KR100987779B1 - 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터 - Google Patents

홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터가 개시된다.
개시된 액츄에이터는, 미러를 구동하기 위한 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터로서, 입력된 전압에 따라 변위를 일으키는 복수 개의 압전 셀; 상기 복수 개의 압전 셀에 대응되게 탑재되어 있는 지지 부재; 상기 미러의 회전축에 평행한 바와 상기 바에서부터 연장된 굴곡부를 가지는 힌지 부재; 상기 힌지 부재 위에 탑재되는 것으로 상기 미러가 지지되는 포스트;를 포함한다

Description

홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터{Actuator for holographic information storage apparatus}
본 발명은 압전 소자를 이용한 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터에 관한 것이다.
최근 홀로그램을 이용한 정보저장기술이 주목을 받고 있다. 홀로그램을 이용한 정보저장법은 정보를 광학 간섭무늬 형태로 빛에 민감한 무기질 결정이나 혹은 폴리머 재료에 저장하는 것이다. 광학 간섭무늬는 간섭성을 띄는 두 개의 레이저빔을 이용하여 형성하게 된다. 경로를 달리하는 참조광과 신호광이 서로 간섭하여 형성되는 간섭무늬가 감광성 저장매체에 화학적 혹은 물리적 변화를 일으켜 기록되게 된다. 이렇게 기록된 간섭 패턴으로부터 정보를 재생하기 위해서는 기록할 때의 광과 유사한 참조광이 저장매체에 기록된 간섭 패턴에 조사된다. 이것은 간섭 패턴에 의한 회절을 일으키고, 이에 의해 신호광이 복원되면서 정보가 재생된다.
이러한 홀로그램 정보저장기술은 볼륨 홀로그래피(volume holography)를 이용하여 페이지(page)단위로 기록/재생하는 볼륨 홀로그래피 방식과 마이크로 홀로그래피(micro holography)를 이용하여 단일 비트(single bit)로 기록/재생하는 마 이크로 홀로그래피 방식이 있다. 볼륨 홀로그래피 방식은 대규모의 정보를 동시에 처리한다는 장점이 있으나, 광학계가 매우 정밀하게 조정되어야 하기 때문에 일반 소비자 대상의 정보저장장치로 상용화되기에 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 마이크로 홀로그래피 방식은 두 개의 집광된 광을 초점에서 간섭시켜 미세한 간섭무늬를 형성하고, 이러한 간섭 무늬를 저장매체 평면상에서 이동시켜 다수를 기록하여 기록층을 형성하며, 이러한 기록층을 저장매체의 깊이 방향으로 중첩하여 기록함으로써 저장매체상에 정보를 3차원으로 기록하는 방식이다.
참조광과 신호광의 간섭을 이용한 회절패턴을 홀로그래피 매체 내에 기록하여 데이터를 저장하는 홀로그래피 정보 저장 장치에서 홀로그램 미디어에 기록된 신호를 재생 혹은 새로운 데이터를 기록함에 있어서 각 참조광 및 신호광의 미디어에 대한 입사각도의 정밀 제어는 매우 중요하다. 일반적으로 홀로그래피 저장 장치는 갈바노 미러를 사용하는데 갈바노 미러는 사이즈가 커서 소형 광학 헤드에 부적합하다. 또한, MEMS 미러가 사용되는 경우는 MEMS 미러는 정전력을 이용하는 것이기 때문에 구동력이 작고, 구동 주파수가 공진 주파수로 제한되어 적용 범위가 적을 뿐만 아니라 정밀도가 낮은 단점이 있다. .
본 발명은 정밀 제어가 가능하고 소형 광헤드에 적합한 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 미러를 구동하기 위한 액츄에이터로서, 입력된 전압에 따라 변위를 일으키는 복수 개의 압전 셀; 상기 복수 개의 압전 셀에 대응되게 탑재되어 있는 지지 부재; 상기 미러의 회전축에 평행한 바와 상기 바에서부터 연장된 굴곡부를 가지는 힌지 부재; 상기 힌지 부재 위에 탑재되는 것으로 상기 미러가 지지되는 포스트;를 포함하는 액츄에이터를 제공한다.
상기 힌지 부재는, 상기 지지 부재에 결합되는 제1 플레이트; 상기 포스트가 안착되는 제2 플레이트;를 더 포함하고, 상기 바와 굴곡부가 상기 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이에 구비된다.
상기 굴곡부는 상기 미러의 회전축에 평행한 적어도 하나의 제1부분과 상기 미러의 회전축에 수직한 적어도 하나의 제2부분을 포함한다.
상기 복수 개의 압전 셀은 밑면이 서로 연결되어 있다.
상기 이웃하는 지지 부재 사이에 커넥터가 구비된다.
상기 지지 부재는 제1 플레이트가 수용되는 그루브를 포함한다.
상기 힌지 부재는 상기 지지 부재의 두께보다 작은 두께를 가진다.
상기 복수 개의 지지 부재에 의해 둘러싸인 중앙 부분에 상기 힌지 부재가 움직일 수 있는 공간이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 액츄에이터는 홀로그래피 정보 저장 장치에 적용되는 것으로, 압전 소자를 이용하여 정밀 구동이 가능하도록 한 것이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터의 분해 사시도를 나타낸 것으로, 상기 액츄에이터는 미러(50)를 구동하기 위한 것이다.
상기 액츄에이터는 복수 개의 압전 셀(10)과, 상기 복수 개의 압전 셀(10) 각각에 대응하여 구비되는 지지 부재(20)와, 상기 지지 부재(20) 위에 탑재되는 힌지 부재(30)를 포함한다. 상기 압전 셀(10)은 입력된 전압에 따라 기계적 변위가 일어나며, 예를 들어 제1 내지 제4 압전 셀(10a)(10b)(10c)(10d)을 포함한다. 상기 제1 내지 제4 압전 셀(10a)(10b)(10c)(10d)은 각각 별도의 몸체로 분리되어 있거나 도 1에 도시된 바와 같이 제1 내지 제4 압전 셀(10a)(10b)(10c)(10d)의 몸체 부분은 소정 갭(13)을 가지고 서로 분리되어 있는 한편 밑면(11)이 서로 연결된 구조로 형성될 수 있다. 밑면(11)이 서로 연결되어 있는 구조는 제1 내지 제4 압전 셀(10a)(10b)(10c)(10d)들이 서로 안정적으로 고정될 수 있도록 해 준다. 한편, 제1 내지 제4 압전 셀(10a)(10b)(10c)(10d)의 각 측면에는 전극(15)이 구비된다. 상기 제1 내지 제4 압전 셀(10a)(10b)(10c)(10d)은 2X2 메트릭스 구조로 소정 갭(13)을 두고 배열되어 있다.
상기 지지 부재(20)는 힌지 부재(30)를 지지하기 위한 것으로, 상기 압전 셀의 개수에 대응되게 마련되어 압전 셀의 상면에 탑재된다. 지지 부재(20)는 제1 내지 제4 지지 부재(20a)(20b)(20c)(20d)를 포함하고, 각각의 지지 부재가 독립적으로 분리되어 있거나 이웃하는 지지 부재 사이에 구비된 커넥터(27)에 의해 결합될 수 있다. 상기 커넥터(27)는 지지 부재(20)의 이동시 이웃하는 지지 부재(20)의 운동을 방해하지 않도록 탄성이 있는 재질로 형성된다. 지지 부재는 상부면에 그루브(23)를 구비하고, 측면(26)에 돌기(25)를 구비한다. 지지 부재(20)의 측면(26)은 경사면으로 형성될 수 있으며, 상기 돌기(25)는 지지 부재마다 두 개씩 구비될 수 있다. 상기 돌기(25)는 미러(50)가 회전시 압전체(10)에 미러가 접촉하는 것을 방지하는 역할을 한다. 또한, 돌기(25)와 돌기(25) 사이에 지지 부재(20)를 압전셀(10)에 부착하기 위한 에폭시를 도포하여 지지 부재(20)를 고정시킬 수 있다.
상기 제1 내지 제4 지지 부재(20a)(20b)(20c)(20d)에 의해 둘러싸인 가운데 부분은 빈 공간(21)으로 형성되고, 상기 공간(21)은 힌지 부재(30)가 움직일 수 있는 공간을 제공한다. 도 2를 참조하면, 지지 부재(20)의 두께가 힌지 부재(30)의 두께보다 두껍고, 힌지 부재(30)의 단부가 지지 부재(20)의 그루브(23)에 지지되어 있어 상기 힌지 부재(30)는 상기 공간(21) 상에 떠 있게 된다. 상기 힌지 부재(30)의 상부에는 포스트(40)가 장착되고, 상기 포스트 (40)에 의해 미러(50)가 지지되어 있다.
도 3은 상기 힌지 부재(30)의 확대 사시도이다. 상기 힌지 부재(30)는 상기 미러(50)의 회전축에 평행한 바(32)와 상기 바(32)에서부터 연장된 굴곡부(33)를 가진다. 상기 굴곡부(33)는 상기 미러(50)의 회전축(X축 또는 Y축)과 평행한 적어도 하나의 제1부분(33a)과 미러의 회전축에 수직한 적어도 하나의 제2부분(33b)을 포함한다. 미러의 회전축과 평행한 제1부분(33a)은 트위스팅이 일어나고, 미러의 회전축에 수직한 제2부분(33b)은 밴딩(bending)이 일어난다. 힌지 부재가 움직일 때 트위스팅되는 부분과 밴딩되는 부분을 통해 응력을 분산시킴으로써 정밀 제어가 가능하게 된다.
상기 힌지 부재(30)는 지지 부재(20)의 그루브(23)에 결합되는 제1 플레이트(31)와 상기 포스트(40)가 안착되는 제2 플레이트(35)를 포함하고, 상기 제1 플레이트(31)와 제2 플레이트(35) 사이에 상기 바(32)와 굴곡부(33)가 구비된다. 상기 굴곡부(33)는 제1 부분(33a)과 제2 부분(33b)이 많을수록 응력을 분산시키는데 유리하지만, 액츄에이터의 소형화를 위해서는 제1 부분(33a)과 제2 부분(33b)의 개수를 제한할 필요가 있다. 미러(50)는 힌지 부재(30)의 움직임에 따라 회전되며 도 3의 X축 또는 Y축이 미러의 회전축이 된다.
도 4a 내지 도 4d는 압전 셀의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4a를 참조하면 압전체 분말에 성형을 용이하게 하기 위해 바인더(binder)를 섞어 용매에 용해시킨 후 일정 시간동안 밀링(milling) 및 혼합을 하여 적층형 슬러리(slurry)를 제조하고 이러한 슬러리를 이용하여 닥터 블레이드(doctor blade)나 테이프 캐스팅(tape casting) 등과 같은 방법으로 약 수십 ㎛ 정도의 성형 시트(61)를 제조한다. 상기 성형 시트(61)에 도전성 페이스트를 스크린 프린팅법으로 인쇄하여 내부 전극을 형성한다. 내부 전극은 두 가지 패턴으로 제작되고, 도 4b에 도시된 바와 같이 이 두 가지 패턴의 시트를 교대로 적층하고, 열과 압력을 가하여 압착한다. 그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이 적층체(62) 외부로 노출된 내부 전극(63)에 도전성 페이스트를 도포하여 전극(64)을 형성한다. 그런 다음 도 4d에 도시된 바와 같이 상기 적층체(62)를 다이싱(dicing)이나 쏘 커팅(saw cutting)과 같은 방법으로 4 개의 셀로 자른다. 이때 적층체를 바닥 끝까지 자르지 않고 밑부분(66)은 서로 연결되어 있는 상태가 되도록 남겨둔다. 이로써 각 셀 간의 갭(65)을 일정하게 유지할 수 있다. 분리 공정과 함께 압전체의 치수를 일정하게 하기 위해 세라믹 면의 연마와 같은 방법을 추가할 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 액츄에이터의 동작을 설명한다.
도 2를 참조하면, 제1 내지 제4 압전 셀 중 선택적으로 전압을 인가하면 인가된 전압에 따라 제1 내지 제4 압전 셀에 변위가 발생되어 압전 셀의 높이가 달라진다. 압전 셀의 변위에 따라 지지 부재의 위치가 변하고, 지지 부재에 결합된 힌지 부재(30)가 변형된다. 힌지 부재(30)의 변형에 의해 힌지 부재(30)에 포스트(40)를 통해 지지된 미러(50)가 회전된다. 여기서, 미러(50)가 힌지 부재(30) 위에 직접 결합되지 않고 포스트(40)에 의해 지지되는 것은 미러(50)의 회전 공간을 확보하는 것과 함께 힌지 부재의 변형이 미러에 직접 영향을 미침으로써 정밀 제어가 되지 않는 것을 방지하기 위한 것이다.
좀더 구체적으로 액츄에이터를 작동시키기 위한 방법에 대해 설명한다. 도 5a는 제1 내지 제 4 압전셀(10a)(10b)(10c)(10d)에 전압을 인가하지 않은 상태를 나타낸 것이다. 여기서, a,b,c,d는 제1 내지 제4 압전셀(10a)(10b)(10c)(10d)에 가 해지는 전압을 나타낸다. 도 5b는 각 압전셀에 기준 전압(Ref Volt)을 인가하여 제1 내지 제4 압전셀이 같은 거리만큼 모두 상승한 것을 나타낸다. 이때 제1 내지 제4 압전셀의 평형도를 유지하기 위해 미러에서 반사된 빛을 포토 다이오드에서 검출하여 피드백된 신호를 이용하여 평형도를 조절할 수 있다. 다음, 도 5c는 제1 압전셀(10a)에는 (+)전압을, 제3 압전셀(10c)에는 (-)전압을 인가한 것을 나타낸다. 그러면, 제1 압전셀(10a)이 상승하고 제3 압전셀(10c)이 하강하여 미러가 제2 압전셀(10b)과 제4 압전셀(10d)을 기준으로, 즉 X축을 기준으로 회전한다. 도 5d에서는 제1 압전셀(10a)에 (-)전압을, 제3 압전셀(10c)에 (+) 전압을 인가하고 있으며, 제1 압전셀(10a)이 하강하고, 제3 압전셀(10cc)이 상승하여 미러가 X축을 중심으로 도 5c에 도시된 것과 반대 방향으로 회전한다. 도 5c 및 도 5d는 제1 및 제3 압전셀(10a)(10c)에 전압을 가하여 미러를 X축에 대해 회전하도록 하는 동작을 설명한 것이며, 도시되지는 않았지만 제2 및 제4 압전셀(10b)(10d)에 전압을 가하여 미러를 Y축에 대해 회전하도록 할 수 있다.
이와 같이 제1 내지 제4의 압전셀의 높낮이가 변하면 이 압전셀들 위에 각각 탑재된 지지부재가 같이 이동되고, 이에 따라 힌지 부재(30)가 트위스팅 동작과 밴딩 동작을 한다. 힌지 부재의 동작에 따라 포스트(40)를 통해 지지된 미러(50)가 X축으로 회전되거나 Y축으로 회전된다. 도 6a는 본 발명에 따른 힌지 부재가 상하 방향으로 5㎛ 이동하였을 때 발생하는 최대 응력값의 변화를 나타낸 것이고, 도 6b는 굴곡부 없이 미러의 회전축에 평행한 바만을 구비한 힌지 부재(이하, 단순 힌지 부재라고 함)가 상하 방향으로 5㎛ 이동하였을 때 발생하는 최대 응력값의 변화를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 힌지 부재의 비틀림시 발생하는 응력이 상기 단순 힌지 부재에 비해 여러 곳으로 분산되므로 최대 응력값이 감소된다. 이와 같이 최대 응력값이 감소됨으로써 보다 큰 틸트 각도를 확보할 수 있다.
도 7a는 본 발명에 따른 힌지 부재가 상하 방향으로 5㎛ 이동하였을 때 밴딩 포인트를 나타낸 것이고, 도 7b는 단순 힌지 부재가 상하 방향으로 5㎛ 이동하였을 때 밴딩 포인트를 나타낸 것이다. 도 7a와 도 7b에서 점선으로 표시된 영역이 밴딩 포인트이며, 본 발명에 따른 힌지 부재의 밴딩 포인트가 단순 힌지 부재의 밴딩 포인트에 비해 힌지 부재의 중심 쪽에 가깝게 위치한다. 밴딩 포인트가 힌지 부재의 중심 쪽에 가깝게 위치할수록 힌지 부재의 틸트 가능한 각도 범위가 증가한다. 틸트 각도 범위가 클수록 미러의 회전 각도 범위가 커지며, 이에 따라 미러의 운동 자유도가 증대되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II'선 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 액츄에이터에 구비되는 힌지 부재의 확대 사시도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 액츄에이터에 구비되는 압전 셀의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 액츄에이터와 비교예에 따른 액츄에이터에 대한 최대 응력값을 비교하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7c는 본 발명에 따른 액츄에이터와 비교예에 따른 액츄에이터에 대한 밴딩 포인트의 위치를 비교하기 위한 도면이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 설명>
10...압전셀, 13...갭
15...전극, 20...지지 부재
21...공간, 25...돌기
27...커넥터, 30...힌지 부재
31,35...플레이트, 32...바
33...굴곡부, 40...포스트
50...미러

Claims (8)

  1. 미러를 구동하기 위한 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터로서,
    입력된 전압에 따라 변위를 일으키는 복수 개의 압전 셀;
    상기 복수 개의 압전 셀에 대응되게 탑재되어 압전 셀의 변위에 따라 위치가 변하는 지지 부재;
    상기 지지 부재에 결합되고, 상기 미러의 회전축에 평행한 바와 상기 바에서부터 연장된 굴곡부를 가지는 힌지 부재;
    상기 힌지 부재 위에 탑재되는 것으로 상기 미러가 지지되는 포스트; 및
    상기 이웃하는 지지 부재 사이에 구비된 커넥터;를 포함하는 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 힌지 부재는,
    상기 지지 부재에 결합되는 제1 플레이트;
    상기 포스트가 안착되는 제2 플레이트;를 더 포함하고,
    상기 바와 굴곡부가 상기 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이에 구비된 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 굴곡부는 상기 미러의 회전축에 평행한 적어도 하나의 제1부분과 상기 미러의 회전축에 수직한 적어도 하나의 제2부분을 포함하는 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 압전 셀은 밑면이 서로 연결된 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터.
  5. 삭제
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 지지 부재는 제1 플레이트가 수용되는 그루브를 포함하는 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 힌지 부재는 상기 지지 부재의 두께보다 작은 두께를 가지는 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 지지 부재에 의해 둘러싸인 중앙 부분에 상기 힌지 부재가 움직일 수 있는 공간이 형성되는 홀로그래피 정보 저장 장치용 액츄에이터.
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