엘리먼트에 해당하는 6개의 가늘고 긴 엘리먼트를 포함하는 GLV(Grating Light Velve) 일부의 평면도.

도 6은 종래 개선된 기술에 따른 변형되지 않은 상태에서 입사광을 반사시키는 6개의 가늘고 긴 엘리먼트를 포함하는 GLV의 디스플레이 엘리먼트의 정면도.

도 7은 종래 개선된 기술에 따른 정전기력에 의해 변형된 상태에서 입사광을 회절시키는 6개의 가늘고 긴 엘리먼트를 교대로 가진 GLV의 디스플레이 엘리먼트의 정면도.

도 8a 내지 도 8c는 종래 개선된 기술의 일실시예에 따른 변형되지 않은 압 전 재료를 가지고 있는 다양한 형태의 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러의 측면도.

도 9a 내지 도 9c는 종래 개선된 기술의 일실시예에 따른 변형된 후의 압전 재료를 가지고 있는 다양한 형태의 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러의 측면도.

도 10a는 및 도 10b는 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러가 동일 또는 다른 치수로 교대로 배치된 디스플레이 엘리멘트의 정면도이며, 도 10c는 함몰부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러가 일정 폭을 가지면서 배치된 디스플레이 엘리멘트의 정면도.

도 11a 내지 도 11c는 변형되지 않은 압전 재료를 가지고 있는 다양한 형태의 도출부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러의 측면도.

도 12a 내지 도 12c 변형된 후의 압전 재료를 가지고 있는 다양한 형태의 도출부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러의 측면도.

도 13a 및 도 13b는 도출부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러가 동일 또는 다른 폭으로 교대로 배치된 디스플레이 엘리멘트의 정면도이며, 도 13c는 도출부를 가진 회절형 박막 압전 마이크로 미러가 일정폭을 가지면서 배치된 디스플레이 엘리멘트의 정면도.

도14a는 본 발명에 따른 박막형 진동 회절 광변조기 어레이의 단면을 나타내고, 도14b는 본 발명에 따른 박막형 진동 회절 광변조기 어레이의 동작을 나타낸다.

도15a 및 도15b는 본 발명의 진동형 회절 광변조기에 의한 스캐닝 동작을 나타낸다.

도16a는 본 발명에 따른 또다른 실시예로서 정전 구동에 의해 진동하는 픽셀 유닛별 진동형 회절 광변조기 어레이(1600)의 단면을 나타내고, 도16b는 도16a의 측단면도를 나타낸다.

도17a는 본 발명에 따른 또다른 실시예로서 정전 구동에 의해 진동하는 픽셀 유닛별 진동형 회절 광변조기 어레이(1600)의 단면을 나타내고, 도17b는 도17a의 측단면도를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

1400,1600,1700 : 광변조기 1401,1601,1701 : 상부전극

1402,1602,1702 : 압전재료층 1403,1603,1703 : 하부전극

1404 : 액추에이팅 셀 1405 : 마이크로미러 픽셀 유닛

1406 : 압전소자 1407 : 불변소자

1408 : 절연층 1409 : 진동 유닛

1410 : 기판 1411 : +1차 회절광

1412 : 0차 회절광 1413 : -1차 회절광

1414 : 서브 기판 1415,1416 : 픽셀

본 발명은 진동형 회절 광변조기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 회절의 한 단위를 이루는 마이크로미러 픽셀 유닛을 소정 주파수로 진동시킴으로써 필요한 픽셀 유닛수를 줄일 수 있는 개선된 진동형 회절 광변조기에 관한 것이다.

일반적으로, 광신호처리는 많은 데이타 양과 실시간 처리가 불가능한 기존의 디지탈 정보처리와는 달리 고속성과 병렬처리 능력, 대용량의 정보처리의 장점을 지니고 있으며, 공간 광변조이론을 이용하여 이진위상 필터 설계 및 제작, 광논리게이트, 광증폭기 등과 영상처리 기법, 광소자, 광변조기 등의 연구가 진행되고 있다. 이중 공간 광변조기는 광메모리, 광디스플레이, 프린터, 광인터커넥션, 홀로그램 등의 분야에 사용되며, 이를 이용한 표시장치의 개발 연구가 진행되고 있다.

이러한 공간 광변조기로는 일예로 도 1에 도시된 바와 같은 반사형 변형 가능 격자 광변조기(10)이다. 이러한 변조기(10)는 블룸 등의 미국특허번호 제 5,311,360호에 개시되어 있다. 변조기(10)는 반사 표면부를 가지며 실리콘 기판(16) 상부에 부유(suspended)하는 다수의 일정하게 이격하는 변형 가능 반사형 리본(18)을 포함한다. 절연층(11)이 실리콘 기판(16)상에 증착된다. 다음으로, 희생 이산화실리콘 막(12) 및 저응력 질화실리콘 막(14)의 증착이 후속한다. 질화물 막(14)은 리본(18)으로부터 패터닝되고 이산화실리콘 막(12)의 일부가 에칭되어 리본(18)이 질화물 프레임(20)에 의해 이산화실리콘 막(12)상에 유지되도록 한다. 단일 파장 λ₀를 가진 광을 변조시키기 위해, 변조기는 리본(18)의 두께와 이산화실리콘 막(12)의 두께가 λ₀/4가 되도록 설계된다.

리본(18)상의 반사 표면(22)과 실리콘 기판(16)의 반사 표면 사이의 수직 거리 d로 한정된 이러한 변조기(10)의 격자 진폭은 리본(18)(제 1 전극으로서의 역할을 하는 리본(18)의 반사 표면(22))과 실리콘 기판(16)(제 2 전극으로서의 역할을 하는 실리콘 기판(16) 하부의 전도막(24)) 사이에 전압을 인가함으로써 제어된다. 변형되지 않은 상태에서, 즉, 어떠한 전압도 인가되지 않은 상태에서, 격자 진폭은 λ₀/2와 같고, 리본과 기판으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 λ₀와 같아서, 이러한 반사광에 위상을 보강시킨다. 따라서, 변형되지 않은 상태에서, 변조기(10)는 평면거울로서 광을 반사한다. 변형되지 않은 상태가 입사광과 반사광을 도시하는 도 2에 20으로서 표시된다.

적정 전압이 리본(18)과 실리콘 기판(16) 사이에 인가될 때, 정전기력이 리본(18)을 실리콘 기판(16) 표면 방향으로 다운(down) 위치로 변형시킨다. 다운 위치에서, 격자 진폭은 λ₀/4와 같게 변한다. 전체 경로차는 파장의 1/2이고, 변형된 리본(18)으로부터 반사된 광과 실리콘 기판(16)으로부터 반사된 광이 상쇄 간섭을 하게 된다. 이러한 간섭의 결과, 변조기는 입사광(26)을 회절시킨다. 변형된 상태가 +/- 회절모드(D+1, D-1)로 회절된 광을 도시하는 도 3에 각각 28과 30으로 표시된다.

리본(18) 하부에 공간을 형성하는데 사용되는 습식 공정 동안 그리고 변조기(10)의 동작 동안 리본(18)과 실리콘 기판(16) 사이의 부착이 이러한 장치에서 큰 문제점인 것으로 판명되었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 개선된 종래 기술로는 실리콘 라이트 머신즈사의 국내 출원번호 10-2000-7014798의 "2차원 이미지를 형성하기 위해 입사광 빔을 변조시키는 방법 및 장치"가 있다.

개시된 "2차원 이미지를 형성하기 위해 입사광 빔을 변조시키는 방법 및 장치"에 있어 회절격자 광 밸브는 반사표면을 각각 가진 다수의 가늘고 긴 엘리먼트를 포함한다. 가늘고 긴 엘리먼트는 기판 상부에서 상호 평행하고, 지지되는 단부를 가지며 인접 반사 표면의 열(GLV 어레이)을 형성하도록 정렬한다. 가늘고 긴 엘리먼트는 디스플레이 엘리먼트에 따라 그룹을 형성한다. 각각의 그룹이 교대하여 기판에 대해 전압을 인가함으로써 변형된다. 각각의 변형된 가늘고 긴 엘리먼트의 거의 평면인 중심부는 각각의 변형되지 않은 엘리먼트의 중심부로부터 미리 설정된 거리로 실질적으로 평행하다. 미리 설정된 거리는 변형되지 않은 반사표면과 기판 사이의 거리의 1/3 내지 1/4로 선택되어 변형된 가늘고 긴 엘리먼트가 기판의 표면과 접촉하지 않도록 한다. 기판과의 접촉을 방지함으로써 가늘고 긴 엘리먼트가 기판과 부착되는 것이 방지된다. 추가로, 미리 설정된 거리를 제한함으로써 가늘고 긴 엘리먼트를 변형시키는 히스테리시스를 방지한다.

도 4는 개선된 종래 기술에 따른 변형되지 않은 상태에서 GLV의 가늘고 긴 엘리먼트(100)의 측단면도를 도시한다. 도 4에서, 가늘고 긴 엘리먼트(100)는 그 단부에 의해 기판(구성층 포함) 표면 상에 부유된다. 도 4에서 도면부호 102는 이격 공간을 나타낸다.

도 5은 6개의 가늘고 긴 엘리먼트(100)를 포함하는 GLV의 일부의 평면도를 도시한다. 가늘고 긴 엘리먼트(100)는 동일한 폭을 가지며 서로에 대해 평행하게 배치된다. 가늘고 긴 엘리먼트(100)는 작은 스페이스로 서로에 대해 분리되고, 이에 따라 각각의 가늘고 긴 엘리먼트(100)가 다른 엘리먼트에 대해 선택적으로 변형될 수 있도록 한다.

도 6은 변형되지 않은 가늘고 긴 엘리먼트(100)를 가진 디스플레이 엘리먼트(100)의 정면도를 도시한다. 도 6에 도시된 도면은 도 4에 도시된 선 A-A'를 따라 절취한 것이다. 변형되지 않는 상태는 도전체층(106)에 대해 각각의 가늘고 긴 엘리먼트(100)상의 바이어스를 이퀄라이징함으로써 선택된다. 가늘고 긴 엘리먼트(100)의 반사 표면이 실질적으로 공동-평탄(co-planar)하기 때문에, 가늘고 긴 엘리먼트(100)에 입사하는 광은 반사된다.

도 7은 변형된 가늘고 긴 엘리먼트(100)가 교대로 배치된 디스플레이 엘리먼트(200)의 정면도를 도시한다. 도 7에서 도시된 도면은 도 4에 도시된 선 A-A'를 따라 절취한 것이다. 실질적으로 제거되지 않은 가늘고 긴 리본이 인가된 바이어스 전압에 의해 원하는 위치에 유지된다. 이동하는 가늘고 긴 리본내 변형된 상태는 도전체층(106)에 대해 가늘고 긴 엘리먼트(100)에 교대로 구동 전압을 인가함으로써 달성된다. 수직 거리 d1은 대략적으로 평면이 이격 공간(102)에 대해 거의 일정하고, 이에 따라 GLV의 격자 진폭을 한정한다. 격자 진폭 d1은 구동된 가늘고 긴 엘리먼트(100)상의 구동 전압을 조정함으로써 조정될 수 있다. 이는 최적의 콘트라스트 비로 GLV의 정밀한 튜닝을 가능케 한다.

그러나, 실리콘 라이트 머신즈사의 광변조기는 마이크로 미러의 위치 제어를 위해서 정전기 방식을 이용하는데, 이의 경우 동작 전압이 비교적 높으며(보통 30V 내외) 인가전압과 변위의 관계가 선형적이지 않은 등의 단점이 있어 결과적으로 광을 조절하는데 신뢰성이 높지 않는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 국내 특허출원번호 제 P2003-077389호에는 박막 압전 광변조기 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

도 8a 내지 8c는 개선된 기술에 따른 함몰형 박막 압전 광변조기의 절단면도이다.

도 8a를 참조하면, 개선된 기술의 일실시예에 따른 함몰형 박막 압전 광변조기는 입사되는 빛을 반사하여 회절시키기 위한 마이크로 미러층(1015a)을 가지며 실리콘 기판(1001a)의 함몰부에 부유하는 엘리멘트(1010a)를 포함한다.

이러한 엘리멘트(1010a)는 도 10a에 도시된 바와 같이 일정한 폭을 가지며 다수가 일정하게 정렬하여 함몰형 박막 압전 광변조기를 구성한다. 또한, 이러한 엘리멘트(1010a)는 도 10b에 도시된 바와 같이 서로 다른 폭을 가지며 교번하여 정렬하여 함몰형 박막 압전 광변조기를 구성한다. 또한, 이러한 엘리멘트(1010a)는 도 10c에 도시된 바와 같이 일정간격(거의 엘리멘트(1010a)의 폭과 같은 거리)을 두고 이격되어 위치할 수 있으며 이 경우에 실리콘 기판(1001a)의 상면의 전부에 마이크로 미러층(1015a)이 적층되어 입사된 빛을 반사하여 회절시킨다.

실리콘 기판(1001a)은 엘리멘트(1010a)에 이격 공간을 제공하기 위하여 함몰부를 구비하고 있으며, 절연층(1002a)이 상부 표면에 증착되어 있고, 함몰부의 양측에 엘리멘트(1010a)의 단부가 부착되어 있다.

엘리멘트(1010a)는 막대 형상을 하고 있으며 중앙부분이 실리콘 기판(1001a)의 함몰부에 이격되어 위치하도록 양끝단의 하면이 각각 실리콘 기판(1001a)의 함몰부를 벗어난 양측지역에 부착되어 있고, 마이크로 미러층(1015a)이 상부에 적층되어 있으며, 실리콘 기판(1001a)의 함몰부에 위치한 부분이 상하로 이동가능한 하부지지대(1011a)를 포함한다.

또한, 엘리멘트(1010a)는 하부지지대(1011a)에 적층되어 있으며, 압전 전압을 제공하기 위한 하부전극층(1012a)과, 하부전극층(1012a)에 적층되어 있으며 양면에 전압이 인가되면 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 압전 재료층(1013a)과, 압전 재료층(1013a)에 적층되어 있으며 압전재료층(1013a)에 압전 전압을 제공하는 상부 전극층(1014a)과, 상부전극층(1014a)에 적층되어 있으며 입사되는 빔을 반사하여 회절시키기 위한 마이크로 미러층(1015a)을 포함하고 있다.

엘리멘트(1010a)는 상부전극층(1014a)과 하부전극층(1012a)에 전압이 인가되는 경우에 도 9a에 도시된 바와 같이 아래로 다운되어 입사되는 빛을 반사하여 회절시킬 수 있게 된다.

그리고, 도 8b 및 9b를 참조하면, 압전재료층(1013b, 1013b')이 양측면에 위치하여 상하 구동력을 발생하고 있음을 알 수 있으며, 도 8c 및 9c를 참조하면 압전재료층(1013c)이 중앙 부위에 위치하여 상하 구동력을 발생하고 있음을 알 수 있다.

도 11a 내지 11c 는 개선된 기술에 따른 도출형 박막 압전 광변조기의 절단 면도이다.

도 11a를 참조하면, 개선된 기술의 일실시예에 따른 도출형 박막 압전 광변조기는 함몰형 박막 압전 광변조기와 달리 엘리멘트(2010a)의 하부지지대(2011a)가 실리콘 기판(2001a)으로부터 도출되어 이격 공간을 제공하며, 그 결과 엘리멘트(2010a)는 상하로 이동가능하다.

즉, 엘리멘트(2010a)는 입사되는 빛을 반사하여 회절시키기 위한 마이크로 미러층(2015a)을 가지며 실리콘 기판(2001a)의 도출부에 부유하여 상하로 이동가능하다.

이러한 엘리멘트(2010a)는 도 13a에 도시된 바와 같이 일정한 폭을 가지며 다수가 일정하게 정렬하여 함몰형 박막 압전 광변조기를 구성한다. 또한, 이러한 엘리멘트(2010a)는 도 13b에 도시된 바와 같이 서로 다른 폭을 가지며 교번하여 정렬하여 함몰형 박막 압전 광변조기를 구성한다. 또한, 이러한 엘리멘트(2010a)는 도 13c에 도시된 바와 같이 일정간격(거의 엘리멘트(2010a)의 폭과 같은 거리)을 두고 이격되어 위치할 수 있으며 이 경우에 실리콘 기판(2001a)의 상면의 전부에 마이크로 미러층(2015a)이 적층되어 입사된 빛을 반사하여 회절시킨다.

엘리멘트(2010a)의 하부지지대(2011a)는 엘리멘트(2010a)에 이격 공간을 제공하기 위하여 도출되어 있으며, 양측의 단부가 실리콘 기판(2001a)에 부착되어 있다.

엘리멘트(2010a)는 막대 형상을 하고 있으며 중앙부분이 실리콘 기판(2001a)으로부터 도출하여 이격되어 위치하고 양끝단의 하면이 각각 실리콘 기판(2001a)에 부착되어 있고, 마이크로 미러층(2015a)이 상부에 적층되어 있으며, 실리콘 기판(2001a)의 함몰부에 위치한 부분이 상하로 이동가능한 하부지지대(2011a)를 포함한다.

또한, 엘리멘트(2010a)는 하부지지대(2011a)에 적층되어 있으며, 압전 전압을 제공하기 위한 하부전극층(2012a)과, 하부전극층(2012a)에 적층되어 있으며 양면에 전압이 인가되면 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 압전 재료층(2013a)과, 압전 재료층(2013a)에 적층되어 있으며 압전재료층(2013a)에 압전 전압을 제공하는 상부 전극층(2014a)과, 상부전극층(2014a)에 적층되어 있으며 입사되는 빔을 반사하여 회절시키기 위한 마이크로 미러층(2015a)을 포함하고 있다.

엘리멘트(2010a)는 상부전극층(2014a)과 하부전극층(2012a)에 전압이 인가되는 경우에 도 12a에 도시된 바와 같이 아래로 다운되어 입사되는 빛을 반사하여 회절시킬 수 있게 된다.

그리고, 도 11b 및 12b를 참조하면, 압전재료층(2013b, 2013b')이 양측면에 위치하여 상하 구동력을 발생하고 있음을 알 수 있으며, 도 11c 및 12c를 참조하면 압전재료층(2013c)이 중앙 부위에 위치하여 상하 구동력을 발생하고 있음을 알 수 있다.

한편, 블룸, 삼성전기 등의 특허에서 기술한 종류의 광변조기는 이미지를 디스플레이하기 위한 구조물을 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 그리고, 이때 최소 인접한 2개의 엘리멘트가 하나의 화소를 형성할 수 있다. 물론, 3개를 하나의 픽셀로 하거나, 4개를 하나의 픽셀로 하거나, 6개를 하나의 픽셀로 할 수도 있다. 회절광만을 검출하는 광학 시스템을 디스플레이가 가질 경우, 리본 등의 엘리멘트에 전압이 인가되지 않아 리본등이 상부 위치를 유지할 때 화소는 어두운 상태, 즉 오프되며 리본등에 전압이 인가되어 리본등이 기판으로 하방향으로 당겨질 때 화소는 밝은 상태 즉, 온된다. 디스플레이 시스템을 설계하는 가장 중요한 문제는 어두운 화소와 밝은 화소 사이의 대비도(contrast ratio)이다. 또한, 디스플레이 시스템을 설계하는 가장 중요한 문제는 최근의 전자제품의 소형화와 고집적화의 경향에 비추어 보았을 때 초소형화와 고집적화를 달성하는 것이다.

그러나, 블룸, 삼성전기 등의 특허에서 기술한 종류의 광변조기는 소형화를 달성하는데 일정한 한계를 가지고 있다. 즉, 광변조기의 엘리멘트의 폭은 아무리 작게 하여도 3um 이하로 할 수 없으며, 엘리멘트와 엘리멘트의 간격은 0.5um이하로 작게할 수 없는 한계가 있다.

다수개의 픽셀 어레이를 스캐닝하기 위해서는 그와 동일한 수의 픽셀 유닛을 구비한 광 변조기가 요구된다. 그러나, 이러한 방식은 고가의 픽셀 유닛을 많이 요구하므로 비효율적이다.

따라서, 위와 같은 문제를 해결하기 위해 적은 수의 픽셀 유닛으로도 다수의 픽셀을 스캐닝할 수 있는 효율이 높은 광 변조기가 요구된다.

본 발명의 목적은 스캐닝에 필요한 픽셀 유닛 수를 획기적으로 줄일 수 있는 진동형 회절 광변조기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 진동형 회절 광변조기는, 인가되는 전압에 따라 입사된 광을 회절시키는 다수의 마이크로미러 픽셀 유닛; 인가되는 전압에 따라 소정 주파수로 상기 마이크로미러 픽셀 유닛을 진동시키는 다수의 진동 유닛; 및 상기 서브기판들을 지지하는 기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도14a는 본 발명에 따른 박막형 진동 회절 광변조기 어레이(1400)의 단면을 나타내고, 도14b는 본 발명에 따른 박막형 진동 회절 광변조기 어레이(1400)의 동작을 나타낸다.

도14a 및 도14b는 본 발명의 일 실시예로서 압전/전왜 구동에 의한 픽셀 유닛(1405)을 도시하고 있다. 픽셀 유닛(1405)은 다수개의 액추에이팅 셀(1404)로 구성되며, 여기에서는 4개의 액추에이팅 셀(1404)로 구성된 예를 도시하고 있다.

광 변조기 픽셀 유닛(1405)은 입사된 단일빔(1415) 형태의 선형광을 회절시켜 소정의 회절계수를 갖는 회절빔을 형성한 피주사체로 주사시키는 것으로서, 회절된 광은 0차 회절빔(1411) 및 ±1차 회절빔(1412,1413)을 포함한다.

본 발명에 따른 진동 회절형 광변조기(1400)는, 도 14a에 도시된 바와 같이, 인가되는 전압에 따라 입사된 광을 회절시켜 피사체로 전달하는 다수의 마이크로미러 픽셀 유닛(1405), 인가되는 전압에 따라 소정 주파수로 상기 마이크로미러 픽셀 유닛을 진동시키는 다수의 진동 유닛(1409), 및 상기 다수의 진동 유닛(1409)들을 지지하는 기판(1410)을 포함하여 구성된다.

상기 각 픽셀 유닛(1405)은 다수의 액추에이팅 셀(1404)로 구성되며 상기 액추에이팅 셀(1404)은 각각 전압을 인가하기 위한 상부 전극층(1401), 하부 전극층(1403) 및 인가된 전압에 따라 수축 또는 팽창하는 압전 재료층(1402)으로 구성되고, 외부로부터 인가되는 구동 전원에 의해 상하로 구동된다. 상기 상부 전극층(1401)은 전압을 인가하는 동시에 광을 반사시키는 마이크로미러 역할도 한다.

진동 유닛(1409)은 중앙 부분에 이격 공간을 제공하기 위한 함몰부가 형성되어 있는 소정 서브기판(1414), 상기 서브 기판(1414) 상에 형성되어 있는 절연층(1408) 및 불변 소자(1406) 및 압전 소자(1407)로 구성된 압전 진동자로 구성된다.

상기 각 픽셀 유닛(1405)은 상기 압전 진동자에 의해 상기 기판(1410)에 고정된다. 미도시된 전극을 통해 상기 압전 소자(1407)에 소정의 전압이 인가되면 인가 전압에 따라 압전 소자(1407)의 길이가 늘어나거나 줄어들려고 하지만 불변소자(1406)는 그 길이가 변화하지 않기 때문에 압전 진동자가 좌우로 진동하게 된다. 이 진동에 의해 픽셀 유닛(1405)은 도14b의 화살표 방향으로 진동을 하게 된다.

이러한 진동에 의해 회절된 광(1411,1412,1413)은 실선으로 도시된 광 및 점선으로 도시된 광을 교대로 스캐닝하게 된다.

도15a 및 도15b는 본 발명의 진동형 회절 광변조기에 의한 스캐닝 동작을 나타낸다.

도15a에 도시된 바와 같이, 예컨대 횡으로 놓인 720개의 픽셀 어레이를 스캐닝할 때 광변조기의 각 픽셀 유닛(1405)을 상하로 진동시켜 피사체의 2개의 픽셀을 스캐닝하도록 하면 종래에 필요한 픽셀수의 절반인 360개의 픽셀 유닛(1405)을 갖는 광 변조기로도 720개의 픽셀 어레이를 스캐닝할 수 있다.

즉, 도15a의 빗금친 픽셀과 빗금이 없는 사각형을 빠른 속도로 번갈아 가며 스캐닝하도록 하게 되면, 각각 하나의 픽셀 유닛으로 스캐닝하는 것과 동일한 효과를 가져온다. 또한, 하나의 픽셀 유닛을 진동시켜 3개 또는 그 이상의 픽셀을 스캐닝하도록 진동하면 그 이하의 픽셀 유닛으로도 픽셀 어레이를 스캐닝할 수 있다.

이와 같이 진동에 의해 픽셀 유닛(1405)이 하나 또는 그 이상의 픽셀 주사 위치 사이를 소정 주파수로 빠르게 스위칭함으로써 하나의 픽셀 유닛이 두 개 이상의 픽셀 유닛(1405)을 대체할 수 있다.

또한, 도15b에 도시된 바와 같이 각 픽셀 유닛을 좌우로 진동시켜 2개 또는 그 이상의 픽셀(1416)을 스캐닝하도록 하면, 예컨대 1280개의 픽셀 어레이를 절반 또는 그 이하의 픽셀 유닛을 갖는 광 변조기로 스캐닝할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 액추에이팅 셀(1404)은 상기 진동 유닛(1409)의 서브 기판(1414) 또는 절연층(1408)에 밀착된 구조, 즉 후막 구조일 수도 있다. 액추에이팅 셀(1404)이 후막구조인 경우에는 박막구조인 경우와 달리 서브 기판(1414) 상에 함몰부를 형성할 필요가 없다.

이 때, 하부 전극층(1403)은 박막 구조의 액추에이팅 셀(1404)을 구성하는 소정의 서브기판(1414)상에 형성되어 외부로부터 인가되는 구동전압을 압전 재료층(1402)에 제공하는 것으로서, Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, RuO2 등의 전극 재료에 대한 스퍼터링 또는 증착방법에 의하여 서브기판(1414)상에 형성시킨다.

여기서, 박막 구조를 갖는 액추에이팅 셀(1404)의 압전 재료층(1402)을 지지하기 위하여 서브기판(1407)상에 증착되어 형성되는 것으로서, SiO2, Si3N4, Si, ZrO2, Al2O3 등의 재료로 구성되는 하부 지지대를 추가로 포함할 수 있다.

압전 재료층(1402)은 외부로부터 인가되는 구동 전원에 연동하여 발생하는 압전 현상에 의하여 상·하 방향 또는 좌.우 방향으로 길이가 변화하는 소정의 압전/전왜 재료, 보다 구체적으로는, PzT, PNN-PT, ZnO. Pb, Zr 또는 타이타늄 등의 압전/전왜 재료를 습식(스크린 프린팅, 솔-겔 코팅(Sol-Gel coting) 등) 및 건식 방법(스퍼터링, 증착(Evaporation), 기상 증착(Vapor Deposition) 등)을 통하여 0.01~20.0㎛ 범위로 상기 하부 전극층(1403)상에 형성된다.

상부 전극층(1401)은 상기 압전 재료층(1402)의 상부에 형성되어 입사되는 입사광에 대한 반사 및 회절을 수행하는 것으로서, 보다 구체적으로는 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, RuO2 등의 전극재료를 스퍼터링 또는 증착 방법을 통하여 0.01~3㎛ 범위로 형성된다.

이때, 상부 전극층(1401)은 외부로부터 입력되는 광신호에 대한 반사 및 회절을 수행하는 마이크로 미러로서 동작하거나, 또는 상기 광신호에 대한 반사 및 회절을 더욱 강화 시키기 위하여 소정의 광반사 물질인 Al, Au, Ag, Pt, Au/Cr로 구성된 마이크로 미러를 더 포함하여 구성될 수 도 있다.

여기서, 상기 압전/전왜 회절형 광변조기는 상기 액추에이팅 셀(1404)이 소정의 갯수로 그룹화 된 픽셀 단위로 구동된다.

본 발명의 실시예에서 전술한 압전/전왜 회절형 광변조기로 구성된 픽셀 유닛(1405) 대신, 인가되는 전압에 따른 정전력에 의해 액추에이팅 셀이 구동되는 정전 구동형 광변조기 또는 인가되는 전압에 따른 자기력에 의해 액추에이팅 셀이 구 동되는 자기 구동형 광변조기가 사용될 수 있다.

도16a는 본 발명에 따른 또다른 실시예로서 정전 구동에 의해 진동하는 픽셀 유닛별 진동형 회절 광변조기 어레이(1600)의 단면을 나타내고, 도16b는 도16a의 측단면도를 나타낸다.

본 실시예에 따른 진동 회절형 광변조기는, 도 16a에 도시된 바와 같이, 기판(1608) 상에 형성된 다수개의 픽셀 유닛(1605)들로 구성된다.

본 발명에 따른 진동 회절형 광변조기는, 도 16a에 도시된 바와 같이, 인가되는 전압에 따라 입사된 광을 회절시켜 피사체로 전달하는 다수의 마이크로미러 픽셀 유닛(1605), 인가되는 전압에 따라 소정 주파수로 상기 마이크로미러 픽셀 유닛(1605)을 진동시키는 다수의 진동 유닛(1609), 및 상기 다수의 진동 유닛들을 지지하는 기판(1612)을 포함하여 구성된다.

상기 각 픽셀 유닛(1605)은 다수의 액추에이팅 셀(1604)로 구성되며 상기 액추에이팅 셀(1604)은 각각 전압을 인가하기 위한 상부 전극층(1601), 하부 전극층(1603) 및 인가된 전압에 따라 수축 또는 팽창하는 압전 재료층(1602)으로 구성되고, 외부로부터 인가되는 구동 전원에 의해 상하로 구동된다. 상기 상부 전극층(1601)은 전압을 인가하는 동시에 광을 반사시키는 마이크로미러 역할도 한다.

진동 유닛(1609)은 중앙 부분에 이격 공간을 제공하기 위한 함몰부가 형성되어 있는 소정 서브기판(1607), 진동용 전압을 인가하기 위한 상부 전극층(1610, 1610') 및 하부 전극층(1611, 1611')으로 구성된다. 상기 상부 전극층(1610, 1610')과 하부 전극층(1611, 1611')는 각각 서로 소정의 간격만큼 이격되어 있다.

도16a 및 도16b에 도시된 바와 같이 상부 전극층(1610, 1610')에는 (+) 전압이 인가되고, 하부 전극층(1611, 1611')에는 (-) 전압이 인가되면 상부 전극층(1610, 1610') 및 하부 전극층(1611, 1611') 사이에 인력이 작용하며, 상부 전극층(1610, 1610')과 하부 전극층(1611, 1611') 사이에 동일한 극성이 전압이 가해지면 서로 척력이 작용한다. 그러나, 서브 기판(1607) 및 기판(1612)은 전압이 가해져도 그대로 있으려 하기 때문에 진동 유닛(1609)는 휘게 된다. 이런 식으로, 상부 전극층(1610, 1610')과 하부 전극층(1611, 1611') 사이에 가해지는 전압 극성의 배치를 소정의 주파수로 변경하게 되면 진동 유닛(1609)이 진동하고 결과적으로 그에 고정된 픽셀 유닛(1605)도 진동을 하게 된다.

도14a 및 도14b에 도시된 진동자에 의한 진동과 마찬가지로, 픽셀 유닛의 진동에 의해 하나의 픽셀 유닛이 2개 이상의 픽셀의 스캐닝을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 전술한 압전/전왜 회절형 광변조기로 구성된 픽셀 유닛(1605) 대신, 인가되는 전압에 따른 정전력에 의해 액추에이팅 셀이 구동되는 정 전 구동형 광변조기 또는 인가되는 전압에 따른 자기력에 의해 액추에이팅 셀이 구동되는 자기 구동형 광변조기가 사용될 수 있다.

도17a는 본 발명에 따른 또다른 실시예로서 정전 구동에 의해 진동하는 픽셀 유닛별 진동형 회절 광변조기 어레이(1700)의 단면을 나타내고, 도17b는 도17a의 측단면도를 나타낸다.

본 실시예에 따른 진동 회절형 광변조기는, 도 17a에 도시된 바와 같이, 기판(1712) 상에 형성된 다수개의 픽셀 유닛(1705)들로 구성된다.

상기 각 픽셀 유닛(1705)은 다수의 액추에이팅 셀(1704)로 구성되며 상기 액추에이팅 셀(1704)은 각각 전압을 인가하기 위한 상부 전극층(1701), 하부 전극층(1703) 및 인가된 전압에 따라 수축 또는 팽창하는 압전 재료층(1702)으로 구성되고, 외부로부터 인가되는 구동 전원에 의해 상하로 구동된다. 상기 상부 전극층(1701)은 전압을 인가하는 동시에 광을 반사시키는 마이크로미러 역할도 한다.

상기 진동 유닛(1709)에는 압전/전왜 소자(1707)가 배치되고, 상기 압전/전왜 소자(1707) 내에는 전압을 인가하기 위한 전극층(1706)이 지그재그로 형성된다. 상기 전극층(1706)에 전압이 인가되면 인가된 전압에 따라 압전/전왜 소자(1707)가 늘어나거나 줄어들게 되는데 강한 전압이 인가된 곳과 그렇지 않은 곳의 수축 또는 팽창 정도가 다르기 때문에 서브 기판(1708)은 상하로 휘게 된다. 이런 식으로 전극층(1714)에 일정 주파수로 전압을 공급했다가 끊어주기를 반복하면 진동 유닛(1709)은 소정의 주파수로 진동하게 되며, 그에 고정된 픽셀 유닛(1705)도 같이 진동하게 된다.

본 발명의 픽셀 유닛별 진동형 회절 광변조기에 따르면, 스캐닝에 필요한 픽셀 유닛 수를 획기적으로 줄일 수 있다.

Claims (5)

1. 인가되는 전압에 따라 입사된 광을 회절시켜 피사체로 전달하는 다수의 마이크로미러 픽셀 유닛;

   상기 다수의 마이크로미러 픽셀 유닛을 지지하는 서브 기판;

   상기 서브 기판에 고정되어 인가되는 전압에 따라 소정 주파수로 상기 마이크로미러 픽셀 유닛을 진동시키는 다수의 진동 유닛; 및

   상기 다수의 진동 유닛들을 지지하는 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 회절 광변조기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 진동 유닛은 각각,

   일단이 상기 마이크로 픽셀 유닛에 고정되고 다른 일단은 상기 기판에 고정되며, 전압이 가해지면 소정 주파수에서 진동하는 압전진동자를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 회절 광변조기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 압전 진동자는 불변소자 및 압전소자를 포함하며, 상기 전압은 소정 주기로 상기 압전소자에 인가되었다가 끊어지는 것을 특징으로 하는 진동형 회절 광변조기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 진동 유닛은 각각,

   지지대; 및

   상기 지지대의 측면에 부착되고 소정의 간격만큼 이격된 복수의 상부 전극 및 하부 전극쌍을 더 포함하며,

   상기 상부 전극 및 하부 전극쌍에는 소정 주파수로 인가되는 전압의 극성이 달라지는 것을 특징으로 하는 진동형 회절 광변조기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 진동 유닛은 각각,

   압전/전왜층; 및

   상기 압전/전왜층에 전압을 인가하기 위한 전극들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진동형 회절 광변조기.

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