KR20060009293A - 전기습윤 모듈 - Google Patents
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Abstract
전기습윤 모듈(20)은, 계면(14)에 의해 분리된 제 1 유체(A)와 제 2 유체(B)를 함유한 유체 챔버(8)와, 유체들 중에서 적어도 한 개에 힘을 가해 계면의 위치 및/또는 형상을 변화시키는 수단(16, 17)을 구비한다. 유체들 중에서 적어도 한 개에 기체 상태에서 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물을 제공함으로써, 모듈의 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 전기습윤 렌즈(30)의 광학 파워를 증가시킬 수 있다.
전기습윤 모듈, 유체 챔버, 쌍극자 모멘트, 전기습윤 모터, 광학 파워
Description
본 발명은, 적어도 제 1 유체로 이루어진 제 1 몸체와 제 2 유체로 이루어진 제 2 몸체를 포함하되, 이들 2개의 몸체가 계면에 의해 분리된 캐비티와, 몸체들 중에서 적어도 1개에 힘을 가해 계면의 위치 및/또는 형상을 변화시키는 수단을 구비한 전기습윤 모듈에 관한 것이다.
전기습윤 기술이 소정의 경로를 따른 유체의 용적을 조작할 수 있게 한다는 것이 관찰되었다. 이들 기술에 따르면, 상기 용적의 표면적이 국부적으로 변경되어(보통, 줄어들어), 용적이 그것의 최저의 표면장력을 갖는 방향으로 흐르도록 한다.
더구나, 유체는 힘에 응답하여 그것의 형상을 변경하는 물질로서, 유동할 수 있는 기체, 증기, 액체와 고체 및 액체의 혼합물을 포함하는 것으로 관찰되었다.
특정한 유체에 의한 표면의 "습윤성"이라는 용어는, 상기한 유체가 상기 특정한 표면을 적실 때의 용이성을 표현하는 것으로, 예를 들어, 상기 표면의 속성과 상기 표면을 가로지르는 전위에 의존한다. 표면이 특정한 유체에 의해 "높은 습윤성"을 갖는 경우에, 이것은 상기 유체와 접촉하고 있는 상기 유체의 액적이 다소 확장된 형상을 갖고, 비교적 큰 접촉 영역과, 보통 약 90°보다 작은 비교적 작은 접촉각을 갖는다는 것을 표시한다. "낮은 습윤성"은 상기 표면과 접촉하고 있는 액 적이 다소 수축된 형상을 갖고, 비교적 작은 접촉 영역을 가지며, 보통 약 90°를 넘는 비교적 큰 접촉각을 갖게 된다는 것을 표시한다.
용어 "습윤"은 일정한 용적, 예를 들어 특정한 유체의 액적의 표면적이 국부적으로 변화되도록 하여, 특정한 표면에 대한 상기 유체의 습윤 거동에 영향을 미치는 모든 기술을 포함하는 것으로 해석된다.
습윤 현상을 사용하는 모듈에서는, 2가지 유체가 바람직한 특성, 예를 들어, 가능한한 근접한 밀도, 낮은 융점, 변형된 점도, 양호한 전기습윤 거동, 비독성과, 광학 모듈의 경우에는, 특정한 소정의 차이값을 갖는 굴절률을 갖는 것이 필요하다.
이와 같은 광학 모듈의 예로는, 변화될 수 있는 초점거리를 갖는 전기습윤 렌즈로도 불리는 전기습윤계 렌즈를 들 수 있다. 전기습윤 렌즈에서는, 2개의 유체 몸체들 사이의 계면이 메니스커스를 이룬다. 이와 같은 모듈에서는, 제 1 유체 몸체가 도전성 및/또는 극성 유체이고, 제 2 유체 몸체가 비도전성 및/또는 비극성 유체이다. 제 1 액체는, 예를 들면, 소금물이고, 제 2 액체는, 예를 들면, 데칸 및 실리콘 오일 등의 비극성의 물과 혼합되지 않는 액체이다. 전기습윤 전자 모듈은, 전기력을 가하는 수단을 구비하며, 이 수단을 사용하여 메니스커스의 형상 및/또는 위치가 정해질 수 있다. 전기습윤 광학 모듈의 다른 예로는, 줌 렌즈, 조리개, 회절 격자, 필터 및 빔 편향기를 들 수 있다. 이들 모듈의 예들은, PCT 특허출원 IB03/00222와 유럽특허출원 020789309.2, 02080387.0 및 02080060.3에 기재되어 있다. 전기습윤 광학 모듈은 매우 복잡하므로, 광 디스크 주사장치, 소형 카메라 및/ 또는 휴대폰, 디스플레이 등의 장치에서 매우 유리하게 사용될 수 있다.
광학 전기습윤 모듈의 광학 파워는 메니스커스의 곡률과, 제 1 액체 및 제 2 액체의 굴절률의 차이에 의해 좌우된다. 큰 광학 파워 변동을 발생할 수 있는 광학 전기습윤 모듈에 대한 요구가 증가하고 있다. 메니스커스의 곡률의 최대 변화는 전기습윤 셀의 크기에 의해 좌우되므로, 곡률의 변화에 의해 실현될 수 있는 광학 파워의 변화는 일정한 전기습윤 렌즈에 의해 제한된다. 따라서, 증가된 파워의 문제를 다른 방법으로 해결해야 한다.
또 다른 전기습윤 모듈은, 전기습윤 효과를 이용하여 소정의 경로를 따라 유체의 용적을 조작하는 것으로 이 유체는 후술하는 것과 같이 2개의 모터부재들이 서로에 대해 움직이게 한다. 이와 같은 모터에서는, 제 1 유체의 밀도와 제 2 유체의 밀도가 서로 일치하지 않으면, 원심력으로 인해 유체들의 몸체들 중에서 한 개가 평탄화될 수 있다.
결국, 본 발명의 목적은, 광학 모듈로서 사용될 때, 더 큰 범위에 걸쳐 광학 파워를 변화시키는, 서두에 기재된 것과 같은 전기습윤 모듈을 제공함에 있다. 상기한 전기습윤 모듈은, 상기 유체들 중에서 적어도 1개가 기체 상태에서 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 액체 상태에서의 쌍극자 모멘트는 바람직하게는 마찬가지로 제로값이다. 상기한 유체들 중에서 적어도 1개는 바람직하게는 전기 비도전성이다.
이와 같은 전기습윤 모듈은, 높은 원자량 또는 분자량을 갖는 원자들 또는 작용기들로 치환된 화합물을 사용하여, 전기습윤에 적합한 유체의 굴절률 및/또는 밀도를 증가시키는 것이 가능할 것으로 보인다는 착상에 기반을 두고 있다. 이와 같은 원자들 또는 작용기들은 전기음성도의 차이로 인해 원래의 액체의 비극성 분자들을 극성 분자들로 변화시키는 경우가 빈번하다. 이들 원자들 또는 작용기들의 대칭적인 치환은 전기음성도의 영향을 제거하여, 전기습윤 목적으로 치환된 화합물이 사용될 수 있다.
이에 따르면, 광학 파워와 파워 변동의 범위가 증가될 수 있다. 상기 화합물이 전기습윤 모터에서 비극성 유체로 사용되거나 비극성 유체에 포함되는 경우에는, 유체의 평탄화를 방지한다.
모듈의 특정한 실시예에 있어서는, 유체들 중에서 적어도 1개가 알칸, 실록산 및 게르목산(germoxane) 중에서 적어도 한가지를 포함한다. 이들 용매는 낮은 쌍극자 모멘트를 갖는다. 제로 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물이 이와 같은 용매에 용해되면, 전기습윤에 적합한 유체가 얻어진다.
또 다른 특정한 실시예에서는, 유체들 중에서 적어도 1개가 제로 쌍극자 모멘트를 갖는 분자들을 필수적으로 포함한다.
제로 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물은 바람직하게는 대칭형 분자들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 국면은, 광학 모듈에 대해, 광학 파워를 유지하면서 메니스커스의 곡률을 줄일 수 있는 것이다. 이에 따르면, 모듈의 광학수차에 대한 감도를 줄일 수 있다. 더구나, 광학 파워의 필요한 활성화 전압이 줄어들 수 있다.
이때, 증가된 굴절률 차이를 나타내는 유체 몸체들을 갖는 전기습윤 렌즈가, 예를 들어 B. Berge and J. Peseux에 의해 Eur. Phys, J. E3, 159-163(2000)에 개시되어 있다는 점에 주목하기 바란다. 이 렌즈의 유체 몸체들은 물과 클로로나프탈렌으로 각각 구성된다. 그러나, 이와 같은 렌즈는, 특히 DC 전압에 대해, 양호한 전기습윤 거동을 나타내지 않는다. 이때, 이것은, 클로로나프탈렌이 전기습윤 거동에 부정적으로 영향을 미치게 되는 특정한 쌍극자 모멘트를 갖는 비대칭 분자라는 사실에 기인한다고 가정한다.
종래의 유체보다 큰 굴절률들 및/또는 밀도들을 가져, 본 발명의 전기습윤 모듈의 유체들 중에서 적어도 한 개로 사용되거나 이 한 개에 포함하는데 매우 적합한 유체 또는 액체들을 제공하는 화합물 군을 추적하였다.
이와 같은 화합물을 포함하는 모듈은 광학 부품으로 구성될 수 있으며, 이때 제 1 및 제 2 유체 몸체는 서로 다른 굴절률들을 갖는다. 이와 같은 광학 모듈에서는, 유체들 중에서 한 개에 추가된 화합물이 굴절률 차이 증가 효과를 갖는다.
이와 같은 모듈에서는, 제 1 유체 몸체가 도전성 및/또는 극성을 가질 수 있고, 제 2 유체 몸체가 비도전성을 가질 수 있고, 이 모듈은 전기력을 가해 메니스커스 형태의 계면의 위치 및/또는 형상을 변경하는 수단을 구비할 수 있다.
굴절률 차이는 0.05 내지 0.3, 바람직하게는 0.1 내지 0.2이며, 상기 제 2의 비도전성 몸체의 굴절률은 1.4보다 크고, 바람직하게는 1.5보다 크며, 더욱 바람직하게는 1.55보다 크다. 보통, 제 2 몸체는 1.3 내지 1.5의 굴절률, 더욱 구체적으로는 1.33 내지 1.43의 굴절률을 갖는다.
바람직하게는, 제 1 및 제 2 유체 몸체는 거의 유사한 밀도를 나타낸다.
본 발명의 이들 발명내용은, 다음의 첨부도면에 예시된 이하에서 설명하는 실시예를 참조하여 더욱 더 명확해질 것이다.
도면에서,
도 1은 그것의 광축을 통해 비활성 상태의 종래의 전기습윤 렌즈의 단면도이고,
도 2는 활성상태에서의 이와 같은 렌즈를 나타낸 것이며,
도 3은 활성 상태에 있는 본 발명에 따른 렌즈를 나타낸 것이고,
도 4a 및 도 4b는 2가지 다른 시간 상의 순간에서의 활성화된 전기습윤 모터를 단면도로 나타낸 것이다.
도 1은 가변 초점 렌즈를 구성하는 전가습윤 모듈을 나타낸 것이다. 이 부재는, 투명 전방 부재(4)와 투명 후방 부재(6)를 사용하여 밀봉되어 모세관을 형성하는 제 1 원통형 전극(2)을 포함함으로써, 2가지 유체를 포함하는 유체 챔버(8)를 형성한다. 원통형 전극(2)은, 튜브의 내벽들에 도포된 도전성 코팅일 수도 있다.
이와 같은 전기습윤 모듈의 실시예에서는, 2가지 유체는, 전기 절연 제 1 액체 A, 일반적으로는 예를 들면 실리콘 오일 또는 알칸과, 전기 도전 제 2 액체 B, 일반적으로는, 예를 들어, 염 용액을 포함하는 물의 형태를 갖는 2가지 혼합되지 않는 액체들로 구성된다. 제 1 유체 A는 제 2 유체 B보다 높은 굴절률을 갖는다.
제 1 전극(2)은 보통 1mm 내지 20mm의 내부 반경을 갖는 원통이다. 이 전극 은 금속 물질로 형성되고, 예를 들어 파릴렌으로 이루어진 절연층(10)으로 코팅된다. 절연층은 50nm 내지 100㎛의 두께를 갖는다. 절연층은, 메니스커스(14), 즉 유체 A와 유체 B 사이의 게면이 유체 챔버의 원통형 벽과 이루는 접촉각의 이력을 줄이는 유체 접촉층(12)으로 코팅된다. 유체 접촉층은, 바람직하게는 DuPontTM이 제조하는 TefronTM AF1600 등의 비정질 탄화불소로 형성된다. 유체 접촉층은 5nm 내지 50㎛의 두께를 갖는다.
제 2의 환형 전극(16)은, 유체 챔버의 일면, 본 경우에는, 후방 부재(6)에 인접하여 배치된다. 제 2 전극은, 이 제 2 전극의 적어도 일부가 유체 챔버 내부에 존재하여, 전극이 제 2 유체 B에 적용할 수 있도록 배치된다.
2가지 유체 A 및 B는 혼합되지 않으므로, 메니스커스(14)에 분리되어 2개의 유체 몸체로 분리되는 경향이 있다. 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전압이 인가되지 않으면, 유체 접촉층(12)은 제 2 유체 B에 대해서보다 제 1 유체 A에 대해 더 높은 습윤성을 갖는다. 도 1에는 이와 같은 렌즈 구성, 즉 전기습윤 렌즈의 비활성 상태가 도시되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 유체 B에서 측정하였을 때, 메니스커스와 유체 접촉층(12) 사이의 초기 접촉각 θ가 90°보다 크다. 제 1 유체 A의 굴절률이 제 2 유체 B의 굴절률보다 크므로, 메니스커스 렌즈로 불리는 메니스커스로 이루어진 렌즈는 이 배치에서는 음의 배율을 갖는다.
전기습윤으로 인해, 제 1 유체 B에 의한 습윤성이 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전압의 인가하에서 변화하는데, 이것은 접촉각을 변화시키는 경향이 있다. 도 2는 전압원(17)으로부터의 전압이 렌즈에 인가되는 경우, 즉 렌즈가 활성화 상태에 있는 경우의 렌즈 구조를 나타낸 것이다. 이 경우에는, 전압이 비교적 높고, 예를 들어, 150V 내지 250V이고, 메니스커스가 볼록 형태를 갖는다. 메니스커스와 제 1 유체 접촉층(12) 사이의 최대 접촉각 θ는, 예를 들어, 60°정도이다. 유체 A의 굴절률이 유체 B보다 크므로, 이와 같은 배치에서의 메니스커스 렌즈(1)는 야의 배율을 갖고, 입사 빔 b를 렌즈에서 특정한 거리 d에 있는 초점(18)에 초점을 맞춘다.
가변 초점 렌즈의 구성에 대한 더욱 더 상세한 내용에 대해서는, 국제특허출원 IB03/00222를 참조하기 바란다. 더 높은 굴절률 유체와 더 낮은 굴절률 유체 사이에 적어도 2개의 독립적으로 제어가능한 계면을 구비한 줌 렌즈가 유럽특허출원 02079473.1(PHNL021095)에 기재되어 있다.
전기습윤 렌즈에서는, 다음의 수식에서 알 수 있는 것과 같이, 렌즈의 광학 파워가, 메니스커스의 곡률과, 도전성 액체와 비도전성 액체 사이의 굴절률 차이에 의존한다:
이때, S는 메니스커스 렌즈의 광학 파워이고, r은 메니스커스의 곡률 반경이며, n2는 비도전성 액체 A의 굴절률이고, n1은 도전성 액체 B의 굴절률이다.
실제로, 가변 초점 렌즈의 파워가 가변될 수 있는 범위를 증가시킬 필요가 있다. 예를 들어, 전가습윤에 기반을 둔 줌 렌즈에 대해서는, 최대의 얻을 수 있는 줌 배수가 이와 같은 줌 렌즈의 개별적인 전기습윤 렌즈들의 광학 파워의 최대로 얻을 수 있는 변화와 크게 관련된다.
상기한 수식으로부터, 전기습윤 렌즈의 광학 파워 변화가 도전성 액체와 비도전성 액체 사이의 굴절률 차이와 메니스커스의 곡률 변화에 의존한다는 것을 알 수 있다. 곡률의 최대 변화는 전기습윤 셀의 크기에 의해 좌우되므로, 곡률의 변화에 기인한 광학 파워의 변화는 일정한 전기습윤 렌즈에 대해 제한된다. 더구나, 메니스커스의 큰 곡률은 전기습윤 렌즈를 통과하는 빔에 광학 수차를 도입하며 높은 제어전압을 필요로 한다. 도전성 액체와 비도전성 액체 사이의 굴절률 차이를 확대시킴으로써 더 큰 광학 파워 변화가 달성될 수 있다. 전기습윤 렌즈에 현재 사용되는 비도전성 액체(예를 들면, 알칸 또는 실리콘 오일)은 일반적으로 사용되는 도전성 액체(예를 들면, 물, n=1.33)의 굴절률보다 약간 큰 굴절률(n=1.37-1.43)을 갖는다. 보통, 굴절률 차이는 0.1보다 작다.
본 발명에 따르면, 기체 상태에서 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 적어도 한 개의 화합물이 비도전성 또는 비극성 액체 또는 용액 A로서, 또는 이 액체 또는 용액의 성분으로 사용된다. 더 높은 분자량을 갖는 원자들 또는 작용기들로 치환된 화합물이 사용되는 경우에는, 높은 투명도, 다른 액체 또는 유체 B와의 비혼합 가능성과 양호한 전기습윤 거동 등의 액체에 대한 다른 요구조건을 여전히 충족시킬 수 있으면서, 이들 원자들 또는 작용기들의 존재가 액체 A의 굴절률을 상당히 증가시킬 수도 있다는 추가적인 효과가 얻어질 수 있다.
이와 같은 구성은, 주어진 메니스커스 곡률을 갖는 가변 초점 전기습윤 렌즈의 파워 변동의 범위를 증가시키거나, 파워 변동의 주어진 범위를 갖는 가변 초점 렌즈의 메니스커스 곡률을 줄이는데 사용될 수 있다. 전기습윤 줌 렌즈에 사용되는 경우에, 이 구성은 줌 배율의 증가를 허용한다. 메니스커스 곡률을 증가시키지 않거나 감소시킴으로써, 전기습윤 렌즈가 구성하는 광학계의 광학수차의 감도가 각각 증가되기 않거나 감소된다. 더구나, 광학 파워에서 특정한 변화를 달성하기 위해 필요한 구동전압이 더 낮아진다.
도 3은, 도 2의 유체 A 대신에, 기체 상태에서 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 상기 화합물을 포함하는 비도전성 액체 A'을 구비한, 도 2의 렌즈와 동일한 구성 및 구조를 갖는 전기습윤 렌즈(20)를 나타낸 것이다. 도 2의 렌즈(1)에 공급된 전압과 동일한 레벨을 갖는 제어전압을 렌즈(20)에 제공하는 유체 A를 유체 A'으로 대체한 결과는 동일하며, 초점(18')이 도 2의 거리 d보다 작은 렌즈로부터의 거리 d'에 배치된다는 점에서 레벨을 유지한다.
전기습윤 렌즈에 대해서는, 일반적으로, 메니스커스 형태가 방향에 무관하여 중력에 무관한 것이 중요하다. 액체의 밀도가 같으면, 이 형태는 완전한 구형이 되며 방향에 무관하다. 이와 같은 요구사항은 본 발명에 따른 전기습윤 렌즈에서도 만족될 수 있다.
전기습윤 렌즈의 비도전성 유체 내부에 사용되거나 이 비도전성 유체의 성분으로서 사용되는 경우에, 높은 굴절률, 투명성, 도전성 유체와의 비혼용성, 도전성 유체와 유사한 밀도(즉, 밀도들 사이의 작은 차가 허용됨), 적절한 융점 및 비점과, 양호한 전기습윤 거동 등과 같은 필요한 특성을 제공하는 다수의 화합물을 조사하였다. 본 발명에 사용되는데 매우 적합한 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 비도 전성 액체 또는 용해가능한 고체들을 표 1에 나타내었다:
[표 1]
| 물질 | 상태 (20℃) | 밀도 (g/cm3) | 굴절률 | 용매*1 | 사용 효과 |
| 탄소이황화물 | 액체 | 1.26 | 1.63 | *2, *3 | |
| 탄소이셀렌화물 | 액체 | 2.68 | 1.85 | *2, *3 | |
| 사염화탄소 | 액체 | 1.59 | 1.46 | *2 | |
| 사블롬화탄소 | 고체 | 2.96 | 1.59 | -알칸 -실리콘 오일 -메시틸렌 - 사염화탄소 | *2, *3 |
| 테트라클로로에틸렌 | 액체 | 1.62 | 1.51 | *2, *3 | |
| 벤젠 | 액체 | 0.87 | 1.50 | *3 | |
| 나프탈렌 | 고체 | 1.03 | 1.59 | -탄소이황화물 -사염화탄소 - 알칸 | *3 |
| p-크실렌 | 액체 | 0.86 | 1.50 | *3 | |
| 메시틸렌 | 액체 | 0.87 | 1.50 | *3 | |
| 1,4-디클로로벤젠 | 고체 | 1.25 | 1.53 | - 알칸 -탄소이황화물 | *2, *3 |
| 1,4-디브로로벤젠 | 고체 | 1.83 | 1.57 | -메시틸렌 - 사염화탄소 | *2, *3 |
| 테트라메틸주석 | 액체 | 1.29 | 1.44 | *2 | |
| 기준: 옥타메틸트리실록산 | 액체 | 0.82 | 1.38 |
*1: 표시된 물질과 조합하여 비도전성 용매로 사용될 바람직한 용매들의 예
*2: 밀도 일치
*3: 굴절률 증가
표 1에서, 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 선택된 화합물들이 보통 1.46보다 큰 굴절률을 가져, 이들 화합물을 큰 광학 파워 범위를 갖는 전기습윤 렌즈에 적합하게 만든다는 것을 알 수 있다. 바람직하게는, 1.5보다 큰 굴절률을 갖는 화합물 들이 더 큰 줌 배율을 갖는 휴대용 응용분야(예를 들어, 휴대폰)를 위한 소형화된 줌 렌즈를 허용하므로, 이들 화합물들이 특히 적합하다. 더욱 바람직한 화합물은, 중앙 분자로서 벤젠 고리를 가져, p-크실렌, 메시틸렌 및 1.4-디클로로벤젠 등과 같은 대칭적인 치환 벤젠 화합물을 갖는 대칭적인 액체 또는 용액의 부류이다.
이와 관련하여, 변형된 분자를 이용하여 제 2 유체의 밀도를 증가시키는 것이 공지되어 있다는 것이 밝혀졌는데, 이때 변형은 예를 들면 할로겐화로 구성된다. 데칸은 0.73g/cm3의 밀도를 갖는 반면에, 1-브로모데칸은 1.07g/cm3의 밀도를 갖고, 나프탈렌은 1/03g/cm3의 밀도를 갖는 반면에, 염화나프탈렌은 1.63g/cm3의 밀도를 갖는 것을 참조하기 바란다.
이들 변형된 물질들은, 특히 DC 전압 동작 하에서는, 나쁜 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이것은 분자들의 증가된 쌍극자 모멘트에 기인하며, 쌍극자들이 인가된 전기장과 상호작용하여 전기습윤 효과를 교란시키는 것으로 밝혀졌다.
따라서, 본 발명의 화합물은 중앙의 벤젠 고리를 갖는 화합물을 더 포함한다. 벤젠 고리는 대응하는 지방족 사슬에 비해 높은 굴절률을 제공한다. 이와 같은 화합물의 할로겐화에 의한 변형에 따르면, 지방족 사슬을 갖는 화합물들은 비교적 큰 쌍극자 모멘트로 인해 열악한 전기습윤 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
본 발명은, 전기습윤 모터에도 사용될 수 있는데, 이때에는, 소정의 경로를 따라 유체의 용적을 조작하기 위해, 습윤기술에 기초한 전기력을 사용하여 계면의 형상이 변화될 수 있다는 사실을 이용한다. 도 4a 및 도 4b는 서로 다른 순간에서 의 이와 같은 모터(30), 특히 로타리 모터의 일 실시예의 단면도를 나타낸 것이다. 모터는, 대략 원통형의 제 1 몸체(33)와, 제 1 몸체(33) 내부에 동심원으로 이루어 배치되는 대략 원통형의 제 2 몸체(35)를 구비한다. 제 1 및 제 2 몸체(33, 35)는, 그들 각각의 내면 및 외면 사이에 대략 원통형 챔버(34)를 둘러싸며, 이 챔버는 오일 등의 비극성 및/또는 비도전성 제 1 용액과, 극성 및/또는 도전성의 제 2 유체(37)의 용적들(37a-d), 본 실시예에서는 수용액, 예를 들어 (소금)물로 채워진다. 유체들 36, 37은 혼합되지 않는다.
제 1 몸체(33)는 그것의 내표면의 습윤성을 변화시키는 수단, 즉 외주면을 따라 거의 규칙적인 반경방향으로 이격되어 제 1 몸체(33)의 축방향으로 연장되는 12개의 전극들(40)을 구비한다. 제 1 몸체(33)의 내표면은, 전기절연성의 소수성 물질, 또는 더욱 일반적으로는, 제 1 유체(36)에 의한 습윤성보다 낮은 제 2 유체(37)에 의한 습윤성을 갖는 물질로 이루어진 층(42)으로 덮인다. 이와 같은 물질의 예로는, 예를 들면, 제 1 유체(36)가 오일 또는 공기이고 제 2 유체가 (소금)물인 경우에, Dupont에 의해 제조된 비정질 불소고분자 AF1600 등의 테프론계 물질 또는 파릴렌 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 전극들(40)은 전원(미도시)에 접속된다.
제 2 몸체(35)는, 속이 들어 있는 설계를 갖지만 필요한 경우에는 중공형일 수 있으며, 1개 이상의 적절한 베어링에 의해 제 1 몸체(33)에 이동가능하게, 특히 회전가능하게 장착된다. 각각의 베어링은, 예를 들면, 제 1 및/또는 제 2 몸체(33, 35)에 환 홈을 설치하여 구성되며, 제 2 몸체(35)의 회전시에 압력이 생겨 제 1 몸체(33) 내부에서 제 2 몸체(35)의 중심을 맞추는 오일 베어링일 수 있다. 제 2 몸 체(35)의 외표면에는 4개의 친수성 영역(44)의 형태를 갖는 체결수단이 설치되며, 상기한 수는 용적들(37a-d)의 수와 일치한다. 이들 영역(44)은, 예를 들면, 제 1 유체(36)에 의한 습윤성보다 높은 제 2 유체(37)에 의한 습윤성을 갖는 물질로 이루어지거나 이 물질로 덮일 수도 있는데, 이 물질은 예를 들면 유리이다. 이들 영역들 44는 전술한 물질에서 선택될 수 있는 소수성 물질로 이루어지거나 이 물질로 덮이는 영역들 45에 의해 반경방향으로 서로 분리된다. 이에 덧붙여, 또는 이와 달리, 친수성 영역(44)은 함몰되어, 용적들과의 체결력을 증진시킬 수도 있다. 더구나, 도 4a 및 도 4b에 점선으로 도시된 것과 같이, 2개 이상의 용적들(37a-d)이 제 2 몸체(35) 내부의 적어도 한 개의 적절한 도관(39)을 통해 상호연결될 수도 있다, 높은 습윤성의 영역과 낮은 습윤성의 영역 44, 45는 생략될 수도 있지만, 모터의 최대 힘을 증가시키기 위해 유지될 수도 있다.
전술한 것과 같은 모터는 다음과 같이 동작한다. 도 4a에서, 로마 숫자 I로 표시된 전극들(즉, 상부, 하부, 좌측 및 우측 전극)에 전압이 공급된다. 그 결과, 상기 전극 I를 덮는 소수성 층(42)이 국부적으로 친수성이 된다. 이에 따라, 4개의 용적들(37a-d)이 4개의 전극 I에서 제 1 몸체(33)와 접촉한다. 더구나, 이들은 친수성 영역(44)과 도관들(39)인 체결수단에서 제 2 몸체(35)에 접촉한다. 그후, 전압 공급이 전술한 전극 I의 옆에 배치된 제 2 전극 II으로 이동하면, 상기한 제 2 전극 II 위의 층은 친수성이 되는 반면에, 제 1 전극 I 위에 있는 층은 다시 소수성으로 전환된다. 이것은 도 4b에 도시된 것과 같이 용적들(37a-d)을 친수성 영역들 II으로 향해 이끄는 전기습윤력을 발생한다. 이와 같은 이동 중에, 용적들(37a- d)이 제 2 몸체(35)의 친수성 영역(44)을 따라 소수성 영역(45)의 가장자리까지 이동하게 된다. 제 2 몸체(35)를 따른 추가적인 이동은 소수성 영역(45)과 제 1 유체(36)의 결합된 작용에 의해 차단되어, 용적들(37a-d)이 제 2 몸체(35)에 습윤력을 가할 수 있게 하며, 이것은 몸체(35)를 회전시킨다. 따라서, 적절한 전압으로 연속적인 전극들 40I, II를 순차적으로 활성화시킴으로써, 제 2 몸체(35)가 연속적으로 회전할 수 있다. 바람직하게는, 전극들(40)은 서로 상대적으로 근접하여 배치되거나 심지어는 "톱니" 구조를 통해 중첩된다. 또한, 전극들(40)의 반경방향의 치수는 용적들(37a-d)의 반경방향의 치수와 동일하거나 작은 것이 바람직하다. 전극들(40)의 이와 같은 위치지정 및/또는 치수지정은, 용적들(37a-d)이 연속적인 전극 40I에 새로 주어지는 전압을 "감지"할 수 잇도록 보장한다.
주어진 실시예에서는, 회전이 시계방향이다. 전극들 10 I, II가 구동되는 순서를 반전시킴으로써 이 회전방향을 쉽게 반전할 수 있다는 것은 자명하다. 명백하게, 회전 주파수는 연속적인 전극들 40 I, II의 구동 주파수에 의존하게 된다. 이때, 예시된 실시예에서는, 4개의 도전성 유체의 용적들(37a-d)이 사용되었지만, 임의의 수의 용적이 사용될 수도 있다는 점에 주목하기 바란다. 용적들(37a-d)은 축방향으로 라인 형태를 갖거나 일련의 축방향으로 이격된 액적으로 구성될 수도 있다. 더구나, 제 1 몸체(33)가 회전가능하게 장착되고 제 2 몸체(35)가 고정된 경우에는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예를 사용하여, 제 2 몸체(35) 대신에 제 1 몸체(33)를 회전하게 하는 것도 가능하다. 이와 같은 경우에, 전압을 제 1 전극 I로부터 제 2 전극 II으로 전환시에, 용적들(37a-d)이 제 1 전극 II을 향해 친수성 영 역(44)의 가장자리까지 이동하게 된다(이것은 더 높은 습윤성을 갖는다는 특징을 지닌다). 그후, 습윤력으로 인해 제 2 전극 II이 용적들(37a-d)로 이끌러져, 제 1 몸체(33)를 반시계 방향으로 회전시킨다. 이와 같은 설명으로부터, 모터(33)의 동작으로 위해, 전극들(40)이 정지 몸체 상에 위치하는지 이동가능한 몸체 상에 위치하는지는 무관하다는 것이 자명하다. 따라서, 실제로 전극들(40)이 보통 배선 문제를 피하기 위해 정지 몸체 상에 놓이게 되지만, 주어진 실시예는 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
전술한 모터는 모터의 가해진 원심력으로 인해 유체들의 몸체들 중에서 한 개의 평탄화를 겪어, 그것의 성능에 영향을 미칠 수도 있다. 본 발명에 따르면, 전술한 화합물들 중에서 한가지, 예를 들어 표 1의 화합물들 중에서 한가지를 사용함으로써 이것을 방지할 수 있다. 이 표에는 화합물의 밀도도 주어져 있다.
본 화합물은 바람직하게는, 비도전성 또는 비극성 액체 또는 유체로 사용되거나 이 비극성 액체 또는 유체에 사용된다. 대부분의 화합물이 물(보통 도전성 액체)보다 큰 밀도를 가지므로, 상기한 화합물을 더 낮은 밀도를 갖는 화합물과 혼합하여 물의 밀도와 일치시켜야 하는 것은 자명하다.
상기한 설명은 전기습윤 모듈의 예로 전기습윤 렌즈와 전기습윤 모터로 한정하였지만, 본 발명이 이와 같은 모듈에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 가변 초점 렌즈, 줌 렌즈, 조리개, 필터 및 빔 편향기 등의 모든 전기습윤 모듈에 사용될 수도 있다.
Claims (15)
- 적어도 제 1 유체로 이루어진 제 1 몸체와 제 2 유체로 이루어진 제 2 몸체를 포함하되, 이들 2개의 몸체가 계면에 의해 분리된 캐비티와, 몸체들 중에서 적어도 1개에 힘을 가해 계면의 위치 및/또는 형상을 변화시키는 수단을 구비한 전기습윤 모듈에 있어서,상기 유체들 중에서 적어도 1개가 기체 상태에서 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 1항에 있어서,유체들 중에서 적어도 1개는 알칸, 실록산 및 게르목산 중에서 적어도 한가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 1항에 있어서,유체들 중에서 적어도 1개는 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 분자들을 필수적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 1항에 있어서,제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물은 대칭 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 1항에 있어서,제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물은, 대칭으로 치환되거나 치환되지 않은, 유기 화합물, 유기금속 화합물, 게르마늄게 화합물 및 실리콘계 화합물 중에서 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 5항에 있어서,대칭적인 유기 화합물은, 1 또는 2개의 탄소 원자를 포함하고, 바람직하게는 CS2, CSe2, CCl4, CBr4 및 C(Cl)2=C(Cl)2, C(Br)2=C(Br)2로 구성된 그룹에서 선택되고, 더욱 바람직하게는 CCl4와 CBr4에서 선택된 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 5항에 있어서,대칭 유기 화합물은, 용해되거나 용해되지 않으며 적어도 2개의 동일한 전기음성도 를 갖는 치환기로 치환되거나 치환되지 않은 방향족 화합물인 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 7항에 있어서,상기 방향족 화합물은, C1-C5 알킬, 또는 할로겐화물 치환기, 바람직하게는, 메틸, 염화물 또는 브롬화물에서 선택된 치환기로 치환된 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서,상기 방향족 화합물은, 벤젠, 나프탈렌, p-크실렌, 메시틸렌, 듀렌, 멜리텐, p-테르페닐, 비페닐, 1,4-디??로로벤젠 및 1,4-디브로모벤젠, 1,3,5-트리클로로벤젠, 1,3,5-트리브로모벤젠, 1,2,4,5-테트라클로로벤젠, 1,2,4,5-테트라브로모벤젠, 헥사클로로벤젠, 헥사브로모벤젠, 바람직하게는, p-크실렌, 메시틸렌 및 1,3,5-트리클로로벤젠으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 5항에 있어서,상기 유기금속 화합물은, 주석 화합물, 바람직하게는 테트라메틸 주석인 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,광학부품으로 구성되고, 제 1 및 상기 제 2 유체 몸체는 서로 다른 굴절률을 갖고, 이들 유체들 중에서 한 개에 추가된 화합물은 굴절률 차이 증가 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 8항에 있어서,제 1 유체 몸체는 도전성 및/또는 극성을 갖고, 제 2 유체 몸체는 비도전성을 가지며, 모듈은 전기력을 가해 메니스커스 형태의 계면의 위치 및/또는 형상을 변화시키는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 11항에 있어서,굴절률 차이는 0.05 내지 0.3, 바람직하게는 0.1 내지 0.2이며, 기체 사태에서 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖는 화합물을 포함하는 상기 제 2의 비도전성 몸체의 굴절률은 1.4보다 크고, 바람직하게는 1.45보다 크며, 더욱 바람직하게는 1.50보다 크며, 가장 바람직하게는 1.55보다 큰 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 11항에 있어서,상기 제 1 및 상기 제 2 유체 몸체들은 거의 유사한 밀도를 나타내는 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
- 제 14항에 있어서,제 2 유체 몸체는 기체 상태에서 제로값의 쌍극자 모멘트를 갖고 1.0g/cm3보다 큰, 바람직하게는 1.05g/cm3보다 큰, 특히 1.50g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기습윤 모듈.
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