KR100847804B1 - 액체 렌즈 및 액체 렌즈 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 렌즈에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 간단한 공정으로 안정적인 전극과 절연막을 형성할 수 있는 액체 렌즈 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 액체 렌즈에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 액체 렌즈 제조 방법은 중앙에 홀이 형성된 실리콘 기판을 제공하는 단계; 상기 실리콘 기판상에 절연막과 소수성막을 코팅하는 단계; 상면에 전극이 형성된 투명한 하부 기판을 제공하는 단계; 상기 하부 기판상에 밀봉이 유지되도록 상기 실리콘 기판을 접합하는 단계; 전도성 액체와 비전도성 액체를 상기 홀과 상기 하부 기판에 의해 둘러싸인 액체 저장부에 충전하는 단계; 상기 실리콘 기판상에 밀봉이 유지되도록 투명한 상부 기판을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

액체 렌즈, 전극, 절연막, 실리콘

Description

액체 렌즈 및 액체 렌즈 제조 방법 {LIQUID LENS AND A METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

도 1a, 1b는 액체 렌즈의 원리에 관한 개요도.

도 2a, 2b는 종래의 액체 렌즈의 구조에 관한 개요도.

도 3a 내지 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 렌즈 제조 공정도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 렌즈의 구조에 관한 개요도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 렌즈의 구조에 관한 개요도.

도 6a 내지 6j는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 렌즈 제조 공정도.

도 7a 내지 7d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액체 렌즈의 구조에 관한 개요도.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액체 렌즈의 구조에 관한 개요도.

도 9a, 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 렌즈의 종단면도.

본 발명은 액체 렌즈에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 간단한 공정으로 안정적인 전극과 절연막을 형성할 수 있는 액체 렌즈 제조 방법 및 그 방법에 의해 제 조되는 액체 렌즈에 관한 것이다.

액체 렌즈는 형상을 변화시켜서 초점을 조절하는 인간의 눈의 수정체의 동작을 응용한 것으로서, 구조가 간단하고 기계적 구동부가 없어서 신뢰성이 높고 대량 생산에 적합할 뿐 아니라 반응 속도가 빠르며 소모 전력이 매우 낮고 수 밀리미터 이하로 소형화할 수 있다. 액체 렌즈는 디지털 카메라, 카메라 폰, 내시경, 보안 시스템, 광학 기록 장치 등에 다양하게 이용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b를 참조하여 액체 렌즈의 원리를 설명하기로 한다.

도 1a에 도시된 바와 같이 물과 같은 전도성 용액 방울을 절연체와 금속판으로 구성된 기판상에 위치시키고 금속판과 전도성 용액 사이에 전압을 인가하면, 절연체의 친수성이 증가하면서 절연체 상의 전도성 용액 방울의 형상이 점선 A로부터 실선 B의 형태로 변화하게 된다. 이와 같은 현상을 전기습윤(Electrowetting) 현상이라 한다.

한편, 도 1a에서와 같이 공기 중에 놓인 물 방물 대신에, 도 1b에 도시된 바와 같이 동일한 밀도와 상이한 굴절률을 가지며 서로 혼합되지 않는 물과 기름을 이용해도 전기습윤 현상을 발견할 수 있다. 도 1b에서 비전도성 액체인 기름 방울이 전도성 액체인 물속에 잠겨 있는 상황에서, 전압을 인가하면 전기습윤 현상에 따라 절연체의 친수성이 증가하고 이에 따라 전도성 액체인 물의 형상이 점선 A로부터 실선 B의 형태로 변화하게 된다. 정리하면, 전기습윤 현상이란 절연체로 코팅된 전극 위에 전도성 액체와 비전도성 액체가 맞닿아 있을 때 외부에서 전극과 전도성 액체에 전압을 인가하여 전도성 액체의 표면장력을 제어함으로써 전도성 액 체의 접촉각과 두 액체의 계면의 형상을 변화시키는 것을 말한다.

2004년 독일 하노버에서 개최된 CeBIT에서 필립스(Philips)사는 도 2a, 2b에 도시된 바와 같은 액체 렌즈를 제시한 바 있다.

도 2a에 도시된 액체 렌즈는, 투명한 유리를 기본 재료로 이용하여 기판(10), 측벽(20), 및 상판(30)을 가공하고, 기판(10)과 측벽(20)의 외측 원주를 따라 각각 전극(40, 50)을 형성한 구조이다. 측벽(20)의 내측에는 전기습윤 현상을 발생시키기 위해 절연체(60)가 코팅되며 절연체(60) 상에 소수성 막(70)이 코팅된다. 절연체(60)와 소수성 막(70)에 의해 액체(80, 90)와 중간 전극(50)의 접촉이 차단되며, 오직 전도성 액체(80)만이 하부 전극(40)의 단부와 접촉하고 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이 전압이 인가되면, 중간 전극(50)에 전하가 축적되고 반대 전하가 전도성 액체(80)와 소수성 막(70) 사이의 계면 근처로 모이게 된다. 그 결과 발생하는 정전기력이 액체(80)와 소수성 막(70) 사이의 표면장력을 낮추게 되므로 접촉각 θ와 렌즈의 초점거리가 감소된다.

이와 같은 액체 렌즈의 제조에 있어서 중요한 이슈 중의 하나가 전극과 절연막이다. 안정적인 액체 렌즈의 동작을 위해서는 균일한 전압을 지속적으로 인가할 수 있어야하므로 이를 위한 전극 재료와 형태가 중요하게 고려되어야 하며, 또한 동작 액체와 금속 전극 사이를 안정적으로 절연할 수 있는 절연체의 재료와 형태도 중요하게 고려되어야 한다.

도 2b에 도시된 종래의 액체 렌즈의 경우, 유리를 기본재료로 사용하여 투명 전극 재료인 ITO(Indium Tin Oxide)로 전극을 형성하고 절연막을 코팅한 후 다시 소수성 막을 코팅하는 공정을 거쳐야 한다. 그러나 수직으로 형성된 유리면에 ITO 전극, 절연막, 및 소수성 막을 형성하기란 용이하지 않을 뿐 아니라 코팅으로 형성된 절연막이 좋은 특성을 발휘하기 어렵게 된다.

한편, 액체 렌즈 제작시 전도성, 비전도성 액체의 외부 유출을 방지하는 것과 외부로부터 액체로의 기포 유입을 방지하는 것은 필수불가결한 요소라 할 수 있다.

도 2a, 2b에 도시된 바와 같은 액체 렌즈에서 일반적으로 액체가 담긴 렌즈 구조물을 액상 에폭시 형태의 접착물질을 이용하여 밀봉(sealing)을 하게 되면 에폭시가 경화되면서 에폭시로부터의 기체누출(outgasing)로 인해 액체 내부에 기포가 형성되며, 액체와 에폭시의 접촉 상태에서는 에폭시의 성질이 변하게 되어 신뢰성 있는 접착을 얻기 어렵다.

또한, 온도에 따른 액체의 부피 변화는 액체의 밀봉을 더욱 어렵게 만든다. 예컨대, 온도의 증감으로 액체의 부피가 팽창 또는 수축하게 되면 액체를 저장하는 액체 렌즈 내부에 압력이 발생하여 에폭시에 균열을 발생시키거나 심지어 액체 렌즈 구조물을 파괴할 수도 있다.

따라서, 신뢰성 있는 액체 렌즈의 제조 및 비용효율적인 생산을 위해서는 안정적이고 신뢰성 있게 전극과 절연막을 형성할 수 있으며, 기포 형성이 방지되며, 액체의 밀봉이 효과적으로 수행될 수 있는 새로운 액체 렌즈 제조 방법의 제공이 요구되고 있다.

상기한 바와 같은 종래의 액체 렌즈의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 전도성 재료로서 안정적인 절연막 형성이 용이한 실리콘 기판을 이용하여 액체 렌즈의 측벽을 전극으로 형성함으로써, 안정적으로 전극과 절연막 형성이 가능하여 신뢰성 있는 액체 렌즈 구조물을 대량으로 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고체상태의 오링을 이용하여 액체를 밀봉하여 기체누출에 의한 기포의 발생을 억제하고, 별도의 패키징 모듈을 이용하여 액체 렌즈 구조물을 고정함으로써 견고성과 신뢰성이 크게 향상된 액체 렌즈 구조물 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 오링이 갖는 탄성을 이용하여 액체의 팽창과 수축을 보정함으로써 기포의 유입과 액체 렌즈 구조물의 파괴현상을 방지할 수 있는 액체 렌즈 구조물 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 이상의 제조 방법에 의해 제공되는 신규한 구조의 액체 렌즈 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 렌즈 제조 공정을 도시한 도이다.

먼저, 도 3a의 단계에서 실리콘 기판(100)을 제공한다. 이어서, 도 3b의 단계에서 상기 실리콘 기판(100) 상에 전도성 액체와 비전도성 액체를 저장하기 위한 홀(20)을 형성한다.

다음 도 3c에서 홀(120)이 형성된 실리콘 기판(100)에 절연막(130)을 형성한다. 상기 절연막(130)은 바람직하게는 실리콘 기판(100)의 열산화 공정을 통해 형성되는 실리콘 산화막(SiO₂)이다. 이어서 도 3d에 도시된 바와 같이 절연막(130) 상에 테플론 피막과 같은 소수성 막(140)을 코팅한다. 소수성 막(140)을 코팅하게 되면, 전도성 액체인 물이 친수성을 띤 하부 유리 기판(150)에만 접촉하고 소수성 막(140)이 코팅되어 소수성을 띠는 홀(120)의 측벽에는 접촉하지 않게 되므로 일정한 모양을 유지할 수 있게 된다. 반대로 실리콘 측벽이 친수성인 경우에는 전도성 액체인 물이 측벽과 접촉하는 경계선이 일정한 위치에 있지 않으므로 렌즈로 이용되는 전도성 액체와 비전도성 액체의 계면 곡률이 일정치 못하게 되어 렌즈의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 소수성 막(140)의 재료로 듀퐁이나 3M 등에서 생산되는 테플론 코팅 용액을 사용하여 디핑(dipping)이나 스프레이 방식으로 코팅함으로써 소수성 막(140)을 얻을 수 있다.

다음 3e에 도시된 바와 같이 유리로 된 하부 기판(150)에 하부 전극(160)을 형성한다. 다음 3f에 도시된 바와 같이 하부 전극(160)이 형성된 하부 유리 기판(150)을 실리콘 기판(100)과 접합한다.

다음 3g에 도시된 바와 같이 홀(20)에 전도성 액체와 비전도성 액체를 차례로 주입하고, 도 4에 도시된 바와 같이 상부 유리기판(170)을 실리콘 기판(100) 상부와 접합하여 액체 렌즈 구조물을 완성한다.

유리 기판(150, 170)과 실리콘 기판(100)의 접합시 액상 에폭시를 이용하여 접합하게 되면 에폭시가 경화되면서 기체누출(outgasing)로 인한 기포발생의 염려가 있으므로, 본 발명에서는 열경화 에폭시 또는 UV 에폭시와 같은 경화된 에폭시 오링을 이용하여 유리 기판(150, 170)과 실리콘 기판(100)을 밀봉함으로써 기포발생을 방지할 수 있으며, 이 경우 두 기판 사이의 접합부에 경화된 고체 에폭시 오링(도시되지 않음)이 형성된다. 경화된 에폭시 오링을 이용한 밀봉 방법에 대해서는 도 6a 내지 6j와 관련하여 아래에 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조 공정을 통해 도 4에 도시된 바와 같은 액체 렌즈가 제작될 수 있다. 도 4의 액체 렌즈는 별도의 상부 전극이 없으며, 하부 전극(160)을 제외한 유일한 전도성 재료인 실리콘 기판(100)이 전극으로 기능하며, 그 자체로 액체 렌즈의 측벽을 구성한다. 따라서 실리콘 기판(100)은 기능적으로 볼 때 실리콘 기판 전극(100)이라 하여도 무방하다. 한편, 도 3b의 단계에서 실리콘 기판(100) 상에 홀(120)을 수직으로 형성할 경우, 도 5에 도시된 바와 같은 수직 구조 액체 렌즈가 제작될 수 있다.

한편, 본 발명에 따라 액체의 외부 유출 방지 및 액체로의 기포 유입 방지가 가능한 액체 렌즈 구조물은 도 6a 내지 도 6j에 따른 액체 렌즈 제조 공정에 의해 제공된다.

먼저, 도 6a의 단계에서 실리콘 기판(200)을 제공한다. 이어서, 도 6b의 단계에서 상기 실리콘 기판(200) 상에 홀(220)을 형성한다.

다음 도 6c에서 홀(220)이 형성된 실리콘 기판(200)에 열 산화 공정을 통해 실리콘산화막으로 절연막(230)을 형성한다. 이어서, 도 6d에 도시된 바와 같이 절연막(230) 상에 소수성 막(240)을 코팅한다.

다음 6e에 도시된 바와 같이 유리로 된 하부 기판(250)에 하부 전극(260)을 형성한다. 다음 6f에 도시된 바와 같이 하부 전극(260) 상에 액체의 밀봉을 위한 오링(O-ring)(270)을 형성한다. 오링은 일반적인 고무 오링, 우레탄 오링이나 에폭시를 디스펜싱(dispensing) 또는 스크린 프린팅(screen printing)하여 경화시킨 에폭시 오링을 이용할 수 있다.

이어서, 6g에 도시된 바와 같이 제 1 패키징 모듈(300)을 이용하여 오링(270)이 형성된 하부 유리 기판(250)과 실리콘 기판(200)을 접합하여 일차 고정한다.

다음 6h에 도시된 바와 같이 액체 저장부에 전도성 액체와 비전도성 액체를 순차적으로 충전한다. 이때 비전도성 액체는 액체의 표면장력을 이용하여 비전도성 액체의 표면이 실리콘 기판(200)의 표면 보다 높게 볼록하도록 충전한다.

다음 도 6i에 도시된 바와 같이 기포가 발생되지 않도록 오링(280)이 형성된 상부 유리(290)로 비전도성 액체를 밀어내며 실리콘기판(200)을 덮는다. 마지막으로 도 6j에 도시된 바와 같이 제 2 패키징 모듈(310)을 이용하여 액체 렌즈 내부의 용액이 흘러나오지 않도록 견고하게 이차 고정한다.

도 6i에서는 상부 유리(290)의 상하면에 모두 오링(285)이 형성되고 하부 유리 기판(250)의 상면에 오링(280)이 형성된 것으로 도시되었으나, 액체의 밀봉이 가능한 범위 내에서 도 7a, 7b, 7c, 7d와 같은 변형예가 가능하며, 실리콘 기판(200)의 구조 또한 도 8과 같이 형성될 수 있다.

한편, 패키징 모듈(300, 310)의 종단면은 도 9a에 도시된 바와 같이 사각형일 수도 있고, 도 9b에 도시된 바와 같이 원형일 수도 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 일 실시예를 이용하여 본 발명을 설명하였으 나, 본 발명의 원리는 상기 실시예에 기재된 범위에 의해 한정되지 않으며, 당업자는 특허청구범위에 의해 정해지는 기술적 범위 내에서 다양한 수정과 변형을 가할 수 있을 것이며 이러한 수정한 변형 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 경우, 전도성 재료인 실리콘을 기판 재료로 사용하였기 때문에 전극을 형성하는데 생기는 곤란함을 극복할 수 있고, 또한 반도체 공정의 하나로서 안정성이 입증된 열산화 공정을 이용하여 보다 안정적인 절연막을 형성할 수 있으므로 균일한 전압을 지속적으로 인가할 수 있어서 제조된 액체 렌즈의 구동이 안정적이다.

또한, 실리콘 웨이퍼를 전극의 재료로 사용하기 때문에 절연막 형성 및 소수성 막의 코팅 등의 과정이 용이하므로 대량 생산에 매우 적합하며, 절연막과 소수성 막이 좋은 특성을 발휘할 수 있게 된다.

본 발명의 경우, 고체상태의 열경화된 오링을 이용하여 액체를 밀봉하기 때문에 기체누출에 의한 기포의 발생이 없고 액체와 에폭시의 접착시 에폭시의 성질 변화가 방지되며, 이에 더하여 별도의 패키징 모듈을 이용하여 액체 렌즈 구조물을 고정하므로 액체 렌즈 구조물의 견고성과 신뢰성이 크게 향상된다.

또한, 오링이 갖는 탄성을 이용하여 액체의 팽창과 수축을 보정함으로써 기포의 유입과 액체 렌즈 구조물의 파괴현상을 방지할 수 있다.

결국, 본 발명에 따라 신뢰성 있는 액체 렌즈의 제조 및 비용효율적인 생산 을 위해 안정적이고 신뢰성 있게 전극과 절연막을 형성할 수 있으며, 기포 형성이 방지되며, 액체의 밀봉이 효과적으로 수행될 수 있는 새로운 액체 렌즈 제조 방법 및 그에 따른 액체 렌즈 구조물이 제공된다.

Claims (20)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
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5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 전도성 액체와 비전도성 액체를 저장하기 위해 중앙에 홀이 형성된 실리콘 기판 전극을 제공하는 단계;

    상기 실리콘 기판 전극 상에 실리콘 산화막을 형성하고, 형성된 상기 실리콘 산화막 상에 소수성막을 코팅하는 단계;

    상면에 전극이 형성된 투명한 하부 기판을 제공하는 단계;

    제 1 패키징 모듈을 이용하여 상기 하부 기판과 상기 실리콘 기판 전극을 고정시킴에 의해 밀봉이 유지되도록 상기 하부 기판과 상기 실리콘 기판 전극을 접합하는 단계;

    상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체를 상기 홀과 상기 하부 기판에 의해 둘러싸인 액체 저장부에 충전하되, 상기 액체의 표면 장력을 이용하여 상기 실리콘 기판 전극의 상면보다 높게 상기 액체를 충전하는 단계;

    상기 실리콘 기판 전극상에 밀봉이 유지되도록 투명한 상부 기판을 접합하되, 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 오링이 형성된 상부 기판을 이용하여 상기 실리콘 기판 전극보다 높게 충전된 상기 액체 부분을 밀어내면서 상기 상부 기판을 상기 실리콘 기판 전극과 접합하는 단계;

    상기 제 1 패키징 모듈과 결합되는 제 2 패키징 모듈을 이용하여 상기 상부 기판과 상기 실리콘 기판 전극을 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 제조 방법.
11. 삭제
12. 전도성 액체와 비전도성 액체를 저장하기 위해 중앙에 홀이 형성된 실리콘 기판 전극;

    상부에 전극이 형성되어 있으며, 상기 실리콘 기판 전극의 하부에 밀봉이 유지되도록 접합된 투명한 하부 기판; 및

    상기 실리콘 기판 전극의 상부에 밀봉이 유지되도록 접합된 투명한 상부 기판을 포함하며,

    상기 실리콘 기판 전극 표면에는 실리콘 산화막이 형성된 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 구조물.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 하부 기판과 상기 실리콘 기판 전극을 결합하고 고정하기 위한 제 1 패키징 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 구조물.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 상부 기판의 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 형성된 오링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 구조물.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 상부 기판과 상기 실리콘 기판 전극을 결합하고 고정하기 위한 제 2 패키징 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 구조물.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 하부 기판의 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 형성된 오링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 구조물.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 중앙에 형성된 홀의 영역 내에서 상기 실리콘 산화막 상에 형성된 소수성막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 구조물.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 투명한 상부 기판과 상기 투명한 하부 기판은 유리 기판인 것을 특징으로 하는 액체 렌즈 구조물.
19. 삭제
20. 삭제

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