A microshutter device is a kind of transmssive spatial light modulator; base on microelectromechanical system (MEMS) technology, it is used in flat panel display applications due to the improved performance from the simple structure and operation principle.
In the thesis, a microshutter device with space-division modulation have been proposed and developed. The proposed microshutter device has multiple microshutters in a pixel and the grayscale level is controlled by the number of actuated microshutters. To actuate multiple microshutters, a novel voltage-controlled electrostatic actuation has been suggested. In the novel electrostatic actuation, applied analog voltage level controls the number of actuated microshutters by using the voltage distribution through a floating electrode and the hysteresis of the electrostatic actuation. The novel electrostatic actuation was verified theoretically by means of an equivalent electrical circuit model.
The design of microshutter started from the specification of display. The display specifications were decided by the consideration of conventional portable devices like MP3 player and cellular phone. And next, the dimensions of microshutter, fabrication process, material of sacrificial layer and materials of microshutter were decided. The shape and the pull-voltage of microshutter were predicted from the developed analytical models and verified by comparison with FEM simulation results. The thickness ratio of titanium was decided to 20 % for the quarter circle shape and the pull-in voltage of the designed microshutter was predicted about 20 V.
The curl shaped microshutters were fabricated by using stress-induced curling and the characteristics of microshutter, such as pull-in voltage, pull-out voltage, resonant frequency and switching time, were successfully measured. The measured pull-in voltage was almost the same with the predicted value from the model and simulation and very fast switching time was achieved from the large contact area of microshutter. The proposed microshutter device was demonstrated to have different number of actuated microshutters with varied applied voltage. The dielectric charging is the dominant failure mechanism of the microshutter due to the large contact area and the lifetime of microshutter was estimated at 500 billion cycles.
The transmittance of microshutter array was measured from a new measurement setup with HeNe laser, light detector and power meter. Three kinds of specimens with various shapes gave two tendencies of increasing with more curled shape and linear relationship with the number of opened microshutters as expected. The maximum transmittance of the microshutter array was measured to be 11 times higher than that of conventional LCD.
For the microshutter display system, the structure of microshutter device was optimized by sharing and the addressing was suggested. To remove the interference between the pixels, the selection line is placed along the diagonal direction unlike the lateral direction of conventional addressing. The addressing was demonstrated by the operation of $1\times3$ microshutter device array.
마이크로셔터 (microshutter)는 미소전자기계 시스템 (microelectromechanical system) 기술로 개발된 투과형 광변조기 (transmissive spatial light modulator)로 간단한 구조와 동작 원리로 인해 향상된 성능을 가지는 평판 디스플레이 (flat panel display)에 응용된다.
본 논문에서는 공간 분할 변조 방식 (space-division modulation)의 마이크로셔터를 제안하고, 개발하였다. 제안된 마이크로셔터는 하나의 픽셀 (pixel)이 다수의 마이크로셔터로 구성되고, 동작하는 마이크로셔터의 개수로 밝기를 조절한다. 다수의 마이크로셔터를 동작시키기 위해 새로운 전압 조절 정전기력 구동 (voltage-controlled electrostatic actuation)을 제안하였고, 플로팅 (floating) 전극을 통한 전압 분배와 정전기력 구동의 이력 현상 (hysteresis)을 사용함으로써 인가 전압에 따라 동작하는 마이크로셔터의 개수를 조절할 수 있었다. 새로운 전압 조절 정전기력 구동은 등가 전기 회로 모델 (equivalent electrical circuit model)을 통해 이론적으로 검증되었다.
마이크로셔터 디자인 단계에서는 디스플레이로 사용되기 위한 사양과 마이크로셔터 자체의 크기를 동시에 고려하였다. 디스플레이로 사용되기 위해서 현재 널리 쓰이는 MP3 플레이어와 핸드폰의 사양을 고려하는 동시에, 마이크로셔터의 크기, 제작 공정 및 물질을 결정하였다. 다음으로 모델링과 시뮬레이션을 통해 1/4 원에 해당하는 모양을 가지는 마이크로셔터의 동작 전압은 20V 내외임을 알 수 있었다.
이종 물질의 스트레스 차이를 이용하여 휜 모양을 가지는 마이크로 셔터를 제작하였고, 동작 전압, 공진 주파수, 동작 속도와 같은 동작 특성을 성공적으로 측정할 수 있었다. 동작 전압은 모델링과 시뮬레이션 결과와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었고, 넓은 면적에서 닿는 마이크로셔터의 특성으로 인해 매우 빠른 동작 속도를 얻을 수 있었다. 인가 전압이 증가함에 따라 동작하는 마이크로셔터의 개수가 증가하는 현상을 확인함으로써 제안된 구동 방식을 검증할 수 있었다. 마이크로셔터는 넓은 면적에서 닿는 특성으로 인해 절연층 충전 (dielectric charging) 현상으로 수명이 결정되고, 측정을 통해 5$\times10^{11}$ 횟수의 동작이 가능함을 확인할 수 있었다.
HeNe 레이저와 광 측정기를 이용하여 마이크로셔터 어레이의 투과율을 계산하였다. 마이크로셔터 어레이의 투과율은 예상과 같이 휘어진 정도와 마이크로셔터의 동작 개수에 따라 변화하는 경향을 나타내었다. 마이크로셔터 어레이의 최대 투과율은 55%로 일반적인 LCD에 비해 11배 이상의 효율을 가진다는 것을 알 수 있었다.
마이크로셔터 디스플레이 시스템에 적용하기 위해 최적화된 공유 구조와 어드레싱을 제안하였다. 픽셀 사이의 간섭을 제거하기 위해 선택 전극을 대각선 방향으로 배치하였고, $1\times3$ 마이크로셔터 어레이를 통해 구현함으로써 그 동작을 확인하였다.
