KR20060016508A

KR20060016508A - 렌즈 소자

Info

Publication number: KR20060016508A
Application number: KR1020040064992A
Authority: KR
Inventors: 김영식; 김진홍; 안건호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-02-22
Also published as: KR100636433B1

Abstract

구성이 단순하고 정밀 제어가 가능한 렌즈 소자가 개시된다.

본 발명의 렌즈 소자는 제1 기판, 제2 기판 및 측벽으로 이루어진 챔버; 상기 챔버 내에 충진된 도전성을 갖는 제1 매질 및 비도전성을 갖는 제2 매질; 상기 제1 기판에 형성된 제1 및 제2 전극; 상기 측벽에 형성된 제3 전극; 상기 제1 기판 상에 형성된 친수성 매질; 및 상기 제2 기판 및 상기 측벽에 형성된 소수성 매질을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 제1 전압이 인가되고, 상기 제2 및 제3 전극 사이에 제2 전압이 인가된다.

액체 렌즈, 챔버, 전해질, 친수성 매질, 소수성 매질, 전기적 흡습

Description

렌즈 소자{Lens device}

도 1은 종래의 가변 포커스 액체 렌즈의 개략적인 단면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 렌즈 소자의 개략적인 단면도.

도 3은 도 2에서 전압에 따라 렌즈 소자가 제어된 모습을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 렌즈 소자의 개략적인 단면도.

도 5는 도 4에서 전압에 따라 렌즈 소자가 제어된 모습을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

31, 32, 51, 52 : 유리 기판 33, 53 : 측벽

34, 35, 36, 54, 55, 56, 57, 58, 59 : 전극

37, 60, 61 : 전해질 38, 62 : 공기

39, 63a, 63b : 친수성 매질 40, 64 : 소수성 매질

41, 65 : 절연층

본 발명은 렌즈 분야에 관한 것으로, 특히 전기적으로 가변되는 액체렌즈에 관한 것이다.

최근 들어, 평평한 전극을 보호하는 유전필름 상에 배치된 도전성 액체 방울로 이루어진 소자가 제안되었다. 도전성 액체 방울과 전극 사이에 전압이 인가될 때, 상기 도전성 액체 방울의 형상이 가변될 수 있다. 이러한 제안에 따르면, 흡습(wetting)이 도전성 액체 방울과 전극 사이에 전계가 존재할 때, 상당히 증가한다. 이러한 현상을 전기적 흡습(electrowetting)이라 부른다.

미국 특허 제5,659,330호는 유전체 상에 배치된 불투명(opaque)도전성 액체 방울의 형태를 가변시키기 위한 전기적 흡습 현상을 이용한 표시 소자를 개시한다.

또한, 미국 특허 제6,369,954는 가변 포커스 렌즈를 개시하고 있는데, 이는 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 가변 포커스 액체 렌즈의 개략적인 단면도를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 절연 액체 방울(11)이 도전성 액체(13)로 채워진 유전 챔버(12)의 벽의 내부 표면 상에 위치된다. 상기 절연 액체 방울(11) 및 상기 도전성 액체(13)는 모두 투명하고 서로 혼합될 수 없으며, 상이한 광학 굴절률을 가지며, 거의 동일한 밀도를 가진다. 상기 유전챔버(12)는 기본적으로 상기 도전성 액체(13)에 대해 흡습이 낮다. 상기 도전성 액체(13)에 대해 상기 유전 챔버(12)의 벽의 높은 흡습을 보장하는 표면 처리(14)는 상기 절연 액체 방울(11)과 상기 유전 챔버(12)의 벽 사이의 접촉 영역(15)을 둘러싼다. 상기 표면 처리(14)는 절연 액체 방울(11)의 위치를 유지시켜 상기 절연 액체 방울(11)이 상기 접촉 영역(15)을 넘어 퍼지는 것을 방지한다.

시스템이 동작되지 않을 때, 상기 절연 액체 방울(11)은 기본적으로 참조번호 A에 의해 나타내어진 형태를 취한다. 참조번호 O는 상기 접촉 영역(15)에 수직이고 상기 접촉 영역(15)의 중심을 지나가는 축을 나타낸다. 동작되지 않을 때, 상기 절연 액체 방울(11)이 소자의 광학축을 구성하는 O축의 중심에 위치된다. 상기 O축에 인접한 소자의 요소들(elements)은 투명하다. 상기 O축 부근으로 광이 지나가도록 하는 제1 전극(16)은 유전 챔버(12) 벽의 외부 표면 상에 배치된다. 제2 전극(17)은 도전성 액체(13)와 접촉한다. 상기 제2 전극(17)은 상기 도전성 액체(13)에 담가지거나 상기 유전 챔버(12)의 내부 벽에 증착된 도체일 수 있다.

전압(V)이 상기 제1 및 제2 전극(16, 17) 사이에 인가될 때, 전계가 발생되어 앞에 언급된 전기적 흡습 원리에 따라 도전성 액체(13)에 대해 상기 접촉 영역(15)의 흡습을 증가시킨다. 그 결과로, 상기 도전성 액체(13)는 이동되고 상기 절연 액체 방울(11)이 변형된다. 따라서, 포커스 렌즈의 가변이 얻어진다.

하지만, 상기와 같은 종래의 가변 포커스 액체 렌즈에서 제1 및 제2 전극(16, 17)은 상기 절연 액체 방울(11)의 상하가 아닌 상기 유전 챔버(12)의 테두리 상하에 배치되게 된다. 따라서, 상기 제1 및 제2 전극(16, 17) 사이에 전압이 인가되어 전계가 발생될 때, 이러한 전계가 상기 절연 액체 방울(11)에 커다란 영향을 미치지 못하게 된다. 그러므로, 상기 절연 액체 방울(11)이 상기 전계에 의해 정밀하게 제어되기가 힘든 문제점이 있었다.

또한, 종래의 가변 포커스 액체 렌즈는 상기 유전 챔버(11) 내에 서로 굴절률이 상이한 매질들로 이루어진 액체들(11, 12)이 채워지게 되므로, 이러한 액체들(11, 12)을 상기 유전 챔버 내에 채워넣기가 힘들뿐만 아니라 구성도 복잡해지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전극의 배치를 개선하여 전계에 의해 정밀한 렌즈 제어가 이루어지도록 한 렌즈 소자를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 단일 액체를 사용하여 구성을 단순화한 렌즈 소자를 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 렌즈 소자는, 제1 기판, 제2 기판 및 측벽으로 이루어진 챔버; 상기 챔버 내에 충진된 도전성을 갖는 제1 매질 및 비도전성을 갖는 제2 매질; 상기 제1 기판에 형성된 제1 및 제2 전극; 상기 측벽에 형성된 제3 전극; 상기 제1 기판 상에 형성된 친수성 매질; 및 상기 제2 기판 및 상기 측벽에 형성된 소수성 매질을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 제1 전압이 인가되고, 상기 제2 및 제3 전극 사이에 제2 전압이 인가된다.

상기 제1 매질은 질산칼륨 등의 전해질이고, 상기 제2 매질은 공기인 것이 바람직하다.

상기 제1 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 중심 영역에 형성될 수 있다.

상기 제2 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 외곽 테두리 영역에 형성될 수 있다.

상기 제3 전극은 상기 측벽의 내면을 따라 형성될 수 있다.

상기 친수성 매질은 ZnO 또는 TiO2 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 소수성 매질은 5-30nm의 두께를 갖는 테프론 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 소수성 매질과 상기 제3 전극 사이에는 5-30um의 두께를 갖는 파릴렌 재질로 이루어진 전기적으로 절연된 절연층이 형성될 수 있다.

상기 각 전압들이 인가되지 않을 때, 상기 제1 매질은 볼록 렌즈 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 전압에 의해 상기 제1 매질은 상기 제1 기판 상에 견고하게 부착될 수 있다.

상기 제2 전압에 의해 상기 제1 매질은 오목 렌즈 형상으로 변형될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 렌즈 소자는, 제1 기판, 제2 기판 및 측벽으로 이루어진 챔버; 상기 챔버 내에 충진된 도전성을 갖는 제1 및 제2 매질 및 비도전성을 갖는 제3 매질; 상기 제1 기판에 형성된 제1 및 제2 전극; 상기 측벽에 형성된 제3 및 제6 전극; 상기 제2 기판에 형성된 제4 및 제5 전극; 상기 제1 및 제2 기판 상에 각각 형성된 제1 및 제2 친수성 매질; 및 상기 측벽에 형 성된 소수성 매질을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 제1 전압이 인가되고, 상기 제2 및 제3 전극 사이에 제2 전압이 인가되고, 상기 제4 및 제5 전극 사이에 제3 전압이 인가되고, 상기 제5 및 제6 전극 사이에 제4 전압이 인가되며, 상기 챔버 내에 제1 매질, 제3 매질 및 제2 매질의 순서로 충진된다.

상기 제1 및 제3 매질은 질산칼륨 등의 전해질이고, 상기 제2 매질은 공기 또는 오일 중 하나인 것이 바람직하다.

상기 제1 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 중심 영역에 형성되고, 상기 제4 전극은 상기 제2 기판의 상부 표면의 중심 영역에 형성될 수 있다.

상기 제2 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 외곽 테두리 영역에 형성되고, 상기 제5 전극은 상기 제2 기판의 상부 표면의 외곽 테두리 영역에 형성될 수 있다.

상기 제3 전극은 상기 측벽의 하측 내면을 따라 형성되고, 상기 제6 전극은 측벽의 상측 내면을 따라 형성되고, 상기 제3 전극과 상기 제6 전극 사이에는 소정 간격 이격될 수 있다.

상기 제1 및 제2 친수성 매질은 ZnO 또는 TiO2 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 소수성 매질과 상기 제3 및 제6 전극 사이에는 5-30um의 두께를 갖는 파릴렌 재질로 이루어진 전기적으로 절연된 절연층이 형성될 수 있다.

상기 각 전압들이 인가되지 않을 때, 상기 제1 및 제3 매질 각각은 볼록 렌즈 형상을 가질 수 있다.

상기 제1 전압에 의해 상기 제1 매질은 상기 제1 기판 상에 견고하게 부착되고, 상기 제3 전압에 의해 상기 제3 매질은 상기 제2 기판 상에 견고하게 부착될 수 있다.

상기 제2 전압에 의해 상기 제1 매질은 오목 렌즈 형상으로 변형되고, 상기 제4 전압에 의해 상기 제3 매질은 오목 렌즈 형상으로 변형될 수 있다.

상기 제2 및 제4 전압은 동일한 전압으로 동시에 인가될 수 있다.

또는 상기 제2 및 제4 전압은 상이한 전압으로 개별적으로 인가될 수 있다.

또는 상기 제2 및 제4 전압은 동일한 전압으로 개별적으로 인가될 수 있다.

또는 상기 제2 및 제4 전압은 상이한 전압으로 동시에 인가될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 렌즈 소자의 개략적인 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하부 유리 기판(31), 상부 유리 기판(32) 및 측벽(33)에 의해 소정의 공간을 갖는 챔버가 형성된다. 상기 측벽(33)은 위에서 보았을 때, 원통형 또는 사각형으로 형성될 수 있다. 상기 측벽(33)은 상기 소정 공간으로 입사된 광이 측면으로 누설되는 것을 방지하기 위해 비 투명성의 절연 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 반해, 상기 하부 및 상부 유리 기판(31, 32)은 광이 입사 또는 투과되도록 하기 위해 투명성의 절연 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 챔버에 의해 형성된 소정의 공간에는 도전성의 전해질(37)과 비도전성의 공기(38)가 채워진다. 이때, 상기 전해질(37)과 상기 공기(38)는 서로 상이한 굴절률을 갖는다. 상기 전해질(37)은 질산칼륨(KNO3)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 전해질(37)은 소정의 전압에 의해 제어되어 그 형상이 가변될 수 있다. 이와 같이 전압에 의해 액체가 제어되는 현상을 전기적 흡습이라 부른다고 이미 앞서 언급한 바 있다. 본 발명에서는 이러한 전기적 흡습을 이용하여 액체를 제어하여 가변적인 렌즈 기능을 구현할 수 있다. 종래에는 서로 상이한 2개의 액체들이 구비되는데 반해, 본 발명에서는 하나의 액체(즉, 전해질)만이 구비됨으로써, 보다 간단하게 구성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈소자에서는 모두 3개의 전극(34, 35, 36)이 사용된다. 상세히 설명하면, 상기 하부 유리 기판(31) 상에 제1 및 제2 전극(34, 35)이 형성되고, 상기 측벽(33)의 내면에 제3 전극(36)이 형성된다. 상기 하부 유리 기판(31)의 내부 표면의 중심 영역에 제1 전극(34)이 형성된다. 이때, 상기 제1 전극(34)의 면적은 상기 전해질(37)이 상기 하부 유리 기판(31) 상에 접촉되는 면적과 거의 동일하도록 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 하부 유리 기판(31)의 내부 표면의 외곽 테두리 영역에 제2 전극(35)이 형성된다. 즉, 상기 제2 전극(35)은 상기 하부 유리 기판(31)의 내부 표면의 외곽 테두리 영역에 형성되는 한편, 상기 외곽 테두리 영역으로부터 연장되어 상기 하부 유리 기판(31)의 측면에 형성된다. 이와 같이 상기 제2 전극(35)을 상기 하부 유리 기판(31)의 측면으로 연 장 형성함으로써, 외부의 전압원과 용이하게 연결될 수 있다. 도 2에 도시되지 않았지만, 상기 제1 전극(34)도 상기 하부 유리 기판(31)을 관통시켜 외부로 연장 형성시킬 수 있다.

상기 제1 전극(34) 위 그리고 상기 제1 전극(34)과 상기 제2 전극(35) 사이의 간격에는 친수성을 갖는 친수성(hydrophilic) 매질(39)이 형성된다. 상기 친수성 매질(39)은 증착을 이용하여 층으로 형성하거나 또는 미리 제작된 필름으로 부착될 수 있다. 상기 친수성 매질(39)로는 ZnO 또는 TiO2 중 하나가 사용될 수 있다. 상기 친수성 매질(39)은 말 그대로 액체에 친한 매질을 의미하는 것으로, 액체를 잡아당기는 힘이 작용하게 된다. 이에 따라, 상기 전해질(37)은 상기 친수성 매질(39)에 보다 단단하게 부착되려는 경향을 가지게 된다. 이 때, 상기 전해질(37)과 공기(38) 사이의 표면장력으로 인해 전해질(37)의 중심에서 표면장력이 강하고 전해질(37)의 테두리에서 표면장력이 약해지게 된다. 그 결과로, 도 2에 도시된 바와 같이, 전해질(37)이 반구 형태로 이루어져 상기 친수성 매질(39)에 부착되게 된다. 즉, 상기 전해질(37)은 전압이 인가되지 않을 때 기본적으로 볼록 렌즈 형상으로 변형된다.

상기 제3 전극(36)은 상기 측벽(33)의 내면 전체에 형성되고, 상기 측벽(33)의 내면에서 연장되어 외부로 노출된 다음 상기 측벽(33)의 외면에 형성된다.

이에 따라, 상기 제1, 제2 및 제 3 전극(34, 35, 36)에 외부의 전압원을 용이하게 연결시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(34)과 상기 제2 전극(35) 사이에 제1 전압(V1)이 인가되고, 상기 제2 전극(35)과 상기 제3 전극(36) 사이에 제2 전압(V2)이 인가될 수 있다.

상기 상부 유리 기판(32)의 내면 그리고 상기 측벽(33)의 내면으로 소수성(hydrophobia) 매질(40)이 형성된다. 상기 소수성 매질(40)은 증착을 이용하여 층으로 형성하거나 또는 미리 제작된 필름으로 부착될 수 있다. 상기 소수성 매질(40)로는 10nm의 두께를 갖는 테프론(Teflon) 재질이 사용될 수 있다. 이때, 상기 소수성 매질(40)과 상기 제3 전극(36) 사이에는 전기적으로 절연되는 절연층(41)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(41)은 11.5um의 두께를 갖는 파릴렌(parylene) 재질이 사용될 수 있다.

상기 친수성 매질(39) 및 소수성 매질(40)은 절연성 매질로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 친수성 매질(39)은 상기 제1 전극(34)과 항시 접촉되게 되므로, 상기 친수성 매질(39)은 반드시 절연성 매질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 렌즈 소자에서 전압(V1, V2)이 인가되지 않을 때, 상기 상부 유리 기판(32)을 통해 광이 입사되면, 전해질(37)이 볼록 렌즈 형상으로 변형됨으로 인해, 입사된 광이 수렴되어 상기 하부 유리 기판(31)을 통해 출력되게 된다. 이때, 상기 하부 유리 기판(31)으로부터 일정 거리 전방에 소정의 초점이 맺혀지게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 소자의 제어 방법은 아래와 같다.

먼저, 제1 전압(V1)이 상기 제1 및 제2 전극(34, 35) 사이에 인가된다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 전극(34, 35) 사이에 전계가 발생되고, 이러한 전계에 의해 상기 전해질(37) 내에 존재하는 (+) 전하가 상기 친수성 매질(39)로 이동되어 상기 친수성 매질(39)에 (+) 전하가 충전되게 된다. 따라서, 상기 전해질(37)은 보다 단단하게 상기 친수성 매질(39)에 부착되게 된다. 이때, 상기 제1 전압은 비교적 큰 전압이 인가되고 나머지 구간동안에는 비교적 낮은 전압이 인가되게 된다.

이어서, 제2 전압(V2)이 상기 제2 및 제3 전극(35, 36) 사이에 인가된다. 이에 따라, 상기 제2 및 제3 전극(35, 36) 사이에 전계가 발생되고, 이러한 전계에 의해 상기 전해질(39) 내에 존재하는 (+) 전하가 상기 측벽(33)의 내면에 형성된 소수성 매질(40)로 이동되어 상기 소수성 매질(40)에 (+) 전하가 충전되게 된다. 따라서, 상기 전해질(39)은 상기 측벽(33) 방향으로 이동되게 되어 도 3에 도시된 바와 같이, 전해질(39)의 형상이 가변되게 된다. 이때, 상기 제2 전압(V2)의 세기가 강해질수록 상기 전해질(39)은 점점 더 상기 측벽(33) 방향으로 이동되게 되어 오목 렌즈 형상으로 변형되게 된다.

이와 같이 전압(V1, V2)이 인가되게 되면, 상기 전해질(39)이 오목 렌즈 형상으로 변형되게 되므로, 상기 상부 유리 기판(32)을 통해 입사된 광이 상기 오목 렌즈 형상으로 변형된 전해질(39)에 의해 확산되어 상기 하부 유리 기판(31)을 통해 출력되게 된다.

통상, 접촉각(α)과 전압(V)의 관계식은 립만-영(Lippmann-Young) 방정식으로 정의되고, 아래 식과 같이 나타낸다.

여기서, α는 전해질(37)과 공기(38)와의 접촉각을 나타내고, V는 제2 전압을 나타내고, γ12는 전해질(37)의 투과율을 나타내고, ε0은 공기(38)의 유전율을 나타내고, ε은 전해질(37)의 유전율을 나타내고, d는 친수성 매질(39)의 두께를 나타낸다.

상기 식 1에 나타낸 바와 같이, 접촉각(α)은 전압의 제곱에 비례하게 됨을 알 수 있다. 즉, 전압이 증가할수록 상기 접촉각(α)은 전압의 제곱에 비례하여 급격히 커지게 된다. 이와 같이 접촉각(α)은 전압이 인가되지 않을 때에는 기본적으로 상기 전해질(37)의 테두리 표면과 상기 친수성 매질(39) 사이의 각으로 정해진다. 그리고, 전압이 인가됨에 따라, 접촉각(??)이 상기 전압의 제곱에 비례하여 급격히 커지게 되어, 상기 전해질(37)이 오목 렌즈 형상으로 변형되게 된다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 소자에서는 전해질(37)이 챔버 내에 반구 형태로 충진되고, 상기 하부 유리 기판(31)과 측벽(33)에 각각 제1, 제2 및 제3 전극(34, 35, 36)을 형성한다. 따라서, 상기 제1 및 제2 전극(34, 35) 사이에 인가된 제1 전압에 의해 상기 전해질(37)이 상기 친수성 매질에 보다 단단하게 부착되게 함으로써, 렌즈에 충격이 가해지거나 렌즈가 기울어지더라도 전해질(37)의 형상이 반구 형태로 일정하게 유지될 수 있다. 이어서, 상기 제2 및 제3 전극(34, 35) 사이에 인가된 제2 전압에 의해 상기 전해질(37)이 볼록 렌즈 형상에 서 오목 렌즈 형상으로 변형되도록 하여, 상기 챔버 내로 입사된 광의 출사 방향을 용이하게 제어할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 렌즈 소자는 챔버 내에 전해질(37)만을 충진하게 되므로, 종래에 2종의 상이한 액체들로 이루어져 구성이 복잡해지는 문제를 해결하였다. 또한, 상기 하부 유리 기판(31)에 형성된 제1 및 제2 전극(34, 35)과 상기 측벽(33)에 형성된 제3 전극(36)에 의해 제1 및 제2 전압이 인가되므로, 보다 정밀하게 전해질(37)을 제어하여 광 제어가 보다 유리해지는 장점이 있다.

하지만, 이와 같이 2개의 전압으로 전해질(37)을 제어하더라도 그 제어 정밀도에는 한계가 있다.

따라서, 전해질(37)을 보다 더 정밀하게 제어하기 위한 구조가 도 4 및 도 5에 도시되었다.

도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 렌즈 소자의 개략적인 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 하부 유리 기판(51), 상부 유리 기판(52) 및 측벽(53)에 의해 소정의 공간을 갖는 챔버가 형성된다. 상기 측벽(53)은 위에서 보았을 때, 원통형 또는 사각형으로 형성될 수 있다. 상기 측벽(53)은 상기 소정 공간으로 입사된 광이 측면으로 누설되는 것을 방지하기 위해 비 투명성의 절연 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 반해, 상기 하부 및 상부 유리 기판(51, 52)은 광이 입사 또는 투과되도록 하기 위해 투명성의 절연 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 챔버 내에는 광을 제어하기 위한 제1 및 제2 전해질(60, 61)이 충진되게 된다. 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 서로 동일한 재질로 이루어질 수도 있고 또는 상이한 재질로 이루어질 수도 있다. 상기 챔버에는 서로 대칭되는 형상을 갖는 제1 및 제2 전해질(60, 61)이 충진되고, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61) 사이에 공기(62) 또는 오일이 충진되게 된다. 이때, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 전기가 통하는 도전성 매질이고, 상기 공기(62) 또는 오일은 전기가 통하지 않는 비도전성 매질이다. 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 각각 반구 형태의 볼록 렌즈 형상을 갖는다. 이러한 형상의 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 서로 마주보고 대칭되게 된다. 즉, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61) 각각의 볼록한 면이 상기 챔버 내부의 중심을 향하게 배치되게 된다. 상기 공기(62)나 오일은 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61) 사이에 충진되어 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)이 서로 혼합되는 것을 방지한다. 또한, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)의 형상이 변형될 때 변형된 제1 및 제2 전해질(60, 61)이 상기 공기(62)나 오일의 내부로 확산될 수 있다.

상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 질산칼륨(KNO3)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 소정의 전압에 의해 제어되어 그 형상이 가변될 수 있다. 이와 같이 전압에 의해 액체가 제어되는 현상을 전기적 흡습이라 부른다고 이미 앞서 언급한 바 있다. 본 발명에서는 이러한 전기적 흡습을 이용하여 액체를 제어하여 가변적인 렌즈 기능을 구현할 수 있다.

이때, 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)이 상기 하부 유리 기판(51) 및 상 부 유리 기판(52)의 내부 표면에 형성될 수 있다. 또한, 소수성 매질(64)이 상기 측벽(53)의 내부 표면을 따라 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)에 의해 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 각각 상기 상부 및 하부 유리 기판(51, 52)에 보다 견고하게 부착될 수 있으며, 또한 상기 소수성 매질(64)에 의해 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 상기 측벽(53)으로부터 밀려나게 되어 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)의 형상이 반구 형태로 일정하게 유지될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈소자에서는 모두 6개의 전극(54 내지 59)이 사용된다. 상세히 설명하면, 상기 하부 유리 기판(51) 상에 제1 및 제2 전극(54, 55)이 형성되고, 상기 측벽(53)의 내면 하측에 제3 전극이 형성된다. 또한, 상기 상부 유리 기판(52) 상에 제4 및 제5 전극(57, 58)이 형성되고, 상기 측벽(53)의 내면 상측에 제6 전극(59)이 형성된다.

이를 상세히 설명하면, 상기 하부 유리 기판(51)의 상부 표면의 중심 영역에 제1 전극(54)이 형성된다. 이때, 상기 제1 전극(54)의 면적은 상기 제1 전해질(60)이 상기 하부 유리 기판(51) 상에 접촉되는 면적과 거의 동일하도록 형성하는 것이 바람직하다. 상기 상부 유리 기판(52)의 상부 표면의 중심 영역에 제4 전극(57)이 형성된다. 상기 제4 전극(57)의 면적은 상기 제2 전해질(61)이 상기 상부 유리 기판(52) 상에 접촉되는 면적과 거의 동일하도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 하부 유리 기판(51)의 내부 표면의 외곽 테두리 영역에 제2 전극(55)이 형성되고, 상기 상부 유리 기판(52)의 내부 표면의 외곽 테두리 영역에 제5 전극(58)이 형성된다. 이때, 상기 제2 및 제5 전극(55, 58)은 외부로 노출되도록 연장 형성될 수 있 다. 이와 같이 상기 제2 및 제5 전극(55, 58)을 외부로 노출시킴으로써, 노출된 각 전극(55, 58)에 외부의 전압원을 용이하게 연결시킬 수 있다. 도 2에 도시되지 않았지만, 상기 제1 및 제4 전극(54, 57)도 각각 외부로 노출되도록 연장 형성시킬 수 있다. 상기 제3 및 제6 전극(56, 59)은 상기 측벽(53)의 내면에 형성되는 한편, 상기 측벽(53)의 내면으로부터 외부로 연장되어 상기 측벽(53)의 외면에 형성될 수 있다. 상기 제3 전극(56)은 상기 측벽(53)의 내면 하측에 형성되어 하측 밑면을 통해 외부로 연장되어 상기 측벽(53)의 외면 하측에 형성된다. 상기 제6 전극(59)은 상기 측벽(53)의 내면 상측에 형성되어 상측 윗면을 통해 외부로 연장되어 상기 측벽(53)의 외면 상측에 형성된다. 상기 제3 전극(56)은 상기 측벽(53)의 하측 내면 전체에 형성되고, 상기 제6 전극(59)은 상기 측벽(53)의 상측 내면 전체에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제3 및 제6 전극(56, 59)은 서로간의 쇼트를 방지하기 위해 소정 거리 이격되어 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제3 및 제6 전극(56, 59) 사이에 이격된 부분에 절연성 매질인 소수성 매질(64)이 형성되게 됨으로써, 상기 제3 및 제6 전극(56, 59)은 쇼트되지 않게 된다.

이에 따라, 상기 제1 내지 제6 전극(54 내지 59) 각각에 외부의 전압원을 용이하게 연결시킬 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 전극(54, 55) 사이에는 제1 전압(V1)이 인가되고, 상기 제2 및 제3 전극(55, 56) 사이에는 제2 전압(V2)이 인가되고, 상기 제4 및 제5 전극(57, 58) 사이에는 제3 전압(V3)이 인가되며, 상기 제5 및 제6 전극(58, 59) 사이에는 제4 전압(V4)이 인가될 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 친수성을 갖는 제1 친수성 매질(63a)이 상기 제1 전 극(54) 위 그리고 상기 제1 전극(54)과 상기 제2 전극(55) 사이의 간격에 형성되고, 친수성을 갖는 제2 친수성 매질(63b)이 상기 제4 전극(57) 위 그리고 상기 제 4전극(57)과 제5 전극(58) 사이의 간격에 형성된다. 상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)은 증착을 이용하여 층으로 형성하거나 또는 미리 제작된 필름으로 부착될 수 있다. 상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)로는 ZnO 또는 TiO2 중 하나가 사용될 수 있다. 상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)은 말 그대로 액체에 친한 매질을 의미하는 것으로, 액체를 잡아당기는 힘이 작용하게 된다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b) 각각에 보다 단단하게 부착되려는 경향을 가지게 된다. 이 때, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)의 표면장력으로 인해 제1 및 제2 전해질(60, 61)의 중심에서 표면장력이 강하고 제1 및 제2 전해질(60, 61)의 테두리에서 표면장력이 약해지게 된다. 그 결과로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전해질(60, 61)이 반구 형태로 이루어져 상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)에 부착되게 된다. 즉, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 전압이 인가되지 않을 때 기본적으로 볼록 렌즈 형상으로 변형된다.

소수성을 갖는 소수성 매질(64)이 상기 제3 및 제6 전극(56, 59)이 형성된 측벽(53)의 내면을 따라 형성된다. 상기 소수성 매질(64)은 증착을 이용하여 층으로 형성하거나 또는 미리 제작된 필름으로 부착될 수 있다. 상기 소수성 매질(64)로는 10nm의 두께를 갖는 테프론(Teflon) 재질이 사용될 수 있다.

상기 측벽(53)에 형성된 제3 및 제6 전극(56, 59)과 상기 소수성 매질(64) 사이에는 전기적으로 절연되는 절연층(65)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(65)은 11.5um의 두께를 갖는 파릴렌(parylene) 재질이 사용될 수 있다.

상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b) 및 소수성 매질(64)은 절연성 매질로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)은 상기 제1 및 제4 전극(54, 57)과 항시 접촉되게 되므로, 상기 제1 및 제2 친수성 매질(63a, 63b)은 반드시 절연성 매질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 렌즈 소자에서 전압(V1 내지 V4)이 인가되지 않을 때, 상기 상부 유리 기판(52)을 통해 광이 입사되면, 제1 및 제2 전해질(60, 61)이 모두 볼록 렌즈 형상으로 변형됨으로 인해, 입사된 광이 수렴되어 상기 하부 유리 기판(51)을 통해 출력되게 된다. 이때, 상기 하부 유리 기판(51)으로부터 일정 거리 전방에 소정의 초점이 맺혀지게 된다.

먼저, 제1 전압(V1)이 상기 제1 및 제2 전극(54, 55) 사이에 인가된다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 전극(54, 55) 사이에 전계가 발생되고, 이러한 전계에 의해 상기 제1 전해질(60) 내에 존재하는 (+) 전하가 상기 제1 친수성 매질(63a)로 이동되어 상기 제1 친수성 매질(63a)에 (+) 전하가 충전되게 된다. 따라서, 상기 제1 전해질(60)은 보다 단단하게 상기 제1 친수성 매질(63a)에 부착되게 된다. 이때, 상기 제1 전압은 비교적 큰 전압이 인가되고 나머지 구간동안에는 비교적 낮은 전압이 인가되게 된다.

동시에, 제3 전압(V3)이 상기 제4 및 제5 전극(57, 58) 사이에 인가된다. 이에 따라, 상기 제4 및 제5 전극(57, 58) 사이에 전계가 발생되고, 이러한 전계에 의해 상기 제2 전해질(61) 내에 존재하는 (+) 전하가 상기 제2 친수성 매질(63b)로 이동되어 상기 제2 친수성 매질(63b)에 (+) 전하가 충전되게 된다. 따라서, 상기 제2 전해질(61)은 보다 단단하게 상기 제2 친수성 매질(63b)에 부착되게 된다. 이때, 상기 제3 전압(V3)은 비교적 큰 전압이 인가되고 나머지 구간 동안에는 비교적 낮은 전압이 인가되게 된다.

이어서, 제2 전압(V2)이 상기 제2 및 제3 전극(55, 56) 사이에 인가된다. 이에 따라, 상기 제2 및 제3 전극(55, 56) 사이에 전계가 발생되고, 이러한 전계에 의해 상기 제1 전해질(60) 내에 존재하는 (+) 전하가 상기 측벽(53)의 내면에 형성된 소수성 매질(64)로 이동되어 상기 소수성 매질(64)에 (+) 전하가 충전되게 된다. 따라서, 상기 제1 전해질(60)은 상기 측벽(53) 방향으로 이동되게 되어 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전해질(60)의 형상이 가변되게 된다. 이때, 상기 제2 전압(V2)의 세기가 강해질수록 상기 제1 전해질(60)은 점점 더 상기 측벽(53) 방향으로 이동되게 되어 오목 렌즈 형상으로 변형되게 된다.

동시에, 제4 전압(V4)이 상기 제5 및 제6 전극(58, 59) 사이에 인가된다. 이에 따라, 상기 제5 및 제6 전극(58, 59) 사이에 전계가 발생되고, 이러한 전계에 의해 상기 제2 전해질(61) 내에 존재하는 (+) 전하가 상기 측벽(53)의 내면에 형성된 소수성 매질(64)로 이동되어 상기 소수성 매질(64)에 (+) 전하가 충전되게 된다. 따라서, 상기 제2 전해질(61)은 상기 측벽(53) 방향으로 이동되게 되어 제2 전 해질(61)의 형상이 가변되게 된다. 이때, 상기 제4 전압(V4)의 세기가 강해질수록 상기 제2 전해질(61)은 점점 더 상기 측벽(53) 방향으로 이동되게 되어 오목 렌즈 형상으로 변형되게 된다.

이때, 제2 및 제4 전압(V2, V4)은 서로 동일한 전압으로 동시에 인가될 수 있다. 또는 상기 제2 및 제4 전압(V2, V4)은 서로 상이한 전압으로 개별적으로 인가될 수 있다. 또는 상기 제2 및 제4 전압(V2, V4)은 서로 동일한 전압으로 개별적으로 인가될 수 있다. 또는 상기 제2 및 제4 전압(V2, V4)은 서로 상이한 전압으로 동시에 인가될 수 있다.

이와 같이, 제2 및 제4 전압(V2, V4)을 서로 동일한 전압으로 또는 상이한 전압으로 그리고 동시에 또는 개별적으로 인가되도록 함으로써, 상기 제1 및 제2 전해질(60, 61)의 형상을 다양하게 변형시켜 상기 챔버 내로 입사된 광을 보다 정밀하게 제어하여 출사되도록 할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 및 제4 전압(V2, V4)이 동일한 전압으로 동시에 인가되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전해질(60, 61)은 오목 렌즈 형상으로 변형된다. 이에 따라, 상기 공기(62)나 오일은 자동적으로 볼록 렌즈 형상으로 변형되게 된다. 이러한 경우, 상기 제2 전해질(61) 내로 입사된 광은 확산되어 상기 공기(62)나 오일 및 제1 전해질(60)을 통해 외부로 출사될 수 있다. 이때, 상기 제2 전압(V2)이 인가되지 않은 경우, 상기 제1 전해질(60)은 기본적인 형상인 오몰 렌즈 형상으로 존재하게 된다. 이러한 경우, 상기 제2 전해질(61)에 의해 확산된 광은 다시 상기 제1 전해질(60)에 의해 수렴되어 외부로 출사될 수 있다.

이상과 같이 소정의 전압에 따른 전계에 의해 전재질의 형상을 가변시켜 광을 출사각을 제어하는 렌즈 소자는 카메라 폰이나 디지털 카메라 등의 렌즈 모듈 등에 적용될 것으로 기대된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래에 2개의 액체 매질을 사용하던 것을 하나의 전해질만을 사용함으로써, 구성을 단순화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 전해질 근처에 전극을 형성함으로써, 전계가 전해질에 직접적으로 영향을 미치게 하여 전해질의 형상을 원하는 바대로 변형시켜 출사 광을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 굴절률 차이가 큰 전해질과 공기를 이용함으로써, 비교적 적은 전압으로 보다 정밀한 광 출사 제어가 가능하게 되므로 소비전력을 줄일 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims

제1 기판, 제2 기판 및 측벽으로 이루어진 챔버;

상기 챔버 내에 충진된 도전성을 갖는 제1 매질 및 비도전성을 갖는 제2 매질;

상기 제1 기판에 형성된 제1 및 제2 전극;

상기 측벽에 형성된 제3 전극;

상기 제1 기판 상에 형성된 친수성 매질; 및

상기 제2 기판 및 상기 측벽에 형성된 소수성 매질

을 포함하고,

상기 제1 및 제2 전극 사이에 제1 전압이 인가되고, 상기 제2 및 제3 전극 사이에 제2 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 매질은 전해질이고, 상기 제2 매질은 공기인 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제2항에 있어서, 상기 전해질은 질산칼륨으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 중심 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 외곽 테두리 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 제3 전극은 상기 측벽의 내면을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 전극은 각각 외부로 노출되도록 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 친수성 매질은 ZnO 또는 TiO2 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 친수성 매질은 상기 제1 전극의 위 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 간격에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 소수성 매질과 상기 제3 전극 사이에는 전기적으로 절연된 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제10항에 있어서, 상기 절연층은 5-30um의 두께를 갖는 파릴렌 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 각 전압들이 인가되지 않을 때, 상기 제1 매질은 볼록 렌즈 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1 항에 있어서, 상기 제1 전압에 의해 상기 제1 매질은 상기 제1 기판 상에 견고하게 부착되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항에 있어서, 상기 제2 전압에 의해 상기 제1 매질은 오목 렌즈 형상으로 변형되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1 기판, 제2 기판 및 측벽으로 이루어진 챔버;

상기 챔버 내에 충진된 도전성을 갖는 제1 및 제2 매질 및 비도전성을 갖는 제3 매질;

상기 제1 기판에 형성된 제1 및 제2 전극;

상기 측벽에 형성된 제3 및 제6 전극;

상기 제2 기판에 형성된 제4 및 제5 전극;

상기 제1 및 제2 기판 상에 각각 형성된 제1 및 제2 친수성 매질; 및

상기 측벽에 형성된 소수성 매질

을 포함하고,

상기 제1 및 제2 전극 사이에 제1 전압이 인가되고, 상기 제2 및 제3 전극 사이에 제2 전압이 인가되고, 상기 제4 및 제5 전극 사이에 제3 전압이 인가되고, 상기 제5 및 제6 전극 사이에 제4 전압이 인가되며, 상기 챔버 내에 제1 매질, 제3 매질 및 제2 매질의 순서로 충진되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항 또는 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 기판은 투명성 절연 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항 또는 제15항에 있어서, 상기 측벽은 비투명성 절연 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제1 및 제3 매질은 전해질이고, 상기 제2 매질은 공기 또는 오일 중 하나인 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제18항에 있어서, 상기 전해질은 질산칼륨으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 중심 영역에 형성되고, 상기 제4 전극은 상기 제2 기판의 상부 표면의 중심 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 제1 기판의 상부 표면의 외곽 테두리 영역에 형성되고, 상기 제5 전극은 상기 제2 기판의 상부 표면의 외곽 테두리 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제3 전극은 상기 측벽의 하측 내면을 따라 형성되고, 상기 제6 전극은 측벽의 상측 내면을 따라 형성되고, 상기 제3 전극과 상기 제6 전극 사이에는 소정 간격 이격되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제1 내지 제6 전극은 각각 외부로 노출되도록 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 친수성 매질은 ZnO 또는 TiO2 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제1 친수성 매질은 상기 제1 전극의 위 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 간격에 형성되고, 상기 제2 친수성 매질은 상기 제4 전극의 위 및 상기 제4 및 제5 전극 사이의 간격에 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제1항 또는 제15항에 있어서, 상기 소수성 매질은 5-30nm의 두께를 갖는 테프론 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 소수성 매질과 상기 제3 및 제6 전극 사이에는 전기적으로 절연된 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제27항에 있어서, 상기 절연층은 5-30um의 두께를 갖는 파릴렌 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 각 전압들이 인가되지 않을 때, 상기 제1 및 제3 매질 각각은 볼록 렌즈 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제1 전압에 의해 상기 제1 매질은 상기 제1 기판 상에 견고하게 부착되고, 상기 제3 전압에 의해 상기 제3 매질은 상기 제2 기판 상에 견고하게 부착되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항에 있어서, 상기 제2 전압에 의해 상기 제1 매질은 오목 렌즈 형상으로 변형되고, 상기 제4 전압에 의해 상기 제3 매질은 오목 렌즈 형상으로 변형되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항 또는 제31항에 있어서, 상기 제2 및 제4 전압은 동일한 전압으로 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항 또는 제31항에 있어서, 상기 제2 및 제4 전압은 상이한 전압으로 개별적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항 또는 제31항에 있어서, 상기 제2 및 제4 전압은 동일한 전압으로 개별적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.
제15항 또는 제31항에 있어서, 상기 제2 및 제4 전압은 상이한 전압으로 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 렌즈 소자.