KR20070024141A - 마이크로 미러 디바이스 및 이를 이용한 마이크로 미러디바이스 어레이 - Google Patents

마이크로 미러 디바이스 및 이를 이용한 마이크로 미러디바이스 어레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 미러 디바이스 및 이를 이용한 마이크로 미러 디바이스 어레이에 관한 것으로서, 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 상호 이격되며 일정한 위치에 형성된 연결부에 의해서만 연결되는 외부 프레임을 형성하여 미러 판의 동적 변형 현상을 억제하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상기 미러 판의 구동시 동적 변형 현상을 감소시킬 수 있어 미러 판을 통해 반사되는 반사광의 열화를 방지할 수 있으며, 미러 판의 편평도를 유지할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 상기 외부 프레임 외곽에 짐벌 구조가 형성된 2축의 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스에 의하면, 빠른 주사 속도를 안정적으로 구현할 수 있으며 넓은 스캔 범위를 구현할 수 있어 고 해상도의 디스플레이에 효과적으로 적용할 수 있다.
마이크로 미러, 탄성 굴신 구조물, 동적 변형

Description

마이크로 미러 디바이스 및 이를 이용한 마이크로 미러 디바이스 어레이{ Micro-mirror device and Micro-mirror device array of using the same }
도 1은 종래의 폴리곤 미러를 사용한 광 주사 장치의 개략도.
도 2는 종래의 마이크로 미러를 사용한 광 주사 장치의 개략도.
도 3은 마이크로 미러의 동적 변형 현상을 나타낸 도면.
도 4a는 원형 마이크로 미러를 나타낸 도면.
도 4b는 원형 마이크로 미러의 동적 변형 현상을 시뮬레이션한 상태를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 마이크로 미러 디바이스의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 의한 마이크로 미러의 동적 변형 현상을 시뮬레이션한 상태를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 마이크로 미러 디바이스의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 도 5에 있어서, 연결부의 형태를 달리한 실시예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 마이크로 미러 디바이스에 있어서, 미러 판의 프레임 형상의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 마이크로 미러 디바이스에 있어서, 미러 판의 프레임 형상의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 마이크로 미러 디바이스에 있어서, 미러 판의 프레임 형상의 또 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 12는 전자기력 구동 방식의 마이크로 미러 디바이스의 실시예를 나타낸 도면.
도 13은 전자기력 구동 방식의 2축 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스의 x축 방향으로 구동되는 모습을 나타낸 도면.
도 14는 전자기력 구동 방식의 2축 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스의 y축 방향으로 구동되는 모습을 나타낸 도면.
도 15는 정전력 구동 방식의 마이크로 미러 디바이스의 실시예를 나타낸 도면.
도 16은 도 13에 도시된 마이크로 미러 디바이스의 동작되는 상태를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
51 : 미러 판 52 : 외부 프레임
53 : 제2 연결부 54 : 제1 연결부
55 : 탄성 굴신 구조물 56 : 짐벌
57 : 내부 탄성 굴신 구조물 58 : 외부 탄성 굴신 구조물
59 : 프레임 60 : 박막
70 : 도선 71 : 빗살 모양 전극
본 발명은 광 스캐닝(scanning) 소자에 관한 것으로서, 특히 마이크로 미러 디바이스 및 이를 이용한 마이크로 미러 디바이스 어레이에 관한 것이다.
최근 광 소자 기술의 발전과 더불어 각종 정보의 입출력단 및 정보 전달의 매개체로 광을 사용하는 다양한 기술들이 대두되고 있는데, 바코드 스캐너(barcode scanner)나 스캐닝 레이저 디스플레이(scanning laser display) 등 광원에서 나오는 빔을 주사하여 사용하는 방법도 이와 같은 기술 중 하나이다.
이러한 광 스캐닝 기술은 적용 사례에 따라 다양한 주사 속도(scanning speed)와 주사 범위(scanning range)를 요구하게 되는데, 기존의 광 스캐닝은 갈바닉 미러(galvanic mirror)나 회전형 폴리곤 미러(rotating polygon mirror) 등의 미러의 반사면과 입사광이 이루는 입사 각도를 조절하여 주사 속도와 주사 범위를 구현하는 방법이 주류를 이루고 있다.
상기 갈바닉 미러의 경우 수 내지 수십 헤르쯔(㎐) 정도의 주사 속도를 요구하는 응용에 적합하며, 폴리곤 미러의 경우 수 킬로 헤르쯔(㎑) 정도의 주사 속도를 구현하는 것이 가능하다.
제반 기술의 발달과 더불어 최근에는 광 스캐닝 기술을 새로운 디바이스에 적용하거나, 이러한 기술을 채용하고 있는 기존의 적용 사례에서 성능을 더욱 향상시키려는 노력이 계속되고 있는데, 레이저 스캐닝(laser scanning)을 사용한 고해상도의 투사 방식 디스플레이 시스템(projection display system)이나 HMD(Head Mounted Display), 레이저 프린터 등이 그 예이다.
이러한 높은 공간 분해능(high spatial resolution)이 요구되는 광 스캐닝을 필요로 하는 시스템에서는 통상적으로 빠른 주사 속도와 큰 각 변위(angular displacement)를 구현할 수 있는 스캐닝 미러(scanning mirror)가 요구된다.
도 1은 종래의 폴리곤 미러를 사용한 광 주사 장치의 개략도이다. 이에 도시된 바와 같이, 광원(10)에서 출사된 광은 각종 렌즈 등의 광학계(11)를 통과하여 폴리곤 미러(12)에 의해 반사된다. 즉, 폴리곤 미러(12)의 하부에 형성된 구동 모터(13)를 사용하여 상기 폴리곤 미러(12)를 회전시킴으로써 입사되는 광을 폴리곤 미러(12)의 회전 방향에 따른 방향(14)으로 주사시킬 수 있다.
그러나, 종래의 폴리곤 미러(12)는 고속으로 회전하는 구동 모터(13)에 폴리곤 미러(120가 장착되어 있는 형태를 취하기 때문에, 주사 속도는 상기 폴리곤 미러(12)의 회전 각속도에 비례하게 되며 이는 상기 구동 모터(13)의 회전 속도에 의존하게 되는데, 통상의 모터 회전 속도의 한계로 인하여 상기 폴리곤 미러(12)의 주사 속도를 증가시키는데는 한계가 있어 고해상도의 디스플레이에 적용하는데 어려움이 있다.
그리고, 전체 시스템의 부피와 전력 소모를 감소시키기 어려우며, 구동 모터(13)의 기계적 마찰 소음을 해결하기 어렵고, 복잡한 구조로 인해 원가 절감을 기대하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 마이크로 미러가 제안되었으며, 도 2는 종래의 마이크로 미러를 사용한 광 주사 장치의 개략도이다. 이에 도시된 바와 같이, 광원(20)에서 출사된 광은 각종 렌즈 등의 광학계(21)를 통과하여 마이크로 미러(22)에 의해 반사된다.
즉, 상기 마이크로 미러(22)의 양측에 형성된 토션 빔(torsion beam)(23)을 축으로 하여 상기 마이크로 미러(22)를 회전시킴으로써, 상기 마이크로 미러(22)에 입사되는 광을 상기 마이크로 미러의 회전 방향(24)으로 반사시킬 수 있게 된다.
상기 마이크로 미러(micro mirror)(22)를 사용한 광 주사 장치의 경우, 양방향의 주사가 가능하고, 수십 킬로 헤르쯔(㎑)에 이르는 빠른 주사 속도를 구현할 수 있어 고 해상도의 디스플레이에의 적용에 적합하다.
그러나 상기 마이크로 미러(22)가 상기 주사 속도로 구동할 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 미러(22)가 펄럭이는 이른바 동적 변형(dynamic deflection)현상이 발생하여 반사면을 왜곡시키고 이로 인해 반사광이 열화되는 문제점이 있다.
상기 마이크로 미러(22)는 응용에 따라 다양한 형태로의 제작 및 적용이 가능한데, 일반적으로 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 마름모 등의 형태를 사용한다. 그리고, 상기 마이크로 미러(22)의 형태에 따라 상기 동적 변형 현상의 양상도 달라지게 된다.
도 4a는 원형 마이크로 미러를 나타낸 도면이며, 도 4b는 원형 마이크로 미러의 동적 변형 현상을 시뮬레이션한 상태를 나타낸 그래프이다. 즉, 원형 마이크로 미러(27)가 토션 빔(28)을 축으로 양방향 회전 운동을 하는 경우, 도 4b에서와 같은 동적 변형 현상이 나타나게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 빠른 주사 속도를 구현하고 동적 변형 현상을 억제할 수 있는 마이크로 미러 디바이스 및 이를 이용한 마이크로 미러 디바이스 어레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 마이크로 미러 디바이스의 일 실시예는, 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판과, 상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임과, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부와, 상기 외부 프레임을 지지부와 연결하여 상기 미러 판과 외부 프레임을 하부로부터 부상시키며, 상호 대칭적으로 형성된 탄성 굴신 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로 미러 디바이스의 다른 실시예는, 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판과, 상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임과, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부와, 상기 외부 프레임의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 외부 프레임과 상호 이격되어 형성된 짐벌(gimbal)과, 상기 짐벌을 상기 외부 프레임과 연결하며, 상호 대칭적으로 형성된 내부 탄성 굴신 구조물과, 상기 짐벌을 지지부와 연결하여 상기 미러 판, 외부 프레임 및 짐벌을 하 부로부터 부상시키며, 상기 내부 탄성 굴신 구조물과 수직선상에 상호 대칭적으로 형성된 외부 탄성 굴신 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로 미러 디바이스 어레이의 일 실시예는, 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판과, 상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임과, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부와, 상기 외부 프레임을 지지부와 연결하여 상기 미러 판과 외부 프레임을 하부로부터 부상시키며, 상호 대칭적으로 형성된 탄성 굴신 구조물을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이스가 기판상에 M개의 행과 N개의 열로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로 미러 디바이스 어레이의 다른 실시예는, 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판과, 상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임과, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부와, 상기 외부 프레임의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 외부 프레임과 상호 이격되어 형성된 짐벌(gimbal)과, 상기 짐벌을 상기 외부 프레임과 연결하며, 상호 대칭적으로 형성된 내부 탄성 굴신 구조물과, 상기 짐벌을 지지부와 연결하여 상기 미러 판, 외부 프레임 및 짐벌을 하부로부터 부상시키며, 상기 내부 탄성 굴신 구조물과 수직선상에 상호 대칭적으로 형성된 외부 탄성 굴신 구조물을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이 스가 기판상에 M개의 행과 N개의 열로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 5 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 마이크로미러 디바이스에 대해 상세히 설명한다. 도면에 있어서, 동일한 참조 번호는 동일 기능을 수행하는 구성요소를 나타낸 것이다. 도 5는 본 발명의 마이크로미러 디바이스의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 미러 판(51) 외곽에 상기 미러 판(51)의 동적 변형 현상을 분리시키기 위한 외부 프레임(52)이 상기 미러 판(51)과 동일한 무게 중심을 가지고 형성되어 있으며, 상기 미러 판(51)과 외부 프레임(52)은 탄성 굴신 구조물(55)을 축으로 동시에 회전하여 입력되는 광을 일정한 방향으로 반사시키게 된다.
여기서, 상기 외부 프레임(52)은 상기 미러 판(51)과 상호 이격되어 있으며, 다만 상기 외부 프레임(52)은 상기 탄성 굴신 구조물(55)과 동일한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제1 연결부(54)와 상기 탄성 굴신 구조물(55)과 수직한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제2 연결부(53)에 의해서만 상기 미러 판(51)과 연결되어 있다.
상기 제2 연결부(53)는 마이크로 미러의 동적 변형 현상을 최소화하기 위하여 상기 수직한 선상을 중심으로 대칭적으로 형성된 2개의 연결부(53-1)(53-2)를 가진다.
이와 같이 제2 연결부(53)를 상기 수직한 선상을 중심으로 대칭적으로 형성된 2개의 연결부(53-1)(53-2)로 형성함으로써, 상기 수직한 선상의 상기 미러 판(51)과 상기 외부 프레임(52)간에는 일정한 공간이 생기게 되며, 이로 인해 상기 미러 판(51)의 동적 변형 현상이 상기 외부 프레임(52)으로 흡수되게 된다.
만약, 상기 제2 연결부(53) 없이 상기 탄성 굴신 구조물(55)과 수직한 선상에 상기 미러 판(51)과 상기 외부 프레임(52)이 직접적으로 연결하게 되면, 상기 외부 프레임(52)이 동적 변형 현상을 흡수하지 못하고 오히려 상기 미러 판(51)과 같이 펄럭이게 되는 현상이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 제1 연결부(54)는 상기 탄성 굴신 구조물(55)과 동일한 선상에 형성하지 않을 수도 있다. 그러나, 이 경우에도 제2 연결부(53)는 상기 제1 연결부와 수직한 선상에 형성하여야 한다.
상기 탄성 굴신 구조물(55)은 상기 외부 프레임(52)을 지지부(75)와 연결하여 상기 미러 판(51)과 상기 외부 프레임(52)을 하부로부터 부상시켜 주며, 마이크로 미러의 구동시 회전축의 역할을 하고 복원력 토오크(torque)를 제공해준다. 여기서, 상기 지지부(75)는 일부분만을 개략적으로 나타내었다.
이와 같이, 미러 판(51) 외곽에 상기 외부 프레임(52)을 형성하는 경우 탄성 굴신 구조물(55)을 축으로 회전할 때, 미러 판(51)의 동적 변형이 상기 외부 프레임(52)에 흡수되며, 상기 미러 판(51)은 편평도를 유지하게 된다.
도 6은 본 발명에 의한 마이크로 미러의 동적 변형 현상을 시뮬레이션한 상태를 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 도 4b의 경우와 비교하여 보면 마이크로 미러의 동적 변형 현상이 상당히 감소하였다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 마이크로 미러 디바이스의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 미러 판(51) 외곽에 상기 미러 판(51)과 동일한 무게 중심을 가지고 상기 미러 판(51)과 상호 이격되어 외부 프레임(52)이 형성되어 있으며, 상기 외부 프레임(52) 외곽에는 상기 미러 판(51)과 동일한 무게 중심을 가지고 상기 외부 프레임(52)과 상호 이격되어 짐벌(gimbal)(56)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 외부 프레임(52)은 내부 탄성 굴신 구조물(57)과 동일한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제1 연결부(54)와 상기 내부 탄성 굴신 구조물(57)과 수직한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제2 연결부(53)에 의해서만 상기 미러 판(51)과 연결되어 있다.
상기 짐벌(56)은 상기 내부 탄성 굴신 구조물(57)에 의해 상기 외부 프레임(52)과 연결되어 있으며, 상기 내부 탄성 굴신 구조물(57)과 수직한 선상에 상호 대칭적으로 형성되는 외부 탄성 굴신 구조물(58)에 의해 지지부(75)와 연결된다.
상기 외부 탄성 굴신 구조물(58)은 상기 짐벌(56)을 지지부(75)와 연결하여 상기 미러 판(51), 외부 프레임(52) 및 짐벌(56)을 하부로부터 부상시킨다. 여기서, 상기 지지부(75)는 일부분만 개략적으로 나타내었다.
상기 내부 탄성 굴신 구조물(57)과 외부 탄성 굴신 구조물(58)은 마이크로 미러의 구동시 복원력 토오크(torque)를 제공하며, 회전축으로서 작용한다.
즉, 상기 외부 프레임(52)은 내부 탄성 굴신 구조물(57)을 축(이를 x축이라 한다)으로 하여 회전하며, 상기 짐벌(56)은 외부 탄성 굴신 구조물(58)을 축(이를 y축이라 한다)으로 하여 회전한다.
이와 같은 구조의 마이크로 미러 디바이스의 경우, 2축 자유도의 회전운동이 가능하다. 즉, 상기 내부 탄성 굴신 구조물(57)을 축으로 한 x축과 상기 외부 탄성 굴신 구조물(58)을 축으로 한 y축 방향으로의 회전운동이 가능하며, 각 축 방향의 운동은 짐벌(56) 구조에 의해 서로 영향을 주지 않게 되어 독립적인 제어가 가능하므로 2차원 평면 내에서 임의의 각도를 갖는 마이크로 미러를 구현할 수 있게 된다.
도 5와 도 7에서 상기 미러 판(51)은 사각형, 원형, 마름모 또는 다이아몬드형 등 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 상기 미러 판(51)의 형태에 따라 상기 외부 프레임(52)과 짐벌(56)도 다양한 형태로 제작될 수 있다.
그러나, 상기 미러 판(51)은 동적 변형 현상을 최소화하기 위해 원형 또는 타원형의 형태로 제작되는 것이 바람직하며, 상기 외부 프레임(52) 및 짐벌(56)은 링(ring) 형상을 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 외부 프레임(52)을 상기 미러 판(51)과 연결시켜 주는 제1 및 제2 연결부(54)(53)의 경우, 상기 제1 및 제2 연결부(54)(53)의 위치나 형상, 개수 등을 달리하여 제조할 수 있으며, 이와 같이 제1 및 제2 연결부(54)(53)의 위치나 형상 등을 달리하면 마이크로 미러의 동적 변형 현상의 양상이 상이하게 된다.
다만, 상기 외부 프레임(52)이 상기 미러 판(51)과 하나의 연결부를 통해서만 연결되는 경우에는 동적 변형 현상을 상기 외부 프레임(52)이 흡수하지 못하게 되며, 상기 제1 및 제2 연결부(54)(53)의 면적이 너무 넓을 경우에는 동적 변형이 현저히 증가하게 되므로 이를 고려하여 제작하여야 한다.
또한, 마이크로 미러를 지지부(75)와 연결하는 상기 탄성 굴신 구조물(55) 또는 외부 탄성 굴신 구조물(58)은 마이크로 미러의 구동 방향 또는 구동 방법에 따라 토션 빔(torsion beam) 이외에 외팔보(cantilever), V 자형 빔(V-shaped beam), 미앤더(meander) 형태 등 다양하게 형성할 수 있으며 이러한 모양의 조합으로도 형성할 수 있다.
도 8은 도 5에 있어서, 연결부의 형태를 달리한 실시예를 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 외부 프레임(52)은 탄성 굴신 구조물(55)과 동일한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제1 연결부(54)와 상기 탄성 굴신 구조물(55)과 수직한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제2 연결부(61)에 의해서만 상기 미러 판(51)과 연결되어 있다.
이때, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 연결부(61)를 하나의 연결부만 가지는 것으로 하면 제작이 간단해지며, 이러한 구조는 2축의 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스에도 적용할 수 있다.
마이크로 미러 디바이스의 미러 판의 경우 입력되는 광을 반사시키는 반사면을 가지는 박막(diaphragm)과 상기 박막을 지지하고 미러 판의 동적 변형을 억제하기 위한 프레임(frame)으로 이루어져 있다.
여기서, 상기 반사면은 금속 또는 유전체로 이루어지거나, 금속과 유전체의 적층으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 프레임은 상기 박막과 동일한 형상을 가질 수 있으며, 다른 형상 예를 들면, 다이아몬드나 불가사리 모양의 형상 의 단일 구조물로 이루어지거나 일정 형상이 어레이(array) 된 형태의 구조로 이루어질 수 있다.
도 9는 본 발명의 마이크로 미러 디바이스에 있어서, 미러 판의 프레임 형상의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 프레임(59)은 일부가 V자형의 모양으로 대칭적으로 제거되어 어레이(array) 된 톱니 모양의 형상을 이루고 있다.
이와 같이, 미러 판을 원형의 박막(60)에 원형의 프레임으로 구성하는 것이 아니라 원형의 박막(60)에 어레이 된 톱니 모양의 프레임(59)으로 구성하는 경우, 프레임 부분의 질량과 관성(inertia)을 줄일 수 있어 마이크로 미러 디바이스의 동적 변형 현상을 감소시킬 수 있다.
즉, 마이크로 미러 디바이스의 동적 변형 현상에 의한 전체 변형량은 회전축으로부터 미러 판의 끝단까지의 길이(즉, 미러 판의 형상)와 미러 판의 두께 등에 의해 결정되는데, 상기 미러 판의 경우 박막의 두께보다는 상기 프레임의 두께가 큰 값을 가지기 때문에 마이크로 미러의 구동시 동적 변형의 크기는 상기 프레임에 의해서 결정되게 된다.
따라서, 상기 프레임(59)의 일부분을 제거하여 어레이 된 톱니 모양으로 구성하게 되면 프레임 부분의 질량과 관성(inertia)을 줄일 수 있어 마이크로 미러 디바이스의 동적 변형 현상을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 프레임의 구조를 일정 형상의 단일 구조물로 형성하는 것보다 도 9에서와 같이 어레이 된 톱니 모양으로 제작하는 경우, 동일한 동적 변형 현상의 감소 효과를 얻으면서 미러 판 박막의 전체적인 강성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
마이크로 미러의 구동시 동적 변형 현상은 미러 판의 외곽으로 갈수록 현저히 나타나게 되므로, 미러 판의 중심으로부터 미러 판의 외곽으로 갈수록 질량이 작아지게 하는 경우 동적 변형 현상은 감소하게 된다.
따라서, 미러 판의 질량의 대부분을 결정하는 프레임을 미러 판의 중심으로부터 미러 판의 외곽으로 갈수록 질량이 작아지게 하는 모든 형태의 구조를 적용하여 동적 변형 현상을 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이 어레이 된 톱니 모양의 형상에 미러 판의 중심에서 미러 판의 외곽으로 갈수록 두께가 얇아지는 프레임 구조(59)를 사용하는 경우, 상기 프레임의 질량과 관성을 현저히 감소시킬 수 있으며 그로 인해 동적 변형 현상을 상당히 억제할 수 있다.
그리고, 도 11에 도시된 바와 같이 어레이 된 톱니 모양의 프레임(59)에 복수개의 홈을 형성할 경우 상기 프레임의 질량과 관성을 추가적으로 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 상기 홈의 형상은 다양한 형태로 형성할 수 있으나, 본 발명에서는 벌집 형태의 육각형 모양으로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 다양한 형상을 가지는 프레임 구조물에 홈을 더하거나 프레임의 위치에 따라 두께를 달리하면 마이크로 미러의 동적 변형 현상을 감소시킬 수 있다.
마이크로 미러 디바이스는 스캐닝 기능을 구현하기 위해서 구동력 또는 구동 토오크를 가할 수 있는 구동부를 추가적으로 필요로 하게 되는데, 마이크로 미러의 구동 방식으로는 정전력(Electrostatic), 전자기력(Electromagnetic), 열 구동(Thermal), 압전력(Piezoelectric) 등이 있다.
도 12는 전자기력 구동 방식의 마이크로 미러 디바이스의 실시예를 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 전자기력 구동을 위해 탄성 굴신 구조물(55)과 외부 프레임(52)의 상반구 상에 연속적으로 제1 도선(70-1)을 형성하고, 탄성 굴신 구조물(55)과 상기 외부 프레임(52)의 하반구 상에 연속적으로 제2 도선(70-2)을 형성하였다.
여기서, 상기 제1 도선(70-1) 및 제2 도선(70-2)은 지지부(75) 상에 형성된 전극(73)과 전기적으로 연결되어 있다.
이때, 상기 제1 도선(70-1) 및 제2 도선(70-2)에 도 12에서와 같이 전류를 흘려주면, 플레밍의 왼손법칙에 의해 상기 외부 프레임(52)의 상반구는 -z 방향으로 힘을 받게 되고, 상기 외부 프레임(52)의 하반구는 +z 방향으로 힘을 받게 되어 미러 판(51)이 상기 탄성 굴신 구조물(55)을 축으로 회전하게 된다.
여기서, 상기 제1 도선(70-1) 및 제2 도선(70-2)은 하나의 도선으로 구현할 수도 있는데 즉, 상기 상호 대칭적으로 형성된 탄성 굴신 구조물(55) 중 일측의 탄성 굴신 구조물 상에 형성되어, 상기 외부 프레임(52) 상에서 분기되었다가 타측의 탄성 굴신 구조물 상에서 다시 합해지는 것으로 형성할 수도 있다.
도 13은 전자기력 구동 방식의 2축 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스의 x축 방향으로 구동되는 모습을 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 지지부(75)의 일정 영역에 제1 x축 방향 구동용 전극(32-1)(32-2)이 형성되어 있고, 상 기 제1 x축 방향 구동용 전극(32-1)(32-2)과 전기적으로 연결되는 제1 도선(40)이 외부 탄성 굴신 구조물(58), 짐벌(56), 내부 탄성 굴신 구조물(57), 미러 판(51), 외부 프레임(52) 상에 연속적으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 지지부(75)의 또 다른 영역에는 제2 x축 방향 구동용 전극(33-1)(33-2)이 형성되어 있으며, 상기 제2 x축 방향 구동용 전극(33-1)(33-2)과 전기적으로 연결되는 제2 도선(41)이 상기 제1 도선(40)과 대칭적으로 상기 외부 탄성 굴신 구조물(58), 짐벌(56), 내부 탄성 굴신 구조물(57), 미러 판(51), 외부 프레임(52) 상에 연속적으로 형성되어 있다.
여기서, 상기 제1 x축 방향 구동용 전극(32-1)(32-2)과 상기 제2 x축 방향 구동용 전극(33-1)(33-2)에 전압을 인가하여 상기 제1 도선(40) 및 제2 도선(41)에 전류를 흘려주면, 상기 미러 판(51)은 x축을 중심으로 회전하게 된다.
도 14는 전자기력 구동 방식의 2축 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스의 y축 방향으로 구동되는 모습을 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 제1 y축 방향 구동용 전극(31-1)(31-2)이 지지부(75) 상에 x축을 중심으로 상호 대칭적으로 형성되어 있으며, 상기 제1 y축 방향 구동용 전극(31-1)(31-2)과 전기적으로 연결되는 제1 도선(42)이 외부 탄성 굴신 구조물(58)과 짐벌(56) 상에 연속적으로 형성되어 있다.
그리고, 제2 y축 방향 구동용 전극(34-1)(34-2)이 상기 지지부(75) 상에 y축을 중심으로 상기 제1 y축 방향 구동용 전극(31-1)(31-2)과 대칭적으로 형성되어 있으며, 상기 제2 y축 방향 구동용 전극(34-1)(34-2)과 전기적으로 연결되는 제2 도선(43)이 상기 제1 도선(42)과 대칭적으로 상기 외부 탄성 굴신 구조물(58)과 짐벌(56) 상에 연속적으로 형성되어 있다.
여기서, 상기 제1 y축 방향 구동용 전극(31-1)(31-2)과 제2 y축 방향 구동용 전극(34-1)(34-2)에 전압을 인가하여 상기 제1 도선(42) 및 제2 도선(43)에 전류를 흘려주면 상기 짐벌(56)이 y축을 중심으로 회전하게 된다.
도 13 및 도14 에서 보는 바와 같이, 2축의 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스는 상기 내부 탄성 굴신 구조물(57)을 축으로 한 x축과 상기 외부 탄성 굴신 구조물(58)을 축으로 한 y축 방향으로의 회전운동이 각각 가능하며, 각 축 방향의 운동은 짐벌(56) 구조에 의해 서로 영향을 주지 않게 되어 독립적인 제어가 가능하므로 2차원 평면 내에서 임의의 각도를 갖는 마이크로 미러를 구현할 수 있게 된다.
도 15는 정전력 구동 방식의 마이크로 미러 디바이스의 실시예를 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 정전력 구동을 위해 탄성 굴신 구조물(55)과 수식선상에 있는 상기 외부 프레임(52) 부분에 상호 대칭적으로 제1 빗살 모양 전극(71)이 형성되어 있다.
이 경우, 상기 제1 빗살 모양 전극(71) 하부에 상기 외부 프레임(52)이 부상되어 있는 거리 간격을 두고, 상기 제1 빗살 모양 전극(71)과 맞물리도록 형성된 제2 빗살 모양 전극(미도시)이 형성된다.
여기서, 상기 제1 빗살 모양 전극 및 제2 빗살 모양 전극에 전압을 인가하는 경우, 양 전극 간에 정전력이 발생하여 서로 끌어당기는 힘이 발생하며, 그로 인해 마이크로 미러가 구동하게 된다.
즉, 도 16에 도시된 바와 같이, 제1 빗살 모양 전극(71-1)과 제2 빗살 모양 전극(71-2)은 상호 이격되어 있으며, 상기 제2 빗살 모양 전극(71-2)은 상기 제1 빗살 모양 전극(71-1)과 맞물리도록 형성되어 있다.
여기서, 상기 제1 빗살 모양 전극(71-1)에 (+)전압을 인가하고, 상기 제2 빗살 모양 전극(71-2)에 (-)전압을 인가하면, 상기 양 전극(71-1)(71-2) 간에 서로 끌어당기는 힘이 발생하여 마이크로 미러가 구동하게 된다.
이와 같이, 전자기력이나 정전력을 이용한 구동 방식 외에도 마이크로 미러의 일측에 압전체(piezoelectric material) 박막을 형성하여 구동하거나, 구조물의 열 변형을 이용해 구동할 수도 있다. 그리고, 이러한 방식은 2축의 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스에도 적용할 수 있다.
본 발명의 마이크로 미러 디바이스는 상기 마이크로 미러 디바이스를 M개의 행과 N개의 열로 구성된 어레이로 배열하여 M×N 마이크로 미러 어레이를 구현할 수 있다.
즉, 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판과, 상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임과, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부와, 상기 외부 프레임을 지지부와 연결하여 상기 미러 판과 외부 프레임을 하부로부터 부상시키며, 상호 대칭적으로 형성된 탄성 굴신 구조물을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이스를 기판상에 M개의 행과 N개의 열로 구성하여 M×N 마이크로 미러 어레이를 구현할 수 있다.
또한, 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판과, 상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임과, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부와, 상기 외부 프레임의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 외부 프레임과 상호 이격되어 형성된 짐벌과, 상기 짐벌을 상기 외부 프레임과 연결하며, 상호 대칭적으로 형성된 내부 탄성 굴신 구조물과, 상기 짐벌을 지지부와 연결하여 상기 미러 판, 외부 프레임 및 짐벌을 하부로부터 부상시키며, 상기 내부 탄성 굴신 구조물과 수직선상에 상호 대칭적으로 형성된 외부 탄성 굴신 구조물을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이스를 기판상에 M개의 행과 N개의 열로 구성하여 M×N 마이크로 미러 어레이를 구현할 수 있다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 상호 이격되며 일정한 위치에 형성된 연결부에 의해서만 연결되는 외부 프레임을 형성함으로써, 상기 미러 판의 구동시 동적 변형 현상을 감소시킬 수 있어 상기 미러 판을 통해 반사되는 반사광의 열화를 방지할 수 있으며, 미러 판의 편평도를 유지할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 상기 외부 프레임 외곽에 짐벌 구조가 형성된 2축의 회전축을 가지는 마이크로 미러 디바이스에 의하면, 빠른 주사 속도를 안정적으로 구현할 수 있으며 넓은 스캔 범위를 구현할 수 있어 고 해상도의 디스플레이에 효과적으로 적용할 수 있다.
또한, 미러 판의 박막을 지지하는 프레임의 구조를 미러 판의 중심축으로부터 멀어짐에 따라 두께를 얇아지게 함으로써, 미러 판의 동적 변형 현상을 현저히 줄일 수 있으며, 소자의 경량화를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판;
    상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임;
    상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부; 및
    상기 외부 프레임을 지지부와 연결하여 상기 미러 판과 외부 프레임을 하부로부터 부상시키며, 상호 대칭적으로 형성된 탄성 굴신 구조물;을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이스.
  2. 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판;
    상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임;
    상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부;
    상기 외부 프레임의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 외부 프레임과 상호 이격되어 형성된 짐벌(gimbal);
    상기 짐벌을 상기 외부 프레임과 연결하며, 상호 대칭적으로 형성된 내부 탄성 굴신 구조물; 및
    상기 짐벌을 지지부와 연결하여 상기 미러 판, 외부 프레임 및 짐벌을 하부로부터 부상시키며, 상기 내부 탄성 굴신 구조물과 수직선상에 상호 대칭적으로 형성된 외부 탄성 굴신 구조물;을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미러 판은 원형 또는 타원형의 형상을 가지며, 상기 외부 프레임은 링(ring)의 형상을 가진 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  4. 제2항에 있어서, 상기 미러 판은 원형 또는 타원형의 형상을 가지며, 상기 외부 프레임 및 짐벌은 링(ring)의 형상을 가진 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄성 굴신 구조물은 비틀림 보(torsion beam), 외팔보(cantilever), V 자형 빔(V-shaped beam), 미앤더(meander) 중에서 어느 하나의 형태로 이루어지거나 이들을 조합한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  6. 제2항에 있어서, 상기 외부 탄성 굴신 구조물은 비틀림 보(torsion beam), 외팔보(cantilever), V 자형 빔(V-shaped beam), 미앤더(meander) 중에서 어느 하나의 형태로 이루어지거나 이들을 조합한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크 로 미러 디바이스.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반사면은 금속, 유전체 또는 금속과 유전체의 적층 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부는;
    상기 탄성 굴신 구조물과 동일한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제1 연결부와, 상기 탄성 굴신 구조물과 수직한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제2 연결부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  9. 제2항에 있어서, 상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부는;
    상기 내부 탄성 굴신 구조물과 동일한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제1 연결부와, 상기 내부 탄성 굴신 구조물과 수직한 선상에 상호 대칭적으로 형성된 제2 연결부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제2 연결부는 상기 수직한 선상을 중심으로 대칭적으로 형성되는 2개의 연결부로 이루어져서 상기 미러 판과 상기 외부 프 레임 간에 일정한 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임은 상기 프레임의 중심에서 멀어질수록 두께가 얇아지는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임은 일부가 대칭적으로 제거되어 어레이(array) 된 톱니의 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 프레임은 상기 톱니 형상을 이루는 영역에 복수개의 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 미러 판을 전자기력으로 구동시키기 위해;
    상기 상호 대칭적으로 형성된 탄성 굴신 구조물 중 일측의 탄성 굴신 구조물 상에 형성되어, 상기 외부 프레임 상에서 분기되었다가 타측의 탄성 굴신 구조물 상에서 다시 합해지는 도선과;
    상기 도선과 전기적으로 연결되며, 상기 지지부 상에 상호 대칭적으로 형성되는 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 상기 미러 판을 정전력으로 구동시키기 위해;
    상기 탄성 굴신 구조물과 수직선상에 있는 상기 외부 프레임 부분에 상호 대칭적으로 형성되는 제1 빗살 모양 전극과;
    상기 제1 빗살 모양 전극 하부에 상기 외부 프레임이 부상되어 있는 거리 간격을 두고, 상기 제1 빗살 모양 전극과 맞물리도록 형성되는 제2 빗살 모양 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 디바이스.
  16. 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판;
    상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임;
    상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부; 및
    상기 외부 프레임을 지지부와 연결하여 상기 미러 판과 외부 프레임을 하부로부터 부상시키며, 상호 대칭적으로 형성된 탄성 굴신 구조물;을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이스가 기판상에 M개의 행과 N개의 열로 구성되어 이루어지는 마이크로 미러 디바이스 어레이.
  17. 입력되는 광을 반사시키는 반사면이 형성된 박막과 상기 박막을 지지하는 프레임으로 이루어지는 미러 판;
    상기 미러 판의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 미러 판과 상호 이격되어 형성된 외부 프레임;
    상기 미러 판과 외부 프레임을 연결하는 복수개의 연결부;
    상기 외부 프레임의 외곽에 상기 미러 판과 동일한 무게 중심을 가지며, 상기 외부 프레임과 상호 이격되어 형성된 짐벌(gimbal);
    상기 짐벌을 상기 외부 프레임과 연결하며, 상호 대칭적으로 형성된 내부 탄성 굴신 구조물; 및
    상기 짐벌을 지지부와 연결하여 상기 미러 판, 외부 프레임 및 짐벌을 하부로부터 부상시키며, 상기 내부 탄성 굴신 구조물과 수직선상에 상호 대칭적으로 형성된 외부 탄성 굴신 구조물;을 포함하여 이루어지는 마이크로 미러 디바이스가 기판상에 M개의 행과 N개의 열로 구성되어 이루어지는 마이크로 미러 디바이스 어레이.
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