KR20000044820A - 박막형 광로조절장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액츄에이터의 형상이 삼각형을 이루어 액츄에이터의 변위 유지에 필요한 전압을 낮추고, 액츄에이터의 응답특성을 좋게 하는 박막형 광로조절장치에 관한 것으로서, M×N(M, N은 양의 정수)개의 트랜지스터가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결된 드레인 패드(10)가 형성된 액티브 매트릭스(5)가 구비되며, 상기 액티브 매트릭스(5) 위에 고정단과 두 개의 자유단으로 이루어진 외팔보 형상의 액츄에이터(165)가 형성되며, 상기 액츄에이터(165)는 멤브레인(130), 하부전극(135), 변형층(140) 및 상부전극(145)이 순차적으로 적층되어 이루어지며, 상기 고정단을 통해 상기 드레인 패드(10)와 상기 하부전극(135)이 전기적으로 연결되며, 상기 액츄에이터(165)의 자유단의 끝단에는 거울 포스트(70b)가 형성되며, 상기 거울 포스트(70b) 상에 거울(75)이 지지되는 박막형 광로조절장치에서, 상기 액츄에이터(165)의 상기 고정단과 상기 두 개의 자유단이 이루는 형상이 삼각형인 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 삼각형 형상의 액츄에이터를 포함하는 광로조절장치를 이용하면, 압전유효부가 길어지고 자유단의 유효질량이 감소되어 액츄에이터의 변위 유지에 필요한 전압을 낮추고 액츄에이터의 응답특성을 좋게 할 수 있다.

Description

박막형 광로조절장치
본 발명은 박막형 광로조절장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액츄에이터의 형상이 삼각형을 이루어 액츄에이터의 변위 유지에 필요한 전압을 낮추고, 액츄에이터의 응답특성을 좋게 하는 박막형 광로조절장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광학 에너지(optical energy)를 스크린 상에 투영하기 위한 장치는 광학 에너지를 스크린 상에 표시하는 방법에 따라 직시형 화상표시장치(direct-view image display device)와 투사형 화상표시장치(projection-type image display device)로 구분된다.
직시형 화상표시장치의 예로서는 CRT(cathode ray tube)를 들 수 있는데, 이러한 CRT 장치는 소위 브라운관으로 불리는 것으로서 화질은 우수하나 화면의 대형화에 따라 그 중량과 용적이 증가하여 제조 비용이 상승하게 되는 문제가 있다.
투사형 화상표시장치인 광로조절장치로는 액정표시장치(liquid crystal display ; 이하 LCD라 칭함), 디포머블 미러 어레이(deformable mirror device ; 이하 DMD라 칭함) 및 박막 마이크로미러 어레이-액츄에이티드(Thinfilm Micromirror Array-actuated ; 이하 TMA라 칭함)를 들 수 있다.
LCD는 광학적 구조가 매우 간단하므로, 얇게 형성하여 중량을 가볍게 할 수 있으며 용적을 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 빛이 편광판을 거치기 때문에 광 효율이 낮으며, 액정 재료에 고유하게 존재하는 문제, 예를 들면 응답속도가 느리고 그 내부가 과열되기 쉬운 단점이 있다. 또한, 현존하는 전송 광 변조기의 최대 광 효율은 1 내지 2% 범위로 한정되며, 수용 가능한 디스플레이 품질을 제공하기 위해서 암실 조건을 필요로 한다.
DMD 및 TMA와 같은 광 변조기는 전술한 LCD 타입의 광 변조기가 갖고 있는 문제점들을 해결하기 위하여 개발되었다.
DMD는 5% 정도의 비교적 양호한 광 효율을 나타내지만, DMD에 채용된 힌지 구조물에 의해서 심각한 피로 문제가 발생한다. 또한, 매우 복잡하고 값비싼 구동 회로가 요구된다는 단점이 있다.
이에 비해서, TMA는 압전식으로 구동하는 미러 어레이로서, 10% 이상의 광 효율을 제공한다. 이러한 TMA 광 변조기는 그 구조와 동작 원리가 간단하며, LCD나 DMD 등에 비해 높은 광 효율을 얻을 수 있다. 또한, 보통의 실온 광 조건하에서 밝고 선명한 화상을 제공하기에 충분한 콘트라스트(contrast)를 제공한다. 더욱이 빛이 편광판을 거치지 않는다. 또한, TMA의 반사 특성은 온도에 상대적으로 덜 민감하기 때문에, 고전력의 광원에 의해 쉽게 영향을 받는 다른 장치들에 비해서 스크린의 밝기를 향상시킬 수 있다는 이점을 갖는다.
이와 같은 TMA을 이용한 투사형 화상표시장치가 본 출원인이 1995년 5월 26일에 출원한 바 있는 한국특허출원 제 95-13358 호에 개시되어 있다.
통상적으로, TMA 내부에 형성된 각각의 액츄에이터들은 인가되는 화상 신호 및 바이어스 전압에 의하여 발생되는 전계에 따라 변형을 일으킨다. 이 액츄에이터가 변형을 일으킬 때, 상기 액츄에이터의 상부에 장착된 각각의 거울들은 전계의 크기에 비례하여 경사지게 된다.
따라서, 이 경사진 거울들은 광원으로부터 입사된 빛을 소정의 각도로 반사시킬 수 있게 된다. 이 각각의 거울들을 구동하는 액츄에이터의 구성 재료로서 PZT(Pb(Zr, Ti)O3), 또는 PLZT((Pb, La)(Zr, Ti)O3)등의 압전 세라믹이 이용된다. 또, 이 액츄에이터의 구성 재료로 PMN(Pb(Mg, Nb)O3)등의 전왜 세라믹을 이용할 수 있다.
상술한 TMA은 벌크(bulk)형과 박막(thin film)형으로 구분된다. 현재 TMA은 박막형 광로조절장치가 주종을 이루는 추세이다.
도 1은 종래의 박막형 광로조절장치의 평면도이고, 도 2는 도 1의 종래의 박막형 광로조절장치를 A-A' 선을 따라 절단한 단면도를 도시한 것이다. 종래의 박막형 광로조절장치는 액티브 매트릭스(5)와 그 상부에 형성된 액츄에이터(65) 및 액츄에이터(65)의 구동 정도에 따라 광로를 조절하는 거울(75)로 구성된다.
상기 액티브 매트릭스(5)는 실리콘(Si) 등의 반도체로 구성되며, 내부에 M×N개의 MOS 트랜지스터가 내장되어 있다. 액티브 매트릭스(5)의 일측에는 MOS 트랜지스터의 드레인 전극(도시되지 않음)과 전기적으로 연결된 드레인 패드(10)가 형성된다.
상기 액츄에이터(65)는 드레인 패드(10)가 형성된 부분에 일측이 지지되는 외팔보 형상을 이루며, 멤브레인(30), 하부전극(35), 변형층(40), 상부전극(45)으로 구성되며, 드레인 패드(10)와 하부전극(35)은 비아컨택(55)에 의해 전기적으로 연결되어 있다.
거울(75)과 거울 포스트(70b)는 반사 효율이 좋은 알루미늄 등으로 이루어지며, 양쪽 액츄에이터(65)의 평행하게 뻗친 양쪽의 자유단부 끝단에서 양쪽 자유단을 연결하고 있는 멤브레인(35) 층 위에서 70a의 위치에 지지되어 있다. 거울 포스트(70b)는 거울의 중앙 위치에서 거울을 받치고 있으며, 거울 포스트(70b)가 거울(75)을 지지하는 점으로부터 거울의 고정단 쪽과 고정단 반대쪽 가장자리까지의 길이는 도 1에서 보듯이 동일하다. 이 때 고정단의 비아컨택(55)과 거울 포스트(70b)간의 거리는 ℓ이다.
이와 같은 종래의 박막형 광로조절장치는 액티브 매트릭스(5)의 드레인 패드(10)로부터 신호 전극인 하부전극(35)에 화상 신호 전압이 인가되며, 공통 전극인 상부전극(45)에 바이어스 전압이 인가되면 상부전극(45)과 하부전극(35) 사이에 전계가 발생하게 된다. 이 전계에 의하여 상부전극(45)과 하부전극(35) 사이의 변형층(40)이 전계에 수직한 방향으로 수축하게 된다. 한편, 멤브레인(30)에 의해 변형층(40)의 수축이 방해를 받게 됨에 따라 멤브레인(30)이 형성되지 않은 액츄에이터(65)의 상부 방향으로 수축력이 집중되어 액츄에이터(65)가 소정 각도로 휘어진다. 동시에, 액츄에이터(65)의 자유단에 장착된 거울(75)이 휘어진 각만큼 경사지게 되어 광원으로부터 입사되는 빛의 광로를 조절하여 반사함으로써 단위 화소를 형성한다. 상기 거울(75)에 의하여 반사된 무수한 빛의 화소들이 슬릿을 통하여 스크린에 투영됨으로써 화상을 맺게 된다.
그러나, 상기한 종래의 박막형 광로조절장치에서는 두 개의 자유단의 끝단을 연결하는 멤브레인(30)이 길어 제조과정에서 발생하는 찌꺼기가 멤브레인(30)에 많이 부착되고, 멤브레인(30) 자체의 질량으로 인해 액츄에이터(65)의 고유진동수가 낮아 응답특성이 나쁜 단점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액츄에이터의 형상이 삼각형을 이루어 멤브레인만 노출된 부위를 줄임으로써, 찌꺼기가 멤브레인에 부착되는 것을 방지하고, 액츄에이터의 변위 유지에 필요한 전압을 낮추며, 액츄에이터의 응답특성을 좋게 하는 박막형 광로조절장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막형 광로조절장치는 M×N(M, N은 양의 정수)개의 트랜지스터가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결된 드레인 패드가 형성된 액티브 매트릭스가 구비되며, 상기 액티브 매트릭스 위에 고정단과 두 개의 자유단으로 이루어진 외팔보 형상의 액츄에이터가 형성되며, 상기 액츄에이터는 멤브레인, 하부전극, 변형층 및 상부전극이 순차적으로 적층되어 이루어지며, 상기 고정단을 통해 상기 드레인 패드와 상기 하부전극이 전기적으로 연결되며, 상기 액츄에이터의 자유단의 끝단에는 거울 포스트가 형성되며, 상기 거울 포스트 상에 거울이 지지되는 박막형 광로조절장치에서, 상기 액츄에이터의 상기 고정단과 상기 두 개의 자유단이 이루는 형상이 삼각형인 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 삼각형 형상의 액츄에이터를 포함하는 광로조절장치를 이용하면, 압전유효부가 길어지고 자유단의 유효질량이 감소되어 액츄에이터의 변위 유지에 필요한 전압을 낮추고 액츄에이터의 응답특성을 좋게 할 수 있다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명하는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래의 박막형 광로조절장치의 평면도,
도 2는 도 1의 종래의 박막형 광로조절장치를 A-A' 선을 따라 절단한 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 광로조절장치의 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
5 ; 액티브 매트릭스 10 ; 드레인 패드
30, 130 ; 멤브레인 35, 135 ; 하부전극
40, 140 ; 변형층 45, 145 ; 상부전극
55, 155 ; 비아컨택 65, 165 ; 액츄에이터
70b ; 거울 포스트 75 ; 거울
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 광로조절장치를 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막형 광로조절장치의 평면도이다. 본 발명의 박막형 광로조절장치는 액티브 매트릭스(5)와 그 상부에 형성된 액츄에이터(165) 및 액츄에이터(165)의 구동 정도에 따라 광로를 조절하는 거울(75)로 구성된다.
액츄에이터(165)는 드레인 패드(10)가 형성된 부분에 일측이 지지되는 외팔보 형상을 이루며, 멤브레인(130), 하부전극(135), 변형층(140), 상부전극(145)으로 구성되며, 드레인 패드(10)와 하부전극(135)은 비아컨택(155)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 액츄에이터(165)는 비스듬하게 뻗치면서 한 곳으로 모이게 되는 그 양 자유단이 고정단과 함께 삼각형 형상을 이룬다.
거울(75)과 거울 포스트(70b)는 반사 효율이 좋은 알루미늄 등으로 이루어지며, 양쪽 액츄에이터(165)의 비스듬하게 뻗친 끝이 만나는 자유단 끝단에서 양쪽 자유단이 모인 위치의 전방의 멤브레인(35) 층 위에서 170의 위치에 지지되어 있다. 거울 포스트(70b)는 거울의 중앙 위치에서 거울을 받치고 있으며, 거울 포스트(70b)가 거울(75)을 지지하는 점으로부터 거울의 고정단 쪽과 고정단 반대쪽 가장자리까지의 길이는 도 1에서 보듯이 동일하다. 이 때 고정단의 비아컨택(155)과 거울 포스트(70b)간의 거리는 ℓ이다.
이와 같은 본 발명의 박막형 광로조절장치가 수축하는 원리는 종래기술의 박막형 광로조절장치에 대해 설명한 바와 같다. 하지만, 본 발명의 박막형 광로조절장치는 액츄에이터(165)의 두 개의 자유단을 연결하는 멤브레인(130)층이 노출된 끝단의 면적이 종래의 박막형 광로조절장치보다 좁아 제조과정에서 발생하는 찌꺼기가 멤브레인(130)의 끝단에 부착되는 양이 적고, 멤브레인(130)의 질량이 종래의 박막형 광로조절장치보다 작기 때문에 액츄에이터(165)의 고유진동수가 종래의 박막형 광로조절장치보다 높아 응답특성이 좋아진다. 또, 액츄에이터(165)의 자유단 끝에 있는 거울 포스터(70)와 비아컨택(155)간의 거리가 ℓ로 종래 기술에서의 경우와 같을 때, 액츄에이터(165)의 각 자유단의 길이가 종래 기술의 액츄에이터(65)의 각 자유단의 길이보다 더 길어서 본 발명의 액츄에이터(165)에 가해지는 전압이 더 적은 경우에도 거울(75)이 기울어지는 각도는 종래 기술에 따른 박막형 광로조절장치와 같게 될 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 삼각형 형상의 액츄에이터를 포함하는 광로조절장치를 이용하면, 압전유효부가 길어지고 자유단의 유효질량이 감소되어 액츄에이터의 변위 유지에 필요한 전압을 낮추고 액츄에이터의 응답특성을 좋게 할 수 있다.

Claims (1)

  1. M×N(M, N은 양의 정수)개의 트랜지스터가 내장되고 상기 트랜지스터의 드레인 전극과 전기적으로 연결된 드레인 패드(10)가 형성된 액티브 매트릭스(5)가 구비되며, 상기 액티브 매트릭스(5) 위에 고정단과 두 개의 자유단으로 이루어진 외팔보 형상의 액츄에이터(165)가 형성되며, 상기 액츄에이터(165)는 멤브레인(130), 하부전극(135), 변형층(140) 및 상부전극(145)이 순차적으로 적층되어 이루어지며, 상기 고정단을 통해 상기 드레인 패드(10)와 상기 하부전극(135)이 전기적으로 연결되며, 상기 액츄에이터(165)의 자유단의 끝단에는 거울 포스트(70b)가 형성되며, 상기 거울 포스트(70b) 상에 거울(75)이 지지되는 박막형 광로조절장치에서,
    상기 액츄에이터(165)의 상기 고정단과 상기 두 개의 자유단이 이루는 형상이 삼각형인 것을 특징으로 하는 박막형 광로조절장치.
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