KR101804473B1 - 가변초점 렌즈 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

가변초점 렌즈 구조체 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 가변초점 렌즈 구조체는, 광학 유체로 채워진 유체 챔버가 형성되어 있으며, 소정 유체를 함유하는 PDMS로 이루어진 프레임과, 이 프레임의 상면에 마련되는 투명 커버와, 프레임의 하면에 마련되는 투명한 탄성 멤브레인과, 이 탄성 멤브레인 상에 마련되는 액츄에이터를 구비한다.

Description

가변초점 렌즈 구조체 및 그 제조방법{Varifocal lens structure and method of manufacturing the same}
가변초점 렌즈 구조체에 관한 것으로, 상세하게는 광학 유체를 사용한 가변초점 렌즈 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현대 휴대용 통신기기는 단순한 전화 및 메시지 전달 기능을 넘어서 카메라, 게임, 음악 재생, 방송 및 인터넷 등과 같은 다양한 기능을 포함하는 다목적 전자기기로 발전하고 있다. 그리고, 이와 더불어 휴대용 통신기기 내의 작은 공간에 더 많은 기능들을 집적하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 이러한 휴대용 통신기기 내에 집적되는 모듈들 중 크기를 줄이기가 가장 어려운 것으로 카메라 모듈을 들 수 있다. 상기 카메라 모듈에서 결상 광학계의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있다. 그리고, 보다 나은 영상을 얻기 위해서 자동초점 기능, 손 떨림 방지 기능 및 줌 기능 등이 필요하지만, 이러한 기능들을 카메라 모듈에 추가하기에는 크기의 제약 때문에 쉽지 않다. 한편, 카메라 모듈에서 자동초점 기능을 구현하기 위한 대표적인 방법으로는 스텝 모터를 사용하는 방법, VCM(voice coil motor)를 사용하는 방법 또는 액체 렌즈를 사용하는 방법 등이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 액체 렌즈를 사용하는 방법을 제외하면 휴대용 통신기기에 사용하기에 크기의 제약이 있으며, 또한 일괄 공정으로 제작하기에도 많은 어려움이 있어 제조 단가를 낮추기가 쉽지 않다는 문제가 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해서 최근에는 두께가 얇고 초점거리 조절이 가능하며, 웨이퍼 레벨로 제작할 수 있는 미소 가변초점 렌즈 구조체가 개발되고 있다. 상기 가변초점 렌즈 구조체에서는 액츄에이터의 구동에 의해 광학 유체에 작용하는 압력이 변화하게 되고, 이러한 압력 변화가 멤브레인을 변형시킴으로써 초점거리를 변화시키게 된다. 이러한 가변초점 렌즈 구조체는 일반적으로 카메라 모듈 앞에 배치되어 자동 초점 기능을 수행할 수 있다. 한편, 상기 가변초점 렌즈 구조체에서는 렌즈 역할을 하는 투명한 광학 유체의 프로파일이 변화하면서 초점이 변경된다. 그러나, 상기 광학 유체는 주위의 다른 물질에 비해 열 팽창률이 크기 때문에 작동 온도가 변화하게 되면 그 부피 변화로 인해 형상이 변형된다. 따라서, 온도 변화에 따른 상기 광학 유체의 변형을 보상해 줄 수 있는 가변초점 렌즈 구조체의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예는 광학 유체를 사용한 가변초점 렌즈 구조체 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
광학 유체로 채워진 유체 챔버가 형성되어 있으며, 소정 유체를 함유하는 PDMS(polymethylsiloxane)로 이루어진 프레임;
상기 유체 챔버를 덮도록 상기 프레임의 상면에 마련되는 투명 커버;
상기 유체 챔버의 바닥을 이루도록 상기 프레임의 하면에 마련되는 투명한 탄성 멤브레인; 및
상기 탄성 멤브레인 상에 마련되는 액츄에이터;를 구비하는 가변초점 렌즈 구조체가 제공된다.
상기 광학 유체 및 상기 유체는 상기 PDMS 보다 큰 열 팽창률을 가질 수 있다. 상기 프레임을 이루는 PDMS 내부에는 마이크로 버블들이 형성되어 있으며, 상기 유체는 상기 마이크로 버블들 내에 채워질 수 있다. 여기서, 상기 마이크로 버블의 직경은 예를 들면, 대략 10㎛ 이하가 될 수 있다.
상기 광학 유체 및 상기 유체는 상기 PDMS에 대해 침투성(permeation)을 가지지 않는 투명 액체로 이루어질 수 있다. 상기 광학 유체 및 상기 유체는 불소기(fluorine functional group)를 포함하는 액체로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 불소기를 포함하는 투명 액체는 과불소 폴리에테르(PFPE;perfluoropolyether) 계열의 오일을 포함할 수 있다.
상기 PDMS 내에서 상기 유체 농도는 예를 들면 대략 10 weight % 이상이 될 수 있다.
상기 프레임의 두께는 상기 광학 유체의 두께와 같을 수 있다.
상기 프레임의 두께는 상기 광학 유체의 두께보다 두꺼울 수 있다. 이 경우, 상기 투명 커버는 상기 광학 유체의 상면 및 상기 프레임의 상면에 접하도록 마련될 수 있다. 여기서, 상기 투명 커버는 상기 광학 유체 보다 낮은 열 팽창율을 가질 수 있다. 한편, 상기 광학 유체의 상면에는 상기 광학 유체보다 낮은 열 팽창율을 가지는 투명 필름이 마련되어 있으며, 상기 투명 커버는 상기 투명 필름의 상면 및 상기 프레임의 상면에 접하도록 마련될 수 있다.
상기 투명 커버는 글라스 또는 폴리머로 이루어질 수 있다. 상기 탄성 멤브레인은 PDMS로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 액츄에이터는 폴리머 액츄에이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
주제(base)와 경화제를 포함하는 PDMS 용액에 소정 유체를 혼합하여 상기 PDMS 용액 내에 상기 유체가 채워진 마이크로 버블들을 형성하는 단계;
상기 유체로 채워진 마이크로 버블들을 함유하는 PDMS 용액을 반 경화시킨 후, 이를 가공하여 유체 챔버를 가지는 프레임을 제작하는 단계;
투명 커버 상에 상기 프레임을 부착하는 단계;
상기 프레임의 유체 챔버 내에 광학 유체를 채우는 단계; 및
상기 광학 유체를 밀봉하도록 상기 프레임 상에 투명한 탄성 멤브레인을 부착하는 단계;를 포함하는 가변초점 렌즈 구조체 제조방법가 제공된다.
상기 투명 커버 상에 상기 프레임을 부착하는 단계는, 상기 투명 커버를 표면 처리하는 단계; 상기 투명 커버의 표면에 PDMS 용액을 코팅한 다음, 이를 반 경화시키는 단계; 상기 프레임의 표면에 PDMS 용액을 코팅한 다음, 이를 반 경화시키는 단계; 및 상기 투명 커버 상에 상기 프레임을 부착하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 탄성 멤브레인을 부착하는 단계는, 소정 필름을 표면 처리하는 단계; 상기 필름의 일면에 PDMS 용액을 코팅한 다음, 이를 반 경화시키는 단계; 상기 필름을 상기 프레임 상에 부착하여 상기 광학 유체를 밀봉하는 단계; 및 상기 필름을 반경화된 PDMS로부터 떼어내는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 광학유체로 채워진 유체 챔버가 형성된 프레임을 높은 열 팽창율을 가지는 유체를 함유하는 PDMS로 제작함으로써 온도 변화에 따른 광학 유체의 두께 변화에 대응하여 프레임의 두께를 변형시킬 수 있다. 이에 따라, 작동 온도가 변화함에 따라 가변초점 렌즈의 굴절력이 변화되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, PDMS를 이용하여 프레임을 제작함으로써 제작 비용을 절감할 수 있으며, 고온 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 가변초점 렌즈 구조체의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변초점 렌즈 구조체를 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 가변초점 렌즈 구조체가 고온에서 작동하는 경우를 나타낸 것이다.
도 4는 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일을 포함하는 PDMS에 대해서, 온도에 따른 두께 변화를 도시한 실험 결과이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변초점 렌즈 구조체를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변초점 렌즈 구조체를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 가변초점 렌즈 구조체의 일례를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 상온, 고온 및 저온에서 작동하는 종래 가변초점 렌즈 구조체를 도시한 것이다.
도 1a를 참조하면, 프레임(10)에는 유체 챔버(fluid chamber,50)가 형성되어 있으며, 이러한 유체 챔버(10) 내에는 투명한 오일 등과 같은 광학 유체(60)가 채워져 있다. 상기 프레임(10)은 예를 들면 실리콘으로 이루어질 수 있다. 이러한 프레임(10)의 상면에는 유체 챔버(50)의 상부벽을 이루는 투명 커버(20)가 마련되어 있으며, 상기 프레임(10)의 하면에는 유체 챔버(50)의 바닥을 이루는 투명한 탄성 멤브레인(membrane,39)이 마련되어 있다. 그리고, 상기 탄성 멤브레인(30)의 하면에는 상기 액츄에이터(40)가 마련되어 있다. 상기 탄성 멤브레인(30)은 상기 액츄에이터(40)가 마련되는 구동부(30b)와, 상기 구동부(30b)의 내측에 위치하는 가변렌즈부(30a)를 포함한다. 이와 같은 구조에서, 상기 액츄에이터(40)가 구동하게 되면 상기 탄성 멤브레인(30)의 구동부(30b)가 변형되면서 광학 유체(50)에 압력을 가하게 되고, 이렇게 가해진 압력은 탄성 멤브레인(30)의 가변렌즈부(30a)를 변형시킴으로써 렌즈의 초점거리를 변화시키게 된다.
도 1a는 상기한 종래 가변초점 렌즈 구조체가 상온(예를 들면, 20℃)에서 작동하는 상태를 예시적으로 도시한 것이다. 한편, 도 1a에는 상기 탄성 멤브레인(30)의 가변렌즈부(30a)가 상온에서 평탄한 형상을 가지고 있는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 상기한 가변초점 렌즈 구조체의 작동 온도가 상온에서 고온, 예를 들면 60℃ 정도의 온도로 변화하게 되면, 도 1b에 도시된 바와 같이 탄성 멤브레인(30)의 가변렌브부(30a)가 아래로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기한 가변초점 렌즈 구조체의 작동 온도가 상온에서 저온, 예를 들면 -20℃ 정도의 온도로 변화하게 되면, 도 1c에 도시된 바와 같이 탄성 멤브레인(30)의 가변렌즈부(30a)가 위로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 일반적으로, 광학 유체(60)를 구성하는 투명한 오일은 대략 1000ppm/℃ 정도의 높은 열 팽창율(체적 팽창율)을 가지는데 반하여 프레임(10)을 구성하는 실리콘은 대략 2.3ppm/℃ 정도의 낮은 열팽창율(선 팽창율)을 가진다. 이와 같이, 광학 유체(60)가 프레임(10) 보다 훨씬 큰 열팽창율을 가지기 때문에 종래 가변초점 렌즈 구조체에서는 작동 온도가 변화하게 되면, 광학 유체(60)의 팽창 또는 수축으로 인해 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이 탄성 멤브레인(30)의 가변렌즈부(30a)가 변형되게 된다. 이와 같이, 종래 가변초점 렌즈 구조체에서는 작동 온도의 변화에 따라 광학 유체(60)가 팽창 또는 수축됨으로써 굴절력이 일정하지 않고 변화되는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변초점 렌즈 구조체를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 가변초점 렌즈 구조체는 유체 챔버(150)가 형성된 프레임(110)과, 상기 프레임(110)의 상면에 마련되는 투명 커버(120)와, 상기 프레임(110)의 하면에 마련되는 투명한 탄성 멤브레인(130)과, 상기 탄성 멤브레인(130) 상에 마련되는 액츄에이터(140)를 포함한다. 상기 프레임(110)의 유체 챔버(150) 내에는 광학 유체(160)로 채워져 있다. 여기서, 상기 광학 유체(160)로는 PDMS(polymethylsiloxane)에 대해 침투성(permeation)을 가지지 않는 투명 액체가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 유체(160)는 불소기(fluorine functional group)를 포함하는 투명한 오일을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 유체(160)로는 과불소 폴리에테르(PFPE; prefluoropolyether) 계열의 오일이 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 프레임(110)은 소정 유체(113)를 함유하는 PDMS(111)로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 프레임(110)의 두께는 유체 챔버(150)의 두께, 즉 광학 유체(160)의 두께와 동일할 수 있다. 상기 프레임(110)을 이루는 PDMS(111)의 내부에는 마이크로 버블들(micro bubbles,112)이 형성되어 있으며, 이 마이크로 버블들(112) 내에 유체(113)가 채워져 있다. 여기서, 상기 마이크로 버블(112)은 10㎛ 이하의 직경을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 마이크로 버블들(112) 내에 채워진 유체(113)는 전술한 광학 유체(150)와 마찬가지로 PDMS(111)에 대해 침투성(permeation)을 가지지 않는 투명 액체가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 유체(150)는 불소기(fluorine functional group)를 포함하는 투명한 오일을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 유체(150)로는 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일이 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 마이크로 버블들(112) 내에 채워지는 유체(113)와 광학 유체(160)는 동일한 액체로 이루어질 수도 있다. 한편, 상기 유체(113)와 광학 유체(160)는 서로 다른 액체로 이루어지는 것도 가능하다.
상기 프레임(110)의 상면에는 상기 유체 챔버(150)의 상부벽을 이루는 투명 커버(120)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 투명 커버(120)는 상기 광학 유체(160) 및 프레임(110)의 상면에 접하도록 마련된다. 여기서, 상기 광학 유체(160)와 상기 프레임(110)은 그 두께가 서로 동일하므로, 상기 투명 커버(120)는 일정한 두께를 가지는 플레이트 형상을 가질 수 있다. 이러한 투명 커버(120)는 예를 들면, 글라스 또는 열 팽창율이 작은 폴리머 등으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 투명 커버(120)는 액츄에이터(140)의 구동에 의해서도 변형이 잘 일어나지 않는 두께, 예를 들면 50㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 프레임(111)의 하면에는 상기 유체 챔버(150)의 바닥을 이루는 투명한 탄성 멤브레인(130)이 마련되어 있으며, 이러한 탄성 멤브레인(130)의 하면에는 액츄에이터(140)가 마련되어 있다. 상기 탄성 멤브레인(130)은 액츄에이터(140)가 마련되는 구동부(130b)와, 상기 구동부(130b)의 내측에 위치하는 가변렌즈부(130a)를 포함한다. 이러한 탄성 멤브레인(130)은 폴리머, 예를 들면 PDMS로 이루어질 수 있다. 상기 액츄에이터(140)로는 예를 들면, 두께가 매우 얇고 소비 전력이 작은 폴리머 액츄에이터가 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 방식의 액츄에이터가 사용될 수 있다. 상기와 같은 구조에서, 액츄에이터(140)가 구동하게 되면 탄성 멤브레인(130)의 구동부(130b)가 변형되어 광학 유체(160)에 압력을 가하게 된다. 그리고, 이러한 압력이 가해진 광학 유체(160)는 탄성 멤브레인(130)의 가변렌즈부(130a)를 변형시키게 되고, 이에 따라 렌즈의 초점거리가 변화하게 된다.
한편, 본 실시예에서는 작동 온도 변화에 따른 광학 유체(160)의 두께 변화에 대응하여 프레임(110)의 두께가 변화하게 된다. 이와 같이, 작동 온도 변화에 따른 광학 유체(160)의 두께 변화와 프레임(110)의 두께 변화가 서로 비슷해지면 온도 변화에 따라 렌즈의 굴절력이 변화하는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 광학 유체로 일반적으로 사용되는 PFPE 계열의 오일 등은 그 열 팽창율(체적 팽창율)이 대략 1000ppm/℃ 정도로 매우 크다. 한편, PDMS는 열 팽창율(선 팽창율)이 대략 200 ~ 230ppm/℃ 정도로서, 이는 일반 폴리머의 열 팽창율인 60ppm/℃ 보다는 3~4배 크지만 광학 유체로 사용되는 투명 오일의 열 팽창율보다는 작다. 따라서, 프레임이 PDMS로만 이루어진 경우에는 광학 유체의 큰 열 팽창율로 인하여 작동 온도의 변화에 따른 프레임의 두께 변화가 광학 유체의 두께 변화보다는 작아지게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 온도 변화에 따라 프레임(110)의 두께가 광학 유체(160)의 두께 변화에 대응하여 변화할 수 있도록, 상기 프레임(110)을 열 팽창율이 큰 유체(113),예를 들면, 광학 유체로 사용되는 투명 오일을 함유하는 PDMS(111)로 형성하게 된다. 그리고, 상기 유체(113)로서 PDMS(111)에 대해 침투성이 없는 오일, 예를 들면 PFPE 계열의 오일과 같이 불소기를 포함하는 투명 오일을 사용함으로써 상기 PDMS(111) 내에 형성된 마이크로 버블들(112) 내에 상기 유체가 가두워질 수 있게 된다. 여기서, 상기 PDMS(111) 내에서 상기 유체(113)의 농도는 예를 들면, 대략 10 weight % 이상이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 본 실시예에서는 열 팽창율이 큰 유체(113)를 함유하는 PDMS(111)로 프레임(110)을 제작하고, 상기 PDMS(111) 내에 함유되는 유체(113)의 농도를 조절하게 되면 동일한 두께를 가지는 광학 유체(160)와 프레임(110)이 온도 변화에 따라 비슷한 두께 변화를 가질 수 있다.
도 4는 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일을 포함하는 PDMS에 대해서, 온도에 따른 두께 변화를 도시한 실험 결과이다. 여기서, 광학 유체로서 열 팽창율(체적 팽창율)이 1050ppm/℃인 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일이 사용되는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 4를 참조하면, 광학 유체의 두께가 300㎛이고, 작동온도가 20℃에서 60℃로 변화하였을 경우, 상기 광학 유체의 두께 변화는 12.6㎛ 정도가 된다. 따라서, 온도 변화에 따른 굴절력의 변화를 방지하기 위해서는 300㎛ 두께의 프레임은 상기한 광학 유체의 두께 변화에 대응하는 두께 변화가 필요하게 된다. 만약, 프레임이 PDMS로만 이루어진 경우에는 작동온도가 20℃에서 60℃로 변화할 때 상기 프레임은 대략 5㎛ 정도의 두께 변화를 가지게 되고, 이러한 두께 변화로는 온도 변화에 따른 광학 유체의 두께 변화를 보상할 수 없게 된다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 프레임이 PFPE 계열의 오일을 함유하는 PDMS로 이루어지고, 상기 PFPE 계열의 오일이 대략 10~20 weight % 정도의 농도를 가지는 경우에는 작동온도가 20℃에서 60℃로 변화할 때 상기 프레임은 대략 11~13㎛ 정도의 두께 변화를 가지게 되며, 이 정도의 두께 변화는 온도 변화에 따른 광학 유체의 두께 변화를 보상할 수 있게 된다.
도 2에는 상온(예를 들면, 20℃)에서 작동하는 본 실시예에 따른 가변초점 렌즈 구조체가 예시적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 고온(예를 들면, 60℃)에서 작동하는 본 실시예에 따른 가변초점 렌즈 구조체가 예시적으로 도시되어 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 작동 온도가 상온에서 고온으로 변화함에 따라, 상기 광학 유체(160)의 두께와 상기 프레임(110)의 두께는 서로 비슷하게 증가하게 된다. 이에 따라, 작동 온도가 변화하여도 렌즈의 굴절력이 일정하게 유지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변렌즈 구조체를 도시한 것이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 프레임(210)에는 광학 유체(260)가 채워지는 유체 챔버(250)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 프레임(210)은 상기 유체 챔버(250)의 두께, 즉 광학 유체(260)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 상기 광학 유체(260)로는 전술한 바와 같이 PDMS(211)에 대해 침투성을 가지지 않는 투명 액체가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 유체(260)는 불소기를 포함하는 투명한 오일을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 유체(260)로는 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일이 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 프레임(210)은 소정 유체(213)를 함유하는 PDMS(211)로 이루어질 수 있다. 상기 프레임(210)을 이루는 PDMS(211)의 내부에는 마이크로 버블들(212)이 형성되어 있으며, 이러한 마이크로 버블들(212) 내에 상기 유체(213)가 채워져 있다. 여기서, 상기 마이크로 버블(212)은 대략 10㎛ 이하의 직경을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 마이크로 버블들(212) 내에 채워진 유체(213)는 전술한 광학 유체(260)와 마찬가지로 PDMS(211)에 대해 침투성을 가지지 않는 투명 액체, 구체적으로 불소기를 포함하는 투명한 오일이 될 수 있다. 상기 마이크로 버블들(212) 내에 채워지는 유체(213)와 상기 광학 유체(260)는 동일한 액체로 이루어질 수 있지만, 서로 다른 액체로 이루어질 수도 있다.
상기 광학 유체(260)의 상면에는 상기 광학 유체(260)보다 낮은 열 팽창율을 가지는 투명 필름(270)이 마련될 수 있다. 여기서, 상기 투명 필름(270)은 상기 프레임(210)과 광학 유체(260)의 두께 차이에 해당하는 두께를 가질 수 있다. 상기 광학 유체(260), 투명 필름(270) 및 프레임(210)의 두께는 상기 광학 유체(260)의 열 팽창율, 상기 투명 필름(270)의 열 팽창율 및 상기 프레임(210)의 열 팽창율(즉, 상기 프레임(210) 내에 함유된 유체(213)의 열팽창율 및 농도)에 따라 조절될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는 높은 열 팽창율을 가지는 광학 유체(260)의 두께를 줄여줌으로써 프레임(210)의 두께도 줄일 수 있다. 그리고, 필요한 광학 유체(260)의 양도 줄일 수 있어 제작 비용을 절감할 수 있다.
상기 프레임(210)의 상면에는 투명 커버(220)가 마련되어 있다. 여기서, 상기 투명 커버(220)는 투명 필름(270) 및 프레임(210)의 상면에 접하도록 마련된다. 여기서, 상기 광학 유체(260)와 투명 필름(270)의 두께의 합이 상기 프레임(210)의 두께와 동일하므로, 상기 투명 커버(220)는 일정한 두께를 가지는 플레이트 형상을 가질 수 있다. 이러한 투명 커버(220)는 예를 들면, 글라스 또는 열 팽창율이 작은 폴리머 등으로 이루어질 수 있다.
상기 프레임(210)의 하면에는 상기 유체 챔버(250)의 바닥을 이루는 투명한 탄성 멤브레인(230)이 마련되어 있으며, 이러한 탄성 멤브레인(230)의 하면에는 액츄에이터(240)가 마련되어 있다. 상기 탄성 멤브레인(230)은 액츄에이터(240)가 마련되는 구동부(230b)와, 상기 구동부(230b)의 내측에 위치하는 가변렌즈부(230a)를 포함한다. 이러한 탄성 멤브레인(230)은 폴리머, 예를 들면 PDMS로 이루어질 수 있다. 상기 액츄에이터(240)로는 예를 들면, 두께가 매우 얇고 소비 전력이 작은 폴리머 액츄에이터가 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변렌즈 구조체를 도시한 것이다. 이하에서는 전술한 실시예들과 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 프레임(310)에는 광학 유체(360)가 채워지는 유체 챔버(350)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 프레임(310)은 상기 유체 챔버(350)의 두께, 즉 광학 유체(360)의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다. 상기 광학 유체(360)로는 전술한 바와 같이 PDMS(311)에 대해 침투성을 가지지 않는 투명 액체가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 유체(360)는 불소기를 포함하는 투명한 오일을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 유체로는 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일이 사용될 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 프레임(310)은 소정 유체(313)를 함유하는 PDMS(311)로 이루어질 수 있다. 상기 프레임(310)을 이루는 PDMS(311)의 내부에는 마이크로 버블들(312)이 형성되어 있으며, 이 상기 마이크로 버블들(312) 내에 상기 유체(313)가 채워져 있다. 여기서, 상기 마이크로 버블(312)은 대략 10㎛ 이하의 직경을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 마이크로 버블들(312) 내에 채워진 유체(313)는 광학 유체(360)와 마찬가지로 PDMS(311)에 대해 침투성을 가지지 않는 투명 액체, 구체적으로 불소기를 포함하는 투명한 오일이 될 수 있다. 상기 마이크로 버블들(312) 내에 채워지는 유체(313)와 상기 광학 유체(360)는 동일한 액체로 이루어질 수 있지만, 서로 다른 액체로 이루어질 수도 있다.
상기 프레임(310)의 상면에는 투명 커버(320)가 마련될 수 있다. 여기서, 상기 투명 커버(320)는 상기 광학 유체(360)의 상면 및 프레임(310)의 상면에 접하도록 마련될 수 있다. 이에 따라, 상기 투명 커버(320)는 상기 광학 유체(360)의 상면에 접하는 돌출부(320a)를 포함할 수 있다. 이러한 투명 커버(320)는 상기 광학 유체(360) 보다 낮은 열 팽창율을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 커버(320)는 글라스 또는 열 팽창율이 작은 폴리머 등으로 이루어질 수 있다. 상기 돌출부(320a)를 포함하는 투명 커버(320a)는 평탄한 형상의 글라스 또는 폴리머를 습식 식각(wet etching) 등을 이용하여 가공함으로써 제작될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 투명 커버(320)의 돌출부(320a)는 상기 프레임(310)과 광학 유체(360)의 두께 차이에 해당하는 두께를 가질 수 있다. 여기서, 상기 광학 유체(360), 투명 커버(320)의 돌출부 및 프레임(310)의 두께는 상기 광학 유체(360)의 열 팽창율, 상기 투명 커버(320)의 열 팽창율 및 상기 프레임(310)의 열 팽창율(즉, 상기 프레임(310) 내에 함유된 유체(313)의 열팽창율 및 농도)에 따라 조절될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는 높은 열 팽창율을 가지는 광학 유체(360)의 두께를 줄여줌으로써 프레임(310)의 두께도 줄일 수 있고, 또한 광학 유체(360)의 양도 줄일 수 있다.
상기 프레임(310)의 하면에는 상기 유체 챔버(350)의 바닥을 이루는 투명한 탄성 멤브레인(330)이 마련되어 있으며, 이러한 탄성 멤브레인(330)의 하면에는 액츄에이터(340)가 마련되어 있다. 상기 탄성 멤브레인(330)은 액츄에이터(340)가 마련되는 구동부(330b)와, 상기 구동부(330b)의 내측에 위치하는 가변렌즈부(330a)를 포함한다. 이러한 탄성 멤브레인(330)은 폴리머, 예를 들면 PDMS로 이루어질 수 있다. 상기 액츄에이터(340)로는 예를 들면, 두께가 매우 얇고 소비 전력이 작은 폴리머 액츄에이터가 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전술한 가변렌즈 구조체를 제조하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 주제(base)와 경화제가 소정 비율로 혼합된 PDMS 용액을 준비한다. 예를 들면, 상기 PDMS 용액 내에서 상기 주제와 경화제가 10:1의 비율로 혼합될 수 있다. 그리고, 상기 PDMS 용액에 소정 유체를 혼합한다. 여기서, 상기 PDMS 용액에 혼합되는 유체로는 PDMS 보다 큰 열 팽창율을 가지면서 PDMS에 대해 침투성을 가지지 않는 투명 액체가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 유체로는 불소기를 포함하는 투명한 오일, 예를 들면, PFPE 계열의 오일 등이 사용될 수 있다. 상기 PDMS 용액 내에서 상기 오일의 농도는 예를 들면 대략 10 weight 이상이 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 상기 PDMS 용액에 소정 오일을 혼합하면, 상기 PDMS 용액 내에는 상기 오일로 채워지는 마이크로 버블들이 형성될 수 있다. 이때, 상기 마이크로 버블은 그 직경이 대략 10㎛ 이하가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되지는 않는다.
이어서, 오일로 채워진 마이크로 버블들을 함유하는 PDMS 용액을 소정 온도(예를 들면 대략 60℃ 이상)에서 소정 두께(예를 들면, 150 ~ 300㎛)의 필름 형태로 반경화시킨 후, 이를 가공하여 유체 챔버를 가지는 프레임을 제작한다.
다음으로, 투명 커버 상에 상기 프레임을 부착한다. 구체적으로, 글라스나 폴리머 등으로 이루어진 투명 커버를 준비한 다음, 상기 투명 커버를 표면 처리(예를 들면, 플라즈마 표면 처리)를 한다. 이러한 표면 처리는 상기 투명 커버의 표면에 PDMS 용액이 잘 코팅되도록 하기 위함이다. 그리고, 표면 처리된 투명 커버의 표면에 전술한 PDMS 용액을 소정 두께(예를 들면, 대략 10 ~ 50㎛)로 코팅한 다음, 이를 반경화시킨다. 이어서, 상기 프레임의 표면에 전술한 PDMS 용액을 코팅한 다음 이를 반경화시킨다. 이에 따라, 상기 프레임 내에 함유된 오일은 외벽에 형성된 PDMS에 의해 프레임 내에 갇히게 된다. 그리고, 상기 프레임을 투명 커버의 일면에 부착한다.
이어서, 광학 유체를 상기 프레임의 유체 챔버 내에 채운다. 상기 광학 유체로는 전술한 바와 같이 PDMS에 대해 침투성을 가지지 않는 투명 액체가 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 광학 유체로는 불소기를 포함하는 투명한 오일, 예를 들면 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일이 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 광학 유체를 밀봉하도록 상기 프레임 상에 투명한 탄성 멤브레인을 부착한다. 구체적으로, 소정 필름, 예를 들면 일반 폴리머 필름을 표면 처리(예를 들면, 불소 처리)한 후, 이 불소 처리된 폴리머 필름의 표면에 PDMS 용액을 코팅한 다음, 이를 반경화시킨다. 이어서, 상기 반경화된 PDMS가 코팅된 폴리머 필름을 상압이나 진공에서 상기 광학 유체를 덮도록 프레임 상에 부착한 다음, 상기 폴리머 필름을 반경화된 PDMS로부터 떼어내면 상기 프레임 상에 광학 유체를 덮는 PDMS로 이루어진 탄성 멤브레인이 형성된다. 이후, 상기 탄성 멤브레인 상에 액츄에이터를 마련하면 가변렌즈 구조체가 완성된다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10,110,210,310... 프레임 20,120,220,320... 투명커버
30,130,230,330.... 탄성 멤브레인
30a,130a,230a,330a... 가변렌즈부
30b,130b,230b,330b.... 구동부
40,140,240,340... 액츄에이터 50,150,250,350... 유체 챔버
60,160,260,360... 광학 유체 111,211,311... PDMS
112,212,312... 마이크로 버블 113,213,313... 유체
270... 투명 필름

Claims (24)

  1. 광학 유체로 채워진 유체 챔버가 형성되어 있으며, 소정 유체를 함유하는 PDMS(polymethylsiloxane)로 이루어진 프레임;
    상기 유체 챔버를 덮도록 상기 프레임의 상면에 마련되는 투명 커버;
    상기 유체 챔버의 바닥을 이루도록 상기 프레임의 하면에 마련되는 투명한 탄성 멤브레인; 및
    상기 탄성 멤브레인 상에 마련되는 액츄에이터;를 구비하고,
    상기 유체는 상기 PDMS에 의해 상기 프레임 내에 갇혀서 상기 광학 유체와 격리되어 있는 가변초점 렌즈 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 유체 및 상기 유체는 상기 PDMS 보다 큰 열 팽창률을 가지는 가변초점 렌즈 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임을 이루는 PDMS 내부에는 마이크로 버블들이 형성되어 있으며, 상기 유체는 상기 마이크로 버블들 내에 채워진 가변초점 렌즈 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마이크로 버블의 직경은 10㎛ 이하인 가변초점 렌즈 구조체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 광학 유체 및 상기 유체는 상기 PDMS에 대해 침투성(permeation)을 가지지 않는 투명 액체로 이루어진 가변초점 렌즈 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광학 유체 및 상기 유체는 불소기(fluorine functional group)를 포함하는 액체로 이루어진 가변초점 렌즈 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 불소기를 포함하는 투명 액체는 과불소 폴리에테르(PFPE;perfluoropolyether) 계열의 오일을 포함하는 가변초점 렌즈 구조체.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 PDMS 내에서 상기 유체 농도는 10 weight % 이상인 가변초점 렌즈 구조체.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임의 두께는 상기 광학 유체의 두께와 같은 가변초점 렌즈 구조체.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 프레임의 두께는 상기 광학 유체의 두께보다 두꺼운 가변초점 렌즈 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 투명 커버는 상기 광학 유체의 상면 및 상기 프레임의 상면에 접하도록 마련되는 가변초점 렌즈 구조체.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 투명 커버는 상기 광학 유체 보다 낮은 열 팽창율을 가지는 가변초점 렌즈 구조체.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학 유체의 상면에는 상기 광학 유체보다 낮은 열 팽창율을 가지는 투명 필름이 마련되어 있으며, 상기 투명 커버는 상기 투명 필름의 상면 및 상기 프레임의 상면에 접하도록 마련되는 가변초점 렌즈 구조체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 커버는 글라스 또는 폴리머로 이루어진 가변초점 렌즈 구조체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 멤브레인은 PDMS로 이루어진 가변초점 렌즈 구조체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 폴리머 액츄에이터를 포함하는 가변초점 렌즈 구조체.
  17. 주제(base)와 경화제를 포함하는 PDMS 용액에 소정 유체를 혼합하여 상기 PDMS 용액 내에 상기 유체가 채워진 마이크로 버블들을 형성하는 단계;
    상기 유체로 채워진 마이크로 버블들을 함유하는 PDMS 용액을 반 경화시킨 후, 이를 가공하여 유체 챔버를 가지는 프레임을 제작하는 단계;
    투명 커버 상에 상기 프레임을 부착하는 단계;
    상기 프레임의 유체 챔버 내에 광학 유체를 채우는 단계; 및
    상기 광학 유체를 밀봉하도록 상기 프레임 상에 투명한 탄성 멤브레인을 부착하는 단계;를 포함하는 가변초점 렌즈 구조체 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광학 유체 및 상기 유체는 상기 PDMS 보다 큰 열 팽창률을 가지는 가변초점 렌즈 구조체의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광학 유체 및 상기 유체는 상기 PDMS에 대해 침투성을 가지지 않는 투명 액체로 이루어진 가변초점 렌즈 구조체의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 불소기를 포함하는 투명 액체는 과불소 폴리에테르(PFPE) 계열의 오일을 포함하는 가변초점 렌즈 구조체의 제조방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 투명 커버 상에 상기 프레임을 부착하는 단계는, 상기 투명 커버를 표면 처리하는 단계; 상기 투명 커버의 표면에 PDMS 용액을 코팅한 다음, 이를 반 경화시키는 단계; 상기 프레임의 표면에 PDMS 용액을 코팅한 다음, 이를 반 경화시키는 단계; 및 상기 투명 커버 상에 상기 프레임을 부착하는 단계;를 포함하는 가변초점 렌즈 구조체의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 투명 커버는 글라스 또는 폴리머로 이루어진 가변초점 렌즈 구조체의 제조방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 탄성 멤브레인을 부착하는 단계는, 소정 필름을 표면 처리하는 단계; 상기 필름의 일면에 PDMS 용액을 코팅한 다음, 이를 반 경화시키는 단계; 상기 필름을 상기 프레임 상에 부착하여 상기 광학 유체를 밀봉하는 단계; 및 상기 필름을 반경화된 PDMS로부터 떼어내는 단계;를 포함하는 가변초점 렌즈 구조체의 제조방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 필름은 폴리머로 이루어진 가변초점 렌즈 구조체의 제조방법.
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