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Development of high performance electrostatic microshutter with high opening ratio = 높은 개구율을 가지는 고성능의 정전구동 마이크로셔터의 개발
서명 / 저자 Development of high performance electrostatic microshutter with high opening ratio = 높은 개구율을 가지는 고성능의 정전구동 마이크로셔터의 개발 / Keun-Seo Lim
저자명 Lim, Keun-Seo ; 임근서
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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초록정보

Microshutter is a MEMS-based device that controls the light path through an aperture. Since its role is the same with the liquid crystal and two polarizers, the microshutter could not have found its position in the display filed. To take a role in the future display industry, the mciroshutter must shows its superior feature that LC cannot achieve. As a solution, we propose that the microshutter has very high opening ratio so that the microshutter panel becomes highly transparent transmissive type display device. To realize high opening ratio, we concluded that the microshutter have out-of-plane angular move-ment. Since the microshutter had to move 90 degrees angularly, we proposed the new design called “part-division design.” The new design concept enables the microshutter moves 90 degrees under low operation voltage. The new microshutter has two part; one is the shutter part which is metal plate and the other is an actuation part which is bimorph cantilever actuator. Elextrostatic bimorph cantilever actuator has two major problems to utilize. One is that there is only two stable states, and other is that it has low electrical reliability due to dielectric charging effect. To over-come limited stable states problems, a patterned bottom design was proposed and demonstrated that the bimorph cantilever showed four stable states. Also, to prevent contact of the dielectric layer and bimorph cantilever which induces dielectric charging, a new design for non-contact actuator is firstly proposed and demonstrated that the life time of the bimorph cantilever is increased from 10 cycles to 100,000 cycles. A new design, part-division design, of microshutter is introduced and demonstrated. The microshutter has 70% of opening ratio which is the highest value reported ever. The response time of the microshutter was measured as $400 \mu s$. Also, stepwise actuation of the microshutter was successfully realized by the patterned bottom design. Array operation of the mciroshutter has demonstrated and shows the higher opening ratio than the single device. To enhance the opening ratio of the microshutter panel, the dead area of the single device was effectively covered by the adjacent microshutter device in the array design. As a result, the microshutter ar-ray showed the feasibility to have 90% of opening ratio. By achieving 90% of opening ratio, the mciroshutter panel can be adapted to the transparent display area where the LC based display device cannot reach. The research guides the way of MEMS based display device like microshutter to the distinctive area where their unique features are utilized.

개구를 통해 진행하는 빛의 경로를 차단하고 열어주는 역할을 하는 소자를 마이크로셔터라 한다. 마이크로셔터는 실제로 기존 디스플레이 영역에서의 액정과 두개의 편광판의 조합과 똑 같은 역할을 하기 때문에, 응용단계에 이르기 위해서는 액정디스플레이의 한계를 뛰어넘어야 한다. 본 연구에서는 액정 디스플레이 소자가 달성할 수 없는 높은 광효율(개구율)을 가지는 마이크로셔터를 제작하고 이를 응용하기 위한 다양한 연구를 진행하였다. 매우 높은 개구율의 마이크로셔터는 파트 디비전 디자인을 통해 설계 되었는데, 이는 구동부와 셔터부의 역할을 나누는 것으로 매우 셔터부를 이루는 금속판을 매우 낮은 전압으로 큰 변위를 가져오기 위한 방법이다. 구동부는 정전구동 바이모프 캔틸레버로 구성되어 있다. 정전구동 바이모프 캔틸레버는 그 동안 해결하지 못한 두 가지 문제가 있었는데, 첫 째는 풀인 현상으로 인해 두가지 상태만 존재할 수 있다는 것이고, 둘 째는 기계적 접촉에 의한 절연층 차징 문제로 인한 낮은 전기적 신뢰성이다. 정전구동 바이모프 캔틸레버의 구동 특성 분석으로부터 얻은 결과로부터 연쇄적인 풀인 현상에 의도적인 불연속점을 삽입하는 방법으로 여러 개의 중간단계를 구현할 수 있음을 발견했고, 이를 토대로 첫 번째 문제를 해결하기 위해 바닥전극을 패터닝 하는 매우 쉬운 방법을 제안해 4단계를 가지는 다단계 구동을 성공적으로 구현하였다. 또한, 낮은 전기적 신뢰성을 극복하기 위해, 바이모프 캔틸레버와 절연층이 직접 접촉이 일어나지 않는 구동 디자인을 제안해 10회에 불과했던 동작횟수를 수백만회 동작하도록 신뢰성을 향상시켰다. 기존의 문제를 해결한 정전구동 바이모프 캔틸레버 구동부를 가지는 마이크로셔터는 70%의 개구율을 가지도록 설계되어 성공적으로 제작되었다. 본 소자는 20~30V의 낮은 구동 전압을 가지며 12kHz 공진 주파수를 가지고, 400 μs의 응답속도를 가지는 것을 확인하였다. 또한 다단계 구동을 통해 여러 중간단계의 마이크로셔터를 구현해 계조 표현을 쉽게 구현할 수 있는 방법을 확인하였다. 제작된 단위 마이크로셔터 소자는 70%의 개구율을 가지고 있는데, 30%의 개구율 손실은 피할 수 없는 데드영역의 존재 때문이다. 하지만, 본 연구에서는 단위 소자의 데드영역을 인접소자의 금속판으로 가려 극복하는 다이아몬드 형태 배치를 제안했고, 90%의 개구율을 가지는 마이크로셔터 어레이의 가능성을 확인하였다. 이러한 매우 높은 개구율을 가지는 마이크로셔터 패널은 디스플레이 응용 분야 중 투명한 노멀 상태를 가지는 분야에 응용되기 적합하다. 특히, 투명상태와 불투명 상태를 스위칭하는 능동 투명 디스플레이 소자, 기존 투명 디스플레이 소자의 문제를 해결하기 위한 블라인드 패널로의 응용을 제안하였다.

서지기타정보

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청구기호 {DEE 17016
형태사항 iii, 68 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 임근서
지도교수의 영문표기 : Jun-Bo Yoon
지도교수의 한글표기 : 윤준보
수록잡지명 : "Stepwise actuation of and Electrostatic Bimorph Cantilever Actuator Using a Patterned Bottom Electrode". Journal of Microelectromechanical Systems, Vo. 25, No.3, 909-915(2016)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 Including references
주제 MEMS
microshutter
transparent display
bimorph cantilever
part-division
멤즈
마이크로셔터
투명 디스플레이
정전구동 바이모프 캔틸레버
파트디비전
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