KR101912093B1

KR101912093B1 - 광학 장치

Info

Publication number: KR101912093B1
Application number: KR1020100107110A
Authority: KR
Inventors: 이정엽; 정규동; 이승완; 김운배
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2018-10-26
Also published as: CN102466828A; JP5971913B2; US20120105971A1; KR20120045517A; EP2447742A1; JP2012098718A; US9405045B2; CN102466828B

Abstract

가변초점 액체 렌즈와 같은 광학 장치가 개시된다. 광학 장치는 스페이서 프레임, 광학 유체, 탄성막, 액츄에이터, 액츄에이터 프레임, 및 열변형 플레이트를 포함한다. 스페이서 프레임은 서로 연통하는 렌즈부 및 구동부를 포함하는 내부 공간을 한정하는데, 구동부는 내부 공간의 중심에 위치하는 렌즈부를 둘러 싸도록 배치되어 있다. 광학 유체는 스페이서 프레임에 의하여 한정되는 내부 공간에 담겨 있다. 스페이서 프레임의 일 외면 상에는 탄성막이 부착되어 내부 공간의 일 개방면을 커버하며, 스페이서 프레임의 타 외면 상에는 열변형 플레이트가 부착되어 내부 공간의 타 개방면을 커버한다. 열변형 플레이트는 온도 변화에 따라서 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형될 수 있는데, 투명한 단일 물질로 형성된다. 액츄에이터는 구동부에 대응하는 탄성막 상에 배치되어 광학 유체에 압력을 가하며, 액츄에이터 프레임은 액츄에이터를 고정하도록 액츄에이터 상에 배치되어 있는데, 적어도 구동부와 렌즈부를 노출시키는 형상을 갖는다.

Description

광학 장치{Optical apparatus}

액체 렌즈(fluidic lens) 등과 같은 광학 장치(optical apparatus)에 관한 것이다.

디지털 기술이 발달함에 따라서 디지털 컨버젼스(digital convergence) 현상이 급속도로 확산되고 있다. 디지털 컨버젼스가 가장 활발하게 진행되고 있는 분야는 미디어와 통신 분야인데, 디지털 컨버젼스 제품의 대표적인 예가 모바일 통신 기기이다. 게임, 음악 재생, 방송, 인터넷 등의 기능을 수행하기 위한 장치는 물론 디지털 카메라나 디지털 캠코더 등과 같은 촬상 장치도 모바일 통신 기기에 결합되고 있다. 이 중에서 촬상 장치는 모바일 폰 이외에도 랩탑 컴퓨터(laptop computer)나 PDA(Personal Digital Assistant) 등과 같은 다른 모바일 전자 기기에도 널리 장착되고 있다.

촬상 장치를 구비한 모바일 전자 기기들이 소형화, 박형화, 및 보편화되고 있어서, 보다 크기가 작고 두께가 얇으며 보다 저렴한 촬상 장치에 대한 요구는 증가하고 있다. 특히, 모바일 전자 기기에는 촬상 장치뿐만 아니라 다른 디지털 전자 기기(예컨대, 엠피쓰리(MP3) 플레이어나 동영상 재생기, 디엠비(DMB) 텔레비전 등)도 함께 탑재되고 있어서, 크기가 작고 두께가 얇은 촬상 장치에 대한 요구는 더욱 증가되고 있다. 하지만, 결상 광학계를 포함하는 촬상 장치는 크기나 두께를 감소시키기가 가장 힘든 전자 기기 중의 하나이다.

촬상 장치가 처음 모바일 전자 기기에 부착되었을 때에는 촬상 장치의 성능에 대한 요구는 그다지 높지 않았다. 그러나 최근에는 소비자들의 다양한 요구나 취향을 충족시킬 수 있도록 촬상 장치를 구비한 모바일 전자 기기들의 종류가 다양화되고 있을 뿐만 아니라, 해상도를 비롯하여 촬상 장치의 성능에 대한 요구도 점차 높아지고 있다. 예를 들어, 초기에는 근접 거리 촬영을 60cm로 하고 이 초점 거리도 고정되어 있었지만, 최근에는 자동 초점(auto focus) 기능이나 줌(zoom) 기능, 그리고 30cm 이내에서의 근접 거리 촬영 기능, 손 떨림 방지 기능 등도 촬상 장치에 구비될 것이 요청되고 있다.

자동 초점(auto focus) 기능이나 줌(zoom) 기능, 근접 거리 촬영 기능 등을 촬상 장치에 구현하기 위해서는 결상 광학계의 초점 거리를 조정하는 기능이 요구된다. 결상 광학계의 초점 거리를 변화시키는 방법으로 스텝 모터(step motor)를 사용하는 방법이나 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor, VCM)를 사용하는 방법 등이 있다. 이들 방법에서는 모터 등을 구동하여 결상 광학계를 구성하는 렌즈들간의 간격을 변화시켜서 초점 거리를 변화시키므로, 촬상 장치의 크기를 줄이는데 한계가 있을 뿐만 아니라 촬상 장치를 일괄 공정으로 제작하기가 어려워 제조 비용을 감소시키기가 어렵다.

전술한 단점을 극복하기 위하여 제안된 다른 한 가지 방법은 액체 렌즈(fluidic lens)를 이용하는 것이다. 액체 렌즈는 광학 유체(optical fluid)가 광학 멤브레인(optical membrane)에 의하여 밀봉되어 있는 구조를 갖는 광학 장치의 하나인데, 광학 유체에 의하여 광학 멤브레인의 렌즈면에 가해지는 압력을 변화시킴으로써 렌즈면의 곡률을 변화시킬 수 있다. 이러한 액체 렌즈의 대표적인 예는 본 출원의 출원인이 출원하여 공개된 한국공개특허 제2008-0043106, "광학 렌즈 및 그 제조방법"에 개시되어 있는데, 위 한국공개특허는 참조에 의하여 본 명세서에 완전히 결합된다.

액체 렌즈는 렌즈면의 곡률 변화를 이용하여 초점 거리를 변화시킬 수 있으므로, 초점 거리를 조정하기 위하여 결상 광학계를 구성하는 렌즈들 사이에 거리를 변화시킬 필요가 없다. 따라서 액체 렌즈를 포함하는 촬상 장치는 결상 광학계를 구성하는 렌즈들을 이동시키기 위한 스텝 모터나 VCM 등이 필요 없을 뿐만 아니라, 렌즈의 이동을 위한 공간을 추가로 확보할 필요도 없어서 소형으로 제조가 가능하다. 또한, 위 한국공개특허에 개시되어 있는 액체 렌즈는 웨이퍼 레벨에서 일괄 공정으로 제조가 가능하므로, 대량 생산에 적합할 뿐만 아니라 제조 비용을 감소시킬 수가 있다.

한편, 모바일 전자 기기를 포함한 대부분의 전자 기기는 소정의 온도 범위 내에서 정상적으로 작동할 수 있도록 설계된다. 전자 기기의 동작 온도는 구체적인 용도나 기능 등에 따라서 달라질 수 있는데, 개인용 휴대 전자 기기의 동작 온도는, 예컨대 약 -20℃ ~ 60℃의 온도 범위일 수 있다. 이러한 동작 온도는 액체 렌즈를 구비하는 촬상 장치에도 동일하게 적용될 수 있다.

그런데, 액체 렌즈에 사용되는 광학 유체는 다른 구성요소에 비하여 열팽창 계수가 상대적으로 커서 온도에 따른 체적의 변화가 상대적으로 크다. 액체 렌즈는 초점 거리를 조정하기 위하여 광학 유체에 의하여 광학 멤브레인에 가해지는 압력으로 렌즈면의 곡률을 변화시키므로, 기존의 액체 렌즈는 온도 변화에 따라서 렌즈면의 곡률, 즉 액체 렌즈의 초점 거리가 변화되는 현상이 발생할 수가 있다. 이러한 현상은 액체 렌즈가 소정 범위의 동작 온도(예컨대, -20℃ ~ 60℃) 내에서 정상적으로 작동을 하는 것을 방해할 수 있다.

온도의 변화에 상관없이 정상적인 작동이 보장되는 액체 렌즈 등과 같은 광학 장치를 제공한다.

온도 변화에 의하여 광학 유체의 부피가 증감하더라도 초점 거리는 실질적으로 변화하지 않는 액체 렌즈 등과 같은 광학 장치를 제공한다.

일 실시예에 따른 광학 장치는 서로 연통하는 구동부(driving portion) 및 렌즈부(lens portion)를 포함하는 내부 공간(space)을 한정하는 스페이서 프레임(spacer frame)을 포함한다. 스페이서 프레임으로 한정되는 내부 공간에는 광학 유체가 담겨 있다. 스페이서 프레임의 양 외면 상에는 각각 탄성막(elastic membrane)과 열변형 플레이트(thermally deformable plate)가 부착되어 있는데, 탄성막은 적어도 렌즈부를 커버하며, 투명한 단일 물질로 형성되는 열변형 플레이트는 스페이서 프레임의 타 외면 상에 배치되어 온도 변화에 따라서 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형된다. 열변형 플레이트는 렌즈부에 대응하는 부분이 가장자리 부분보다 바깥쪽으로 돌출되는 형상을 가질 수 있으며, 또한 렌즈부에 대응하는 열변형 플레이트의 부분은 실질적으로 평평한 형상을 가질 수 있다.

다른 실시예에 따른 광학 장치는 서로 연통하는 구동부 및 렌즈부를 포함하는 내부 공간을 한정하는 스페이서 프레임을 포함한다. 스페이서 프레임으로 한정되는 내부 공간에는 광학 유체가 담겨 있다. 그리고 스페이서 프레임의 일 외면 상에는 탄성막이 부착되어 적어도 렌즈부를 커버한다. 그리고 스페이서 프레임의 타 외면 상에는 내부 공간에 대응하도록 배치되어 온도 변화에 따라서 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형되는 열변형 플레이트와 스페이서 프레임의 테두리에 대응하도록 열변형 플레이트의 둘레를 따라서 플랜지부(flange unit)가 배치되어 있다. 광학 장치는 변형방지 부재(stiffening member)를 더 포함할 수 있는데, 변형방지 부재는 렌즈부에 대응하는 위치의 열변형 플레이트에 배치되며 평평한 형상을 갖는다. 변형방지 부재는 열변형 플레이트의 내부에 배치될 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 광학 장치는 서로 연통하는 구동부 및 렌즈부를 포함하는 내부 공간을 한정하는 스페이서 프레임을 포함한다. 스페이서 프레임으로 한정되는 내부 공간에는 광학 유체가 담겨 있다. 그리고 스페이서 프레임의 일 외면 상에는 적어도 렌즈부를 커버하는 탄성막이 부착되어 있으며, 스페이서 프레임의 타 외면 상에는 투명한 단일 물질로 형성되는 열변형 플레이트가 배치되어 있다. 열변형 플레이트는 온도 변화에 따라서 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형될 수 있다. 그리고 렌즈부에 대응하는 위치의 열변형 플레이트에는 평평한 형상을 갖는 투명한 변형방지 부재가 배치될 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 광학 장치는 스페이서 프레임(spacer frame), 광학부(optical portion), 열변형 플레이트(thermally deformable plate), 및 광학 물질을 포함한다. 광학부는 스페이서 프레임의 일 외면 상에 배치되어 있으며, 열변형 플레이트는 광학부가 배치되어 있는 반대쪽인 스페이서 프레임의 타 외면 상에 배치되어 있다. 그리고 광학 물질은 스페이서 프레임, 광학부, 및 열변형 플레이트에 의해 한정되는 내부 공간에 담겨 있다. 또한, 열변형 플레이트과 스페이서 프레임은 서로 다른 물질로 형성되어 있으며, 열변형 플레이트는 미리 정한 모양을 가지고 온도 변화에 따라서 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형될 수 있다.

광학 장치는 온도가 변화하더라도 초점 거리가 변하지 않아서 정상적인 작동이 보장될 수 있으며, 빈번한 온도 변화가 있더라도 구조적인 변형이 일어나지 않는다. 아울러, 후속 공정으로 약 300℃ 이상의 고온 공정도 적용이 가능하다.

도 1은 일 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 광학 장치의 분리 사시도이다.
도 3은 도 1에서 AB 라인을 따라 취한 광학 장치의 단면도이다.
도 4a는 온도가 상승한 경우에 도 3의 광학 장치에 나타나는 구조 변화를 예시적으로 보여 주는 단면도이다.
도 4b는 온도가 하강한 경우에 도 3의 광학 장치에 나타나는 구조 변화를 예시적으로 보여 주는 단면도이다.
도 5a는 도 3의 광학 장치의 일 변형예를 보여 주는 단면도이다.
도 5b는 도 3의 광학 장치의 다른 변형예를 보여 주는 단면도이다.
도 6은 도 3의 광학 장치의 또 다른 변형예를 보여 주는 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광학 장치의 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 8a는 도 7의 광학 장치에 포함되는 플랜지부의 형상을 일례를 보여 주는 사시도이다.
도 8b는 도 7의 광학 장치에 포함되는 플랜지부의 형상을 다른 예를 보여 주는 사시도이다.
도 9a는 도 7의 광학 장치의 일 변형예를 보여 주는 단면도이다.
도 9b는 도 7의 광학 장치의 다른 변형예를 보여 주는 단면도이다.
도 10은 시뮬레이션에 사용된 도 7의 광학 장치의 크기를 표시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 광학 장치의 분리 사시도이며, 도 3은 도 1에서 AB 라인을 따라 취한 광학 장치의 단면도이다. 도 1 내지 도 3에 도시된 광학 장치는 휴대용 전자기기의 촬상 모듈에 구비되는 액체 렌즈일 수 있으며, 이하에서는 광학 장치가 이러한 액체 렌즈인 경우를 중심으로 실시예를 상세히 설명한다. 하지만, 광학 장치가 액체 렌즈에만 한정되는 것이 아니며 다른 용도로도 사용될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 광학 장치(100)는 스페이서 프레임(spacer frame, 110), 탄성막(elastic membrane, 120), 열변형 플레이트(thermally deformable plate, 150), 및 광학 유체(optical fluid, 125)를 포함한다. 그리고 광학 장치(100)는 액츄에이터(actuator, 130)와 액츄에이터 프레임(actuator frame, 140)을 더 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 광학 장치(100)는 상온(예컨대, 20℃)에서의 광학 장치의 형상을 보여 주는 것으로서, 후술하는 바와 같이 온도가 상승하거나 하강하면 광학 장치(100), 보다 구체적으로 열변형 플레이트(150)의 형상은 변형될 수 있다.

광학 장치(100)는 액체 렌즈로서 촬상 장치에 단독으로 사용되거나 또는 촬상 장치의 결상 광학계에 부가되어서 사용될 수 있다. 전자의 경우에 광학 장치(100)는 자체의 초점 거리를 변화시킬 수 있다. 반면, 후자의 경우에는 광학 장치(100)를 이용하여 결상 광학계의 초점 거리를 변화시킬 수가 있다. 그리고 전자의 경우이든 후자의 경우이든, 광학 장치(100)를 이용하면 초점 거리의 변화를 통해 자동 초점 기능, 줌 기능, 및/또는 근접 거리 촬영 기능 등과 같은 가변 초점 기능을 촬상 장치에 구현할 수가 있다.

스페이서 프레임(110)은 광학 유체(125)가 채워질 수 있는 소정의 내부 공간(internal space)을 한정한다(보다 엄밀하게 이야기하면, 광학 유체(125)가 채워지는 내부 공간은 스페이서 프레임(110), 탄성막(120), 및 열변형 플레이트(150)에 의하여 한정 및 밀봉된다). 이를 위하여, 스페이서 프레임(110)은 내부 공간의 측면을 둘러싸는 측벽(sidewalls, 112)을 포함한다. 그리고 스페이서 프레임(110)은 이 내부 공간을 서로 연통하는 렌즈부(lens portion)와 구동부(driving portion)로 구획하는 파티션(partition, 114)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내부 공간의 하측 부분(lower portion)은 파티션(114)에 의하여 렌즈부와 구동부로 구획되며, 내부 공간의 상측 부분(upper portion)은 서로 관통되어 있을 수 있다. 파티션(114)은 측벽(112)과 구조적으로 연결될 수 있는데, 이것은 임의적인 것이다. 스페이서 프레임(110)은 실리콘(silicon) 등과 같이 딱딱하고 내화학성, 내습성이 큰 물질로 형성될 수 있으며, 투명 또는 불투명한 재질로 형성될 수 있다.

렌즈부는 입사광이 통과하는 부분, 즉 렌즈로서의 기능을 수행하는 부분이다. 그리고 구동부는 렌즈부를 덮고 있는 탄성막(120)의 일 부분(렌즈면)의 프로파일을 변경시킬 수 있는 구동력을 전달하는 부분이다. 보다 구체적으로, 구동부에 소정의 압력(예컨대, 액츄에이터(130)의 구동에 의한 소정의 압력)이 광학 유체(125)에 가해지면, 구동부에 있는 광학 유체(125)는 렌즈부쪽으로 이동하게 된다. 그 결과, 렌즈부에는 광학 유체(125)의 양이 증가하여 렌즈면을 구성하는 탄성막(120)에 가해지는 압력이 증가하게 되고, 그 결과 렌즈면은 위로 볼록하게 튀어나오는 형상, 즉 볼록 렌즈 형상으로 변형된다. 여기서, 구동부에서 광학 유체(125)에 가해지는 압력을 조절하면, 렌즈부가 변형되는 크기, 즉 볼록 렌즈의 곡률을 조정하여 광학 장치(100)의 굴절율(refractive power)을 제어할 수 있다.

렌즈부는 광학 장치(100)의 중앙 부분에 배치되고 구동부는 이 렌즈부의 주위를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 구동부가 렌즈부의 주위를 둘러싸도록 배치될 경우, 모든 방향으로부터 균일하게 광학 유체가 구동부로부터 렌즈부로 유입될 수 있다. 따라서 광학 유체의 유입으로 변형되는 렌즈부는 보다 구형에 가까운 볼록 렌즈의 형상을 가질 수 있으며, 이에 의하여 우수한 광학 성능을 갖는 가변 초점 액체 렌즈를 구현할 수 있다. 구동부는 복수의 영역으로 분할될 수 있는데, 도 2에 도시된 바와 같이 렌즈부에 대하여 서로 대칭되는 4개의 영역으로 분할되거나 또는 다른 개수(2개, 3개, 또는 5개 이상)의 영역으로 분할될 수 있다.

스페이서 프레임(110)에 의하여 한정되는 내부 공간을 구동부와 렌즈부로 구획하는 것은 파티션(114)과 같은 물리적인 구조물 없이 가상적으로 이루어질 수 있다. 즉, 스페이서 프레임(110)은 측벽(112)으로만 구성되고 내부 공간은 측벽(112)만으로 둘러싸인, 예컨대 원기둥 형상 또는 직육면체 형상일 수 있다. 이 경우에, 내부 공간을 구동부와 렌즈부로의 구획하는 것은 기능적인 관점(예컨대, 액츄에이터(130)에 의하여 가압되는 부분인지 아닌지 여부)에서 이루어지거나 및/또는 주위의 다른 구성요소와의 구조적인 관련성(예컨대, 내부 공간 중에서 액츄에이터(130)에 대응하는 부분이 구동부이고, 변형방지 부재(160, 도 5a 또는 도 5b 참조)에 대응하는 부분이 렌즈부일 수 있다)에 의하여 이루어질 수 있다.

스페이서 프레임(110)으로 한정된 내부 공간, 즉 구동부와 렌즈부에는 광학 유체(125)가 채워질 수 있다. 광학 유체(125)는 내부 공간에 채워질 수 있는 광학 물질의 하나로서, 반드시 액체에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 광학 유체(125)는 기체나 젤(gel) 타입의 물질일 수 있다. 그리고 내부 공간에 채워진 광학 유체(125)는 스페이서 프레임(110)의 양쪽 외면 상에 부착 또는 배치되어 있는 탄성막(120)과 열변형 플레이트(150)에 의하여 밀봉된다. 광학 유체(125)로는 다이메틸 실록산(DiMethyl Siloxane, DMS) 오일 등과 같은 투명한 실리콘(silicone)계 오일, 투명한 탄화수소계 오일, 투명한 에스테르(ester)계 오일, 또는 과불소 폴리에테르 오일(Per Fluoro Poly Ether, PFPE) 등과 같은 투명한 폴리에테르(poly ether)계 오일 등이 사용될 수 있고, 기체나 젤 타입의 물질도 사용될 수 있다. 이 중에서 실리콘계 오일이나 폴리에테르계 오일은 약 -55℃ 내지 250℃ 범위의 온도에서 액상을 가질 뿐만 아니라, 일반적으로 온도에 따른 점도의 변화도 다른 물질에 비하여 크지 않다. 예를 들어, 1000cP 이하의 점도에서 중합도가 50이상인 투명한 실리콘계 오일을 광학 유체(125)로 사용할 수 있으며, 이 경우에 광학 장치(100)는 아주 빠른 반응 속도를 지원할 수 있다. 다만, 실리콘계 오일이나 폴리에테르계 오일 등은 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)가 330ppm/℃ 이상으로서 높은 열팽창율을 나타낸다.

탄성막(120)은 스페이서 프레임(110)의 일 외면(도 1 내지 도 3에서는 하면) 상에 부착되어서 적어도 내부 공간의 렌즈부를 커버한다. 렌즈부를 커버하는 탄성막(120)의 부분은 광학 장치(100)의 렌즈면을 형성하는 광학부(optical portion)라고 할 수 있다. 탄성막(120)은 내부 공간의 구동부도 함께 커버할 수 있는데, 이 경우에 탄성막(120)은 전체가 일체로 형성되는 하나의 시트(sheet) 형상이 될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니며, 내부 공간의 구동부는 렌즈부를 커버하는 탄성막, 즉 광학부와는 별개의 탄성막으로 커버되거나 또는 탄성막이 아닌 다른 구성요소에 의하여 커버될 수도 있다.

탄성막(120)은 투명(transparent)하고 높은 탄성 특성을 가져야 하며, 화학적으로 안정되어야 한다. 그리고 적어도 탄성막(120)의 외면은 습기에 강한 특성을 가져야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 물질로는 예를 들어, 폴리 다이메틸 실록산(Poly DiMethyl Siloxane, PDMS) 탄성중합체, 폴리 메틸 페닐 실록산(Poly Methyl Phenyl Siloxane, PMPS) 탄성중합체, 불소 실리콘 탄성중합체(fluro-silicone elsatomer) 등과 같은 투명한 실리콘 탄성중합체(silicon elastomer), 탄화수소 탄성중합체, 폴리에테르 탄성중합체(poly ether elastomer) 또는 산화 프로필렌 탄성중합체(ptopylen oxide elastomer), 폴리에스테르 탄성중합체(poly ester elastomer) 등이 있다. 이러한 탄성막(120)은 반드시 단일막 구조일 필요는 없으며, 이중막과 같은 복합막 구조일 수 있다.

전술한 탄성중합체들은 통상적으로 열팽창 계수(CTE)가 큰 물질이어서 이를 그대로 사용하여 만들어진 막(membrane)은 온도의 변화에 따라 팽창하거나 수축이 크게 일어날 수가 있다. 그러나 도 1 내지 도 3에 도시된 광학 장치(100)의 일 구성요소로 사용되는 탄성막(120)은 온도의 변화에도 불구하고 팽창이나 수축이 거의 일어나지 않도록 스페이서 프레임(110)에 부착된다. 이를 구현하는 방법에는 특별한 제한이 없는데, 예를 들어 탄성막(120)이 아주 얇은 두께가 되도록 충분하게 잡아 당긴 상태에서 스페이서 프레임(110)에 접합시키거나 및/또는 열 팽창이 일어나지 않도록 소정의 처리를 수행한 후에 스페이서 프레임(110)에 접합시킬 수 있다.

액츄에이터(130)는 구동부에 대응하는 위치의 탄성막(120) 상에 배치되는 폴리머 액츄에이터일 수 있다. 폴리머 액츄에이터는 구동부에 대응하여 단일 구조물이거나 또는 복수의 영역으로 분할될 수 있으며, 소정의 접합 수단에 의하여 탄성막(120) 상에 접합될 수 있다. 액츄에이터(130)의 종류나 재질에는 특별한 제한이 없으며, 통상적으로 사용되고 있는 다양한 방식의 액츄에이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터(130)로는 두께가 매우 얇고 소비 전력이 작은 전기적 능동 폴리머(Electro Active Polymer, EAP)나 Poly(VinyliDene Fluoride-TriFluoro Ethylene-Chloro TriFluoro Ethylene)[P(VDF-TrFE-CTFE)], Poly(VinyliDene Fluoride-TriFluoro Ethylene-Chloro Fluoro Ethylene)[P(VDF-TrFE-CFE)]와 같은 혼성 중합체로 제작된 완화형 강유전성(relaxor ferroelectric) 폴리머 액츄에이터가 사용될 수 있다.

액츄에이터(130)는 소정의 구동 전압이 인가되면 구동부에 압력을 가하여 렌즈부로 광학 유체(125)를 유입시키는 기능을 수행하며, 이에 의하여 렌즈부의 탄성막(120), 즉 렌즈면이 돌출되어 볼록해지도록 한다. 이 경우에 구동 전압의 크기를 조절하면 액츄에이터(130)의 변위를 조정할 수 있으며, 이에 의하여 구동부의 광학 유체(125)에 가해지는 압력의 크기도 제어가 가능하다. 이러한 폴리머 액츄에이터(130)는 구동부를 가압하여 광학 유체(125)를 렌즈부쪽으로 유입시켜서 렌즈면을 바깥쪽으로 돌출시키기 위한 가압 수단의 일례이다. 따라서 폴리머 액츄에이터(130) 대신에 마이크로 펌프 등을 이용하여 구동부의 광학 유체(125)를 렌즈부쪽으로 유입시킬 수도 있다.

액츄에이터(130) 상에는 고정 프레임으로서 기능하는 액츄에이터 프레임(140)이 배치될 수 있다. 액츄에이터 프레임(140)은 탄성막(120) 및/또는 액츄에이터(130)를 스페이서 프레임(110)에 단단하게 고정시키는 기능을 수행한다. 액츄에이터 프레임(140)은 적어도 렌즈부에 대응하는 탄성막(120)을 노출시키는 평면 형상을 가지며, 액츄에이터(130)도 노출시키는 형상이 될 수도 있다. 예를 들어, 액츄에이터 프레임(140)은 구동부와 렌즈부에 대응하는 부분의 탄성막(120)만을 노출시킬 수 있는데, 광축에 대한 축대칭의 평면 형상일 수 있다. 액츄에이터 프레임(140)의 재질에는 특별한 제한이 없는데, 예를 들어 실리콘(silicon)과 같이 딱딱하고 열팽창 계수(CTE)가 작은 물질로 형성될 수 있다.

스페이서 프레임(110)의 다른 쪽 외면, 즉 탄성막(120)이 부착되어 있는 방향의 반대쪽 방향의 외면(도 1 내지 도 3에서는 상면) 상에는 열변형 플레이트(150)가 부착되어 있다. 열변형 플레이트(150)는 적어도 스페이서 프레임(110)으로 한정된 내부 공간의 일면의 전부를 커버하거나 또는 내부 공간의 일부를 커버할 수 있다. 예를 들어, 열변형 플레이트(150)는 스페이서 프레임(110)과 같은 크기(넓이)로 만들어져서, 내부 공간의 구동부와 렌즈부를 함께 커버할 뿐만 아니라 가장자리 부분이 스페이서 프레임(110)의 측벽(112)에 접합될 수 있다. 하지만 여기에 한정되는 것은 아니며, 열변형 플레이트의 크기는 내부 공간의 크기에 대응하거나(도 7 참조) 또는 이보다 작은 크기를 가질 수도 있다.

열변형 플레이트(150)는 온도의 변화에 대응하여 변형함으로써 온도의 변화에 따른 광학 유체(125)의 부피 변화를 보상하는 기능을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 열변형 플레이트(150)는 온도가 상승하면 내부 공간의 체적을 증가시키도록 바깥쪽(도 3에서는 위쪽)으로 변형을 하지만 온도가 하강하면 내부 공간의 체적을 감소시키도록 안쪽(도 3에서는 아래쪽)으로 변형을 할 수 있다. 이러한 열변형 플레이트(150)의 변형에 의하여, 온도가 상승하면 부피가 증가한 광학 유체(125)는 보다 체적이 증가된 내부 공간에 채워지고 반대로 온도가 하강하면 부피가 감소된 광학 유체(125)는 보다 체적이 감소된 내부 공간에 채워진다. 그 결과, 광학 장치(100)는 온도의 변화에 의하여 광학 유체(125)의 부피가 변화하더라도 렌즈면의 형상은 변형되지 않거나 또는 변형이 최소화될 수 있다.

종래의 액체 렌즈, 예컨대 본 출원의 출원인에 의하여 출원되어 공개된 한국공개특허 제2008-0043106호, "광학 렌즈 및 그 제조방법"에 개시되어 있는 액체 렌즈에서는 열변형 플레이트(150) 대신에 투명하고 딱딱한 글래스 기판(transparent and rigid glass substrate)이 사용되었다. 전술한 바와 같이, 실리콘계 오일 등으로 형성되는 광학 유체는 열팽창 계수가 약 330ppm/℃ 정도로 상당히 크다. 반면, 실리콘(silicon)으로 형성된 스페이서 프레임과 글래스 기판은 모두 열팽창 계수가 약 2-3ppm/℃ 정도로서, 광학 유체보다 상당히 작다. 따라서 온도 변화가 있는 경우에, 종래의 액체 렌즈에서는 광학 유체의 팽창이나 수축에 따라서 렌즈면에 가해지는 압력의 변화에 의하여 탄성막의 형상이 변형되어 액체 렌즈의 굴절율이 변화하는 문제가 있다.

예를 들어, 내부 공간의 크기, 즉 가로×세로×높이가 5.3mm×5.3mm×0.3mm이고 렌즈부의 직경이 2.4mm인 종래의 액체 렌즈는, 40℃의 온도 변화가 있는 경우(예컨대, 온도가 20℃에서 60℃로 상승하거나 또는 -20℃로 내려가는 경우)에 렌즈면의 변형(즉, 돌출되거나 함몰되는 높이)이 약 ±134㎛ 정도가 된다. 즉, 온도가 상온에서 40℃ 증가하거나 감소하면, 렌즈부에 대응하는 탄성막은 최대 134㎛ 정도의 높이로 돌출되거나 또는 함몰되도록 변형된다. 렌즈면의 직경이 약 2.4mm 정도인 액체 렌즈에서 렌즈면의 임계 변형치(즉, 광학 렌즈로서 허용 가능한 렌즈면의 변형 범위)는 약 ±15㎛인 것으로 알려져 있으므로, 글래스 기판을 사용하는 종래의 액체 렌즈는 전자 기기의 통상적인 동작 온도 범위(-20℃ ~ 60℃)내에서 일정한 수준의 초점을 유지하기가 어렵다.

광학 장치(100)에서는 광학 유체(125)의 부피 변화를 보상할 수 있도록 열팽창 계수(CTE)가 큰 투명한 단일 물질로 열변형 플레이트(150)를 형성하여 이러한 렌즈면의 변형을 방지하거나 최소화할 수 있다. 이를 위하여, 열변형 플레이트(150)는 광학 유체(125)와 열팽창 계수가 실질적으로 같거나 또는 이보다 더 큰 물질로 형성될 수 있다. 여기서, '열팽창 계수가 실질적으로 같다'는 것은 열변형 플레이트(150)와 광학 유체(125)의 열팽창 계수가 수치적으로 동일한 것에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안되며, 열변형 플레이트(150)의 열팽창 계수가 비록 광학 유체(125)의 열팽창 계수보다 작다고 하더라도 온도 변화에 따른 광학 유체(125)의 체적 변화를 보상할 수 있을 정도(즉, 온도 변화에 따른 광학 장치(100)의 굴절율의 변화가 소정의 허용 범위 이내에 들어가는 정도)의 값을 갖는 것도 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 열변형 플레이트(150)의 열 팽창 계수가 광학 유체(125)의 열 팽창 계수의 50% 이상인 경우는 열 팽창 계수가 실질적으로 같다고 할 수 있다.

그리고 열변형 플레이트(150)는 광학 장치(100)의 동작 온도 범위를 포함하는 가능한 넓은 온도 범위에서 안정되고 또한 탄성 변형 특성을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 열변형 플레이트(150)가 비록 열팽창 계수가 크다고 하더라도 소성 변형을 하는 물질로 형성되면, 온도 변화에 따른 반복적인 팽창과 수축에 의하여 열변형 플레이트의 치수(dimension)가 변경되어 버릴 수 있다. 따라서 탄성 변형을 하는 물질로 열변형 플레이트(150)를 형성하면, 광학 장치(100)가 오랜 기간 동안 온도 변화에 노출되더라도 열변형 플레이트(150)는 일정한 치수를 그대로 유지할 수가 있다.

또한, 광학 유체(125)와 마찬가지로 선형으로 탄성 변형을 하는 물질로 열변형 플레이트(150)를 형성하면, 온도 변화에 따른 광학 유체(125)의 부피 변화를 보다 효과적으로 보상할 수 있다. 그리고 열변형 플레이트(150)는 광학 유체(125)를 외부로부터 밀봉하므로 탄성막(120)과 마찬가지로 우수한 내화학 특성을 가지며 흡습율이 낮은 소수성 물질(hydrophobic material)로 형성하는 것이 바람직하다. 아울러, 열변형 플레이트(150)는 우수한 투광성을 가져야 한다.

전술한 열변형 플레이트(150)의 특성을 만족시키는 대표적인 물질로 실리콘 탄성중합체(silicone elastomer) 등과 같은 탄성중합체(elastomer)나 실리콘 레진(silicone resin) 등이 있다. 실리콘 탄성중합체로는 예컨대, 폴리 다이메틸 실록산(Poly DiMethyl Siloxane, PDMS), 폴리 메틸 페닐 실록산(Poly Methyl Phenyl Siloxane, PMPS), 폴리 메틸 비닐 실록산(Poly Methyl Vinyl Siloxane, PMVS), 불소 실리콘 탄성중합체(fluro-silicone elsatomer) 등이 있다. 이 중에서 PDMS는 높은 열팽창 계수, 높은 탄성 특성 및 투명도를 가지며, 낮은 표면 장력과 비이온성 및 비극성 특성을 가져서 화학적으로 안정하다. 즉, PDMS는 저온은 물론 고온에서도 화학적으로 안정하며, 내열성, 내후성(UV, 오존), 및 산화 안정성 등을 보인다. 예를 들어, PDMS 플레이트는 열팽창율(CTE)이 약 300ppm/℃로써 높은 열팽창율을 가지며, 300℃ 이상의 고온에서도 안정되어 신뢰성이 있으므로 후속 공정으로 고온 공정이 적용될 수 있다. PDMS로 형성된 열변형 플레이트(150)는 약 100㎛ 내지 500㎛ 정도의 두께를 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 열변형 플레이트(150)는 온도가 상승하면 내부 공간의 체적을 증가시키도록 변형되고 온도가 하강하면 내부 공간의 체적을 감소시키도록 변형된다. 이러한 열변형 플레이트(150)의 변형은 온도의 변화에 의해서 직접적으로 유발되는 과정이며, 광학 유체(125)의 부피 변화에 의하여 수반되는, 즉 부피가 변화되는 광학 유체(125)에 의한 압력의 증감에 의하여 유발되는 간접적인 과정이 아니다. 오히려, 광학 장치(100)는 온도 변화에 의하여 직접적으로 유발되는 열변형 플레이트(150)의 변형에 의하여 내부 공간의 체적이 증감됨으로써, 온도의 변화에 따른 광학 유체(125)의 체적의 증감에도 불구하고 광학 유체(125)에 의하여 탄성막(120)에 가해지는 압력을 변화 없이 유지하거나 또는 압력의 변화가 최소화되도록 할 수 있다. 따라서 광학 장치(100)나 이를 포함하는 촬상 장치는 통상적인 동작 온도 범위 내에서 온도가 변화하더라도, 광 파워(optical power)는 거의 변화가 없거나 또는 소정의 임계치 이하로 변화를 제한할 수가 있다.

이러한 온도 변화에 따른 광학 유체(125)의 부피 변화를 보상하기 위해서, 열변형 플레이트(150)는 온도가 상승하면 바깥쪽으로 튀어나와서 볼록한 형상으로 변형되어야 하고 반대로 온도가 하강하면 반대쪽인 안쪽으로 변형이 되어야 한다. 즉, 열변형 플레이트(150)의 변형은 온도 변화에 대응하여 소정의 방향성을 가지고 일어나야 한다. 열변형 플레이트(150)는 온도가 상승하면 길이가 늘어나고 온도가 하강하면 길이가 줄어드는데, 이 때 광학 유체(125)도 온도의 변화에 따라서 체적이 증가 또는 감소하므로, 열변형 플레이트(150)의 변형은 본질적으로 전술한 방향성을 가질 수 있다. 하지만, 전체적으로 평평하게 형성된 열변형 플레이트(150)의 변위는 광학 유체(125)의 체적 변화를 충분히 보상하지 못할 가능성이 있으며, 특히 온도가 하강할 경우에 이러한 가능성은 더욱 증가한다.

열변형 플레이트(150)의 변형을 방향성을 보장하고 또한 충분한 크기의 변형이 이루어질 수 있도록, 광학 장치(100)의 열변형 플레이트(150)에는 바깥쪽(도 3에서는 위쪽)으로 소정의 크기(d₁)만큼 볼록한 형상(convex curvature)이 되도록 하는 초기 변형(initial deformation)이 부여될 수 있다. 볼록한 형상을 갖는 열변형 플레이트(150)는 온도가 증가하면 치수가 증가하여 더욱 볼록한 형상이 되는 반면, 온도가 감소하면 치수가 감소하여 볼록한 정도가 작아지거나 또는 평평한 상태가 될 수 있다. 초기 변형의 크기(d₁)는 약 25㎛ 내지 200㎛ 정도일 수 있는데, 광학 장치(100)의 크기에 따라서 초기 변형의 크기(d₁)는 달라질 수 있다. 예를 들어, 내부 공간의 크기가 약 5.3mm×5.3mm×0.3mm(가로×세로×높이)이고 렌즈부의 직경이 약 2.4mm이며, 열변형 플레이트(150)의 두께가 약 300㎛인 광학 장치의 경우에 초기 변형의 크기(d₁)는 약 50㎛ 내지 200㎛ 정도가 될 수 있다.

열변형 플레이트(150)에 부여된 초기 변형은 특히, 온도가 하강하는 경우에 광학 유체(125)의 체적 감소가 보다 효율적으로 보상될 수 있도록 한다. 즉, 열변형 플레이트(150)는 온도가 하강하는 경우에 볼록하게 돌출된 중심부가 보다 평평한 형상에 가깝게 되도록 변형(즉, 치수가 작아지는 방향으로 변형)됨으로써, 내부 공간의 체적이 감소하도록 변형될 수 있다. 이와는 달리, 초기 변형이 없는 평평한 열변형 플레이트는 온도가 감소하더라도 광학 유체(125)의 체적 감소에 대응하는 충분한 양만큼 내부 공간의 체적이 감소하도록 변형되기가 어렵다.

도 4a 및 도 4b는 온도의 변화에 따른 도 3의 광학 장치(100)에 나타나는 구조 변화를 예시적으로 보여 주는 단면도로서, 예를 들어 도 4a는 온도가 20℃에서 60℃로 상승한 경우이고 도 4b는 온도가 20℃에서 -20℃로 하강한 경우이다. 도 4a를 참조하면, 온도가 상승하면 광학 장치(100)의 열변형 플레이트(150)는 바깥쪽으로 더욱 돌출되도록 변위가 증가하고(d₁<d₂), 도 4b를 참조하면 온도가 하강하면 광학 장치(100)의 열변형 플레이트(150)는 안쪽으로 변형을 하여 변위가 감소하거나 또는 평평한 상태가 될 수 있다. 그리고 온도의 변화에도 불구하고 광학 장치(100)의 렌즈면, 즉 렌즈부에 대응하는 탄성막(130)은 그 프로파일에 거의 변화가 없거나 허용 가능한 범위 이내가 될 수 있다.

광학 장치(100)에서는 렌즈부에 대응하는 열변형 플레이트(150)의 부분, 즉 중심부는 실질적으로 평평한 형상을 가진다. 그리고 중심부가 평평한 열변형 플레이트(150)의 형상은 온도의 변화에도 불구하고 그대로 유지될 수 있어야 한다. 이것은 열변형 플레이트(150)에 의하여 입사광에 굴절이 생기는 것을 방지하기 위해서인데, 이를 위하여 평평한 형상을 갖는 열변형 플레이트(150)의 중심부는 적어도 렌즈부를 커버할 수 있는 크기를 가진다.

열변형 플레이트(150)의 중심부가 평평한 형상이 되고 또한 온도의 변화에도 불구하고 평평한 형상을 유지할 수 있도록, 광학 장치(100)는 렌즈부에 대응하는 위치에 배치된 변형방지 부재(stiffening member)를 더 포함할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 각각 변형방지 부재를 더 포함하는 광학 장치(100', 100'')의 구조를 보여 주는 단면도이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 광학 장치(100')는 열변형 플레이트(150)에 임베드(embed)된 변형방지 부재(160) 또는 열변형 플레이트(150)의 일부를 구성하는 변형방지 부재(160')를 더 포함한다는 점에서, 도 3에 도시된 광학 장치(100)의 구조와 차이가 있다. 변형방지 부재(160, 160')는 열변형 플레이트(150), 특히 렌즈부에 대응하는 열변형 플레이트(150)의 부분의 변형을 방지하기 위한 것이므로, 딱딱하고(rigid) 투명한 재질의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 변형방지 부재(160, 160')는 투명한 글래스, 투명한 폴리이미드(polyimide), 또는 투명한 폴리에테르 술폰(polyether sulfone, PES) 등으로 형성될 수 있다. 그리고 변형방지 부재(160, 160')는 렌즈부의 형상에 대응하도록 원형의 형상을 가지거나 또는 렌즈부를 모두 커버할 수 있는 크기를 갖는 사각형이나 다른 다각형 형상이 될 수도 있다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 변형방지 부재(160)는 열변형 플레이트(150)의 내부, 예컨대 아래쪽에 임베드될 수 있다. 변형방지 부재(160)가 열변형 플레이트(150)의 내부에 임베드되면 공기나 수증기 등과 접촉을 하는 것이 방지될 수 있으므로, 사용할 수 있는 재료에 대한 제한(예컨대, 내습성)이 그 만큼 줄어들 수 있다. 이 경우에, 변형방지 부재(160)는 열변형 플레이트(150)보다 두께가 더 작은 두께로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 변형방지 부재(160)의 두께는 열변형 플레이트(150)의 두께의 약 1/4 내지 3/4 정도(약 50㎛ 내지 300㎛)일 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다.

이와는 달리, 변형방지 부재(160)는 열변형 플레이트(150)의 상면 및/또는 하면에 추가로 부착될 수도 있다. 또는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 변형방지 부재(160')는 열변형 플레이트(150)와 같은 두께로 형성될 수도 있다. 이 경우에, 변형방지 부재(160')는 렌즈부에 대응하는 열변형 플레이트(150)의 부분을 대체할 수 있다. 전자의 경우이든 후자의 경우이든 변형방지 부재(160')는 대기나 광학 유체(125) 등에 노출될 수 있으므로, 내습성 및 내화학성이 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하다.

계속해서 도 1 내지 도 3을 참조하면, 스페이서 프레임(110)의 크기에 대응하는 크기를 갖는 열변형 플레이트(150)(도 5a 또는 도 5b에 도시된 바와 같이 변형방지 부재(160, 160')가 추가로 구비되어 있을 수도 있다)는 소정의 접착제(152)를 이용하여 스페이서 프레임(110)에 부착될 수 있다. 접착제(152)로는 예컨대, 자외선 경화 에폭시 접착제(Ultra Violet(UV) curable epoxy adhesive)가 사용될 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다. 예를 들어, 스페이서 프레임(110)과 열변형 플레이트(150) 각각의 재질을 고려하여 이들을 효과적으로 접착시킬 수 있는 다른 종류의 접착 수단이 자외선 경화 에폭시 접착제(152)를 대신하거나 또는 이에 추가로 사용될 수 있다.

도 6은 도 3에 도시된 광학 장치(100)의 변형례를 보여 주는 광학 장치(100''')의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 광학 장치(100''')는 열변형 플레이트(150)가 스페이서 프레임(110)과 보다 강력하고 용이하게 접착될 수 있도록 접착제(152) 외에 접착 보조 패턴(154)을 추가적으로 더 포함한다. 이러한 접착 보조 패턴(154)은 열변형 플레이트(150)와 스페이서 프레임(110)(보다 정확하게는 접착제(152))과의 계면에 개재될 수 있는데, 접착 보조 패턴(154)의 재질은 스페이서 프레임(110)과 열변형 플레이트(150) 각각의 재질에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 스페이서 프레임(110)이 실리콘(silicon)으로 형성되고 열변형 플레이트(154)가 PDMS 등과 같은 실리콘 탄성중합체(silicone elastomer)로 형성될 경우에, 접착 보조 패턴(154)은 실리콘 산화물(silicon oxide)이나 실리콘 질화물(silicon nitride) 등과 같은 실리콘 화합물로 형성될 수 있다. 실리콘 화합물로 형성된 접착 보조 패턴(154)은 구성 분자의 구조 및 화학적 특성 등이 실리콘 프레임과는 상이한 실리콘 탄성중합체의 낮은 접착 특성을 보충하기 위한 것이다.

이를 위하여, 열변형 플레이트(150) 표면 상에는 가장자리에 실리콘 산화물 등으로 접착 보조 패턴(154)을 형성할 수 있다. 접착 보조 패턴(154)을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 없는데, 예컨대 패턴 전사법을 이용하여 접착 보조 패턴(154)을 열변형 플레이트(150)의 가장자리에 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 먼저 패턴 전사(이형)가 가능한 기판 위에 실리콘 산화물 등으로 접착 보조 패턴을 형성한다. 접착 보조 패턴(154)은 열변형 플레이트(150)와 스페이서 프레임(110)의 계면을 고려하여 적절한 형상과 폭으로 형성될 수 있다. 그리고 패턴이 전사될 위치의 열변형 플레이트(150)의 표면을 플라즈마 처리(예컨대, 산소를 처리가스로 이용하는 플라즈마 처리)한 다음, 표면 처리된 열변형 플레이트(150)를 준비된 접착 보조 패턴(154)이 형성된 기판과 접촉시킴으로써 열변형 플레이트(150) 쪽으로 패턴 전사가 이루어지도록 할 수 있다.

도 7은 다른 실시예에 따른 광학 장치의 구조를 보여 주는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 광학 장치(200)는 스페이서 프레임(spacer frame, 210), 탄성막(elastic membrane, 220), 열변형 플레이트(thermally deformable plate, 250), 플랜지부(flange unit, 270), 및 광학 유체(optical fluid, 225)를 포함하고, 또한 액츄에이터(actuator, 230)와 액츄에이터 프레임(actuator frame, 240)을 더 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 광학 장치(200)도 상온(예컨대, 20℃)에서의 광학 장치의 형상을 보여 주는 것인데, 광학 장치(200)는 플랜지부(270)를 더 포함한다는 점에서 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 광학 장치(100)와 본질적으로 차이가 있다. 이하, 전술한 광학 장치(100)와의 차이점을 중심으로 광학 장치(200)에 관하여 설명한다. 따라서 이하에서 구체적으로 설명되지 않은 사항은 전술한 광학 장치(100)에 대한 사항이 동일하게 적용될 수 있다.

스페이서 프레임(210)은 소정의 내부 공간(space)을 한정하는데, 내부 공간의 측면을 둘러싸는 측벽(sidewalls, 212)을 포함하며, 이 내부 공간을 서로 연통하는 렌즈부(lens portion)와 구동부(driving portion)로 구획하는 파티션(partition, 214)을 더 포함할 수도 있다. 그리고 광학 유체(225)는 스페이서 프레임(210)으로 한정된 내부 공간, 즉 구동부와 렌즈부에 채워지며, 내부 공간에 채워진 광학 유체(225)는 스페이서 프레임(210)의 양쪽 외면 상에 부착 또는 배치되어 있는 탄성막(220)과 열변형 플레이트(250)에 의하여 밀봉된다. 그리고 구동부에 대응하는 위치의 탄성막(220) 상에는 폴리머 액츄에이터(230)가 배치될 수 있으며, 폴리머 액츄에이터(230)는 그 상측에 배치된 액츄에이터 프레임(240)에 의하여 스페이서 프레임(210)에 고정될 수 있다.

열변형 플레이트(250)는 투명한 단일 물질로 형성되는데, 탄성막(220)이 부착되어 있는 방향의 반대쪽 방향의 스페이서 프레임(210)의 외면 상에 부착되어 있다. 열변형 플레이트(250)는 도 4b에 도시된 광학 장치(100)와 같이 전체가 평평한 형상이거나 또는 도 5a에 도시된 광학 장치(100')와 같이 렌즈부에 대응하는 부분만 바깥쪽(도 7에서는 위쪽)으로 돌출된 형상일 수 있다. 다만, 스페이서 프레임(110)과 같은 크기(넓이)를 갖는 전술한 광학 장치(100, 100')의 열변형 플레이트(150)와는 달리, 광학 장치(200)의 열변형 플레이트(250)는 스페이서 프레임(210)보다 크기가 작다. 보다 구체적으로, 열변형 플레이트(250)의 크기는 내부 공간의 크기에 대응하며, 열변형 플레이트(250)의 가장자리(즉, 스페이서 프레임(210)과 열변형 플레이트(250)의 크기 차이에 해당하는 스페이서 프레임(210)의 측벽(212) 부분)에는 플랜지부(270)가 추가적으로 배치되어 있다. 즉, 스페이서 프레임(210)의 측벽에 대응하도록 고리 모양(예컨대, 사각형의 고리 모양)으로 형성된 플랜지부(270)의 안쪽에 열변형 플레이트(250)가 배치되어 있다.

플랜지부(270)는 스페이서 프레임(210)과 접합 특성이 우수하고 또한 스페이서 프레임(210)을 형성하는 물질(예컨대, 실리콘)과 열팽창 계수가 비슷한 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 플랜지부(270)는 글래스로 형성할 수 있는데, 이것은 단지 예시적이며 실리콘(silicon)을 주성분으로 하는 다른 물질로 형성될 수도 있다. 플랜지부(270)를 형성하는 글래스는 스페이서 프레임(210)을 형성하는 실리콘과 분자 구조 및 화학적 특성이 유사하므로, 플랜지부(270)와 스페이서 프레임(210)은 자외선 경화 에폭시 접착제 등과 같은 통상적인 접착제(252)만을 사용하여 충분한 접합이 가능하다. 따라서 접착력의 향상을 위하여 접착 보조 패턴(도 6 참조)이 플랜지부(270)와 스페이서 프레임(210)의 계면에 추가로 개재될 필요가 없을 수도 있다.

아울러, 약 3.5ppm/℃의 열팽창율을 갖는 글래스로 형성된 플랜지부(270)와 약 2.6ppm/℃의 열팽창율을 갖는 실리콘으로 형성된 스페이서 프레임(210)은 열팽창율의 차이가 작다. 열팽창율의 차이가 작다는 것은 온도 변화시에 팽창하거나 감소되는 정도도 서로 비슷하다는 것을 의미한다. 따라서 스페이서 프레임(210)과 플랜지부(270) 사이의 계면에서는 열팽창율 차이에 따른 스트레스가 유발되지 않으므로, 광학 장치(200)는 열충격에 대하여 높은 신뢰성을 가질 수 있다. 그리고 플랜지부(270)는 스페이서 프레임(210)과 마찬가지로 열팽창율이 작은 물질로 형성되므로, 약 300㎛ 정도로 두께가 얇은 스페이서 프레임(210)이 고온(예컨대, 약 250℃ 정도의 리플로우(reflow) 공정)에서 열충격에 의하여 휘거나 또는 파괴되는 현상(warpage and breakdown)도 방지할 수 있다.

그리고 플랜지부(270)와 열변형 플레이트(250)의 계면(252)은 바깥쪽, 즉 스페이서 프레임(210)에 대하여 반대쪽(도 7에서는 위쪽)으로 갈수록 플랜지부(270)의 폭이 작아지고 열변형 플레이트(250)의 폭이 커지도록 소정의 각도(θ)로 경사를 가질 수 있다. 플랜지부(270)와 열변형 플레이트(250) 사이의 계면(272)이 갖는 경사(θ)는 바깥쪽으로 볼록한 형상을 갖는 열변형 플레이트(250)가 계면 경사가 없는 경우(θ = 90°)에 비하여 온도의 변화(특히, 온도의 상승)에 따른 열변형 플레이트(250)의 변형이 보다 용이하게 일어날 수 있도록 한다. 뿐만 아니라, 소정의 경사를 갖는 계면(272)은 열팽창 계수의 차이가 큰 플랜지부(270)와 열변형 플레이트(250) 사이에서 유발되는 열적 스트레스도 감소시킬 수 있다. 계면(272)의 경사(θ)는 약 30° 내지 90° 정도일 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다.

도 8a 및 도 8b는 각각 도 7의 광학 장치(200)에 포함될 수 있는 플랜지부의 형상을 예시적으로 보여 주는 사시도이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 플랜지부(270', 270'')는 열변형 플레이트(250)와 계면을 형성하는 내측면이 소정의 경사(도면에서 위쪽으로 갈수록 플랜지부(270', 270'')의 폭이 작아진다)를 갖는다는 것을 알 수 있다. 다만, 도 8a의 플랜지부(270')는 내측면이 원형인 경우이고 또한 도 9b의 플랜지부(270'')는 내측면이 사각형인 경우이다. 전자의 경우(도 8a 참조)는 열변형 플레이트(250)가 광축에 대하여 대칭이므로 열변형 플레이트(250)가 광축에 대하여 대칭되도록 변형될 수 있다. 그리고 후자의 경우(도 8b 참조)는 열변형 플레이트(250)가 스페이서 프레임에 의하여 한정되는 내부 공간과 같은 사각형 형상을 가지므로 제조 공정이 용이하다.

그리고 광학 장치(200)도 렌즈부에 대응하는 열변형 플레이트(250)의 부분은 실질적으로 평평한 형상을 가질 수 있다. 또한, 광학 장치(200)는 렌즈부에 대응하는 부분의 열변형 플레이트(250)에 배치된 변형방지 부재(260)를 더 포함할 수 있다. 변형방지 부재(260)는 열변형 플레이트(250)보다 작은 두께를 가지고서 열변형 플레이트(250)의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 변형방지 부재(260)는 열변형 플레이트(250)의 아래쪽에 위치할 수 있다. 또는, 도 9a에 도시된 바와 같이, 변형방지 부재(260')가 열변형 플레이트(250)의 중간 부분에 위치하거나 또는 도 9b에 도시된 바와 같이, 변형방지 부재(260'')는 열변형 플레이트(250)의 위쪽에 위치할 수도 있다.

다음으로 전술한 실시예에 따른 광학 장치를 이용한 시뮬레이션 및 실험 결과에 대하여 설명한다.

시뮬레이션은 유한 요소 해석(Finite Element Analysis, FEA) 전용 소프트웨어인 ABAQUS Ver. 6.8 CAE & Standard가 사용되었는데, 비선형 지오메트리(nonlinear geometry)를 고려하여 선형 열-탄성 변형(linear thermal-elastic deformation) 해석을 수행하였으며, 광학 유체에 의한 압력은 무시하였다. 시뮬레이션에서는 도 7을 참조하여 설명한 광학 장치(200)가 사용되었으며, 광학 장치(200)의 세부적인 크기의 일부는 도 10에 도시되어 있다. 도 10에서 광학 장치(200)의 스페이서 프레임(210)은 가로×세로×높이가 약 7mm×7mm×330㎛의 크기를 갖는 직육면체 형상이며, 스페이서 프레임(210)에 의하여 한정되는 내부 공간은 가로×세로×높이가 약 4.9mm×4.9mm×330㎛이고, 이 중에서 렌즈부는 직경이 약 2.4mm인 원형의 형상을 가진다. 그리고 열변형 플레이트(250)와 플래지부(270) 사이의 계면(272)은 약 58°의 경사를 가진다. 그리고 열변형 플레이트(250)는 1.0MPa의 영률(Young's Modulus), 300ppm/℃의 열팽창 계수, 및 300㎛의 두께를 가지는 PDMS 플레이트로 형성하되 중심부가 가장자리보다 약 120㎛ 정도 돌출되도록 초기 변형을 부여 하였으며, 변형방지 부재(260)는 3.2Gpa의 영률, 58ppm/℃의 열팽창 계수, 및 200㎛의 두께를 가지는 폴리이미드로 형성하였으며, 광학 유체(225)로는 330ppm/℃의 열팽창율을 갖는 실리콘 오일을 사용하였다. 그리고 온도 변화는 20℃를 기준 온도로 하여 전자 기기(광학 장치)의 동작 온도 범위(-20℃ ~ 60℃) 내에서 수행되었다.

표 1은 시뮬레이션 결과로서 온도를 변화시킨 경우에 열변형 플레이트와 렌즈면의 변위를 보여 준다. 표 1을 참조하면, 온도를 20℃에서 60℃로 상승한 경우에 열변형 플레이트는 약 51.1㎛가 더 돌출되지만 렌즈면은 변위가 약 -6.3㎛가 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 온도를 20℃에서 -20℃로 하강한 경우에 열변형 플레이트는 약 -39.2㎛ 함입되지만 렌즈면은 변위가 약 7.8㎛가 된다는 것을 알 수 있다. 이러한 렌즈면의 변위는 허용되는 소정의 임계치(ㅁ15㎛)보다 작다는 것을 알 수 있다.

	온도 상승(20℃에서 60℃)	온도 하강(20℃에서 -20℃)
열변형 플레이트의 변위	51.1㎛	-39.2㎛
렌즈면의 변위	-6.3㎛	7.8㎛

이상의 설명은 본 발명의 실시예에 불과할 뿐, 이 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 기술 사상은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해서만 특정되어야 한다. 따라서 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예는 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

100, 200: 광학 장치
110, 210: 스페이서 프레임
112, 212: 측벽
114, 214: 파티션
120, 220: 탄성막
125, 225: 광학 유체
130, 230: 엑츄에이터
140, 240: 엑츄에이터 프레임
150, 250: 열변형 플레이트
152, 252: 접착제
154: 접착 보조 부재
160, 260: 변형 방지 부재
270: 플랜지부

Claims

서로 연통하는 구동부(driving portion) 및 렌즈부(lens portion)를 포함하는 내부 공간(space)을 한정하는 스페이서 프레임(spacer frame);
상기 스페이서 프레임의 일 외면 상에 부착되어 적어도 상기 렌즈부를 커버하는 탄성막(elastic membrane);
상기 구동부에 대응하는 상기 탄성막 상에 제공되어 있는 엑츄에이터(actuator);
상기 탄성막이 부착되어 있는 방향의 반대쪽 방향인 상기 스페이서 프레임의 타 외면 상에 배치되어 온도 변화에 따라서 상기 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형되는 투명한 단일 물질로 형성되는 열변형 플레이트(thermally deformable plate); 및
상기 내부 공간에 담겨 있는 광학 유체를 포함하고,
상기 열변형 플레이트는 상기 렌즈부에 대응하는 부분이 가장자리 부분보다 바깥쪽으로 돌출되는 형상을 갖는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 열변형 플레이트는 상기 광학 유체와 열 팽창 계수가 실질적으로 같거나 또는 더 큰 물질로 형성되는 광학 장치.
제2항에 있어서,
상기 열변형 플레이트는 상기 광학 유체의 열 팽창 계수의 50% 이상의 열 팽창 계수를 갖는 물질로 형성되는 광학 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 열변형 플레이트는 액체 렌즈의 동작 온도 범위 내에서 실질적으로 선형 탄성 변형을 하는 소수성 물질(hydrophobic material)로 형성되는 광학 장치.
제4항에 있어서,
상기 열변형 플레이트는 실리콘 탄성중합체(silicone elastomer) 또는 실리콘 레진(silicone resin)으로 형성되는 광학 장치.
제5항에 있어서,
상기 열변형 플레이트는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 형성되는 광학 장치.
제5항에 있어서,
상기 스페이서 프레임은 실리콘(silicon)으로 형성되고,
상기 스페이서 프레임과 상기 열변형 플레이트 사이의 계면에는 실리콘 산화물(silicon oxide) 또는 실리콘 질화물(silicon nitride)로 형성된 접착 보조 패턴이 개재되어 있는 광학 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 열변형 플레이트는 상기 렌즈부에 대응하는 부분이 실질적으로 평평한 형상을 갖는 광학 장치.
서로 연통하는 구동부(driving portion) 및 렌즈부(lens portion)를 포함하는 내부 공간(space)을 한정하는 스페이서 프레임(spacer frame);
상기 스페이서 프레임의 일 외면 상에 부착되어 적어도 상기 렌즈부를 커버하는 탄성막(elastic membrane);
상기 구동부에 대응하는 상기 탄성막 상에 제공되어 있는 엑츄에이터(actuator);
상기 탄성막이 부착되어 있는 방향의 반대쪽 방향인 상기 스페이서 프레임의 타 외면 상의 상기 내부 공간에 대응하도록 배치되어 온도 변화에 따라서 상기 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형되는 열변형 플레이트(thermally deformable plate);
상기 스페이서 프레임의 타 외면 상의 상기 스페이서 프레임의 테두리에 대응하도록 상기 열변형 플레이트의 둘레를 따라서 배치되는 플랜지부; 및
상기 내부 공간에 담겨 있는 광학 유체를 포함하고,
상기 열변형 플레이트는 상기 렌즈부에 대응하는 부분이 가장자리 부분보다 바깥쪽으로 돌출되는 형상을 갖는 광학 장치.
제10항에 있어서,
상기 플랜지부는 상기 열변형 플레이트보다 열 팽창 계수가 작은 물질로 형성되는 광학 장치.
제11항에 있어서,
상기 스페이서 프레임은 실리콘(silicon)으로 형성되고, 상기 플랜지부는 글래스로 형성되는 광학 장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 열변형 플레이트와 상기 플랜지부의 계면은 바깥쪽으로 갈수록 상기 플랜지부의 폭이 작아지도록 경사를 갖는 광학 장치.
제13항에 있어서,
상기 계면은 30°~ 90°의 경사를 갖는 광학 장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 렌즈부에 대응하는 위치의 상기 열변형 플레이트에 배치되며 평평한 형상을 갖는 변형방지 부재(stiffening member)를 더 포함하는 광학 장치.
제15항에 있어서,
상기 변형방지 부재는 상기 열변형 플레이트의 내부에 배치되는 광학 장치.
서로 연통하는 구동부(driving portion) 및 렌즈부(lens portion)를 포함하는 내부 공간(space)을 한정하는 스페이서 프레임(spacer frame);
상기 스페이서 프레임의 일 외면 상에 부착되어 적어도 상기 렌즈부를 커버하는 탄성막(elastic membrane);
상기 구동부에 대응하는 상기 탄성막 상에 제공되어 있는 엑츄에이터(actuator);
상기 탄성막이 부착되어 있는 방향의 반대쪽 방향인 상기 스페이서 프레임의 타 외면 상에 배치되어 온도 변화에 따라서 상기 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형되는 투명한 단일 물질로 형성되는 열변형 플레이트(thermally deformable plate);
상기 열변형 플레이트의 상기 렌즈부에 대응하는 위치에 배치되며 평평한 형상을 갖는 투명한 변형방지 부재(stiffening member); 및
상기 내부 공간에 담겨 있는 광학 유체를 포함하는 광학 장치.
제17항에 있어서,
상기 변형방지 부재는 상기 열변형 플레이트보다 두께가 작으며 상기 열변형 플레이트의 내부에 배치되는 광학 장치.
제17항에 있어서,
상기 변형방지 부재는 상기 열변형 플레이트와 두께가 실질적으로 같으며 상기 열변형 플레이트의 일부를 구성하는 광학 장치.
제18항 또는 제19항에 있어서,
상기 변형방지 부재는 글래스(glass), 폴리이미드(polyimide), 또는 폴리에테르 술폰(polyether sulfone)으로 형성되는 광학 장치.
제17항에 있어서,
상기 스페이서 프레임은 상기 구동부가 상기 내부 공간의 중심에 위치하는 상기 렌즈부를 둘러 싸도록 배치되어 있는 광학 장치.
서로 연통하는 구동부(driving portion) 및 렌즈부(lens portion)를 포함하는 스페이서 프레임(spacer frame);
상기 스페이서 프레임의 일 외면 상에 배치되어 있는 광학부(optical portion);
상기 광학부 상에 제공되어 있는 엑츄에이터;
상기 광학부가 배치되어 있는 방향의 반대쪽 방향인 상기 스페이서 프레임의 타 외면 상에 배치되어 있는 열변형 플레이트(thermally deformable plate); 및
상기 스페이서 프레임, 상기 광학부, 및 상기 열변형 플레이트에 의해 한정되는 내부 공간에 담겨 있는 광학 물질을 포함하고,
상기 열변형 플레이트과 상기 스페이서 프레임은 서로 다른 물질로 형성되어 있으며,
상기 열변형 플레이트는 미리 정한 모양을 가지고 온도 변화에 따라서 상기 내부 공간의 체적을 증감시키도록 변형되고,
상기 열변형 플레이트는 상기 렌즈부에 대응하는 부분이 가장자리 부분보다 바깥쪽으로 돌출되는 형상을 갖는 광학 장치.
제22항에 있어서,
상기 광학부는 탄성막(elastic membrane)을 포함하는 광학 장치.
제23항에 있어서,
상기 스페이서 프레임의 테두리에 대응하도록 상기 열변형 플레이트의 둘레를 따라서 배치되는 플랜지부를 포함하는 광학 장치.
제23항에 있어서,
상기 광학부에 대응하는 위치의 상기 열변형 플레이트에 배치되어 있고 평평한 형상을 갖는 변형방지 부재(stiffening member)를 더 포함하는 광학 장치.