KR100752855B1 - 초임계 유체를 이용한 카메라 렌즈 - Google Patents

초임계 유체를 이용한 카메라 렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초임계 유체(Supercritical fluid)의 특성을 이용하여, 액체나 기체 상태에서 투명한 물질이 초임계 상태 (Supercritical phase)가 되었을 때, 온도 혹은 압력을 미세하게 변화시키면, 밀도, 굴절율 등의 물성이 급격하게 변화하는 원리를 이용한 초임계 유체 렌즈에 관한 것이다.
초점, 조정, 렌즈, 초임계, 유체, 밀도, 굴절율

Description

초임계 유체를 이용한 카메라 렌즈 {Camera lens using supercritical fluid}
도1a 및 도1b는 종래의 전기 습윤 방식 렌즈의 단면을 나타낸다.
도2a 및 도2b는 온도에 따른 이산화탄소의 특성 변화를 나타낸다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 단면을 나타낸다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈의 단면을 나타낸다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 설명 ※
31 : 초임계 상태 유체 32 : 버퍼
33 : 열전변환소자 34 : 패키지
35 : 입사광
본 발명은 초점 조절이 가능한 렌즈에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 초임계 유체(Supercritical fluid)의 특성을 이 용하여, 본 발명은 액체나 기체 상태에서 투명한 물질이 초임계 상태 (Supercritical phase)가 되었을 때, 온도 혹은 압력을 미세하게 변화시키면, 밀도, 굴절율 등의 물성이 급격하게 변화하는 원리를 이용한 초임계 유체 렌즈에 관한 것이다.
종래의 카메라, 프로젝터, 레이저 프린터 등 렌즈를 필요로 하는 많은 제품은 그 특성상 렌즈의 포커싱 또는 주밍(zooming) 기능을 필요로 한다. 종래에는 포커스와 줌을 구현하기 위해 렌즈를 움직이는 방법을 주로 사용하으나, 최근에는 다양한 기술 발전으로 렌즈의 형상을 변형시키는 방법도 시도하고 있다.
종래의 방법 중 렌즈를 움직여 포커싱 또는 주밍하는 방법은 렌즈를 움직이기 위한 구동부와, 구동을 위한 많은 공간이 확보되어야 한다. 또한 렌즈를 움직이는 줌 기능은 모터 구동에 의해 이루어 지는데 이때 전력 소비가 커 밧데리 소모가 크다는 문제가 있다. 이 같은 문제 즉 사이즈와 소비 전력을 해결하고자 줌기능을 렌즈의 이동이 아닌 자체 형상을 바꿀 수 있게 하는 연구가 진행되고 있다.
렌즈 형상을 변형시키는 방법의 경우는 MEMS 기술을 이용한 방법과 액체를 렌즈로 이용하는 방법이 있다. MEMS 기술의 경우 렌즈 면을 다수의 면으로 분할하고, 분할된 다수의 면을 각각 별개로 콘트롤 함으로써 광을 회절시켜 배율을 조절할 수 있는 구조이다. MEMS 기술의 경우 유한한 개수로 분할하기 때문에 그 특성에 일부 제한이 있을 수 있고, 액체 렌즈의 경우 중력 등 외력에 영향을 받거나 안정성에 문제가 있을 수 있다.
종래의 액체를 렌즈로 이용하는 방법에는 액체를 투명막에 저장하고 그 부피 를 변화시켜 초점거리를 바꾸는 부피변화방식, 전극 위에 반구 모양의 액체렌즈를 형성하고 전압을 가해 초점거리를 바꾸는 전기습윤방식 등이 보편화 돼 있으며 최근은 전기습윤방식이 각광을 받고 있다 .
도1a 및 도1b는 종래의 전기 습윤 방식 렌즈의 단면을 나타낸다.
유리 등의 재질로 형성된 기판(14) 위에 절연막(12)과 전극(13)으로 구성된 격벽을 형성한다. 절연막(12) 내에 전도성 수성액체(15)와 비전도성 유성 액체(16)를 넣고, 소수성 코팅막(11)을 덮어 밀폐한다. 전도성 수성액체(15)와 비전도성 유성 액체(16) 사이에 형성된 구면형의 경계면이 렌즈 역할을 하게 된다.
전압을 인가하지 않았을 경우 도1a와 같은 구면형 경계 면이 형성되고 전압 계속 올리면 평평한 경계면 형태를 거쳐, 도1b에 도시된 바와 같은 형태의 경계면을 이룬다.
전압을 인가하지 않은 도1a의 경우, 경계면은 오목 렌즈의 역할을 하고, 도1b와 같이 전압을 인가하게 되면 전도성 수성액체(15)들의 분자들이 극성을 띠면서 전극(13) 쪽으로 이동한다. 결국 경계면이 도1b와 같은 형상이 되면서 입사 빔이 한 점으로 모이는 볼록 렌즈와 같은 역할을 하게 된다.
이와 같이, 전도성 액체에 거는 전압을 조절함으로써 두 액체간 경계면을 제어할 수 있어 렌즈의 기계적인 이동이 없이 초점 거리를 조절할 수 있다.
그러나, 위와 같은 종래의 전기습윤방식의 렌즈에서도, 상온, 상압 상태의 전도성 액체에 전압을 가하여야 하고, 그에 따른 효율에 있어서는 여전히 개선점이 남아있다.
보다 효율적이고 단순한 방식으로 제어할 수 있는 렌즈가 요구된다.
본 발명은 보다 효율적인 방식으로 제어할 수 있는 새로운 방식의 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 유체 렌즈는, 내부에 렌즈 형상이 패터닝된 패키지; 상기 패키지 내부에 채워진 초임계 상태 유체; 상기 초임계 상태 유체에 초임계 상태 유지용 열을 가하는 열전 변환소자; 및 상기 초임계 상태 유체의 부피 변화를 버퍼링하는 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 초임계 유체 렌즈는, 내부에 렌즈 형상이 패터닝된 패키지; 상기 패키지 내부에 채워진 초임계 상태 유체; 및 상기 초임계 상태 유체에 초임계 상태 유지용 열을 가하는 열전 변환소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
물질의 압력 또는 온도를 높이게 되면 도2a에 도시된 바와 같이, 삼중점을 지나 임계점에 다다르게 된다. 기체와 액체가 혼재하는 임계상태에서는 임계점 부근의 압력이나 온도를 변화시키면 물질의 밀도, 점도, 확산계수와 극성 등 연속적으로 매우 큰 변화를 가져다 준다. 이 임계상태의 물질을 초임계 유체라고 한다.
도2b에는 이산화탄소를 초임계 상태로 만들고, 초임계 상태의 이산화탄소에 서 온도 변화에 따른 밀도, 유전상수, 탄화수소 용해도, 무기물 용해도의 변화를 나타낸다. 도2b에 도시된 바와 같이, 임계온도 부근에서는 이산화탄소의 특성들, 특히 밀도, 탄화수소 용해도, 무기물 용해도가 온도 변화에도 급격한 변화를 보이게 된다.
이와 같이, 초임계 유체는 약간의 온도 변화만으로 큰 상태변화를 일으킬 수 있기 때문에, 다양한 응용분야에 적용될 수 있다. 본 발명은 위와 같은 초임계 유체의 성질을 이용하여 간편하고 효율적으로 제어가 가능한 초소형 렌즈를 제공한다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈의 단면을 나타낸다.
도3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈는 내부에 렌즈 형상이 패터닝된 패키지(34), 상기 패키지(34) 내부에 채워진 초임계 상태 유체(31), 상기 초임계 상태 유체(31)에 초임계 상태 유지용 열을 가하는 열전 변환소자(33), 및 상기 초임계 상태 유체(31)의 부피 변화를 버퍼링하는 버퍼(32)를 포함하여 구성된다.
패키지(34)는 빛이 투과할 수 있으며, 압력을 견뎌낼 수 있고, 온도 변화에도 형태 변화가 없는 리지드한 재질이어야 하고, 바람직하게는 유리이다. 또한, 도3a에 도시된 바와 같이 패키지(34) 내부는 렌즈 역할을 할 수 있도록 볼록 렌즈 형상이 패터닝 되어 있다.
패키지(34) 내부에는 초임계 상태 유체(31)가 패키징되어 있다. 초임계 상태 유체(31)를 패키지(34) 내부에 패키징하는 공정에서 임계점 부근의 압력이 만들 어질 수 있도록 한다.
또한, 초임계 상태로 만들기 위해 패키지의 양단에 열전변환소자(43)(TEC, Thermionic heat-into-electricity converter)를 부착한다. 열전변환소자(43)는 전압을 가하였을 때 그에 따라 열을 발생시키거나, 그와 반대로 열을 가하였을 때 전기를 발생시킬 수 있는 소자이다. 열전변환소자(33)의 전압을 조절하여 온도를 올려 초임계 상태 유체(31)로 만든다.
본 발명에 따른 렌즈에서 초임계 상태 유체(31)로는 이산화탄소(CO2)를 사용하는 것이 바람직하다. 이산화탄소는 임계점이 상온에 가깝고(Tc=31°, Pc=73atm) 무독성, 불연성이면서 가격이 매우 저렴한 장점이 있다.
따라서, 초임계 상태 유체(31)로 이산화탄소를 사용하는 경우, 이산화탄소를 패키지(34)에 패키징할 때 패키지(34) 내부의 압력은 73atm 이상으로 만들어 주는 것이 바람직하다. 패키징한 후에는 초임계 상태로 만들어 주기 위해 온도를 31℃ 이상으로 만들어 주는 것이 바람직하다.
이산화탄소 외에도 실시예에 따라 다른 물질을 사용하는 것도 가능하다. 표1에 사용가능한 물질들의 임계 온도 및 압력을 나타내었다.
(표 1) 물질에 따른 임계 온도와 임계 압력
Solvents Critical Temperature (℃) Critical Pressure (atm)
Carbon Dioxide 31.1 72.8
Ethane 32.3 48.2
Ethylene 9.3 49.7
Propane 96.7 41.9
Propylene 91.9 45.6
Cyclohexane 280.3 40.2
Isopropanol 235.2 47.0
Benzene 289.0 48.3
Toluene 318.6 40.6
p-Xylene 343.1 34.7
Chlorotrifluoromethane 28.9 38.7
Trichlorofluoromethane 198.1 43.5
Ammonia 132.5 111.3
Water 374.2 217.6
본 발명에 따른 렌즈의 초점을 조절하는 방법을 설명한다.
도3b는 도3a의 상태에 열전변환소자(33)에 의해 열을 가하여 초점거리가 변화된 상태의 렌즈 단면도이다.
열전변환소자(33)의 미세 온도 조절을 통하여 초임계 상태 유체(31)의 밀도 변화를 주어 굴절률을 조절한다. 온도 변화에 따라 패키지(34) 내의 밀도가 변하면서 부피가 따라 변하게 된다.
패키지(34) 내부의 압력을 유지하기 위해 버퍼 기능을 할 수 있는 부피 변형이 가능한 버퍼(32)를 도3a, 도3b와 같이 패키지(34) 내부와 연결되도록 부착한다.
열전변환소자(33)를 통해 초임계 상태 유체(31)의 온도를 높이게 되면 확산이 급격히 일어나 버퍼(32)가 커지면서 초임계 상태 유체(31)의 밀도가 떨어지게 된다. 즉 초임계 상태 유체(31)는 '소(疎)'한 상태가 된다. 밀도가 떨어지면 물질의 굴절률도 작아지게 되어 도3a에 도시된 바와 같이 초점 거리가 멀어지게 되며 입사광(35)은 렌즈로부터 보다 먼 거리에 집광된다..
반대로 열전변환소자(33)를 통해 온도를 덜 가하여 온도를 떨어뜨리게 되면, 도3b에 도시된 바와 같이, 밀도가 증가 되면서 초임계 상태 유체(31)는 '밀(密)'한 상태가 된다. '밀'한 상태에서는 초임계 상태 유체(31)의 굴절률이 증가하여 초점 거리가 렌즈 쪽으로 앞당겨 지게 되고, 입사광(35)은 렌즈로부터 보다 가까운 거리에 집광된다.
실시예에 따라, 도3a 및 도3b 각각에 도시된 상태를 어느 온도에 해당하는 상태로 설정할지는 달라질 수 있다. 실시예에 따라, 각 상태에 대한 온도는 초임계 상태 유체(31)로 어떤 물질을 사용할 지와 초점 거리를 어느 정도 변화를 줄지에 따라 달라질 수 있음을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 렌즈의 단면을 나타낸다.
도4a 및 도4b는 패키지(34)의 내부가 오목 렌즈와 같은 형상으로 패터닝되어 있다.
열전변환소자(33)를 통해 초임계 상태 유체(31)의 온도를 높이게 되면 확산이 급격히 일어나 버퍼(32)가 커지면서 초임계 상태 유체(31)의 밀도가 떨어지게 된다. 밀도가 떨어지면 물질의 굴절률도 작아지게 되어 도4a에 도시된 바와 같이 초점 거리가 멀어지게 되며, 입사광(35)은 도4b에 도시된 상태보다 덜 확산되게 된다.
반대로 열전변환소자(33)를 통해 온도를 덜 가하여 온도를 떨어뜨리게 되면, 도4b에 도시된 바와 같이, 밀도가 증가 되면서 굴절률이 증가하여 초점 거리가 렌 즈 쪽으로 앞당겨 지게 도고, 입사광(35)은 도4a에 도시된 상태보다 더 확산되게 된다.
실시예에 따라서, 패키지(34) 내부를 비구면 렌즈 형상으로 패터닝할 수도 있다. 비구면 렌즈는 이 경우 구면 수차를 줄일 수 있으며 정확한 초점이 맺혀지므로 구면 렌즈들 보다 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
또한, 패키지(34) 내부를 표면이 구면(sphere)이 아니고 원기둥면으로 되어 있는 실린더렌즈 형태로 패터닝 할 수도 있다.
실시예에 따라서, 패키지(34)의 내부 패턴을 다양한 형상으로 패터닝 할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 패키지(34)를 유리 등의 리지드한 재질 대신에, 온도에 따라 수축 팽창을 할 수 있는 플라스틱 계열의 재질을 사용하면, 버퍼(32) 없이도 렌즈를 제조할 수 있다.
패키지(34) 대신에 사용되기 위해서는 투명한 재질이어야 한다. 투명하면서도, 온도에 따라 수축 팽창을 할 수 있는 플라스틱 계열의 재료로는 공업용 투명 렌즈 제조에 사용되는 실리콘 러버(silicon rubber) 또는 플라스틱 렌즈 제조에 사용되는 PMMA(poly methyl methacrylate)가 있다. 온도에 따른 적절한 수축 팽창계수 측면에서는 실리콘 러버가 바람직하다.
이 외에도 다양한 재질의 투명 플라스틱을 사용할 수 있으며, 사용되는 초임계 유체 및 렌즈의 크기에 따라 사용될 수 있는 재료가 달라질 수 있다.
본 발명의 초임계 유체를 이용한 렌즈에 따르면, 미세한 온도 변화에도 초임계 유체의 밀도 특성이 크게 바뀌므로 저전력으로 유체의 굴절률 변화를 주어 초점의 거리를 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 초임계 유체를 이용한 렌즈는, 패키지의 내부 형상을 자유로이 설계할 수 있기 때문에, 오목 또는 볼록렌즈 형태뿐 아니라 종래 액체렌즈가 구현할 수 없었던 비구면 렌즈, 실린더 렌즈 등 다양한 렌즈를 제조할 수 있다.
저전력으로 굴절률 변화가 크기 때문에 초점 거리 이동이 자유롭기 때문에 초소형 카메라 렌즈로 사용 가능하다.

Claims (10)

  1. 내부에 렌즈 형상이 패터닝된 패키지;
    상기 패키지 내부에 채워진 초임계 상태 유체;
    상기 초임계 상태 유체에 열을 가하는 열전 변환소자; 및
    상기 초임계 상태 유체의 부피 변화를 버퍼링하는 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패키지는 유리인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초임계 상태 유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내에 형성된 패턴은 볼록 렌즈 형상인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내에 형성된 패턴은 오목 렌즈 형상인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내에 형성된 패턴은 비구면 렌즈 형상인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패키지 내에 형성된 패턴은 실린더 렌즈 형상인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  8. 내부에 렌즈 형상이 패터닝된 패키지;
    상기 패키지 내부에 채워진 초임계 상태 유체; 및
    상기 초임계 상태 유체에 열을 가하는 열전 변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 패키지는 투명 플라스틱 재질인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 초임계 상태 유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 초임계 유체 렌즈.
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