KR20050011490A - 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템은, 상기 대상물을 지지하기 위한 플랫폼과; 상기 플랫폼과 대상물을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 엑츄에이터와; 상기 플랫폼의 둘레에 배치되며, 상기 플랫폼을 지지하기 위한 프레임과; 상기 프레임과 상기 플랫폼을 Z축과 수직한 방향(X축 또는 Y축 방향)으로 연결하며, Z축과 수직한 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축과 수직한 X축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터를 포함한다.

Description

나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템{ACUATORS SYSTEM FOR NANOSCALE MOVEMENTS}
본 발명은 나노스케일 장치(nanoscale applications)에 관한 것으로서, 특히 삼차원 정밀 나노스케일 이동(three dimensional precise nanoscale movements)을 위한 엑츄에이터 시스템(actuators system)에 관한 것이며, 이러한 엑츄에이터 시스템은 대상물을 삼차원적으로 정밀 이동시키기 위해 제공된다.
나노스케일 데이터 저장 장치(nanoscale data storage device)와 같은 많은 나노스케일 장치들에 있어서, 한 평면을 다른 평면 근처로 삼차원적으로 이동시키는 것이 필요하다. 이러한 이동은 나노스케일의 정밀도로 이루어져야 하며, 이러한 평면들은 서로 평행해야 한다. 대체로, 표면에 평행한 방향으로의 이동 공간은 그 수직한 방향으로의 이동 공간에 비하여 훨씬 큰 것이 통상적이다. 이러한 나노스케일 이동에 있어서 고려할 점은 마찰(friction)과 부착(stiction)이 없어야 한다는 것이며, 오직 고체 물질의 탄성 변형(즉, 휘어짐 또는 신축)만이 허용된다는 것이다. 현재, 전자기 엑츄에이터(electromagnetic actuators)를 이용하여 나노 스케일의 정밀도로 이동시키는 방법이 알려져 있다.
그러나, 종래에 따른 전자기 엑츄에이터는 자기장 발생, 열 발생 및 느린 속도로 인해 낮은 대역폭을 초래한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 대상물의 나노스케일 이동을 제공하면서 종래에 비하여 이동 속도가 향상된 엑츄에이터 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 압전 소자를 이용하면서 그 이동 범위를 증폭시킬 수 있는 엑츄에이터 시스템을 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템은, 상기 대상물을 지지하기 위한 플랫폼과; 상기 플랫폼과 대상물을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 엑츄에이터와; 상기 플랫폼의 둘레에 배치되며,상기 플랫폼을 지지하기 위한 프레임과; 상기 프레임과 상기 플랫폼을 Z축과 수직한 방향(X축 또는 Y축 방향)으로 연결하며, Z축과 수직한 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축과 수직한 X축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터를 포함한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 시스템을 나타내는 정단면도,
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 삼중 바이몰프를 이용한 엑츄에이터를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도,
도 7은 도 6에 도시된 시스템을 나타내는 정단면도,
도 8은 도 6에 도시된 시스템을 나타내는 측단면도,
도 9는 도 6에 도시된 시스템의 적용예를 나타내는 도면,
도 10은 고 9에 도시된 캔틸레버 셀을 확대한 도면,
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 도 6에 도시된 엑츄에이터 시스템의 변형예와 그 적용예를 나타내는 도면,
도 12는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 대상물의 삼차원 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성과 그 적용예를 나타내는 평면도,
도 13은 도 12에 도시된 구성의 측면도,
도 14는 도 13에 도시된 구성의 일부를 확대한 도면,
도 15는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도,
도 16은 도 15에 도시된 시스템을 나타내는 측단면도,
도 17은 도 16에 도시된 시스템을 나타내는 저면도,
도 18은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 시스템을 나타내는 정단면도이다. 상기 시스템(100)은 플랫폼(platform, 110)과, 프레임(frame, 120)과, X축, Y축 및 Z축 엑츄에이터(130,140,150)를 포함한다.
상기 플랫폼(110)은 평판 형태를 가지며, 상기 대상물(160)을 지지한다. 상기 대상물(160)은 기판과 상기 기판 상에 적층된 폴리머층을 포함하는 나노스케일 데이터 저장 매체일 수 있다.
상기 프레임(120)은 상기 플랫폼(110)의 둘레에 배치되며, 제1 및 제2 서브 프레임(subframe, 122,124)를 포함한다.
상기 제1 서브 프레임(122)은 상기 플랫폼(110)의 둘레에 배치되며, 중앙에 사각형의 개구(opening)를 갖는다.
상기 X축 엑츄에이터(130)는 상기 플랫폼(110)과 상기 제1 서브 프레임(122)을 Y축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 제1 바이몰프들(bimorphs, 135)을 포함한다. 상기 각 제1 바이몰프(135)는 인가된 전류에 따라 X축 방향으로 휘어짐으로써 그 일단과 연결된 상기 플랫폼(110)을 X축 방향으로 이동시킨다. 상기 X축 엑츄에이터(130)는 그 일단이 상기 제1 서브 프레임(122)에 고정되고, 그 타단이 상기 플랫폼(110)에 고정되어 있다. 또한, 상기 제1 서브 프레임(122)은 상기 Y축 엑츄에이터(140)에 의해 상기 제2 서브 프레임(124)에 연결되어 있어서, 상기 제1 서브 프레임(122)은 상기 플랫폼(110)에 대하여 상대적으로 고정되어 있다.
상기 제2 서브 프레임(124)은 상기 제1 서브 프레임(122)의 둘레에 배치되며, 중앙에 사각형의 개구를 갖는다.
상기 Y축 엑츄에이터(140)는 상기 제1 서브 프레임(122)과 상기 제2 서브 프레임(124)을 X축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 제2 바이몰프들(145)을 포함한다. 상기 각 제2 바이몰프(145)는 인가된 전류에 따라 Y축 방향으로 휘어짐으로써 그 일단과 연결된 상기 서브 프레임(122)을 Y축 방향으로 이동시킨다. 상기 Y축 엑츄에이터(140)는 그 일단이 상기 제1 서브 프레임(122)에 고정되고, 그 타단이 상기 제2 서브 프레임(124)에 고정되어 있다.
상기 Z축 엑츄에이터(150)는 상기 대상물(160)과 상기 플랫폼(110)을 Z축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 다층 압전 소자들(piezoelectric elements, 155)을 포함한다. 상기 각 다층 압전 소자(155)는 인가된 전류에 따라 Z축 방향으로 신장됨으로써 그 일단과 연결된 상기대상물(160)을 Z축 방향으로 이동시킨다. 상기 Z축 엑츄에이터(150)는 그 일단이 상기 플랫폼(110)에 고정되고, 그 타단이 상기 대상물(160)에 고정되어 있다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 보면, X축 엑츄에이터(130)는 인가된 전류에 따라 X축 방향으로 휘어지고, 이에 따라 플랫폼(110)을 X축 방향으로 이동시킴을 알 수 있다. 도 4를 보면, Y축 엑츄에이터(140)는 인가된 전류에 따라 Y축 방향으로 휘어지고, 이에 따라 제1 서브 프레임(122) 및 플랫폼(110)을 Y축 방향으로 이동시킴을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 삼중 바이몰프(3-fold bimorphs)를 이용한 엑츄에이터를 설명하기 위한 도면이다. 상기 엑츄에이터(200)는 고정벽(240)에 대하여 대상물(250)을 평행하게 이동시키며, 복수의 삼중 바이몰프들(210)과, 제1 및 제2 지지 부재(220,230)를 포함한다. 상기 고정벽(240)에 대하여 상기 대상물(250)과 상기 제1 및 제2 지지 부재(220,230)는 이동 가능하다. 상기 각 삼중 바이몰프(210)는 제1 내지 제3 바이몰프(212,214,216)로 구성된다. 상기 제1 바이몰프(212)는 상기 고정벽(240) 및 제1 지지 부재(220)를 연결하고, 상기 제2 바이몰프(214)는 상기 제1 지지 부재(220) 및 제2 지지 부재(230)를 연결하고, 상기 제3 바이몰프(216)는 상기 제2 지지 부재(230) 및 대상물(250)을 연결한다. 예를 들어, 상기 제1 바이 몰프(212)의 일단은 상기 고정벽(240)에 고정되어 있으며, 그 타단은 상기 제1 지지 부재(220)에 고정되어 있다. 이러한 구성에 따라서, 상기 삼중 바이몰프들(210)은 인가된 전류에 따라 상기 각 바이몰프(212,214,216)가 휘어짐에 따른 단위 변형 거리(D1)의 3배에 해당하는 거리(D2)만큼 상기 대상물(250)을 이동시키게 된다. 이러한 제1 내지 제3 바이몰프들(212,214,216)의 변형은 동시에 이루어지지만 이해의 편이를 위하여 상기 제1 내지 제3 바이몰프들(212,214,216)이 차례로 동작하는 것으로 가정하여 설명하자면 하기하는 바와 같다. 그 일단이 상기 고정벽에 고정되고 그 타단이 상기 제1 지지 부재(220)에 고정된 제1 바이몰프(212)가 인가된 전류에 따라 휘어지면, 상기 고정벽(240)에 대하여 이동 가능한 상기 제1 및 제2 지지 부재(220,230)와 대상물(250)은 1 단위 변형 거리(D1)만큼 평행하게 이동한다. 다음으로, 그 일단이 상기 제1 지지 부재(220)에 고정되고 그 타단이 상기 제2 지지 부재(230)에 고정된 제2 바이몰프(214)가 인가된 전류에 따라 휘어지면, 상기 제1 지지 부재(220)에 대하여 이동 가능한 상기 제2 지지 부재(230)와 대상물(250)은 다시 1 단위 변형 거리(D1)만큼 평행하게 이동한다. 그 다음으로, 그 일단이 상기 제2 지지 부재(230)에 고정되고 그 타단이 상기 대상물(250)에 고정된 제3 바이몰프(216)가 인가된 전류에 따라 휘어지면, 상기 제2 지지 부재(230)에 대하여 이동 가능한 상기 대상물(250)은 또 다시 1 단위 변형 거리(D1)만큼 평행하게 이동한다. 결과적으로, 상기 대상물(250)은 3 단위 변형 거리(D2)만큼 이동하게 된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 시스템을 나타내는 정단면도이며, 도 8은 도 6에 도시된 시스템을 나타내는 측단면도이다. 상기 시스템(300)은 플랫폼(310)과, 프레임(320)과, X축, Y축 및 Z축 엑츄에이터(330,370,410)를 포함한다.
상기 플랫폼(310)은 평판 형태를 가지며, 상기 대상물(420)을 지지한다. 상기 대상물(420)로서는 기판과 상기 기판상에 적층된 폴리머층을 포함하는 나노스케일 데이터 저장 매체일 수 있다.
상기 프레임(320)은 상기 플랫폼(310)의 둘레에 배치되며, 제1 및 제2 서브 프레임들(322,324)을 포함한다.
상기 제1 서브 프레임(322)은 상기 플랫폼(310)의 둘레에 배치되며, 중앙에 사각형의 개구를 갖는다.
상기 X축 엑츄에이터(330)는 상기 플랫폼(310)과 상기 제1 지지 부재(322)를 Y축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 제1 삼중 바이몰프들(340)과 제1 및 제2 지지 부재(350,360)를 포함한다. 상기 제1 서브 프레임(322)에 대하여 상기 플랫폼(310)과 상기 제1 및 제2 지지 부재(350,360)는 이동 가능하다. 상기 각 제1 삼중 바이몰프(340)는 제1 내지 제3 바이몰프(342,344,346)로 구성된다. 상기 제1 바이몰프(342)는 그 일단이 상기 제1 서브 프레임(322)에 고정되고 그 타단이 상기 제1 지지 부재(350)에 고정됨으로써, 상기 제1 서브 프레임(322) 및 제1 지지 부재(350)를 연결한다. 상기 제2 바이몰프(344)는 그 일단이 상기 제1 지지 부재(350)에 고정되고 그 타단이 상기 제2 지지 부재(360)에 고정됨으로써, 상기 제1 지지 부재(350) 및 제2 지지 부재(360)를 연결한다. 상기 제3 바이몰프(346)는 그 일단이 상기 제2 지지 부재(360)에 고정되고 그 타단이 상기 플랫폼(310)에 고정됨으로써, 상기 제2 지지 부재(360) 및 플랫폼(310)을 연결한다. 예를 들어, 상기 제1 바이몰프(212)의 일단은 상기 제1 서브 프레임(322)에 고정되어 있으며, 그 타단은 상기 제1 지지부재(350)에 고정되어 있다. 이러한 구성에 따라서, 상기 삼중 바이몰프들(340)은 인가된 전류에 따라 상기 각 바이몰프(342,344,346)의 변형에 따른 단위 거리의 3배에 해당하는 거리만큼 상기 플랫폼(310)을 이동시키게 된다. 즉, 상기 X축 엑츄에이터(330)는 인가된 전류에 따라 X축 방향으로 변형되고, 이에 따라 상기 플랫폼(310)을 X축 방향으로 이동시킨다.
상기 제2 서브 프레임(324)은 상기 제1 서브 프레임(322)의 둘레에 배치되며, 중앙에 사각형의 개구를 갖는다.
상기 Y축 엑츄에이터(370)는 상기 제1 서브 프레임(322)과 상기 제2 서브 프레임(324)을 X축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 제2 삼중 바이몰프들(380)과 제3 및 제4 지지 부재(390,400)를 포함한다. 상기 제2 서브 프레임(324)에 대하여 상기 제3 및 제4 지지 부재(390,400)는 이동 가능하다. 상기 각 제2 삼중 바이몰프(380)는 제4 내지 제6 바이몰프(382,384,386)로 구성된다. 상기 제4 바이몰프(382)는 상기 제2 서브 프레임(324) 및 제3 지지 부재(390)를 연결하고, 상기 제5 바이몰프(384)는 상기 제3 지지 부재(390) 및 제4 지지 부재(400)를 연결하고, 상기 제6 바이몰프(386)는 상기 제4 지지 부재(400) 및 제1 서브 프레임(322)을 연결한다. 상기 Y축 엑츄에이터(370)는 인가된 전류에 따라 Y축 방향으로 변형되고, 이에 따라 상기 제1 서브 프레임(322)과 상기 플랫폼(310)을 Y축 방향으로 이동시킨다.
상기 Z축 엑츄에이터(410)는 상기 대상물(420)과 상기 플랫폼(310)을 Z축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 다층 압전소자들(415)을 포함한다. 상기 각 다층 압전 소자(415)는 인가된 전류에 따라 Z축 방향으로 신축된다. 이에 따라, 상기 대상물(420)은 Z축 방향으로 이동하게 된다.
도 9는 도 6에 도시된 시스템의 적용예를 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 캔틸레버 셀(cantilever cell)을 확대한 도면이다. 도 9에는, 상기 시스템(300)에 의해 지지되며, 기판(422)과 상기 기판(422) 상에 적층된 폴리머층(424)을 포함하는 저장 매체(420')와, 상기 저장 매체(420')에 데이터를 기록하기 위한 캔틸레버 칩(cantilever chip, 500)과, 상기 저장 매체(420')와 캔틸레버 칩(500)의 평행도를 유지하기 위한 제1 및 제2 캐패시터 센서들(capacitive sensors, 430,440)이 도시되어 있다.
상기 캔틸레버 칩(500)은 기판(510) 상에 매트릭스(matrix) 구조로 배열된 복수의 캔틸레버 셀들(520)을 포함하며, 상기 각 캔틸레버 셀(520)은 1 비트의 디지털 데이터를 상기 저장 매체(420)에 기록하거나 독취할 수 있다. 상기 각 캔틸레버 셀(520)은 캔틸레버(522)와, 상기 캔틸레버(522)의 단부에 형성된 히터 플랫폼(heater platform, 524)과, 상기 히터 플랫폼(524)에 형성된 팁(tip, 526)과, 상기 캔틸레버(522)의 밑에 형성된 빈 공간(528)을 포함한다. 상기 각 캔틸레버(522)에 형성된 팁(526)은 디지털 데이터 기록/독취시에 상기 저장 매체(420)와 접촉하게 된다.
상기 제1 캐패시터 센서들(430)은 상기 사각형의 저장 매체(420')의 네 모서리들에 부착되며, 상기 제2 캐패시터 센서들(440)은 상기 제1 캐패시터 센서들(430)과 대응되는 상기 캔틸레버 칩(500) 상의 위치들에 부착된다. 상기 제1캐패시터 센서들(430)은 상기 저장 매체(420')가 상기 캔틸레버 칩(520)과 평행하지 않을 경우에 이를 보정하기 위한 피드백 신호를 출력한다. 즉, 상기 각 제1 캐패시터 센서(430)와 이에 대응되는 제2 캐패시터 센서(440)의 정전용량(capacitance)은 그 간격에 반비례하는데, 상기 네 제1 캐패시터 센서들(430)에 의해 감지되는 정전용량들로부터 상기 저장 매체(420)와 상기 캔틸레버 칩(500)의 평행도를 감지한다. 예를 들어, 상기 저장 매체(420)와 상기 캔틸레버 칩(500)이 평행한 경우에, 상기 네 제1 캐패시터 센서들(430)에 의해 감지되는 정전용량들은 동일한 값을 갖는다.
상기 저장 매체(420)는 1 기가바이트의 저장 용량을 가지며, 이에 대해 도시된 전체 구성의 부피는 10㎜×10㎜×3㎜를 초과하지 않는다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 도 6에 도시된 엑츄에이터 시스템의 변형예와 그 적용예를 나타내는 도면이다. 도 11에 도시된 구성은 도 6에 도시된 구성과 유사하므로 동일 소자에 대해서는 동일 참조 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도 11에는 상기 엑츄에이터 시스템(300')에 의해 지지되는 복수의 저장 매체들(420")과, 상기 저장 매체들(420")에 데이터를 기록하기 위한 캔틸레버 칩(500')과, 상기 저장 매체들(420)과 캔틸레버 칩(500')의 평행도를 유지하기 위한 제1 및 제2 캐패시터 센서들(430',440')이 도시되어 있다. 상기 시스템(300')은 도 6에 도시된 구성 외에 보조 플랫폼(315)과, 복수의 보조 엑츄에이터들(417)을 포함한다.
상기 보조 플랫폼(315)은 하단 개방된 박스 형태를 가지며 상기 복수의 저장매체들(420")을 지지한다. 상기 보조 플랫폼(315)은 Z축 엑츄에이터(415)에 의해 메인 플랫폼(310)(도 6의 플랫폼(310)에 해당)에 연결된다.
상기 Z축 엑츄에이터(410)는 상기 메인 플랫폼(310)과 상기 보조 플랫폼(315)을 Z축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 제1 다층 압전 소자들(415)을 포함한다. 상기 각 제1 다층 압전 소자(415)는 인가된 전류에 따라 Z축 방향으로 늘어난다. 이에 따라, 상기 보조 플랫폼(315)은 Z축 방향으로 이동하게 된다.
상기 각 보조 엑츄에이터(417)는 해당 저장 매체(420")와 상기 메인 플랫폼(315)을 Z축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 제2 다층 압전 소자들(419)을 포함한다. 상기 각 제2 다층 압전 소자(419)는 인가된 전류에 따라 Z축 방향으로 늘어난다. 이에 따라, 해당 저장 매체(420)은 Z축 방향으로 이동하게 된다.
상기 캔틸레버 칩(500')은 기판(510') 상에 매트릭스(matrix) 구조로 배열된 복수의 캔틸레버 셀들(520')을 포함하며, 상기 각 캔틸레버 셀(520')은 1 비트의 디지털 데이터를 해당 저장 매체(420")에 기록하거나 독취할 수 있다.
상기 제1 캐패시터 센서들(430')은 상기 보조 플랫폼(315)의 네 모서리들에 부착되며, 상기 제2 캐패시터 센서들(440')은 상기 제1 캐패시터 센서들(430')과 대응되는 상기 캔틸레버 칩(500') 상의 위치들에 부착된다. 상기 제1 캐패시터 센서들(430')은 상기 보조 플랫폼(315)이 상기 캔틸레버 칩(500')과 평행하지 않을 경우에 이를 보정하기 위한 피드백 신호를 출력한다.
도 12는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 대상물의 삼차원 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성과 그 적용예를 나타내는 평면도이고, 도 13은 도 12에 도시된 구성의 측면도이며, 도 14는 도 13에 도시된 구성의 일부를 확대한 도면이다. 상기 시스템(600)에 의해 지지되는 저장 매체(650)와, 상기 저장 매체(650)에 데이터를 기록하기 위한 캔틸레버 칩(660)과, 상기 저장 매체(650)와 캔틸레버 칩(660)의 평행도를 유지하기 위한 제1 및 제2 캐패시터 센서들(690,695)이 도시되어 있다. 상기 시스템(600)은 플랫폼(610)과, 프레임(620)과, X축, Y축 및 Z축 엑츄에이터(630,635,640)를 포함한다.
상기 플랫폼(610)은 사각 블록 형태를 가지며 상기 저장 매체(650)를 지지한다.
상기 캔틸레버 칩(660)은 기판(670) 상에 매트릭스(matrix) 구조로 배열된 복수의 캔틸레버 셀(cell, 680)들을 포함하며, 각 캔틸레버 셀(680)은 1 비트의 디지털 데이터를 상기 저장 매체(650)에 기록하거나 독취할 수 있다.
상기 프레임(620)은 상기 플랫폼(610)의 둘레에 배치되며, 평판 형상의 기저부와, 상기 기저부로부터 상향 연장된 'ㄱ'자 형상의 측벽(도 12 참조)을 가짐으로써, 그 기저부 상면에 상기 캔틸레버 칩(660)이 안착되고, 그 측벽에 상기 X축 및 Y축 엑츄에이터들(630,635)의 일단들이 고정된다.
상기 X축 엑츄에이터(630)는 상기 플랫폼(610)과 상기 프레임(620)의 측벽을 X축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 제1 다층 압전 소자(635)를 포함한다. 상기 제1 다층 압전 소자(635)는 인가된 전류에 따라 X축 방향으로 신축된다. 이에 따라, 상기 플랫폼(610)은 X축 방향으로 이동하게 된다.
상기 Y축 엑츄에이터(635)는 상기 플랫폼(610)과 상기 프레임(620)의 측벽을 Y축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 제2 다층 압전 소자(637)를 포함한다. 상기 제2 다층 압전 소자(637)는 인가된 전류에 따라 Y축 방향으로 신축된다. 이에 따라, 상기 플랫폼(610)은 Y축 방향으로 이동하게 된다.
상기 Z축 엑츄에이터(640)는 상기 플랫폼(610)과 상기 저장 매체(650)를 Z축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 제3 다층 압전 소자(645)를 포함한다. 상기 제3 다층 압전 소자(645)는 인가된 전류에 따라 Z축 방향으로 신축된다. 이에 따라, 상기 저장 매체(650)는 Z축 방향으로 이동하게 된다.
상기 제1 캐패시터 센서들(690)은 상기 저장 매체(650)의 가장자리에 부착되며, 상기 제2 캐패시터 센서들(695)은 상기 제1 캐패시터 센서들(690)과 대응되는 상기 캔틸레버 칩(660) 상의 위치들에 부착된다. 상기 제1 캐패시터 센서들(690)은 상기 상기 저장 매체(650)가 상기 캔틸레버 칩(660)과 평행하지 않을 경우에 이를 보정하기 위한 피드백 신호를 출력한다.
도 15는 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 16은 도 15에 도시된 시스템을 나타내는 측단면도이며, 도 17은 도 15에 도시된 시스템을 나타내는 저면도이다. 상기 시스템(700)은 플랫폼(710)과, 프레임(720)과, X축, Y축 및 Z축 엑츄에이터(730,740,750)와, 제1 내지 제3 캐패시터 센서들(772,774,776)을 포함한다. 이 때, 상기 플랫폼(710)과 상기 프레임(720)은 일체형으로 연결되어 있다.
상기 플랫폼(710)은 평판 형태를 가지며, 복수의 대상물들(760)을 지지한다. 상기 각 대상물(760)은 기판과 상기 기판상에 적층된 폴리머층을 포함하는 나노스케일 데이터 저장 매체일 수 있다.
상기 프레임(720)은 상기 플랫폼(710)의 둘레에 배치되며, 제1 및 제2 서브 프레임들(722,724)을 포함한다.
상기 제1 서브 프레임(722)은 상기 플랫폼(710)의 둘레에 배치되며, 상기 플랫폼(710)이 Y축 방향으로 탄성을 갖도록 X축 방향으로 상기 플랫폼(710)과 일부 이어져 일체를 이룬다.
상기 제2 서브 프레임(724)은 상기 제1 서브 프레임(722)의 둘레에 배치되며, 상기 제1 서브 프레임(722)이 X축 방향으로 탄성을 갖도록 Y축 방향으로 상기 플랫폼(710)과 일부 이어져 일체를 이룬다.
상기 X축 엑츄에이터(730)는 상기 제1 서브 프레임(722)과 상기 제2 서브 프레임(724)를 X축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 제1 다층 압전 소자들(732,736)을 포함한다. 상기 제1 다층 압전 소자들(732,736)은 제1 빔들(734)에 의해 연결된다. 상기 각 제1 다층 압전 소자(732,736)는 인가된 전류에 따라 X축 방향으로 신축된다. 이에 따라, 상기 제1 서브 프레임(722)은 X축 방향으로 이동되고, 상기 복수의 대상물들(760)은 X축 방향으로 이동된다.
상기 Y축 엑츄에이터(740)는 상기 플랫폼(710)과 상기 제1 서브 프레임(722)을 Y축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 제2 다층 압전 소자들(742,746)을 포함한다. 상기 제2 다층 압전 소자들(742,746)은 제2 빔들(744)에 의해 연결된다. 상기 각 제2 다층 압전 소자(742)는 인가된 전류에 따라 Y축 방향으로 늘어난다. 이에 따라, 상기 플랫폼(710)은 Y축 방향으로 이동되고, 상기 복수의 대상물들(760)은 X축 방향으로 이동된다.
상기 Z축 엑츄에이터(750)는 상기 각 대상물(760)과 상기 플랫폼(710)을 Z축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 복수의 다층 압전 소자들(755)을 포함한다. 상기 각 다층 압전 소자(755)는 인가된 전류에 따라 Z축 방향으로 늘어난다. 이에 따라, 해당 대상물(760)은 Z축 방향으로 이동하게 된다.
상기 한 쌍의 제1 캐패시터 센서들(772)은 상기 X축 엑츄에이터(730)의 양측에 설치되며, 구체적으로 상기 제1 및 제2 서브 프레임(722,724)에 긴 장방형의 홈들을 형성하고, 상기 홈들에 삽입되는 형태로 설치된다. 이 때, 상기 제1 캐패시터 센서들(772)의 일단은 상기 제2 서브 프레임(724)에 고정되며, 그 타단은 고정되지 않는다. 이에 따라서, 상기 제1 서브 프레임(722)이 X축 방향으로 변형되면, 상기 제1 캐패시터 센서들(772) 사이의 유전율이 변화하게 된다. 즉, 상기 제1 캐패시터 센서들(772) 사이의 공간을 차지하는 제1 서브 프레임(722)의 부피가 변화됨으로써 유전율이 변화하게 된다. 즉, 상기 제1 캐패시터 센서들(772)의 정전용량(capacitance)은 그 유전율에 비례하는데, 상기 제1 캐패시터 센서들(772)에 의해 감지되는 정전용량으로부터 제1 서브 프레임(722)의 이동 정도를 감지한다.
상기 한 쌍의 제2 캐패시터 센서들(774)은 상기 Y축 엑츄에이터(740)의 양측에 설치되며, 구체적으로 상기 제1 서브 프레임(722)과 상기 플랫폼(710)에 긴 장방형의 홈들을 형성하고, 상기 홈들에 삽입되는 형태로 설치된다. 이 때, 상기 제2 캐패시터 센서들(774)의 일단은 상기 제1 서브 프레임(722)에 고정되며, 그 타단은 고정되지 않는다. 이에 따라서, 상기 플랫폼(710)이 Y축 방향으로 변형되면, 상기 제2 캐패시터 센서들(774) 사이의 유전율이 변화하게 된다. 즉, 상기 제2 캐패시터 센서들(774) 사이의 공간을 차지하는 플랫폼(710)의 부피가 변화됨으로써 유전율이 변화하게 된다. 즉, 상기 제2 캐패시터 센서들(774)의 정전용량(capacitance)은 그 유전율에 비례하는데, 상기 제2 캐패시터 센서들(774)에 의해 감지되는 정전용량으로부터 플랫폼(710)의 이동 정도를 감지한다.
상기 제3 캐패시터 센서들(776)은 상기 각 사각형 대상물(760)의 네 모서리들에 부착되며, 도시되지는 않았으나 제4 캐패시터 센서들(미도시)은 상기 대상물(760)과 정렬되는 고정물(미도시) 상에 상기 제3 캐패시터 센서들(776)과 일대일 대응되도록 부착된다. 상기 제3 캐패시터 센서들(776)은 상기 각 대상물(760)이 상기 고정물과 평행하지 않을 경우에 이를 보정하기 위한 피드백 신호를 출력한다.
도 18은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템의 구성을 나타내는 평면도이다. 도 18에 도시된 구성은 도15에 도시된 구성과 유사하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 상기 시스템(800)은 플랫폼(810)과, 프레임(820)과, X축 및 Y축 엑츄에이터(830,840)와, 제1 및 제2 캐패시터 센서들(872,874)을 포함한다. 이 때, 상기 플랫폼(810)과 상기 프레임(820)은 일체형으로 연결되어 있다.
상기 플랫폼(810)은 평판 형태를 가지며, 대상물(미도시)을 지지한다. 상기 각 대상물은 기판과 상기 기판상에 적층된 폴리머층을 포함하는 나노스케일 데이터 저장 매체일 수 있다.
상기 프레임(820)은 상기 플랫폼(810)의 둘레에 배치되며, 상기 플랫폼(810)이 X축 및 Y축 방향으로 탄성을 갖도록 양 대각선들 방향으로 상기 플랫폼(810)과 일부 이어져 일체를 이룬다. 상기 프레임과 플랫폼을 연결하는 네 연결부들(826)은 각각 구불구불한 미로 형상을 갖는다.
상기 X축 엑츄에이터(830)는 상기 플랫폼(810)과 상기 프레임(820)을 X축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 제1 다층 압전 소자들(832,836)을 포함한다. 상기 제1 다층 압전 소자들(832,836)은 제1 빔들(834)에 의해 연결된다. 상기 각 제1 다층 압전 소자(832,836)는 인가된 전류에 따라 X축 방향으로 신축된다. 이에 따라서, 상기 플랫폼(810)은 X축 방향으로 이동된다.
상기 Y축 엑츄에이터(840)는 상기 플랫폼(810)의 가장자리와 상기 프레임(820)을 Y축 방향으로 연결하며, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 제2 다층 압전 소자들(842,846)을 포함한다. 상기 제2 다층 압전 소자들(842,846)은 제2 빔들(844)에 의해 연결된다. 상기 각 제2 다층 압전소자(842,846)는 인가된 전류에 따라 Y축 방향으로 늘어난다. 이에 따라, 상기 플랫폼(810)은 Y축 방향으로 이동된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 다양한 종류의 압전 소자를 이용한 엑츄에이터와 이와 직,간접적으로 연결되는 프레임의 구조들을 제시함으로써 종래에 비하여 대상물의 이동 속도가 향상된 엑츄에이터 시스템을 제공할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따라 삼중 바이몰프를 이용한 엑츄에이터를 제시함으로써 단일 압전 소자의 한정된 이동 범위를 크게 확장할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (9)

  1. 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템에 있어서,
    상기 대상물을 지지하기 위한 플랫폼과;
    상기 플랫폼과 대상물을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 엑츄에이터와;
    상기 플랫폼의 둘레에 배치되며, 상기 플랫폼을 지지하기 위한 프레임과;
    상기 프레임과 상기 플랫폼을 Z축과 수직한 방향(X축 또는 Y축 방향)으로 연결하며, Z축과 수직한 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축과 수직한 X축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터를 포함함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임과 상기 플랫폼을 Z축과 수직한 방향(X축 또는 Y축 방향)으로 연결하며, Z축과 수직한 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축과 수직한 Y축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터를 더 포함함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  3. 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템에 있어서,
    상기 대상물을 지지하기 위한 메인 플랫폼과;
    상기 메인 플랫폼과 대상물을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 엑츄에이터와;
    상기 메인 플랫폼의 둘레에 배치되며, 상기 메인 플랫폼을 지지하기 위한 제1 서브 프레임과;
    상기 제1 서브 프레임과 상기 메인 플랫폼을 Z축과 수직한 Y축 방향으로 연결하며, Y축 및 Z축과 수직한 X축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 X축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터와;
    상기 제1 서브 프레임의 둘레에 배치되며, 상기 제1 서브 프레임을 지지하기 위한 제2 서브 프레임과;
    상기 제1 서브 프레임과 상기 제2 서브 프레임을 X축 방향으로 연결하며, Y축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Y축 방향으로 이동시키는 Y축 엑츄에이터를 포함함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 X축 엑츄에이터는 복수의 삼중 바이몰프와, 상기 제1 서브 프레임에 대하여 이동 가능하게 배치되는 제1 및 제2 지지 부재를 포함하고,
    상기 각 삼중 바이몰프는 제1 내지 제3 바이몰프를 포함하며, 상기 제1 바이몰프는 상기 제1 서브 프레임과 상기 제1 지지 부재를 연결하고, 상기 제2 바이몰프는 상기 제1 지지 부재와 상기 제2 지지 부재를 연결하며, 상기 제3 바이몰프는 상기 제2 지지 부재와 상기 메인 플랫폼을 연결함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 Y축 엑츄에이터는 복수의 삼중 바이몰프와, 상기 제1 서브 프레임에 대하여 이동 가능하게 배치되는 제1 및 제2 지지 부재를 포함하고,
    상기 각 삼중 바이몰프는 제1 내지 제3 바이몰프를 포함하며, 상기 제1 바이몰프는 상기 제2 서브 프레임과 상기 제1 지지 부재를 연결하고, 상기 제2 바이몰프는 상기 제1 지지 부재와 상기 제2 지지 부재를 연결하며, 상기 제3 바이몰프는 상기 제2 지지 부재와 상기 제1 서브 프레임을 연결함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 시스템은 보조 플랫폼과, 보조 엑츄에이터를 더 포함하며,
    상기 보조 플랫폼은 하단 개방된 박스 형태를 가지며, 상기 Z축 엑츄에이터에 의해 상기 플랫폼과 연결되며,
    상기 보조 엑츄에이터는 상기 대상물과 상기 보조 플랫폼을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시킴을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  7. 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템에 있어서,
    상기 대상물을 지지하기 위한 플랫폼과;
    상기 플랫폼과 대상물을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 엑츄에이터와;
    상기 플랫폼의 둘레에 배치되며, 상기 플랫폼을 지지하기 위한 프레임과;
    상기 프레임과 상기 플랫폼을 Z축과 수직한 X축 방향으로 연결하며, X축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 X축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터와;
    상기 프레임과 상기 플랫폼을 X축 및 Z축과 수직한 Y축 방향으로 연결하며, Y축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Y축 방향으로 이동시키는 Y축 엑츄에이터를 포함함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  8. 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템에 있어서,
    상기 대상물을 지지하기 위한 플랫폼과;
    상기 플랫폼과 대상물을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 신축됨으로써상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 엑츄에이터와;
    상기 플랫폼의 둘레에 배치되며, 상기 플랫폼이 Z축과 수직한 Y축 방향으로 탄성을 갖도록 X축 및 Y축과 수직한 X축 방향으로 상기 플랫폼과 일부 이어져 일체를 이루는 제1 서브 프레임과;
    상기 제1 서브 프레임의 둘레에 배치되며, 상기 제1 서브 프레임이 X축 방향으로 탄성을 갖도록 Y축 방향으로 상기 제1 서브 프레임과 일부 이어져 일체를 이루는 제2 서브 프레임과;
    상기 제1 서브 프레임과 상기 제2 서브 프레임을 X축 방향으로 연결하며, X축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 X축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터와;
    상기 제1 서브 프레임과 상기 플랫폼을 Y축 방향으로 연결하며, Y축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Y축 방향으로 이동시키는 Y축 엑츄에이터를 포함함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
  9. 대상물의 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템에 있어서,
    상기 대상물을 지지하기 위한 플랫폼과;
    상기 플랫폼과 대상물을 Z축 방향으로 연결하며, Z축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Z축 방향으로 이동시키는 제1 엑츄에이터와;
    상기 플랫폼의 둘레에 배치되며, 상기 플랫폼이 Z축과 수직하며 서로 수직한X축 및 Y축 방향으로 탄성을 갖도록 양 대각선들 방향으로 상기 플랫폼과 일부 이어져 일체를 이루는 프레임과;
    상기 프레임과 상기 플랫폼을 X축 방향으로 연결하며, X축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 X축 방향으로 이동시키는 X축 엑츄에이터와;
    상기 프레임과 상기 플랫폼을 Y축 방향으로 연결하며, Y축 방향으로 변형됨으로써 상기 대상물을 Y축 방향으로 이동시키는 Y축 엑츄에이터를 포함함을 특징으로 하는 나노스케일 이동을 위한 엑츄에이터 시스템.
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