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KR100861343B1 - 압전 회절형 광 변조 장치 및 그 방법 - Google Patents

압전 회절형 광 변조 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR100861343B1
KR100861343B1 KR1020060081848A KR20060081848A KR100861343B1 KR 100861343 B1 KR100861343 B1 KR 100861343B1 KR 1020060081848 A KR1020060081848 A KR 1020060081848A KR 20060081848 A KR20060081848 A KR 20060081848A KR 100861343 B1 KR100861343 B1 KR 100861343B1
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KR
South Korea
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piezoelectric
luminance
light
micromirror
diffraction type
Prior art date
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안승도
유로프 빅토르
렙척 아나톨리
정종필
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삼성전기주식회사
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Publication date
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Abstract

압전 회절형 광 변조 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 예에 따른 압전 회절형 광 변조 장치는 인가 전압에 상응하여 동작하여 입사광을 변조하는 마이크로 미러를 포함하는 압전 회절형 광 변조기; 상기 마이크로 미러의 동작을 위하여 인가되는 인가 전압의 정보, 상기 인가 전압 정보에 상응하여 상기 마이크로 미러가 반사하는 입사광에 대한 회절광의 휘도 정보를 정하는 저장부; 상기 인가 전압 정보 및 상기 휘도 정보를 읽고 동일한 휘도에 대응되는 k(임의의 자연수)개의 전압 정보에 상응하는 상기 영상제어신호를 일정한 주기로 반복하여 생성하는 판단부; 및 상기 영상제어신호를 수신하여 상기 마이크로 미러를 동작하기 위한 상기 인가 전압을 생성하는 드라이버 IC를 포함한다.
본 발명에 따르면, 압전 회절형 광 변조기의 리본을 일정한 주기로 소정의 위치 사이를 왕복하게 함으로써 동일한 휘도를 가지는 영상을 투사할 수 있다.
멤스, 광 변조기, 인쇄회로기판, 캡, 드라이버 IC

Description

압전 회절형 광 변조 장치 및 그 방법{Spatial Optic Modulator and method thereof using Piezoelectric Material}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기 일부분의 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기 일부분의 사시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM)의 평면도.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블랙 레벨을 가지는 마이크로 미러의 리본-바닥간의 거리와 휘도의 관계를 나타낸 그래프.
도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블랙 레벨을 가지는 마이크로 미러의 인가 구동 전압과 리본-바닥간의 거리의 관계를 나타낸 그래프.
도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블랙 레벨을 가지는 마이크로 미러에서 리본-바닥간의 거리를 나타낸 도면.
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화이트 레벨을 가지는 마이크로 미러의 리본-바닥간의 거리와 휘도의 관계를 나타낸 그래프.
도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화이트 레벨을 가지는 마이크로 미러의 인가 구동 전압과 리본-바닥간의 거리의 관계를 나타낸 그래프.
도 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화이트 레벨을 가지는 마이크로 미러에서 리본-바닥간의 거리를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM) 모듈 패키지의 분해 사시도.
도 7는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균일한 휘도를 유지하는 압전 회절형 광 변조 장치에 대한 개념도.
본 발명은 압전 회절형 광 변조 장치에 관한 것으로, 특히 일정한 휘도를 유지하는 압전 회절형 광 변조 장치에 관한 것이다.
광 변조기는 광섬유를 또는 광주파수대(光周波數帶)의 자유공간을 전송매체로 하여 송신기에서 신호를 빛에 싣는 회로 또는 장치이다. 광 변조기는 광 메모리, 광 디스플레이, 프린터, 광 인터커넥션, 홀로그램 등의 분야에 사용되며, 현재 이를 이용한 표시장치의 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.
종래의 광학 시스템은 크고 무거운 광학대 위에 미러, 렌즈 등을 조립기구를 이용하여 시스템을 구성한다. 결국, 이렇게 구성한 광학 시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 정밀한 스케이지를 이용하여 광축 및 반사각, 반사면 등을 정밀하게 정렬해야 하는 문제점이 있었다.
이에 대하여, 소형화 기술에 의하여 광학 시스템을 구현하고자 하는 시도가 일어났다. 이러한 소형화 기술을 멤스((MEMS: Micro Electro Mechanical System)이라 하며 초소형 전기기계시스템 또는 소자라고 부를 수 있다. 그 응용의 하나로서 광학 분야에 응용되고 있다.
마이크로 머시닝 기술을 이용하면 1mm보다 작은 광학부품을 제작할 수 있으며, 이러한 기술을 이용하여 초소형 광 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 마이크로 프레넬 렌즈, 빔스플리터, 45˚ 반사 미러 등을 마이크로머시닝 기술로 제작하여 조립할 수 있다. 더 나아가 마이크로 머시닝 기술이 이용되는 분야는 다양하다. 예를 들면, 차량용 각종 센서, 잉크젯 프린터 헤드, HDD 자기 헤드 및 소형화 및 고기능화가 급진전되고 있는 휴대형 통신기기 들을 들 수 있다.
특히, 초소형 광 시스템은 빠른 응답속도와 작은 손실, 집적화 및 디지털화로의 용이성 등의 장점으로 인하여 정보통신장치, 정보 디스플레이 및 기록장치에 채택되어 응용되고 있다. 예를 들면, 마이크로 미러, 마이크로 렌즈, 광섬유 고정대 등의 마이크로 광학 부품은 정보 저장 기록 장치, 대형 화상 표시장치, 광 통신소자, 적응 광학에 응용할 수 있다.
한편으로 대형 화상에 대한 요구는 날이 갈수록 커지고 있다. 각종 회의나 전시회에서는 현란한 색의 그림과 사진, 동화상으로 회의 참가자나 관람객들에게 강한 인상을 주고 있다. 여러 사람이 동시에 자신의 책상에 있는 자료를 볼 수 있을 정도로 밝은 장소에서 대형화상을 보면서 회의를 할 수 있는 것은 대형 화상 표시 장치가 등장하면서부터 이다.
현재 대부분의 대형 화상 표시장치(주로 프로젝터)는 액정을 광스위치로 사용하고 있다. 과거의 CRT 프로젝터에 비해서는 소형이고 가격도 저렴하고 광학계도 간단하여 많이 사용되고 있다. 그러나, 광원으로부터의 빛이 액정판을 투과하여 스크린에 비춰지므로 광손실이 많다는 것이 단점으로 지적되고 있다.
최근에는 광효율이 개선되었지만 근본적인 투과시의 효율저하를 피할 수 없다. 이런 광효율을 개선하고 보다 선명한 상을 얻기 위하여 마이크로 미러를 사용하여 대형 화상을 표시하는 장치가 시판되고 있다.
마이크로 미러는 상하 방향, 회전 방향등의 동적 및 정적인 운동에 따라 여러 가지로 응용된다. 상하방향의 운동은 위상 보정기나 회절기 등으로 응용되고, 회전방향의 운동은 스캐너나 스위치, 광 신호 분배기, 광 신호감쇠기, 광원 어레이 등으로 응용된다. 마이크로 미러는 응용에 따라 크기와 개수가 다양하게 제작될 수 있으며, 동작 방향 및 동작 형태에 다라 그 응용의 분야가 달라진다. 물론 그에 따른 마이크로 미러의 제작방식도 달라질 수 있다.
이러한 마이크로 미러가 응용된 대표적인 일 예로, 반사형 변형 가능 격자 광 변조기를 들 수 있다. 이러한, 광 변조기는 미국특허번호 제 5,311,360호에 개시되어 있다. 그러나, 반사형 변경 가능 격자 광 변조기는 마이크로 미러의 위치 제어를 위해서 정전기 방식을 이용하는데, 이의 경우 동작 전압이 비교적 높으며 (보통 30V 내외) 인가전압과 변위의 관계가 선형적이지 않은 등의 단점이 있어 결과적으로 광을 조절하는데 신뢰성이 높지 않는 단점이 있다.
이러한 문제점을 극복하고 비교적 작은 인가 전압에 선형적으로 동작하는 압전 회절형 광 변조기가 제안되었다. 압전 회절형 광 변조기는 하부 기판 반사 표면과 상부 리본의 반사 표면 사이의 간격을 이용하여 원하는 영상의 광량(또는 휘도)을 조절하는 광 변조기이다. 특히, 광 변조기를 구성하는 리본의 위치를 변경하는 지지대는 압전체로 구성되어 있다. 즉, 압전체에 인가되는 구동 전압에 상응하여 리본의 위치는 변동되며 이에 따라 입사된 광을 조절하여 변조하는 광 변조기이다.
압전 회절형 광 변조 소자의 경우, 이론적으로는 동일한 구동 전압이 압전체에 인가되면 압전체에 결합되어 지지되는 리본은 하부 기판 반사 평면과 일정한 거리를 유지하여야 한다. 하지만, 압전체에 지지되는 리본은 기계적인 스트레스 등으로 인하여 일정한 위치를 유지하지 못하고 점점 위치가 하부 기판 반사 평면과 멀어지게 된다.
결국, 일정 시간 이상의 영상을 계속 유지해야 하는 경우 동일한 영상이 투사되지 못하고 왜곡된 영상(예를 들어 일정한 휘도를 유지하지 못하고 휘도가 변경되어 투사되는 경우)이 스크린에 맺히는 문제점이 있다.
본 발명은 동일한 영상이 투사될 수 있도록 리본이 일정한 두 위치를 주기적으로 반복하여 동작하도록 하는 압전 회절형 광 변조 장치를 제공한다.
또한, 동일한 영상이 변형되지 않고 투사됨으로 선명한 영상을 투사하는 압전 회절형 광 변조 장치를 제공한다.
또한, 일정 시간 이상의 경우 발생하는 영상의 잔상을 줄일 수 있는 압전 회절형 광 변조 장치를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하고 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 압전 회절형 광 변조 장치는 인가 전압에 상응하여 동작하여 입사광을 변조하는 마이크로 미러를 포함하는 압전 회절형 광 변조기; 상기 마이크로 미러의 동작을 위하여 인가되는 인가 전압의 정보, 상기 인가 전압 정보에 상응하여 상기 마이크로 미러가 반사하는 입사광에 대한 회절광의 휘도 정보를 정하는 저장부; 상기 인가 전압 정보 및 상기 휘도 정보를 읽고 동일한 휘도에 대응되는 k(임의의 자연수)개의 전압 정보에 상응하는 상기 영상제어신호를 일정한 주기로 반복하여 생성하는 판단부; 및 상기 영상제어신호를 수신하여 상기 마이크로 미러를 동작하기 위한 상기 인가 전압을 생성하는 드라이버 IC를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 마이크로 미러는 상기 인가 전압에 상응하여 수축/팽창 동작을 수행하는 압전체; 및 상기 압전체의 수축/팽창에 상응하여 그 위치가 변경되어 상기 입사광을 변조하는 리본을 포함할 수 있다.
물론, 상기 k 는 2 일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 압전 회절형 광 변조 장치에서의 상기 판단부는 상기 마이크로 미러가 일정시간 이상 동안 입사광에 대한 동일한 휘도를 나타내는 회절광을 반사하는 경우 상기 동일한 휘도에 대응되는 k(임의의 자연수)개의 전압정보에 상응하는 상기 영상제어신호를 일정한 주기로 반복하여 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서의 압전 회절형 광 변조 방법은 압전 회절형 광 변조기에 포함된 각 마이크로 미러에 일정한 범위의 인가전압을 순차적으로 인가하는 단계; 입사광을 반사하는 상기 각 마이크로 미러의 휘도 변화를 측정하는 단계; 측정된 휘도로부터 동일한 휘도 정보에 상응하는 상기 인가 전압 정보를 테이블을 생성하고 저장부에 기록하는 단계; 압전 회절형 광 변조 장치를 동작하는 경우, 상기 저장부에 저장된 휘도에 상응하는 k(임의의 자연수)개의 전압을 일정한 주기로 반복하여 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 장치에 대한 설명에서 상술한 바와 같이 방법에 있어서도 상기 k 는 2 일 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 특정 실시예들은 발명을 구체화하고 발명의 기술적 사상을 더욱 명확하게 하기 위한 예일 뿐이며 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
광 변조기는 크게 직접 광의 온/오프를 제어하는 직접 방식과 반사 및 회절을 이용한 간접 방식으로 나뉘며, 또한 간접 방식은 정전기 방식과 압전 방식으로 나뉠 수 있다.
특히, 미국특허번호 제5,311,360 호에 개시된 정전 구동 방식 격자 광 변조기는 반사 표면부를 가지며 기판 상부에 부유하는 다수의 변경 가능한 반사형 리본을 포함한다.
먼저, 절연층이 실리콘 기판상에 증착되고 이산화실리콘 막 및 질화실리콘 막의 증착한다. 여기서, 질화실리콘 막은 리본으로 패터닝되고 이산화 실리콘층의 일부가 에칭되어 리본이 질화물 프레임에 의해 산화물 스페이서 층상에 유지되도록 한다. 단일 파장 λ0를 가진 광을 변조시키기 위해, 변조기는 리본의 두께와 산화물 스페이서의 두께가 λ0/4가 되도록 설계된다.
리본상의 반사 표면과 기판의 반사 표면 사이의 수직 거리 d로 한정된 변조기의 격자 진폭은 리본(제1 전극으로서의 역할을 하는 리본의 반사 표면)과 기판(제2 전극으로서의 역할을 하는 기판 하부의 전도막)사이에 전압을 인가함으로써 제어된다.
하지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기는 리본의 반사 표면과 기판의 반사 표면 사이의 수직 거리를 이용하여 영상을 제어하는 동일한 원리를 적용하나 리본의 위치 동작 제어를 위하여 압전체를 이용하는 점에서 차이점이 있다. 특히, 압전체에 인가되는 전압에 상응하여 리본의 위치가 변동되며 이에 상응한 광량(또는 휘도)를 가지는 영상을 투사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기 일부분의 사시도이며 도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시에 따른 압전 회절형 광 변조기 일부분의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(110, 210), 절연층(120, 220), 희생층(130, 230), 리본 구조물(140, 240)및 압전체(150, 250)를 포함하는 압전 회절형 광 변조 소자가 도시되어 있다. 즉, 광 변조기는 m(m은 임의의 자연수)개의 압전 회절형 광 변조 소자(마이크로 미러)를 포함하여 구성될 수 있다.
기판은(110, 210)은 일반적으로 사용되는 반도체 기판이며, 절연층(120, 220)은 식각 정지층(etch stop layer)으로 증착되며, 희생층(130,230)으로 사용되는 물질을 식각하는 에천트(여기서 에천트는 식각 가스 또는 식각 용액임)에 대해서 선택비가 높은 물질로 형성된다.
여기서, 절연층(120, 220) 상에는 입사광을 반사하기 위해 반사층(120(a), 220(a))이 형성될 수 있다.
희생층(130, 230)은 리본 구조물(140, 240)이 절연층(120, 220)과 일정한 간 격으로 이격되어 부유될 수 있도록 양 사이드에서 리본 구조물(140, 240)을 지지하고, 중심부에서 공간을 형성하는 역할을 한다.
리본 구조물(140, 240)은 절연층(120, 220)과의 거리를 변화되도록 상하동작을 함으로써 입사광의 회절 및 간섭을 일으켜서 신호를 광변조하는 역할을 한다. 즉, 압전체(150, 250)에 인가되는 정전기적 신호는 리본 구조물(140, 240)을 동작을 유도하게 되며 리본의 동작에 상응하여 입사광은 별개의 휘도를 발생한다. 여기서, 리본 구조물(140, 240)의 형태는 상술한 바와 같이 정전기 방식에 따라 복수의 리본 형상으로 구성될 수도 있고, 압전 방식에 따라 리본의 중심부에 복수의 오픈 홀을 구비할 수도 있다.
또한, 압전체(150, 250)는 리본 및 바닥 전극간의 전압차에 의해 발생하는 상하 수축/팽창 동작 또는 좌우 수축/팽창 동작에 따라 리본 구조물(140, 240)을 움직이도록 제어한다.
반사층(120(a), 220(a))은 리본 구조물(140, 240)에 형성된 홀(140(b), 240(b))에 상응하도록 형성한다.
예를 들어, 빛의 파장이 λ인 경우 어떠한 전압도 인가되지 않거나 또는 소정의 전압이 인가된 상태에서 리본 구조물(140, 240)에 형성된 리본 반사층(140(a), 240(a)과 바닥 반사층(120(a), 220(a))이 형성된 절연층(120, 220)간의 간격은 nλ/2(n은 자연수)와 같다.
따라서 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 리본 반사층(140(a), 240(a))에서 반사된 광과 절연층(120, 220)으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 회절광은 최대 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 휘도는 상쇄 간섭에 의해 최소값을 가진다.
또한, 상기 인가된 전압과 다른 소정의 전압이 압전체(150, 250)에 인가될 때, 리본 구조물에 형성된 리본 반사층(140(a), 240(a))과 바닥 반사층(120(a), 220(a))이 형성된 절연층(120, 220)간의 간격은 (2n+1)λ/4(n은 자연수)와 같게 된다. 따라서, 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 리본 반사층(140(a), 240(a))에서 반사된 광과 절연층(120, 220)의 바닥 반사층(120(a), 220(a))으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2와 같아서 상쇄 간섭을 하여 회절광은 최소 휘도를 가진다.
여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대값을 가진다. 이러한 간섭의 결과, 광 변조기는 반사 또는 회절광의 광량을 조절하여 신호를 빛에 싣고 전달할 수 있다.
이상에서는, 리본 구조물(140, 240)과 바닥 반사층(120(a), 220(a))이 형성된 절연층(120, 220) 간의 간격이 nλ/2 또는 (2n+1)λ/4인 경우를 설명하였으나, 입사광의 회절, 반사에 의해 간섭되는 세기를 조절할 수 있는 간격을 가지고 구동할 수 있는 다양한 실시예가 본 발명에 적용될 수 있음은 당연하다.
이하에서는, 상술한 도 1에 도시된 형태의 마이크로 미러를 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM)의 평면도이다.
압전 회절형 광 변조기(SOM)(SOM: Spatial Optic Modulator)는 압전체에 소정의 전압을 인가하여 기판과 리본(Ribbon)간의 거리를 변화시킴으로써 입사된 광량 및 휘도를 조절할 수 있는 광 변조기이다.
도 3을 참조하면, 광 변조기는 m(여기서, m은 임의의 자연수)개의 마이크로 미러들로 구성된다. 상세하게 설명하면, 광 변조기는 각각 제1 픽셀(pixel #1), 제2 픽셀(pixel #2),…, 제m 픽셀(pixel #m)을 담당하는 m개의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m, 이하 100으로 통칭함)를 포함하여 구성된다. 본 발명에서는 하나의 압전 회절형 광 변조 소자가 담당하는 역할이 광의 반사를 위한 마이크로 미러의 역할을 수행하므로 이하에서는 마이크로 미러로 통칭한다.
즉, 광 변조기는 수직 주사선 또는 수평 주사선(여기서, 수직 주사선 또는 수평 주사선은 m개의 픽셀로 구성되는 것을 가정함)의 1차원 영상에 대한 영상 정보를 담당하며, 각 마이크로 미러(100)는 1차원 영상(수직 주사선 또는 수평 주사선)을 구성하는 m개의 픽셀 중 어느 하나의 픽셀들을 담당한다.
따라서, 각 마이크로 미러(100)에서 반사 및 회절된 광은 광 스캔 장치에 의해 스크린에 2차원 영상으로 투사된다.
예를 들어, VGA 640X480 해상도를 가진 영상이 투사되는 경우, 480개의 수직 픽셀(pixels)로부터 반사된 480개의 픽셀은 광 스캔 장치을 통하여 스크린되며 이러한 동작이 광 스캔 장치의 한 면에 대하여 640번 순차적으로 일어남에 따라 640*480의 해상도를 가진 화면 1 프레임이 생성된다. 여기서, 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캔 장치는 육각기둥의 형태를 가지며 회전하는 경우를 가정하고 설명한다.
이하, 광 변조 원리에 대해서는 제1 픽셀(pixel #1)을 담당하는 제1 마이크로 미러를 중심으로 설명하지만 다른 픽셀들에 대해서도 동일한 내용이 적용 가능함을 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리본 구조물(140)에는 2개의 홀(140(b)-1)로 이 형성되며 3개의 리본 반사층(140(a)-1)이 형성된다. 절연층(120)에는 2개의 홀(140(b)-1)에 상응하여 2개의 바닥 반사층(도면에서는 도시되지 않음)이 형성된다. 그리고 제1 픽셀(pixel #1)과 제2 픽셀(pixel #2)사이의 간격에 의한 부분에 상응하여 절연층(120)에는 또 하나의 바닥 반사층이 형성된다. 따라서, 각 픽셀당 리본 반사층(140(a)-1)과 바닥 반사층의 개수는 3개로 동일하게 된다. 즉, 도 1 및 도 2에 대한 설명에서 상술한 바와 같이 0차 회절광 또는 +1 및 -1 차 회절광을 이용하여 변조광을 휘도를 조절하는 것이 가능하다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블랙 레벨을 가지는 압전 회절형 마이크로 미러의 리본-바닥간의 거리와 휘도의 관계를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이 리본-바닥간의 거리가 S2이 되는 순간 입사된 광은 가장 낮은 광량으로 반사됨을 알 수 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 리본-바닥간의 거리와 휘도의 관계는 S2를 기준으 로 대칭되는 그래프를 형성하며 동일한 휘도를 발하는 리본-바닥간의 거리는 2 개 이상씩 존재한다(예들 들어 S1과 S3). 즉, 임의의 영상 중 어느 하나의 픽셀(압전 회절형 마이크로 미러에 상응하는 영상의 단위가 픽셀의 단위이다)에 상응하는 휘도를 발할 수 있는 리본-바닥간의 거리는 두 개 이상씩 존재할 수 있다.
하지만, 종래의 압전 회절형 마이크로 미러는 입사된 영상 중 하나의 픽셀에 상응하는 휘도를 발하기 위하여 두 개의 리본-바닥간의 거리 중 어느 하나(예를 들어 S1)로 선택되며 이에 상응하는 전압이 압전체에 인가된다.
이 경우, 일정 시간 이상 동안 동일한 인가 전압이 압전체에 가해지는 경우, 리본-바닥간의 거리는 시간이 진행함에 따라 변경될 수 있다(예를 들어 리본-바닥간의 거리가 더욱 커질 수 있다). 이는 압전체의 성질, 리본의 중력 등의 원인으로부터 발생할 수 있다. 결국, 동일한 영상의 임의의 픽셀에 대하여 동일한 전압이 인가되었음에도 불구하고 압전체, 리본 등의 변화에 따라 입사된 영상이 동일하게 투사되지 못하게 되거나 일정 시간 이 후에도 이전의 영상의 잔상이 남아서 인식되는 문제가 발생할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블랙 레벨을 가지는 압전 회절형 마이크로 미러의 인가 구동 전압과 리본-바닥간의 거리의 관계를 나타낸 그래프이다.
즉, 리본의 위치를 변경하여 리본-바닥간의 거리를 변경하기 위하여 압전체 에 가해지는 인가 전압을 나타낸 그래프이다. 본 발명의 일 예에서 압전체에 가해지는 인가 전압과 리본-바닥간의 거리의 관계가 선형적으로 표현되어 있으나 비선형적으로 형성될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상으로 비추어 보아 자명하다 할 것이다. 즉, 일정한 휘도를 발할 수 있는 리본-바닥간의 거리는 S1과 S3가 될 수 있으며 이에 상응하여 인가되는 전압은 각각 V1과 V3일 수 있다.
예를 들어, 블랙 레벨에 대하여 인가 전압(V2)이 5[V]인 경우 리본-바닥간의 거리(S2)는 상술한 바와 같이 블랙의 휘도로 입사광이 반사되는 (2n+1)λ/4 일 수 있다. 물론, 블랙 레벨의 인가전압을 중심으로 대칭적으로 인가되는 전압(V1, V3)은 동일한 휘도로 입사광을 반사하는 임의의 전압일 수 있다.
도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블랙 레벨을 가지는 압전 회절형 마이크로 미러에서 리본-바닥간의 거리를 나타낸 도면이다.
즉, 도1 및 도 2에서 설명한 리본과 바닥과의 위치에서 발생하는 거리는 간략하게 도시한 도면이다. 즉, S1의 경우 리본-바닥간의 거리는 작은 값을 가지며 S3의 경우 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, S3에 상응하는 전압을 큰 값을 가질 수 있다(도 4b에서 설명한 바와 같이 V3).
도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화이트 레벨을 가지는 마이크로 미러의 리본-바닥간의 거리와 휘도의 관계를 나타낸 그래프이다.
마이크로 미러를 제작하는 과정에서 리본-바닥간의 거리는 다르게 제작될 수 있다. 이는 제조 공정상에서 정밀도, 구성 물질의 공정상의 현상 등이 원인이 되어 리본-바닥간의 거리는 미세한 차이를 가질 수 밖에 없기 때문이다. 즉, 마이크로 미러는 제작 공정시 인가 전압에 상응하는 휘도의 영역이 블랙 레벨을 중심으로 형성될 수도 있으며 화이트 레벨을 중심으로 제조될 수도 있다.
도 5a의 경우는 도 4a와는 달리 화이트 레벨이 중심으로 휘도 그래프가 분포하는 압전 회절형 마이크로 미러에 대한 그래프이다.
리본-바닥간의 거리는 화이트 레벨인 S2'를 기준으로 S1'과 S3'로 대칭을 이루며 입사된 영상이 반사될 수 있다.
도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화이트 레벨을 가지는 압전 회절형 마이크로 미러의 인가 구동 전압과 리본-바닥간의 거리의 관계를 나타낸 그래프이다. 즉, 리본-바닥간의 거리가 S1', S2'및 S3'에 상응하여 압전체에 인가되는 전압은 V1', V2'및 V3'로 표현될 수 있다.
도 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화이트 레벨을 가지는 압전 회절형 마이크로 미러에서 리본-바닥간의 거리를 나타낸 도면이다.
이하, 도 5a 내지 도 5c의 설명은 도 4a 내지 도 4c에서 설명한 내용과 동일하므로 생략한다.
도 4a 내지 도 5c에서 설명한 본 발명의 일 실시예는 블랙 레벨 또는 화이트 레벨을 기준으로 대칭인 예를 설명하였으나, 입사광에 대하여 동일한 휘도를 가지고 반사할 수 있는 리본-바닥간의 간격은 파장의 길이에 대하여 정수배로 증가할 수 있다.
예를 들어, 리본-바닥간의 거리로 표현되는 S1, S2, S3, S4 및 S5 가 순차적으로 블랙 레벨, 화이트 레벨, 블랙 레벨, 화이트 레벨 및 블랙 레벨의 휘도를 발휘하는 거리인 경우, 임의의 동일한 휘도인 블랙 레벨(S1, S3, 및 S5 )으로 영상을 반사하기 위하여 세 가지의 전압(예를 들어 V1, V3, 및 V5 )이 인가될 수 있다.
다만, 위의 경우는 블랙 레벨을 가정하여 설명하였으나 다양한 레벨의 휘도에 대하여 적용 가능함은 물론이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM) 모듈 패키지의 분해 사시도이다. 도 6을 참조하면, 광 변조기 모듈 패키지(600)는 인쇄회로기판(610), 광 투과성 기판(620), 압전 회절형 광 변조기(630), 드라이버 IC(integrated circuit)(640a 내지 640d), 열방출판(650) 및 커넥터(660)를 포함한다.
인쇄회로기판(610)은 일반적으로 사용되는 반도체 패키지용 인쇄회로기판이며, 광 투과성 기판(620)은 인쇄회로기판(610) 상에 부착된다. 그리고 인쇄회로기판(610)에 형성된 구멍에 대응하여 광 변조기(630)가 광 투과성 기판(620)의 상면에 부착된다.
압전 회절형 광 변조기(630)는 기판(610)의 구멍을 통하여 입사되는 입사광을 변조하여 회절광을 출사한다. 압전 회절형 광 변조기(630)는 광 투과성 기판(620) 상에 플립칩 접속되어 있다. 압전 회절형 광 변조기(630) 주위에 접착제가 형성되어 있어 외부 환경으로부터 밀봉이 제공되고, 광 투과성 기판(620)의 표면을 따라 형성된 전기 배선에 의하여 전기적 접속이 유지된다.
인가되는 전압에 상응하여 각 마이크로 미러는 별도의 입사광을 조절하여 반사할 수 있음을 상술한 바와 같다. 이와 더불어 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각 마이크로 미러에서 입사광이 동일한 휘도를 가지며 반사될 수 있도록 인가되는 전압은 다양하게 정해질 수 있다.
즉, 다양하게 인가된 전압에도 불구하고 마이크로 미러는 입사광을 동일한 휘도를 가지도록 하여 반사할 수 있다. 결국, 동일한 휘도를 발생시키기 위하여 외부에서 전달되는 제어신호는 일정한 주기에 따라 반복적으로 전달될 수 있다. 드라이버 IC(640a 내지 640d)는 광 투과성 기판(620)에 부착된 압전 회절형 광 변조기(630)의 주변에 플립칩 접속되어 있으며, 외부로부터 입력되는 제어신호에 따라 압전 회절형 광 변조기(630)에 구동전압을 제공하는 역할을 한다. 즉, 상술한 바와 같이, 외부에서 전달된 제어신호에 상응하여 일정한 주기로 각 압전 회절형 광 변조기에 대하여 일정한 구동전압을 발생할 수 있다. 물론, 드리이버 IC는 각 마이크로 미러에 상응하여 별도의 회로로 구성될 수 있다.
열방출판(650)은 압전 회절형 광 변조기(630)와 드라이버 IC(640a 내지 640d)에서 발생된 열을 방출하기 위하여 구비되며 열을 잘 방출하는 금속성 물질이 사용된다.
도 6에 도시된 광 변조기 모듈 패키지(600)의 제조방법은 인쇄회로기판(610)에 커넥터(660)를 부착하는 단계, 광 투과성 기판(620)에 압전 회절형 광 변조기(630) 및 드라이버 IC(640a 내지 640d)를 부착시키는 단계, 압전 회절형 광 변조기(630) 주변에 접착제를 도포하여 실링하는 단계, 인쇄회로기판(610)에 광 투과성 기판(620)를 적층하고 와이어 본딩을 수행하는 단계, 압전 회절형 광 변조기(630) 및 드라이버 IC(640a 내지 640d)에 열방출판(650)을 부착하는 단계를 포함하여 이루어진다.
물론, 도 6에 대하여 설명한 압전 회절형 광 변조기 모듈 패키지는 다양한 형태로 구현 가능하며 별도의 구동 원리에 의하여 동작할 수 있음은 본 발명의 기술적 사상으로 비추어 자명하다 할 것이다.
도 7는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조 시스템는 광원(700), 다수의 조명 렌즈부(701, 702), 드라이버 IC(710), 압전 회절형 광 변조기(SOM)(720), 이미지 렌즈부(730), 스캐너(740), 영상 제어부(760)를 포함하여 구성된다.
여기서, 도 7는 소정의 개수의 1차원 형상으로 배열된 압전 회절형 광 변조기(SOM)(720)에 의하여 1차원 영상의 투사를 수행하는 광 변조 시스템을 도시하고 있다. 물론, 스캐너(740)의 회전 운동에 의하여 2차원 영상의 투사를 수행할 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 자명하다 할 것이다.
광원(700)은 소정의 파장을 갖는 영상을 투사할 수 있으며 광원으로부터 출사된 광은 조명 렌즈부(701, 702)를 통하여 광로 방향을 변환하여 압전 회절형 광 변조기(720)에 입사된다.
조명 렌즈부(701, 702)는 광원으로부터 전달된 광의 이동 방향을 변환하여 압전 회절형 광 변조기에 집속하여 전달한다.
드라이버 IC(710)은 영상 제어부(760)에서 전달되는 영상 제어 신호를 수신하여 압전 회절형 광 변조기(720)를 구성하는 각각의 압전 회절형 마이크로 미러에 상응하는 영상 제어 신호를 전달하는 역할을 한다. 각 압전 회절형 마이크로 미러에 상응하여 전달되는 영상제어신호는 별개의 정보를 가지게 된다.
압전 회절형 광 변조기(720)는 전달된 단일 영상 형태의 선형광을 회절시켜 조성의 회절 계수를 갖는 회절 영상으로 형성한 후 스캐너(740)으로 주사시키는 것으로서, 소정의 형상의 박막 및 후막 구조를 갖는 다수의 압전 회절형 마이크로 미러를 포함하여 구성된다.
즉, 압전 회절형 광 변조기(720)는 각각의 압전 회절형 마이크로 미러에 상응한 영상제어신호에 따라 마이크로 미러의 회절의 정도를 제어할 수 있다. 이를 통하여 광원으로부터 전달된 영상(예를 들어 640X480 픽셀 크기를 갖는 영상)을 스캐너에 투사할 수 있다.
압전 회절형 광 변조기는(720)는 도 3에서 설명된 형태와는 달리 다른 형태 로 구성될 수 있음은 물론이다. 즉, 그 용도에 따라 별개로 구성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 예에 따르면, 입사광의 반사 효율을 극대화하기 위한 마이크로 미러(미도시)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
이미지 렌즈부(730)은 압전 회절형 광 변조기(720)으로부터 입사되는 소정의 회절계수를 갖는 회절빔을 스캐너(740) 등에 영상을 전달하는 역할을 수행하는 것으로서, 보다 구체적으로 프로젝션 렌즈이다.
스캐너(740)는 상기 이미지 렌즈부(730)를 통과하여 전달된 영상을 스크린(760)에 반사하는 역할을 한다. 물론, 상술한 바와 같이 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다. 또한, 640X480 해상도를 가지는 영상이 광원으로부터 전달되는 경우 480개의 압전 회절형 마이크로 미러를 포함하는 광 변조기는 한 번에 480개의 수직 픽셀을 스캐너에 투사하며 이러한 작업이 스캐너 한 면당 640번 일어나는 경우 화면 1 프레임이 생성될 수 있다.
영상 제어부(750)는 외부로부터 전달된 영상신호를 우선 광원(700)을 제어하기 위한 광원제어신호, 상기 압전 회절형 광 변조기(SOM)(720)을 구성하는 압전 회절형 변조 소자(또는 마이크로 미러)의 각 동작을 제어하는 영상제어신호 및 스캐너(740)의 회전 및 동작은 제어하는 스캐너 제어신호로 변환하여 생성할 수 있다. 물론, 영상 제어부(750)는 스캐너(740), 압전 회절형 광 변조기(730) 등에 대한 성능을 측정하여 이에 상응하는 제어동작을 유지하는 제어신호를 발생할 수도 있다. 이 경우, 각 동작에 상응하는 신호를 전달받아야 함은 자명하다 할 것이다.
본 발명의 일 예에 따르면 영상 제어부(750)는 상술한 압전 회절형 마이크로 미러에 상응하여 임의의 레벨(예를 들어 블랙 레벨, 화이트 레벨)을 중심으로 동일한 휘도에 상응하는 2 개의 리본-바닥간의 거리를 일정한 주기로 동작하도록 영상제어신호를 생성하여 전달할 수 있다. 영상제어부가 하는 역할에 대해서는 도 8에서 자세하게 설명한다.
상술한 바와 같이, 동일한 휘도를 발생시키는 리본-바닥간의 거리는 다양한 위치에서 나타날 수 있다. 즉, 동일한 휘도에 상응하는 임의 영상 제어 신호는 복수가 될 수 있으며 일정한 주기로 반복할 영상 제어 신호 또한 복수의 영상 제어 신호 중 2개를 선택하여 전달할 수도 있다.
상술한 일정한 주기로 전달된 영상제어신호를 드라이버 IC(710)는 수신하며 이에 상응한 전압을 각 압전 회절형 마이크로 미러에 인가할 수 있다. 이 경우, 입사된 영상은 리본-바닥간의 거리의 주기적인 변경에도 불구하고 동일하게 인식될 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균일한 휘도를 유지하는 압전 회절형 광 변조 장치에 대한 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 압전 회절형 광 변조 장치는 제어부(800), 드라이버 IC(810) 및 압전 회절형 광 변조기(820)를 포함한다.
제어부(800)는 저장부(801) 및 판단부(802)를 포함한다.
저장부(801)는 압전 회절형 광 변조기(820)의 각 마이크로 미러의 동작에 상응하는 인가 전압의 정보, 인가 전압에 상응하여 각 마이크로 미러가 입사광을 반 사하는 휘도 정보(예를 들어 블랙 레벨, 화이트 레벨 등)등이 기록될 수 있다.
물론, 동일한 휘도에 대하여 인가될 수 있는 복수의 인가 전압 정보가 기록될 수 있음 상술한 바와 같다. 또한, 각 마이크로 미러에 상응하여 인가 전압 정보, 휘도 정보 등은 달리 기록될 수 있다.
판단부(802)는 저장부(801)에 기록된 각 마이크로 미러에 상응한 인가 전압 정보, 휘도 정보를 읽고 압전 회절형 광 변조기가 구동되는 경우, 일정한 주기로 동일한 휘도에 상응하는 두 개의 전압을 반복적으로 인가하는 제어신호를 생성하고 전달할 수 있다.
물론, 판단부(802)는 일정한 주기로 동일한 휘도에 상응하는 두 개의 전압을 반복적으로 인가할 지 여부를 판단할 수도 있다. 예를 들어, 일정 기준에 비추어 조건을 만족하는 경우에만, 임의의 하나의 마이크로 미러에 대한 동작을 상술한 방식으로 제어할 수도 있다. 특히, 상기 일정 기준은 일정 시간 이상 동안 입사광을 동일한 휘도로 반사하는 경우일 수 있다.
또한, 판단부(802)는 상기 휘도에 상응하는 두 개의 전압 대신 세 개의 전압을 일정 주기로 변동하여 인가할 수도 있다. 즉, 임의의 k(여기서 k은 자연수)개의 전압들을 선택하여 일정 주기로 변동하여 인가할 수도 있다.
드라이버 IC(810)은 제어부(800)에서 전달된 제어신호를 수신하고 각 마이크로 미러에 상응하는 인가 전압을 생성하는 역할을 수행할 수 있다. 특히, 동일한 휘도에 상응하여 일정한 주기로 인가되도록 제어신호가 전달되는 경우 이에 상응하는 인가 전압을 생성하여 지정된 마이크로 미러에 전달할 수 있다.
압전 회절형 광 변조기(820)는 드라이버 IC(820)에서 전달된 인가 전압에 상응하여 입사광을 반사하는 역할을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시에에 따른 480개의 마이크로 미러가 압전 회절 광 변조기(820)에 포함될 수 있으며 인가 전압은 각 마이크로 미러에 상응하여 별도로 전달될 수 있다. 이 경우, 압전 회절형 광 변조기(820)에 포함된 마이크로 미러는 압전체의 수축/팽창 동작에 따라 리본-바닥간의 거리가 변동하게 되며 이에 따라 입사광이 변조되어 반사되게 된다.
도 8에서는 제어부(800)는 도 7에서 상술한 영상 제어부(750)에 포함되어 구현될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상으로 비추어 보아 자명하다. 또한, 영상 제어부(750)는 도 8에서 설명한 저장부(801) 및 판단부(802)를 포함할 수 있음도 본 발명의 기술적 사상에 비추어 보아 물론이다. 이 경우, 도 8에서 설명한 압젖 회절형 광 변조 장치는 도 7에서 설명한 압전 회절형 광 변조 시스템에 포함될 수 있다.
도면에서는 설명하지는 않았으나, 압전 회절형 광 변조 장치에서 균일한 휘도 유지 방법을 제안할 수 있다.
우선, 압전 회절형 광 변조기의 각 마이크로 미러에 일정한 범위의 인가전압을 순차적으로 인가하는 단계; 이에 따라, 입사광을 반사하는 각 마이크로 미러의 휘도 변화를 측정하는 단계; 동일한 휘도에 따른 전압과의 테이블을 생성하고 이를 저장부에 기록하는 단계; 압전 회절형 광 변조 장치를 동작하는 경우, 저장부에 저장된 휘도에 상응하는 두 개의 전압을 일정한 주기로 반복하여 인가하는 단계를 포 함할 수 있다. 물론, 상기 휘도에 상응하는 두 개의 전압은 3개 일 수도 있으며 이 경우, 3 개의 전압을 일정 주기로 변동하여 인가할 수도 있다.
본 발명에 따른 압전 회절형 광 변조 장치는 리본이 일정한 두 위치를 주기적으로 반복하여 동작하도록 하여 균일한 휘도를 반사할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 동일한 영상이 변형되지 않고 반사됨으로 선명한 영상을 투사할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명 및 그 균등물의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 압전 회절형 광 변조 장치에 있어서,
    인가 전압에 상응하여 동작하여 입사광을 변조하는 마이크로 미러를 포함하는 압전 회절형 광 변조기;
    상기 마이크로 미러의 동작을 위하여 인가되는 인가 전압의 정보, 상기 인가 전압 정보에 상응하여 상기 마이크로 미러가 반사하는 입사광에 대한 회절광의 휘도 정보를 정하는 저장부;
    상기 인가 전압 정보 및 상기 휘도 정보를 읽고 동일한 휘도에 대응되는 k(임의의 자연수)개의 전압 정보에 상응하는 영상제어신호를 일정한 주기로 반복하여 생성하는 판단부; 및
    상기 영상제어신호를 수신하여 상기 마이크로 미러를 동작하기 위한 상기 인가 전압을 생성하는 드라이버 IC를 포함하는 압전 회절형 광 변조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 미러는,
    상기 인가 전압에 상응하여 수축/팽창 동작을 수행하는 압전체; 및
    상기 압전체의 수축/팽창에 상응하여 그 위치가 변경되어 상기 입사광을 변조하는 리본을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 회절형 광 변조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 k 는 2 인 것을 특징으로 하는 압전 회절형 광 변조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 마이크로 미러가 일정시간 이상 동안 입사광에 대한 동일한 휘도를 나타내는 회절광을 반사하는 경우 상기 동일한 휘도에 대응되는 k(임의의 자연수)개의 전압정보에 상응하는 상기 영상제어신호를 일정한 주기로 반복하여 생성하는 것을 특징으로 하는 압전 회절형 광변조 장치.
  5. 압전 회절형 광 변조 방법에 있어서,
    압전 회절형 광 변조기에 포함된 각 마이크로 미러에 일정한 범위의 인가전압을 순차적으로 인가하는 단계;
    입사광을 반사하는 상기 각 마이크로 미러의 휘도 변화를 측정하는 단계;
    측정된 휘도로부터 동일한 휘도 정보에 상응하는 상기 인가 전압 정보를 테이블을 생성하고 저장부에 기록하는 단계;
    압전 회절형 광 변조 장치를 동작하는 경우, 상기 저장부에 저장된 휘도에 상응하는 k(임의의 자연수)개의 전압을 일정한 주기로 반복하여 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 회절형 광 변조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 k 는 2 인 것을 특징으로 하는 압전 회절형 광 변조 방법.
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