KR102140082B1 - 광스캐너 장치 - Google Patents

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KR102140082B1
KR102140082B1 KR1020190023604A KR20190023604A KR102140082B1 KR 102140082 B1 KR102140082 B1 KR 102140082B1 KR 1020190023604 A KR1020190023604 A KR 1020190023604A KR 20190023604 A KR20190023604 A KR 20190023604A KR 102140082 B1 KR102140082 B1 KR 102140082B1
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문승환
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주식회사 위멤스
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors

Abstract

본 발명은 광스캐너 장치에 관한 것으로서 큰 미러를 고속으로 구동하기 위하여, 미러(111)가 형성되되 소정 각도와 속도로 회동하는 구동체(110) 및 상기 구동체(110)와 스프링(130)을 통하여 결합된 고정체(120)를 포함하는 광스캐너 소자(100); 상기 광스캐너 소자(100)의 하부를 지지하되, 수직으로 관통된 공극(510)이 형성된 공극부(500); 및 상기 공극부(500)의 하부에 형성되되, 상기 광스캐너 소자(100)에 구동 전력을 공급하는 회로부(400)를 포함하되, 상기 공극부(500)의 공극(510)은 상기 광스캐너 소자(100) 소자의 구동체(110) 하부에 위치하되, 상기 구동체의 하부에 소정의 공간을 형성함으로써 상기 구동체(110)의 구동시 발생하는 스퀴즈 댐핑을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

Description

광스캐너 장치 {Optical Scanner Device}
본 발명은 광스캐너 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 수 mm급의 대형 미러를 1 kHz ~ 15 kHz의 고속으로 구동이 가능한 MEMS 광스캐너 소자를 포함하는 광스캐너 장치에 관한 것이다.
도 1에 도시된 것과 같은 MEMS 광스캐너 소자(100)는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 제조되는 소자로서, 소형 디스플레이 및 센서 장치 등에 들어가는 핵심 부품이다.
광스캐너 소자(100)는 구동전압의 인가에 따라 움직이는 부분인 구동체(110)와, 움직이지 않고 고정되어 있는 고정체(120)로 구성되는데, 구동체(110)는 비틀림 스프링(130)을 통하여 고정체(120)의 앵커(121)와 연결된다. 구동체(110)에는 빛을 반사시키는 미러(111)가 형성됨과 아울러, 다수 개의 구동전극(142)이 형성된다. 고정체(120)에는 다수 개의 고정전극(141)이 형성되는데, 상기 다수 개의 구동전극(142)과 평행하게 배치되어 미러 구동부(140)를 구성한다. 미러 구동부(140)에 구동전압을 인가하게 되면, 구동전극(142)와 고정전극(141) 사이의 정전력에 의하여 구동체(110) 및 구동체(110)에 형성된 미러(111)가 움직이게 된다. 그리고 고정체(120)의 수평 구조를 살펴보면, 상부기판(125) 및 하부기판(127), 그리고 이들 상부기판(125)과 하부기판(127)의 전기적인 분리를 위한 산화막(126)이 이들 상부기판(125)과 하부기판(127)의 사이에 형성될 수 있다. 이들 구동체(110)와 고정체(120)는 SOI(Silicon-On-Insulator)웨이퍼의 상부 기판에 미세공정(micro-fabrication)을 이용하여 일체화된 구조로 제작됨으로써, 대량 생산이 가능하다.
광스캐너 소자(100)는 도 2에 도시된 것과 같이 투광창(200), 보호커버(300) 및 회로부(400)가 구비된 상태로 제조/유통되는데, 이하에서는 투광창(200), 보호커버(300), 그리고 회로부(400)까지 구비된 구성을 이들이 구비되지 아니한 상태의 광스캐너 소자(100)와 구분하기 위하여 “광스캐너 장치”로 칭하기로 한다.
회로부(400)는 미러(111)가 형성된 구동체(110)를 움직이기 위하여 미러 구동부(140)에 전압을 인가하는 요소로서, 통상 PCB 기판 형태로 제조되는데, 광스캐너 소자(100)와의 전기적 연결은 골드(Au) 와이어 또는 금속의 리플로(reflow)에 의한 전기접합에 의하여 이루어질 수 있다.
보호커버(300) 및 투광창(200)은 외부의 먼지 등으로부터 광스캐너 소자(100)를 보호하기 위한 요소들로서, 특히 투광창(200)은 무반사코팅 (ARC: Anti-Reflection Coating)을 사용하여 투과율을 높임으로써 빛이 잘 통과하게 할 수 있다.
도 3을 참조하여 현재까지 전세계적으로 개발된 광스캐너들을 미러 크기와 구동속도 (또는 구동주파수) 관점에서 살펴보도록 한다. 기존 기술은 작은 미러를 고속으로 구동하는 A 그룹과 큰 미러를 낮은 주파수로 구동하는 B 그룹의 2가지 형태로 구분할 수 있다. 지름 1mm 내외의 소형 미러가 장착된 광스캐너(A 그룹)는 피코 디스플레이 장치(Pico Display Device), HUD(Head-Up Display) 장치, 그리고 AR(Augmented Reality) 장치 등과 같은 소형 디스플레이 장치에 주로 이용되며, 2~4 mm 정도의 비교적 큰 미러가 장착된 광스캐너(B 그룹)는 OCT(Optical Coherence Tomography) 및 LiDAR(Light Detection and Ranging)와 같은 3차원 이미지 센싱 장치에 주로 이용되고 있다.
C그룹의 광스캐너는 4~8 mm 직경 (타원형 미러의 경우에는 동일한 면적을 기준으로 정의된 등가 직경)의 큰 미러를 1~15 kHz의 고속으로 구동함으로써 높은 해상도 및 높은 프레임 레이트(frame rate)의 이미지를 구현할 수 있다. 자동차의 ADAS (Advanced Driver Assistance System) 또는 자율주행용 3차원 이미지 센서인 LiDAR에서 사용할 가능성이 높지만, 현재까지 개발되어 있지 않다.
등록특허 제10-1897234호 (공고일: 2018.09.10.) 등록특허 제10-1916939호 (공고일: 2018.11.08.)
이와 같이 C 그룹(큰 사이즈의 미러를 고속 구동함)에 해당하는 광스캐너에 대한 필요성이 충분함에도 불구하고 현실적으로 C 그룹에 해당하는 광스캐너가 제품화되고 있지 못하고 있다. 큰 사이즈의 미러를 구동하는 경우 스캐너의 구동각이 작아질 수 밖에 없고, 이러한 문제는 구동주파수가 높아질수록 더 심각해진다.
그러므로 스캐너의 구동각을 증대시키기 위해서는 스캐너의 고유 특성인 공진주파수에 맞추어서 미러 구동부(140)를 고속으로 구동할 필요가 있는데, 이 경우 스캐너의 구동각은 미러(111)가 형성된 구동체(110)의 질량에 의한 관성(inertia) 또는 스프링(130)의 강성보다는 구동체(110) 주변의 공기 흐름에 의하여 발생하는 스퀴즈 댐핑(squeeze damping)의 영향을 크게 받게 된다.
그러므로 본 발명은 광스캐너 소자에서 큰 미러를 고속 구동할 때 발생하는 스퀴즈 댐핑의 효과를 최소화시킬 수 있는 광스캐너 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 구동주파수에 해당하는 공진주파수를 높이기 위해서는 스프링의 강성이 커져야하는데, 스프링 강성 증가로 인하여 증가되는 내부 응력을 완화시키 위해서는 스프링의 구조변화가 필요하다.
본 발명은 광스캐너 장치에 관한 것으로서, 미러(111)가 형성되되 소정 각도와 속도로 회동하는 구동체(110) 및 상기 구동체(110)와 스프링(130)을 통하여 결합된 고정체(120)를 포함하는 광스캐너 소자(100); 상기 광스캐너 소자(100)의 하부를 지지하되, 수직으로 관통된 공극(510)이 형성된 공극부(500); 및 상기 공극부(500)의 하부에 형성되되, 상기 광스캐너 소자(100)에 구동 전력을 공급하는 회로부(400)를 포함하되, 상기 공극부(500)의 공극(510)은 상기 광스캐너 소자(100)의 구동체(110) 하부에 위치하되, 상기 구동체의 하부에 소정의 공간을 형성함으로써 상기 구동체(110)의 큰 미러가 구동될 때 발생하는 스퀴즈 댐핑을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
더 나아가 본 발명에 따른 광스캐너 장치는 하단부가 상기 회로부(400)에 연결되되, 상단부는 개방되어 있는 보호커버(300); 및 상기 보호커버(300) 상단부의 상기 개방된 부분에 설치되되 빛이 통과할 수 있는 투광창(200)을 포함할 수 있다.
그리고 상기 회로부(400)에는 공극부 장착홀(410)이 형성되되, 상기 공극부(500)가 상기 회로부(400)의 공극부 장착홀(410)에 삽입되어 고정될 수 있다.
상기 공극부(500)는 온도변화가 있더라도 광스캐너 소자(100)에 열응력 전달을 최소화되어야 하므로 열팽창 계수가 1 x 10-6/℃ 이상 4 x 10-6/℃ 이하인 전도성 물질, 예를 들어 Kovar 합금과 같은 물질로 이루어질 수 있다.
더 나아가 공극부의 열팽창계수가 크더라도 그 탄성계수가 실리콘의 탄성계수 (160x109 N/m2) 보다 충분히 작으면 광스캐너 소자(100)에 전달되는 열응력이 완화될 수 있다. 이에 대한 실시예로서 상기 공극부(500)를 구성하는 물질의 열팽창계수와 탄성계수의 곱이 1.6 x 105 [N/m2·℃] 이상 8.4 x 105 [N/m2·℃] 이하인 것이 바람직하다.
상기 보호커버(300)는 PC(polycarbonate) 및 COC(cyclic olefin copolymer)에서 선택된 폴리머 물질로 이루어질 수 있다.
상기 공극부(500)의 공극 높이는 효율적인 스퀴즈 댐핑 감소를 위하여 1 mm 이상 4 mm 이하, 그리고 공극의 단면 크기는 미러(111)보다 약간 커야하며, 바람직하게는 미러(111)의 바깥쪽으로 0.2 mm 이상 최대 2 mm 까지 큰 것, 즉 상기 공극(510)의 수평 단면의 직경은 상기 미러(111) 직경보다 0.4 mm 이상 4 mm 이하 만큼 더 큰 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 보호커버(300)의 소정 영역에는 보호커버(300) 내부의 압력을 외부 대기압과 동일하게 유지하기 위하여 공기의 통로를 제공하는 작은 크기의 보호커버 통기공(310)이 형성될 수 있다.
상기 구동체의 끝단에 인접한 고정체에 플랩(flap)부(170)가 형성되되, 상기 플랩부(170)는 플랩 지지점(172)을 중심으로 회동할 수 있게 형성된 플랩(171) 및 정전기력으로 상기 플랩(171)을 구동시키는 플랩 구동부(173)를 포함하고, 상기 플랩 구동부(173)는 상기 구동체의 구동과 동기화 되어 플랩(171)을 구동시키는 것을 특징으로 한다.
마지막으로 상기 광스캐너 소자(100)의 하부에 형성되되, 상기 광스캐너 소자(100)에 구동 전력을 공급하는 공극 형성 회로부(420)를 포함하, 상기 공극 형성 회로부(420)는 1~4 mm 두께의 에폭시 재질의 PCB로 형성되되, 상기 광스캐너 소자(100) 소자의 구동체 하부에 해당하는 위치에 공극(421)이 형성되어 상기 구동체(110)의 하부에 소정의 공간이 형성됨으로써, 상기 구동체(110)의 구동시 발생하는 스퀴즈 댐핑을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 구동주파수(공진주파수)를 올리기 위해서는 도 1에 보인 스프링(130)의 강성을 증가시켜야 하는데, 결국 기존의 일자형, 혹은 I형 스프링(130)의 폭이 커져야 한다. 그러나 이로 인하여 미러 회전에 따른 내부응력이 커지기 때문에 스프링이 깨질 수 있으며, 이 문제를 해결하려면, 스프링의 평면상 구조의 변화가 필요하다. 본 발명에서는 상술한 일자형, 혹은 I형 스프링(130)의 문제점을 해결하기 위하여 상기 스프링(130)을 사다리꼴 형상으로 형성하여 상기 고정체(120)에 접한 부분에서의 스프링(130)의 폭과, 상기 구동체(110)에 접한 부분에서의 스프링(131)의 폭이 상이하되, 상기 스프링의 측면(132)은 상기 스프링의 중심축(131)에 대하여 2° ~ 7° 경사지게 한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광스캐너 소자(100)에 있어서 큰 미러가 형성된 구동체(110)의 고속 구동으로 인한 스퀴즈 댐핑의 효과를 최소화함과 아울러 스프링 강성 증대로 인한 내부 응력을 완화시킴으로써, 직경 4~8 mm 정도의 큰 직경을 가지는 미러를 구비하고도 1~15 kHz 수준의 고속 구동이 가능한 광스캐너 장치를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 광스캐너 소자의 형상을 경사진 방향과 평면 방향에서 도시한 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 광스캐너 장치(광스캐너 소자, 회로부, 보호커버의 결합체)의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 광스캐너의 미러 크기와 구동 속도에 따라 제품군을 분류한 것이다.
도 4는 구동체의 구동시, 구동체 주변의 공기 흐름을 오른쪽 단면 방향에서 도식화한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 광스캐너 장치의 구조를 도시한 것이다.
도 6은 공극부의 변형된 실시예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 광스캐너 소자를 도시한 것이다.
도 8은 플랩부가 형성된 광스캐너 소자를 도시한 것이다.
도 9는 미러에 연결된 스프링의 변형 실시예를 도시한 것이다.
도 10은 광스캐너 장치의 다양한 변형 실시예를 도시한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광스캐너 장치의 구체적인 구성을 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
먼저, 스퀴즈 댐핑을 감소시키는 방법을 찾기 위하여, 도 4를 참조하여 미러(111)가 구비된 구동체(110) 주변의 공기 유동을 살펴보도록 한다. 도 4는 구동체의 오른쪽 측면에서 바라본 것을 상정한 것으로, 구동체의 오른쪽이 내려오는 방향으로 구동될 때, 구동체(110)의 오른쪽 하부에 있던 공기가 압축되어 압력이 커지면서 구동체(110)의 진행 방향의 반대 방향으로의 힘이 발생한다. 따라서 구동각의 크기가 제한될 수 밖에 없으며, 이와 같은 현상을 스퀴즈 댐핑(squeeze damping)이라고 부르기도 한다. 이 때 구동체(110) 왼쪽은 올라가는 방향으로 움직이므로 구동체(110) 왼쪽 하부 공간에서는 공기의 압력이 떨어지며, 구동체(110)의 오른쪽과 마찬가지로 구동체(110) 진행 방향의 반대 방향의 힘이 발생하기 때문에, 이 역시 구동각이 쉽게 증가하지 못하게 하는 요인으로 작용하게 된다.
도 4에는 구동체(110)의 오른쪽이 내려갈 때, 내려가는 방향과 일치하여 직접적으로 위쪽에서 발생하는 수직방향의 공기 흐름(Qtr, 굵은 실선)과 아래쪽에서 발생하는 수직방향의 공기 흐름(Qbr, 굵은 실선)을 표시하고 있다. 마찬가지 이유로 구동체의 왼쪽이 올라갈 때 발생하는 직접적인 공기흐름은 굵은 점선 (Qtl, Qbl)으로 표시하고 있다. 여기서 미러(111)의 아래에 공간이 작으면 직접적인 공기흐름 (Qbr, Qbl)이 원활하지 않아 심각한 스퀴지 댐핑이 발생하기 때문에 구동각의 감소가 필수적으로 수반된다. 따라서 구동각을 증대시키기 위해서는 수직방향의 공기흐름(Qbr, Qbl) 사이를 원활하게 연결하는 수평방향의 간접적인 공기흐름(Qhb, 가는 실선)이 필요하며, 이를 유도하기 위해서는 미러(111)의 아래쪽에 충분한 공간을 확보하는 것이 바람직하다. 마찬가지 이유로 미러(111)의 위쪽에도 공간이 필요하지만 광스캐너 장치의 구조 및 제작 관점에서 보면 미러(111)의 위쪽은 큰 제약이 없어 일반적으로 추가적으로 공간을 확보하는 것이 어렵지 않다. 이 원리는 미러(111)의 측면에도 적용할 수 있는데, 오른쪽의 공기흐름 (Qtr, Qbr)을 원활하게 연결하는 수직방향의 간접적인 공기흐름(Qvr, 가는 점선)을 유도하기 위해서는 미러(111)의 오른쪽 측면에 충분한 공간을 확보하는 것이 바람직하며, 이는 미러(111)의 왼쪽에 존재하는 공기흐름 (Qtl Qbl)에도 동일하게 적용된다.
한편, MEMS와 같이 구조물의 크기가 작아지면서 발생하는 스케일링(scaling) 효과를 살펴보면, 관성(inertia)의 역할이 현격하게 줄어드는 반면, 스퀴즈 댐핑은 가장 영향이 커지는 변수 중의 하나로 작용한다. 그러나 기존의 광스캐너 장치는 그룹 A와 같이 미러의 사이즈가 작거나 또는 그룹 B와 같이 저속 구동을 하기 때문에 구동체(110)의 하부 및 측면의 공간 사이즈에 대한 고민이 특별히 필요하지 아니하였다. 그러나 그룹 C와 같이 큰 사이즈의 미러를 고속으로 구동할 때는 이와 같은 스퀴즈 댐핑이 광스캐너의 구동각에 영향을 줄 정도로 커지게 된다.
그러므로 광스캐너 소자의 아래쪽에 공간을 확보하는 것이 일반적으로 쉽지 않은 상황에서 스퀴즈 댐핑의 영향을 최소화하는 것은 그룹 C에 해당하는 광스캐너의 실용화에 가장 중요한 부분이다. 여기서 음파의 파장은 음속/주파수로 표현되며, 음속 340 m/s와 최대 구동주파수 12 kHz에서 파장을 구해보면 약 28 mm이다. 이 크기는 일반적인 MEMS 구조체의 크기보다 매우 큰 값이므로 주어진 공간 및 시간영역에서 공기흐름 의한 압력분포가 거의 일정 (static)하다고 가정할 수 있다. 따라서 큰 미러의 고속 구동이 가능하게 하려면 구동체 하부의 공간을 일정 규모 이상으로 크게 만들어 수평적 간접유동(Qht, Qhb)을 원활하게 하거나, 또는 구동체의 측면에 인접한 공간을 충분히 개방하는 방법으로 수직적 간접유동(Qvr, Qvl)을 원활하게 함으로써 스퀴즈 댐핑의 크기를 감소시키는 것이 필요하다.
도 5는 수평적 간접유동(Qht, Qhb)을 원활하게 하여 스퀴즈 댐핑을 감소시키기 위하여 광스캐너 소자(100)의 하단에 공극부(500)가 설치된 상태를 도시한 것이다. 공극부(500) 내에는 공극부(500)를 수직으로 관통하는 공극(510)이 형성되어 있고, 위 공극(510)은 광스캐너 소자(100)의 구동체(110) 하부에 수평 및 수직방향의 간접유동(Qhb, Qht, Qvr, Qvl)을 원활하게 하기 위한 공간을 제공하게 된다. 공극부(500)의 높이는 1~4 mm 정도가 바람직한데, 공극부서(500)의 높이가 이보다 낮을 경우에는 수평방향의 간접유동(Qhb, Qht)을 유도하기 위한 공간 확보가 어려울 수 있으며, 이보다 높을 경우에는 부품의 크기만 커질 뿐 스퀴즈 댐핑의 저감 효과는 더 이상 크게 개선되지 않을 수 있다. 마찬가지 이유로 공극의 단면 크기는 미러(111)의 측면 바깥쪽으로 0.2 mm 이상 최대 2 mm 까지 큰 것, 즉 상기 공극(510)의 수평 단면의 직경은 상기 미러(111) 직경보다 0.4 mm 이상 4 mm 이하 만큼 더 큰 것이 바람직하다.
공극부(500)의 재료는 실리콘과 유사한 열팽창계수를 가지는 것이 바람직하며, 회로부(400)와의 전기적 연결을 위하여 전기 전도도가 큰 금속을 사용할 수 있다. 이 조건하에서는 응력 전파가 소자의 특성 왜곡이나 파괴를 유발하지 않으며, 이 용도에 맞는 재료중의 하나로서 Kovar 합금을 들 수 있으며, 방전가공을 이용하여 효율적인 대량생산이 가능하다.
상기 공극부(500)는 고정체의 전압인가를 용이하게 하기 위하여 Al, Cu 등 전기전도도 큰 금속을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 공극부 재료의 열팽창 계수가 실리콘과 유사한 1 x 10-6/℃ 이상 4 x 10-6/℃ 이하인 범위인 것을 사용함으로써, 온도 변화에 따라 광스캐너 소자에 열응력이 전파되는 것을 최대한 방지하는 것이 좋으며, 그 예로 Kovar 합금을 사용할 수 있다. 여기서 Kovar 합금은 Fe,, Ni, Co로 구성된 페르니코계의 합금재료로 제조될 수 있다. 또는 전기적 연결을 보다 쉽게 하기 위하여 에폭시 계열로 만들어진 PCB (Printed Circuit Board) 및 플라스틱 또는 세라믹으로 만든 chip carrier 중에서 선택된 하나를 사용하여 제조될 수 있다. 이 경우 폴리머의 열팽창 계수는 실리콘보다 수십 배 크지만 Young’s Modulus가 수십 분의 일에 불과하므로, 폴리머의 열팽창이 광스캐너 소자(100)에 가하는 응력은 무시할 수 있다. 상기 공극부(500)를 구성하는 물질의 실시예로서 구성 물질의 열팽창계수와 탄성계수의 곱이 1.6 x 105 [N/m2·℃] 이상 8.4 x 105 [N/m2·℃] 이하인 것이 바람직하다.
공극부(500)에 형성된 공극(510)은 도 5에 도시된 것과 같이 원형일 수 있지만, 공간 활용의 극대화를 위하여 도 6에 도시된 것과 같이 라운드된 사각형 형상으로 형성할 수도 있다. 더 나아가 공극부(500)의 측면에 공극(510)과 외부 공간 사이에 공기가 흐를 수 있도록 공극부 통기공(520)를 형성하여 공극(510) 내의 압력의 갑작스런 증가를 억제함으로써, 스퀴즈 댐핑을 더 감소시킬 수 있다.
더 나아가, 보호커버(300)의 소정 부분에 미세한 보호커버 통기공(310)을 형성하면 먼지가 광스캐너 소자(100)를 오염시키는 것을 방지하면서도 보호커버(300) 내부의 압력을 외부 대기압과 동일하게 유지하여 구동 안정성을 개선할 수 있다. 더 나아가 보호커버(300)는 폴리머로 제작할 수 있으며, 투과창(200)이 슬라이딩하여 끼워질 수 있도록 슬라이딩 홈이 형성됨으로써, 외부 진동 또는 충격에 잘 견딜수 있도록 할 수 있다. 투과창(200)은 보호커버(300)와 결합된 후 에폭시 등으로 접합된다.
보호커버(300)는 3D 프린팅으로 제작할 수 있으며, 또는 보호커버(300)와 투과창(200)을 사출공정을 이용하여 일체형으로 제작할 수 있다. 이때 바람직한 재료는 투명하고 견고한 특성을 가진 폴리머이며, 보다 구체적으로는 PC(polycarbonate), COC(cyclic olefin copolymer)를 사용할 수 있다. 여기서 일체형 보호커버의 투명성을 높이기 위하여 보호커버를 만들기 전 또는 후에 보호커버의 바깥쪽 또는 안쪽에 무반사 코팅을 시행할 수 있다.
보호커버(300)는 폴리머 대신 금속으로 제조될 수도 있는데, 투과창(200)과 고온에서 공융결합 시킴으로써 외부 환경과 단절되는 허미틱 씰링(hermetic sealing)이 가능하며, 이 경우에는 보통 질소를 내부에 채워 부식 인자인 산소 및 습기를 제거하거나, 구동각 증대를 위하여 내부 공간을 진공 상태로 유지할 수 있다. 여기에 사용되는 금속으로는 열팽창 계수가 작아 실리콘에 열응력을 많이 발생시키지 않는 Kovar함금을 바람직한 실시예로 들 수 있다. 이와 같이 광스캐너 소자(100)의 하단에 공극부(500)를 장착하여 수평적 간접유동(Qhb, Qht)을 유도하기에 충분한 공간을 형성하는 것과 더불어, 수직적 간접유동(Qvr, Qvl)을 원활하게 하기 위해서는 광스캐너 소자(100) 자체의 구조를 개선할 필요가 있다.
도 7(a)는 광스캐너 소자(100)의 평면도를, 그리고 도 7(b)는 y-y’을 따른 단면을, 도 6(c) 는 x-x’을 따른 단면을 도시하고 있다. 상부기판(125), 하부기판(127), 그리고 이들 사이에 절연체(126)가 형성된 구조는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼의 상부 기판에 미세공정(micro-fabrication)을 이용하여 일체화된 구조로 제작될 수 있다. 미러(111)가 구비된 구동체(110)는 상부기판(125)에 형성되는데, 미러(111)가 구비된 구동체(110)를 둘러싸고 있는 고정체(120)의 부분 사이에 최대한 넓은 간격이 형성되게 하여 수직적 간접유동(Qvr, Qvl)을 원활하게 하는 것이 스퀴즈 댐핑을 감소시키는데 바람직하다.
더 나아가 도 8에 도시된 것과 같이, 미러(111)가 형성된 구동체(110)의 끝단 (특히, 회동 중심에서 가장 멀리 떨어져 있는 부분)에 인접한 고정체(120)의 부분에 플랩부(170)를 형성함으로써 수직적 간접유동(Qvr, Qvl)을 원활하게 할 수 있다. 구체적으로는 플랩부(170)는 플랩 지지점(172)을 중심으로 회동할 수 있게 형성된 플랩(171) 및 상기 플랩(171)을 구동시키는 플랩 구동부(173)를 포함한다. 플랩 구동부(173)는 고정전극과 구동전극에 의하여 발생하는 정전기력으로 작동하는 것이 바람직한데, 구동 방식 자체는 미러 구동부(140)와 동일하게 만들 수 있으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다. 플랩부(170)는 별도로 제작하여 부착할 수도 있지만, SOI 웨이퍼의 미세공정(microfabrication)을 이용하여 광스캐너 소자(100)의 구동체(110)와 고정체(120)를 제작하는 과정에서 일체로 제작함으로써 비용을 낮출 수 있다. 플랩부(170)는 도 8(b)에 도시된 바와 같이 좌우 각각 2개 이상씩으로 분할하여 실시할 수 있다.
플랩부(170)의 구동은 미러 구동부(140)의 구동과 동기화될 수 있는데, 도 8(b)에 도시된 것과 같이, 미러(110)의 회동 상태에 따라서 플랩(171) 역시 같은 위상으로 회동시킴으로써 미러(110)의 상부 공간과 하부 공간 사이에 공기가 쉽게 흐를 수 있도록 미러(110)와 플랩(171) 사이의 간이 능동적으로 조절되도록 한다.
한편, 미러(111)의 관성이 동일할 때, 구동주파수인 공진주파수가 높아지려면 스프링의 강성이 커져야 하며, 이에 따라 스프링의 폭이 커지면서 회전에 의한 응력이 증가하는 경향이 있다. 이 응력이 항복강도보다 클 경우에는 파괴가 일어날 수 있으므로 이 응력을 저감시킬 수 있는 구조가 필요하다. 도 9(a)는 종래에 사용되는 일자형 또는 I형 스프링의 시뮬레이션 결과를, 도 9(b)는 사다리꼴 스프링의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 도 9(a)와 9(b)의 응력 시뮬레이션 결과에 보인 바와 같이, 일자형 또는 I형 스프링(130)에 비하여 바깥쪽이 넓은 사다리꼴 스프링(131)이 8% 이상 응력이 감소된다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 사다리꼴 스프링(131)의 바람직한 실시예로는 스프링 측면(132)이 스프링 중심축(131)에 대하여 2° 이상 7° 이하의 기울기를 갖는 것이며, 바깥쪽이 좁은 사다리꼴 스프링에도 적용될 수 있다.
도 10은 다양한 변형 실시예들을 도시하고 있다. 도 10(a)에서는 공극부(500)가 회로부(400)의 위에 설치된 상태에서, 광스캐너 소자(100)와 회로부(400)의 전기적 연결이 와이어(610)에 의해서 이루어진다. 공극부(500) 자체를 전도성 물질로 형성하고, 광스캐너 소자(100)와 공극부(500), 그리고 회로부(400)와 공극부(500)를 각각 전도성 본딩(620,630)에 의하여 연결하여 광스캐너 소자(100)와 회로부(400)의 전기적 연결을 형성하는 것도 가능하다.
도 10(b)는 통상적으로 PCB 기판으로 만들어진 회로부(400) 내에 공극부 장착홀(410)을 형성하고, 상기 공극부 장착홀(410) 내에 공극부(500)를 삽입한 후 에폭시 등과 같은 접착물질로 고정한 실시예를 도시하고 있다. 위 실시예의 경우 공극부(500)의 공극(510)에 의하여 형성되는 구동체(110) 하부 공간의 크기는 유지되면서도 광스캐너 장치의 전체적인 높이를 줄일 수 있고, 그로 인하여 구조의 안정성을 높일 수 있으므로, 외부 진동 및 충격으로 인한 파괴 가능성을 낮출 수 있다. 더 나아가, 광스캐너 소자(100)와 회로부(400)를 전기적으로 연결하는 와이어(610)의 길이가 짧아질 수 있으므로, 와이어 연결 작업도 원활하게 이루어질 수 있다.
도 10(c)는 회로부(400)의 아래에 전기적 커넥터(460)를 형성한 실시예를 도시한 것으로, 위 커넥터(460)를 통하여 스캐너 드라이버 회로 등이 포함된 별개의 제2 PCB(450)에 연결되어 사용되는 상태를 도시하고 있다.
도 10(d)는 에폭시와 같은 폴리머 기반으로 만들어진 2~4 mm 두께의 PCB를 이용한 실시예를 도시하고 있다. 별도의 공극부(500)를 사용하는 대신, PCB의 두께를 충분히 두껍게 만들고, PCB를 관통한 공극(410)을 형성하여 제작되는 공극 형성 회로부(420)를 도입한 것이다.
광스캐너 소자(100)는 공극 형성 회로부(420)의 공극(410) 상에 설치되되, 와이어 공정을 사용하지 않고 플립-칩 방식으로 공극 상에 설치된 광스캐너 소자(100)와 공극 (410) 주변의 회로와 전기적으로 연결되는 것이 가능하다. 더 나아가, 공극(410) 주변과 나머지 회로를 연결하는 것도 SMT(Surface Mount Technology)를 이용하여 본딩 재료의 표면 장력에 의한 자동 정렬이 가능하므로, 패키징 비용의 절감과 아울러, 생산성이 향상되는 효과도 가져올 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 모든 실시예는 1축 광스캐너에 한정되지 않으며, 예를 들어 2축 이상의 광스캐너의 고속구동축에도 활용가능하다.
100: 광스캐너 소자 110: 구동체
111: 미러 120: 고정체
121: 앵커 125: 상부기판
126: 절연체 127: 하부기판
130: 스프링 131: 스프링 중심축
132: 스프링 측면 140: 미러 구동부
141: 고정전극 142: 구동전극
170: 플랩부 171: 플랩
172: 플랩 지지점 173: 플랩 구동부
200: 투광창 300: 보호커버
310: 보호커버 통기공 400: 회로부
410: 공극부 장착홀 420: 공극형성 회로부
450: PCB 460: 커넥터
500: 공극부 510, 421: 공극
520: 공극부 통기공 610: 와이어

Claims (14)

  1. 광스캐너 장치에 관한 것으로서,
    미러(111)가 형성되되 소정 각도와 속도로 회동하는 구동체(110) 및 상기 구동체(110)와 스프링(130)을 통하여 결합된 고정체(120)를 포함하는 광스캐너 소자(100);
    상기 광스캐너 소자(100)의 하부를 지지하되, 수직으로 관통된 공극(510)이 형성된 공극부(500);
    상기 공극부(500)의 하부에 형성되되, 상기 광스캐너 소자(100)에 구동 전력을 공급하는 회로부(400); 및
    상기 광스캐너소자(100)를 보호하는 보호커버(300)를 포함하되,
    상기 공극부(500)의 공극(510)은 상기 광스캐너 소자(100) 소자의 구동체(110) 하부에 위치하되, 상기 구동체의 하부에 소정의 공간을 형성하고,
    상기 공극부(500)의 측면에는 공극(510)과 공극부(500)의 외부 사이에 공기가 흐를 수 있도록 하는 공극부 통기공(520)이 형성되며,
    상기 보호커버(300)의 소정 영역에는 보호커버(300) 내부의 압력을 외부 대기압과 동일하게 유지하기 위하여 공기의 통로를 제공하는 보호커버 통기공(310)이 형성됨으로써 상기 구동체(110)의 구동시 발생하는 스퀴즈 댐핑을 감소시키는 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호커버(300)는 하단부가 상기 회로부(400)에 연결되되, 상단부는 개방되어 있고,
    상기 보호커버(300) 상단부의 상기 개방된 부분에는 빛이 통과할 수 있는 투광창(200)이 설치된 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 회로부(400)에는 공극부 장착홀(410)이 형성되되, 상기 공극부(500)가 상기 회로부(400)의 공극부 장착홀(410)에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공극부(500)는 열팽창 계수가 1 x 10-6 /℃ 이상 4 x 10-6 /℃ 이하인 전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 공극부(500)를 구성하는 물질은 Kovar 합금인 것을 특징으로 하는 하는 광스캐너 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공극부(500)를 구성하는 물질의 열팽창계수와 탄성계수의 곱이 1.6 x 105 [N/m2·℃] 이상 8.4 x 105 [N/m2·℃] 이하인 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 공극부(500)의 높이는 1 mm 이상 4 mm 이하인 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 청구항에 있어서,
    상기 공극(510)의 수평 단면의 직경은 상기 미러(111) 직경보다 0.4 mm 이상 4 mm 이하 만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  9. 삭제
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 보호커버(300)와 투광창(200)은 PC(polycarbonate) 및 COC(cyclic olefin copolymer)에서 선택된 하나의 폴리머 물질을 이용하여 일체형으로 제작된 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동체의 끝단에 인접한 고정체에 플랩부(170)가 형성되되,
    상기 플랩부(170)는 플랩 지지점(172)을 중심으로 회동할 수 있게 형성된 플랩(171) 및 정전기력으로 상기 플랩(171)을 구동시키는 플랩 구동부(173)를 포함하고, 상기 플랩 구동부(173)는 상기 구동체의 구동과 동기화 되어 플랩(171)을 구동시키는 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 스프링(130)은 사다리꼴 형상으로 형성되어 상기 고정체(120)에 접한 부분에서의 스프링(130)의 폭과, 상기 구동체(110)에 접한 부분에서의 스프링(131)의 폭이 상이하되,
    상기 스프링의 측면(132)은 상기 스프링의 중심축(131)에 대하여 2° 이상 7° 이하로 경사진 것을 특징으로 하는 광스캐너 장치.

  13. 삭제
  14. 삭제
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