KR20060042482A

KR20060042482A - 미소기전시스템용 전자기력 구동기

Info

Publication number: KR20060042482A
Application number: KR1020040091068A
Authority: KR
Inventors: 조일주
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-15

Abstract

본 발명은 미소기전시스템용 전자기력 구동기에 관한 것으로써, 중앙에 홈이 형성된 기판; 상기 기판 홈이 형성된 부분에 힌지에 의해 연결된 구동부; 및 상기 구동부를 구동시키기 위해 전류를 공급하는 금속 전극 라인을 포함한다.

미소가전, MEMS, 구동부, 전자기력

Description

미소기전시스템용 전자기력 구동기{MEMS Electromagnetic Actuator}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미소기전시스템용 전자기력 구동기의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기력 구동의 원리를 나타낸 개념도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미소기전시스템용 전자기력 구동기의 동작원리를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미소기전시스템용 전자기력 구동기의 다른 동작원리를 나타낸 도면이다.

{도면의 주요 부호에 대한 설명}

101 : 기판 102, 103 : 기판상 금속 전극 라인

104 : 구동부 105, 106 : 구동부상 금속 전극 라인

107 : 힌지 108 : 힌지 상부에 형성된 금속 전극 라인

109 : 금속 패드

본 발명은 미소기전시스템용 전자기력 구동기에 관한 것으로써, 특히 저 전압에서 큰 힘을 발생시킬 수 있는 전자기력 구동기에 관한 것이다.

미소기전 시스템(이하, 'MEMS'라 함)은 반도체 공정을 이용하여 구현하는 마이크로 미터 단위의 시스템이다. 이러한 미소기전 시스템의 등장으로 인해서 기존에는 불가능하던 미소 시스템과 고성능의 시스템의 개발이 최근 활발히 진행되고 있다. 특히, 기계적인 미소 구동기(actuator)를 이용하여 시스템을 구동시킴으로써 다양한 분야의 시스템을 개발하는데 MEMS기술이 널리 쓰이고 있다.

이러한 MEMS 구동기는 크게 정전기력(electrostatic) 구동기, 전자기력(electromagnetic) 구동기, 압전(piezoelectric) 구동기, 열(thermal) 구동기, 열유체(thermo-pneumatic) 구동기 등으로 나눌 수 있다. 이 가운데, 정전기력 구동기와 전자기력 구동기가 널리 쓰이고 있는데, 이들 구동기는 각각의 장단점을 가지고 있다.

정전기력 구동기는 미국특허 US6757092(발명의 명칭, 'Micro-machine Electrostatic Actuator, Method and System Employing Same, and Fabrication Methods Thereof')에 나타난 바와 같이, 두 전극 사이에 작용하는 정전기력에 의해서 구동한다. 제작이 비교적 간단하고, 전력소모가 매우 작다는 장점으로 인해서 기존의 MEMS 소자의 구동방법으로 널리 사용되었지만, 동작전압이 발생하는 힘이 작기 때문에 기계적으로 강한 구조체를 만들 수 없다는 단점이 있다. 또한, 전극간의 간격이 멀수록 발생하는 힘이 거리의 제곱에 반비례해서 줄어들기 때문에 큰 변위를 요구하는 구동에는 사용될 수 없다는 단점이 있다. 또한, Pull-in 현상으로 인해서 구동변위를 전극 사이의 거리보다 작게 사용할 수밖에 없어서, 제어 가능한 구동변위가 작아지게 된다는 단점이 있다.

이와는 달리 전자기력 구동은 미국특허 US 6781732(발명의 명칭, 'Electromagnetically Actuated Micromirror Actuator and Fabrication Method Thereof')에 나타난 바와 같이, 외부에서 영구자석을 이용해서 발생한 자장을 이용해서 도선에 전류가 흐를 때 발생하는 전자기력으로 구동을 한다. 정전기력 구동과는 달리 큰 힘을 발생시킬 수 있고, 발생되는 전자기력이 구동변위에 상관없이 일정하기 때문에 제어 가능한 구동변위가 크다는 장점이 있다. 또한, 발생하는 전자기력이 정전기력에 비해서 크기 때문에 이를 바탕으로 기계적으로 강한 구조체를 얻을 수 있다. 따라서, 전자기력을 이용할 경우에 MEMS 구조체의 큰 단점중의 하나인 기계적인 신뢰성을 높일 수 있게 된다. 뿐만 아니라 전자기력 구동방법은 구동전압이 수V정도로 매우 낮기 때문에 외부 구동회로나 다른 시스템과의 집적이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 큰 힘을 이용해서 큰 구동변위를 얻을 수 있기 때문에, 이를 필요로 하는 분야에서 널리 사용되고 있다.

하지만, 전자기력을 이용하기 위해서는 외부에서 자장을 가해주고, 자장이 발생하는 곳에서 코일에 전류를 흘릴 때 발생하는 힘을 이용하게 된다. 따라서, 항상 외부에 영구자석을 집적해야 한다는 단점이 있다. 이로 인해서 디바이스의 패키 지가 어렵게 되고 이는 소형화를 지향하는 미소기전시스템(MEMS)의 구현에 걸림돌로 작용하게 된다.

따라서, 큰 힘을 얻을 수 있으면서도 외부에 부가적인 장치가 필요없는 미소기전 시스템용 구동기가 요망되고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 외부 자장이 필요없는 전자기력 구동기를 제공하는 데 있다.

본 발명에서 상기 금속 전극 라인의 말단부에는 외부에서 전류를 인가하기 위한 전극 패드가 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 금속 전극 라인은 상기 기판과 상기 구동부에 상부에 각각 형성되며, 상기 기판과 상기 구동부 상부에 각각 형성된 각 전극 라인은 평행한 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한 다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 실시예에서, 미소기전시스템용 전자기력 구동기는 기판(101), 기판상 금속 전극 라인(102, 103), 구동부(104), 구동부상 금속 전극 라인(105, 106), 힌지(107), 및 전극 패드(109)를 포함한다.

상기 실시예는, 기판(101)에 구동부(104) 및 금속 전극 라인(102, 103, 105, 106)이 형성된 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 상기 기판(101)의 중앙에는 직사각형의 형상으로 소정의 크기의 홈이 형성된다. 상기 홈의 크기는 구동부(104)의 크기보다 커야 하며, 상기 구동부(104)가 구동하기 위한 변위만큼 형성되는 것이 바람직하다.

상기 기판(101) 중앙에 형성된 홈의 내부에는 구동부(104)가 구비된다. 상기 구동부(104)는 힌지(107)에 의해서 연결되는데, 상기 힌지(107)의 형성위치는 구동부(104)의 움직임 방향에 따라 다르다. 도 1에서는 구동부(104)를 Y 방향으로 동작시키기 위해, 상기 힌지(107)는 X 방향으로 형성되어 상기 힌지(107)와 기판(101)을 연결되어 있다. 그러나, 도면에는 도시되지 않았지만 상기 구동부(104)가 X 방 향으로 동작하기를 원한다면, 상기 힌지(107)를 Y 방향으로 형성하여 상기 구동부(104)와 기판(101)을 연결하는 것도 바람직하다.

상기 구동부(104)의 상부면에는 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)이 형성된다. 상기 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)은 구동부(104)의 동작방향에 따라 생성위치가 약간의 다를수가 있다. 도 1에서는 구동부(104)가 Y 방향으로 동작하도록 구성되기 때문에 상기 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)은 상기 구동부(104)의 모서리 중 X 방향으로 형성된 두 개의 모서리 상부면에 각각 형성된다. 도 1에는 도시되지 않았지만, 상기 구동부(104)가 Y 방향으로 동작하기를 원한다면, 상기 구동부상 금속 전극 라인은 Y 방향으로 형성된 모서리 상부면에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 기판(101) 상부면에도 상기 구동부상 금속 라인(105, 106)과 평행하게 기판상 금속 전극 라인(102, 103)이 형성된다. 상기 기판상 금속 전극 라인(102, 103)은 상기 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)이 형성된 모서리와 대향되는 상기 기판(101)상 형성된 홈의 모서리 상부에 평행하게 형성된다.

상기 힌지(107) 상부에도 금속 전극 라인(108)이 형성되고, 상기 구동부(104)의 양 모서리에 형성된 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)의 각 말단은 상기 힌지(107) 상부에 형성된 금속 전극 라인(108)과 연결된다. 힌지(107) 상부에 형성된 금속 전극 라인(108)의 가장 말단에는 외부에서 전류를 공급하기 위한 전극 패드(109)가 형성된다 상기 전극 패드(109)는 기판상 금속 전극 라인(102, 103)이 가장 말단 각각에도 형성된다.

도선에 전류가 흐를 때에는 전류가 흐르는 방향을 기준으로 시계방향으로 자기장이 형성된다. 이러한 원리는 평행한 두 도선 사이에서도 적용되는 데, 두 도선을 평행하게 배치하고 전류가 흐르는 방향을 조절하면 양 도선 사이에서는 척력과 인력이 발생한다.

도 2a는 두 도선(201,201)에 같은 방향의 전류가 흐를 때 힘의 방향을 도시한 것이다. 좌측 도선(201)에 위쪽 방향으로 전류가 흐를 때 시계방향의 자장(B1)이 발생하게 되고, 우측 도선(202)에 같은 방향의 전류가 흐를 때도 같은 방향의 자장(B2)이 발생하게 된다. 상기 두 도선에 중앙에는 좌측 도선에 의해서 하강하는 방향의 자기장과, 우측 도선에 의해서 상승하는 자기장이 형성되기 때문에 서로 상쇄되어 자기장이 약해진다. 따라서 F1과 F2는 서로 인력이 작용하게 되고, 두 도선은 서로 끌어당기게 된다.

도 2b는 두 도선(203,204)에 서로 다른 반향의 전류가 흐를 때 작용하는 힘의 방향을 도시한 것이다. 좌측도선(203)에 위쪽 방향의 전류가 흐를 때 도선 주위에는 시계방향의 자장(B3)이 발생하고, 우측도선(204)에 아래쪽 방향의 전류가 흐르게 되면 도선 주위에는 반시계 방향의 자장(B4)이 형성된다. 상기 두 도선에 중앙에는 좌측 도선에 의해서 상승하는 방향의 자기장과, 우측 도선에 의해서 역시 상승하는 자기장이 형성되기 때문에 서로 중첩되어 자기장이 강화된다. 따라서 두 도선은 서로 미는 척력이 작용한다.

상기 실시예는, 구동부가 -Y 방향으로 움직이는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)에는 좌측에서 우측으로 전류가 흐른다. 기판(101) 좌측에 형성된 힌지(107) 상부에 유입된 전류는 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)으로 분배되어 흐르고, 상기 분배된 전류는 기판 우측에 형성된 힌지 상부에 형성된 금속라인을 통하여 배출된다.

도 3의 기판 윗쪽에 형성된 기판상 금속 전극 라인(102)에는 전류가 좌측에서 유입되어 우측으로 배출되고, 기판 아래쪽에 형성된 기판상 금속 전극 라인(103)에는 전류가 우측에서 유입되어 좌측으로 배출된다.

이 경우에 상기 기판 윗쪽에 형성된 구동부상 금속 전극 라인(105)과 기판상 금속 전극 라인(102)에 흐르는 전류의 방향은 서로 같은 방향이 되어 도 2a에서 설명한 바와 같이 인력이 작용한다. 또한, 상기 기판 아래쪽에 형성된 구동부상 금속 전극 라인(106)과 기판상 금속 전극 라인(103)에 흐르는 전류의 방향은 서로 반대 방향이 되어 도 2b에서 설명한 바와 같이 서로 미는 척력이 작용하게 된다. 이러한 힘들의 결과로 구동부(104)와 기판(101)을 연결하고 있는 힌지(107)들을 중심으로 상기 구동부(104)는 위쪽으로 구동을 하게 된다. 이때 전류는 패드(109)를 통해서 외부에서 인가해준다.

상기 실시예는, 구동부가 Y 방향으로 움직이는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)에는 우측에서 좌측으로 전류가 흐른다. 기판 우측에 형성된 힌지 상부(108)에 유입된 전류는 구동부상 금속 전극 라인(105, 106)으로 분배되어 흐르고, 상기 분배된 전류는 기판 좌측에 형성된 힌지 상부에 형성된 금속 전극 라인(108)을 통하여 배출된다.

기판 윗쪽에 형성된 기판상 금속 전극 라인(102)에는 전류가 좌측에서 유입되어 우측으로 배출되고, 기판 아래쪽에 형성된 기판상 금속 전극 라인(103)에는 전류가 우측에서 유입되어 좌측으로 배출된다.

이 경우에 상기 기판 윗쪽에 형성된 구동부상 금속 전극 라인(105)과 기판상 금속 전극 라인(102)에 흐르는 전류의 방향은 반대 방향이 되어 도 2b에서 설명한 바와 같이 척력이 작용한다. 또한, 상기 기판 아래쪽에 형성된 구동부상 금속 전극 라인(106)과 기판상 금속 전극 라인(103)에 흐르는 전류의 방향은 서로 같은 방향이 되어 도 2a에서 설명한 바와 같이 서로 당기는 인력이 작용하게 된다. 이러한 힘들의 결과로 구동부(104)와 기판(101)을 연결하고 있는 힌지(108)들을 중심으로 상기 구동부(104)는 아래쪽으로 구동을 하게 된다. 이때 전류는 패드(109)를 통해 서 외부에서 인가해준다.

이러한 원리로 도선에 가해지는 전류의 방향을 바꾸어 인가해줌으로써 구동부(104)를 위, 아래로 움직이는 구동기로 동작을 할 수 있게 된다. 앞에서 설명한 구동부(104)를 Y 방향으로 추가하면 상기 설명한 구동부(104)는 상하구동뿐만 아니라, 좌우구동도 가능한 스테이지가 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 외부 자장을 이용하지 않고 내부에서 발생시킨 자장만으로도 전자기력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 미소기전 시스템의 구동에 널리 쓰이고 있는 전자기력을 보다 간편하게 생성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 외부 자석을 제거함으로써 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 패키지를 간편하게 할 수 있다.

또한, 큰 힘을 저 전압으로 발생시킬 수 있기 때문에 기존의 미소기전시스템의 구동기에 널리 쓰일 수 있으며, 본 발명에서 제안한 힘을 사용할 경우에 큰 힘을 바탕으로 기계적으로 강한 구조체를 가지면서도 큰 변위의 구동이 가능하며 시 스템의 소형화를 가져올 것으로 기대된다.

Claims

중앙에 홈이 형성된 기판; 상기 기판 홈이 형성된 부분에 힌지에 의해 연결된 구동부; 및 상기 구동부를 구동시키기 위해 전류를 공급하는 금속 전극 라인을 포함하는 미소기전시스템용 전자기력 구동기.
제 1항에 있어서, 상기 금속 전극 라인의 말단부에는 외부에서 전류를 인가하기 위한 전극 패드가 형성되는 것을 특징으로 하는 미소기전시스템용 전자기력 구동기.
제 1항에 있어서, 상기 금속 전극 라인은 상기 기판과 상기 구동부에 상부에 각각 형성되며, 상기 기판과 상기 구동부 상부에 각각 형성된 각 전극 라인은 평행한 것을 특징으로 하는 미소기전시스템용 전자기력 구동기.