KR20150006301A

KR20150006301A - 멤스 소자 및 이를 포함하는 카메라 모듈

Info

Publication number: KR20150006301A
Application number: KR1020130079942A
Authority: KR
Inventors: 서상원; 서정기; 고용준; 김철; 최완섭
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-01-16
Also published as: KR102204647B1

Abstract

본 발명은 캐비티를 가지는 고정기판, 상기 캐비티 내에 배치되며, 상기 고정기판으로부터 부유하는 구동부, 상기 고정기판과 상기 구동부를 물리적으로 연결하며, 상기 고정기판과 연결되어 제어전류에 따라 휘어지는 바이모프 구동부에 의해 상기 구동부의 높이를 가변하는 높이가변부를 포함하고, 상기 고정기판은 상기 바이모프구동부와 연결되는 영역에 상기 바이모프구동부로부터의 열을 차단하는 단열부가 형성되어 있는 멤스 소자를 제공한다. 따라서, 고정기판에 바이모프 구동부로부터의 열을 차단하는 구조를 형성함으로써 바이모프 구동부의 열이 빠져나가는 것을 방지할 수 있으며, 바이모프 구동부의 열이 고정부를 통해 빠져나가 카메라 모듈 및 소자의 온도가 상승되어 신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Description

멤스 소자 및 이를 포함하는 카메라 모듈{MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS DEVICE AND CAMERA MODULE HAVING THE SAME}

실시예는 멤스 소자 및 이를 포함하는 카메라 모듈에 관한 것이다.

CCD(Charge Coupled Device) 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서는 동영상 및 정지영상을 촬영하는 2차원 센서의 일종이며 전자식 카메라를 구성하는데 핵심적인 역할을 하고 있다. 특히 CCD센서는 화질면에서 CMOS 센서 보다 우수한 특성을 내나, 소모 전력 및 복잡한 구성의 단점 때문에 CMOS 영상센서가 그 시장의 점유율을 높여 가고 있으며 최근에 와서는 CMOS 센서도 화질면에서도 개선이 따르고 있다. 이러한 이미지 센서들이 발달하면서 디지털 카메라의 사용이 일반화되고, 셀룰러 폰(cellular phone)과 같은 휴대용 단말기에도 카메라 장치가 설치되기에 이르렀다.

종래 카메라 모듈은 자동초점 구동기로 VCM(Voice Coil Motor)을 적용하고 있다.

VCM은 다수의 렌즈군을 포함하고 있는 배럴(Barrel)을 코일과 자석으로 구성되어 있고 배럴 상하에 스프링으로 지지되어 있다. 상하에 구성된 스프링이 구동부의 직선운동을 가이드하고 VCM이 동작하지 않을 경우 초기위치로 렌즈배럴을 위치시키는 역할을 한다.

VCM의 작동원리는 다음과 같다.

자석(Magnet)으로 형성된 자기장(Magnetic field)속에 있는 코일(Coil)에 전류가 흐르면 발생하는 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의해 렌즈 광축 방향으로 구동된다. 이때 발생하는 힘으로 VCM은 전기에너지를 기계에너지로 변환하게 된다.

최근에 휴대폰 및 휴대용 전자기기 등이 경박단소화 및 저전력이 요구됨에 따라 이러한 제품에 장착되는 카메라 모듈도 저전력 및 소형화가 요구되고 있다. 이에 따라 카메라 모듈에 구비된 자동초점장치를 저전력/소형화 할 필요성이 요구되고 있다.

하지만 종래 모바일폰에 사용되고 있는 자동초점 장치는 VCM 방식으로 렌즈군을 포함하고 있는 배럴을 구동시켜야 하므로 많은 소모전력이 요구되며 배럴을 광축 수직방향으로 구동시키기 위해 배럴주변에 위치한 코일과 자석을 이용하기 때문에 소형화 하는데 단점을 가지고 있다. 이에 따라 새로운 방식의 자동초점 장치의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

실시예는 소비전력이 작고 소형화가 가능한 멤스 소자 및 이를 포함하는 카메라 모듈을 제공하고자 한다.

실시예는 캐비티를 가지는 고정기판, 상기 캐비티 내에 배치되며, 상기 고정기판으로부터 부유하는 구동부, 상기 고정기판과 상기 구동부를 물리적으로 연결하며, 상기 고정기판과 연결되어 제어전류에 따라 휘어지는 바이모프 구동부에 의해 상기 구동부의 높이를 가변하는 높이가변부를 포함하고, 상기 고정기판은 상기 바이모프구동부와 연결되는 영역에 상기 바이모프구동부로부터의 열을 차단하는 단열부가 형성되어 있는 멤스 소자를 제공한다.

실시예에 따른 멤스 소자는 소모전력, 코일과 자석에 의한 소형화의 한계를 극복하기 위해 하나의 렌즈를 구동시켜 소비전력이 적고 소형화가 가능하다.

또한, 서로 다른 물질의 열팽창 차이에 의해 수직 구동하여 자동초점기능을 수행하는 써멀(thermal) 방식을 적용하여 구조를 단순화할 수 있어 비용을 절감할 수 있다.

또한, 고정기판에 바이모프 구동부로부터의 열을 차단하는 구조를 형성함으로써 바이모프 구동부의 열이 빠져나가는 것을 방지할 수 있으며, 바이모프 구동부의 열이 고정기판를 통해 빠져나가 카메라 모듈 및 소자의 온도가 상승되어 신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 멤스 소자의 상면도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 도 1의 사시도이다.
도 4는 도 3의 A의 확대도이다.
도 5는 바이모프의 단면도이다.
도 6은 고정기판부터 구동부까지의 단열부의 길이 및 단열부와 바이모프 구동부 사이의 거리에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 단열부의 다양한 적용예 및 비교예를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 비교예 및 적용예의 소모 전력을 나타내는 그래프이다.
도 9 내지 도 16은 도 1의 멤스 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 17 내지 도 21은 본 발명의 다양한 적용예를 도시한 것이다.
도 22는 도 1의 멤스 소자에 따른 자동초점 구동장치가 적용되는 카메라 모듈의 단면도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 자동초점 구동기로 적용되는 멤스 소자를 제공한다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 멤스 소자를 설명한다.

도 1은 실시예에 따른 멤스 소자의 상면도이고, 도 2는 도 1의 단면도이고, 도 3은 도 1의 사시도이고, 도 4는 도 3의 A의 확대도이며, 도 5는 바이모프의 단면도이다.

도 1을 참고하면, 실시예에 따른 멤스 소자(100)는 고정 기판(110), 구동부(120), 복수의 높이가변부(500), 및 복수의 단열부(600)를 포함한다.

상기 고정 기판(110)은 구동부(120) 및 복수의 높이가변부(500)를 지지한다.

상기 고정 기판(110)은 내부에 고정부(120)를 수용하는 캐비티(111)를 가지는 플레이트 형상을 가지며, 사각형의 프레임 형상을 가질 수 있다. 이러한 고정 기판(110)은 정사각형일 수 있으며, 6mm·6mm의 면적을 가질 수 있다.

캐비티(111)의 형상은 원형 또는 다각형 중 어느 하나일 수 있으며, 높이가변부(500)의 수효에 따라 결정될 수 있다.

즉, 도 1과 같이 높이가변부(500)가 8개인 경우 정팔각형의 형상을 가지는 캐비티(111)를 포함할 수 있다.

상기 고정 기판(110)은 복수의 층상 구조를 가지며, 도 2와 같이 지지 기판(400), 지지 기판(400) 위에 절연층(200), 상기 절연층(200) 위에 전극층(150), 제1 물질층(131), 열방출층(132) 및 제2 물질층(134)으로 형성되어 있다.

상기 지지 기판(400)은 실리콘 기판, 유리기판 또는 폴리머 기판일 수 있다.

상기 지지 기판(400)은 300 내지 500μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 400μm의 두께를 가질 수 있다.

상기 지지 기판(400) 위에 절연층(200)이 형성되어 있다.

상기 절연층(200)은 상기 지지 기판(400)이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있으며, 1.5μm 내외의 두께를 가질 수 있다.

상기 절연층(200) 위에 전극층(150)이 형성되어 있다.

즉, 상기 전극층(150)은 패터닝되어 복수개의 전극편을 포함할 수 있으나, 도 1과 같이 하나의 전극층(150)으로 형성될 수 있다.

상기 전극층(150)은 실리콘, 구리, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전도성 물질일 수 있으며, 바람직하게는 지지 기판(400)이 실리콘 기판인 경우, 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 전극층(150)은 40 내지 60 μm의 두께를 가지며, 바람직하게는 50 μm 내외의 두께를 가질 수 있다.

전극층(150) 위에 배치되는 제1 물질층(131), 열방출층(132) 및 제2 물질층(134)은 바이모프구동부(130)를 구성하는 층상 구조로서, 뒤에서 상세히 설명한다.

전극층(150) 위에 배치되는 층상 구조는 도 2와 같이 전극층(150)보다 돌출되는 구성을 가질 수 있다.

한편, 상기 고정 기판(110)의 내부에 형성되어 있는 캐비티(111)에 구동부(120)가 배치되어 있다.

구동부(120)는 내부에 개구부(125)를 포함하며, 각각의 높이가변부(500)가 연결되는 영역 소개구부(121)를 포함한다.

상기 구동부(120)는 도 1과 같이 다각형의 형상을 가질 수 있으며, 높이가변부(500)가 각각의 면에 형성되는 소개구부(121) 내에서 연결될 수 있도록 높이가변부(500)의 수효와 동일한 면수를 가질 수 있다.

따라서, 도 1과 같이 높이가변부(500)가 8개인 경우, 각 높이가변부(500)에 면이 배치되는 팔각형의 형상을 가질 수 있으며, 고정기판(110)의 캐비티(111)의 꼭지점과 구동부(120)의 꼭지점이 어긋나도록 배치될 수 있다.

상기 구동부(120)는 하부에 전극층(150)이 배치되며, 상기 전극층(150) 위에 제1 물질층(131), 상기 제1 물질층(131) 위에 제2 물질층(134)을 포함한다.

즉, 상기 구동부(150)는 전극층(150) 하부에 절연층(200) 및 지지기판(400)이 제거된 상태로 고정기판(110)에 대하여 부유하고 있다.

이때, 상기 구동부(120)의 전극층(150)의 높이는 고정기판(110)의 전극층(150)의 높이보다 높을 수 있으며, 전극층(150)은 상부의 제1 및 제2 물질층(131, 134)보다 좁은 폭을 갖도록 형성되어 제1 물질층(131)과 전극층(150) 사이에 단차가 형성될 수 있다.

한편, 상기 멤스소자(100)는 복수의 높이가변부(500)를 포함한다.

복수의 높이가변부(500)는 고정기판(110)과 구동부(120)를 물리적으로 연결하며, 외부로부터 인가되는 전압에 따라 구동부(120)의 높이를 제어한다.

복수의 높이가변부(500)는 서로 동일한 구조를 포함하며, 일정하게 이격되도록 배치되어 힘의 균형을 이룬다.

각각의 높이가변부(500)는 바이모프구동부, 프레임(140) 및 스프링(160)의 구조를 포함한다.

바이모프구동부(130)는 고정기판과 프레임(140)을 직접 연결하며, 고정기판으로부터 인가되는 전압에 따라 열이 발생하면, 상기 두 물질층 사이의 열팽창계수 차이에 따라 휘어지는 각도가 가변한다.

이러한 각도 변화에 의해 구동부의 높이가 결정된다.

바이모프구동부(130)의 상세 구조는 도 5와 같다.

도 5를 참고하면, 바이모프구동부(130)는 제1 물질층(131), 제1 물질층(131) 위에 열방출층(132), 열방출층(132) 위에 절연층(133) 및 상기 절연층(133) 위에 제2 물질층(134)을 포함한다.

상기 열방출층(132)에 전류가 흐르면 열이 발생하게 되는데, 상기 열에 따라 제1 물질층(131) 및 제2 물질층(134)의 열팽창계수 차에 의해 늘어나는 길이 차가 발생하여 바이모프구동부(130)의 수직변위를 발생시킨다.

이때, 상기 열방출층(132)은 열발생이 높은 백금, 구리 등을 포함하는 금속을 포함하고, 제1 물질층(131)은 제2 물질층(134)에 대하여 열팽창계수 차가 큰 물질로서, 제2 물질층(134)이 제1 물질층(131)보다 열팽창계수가 매우 커 제1 물질층(131)보다 잘 늘어난다.

제1 물질층(131)으로는 Si, P-Si, SiO₂, Si₃N₄, Cr, W 를 포함하는 그룹 중 하나의 물질을 포함할 수 있으며, 제2 물질층(134)으로는 Al, Au, Cu, Ni, Pt 를 포함하는 그룹 중 하나의 물질을 포함할 수 있다.

각각의 물질층의 열팽창계수는 다음의 표와 같다.

제1 물질층(131)	Si	2.6(10-6/K)
	P-Si	2.8
	SiO₂	0.5
	Si₃N₄	1.6
	Cr	4.9
제2 물질층(134)	Al	23.1
	Au	14.1
	Cu	16.8
	Ni	12.7

즉, 상기 표와 같이 제1 물질층(131)은 열팽창계수가 5*10^-6/K 이하를 충족하고, 제2 물질층(134)은 열팽창계수가 12*10^-6/K 이상을 충족한다.

상기 절연층(133)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물일 수 있으며, 열방출층(132)과 제1 물질층(134) 사이를 절연한다.

상기 바이모프구동부(130)는 도 1과 같이 고정기판(110)으로부터 돌출되어 부유하는 바 형으로 형성될 수 있으며, 열방출층(132)이 고정기판(110)과 연결되어 전류를 흘린다.

상기 열방출층(132)은 도 3과 같이 복수의 패턴으로 형성될 수 있으며, 각각의 패턴으로 동일한 전류가 흐르거나, 고정기판(110)이 복수의 패턴으로 형성되는 경우, 서로 다른 전류가 흐를 수도 있다.

프레임(140)은 상기 바이모프구동부(130)와 스프링(160) 사이에 연결되어 있으며, 바이모프구동부(130)와 스프링(160)을 절연하면서 상기 바이모프구동부(130)의 동작에 따라 상기 구동부(120)를 이동시킨다.

상기 프레임(140)은 도 1과 같이 바이모프구동부(130)와 연결되는 제1 연결단(142), 제1 연결단(142)으로부터 양 방향으로 확장되어 호를 그리는 제1 확장부(141), 상기 제1 확장부(141)의 끝단을 서로 연결하는 제2 확장부(143), 그리고 상기 제2 확장부(143)와 스프링(160)을 연결하는 제2 연결단(144)을 포함한다.

제1, 2 연결단(142, 144) 및 제1, 2 확장부(141, 143)는 동일한 층상 구조를 가진다.

제1 연결단(142)은 도 4와 같이 바이모프구동부(130)와 동일한 폭을 가지는 바 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 확장부(141)는 상기 제1 연결단(142)의 양 끝으로부터 호를 그리며 양 쪽으로 연장되어 있다.

상기 제1 확장부(142)는 도 4와 같이 끝단으로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다.

상기 제2 확장부(143)는 제1 확장부(142)의 양 끝단을 직선으로 연결하며, 동일한 폭을 가진다. 상기 제2 확장부(143)는 구동부(120)의 각 면과 마주하며, 제2 확장부(143)의 길이는 구동부(120)의 각 면의 길이보다 작을 수 있다.

상기 제1 및 제2 확장부(141, 143)가 활 모양을 이룬다.

제2 연결단(144)은 제2 확장부(143)의 중앙영역에 부착되어 스프링(160)의 중앙영역에서 스프링(160)의 끝단(162)과 연결된다.

상기 제2 연결단(144)은 제1 연결단(142)과 같이 돌출되어 있는 면구조물로 형성될 수 있으나, 도 4와 같이 판스프링 형태를 가질 수도 있다.

이러한 프레임(140)은 바이모프구동부(130)의 동작에 의해서 올라가거나 내려감으로써 구동부의 높이를 제어할 수 있다.

상기 프레임(140)은 도 2와 같이 전극층(150), 제1 물질층(131) 및 제2 물질층(134)의 층상 구조를 가질 수 있으며, 제1 물질층(131)이 전극층(150)으로부터 돌출되도록 단차를 가지며 형성된다.

상기 프레임(140)은 바이모프구동부(130)로부터 높게 배치되어 있다.

상기 스프링(160)은 구동부(120)의 각 소개구부(121) 내에 배치되며, 각 소개구부(121)의 바닥면의 중앙부와 일단(161)이 연결되고, 타단(162)이 제2 연결부(144)와 연결되어 있다.

상기 스프링(160)은 프레임(140)과 연결되는 방향으로 연장되도록 절곡되어 있으며 스프링(160)의 적층구조는 프레임(140)과 동일하다.

또한 상기 스프링(160)의 높이는 프레임(140)보다 높게 형성될 수 있다.

이와 같이 본원 발명은 고정 기판(110)과 구동부(120) 사이에 바이모프구동부(130), 프레임(140) 및 스프링(160)의 연결 구조를 가짐으로써 바이모프구동부(130)의 운동에 따라 구동부(120)의 높이를 변화할 때 변위를 다양하게 가질 수 있다.

한편, 본원 발명은 고정 기판(110) 위에 상기 바이모프구동부(130)와 연결되는 영역에 복수의 단열부(600)를 포함한다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 각 바이모프구동부(130)에 대응하여 복수개의 단열부(600)가 각각 배치되며, 바이모프구동부(130)와 이격되어 상기 고정 기판(110) 내에 형성된다.

상기 단열부(600)는 하부의 절연층(200)을 노출하는 캐비티로 구현될 수 있으며, 상기되며, 캐비티는 평면 형상이 다각형, 원형 등일 수 있으며, 도 1과 같이 사각형의 형상일 수 있다.

캐비티가 도 1과 같이 사각형일 때, 바이모프구동부(130)와 수직한 방향으로 장변을 갖도록 직사각형으로 형성될 수 있다.

이와 같이, 단열부(600)가 전극층(150) 이상의 층상 구조를 제거하는 캐비티로 구현되는 경우, 바이모프구동부(130)를 따라 고정기판(110)으로 방출되는 열을 차단하여 바이모프구동부(130) 내의 열이 외부로 방출되는 것을 줄일 수 있다.

따라서, 바이모프구동부(130)를 구동하는데 필요한 전압을 줄일 수 있어 소모 전력을 감소시킬 수 있다.

이때, 도 4와 같이 단열부(600)는 바이모프구동부(130)의 끝단으로부터 상기 단열부(600)까지 제1 거리(d1)가 이격되도록 형성되며, 장변이 제2 거리(d2)의 폭을 갖는 사각형의 단면을 가질 수 있다.

이때, 제1 거리(d1)는 5μm 내지 35μm일 수 있으며, 제2 거리(d2)는 300μm 내지 2500μm일 수 있다.

이하에서는 도 6 내지 도 8을 참고하여, 본 발명의 멤스 소자의 단열부(600) 수치에 따른 효과를 설명한다.

도 6은 고정기판(110)부터 구동부(120)까지의 단열부(600)의 길이 및 단열부(600)와 바이모프 구동부(130) 사이의 거리에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7은 단열부(600)의 다양한 적용예 및 비교예를 나타내는 도면이며, 도 8은 도 7의 비교예 및 적용예의 소모 전력을 나타내는 그래프이다.

도 6은 바이모프구동부(130)로부터 발생한 열이 고정기판(110), 프레임(160), 스프링(140) 및 구동부(120)에 미치는 영향에 대하여 단열부(600)의 폭 및 단열부(600)와 바이모프구동부(130)와의 거리에 따라 도시한 것이다.

이때, 바이모프구동부(130)의 길이가 200 μm로 설정하였을 때, 제1 거리(d1)가 10 μm, 20 μm, 30 μm으로 가변하고, 제2 거리(d2)가 1200μm 또는 2400μm를 충족하도록 설정한 것이다.

도 6은 비교예에 대하여 6개의 실시예의 온도를 나타낸 것으로, X축은 고정기판(110)으로부터 구동부(120)까지의 진행경로를 나타내며, Y축은 이다.

비교예(ref1)는 단열부(600)가 형성되지 않은 상태의 멤스 소자로서, 바이모프 구동부(130)에서 발생한 열에 의한 온도 분포는 바이모프구동부(130) 내에서 고정기판(110)을 향하여 급경사를 이루며 하강한다.

즉, 단열부(600)가 없으므로 열이 고정 기판(110)을 통과하여 외부로 빠져나가게 된다.

반면, 단열부(600)가 형성되어 있는 실시예 1 내지 6(f1-f6)의 경우, 바이모프구동부(130)와 고정기판(110) 사이의 경계 부분에서 온도 경사가 발생하지 않는 불연속적인 흐름을 보인다.

이에 따라 바이모프구동부(130) 내에서 열이 외부로 빠져나가지 않고, 유지되어 바이모프구동부(130) 내에서도 길이 방향에 따라 온도 차가 거의 없이 일정 수준의 온도를 유지하게 된다. 따라서, 전력 소비가 줄어들 수 있다.

이때, 실시예 1 내지 6의 단열부(600)의 크기는 다음의 표와 같다.

	비교예 (ref1)	실시예1 (f1)	실시예2 (f2)	실시예3 (f3)	실시예4 (f4)	실시예5 (f5)	실시예6 (f6)
길이	없음	2400μm	2400μm	2400μm	1200μm	1200μm	1200μm
거리	없음	30μm	20μm	10μm	30μm	20μm	10μm
전류(mA)	71.4	35.95	28.73	18.69	48.8	41.58	29.2
Bimorph-전극 온도 (℃)	40.182	65.678	68.692	71.575	58.338	62.738	68.439
전극 온도 (℃)	35.664	32.238	30.687	28.151	34.148	33.184	30.781
Bimorph 내 온도 편차	11.8	0.84	1.31	2.53	3.7	1.83	1.21
총 전력(mW)	123.2307	114.436	99.77814	75.96962	131.2525	122.1188	99.49258

표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 3(f1-f3) 또는 실시예 4 내지 6(f4-f6)을 검토한 바, 동일한 길이(d2)의 단열부(600)를 가질 때, 단열부(600)와 바이모프구동부(130) 사이의 거리(d1)가 짧을수록 저항이 증가하여 열전달이 감소하여 고정 기판(110)의 온도도 함께 감소하여 전력소비가 줄어든다.

또한, 동일한 거리(d1)를 가지는 실시예 1 과 4(f1, f4)를 비교하면, 단열부(600)의 길이(d2)가 길 때 전력소비가 줄어드는 것을 알 수 있다.

바람직하게는 실시예 3(f3)와 같이 단열부(600)의 길이 2400um, 바이모프구동부(130)까지의 거리 10um의 경우 비교예(ref3)에 대하여 전류는 약 26% 수준으로 감소하며, 소모전력은 61% 수준으로 감소한다.

또한, 도 6과 같이 바이모프구동부(130) 내의 온도분포는 단열부(600)가 없는 상태에서 급한 기울기를 보이다가 단열부(600)에 의해서 열손실이 줄어들어 완만해지다가 기울기의 방향이 역전된다.

한편, 도 7 및 8과 같이 단열부(600)의 폭에 따른 전력을 관찰하면, 도 7a는 단열부(600)가 없는 비교예이고, 도 7b는 단열부(600)와 부가단열부(650)를 가지는 실시예 7이고, 도 7c는 단열부(600)를 가지는 실시예 8이다.

실시예 7, 8는 동일한 제2 길이(d2)를 가지며, 서로 다른 폭을 가지는 단열부(600)가 구성되어 있다.

이때, 제2 길이는 325 um 로 설정되고, 실시예 7의 폭은 100um, 실시예 8의 폭은 245um로 설정되며, 단열부(600)와 바이모프구동부(130) 사이의 거리(d1)는 25 um로 고정되어 있다.

또한, 실시예 7은 폭이 짧은 반면, 프레임(140) 내의 바이모프구동부(130)와 연결되는 영역에 부가단열부(650)를 포함하고 있다.

상기 부가단열부(650)는 사각형의 형상일 수 있으며, 110 um*70 um의 면적을 가지는 캐비티로 구성될 수 있다.

도 7a 내지 도 7c의 멤스 소자를 구동하여 수직 거리로 100 um를 구동하였을 때, 소모 전력을 각각 측정한 결과를 도 8에 도시하였다.

도 8을 참고하면, 비교예(ref2)에 대하여 실시예 7(f7)은 8.2%의 전력 감소를 나타내고, 실시예 8(f8)는 비교예(ref2)보다 전력이 감소되나 실시예 7(f7)보다는 높은 전력을 나타낸다.

이와 같이 단열부(600)의 전체 면적이 작더라도, 프레임(140)내에 부가단열부(650)가 형성되는, 즉 바이모프구동부(130)의 양 단에 단열부(600)가 형성되는 경우가 큰 경우보다는 높은 단열효과를 가지는 것을 관찰할 수 있다.

이하에서는 도 9 내지 도 16을 참고하여 실시예의 멤스 소자를 제조하는 방법을 설명한다.

먼저, 도 9과 같이 베이스 기판을 준비한다.

상기 베이스 기판은 지지 기판(400) 위에 절연층(200) 및 전극층(150)이 형성되어 있는 구조를 가진다.

상기 절연층(200)은 상기 지지 기판(400)이 실리콘 기판일 경우, 실리콘 산화막 또는 실리콘질화막으로 형성될 수 있으며, 1.5μm 내외의 두께를 가질 수 있다.

즉, 내부에 실리콘 절연층(200)을 포함하는 실리콘 기판일 수 있으며, 상기 지지 기판(400) 및 전극층(150)의 상하부에 각각 외부 절연층이 형성될 수 있다.

다음으로, 도 10과 같이 전극층 위에 제1 물질층(131)을 형성한다.

제1 물질층(131)은 Si, P-Si, SiO₂, Si₃N₄, Cr, W 를 포함하는 그룹 중 하나의 물질을 데포지션하여 형성할 수 있으며, 제1 물질층(131)을 패터닝하여 고정기판, 높이가변부(500) 및 구동부(120)에 형성한다.

이때, 제1 물질층(131)은 높이가변부(500)의 바이모프구동부(130)에 필수적으로 형성되나, 다른 영역에는 생략할 수 있다.

다음으로 도 11과 같이 열방출층(132)을 형성한다.

열방출층(132)은 고정기판과 바이모프구동부(130)에 필수적으로 형성된다.

상기 열방출층(132)이 전류를 전달하는 회로패턴으로 기능하며, 상기 바이모프구동부(130)에 형성되는 열방출층(132)은 해당 층 내에 흐르는 전류에 의해 열을 발생한다.

상기 열방출층(132)은 백금 또는 구리 등의 전도성물질을 선택적으로 데포지션하거나 패터닝하여 형성할 수 있다.

다음으로, 상기 바이모프구동부(130)의 열방출층(132) 위에 도 12의 절연층(133)을 형성한다.

상기 절연층(133)은 실리콘산화물 또는 실리콘질화물일 수 있으며, 상기 물질을 데포지션한 뒤 패터닝하거나 선택적으로 패터닝할 수 있다.

다음으로, 도 13과 같이 절연층(133) 위에 제2 물질층(134)을 형성한다.

제2 물질층(134)으로는 Al, Au, Cu, Ni, Pt 를 포함하는 그룹 중 하나의 물질을 데포지션한 뒤, 선택적으로 패터닝하여 형성할 수 있다.

이때, 제2 물질층(134)은 제1 물질층(131)과 대응되도록 형성할 수 있으나, 바이모프 구동부(130)에만 한정적으로 형성될 수도 있다.

다음으로, 도 14과 같이 전극층(150)을 패터닝한다.

상기 전극층(150)은 고정기판(110), 높이가변부(500) 및 구동부(120)를 제외한 영역을 제거함으로 형성할 수 있으며, DRIE(deep reactive-ion etching)를 수행함으로써 형성할 수 있다.

이때, 고정기판(110) 내에 절연층(200)이 노출되는 단열부(600)를 함께 형성할 수 있다.

다음으로, 도 15와 같이 백사이드 DRIE를 수행하여 고정기판(110)을 제외한 영역의 지지기판(400)과 절연층(200)을 제거한다.

따라서, 고정기판(110)에 대하여 높이가변부(500) 및 구동부(120)가 부유하는 상태를 유지한다.

마지막으로, 도 16과 같이 백사이드에서 등박성 식각을 진행하여 바이모프 구동부(130)의 하면에 형성되어 있는 전극층(150)을 제거한다.

이때, 등방성 식각에 의해 전극층(150)의 측면이 일부 식각되어 제1 물질층(131)과 전극층(150) 사이에 단차가 형성된다.

이와 같이 바이모프 구동부(130)의 하부에 제1 물질층(131)을 노출하고, 상부에 제2 물질층(134)을 노출함으로써 바이모프구동부(130)를 얇게 형성하고, 식각 시에 열처리함으로써 제1 물질층(131)과 제2 물질층(134) 사이의 열팽창계수 차이에 의하여 고정 기판(110)에 대하여 구동부(120)가 높게 형성된다.

이러한 멤스 소자(100)는 고정 기판(110)의 열방출층(132)으로 전류를 인가하면 전류 값에 따라 바이모프구동부(130)의 열방출층(132)에서 열이 발생하고, 발생하는 열에 따라 제1 및 제2 물질층(131, 134)이 팽창을 진행한다. 이때, 제1 물질층(131)이 제2 물질층(134)보다 열팽창이 작으므로 열이 많이 발생할수록 바이모프 구동부(130)는 위로 휘어진다.

따라서, 바이모프 구동부(130)를 따라 프레임(140) 및 스프링(160)이 위로 올라가며 그에 따라 구동부(120)가 위로 이동한다.

이때, 복수의 높이가변부(500)가 동일한 전류를 받아 동일하게 위로 움직이므로 구동부(120)는 높이가변부(500)가 연결된 모든 방향에서 균일하게 위로 상승한다.

이하에서는 도 17 내지 도 21을 참고하여 본 발명의 다양한 적용예를 설명한다.

도 17의 멤스 소자(100A)는 도 1과 같이 고정기판(110), 높이가변부(500) 및 구동부(120)를 포함한다.

상기 멤스 소자(100A)의 각 구성의 적층 구조는 도 2와 동일하므로 이에 대하여는 생략하고 상면의 구조에 대하여 설명한다.

도 17의 멤스 소자(100A)의 고정기판(110)은 원형의 캐비티(111)를 포함하고, 상기 캐비티(111) 내에 원형의 구동부(120)를 포함한다.

상기 구동부(120)와 고정기판(110) 사이에 복수의 높이가변부(500)를 포함한다.

각각의 높이가변부(500)는 바이모프 구동부(130), 프레임(140) 및 스프링(160)을 포함한다.

바이모프 구동부(130)는 구동부(120)의 원주를 따라 형성되어 있으며, 상기 바이모프 구동부(130)의 끝단과 스프링(160) 사이에 프레임(140)이 형성된다.

상기 프레임(140)은 구동부(120)의 원주를 따라 절곡되는 바 타입으로 형성된다.

상기 프레임(140)의 끝단과 스프링(160)이 연결되어 있다.

구동부는 스프링(160)을 수용하는 복수의 소캐비티(111)를 포함하며, 하나의 소캐비티(111) 내에 2개의 스프링(160)이 배치될 수 있다.

각각의 소캐비티(111) 내에는 상기 구동부(120)의 몸체로부터 돌출되어 소개구부(121)를 분할하는 돌출부(123)가 형성되어 있다.

각각의 스프링(160)은 소개구부(121)의 일측면과 돌출부(123)의 일면 사이에 배치되어 돌출부(123)를 위로 올리거나 아래로 내림으로 구동부(120)의 위치를 변화시킬 수 있다.

또한, 상기 바이모프구동부(130)와 대응하여 고정기판(110) 내에 단열부(600)가 형성되어 있다.

이때, 단열부(600)는 2개의 바이모프구동부(130)에 대하여 1개의 단열부(600)가 형성될 수 있다.

도 18의 멤스 소자(100B)는 도 1과 같이 고정기판(110), 높이가변부(500) 및 구동부(120)를 포함한다.

상기 멤스 소자(100B)의 각 구성의 적층 구조는 도 2와 동일하므로 이에 대하여는 생략하고 상면의 구조에 대하여 설명한다.

도 18의 멤스 소자(100B)는 원형의 캐비티(111)를 포함하고, 상기 캐비티(111) 내에 다각형의 구동부(120)를 포함한다.

상기 구동부(120)는 도 18와 같이 정팔각형의 형상을 가질 수 있으며, 각 면에 소개구부(121)를 포함한다.

각각의 높이가변부(500)는 도 16과 같이 바이모프 구동부(130), 프레임(140) 및 스프링(160)을 포함한다.

바이모프 구동부(130)는 고정기판(110)으로부터 상기 구동부(120)를 향하여 바 타입으로 연장되며, 상기 바이모프 구동부(130)의 끝단과 스프링(160) 사이에 프레임(140)이 형성된다.

상기 프레임(140)은 T자 형태로 형성되어, 바이모프 구동부(130)와 일단(145)에서 연결되며, 구동부(120)의 면을 따라 T자의 머리영역(146)이 대응된다.

상기 프레임(140)의 타단(144)과 스프링(160)이 연결되어 있다.

스프링(160)은 각각의 소개구부(121) 내에 배치되며, 구동부(120)와 프레임(140)의 머리영역(146)의 타단(144) 사이에 형성된다.

한편, 도 19의 멤스 소자는 도 2와 같은 구성을 가진다.

다만, 도 19의 단열부(600a)는 도 2와 같은 캐비티가 아닌 홀을 포함하며, 상기 홀의 단면은 다각형 또는 원형일 수 있다.

이때, 상기 홀의 크기는 도 2의 캐비티의 크기와 동일할 수 있다.

상기 단열부(600a)가 상기 지지기판(400)까지 개방되므로 단열 효과는 더욱 증가될 수 있다.

또한, 도 20의 멤스 소자는 도 2의 단열부(600)와 같이 캐비티가 형성되어 있으며, 캐비티 내에 단열재(610)가 형성되어 있다.

즉, 상기 단열재(610)가 캐비티를 매립하고 있으며, 상기 단열재(610)는 캐비티 높이와 같거나 작은 높이를 가질 수 있다.

상기 단열재(610)는 실리콘보다 열전도도가 낮은 물질로서, 폴리머 등의 유기물질 일 수 있다. 구체적으로 상기 단열재(610)는 폴리 이미드, SU-8 등의 포토 레지스트, 또는 파릴렌 등일 수 있다.

이러한 단열재(610)는 도 2의 캐비티 내에 매립될 수 있으나, 도 19의 홀 내에 매립될 수도 있다.

한편, 도 21의 멤스 소자는 단열부(600b)에 복수의 소캐비티(620)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 소캐비티(620)는 전극층 위의 제1 및 제2 물질층(131, 134) 등으로 이루어진 금속층에 의해 형성되며, 하부의 캐비티를 노출한다.

도 21을 참고하면, 바이모프구동부(130)와 연결되는 영역을 중심으로 주변부에 복수의 소캐비티(620)를 포함한다.

상기 복수의 소캐비티(620)는 직사각형 형상을 가질 수 있으며, 바이모프구동부(130)와 연결되는 영역의 측면으로는 긴 변이 가로로 배치되고, 상면으로는 긴 변이 세로로 배치될 수 있다.

즉, 소캐비티(620)의 하부에는 도 2와 같은 캐비티가 형성될 수 있으며, 캐비티 위에 제1 및 제2 물질층(131, 134)에 의한 소캐비티(620)가 형성되는 구조를 가질 수 있다.

이와 같이 단열부(600b)를 복수개의 소캐비티(620)로 형성하여 캐비티에 의해 단열 효과는 유지하면서 캐비티 위로 소캐비티(620)를 갖는 제1 및 제2 물질층(131, 134)에 의한 전기전도성을 유지할 수 있다.

이하에서는 도 22를 이용하여 본 발명의 실시예의 멤스 소자가 자동초점구동기로 적용되는 카메라 모듈을 설명한다.

도 22는 도 1의 멤스 소자가 자동초점구동기로 적용된 카메라 모듈의 단면도이다.

도 22에서 상기 촬상 렌즈의 렌즈 형태는 임의로 도시하였으며, 앞에서 설명한 멤스소자와 동일한 도면부호를 자동초점구동기에 부여하였다.

카메라 모듈은 제1 렌즈부(11), 제2 렌즈부(31) 및 액추에이터(104)가 배치된 하우징(80), 홀더(90) 및 인쇄회로기판(70)을 포함한다.

하우징(80)은 상기 제1렌즈부(11) 및 제2렌즈부(31)를 포함하는 액추에이터(104)를 포함한다.

상기 제1 렌즈부(11)는 제1 렌즈(10) 및 제2 렌즈(20)를 포함하고, 상기 제2 렌즈부(31)는 제3 렌즈(30) 및 제4 렌즈(40)를 포함한다.

그리고, 상기 제1렌즈부(11)는 제1경통(101)에 장착되고, 상기 제1렌즈부(11) 및 제2렌즈부(31)는 인쇄회로기판(70)에 배치된 수광 소자(60)로 광을 집광시킨다.

그리고, 상기 제1경통(101) 및 제2 렌즈부(31)은 액추에이터(104)를 포함하는 커버에 배치될 수 있다.

상기 제2렌즈부(31)의 각 렌즈(30, 40)를 지지하는 자동초첨구동기(100)는 상기 액추에이터(104)에 포함되거나 별도로 형성될 수 있다.

상기 액추에이터(104)는 자동초점구동기(100)를 제어하여 상기 렌즈(30, 40)들의 위치를 조정하여 초점을 조절하여, 자동 초점 및 광학줌 기능이 구현될 수 있도록 한다.

어느 하나의 렌즈만을 이동시켜 자동 포커싱을 하는 경우, 이동시키고자 하는 렌즈(30, 40)를 지지하는 자동초점구동기(100)에 제어 전류를 흘려 구동부(120)의 높이를 제어함으로써 렌즈(30, 40)의 위치를 변화할 수 있다.

이와 같이, 상기 자동초점구동기(100)가 렌즈(30, 40)만을 이동시켜 초점을 맞추므로 렌즈 어셈블리 전체를 구동하는 것과 비교하여 소비전력을 줄일 수 있다.

이어서, 상기 하우징(80)의 하부에 배치된 홀더(90)는 상기 제2렌즈부(31)의 하부에 위치하며 필터(50)를 포함한다.

상기 필터(50)는 적외선 차단 필터로 이루어질 수 있다.

상기 필터(50)는 외부 빛으로부터 방출되는 복사열이 상기 수광 소자(60)에 전달되지 않도록 차단시키는 기능을 한다.

즉, 상기 필터(50)는 가시광선은 투과시키고, 적외선은 반사시켜 외부로 유출되도록하는 구조를 가진다.

상기 필터(50)를 상기 홀더(90)에 배치하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 렌즈들 사이에도 선택적으로 위치하거나, 상기 제1렌즈부(11) 또는 제2렌즈부(31)의 렌즈에 적외선 차단 물질이 코팅(coating)될 수 있다.

그리고, 상(像)이 맺히는 상기 수광 소자(60)는 피사체 영상에 대응하는 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서로 이루어질 수 있으며, 상기 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 멤스 소자를 자동초점구동기(100)로 적용함으로써 바이모프구동부(130)로부터의 열을 카메라 모듈에 전달하지 않도록 단열되어 모듈 신뢰성이 향상될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

멤스소자, 자동초점구동기 100
고정 기판 110
구동부 120
탄성부 500
단열부 600
바이모프구동부 130
프레임 140
스프링 160

Claims

캐비티를 가지는 고정기판,
상기 캐비티 내에 배치되며, 상기 고정기판으로부터 부유하는 구동부,
상기 고정기판과 상기 구동부를 물리적으로 연결하며, 상기 고정기판과 연결되어 제어전류에 따라 휘어지는 바이모프 구동부에 의해 상기 구동부의 높이를 가변하는 높이가변부
를 포함하고,
상기 고정기판은 상기 바이모프구동부와 연결되는 영역에 상기 바이모프구동부로부터의 열을 차단하는 단열부가 형성되는 멤스 소자.
제1항에 있어서,
상기 단열부는
상기 바이모프구동부와 연결되는 영역을 개방하는 캐비티를 포함하는 멤스 소자.
제2항에 있어서,
상기 캐비티는
장변을 가지는 직사각형 형상을 가지는 멤스 소자.
제2항에 있어서,
상기 바이모프구동부와 상기 캐비티 사이의 폭은 5μm 내지 35μm인 멤스 소자.
제2항에 있어서,
상기 캐비티의 장변은 300μm 내지 2400μm인 멤스 소자.
제2항에 있어서,
상기 고정기판은
지지기판,
상기 지지기판 위에 절연층, 그리고
상기 절연층 위에 전극층
을 포함하는 멤스 소자.
제6항에 있어서,
상기 캐비티는 상기 절연층을 개방하며 형성되는 멤스 소자.
제6항에 있어서,
상기 캐비티는 상기 지지기판까지 제거하여 형성되는 멤스 소자.
제2항에 있어서,
상기 단열부는
상기 캐비티를 매립하는 단열재를 더 포함하는 멤스 소자.
제1항에 있어서,
상기 바이모프구동부 내의 온도편차는 4℃ 이하인 멤스 소자.
제1항에 있어서,
상기 바이모프 구동부는
제1 물질층,
상기 제1 물질층 위에 열방출층, 그리고
상기 열방출층 위에 제2 물질층
을 포함하며,
상기 제1 물질층과 상기 제2 물질층은 열팽창계수가 차이나는
멤스 소자.
제1항에 있어서,
상기 높이가변부는
상기 구동부와 연결되어 있는 스프링, 그리고
상기 바이모프 구동부와 상기 스프링을 연결하는 프레임
을 더 포함하는 멤스 소자.
제12항에 있어서,
상기 멤스 소자는
상기 프레임의 상기 바이모프 구동부와 연결되는 영역에 상기 단열부를 더 포함하는 멤스 소자.
적어도 하나의 렌즈부를 구동하는 액추에이터,
상기 렌즈부 및 액추에이터를 수납하는 하우징, 그리고
상기 렌즈부로부터 광을 받는 수광소자
를 포함하며,
상기 액추에이터는 인가되는 제어전류에 따라 상기 렌즈부의 높이를 가변하는 바이모프구동부를 포함하여 자동초점제어를 진행하는 카메라 모듈.
제14항에 있어서,
상기 액추에이터는 캐비티를 가지는 고정기판, 상기 캐비티 내에 배치되며, 상기 고정기판으로부터 부유하는 구동부, 상기 고정기판과 상기 구동부를 물리적으로 연결하며, 상기 고정기판과 연결되어 상기 제어전류에 따라 휘어지는 상기 바이모프 구동부에 의해 상기 구동부의 높이를 가변하는 높이가변부를 포함하고, 상기 고정기판은 상기 바이모프구동부와 연결되는 영역에 상기 바이모프구동부로부터의 열을 차단하는 단열부가 형성되어 있는 멤스 소자인 카메라 모듈.