KR102608098B1 - 초점 가변형 액체렌즈 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

초점 가변형 액체렌즈 및 이의 제조방법에서, 상기 액체렌즈는 베이스 기판, 전극부 및 렌즈유닛을 포함한다. 상기 전극부는 상기 베이스 기판 상에 형성되며, 중앙전극 및 상기 중앙전극의 주변에 서로 절연되며 위치하는 복수의 전극들을 포함한다. 상기 렌즈유닛은 상기 중앙전극에 위치하며 광이 통과하는 액체렌즈를 포함한다. 이 경우, 상기 복수의 전극들에 동일한 크기의 전압이 인가되는 경우, 상기 액체렌즈는 상기 중앙전극의 중앙에 위치하여 상기 광의 초점은 상기 중앙전극의 중심을 관통하는 광축 상에 위치한다. 이와 달리, 상기 복수의 전극들 중 어느 하나에 다른 크기의 전압이 인가되는 경우, 상기 액체렌즈는 상기 중앙전극으로부터 횡방향으로 이동하여 상기 광의 초점이 상기 중앙전극의 중심으로부터 횡방향으로 이동한다.

Description

초점 가변형 액체렌즈 및 이의 제조방법{FOCUS TUNABLE LIQUID MICROLENS AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 초점 가변형 액체렌즈 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 초음파 이미징 기술에 적용되어, 3차원 초점 가변이 가능하도록 모듈형으로 제작되는 초점 가변형 액체렌즈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 레이저 초음파를 이용한 이미징 기술은 종래 초음파 이미징 기술에 비교하여 해상도가 높다는 장점을 갖고 있어, 차세대 의료기기 이미징 기술로서 다양한 연구가 진행되고 있다.
이러한 레이저 초음파를 이용한 이미징 기술에서는, 생체 조직에 광 에너지를 조사하여 흡수된 광 에너지가 세포 단위에 열팽창을 유도하도록 하며, 이러한 열팽창에 의한 음파 신호를 초음파 트랜스듀서를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 상기 레이저 초음파를 이용한 이미징 기술에서는, 레이저 조사를 위한 광원, 타깃 샘플 표면에 광원을 주사하기 위한 미러 스캐너 또는 오토 스테이지, 렌즈 등의 광학 부품과 초음파 신호의 측정을 위한 트랜스듀서가 필요하다.
한편, 이러한 레이저 광원의 주사의 경우, 종래 bench-top 시스템의 경우 3차원 이미징 구현을 위해 갈바노미터 및 오토스테이지를 이용하여 광원의 광축을 따른 A 스캔 외에, 광원의 초점을 횡 방향으로 이동시키기는 B 스캔 또는 C 스캔을 수행한다. 또한, 인체 삽입형 내시경 프로브 시스템에서는, 이러한 B 스캔 또는 C 스캔을 수행하는 경우, 3차원의 측면 이미징을 위해 프로브 회전을 통한 방사형 신호의 획득을 수행하며, 이러한 프로브 회전을 위한 추가적인 외부 기계적 장치가 필수적이다.
이에 따라, 상기 레이저 초음파를 이용한 이미징 기술에서는 상기 외부 기계적 장치에 대한 복잡할 설계 및 구동이 필요하며, 이에 따라 장비가 복잡해지며 크기가 증가하고 제조 단가가 증가하는 등의 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0035320호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 기계적 구동장치를 생략하여 간단한 광학계를 구성할 수 있으며 내시경 프로브의 소형화가 가능하면서도 3차원 초점 가변이 가능하여 모듈형으로 제작될 수 있는 초점 가변형 액체렌즈를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 초점 가변형 액체렌즈의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 액체렌즈는 베이스 기판, 전극부 및 렌즈유닛을 포함한다. 상기 전극부는 상기 베이스 기판 상에 형성되며, 중앙전극 및 상기 중앙전극의 주변에 서로 절연되며 위치하는 복수의 전극들을 포함한다. 상기 렌즈유닛은 상기 중앙전극에 위치하며 광이 통과하는 액체렌즈를 포함한다. 이 경우, 상기 복수의 전극들에 동일한 크기의 전압이 인가되는 경우, 상기 액체렌즈는 상기 중앙전극의 중앙에 위치하여 상기 광의 초점은 상기 중앙전극의 중심을 관통하는 광축 상에 위치한다. 이와 달리, 상기 복수의 전극들 중 어느 하나에 다른 크기의 전압이 인가되는 경우, 상기 액체렌즈는 상기 중앙전극으로부터 횡방향으로 이동하여 상기 광의 초점이 상기 중앙전극의 중심으로부터 횡방향으로 이동한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 전극들은, 제1 방향을 따라 상기 중앙전극의 일 측에 위치하는 제1 전극, 상기 제1 방향을 따라 상기 중앙전극의 타 측에 위치하는 제2 전극, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 상기 중앙전극의 일 측에 위치하는 제3 전극, 및 상기 제2 방향을 따라 상기 중앙전극의 타 측에 위치하는 제4 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 내지 제4 전극들은, 상기 중앙전극을 중심으로 동심원 방향으로 배치되며, 각각은 모두 동일한 형상을 가지며, 상기 중앙전극과의 사이에서 절연부를 통해 절연될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙전극, 및 상기 제1 내지 제4 전극들은, 서로 독립적으로 전압을 제공받을 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 액체렌즈 제조방법은, 베이스 기판 상에, 서로 이격되도록 중앙전극 및 복수의 전극들을 포함하는 전극부를 형성하는 단계, 상기 전극들 각각에 금속층을 형성하는 단계, 상기 중앙전극 및 상기 전극들을 절연시키며, 상기 금속층을 외부로 노출시키는 절연층을 형성하는 단계, 상기 중앙전극 상에 액체렌즈를 실장시키고, 상기 액체렌즈를 커버하도록 오일부를 형성하는 단계, 및 상기 오일부를 내부로 캡슐화하는 캡슐화부를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전극부를 형성하는 단계에서, 투명한 상기 베이스 기판 상에 투명한 상기 전극부를 증착시킨 후, 상기 전극부를 패터닝하여 서로 이격되는 중앙전극 및 복수의 전극부들을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속층을 형성하는 단계에서, 상기 전극부 중 외부로 노출되는 영역 상에 티타늄(Ti) 또는 금(Au)을 포함하는 금속층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 금속층이 형성된 전극부 상에 질화실리콘(SiNx)을 플라즈마 강화 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 증착한 후, 상기 중앙전극, 및 상기 금속층이 외부로 노출되도록 패터닝하여 상기 절연층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연층을 형성하는 단계 이후, 상기 절연층을 통해 외부로 노출되는 상기 금속층에 전기적으로 연결되는 회로기판부를 실장하는 단계를 더 포함하고, 상기 캡슐화부는 상기 회로기판부의 상면을 따라 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회로기판부는, 유연 회로기판(flexible printed circuit board, FPCB)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 캡슐화부는, 페릴렌 폴리머(Parylene polymer)를 화학 기상증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 증착하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회로기판부를 실장하는 단계 전에, 상기 절연층 상에, 상기 금속층 및 상기 절연층의 일부를 외부로 노출시키도록 패터닝된 커버층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오일부는, 상기 액체렌즈를 커버하며 상기 일부 노출된 절연층까지 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 액체렌즈는 전해질을 포함하여 전도성을 가지며, 구형 형상으로 상기 중앙전극 상에 실장되고, 상기 오일부는 오일을 포함하는 비전도성을 가지며, 상면은 반구형 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 중앙전극을 중심으로 방사형으로 형성되며 서로 절연되는 복수의 전극들 각각에 전압을 인가함으로써, 중앙렌즈 상에 위치하는 액체렌즈의 위치를 변화시켜, 상기 액체렌즈를 통과하는 광의 초점의 위치를 가변시킬 수 있다.
즉, 상기 복수의 전극들에 동일한 크기의 전압을 인가하여 광의 초점을 광축 상에 위치시킬 수 있음은 물론, 서로 다른 크기의 전압을 인가하여 광의 초점이 중앙전극의 중심으로부터 횡방향으로 이동되도록 제어할 수 있다. 그리하여, 다양한 방향 및 다양한 초점을 가지는 광을 제공할 수 있으며, 이를 통해 기계적 구동장치를 생략하면서도 3차원 초점 가변형 렌즈를 구성할 수 있어, 상대적으로 간단한 광학계를 구성할 수 있으며 내시경 프로브의 소형화가 가능하게 된다.
특히, 상기 복수의 전극들에 인가하는 전압의 크기를 다양하게 제어하는 것으로 광의 방향 및 초점을 제어할 수 있으므로, 액체렌즈의 제어 또는 구동의 용이성도 향상된다.
또한, 이러한 액체렌즈의 제조에 있어, 증착이나 패터닝 등의 반도체 제조공정을 그대로 적용할 수 있으므로, 보다 용이하고 빠르게 액체렌즈의 제조가 가능하다.
특히, 유연성 회로기판과의 전기적 연결을 패터닝을 통한 전극의 노출 구조를 통해 구현할 수 있으므로, 상기 액체렌즈에 대한 제어 또는 구동이 용이하게 수행될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 초점 가변형 액체렌즈에서 광원의 광축을 따른 스캔 상태를 예시한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈에서 광원의 초점을 횡방향으로 이동시킨 스캔 상태를 예시한 사시도이다.
도 2는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈의 복수의 전극들을 도시한 모식도이다.
도 3a 내지 도 3g는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈의 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 4a는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈에서, 광원의 광축을 따른 스캔을 위한 구동 상태를 도시한 모식도이고, 도 4b는 도 4a에 의한 구동 결과 스캔 상태를 도시한 단면도이다.
도 5a는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈에서, 광원의 초점을 횡방향으로 이동시키는 스캔을 위한 구동 상태를 도시한 모식도이고, 도 5b는 도 5a에 의한 구동 결과 스캔 상태를 도시한 단면도이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈를 구동하지 않은 상태의 광원의 측면도, 액체렌즈의 평면도, 빔 프로파일의 평면도, 및 빔 프로파일의 사시도를 도시한 이미지들이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈를 광축에 따른 스캔을 위한 구동 상태의 광원의 측면도, 액체렌즈의 평면도, 빔 프로파일의 평면도, 및 빔 프로파일의 사시도를 도시한 이미지들이다.
도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈를 광원의 초점을 횡방향으로 이동시키는 스캔 구동 상태의 광원의 측면도, 액체렌즈의 평면도, 빔 프로파일의 평면도, 및 빔 프로파일의 사시도를 도시한 이미지들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 의한 초점 가변형 액체렌즈에서 광원의 광축을 따른 스캔 상태를 예시한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈에서 광원의 초점을 횡방향으로 이동시킨 스캔 상태를 예시한 사시도이다. 도 2는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈의 복수의 전극들을 도시한 모식도이다.
우선, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 실시예에 의한 초점 가변형 액체렌즈(10)는 베이스 기판(100), 전극부(110) 및 렌즈유닛(200)을 포함한다.
상기 베이스 기판(100)은 투명기판으로 소정넓이 연장되는 플레이트 형상일 수 있으며, 재료는 유리 또는 플라스틱 등일 수 있으며, 투명하다면 다양한 재료가 사용될 수 있다.
상기 전극부(110)는 상기 베이스 기판(100) 상에 형성되며, 중앙에 형성되는 중앙전극(도 2 및 도 3a 참조, 111)(도 1a 및 도 1b에서는 상기 중앙전극으로부터 연장되어 외부로 노출되는 전극을 중앙전극(111)로 표시함), 및 상기 중앙전극(111)의 주변에 방사형으로 형성되는 복수의 전극들(112, 113, 114, 115)을 포함한다.
상기 중앙전극(111)은 상기 베이스 기판(100)의 중앙에 형성되는 것으로, 상기 렌즈유닛(200)은 상기 중앙전극(111) 상에 실장되며 위치하게 된다.
이 경우, 상기 중앙전극(111)을 통해서도 필요하다면 외부로부터 전압을 인가하여야 하며, 이를 위해 상기 중앙전극(111)은 외부로 노출되어야 한다. 그러나, 상기 중앙전극(111)은 상부에 상기 렌즈유닛(200)이 실장되는 것으로, 여타의 전극들과 같이 직접 상측방향으로 외부로 노출될 수는 없다.
이에 따라, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 중앙전극(111)은 제3 전극(114)이 노출되는 영역과 인접한 영역으로 연장되어 외부로 노출되며, 이에 따라 상기 중앙전극(111)은 상기 제3 전극(114)에 인접하도록 배치되는 것으로 도시되었다.
다만, 이는 상기 중앙전극(111)을 노출하기 위한 단자가 외부로 노출되는 것을 도시한 것이며, 실질적으로 상기 중앙전극(111)은 도 2 및 도 3a 등을 통해 도시된 바와 같이, 상기 렌즈유닛(200)이 실장되는 상기 베이스 기판(100)의 중앙에 위치하는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.
한편, 도 1a 및 도 1b에서는, 상기 중앙전극(111)이 상기 제3 전극(114)과 인접한 위치에서 노출되는 것을 예시하였으나, 이와 달리, 상기 중앙전극(111)은 제1 전극(112)은 물론, 제2 전극(113) 이나 제4 전극(115)과 인접한 위치에서 노출되도록 연장될 수도 있다.
본 실시예에서, 상기 복수의 전극들(112, 113, 114, 115)은 제1 내지 제4 전극들을 포함하는 것으로, 상기 제1 전극(112)은 상기 중앙전극(111)의 제1 방향(X)을 따른 일 측에 형성되고, 상기 제2 전극(113)은 상기 중앙전극(111)의 제1 방향(X)을 따른 타 측에 형성되고, 상기 제3 전극(114)은 상기 중앙전극(111)의 제2 방향(Y)을 따른 일 측에 형성되며, 상기 제4 전극(115)은 상기 중앙전극(111)의 제2 방향(Y)을 따른 타 측에 형성된다.
이 경우, 상기 제1 방향(X)과 상기 제2 방향(Y)은 서로 수직으로 연장된다.
또한, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 중앙전극(111)을 중심으로 동심원 방향, 또는 방사형 방향으로 배치되며, 상기 중앙전극(111)의 중심을 기준으로, 서로 좌우 및 상하 대칭으로 형성된다.
또한, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)은 서로 인접한 전극들과 절연되며 서로 이격되도록 배치되며, 마찬가지로 상기 중앙전극(111)도 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)과 절연되며 서로 이격되도록 배치된다.
이러한 상기 중앙전극(111)과 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 사이의 절연 상태에 대하여는 도 2에 도시된 바와 같이 모식화될 수 있으며, 상기 전극들 사이에는 절연부(401)가 형성된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 각각은 제1 내지 제4 단자들(402, 403, 404, 405)과 전기적으로 연결되어, 외부로부터 전압을 제공받을 수 있으며, 이렇게 제공되는 전압들을 서로 독립적으로 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)로 제공된다.
나아가, 후술되는 전압 제공의 설명의 편의를 위해, 상기 제1 전극(112)은 상기 제1 단자(402)를 통해 제1 전압(Vx-)을 제공받으며, 상기 제2 전극(113)은 상기 제2 단자(403)를 통해 제2 전압(Vx+)을 제공받으며, 상기 제3 전극(114)은 상기 제3 단자(404)를 통해 제3 전압(Vy-)을 제공받으며, 상기 제4 전극(115)은 상기 제4 단자(405)를 통해 제4 전극(Vy+)을 제공받는 것으로 가정할 수 있다.
상기 렌즈유닛(200)은 상기 중앙전극(111) 상에 실장되는 것으로, 액체렌즈(210), 오일부(220) 및 캡슐화부(230)를 포함한다.
상기 액체렌즈(210)는 소정 부피를 가지는 전해질 기반의 전도성 물질로 형성되며, 상기 중앙전극(111) 상에 실장되어, 레이저 광이 투과되는 렌즈 역할을 수행한다.
즉, 상기 액체렌즈(210)는, 예를 들어, 구형 형상을 가지며 상기 레이저 광이 투과됨에 따라 상부에, 도시된 바와 같이 초점(F)을 형성하는 렌즈에 해당된다.
상기 오일부(220)는 상기 액체렌즈(210)를 커버하는 것으로, 예를 들어, 비전도성 오일을 포함하는 것으로, 외면은 반구형 형상의 일부 면을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 오일부(220)는 상기 중앙전극(111)에 위치하는 액체렌즈(210)를 커버하며, 상기 중앙전극(111)이 형성하는 면적보다 넓은 면적으로 내부에 반구형 공간을 형성하면서 형성될 수 있다.
상기 캡슐화부(230)는 상기 전극부(110)는 물론, 상기 오일부(220)의 외면을 커버하여, 상기 전극부(110)와 상기 오일부(220) 및 상기 액체렌즈(210)를 캡슐화하는 소위 피막(encapsulation)을 형성하는 것으로, 예를 들어, 페릴렌 폴리머(Parylene polymer) 등의 재료로 형성될 수 있다.
다만, 상기 캡슐화부(230)의 경우, 상기 전극부(110)의 일부는 외부로 노출되도록 패턴이 형성되며, 이렇게 노출된 전극부의 일부는, 도 1a 및 도 1b에는 도시하지는 않았으나, 유연성 회로기판(flexible printed circuit board, FPCB)과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 외부로부터 제공되는 레이저 광원(300)은 상기 액체렌즈(210)를 관통하여 포커싱(focusing)되는데, 이 경우, 상기 액체렌즈(210)의 위치에 따라 상기 레이저 광원(300)의 조사 방향이 가변된다.
즉, 도 1a를 참조하면, 상기 액체렌즈(210)가 상기 중앙전극(111)의 중심에 위치하는 경우, 상기 액체렌즈(210)를 관통하는 상기 레이저 광원(300)은 상기 중앙전극(111)의 중심을 관통하는 광축(L) 상에 초점(F)이 위치하게 된다.
즉, 상기 중앙전극(111)의 주변에 위치하는 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)에 동일한 크기의 전압이 제공되는 경우, 상기 액체렌즈(210)는 상기 중앙전극(111)의 중심에 위치하게 되며, 이에 따라, 상기 레이저 광원(300)의 초점(F)은 광축(L) 상에 위치하게 된다.
그러나, 도 1b를 참조하면, 상기 액체렌즈(210)가 상기 중앙전극(111)의 중심으로부터 일 측 방향으로 이동하여 위치하는 경우, 상기 액체렌즈(210)를 관통하는 상기 레이저 광원(300)은 상기 중앙전극(111)의 중심을 관통하는 광축(L)과 소정 각도(θ) 기울어진 축(L´) 상에 초점(F)이 위치하게 된다.
즉, 상기 중앙전극(111)의 주변에 위치하는 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 중 어느 하나의 전극에 다른 크기의 전압이 제공되는 경우, 상기 액체렌즈(210)는 상기 중앙전극(111)으로부터 일 측 방향으로 이동하여 위치하게 되며, 이에 따라, 상기 레이저 광원(300)의 초점(F)은 광축(L)과 소정 각도(θ) 기울어진 축(L´) 상에 위치하게 된다.
결국, 상기 중앙전극(111)의 주변에 위치하는 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)에 인가하는 전압을 제어함으로써, 상기 액체렌즈(210)의 위치를 어느 한 측, 나아가 상기 다양한 위치로 가변시킬 수 있으며, 이를 통해 상기 레이저 광원(300)의 초점(F)은 광축(L)과 소정 각도 기울어진 축 상에 위치시킬 수 있게 된다.
따라서, 이러한 전극들에 인가되는 전압의 제어만으로, 다양한 방향 및 다양한 초점 거리를 가지는 광을 제공할 수 있으며, 3차원 초점 가변형 렌즈를 용이하게 구성할 수 있다.
이하에서는, 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 도 3g는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈의 제조방법을 도시한 공정도들이다.
도 3a를 참조하면, 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)의 제조방법에서는 우선, 베이스 기판(100) 상에, 중앙전극(111) 및 복수의 전극들(112, 113)을 포함하는 전극부(110)를 형성한다.
우선, 도 3a 내지 도 3g는 도 1a 및 도 1b의 제1 방향(X)을 따라 절단된 단면도이므로, 상기 도면들에서는, 상기 전극들 중 제1 및 제2 전극들(112, 113)만 도시되지만, 기타 전극들의 배치 및 형성의 경우 상기 제1 및 제2 전극들(112, 113)의 배치 및 형성을 통해 자명한 범위내에서 예측이 가능하다.
상기 전극부(110)의 형성을 위해서는, 상기 베이스 기판(100) 상에 투명전극을 증착시킨 후, 마스크를 이용하여 식각 공정 등으로 패터닝하고, 이를 통해 상기 중앙전극(111)과, 상기 중앙전극(111)과 소정거리 이격되도록 상기 중앙전극(111)의 양 측에 위치하는 제1 및 제2 전극들(112, 113)을 형성한다.
이 경우, 상기 베이스 기판(100)은 투명한 유리 또는 플라스틱 기판일 수 있으며, 상기 전극부(110) 역시 투명 전극으로, 예를 들어, ITO(indium tin oxide) 전극일 수 있다.
이 후, 도 3b를 참조하면, 상기 전극부(110) 중, 상기 제1 전극(112) 및 상기 제2 전극(113) 상에 일부 영역에 각각 제1 금속층(122) 및 제2 금속층(123)을 형성하는 금속층(120) 형성 공정이 수행된다.
이 경우, 도시하지는 않았으나, 상기 금속층(120)을 형성하기 전에, 상기 전극부(110)가 형성된 베이스 기판(100) 상에 감광제를 형성하고, 상기 감광제 중, 후술되는 회로기판부(150)와 접촉되는 영역 또는 정렬 마크가 형성되는 영역을 제거하는 공정이 수행될 수 있다.
그리하여, 상기 금속층(120)은 상기 감광제가 제거된 영역에만 증착될 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 금속층(122)은 상기 제1 전극(112) 상의 일부 영역에, 상기 제2 금속층(123)은 상기 제2 전극(113) 상의 일부 영역에 증착될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 금속층들(122, 123)은 티타늄(Ti) 또는 금(Au) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다.
이 후, 도 3c를 참조하면, 상기 금속층(120) 및 상기 전극부(110)가 형성된 상기 베이스 기판(100) 상에 절연층(130)을 형성한다.
이 경우, 상기 금속층(120) 및 상기 전극부(110)가 형성된 베이스 기판(100) 상에 절연층(130)을, 예를 들어, 플라즈마 강화 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 증착한 후, 식각 공정 등을 통해 패터닝한다.
그리하여, 도시된 바와 같이, 상기 중앙 전극(111)의 상부에 중앙 노출부(131)를 형성하고, 상기 제1 전극(112) 및 상기 제1 금속층(122)의 상부에 제1 노출부(132)를 형성하며, 상기 제2 전극(113) 및 상기 제2 금속층(123)의 상부에 제2 노출부(133)를 형성한다.
상기 절연층(130)은, 예를 들어, 질화실리콘(SiNx)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 절연층(130)은, 예를 들어, 산화실리콘(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 페릴렌 폴리머(Parylene polymer) 등을 포함할 수도 있다.
한편, 상기 질화실리콘이나 산화실리콘의 경우, 앞서 설명한 플라즈마 강화 화학기상증착을 통해 증착될 수 있으며, 상기 산화알루미늄의 경우 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 또는 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 증착될 수 있으며, 상기 페릴렌 폴리머의 경우 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정으로 증착될 수 있다.
이 후, 도 3d를 참조하면, 상기 절연층(130)이 형성된 상기 베이스기판(100) 상에, 상기 금속층(122, 123) 및 상기 절연층(130)의 일부를 외부로 노출시키는 패턴을 포함하는 커버층(140)을 형성한다.
이러한 커버층(140)의 형성에 있어서는, 초소수성 불소 중합체 계열의 CYTOP을 상기 절연층(130)이 형성된 베이스 기판(100) 상에 도포한 후, 마스크를 이용하여 패터닝하여, 상기 커버층(140)을 형성한다.
그리하여, 도시된 바와 같이, 상기 커버층(140)은, 상기 제1 노출부(132) 및 상기 제2 노출부(133)를 통해 상기 제1 금속층(122) 및 상기 제2 금속층(123)을 외부로 노출시키며, 상기 중앙 노출부(131)를 통해 상기 중앙 전극(111)을 외부로 노출시키며, 제1 개구부(141) 및 제2 개구부(142)를 통해 상기 제1 전극부(112) 상에 형성되는 절연층(130)의 일부 영역 및 상기 제2 전극부(113) 상에 형성되는 절연층(130)의 일부 영역을 외부로 노출시킨다.
이 후, 도 3e를 참조하면, 상기 전극부(110), 상기 금속층(120), 상기 절연층(130) 및 상기 커버층(140)이 형성된 상기 베이스기판(100) 상에 회로기판부(150)를 실장한다.
이 경우, 상기 회로기판부(150)는, 상기 제1 노출부(132)를 통해 상기 제1 금속층(122)과 전기적으로 연결되는 제1 접촉부(152)를 포함하고, 상기 제2 노출부(133)를 통해 상기 제2 금속층(123)과 전기적으로 연결되는 제2 접촉부(153)를 포함하며, 상기 중앙 노출부(131)를 통해 상기 중앙 전극(111)과 전기적으로 연결되는 중앙 접촉부(151)를 포함한다.
즉, 상기 회로기판부(150)는 상기 제1 접촉부(152)를 통해 상기 제1 금속층(122) 및 상기 제1 전극(112)과 전기적으로 연결되어, 상기 제1 전극(112)으로 전원을 제공할 수 있으며, 상기 제2 접촉부(153)를 통해 상기 제2 금속층(123) 및 상기 제2 전극(113)과 전기적으로 연결되어, 상기 제2 전극(113)으로 전원을 제공할 수 있다. 나아가, 상기 회로기판부(150)는 상기 중앙 접촉부(151)를 통해 상기 중앙전극(111)과 전기적으로 연결되어, 상기 중앙전극(111)으로 전원을 제공하거나, 상기 중앙전극(111)을 접지(ground)시킬 수 있다.
상기 회로기판부(150)는, 예를 들어, 유연 회로기판(flexible printed circuit board, FPCB)일 수 있으며, 상기와 같이 상기 제1 금속층(122), 상기 제2 금속층(123) 및 상기 중앙전극(111)과 ACF(anisotropic conductive film) 본딩(bonding)으로 연결될 수 있다.
한편, 상기 회로기판부(150)는, 도 3e에서는 상기 베이스 기판(100) 상부에 전체적으로 위치하여 연결되는 것으로 도시되지만, 상기 회로기판부(150)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 외부로 노출되는 상기 제1 금속층(122), 제2 금속층(123), 제3 금속층(124), 제4 금속층(125) 및 중앙 전극(111)으로부터 연장되며 외부로 노출되는 중앙 금속층(121)과 전기적으로 연결되는 것이면 충분하며, 이에 따라 상기 회로기판부(150)의 연결 위치는 다양하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 회로기판부(150)는, 후술되는 상기 액체렌즈(210) 및 상기 오일부(220)가 형성되는 상기 중앙전극(111)이나 상기 중앙전극(111)의 인접한 영역에는 접속되지 않으며 위치할 수 있다.
이 후, 도 3f를 참조하면, 상기 베이스기판(100)의 중앙에 위치하는 중앙전극(111) 상에 액체렌즈(210)를 실장시키고, 상기 액체렌즈(210)를 커버하는 오일부(220)를 형성한다.
상기 액체렌즈(210)는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 일정한 체적을 가지는 구형 형상으로, 상기 중앙전극(111) 상으로 디스펜싱(dispensing)될 수 있다. 이 경우, 상기 액체렌즈(210)는 전해질 기반의 전도성을 가지는 물질일 수 있다.
이와 같이, 상기 액체렌즈(210)가 상기 중앙전극(111) 상에 위치하면, 도 3g에서와 같이, 상기 중앙 노출부(131)상에 안착되도록 위치하게 된다.
또한, 상기 액체렌즈(210)를 커버하도록 상기 오일부(220)가 상기 액체렌즈(210), 및 상기 액체렌즈(210)의 주변 영역에 형성된다.
즉, 상기 오일부(220)는 상기 액체렌즈(210)를 커버하며 소정 두께를 가지도록 상기 액체렌즈(210), 및 상기 액체렌즈(210)의 주변 영역으로 상기 제1 개구부(141) 및 상기 제2 개구부(142)가 형성되는 영역까지 형성된다.
이 경우, 상기 오일부(220)는 상기 액체렌즈(210)가 구형 형상을 가지는 것을 고려하여, 전체적으로 반구형 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 오일부(220)는 오일을 포함하는 비전도성 물질을 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 오일부(220)는 상기 액체렌즈(210)를 절연시키게 된다.
이 후, 상기 액체렌즈(210) 및 상기 오일부(220)가 형성된 상기 베이스 기판(100) 상에 상기 오일부(220)를 내부로 캡슐화하는 캡슐화부(230)를 형성한다.
상기 캡슐화부(230)는 상기 오일부(220)의 외면상에 균일하게 증착될 수 있으며, 상기 오일부(200)가 형성되지 않은 영역까지 상기 베이스 기판(100)의 전면(全面)에 걸쳐 균일하게 증착될 수 있다.
상기 캡슐화부(230)는 페릴렌 폴리머(Parylene polymer)를 화학 기상증착(chemical vapor deposition, CVD)으로 증착하여 형성될 수 있다.
다만, 상기 제1 금속층(122) 및 상기 제2 금속층(123)이 외부로 노출되도록 패터닝될 수 있으며, 이에 따라 상기 캡슐화부(230) 상에도 제1 외부 노출부(231) 및 제2 외부 노출부(232)가 형성될 수 있다.
이 경우, 앞서 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 금속층들(122, 123) 외에, 제3 및 제4 금속층들(124, 125) 및 중앙 금속층(121)도 외부로 노출되어야 하므로, 상기 캡슐화부(230)는 이를 고려하여 패터닝되어야 한다.
이와 같이, 상기 캡슐화부(230)를 통해 상기 액체렌즈(210) 및 상기 오일부(220)가 내부로 캡슐화되어 안정적으로 위치하게 되며, 상기 액체렌즈(210)의 가변 정도가 일정 범위로 제한될 수 있다.
이상과 같이, 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)가 제조된다.
도 4a는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈에서, 광원의 광축을 따른 스캔을 위한 구동 상태를 도시한 모식도이고, 도 4b는 도 4a에 의한 구동 결과 스캔 상태를 도시한 단면도이다.
도 2에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의한 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)에서 중앙전극(111) 및 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)이 단순하게 모식화될 수 있으며, 이를 통해 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)의 구동을 설명한다.
즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)의 구동에 있어서, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)로 모두 동일한 전압 Va를 인가하는 경우, 도 4b에서와 같이, 상기 액체렌즈(210)는 상기 중앙전극(111)의 중앙에 위치한다.
그리하여, 상기 액체렌즈(210)를 향하여 조사된 레이저 광(300)의 초점(F)은 상기 중앙전극(111)의 중심을 관통하는 광축(L) 상에 위치하게 된다.
이 경우, 상기 액체렌즈(210)는 초기 위치에서 변화하지 않고 상기 중앙전극(111)의 중심에 상기 액체렌즈(210)의 중심이 위치하도록 위치하게 되며, 이에 따라 상기 초점(F)이 상기 광축(L) 상에 위치한다.
한편, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115)의 전압의 크기가 가변된다면(모든 전극에 인가되는 전압은 동일하며, 인가되는 전압의 크기가 증가 또는 감소됨을 의미), 상기 액체렌즈(210)의 굴절률이 변화하게 되며, 이에 따라 상기 레이저 광(300)의 초점(F)의 위치는 상기 광축(L) 상에서 가변하게 된다.
도 5a는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈에서, 광원의 초점을 횡방향으로 이동시키는 스캔을 위한 구동 상태를 도시한 모식도이고, 도 5b는 도 5a에 의한 구동 결과 스캔 상태를 도시한 단면도이다.
이와 달리, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)의 구동에 있어서, 상기 제1 전극(112), 제3 전극(114) 및 제4 전극(115)로는 모두 동일한 전압 Va가 인가되지만, 상기 제2 전극(113)은 접지(Ground)와 연결되는 경우, 도 5b에서와 같이, 상기 액체렌즈(210)는 상기 중앙전극(111)의 중앙으로부터 일 측으로 이동하게 된다.
이 경우, 상기 액체렌즈(210)는, 상기 제1 전극(112)에는 소정 크기의 전압 Va가 인가되지만 상기 제2 전극(113)에는 접지가 연결되므로, 상기 제1 전극(112)이 위치하는 방향으로 소정 거리 이동하게 된다. 즉, 상대적으로 높은 전압이 인가되는 측으로 이동하게 된다.
이상과 같이, 상기 액체렌즈(210)가 상기 중앙전극(111)의 중심으로부터 일 측으로 위치가 이동하게 되면, 상기 액체렌즈(210)를 향하여 조사된 레이저 광(300)의 초점(F) 역시, 상기 중앙전극(111)의 중심을 관통하는 광축(L)으로부터 일 측으로 벗어나 이동된 축 상에 위치하게 된다.
예를 들어, 상기 액체렌즈(210)가 상기 제1 전극(112) 방향으로 소정 거리 이동하게 되면, 상기 레이저 광(300)의 초점(F)은 상기 제2 전극(113) 방향으로 기울어진 축 상에 위치할 수 있다.
이상과 같이, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 중 어느 하나 이상의 전극들에 인가되는 전압의 크기가 다르게 제어된다면, 상기 액체렌즈(210)를 관통하는 초점(F)은 광축(L)과 소정 각도 기울어진 축 상에 위치하게 된다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 제2 전극(113)으로 인가되는 전압만 상대적으로 작게 제어되면, 상기 초점(F)은 상기 제2 전극(113)을 향해 기울어진 축 상에 위치할 수 있으며, 이를 고려하여, 상기 초점(F)의 위치는 상기 각 전극들로 인가되는 전압을 제어함으로써 다양하게 제어될 수 있다.
나아가, 상기 제2 전극(113)으로 인가되는 전압과 다른 전극들로 인가되는 전압들 사이의 크기의 차이를 다양하게 제어함으로써, 상기 초점(F)이 위치하는 기울어진 축의 기울어지는 각도 다양하게 제어할 수 있게 된다.
그리하여, 본 실시예에 의한 상기 초점 가변형 액체렌즈(100)는 상기 전극들에 인가되는 전압을 다양하게 제어함으로써, 다양한 방향으로 광의 초점을 가변시킬 수 있으며, 3차원 공간 상에서 초점이 가변되는 액체렌즈를 구현할 수 있다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈를 구동하지 않은 상태의 광원의 측면도, 액체렌즈의 평면도, 빔 프로파일의 평면도, 및 빔 프로파일의 사시도를 도시한 이미지들이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)에서, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 모두에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 상기 액체렌즈(210)를 관통한 레이저 광(300)의 경우, 상기 중앙전극(111)의 중앙을 관통하며, 상기 광축(L) 상에 상기 레이저 광(300)의 초점이 위치하는 것을 확인할 수 있다.
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈를 광축에 따른 스캔을 위한 구동 상태의 광원의 측면도, 액체렌즈의 평면도, 빔 프로파일의 평면도, 및 빔 프로파일의 사시도를 도시한 이미지들이다.
마찬가지로, 도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)에서, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 모두에 동일한 전압이 인가되는 상태에서, 상기 액체렌즈(210)를 관통한 레이저 광(300)의 경우, 상기 중앙전극(111)의 중앙을 관통하며, 상기 광축(L) 상에 상기 레이저 광(300)의 초점이 위치하는 것을 확인할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 모두에 동일한 전압이 인가되는 경우, 상기 전극들에 전압이 인가되지 않는 경우와 대비하여, 빔 프로파일(beam profile)이 다르게 형성되는 것도 확인할 수 있다.
도 8a, 도 8b, 도 8c 및 도 8d는 도 1a의 초점 가변형 액체렌즈를 광원의 초점을 횡방향으로 이동시키는 스캔 구동 상태의 광원의 측면도, 액체렌즈의 평면도, 빔 프로파일의 평면도, 및 빔 프로파일의 사시도를 도시한 이미지들이다.
한편, 도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)에서, 상기 제1 내지 제4 전극들(112, 113, 114, 115) 중 어느 하나의 전극에만 다른 크기의 전압이 인가되는 상태에서, 상기 액체렌즈(210)를 관통한 레이저 광(300)의 경우, 상기 중앙전극(111)의 중앙을 관통하지 않고 상기 광축(L)에 대하여 소정 각도 기울어지는 축을 따라 상기 레이저 광(300)의 초점이 위치하는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 도 3a 내지 도 3g를 통해 제조된 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)를 통해 실제 전압을 인가하여 실험을 수행한 결과를 통해서도, 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)의 각 전극들에 인가되는 전압을 다양하게 제어함으로써, 상기 초점 가변형 액체렌즈(10)를 통과하는 광의 초점의 위치를 다양하게 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 중앙전극을 중심으로 방사형으로 형성되며 서로 절연되는 복수의 전극들 각각에 전압을 인가함으로써, 중앙렌즈 상에 위치하는 액체렌즈의 위치를 변화시켜, 상기 액체렌즈를 통과하는 광의 초점의 위치를 가변시킬 수 있다.
즉, 상기 복수의 전극들에 동일한 크기의 전압을 인가하여 광의 초점을 광축 상에 위치시킬 수 있음은 물론, 서로 다른 크기의 전압을 인가하여 광의 초점이 중앙전극의 중심으로부터 횡방향으로 이동되도록 제어할 수 있다. 그리하여, 다양한 방향 및 다양한 초점을 가지는 광을 제공할 수 있으며, 이를 통해 기계적 구동장치를 생략하면서도 3차원 초점 가변형 렌즈를 구성할 수 있어, 상대적으로 간단한 광학계를 구성할 수 있으며 내시경 프로브의 소형화가 가능하게 된다.
특히, 상기 복수의 전극들에 인가하는 전압의 크기를 다양하게 제어하는 것으로 광의 방향 및 초점을 제어할 수 있으므로, 액체렌즈의 제어 또는 구동의 용이성도 향상된다.
또한, 이러한 액체렌즈의 제조에 있어, 증착이나 패터닝 등의 반도체 제조공정을 그대로 적용할 수 있으므로, 보다 용이하고 빠르게 액체렌즈의 제조가 가능하다.
특히, 유연성 회로기판과의 전기적 연결을 패터닝을 통한 전극의 노출 구조를 통해 구현할 수 있으므로, 상기 액체렌즈에 대한 제어 또는 구동이 용이하게 수행될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 초점 가변형 액체렌즈 100 : 베이스 기판
110 : 전극부 111 : 중앙 전극
112: 제1 전극 113 : 제2 전극
114 : 제3 전극 115 : 제4 전극
120 : 금속층 130 : 절연층
140 : 커버층 150 : 회로 기판부
200 : 렌즈유닛 210 : 렌즈부
220 : 오일부 230 : 캡슐화부
401 : 절연부 402, 403, 404, 405 : 단자

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  5. 투명한 베이스 기판 상에, 투명한 전극부를 증착시킨 후, 상기 전극부를 패터닝하여 서로 이격되는 중앙전극 및 복수의 전극들을 형성하는 단계;
    상기 전극부 중 외부로 노출되는 영역 상에 티타늄(Ti) 또는 금(Au)을 포함하는 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층이 형성된 전극부 상에 질화실리콘(SiNx)을 플라즈마 강화 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 증착한 후, 상기 중앙전극 및 상기 금속층이 외부로 노출되도록 패터닝하여 상기 중앙전극 및 상기 전극들을 절연시키는 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 초소수성 불소 중합체를 도포한 후 마스크를 이용하여 패터닝하여, 상기 금속층 및 상기 절연층의 일부를 외부로 노출시키도록 패터닝된 커버층을 형성하는 단계;
    상기 절연층을 통해 외부로 노출되는 상기 금속층에 전기적으로 연결되는 회로기판부를 실장하는 단계;
    상기 중앙전극 상에 구형 형상의 전도성 액체렌즈를 실장시키고, 상기 액체렌즈를 커버하여 상기 일부 노출된 절연층까지 비전도성 오일부를 형성하는 단계; 및
    상기 오일부를 내부로 캡슐화하되, 상기 금속층의 일부를 외부로 노출하도록 외부 노출부를 포함하며, 상기 회로기판부의 상면을 따라 캡슐화부를 페릴렌 폴리머를 화학 기상증착하여 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 액체렌즈는 구형 형상을 유지하며 상기 중앙전극의 중심으로부터 소정 방향으로 이동하여 위치하며 초점 거리가 가변되는 것을 특징으로 하는 초점 가변형 액체렌즈 제조방법
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