KR101894375B1 - 스캐닝 마이크로 미러 - Google Patents

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Abstract

이하, 스캐닝 마이크로 미러가 개시된다. 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는, 기판, 상기 기판과 연결되고, 외부 코일이 구비된 외부 김블, 상기 외부 김블과 연결되고, 내부 코일이 구비된 내부 김블, 상기 내부 김블과 연결되고, 일 측면에 반사면이 형성되는 미러 및 상기 기판 밑에 배치되는 자석 어셈블리를 포함할 수 있고, 상기 내부 김블 및 상기 미러 사이에 복수의 가닥으로 형성된 스프링이 마련되고, 상기 복수의 가닥이 상기 스프링의 길이 방향의 축을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.

Description

스캐닝 마이크로 미러{SCANNING MICROMIRROR}
이하, 스캐닝 마이크로 미러가 개시된다.
광 소자 기술의 발전과 더불어 각종 정보의 입출력단 및 정보 전달의 매개체로 광을 사용하는 기술들로는 바코드 스캐너(barcode scanner)나 기초적인 수준의 디스플레이(scanning laser display)와 같이 광원에서 나오는 빔을 주사하여 사용하는 것들이 있다. 높은 공간 분해능(High Spatial Resolution)의 빔 스캐닝을 이용한 시스템이 개발되고 있으며, 레이저 스캐닝(laser scanning)을 사용한 고해상도의 원색 재현력이 뛰어난 투사 방식 디스플레이 시스템(projection display system)이나 HMD(Head Mounted Display), 레이저 프린터 등에 적용되고 있다.
이러한 빔 스캐닝 기술은 적용 사례에 따라 다양한 주사 속도(Scanning Speed)와 주사 범위(Scanning Range; 각변위; Angular displacement, Tilting Angle)를 가지는 스캐닝 미러가 요구되는데, 기존의 빔 스캐닝은 갈바닉 미러(galvanic mirror)나 회전형 폴리곤 미러(rotating polygon mirror) 등 구동 되는 미러의 반사면과 입사광이 이루는 입사 각도를 조절하여 구현된다.
예를 들어, 한국등록특허 제10-0636348은 스캐닝 마이크로미러를 개시한다.
일 실시예에 따른 목적은 미러가 회전함에 따라 토션빔의 중간 부분에 스트레스가 집중되어 파손되는 것을 방지하는 스캐닝 마이크로 미러를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 미러의 증폭률을 극대화할 수 있도록 내부 김블의 일 측의 두께가 타 측의 두께보다 얇게 형성되는 스캐닝 마이크로 미러를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 김블 밑에 배치된 자석 어셈블리의 구조를 최적화하여 작은 공간에서 기계적으로 안정되고 높은 자기장의 세기를 산출하는 스캐닝 마이크로 미러를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 별도의 김블 구조들 위에 각각 형성된 별도의 코일에 의하여 구동될 때, 열에 의한 미러의 변형을 최소화하고 각 변위(angular deflection)가 증폭되도록 하는 스캐닝 마이크로 미러를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는, 기판, 상기 기판과 연결되고, 외부 코일이 구비된 외부 김블, 상기 외부 김블과 연결되고, 내부 코일이 구비된 내부 김블, 상기 내부 김블과 연결되고, 일 측면에 반사면이 형성되는 미러 및 상기 기판 밑에 배치되는 자석 어셈블리를 포함할 수 있고, 상기 내부 김블 및 상기 미러 사이에 복수의 가닥으로 형성된 스프링이 마련되고, 상기 복수의 가닥이 상기 스프링의 길이 방향의 축을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 스프링은, 상기 스프링의 중앙 일 측에서 복수의 가닥 사이의 간격이 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격보다 좁아지도록 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 스프링은, 상기 내부 김블에 인접한 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격이 상기 미러에 인접한 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격보다 넓어지도록 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 내부 김블은, 상기 내부 김블의 일 측의 두께가 상기 미러와 연결되는 상기 내부 김블의 타 측의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 미러 주변으로 상기 미러와 연결되는 강화 테두리를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는, 자석 어셈블리, 상기 자석 어셈블리 위에 배치되고, 제1 축에 관하여 회전 가능한 미러, 상기 미러에 연결되고, 일 측면 상에 내부 코일이 형성된 내부 김블 및 상기 내부 김블을 지지하고, 일 측면 상에 외부 코일이 형성되고, 제2 축에 관하여 회전 가능한 외부 김블을 포함할 수 있고, 상기 자석 어셈블리는, 상기 외부 코일 및 상기 내부 코일과 전자계를 형성하고, 상기 내부 김블은, 상기 내부 김블의 일 측의 두께가 상기 미러와 연결되는 상기 내부 김블의 타 측의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 내부 김블 및 상기 미러 사이에 복수의 가닥으로 형성된 스프링이 마련되고, 상기 복수의 가닥이 상기 스프링의 길이 방향의 축을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 자석 어셈블리는, 폴 피스, 상기 폴 피스 위에 배치되고, 상기 폴 피스의 중앙부에 극성이 교번하도록 배열된 내부 자석 및 상기 내부 자석에 인접하게 상기 폴 피스 위에 배치되고, 상기 내부 자석의 극성과 교번하도록 배열된 외부 자석을 포함할 수 있고, 상기 자석 어셈블리는, 상기 내부 자석 및 상기 외부 자석으로부터 형성된 자기장의 방향이 상기 제1 축 또는 상기 제2 축에 대해 각을 이루도록 배열될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 미러의 중심과 상기 내부 코일 사이의 거리는 상기 내부 자석의 간격보다 더 클 수 있다.
일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는 미러가 회전함에 따라 토션빔의 중간 부분에 스트레스가 집중되어 파손되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는 미러의 증폭률을 극대화할 수 있다.
일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는 김블 밑에 배치된 자석 어셈블리의 구조를 최적화하여 작은 공간에서 기계적으로 안정되고 높은 자기장의 세기를 산출할 수 있다.
일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는 별도의 김블 구조들 위에 각각 형성된 별도의 코일에 의하여 구동될 때, 열에 의한 미러의 변형을 최소화하고 각 변위가 증폭되도록 할 수 있다.
일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 자석 어셈블리와 실리콘 기판이 배치된, 전체적인 스캐닝 마이크로 미러의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 자석 어셈블리를 제외한, 전체적인 스캐닝 마이크로 미러의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 저면에서 바라본 스캐닝 마이크로 미러의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 김블로 출입하여 배치되는 코일의 구성을 도시한 구조도이다.
도 5는 스캐닝 마이크로 미러의 코일과 자석 어셈블리가 전자계를 형성하는 것을 도시한 동작도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러의 각 변위 측정에 있어서, 공진 구동시 인가전류에 따른 수평 방향 스캔의 각 변위 측정 값을 도시한 그래프이다.
도 7는 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러의 각 변위 측정에 있어서, 60Hz의 정현파 강제 인가시 인가전류에 따른 수직 방향 스캔의 각 변위 측정 값을 도시한 그래프이다.
도 8은 자석 어셈블리의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 9은 김블 위에 배치된 코일의 구성을 개략적으로 도시한 스캐닝 마이크로 미러의 측면도이다.
도 10은 미러와 내부 김블을 연결하는 토션빔의 일 예를 도시한 스캐닝 마이크로 미러의 일부 평면도이다.
도 11는 미러와 내부 김블을 연결하는 토션빔의 또 다른 일 예를 도시한 스캐닝 마이크로 미러의 일부 평면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 스캐닝 마이크로 미러(1)는 기판(10), 기판(10)과 연결되고 외부 코일(200)이 구비된 외부 김블(20), 외부 김블(20)과 연결되고 내부 코일(300)이 구비된 내부 김블(30), 내부 김블(30)과 연결되고 일 측면에 반사면(420)이 형성되는 미러(40), 기판 밑에 배치되는 자석 어셈블리(50)를 포함할 수 있다.
기판(10)은 실리콘 온 인슐레이터(silicon on insulator, SOI)가 마련될 수 있다. 기판(10)은 6인치(inch)의 SOI 기판이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 기판(10)은 그 위에 복수의 금속 레이어를 포함할 수 있고, 기판의 디바이스 레이어(device layer), 매몰 산화막(buried oxide) 및 핸들 웨이퍼(handle wafer)의 두께는 각각 90㎛, 1㎛ 및 400㎛일 수 있다.
이하, 제1 축 및 제2 축은 도시된 바와 같이 각각 x축 및 y축일 수 있고, 설명의 편의를 위해 도시된 바와 같이 제1 축 및 제2 축이 x축 및 y축인 것으로 설명한다.
외부 김블(20)은 기판(10)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 외부 김블(20)은 기판(10)과 제1 토션빔(210)을 통해 연결될 수 있고, 제1 토션빔(210)의 길이 방향의 축에 관하여 회전할 수 있다. 제1 토션빔(210)의 길이 방향의 축은 제2 축에 대응할 수 있다. 즉, 외부 김블(20)은 제2 축에 관하여 회전할 수 있고, 이에 따라 후술할 미러(40)의 수직 스캔(vertical scan)이 수행될 수 있다.
외부 김블(20)은 외부 코일(200)을 구비할 수 있다. 구체적으로, 외부 김블(20)의 일 측면 상에 외부 코일이 형성될 수 있다. 또한, 외부 코일이 형성될 수 있도록 외부 김블(20)의 일 측면 상에 경로가 형성될 수 있다.
내부 김블(30)은 외부 김블(20)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 내부 김블(30)은 외부 김블(20)과 제2 토션빔(310)을 통해 연결될 수 있고, 외부 김블(20)에 의하여 지지될 수 있다.
내부 김블(30)은 내부 코일(300)을 구비할 수 있다. 구체적으로, 내부 김블(30)의 일 측면 상에 내부 코일이 형성될 수 있다. 또한, 내부 코일이 형성될 수 있도록 내부 김블(30)의 일 측면 상에 경로가 형성될 수 있다.
미러(40)는 내부 김블(30)과 연결될 수 있다. 구체적으로, 미러(40)는 내부 김블(30)과 제3 토션빔(410)을 통해 연결될 수 있고, 제3 토션빔(410)의 길이 방향의 축에 관하여 회전할 수 있다. 제3 토션빔(410)의 길이 방향의 축은 후술할 제1 축에 대응할 수 있다. 즉, 미러(40)는 제1 축에 관하여 회전할 수 있고, 이에 따라 미러(40)의 수평 스캔(horizontal scan)이 수행될 수 있다. 또한, 미러(40)는 일 측면에 반사면이 형성될 수 있다. 예를 들어, 미러(40)는 1.2mm의 직경의 반사면이 형성될 수 있다.
또한, 미러(40)는 미러(40) 주변으로 미러(40)와 연결되는 강화 테두리(400)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 강화 테두리(400)는 타원 형상일 수 있다. 강화 테두리(400)는 미러(40)를 지지하는 연결부 및 특유의 형상으로 인하여 미러(40)의 동적 변형(dynamic deformation)을 완화시킬 수 있다.
자석 어셈블리(50)는 기판 밑에 배치될 수 있다. 구체적으로, 자석 어셈블리(50)는 자기장의 방향이 제1 토션빔(210)의 길이 방향의 축(또는, 제2 축) 또는 제3 토션빔(410)의 길이 방향의 축(또는, 제1 축)과 각을 이루도록 배열될 수 있다. 일 예로, 자기장의 방향이 제1 축 및 제2 축 사이로 45°가 되도록 자석 어셈블리(50)가 배열될 수 있다. 더욱 효율적인 구동을 위하여 코일에 인접하는 자기장의 세기가 최대화될 수 있도록, 특유의 자석 어셈블리(50)의 구조가 후술된다.
도 4를 참조하면, 외부 김블(20) 및 내부 김블(30)은 각각 일 측면 상에 배치된 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)에 전류가 흐르도록 하는 피드 라인(feed line)이 각각 외부 김블(20) 및 내부 김블(30)의 일 측에 형성될 수 있다. 피드 라인은 외부 김블(20)에 관한 토션빔(210, 310)들을 통하여 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)에 각각 공급되도록 연결될 수 있다. 또한, 피드 라인은 외부 김블(20) 및 내부 김블(30)의 구동에 영향을 주지 않도록 고안될 수 있다. 즉, 외부 김블(20) 및 내부 김블(30)이 회전하며 구동할 때 피드 라인이 회전을 방해하지 않도록 배치될 수 있다. 또한, 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)은 권선 수(number of turns)가 각각 6일 수 있다.
상술한 바와 같이, 스캐닝 마이크로 미러(1)는 외부 김블(20) 및 내부 김블(30) 상에 별도로 형성된 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)에 의하여 구동되므로, 열에 의한 미러의 변형이 최소화될 수 있고, 각 변위(angular deflection)가 증폭될 수 있다.
또한, 본원에서는 외부 김블(20)의 일 측면 및 내부 김블(30)의 일 측면 상에 각각 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)이 형성되고, 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)에 전류를 통전시켜 자석 어셈블리(50)와 전자계를 형성함으로써 구동력을 제공하는 방식을 사용하지만, 이에 제한되는 것은 아니고 정전력이나 압전 등과 같은 구동 방식을 사용할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 수직 스캔(vertical scan)은 외부 코일(200)에 흐르는 전류(Iv)에 의하여 수행될 수 있다. 자석 어셈블리(50)로부터 발생하는 자기장(B)의 방향에 수직인 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)에 전류가 통전되고 자석 어셈블리(50)와 전자계를 형성함으로써 미러(40)가 구동될 수 있다. 외부 김블(20)의 회전 방향(θv)은 자기장(B) 및 외부 코일(200)에 흐르는 전류(Iv)에 의하여 결정될 수 있다. 수평 스캔(horizontal scan)은 공진(resonance) 구동 시 내부 코일(300)에 전류(Ih)를 가함으로써 간접적으로 구동되는 미러(40)의 회전에 의하여 수행될 수 있다. 미러(40)의 회전 방향(θh)은 자기장(B) 및 내부 코일(300)에 흐르는 전류(Ih)에 의하여 결정될 수 있다. 다만, 비공진 작동 모드(non-resonant operational mode)에서 외부 김블(20)의 요동 모드 구동(rocking mode actuation)이 발생할 수 있다. 이에, 외부 김블(20)의 요동 모드 구동을 최소화할 필요성이 생긴다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 미러(40)의 증폭률을 극대화하기 위하여 내부 김블(30)의 관성 모멘트가 조절될 수 있다. 전술한 바와 같은 공진 구동 시, 반사면(420)의 각 변위를 극대화하기 위화여 내부 김블(30)의 일 측을 식각(etch)함으로써 내부 김블(30)의 관성 모멘트를 임의의 값으로 조정할 수 있다. 내부 김블(30)은, 내부 김블(30)의 일 측의 두께는 미러(40)와 연결되는 내부 김블(30)의 타 측의 두께보다 얇게 형성될 수 있다. 구체적으로, 내부 김블(30)의 일 측의 두께는 30㎛일 수 있고, 미러(40)와 연결되는 내부 김블(30)의 타 측의 두께는 90㎛일 수 있다. 또한, 기판(10)과 외부 김블(20)을 연결할 수 있는 제1 토션빔(210)의 두께는 20㎛일 수 있다. 위와 같은 구성에 따라 예상되는 미러(40)의 각 변위를 측정하기 위하여 내부 김블(30)의 관성 모멘트를 조절한 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(1)에 대한 조화 분석(Harmonic analysis)에 의한 시뮬레이션을 한 결과, 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(1)의 공진 주파수는 약 29㎑이었고, 상기 공진 주파수에서 외부 코일(200)에 15Vpp의 전압을 인가하였을 때 미러(40)의 예상 각 변위는 ±10.8°이고, 입력광을 반사시키는 스캐닝 마이크로 미러(1)의 특성상 광학 스캔각(optical scan angle)은 미러(40)의 단방향 각 변위의 4개가 되므로 예상 광학 스캔각은 43.2°이었다.
도 6 및 도 7를 참조하여 실제 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(1)의 각 변위 측정 결과를 나타낸 그래프를 설명한다.
도 6은 공진 구동시, 즉 공진 주파수인 약 28.14kHz의 정현파를 코일에 인가시, 인가 전류에 따른 수평 방향(horizontal direction) 스캔에 따른 각 변위를 측정한 그래프이다.
코일에 인가한 전압은 5Vpp, 인가한 전류는 563mApp이었으며, 이와 같은 조건에서 측정된 수평 방향 광학 스캔각은 43.10°이었다.
도 7는 강제 구동시, 즉 코일에 60Hz의 정현파를 인가시, 인가 전류에 따른 수직 방향(vertical direction) 스캔에 따른 각 변위를 측정한 그래프이다.
코일에 인가한 전압은 2Vpp, 인가한 전류는 293mApp이었으며, 이와 같은 조건에서 측정된 수평 방향 광학 스캔각은 29.15°이었다.
이와 같은 결과를 종합하여 볼 때, 내부 김블(30)의 일 측의 두께가 미러(40)와 연결되는 내부 김블(30)의 타 측의 두께보다 얇게 형성됨으로써, 미러(40)의 증폭률(미러(40)의 각 변위 대비 내부 김블(30)의 각 변위 및 미러(40)의 각 변위 대비 외부 김블(20)의 각 변위)을 극대화할 수 있다.
도 8을 참조하면, 자석 어셈블리(50)는 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)과 전자계를 형성하도록 N극과 S극이 교번하여 배열되는 영구 자석을 포함할 수 있다. 구체적으로, 자석 어셈블리(50)는 폴 피스(500), 폴 피스(500) 위에 배치되고, 폴 피스(500)의 중앙부에 극성이 교번하도록 배열된 내부 자석(510) 및 내부 자석(510)에 인접하게 폴 피스(500) 위에 배치되고, 내부 자석(510)의 극성과 교번하도록 배열된 외부 자석(520)을 포함할 수 있다.
내부 자석(510) 및 외부 자석(520)은 각각 한 쌍씩 마련될 수 있으며, 직사각형의 형상일 수 있다. 도시된 바와 같이, 내부 자석(510) 및 외부 자석(520)은 두 개의 평행한 영역에서 횡 방향의 자속 밀도를 최대화하도록 배열될 수 있다.
또한, 미러(40)의 중심과 내부 코일(300) 사이의 거리는 한 쌍의 내부 자석(510) 중 어느 하나의 내부 자석(510)의 간격(lmi)보다 더 클 수 있다. 이로 인하여, 자석 어셈블리(50) 위에 배치된 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)의 위치가 횡 방향의 자속 밀도를 최대화하도록 N극과 S극이 교번하여 배열된 한 쌍의 내부 자석(510)과 외부 자석(520)의 위치와 대응할 수 있고, 외부 코일(200) 및 내부 코일(300)에 더 큰 구동력이 제공됨으로써 스캐닝 마이크로 미러(1)의 구동 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 자석 어셈블리(50)의 너비(wm) 및 길이(lm)는 모두 10㎜일 수 있고, 자석의 두께(tm) 및 폴 피스의 두께(tp)는 모두 1㎜일 수 있다. 내부 자석(510)의 길이(lmi) 및 외부 자석(520)의 길이(lmo)는 각각 1㎜ 및 5㎜일 수 있다.
위와 같은 자석 어셈블리(50)의 특유한 구조는, 제1 축 및 제2 축에 대한 구동 토크를 최대화하기 위하여 횡 방향의 자기장을 제공할 뿐만 아니라, 제조 과정에서도 다루기 쉽다는 장점을 제공할 수 있다. 또한, 적은 공간 내에서도 기계적으로 안정될 수 있다는 장점과 높은 자기장 세기를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
도 9을 참조하여 스캐닝 마이크로 미러(1)의 제조 방법을 설명한다. 스캐닝 마이크로 미러(1)는 표면(surface) 및 몸통(bulk) 마이크로머시닝(micromachining) 공정을 조합하여 제조된다. 기판(10)은 6인치의 SOI 기판(320)이 마련될 수 있고, 상술한 바와 같이 실리콘 층 위로 실리콘 질화막(silicon nitride, 322), 알루미늄(aluminum, 324) 및 실리콘 산화막(silicon oxide, 326)이 차례로 적층될 수 있다. 실리콘 산화막 위로 구리(copper, 328)가 전기도금(electroplating)될 수 있다. 상술한 기판(10)의 구성요소를 참조하면, 핸들 웨이퍼 상에 400㎛ 깊이의 캐비티(cavity)를 형성한 후, 매몰 산화막을 제거하고, 70㎛ 깊이의 트렌치(trench)가 90㎛ 두께의 디바이스 레이어의 하부 제1 토션빔(210)에 형성될 수 있다.
제1 토션빔(210), 제2 토션빔(310) 또는 제3 토션빔(410)은 스프링일 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 특별하게는, 제3 토션빔(410)은 제3 토션빔(410)에 집중되는 응력(stress)을 감소시키는 스프링일 수 있다. 이로 인하여, 제3 토션빔(410)의 길이 방향의 축이 내부 김블(30)의 일 측과 연결되는 부분, 미러(40)와 연결되는 부분 또는 강화 테두리(400)와 연결되는 부분에서 교차함으로써 발생하는, 제3 토션빔(410)의 중간 부분에 집중되는 응력으로 인하여 파손되는 것이 방지될 수 있다.
스프링의 폭을 좁히면 좁힐수록 제3 토션빔(410)에 집중되는 응력을 감소시키는 효율이 증가할 수 있다. 다만, 공정상 스프링의 폭을 좁히는 것은 한계가 있으므로, 대안적으로 스프링의 유효 길이가 커지도록 스프링이 형성될 수 있다.
구체적으로, 스프링은 응력을 효율적으로 분배하기 위하여 복수의 가닥으로 형성될 수 있다. 또한, 응력을 균일하게 분배하기 위하여 복수의 가닥은 제3 토션빔(410)의 길이 방향의 축을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
또한, 스프링은 스프링의 중앙 일 측에서 복수의 가닥 사이의 간격이 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격보다 좁아지도록 형성될 수 있다.
또한, 스프링은 내부 김블(30)에 인접한 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격이 미러(40)에 인접한 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격보다 넓어지도록 형성될 수도 있다. 상술한 스프링의 형상으로 인하여, 스프링이 연결되는 내부 김블(30)의 일 측 부분에 집중되는 응력을 더욱 효과적으로 분배하면서도 미러(40)의 각 변위의 범위를 제한시키지 않을 수 있다.
Figure 112016067756710-pat00001
표 1은, 기존 스캐닝 마이크로 미러(15C6), 내부 김블(30)에 인접한 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격이 미러(40)에 인접한 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격보다 넓어지도록 형성되는 스프링(도 11 참조)을 포함하는 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(15C6-1) 및 스프링의 중앙 일 측에서 복수의 가닥 사이의 간격이 스프링의 일 단에서 복수의 가닥 사이의 간격보다 좁아지도록 형성되는 스프링(도 10 참조)을 포함하는 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(15C6-2)에 대한 최대 전단 응력(Max. shear stress)과 최대 전단 변형률(Max. shear strain)을 비교한 표이다.
코일의 권선 수, 즉 턴 수는 6회로 정하였으며, 제1 모드(1st mode)의 주파수를 약 509~513㎐으로 정하고, 공진 모드(Resonance mode)의 주파수를 약 29㎑가 되도록 정한 후, 미러(40)의 각 변위와 최대 전단 응력 및 최대 전단 변형률을 각각 비교하였다.
기존 스캐닝 마이크로 미러(15C6)의 각 변위는 13.58°, 최대 전단 응력은 1.23㎬, 최대 전단 변형률은 0.00202 이었고, 도 11에 도시된 스프링을 포함하는 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(15C5-1)의 각 변위는 15.13°, 최대 전단 응력은 1.17㎬, 최대 전단 변형률은 0.00164 이었고, 도 10에 도시된 스프링을 포함하는 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(15C5-2)의 각 변위는 14.57°, 최대 전단 응력은 1.15㎬, 최대 전단 변형률은 0.00179 이었다.
위와 같은 결과를 종합하여 보면, 기존 스캐닝 마이크로 미러(15C6)에 대비하여 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(1, 15C5-1, 15C5-2)의 최대 전단 응력은 12.8-14.1% 감소하였고, 최대 전단 변형률은 17.4-27.3% 감소하는 효과가 있었다.
위와 같이 복수의 가닥으로 형성된 스프링을 사용함으로써 기존 토션빔의 스프링 상수와 동일하게 유지하면서도 스프링의 유효 길이를 증가시킴으로써 토션빔의 중앙 부분에 집중되는 응력을 효율적으로 분배하고, 이에 따라 미러(40)의 회전에 따른 파손을 방지할 수 있다.
이하, 일 실시예에 따른 스캐닝 마이크로 미러(1)의 작동을 설명한다.
스캐닝 마이크로 미러(1)에서 수직 방향의 강제 구동과 수평 방향의 강제 구동의 조합에 의하여 독립적인 2축 스캔이 수행될 수 있다.
외부 코일(200)에 60㎐의 입력 전류를 가함에 따라 수직 스캔이 수행될 수 있고, 내부 코일(300)이 구비된 내부 김블(30)의 공진 구동에 의하여 수평 스캔이 수행될 수 있다.
수직 스캔 및 수평 스캔이 수행됨에 따라 제3 토션빔의 중간 부분에 응력이 과도하게 집중될 수 있다. 이 때, 제3 토션빔은 복수의 가닥으로 형성된 스프링이 마련될 수 있고, 이로 인하여 과도하게 집중될 수 있는 응력을 효율적으로 분배하여 제3 토션빔이 파손되는 것이 방지될 수 있다.
스캐닝 마이크로 미러(1)는 미러가 회전함에 따라 토션빔의 중간 부분에 스트레스가 집중되어 파손되는 것을 방지할 수 있고, 비공진 작동 모드에서 외부 김블의 요동 모드 구동을 최소화할 수 있으며, 김블 밑에 배치된 자석 어셈블리의 구조를 최적화하여 작은 공간에서 기계적으로 안정되고 높은 자기장의 세기를 산출할 수 있고, 별도의 김블 구조들 위에 각각 형성된 별도의 코일에 의하여 구동될 때, 열에 의한 미러의 변형을 최소화하고 각 변위가 증폭되도록 할 수 있다는 장점을 가진다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
1 : 스캐닝 마이크로 미러
10 : 기판
20 : 외부 김블
210 : 제1 토션빔
30 : 내부 김블
310 : 제2 토션빔
40 : 미러
410 : 제3 토션빔
50 : 자석 어셈블리

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 자석 어셈블리;
    상기 자석 어셈블리 위에 배치되고, 제1 축에 관하여 회전 가능한 미러;
    상기 미러에 연결되고, 일 측면 상에 내부 코일이 형성된 내부 김블; 및
    상기 내부 김블을 지지하고, 일 측면 상에 외부 코일이 형성되고, 제2 축에 관하여 회전 가능한 외부 김블;
    을 포함하고,
    상기 자석 어셈블리는, 상기 외부 코일 및 상기 내부 코일과 전자계를 형성하고,
    상기 내부 김블의 관성 모멘트가 조절되도록 상기 내부 김블의 일 측의 두께가 상기 미러에 연결되는 상기 내부 김블의 타 측의 두께보다 얇게 상기 내부 김블의 일 측이 식각되는, 스캐닝 마이크로 미러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내부 김블 및 상기 미러 사이에 복수의 가닥으로 형성된 스프링이 마련되고, 상기 복수의 가닥이 상기 스프링의 길이 방향의 축을 기준으로 대칭을 이루는, 스캐닝 마이크로 미러.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 자석 어셈블리는,
    폴 피스;
    상기 폴 피스 위에 배치되고, 상기 폴 피스의 중앙부에 극성이 교번하도록 배열된 내부 자석; 및
    상기 내부 자석에 인접하게 상기 폴 피스 위에 배치되고, 상기 내부 자석의 극성과 교번하도록 배열된 외부 자석;
    을 포함하고,
    상기 자석 어셈블리는, 상기 내부 자석 및 상기 외부 자석으로부터 형성된 자기장의 방향이 상기 제1 축 또는 상기 제2 축에 대해 각을 이루도록 배열되는, 스캐닝 마이크로 미러.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미러의 중심과 상기 내부 코일 사이의 거리는 상기 내부 자석의 간격보다 더 큰, 스캐닝 마이크로 미러.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102032044B1 (ko) * 2018-01-26 2019-10-14 이화여자대학교 산학협력단 스캐닝 마이크로 미러
CN109160481B (zh) * 2018-08-03 2020-07-07 南京理工大学 基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜及其制备方法
EP3628964B1 (de) * 2018-09-28 2024-02-14 Hexagon Technology Center GmbH Opto-elektro-mechanisches strahlmanipulationssystem
WO2020173919A2 (de) * 2019-02-27 2020-09-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikromechanische struktur, mikromechanisches system und verfahren zum bereitstellen einer mikromechanischen struktur
US11415794B2 (en) * 2019-10-03 2022-08-16 Meta Platforms Technologies, Llc Low-obliquity pupil relay for near-eye display
CN116100845A (zh) * 2023-01-06 2023-05-12 四川大学 一种3d打印扭转梁微型集成扫描微镜的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012176450A (ja) 2011-02-25 2012-09-13 Nippon Signal Co Ltd:The プレーナ型アクチュエータ及びその製造方法
JP2014113651A (ja) * 2012-12-07 2014-06-26 Toyota Central R&D Labs Inc Ｍｅｍｓ装置
JP2016095519A (ja) 2015-12-17 2016-05-26 パイオニア株式会社 アクチュエータ

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6201629B1 (en) * 1997-08-27 2001-03-13 Microoptical Corporation Torsional micro-mechanical mirror system
US6593677B2 (en) * 2000-03-24 2003-07-15 Onix Microsystems, Inc. Biased rotatable combdrive devices and methods
US6388789B1 (en) * 2000-09-19 2002-05-14 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Multi-axis magnetically actuated device
US7485485B2 (en) * 2004-02-09 2009-02-03 Microvision, Inc. Method and apparatus for making a MEMS scanner
KR100636348B1 (ko) 2004-08-18 2006-10-19 엘지전자 주식회사 스캐닝 마이크로미러
KR100710791B1 (ko) * 2005-02-04 2007-04-23 후지쯔 가부시끼가이샤 토션 바아를 구비하는 마이크로 요동 소자 및 마이크로 미러 소자
DE102010064218A1 (de) * 2010-12-27 2012-06-28 Robert Bosch Gmbh Magnetisch antreibbarer Mikrospiegel
US9291816B2 (en) * 2012-03-23 2016-03-22 Panasonic intellectual property Management co., Ltd Scanning mirror and scanning image display device
US8754829B2 (en) * 2012-08-04 2014-06-17 Paul Lapstun Scanning light field camera and display

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012176450A (ja) 2011-02-25 2012-09-13 Nippon Signal Co Ltd:The プレーナ型アクチュエータ及びその製造方法
JP2014113651A (ja) * 2012-12-07 2014-06-26 Toyota Central R&D Labs Inc Ｍｅｍｓ装置
JP2016095519A (ja) 2015-12-17 2016-05-26 パイオニア株式会社 アクチュエータ

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KR20180007468A (ko) 2018-01-23
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