KR100947719B1 - 마이크로 매트릭스 릴레이 스위치 - Google Patents

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Abstract

초소형화에 적합한 매트릭스 릴레이 스위치의 구조가 개시된다. 적어도 하나의 신호 입력단과 적어도 하나의 신호 출력단 간의 전기적 신호 연결을 위한 매트릭스 스위치에서, 매트릭스 스위치를 구성하는 전기 스위치 각각을, 대응되는 신호 입력단과 신호 출력단 간의 전기적 연결을 개폐시키는 신호 연결부, 신호 연결부를 전진 또는 후진 구동시키는 가동 구동체, 가동 구동체를 전진 또는 후진 구동시켜, 신호 연결부에 의한 신호 입력단과 신호 출력단 간의 전기적 연결 상태를 변화시키는 전후진 구동부 및 가동 구동체에 의하여 안정 상태가 변화하여 상기 전기적 연결 상태를 유지시키는 쌍안정 스프링부를 포함하여 매트릭스 스위치를 구성한다. 따라서, 초소형이면서도 안정성이 우수하고, 확장성이 우수한 마이크로 매트릭스 릴레이 스위치를 구성할 수 있다.
매트릭스 스위치, MEMS, 정전력, 열탄성력, 전자기력, 스프링

Description

마이크로 매트릭스 릴레이 스위치{MICRO MATRIX RELAY SWITCH}
본 발명은 매트릭스 스위치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 신호 입력단과 복수의 신호 출력단 간의 전기적 신호 연결을 위한 매트릭스 스위치에 관한 것으로, 비교적 간단한 구조를 가지고 초소형이면서도 안정성과 확장성이 용이한 마이크로 매트릭스 릴레이 스위치에 관한 것이다.
복수의 신호 입력단과 복수의 신호 출력단간의 전기적 신호 연결을 위한 스위치들의 배열인 매트릭스 스위치(matrix switch)는 RF 스위치 등에 널리 이용되고 있다.
이러한 매트릭스 스위치의 종래 기술들로서, 전기적 신호의 연결을 위한 전기 스위치의 종래 기술이 대한민국 특허공개 제1988-7000508호에 개시되어 있다. 이 종래 기술의 전기 스위치는 절연기판을 중심으로 하여 서로 직교되게 교차하는 입력 측과 출력 측의 각각의 선이 양 측판에 절연되게 구성하고, 이들이 접속자인 단락 플러그(plug)에 의하여 전기적으로 접속되도록 구성되어 있다.
또한, 대한민국 특허공개 제1977-7004306호에서는 복수의 입출력 선을 가진 세 개의 매트릭스 기판을 가지면서, 매트릭스 기판에 있는 접속 홀에 기판의 수직 방향으로 구동하는 접속 핀(pin)이 접속함으로써 전기신호의 전달이 이루어지는 구조를 개시하고 있다. 상기 두 가지 종래 기술은 복수의 신호 입력단과 신호 출력단 사이의 전기적 신호의 연결을 가능하게는 하였지만, 복수의 기판에 복잡한 전기신호선이 배열되어있고 전기신호 온/오프(on/off)를 위한 접속자의 구동이 복잡할 뿐만 아니라 전체 시스템의 크기가 커서 추가의 입력 또는 신호 출력단이 필요할 경우에 확장이 어렵다는 단점이 있다.
한편, 이러한 매트릭스 스위치가 보다 더 많은 신호 입력단과 신호 출력단간의 스위칭을 담당하여야 할 필요성이 커지게 되면서도 소형화되어야할 필요성 또한 점차 커지면서, 매트릭스 스위치의 제작에 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술이 적용되는 사례가 많아지고 있다.
예컨대, IEEE MEMS 학회논문(L. Que et al., "A bi-stable electro-thermal RF switch for high power application," pp. 797-800, 2004)에서는 단위 열탄성 구동기와 쌍안정 스프링을 사용하는 RF 스위치를 소개하고 있다. 하지만 한 쌍의 쌍안정스프링 설계로 비틀림 등의 움직임이 발생하여 안정적인 안정상태의 변화가 어려울 뿐만 아니라, 단위 열탄성 구동기를 사용함으로써 쌍안정 스프링의 안정 상태 변화를 위해서 높은 전류가 필요하다는 문제점이 있었다.
또한, KMEMS 학회논문(Y. S. Shim et al,, "A study on the latch-up thermoelastic microactuator for RF switches," pp. 417-422, 2004)에서는 직렬 연결 열탄성 구동기를 이용한 매트릭스 스위치를 개시하고 있다. 그러나, 직렬 연결 열탄성 구동기를 이용하는 것에 의하여 큰 변위량을 얻을 수는 있었지만, 쌍안 정스프링이 한 쌍의 판 스프링으로만 이루어져 있어서 안정적인 안정상태의 변화가 어렵다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래 기술에 대비하여 안정적인 동작이 가능하고, 초소형화가 가능하면서도 확장성이 용이한, 특히 MEMS 공정을 이용하는 것에 적합한 매트릭스 릴레이 스위치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 적어도 하나의 신호 입력단과 적어도 하나의 신호 출력단 간의 전기적 신호 연결을 위한 매트릭스 스위치에 있어서, 상기 매트릭스 스위치를 구성하는 전기 스위치 각각은 대응되는 신호 입력단과 신호 출력단 간의 전기적 연결을 개폐시키는 신호 연결부, 상기 신호 연결부에 연결되어 상기 신호 연결부를 전진 또는 후진 구동시키는 제 1 가동 구동체, 상기 제 1 가동 구동체를 전진 또는 후진 구동시켜, 상기 신호 연결부에 의한 상기 신호 입력단과 신호 출력단 간의 전기적 연결 상태를 변화시키는 전후진 구동부 및 상기 제 1 가동 구동체에 연결되고, 상기 제 1 가동 구동체에 의하여 안정 상태가 변화하여 상기 전기적 연결 상태를 유지시키는 쌍안정 스프링부를 포함한 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치를 제공한다.
여기에서, 상기 전후진 구동부는 제 2 가동 구동체, 상기 제 2 가동 구동체를 전진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 전진시키는 적어도 하나의 전진 구동기 및 상기 제 2 가동 구동체를 후진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 후진시키는 적어도 하나의 후진 구동기를 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 전후진 구동부는 제 2 가동 구동체, 상기 제 2 가동 구동체를 전진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 전진시키는 적어도 하나의 전진 구동기, 제 3 가동 구동체 및 상기 제 3 가동 구동체를 후진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 후진시키는 적어도 하나의 후진 구동기를 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 신호 입력단과 상기 신호 연결부 간의 접촉면은 상기 제 1 가동 구동체의 구동 방향과 90도 이하의 각을 이루도록 형성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 신호 출력단과 상기 신호 연결부 간의 접촉면은 상기 제 1 가동 구동체의 구동 방향과 90도 이하의 각을 이루도록 형성될 수 있다.
여기에서, 상기 쌍안정 스프링부는 힌지 스프링 및/또는 선형 스프링 및 상기 힌지 스프링 및/또는 선형 스프링에 연결된 스프링 연결체를 구비한 스프링 구조체를 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 쌍안정 스프링부는 선형 또는 곡선형 판 스프링에 의하여 구성된 스프링 구조체를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 쌍안정 스프링부는 상기 제 1 가동 구동체를 중심으로 적어도 한 쌍의 스프링 구조체가 대칭구조를 이루도록 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 전기 스위치 각각은, 상기 신호 입력단, 상기 신호 출력단, 상기 전후진 구동부, 상기 신호 연결부, 상기 제 1 가동 구동체 및 상기 쌍안정 스프링부를 포함한 구조층, 상기 구조층 하단에 위치한 전기적 절연을 위한 절연층 및 상기 구조층 및 상기 절연층을 지지하는 기저부를 포함하여 제작될 수 있다.
이때, 상기 구조층은 동일한 재질의 전도성 재료를 식각하여 제작될 수 있 다. 또는, 상기 구조층은 비전도성 재료에 전도성 재료를 증착하여 제작될 수도 있다. 이때, 상기 비전도성 재료는 폴리머가 이용될 수 있다.
이때, 상기 구조층은 전도성 또는 비전도성 고체재료 또는 폴리머로 몰드를 제작한 후 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중의 적어도 하나를 포함한 금속재료를 전해도금법에 의해 증착함으로써 제작될 수 있다.
여기에서, 상기 신호 입력단과 상기 신호 출력단의 상부 면에 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 중의 적어도 하나를 증착하여 형성된 전극을 포함할 수 있다. 이때, 상기 전기 스위치 각각의 전극들은 골드 와이어링에 의하여 연결될 수 있다.
또는, 상기 매트릭스 스위치는 전극 및 도선 처리가 된 별도의 전극 기판을 포함하고, 상기 전극 기판은 상기 전기 스위치 각각의 상기 신호 입력단 및 상기 신호 출력단과 전도성 솔더 물질에 의하여 접합되도록 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 신호 입력단 및 신호 출력단과 상기 신호연결부의 접촉면에는 각각 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 중의 적어도 하나인 저저항성 금속재료가 증착될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 매트릭스 릴레이 스위치를 이용하면 초소형화가 가능하면서도 확장성이 우수한 매트릭스 스위치를 구성할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 매트릭스 릴레이 스위치가 MEMS 공정을 이용하여 제작될 경우에는 종래 기술에 비하여 초소형화가 용이해지는 효과를 가져올 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 쌍안정 스프링부를 제 1 가동 구동체를 중심으로 대칭적인 복수개의 스프링 구조체를 형성하여 구성할 경우에는 종래기술에 대비하여 비틀림이 없이 가동 구동체의 전진 및 후진을 유도하고, 안정적인 상태의 변화를 가져오는 효과를 가져올 수 있다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 일 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 매트릭스 스위치(100)는 적어도 하나의 신호 입력단(111-1 내지 111-N)과 적어도 하나의 신호 출력단(112-1 내지 121-N) 간의 전기적 신호 연결을 위한 매트릭스 스위치를 대상으로 하며, 매트릭스 스위치(100)는 적어도 하나의 단위(unit) 전기 스위치(110)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 매트릭스 스위치를 구성하는 전기 스위치(110) 각각은 신호 연결부(121), 신호 연결부(121)에 연결된 제 1 가동 구동체(122), 전후진 구동부(130) 및 쌍안정 스프링부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
신호 연결부(121)는 대응되는 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1)간의 전기적 연결을 개폐(open/close)시키는 구성요소이다.
제 1 가동 구동체(122)는 신호 연결부(121)에 연결되어, 상기 신호 연결 부(121)를 전진 또는 후진 운동시킴으로써, 신호 연결부(121)가 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1) 간의 연결을 개폐시킬 수 있도록 구동되는 구성요소이다.
전후진 구동부(130)는 상기 제 1 가동 구동체(122)를 전진 또는 후진 구동시켜, 상기 신호 연결부(121)에 의한 상기 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1) 간의 전기적 연결 상태를 변화시키는 구성요소이다.
보다 구체적으로, 전후진 구동부(130)는, 제 2 가동 구동체(131), 상기 제 2 가동 구동체(131)를 전진 운동시키는 적어도 하나의 전진 구동기(132), 상기 제 2 가동 구동체(131)를 후진 운동시키는 적어도 하나의 후진 운동기(134) 및 상기 제 2 가동 구동체(131)에 탄성력을 제공하고 전진 또는 후진 운동을 유도하는 지지 스프링(136)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 제 2 가동 구동체(131)는 상기 신호 연결부(121)에 연결된 제 1 가동 구동체(122)와 접촉부(150)를 통하여 접촉되어 간접적으로 제 1 가동 구동체(122)를 전진 또는 후진 구동시키는 구성요소이다.
마지막으로, 쌍안정 스프링부(140)는 상기 제 1 가동 구동체(121)에 연결되어, 신호 연결부(121)에 의한 상기 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1) 간의 전기적 연결 상태를 유지시키는 역할을 수행하는 구성요소이다.
도 1a에서 예시한 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 동작은 다음과 같이 상술된다.
먼저, 대응되는 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1)을 신호 연결부(121)에 의하여 연결시키는 동작은, 전후진 구동부(130)의 전진 구동기(132)를 구성하는 전진 구동 전극(133)에 전압을 인가할 때 발생되는 정전력(electrostatic force)에 의하여 제 2 가동 구동체(131)가 전진 방향(161)으로 전진 운동을 하는 것에 의하여 이루어진다.
즉, 제 2 가동 구동체(131)가 전진 방향(161)으로 전진 운동을 하게 됨으로써, 제 1 가동 구동체(122)와의 접촉부(150)를 통한 접촉에 의하여, 제 1 가동 구동체(122)를 마찬가지로 전진 방향(161)으로 전진시키게 되며, 이에 따라 제 1 가동 구동체(122)에 연결된 신호 연결부(121)는 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1) 모두에 접촉하게 되어 전기적 신호를 연결하게 된다.
다음으로, 대응되는 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1) 간의 연결을 차단시키는 동작은, 전후진 구동부(130)의 후진 구동기(134)를 구성하는 후진 구동 전극(135)에 전압을 인가할 때 발생되는 정전력에 의하여 제 2 가동 구동체(131)가 후진 방향(162)으로 후진 운동을 하는 것에 의하여 이루어진다.
즉, 제 2 가동 구동체(131)가 후진 방향(162)으로 후진 운동을 하게 됨으로써, 제 1 가동 구동체(122)와의 접촉부(150)를 통한 접촉에 의하여, 제 1 가동 구동체(122)를 마찬가지로 후진 방향(162)으로 후퇴시키게 되며, 이에 따라 제 1 가동 구동체(122)에 연결된 신호 연결부(121)가 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1) 간에 접촉하지 않게 됨으로써, 신호 입력단과 신호 출력단간에 전기적 연결이 차단된다.
한편, 제 1 가동 구동체(122)의 전진 또는 후진 운동에 의하여 쌍안정 스프링부(140)도 역시 전진 또는 후진 운동을 하게 된다. 이때, 쌍안정 스프링부(140) 의 탄성복원력을 넘어서는 전진 또는 후진 방향의 힘이 제 1 가동 구동체(122)를 통하여 전달될 경우에, 쌍안정 스프링부(140)는 어느 한쪽 편으로 휘어진 상태를 유지하면서 신호 연결부(121)에 의한 신호 입력단(111-1)과 신호 출력단(112-1) 간의 전기적 연결 상태를 유지하게 된다.
예컨대, 도 1a에서 예시된 쌍안정 스프링부(140)는 제 1 가동 구동체(122)의 후진 방향(162)으로 휜 상태를 유지하면서 신호 연결부(121)가 신호 입력단(111-1) 및 신호 출력단(112-1) 간을 연결하지 않고 있는 상태를 보여주고 있다. 반대로, 쌍안정 스프링부(140)는 제 1 가동 구동체(122)의 전진 방향(161)으로 휜 상태를 유지하면서 신호 연결부(121)가 신호 입력단(111-1) 및 신호 출력단(112-1) 간을 연결시키는 상태를 유지할 수도 있다.
이러한 전기 스위치(110)의 기본 구성이 단위 구성을 이루어서, 복수의 신호 입력단과 복수의 신호 출력단 간의 전기적 신호 연결을 가능하게 하는 매트릭스 스위치를 구성할 수 있다.
한편, 도 1a에서는 전후진 구동부(130)를 구성하는 전진 구동기(132)와 후진 구동기(134)가 모두 쌍안정 스프링부(140)의 일측 편에 위치하는 실시예를 예시하고 있으나, 전진 구동기(132)와 후진 구동기(134)를 각각 쌍안정 스프링부(140)의 양측 편에 나누어 배치시킬 수도 있을 것이다.
도 1b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 일 실시예에서 전후진 구동부의 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1b를 참조하면, 도 1a에서 예시한 전후진 구동부(130)와는 다른 구성을 가지는 전후진 구동부(230)가 예시되어 있다. 도 1b에서 예시되는 전후진 구동부(230)는 제 2 가동 구동체(232) 및 제 3 가동 구동체(236)를 포함하고, 제 2 가동 구동체(232)를 구동시키는 전진 구동기(231)와 제 3 가동 구동체(236)를 구동시키는 후진 구동기(235)를 분리 배치하여 구성할 수 있다. 또한, 상기 제 2 가동 구동체(232)에 탄성력을 제공하고 전진 또는 후진 운동을 유도하는 지지 스프링(234)과, 상기 제 3 가동 구동체(236)에 탄성력을 제공하고 전진 또는 후진 운동을 유도하는 지지 스프링(238)을 포함할 수 있다.
한편, 전후진 구동부(230)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1a에서 예시한 실시예의 경우와 동일하며, 동일한 구성요소는 도 1a에서와 동일한 참조번호를 이용하여 설명되므로 자세한 설명은 생략한다.
즉, 제 2 가동 구동체(232)를 전진 운동시켜, 제 1 가동 구동체(122)와의 접촉부(151)를 통한 접촉에 의하여 제 1 가동 구동체(122)를 전진 운동시키는 전진 구동기(231)를 쌍안정 스프링부(140)의 제 1 가동 구동체(121)의 후진 방향측에 배치시키고, 제 3 가동 구동체(236)를 후진 운동시켜, 제 1 가동 구동체(122)와의 접촉부(152)를 통한 접촉에 의하여 제 1 가동 구동체(122)를 후진 운동시키는 후진 구동기(235)를 쌍안정 스프링부(140)의 제 1 가동 구동체(122)의 전진 방향측에 배치시킨 구조를 예시하고 있다.
따라서, 도 1b에서 예시하고 있는 매트릭스 스위치의 전후진 구동부(230)에서는 도 1a에서 예시한 전후진 구동부(130)의 경우와는 달리, 전후진 구동부(230)에 포함된 전진 구동기(231)가 구동하는 가동 구동체(즉, 제 2 가동 구동체; 232) 와 전후진 구동부(230)에 포함된 후진 구동기(235)가 구동하는 가동 구동체(즉, 제 3 가동 구동체; 236)를 별도로 구성한다는 점에서 차이가 있다.
도 1a의 실시예와 도 1b의 실시예는 설계 및 구동의 용이성에 따라서 선택적으로 구현될 수 있다.
한편, 도 1a에 포함되어 예시된 전후진 구동부(130)에 포함된 전진 구동기(132)와 후진 구동기(134)는 제 2 가동 구동체(131)와 전진 구동 전극(133), 제 2 가동 구동체(131)와 후진 구동 전극(135)간의 정전력(electrostatic force)에 의하여 제 2 가동 구동체(131)를 전진 또는 후진시키는 힘을 발생시키고 있다. 마찬가지로, 도 1b에 포함되어 예시된 전후진 구동부(230)에 포함된 전진 구동기(231)는 제 2 가동 구동체(232)와 전진 구동 전극(233) 간의 정전력, 후진 구동기(235)는 제 3 가동 구동체(236)와 후진 구동 전극(237)간의 정전력에 의하여 제 2 가동 구동체(232) 또는 제 3 가동 구동체(236)를 전진 또는 후진시키는 힘을 발생시키고 있다.
가동구동체를 전진 또는 후진 시키는 힘으로는 도 1a 및 도 1b에서 예시한 정전력의 경우 뿐만아니라, 열 팽창에 의한 열 탄성력, 전자기력(electromagnetic force)에 의한 로렌츠(Lorentz) 힘 등이 이용될 수 있을 것이다.
도 2a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 또 다른 실시예는 열탄성력 또는 전자기력을 이용한 전후진 구동부(330)를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 전후진 구동부(330)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1a 및 도 1b에서 예시한 실시예의 경우와 동일하며, 동일한 구성요소는 도 1a 및 도 1b에서와 동일한 참조번호를 이용하여 설명되므로 자세한 설명은 생략한다.
전후진 구동부(330)는 제 2 가동 구동체(332)와 제 2 가동 구동체(332)를 전진시키기 위한 전진 구동기(331), 제 3 가동 구동체(335)와 제 3 가동 구동체(335)를 후진시키기 위한 후진 구동기(334)를 포함하여 구성될 수 있다.
전진 구동기(331)는 전진 구동 전극(333)에 전압을 인가하면 구조체에 열이 발생되며, 발생되는 열에 의한 열팽창으로 제 2 가동 구동체(332)를 전진 방향(161)으로 전진 운동시키게 된다. 또는, 전자기력을 이용한 전진 구동기를 구성할 경우에는, 소자의 바닥면에 솔레노이드(solenoid) 또는 영구자석을 부착하여 수직방향으로 자기장을 발생시키고 전진 구동 전극(333)에 전류를 인가하는 것에 의하여 로렌츠 힘을 이용하여 제 2 가동 구동체(332)를 구동시키게 된다.
마찬가지로, 후진 구동기(334)는 후진 구동 전극(336)에 전압을 인가하는 것에 의하여, 구조체에 열을 발생시키고, 발생되는 열에 의한 열팽창으로 제 3 가동 구동체(335)를 후진 방향(162)으로 후진 운동시키게 된다. 또는, 전자기력을 이용한 후진 구동기를 구성할 경우에는, 소자의 바닥면에 솔레노이드 또는 영구자석을 부착하여 수직방향으로 자기장을 발생시키고 후진 구동 전극(336)에 전류를 인가하는 것에 의하여 로렌츠 힘을 이용하여 제 3 가동 구동체(335)를 구동하게 된다.
도 2b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예에서 전후진 구동부의 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
한편, 도 2a에서는 전후진 구동부(330)를 구성하는 전진 구동기(331)와 후진 구동기(334)가 모두 쌍안정 스프링부(140)의 일측 편에 위치하는 실시예를 예시하고 있으나, 도 2b에서는 전진 구동기(431)와 후진 구동기(435)를 각각 쌍안정 스프링부(140)의 양측 편에 나누어 배치시킨 경우를 예시하고 있다.
도 2b에 포함되어 예시하고 있는 전후진 구동부(430)의 구성예는 제 2 및 제 3 가동 구동체(432, 436)를 구동시키는 구동력이 정전력에 의한 것인지, 열탄성력 또는 전자기력에 의한 것인지에서만 도 1b에서 예시하고 있는 전후진 구동부(230)와 차이가 있고, 나머지 구성은 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 또한, 전후진 구동부(430)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1a 내지 도 2a에서 예시한 실시예의 경우와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 2c는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예에서 전후진 구동부의 또 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 전후진 구동부의 또 다른 구성(530)은 전진 구동기(531)와 후진 구동기(534)에 포함된 전극(533, 536)을 직렬로 배열한 구성을 예시하고 있다.
따라서, 도 2c에 예시된 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 전후진 구동부 구성(530)을 취할 경우에는, 제 2 가동 구동체(532) 및 제 3 가동 구동체(535)의 전진(161) 또는 후진(162) 방향의 구동 변위량을 도 2a 및 도 2b에 예시된 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 전후진 구동부 구성(330, 430)을 취하는 경우에 비교하여 보다 크게 가지도록 구성할 수 있다. 즉, 전진 구동기(531)와 후진 구동기(534) 의 구동력을 보다 크게 가지도록 함으로써 전진 방향 또는 후진 방향의 구동 변위량을 보다 크게 가지도록 구성할 수 있는 것이다.
도 2d는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예에서 전후진 구동부의 또 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2d를 참조하면, 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 전후진 구동부의 또 다른 구성(630)은 전진 구동기(631)와 후진 구동기(635)에 포함된 전극(633, 637)을 직렬로 배열한 구성을 예시하고 있다. 전진 구동기(631)와 후진 구동기(635)에 포함된 전극을 직렬로 배열하는 점에서는 도 2c에서 예시한 전후진 구동부의 구성(530)과 동일하며, 쌍안정 스프링부(140)의 양측편에 전진 구동기(631)와 후진 구동기(635)를 분리 배치하는 점에서는 도 2b에서 예시한 전후진 구동부의 구성(530)과 동일하다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치에 적용될 수 있는 쌍안정 스프링부의 구성예들을 도시한 개념도들이다.
도 3a를 참조하면, 쌍안정 스프링부(140)는 양 말단을 지지하기 위한 지지체(141)와 상기 지지체(141)에 접합된 힌지(hinge) 스프링(142-1) 및 스프링 연결체(143), 다시 가동 구동체(144)에 스프링 연결체(143)를 접합시키는 힌지 스프링(142-2)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서 가동 구동체(144)는 도 1a 내지 도 2d에서 예시된 신호 연결부(121)와 연결되어 있는 제 1 가동 구동체(122)를 의미한다. 즉, 쌍안정 스프링부(140)는 제 1 가동 구동체(122)를 중심으로 대칭적인 구조를 취하는 것이 신호 연결부(121)의 전진 또는 후진 방향 구동을 기울어짐 없이 유도할 수 있으며, 안정적인 동작을 위해서 바람직할 것이다.
도 3b를 참조하면, 쌍안정 스프링부(140)는 양 말단을 지지하기 위한 지지체(141)와 상기 지지체(141)에 접합된 선형 스프링(145-1) 및 스프링 연결체(143), 다시 가동 구동체(144)에 스프링 연결체(143)를 접합시키는 선형 스프링(145-2)을 포함하여 구성될 수도 있다.
도 3c와 도 3d를 참조하면, 도 3a 및 도 3b에서 예시된 쌍안정 스프링부와는 달리, 각각 일체형의 선형 스프링(146) 및 곡선형 스프링(147)으로 쌍안정 스프링부를 구성하는 경우를 예시하고 있다.
도 3a 내지 도 3d에서 예시하고 있는 쌍안정 스프링부의 구성은 쌍안정 스프링부에 요구되는, 신호 연결부(121)를 통한 신호 입력단 및 신호 출력단간의 연결 유지력에 따라서 선택될 수 있을 것이다.
한편, 쌍안정 스프링부(140)는 가동 구동체(144)를 중심으로, 한 쌍의 스프링을 대칭적으로 구성하는 것 뿐만 아니라, 복수개의 쌍으로 이루어진 스프링을 가동 구동체(144)를 중심으로 병렬적으로 구성할 수도 있을 것이다.
도 3e 내지 도 3h를 참조하면, 도 3a 내지 도 3d에서 예시된 쌍안정 스프링부와는 달리, 가동 구동체(144)를 중심으로 두 쌍의 스프링을 대칭적으로 구성한 경우를 예시하고 있다.
도 3e는 힌지 스프링과 스프링 연결체를 포함하여 구성되는 도 3a에서 예시한 쌍안정 스프링부에 대응되어, 두 쌍의 힌지 스프링들(142-1-1, 142-1-2, 142-2- 1, 142-2-2)과 스프링 연결체(143-1, 143-2)로 쌍안정 스프링부를 구성한 예를 도시하고 있다.
마찬가지로, 도 3f는 선형 스프링과 스프링 연결체를 포함하여 구성되는 도 3b에서 예시한 쌍안정 스프링부에 대응되어, 두 쌍의 선형 스프링(145-1-1, 145-1-2, 145-2-1, 145-2-2)과 스프링 연결체(143-1, 143-2)로 쌍안정 스프링부를 구성한 예를 도시하고 있다.
도 3g와 도 3h는 각각 선형 스프링 또는 곡선형 스프링 일체형으로 쌍안정 스프링부를 구성한 예로서, 각각 도 3c 및 도 3d에 대응하여, 두 쌍의 선형 스프링(146-1, 146-2) 또는 곡선형 스프링(147-1, 147-2)으로 쌍안정 스프링부를 대칭적으로 구성한 예를 도시하고 있다.
도 3e 내지 도 3h를 통하여 예시하고 있는 쌍안정 스프링부의 구성은, 예컨대, 한 쌍의 스프링만으로 쌍안정 스프링부를 구성할 경우에 연결 유지력이 충분하지 않거나, 전기 스위치의 반복되는 개폐 동작에 의한 열화에 대비하기 위하여 기계적 피로도를 여러 쌍의 스프링이 분할하여 반복동작의 안정성을 높이기 위하여 선택될 수 있는 구성이다. 또한, 이와 같이 복수개의 스프링 구조체를 가동 구동체를 중심으로 대칭적으로 배열시키는 것에 의하여 가동 구동체의 비틀림 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 신호 연결부와 신호 입력단 또는 신호 출력단 간의 접촉면의 일 구성을 예시한 개념도이다.
도 4a를 참조하면, 신호 연결부(122)와 신호 입력단(111-1) 또는 신호 출력 단(112-1)의 접촉면을 예시한 것으로, 가장 일반적인 형태로서, 상기 접촉면은 제 1 가동 구동체(122)의 구동 방향(161, 162)과는 실질적으로 90도 각도를 이루도록 구성될 수 있다.
한편, 신호 연결부와 신호 입력단간의 접촉면 또는 신호 연결부와 신호 출력단간의 접촉면은 상기 가동 구동체의 구동 방향과 90도 이하의 각을 이루도록 형성되도록 구성될 수도 있다.
도 4b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 신호 연결부와 신호 입력단 또는 신호 출력단 간의 접촉면의 다른 구성을 예시한 개념도이다.
도 4b를 참조하면, 도 4a에서 신호 연결부(122)와 신호 입력단(111-1) 또는 신호 출력단(112-1)의 접촉면(401, 402)을 도 4a에서 예시한 접촉면 구성에서는 제 1 가동 구동체(122)의 구동 방향(161, 162)과는 실질적으로 90도 각도를 이루도록 구성한 것과는 달리, 신호 연결부(122)와 신호 입력단(111-1) 또는 신호 출력단(112-1)의 접촉면(401,402)이 제 1 가동 구동체(122)의 구동 방향(161, 162)과는 90도 이하(θ)의 각도를 이루도록 구성할 수 있다.
이를 통하여, 도 4b에서 예시되는 접촉면(403, 404)의 면적은 도 4a에서 예시되는 접촉면(401, 402)의 면적에 비하여 비교적 큰 값을 가지게 되며, 이를 통하여 신호 연결부(122)와 신호 입력단(111-1) 또는 신호 출력단(112-1)간의 접촉 저항을 줄일 수 있다는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 매트릭스 스위치는 초소형화 및 확장성 및 제조의 용이성을 증대시키기 위하여 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정에 의하여 제조되는 것이 바람직할 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치가 MEMS 공정에 의하여 제조될 경우의 단위 전기 스위치의 단면 구성을 예시한 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명에 따른 매트릭스 스위치가 MEMS 공정에 의하여 제조될 경우의 단위 전기 스위치는, 구조층(410), 절연층(420) 및 기저부(430)를 포함하여 구성될 수 있다.
구조층(410)은 신호 입력단, 신호 출력단, 전진 구동기와 후진 구동기를 포함한 전후진 구동부 및 신호연결부가 연결된 쌍안정스프링부 등의 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 구성요소들이 형성되는 층이다.
한편, 상기 구조층(410)은 동일한 재질의 전도성 재료를 식각(etching)하여 제작될 수 있으며, 이때 상기 전도성 재료는 실리콘(silicon)을 포함한 재료인 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 구조층(410)은 비전도성 재료에 전도성 재료를 증착하여 제작될 수도 있으며, 이때 상기 비전도성 재료는 폴리머(polymer)일 수 있으며, 상기 전도성 재료로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중의 적어도 하나를 포함한 금속재료가 선택될 수 있을 것이다.
또한, 상기 구조층(410)은 전도성 또는 비전도성 고체재료 또는 폴리머로 몰드(mold)를 제작한 후 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중의 적어도 하나를 포함한 금속재료를 전해도금법에 의해 증착함으로써 제작될 수도 있을 것이다.
절연층(420)은 구조층(410) 하단에서 전기적 절연(insulation)을 위하여 형성되는 층이며, 기저부(430)는 상기 구조층(410)과 절연층(420)을 지지하기 위한 층이다.
한편, 신호 입력단, 신호 출력단, 신호 연결부 및 기타 구성요소들 간의 접촉면에는 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 중의 적어도 하나인 전기저항이 낮은 금속재료를 증착함으로써 저항에 의한 전기신호의 왜곡을 최소화시킬 수 있다.
도 5b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치가 MEMS 공정에 의하여 제조될 경우의 단위 전기 스위치의 다른 단면 구성을 예시한 단면도이다.
앞서 설명된 바와 같이, 저항에 의한 전기 신호의 왜곡을 최소화하기 위하여 필요에 따라서, 구조층(410)에 형성된 신호 입력단, 신호 출력단, 신호 연결부 및 기타 구성요소들 간의 접촉면에 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 중의 적어도 하나인 전기저항이 낮은 금속재료(411)를 증착함으로써 저항에 의한 전기신호의 왜곡을 최소화시킬 수 있다.
한편, 도 5a를 통하여 설명된 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 단위 전기 스위치에는 복수의 신호 입력단 및 신호 출력단 간의 연결을 위한 전극 형성이 필요할 수 있다.
통상적으로, 신호 입력단 및/또는 신호 출력단으로 전기신호 전달을 위해서 전극을 연결함에 있어서, 신호 입력단과 신호 출력단의 상부면에 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 등과 같은 금속을 증착하여 전극을 형성하고, 골드 와이어링(gold wiring)에 의해 전극을 연결하는 방법이 이용될 수 있다.
도 5c는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 단위 전기 스위치에 대한 전극 형성의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도 5c는 금속을 증착하여 전극을 형성하고, 골드 와이어링에 의해 전극들을 연결하는 방법을 이용하는 대신에, 별도의 전극 기판을 이용하여 신호 입력단 및/또는 신호 출력단의 전기 신호 전달을 위한 전극을 형성하는 방법을 예시하고 있다.
도 5c를 참조하면, 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 단위 전기 스위치에 대한 전극 형성의 일 예는 매트릭스 스위치에 전극(441, 442) 및 도선(443) 처리가 된 별도의 전극 기판(440)을 포함하고, 상기 전극 기판(440)은 상기 전기 스위치 각각의 상기 신호 입력단 및 상기 신호 출력단과 전도성 솔더(solder) 물질(450)에 의하여 접합되도록 구성될 수 있다. 한편, 외부로의 신호 전달은 골드 와이어링(460)을 통하여 연결될 수 있다.
이와 같은 구성을 취할 경우에는, 신호 입력단에서 신호 출력단으로 전기 신호가 연결될 때, 단 한 번의 접촉면 접촉저항이 포함되기 때문에, 모든 신호 출력단에서 균일한 전기신호를 기대할 수 있다는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 일 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 일 실시예에서 전후진 구동부의 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예에서 전후진 구동부의 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2c는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예에서 전후진 구동부의 또 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2d는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 다른 실시예에서 전후진 구동부의 또 다른 구성예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치에 적용될 수 있는 쌍안정 스프링부의 구성예들을 도시한 개념도들이다.
도 4a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 신호 연결부와 신호 입력단 또는 신호 출력단 간의 접촉면의 일 구성을 예시한 개념도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 신호 연결부와 신호 입력단 또는 신호 출력단 간의 접촉면의 다른 구성을 예시한 개념도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치가 MEMS 공정에 의하여 제조될 경우 의 단위 전기 스위치의 단면 구성을 예시한 단면도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치가 MEMS 공정에 의하여 제조될 경우의 단위 전기 스위치의 다른 단면 구성을 예시한 단면도이다.
도 5c는 본 발명에 따른 매트릭스 스위치의 단위 전기 스위치에 대한 전극 형성의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 신호 입력단과 적어도 하나의 신호 출력단 간의 전기적 신호 연결을 위한 매트릭스 스위치에 있어서,
    상기 매트릭스 스위치를 구성하는 전기 스위치 각각은
    대응되는 신호 입력단과 신호 출력단 간의 전기적 연결을 개폐시키는 신호 연결부;
    상기 신호 연결부에 연결되어 상기 신호 연결부를 전진 또는 후진 구동시키는 제 1 가동 구동체;
    상기 제 1 가동 구동체를 전진 또는 후진 구동시켜, 상기 신호 연결부에 의한 상기 신호 입력단과 신호 출력단 간의 전기적 연결 상태를 변화시키는 전후진 구동부 및
    상기 제 1 가동 구동체에 연결되고, 상기 제 1 가동 구동체에 의하여 안정 상태가 변화하여 상기 전기적 연결 상태를 유지시키는 쌍안정 스프링부를 포함한 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전후진 구동부는
    제 2 가동 구동체;
    상기 제 2 가동 구동체를 전진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 전진시키 는 적어도 하나의 전진 구동기; 및
    상기 제 2 가동 구동체를 후진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 후진시키는 적어도 하나의 후진 구동기를 포함한 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전후진 구동부는
    제 2 가동 구동체;
    상기 제 2 가동 구동체를 전진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 전진시키는 적어도 하나의 전진 구동기;
    제 3 가동 구동체; 및
    상기 제 3 가동 구동체를 후진 구동시켜 상기 제 1 가동 구동체를 후진시키는 적어도 하나의 후진 구동기를 포함한 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 쌍안정 스프링부는
    힌지 스프링 또는 선형 스프링; 및
    상기 힌지 스프링 또는 선형 스프링에 연결된 스프링 연결체를 구비한 스프링 구조체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 쌍안정 스프링부는
    선형 또는 곡선형 판 스프링에 의하여 구성된 스프링 구조체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 쌍안정 스프링부는 상기 제 1 가동 구동체를 중심으로 적어도 한 쌍의 스프링 구조체가 대칭구조를 이루는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 스위치 각각은,
    상기 신호 입력단, 상기 신호 출력단, 상기 전후진 구동부, 상기 신호 연결부, 상기 제 1 가동 구동체 및 상기 쌍안정 스프링부를 포함한 구조층;
    상기 구조층 하단에 위치한 전기적 절연을 위한 절연층; 및
    상기 구조층 및 상기 절연층을 지지하는 기저부를 포함하여 제작되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구조층은 동일한 재질의 전도성 재료를 식각하여 제작되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 구조층은 비전도성 재료에 전도성 재료를 증착하여 제작되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 비전도성 재료는 폴리머인 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 구조층은 전도성 또는 비전도성 고체재료 또는 폴리머로 몰드를 제작한 후 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 중의 적어도 하나 를 포함한 금속재료를 전해도금법에 의해 증착함으로써 제작되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기 스위치 각각은
    상기 신호 입력단과 상기 신호 출력단의 상부면에 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 중의 적어도 하나를 증착하여 형성된 전극을 포함한 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전기 스위치 각각의 전극들은 골드 와이어링에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 매트릭스 스위치는
    전극 및 도선 처리가 된 별도의 전극 기판을 포함하고,
    상기 전극 기판은 상기 전기 스위치 각각의 상기 신호 입력단 및 상기 신호 출력단과 전도성 솔더 물질에 의하여 접합되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 입력단 및 신호 출력단과 상기 신호연결부의 접촉면에는 각각 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 백금(Pt) 중의 적어도 하나인 저저항성 금속재료가 증착되는 것을 특징으로 하는 매트릭스 스위치.
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