KR20180020679A - 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체 - Google Patents

단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체 Download PDF

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Abstract

정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체는 전극; 및 상기 전극 상에 배치되고, 고정된 일단과 이동 가능한 자유단을 가지며 정전기력에 의해 구동되는 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam);를 포함하며, 상기 멀티모프 캔틸레버보는: 상기 전극과 상기 멀티모프 캔틸레버보 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 제1값으로 유지되는 제1상태; 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 다른 제2값으로 유지되는 제2상태; 및 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 상기 제2값 사이의 값으로 유지되는 중간 상태를 가진다.

Description

단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체{ELECTROSTATIC MULTIMORPH CANTILEVER STRUCTURE CAPABLE OF STEPWISE ACTUATION}
본 발명은 멀티모프 캔틸레버 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 관한 것이다.
멀티모프 캔틸레버(multimorph cantilever)는 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 박막들이 겹쳐져 구성된 캔틸레버를 의미하는 것으로, 이 중에서 두 개의 층으로 구성된 캔틸레버는 바이모프(bimorph) 캔틸레버라고 지칭한다.
멀티모프 캔틸레버의 각 층을 구성하는 물질의 물리적 특성이 다른 성질을 이용하여 캔틸레버를 움직임으로써, 멀티모프 캔틸레버는 구동기(actuator) 또는 센서(sensor) 등으로 사용될 수 있다. 또한, 멀티모프 캔틸레버를 구성하는 각 층의 잔류 응력의 차이를 이용하여 휘어진 초기 상태를 갖는 캔틸레버 구조체를 제조하는데 이용될 수 있다.
여기서 캔틸레버가 휘어지는 정도는 캔틸레버 내부에서 발생된 힘(예를 들어, 응력)과 캔틸레버 외부에서 가해지는 힘(예를 들어, 전자기력)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 정전구동 방식의 멀티모프 캔틸레버는 캔틸레버와 주변 전극과의 전압차에 의해 캔틸레버가 휘어지는 정도가 조절될 수 있다.
정전구동식 멀티모프 캔틸레버는 잔류응력의 차이로 휘어진 초기 형태를 가지는 전도성의 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam)와 기판에 형성된 바닥 전극간의 전압차에 따라 형성되는 정전기력을 이용하여 구동되는 소자이다.
도1은 종래의 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 일반적인 구조를 예시한다. 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)는 일반적으로 기판상에 형성되는 전극(110)과 캔틸레버보(120)를 포함한다. 이때, 캔틸레버 구조체(100)는 캔틸레버보(120)의 일단이 고정되는 앵커(130: anchor)를 더 포함할 수 있다. 캔틸레버보(120)는 앵커(130)에 고정된 일단과 자유로운 타단을 가지며 상기 일단으로부터 타단이 전극(110)의 길이 방향으로 연장되어 있다. 캔틸레버보(120)가 풀인(pull-in)되었을 때 캔틸레버보(120)는 전극(110) 쪽으로 당겨져 내려와 전극(110)과 포개질 수 있다. 캔틸레버보(120)가 전극(110)과 포개어질 때, 캔틸레버보(120)가 전극(110)에 직접 접촉하게 되면 전기적 단락(short-circuit)이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 전극(110) 상에 유전 물질 층(dielectric layer)을 배치할 수 있다.
정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)는 도1에 예시된 바와 같은 초기 상태를 가질 수 있으며, 초기 상태는 기본적으로 움직일 수 있는 캔틸레버보(120)와 전극(110) 사이에 전압이 걸리지 않는 비구동 상태일 수 있다. 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 초기 상태는 소자 설계와 공정 과정에 따라 결정될 수 있다. 초기 상태의 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 캔틸레버보(120)와 전극(110) 사이에 적절한 전압을 인가하면, 이동이 자유로운 타단을 갖는 캔틸레버보(120)가 전극(110)쪽으로 내려와 전극(110)에 포개지며, 이러한 멀티모프 캔틸레버보(120)의 움직임을 이용하여 정전구동식 멀티모프 캔틸리버 구조체(100)를 다양한 목적에 따라 이용할 수 있다.
정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)는 일반적으로 풀인(pull-in) 현상에 따라 동작한다. 풀인 현상은 캔틸레버보(120)가 전극(110) 쪽으로 움직일 때, 소정 변위 이상 캔틸레버보(120)가 움직이게 되면 순간적으로 캔틸레버보(120)가 전극(110)에 붙어버리는 현상을 일컫는다.
이러한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)에서 초기 상태로부터 풀인 상태인 최종 상태 사이의 중간 상태를 갖도록 캔틸레버를 구현하는 것은 달성될 수 없다.
아래 선행기술문헌은 바이모프 캔틸레버를 이용하는 실시예에 관한 것으로서, 바이모프 캔틸레버가 두 가지 상태를 가지는 내용을 개시하고 있으나, 캔틸레버를 중간 상태로 구현하는 것에 대해서는 전혀 인식하고 있지 않다.
Kyung-Ho Lee, JaeHyuk Chang and Jun-Bo Yoon, "High performance microshutter device with space-division modulation" Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 20 (2010) 075030 (7pp)
본 발명의 일 목적은 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 캔틸레버보가 한번에 전극으로 풀인되는 것이 방지되는 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다단계 구동이 가능하도록 설계된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극 패턴을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체는 전극; 및 상기 전극 상에 배치되고, 고정된 일단과 이동 가능한 자유단을 가지며 정전기력에 의해 구동되는 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam);를 포함하며, 상기 멀티모프 캔틸레버보는: 상기 전극과 상기 멀티모프 캔틸레버보 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 제1값으로 유지되는 제1상태; 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 다른 제2값으로 유지되는 제2상태; 및 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 상기 제2값 사이의 값으로 유지되는 중간 상태를 가진다.
또한, 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 상기 멀티모프 캔틸레버보는 적어도 하나 이상의 상기 중간 상태를 가진다.
또한, 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 적어도 하나 이상의 갭(gap)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 상기 일단으로부터 상기 자유단으로 연장되는 방향으로 이격된 복수의 부분전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 캔틸레버보가 한번에 전극으로 풀인되는 것이 방지되는 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 다단계 구동이 가능하도록 설계된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극 패턴을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 다단계 구동(stepwise actuation)이 가능하다. 따라서, 첫번째 풀인이 발생하더라도 캔틸레버보의 일부만 전극에 붙어 펴진 상태가 되고 나머지 부분은 초기 상태와 같이 휘어진 상태를 유지할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 예시한다.
도 2는 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 그래프이다.
도 3은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 일어나는 풀인 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 예시한다.
도 5는 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 측면도이다.
도 6은 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 1차풀인이 발생한 상태를 예시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극을 예시한다.
도 8은 도 7에 예시된 전극(210)을 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구현예이다.
도 10은 도 9에 예시된 구현예에 인가된 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 실험 결과를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구조 및 동작을 설명하기에 앞서, 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구조 및 동작을 먼저 간단히 살펴본다.
도 1은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 예시한다. 도 1과 관련하여서는 이미 설명되었으므로 이하에서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 그래프이다. 도 3은 종래 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 일어나는 풀인 현상을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서 캔틸레버보의 종단 위치는 앵커(130)에 고정되지 않은 캔틸레버보(120)의 자유단의 전극(110)에 대한 높이일 수 있다.
일반적인 캔틸레버보와의 구조적인 차이점으로 인해, 멀티모프 캔틸레버보의 경우 일반적인 캔틸레버보와는 다소 다른 풀인 현상을 나타낸다. 도 2의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 멀티모프 캔틸레버보(120)는 길이에 따른 풀인 전압의 차이가 없거나 매우 작다. 예컨대, 도 2에서 캔틸레버보(120)의 다양한 길이에 대해서 풀인 전압이 모두 6V이다. 이는 일반적인 캔틸레버보의 길이가 길어짐에 따라 풀인 전압이 작아지는 것과 다른 현상이다.
도 2의 그래프는 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 정전구동의 특징을 잘 나타낸다. 보다 구체적으로, 소정 길이 이상의 길이를 가지며 동일한 곡률의 휘어짐을 갖는 멀티모프 캔틸레버보(120)는 연쇄적으로 일어나는 풀인 현상에 따라 모두 동일한 전압에서 풀인 현상을 나타낸다. 즉, 도 2의 우측 하단에서 캔틸레버보(120)의 길이가 L1, L2 및 L3로 서로 다르더라도 동일한 곡률의 휘어짐을 갖는 경우 동일한 전압에서 풀인 현상을 나타낸다. 도 3에 예시된 바와 같이 소정 길이 이상의 길이를 갖는 멀티모프 캔틸레버보(120)는, 전극(110)과 멀티모프 캔틸레버보(120) 사이에 풀인 전압이 인가되는 경우, 초기 상태에서 1차 풀인 상태로 변화할 수 있다. 1차 풀인 상태에서는 멀티모프 캔틸레러보(120)의 일부 길이에만 풀인이 발생할 수 있다. 이때, 1차 풀인 상태에 돌입하면 2차 풀인 상태 등을 거쳐 멀티모프 캔틸레버보(120)의 나머지 길이에 대해서도 풀인 동작이 연쇄적으로 발생한다.
종래 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)에서는 멀티모프 캔틸레버보(120)의 길이에 무관하게 풀인 전압이 인가되면 한번에 멀티모프 캔틸레버보(120)가 전극(110)으로 풀인된다. 따라서, 일반적인 캔틸레버보와 동일하게 멀티모프 캔틸레버보(120)의 경우에도 초기 상태와 최종 풀인 상태 사이의 중간 단계 상태의 구현이 불가능했다.
하지만, 일반적인 캔틸레버보와 달리, 멀티모프 캔틸레버보(120)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 연쇄작용에 의해 풀인 현상이 발생한다는 차이점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 멀티모프 캔틸레버보(120)의 풀인 동작시 연쇄 작용 사이에 불연속적인 구동 단계를 구현하여 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공하고자 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 예시한다.
도 4에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 전극(210)과 캔틸레버보(220)를 포함한다. 이때, 캔틸레버 구조체(200)는 캔틸레버보(220)의 일단이 고정되는 앵커(230: anchor)를 더 포함할 수 있다. 캔틸레버보(220)는 앵커(230)에 고정된 일단과 이동이 자유로운 타단으로서 자유단을 가지며 상기 일단으로부터 타단이 전극(210)의 길이 방향으로 연장되어 있다. 캔틸레버보(220)가 완전히 풀인(pull-in)되었을 때 캔틸레버보(220)는 전극(210) 쪽으로 당겨져 내려와 전극(210)과 포개질 수 있다.
이때, 캔틸레버보(220)가 전극(210)에 포개어진다 함은 완전 포개어지는 경우뿐 아니라 둘 사이에 다른 물질을 사이에 두고 미량 이격된 경우도 포함할 수 있다. 캔틸레버보(220)가 전극(210)과 포개어질 때, 캔틸레버보(220)가 전극(210)에 직접 접촉하게 되면 전기적 단락(short-circuit)이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 전극(210) 상에 유전 물질 층(dielectric layer)을 배치할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 이러한 전기적 단락을 방지할 수 있는 다른 수단 및/또는 구성이 이용될 수 있다.
전극(210)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극(210)은 크롬(Cr)과 같은 금속을 포함할 수 있다. 전극(210)은 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)가 구동될 때 소정의 정전하를 가질 수 있고, 그 결과 캔틸레버보(220)에 대해 전압차를 형성할 수 있다.
캔틸레버보(220)는 전극(210) 상에 배치될 수 있고, 일단이 고정될 수 있다. 따라서, 캔틸레버보(220)는 전극(210)과 전자기적 상호작용을 할 수 있고, 그 결과 타단이 전자기력에 의해 움직일 수 있다. 실시예에 따라, 캔틸레버보(220)의 일단은 고정 부재인 앵커(230)에 의해 고정될 수 있다.
캔틸레버보(220)는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 여기서, 캔틸레버보(220)에 포함된 각 층은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버보(220)는 티타늄(Ti)을 포함하는 제1 층 및 금(Au)을 포함하는 제2 층을 포함할 수 있다. 실시예에 따라 본 발명의 실시예에 따른 멀티모프 캔틸레버보(220)를 구성하는 복수의 물질층 중 적어도 하나는 금속을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 멀티모프 캔틸레버보(220)는 복수의 물질층 중 적어도 하나의 층은 금속층일 수 있다.
캔틸레버보(220)는 응력 특성이 상이한 복수의 층들에 기초하여 제1 방향으로 휠 수 있다. 이때, 제1방향은 도4에서 자유단이 전극(210)과 멀어지는 방향일 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버보(220)이 티타늄을 포함하는 제1 층과 금을 포함하는 제2 층으로 구성되어 있을 경우, 제1 층과 제2 층 사이의 응력차에 기초하여 캔틸레버보(220)는 소정의 방향(즉, 제1 방향)으로 휠 수 있다. 그 결과, 캔틸레버보(220)는 휘어있는 형상의 초기 상태를 가질 수 있다.
캔틸레버보(220)는 정전기력에 의해 제2 방향으로 구동될 수 있다. 여기서, 제2 방향은 제1 방향과 실질적으로 반대되는 방향일 수 있으며, 예컨대 자유단이 전극(210)으로 향하는 방향일 수 있다. 캔틸레버보(220)가 갖는 전압과 전극(210)이 갖는 전압 사이의 차이에 기초하여 움직일 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버보(220)와 전극(120) 사이의 전압차가 소정의 구동 문턱전압 미만일 때 초기 상태에 위치할 수 있고, 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이의 전압차가 구동 문턱전압 이상일 때 제2 방향으로 움직일 수 있다.
도 4에 예시된 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 도 1에 예시된 종래의 캔틸레버 구조체(100)와 유사하며 이하에서는 그 차이점을 위주로 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)의 전극(210)은 도 4에 예시된 바와 같이 패터닝(patterning)되어 있을 수 있다. 도 4에 도시된 전극(210)은 일 예시일 뿐이며 실시예, 목적 및/또는 필요 동작에 따라서 다른 방식으로 구현될 수 있다.
도 5는 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)의 측면도이다. 도 5 및 도 4에 예시된 바와 같이, 전극(210)은 앵커(230)로부터 캔틸레버보(220)가 연장되는 방향과 동일한 길이 방향에서 서로 이격되는 구간이 포함되도록 패터닝될 수 있다. 보다 구체적으로, 캔틸레버보(220)가 풀인될 때 전극(210)과 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 전극(210)은 앵커(230)로부터 멀어지는 방향, 즉 길이 방향에서 서로 이격된 구간을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 실시예에 따라 전극(210)은 상기 일부 영역에서 분절된 복수의 부분전극(211, 212, 213, 214)을 포함할 수 있다. 인접한 부분전극(211, 212, 213, 214) 사이는 거리 d로 이격되어 있을 수 있다. 이때, 각 이격거리는 서로 동일할 수 있으나 실시예에 따라 다르게 설계될 수 있다. 예컨대, 제1부분전극(211)과 제2부분전극(212) 사이의 이격 거리와, 제2부분전극(212)과 제3부분전극(213) 사이의 이격거리는 서로 동일하게 또는 서로 다르게 형성될 수 있다. 이러한 이격 거리는 실시예 및/또는 필요 동작에 따라 다르게 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 캔틸레버보(220)가 풀인될 때 전극(210)과 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 전극(210)은 갭(gap)을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 이때, 갭은 전극(210) 물질이 형성되지 않은 구멍(hole)을 포함할 수 있다. 이러한 갭의 일 예시가 도 9에 도시되어 있다.
도 5에서는 전극(210)이 기판(240) 상에 형성 및 패터닝된 것이 예시된다. 이때, 기판(240)는 실시예에 따라 다양한 물질 및/또는 제조 방법에 따라 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 전극(210)은 기판(240)상에 형성된 후 패터닝되거나 기판(240)상에 패터닝된 형상의 전극(210)이 직접 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 몰티모프 캔틸레버 구조체(200)는 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이에 전압이 인가되지 않은 때, 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같은 초기 상태를 가질 수 있다. 또는, 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이에 전압이 인가되지 않거나 캔틸레버보(220)가 1차 풀인되기 위한 1차 문턱전압 미만의 전압이 인가된 때 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 초기 상태를 가질 수 있다. 도 5에 예시된 바와 같이, 캔틸레버보(220)의 자유단 종단의 전극(210)에 대한 높이(h)는 자유단의 종단에서 전극(210)으로 수직선을 그었을 때 그 수직선의 길이를 지칭할 수 있다. 초기 상태에서 상기 높이(h)는 가장 큰 값을 가지면 최종 풀인 상태에서 0의 값을 가질 수 있다.
도 6은 도 4에 예시된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)에서 1차풀인이 발생한 상태를 예시한다. 도 6에 예시된 바와 같이 전극(210)과 캔틸레버보(220) 사이에 소정 전압이 인가되면, 멀티모프 캔틸레버보(220)의 풀인 특성에 의해 캔틸레버보(220)의 일부 길이(Lm1)에 대해서 풀인이 발생한다. 1차 풀인이 발생하기 위해서 전극(210)과 캔틸레버보(220) 사이에는 1차 문턱전압 이상의 크기를 갖는 전압으로서 2차 풀인이 발생하기 위한 2차 문턱전압 미만의 크기를 갖는 전압이 인가된 때, 도 6에 예시된 바와 같은 1차 풀인 상태를 유지할 수 있다.
일반적인 종래의 전극(110)을 이용하는 경우라면, 이후 연쇄작용에 의해 캔틸레버보(220)의 나머지 길이에 대해서도 연쇄적으로 풀인이 발생한다. 하지만, 본원의 실시예에 따른 패터닝된 전극(210)을 이용함으로써, 부분전극(211, 212, 213, 214, 215) 사이의 갭(gap) 또는 이격거리로 인해 풀인의 연쇄작용이 방해받게 된다. 즉, 이미 인가된 소정 전압만으로는 캔틸레버보(220)와 전극(210) 사이에 이격 거리(d) 또는 갭을 극복할 정도의 정전기력이 형성될 수 없는 것이다. 따라서, 도 6에 예시된 바와 같이 상기 소정 전압을 인가한 경우, 멀티모프 캔틸레버보(220)의 일부 길이(Lm1)에 대해서만 풀인이 발생한 중간 상태를 가지게 된다. 이후, 상기 소정 전압보다 높은 전압이 인가된 때 다음 단계의 풀인 연쇄작용이 발생할 수 있다. 이때, 상기 소정 전압보다 높은 전압은 2차 풀인이 발생하기 위한 2차 문턱전압 이상의 크기를 갖는 전압일 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 전극(210)을 예시한다. 도 7에서 전극(210)은 앵커(230)로부터 멀어지는 길이 방향에서 동등하게 거리(d)로 이격된 부분전극(211, 212, 213, 214)을 포함하여 구성되는 것이 예시된다. 이때, 각 부분전극(211, 212, 213, 214)은 전도성 커넥션 물질(211C, 212C, 213C, 214C)을 통해 구동 전압 인가를 위한 전도성 공통부(210A)에 연결되어 있다. 실시예에서 전도성 공통부(210A)는 구동부(미도시)로부터의 구동 전압을 각 부분전극(211, 212, 213, 214)에 전달하도록 구성될 수 있다. 실시예에 따라 각 부분전극(211, 212, 213, 214)은 전도성 커넥션 물질(211C, 212C, 213C, 214C)을 통해 직접 구동부(미도시)에 연결되도록 구성될 수도 있다.
도 8은 도 7에 예시된 전극(210)을 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)에 인가되는 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 8에서 시뮬레이션은 초기 상태에서 캔틸레버보(220)의 자유단의 종단(tip) 높이(h)가 36μm 및 32μm인 경우 각각에 대해서 수행되었다. 도 8을 참조하면, 9V, 19V 및 26V에서 총 3번의 풀인이 구현된 것을 알 수 있다. 여기서, 1차 문턱전압이 9V, 2차 문턱전압이 19V 및 3차 문턱전압이 26V임을 알 수 있다.
초기 상태에서 캔틸레버보(220)의 종단 높이(h)가 32μm인 경우에, 각각의 풀인 전압의 인가에 따라 종단 높이(h)가 25μm, 14μm 및 0μm에서 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 초기 상태에서 캔틸레버보(220)의 종단 높이(h)가 36μm인 경우에, 각각의 풀인 전압의 인가에 따라 종단 높이(h)가 27μm, 15μm 및 0μm에서 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 갭/이격거리를 갖도록 패터닝된 전극(210)을 포함하여 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 구성함에 따라, 기존의 멀티모프 캔틸레버가 두 가지 상태(초기 상태 및 풀인 상태)만을 갖는 한계를 극복할 수 있다. 이때, 전극(210)의 패턴에 따라 다양한 개수의 중간 단계를 구현할 수 있다. 예컨대, 전극(210)을 구성하는 부분전극(211, 212, 213, 214)의 개수, 부분전극 사이의 이격거리, 부분전극(211, 212, 213, 214)의 너비, 부분전극(211, 212, 213, 214)의 형상 및/또는 각 단계마다 인가되는 전압의 크기에 따라 초기 상태와 최종 풀인 상태 사이에 적어도 하나 이상의 중간 단계 상태를 구현할 수 있다.
본 명세서에서 초기 상태를 제1상태로 지칭하고 최종 풀인 상태를 제2상태로 지칭할 수도 있다. 또한, 이때, 중간 상태는 제1상태와 제2상태 사이의 상태일 수 있다. 이때, 각 상태를 유지하는 것은 동일한 상태에서 인가되는 전압의 변화가 없을 때 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)가 동일 상태에서 머무는 것을 의미할 수 있다. 이전 문턱전압 이상 및 다음 문턱전압 미만의 범위 내에서 인가되는 전압이 변화하더라도 각 상태는 유지될 수 있다. 하지만, 도 3에 예시된 바와 같이 소정 문턱전압 이상의 전압이 인가된 때 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)의 캔틸레버보(120)는 1차 풀인 상태가 되지만 연쇄작용에 따라 더 이상의 전압 변화가 없음에도 곧바로 2차 풀인 상태로 변화하는 바, 이 경우에는 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(100)가 1차 풀인 상태로 유지된다고 할 수 없다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체의 구현예이다. 도 9는 단계적 구동이 가능한 바이모프(bimorph) 캔틸레버 구조체를 실제 제작한 결과를 도시한다. 도 9의 우측 상단에 제작된 앵커(230)와 패터닝된 전극(210)이 도시된다. 전극(210)은 앵커(230)로부터 연장되는 길이 방향에서 갭을 포함하여 형성되는 3개의 부분전극으로 구성되고, 앵커(230)로부터 가장 가까운 제1부분전극(211) 및 제2부분전극(212)의 길이는 20μm로 동일하고, 제1부분전극(211)과 제2부분전극(212) 사이의 이격 거리(d)는 5μm이고 제2부분전극(212)과 제3부분전극(213) 사이의 이격 거리(d)는 7μm로 형성되어 있다. 또한, 전극(210)에서 갭이 형성되는 폭은 30μm의 수치를 갖는다. 부분전극 사이의 이격 갭은 양 가장자리가 앵커(230)로부터 멀어지는 방향으로 더 패인 형상을 갖도록 제작되었다.
도 10은 도 9에 예시된 구현예에 인가된 전압에 따른 캔틸레버보의 변위를 나타내는 실험 결과를 나타낸다. 도 9와 같이 제작된 본 발명의 실시예에 따른 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에 구동 전압을 0V부터 점진적으로 증가시켜 인가하면서 캔틸레버보(220)의 종단 높이(h)를 측정하였다. 구동 전압 0V-21V까지는 종단 높이(h)가 대략 49μm에서 초기 상태로 유지되고, 구동 전압 21V-25V까지는 종단 높이(h)가 대략 25μm에서 제1중간상태로 유지되고, 구동전압 25V-29V까지는 종단 높이(h)가 대략 10μm에서 제2중간상태로 유지되고, 마지막으로 구동전압 29V 이상에서는 종단 높이(h)가 0μm에서 최종상태로 유지된다. 이때, 최종상태는 캔틸레버보(220)가 전극(210)에 완전히 풀인된 상태일 수 있다. 제1상태 및 제2상태는 초기 상태와 최종 상태 사이의 중간 단계의 상태일 수 있다.
도 9에 예시된 바와 같이 3개의 영역으로 나눠진 (2개의 갭) 패터닝된 전극(210)의 역할로 인해 도 9에서 제작된 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)는 4개의 안정적인 상태를 갖도록 동작함이 도 10을 통해 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 전극(210)을 패터닝하는 방법은 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)의 불연속적 구동을 위한 일 예시이며, 실시예에 따라 다양한 방식으로 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 구현할 수 있다. 예컨대, 멀티모프 캔틸레버의 물질 변화, 구조 변화, 멀티모프 캔틸레버보(220)의 제작시 형성되는 희생층으로서 캔틸레버보(220)가 그 위에 형성된 후 제거되는 희생층의 두께 변화 등 다양한 방법을 통해 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체(200)를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 아래와 같은 방식이 이용될 수 있다.
1. 길이 방향으로 곡률이 변화하도록 멀티모프 캔틸레버보를 구성할 수 있다. 예컨대, 앵커로부터 멀어질수록 멀티모프 캔틸레버보 휘어짐이 더욱 커지도록, 즉 곡률이 증가하도록 멀티모프 캔틸레버보를 구성하는 복수의 층을 조절할 수 있다. 2. 전술한 1번의 방식과 동일한 결과, 즉 길이 방향으로 곡률이 변화하도록 멀티모프 캔틸레버보를 구성하는 물질을 길이 방향에서 변화시킬 수 있다. 3. 멀티모프 캔틸레버보의 하부에 배치되는 전극을 편평하지 않게 높이 차를 갖도록 구성할 수 있다. 전극이 앵커로부터 길이 방향에서 서로 다른 높이를 갖도록 구성되면 단계마다 전극과 멀티모프 캔틸레버보 사이에 서로 다른 정전기력이 발생할 수 있다. 예컨대, 앵커에서 멀어질수록 전극의 높이를 낮게 구성할 수 있다. 4. 제작시 멀티모프 캔틸레버보 하부에 형성되는 희생층을 편평하지 않게 높이 차를 갖도록 구성할 수 있다. 이 경우 3번 방식과 마찬가지로 단계마다 멀티모프 캔틸레버보와 전극 사이에 서로 다른 정전기력이 발생할 수 있다. 5. 전극의 형태 또는 모양을 변화시켜 단계마다 멀티모프 캔틸레버보와 전극 사이에 형성되는 정전기력이 달라지도록 구성할 수 있다. 6. 기계적인 방해물을 제작하여 멀티모프 캔틸레버보의 연쇄적인 풀인 동작이 멈추도록 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 형성할 수 있다.
본 명세서에서 언급된 초기 상태와 최종 상태는 실시예에 따라 서로 반대의 상태를 지칭할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 따른 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 도면을 참조하여 설명하였지만, 상기 설명은 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 및 변경될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면 단계적 구동이 가능한 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체를 제공할 수 있다.
멀티모프 캔틸레버는 매우 간단한 구조를 가지고 공정의 편리성과 쉬운 구동 방법을 가지므로 다양한 영역에 응용될 수 있다. 특히, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버는 다른 정전구동기와 달리 매우 큰 구동 변위를 가지고 있기 때문에 디스플레이 또는 커패시터 등의 영역에 적극적으로 응용될 수 있다. 하지만, 정전구동기의 특징인 풀인 형상으로 인해 단지 두 가지 상태(초기 상태 및 구동 상태(풀인 상태))만을 가질 수 있다는 점은 정전구동식 멀티모프 캔틸레버의 활용에 큰 한계로 인식되어 왔다.
본 발명에 따를 경우 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체에서 초기 상태와 풀인 상태 사이에 적어도 하나 이상의 중간 단계를 매우 간단한 방법으로 구현할 수 있어, 멀티모프 캔틸레버의 폭넓은 응용을 기대할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
100, 200: 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체
110, 210: 전극
120, 220: 캔틸레버보
130, 230: 앵커
240: 기판

Claims (8)

  1. 전극; 및
    상기 전극 상에 배치되고, 고정된 일단과 이동 가능한 자유단을 가지며 정전기력에 의해 구동되는 멀티모프 캔틸레버보(cantilever beam);를 포함하며,
    상기 멀티모프 캔틸레버보는:
    상기 전극과 상기 멀티모프 캔틸레버보 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 제1값으로 유지되는 제1상태; 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 다른 제2값으로 유지되는 제2상태; 및 상기 전극에 대한 상기 자유단의 종단 높이가 상기 제1값과 상기 제2값 사이의 값으로 유지되는 중간 상태를 가지는,
    정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1상태에서 상기 전압의 크기는 상기 중간 상태로 이동하기 위한 문턱전압 미만인, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1상태는 상기 자유단이 상기 전극으로부터 멀어지는 방향으로 휘어진 상태이고,
    상기 제2상태는 상기 멀티모프 캔틸레버보가 상기 전극에 포개진 상태인, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 상태에서 상기 전압의 크기는, 상기 제1상태에서 상기 전압의 크기와 상기 제2상태에서 상기 전압의 크기 사이의 크기를 갖는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멀티모프 캔틸레버보는 적어도 하나 이상의 상기 중간 상태를 갖는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 적어도 하나 이상의 갭(gap)을 포함하는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 자유단이 상기 전극 방향으로 이동한 때 상기 멀티모프 캔틸레버보와 상기 전극이 포개어지는 영역 중 적어도 일부 영역에서 상기 일단으로부터 상기 자유단으로 연장되는 방향으로 이격된 복수의 부분전극을 포함하는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멀티모프 캔틸레버보의 상기 일단이 고정되는 앵커를 더 포함하는, 정전구동식 멀티모프 캔틸레버 구조체.
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