KR101422787B1

KR101422787B1 - 전기수력학적 액체 렌즈

Info

Publication number: KR101422787B1
Application number: KR1020130081705A
Authority: KR
Inventors: 김동성; 김원경; 라문우
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2014-07-28
Also published as: EP3021143A1; EP3021143A4; WO2015005591A1

Abstract

유체의 전기수력학적 유동을 이용한 가변 초점 액체 렌즈를 제공한다. 전기수력학적 액체 렌즈는 내부에 고리 모양의 유로를 형성하는 하우징과, 유로의 일부를 차지하는 제1 액체와, 유로의 나머지를 차지하며 제1 액체와 분리 상태를 유지하는 제2 액체와, 유로에서 제1 액체와 접하도록 설치되는 제어 전극을 포함한다. 제1 액체와 제2 액체가 접하는 계면에 곡률이 형성되어 렌즈로 기능하고, 제어 전극이 제1 액체의 전기수력학적 유동을 유발하여 계면의 위치를 변화시킨다.

Description

전기수력학적 액체 렌즈 {ELECTROHYDRODYNAMIC LIQUID LENS}

본 발명은 마이크로 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체의 전기수력학적 유동을 이용하는 가변 초점 액체 렌즈에 관한 것이다.

스마트폰과 같은 휴대용 전자 기기나 내시경 등의 의료 장비에서 고화질의 사진이나 동영상을 얻기 위해서는 작고 품질이 높은 렌즈가 필수적이다. 특히 자동으로 초점을 맞추거나 확대 기능을 수행하려면 렌즈의 초점 거리를 능동적으로 변화시켜야 한다.

유리나 플라스틱 등으로 제작된 고체 렌즈는 초점 거리가 정해져 있으므로, 고체 렌즈를 여러개 배열하고 렌즈간 거리를 바꾸는 방식으로 초점 거리를 변화시키게 된다. 이때 렌즈를 이동시키기 위해 모터가 사용되는데, 모터는 시스템의 소형화를 어렵게 하고, 소음과 진동을 발생시킨다.

현재 마이크로 렌즈 개발에 대한 연구는 멤브레인 방식과 전기습윤(electrowetting) 방식이 주를 이루고 있다.

멤브레인 방식은 공압, 전자기력, 압전소자 등을 이용하여 실리콘 고무와 같은 투명하고 유연한 막의 모양의 바꿔 초점 거리를 조절하는 방식으로서 초점 거리 조절이 용이하다. 그러나 원하는 초점 거리를 유지하기 위해서는 에너지를 지속적으로 투입해야 하며, 장시간 사용 후에는 막의 투명도가 상실되거나 소성 변형에 의해 수축/이완 능력이 떨어지는 단점이 있다.

전기습윤 방식은 고체 표면에 놓인 물방울에 전압을 인가하여 고체 표면에 대한 접촉각을 변화시켜 초점 거리를 조절하는 방식으로서 물방울의 모양을 빠르게 바꿀 수 있다. 그러나 물방울과 전극 사이에 절연층과 소수성 표면을 만들어야 하는 등 복잡하고 비싼 공정이 요구된다. 또한, 전기습윤 현상은 수용액에서만 발생하기 때문에 작동 액체의 선정에 제한이 있다.

본 발명은 구조가 단순하고, 제작이 간편하며, 멤브레인 방식과 전기습윤 방식의 단점을 해결할 수 있는 전기수력학적 액체 렌즈를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기수력학적 액체 렌즈는, 내부에 고리 모양의 유로를 형성하는 하우징과, 유로의 일부를 차지하는 제1 액체와, 유로의 나머지를 차지하며 제1 액체와 분리 상태를 유지하는 제2 액체와, 유로에서 제1 액체와 접하도록 설치되는 제어 전극을 포함한다. 제1 액체와 제2 액체가 접하는 계면에 곡률이 형성되어 렌즈로 기능하고, 제어 전극은 제1 액체의 전기수력학적 유동을 유발하여 계면의 위치를 변화시킨다.

하우징 표면에 대한 제1 액체의 젖음성은 제2 액체의 젖음성과 상이하며, 제1 액체와 제2 액체의 젖음성 차이가 클수록 계면의 곡률이 커질 수 있다.

제어 전극은 유로의 길이 방향을 따라 나란하게 위치하는 제1 및 제2 구동 전극과, 제1 및 제2 구동 전극 사이에서 유로의 폭 방향을 따라 나란하게 위치하는 한 쌍의 접지 전극을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 구동 전극과 한 쌍의 접지 전극은 사각형으로 배치될 수 있다.

제1 및 제2 구동 전극 중 어느 한 구동 전극은 직류 또는 교류 전압을 인가받고, 다른 한 구동 전극은 플로팅(floating) 상태를 유지할 수 있다. 제1 액체의 전기수력학적 유동은 전압이 인가된 구동 전극에서 플로팅 상태의 구동 전극을 향해 발생할 수 있다.

유로는 사각의 고리 모양으로 형성될 수 있다. 제1 액체는 유로의 절반을 차지하고, 제2 액체는 유로의 나머지를 차지할 수 있다.

유로는 계면이 위치하는 한 쌍의 제1 유로를 포함할 수 있다. 한 쌍의 제1 유로는 길이 방향을 따라 일정한 단면적을 가질 수 있다. 다른 한편으로, 한 쌍의 제1 유로는 길이 방향을 따라 변하는 단면적을 가질 수 있다. 다른 한편으로, 한 쌍의 제1 유로에 벤츄리 통로가 형성될 수 있다.

다른 한편으로, 한 쌍의 제1 유로 중 적어도 하나의 제1 유로 벽면에 소수성 표면과 친수성 표면이 형성될 수 있다. 소수성 표면과 친수성 표면은 각각 제1 유로의 길이 방향을 따라 소수성 구배와 친수성 구배를 형성할 수 있다.

다른 한편으로, 유로는 서로 평행하며 같은 길이를 가지는 3개 이상의 제1 유로를 포함하며, 제1 유로들 각각에 계면이 위치할 수 있다. 제1 유로들 중 적어도 하나의 제1 유로는 길이 방향을 따라 변하는 단면적을 가질 수 있다.

제1 액체는 절연성 오일을 포함할 수 있다. 제2 액체는 미네랄 오일, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 및 아세톤 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 제1 액체의 밀도는 제2 액체의 밀도와 같을 수 있다.

본 실시예의 액체 렌즈는 작동 액체로 절연성 오일을 사용하며, 전기수력학적 유동을 이용하여 계면의 위치를 변화시킨다. 절연성 오일을 사용함에 따라 소비전력을 낮추고, 극한 상황에서 안정적으로 작동할 수 있으며, 작동 액체의 선택 폭이 넓다. 전기수력학적 유동을 이용함에 따라 모터나 멤브레인 등의 부품이 필요 없으므로, 액체 렌즈의 전체 구조를 단순화하고, 제작을 간편하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체 렌즈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 액체 렌즈의 부분 확대도이다.
도 3과 도 4는 도 1에 도시한 액체 렌즈의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체 렌즈의 시뮬레이션 이미지이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체 렌즈의 시뮬레이션 이미지이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기수력학적 액체 렌즈(이하, 편의상 '액체 렌즈'라 한다)의 사시도이다.

도 1을 참고하면, 제1 실시예의 액체 렌즈(100)는 내부에 유로(10)를 형성하는 하우징(20)과, 유로(10)의 일부를 차지하는 제1 액체(31)와, 유로의 나머지를 차지하는 제2 액체(32)와, 유로(10)에서 제1 액체(31)와 접하도록 설치되는 제어 전극(40)을 포함한다. 제1 액체(31)와 제2 액체(32)는 서로 섞이지 않고 분리된 상태를 유지하며, 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면(33)이 렌즈로 기능한다.

하우징(20)은 유리 또는 플라스틱 등으로 형성될 수 있고, 전체가 투명하거나 렌즈를 통과하는 광 경로에 해당하는 일부가 투명하게 형성될 수 있다. 하우징(20) 내부의 유로(10)는 고리 모양의 순환형 유로이다. 유로(10)는 하우징(20) 외부와 통하지 않으며, 사각의 고리 모양으로 형성될 수 있다.

제1 액체(31)는 유로(10)의 절반을 차지할 수 있고, 제2 액체(32)는 유로(10)의 나머지 절반을 차지할 수 있다. 하우징(20) 표면에 대한 제1 액체(31)의 젖음성은 하우징(20) 표면에 대한 제2 액체(32)의 젖음성과 다르다. 이러한 젖음성 차이로 인해 제1 액체(31)와 제2 액체(32)가 접하는 계면(33)에 곡률이 형성되어 렌즈로 기능한다.

하우징(20) 표면에 대한 제1 액체(31)의 젖음성이 제2 액체(32)의 젖음성보다 큰 경우 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면(33)은 제1 액체(31)를 향해 볼록한 곡면을 형성한다. 반대로 하우징(20) 표면에 대한 제1 액체(31)의 젖음성이 제2 액체(32)의 젖음성보다 작은 경우 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면(33)은 제2 액체(32)를 향해 볼록한 곡면을 형성한다. 도 1에서는 첫 번째 경우를 예로 들어 도시하였다.

하우징(20) 표면에 대한 제1 액체(31)의 젖음성과 제2 액체(32)의 젖음성 차이가 클수록 계면(33)의 곡률을 크게 만들 수 있다. 제1 액체(31)로는 전기 전도도가 매우 낮은 오일이 사용될 수 있고, 제2 액체(32)로는 제1 액체(31)와 섞이지 않고 계면(33)을 형성하는 액체가 사용될 수 있다. 제1 액체(31)는 절연 액체 또는 절연성 오일로 표현될 수도 있다.

하우징(20)의 유로(10)는 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면이 위치하는 한 쌍의 제1 유로(11)와, 한 쌍의 제1 유로(11)를 연결하는 한 쌍의 제2 유로(12)로 구성된다. 제1 유로(11)는 직선으로 형성되어 렌즈로 작용하는 계면(33)이 직선 경로를 따라 이동하도록 한다. 유로(10)의 단면은 사각형 또는 원형으로 형성될 수 있다.

제어 전극(40)은 한 쌍의 제2 유로(12) 중 제1 액체(31)로 채워진 제2 유로(12)에 위치한다. 제어 전극(40)은 제2 유로(12)의 길이 방향(도면의 가로 방향)을 따라 나란하게 위치하는 제1 및 제2 구동 전극(41, 42)과, 제1 및 제2 구동 전극(41, 42) 사이에서 제2 유로(12)의 폭 방향(도면의 세로 방향)을 따라 나란하게 위치하는 한 쌍의 접지 전극(43)을 포함한다. 제1 및 제2 구동 전극(41, 42)과 한 쌍의 접지 전극(43)은 사각형으로 배치된다.

액체 렌즈(100)의 구동 과정에서 제1 및 제2 구동 전극(41, 42) 중 어느 하나는 직류 또는 교류 전압을 인가받으며, 다른 하나는 플로팅(floating) 상태를 유지한다. 제1 및 제2 구동 전극(41, 42) 중 어느 구동 전극이 직류 또는 교류 전압을 인가받는 가에 따라서 제1 액체(31)의 흐름 방향이 정해진다.

도 2는 도 1에 도시한 액체 렌즈의 부분 확대도로서, 도 2를 참고하여 유동이 발생하는 원리에 대해 설명한다.

도 2를 참고하면, 제1 구동 전극(41)에 고전압이 인가되고, 제2 구동 전극(42)이 플로팅 상태인 경우를 가정한다. 한 쌍의 접지 전극(43)은 접지 상태를 유지한다.

제1 구동 전극(41)의 전압 인가로 인해 제1 구동 전극(41)과 한 쌍의 접지 전극(43) 사이에 불균일한 전기장이 형성된다. 그리고 불균일한 전기장은 온사거(Onsager) 효과에 의해 제1 액체(31)의 전기 전도도 구배를 형성하고, 전기 전도도 구배는 맥스웰-와그너(Maxwell-Wagner) 분극 현상에 의해 제1 액체(31) 내부에 자유 전하 생성을 유도한다. 자유 전하는 전기력의 영향으로 움직이면서 주변 유체(제1 액체)에 운동량을 전달하여 제1 액체(31)의 유동을 만든다.

도 2에서 부호 51은 제어 전극(40) 주변에 형성되는 전기장 분포를 나타내고, 부호 52는 제1 액체(31)의 유동장 분포를 나타낸다. 도 2를 기준으로 제1 구동 전극(41)과 한 쌍의 접지 전극(43)의 배치가 좌우로 비대칭이므로 수평 방향(제2 유로(12)의 길이 방향)을 따라 전기수력학적 유동이 발생한다.

제1 구동 전극(41)에 음의 전압을 인가하면 반대 부호의 자유 전하가 유도되고, 전기장의 방향도 바뀌기 때문에 결과적으로 제1 구동 전극(41)에 양의 전압을 인가했을 때와 동일한 전기력이 작용한다. 따라서 제1 구동 전극(41)에 교류 전압을 인가하여도 유동은 계속 일정하게 좌에서 우로 발생한다.

이때 제1 및 제2 구동 전극(41, 42)과 한 쌍의 접지 전극(43)은 원통 모양으로 형성되어 제1 액체(31)가 유동할 때 유속 저항을 줄인다.

도 3과 도 4는 도 1에 도시한 액체 렌즈의 정면도이다.

도 3에서 제1 구동 전극(41)은 고전압을 인가받고 제2 구동 전극(42)은 플로팅 상태를 유지한다. 그러면 제1 액체(31)는 제1 구동 전극(41)에서 제2 구동 전극(42)을 향하는 방향(도면을 기준으로 시계 방향)으로 이동한다. 이로써 왼쪽 제1 유로(11)의 계면(33)은 위로 이동하고, 오른쪽 제1 유로(11)의 계면(33)은 아래로 이동한다.

도 4에서 제2 구동 전극(42)은 고전압을 인가받고 제1 구동 전극(41)은 플로팅 상태를 유지한다. 그러면 제1 액체(31)는 제2 구동 전극(42)에서 제1 구동 전극(41)을 향하는 방향(도면을 기준으로 반시계 방향)으로 이동한다. 이로써 왼쪽 제1 유로(11)의 계면(33)은 아래로 이동하고, 오른쪽 제1 유로(11)의 계면(33)은 위로 이동한다.

도 3과 도 4에서, 하우징(20)의 외부에서 계면(33)으로 입사한 빛은 계면(33)을 통과하면서 굴절되어 집속된다. 도 3에서 왼쪽 제1 유로(11)의 계면(33)을 통과한 빛은 P1 지점에서 집속되고, 도 4에서 왼쪽 제1 유로(11)의 계면(33)을 통과한 빛은 P2 지점에서 집속된다. 도 3과 도 4에서 렌즈의 초점 거리(렌즈의 중심과 초점 위치간 거리)는 동일하다.

이와 같이 제1 액체(31)의 유동 방향을 조절함으로써 렌즈의 초점 위치를 P1에서 P2로, 또는 P2에서 P1으로 이동시킬 수 있다. 즉 제1 실시예의 액체 렌즈(100)는 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면(33)을 렌즈로 사용하는 것과 더불어 제1 및 제2 구동 전극(41, 42)의 전압 인가에 따라 계면(33)을 이동시켜 렌즈의 초점 위치를 바꿀 수 있다.

제1 액체(31)의 유동으로 계면(33)을 이동시킨 후 제1 또는 제2 구동 전극(41, 42)의 전압 인가를 중지시키면 유동은 더 이상 발생하지 않고, 계면(33)의 위치 또한 그 자리에서 멈추게 된다. 따라서 원하는 초점 위치를 유지하기 위하여 지속적으로 에너지를 투입하지 않아도 된다.

전술한 액체 렌즈(100)의 작동 과정에서, 전압의 진폭을 높이면 유속이 빨라지고, 교류 전압의 주파수를 높이면 유속이 느려진다. 제1 또는 제2 구동 전극(41, 42)에 인가하는 전압의 진폭 또는 교류 전압의 주파수를 조정함으로써 제1 액체(31)의 유속(곧 렌즈로 작용하는 계면(33)의 이동 속도)를 정밀하게 제어할 수 있다.

제1 또는 제2 구동 전극(41, 42)에 인가하는 전압은 직류의 경우 대략 1V 내지 10,000V 범위에 속할 수 있고, 교류 전압의 경우 대략 0.1Hz 내지 1,000Hz 및 1Vrms 내지 10,000Vrms의 범위에 속할 수 있다. 전압은 제어 전극(40)의 크기와 간격 등에 따라 다양하게 변할 수 있다.

제어 전극(40)과 접하여 유동이 발생하는 제1 액체(31)로는 실리콘 오일, 도데케인(dodecane), 또는 톨루엔(toluene) 등의 절연성 오일에 이온성 계면활성제인 소르비탄 트리올레이트(sorbitane trioleate), 비이온성 계면활성제인 소듐 디-2-에틸헥실 설포숙신산(sodium di-2-ethylhexyl sulfossuccinat), 또는 오일융해성 염인 테트라부틸암모늄 테트라부틸보레이트(tetrabutylammonium tetrabutylborate) 등의 첨가제를 0.1wt% 내지 10wt% 첨가한 액체가 사용될 수 있다.

그리고 제2 액체(32)로는 제1 액체(31)와 섞이지 않고 계면(33)을 형성하는 액체, 예를 들어 미네랄 오일, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 및 아세톤 등이 사용될 수 있다. 제1 액체(31)와 제2 액체(32)는 같은 밀도를 가질 수 있다. 이 경우 중력의 방향에 관계 없이 전술한 렌즈 기능을 구현할 수 있으며, 전압을 꺼도 계면(33)의 위치와 모양이 변하지 않으므로 소비 전력을 낮출 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.

도 5를 참고하면, 제2 실시예의 액체 렌즈(110)는 제1 유로(11)가 단면적-가변형인 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

계면(33)이 위치하는 한 쌍의 제1 유로(11)는 길이 방향을 따라 단면적이 점진적으로 변한다. 도 5에서는 제1 유로(11)가 아래를 향할수록 좁아지는 경우를 예로 들어 도시하였다.

제1 액체(31)에 전기수력학적 유동이 발생하면 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면(33)이 이동하며, 이때 계면(33)의 곡률은 위치에 따라 변한다. 즉 계면(33)이 제1 유로(11) 중 단면적이 큰 지점에 위치하면 계면(33)의 곡률은 작아지고, 계면(33)이 형성하는 렌즈의 초점 거리는 길어진다. 반대로 계면(33)이 제1 유로(11) 중 단면적이 작은 지점에 위치하면 계면(33)의 곡률은 커지고, 계면(33)이 형성하는 렌즈의 초점 거리는 작아진다.

액체 렌즈(110) 내부에 형성된 두 개의 계면(33)은 그 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가질 수 있다. 도면에서 왼쪽 계면(33)의 초점 거리를 L1으로 표시하였고, 오른쪽 계면(33)의 초점 거리를 L2로 표시하였다.

이와 같이 제2 실시예의 액체 렌즈(110)는 계면(33)의 이동으로 초점 위치를 변화시키는 것과 더불어 계면(33)의 곡률을 변화시킴으로써 렌즈의 초점 거리(곧 렌즈의 배율)를 다양하게 조절할 수 있다. 제1 실시예의 액체 렌즈(100)에서 초점 위치의 이동 범위(P1과 P2 사이의 거리)는 제1 유로(11)의 길이 정도로 제한되나, 제2 실시예의 액체 렌즈(110)에서 초점 위치의 이동 범위는 제1 실시예보다 크다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체 렌즈의 시뮬레이션 이미지이다.

도 6을 참고하면, 제1 액체와 제2 액체의 계면은 제1 유로에서 단면적이 좁은 지점에 위치할수록 큰 곡률을 형성하고, 단면적이 넓은 지점에 위치할수록 작은 곡률을 형성하는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.

도 7을 참고하면, 제3 실시예의 액체 렌즈(120)는 제1 유로(11)에 벤츄리 통로(13)가 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

벤츄리 통로(13)는 제1 유로(11)의 중앙에 위치할 수 있으며, 제1 유로(11)의 단면적을 좁아지게 했다가 다시 넓히는 작용을 한다. 도면을 기준으로 벤츄리 통로(13)의 양측은 원호 모양으로 형성될 수 있다.

제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면(33)은 제1 액체(31)의 전기수력학적 유동에 의해 벤츄리 통로(13)를 포함하는 제1 유로(11)를 따라 이동한다. 벤츄리 통로(13)에 위치하는 계면(33)은 그 위치에 따라 곡률이 변하므로 렌즈의 초점 거리가 변한다. 액체 렌즈(120) 내부에 형성된 두 개의 계면(33)은 그 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가질 수 있다.

제3 실시예의 액체 렌즈(120)는 제2 실시예와 비교할 때 계면(33)의 이동 거리를 단축시키면서도 계면(33)의 곡률 변화를 크게 하여 렌즈의 초점 거리를 보다 다양하게 변화시킬 수 있다. 즉 제3 실시예의 액체 렌즈(120)는 제2 실시예보다 전력 소비를 줄이면서도 렌즈의 초점 거리를 보다 다양하게 변화시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체 렌즈의 시뮬레이션 이미지이다.

도 8을 참고하면, 제1 액체와 제2 액체의 계면이 벤츄리 통로의 바깥에 위치하는 (a) 및 (e)의 경우와, 벤츄리 통로의 아래 부분에 위치하는 (b)의 경우, 계면은 작은 곡률로 형성된다. 그리고 계면이 벤츄리 통로의 윗 부분에 위치하는 (c)와 (d)의 경우 계면은 큰 곡률로 형성된다.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.

도 9를 참고하면, 제4 실시예의 액체 렌즈(130)는 제1 유로(11)가 3개 이상으로 구비되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

액체 렌즈(130)의 유로(10)는 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면(33)이 위치하는 3개 이상의 제1 유로(11)와, 제1 유로들(11)을 연결하는 한 쌍의 제2 유로(12)를 포함한다. 제1 유로들(11)은 서로 평행하고 같은 길이로 형성되며, 길이 방향을 따라 일정한 단면적을 가질 수 있다. 도 9에서는 4개의 제1 유로(11)를 도시하였으나, 제1 유로(11)의 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다.

제어 전극(40)은 한 쌍의 제2 유로(12) 중 제1 액체(31)로 채워진 제2 유로(12)에 위치한다. 제어 전극(40)을 기준으로 같은 측에 위치하는 하나 이상의 계면(33)은 서로 같이 움직인다. 도 9에서는 제어 전극(40)의 우측에 3개의 계면(33)이 위치하고, 제어 전극(40)의 좌측에 한 개의 계면(33)이 위치하는 경우를 예로 들어 도시하였다. 제어 전극(40)의 우측에 위치하는 3개의 계면은 서로 같은 움직임을 나타낸다.

제1 유로(11)의 개수를 늘림으로써 3개 이상의 계면들(33)을 병렬로 배치할 수 있다. 이러한 액체 렌즈(130)는 입체 영상 촬영과 같은 병렬적인 렌즈 기능을 수행할 수 있으며, 렌즈 어레이를 쉽게 만들 수 있으므로 확장성이 우수하다.

도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.

도 10을 참고하면, 제5 실시예의 액체 렌즈(140)는 적어도 하나의 제1 유로(11)가 단면적-가변형인 것을 제외하고 전술한 제4 실시예와 동일한 구성으로 이루어진다. 제4 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

적어도 하나의 제1 유로(11)는 길이 방향을 따라 단면적이 점진적으로 변한다. 도 10에서는 제어 전극(40)의 우측에 위치하는 3개의 제1 유로(11)가 단면적-가변형인 경우를 예로 들어 도시하였다.

제1 액체(31)에 전기수력학적 유동이 발생하여 4개의 계면(33)이 이동하면, 단면적-가변형인 3개의 제1 유로(11)에 위치하는 계면들(33)은 위치에 따라 곡률이 변하고, 그 결과 렌즈의 초점 거리가 변한다. 즉 계면(33)의 이동으로 초점 위치를 변화시키는 것과 더불어 계면(33)의 곡률을 변화시킴으로써 렌즈의 초점 거리를 다양하게 조절할 수 있다.

이때 제어 전극(40)의 우측에 위치하는 3개의 계면들(33) 중 제어 전극(40)과 가깝게 위치하는 계면은 수력학적 저항이 작기 때문에 큰 유량이 발생하여 큰 거리로 이동한다. 반면 제어 전극(40)과 멀리 위치하는 계면은 저항이 커서 작은 유량이 발생하므로 작은 거리로 이동한다.

도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 액체 렌즈의 정면도이다.

도 11을 참고하면, 제6 실시예의 액체 렌즈(150)는 제1 유로(11)의 벽면에 소수성 표면(16)과 친수성 표면(17)이 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.

제1 유로(11)의 길이 방향을 따라 제1 유로(11)의 벽면 절반에 소수성 표면(16)이 형성되고, 나머지 절반에 친수성 표면(17)이 형성될 수 있다. 즉 소수성 표면(16)과 친수성 표면(17)은 도면을 기준으로 상하 대칭을 이룬다. 이때 소수성 표면(16)이 친수성 표면(17)보다 제어 전극(40)에 가깝게 위치할 수 있다.

제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면이 소수성 표면(16)에 위치하는 경우 제1 액체(31)가 소수성 표면(16)에 젖어 들어가므로 위쪽으로 더 볼록한 계면을 형성할 수 있다. 이로써 계면(33)의 곡률을 크게 하여 렌즈의 배율을 높일 수 있다.

반대로 제1 액체(31)와 제2 액체(32)의 계면이 친수성 표면(17)에 위치하는 경우 제2 액체(32)가 친수성 표면(17)에 젖어 들어가므로 계면(33)의 곡률 방향이 반대로 전환된다. 이로써 소수성 표면(16)에서 집속 렌즈로 기능하던 계면(33)은 친수성 표면(17)에서 발산 렌즈로 기능한다.

이와 같이 제6 실시예의 액체 렌즈(150)는 단일 유로에서 계면(33)의 곡률 방향을 바꾸어 집속 렌즈와 발산 렌즈를 선택적으로 구현할 수 있다. 도 11에서는 한 쌍의 제1 유로(11) 중 하나의 제1 유로(11)에 소수성 표면(16)과 친수성 표면(17)이 형성된 경우를 도시하였으나, 한 쌍의 제1 유로(11) 모두에 소수성 표면(16)과 친수성 표면(17)이 형성될 수도 있다.

한편, 소수성 표면(16)과 친수성 표면(17)은 제1 유로(11)의 길이 방향을 따라 소정의 구배를 형성할 수 있다. 즉 소수성 표면(16)은 제1 유로(11)의 길이 방향을 따라 소수성이 점진적으로 변하는 소수성 구배를 형성할 수 있고, 친수성 표면(17) 또한 제1 유로(11)의 길이 방향을 따라 친수성이 점진적으로 변하는 친수성 구배를 형성할 수 있다.

예를 들어, 소수성 표면(16)은 제어 전극(40)에서 멀어질수록 작아지는 소수성 구배를 형성할 수 있고, 친수성 표면(17)은 제어 전극(40)에서 멀어질수록 커지는 친수성 구배를 형성할 수 있다. 이 경우 소수성 표면(16) 및 친수성 표면(17)에 대한 제1 액체(31) 및 제2 액체(32)의 젖음성을 서서히 변화시켜 위치에 따라 계면(33)의 곡률을 점진적으로 변화시킬 수 있다.

소수성 표면(16)은 마이크로미터 또는 나노미터 스케일의 요철 구조로 형성될 수 있고, 친수성 표면(17)은 산소 플라즈마 처리를 통해 제1 유로(11)의 벽면에 수산기(-OH)를 만드는 방법으로 제작될 수 있다.

전술한 제1 실시예 내지 제6 실시예의 액체 렌즈는 작동 액체(제1 액체)로 절연성 오일을 사용하는 것과 전기수력학적 유동을 이용하는 것을 특징으로 한다.

절연성 오일은 증발의 문제로부터 자유로우며, 수용액보다 전기 전도도가 매우 낮기 때문에 흐르는 전류가 낮고, 소비전력 또한 매우 낮다. 또한, 절연성 오일은 수용액보다 어는 점이 매우 낮고 끓는 점이 매우 높기 때문에 외부의 기온이 매우 높거나 낮은 극한 상황에서도 안정적으로 작동할 수 있다. 또한, 밀도나 굴절률 등에 따라 작동 액체를 선택하는데 있어서 선택의 폭이 넓다.

그리고 전기수력학적 유동을 이용함에 따라 모터나 멤브레인 등의 부품이 필요 없으며, 그 결과 액체 렌즈의 전체 구조를 단순화하고, 제작을 간편하게 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 110, 120, 130, 140, 150: 전기수력학적 액체 렌즈
10: 유로 11: 제1 유로
12: 제2 유로 13, 15: 벤츄리 통로
14: 직선 유로 16: 소수성 표면
17: 친수성 표면 20: 하우징
31: 제1 액체 32: 제2 액체
33: 계면 40: 제어 전극

Claims

내부에 고리 모양의 유로를 형성하는 하우징;
상기 유로의 일부를 차지하는 제1 액체;
상기 유로의 나머지를 차지하며 상기 제1 액체와 분리 상태를 유지하는 제2 액체; 및
상기 유로에서 상기 제1 액체와 접하도록 설치되는 제어 전극
을 포함하며,
상기 제1 액체와 상기 제2 액체가 접하는 계면에 곡률이 형성되어 렌즈로 기능하고,
상기 제어 전극이 상기 제1 액체의 전기수력학적 유동을 유발하여 상기 계면의 위치를 변화시키는 전기수력학적 액체 렌즈.
제1항에 있어서,
상기 하우징 표면에 대한 상기 제1 액체의 젖음성은 상기 제2 액체의 젖음성과 상이하며,
상기 제1 액체와 상기 제2 액체의 젖음성 차이가 클수록 상기 계면의 곡률이 커지는 전기수력학적 액체 렌즈.
제1항에 있어서,
상기 제어 전극은 상기 유로의 길이 방향을 따라 나란하게 위치하는 제1 및 제2 구동 전극과, 상기 제1 및 제2 구동 전극 사이에서 상기 유로의 폭 방향을 따라 나란하게 위치하는 한 쌍의 접지 전극을 포함하며,
상기 제1 및 제2 구동 전극과 상기 한 쌍의 접지 전극은 사각형으로 배치되는 전기수력학적 액체 렌즈.
제3항에 있어서,
상기 제1 및 제2 구동 전극 중 어느 한 구동 전극은 직류 또는 교류 전압을 인가받고, 다른 한 구동 전극은 플로팅(floating) 상태를 유지하며,
상기 제1 액체의 전기수력학적 유동은 전압이 인가된 구동 전극에서 플로팅 상태의 구동 전극을 향해 발생하는 전기수력학적 액체 렌즈.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유로는 사각의 고리 모양으로 형성되며,
상기 제1 액체는 상기 유로의 절반을 차지하고, 상기 제2 액체는 상기 유로의 나머지를 차지하는 전기수력학적 액체 렌즈.
제5항에 있어서,
상기 유로는 상기 계면이 위치하는 한 쌍의 제1 유로를 포함하며,
상기 한 쌍의 제1 유로는 길이 방향을 따라 일정한 단면적을 가지는 전기수력학적 액체 렌즈.
제5항에 있어서,
상기 유로는 상기 계면이 위치하는 한 쌍의 제1 유로를 포함하며,
상기 한 쌍의 제1 유로는 길이 방향을 따라 변하는 단면적을 가지는 전기수력학적 액체 렌즈.
제5항에 있어서,
상기 유로는 상기 계면이 위치하는 한 쌍의 제1 유로를 포함하며,
상기 한 쌍의 제1 유로에 벤츄리 통로가 형성되는 전기수력학적 액체 렌즈.
제5항에 있어서,
상기 유로는 서로 평행하며 같은 길이를 가지는 3개 이상의 제1 유로를 포함하며,
상기 제1 유로들 각각에 상기 계면이 위치하는 전기수력학적 액체 렌즈.
제9항에 있어서,
상기 제1 유로들 중 적어도 하나의 제1 유로는 길이 방향을 따라 변하는 단면적을 가지는 전기수력학적 액체 렌즈.
제5항에 있어서,
상기 유로는 상기 계면이 위치하는 한 쌍의 제1 유로를 포함하며,
상기 한 쌍의 제1 유로 중 적어도 하나의 제1 유로 벽면에 소수성 표면과 친수성 표면이 형성되는 전기수력학적 액체 렌즈.
제11항에 있어서,
상기 소수성 표면과 상기 친수성 표면은 각각 상기 제1 유로의 길이 방향을 따라 소수성 구배와 친수성 구배를 형성하는 전기수력학적 액체 렌즈.
제1항에 있어서,
상기 제1 액체는 절연성 오일을 포함하고,
상기 제2 액체는 미네랄 오일, 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 및 아세톤 중 어느 하나를 포함하는 전기수력학적 액체 렌즈.
제1항에 있어서,
상기 제1 액체의 밀도는 상기 제2 액체의 밀도와 동일한 전기수력학적 액체 렌즈.