KR20030092079A - 마이크로 압전 액추에이터 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20030092079A
KR20030092079A KR1020037013574A KR20037013574A KR20030092079A KR 20030092079 A KR20030092079 A KR 20030092079A KR 1020037013574 A KR1020037013574 A KR 1020037013574A KR 20037013574 A KR20037013574 A KR 20037013574A KR 20030092079 A KR20030092079 A KR 20030092079A
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황규호
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(주)엠투엔
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices

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  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

본 발명은 마이크로 압전 액추에이터 및 그 제작 방법과 이를 이용한 광로 조절 장치 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 본 발명의 광로 조절 장치는 미러와, X축으로 미러의 경사각을 조절하기 위한 제 1 액추에이터, Y 축으로 미러 및 제 1 액추에이터의 경사각을 조절하기 위한 제 2 액추에이터, 그리고 제 1 및 제 2 액추에이터에 구동 신호를 제공하는 구동 기판으로 구성되어 있다. 각각의 액추에이터는 멤브레인과 각각의 멤브레인 위에 형성된 압전 소자, 그리고 멤브레인에 연결된 2개의 탄성체와 2개의 탄성체 사이에 연결된 연결 부재를 포함하는 연결부로 이루어진다. 그러므로, 광로 조절 장치의 미러는 Y 축 상에서의 기울어진 정도에 관계없이 X 축 상에서 편향될 수 있다.

Description

마이크로 압전 액추에이터 및 그 제조방법{MICRO PIEZOELECTRIC ACTUATOR AND METHOD FOR FABRICATING SAME}
광통신 시스템에서 현재 사용하고 있는 광학 스위치(optical switch)는 광을 전기적 신호로 바꿔 전기적 레벨에서 스위칭한 다음 이를 광신호로 변환시키는 O-E-O(optical-electrical-optical) 방식을 따르고 있다. 그러나, 이 방식은 신호의 3R(retiming, reshaping, regeneration)을 요구하므로 매우 복잡하며, 특히 하나의 광섬유 포트에 여러 파장의 광을 함께 전송시키는 파장 다중화(WDM, wavelength division multiplexing)에 사용될 경우 전송 속도가 크게 제한되는 문제점이 있다.
현대의 통신에 있어서 중요한 역할을 담당하는 스위치에서 매우 중요한 기술중의 하나가 바로 스위칭 시스템의 최대 수율을 결정하는 스위칭 기술이다. 차세대 정보 통신망에서는 가입자마다 수백 Mbps 내지 수십 Gbps의 대역폭이 필요한 것으로 예상된다. 스위칭 용량을 확장하는 방법으로는 기존의 전기적 스위치 속도를 증가시키는 방법과 새로운 부품, 즉 광학 스위치를 이용하는 방법이 있다. 그러나 전기적 스위치는 광신호를 전기적 신호로 변환한 뒤 다시 전기적 신호를 또 다른 광신호로 변환하여 선택된 경로를 통하여 전송되기 때문에 시간지연의 발생이 불가피하다. 또한, 시스템 구성이 복잡하기 때문에 제작 단가가 높다. 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 하드웨어 소형화가 이루어져야 하며, 고밀도 장착 기술 개발은 필연적이다. 따라서, 전기적 스위치의 결점을 고려하며 스위칭 소자의 소형화 경향을 고려할 때, 대용량으로 확장이 용이하고 가격 경쟁력을 가지며 O-E-O 변환이 필요하지 않은 광학 스위치가 필수적이다.
이러한 이유로, 마이크로 미러를 제작하여 이를 MEMS (micro electro-mechanical systems) 방식의 액추에이터로 구동하는 스위칭 기법이 최근 가장 많은 관심을 모으고 있다. 이러한 방식의 광학 스위치는 256포트 이상으로 확장할 수 있다는 점에서 OXC (optical cross connect) 시스템을 위한 광모듈 개발에 주로 활용될 전망이다.
전술한 바와 같이 이러한 광학 스위치는 MEMS를 이용하여 구현되고 있다. MEMS란 반도체 공정 기술에서 발전한 초정밀 3차원 마이크로 구조체 가공 기술로서, 거시 세계의 기계 요소들을 마이크론(micron) 또는 나노(nano) 단위로 제작하는 것을 의미한다. 이러한 MEMS 기술을 이용하여 단순한 기계 구조물뿐만 아니라극소형 센서, 액추에이터 등을 논리 회로와 함께 집적시킴으로써 다양한 형태의 지능형 마이크로 시스템을 제작할 수 있다. 따라서, 그 응용 분야는 통신 시스템, 군수 산업, 의료 장비 제작, 우주 항공에 이르기까지 다양하다. 특히, 이 중에서도 광통신 분야에 사용되는 광학 스위치는 MEMS 기술을 이용하여 가장 빠른 시간 내에 상용 가능한 제품을 만드는데 가장 적합한 아이템으로 주목받고 있다.
현재까지 알려져 있는 광학 스위치를 기술적으로 분류하면 광로 변환 방식에 따라 마이크로 미러를 이용한 방식과 마이크로 유체(microfluid)의 굴절률 변화를 이용한 방식이 있다.
마이크로 미러를 이용한 방식은 다시 2차원 배열 형태의 평면형(2D 스위치)과 3차원 배열 형태의 자유 공간형(3D 스위치)으로 나뉘어진다. 일반적으로 2D 스위치는 광섬유를 정렬하기가 용이하고 미러의 구동이 온/오프 형태이므로 구조가 간단한 장점을 갖는 반면 포트 수를 32x32 이상으로 확장하기 어려운 단점을 갖는다. 따라서, Tbps급 용량을 요구하는 기간망에 적용하는 데는 확장성이 용이한 3D 스위치가 적합하다.
전술한 광학 스위치 등의 마이크로 장치에 사용되는 액추에이터는 일반적으로 정전기를 이용하여 제작된다. 그러나, 정전기를 이용하는 것은 구동 전압이 예를 들어, 200V 이상으로 증대되며, 이로써 비선형 특성을 갖는 단점이 있다. 또한, 마이크로 미러가 기판에 접합되는 풀인(pull-in) 현상이 발생하므로 바람직하지 않다. 뿐만 아니라, 마이크로 미러의 큰 변위각을 얻는 것이 곤란하였으며, 마이크로 미러를 두 개의 축 예를 들면, X 축 및 Y 축에 대해 회전시켜 광로를 정밀하게 제어하는 것이 어려웠다.
본 발명은 마이크로 액추에이터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 마이크로 액추에이터를 이용하는 마이크로 장치 특히, 광로 조절장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 액추에이터는 광학 가변 어테뉴에이터, 광학 교차 커넥터, 표시 장치, 마이크로 정렬기, 마이크로 모터, 마이크로 스탭 모터, 스캐너 등에 사용된다.
본 발명의 상기 또는 다른 목적은 첨부된 도면과 후술하는 바람직한 실시예에 의해 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 기본 개념을 설명하기 위한 광로 조절 장치의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 광로 조절 장치의 동작을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액추에이터를 갖는 광로 조절 장치의 사시도이다.
도 4a 내지 도 4k는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광로 조절 장치를 제작하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 액추에이터를 갖는 광로 조절 장치의 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 광로 조절 장치의 동작을 도시한 개략적인 도면이다.
도 7a 내지 도 7i는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 광로 조절 장치를 제작하는 과정을 도시한 도면이다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마이크로 미러의 변위각을 크게 하는 폐루프 형상의 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 미러가 2축 운동을 하는 경우에 축간의 커플링이 발생되지 않도록 하는 폐루프 형상의 액추에이터 및 상기 액추에이터를 사용하는 광로 조절 장치(optical switching device)를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 마이크로 액추에이터는 제 1 멤브레인; 제 2 멤브레인; 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자; 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 1 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 2 탄성체, 그리고 상기 제 1 탄성체와 상기 제 2 탄성체 사이에 연결된 제 1 연결 부재를 포함하는 제 1 연결부; 그리고 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 3 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 4 탄성체, 그리고 상기 제 3 탄성체와 상기 제 4 탄성체 사이에 연결된 제 2 연결 부재를 포함하는 제 2 연결부를 구비한다.
본 발명의 다른 특징에 의한 광로 조절 장치는 제 1 멤브레인, 제 2 멤브레인, 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 1 연결부와 제 2 연결부를 포함하되, 상기 제 1 연결부는 상기 제1 멤브레인과 연결된 제 1 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 2 탄성체, 그리고 상기 제 1 탄성체와 상기 제 2 탄성체 사이에 연결된 제 1 연결 부재를 포함하며, 상기 제 2 연결부는 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 3 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 4 탄성체, 그리고 상기 제 3 탄성체와 상기 제 4 탄성체 사이에 연결된 제 2 연결 부재를 포함하는 제 1 액추에이터; 제 3 멤브레인, 제 4 멤브레인, 상기 제 3 멤브레인과 상기 제 4 멤브에린 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 3 연결부와 제 4 연결부를 포함하되, 상기 제 3 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 5 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 6 탄성체, 그리고 상기 제 5 탄성체와 상기 제 6 탄성체 사이에 연결된 제 3 연결 부재를 포함하며, 상기 제 4 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 7 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 8 탄성체, 그리고 상기 제 7 탄성체와 상기 제 8 탄성체 사이에 연결된 제 4 연결 부재를 포함하는 제 2 액추에이터; 그리고 상기 제 1 액추에이터의 내부에 위치하는 미러를 구비하되, 상기 미러와 상기 제 1 액추에이터는 제 1 전달부에 의해 연결되며, 상기 제 1 액추에이터와 상기 제 2 액추에이터는 제 2 전달부에 의해 연결된다.
본 발명의 다른 특징에 의한 광로 조절 장치의 MxN 어레이는 각각의 광로 조절 장치가 제 1 멤브레인, 제 2 멤브레인, 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 1 연결부와 제 2 연결부를 포함하되, 상기 제 1 연결부는 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 1 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 2 탄성체, 그리고 상기 제 1 탄성체와 상기 제 2 탄성체사이에 연결된 제 1 연결 부재를 포함하고, 상기 제 2 연결부는 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 3 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 4 탄성체, 그리고 상기 제 3 탄성체와 상기 제 4 탄성체 사이에 연결된 제 2 연결 부재를 포함하는 제 1 액추에이터; 제 3 멤브레인, 제 4 멤브레인, 상기 제 3 멤브레인과 상기 제 4 멤브에린 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 3 연결부와 제 4 연결부를 포함하되, 상기 제 3 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 5 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 6 탄성체, 그리고 상기 제 5 탄성체와 상기 제 6 탄성체 사이에 연결된 제 3 연결 부재를 포함하며, 상기 제 4 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 7 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 8 탄성체, 그리고 상기 제 7 탄성체와 상기 제 8 탄성체 사이에 연결된 제 4 연결 부재를 포함하는 제 2 액추에이터; 그리고 상기 제 1 액추에이터의 내부에 위치하는 미러를 구비하되, 상기 미러와 상기 제 1 액추에이터는 제 1 전달부에 의해 연결되며, 상기 제 1 액추에이터와 상기 제 2 액추에이터는 제 2 전달부를 경유하여 연결되는 미러를 구비한다. 단, M 및 N은 양의 정수이다.
본 발명의 다른 특징에 의한 마이크로 액추에이터를 제작하는 방법은 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계; 상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 상부 표면에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층을 에칭하여 연결부를 지지하는 기둥을 형성하는 단계; 상기 보호층과 상기 기둥의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계; 하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계; 그리고 상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 2개의 경사부와 상기 2개의 경사부 사이에 연결되는 연결 부재를 구비하는 연결부와 멤브레인을 상기 기둥 위에 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 의한 광로 조절 장치를 제작하는 방법은 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계; 상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 상부 표면에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층을 에칭하여 연결부를 지지하는 기둥을 형성하는 단계; 상기 보호층의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계; 하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계; 상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 2개의 경사부와 상기 2개의 경사부 사이에 연결된 연결 부재를 구비하는 연결부와 멤브레인을 각각 포함하는 제 1 액추에이터 및 제 2 액추에이터를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계; 상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 상기 제 1 액추에이터와 미러를 연결하는 제 1 전달부 및 상기 제 2 액추에이터와 상기 제 1 액추에이터를 연결하는 제 2 전달부를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계; 상기 제 1 액추에이터 내부에 위치하도록 상기 멤브레인 층 위에 미러를 형성하는 단계; 상기 광학 조절 장치 위에 패시베이션 층을 형성하는 단계; 상기 미러와 상기 제 1 및 제 2 액추에이터의 하방면과 대향하는 구동 기판을 제거하는 단계; 그리고 상기 패시베이션 층과 상기 보호층을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 의한 마이크로 액추에이터를 제작하는 방법은 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계; 상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계; 하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계; 그리고 상기 멤브레인 층을 패터닝하여 2개의 탄성체와 상기 2개의 탄성체 사이에 연결된 연결 부재를 포함하는 연결부와 멤브레인을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 의한 광로 조절 장치를 제작하는 방법은 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계; 상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계; 상기 보호층의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계; 하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계; 상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 2개의 경사부와 상기 2개의 경사부 사이에 연결된 연결 부재를 포함하는 연결부와 멤브레인을 각각 포함하는 제 1 액추에이터 및 제 2 액추에이터를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계; 상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 상기 제 1 액추에이터와 미러를 연결하는 제 1 전달부 및 상기 제 2 액추에이터와 상기 제 1 액추에이터를 연결하는 제 2 전달부를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계; 상기 제 1 액추에이터 내부에 위치하도록 상기 멤브레인 층 위에 미러를 형성하는 단계; 상기 광학 조절 장치 위에 패시베이션 층을 형성하는 단계; 상기 미러와 상기 제 1 및 제 2 액추에이터의 하방면과 대향하는 구동 기판을 제거하는 단계; 그리고 상기 패시베이션 층과 상기 보호층을 제거하는 단계를 포함한다.
도 1에는 본 발명의 기본적인 개념을 설명하기 위한 광로 조절 장치의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 광로 조절 장치에 사용된 액추에이터는 직선형의 구조를 갖는 것으로 표시되어 있으나, 본 발명은 도 1에 도시된 액추에이터에 변형을 가한 폐루프 형상의 액추에이터에 대한 것이다.
도 1에 도시된 광로 조절 장치의 액추에이터는 제 1 멤브레인(60a), 제 2 멤브레인(60b), 상기 제 1 및 제 2 멤브레인(60a, 60b)의 적어도 어느 하나의 상부에 배치되어 있는 압전 소자(65)를 포함한다. 또한, 상기 액추에이터는 제 1 멤브레인(60a)과 제 2 멤브레인(60b)를 연결하는 연결부를 포함한다. 각각의 연결부는 제 1 멤브레인(60a)과 연결되어 있는 제 1 탄성체(61a), 제 2 멤브레인(60b)과 연결되어 있는 제 2 탄성체(61b), 그리고 제 1 탄성체(61a)와 연결되어 있는 제 1 연결 부재(62a) 및 제 2 탄성체(61b)에 연결되어 있는 제 2 연결 부재(62b)를 포함한다.
도 1에 의하면, 제 1 연결 부재(62a) 및 제 2 연결 부재(62b)가 서로 이격되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이하에서 설명하는 바와 같이 미러가 2축 운동을 할 필요가 없는 경우에는 상기 제 1 및 제 2 연결 부재(62a, 62b)가 이격되지 않더라도 무방하다.
또한, 본 명세서에서는 제 1 탄성체(61a) 및 제 2 탄성체(61b)가 멤브레인과 연결 부재에 대하여 기울어져 있다. 이 경우, 탄성체가 멤브레인과 이루는 각도는 90도 이상이다. 또한, 상기 탄성체가 멤브레인을 따라 원형으로 움직이도록 탄성체와 멤브레인을 연결하는 것이 바람직하다.
설명을 간단히 하기 위해서 도 1에서는 압전 소자(65)가 하나의 층으로 도시되어 있으나, 실제로는 상부 전극, 하부 전극, 그리고 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치되는 압전 물질로 구성되어 있다. 여기서, 압전 물질은 PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3또는 LiTaO3로 이루어져 있다.
도 2a는 본 발명과 동일한 개념을 가지는 선형 액추에이터의 동작을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2a에서는 제 1 연결 부재(62a) 및 제 2 연결 부재(62b)가 이격되어 있지 않고 일체의 연결 부재 (62)로 형성되어 있다.
본 발명의 특징은 제 1 멤브레인(60a)과 제 2 멤브레인(60b)을 연결하는 연결부의 구조에 있다. 도 2a에 도시된 연결부는 제 1 탄성체(61a), 제 2 탄성체(61b), 그리고 연결 부재(62)를 포함하고 있다. 설명을 간단히 하기 위해 도 2a에서는 제 1 및 제 2 멤브레인 중 적어도 하나의 멤브레인 상부에 배치되는 압전 소자(65)가 생략되어 있다.
도 2a의 점선은 제 1 멤브레인(60a)의 상부에 있는 압전 소자가 편향되는 경우에 액추에이터의 위치를 나타낸다. 종래 기술에 의한 액추에이터에서는 멤브레인의 경사각(θ)에 의해서만 미러(연결부의 상부에 배치되지만 도 2b에서는 생략되어 있음)의 경사각이 결정되지만, 본 발명에 의한 액추에이터에서는 θ, d, b, c, h, b' 등을 조절함으로써 미러의 경사각(θ')을 조절할 수 있다. 그러므로, 미러의 경사각(θ')은 멤브레인의 경사각(θ) 보다 더 큰 값의 각을 가질 수 있고, 따라서 미러의 경사각이 종래 기술에 비해 훨씬 넓게 제어될 수 있다.
도 2b에는 제 2 멤브레인(60b) 측의 압전 소자가 편향되는 경우에 액추에이터의 개략적인 형상이 점선으로 도시되어 있다.
이상 설명한 것은 연결부의 특유한 형상으로 인한 본 발명의 기본 개념이고, 이러한 기본 개념을 응용하여 이하에서 설명하는 바와 같이 폐루프 형상의 마이크로 액추에이터를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 광로 조절 장치는 미러, X 축 상에서 미러의 경사각을 조절하는 제 1 액추에이터, 그리고 Y 축 상에서 미러의 경사각을 조절하는 제 2 액추에이터를 포함한다. 여기서, 제 1 및 제 2 액추에이터는 원형의 폐루프로 구성될 수 있으나 이와 달리 다각형의 폐루프로 구성될 수도 있다.
제 1 액추에이터는 제 1 멤브레인, 제 2 멤브레인, 적어도 하나의 멤브레인 상에 형성된 압전 소자, 그리고 멤브레인 사이에 연결된 연결부를 포함한다. 또한, 각각의 연결부는 일단이 멤브레인 중 하나와 연결되어 있는 2개의 탄성체와 상기 2개의 탄성체 사이를 연결하는 연결 부재를 포함한다. 여기서, 각각의 연결부는 미러에 대해서 서로 반대편에 위치한다. 또한, 각각의 연결부는 전달부에 의해 미러에 연결되어 있으므로 X 축 상에서 미러의 경사각을 조절할 수 있다.
반면, 제 2 액추에이터는 제 3 멤브레인, 제 4 멤브레인, 적어도 하나의 멤브레인 상에 형성되는 압전 소자, 그리고 멤브레인 사이에 연결된 연결부를 포함한다. 또한, 각각의 연결부는 일단이 멤브레인 중 하나와 연결되어 있는 2개의 탄성체와 상기 2개의 탄성체를 연결하는 연결 부재를 포함한다. 여기서, 각각의 연결부는 미러에 대해서 서로 반대편에 위치한다. 또한, 이렇게 연결됨으로써 제 1 액추에이터의 연결부 사이에 그려진 가상의 선과 제 2 액추에이터의 연결부 사이에그려진 가상의 선은 서로 직교하게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시에에 대하여 자세히 기술한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액추에이터를 갖는 광로 조절 장치를 도시하고 있다. 광로 조절 장치는 미러(90), X 축 상에서 미러(90)의 경사각을 조절하는 제 1 액추에이터(60), Y 축 상에서 미러(90)의 경사각을 조절하는 제 2 액추에이터(260)를 포함한다. 여기서, 제 1 액추에이터(60)와 제 2 액추에이터(260)는 각각 폐루프로 형성된다. 도 3에는 액추에이터가 원형인 것으로 도시되어 있으나 다각형을 갖도록 구성될 수 있다.
연결부(63, 263)는 도 3에 도시된 바와 같이 위치하므로 연결부(263) 사이에 그려진 가상의 선은 연결부(63) 사이에 그려진 가상선과 직교하게 된다.
제 1 액추에이터(60)는 제 1 멤브레인(60a), 제 2 멤브레인(60b), 제 1 멤브레인(60a)과 제 2 멤브레인(60b) 중 적어도 하나의 멤브레인 상에 형성된 압전 소자(65), 그리고 멤브레인(60a, 60b) 사이에 형성된 연결부(63)를 포함한다. 또한, 제 2 액추에이터(260)는 제 3 멤브레인(260a), 제 4 멤브레인(260b), 제 3 멤브레인(260a)과 제 4 멤브레인(260b) 중 적어도 하나의 멤브레인 상에 형성된 압전 소자(265), 그리고 멤브레인(260a, 260b) 사이에 형성된 연결부(263)를 포함한다.
한편, 각각의 연결부(63)는 각각 제 1 멤브레인(60a) 또는 제 2 멤브레인(60b)에 연결되는 2개의 경사부(61)와 상기 2개의 경사부(61) 사이를 연결하는 연결 부재(62)를 포함한다. 또한, 각각의 연결부(263)는 각각 제 3 멤브레인(260a) 또는 제 4 멤브레인(260b)에 연결되는 2개의 경사부(261)와 상기 2개의 경사부(261) 사이를 연결하는 연결 부재(262)를 포함한다. 여기서, 각각의 경사부와 연결 부재는 미러가 보다 유연하게 기울어질 수 있도록 탄력성이 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
제 2 액추에이터(260)는 전달부(264)에 의해 짐벌(jimbal, 160)에 연결되어 있으며, 힌지(hinge, 도시 안됨)는 미러가 기울어지는 동안 짐벌(160)이 움직이지 않도록 하기 위하여 연결 부재(62)와 짐벌(160) 그리고/또는 연결 부재(262)와 패드(80) 사이에 추가될 수 있다. 다시 말해, 힌지는 광로 조절 장치가 X 축(또는 Y 축) 상에서 기울어지는 것이 Y 축(또는 X 축) 상에서 기울어지는 것과 관계없이 독립적으로 이루어질 수 있도록 한다. 그러나, 짐벌은 힌지(160) 없이 사용될 수도 있다. 뿐만 아니라, 제 1 액추에이터(60)는 짐벌(160)에 의하지 않고 전달부(264)만에 의해 제 2 액추에이터(260)에 연결될 수 있다.
비록 도 3에서는 각각의 액추에이터(60, 260)가 2개의 연결부를 구비하는 실시예가 도시되어 있으나, 하나의 액추에이터는 1개의 연결부만을 구비할 수도 있다.
한편, 각각의 경사부와 각각의 멤브레인이 교차하여 생긴 각은 90도 이상이다. 또한, 상기 경사부는 멤브레인과 함께 원운동을 할 수 있도록 연결되는 것이 바람직하다.
각각의 압전 소자(65, 265)는 상부 전극, 하부 전극 그리고 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치되는 압전 물질을 포함한다. 앞서 기술하였듯이, PZT, PbTiO3,PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3, 또는 LiTaO3이압전 물질로서 사용될 수 있다. 상부 전극과 하부 전극은 전극 브릿지(270)에 의해 구동 회로(도시 안됨)와 연결된다. 도 3에 도시되었듯이, 전극 브릿지(270)는 지그재그 형태를 갖도록 하는 것이 바람직하며, 미러가 기울어짐에 따라 전극 브릿지가 같이 기울어져 버퍼링 스트레스(buffering stress)의 역할을 한다.
상부 전극과 하부 전극은 전도성 물질로 구성된다. 상부 전극은 예를 들어, Al, Ru, Au, Ag 또는 RuO2등으로 구성된다. 하부 전극은 예를 들어, Ru 또는 Ru와 Ta의 합금과 같이 높은 전도성을 갖는 물질로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이 미러(90)는 제 1 액추에이터(60)의 안쪽에 배치된다. 각각의 연결부(63)는 전달부(64)에 의해 미러(90)와 연결되어 있어 미러(90)의 X 축상에서의 편향을 조절한다. 여기서, 각각의 연결부(63)는 미러(90)를 대하여 서로 반대쪽에 위치한다. 또한, 전술한 바와 같이, 짐벌(160)이 제 1 액추에이터(60)와 제 2 액추에이터(260) 사이에 위치하며, 이로써 제 1 액추에이터는 짐벌(160)과 연결된 전달부(264)에 의해 제 2 액추에이터(260)와 연결된다.
본 발명에 따른 광로 조절 장치는 다음과 같이 미러에 굴절된 빛의 방향을 조절한다.
먼저, 구동 신호가 전극 브릿지(270)를 통하여 구동 회로(도시 안됨)로부터 제 1 액추에이터(60) 상에 형성된 압전 소자(65)의 상부/하부 전극에 전달된다. 상기 구동 신호는 압전 소자(65)가 수축하거나 인장하도록 함으로써 연결부(63),즉 연결 부재(62)와 경사부(61)의 멤브레인(60a, 60b)에 대한 경사각을 바꾼다. 상기 연결부(63)의 경사각이 바뀜으로써 전달부(64)를 통하여 미러(90)의 X 축에 대한 경사각이 바뀐다.
한편, 또 다른 구동 신호가 전극 브릿지(270)를 통하여 구동 회로로부터 제 2 액추에이터(260) 상에 형성된 압전 소자(265)의 상부/하부 전극에 전달된다. 상기 구동 신호는 압전 소자(265)가 수축하거나 인장하도록 함으로써 연결부(263), 즉 연결 부재(262)와 경사부(261)의 멤브레인(260a, 260b)에 대한 경사각을 바꾼다. 상기 연결부(263)의 경사각이 바뀜으로써 전달부(264)를 통하여 제 1 액추에이터(60)의 Y 축에 대한 경사각이 바뀌며, 또한 미러(90)의 Y 축에 대한 경사각이 바뀐다.
여기서, X 축 및 Y 축에 대한 각각의 편향 운동은 상호 영향을 미치지 않는다. 따라서, 본 발명의 광로 조절 장치는 Y 축(또는 X 축) 상의 미러의 편향에 영향을 미치지 않고 X 축(또는 Y 축) 상의 미러의 편향을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 광로 조절 장치는 미러의 경사각을 보정하기 위한 회로를 가질 수 있다. 상기 회로에서 사용되는 보정 방법은 예를 들어, 광학적 방법, 압전 저항형(piezo-resistive) 방법, 또는 압전 용량형(piezo-capacitive) 방법을 사용하여 구현된다.
본 발명에서는 미러(90), 그리고 제 1 및 제 2 액추에이터(60, 260)가 구동 기판 상에 떠 있도록 구성되어 있다. 따라서, 광로 조절 장치의 후술하는 제작 공정에서 희생층의 두께를 두껍게 할 필요가 없다.
도 4a 내지 도 4n은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전식 액추에이터를 포함하는 광로 조절 장치를 제작하는 공정을 순서대로 도시한 것이다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이 구동 기판(40)의 상부에는 보호층(50)을 증착하여 후속 공정에서 구동 기판(40)이 손상되거나 구동 기판(40)이 에칭될 때 상부 층이 에칭되는 것을 방지한다. 보호층(50)은 예를 들어, SiO₂또는 SiNX등이 사용된다. 상기 보호층(50)의 상부 표면에 희생층(55)이 예를 들어 화학 기상 증착법에 의해 증착된다. 희생층(55)에는 주로 실리콘이 사용된다. 또한 도 4a에 도시된 바와 같이 이미 제작되어 있는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 사용할 수도 있다.
이어서 제 1 희생층(55)을 패터닝하여 도 4b에 도시된 바와 같이 기둥을 형성한다. 도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이 보호층(50)과 기둥(55) 상에 상당한 강성을 가진 예를 들어, SiNX로 이루어진 멤브레인 층(60)과, 예를 들어 백금으로 이루어진 하부 전극 층(45), 그리고 압전 물질 층을 순서대로 증착한다. 여기서 압전 물질은 PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3또는 LiTaO3등이 사용된다. 그리고 압전 물질 층(65)의 상부에는 예를 들어, 백금으로 이루어진 상부 전극 층(66)을 증착한다. 상기 상부 및 하부 전극 층(66, 45)과 압전 물질 층(65)은 압전 소자 층을 형성하기 위한 것이다. 위 공정에서 백금 대신 금과 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다.
다음으로 도 4e와 도 4f에 도시된 바와 같이, 압전 소자 층에서 원하는 부분만이 남도록 에칭에 의하여 제거된다. 또한, 도 4g에 도시된 바와 같이 멤브레인 층(60) 중 일부가 에칭에 의하여 제거된다. 따라서, 제 1 및 제 2 액추에이터(60, 260)와 짐벌(160)이 보호층(50) 위에 형성된다.
이후, 도 4h에 도시된 바와 같이 포토레지스트 층(67)이 도 4g에 도시된 구조체 위에 도포된다. 포토레지스트 층(67)이 도포된 후, 전극 브릿지가 제 1 액추에이터와 연결될 자리와 패드가 구동 회로에 연결될 자리가 마련된다. 이어서, 금속(68)이 포토레지스트 층 위에 증착되고 포토레지스트를 이용하여 패터닝되어 도 4i에 도시된 바와 같이 전극 브릿지가 형성된다. 이후, 제 1 희생층(55)과 포토레지스트 층(67)이 XeF2를 사용하여 에칭에 의해 제거된다(도 4j). 비록 도 4h 내지 도 4j에서 전극 브릿지가 제 1 액추에이터에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 전극은 제 2 액추에이터나 짐벌에 연결될 수도 있다.
이어서 도 4k에 도시된 바와 같이 미러(90)가 멤브레인 층(60) 위에 형성된다. 미러(90)는 일단 멤브레인 층(60)의 전체면을 증착한 후에 증착된 미러층을 패터닝하여 얻을 수도 있고, 또는 미러가 형성되기를 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 소정의 층으로 도포한 후 미러를 증착하는 방법에 의해 얻을 수도 있다.
도 4h 내지 도 4k에서 전극 브릿지(68)와 미러(90)가 순차적으로 형성된 것으로 도시되어 있으나, 전극 브릿지(68)와 미러(90)는 동시에 형성될 수도 있다.
다음에 도 4l에 도시된 바와 같이 도 4k에 도시된 구조체 위에 패시베이션층(75)이 증착된다. 이어서 구동 기판(40)의 일부분이 에칭에 의해 선택적으로 제거되어 보호층(50)의 아래쪽이 도 4m에 도시된 바와 같이 개구(41)를 통하여 노출된다. 마지막으로, 도 4n에 도시된 바와 같이 패시베이션 층(75)과 보호층(50)이 에칭에 의해 제거된다.
도 4m과 도 4n에 도시된 바와 같이 광로 조절 장치가 구성되므로 미러(90)와 멤브레인 층(60) 아래쪽으로는 아무런 구조체가 존재하지 않으며 따라서 미러가 자유롭게 움직일 수 있다. 또한, 이러한 이유로 희생층을 두껍게 만들어야 필요성이 줄어든다.
도 5는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액추에이터를 포함하는 광로 조절 장치를 도시하고 있다.
도 5에 의하면, 광로 조절 장치는 미러(90), X 축 상에서 미러(90)의 경사각을 조절하는 제 1 액추에이터(60)와 Y 축 상에서 제 1 액추에이터(60)의 경사각을 조절하며 미러(90)의 경사각을 조절하는 제 2 액추에이터(260)를 포함한다. 여기서, 제 1 및 제 2 액추에이터(60, 260)는 폐루프로 형성된다. 도 5에서는 폐루프가 원형으로 구현되었지만 다각형의 형태로 구현될 수도 있다.
제 1 액추에이터(60)는 제 1 멤브레인(60a), 제 2 멤브레인(60b), 멤브레인(60a, 60b) 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자(65), 그리고 멤브레인(60a, 60b) 사이에 연결된 연결부(22)를 포함한다. 또한, 각각의 연결부(22)는 일단이 멤브레인(60a 또는 60b)에 연결된 2개의 지그재그 형태의 탄성체(22b), 그리고 2개의 탄성체(22b) 사이에 연결된 연결 부재(22a)를 포함한다. 여기서, 각각의 연결부(22)는 미러(90)에 대해서 서로 반대쪽에 위치한다. 또한, 각각의 연결부(22a)는 전달부(30)에 의해 미러(90)에 연결되어 있어 연결부(22)는 X 축 상의 미러(90)의 경사각을 조절할 수 있다.
반면, 제 2 액추에이터(260)는 제 3 멤브레인(260a), 제 4 멤브레인(260b), 멤브레인(260a, 260b) 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자(265), 그리고 멤브레인(260a, 260b) 사이에 연결된 연결부(42)를 포함한다. 또한, 각각의 연결부(42)는 일단이 멤브레인(260a 또는 260b)에 연결된 2개의 지그재그 형태의 탄성체(42b)와 2개의 탄성체(42b) 사이에 연결된 연결 부재(42a)를 포함한다. 여기서, 각각의 연결부(42)는 미러(90)에 대해서 서로 반대쪽에 위치한다. 또한, 연결부(42) 사이에 가상의 선을 그렸을 때 다른 연결부(22) 사이에 그려진 가상의 선과 서로 직교하도록 연결부(42)가 위치한다.
도 5에서는 각각의 액추에이터(60, 260)가 2개의 연결부를 갖는 것으로 도시되어 있으나 1개의 연결부를 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 각각의 연결부(42)는 전달부(52)에 의해 짐벌(160)에 연결되어 있어서 연결부(42)가 Y 축 상에서의 제 1 액추에이터(60)의 경사각을 조절할 수 있으며 이로써 Y 축 상에서의 미러(90)를 편향시킨다. 또한, 도 3에 대한 설명에서 기술하였듯이, 연결 부재(22a)와 짐벌(160) 사이 그리고/또는 연결 부재(42a)와 패드(280) 사이에 힌지가 설치될 수 있다. 그리고, 제 1 액추에이터(60)는 짐벌(160)에 의하지 않고 전달부(52)만에 의해 제 2 액추에이터(260)에 연결될 수 있다.
각각의 압전 소자(65, 265)는 상부 전극, 하부 전극 그리고 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치한 압전 물질을 포함한다. 전술하였듯이 PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3또는 LiTaO3가 압전 물질로 사용될 수 있다. 상부 전극과 하부 전극은 전극 브릿지(270)에 의해 구동 회로(도시 안됨)에 연결된다. 도 5에 도시되었 듯이, 전극 브릿지(270)는 지그재그 형태이며 미러가 기울어짐에 따라 같이 기울어져 버퍼링 스트레스의 역할을 한다.
이후 본 발명에 따른 액추에이터를 포함한 광로 조절 장치의 동작에 대해 자세히 기술한다.
도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 마이크로 압전 액추에이터의 동작을 도시하고 있다. 도 6a 및 6b에서는 설계의 원칙에 따라 액추에이터의 크기는 미러의 크기에 따라 결정되는 것으로 가정한다. 또한, 제 1 및 제 2 멤브레인의 길이(a, a')와 높이의 변위(d)는 고정된 것으로 가정한다.
예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이 왼쪽 압전 소자가 액추에이터에 인가된 구동 신호에 의해 수축될 때, 제 1 멤브레인(60a)은 높이(d) 만큼 변형되고, 동시에 탄성체(22b)와 연결 부재(22a)를 포함하는 연결부도 변형된다. 이와 달리, 오른쪽 압전 소자를 갖는 제 2 멤브레인(60b)은 잘 변형되지 않는다. 따라서, 액추에이터는 경사각 θ만큼 변형되며 이는 수학식 1로 나타낼 수 있다. 따라서 액추에이터의 연결부(22a)에 연결된 미러는 전달부에 의해 경사각 θ만큼 기울어지게 된다.
θ = tan-1(d/b)
수학식 1에 의하면 높이 변위(d)가 설계 원칙에 의해 정해지므로 액추에이터의 경사각은 연결부의 길이(b)의 변화에 따라 바뀐다. 다시 말해, 길이(b)가 짧아지면, 경사각(θ)은 증가한다.
도 6b는 액추에이터에 인가되는 구동 신호에 따라 왼쪽 압전 소자는 움직이지 않고 오른쪽 압전 소자가 수축될 때의 액추에이터의 변화를 도시하고 있다. 도 6a에 대한 설명에서 기술한 액추에이터의 경사각 계산 방법은 도 6b의 경우에도 적용될 수 있다.
도 7a 내지 7l 은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 마이크로 압전 액추에이터를 포함하는 광로 조절 장치를 제작하는 공정을 순서대로 도시한 것이다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판(2)이 반도체 기판(도시 안됨) 위에 형성된다. 여기서, 구동 기판(2)은 구동 회로가 구동 기판(2)의 표면 위에 구현된 하이브라이드 구조를 갖도록 할 수 있다. 이후 구동 기판(2)의 상부 표면 위에 예를 들어, SiO2또는 SiNX로 이루어진 보호층(4)이 증착된다. 보호층(4)은 후속 공정에서 구동 기판(2)이 손상되거나 구동 기판(2)이 에칭될 때 상부 층이 에칭되는 것을 방지한다. 도 4a에 대한 설명에서 기술하였듯이, 도 7a에 도시된 층 구조에는 이미 제작되어 있는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 사용할 수도 있다.
다음으로, 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이, 보호층(4) 위에 상당한 강성을 갖는 멤브레인 층(200)이 증착된다. 멤브레인 층(200)은 예를 들어, SiO2또는 SiNX로 이루어진다. 이후 공정에서 멤브레인 층(200)은 에칭되어 액추에이터의 멤브레인과 연결부를 갖게 된다. 그리고 나서, 멤브레인 층(200) 위에 하부 전극 층(202)을 포함하는 압전 소자 층, 압전 물질 층(204) 그리고 상부 전극 층(206)이 형성된다. 이 경우, 하부 전극 층(202)과 상부 전극 층(206)은 백금과 같은 금속을 이용하여 증착된다. 압전 물질 층(204)은 예를 들어, PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3또는 LiTaO3를 사용하여 증착된다. 위의 공정에서 백금 대신 금과 같은 금속이 사용될 수도 있다.
이어서, 도 7d 및 7e에 도시된 바와 같이, 압전 소자 층에서 원하는 부분만이 남도록 에칭 된다. 또한, 도 7f에 도시된 바와 같이, 멤브레인 층(200)이 패터닝되어 제 1 액추에이터(60)와 제 2 액추에이터(260)의 멤브레인이 멤브레인 층에 형성된다. 이 경우, 멤브레인과 연결된 탄성체(22b)와 연결부(22a)도 형성된다. 또한, 제 1 액추에이터를 제 2 액추에이터와 연결시키는 짐벌(160a)이 형성된다. 그리고, 전달부가 형성되어 제 1 액추에이터를 미러와 연결하거나 제 2 액추에이터를 짐벌과 연결한다. 도 5에 대한 설명에서 기술하였듯이, 짐벌은 선택적인 것이며, 제 1 액추에이터는 단지 전달부만에 의해 제 2 액추에이터에 연결될 수 있다. 도 7f에 도시된 바와 같이, 미러 지지 영역(200a)은 멤브레인 층(200)이 에칭될 때 형성될 수 있다.
이후, 도 7g에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 층(67)이 도 7f에 도시된 구조체 위에 도포된다. 포토레지스트 층(67)이 도포된 후 제 2 액추에이터와 연결될 전극 브릿지와 구동 회로와 연결될 패드가 연결될 위치가 마련된다. 계속해서, 금속(68)이 그 위에 증착되고, 포토레지스트를 이용하여 패터닝되어 도 7h에 도시된 전극 브릿지가 형성된다. 이후, 포토레지스트 층(67)은 도 7i에 도시된 바와 같이 예를 들어, XeF2를 이용한 에칭에 의해 제거된다. 비록 전극 브릿지가 도 7g 및 도 7i에서 제 2 액추에이터와 연결된 것으로 도시되어 있으나, 전극 브릿지는 제 1 액추에이터나 짐벌과 연결될 수도 있다.
이어서, 도 7i에 도시된 바와 같이, 미러(90)가 미러 지지 영역(200a) 위에 형성된다. 미러(90)는 미러 지지 영역(200a)의 전체 표면을 증착한 후 미러 층을 패터닝을 하여 얻을 수도 있고, 또는 미러를 형성하고자 하는 부분을 제외한 나머지 부분을 소정의 층으로 피복한 후 증착하는 방법에 의해 얻을 수도 있다.
도 7g 내지 도 7i에서 전극 브릿지(68)와 미러(90)가 연속적으로 형성된 것으로 도시되어 있으나, 전극 브릿지(68)와 미러(90)는 동시에 형성될 수도 있다.
다음으로 도 7j 도시된 바와 같이 도 7i에 도시된 구조체 위에 패시베이션층(75)이 증착된다. 이후 구동 기판(2)의 일부분이 에칭에 의해 선택적으로 제거되어 보호층(4)의 아래쪽이 도 7k에 도시된 바와 같이 개구(8)를 통하여 노출된다.
마지막으로, 도 7l에 도시된 바와 같이 패시베이션 층(75)과 보호층(4)이 에칭에 의해 제거되고 본 발명에 따른 압전 액추에이터를 포함하는 광로 조절 장치의 제작 공정이 완료된다.
전술하였듯이, 본 발명에 따른 마이크로 액추에이터는 탄성체를 갖는 연결부와 2개의 멤브레인 사이에 위치한 연결 부재를 포함하며 멤브레인과 연결부는 동일 평면상에 위치하게 된다. 이러한 방법으로, 액추에이터를 제작하는 전체 공정 중에서 연결부를 지지하는 희생층을 만드는 공정을 생략할 수 있으므로 전체 공정을 간단하게 할 수 있다.
본 발명에서, 탄성체와 연결 부재를 갖는 압전 액추에이터가 광로 조절 장치에 적용되어 내부 미러의 경사각을 조절하는데 사용되었으나, 이것은 예를 들어 광 스캐너, 광 어테뉴에이터, 광 교차 커넥터, 망원경, 마이크로 정렬기, 표시 장치, 마이크로 정렬기, 마이크로 모터등과 같은 다른 MEMS 소자에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 광로 조절 장치는 광로 조절 장치의 MxN 어레이로 구현될 수 있다. 다시 말해, MxN개의 광로 조절 장치는 각각 본 발명의 상세한 설명에 의해 제작될 수 있다. 이 경우, 광로 조절 장치의 액추에이터는 전도 물질을 통하여 구동 회로에 연결될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예에 따라 기술되었으나, 이후 기술될 청구항에서 정의되는 범위를 벗어나지 않는 정도에서의 다양한 변화와 수정이 가능하리라는 것은 당업자에게 용이하게 이해될 수 있을 것이다.

Claims (32)

  1. 제 1 멤브레인;
    제 2 멤브레인;
    상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자;
    상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 1 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 2 탄성체, 그리고 상기 제 1 탄성체와 상기 제 2 탄성체 사이에 연결된 제 1 연결 부재를 포함하는 제 1 연결부; 그리고
    상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 3 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 4 탄성체, 그리고 상기 제 3 탄성체와 상기 제 4 탄성체 사이에 연결된 제 2 연결 부재를 포함하는 제 2 연결부를 구비하는
    마이크로 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 멤브레인과 각각의 상기 탄성체가 교차하여 생긴 각도가 90도 이상이며, 각각의 상기 탄성체와 각각의 상기 연결 부재가 교차하여 생긴 각도가 90도 이상인
    마이크로 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 탄성체가 지그재그 형태를 갖는
    마이크로 액추에이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로 액추에이터가 원형 또는 다각형의 형태를 갖는
    마이크로 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 압전 소자는 하부 전극, 압전 물질 그리고 상부 전극을 포함하는
    마이크로 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 압전 물질은 PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3또는 LiTaO3로 이루어지고, 상기 하부 전극은 금, 백금 또는 백금-탄탈륨으로 이루어지며, 상기 상부 전극은 RuO2, 알루미늄, 백금, 금 또는 은으로 이루어진
    마이크로 액추에이터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 또는 하부 전극에 구동 신호를 인가하는 구동 회로를 더 구비하는
    마이크로 액추에이터.
  8. 제 1 멤브레인, 제 2 멤브레인, 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 1 연결부와 제 2 연결부를 포함하되, 상기 제 1 연결부는 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 1 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 2 탄성체, 그리고 상기 제 1 탄성체와 상기 제 2 탄성체 사이에 연결된 제 1 연결 부재를 포함하며, 상기 제 2 연결부는 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 3 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 4 탄성체, 그리고 상기 제 3 탄성체와 상기 제 4 탄성체 사이에 연결된 제 2 연결 부재를 포함하는 제 1 액추에이터;
    제 3 멤브레인, 제 4 멤브레인, 상기 제 3 멤브레인과 상기 제 4 멤브에린 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 3 연결부와 제 4 연결부를 포함하되, 상기 제 3 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 5 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 6 탄성체, 그리고 상기 제 5 탄성체와 상기 제 6 탄성체 사이에 연결된 제 3 연결 부재를 포함하며, 상기 제 4 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 7 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 8 탄성체, 그리고 상기 제 7 탄성체와 상기 제 8 탄성체 사이에 연결된 제 4 연결 부재를 포함하는 제 2 액추에이터; 그리고
    상기 제 1 액추에이터의 내부에 위치하는 미러를 구비하되,
    상기 미러와 상기 제 1 액추에이터는 제 1 전달부에 의해 연결되며, 상기 제 1 액추에이터와 상기 제 2 액추에이터는 제 2 전달부에 의해 연결된
    광로 조절 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 각각의 상기 멤브레인과 각각의 상기 탄성체가 교차하여 생긴 각도가 90도 이상이며, 각각의 상기 탄성체와 각각의 상기 연결 부재가 교차하여 생긴 각도가 90도 이상인
    광로 조절 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 각각의 상기 탄성체가 지그재그 형태를 갖는
    광로 조절 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 각각의 상기 마이크로 액추에이터가 원형 또는 다각형의 형태를 갖는
    광로 조절 장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 압전 소자는 하부 전극, 압전 물질, 그리고 상부 전극을 포함하며 상기 하부 전극과 상기 상부 전극은 전극 브릿지에 의해 구동 회로에 연결된
    광로 조절 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 압전 물질은 PZT, PbTiO3, PLZT, PbZrO3, PLT, PNZT, LiNbO3, 또는 LiTaO3로 이루어지고, 상기 하부 전극은 금, 백금 또는 백금-탄탈륨으로 이루어지며, 상기 상부 전극은 RuO2, 알루미늄, 백금, 금 또는 은으로 이루어진
    광로 조절 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 전극 브릿지는 지그재그 형태를 갖는
    광로 조절 장치.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 미러의 중심을 X-Y 좌표의 원점이라고 할 때, 상기 제 1 및 상기 제 2 연결부가 상기 X 축 상에 위치하고, 상기 제 3 및 4 연결부는 상기 Y 축 상에 위치하며, 상기 제 1 연결부와 상기 제 2 연결부 사이에 그려진 가상의 선이 상기 제 3 연결부와 상기 제 4 연결부 사이에 그려진 가상의 선과 직교하는
    광로 조절 장치.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 액추에이터와 상기 제 2 액추에이터, 그리고 상기 미러가 상기 구동 기판 위에 떠 있는
    광로 조절 장치.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 액추에이터 및 상기 제 2 액추에이터와 상기 제 2 전달부에 의해 연결된 짐벌(jimbal)을 더 포함하는
    광로 조절 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 연결 부재 또는 상기 제 2 연결 부재와 상기 짐벌 사이에 연결된 힌지(hinge)를 더 포함하는
    광로 조절 장치.
  19. 제 8 항에 있어서, 상기 미러의 경사각을 보정하는 회로를 더 포함하되, 보정은 광학적 방법, 압전 저항형(piezo-resistive) 방법 또는 압전 용량형(piezo-capacitive) 방법을 이용하여 구현되는
    광로 조절 장치.
  20. 각각의 광로 조절 장치가
    제 1 멤브레인, 제 2 멤브레인, 상기 제 1 멤브레인과 상기 제 2 멤브레인 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 1 연결부와 제 2 연결부를 포함하되, 상기 제 1 연결부는 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 1 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 2 탄성체, 그리고 상기 제 1 탄성체와 상기 제 2 탄성체 사이에 연결된 제 1 연결 부재를 포함하고, 상기 제 2 연결부는 상기 제 1 멤브레인과 연결된 제 3 탄성체, 상기 제 2 멤브레인과 연결된 제 4 탄성체, 그리고 상기 제 3 탄성체와 상기 제 4 탄성체 사이에 연결된 제 2 연결 부재를 포함하는 제 1 액추에이터;
    제 3 멤브레인, 제 4 멤브레인, 상기 제 3 멤브레인과 상기 제 4 멤브에린 중 적어도 하나의 위에 형성된 압전 소자, 그리고 제 3 연결부와 제 4 연결부를 포함하되, 상기 제 3 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 5 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 6 탄성체, 그리고 상기 제 5 탄성체와 상기 제 6 탄성체 사이에 연결된 제 3 연결 부재를 포함하며, 상기 제 4 연결부는 상기 제 3 멤브레인과 연결된 제 7 탄성체, 상기 제 4 멤브레인과 연결된 제 8 탄성체, 그리고 상기 제 7 탄성체와 상기 제 8 탄성체 사이에 연결된 제 4 연결 부재를 포함하는 제 2 액추에이터; 그리고
    상기 제 1 액추에이터의 내부에 위치하는 미러를 구비하되,
    상기 미러와 상기 제 1 액추에이터는 제 1 전달부에 의해 연결되며, 상기 제 1 액추에이터와 상기 제 2 액추에이터는 제 2 전달부를 경유하여 연결되는 미러를 구비하는 광로 조절 장치의 M x N 어레이를 포함하는, 단 M, N은 양의 정수,
    광로 조절 장치 어레이.
  21. 제 20 항에 있어서, 각각의 상기 광로 조절 장치는 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 더 포함하되, 상기 구동 회로는 전도성 물질에 의해 상기 상부 또는 하부 전극과 연결된
    광로 조절 장치 어레이.
  22. 제 20 항에 있어서, 각각의 상기 광로 조절 장치는 상기 미러의 경사각을 보정하는 회로를 더 포함하되, 보정은 광학적 방법, 압전 저항형 방법 또는 압전 용량형 방법을 이용하여 구현되는
    광로 조절 장치 어레이.
  23. 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계;
    상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층의 상부 표면에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층을 에칭하여 연결부를 지지하는 기둥을 형성하는 단계;
    상기 보호층과 상기 기둥의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계;
    하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계; 그리고
    상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 2개의 경사부와 상기 2개의 경사부 사이에 연결된 연결 부재를 구비하는 연결부와 멤브레인을 상기 기둥 위에 형성하는 단계를 포함하는
    마이크로 액추에이터를 제작하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 멤브레인 층을 패터닝한 후 상기 구동 기판의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는
    마이크로 액추에이터를 제작하는 방법.
  25. 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계;
    상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층의 상부 표면에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층을 에칭하여 연결부를 지지하는 기둥을 형성하는 단계;
    상기 보호층의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계;
    하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계;
    상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 2개의 경사부와 상기 2개의 경사부 사이에 연결된 연결 부재를 구비하는 연결부와 멤브레인을 각각 포함하는 제 1 액추에이터 및 제 2 액추에이터를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계;
    상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 상기 제 1 액추에이터와 미러를 연결하는 제 1 전달부 및 상기 제 2 액추에이터와 상기 제 1 액추에이터를 연결하는 제 2 전달부를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계;
    상기 제 1 액추에이터 내부에 위치하도록 상기 멤브레인 층 위에 미러를 형성하는 단계;
    상기 광학 조절 장치 위에 패시베이션 층을 형성하는 단계;
    상기 미러와 상기 제 1 및 제 2 액추에이터의 하방면과 대향하는 구동 기판을 제거하는 단계; 그리고
    상기 패시베이션 층과 상기 보호층을 제거하는 단계를 포함하는
    광로 조절 장치를 제작하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 멤브레인 층을 패터닝 하는 동안 상기 제 1 액추에이터의 안쪽에 미러 지지 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는
    광로 조절 장치를 제작하는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 멤브레인 층을 패터닝 하는 단계 이후에
    상기 광로 조절 장치 위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계;
    각각의 패드 또는 상기 액추에이터 중 하나가 전극 브릿지에 의해 연결되는 부분을 마련하는 단계;
    상기 액추에이터를 상기 패드에 연결하는 금속을 형성하는 단계;
    전극 브릿지를 형성하기 위하여 상기 금속을 패터닝 하는 단계; 그리고
    상기 포토레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함하는
    광로 조절 장치를 제작하는 방법.
  28. 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계;
    상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계;
    하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계; 그리고
    상기 멤브레인 층을 패터닝하여 2개의 탄성체와 상기 2개의 탄성체 사이에 연결된 연결 부재를 포함하는 연결부와 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하는
    마이크로 액추에이터를 제작하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 멤브레인 층을 패터닝한 후 상기 구동 기판의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는
    마이크로 액추에이터를 제작하는 방법.
  30. 구동 신호를 발생시키는 구동 회로를 갖는 구동 기판을 형성하는 단계;
    상기 구동 기판의 상부 표면에 보호층을 형성하는 단계;
    상기 보호층의 상부 표면에 멤브레인 층을 형성하는 단계;
    하부 전극, 압전 물질 및 상부 전극을 갖는 압전 소자를 상기 멤브레인 층의 상부 표면에 형성하는 단계;
    상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 2개의 경사부와 상기 2개의 경사부 사이에 연결된 연결 부재를 구비하는 연결부와 멤브레인을 각각 포함하는 제 1 액추에이터 및 제 2 액추에이터를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계;
    상기 멤브레인 층을 패터닝 하여 상기 제 1 액추에이터와 미러를 연결하는 제 1 전달부 및 상기 제 2 액추에이터와 상기 제 1 액추에이터를 연결하는 제 2 전달부를 상기 멤브레인 층에 형성하는 단계;
    상기 제 1 액추에이터 내부에 위치하도록 상기 멤브레인 층 위에 미러를 형성하는 단계;
    상기 광학 조절 장치 위에 패시베이션 층을 형성하는 단계;
    상기 미러와 상기 제 1 및 제 2 액추에이터의 하방면과 대향하는 구동 기판을 제거하는 단계; 그리고
    상기 패시베이션 층과 상기 보호층을 제거하는 단계를 포함하는
    광로 조절 장치를 제작하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 멤브레인 층을 패터닝 하는 동안 상기 제 1 액추에이터의 안쪽에 미러 지지 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는
    광로 조절 장치를 제작하는 방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 멤브레인 층을 패터닝하는 단계 이후에
    상기 광로 조절 장치 위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계;
    각각의 패드 또는 상기 액추에이터 중 하나가 전극 브릿지에 의해 연결되는 부분을 마련하는 단계;
    상기 액추에이터를 상기 패드에 연결하는 금속을 형성하는 단계;
    전극 브릿지를 형성하기 위하여 상기 금속을 패터닝 하는 단계; 그리고
    상기 포토레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함하는
    광로 조절 장치를 제작하는 방법.
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KR101037116B1 (ko) * 2009-09-28 2011-05-26 주식회사 레드코어 촬영부의 각도 조절이 가능한 얼굴 인식장치

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