We present interferometric modulators, reproducing RGB colors using selective actuation of mechanically coupled mirrors driven by digital actuators having an identical air gap. The previous transmissive interferometric modulators need additional backlights, resulting in high-power consumption. The previous reflective interferometric modulators using ambient lights need three different air gaps for three RGB color reproduction, resulting in process complexity. For process simplicity, we propose the reflective interferometric modulators, capable of producing RGB and black colors using mechanically coupled mirrors with an identical air gap.
Three mirrors of the present interferometric modulator are suspended respectively by support springs and linked together by connection springs in symmetric spring configuration. The mirrors are electrostatically actuated by a voltage applied to each mirror-electrode pair. Three mirrors are selectively actuated by switching modes. The present interferometric modulators can reproduce green, blue, red, and black colors depending on the switching modes of (000), (010), (101), and (111), respectively. Total power differences for each RGB color can be overcame by spatial and temporal dithering for practical applications.
The mirror width and length are designed to be the same size with a LCD sub-pixel of 100*300 um2. The spring width and thickness are designed as 3 um and 5 um, respectively, based on the minimum line width of DRIE process and top silicon thickness of SOI wafer. The support spring length 1, support spring length 2, and connection spring length 12 are designed to be 75 um, 100 um, and 105 um, respectively, in order to obtain the air gap (390 nm) of the (000) mode, air gap (330 nm) of the (010) mode, and air gap (211 nm) of the (111) mode reproducing green, blue, and red colors at the response condition of 65 us for display applications.
In the experimental study, the fabricated devices at the switching modes of (000), (010), (101), and (111), reproduce green, blue, red, and black colors, respectively. For 300-Hz 6-V squarewave input voltage signals, the present interferometric modulators generate the follower displacement of 62+-5 nm (010), 181+-10 nm (101), and 394+-5 nm (111), having the maximum error of 24 nm compared to the theoretical values. The meausred response time ranging from 60~79 us satisfies the requirement levels (~65 us) for display applications. For reflectance spectrum characterization, the spectrum peaks are measured at the wavelength of 511+-5 nm (green), 478+-3 nm (blue), and 644+-9 nm (red) with the band width of 60+-1 nm (green), 45+-2 nm (blue), and 105+-4 nm (red) and the maximum intensity of 77+-5 % (green), 73+-2 % (blue), and 81+-5 % (red), respectively. The black spectrum is measured below the intensity of 27+-0 %.
Therefore, we experimentally demonstrated the output response and color reproduction capability of the present interferometric modulators for display applications.
본 연구에서는 간단한 공정을 위해 1 개의 공극을 가지며 기계적으로 연동된 미소거울의 디지털 구동을 사용하여 세 가지의 RGB 색상을 재현하는 간섭 변조기를 설계, 제작하여 그 성능을 측정하였다. 실험에서 제안된 간섭 변조기는 스위칭 모드 (000), (010), (101), (111)에서 각각 0+-3 nm, 62+-5 nm, 181+-10 nm, 394+-5 nm의 출력변위를 생성하고, 각각 초록, 파랑, 빨강, 검정 색상을 재현하였다.
최근에, 마이크로 구동기와 결합된 간섭 변조 기술은 광통신 분야의 가변 필터나 감쇄기 응용뿐만 아니라 e-reader나 e-book을 위한 디스플레이 분야에까지 그 응용 범위가 확장되고 있다. 기존의 투과형 간섭 변조기는 별도의 배면 광원이 필요하기 때문에 전력 소모가 크며, 기존의 반사형 간섭 변조기는 세 가지 RGB 색상을 구현하기 위해서 서로 다른 크기를 갖는 3개의 공극이 필요하기 때문에 공정이 복잡하다. 본 논문에서는 간단한 공정을 위해 1개의 공극을 가지며 기계적으로 연동된 미소거울의 디지털 구동을 통하여 세 가지 RGB 색상을 재현하는 반사형 컬러 간섭 변조기를 제안하고자 한다.
제안된 간섭 변조기는 Support 스프링에 지지되고 Connection 스프링에 연결된 세 개의 거울을 갖는다. 각각의 거울은 전극과의 사이에서 인가된 전압에 의해 스위칭 모드에 따라 선택적으로 구동한다. 제안된 간섭 변조기는 스위칭 모드 (000), (010), (101), (111)에서 생성된 각각의 공극에 따라 각각 초록, 파랑, 빨강, 검정 색상을 구현한다. 제안된 간섭 변조기의 전극 상판과 거울 하판 사이에는 전극층, 절연층, 공극, 반사층이 있으며, 각각은 전기적 및 광학적 성능을 고려하여 Cr(10 nm), SiO2(80 nm), Air(390 nm), Ag(30 nm)으로 설계되었다. 스위칭 모드 (000), (010), (101)에서 공극의 두께는 특정 색상에 대한 파장 영역에서 전체 반사 세기가 최대가 되도록, 초록, 파랑, 빨강 색상 파장에 대하여 각각 390 nm, 330 nm, 211 nm로 설계되었다. 각 거울의 크기는 LCD의 부화소 크기를 고려하여 100*300 ??m2로 설계되었고, Support 1, Support 2, Connection 스프링의 길이는 65 us의 디스플레이 응답 조건 하에서, 설계된 공극 구현을 위해 각각 75 um, 105 um, 100 um로 설계되었다.
제안된 간섭 변조기는 SOI 웨이퍼(5/2/500 um)의 DRIE 식각 공정으로 제작된 거울 하판과 Glass 웨이퍼 위에 Cr, SiO2가 증착된 전극 상판과의 접합을 통하여 제작된다. 제작된 소자에서 스위칭 모드 (000), (010), (101), (111)에 따라 각각 초록(G), 파랑(B), 빨강(R), 검정(K) 색상이 나타남을 확인하였다. 제작된 간섭 변조기로부터 스위칭 모드에 따라 출력변위, 응답시간, 반사 스펙트럼을 측정하였고, 300-Hz 6-V의 사각파 전압으로 구동하는 간섭 변조기의 측정된 출력변위는 62+-5 nm (010), 181+-10 nm (101), 394+-5 nm (111)로서 이론치와 최대 오차 24 nm를 보임을 확인하였다. 측정된 응답시간은 60~79 us로서 디스플레이 응답 수준을 만족하였다. 각 모드에서 생성된 색상에 대한 가시광선에 대한 반사 스펙트럼의 경우, 초록, 파랑, 빨강 스펙트럼의 피크치에서 측정된 파장은 각각 511+-5 nm, 478+-5 nm, 644+-9 nm였고, 대역폭은 각각 60+-1 nm, 45+-2 nm, 105+-4 nm였고, 반사세기는 각각 77+-5 %, 73+-2 %, 81+-5 %이었다. 검정 스펙트럼은 반사세기 27+-0 % 이하에서 존재하였다.
본 논문에서는 디스플레이 응용을 위해 간단한 공정으로 제작이 가능한 간섭 변조기의 출력응답 및 색재현 성능을 실험적으로 검증하였다.
