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A new microshutter display device with high light efficiency and low actuation voltage and its applications = 높은 광 효율과 낮은 구동전압을 가지는 새로운 마이크로셔터 디스플레이 소자와 이의 응용
서명 / 저자 A new microshutter display device with high light efficiency and low actuation voltage and its applications = 높은 광 효율과 낮은 구동전압을 가지는 새로운 마이크로셔터 디스플레이 소자와 이의 응용 / Keun- Seo Lim.
저자명 Lim, Keun-Seo ; 임근서
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

In this thesis, a new microshutter display device has been proposed and developed. In contrast to conventional microshutters that the actuator itself is also the microshutter plate at the same time, this microshutter uses part-division design which divides the shutter plate from the actuator. Also, unlike the other microshutters that actuate electrostatically, we use a thermal bimorph actuator which is composed of two layer of a dielectric layer and a heating resistor layer. The conventional microshutters showed a trade-off characteristics between the light efficiency and the actuation voltage. By use of the part-division design, we achieved almost 75% of opening ratio which affects light efficiency, and there is a possibility of higher opening ratio by designing the larger shutter plate. The high actuation voltage problem of the conventional microshutters could be solved by thermal actuation mechanism. The thermal actuator helped this microshutter having the low actuation voltage (~2V) and the large displacement. As designed, the microshutter had both the high light efficiency and the low actuation voltage at the same time. For an exact formation of the microshutter, an analytical model was developed on the basis of the beam equations. By modeling results, the thickness of each layer of the bimorph actuator was designed and the lateral dimension was decided by consideration of human factors. A fabrication process of five mask steps was suggested, and the microshutter was successfully fabricated. The microshutter showed the exact curvature as designed, and its uniformity was confirmed by the SEM images of arrays. The fully-closed voltage was found as 0.8V by capacitance measurement. By controlling the applied voltage, the opening ratio was varied, which meant that the grey scale could be analogously controlled. Resonant frequency and switching speed could be estimated by movies taken by a high speed camera. The microshutter was damped oscillated 47 times in a 0.1 sec, and its maximum speed was measured around 1ms. Finally, we have suggested killer applications for the proposed microshutter. Bistable display is a kind of display which has two stable positions of on-state and off-state so that an image can stay longer even when the power supply is stopped. When the microshutter is used as the bistable display device, it has advantages of the low actuation voltage and relatively high speed. Also, this microshutter can be used for three operational modes of transmissive, reflective, and transparent. Feasibility for bistable mechanism was confirmed by its basic mechanism test.

1960년대 흑백 텔레비전(television)부터 2010년의 3D TV에 이르기 까지, 디스플레이 (display)는 빠른 성장을 이루어 왔다. 그러한 디스플레이의 역사 속에서 마이크로전기기계소자 (MEMS)는 기존 디스플레이의 공정을 돕거나, 기능을 도와주는 역할을 해왔고, 또는 MEMS 소자 스스로 디스플레이의 핵심 부품으로 그 기능을 해왔다. 그 중에 마이크로셔터 (microshutter) 는 간단한 구조와 동작 원리라는 장점을 내세워 디스플레이 영역에서 연구되어왔다. 기존의 마이크로셔터는 전자기 구동 (electrostatic actuation) 방식을 가지고 있어, 매우 높은 구동전압을 가지는 단점이 있었다. 또한 광 효율 (light efficiency) 이 50% 이하로 낮고, 이를 개선하기 위해서는 구동전압이 커지는 문제가 있어 실제 디스플레이 소자로 사용되기에 어려운 점이 있었다. 본 논문에서는 이러한 기존의 문제점을 개선하여, 높은 광 효율과 낮은 구동전압을 동시에 가지는 마이크로셔터를 개발하고, 개발된 소자의 적절한 응용분야를 제시하였다. 제안된 마이크로셔터는 부분 분할 (part-division) 방식으로 설계되어, 기존의 셔터에 비해 같은 소자의 영역에서 광 효율을 크게 개선하였다. 또한 설계된 마이크로셔터를 효율적으로 구동하기 위해, 기존의 전자기 구동방식과 달리 열 구동 (thermal actuation)방식을 적용하여, 높은 광 효율을 유지하면서도 낮은 구동전압을 유지하였다. 제안된 마이크로셔터는 디스플레이 소자로서 19인치 모니터 (monitor)에 일반적으로 사용되는 해상도를 구현하기 위한 사이즈를 가지고, 광 효율이 75%에 달하도록 디자인 되었다. 초기 광 효율을 결정하는 셔터의 초기 모양은 사용된 재료와 그 두께로부터 정해지고, 그에 따른 수식을 정리하고 제안하였다. 설계된 마이크로셔터는 5개의 마스크 (mask) 공정이며, 이에 따라 원하는 모양으로 제작된 것을 확인하였다. 제작된 마이크로셔터는 기존의 디자인대로 1.5V 이하의 전압에서 구동되며, 가해준 전압에 따라 그 상태가 선형적으로 변화해, 아날로그 (analog) 방식으로 계조(grey scale) 표현을 할 수 있다. 마이크로셔터의 동적 특성의 확인을 위해 초고속 카메라를 이용해 그 움직임을 관찰하였고, 1msec 의 반응속도와 4.7kHz의 공진주파수 (resonant frequency)를 가지는 것을 확인하였다. 또한 기초적인 신뢰성 테스트를 통해 마이크로셔터의 동작이 반복되더라도, 그 초기 상태가 변화하지 않는 것을 확인하였다. 제안된 마이크로셔터는 쌍안정성 (bistable) 디스플레이 소자로서의 가능성을 가지고 있다. 쌍안정성 디스플레이는 기존의 디스플레이들과 달리 전원이 제거 되어도, 그 마지막 영상을 지속적으로 표현할 수 있어서, 전력 소비를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점으로 종이 디스플레이를 대체할 수 있는 차세대 디스플레이로 주목 받고 있다. 제안된 마이크로 셔터가 쌍안정성 동작을 하기 위한 원리를 제안하였다. 쌍안정성을 위해 선충전 (pre-charged) 전극을 사용하고, 셔터판 부분에 신호를 인가하게 된다. 이때 셔터판과 하부전극간의 정전기력으로 셔터가 닫힌 상태로 지속할 수가 있게 된다. 제안된 쌍안정성의 원리를 기초 실험을 통해 확인하였다. 또한 제안된 마이크로셔터는 다중모드 (multi-mode) 디스플레이로서, 기존의 디스플레이들이 투과형 (transmissive), 반사형 (reflective), 투명형 (transparent)의 각각의 모드로 동작 할 수 있는 데에 반해, 컬러의 배치와 기판 (substrate) 의 변화를 통해 세가지 모드를 모두 충족시킬 수 있는 장점을 가지게 된다. 이 것으로 제안된 마이크로셔터 소자가 디스플레이 소자의 표준 (standard)으로 자리잡기를 기대한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEE 11171
형태사항 viii, 77 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 임근서
지도교수의 영문표기 : Jun-Bo Yoon
지도교수의 한글표기 : 윤준보
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학과,
서지주기 References : p. 69-72
주제 Microshutter display
MEMS display
Bistable display
Thermal bimorph actuator
Multi-mode display
마이크로셔터
마이크로전기기계소자
쌍안정성 디스플레이
다중모드 디스플레이
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