KR100882148B1

KR100882148B1 - 정전 구동기, 그 구동방법 및 이를 이용한 응용소자

Info

Publication number: KR100882148B1
Application number: KR1020070061361A
Authority: KR
Inventors: 윤준보; 양현호; 최동훈
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-02-06
Also published as: EP2093876A1; WO2009016524A1; CN101542888B; JP2009536015A; US20100163376A1; CN101542888A; JP4864141B2; KR20080112662A; US8120451B2

Abstract

본 발명은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; microelectromechnical systems)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 정전 구동기(electrostatic actuator)와 그 구동 방법 및 그 응용 소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 정전 구동기는, 주전극, 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부, 주전극 및 전하충전부와 이격되어 형성된 유동전극을 포함한다.

본 발명에 의해 종래의 정전 구동기에 비해 구동전압이 매우 낮고, 구동전압을 임의로 조절할 수 있는 정전 구동기가 제공된다. 또한, 외부 노이즈에 대한 내구성이 강하고 신뢰성 있는 연속 동작이 가능한 정전 구동기가 제공된다.

또한, 본 발명에 의해 정전 구동기를 이용한 비휘발성 기계식 메모리, 논리회로 및 스위치가 제공된다.

MEMS, 구동기(actuator), 정전 구동, 선충전(Pre charged), 메모리, 스위치

Description

정전 구동기, 그 구동방법 및 이를 이용한 응용소자{ELECTROSTATIC ACTUATOR, THE METHOD OF ACTUATING THE SAME AND APPLICABLE DEVICES USING THEREOF}

도 1a 및 도 1b는 종래의 캔틀래버(cantilever) 타입의 정전 구동기를 나타낸 도면이다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 구동기를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 구동기를 나타낸 도면이다.

도 4는 정전 구동기의 이력현상(hysteresis)을 나타낸 그래프이다.

도 5a 내지 5d는 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 구동기를 이용한 논리회로를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 캔틀래버 타입의 스위치를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 정전 스위치를 나타낸 도면이다.

종래의 정전 구동기는 절연기판위에 고정된 고정전극과 유동전극에 전압을 가함으로써 고정전극과 유동전극에 전하를 유기시켜, 전하간에 작용하는 정전인력을 이용하여 유동전극을 구동시킨다. 이때 유동전극을 지지하는 지지부의 복원력과 정전인력이 평형이 되도록 유동전극이 이동한다.

도 1a는 종래의 캔틀래버(cantilever) 타입의 정전 구동기를 나타낸 도면이다. 도 1a를 참조하면, 주전극(120)과 유동전극(130) 사이에 전압을 인가하여, 주전극 및 유동전극(120, 130)에 전하를 유기시켜 전하 간에 작용하는 정전 인력을 이용하여 유동전극(130)을 구동한다. 유동전극(130)에 직접적으로 전압을 인가하지 않고 유동전극(130)과 전기적으로 접속된 지지부(140)를 통해 유동전극(130)에 전압을 인가할 수도 있다. 이때 지지부(140)의 복원력이 전하간에 작용하는 정전인력과 반대 방향으로 작용하므로 지지부(140)의 복원력과 정전인력이 평형이 되는 지점까지 유동전극(130)이 주전극(120) 방향으로 움직이게 된다.

도 1b는 도 1a의 구동기(100)를 모식적으로 나타낸 도면이다. 유동전극(130)을 소정의 간격으로 대향하는 위치에 떠있게 하기 위한 지지부(140)를 스프링으로 표현하였다.

구동기(100)를 낮은 전압에서 구동시키기 위해서는 지지부(140)의 복원력이 약하도록 설계되어야 한다. 그러나, 지지부(140)의 복원력이 약하면, 지지부(140)가 노이즈에 취약해지고 내구성이 약해져 신뢰성 있는 연속 동작이 불가능한 문제점이 발생한다.

본 발명은 종래의 정전 구동기에 비해 구동전압이 매우 낮고, 구동전압을 임의로 조절할 수 있는 정전 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 외부 노이즈에 대한 내구성이 강하고 신뢰성 있는 연속 동작이 가능한 정전 구동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 구동기를 이용한 비휘발성 기계식 메모리, 논리회로 및 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전구동기는, 절연기판; 상기 절연기판상에 형성된 주전극; 상기 주전극상에 형성된 절연층; 상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 및 상기 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 유동전극을 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 정전구동기는 절연기판; 상기 절연기판상에 형성된 주전극; 상기 주전극과 이격되게 상기 절연기판상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 상기 주전극 및 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 형성된 유동전극을 포함한다.
앞서 두 실시예에서, 상기 전하충전부의 표면에 형성된 방전방지층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 주전극과 상기 유동전극 사이에 구동전압이 인가되고, 상기 구동전압에 의한 상기 주전극과 상기 유동전극 사이의 제1 정전기력 및 상기 전하충전부와 상기 유동전극 사이의 제2 정전기력에 의해 상기 유동전극이 위치이동하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1 및 제2 정전기력에 의해 상기 유동전극의 일부가 위치이동하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 및 제2 정전기력은 정전인력이고, 상기 유동전극은 상기 주전극 방향으로 위치이동하는 것이 바람직하다.
앞서, 두 실시예에서 상기 전하충전부에는 전하가 미리 저장되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 정전 구동기의 구동방법은 상기 전하충전부에 전하를 충전하는 단계; 및 상기 주전극과 상기 유동전극 사이에 구동전압을 인가하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 전하를 충전하는 단계는, 상기 전하충전부에 전압을 인가하는 단계; 및 상기 전하가 충전된 전하충전부를 전기적으로 부유(floating)시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 전하를 충전하는 단계는, 상기 전하충전부에 전계를 통한 터널링 방법을 이용하여 전하를 충전하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리는 절연기판; 상기 절연기판상에 형성된 주전극; 상기 주전극상에 형성된 절연층; 상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 및 상기 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 유동전극을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 논리회로 소자는 절연기판; 상기 절연기판상에 형성된 주전극; 상기 주전극상에 형성된 절연층; 상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 및 상기 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 유동전극을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위치는 절연기판; 상기 절연기판상에 서로 이격되어 형성된 주전극 및 접점전극; 상기 주전극상에 형성된 절연층; 상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 상기 주전극, 전하충전부 및 접점전극 상부에 형성된 유동전극; 및 상기 유동전극을 상기 절연기판상에 지지하는 지지부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스위치는 절연기판; 상기 절연기판상에 서로 이격되어 형성된 주전극 및 접점전극; 상기 주전극 및 상기 접점전극과 이격되게 상기 절연기판상에 형성되어 상기 주전극 및 상기 접점전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 상기 주전극, 접점전극 및 전하충전부의 상부에, 상기 주전극, 접점전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극, 접점전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 형성된 유동전극; 및 상기 유동전극을 상기 절연기판상에 지지하는 지지부를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 스위치에 있어서, 상기 주전극과 상기 유동전극 사이에 구동전압이 인가되고, 상기 구동전압에 의한 상기 주전극과 상기 유동전극 사이의 제1 정전기력 및 상기 전하충전부와 상기 유동전극 사이의 제2 정전기력에 의해 상기 유동전극이 위치이동하여 상기 유동전극이 상기 접점전극과 접촉하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유동전극의 상기 접점전극과 접촉하는 부위에 형성된 딤플부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전하충전부의 표면에 형성된 방전방지층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전하충전부에는 전하가 미리 저장되어 있는 것이 바람직하다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한 다. 도면 전체적으로 동일한 구성요소는 동일한 인용부호를 이용하여 나타내었다.

[정전 구동기]

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 구동기를 나타낸 도면이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전 구동기(200)는 절연기판(210), 절연기판(210)상에 형성된 주전극(220), 주전극(220)과 전기적으로 절연된 전하충전부(240), 주전극(220) 및 전하충전부(240)와 이격되어 형성된 유동전극(250)을 포함한다. 또한, 정전 구동기(200)는 유동전극(250)을 절연기판(210)상에 지지하는 지지부(260)를 포함한다. 여기서, 지지부(260)는 종래의 정전 구동기에서 유동전극을 지지할 수 있는 임의의 구조를 의미한다.

절연기판(210)은 절연성을 갖고 높은 정밀도로 평평하게 형성할 수 있는 유리 기판, 세라믹 기판 또는 실리콘 기판 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 절연기판(210)상에 주전극(220)이 형성되어 있다. 주전극(220)상에 절연층(230)이 형성되어 있고, 그 위에 전하충전부(240)가 형성되어 있다. 전하충전부(240)는 절연층(230)에 의해 주전극(220)과 절연되어 있다. 전하충전부(240)에는 외부로부터 가해지는 전압에 의해 전하가 충전된다. 전하충전부(240)는 충전된 전하가 방전되지 않도록 그 표면에 방전방지층이 형성될 수도 있다. 방전방지층은 충전된 전하가 공기 또는 기타 금속 또는 비금속 물질과 접촉하여 방전되는 것을 방지하는 임의의 물질로 구성될 수 있으며, 일예로 반도체 공정에서 널리 이용되는 절연물질로 구성될 수 있다. 유동전극(250)은 지지부(260)에 의해 주전극(220) 및 전하충전부(240) 의 상부에 지지된다. 유동전극(250)은 절연기판(210)에 의해 주전극(220)과 전기적으로 절연되어 있다. 주전극(220) 및 전하충전부(230)와 유동전극(250) 사이에 발생한 정전인력에 의해 유동전극(250)이 구동되기 위해, 유동전극(250)은 전도성 물질로 구성된다. 유동전극(250)은 도펀트가 도핑된 다결정 실리콘 또는 금속과 같은 반도체 또는 도체로 이루어질 수 있다. 지지부(260)는 전하충전부(240)상에 소정의 간격으로 대향하는 위치에 떠있는 유동전극(250)을 지지하고, 전하충전부(240)와 유동전극(250)의 간격을 조절한다. 본 명세서에서는 이해를 돕기위해, 지지부(260)가 복원력을 가지는 것으로 도면에 나타내었으나, 실제 구현에 있어서는 유동전극(250) 자체가 가요성 및 복원력을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 지지부(260)는 유동전극(250)의 일부일 수도 있다.

도 2b 내지 도 2d는 제 1 실시예의 구동방식을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2b 내지 2d를 참조하면, 제1 실시예에 따른 구동기(200)의 구동방식은 다음과 같다. 우선, 전하충전부(240)에 전하를 충전시킨다. 전하를 충전시키기 위해, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 주전극(220)과 전하충전부(240) 사이에 및/또는 유동전극(250)과 전하충전부(240) 사이에 전압(V1)을 인가한다. 그러면, 전하충전부(240)에 양전하 또는 음전하가 유기된다. 그 후, 전하충전부(240)를 전기적으로 부유(floating)상태로 만들면 전하충전부(240)에 유기된 전하가 유지된다. 전하충전부(240)를 전기적으로 부유상태로 만들기 위해 전하충전부(240)를 기계적인 스위치로 단락시키거나 프로브를 사용하여 전압을 가한뒤 물리적으로 단락시킬 수 있다. 또는, 전하충전부(240)에 전하를 충전하는 다른 방법으로는, 터널링 현상을 이용한 방법이 있다. 도 2c에 나타낸 바와 같이, 주전극(220)과 유동전극(250) 사이에 강한 전압을 인가하면, 주전극(220)과 유동전극(250) 사이에 강한 전계가 형성되고, 그 전계에 의해 주전극(220)에 유기된 전하가 터널링 현상에 의해 주전극(220)과 전하충전부(240) 사이의 절연층(230)을 통과하여 전하충전부(240)에 주입된다. 즉, 전하충전부(240)를 관통하는 전계를 형성하여 터널링 현상을 이용해 전하충전부(240)에 전하를 충전한다. 전하충전부(240)에 전하가 일단 충전되면 전하충전부(240)은 외부와 전기적으로 절연된 상태이므로 전하가 계속해서 유지된다.

그 후, 도 2d에 나타낸 바와 같이, 주전극(220)과 유동전극(250)에 전압(V2)을 인가한다. 그러면, 주전극(220)과 유동전극(250) 사이에 인가된 전압(V2)에 의해, 주전극(220) 및 유동전극(250)에 서로 다른 부호의 전하가 유기된다. 이때, 전하충전부(250)에 유기된 전하의 부호와 동일한 부호의 전하가 주전극(220)에 유기되도록 전압(V2)을 인가한다. 이에 의해, 유동전극(250)과 전하충전부(240) 사이의 정전인력 및 유동전극(250)과 주전극(220) 사이의 정전인력이 발생한다. 이때, 이 정전인력의 합이 임계값 이상이면 유동전극(250)이 주전극(220) 방향으로 위치이동한다. 정전인력의 합과 지지부(260)의 복원력이 평형이 되는 지점까지 유동전극(250)이 이동한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전 구동기(200)를 종래의 구동기(100)와 비교하면, 종래의 구동기는 주전극(120)과 유동전극(130) 사이에 V 만큼의 전압을 인가해야 정전인력에 의해 유동전극(130)이 요구되는 만큼 구동되는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 구동기(200)는 전하 충전부(230)에 미리 충전된 전하에 의 해 V 보다 낮은 구동 전압으로 유동전극(250)을 요구되는 만큼 구동시킬 수 있다는 점에 차이가 있다. 예를 들어, 전하충전부(230)와 유동전극(250)에 V1의 전압을 인가하여 전하충전부(230)에 미리 전하가 충전되어 있는 경우, 주전극(220)과 유동전극(250)에 V-V1 만큼의 전압을 인가해서 유동전극(250)을 구동시킬 수 있다. 전하충전부(240)에는 제품의 생산단계에서 또는 사용단계에서 한번만 전하를 충전시키고 전하충전부(240)를 전기적으로 부유시키면 충전된 전하가 유지되므로, 그 이후의 제품의 사용단계에서는 낮은 구동전압으로 정전 구동기를 구동시키는 것이 가능하다. 따라서, 구동전압을 낮추기 위해 지지부의 복원력을 낮게 설계할 필요가 없으므로 주변 노이즈에 대한 민감성, 연속동작의 신뢰성에 대해 우수한 특성을 획득할 수 있다.

또한, 종래의 정전 구동기에서 구동전압을 조절하기 위해서는 유동전극과 주전극 사이의 간격을 조절하거나, 지지부(140)의 복원력을 조절하기 위해 지지부(140)의 두께, 폭 또는 길이를 다르게 설계해야 하므로 제품의 생산단계에서 미리 구동전압을 설정하면 그 이후의 변경이 불가능한데 반해, 본 발명에 따른 정전 구동기는 전하충전부(240)에 충전시키는 전하의 양을 조절함으로써 구동전압을 조절할 수 있으므로, 언제든지 용이하게 구동전압을 조절할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 구동기를 나타낸 도면이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전 구동기(300)는 절연기판(310), 주전극(320), 전하충전부(330), 유동전극(340), 지지부(350)를 포함한다. 전하충전부(330)는 주전 극(320)과 이격되어 절연기판(310)상에 형성된다. 전하충전부(330)와 주전극(320)은 서로 이격되어 있으므로 서로 전기적으로 절연되어 있다. 각 구성요소의 역할 및 구동방법은 도 2a 내지 2c에 나타낸 본 발명의 제1 실시예에 따른 구동기의 그것과 동일하다.

본 실시예에 따른 정전 구동기에서는, 앞서 제1 실시예에서 주전극(220)과 유동전극(250) 사이에 형성된 전계에 의한 터널링 현상을 이용한 전하 충전 방법에 대응하여, 절연기판(310)과 유동전극(340) 사이에 강한 전압을 인가해서 절연기판(310)과 전하충전부(330) 사이의 터널링 현상을 이용하여 전하충전부(330)에 전하를 충전할 수 있다.

본 발명의 제1 및 제2 실시예에서는 주전극(220, 320)과 전하충전부(230, 330)이 수직방향으로 적층된 구조 및 동일 평면상에 배치된 구조에 대해 나타내었으나 이러한 배치는 예시적인 것으로서, 주전극과 전하충전부이 서로 전기적으로 절연되어 있고, 유동전극과 정전인력이 발생할 수만 있으면 그 위치는 제한되지 않는다.

[메모리]

이하, 본 발명에 따른 정전 구동기를 이용한 메모리 소자에 관하여 설명한다. 이에 앞서, 도 4를 참조하여 정전 구동기의 이력현상(hysteresis)을 설명한다. 도 4는 정전 구동기의 이력현상을 나타내는 그래프이다. 그래프(410)는 종래의 정전 구동기의 이력현상을 나타내는 그래프이다. 주전극과 유동전극 사이에 가하는 전압을 증가시키다 구동전압이 V1+V2가 되면 유동전극이 주전극 방향으로 위치이동한다. 그래프(410)의 세로축인 I는 예를 들어, 주전극과 유동전극이 서로 닿았을 때 도통되어 흐르는 전류를 나타낸 것이다. 이 전류는 주전극과 유동전극을 통해 흐르는 전류이거나, 또는, 이후에 설명할 유동전극과 접점전극을 통해 흐르는 전류를 의미한다. 그 후, 구동전압을 점점 감소시키다 V1-V2가 되면 유동전극이 원위치로 복귀한다. 따라서, 주전극과 유동전극이 이격되어 전류는 흐르지 않게 된다. 그래프(410)에 도시된 바와 같이, 유동전극이 주전극 방향으로 이동할때의 구동전압과 원위치로 복귀할 때의 구동전압은 서로 상이하게 되는데, 이러한 현상을 이력현상이라고 한다. 유동전극이 주전극 방향으로 이동할 때의 구동전압을 폴인(pull-in)전압, 원위치로 복귀할 때의 구동전압을 폴아웃(pull-out)전압 이라고 한다.

그래프(420)는 본 발명에 따른 정전 구동기의 이력현상을 나타낸 그래프이다. 구동전압 V1에 해당하는 정도의 전하를 전하충전부에 미리 저장하기 때문에 구동전압이 V1만큼 감소된 것이다. 따라서, 폴인전압과 폴아웃전압도 V1만큼 감소되었다. 본 발명에 따른 정전 구동기는 전하충전부에 저장하는 전하량을 조절하여 구동전압을 임의로 조절할 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다. 그래프(420)를 참조하면, 구동전압을 적절히 조절하여 폴인전압과 폴아웃전압을 그 크기는 같고 부호는 반대가 되도록 한 것이다.

이하, 도 2a를 다시 참조하여, 본 발명에 따른 정전 구동기를 이용한 메모리에 관해 설명한다. 메모리는 '0'과 '1'의 상태를 저장할 수 있어야 하는데, 여기서 유동전극(250)이 주전극(220)을 향해 이동한 상태를 '1'의 상태로, 유동전극(250) 이 이동하지 않은 상태를 '0'으로 정의한다. 이러한 정의는 설명의 편의를 위한 것으로 그 역으로로 정의할 수 있다.

전술한 바와 같이, 전하충전부(240)에 충전하는 전하의 양에 따라서 정전 구동기의 구동전압을 조절할 수 있다. 따라서, 전하충전부(240)에 충전하는 전하의 양을 조절하여, 폴인전압과 폴아웃전압을 그 크기는 같고 부호는 반대가 되도록 한 다. 실제 구현에 있어서, 폴인전압과 폴아웃전압의 크기는 반드시 동일할 필요는 없으며, 부호만 반대가 되면 된다. 또는, 메모리의 '0'과 '1' 상태를 나누는 구동전압의 기준을 반드시 0으로 설정할 필요는 없으며, 임의의 값을 기준으로 할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

만약 주전극(220)과 유동전극(250) 사이에 인가하는 구동전압을 V2 보다 높은 값으로 인가한 뒤 0V로 바꾸면, 풀다운전압인 -V2보다 높기 때문에 유동전극(250)은 주전극(220)을 향해 이동한 상태에서 떨어지지 못하고 그 상태를 유지하게 된다. 즉 '1'의 상태가 유지된다. 다음으로, 구동전압을 -V2 보다 낮은 값으로 인가한 뒤 0V로 바꾸면, 유동전극(250)은 원위치로 복귀된 상태로 유지된다. 즉, '0'의 상태가 유지된다.

이러한 방식으로, 구동전압을 V2 보다 높은 값 또는 -V2 보다 낮은 값으로 인가하면, 그 이후에 전압을 인가하지 않아도, '0'과 '1'의 상태가 유지되기 때문에 본 발명에 따른 정전 구동기를 비휘발성 기계식 메모리로 이용할 수 있다.

[논리 회로]

도 5a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전 구동기를 이용한 논리회로를 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a에서 A 방향에서 바라본 평면도이다. 본 발명에 따른 논리회로(500)는 절연기판(510), 절연기판상에 형성된 주전극(520, 530), 주전극(520, 530)과 전기적으로 절연된 전하충전부(540, 550), 주전극(520, 530) 및 전하충전부(540, 550)의 상부에 형성된 유동전극(560), 유동전극(560)을 절연기판(510)에 지지하는 지지부(570)를 포함한다.

도 5b를 참조하면, 주전극(520, 530)은 제1 주전극(520) 및 제2 주전극(530)을 포함하고, 전하충전부(540, 550)는 제1 전하충전부(540) 및 제2 전하충전부(550)를 포함한다. 주전극(520, 530) 및 전하충전부(540, 550)는 절연기판(510)상에 형성되어 있다. 유동전극(560)은 주전극(520, 530) 및 전하충전부(540, 550)와 이격되어 대향하도록 지지부(570)에 의해 절연기판(510)에 지지된다. 여기서, 지지부(570)는 종래의 정전 구동기에서 유동전극(560)을 지지할 수 있는 임의의 구조를 의미한다. 지지부(570)는 유동전극(560)의 일부일 수도 있다. 절연기판(510)은 절연성을 갖고 높은 정밀도로 평평하게 형성할 수 있는 유리 기판, 세라믹 기판 또는 실리콘 기판 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 전하충전부(540, 550)는 외부로부터 충전된 전하가 방전되지 않도록 그 표면에 방전방지층이 형성될 수도 있다. 주전극(520, 530) 및 전하충전부(540, 550)와 유동전극(560) 사이에 발생한 정전인력에 의해 유동전극(560)이 구동되기 위해, 유동전극(560)은 전도성 물질로 구성된다. 유동전극(560)은 도펀트가 도핑된 다결정 실리콘 또는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 논리회로(500)의 구동순서는 다음과 같다. 제1 전하충전부(540) 및 제2 전하충전부(550)에 전하를 충전한다. 그 후, 제1 전하충전부(540) 및 제2 전하충전부(550)를 전기적으로 부유상태로 만든다. 전기적으로 부유상태로 만들기 위해, 전하를 충전하기 위해 인가한 전압원을 기계적인 스위치로 단락시키거나, 프로브를 사용하여 전압을 인가해 전하를 충전한 후 물리적으로 단락시킬 수 있다. 전하충전부(540, 550)에 충전된 전하가 방전되지 않도록 그 표면에 방전방지층이 형성되는 것이 바람직하다.

그 후, 제1 및 제2 주전극(530, 540)과 유동전극(560) 사이에 전압을 인가하면 주전극(530, 540)과 유동전극(560) 사이에 작용하는 정전인력과 전하충전부(540, 550)와 유동전극(560) 사이에 작용하는 정전인력의 합으로 유동전극(560)이 주전극(520, 530) 방향으로 위치이동한다. 전하충전부(540, 550)에 저장하는 전하량을 조절하여, 제1 및 제2 주전극(520, 530) 모두에 미리 정해진 전압을 인가할 때만 유동전극(560)이 구동되도록 할 수 있다.

제1 주전극(520)에 전압을 인가하는지 여부와 제2 주전극(530)에 전압을 인가하는지 여부에 따라, 유동전극(560)의 구동여부를 표 1에 나타내었다. 제1 및 제2 주전극(520, 530)에 전압을 인가하는 경우를 '1'로 표시하고, 전압을 인가하지 않는 경우를 '0으로 표시하고, 유동전극(560)이 구동되는 경우를 '1', 구동되지 않는 경우를 '0'으로 표시하면, 표 1에 나타낸 결과는 곱셈(AND) 논리의 진리표에 해당함을 알 수 있다.

제1 전극	제2 전극	제5 전극
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

본 명세서에서 설명한 실시예에서는 입력이 2개인 AND 논리회로를 설명하였으나 이러한 실시예는 예시적인 것으로서, 주전극의 개수를 조절하여 입력의 개수는 임의로 조정할 수 있다. 또한, 전하충전부를 2개 포함하는 구성을 설명하였으나, 그 개수는 2개로 제한되는 것은 아니고 임의의 개수의 전하충전부를 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 전하충전부(540, 550) 및 주전극(520, 530)이 모두 절연기판(510)상에 배치된 구성을 설명하였으나, 전압이 인가되는 경우 유동전극(560)과 정전인력이 발생할 수만 있으면 그 위치는 제한되지 않는다.

[스위치]

도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 캔틀래버 타입의 스위치를 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 캔틀래버 타입의 스위치(600)는 절연기판(610), 절연기판(610)상에 서로 이격되어 형성된 주전극(620)과 접점전극(670), 주전극(620)과 전기적으로 절연된 전하충전부(640), 주전극(620) 및 전하충전부(640)와 이격되어 형성된 유동전극(650), 유동전극(650)을 절연기판(610)에 지지하는 지지부(660), 및 딤플부(680)를 포함한다.

전하충전부(640)에 전하가 충전되고, 주전극(620)과 유동전극(650) 사이에 구동전압이 인가되면, 유동전극(650)이 주전극(620) 방향으로 위치이동하여 딤플부(680)와 접점전극(670)이 접촉한다. 따라서, 지지부(660), 유동전극(650), 딤플부(680) 및 접점전극(670)이 도통되어 스위치 온(on) 상태가 된다. 구동전압이 인가되지 않으면, 딤플부(680)와 접점전극(670)이 이격되어 스위치 오프(off) 상태가 된다. 그외 스위치(600)의 구성요소의 역할은 앞서 설명한 본 발명에 따른 정전 구동기의 대응하는 구성요소의 그것과 동일하다.

이하, 본 발명에 따른 정전 스위치(600)의 동작방식을 설명한다. 우선, 전하충전부(640)에 전하를 충전한다. 그 후, 전하충전부(640)를 전기적 부유상태로 만든다. 전기적 부유상태로 만들기 위해, 전하를 충전하기 위해 인가한 전압을 기계적 스위치를 이용하여 단락시키거나, 프로브를 이용하여 전압을 인가해 전하를 충전하고 난 후 프로브를 단락시킬 수 있다. 충전된 전하가 방전되는 것을 방지하기 위하여 전하충전부(640)의 표면에 방전방지층이 형성될 수 있다.

그 후, 주전극(620)과 유동전극(650) 사이에 임계값 이상의 구동전압을 인가한다. 전압이 인가되면 주전극(620) 및 유동전극(650)에 서로 다른 부호의 전하가 유기된다. 전하충전부(640)에 충전된 전하와 동일한 부호의 전하가 주전극(620)에 유기되도록 구동전압을 인가한다. 임계값 이상의 전압이 인가되면, 주전극(620)과 유동전극(650) 사이의 정전인력과 전하충전부(640)와 유동전극(650) 사이의 정전인력의 합에 의해 유동전극(650)의 일부가 주전극(620) 방향으로 위치이동한다. 정전인력이 임계값 이하가 되면 지지부(660) 또는 유동전극(650)의 복원력에 의해 유동전극(650)은 원위치로 복귀된다. 유동전극(650)이 주전극(620) 방향으로 위치이동하면, 주전극(680)의 말단부에 형성된 딤플부(680)와 접점전극(670)이 접촉되어 스위치 온 상태가 된다.

도 6을 참조하면, 절연기판(610)상에 주전극(620)이 형성되고, 그 위에 절연층(630)이 형성되고, 그 위에 전하충전부(640)이 형성되어 있다. 주전극(620)과 전하충전부(640)은 각각 유동전극(650)과의 사이에 정전인력이 발생할 수만 있으면 그 위치가 제한되지 않는다.

도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 정전 스위치를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 절연기판(710)상에 주전극(720)과 전하충전부(730)가 이격되어 형성된 구성을 나타내었다. 앞서 설명한 바와 같이, 전하충전부(730)와 주전극(720)의 위치는 예시적인 것으로 반드시 이러한 배치로 제한되는 것은 아니다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 의해 종래의 정전 구동기에 비해 구동전압이 매우 낮고, 구동전압을 임의로 조절할 수 있는 정전 구동기가 제공된다. 또한, 외부 노이즈에 대한 내 구성이 강하고 신뢰성 있는 연속 동작이 가능한 정전 구동기가 제공된다.

Claims

절연기판;

상기 절연기판상에 형성된 주전극;

상기 주전극상에 형성된 절연층;

상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 및

상기 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 유동전극을 포함하는, 정전 구동기.
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절연기판;

상기 절연기판상에 형성된 주전극;

상기 주전극과 이격되게 상기 절연기판상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 및

상기 주전극 및 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 형성된 유동전극

을 포함하는, 정전 구동기.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 전하충전부의 표면에 형성된 방전방지층을 더 포함하는, 정전 구동기.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 주전극과 상기 유동전극 사이에 구동전압이 인가되고,

상기 구동전압에 의한 상기 주전극과 상기 유동전극 사이의 제1 정전기력 및 상기 전하충전부와 상기 유동전극 사이의 제2 정전기력에 의해 상기 유동전극이 위치이동하는, 정전 구동기.
제6항에 있어서,

상기 제1 및 제2 정전기력에 의해 상기 유동전극의 일부가 위치이동하는, 정전 구동기.
제6항에 있어서,

상기 제1 및 제2 정전기력은 정전인력이고,

상기 유동전극은 상기 주전극 방향으로 위치이동하는, 정전 구동기.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 전하충전부에는 전하가 미리 저장되어 있는, 정전 구동기.
제1항 또는 제4항에 따른 정전 구동기의 구동방법에 있어서,

상기 전하충전부에 전하를 충전하는 단계; 및

상기 주전극과 상기 유동전극 사이에 구동전압을 인가하는 단계를 포함하는, 정전 구동기의 구동방법.
제10항에 있어서,

상기 전하를 충전하는 단계는,

상기 전하충전부에 전압을 인가하는 단계; 및

상기 전하가 충전된 전하충전부를 전기적으로 부유(floating)시키는 단계를 포함하는, 정전 구동기의 구동방법.
제10항에 있어서,

상기 전하를 충전하는 단계는,

상기 전하충전부에 전계를 통한 터널링 방법을 이용하여 전하를 충전하는 단계를 포함하는, 정전 구동기의 구동방법.
절연기판;

상기 절연기판상에 형성된 주전극;

상기 주전극상에 형성된 절연층;

상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 및

상기 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 유동전극을 포함하는, 비휘발성 메모리.
절연기판;

상기 절연기판상에 형성된 주전극;

상기 주전극상에 형성된 절연층;

상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부; 및

상기 전하충전부의 상부에, 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 유동전극을 포함하는, 논리회로 소자.
절연기판;

상기 절연기판상에 서로 이격되어 형성된 주전극 및 접점전극;

상기 주전극상에 형성된 절연층;

상기 절연층상에 형성되어 상기 주전극과 전기적으로 절연된 전하충전부;

상기 주전극, 전하충전부 및 접점전극 상부에 형성된 유동전극; 및

상기 유동전극을 상기 절연기판상에 지지하는 지지부

를 포함하는, 스위치.
절연기판;

상기 절연기판상에 서로 이격되어 형성된 주전극 및 접점전극;

상기 주전극 및 상기 접점전극과 이격되게 상기 절연기판상에 형성되어 상기 주전극 및 상기 접점전극과 전기적으로 절연된 전하충전부;

상기 주전극, 접점전극 및 전하충전부의 상부에, 상기 주전극, 접점전극 및 상기 전하충전부와 이격되고 상기 주전극, 접점전극 및 상기 전하충전부와 대향하도록 형성된 형성된 유동전극; 및

상기 유동전극을 상기 절연기판상에 지지하는 지지부

를 포함하는, 스위치
제15항 또는 제16항에 있어서,

상기 주전극과 상기 유동전극 사이에 구동전압이 인가되고,

상기 구동전압에 의한 상기 주전극과 상기 유동전극 사이의 제1 정전기력 및 상기 전하충전부와 상기 유동전극 사이의 제2 정전기력에 의해 상기 유동전극이 위치이동하여 상기 유동전극이 상기 접점전극과 접촉하는, 스위치.
제17항에 있어서,

상기 유동전극의 상기 접점전극과 접촉하는 부위에 형성된 딤플부를 더 포함하는, 스위치.
제15항 또는 제16항에 있어서,

상기 전하충전부의 표면에 형성된 방전방지층을 더 포함하는, 스위치.
제15항 또는 제16항에 있어서,

상기 전하충전부에는 전하가 미리 저장되어 있는, 스위치.
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