KR100674851B1 - 감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈 - Google Patents

감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈에 관한 것으로, 도전성을 갖는 제 1 액체 및 절연성을 갖는 제 2 액체를 포함하여 구성된 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈에 있어서, 전해액으로 구성된 상기 제 1 액체 및/또는 절연액으로 구성된 상기 제 2 액체는 상기 두 액체사이에 감소된 계면에너지를 갖도록 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하는 것을 특징으로 하는 감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈가 제공된다.
본 발명에 따른 가변 초점 액체 렌즈는 초점 변화를 위해 요구되는 구동 전압이 종래의 가변 초점 액체 렌즈에 비해 약 50% 낮으며, 두 유체간의 신뢰성을 확보할 수 있다.
액체 렌즈, 전기 습윤 현상, 계면활성제, 유기염, 계면에너지

Description

감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈{VARIABLE FOCOUS LIQUID LENS WITH REDUCED DRIVING VOLTAGE}
도 1은 종래기술에 따른 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈의 구성을 나타내는 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제 1 액체와 제 2 액체사이에 계면층이 형성된 가변 초점 액체 렌즈의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 액체 렌즈의 구성을 나타내는 모식적 단면도로서, 계면활성제가 전해액에 포함되어 이에 따라 계면층이 형성된 경우(a), 계면활성제가 절연액에 포함되어 이에 따라 계면층이 형성된 경우(b), 그리고 계면활성제가 전해액 및 절연액 양쪽 모두에 포함되어 이에 따라 계면층이 형성된 경우(c)를 나타낸다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 - 셀 2 - 제 1 액체(전해액)
3 - 계면층 4 - 제 2 액체(절연액)
5 - 전압인가수단 22 - 액적
24 - 절연층 26 - 전극
25 - 고체평판 29 - 구동원
30 - 표면 O - 광축
본 발명은 가변 초점 액체 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈에 있어서 제 1 액체 및/또는 제 2 액체가 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 계면층이 존재하여 감소된 구동전압을 가지며 두 액체간의 섞임이 적은 가변 초점 액체 렌즈에 관한 것이다.
전기 습윤(electrowetting) 현상이란 계면에 존재하는 전하를 조절하여 계면의 장력이 변화하는 현상을 의미한다. 이러한 전기 습윤 현상을 이용하여 미소 유체 및 유체중의 미소 입자를 제어할 수 있다. 최근 전기 습윤 현상을 이용한 많은 제품들이 연구되고 있다. 이러한 전기 습윤 현상을 이용할 경우, 기본적으로 전기장 현상을 이용하므로 응답 속도가 매우 빠르고 비교적 낮은 전압에서 구동될 수 있으며 소형화 할 수 있다. 이러한 전기 습윤 현상의 적용처로는 액체 렌즈, 디스플레이 장치, 광학 장치, MEMS (micro-electromechanical systems) 분야 등에 폭 넓게 활용 및 연구되어 지고 있다.
그러나, 종래의 전기습윤 현상은 아직까지 명확히 규명되어 있지 않은 상태이며 고체/액체, 액체/기체 상간의 계면 에너지의 변화가 없는 것을 전제로 설정하여 연구 및 개발되었다. 따라서, 전위차에 따른 단순한 제어만이 가능하였다.
종래의 전기습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈의 실시 형태를 도 1에 나타내었다. 종래의 가변 초점 액체 렌즈(20)는 도 1에 도시한 바와같이, 일정두께(d)를 갖는 절연층(24)과 그 하부면에 형성되는 전극(26)으로 이루어진 고체평판(25)과, 상기 고체평판(25)의 상부면에 올려지고, 도전성을 갖는 액적(22) 및 상기 액적(22)과 일단이 전기적으로 연결되고 상기 전극(26)에 타단이 전기적으로 연결되어 전압인가시 이들 사이에 전위차를 제공하는 구동원(29)을 포함하여 구성된다.
이러한 경우, 상기 절연층(24)위에 도전성을 가지는 액적(22)을 떨어뜨린후 선택적으로 구동전압을 인가할 수 있는 전극(26)과 액적(22)사이에 상기 구동원(29)의 구동전압을 인가하게 되면, 무부하시 수축되어 있던 액적(22)(도 1의 실선)의 곡률이 상기 전극(26)과 액적(22)사이에 발생되는 전위차에 의해서 액적(28)(도 1의 점선)의 곡률이 커지게 되고, 이로 인하여 상기 액적(22)(28)은 서로 다른 외경크기를 갖추어 이를 통과하는 광의 초점거리를 가변시킬 수 있는 것이다.
일반적인 고체 평판위의 접촉각과 표면 에너지의 관계식은 Young의 식(하기 식 1)을 사용하여 설명된다.
[식 1]
Figure 112005025242554-pat00001
상기 식에서, γSL 는 고체/액체 계면 에너지이며, γSG 는 고체/기체 계면 에너지이며, γLG 는 액체/기체 계면 에너지이며 그리고 θ는 접촉각을 나타낸다.
전극 사이의 전해액이 존재할 때 전압 인가에 따른 열역학적 수식은 일반적으로 Lippman의 식(하기 식2)로 설명된다.
[식 2]
Figure 112005025242554-pat00002
상기 식 1 및 2로부터 Lippmann-Young의 식(하기 식 3)이 도출된다.
[식 3]
Figure 112005025242554-pat00003
상기 식에서, θ는 전압인가시의 접촉각이며, θ0은 최초의 접촉각이며, c는 전기용량을 나타내며 그리고 V는 인가된 전압을 나타낸다.
상기 Lippmann-Young의 식은 초기 액체/기체, 고체/기체 상의 계면에너지 변화를 무시한다. 따라서, 기존의 전기 습윤 현상을 적용하는 장치는 인가되는 전압에만 의존하므로 전위차에 따른 단순한 제어만이 가능하였다.
상기 Lippmann-Young의 식의 변형된 형태로 하기 식 4가 있다.
[식 4]
Figure 112005025242554-pat00004
상기 식에서, θ는 전압인가시의 접촉각이며, θ0은 최초의 접촉각이며, ε는 전극 사이의 유전율을 나타내며, d는 절연막의 두께를 나타내며, V는 인가된 전압을 나타내며 그리고 γi는 절연액과 전해액상의 계면에너지를 나타낸다.
이러한 식은 도 1로 나타낸 전해액과 절연액으로 구성된 액체렌즈 구동 특성을 설명하여 주는 일반식이다. 상기 식에서 γi가 작을 수록 절연액의 접촉각 변화는 크게 나타나며 이는 구동전압 강하의 효과를 가져올 것으로 기대한다. 그러나, 두 계면의 에너지를 너무 작게 할 경우 두 유체(전해액과 절연액)는 독립적으로 존재하기 어렵다. 이러한 현상은 두 유체가 섞이거나 뿌옇게 혼탁해지는 결과를 초래할 수 있다. 또한 이러한 기존의 전기 습윤 현상을 적용한 액체 렌즈는 충분히 안정적인 형태를 이룰 수 없으며, 인가되는 전압이 너무 높아 소적의 표면이 불안정하고 소적이 균일한 형상을 유지할 수 없게되는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 액체 렌즈에 있어서, 초점 변화를 위해 요구되는 구동 전압이 보다 낮으며 두 유체간의 신뢰성을 확보할 수 있는 가변 초점 액체 렌즈를 제공하고자 한다.
본 발명의 일견지에 의하면, 도전성을 갖는 제 1 액체 및 절연성을 갖는 제 2 액체를 포함하여 구성된 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈에 있어서, 전해액으로 구성된 상기 제 1 액체 및/또는 절연액으로 구성된 상기 제 2 액체는 상기 두 액체사이에 감소된 계면에너지를 갖도록 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하는 것을 특징으로 하는 감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 서로 혼합되지 않으며 또한 서로 다른 굴절율을 갖는 제 1 액체와 제 2 액체에 의해 형성되는 계면의 형상을 변화시키는 것으로 초점 위치를 변화시키는 가변 초점 액체 렌즈에 있어서,
전해액으로 구성된 상기 제 1 액체 및 절연액으로 구성된 상기 제 2 액체는 셀내에 수용되고, 상기 제 2 액체는 소적을 형성하며,
상기 제 1 액체 및/또는 상기 제 2 액체는 상기 두 액체사이에 감소된 계면에너지를 갖도록 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하며,
상기 셀내면에는 상기 소적과 접촉하는 소적 접촉 영역이 형성되며, 그리고
상기 제 1 액체 및 상기 제 2 액체는 절연층을 이용하여 반대측에 배치되는 전극과 상기 제 1 액체와의 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 가지고 있고, 그 전압 인가 수단에 의한 인가 전압을 변화시키는 것으로 상기 계면의 형상을 변화시키게 되는 감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈가 제공된다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명자들은 전기 습윤 현상을 이용한 액체 렌즈에 있어서, 전해액 및/또는 절연액이 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 형성되는 경우 상기 두 액체사이의 계면에너지가 감소됨에 따라 초점 변화를 위한 구동전압을 낮출 수 있으며 또한 두 유체간의 섞임현상이 없는 신뢰성을 확보할 수 있음을 예기치 않게 발견하고, 이에 본 발명을 완성하게 되었다.
일반적으로 계면활성제라 하면 탄화수소계열, 탄화 불소계열 및 탄화 실리콘 계열 등의 계면활성제를 포함하며 아주 광범위하게 분류될 수 있다. 이러한 계면활성제들은 일반적으로 고체 또는 액체에 소량 첨가하여 표면에너지를 개질하는 목적과 유변학적 성질을 개선할 목적으로 사용되고 있다. 본 발명에서는 이러한 모든 계면활성제가 사용될 수 있으며, 저분자 계면활성제로는 표면개질 효과에 기인한 구동 전압 감소 효과를 도출하며, 그리고 상대적으로 고분자 계면활성제로는 유변학적 성질을 개질하여 절연액/전해액 사이의 유체 움직임을 자유로이 조절 가능하도록 하였으며, 또한 싱글 이온 움직임을 유도하여 전기적 안정성을 확보하였다.
본 발명에 따른 가변 초점 액체 렌즈는 도전성을 갖는 제 1 액체 및 절연성을 갖는 제 2 액체를 포함하여 구성된 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈에 있어서, 상기 두 액체사이에 20dyne/cm 이하의 감소된 계면에너지를 갖도록 제 1 액체 및/또는 제 2 액체가 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하는 것을 특징으로 하며, 이외의 액체 렌즈의 구조에 관하여는 종래기술의 전기 습윤 현상을 이용한 어떠한 가변 초점 액체 렌즈의 구조가 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 가변 초점 액체 렌즈 장치의 예를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제 1 액체(2) 및/또는 제 2 액체(4)가 계면활성제를 포함하며 이에 따라 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층(3)이 형성된다. 이때 상기 계면활성제는 제 1 액체 또는 제 2 액체에 단독으로 포함되거나 또는 두 액체내에 모두 포함될 수 있다. 이에 따라 계면활성제가 두 액체사이의 계면에너지를 감소시키게 되어 구동전압을 감소시키게 된다. 또한 이러한 계면층이 형성됨에 따라 두 유체간의 섞임현상이 없어 두 액간의 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기 계면활성제는 제 1 액체 또는 제 2 액체에 단독으로 포함되거나 또는 두 액체에 모두 포함될 수 있다. 도 3(a)는 계면활성제가 제 1 액체(전해액)에 포함되어 제 1 액체로부터 계면층(3)이 형성된 경우를 나타내며, 도 3(b)는 계면활성제가 제 2 액체(절연액)에 포함되어 제 2 액체로부터 계면층(3')이 형성된 경우를 나타내며, 그리고 도 3(c)는계면활성제가 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되어 제 1 액체와 제 2 액체 양쪽 모두로부터 계면층(3 및 3')이 형성된 경우를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따라 제 1 액체 및/또는 제 2 액체가 고분자 계면활성제를 포함하는 경우에는 고분자 계면활성제가 액체의 유변학적 성질을 개질하여 절연액/전해액 사이의 유체 움직임을 자유로이 조절 가능하도록 한다. 또한 이러한 경우 고분자 계면활성제가 싱글 이온 움직임을 유도하여 전기적 안정성을 부여하게 되며 이러한 싱글 이온 움직임은 전해액 내의 염의 농도 구배가 급격히 변하는 것을 제어하고 따라서 전기 습윤 움직임의 적절한 조절이 가능하며 전기 화학적 안정성을 부여하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 계면활성제는 제 1 액체 또는 제 2 액체에 단독으로 포함되거나 또는 두 액체에 모두 포함될 수 있다. 계면활성제의 분자 구조에 따라 계면활성제의 적정 함유량에는 차이가 있을 수 있으나, 너무 소량 포함하게되는 경우 본 발명에 따른 계면에너지 조절 효과가 극히 저하 될 것이며, 또한 너무 과량 포함되는 경우 절연액/전해액 계면의 안정성이 떨어져 신뢰성을 확보할 수 없으며 농도 증가에 따른 점도 향상에 기인한 액체렌즈 성능 저하의 요인이 될 수 있다. 상기 계면활성제가 제 1 액체에 포함되는 경우에는 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 제 2 액체에 포함되는 경우에는 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 그리고 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우에는 각각 제 1 액체의 0.001-10중량% 및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용될 수 있는 계면활성제는 두 액체, 즉, 제 1 액체와 제 2 액체사이에 20dyne/cm 이하, 바람직하게는 0.1 - 20 dyne/cm 의 감소된 계면에너지를 부여할 수 있는 한 어떠한 계면활성제도 사용 가능하다. 이에 한정하는 것은 아니지만, 본 발명에 사용하기에 적절한 계면활성제는 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 양쪽 이온성 계면활성제, 저분자 계면활성제 및 고분자 계면활성제로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 여기서 저분자 계면활성제는 분자량 약 100-10,000이하의 저분자 계면활성제를 칭하며 그리고 고분자 계면활성제는 분자량 약 10,000 이상의 고분자 계면활성제를 칭한다.
상기 음이온성 계면활성제로는 대표적으로 알킬 카르복실 염(R-COONa), 알킬 설페이트 염(R-O-SO3Na), 알킬 설포네이트 염(R-SO3Na) 및 알킬 인산에스테르 염(R-OP3Na2)을 포함하며, 여기서 R은 탄화수소계열, 탄화불소계열 또는 실리콘계열의 기이다.
상기 양이온성 계면활성제로는 대표적으로 알킬 1차 아민 염(R-Na2HCl), 알킬 2차 아민 염(R-N(CH3)(H)(H)Cl), 알킬 3차 아민 염(R-N(CH3)(CH3)(H)Cl) 및 알킬 4차 암모늄 염(R-N(CH3)(CH3)(CH3)HCl)을 포함하며, 여기서 R은 탄화수소계열, 탄화불소계열 또는 실리콘계열의 기이다.
상기 양쪽 이온성 계면활성제로는 대표적으로 알킬 아미노 에시드 염(R-NHCH2CH2COOH) 및 알킬 베타인 염(R-N(CH3)(CH3)CH2COO-)을 포함하며, 여기서 R은 탄화수소계열, 탄화불소계열 또는 실리콘계열의 기이다.
본 발명에 사용가능한 저분자 계면활성제는 이에 한정하는 것은 아니나, 소디움라우릴설페이트, 소디움라우릴설포네이트, 소디움 라우릴레이트, n-헥실벤젠설포네이트, 소디움옥타데실설페이트, 소디움옥타데실설포네이트, 테트라프로필벤젠설포네이트, 소디움알킬인산에스테르, 라우릴벤질암모늄클로라이드, 스테아릴벤질암모늄클로라이드, 세틸트리메칠암모늄클로라이드, 세틸트리메칠암모늄클로라이드, 스테아릴트리메칠암모늄클로라이드, 스테아릴트리메칠암모늄클로라이드, 디스테아릴디메칠암모늄클로라이드, 메틸-1-올레일 아미드 에틸-3-올레일 이미다졸리늄 메틸 설페이트, 비스(아실옥시에틸)히드록시에틸 메틸 암모늄 메토설페이트, 메틸-1-올레일 아미드 에틸-3-올레일 이미다졸리늄 메틸 설페이트, 비스(아실옥시에틸)히드록시에틸 메틸 암모늄 메토설페이트, 메틸-1-올레일 아미드 에틸-3-올레일 이미다졸리늄 메틸 설페이트, 아미노에틸이미다졸린, 하이드로에틸이미다졸린, 코코아미도프로필베타인, 코코아미도프로필베타인, 코코아미도프로필베타인, 라우릴베타인, 라우아미도프로필베타인, 라우릴디메칠하이드록시술포베타인, 디소디움 코코암포디아세테이트 및 디소디움 코코암포디아세테이트/소디움라우릴설페이트를 포함한다. 이때 상기 저분자 계면활성제는 제 1 액체에 포함되는 경우에는 바람직하게는 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되며, 보다 바람직하게는 0.01-5중량%로 포함되며, 제 2 액체에 포함되는 경우에는 바람직하게는 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되며, 보다 바람직하게는 0.01-5중량%로 포함되며, 그리고 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우에는 바람직하게는 각각 제 1 액체의 0.001-10중량% 및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되며, 보다 바람직하게는 각각 0.01-5중량%로 포함된다.
그리고 본 발명에 사용가능한 고분자 계면활성제는 이에 한정하는 것은 아니나, 프로필렌 옥사이드와 에틸렌 옥사이드의 공중합체, 아크릴산과 알킬 아크릴레이트의 공중합체, 아크릴 아마이드와 이종 아크릴 모노머의 공중합체, 폴리비닐 알코올, 에틸렌 옥사이드 부가 폴리알킬페놀, 폴리비닐피리디움염 및 카르복시메틸 셀룰로오스를 포함한다. 바람직하게는 폴리아크릴릭 에시드가 사용된다. 이때 상기 고분자 계면활성제는 제 1 액체에 포함되는 경우에는 바람직하게는 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되며, 보다 바람직하게는 0.01-5중량%로 포함되며, 제 2 액체에 포함되는 경우에는 바람직하게는 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되며, 보다 바람직하게는 0.01-5중량%포 포함되며, 그리고 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우에는 바람직하게는 각각 제 1 액체의 0.001-10중량% 및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되며, 보다 바람직하게는 각각 0.01-5중량%로 포함된다.
나아가, 상기 제 1 액체 및/또는 제 2 액체는 이온성 폴리머를 더욱 포함할 수 있다. 본 발명에 사용가능한 이온성 폴리머는 이에 한정하는 것은 아니나, AMP-아크릴레이트/메타크릴레이트 코폴리머, 폴리(비닐피롤리돈/디메틸아미노에틸메타크릴레이트), 쿼터너리 폴리(비닐피롤리돈/디메틸아미노에틸메타크릴레이트), 메타크릴로일 에틸베타인/메타크릴레이트 코폴리머, 쿼터너리 폴리(비닐피롤리돈/디메틸아미노에틸메타아크릴레이트) 및 폴리 비닐 피롤리돈/비닐 아세테이트 공중합체를 들 수 있다. 상기 이온성 폴리머는 제 1 액체에 포함되는 경우에는 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 제 2 액체에 포함되는 경우에는 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 그리고 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우에는 각각 제 1 액체의 0.001-10중량% 및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한 분자내에 염을 포함하고 있지 않으나 표면 에너지 저하 기능을 발현하는 화학 구조를 갖는 물질이 상기 제 1 액체 및/또는 제 2 액체내에 포함될 수 있다. 이러한 물질로는 예를들어, 에틸렌 옥사이드 또는 프로필렌 옥사이드 단량체의 중합을 통하여 얻어진 폴리에틸렌 글라이콜류(R-(CH2CH2O)nH(R은 탄화수소계열, 탄화불소계열 또는 실리콘계열의 기임))와 솔비탄 에스테르 및 트윈 등과 같은 다가 알코올류와 같은 비이온성 유기화합물을 포함한다. 이러한 경우 별도의 염을 첨가하여 전해액 또는 절연액을 제조하여 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 이러한 물질은 제 1 액체에 포함되는 경우에는 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바 람직하며, 제 2 액체에 포함되는 경우에는 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 그리고 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우에는 각각 제 1 액체의 0.001-10중량%및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 액체(전해액)는 적어도 하나의 무기염을 더욱 포함할 수 있다. 본 발명에 사용가능한 무기염은 전기습윤장치용으로 사용되는 공지의 무기염을 포함하며, 이에 한정하는 것은 아니나, 예를들어, 나트륨염, 규산염, 질산염, 아질산염, 인산염, 붕산염, 마그네슘염, 철염, 구리염, 아연염, 망간염, 코발트염 및 리튬염 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 소디움설페이트가 사용된다. 상기 무기염은 제 1 액체의 총 중량을 기준으로 0.001-20중량%의 양으로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 가변 초점 액체 렌즈는 도전성을 갖는 제 1 액체 및 절연성을 갖는 제 2 액체를 포함하여 구성된 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈에 있어서, 상기 제 1 액체 및/또는 상기 제 2 액체가 두 액체사이에 20 dyne/cm이하의 감소된 계면에너지를 갖도록 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하는 것을 특징으로 하며, 이외의 액체 렌즈의 구조는 일반적으로 알려진 종래기술의 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈의 구조가 적용될 수 있다. 예를들어, 본 발명에 따른 가변 초점 액체 렌즈는 제 1 액체 및/또는 제 2 액체가 상기한 바와 같이 구성되고 제 1 액체와 제 2 액체사이에 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하는 것을 제외하고, 미국특허 제 6,369,954호, WO 00/58763 및 일본특허출원 제 1999-155341호에 개시되어 있는 액체 렌즈의 구조를 가질 수 있다.
일 구현예로, 본 발명의 가변 초점 액체 렌즈는 서로 혼합되지 않으며 또한 서로 다른 굴절율을 갖는 제 1 액체와 제 2 액체에 의해 형성되는 계면의 형상을 변화시키는 것으로 초점 위치를 변화시키는 가변 초점 액체 렌즈를 포함하며, 전해액으로 구성된 상기 제 1 액체 및 절연액으로 구성된 상기 제 2 액체는 셀내에 수용되고, 상기 제 2 액체는 소적을 형성하며, 상기 제 1 액체 및/또는 상기 제 2 액체는 상기 두 액체사이에 20 dyne/cm이하의 감소된 계면에너지를 갖도록 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하며, 상기 셀내면에는 상기 소적과 접촉하는 소적 접촉 영역이 형성되며, 그리고 상기 제 1 액체 및 상기 제 2 액체는 절연층을 이용하여 반대측에 배치되는 전극과 상기 제 1 액체와의 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 가지고 있고, 그 전압 인가 수단에 의한 인가 전압을 변화시키는 것으로 상기 계면의 형상을 변화시키게 되도록 구성될 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 가변 초점 액체 렌즈는 종래의 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈에 비해 상대적으로 감소된, 바람직하게는 약 50% 감소된 구동전압을 갖는다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 이는 단지 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명을 하기 실시예로 한정하는 것은 아니다.
<실시예>
본 실시예에서는 액체렌즈가 계면활성제를 포함한 경우의 효과를 확인하기위해 계면활성제를 포함하는 전해액 및 절연액을 제조하여 도 3의 액체 렌즈를 제조한 후 구동전압 및 가변 디옵트리를 측정하여 구동전압 감소 효과를 관찰하였다. 계면활성제를 포함한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하기 위한 전해액 및 절연액의 조성을 하기± 표 1에 나타내었다. 이때 계면활성제로는 비이온 불소 알킬아크릴계 고분자 계면활성제(3M, FC4430)와 실리콘계 계면활성제(DHM, CAS:145686-74-4)가 사용되었다. 전해액 제조시 사용된 물은 3차 순수이었다. 이때 액체 렌즈 제조를 위하여 절연액으로는 다우코닝사의 실리콘 오일과 디브로모헥산 실리콘 오일을 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성으로 사용하였다.
비교예
렌즈 제조
실험에 사용된 액체 렌즈는 액체를 담기위한 셀은 상부와 하부로 구성되며, 상부는 투명한 폴리사이클로올레핀으로 구성되며 그 내부는 Ni/V 금속 막으로 코팅되어 있어 0.25 ± 0.02㎛이 금속막을 통해 전해액에 전압을 인가할 수 있도록 구성된다. 하부는 상부와 동일한 폴리사이클로올레핀 재질로 되어 있으며, 액체와 접하는 내부는 고분자 절연막 재질로서 페릴렌막이 2.5 ± 0.2㎛로 코팅되어 있으며, 절연막 아래에는 Ni/V 금속 재질의 금속막 0.25 ± 0.02㎛이 코팅되어 있다.
절연액 제조
소적을 구성하는 절연성 액체로서, 다우코닝사의 실리콘 오일 DC704(굴절율:1.6, 밀도:1.07)와 디브로모헥산을 9대1로 혼합하여 사용하였다.
전해액 제조
도전성 액체로서, 무기염으로 구성된 전해액을 이용하였다. 즉, 수중에 도전성 성분으로서 LiCl 20중량%를 포함하는 투명 용액을 제조하였다. 성분으로서 LiCl 20중량%를 포함하는 투명 용액을 제조하였다.
이와 같은 소적 및 도전성 액체를 상기 렌즈의 셀에 넣어, 액체 렌즈 장치를 얻었다.
이와 같이 얻어진 액체 렌즈 장치를 이용하여 구동전압 및 가변 디옵트리(히스테리시스)를 다음과 같이 측정하였다.
- 구동전압 측정
액체 렌즈에 전압을 서서히 증가시키면서 인가하여 전해액과 절연액이 접하는 부분의 곡률이 변경되기 시작하는 지점의 전압을 측정하였다.
- 히스테리시스 측정
액체렌즈에 전압을 서서히 증가시키면서 초점거리를 측정하고, 반대로 전압을 서서히 감소시키면서 초점거리를 측정하여 동일 전압에서 두 초점 거리의 차이가 가장 클 때, 이 두 초점 거리간의 차이를 히스테리시스로 측정하였다.
실시예 1-5
도전성 액체 및 절연성 액체가 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 비이온 불소 알킬아크릴계 고분자 계면활성제(3M, FC4430)와 실리콘계 계면활성제(DHM, CAS:145686-74-4)가 포함된 것을 제외하고 상기 비교예와 동일한 방법으로 액체 렌즈 장치를 얻었다.
이와 같이 얻어진 액체 렌즈 장치를 이용하여 비교예에서와 동일한 방법으로 구동전압 및 가변 디옵트리를 측정하였다.
비교예 및 실시예 1-5에 사용된 전해액 및 절연액의 조성을 하기 표 1에 나 타내었다.
표 1 비교예/실시예에 사용된 전해액/절연액 조성(중량비)
비교예 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
전해액 H2O 100 80 80 80 80 80
LiCl 0 20 20 20 20 20
Na2SO4 0.2 0 0 0 0 0
FC4430(3M)(비이온 불소 알킬아크릴계 고분자 계면활성제) - - 0.003 0.003 0.01 0.01
절연액 DC704(다우코닝사)(실리콘 오일, 굴절율:1.6, 밀도:1.07) 90 - 90 - 90 90
DC702(다우코닝사)(실리콘 오일, 굴절율:1.52, 밀도:1.09) - 90 - 90 - -
디브로모헥산 10 10 10 10 10 10
FC4430(3M)(비이온 불소 알킬아크릴계 고분자 계면활성제) - 0.003 - 0.003 - -
DHM(CAS:145686-74-4)(실리콘계 계면활성제) - - - - 0.01 0.005
하기 표 2에 비교예 및 실시예 1-5에서 얻어진 액체 렌즈의 가변 초점 거리의 성능 평가결과를 나타내었다.
표 2 구동전압 가변 디옵트리 거리 비교
비교예 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
디옵트리(0 V) -1 0 0 0 0 0
디옵트리(40 V) 10.87 61 72 79 71 70
가변 디옵트리 11.87 61 72 79 71 70
상기 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 계면활성제를 사용한 경우의 액체 렌즈 장치(실시예 1-5)는 계면활성제를 사용하지 않은 비교예에 비해 동일 전압하에서의 가변디옵트리가 크게 확보됨을 알 수 있어, 이에 따라 구동전압이 상대적으로 현저히 낮음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 가변 초점 액체 렌즈는 두 액체사이에 계면층이 존재하여 감소된 구동전압을 가지며 또한 상기 계면층에 의해 두 액체간의 섞임이 적어 두 유체간의 신뢰성을 확보할 수 있다.

Claims (20)

  1. 도전성을 갖는 제 1 액체 및 절연성을 갖는 제 2 액체를 포함하여 구성된 전기 습윤 현상을 이용한 가변 초점 액체 렌즈에 있어서, 전해액으로 구성된 상기 제 1 액체 및 절연액으로 구성된 상기 제 2 액체중 적어도 하나는 상기 두 액체사이에 감소된 계면에너지를 갖도록 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하며, 상기 두 액체사이의 계면에너지는 0.1 - 20 dyne/cm 인 것을 특징으로 하는 감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 계면활성제가 제 1 액체에 포함되는 경우 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 계면활성제가 제 2 액체에 포함되는 경우 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 계면활성제가 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우 각각 제 1 액체의 0.001-10중량% 및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 계면활성제는 음이온성, 양이온성 및 양쪽 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 저분자 및 고분자 계면활성제 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 액체 및 제 2 액체중 적어도 하나는 이온성 폴리머를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 이온성 폴리머가 제 1 액체에 포함되는 경우 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 이온성 폴리머가 제 2 액체에 포함되는 경우 제 2 액 체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 이온성 폴리머가 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우 각각 제 1 액체의 0.001-10중량% 및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  11. 서로 혼합되지 않으며 또한 서로 다른 굴절율을 갖는 제 1 액체와 제 2 액체에 의해 형성되는 계면의 형상을 변화시키는 것으로 초점 위치를 변화시키는 가변 초점 액체 렌즈에 있어서,
    전해액으로 구성된 상기 제 1 액체 및 절연액으로 구성된 상기 제 2 액체는 셀내에 수용되고, 상기 제 2 액체는 소적을 형성하며,
    상기 제 1 액체 및 상기 제 2 액체중 적어도 하나는 상기 두 액체사이에 감소된 계면에너지를 갖도록 적어도 하나의 계면활성제를 포함하며 상기 두 액체사이에 중간층으로서 상기 계면활성제로 이루어진 계면층이 존재하며 상기 두 액체사이의 계면에너지는 0.1 - 20 dyne/cm 이며,
    상기 셀내면에는 상기 소적과 접촉하는 소적 접촉 영역이 형성되며, 그리고
    상기 제 1 액체 및 상기 제 2 액체는 절연층을 이용하여 반대측에 배치되는 전극과 상기 제 1 액체와의 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 가지고 있고, 그 전압 인가 수단에 의한 인가 전압을 변화시키는 것으로 상기 계면의 형상을 변화시키게 되는 감소된 구동전압을 갖는 가변 초점 액체 렌즈.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서, 상기 계면활성제가 제 1 액체에 포함되는 경우 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 계면활성제가 제 2 액체에 포함되는 경우 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 계면활성제가 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우 각각 제 1 액체의 0.001-10중량%및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 계면활성제는 음이온성, 양이온성, 양쪽 이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 저분자 및 고분자 계면활성제 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 제 1 액체 및/또는 제 2 액체는 이온성 폴리머를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 이온성 폴리머가 제 1 액체에 포함되는 경우 제 1 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 이온성 폴리머가 제 2 액체에 포함되는 경우 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 이온성 폴리머가 제 1 액체 및 제 2 액체 양쪽 모두에 포함되는 경우 각각 제 1 액체의 0.001-10중량% 및 제 2 액체의 0.001-10중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 액체 렌즈.
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