KR101239151B1 - 가변 초점 유체렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 습윤(electro wetting)을 이용한 가변 초점 유체렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메니스커스(meniscus) 상에 접촉되어 있는 제1유체와 제2유체로 이루어진 가변 초점 유체렌즈를 눈 형상(eye-shaped)으로 밀봉하여 종래의 편평한 밀봉에 비해 밀봉이 용이하고 렌즈 내부에 기포의 발생이 억제되도록 한 가변 초점 유체렌즈에 관한 것으로, 서로 다른 굴절률로 서로 섞이지 않으며 메니스커스(meniscus) 상에 접촉하는 제1유체와 제2유체가 채워지는 관체인 유체 챔버 형상으로 구비되고 상기 제2유체로부터 절연된 제1전극과, 상기 유체 챔버에 제1유체와 제2유체가 채워진 상태로 개방된 상단을 대략 반구형(hemisphere)으로 밀봉하는 폴리머 필름과, 상기 제2유체에 작용하도록 구비되는 제2전극을 포함하여 구성되는 가변 초점 유체렌즈를 제공한다.

Description

가변 초점 유체렌즈{Variable liquid lens}
본 발명은 전기 습윤(electro wetting)을 이용한 가변 초점 유체렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메니스커스(meniscus) 상에 접촉되어 있는 제1유체와 제2유체로 이루어진 가변 초점 유체렌즈를 눈 형상(eye-shaped)으로 밀봉하여 종래의 편평한 밀봉에 비해 밀봉이 용이하고 렌즈 내부에 기포의 발생이 억제되도록 한 가변 초점 유체렌즈에 관한 것이다.
일반적으로 카메라는 다수개의 렌즈를 구비하고 있으며 각각의 렌즈를 이동시켜 그 상대거리를 변화시킴으로써 광학적인 초점거리를 조절하도록 구성된다. 한편, 이러한 렌즈가 장착되는 카메라 등의 광학 기기가 소형화됨에 따라 렌즈도 역시 소형화가 요구되고 있다.
소형화 요구에 부응하기 위한 방법으로는 PCT 국제공개번호 WO 03/069380에 개시한 것과 같은 가변 초점렌즈가 있다.
도 1은 WO 03/069380의 실시예로서 제안된 가변 초점의 간략한 단면도이다. 도 1에서와 같이 상기의 가변 초점렌즈는 굴절률이 서로 다르고 메니스커스(meniscus)(14)를 통해 접촉하는 비혼합성의 제1유체(A) 및 제2유체(B)를 구비하며 실린더 벽을 갖는 실린더 형상의 유체 챔버(5), 상기 실린더 벽의 내측에 배치된 유체 접촉층(contact layer)(10), 상기 유체 접촉층(10)에 의해 상기 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)와 분리되는 제1전극(2) 및 상기 제2유체(B)를 활성화시키는 제2전극(12)을 포함한다.
여기서, 상기 제1전극(2)은 실린더 형상으로서 절연층(insulating layer)(8)에 의해 코팅되고 금속성 물질로 만들어지며, 상기 제2전극(12)은 유체 챔버(5)의 일측에 배치된다. 또한, 투명한 전방 요소(4)와 투명한 후방 요소(6)는 상기의 두 유체들을 수용하는 상기 유체 챔버(5)의 커버를 형성한다.
한편, 도 4의 도면부호 16은 전방요소(4)와 유체 접촉층(10)을 밀봉 결합시키는 실링이다.
이와 같은 구성을 갖는 가변 초점렌즈의 동작은 다음과 같다.
상기 제1전극(2)과 제2전극(12) 사이에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 유체 접촉층은 제2유체(B)보다 제1유체(A)에 대해 높은 습윤성(wettability)을 가진다. 만약 상기 제1 및 제2전극 사이에 전압이 인가되면, 일렉트로웨팅 (electrowetting) 때문에, 상기 제2유체(B)에 의한 습윤성이 변하고, 도시한 바와 같이 메니스커스(14)의 접촉각(Q1, Q2, Q3)이 변하게 된다.
따라서, 인가된 전압에 따라 메니스커스의 형상이 변화하게 되고, 이를 이용하여 초점조절이 이루어지게 되는 것이다.
즉, 도 1 내지 3에서와 같이 인가된 전압의 크기에 따라 제1유체(A)에서 측정한 상기 메니스커스(14)와 유체 접촉층(10) 사이의 각도는 각각 둔각에서 예각으로, 예컨대 대략 140°, 100°, 60° 등으로 변화하게 된다.
여기서, 도 1은 높은 음의 파워(power), 도 2는 낮은 음의 파워, 도 3은 양의 파워를 갖는 배치를 나타내고 있다.
이와 같이 유체를 이용한 가변 초점 렌즈는 종래의 렌즈의 기계적 구동을 통해 초점을 조절하는 방식에 비해 소형화에 유리하다는 장점이 있다.
하지만 이와 같은 가변 초점 렌즈는 도 4에 도시한 것과 같은 단점이 있다. 즉, 가변 초점 렌즈는 액체로 이루어지기 때문에 챔버(5) 내에 제대로 밀봉되지 못하면 도 4에 도시한 바와 같이 기포(18)가 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해서, 렌즈 조립 작업을 액체 내에서 수행하는 방법이 있으나, 이는 기포의 발생을 완벽히 억제하지 못하고 작업성을 떨어뜨리고 렌즈의 대량 생산을 방해한다. 그리고 종래기술에서는 유체의 패키징에 어려움이 있어 하나하나 개별적으로 패키징을 행할 수밖에 없는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 챔버에 제1 및 제2유체를 채운 상태로 대략 반구 형상으로 감싸는 폴리머 필름을 이용한 가변 초점 유체렌즈를 제공하여 종래 문제로 지적되는 챔버 내부의 기포 발생에 의한 성능 저하를 방지하는 가변 초점 유체렌즈를 제공하고자 한다.
또한, 폴리머 인캡슐레이션(polymer encapsulation)을 통해 유체가 패키징(packaging) 됨으로써 동시에 여러 소자를 폴리머 코팅하는 것이 용이하여 대량생산이 가능하게 하고자 한다.
본 발명은 전기 습윤(electro wetting)을 이용한 가변 초점 유체렌즈에 있어서, 서로 다른 굴절률로 서로 섞이지 않으며 메니스커스(meniscus, M) 상에 접촉하는 제1유체(A)와 제2유체(B)가 채워지는 관체인 유체 챔버(110) 형상으로 구비되고 상기 제2유체(B)로부터 절연된 제1전극(140)과, 상기 유체 챔버(110)에 제1유체(A)와 제2유체(B)가 채워진 상태로 개방된 상단을 대략 반구형(hemisphere)으로 밀봉하는 폴리머 필름(130)과, 상기 제2유체(B)에 작용하도록 구비되는 제2전극(150);을 포함하여 구성되는 가변 초점 유체렌즈를 제공한다.
여기서, 상기 제1,2유체(A)(B)가 채워지는 유체 챔버(110)의 내주면(110a), 상단면(110b) 및 하단면(110c)에 증착된 유전체 박막(120)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전극(140)은 상기 유체 챔버(110)의 벽체 내부에 원통 형상으로 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2전극(150)은 상기 유체 챔버(110)의 하단에 편평하게 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전체 박막(120)의 상면에는 소수성 표면(160)이 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 챔버(110)의 상단면(110b)에 링 형상의 친수성 표면(170)이 구비되어 상기 제1유체(A)를 고정해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1유체(A)는 비전도성 유체이고, 상기 제2유체(B)는 전도성 유체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1유체(A)와 제2유체(B)의 밀도차이는 30% 이내인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소수성 표면(160)은 불소중합체(fluoropolymer), 플라즈마처리, 파릴렌(parylene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 필름(130)은 파릴렌(parylene)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1유체(A)는 미네랄오일, 실리콘 오일, 해바라기 오일, 헥사데칸(hexadecane) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전체 박막(120)은 파릴렌(parylene) 또는 SiOx(실리콘 산화막) 재질을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전극(140)은 상기 제1유체(A)와 접촉된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a)이 경사진 것을 특징으로 한다.
본 발명을 활용하면,
첫째, 대략 반구 형상의 폴리머 필름으로 구성된 가변 초점 유체렌즈를 제공할 수 있으므로 렌즈의 전체적인 부피를 줄일 수 있어 렌즈의 초소형화가 가능하다.
둘째, 투명기판 상부에 놓인 제1 및 제2유체를 내부에 채운 상태로 감싸는 폴리머 필름의 증착기술에 의해 렌즈의 내부 기포 발생에 의한 성능 저하를 방지할 수 있다.
셋째, 종래 기술에서 문제되던 렌즈 내부 기포 발생 문제가 해결되므로 렌즈는 저진공 상온에서 폴리머 인캡슐레이션에 의해 대량생산이 가능하므로 제조가 용이하여 생산성이 획기적으로 향상될 수 있다.
도 1 내지 3은 종래 기술에 따른 가변 초점 렌즈의 구조와 동작을 나타내는 단면도이고,
도 4는 종래 기술에 따른 가변 초점 렌즈의 문제점을 나타내는 단면도이며,
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 유체렌즈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이고,
도 8은 본 발명에 따른 가변 초점 유체렌즈의 다른 실시예의 단면도이며,
도 9는 도 5 내지 도 7에 도시된 가변 초점 유체렌즈의 평면도이고,
도 10은 도 8에 도시된 가변 초점 유체렌즈의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가변 초점 유체렌즈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 9는 도 5 내지 도 7에 도시된 가변 초점 유체렌즈의 평면도이다.
도 5 내지 도 7에서 보듯이, 본 발명은 전기 습윤(elector wetting)을 이용한 가변 초점 유체렌즈에 관한 것으로, 통상 유리(Glass) 재질의 투명한 기판(190)의 상면에 구비되게 된다. 즉, 서로 다른 굴절률로 서로 섞이지 않으며 메니스커스(meniscus, M) 상에 접촉하는 제1유체(A)와 제2유체(B)가 채워지는 관체인 유체 챔버(110) 형상으로 구비되고 상기 제2유체(B)로부터 절연된 제1전극(140)과, 상기 유체 챔버(110)에 제1유체(A)와 제2유체(B)가 채워진 상태로 개방된 상단을 대략 반구형(hemisphere)으로 밀봉하는 폴리머 필름(130)과, 상기 제2유체(B)에 작용하도록 구비되는 제2전극(150)을 포함하여 구성된다.
물론, 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a), 상단면(110b) 및 하단면(110c)에는 유전체 박막(120)이 증착되어 제1유체(A)가 제1전극(140)으로부터 절연된다. 물론, 형태에 따라 상기 제1전극(140)과 제2전극(150)을 상호 절연시키는 역할도 할 수 있다.
여기서, 상기 유체 챔버(110)는 통상 실린더 형상으로 도 9에 도시된 바와 같이 유체 챔버(110)의 내부는 원통형을 구비하게 된다.
상기 투명기판(190)은 본 발명인 가변 초점 유체렌즈가 제조되는 기초라 할 수 있으며 빛의 투과가 용이하도록 투명한 유리 재질이 주로 사용된다. 다만, 상기 투명기판(190)은 필수적 구성요소는 아니며 기판(190)이 없이 유체렌즈가 구비될 수 있다.
상기 유전체 박막(120)은 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a), 상단면(110b) 및 하단면(110c)에 증착된 것으로, 이는 절연층의 역할을 할 뿐 아니라 상기 폴리머 필름(130)과 함께 상기 유체렌즈의 내부에 기포가 생기지 않도록 밀봉해주는 역할도 하게 된다. 상기 유전체 박막(120)은 이러한 역할의 수행을 위해 파릴렌(parylene)을 사용하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 유전체 박막(120)으로 SiOx(실리콘 산화막)을 사용할 수 있다. SiOx(실리콘 산화막)을 유전체 박막으로 사용하는 경우에는 소수성 표면(160)으로 불소중합체(fluoropolymer), 플라즈마처리, 파릴렌(parylene) 박막 등을 사용할 수 있다.
본 실시예에서 상기 2가지 유체(A)(B)는, 여기서 '오일(oil)'이라고도 하는 실리콘 또는 알칸(alkane) 등의 소수성(hydrophobic) 비전도성 제1유체(A)와, 염용액을 포함하는 물 등의 친수성(hydrophilic) 전도성 제2유체(B) 형태의 2가지 혼화불가능한 액체로 이루어진다. 이들은 폴리머 필름(130)에 의해 밀봉되어 메니스커스(M) 상에 접촉된 상태로 대략 반구형을 형성하게 된다.
상기 두 가지 유체는, 동일한 밀도(비중)를 갖도록 구성되는 것이 바람직한데, 상기 렌즈는, 배향에 의존하지 않는, 즉 2가지 액체 간의 중력효과에 의존하지 않는 기능을 한다. 이것은, 적절한 제1유체 성분의 선택에 의해 달성되어도 된다. 즉, 예를 들면 알칸 또는 실리콘 오일은, 분자성분의 첨가에 의해 변형되어 상기 염용액의 밀도를 일치시키기 위해 그들의 밀도를 증가시켜도 된다. 다만, 밀도가 동일하여야 하는 것은 필수 조건은 아니며 상기 2가지 유체의 밀도차가 30% 정도 이내이면 본 발명에 활용할 수 있다.
사용된 오일의 선택에 따라, 그 오일의 굴절률은, 1.25 내지 1.60 사이에서 변화시켜도 된다. 마찬가지로, 상기 첨가된 염량에 따라, 상기 염용액은, 굴절률에 있어서 1.33 내지 1.48 사이에서 변화시켜도 된다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니며 다양한 변형에 의해 본 발명의 활용이 가능하다.
여기서, 상기 제1유체(A)는 미네랄오일, 실리콘 오일, 해바라기 오일, 헥사데칸(hexadecane) 중 어느 하나를 사용하는 것이 가능하고, 상기 제2유체(B)는 염화칼륨(KCL), 염화나트륨(NACL), 글리세린 등 또는 이들의 혼합물(가령, KCL : 글리세린 = 1 : 0.3 인 혼합물)이 전도성 유체로 사용될 수 있으며 이들은 활용에 따라 다양하게 적용이 가능하다.
상기 폴리머 필름(130)은 유체 챔버(110)에 채워진 제1 및 제2유체(A)(B)를 내부에 채우면서 대략 반구 형상으로 밀봉하여 눈 형상(eye-shaped)의 렌즈면을 구비한 가변 초점 유체렌즈의 외관을 최종 형성하는 구성으로 투명한 재질이어야 하며, 파릴렌(parylene)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 폴리머 필름(130)은, 폴리머 파우더를 저 진공(10mTorr~100mTorr)에서 고온으로 가열하여 미세입자로 만든 후 상온 저 진공(10mTorr~100mTorr)에서 냉각되면서 컨포멀(conformal)하게 증착하게 된다. 컨포멀(conformal)하게 증착되므로 균일한 두께로 코팅이 가능하며 저 진공에서 코팅하므로 기포 역시 들어가지 않게 된다. 참고로, 본 발명에서 활용할 장비는 랩 코터(lab coater)라 불리는 것으로 제품종류는 PDS2010 이다.
상기 제1전극(140)은 금속재료로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 유체 챔버(110) 자체가 제1전극(140)으로 활용될 수 있다. 즉, 유체 챔버(110) 자체가 도체로 제1 및 제2유체를 수용하는 챔버 역할과 제1전극(140)의 역할을 동시에 수행하는 것이다. 다른 방식으로 유체 챔버(110)와 제1전극(140)이 별개로 구비되는 방식이 가능하며, 상기 제1전극(140)은 유체 챔버(110)의 벽체 내부에 원통형으로 구비되는 방식도 가능하다. 또한, 상기 유체 챔버(110) 내주면(110a)의 측벽에 증착된 상태로 상기 유전체 박막(120)에 의해 상기 제2유체(B)로부터 절연된 상태로 구비되는 것도 가능하다.
여기서, 상기 유체 챔버(110)는 상기 유전체 박막(120)이 구비되는 재질인 파릴렌(parylene)으로 형성된 절연층으로 도포되게 된다. 상기 절연층의 두께는 50nm 내지 100㎛ 사이이고, 대표적인 값은 1㎛ 내지 10㎛ 사이이다. 또한, 상기 제2전극(150)은 상기 제2유체(B)에 작용하도록 상기 제2유체(B)와 접촉되게 상기 유체 챔버(110)의 하단에 편평하게 구비되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 및 제2전극(140)(150)은 모두 금속재료로 형성되는 것이 바람직하며 ITO 전극이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제1전극(140)으로 사용되는 상기 유체 챔버(110)로 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)가 사용될 수 있다. 여기서 도핑된 실리콘(silicon)은 도체이다.
상기 절연층 중 상기 유체 챔버(110)의 상면에 유전체 박막(120)이 증착되는데, 상기 유전체 박막(120)의 상면에는 소수성 표면(160)이 추가로 증착될 수 있다. 유전체 박막(120)으로 파릴렌(parylene) 등을 사용할 경우 파릴렌(parylene) 막이 소수성 표면의 특성을 나타내나 전기 습윤(electro wetting)의 성능을 개선하기 위해 추가적인 소수성 표면처리를 할 수 있다.
나아가, 상기 유체 챔버(110)에는 제1 및 제2유체(A)(B)가 상하로 채워지게 되는데, 상부의 제1유체(A)는 상기 챔버(110)의 개구된 상단으로 유출될 정도로 채워지므로 유출되는 제1유체(A)가 퍼지지 않도록 고정되는 것이 바람직하므로, 상기 유체 챔버(110)의 상단면(110b)에 링 형상의 친수성 표면(170)을 구비하여 상기 제1유체(A)가 상기 친수성 표면(170)의 외측으로 이탈하지 않고 일정 테두리 내에 고정되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1유체(A)의 고정은, 상기 유체 챔버(110)의 상단면(110b)에 링 형상의 친수성 표면(170)을 구비하여 상기 제1유체(A)가 상기 친수성 표면(170)에 고정되도록 하는 방식도 가능하다.
즉, 상기 친수성 표면(170)은 모두 제1유체(A)가 퍼지지 않고 고정되도록 하는 역할을 하게 되어, 상기 폴리머 필름(130)으로 밀봉하기 전에도 제1유체(A)의 상단은 대략 반구 형상으로 고정되게 된다.
상기 소수성 표면(160)은 소수성 재질의 테프론(Teflon)으로 불소중합체(fluoropolymer)인 것이 바람직하며, 더욱 상세히는 DuPontTM 사 제조 TeflonTM AF 1600 등의 비정질 탄화불소로 형성된 것이 바람직하다. 나아가 상기 소수성 박막(160)의 두께는 5nm 내지 50㎛ 사이이다.
아울러, SiOx(실리콘 산화막)을 유전체 박막으로 사용하는 경우에는 소수성 표면(160)으로 불소중합체(fluoropolymer), 플라즈마처리, 파릴렌(parylene) 박막 등을 사용하는 것도 가능하다.
상기 제2유체(B)에 의해 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a), 유전체 박막(120), 소수성 표면(160)에 대한 유착성은, 상기 제1전극(140)과 상기 제2전극(150) 간에 전압이 인가되지 않은 경우 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a) 또는 유전체 박막(120)과 메니스커스(M)의 교차점의 양측 면에서와 거의 동일하다.
상기 제1유체(A) 및 제2유체(B)는, 메니스커스(M)로 분리된 2개의 유체몸체로 분리되며 혼화불가능하다. 제1전극(140)과 제2전극(150) 간에 전압이 인가되지 않을 경우, 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a) 또는 유전체 박막(120)은, 제1유체(A)에 대해 상기 제2유체(B)보다 높은 유착성을 갖는다. 전기 습윤(electro wetting)으로 인해, 상기 제2유체(B)에 의한 유착성은, 상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 전압인가하에서 변화하고, 이 유착성은 3개의 위상선(소수성 박막(160)과 2개의 유체(A), 유체(B) 간의 접촉선)에서 상기 메니스커스의 접촉각(θ1, θ2, θ3)을 변경시키게 된다. 그래서, 이 메니스커스의 형상은, 인가전압에 따라 가변적이다.
상기 제1전극과 제2전극에 인가되는 전압에 의해 메니스커스(M)가 변화되는 형상의 예를 설명하도록 한다.
도 5를 참조하면, 저전압 V1 예를 들면, 0V 내지 20V사이의 전압을 상기 전극들 간에 인가하는 경우, 상기 메니스커스(M)는 제1오목 메니스커스 형상을 사용한다. 이러한 구성에서, 상기 제2유체(B)에서 측정된 상기 메니스커스(M)와 상기 소수성 박막(160) 사이의 초기 접촉각 θ1 은, 예를 들면 약 140°이다. 제1유체(A)의 굴절률이 제2유체(B)의 굴절률보다 높으므로, 여기서는 메니스커스 렌즈라고 불리는 상기 메니스커스로 형성된 렌즈는, 이러한 구성에서는 비교적 높은 네가티브 배율을 갖는다.
상기 메니스커스 형상의 오목함을 감소시키기 위해서, 보다 큰 전압의 크기 를 상기 제1전극(140)과 상기 제2전극(150) 사이에 인가한다. 도 6를 참조하면, 절연층의 두께에 따라 예를 들면 20V 내지 50V사이의 중간전압 V2 를 상기 전극 간에 인가하는 경우, 상기 메니스커스(M)는, 도 5의 메니스커스와 비교하여 감소된 곡률반경을 갖는 제2의 오목한 메니스커스 형상을 사용한다. 이러한 구성에서, 제1유체(A)와 상기 소수성 박막(160) 사이의 중간 접촉각 θ2 는, 예를 들면 약 100°이다. 제2유체(B)보다 제1유체(A)의 굴절률이 보다 크므로, 이러한 구성에서의 상기 메니스커스 렌즈는, 비교적 낮은 네가티브 배율을 갖는다.
볼록한 메니스커스 형상을 제조하기 위해서, 훨씬 큰 전압의 크기를 상기 제1전극(140)과 상기 제2전극(150) 사이에 인가한다. 도 7을 참조하면, 예를 들면 50V 내지 100V사이의 비교적 고전압 V3 을 상기 전극 간에 인가하는 경우, 상기 메니스커스(M)는, 메니스커스가 볼록한 메니스커스 형상을 사용한다. 이러한 구성에서, 제1유체(A)와 상기 소수성 박막(160) 사이의 최대 접촉각 θ3 은, 예를 들면 약 60°이다. 제2유체(B)보다 제1유체(A)의 굴절률이 보다 크므로, 이러한 구성에서의 상기 메니스커스 렌즈는, 포지티브 배율을 갖는다.
이때, 도 7의 구성을 달성하려면 비교적 고배율을 사용하여 가능하지만, 실제 실시예에서는, 설명한 것과 같은 렌즈를 포함한 장치가 상기 설명된 범위 내의 낮고 중간 배율만을 사용하도록 구성된, 즉 인가전압이 제약되므로 상기 절연층의 전계강도가 20V/㎛보다 작고, 과도한 전압에 의해 유체 접촉층이 충전됨에 따라서 그 유체 접촉층의 열화는 이용되지 않는 것이 바람직하다.
또한, 이때, 초기에 낮은 전압 구성은, 유체(A)(B)의 선택에 따라(그들의 표면 장력에 따라) 변화할 것이다. 보다 높은 표면장력을 갖는 오일의 선택, 및/또는 에틸렌 글리콜 등의 성분을 그것의 표면장력을 감소시키는 염용액에 첨가함으로써, 초기 접촉각을 감소시킬 수 있고, 이 경우에, 상기 렌즈는 도 6에 도시된 것에 해당하는 낮은 광 배율 구성 및, 도 7에 도시된 것에 해당하는 중간 배율 구성을 사용하여도 된다. 임의의 경우에, 상기 메니스커스(M)가 오목하도록 저배율 구성을 유지하고, 비교적 폭넓은 렌즈 배율의 범위는, 과도한 전압을 사용하지 않고서 초래할 수 있다.
상기 예에서는 유체(B)보다 상기 유체(A)의 굴절률이 보다 높지만, 상기 유체(A)도 상기 유체(B)보다 굴절률이 낮아도 된다. 예를 들면, 상기 유체(A)는, 물보다 굴절률이 낮은 불화(불소화) 오일이어도 된다. 이러한 경우에, 비정질 플루오르폴리머층은, 불화 오일에서 용해할지도 모르기 때문에, 사용하지 않는 것이 바람직하다. 다른 유체 접촉층은, 예를 들면 파라핀 코팅이다.
나아가, 도 8에서 보듯이, 본 발명에서는 다른 실시예로 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a)이 경사진 것을 특징으로 한다. 이 경우에는 도 10의 평면도에서 보듯이 챔버의 내부가 사각뿔대를 뒤집어 놓은 형상으로 구비될 수 있다. 원뿔대를 뒤집어 놓은 형상도 가능하나 제조의 편의상 사각뿔대를 활용하는 것이 바람직하다. 즉, 도 9에서 보듯이 챔버의 내부가 원기둥 형상이나, 도 10에서와 같이 유체 챔버(110)의 내주면(110a)이 경사진 경우에는 사각뿔대를 뒤집어 놓은 형상을 구비하게 된다. 이는 습윤 에칭(Wet etching)에서 오픈된 면이 사각형 형태로 나타나게 되는 것이 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)의 고유한 특성이기 때문입니다.
상기 제2유체(B)는 상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a) 측벽의 유착도에 따라 접촉각이 변하게 되는데, 이러한 접촉각의 변화는 두 전극에 걸어주는 전압차에 의해 변하게 되며, 접촉각이 변하게 되면 메니스커스(M)의 형상이 변하면서 렌즈의 초점이 변하게 된다.
이에, 상기 유체 챔버(110) 내주면(110a)의 측벽의 경사를 변경시키면 측벽의과의 접촉각이 일정한 상기 제1유체(B)의 성질상 두 전극에 걸어주는 전압을 변화시키지 않더라도 메니스커스(M)의 형상이 자연스럽게 변하게 된다. 그러므로 이러한 원리를 이용하여 메니스커스(M)의 형상 변화를 조절하고자 상기 유체 챔버(110) 내주면(110a)의 경사를 다양하게 변경하여 활용하는 것이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.
M : 메니스커스(meniscus)
A : 제1유체
B : 제2유체
110 : 유체 챔버
110a : 내주면
110b : 상단면
110c : 하단면
120 : 유전체 박막
130 : 폴리머 필름
140 : 제1전극
150 : 제2전극
160 : 소수성 표면
170 : 친수성 표면
190 : 투명기판

Claims (14)

  1. 전기 습윤(electro wetting)을 이용한 가변 초점 유체렌즈에 있어서,
    서로 다른 굴절률로 서로 섞이지 않으며 메니스커스(meniscus, M) 상에 접촉하는 제1유체(A)와 제2유체(B)가 채워지는 관체인 유체 챔버(110) 형상으로 구비되고 상기 제2유체(B)로부터 절연된 제1전극(140);
    상기 유체 챔버(110)에 제1유체(A)와 제2유체(B)가 채워진 상태로 개방된 상단을 대략 반구형(hemisphere)으로 밀봉하는 폴리머 필름(130);
    상기 제2유체(B)에 작용하도록 구비되는 제2전극(150);을 포함하되,
    상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a) 경사를 상이하게 구성하고, 구성된 상이한 경사에 따라 상기 메니스커스의 형상이 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2유체(A)(B)가 채워지는 유체 챔버(110)의 내주면(110a), 상단면(110b) 및 하단면(110c)에 증착된 유전체 박막(120)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극(140)은 상기 유체 챔버(110)의 벽체 내부에 원통 형상으로 구비된 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극(150)은 상기 유체 챔버(110)의 하단에 편평하게 구비된 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 박막(120)의 상면에는 소수성 표면(160)이 구비된 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체 챔버(110)의 상단면(110b)에 링 형상의 친수성 표면(170)이 구비되어 상기 제1유체(A)를 고정해주는 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체(A)는 비전도성 유체이고, 상기 제2유체(B)는 전도성 유체인 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1유체(A)와 제2유체(B)의 밀도차이는 30% 이내인 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 소수성 표면(160)은 불소중합체(fluoropolymer), 플라즈마처리, 파릴렌(parylene) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 필름(130)은 파릴렌(parylene)을 사용하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1유체(A)는 미네랄오일, 실리콘 오일, 해바라기 오일, 헥사데칸(hexadecane) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 박막(120)은 파릴렌(parylene) 또는 SiOx(실리콘 산화막) 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1전극(140)은 상기 제1유체(A)와 접촉된 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 챔버(110)의 내주면(110a)이 경사진 것을 특징으로 하는 가변 초점 유체렌즈.
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