KR20070008921A - 액체렌즈 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초점거리의 조절 시간을 단축하기 위한 액체렌즈에 관한 것이다.

본 발명은 실린더에 저장된 액체에 교류전압을 인가하여 초점거리를 조절하는 액체렌즈의 구동방법에 있어서, 상기 교류전압의 진동수는 상기 교류전압의 크기에 반비례하여 감소하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 구동방법을 제공한다.

따라서, 본 발명에 의하면 액체렌즈에 인가되는 교류 주파수를 각 구동 전압에 대해 최적화하여, 액체렌즈의 구동시간을 단축할 수 있다.

액체렌즈, 교류전압

Description

액체렌즈 및 그 구동방법{A liquid lens and A driving method of it}

도1은 전기 습윤 현상을 나타낸 모식도.

도2는 액체렌즈에 인가된 직류전원의 파형

도3a는 본 발명에 따른 액체렌즈에 인가된 교류전압의 제1실시예를 나타낸 도면.

도3b는 본 발명에 따른 액체렌즈에 인가된 교류전압의 제2실실시예를 나타낸 도면.

도4는 본 발명에 따른 교류전압 인가 장치가 구비된 액체렌즈의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 절연층 110 : 전극층

120 : 전압이 인가되지 않았을 때의 전해질 액체의 곡면

130 : 전압이 인가되었을 때의 전해질 액체의 곡면

415 : 실린더 420 : 제2전극층

430 : 절연층 435 : 제2플레이트

440 : 접착층 445 : 소수성 물질층

450 : 제2액체 455 : 제1액체

460 : 제1전극층 470 : 제1플레이트

본 발명은 렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기계적 구동 없이 초점거리를 조절하기 위한 액체렌즈에 관한 것이다.

종래에 사용되던 카메라에 사용되는 플라스틱이나 유리렌즈는 초점거리의 변화를 주기 위해서, 모터 등의 기계적 구동을 통하여 렌즈를 이동하여 주어야 했다.

반면 실린더의 내부에 액체를 저장한 액체렌즈의 경우에는, 전기습윤 현상을 이용하여 표면층의 평형 wetting조건을 변화시킴으로써 초점거리를 조절하는 것이 가능하므로 기계적인 구동 없이 초점조절을 하는 것이 가능하다.

액체렌즈의 원리는 눈이 초점거리를 맞추는 것과 같은 방식이다.

즉 눈은 가까운 곳을 볼 때는 수정체를 두껍게 변화시켜 볼록 렌즈 형태로 변화하고, 먼 곳을 볼 때는 수정체를 얇게 변화시켜 평면이나 오목렌즈와 같은 형태로 만든다.

액체렌즈에 있어서 실린더의 내부에 저장된 액체의 두께를 변화시켜야 하는 바, 이를 위해서 전기습윤 현상을 이용하는데 이하에서 검토한다.

전기습윤이란 전해질 액체의 표면장력을 전기를 가함으로써 변화시키는 현상으로, 가브리엘 리프만 박사에 의해 발견되었다.

가브리엘 리프만 박사는 수조에 물을 담근 후 그 안에 가는 관을 넣으면, 상기 관 안의 수면이 상기 수조 안의 수면보다 더 높게 올라가는 모세관 현상에서, 벽면이 금속으로 된 수조와 관을 사용하여 수조와 모세관 속 물에 전기를 통하게 함으로써 관 안의 수면 높이에 변화를 일으킨 전기 모세관 현상을 구현하였다.

그러나, 상기 현상은 1V 정도의 낮은 전압에서만 발견되었는데, 이는 전압이 높아지면 전기가 흘러서 물이 전기분해되어서 기포가 발생하기 때문이다.

프랑스의 물리학자인 Bruno Berge 박사는 높은 전압에서 표면 장력을 제어할 수 없었던 상기의 문제점을 해결하였다.

Bruno Berge 박사는 금속과 물이 바로 접하지 않도록 금속의 표면에 수 ㎛ 정도 두께의 절연체 층을 코팅한 후, 그 위에 물방울을 떨어뜨리고 금속판과 물방울에 전기를 가하는 경우 인가하는 전압의 크기에 따라 물방울의 표면모양이 바뀌는 것을 확인하였다.

즉, 절연체를 중간에 삽입하는 경우 낮은 전압뿐 만 아니라, 수십 V에서도 물방울의 표면 모양을 조절할 수 있게 되었다.

도1은 전기습윤 현상을 나타낸 모식도이다.

전극(110) 위에 절연층(100)이 코팅되어 있으며, 전압이 인가되지 않았을 때는 액체의 곡률이 크나(120) 전압이 인가되었을 때는 상기 액체의 곡률이 상대적으로 더 작아진다.(130)

그러나, 상술한 전기습윤 현상을 이용하여 액체렌즈를 제작하여 사용할 때 다음과 같은 문제점이 있었다.

도2는 액체렌즈에 인가되는 직류전압의 파형을 나타낸 것이다.

도2에서 시간이 경과함에 따라 실린더 내부에 저장된 액체에 인가되는 전압 은 급격히 변하는데, 이 때 실린더 내부에 저장된 액체에 전하가 충분히 인가되어 이론적인 곡률을 이루는 데는 수 초가 소요된다.

즉, 전해질 물질이 용해된 액체에 전압을 인가한 시점부터 액체의 곡률이 변하는 시점까지 시간이 수 초(second) 가량 소비되므로, 디지탈 카메라 및 카메라폰 등에 내장되어 신속한 초점 조절이 필요한 액체렌즈의 경우 사용상 불편한 점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 교류전압 인가 장치를 구비한 액체렌즈를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 액체렌즈에 있어서, 실린더 내부에 저장된 액체에 인가되는 교류전압의 주파수를 각 구동전압에 대해 최적화하여 액체렌즈를 구동시키는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 실린더에 저장된 액체에 교류전압을 인가하여 초점거리를 조절하는 액체렌즈의 구동방법에 있어서, 상기 교류전압의 진동수는 상기 교류전압의 크기에 반비례하여 감소하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 구동방법을 제공한다.

본 발명은 실린더에 저장된 액체로 초점거리를 조절하는 액체렌즈에 있어서, 차례로 배열되는 제1,2플레이트와 상기 제1,2플레이트의 사이에 구비되는 실린더와 상기 제1플레이트의 상부면에 구비된 제1전극층와 상기 실린더의 표면에 구비된 제 2전극층와 상기 제2전극층의 표면에 구비된 절연층 및 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층에 연결된 교류전압 인가 장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체렌즈를 제공한다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

전기습윤 현상을 이용한 종래의 액체렌즈를 설명하면 다음과 같다.

전기습윤 현상을 이용한 액체렌즈는 실린더의 내부에 굴절율이 서로 다르고 섞이지 않는 액체 두 종류를 채우고, 실린더의 상/하부를 투명한 판으로 된 제1플레이트/제2플레이트로 밀봉하여 렌즈의 역할을 하게 만든다.

상기 두 종류의 액체 중 한 종류는 절연성, 무극성을 나타내는 Oil류이고, 다른 한 종류는 전기가 통하는 전해질 물질이 용해된 수용액을 이용하며, 중력의 영향을 받지 않기 위해 밀도가 동일한 액체를 사용한다.

상기 실린더는 전극으로 코팅되어 있으며, 상기 전극의 외부에는 절연체가 코팅되어 있어서 상기 실린더 내부에 저장된 액체에 전류가 흐르는 것을 방지한다.

상기 실린더에 전극을 배선하고 상기 전도성 수용액의 판 쪽에는 상기 실린더에 배선된 전극과 반대 극성의 전극을 설치한 후, 상기 실린더에 배선된 전극과 상기 반대 극성의 전극 사이에 전압 인가 장치를 연결하면 전체적으로 하나의 축전기와 같은 구조가 된다.

상기 실린더 내부에 저장된 액체에 전압을 가하는 경우, 상기 전도성 수용액의 표면 장력이 변화하여 두 액체 사이의 곡률이 변화하므로 빛을 굴절시켜 렌즈의 역할을 하게 된다.

상기 두 액체 사이의 곡률은 다음과 같다.

상기 θ°는 전압을 인가하지 않았을 때, 즉 액체가 표면 장력에 의해 곡면을 이룰 때 상기 액체와 액체가 놓인 판이 이루는 각도를 나타낸다.

상기 θ는 전압이 인가되었을 때, 전기습윤 현상에 의해 액체의 표면장력이 커졌을 때의 상기 액체와 액체가 놓인 판이 이루는 각도이다.

상기 d는 절연층의 두께이고, 상기 ε은 유전율을 나타내고, 상기ε。는 진공에서의 유전율이다.

상기 V는 상기 액체에 인가된 전압이고, 상기 γ는 상기 액체의 표면장력의 크기를 나타낸 것이다.

따라서, 상기 액체에 인가된 전압이 더 클수록, 상기 액체와 상기 액체가 놓인 판이 이루는 각도가 작아진다.

즉, 더 강한 전압을 인가할수록 더 납작한 형태를 이루게 되어, 상기 액체에 빛이 입사될 때 굴절되는 정도가 변한다.

도3a는 본 발명에 따른 액체렌즈에 인가된 교류전압의 제1실시예를 나타낸 도면이고, 도3b는 본 발명에 따른 액체렌즈에 인가된 교류전압의 제2실실시예를 나타낸 도면이다.

도3a 및 도3b를 참조하여, 본 발명에 따른 액체렌즈의 구동방법을 설명하면 다음과 같다.

실린더 내부에 저장된 액체에 교류전압이 인가되며, 상기 교류전압의 크기에 따라 상기 교류전압의 진동수가 달라진다.

이 때, 도3a 및 도3b에 도시된 것처럼 상기 실린더에 저장된 액체에 인가되는 교류전압의 크기가 커질수록 상기 진동수를 작게 하면, 상기 액체가 수학식 1과 같은 곡률을 이루는 데 걸리는 시간이 작아진다.

즉, 상기 액체렌즈의 초점거리를 사용자가 원하는대로 조정할 수 있는 시간이 단축된다.

구체적으로 종래의 방법처럼 직류전압을 액체렌즈에 인가할 경우 초점거리 조절에는 수 초(second)가 소요된다.

그러나, 본 발명에 따른 방법으로 상기 실린더에 저장된 액체에 교류전압을 인가하고, 상기 교류전압의 크기가 커질수록 진동수를 작게 조절하면 초점거리의 조절에는 수 백 분의 일 초(second) 밖에 소모되지 않는다.

상기 교류전압이 0 V 정도일 때, 상기 진동수는 2MHz(메가 헤르쯔)정도로 조정함이 바람직하다.

즉, 상기 액체렌즈에서 실린더에 저장된 액체는 캐패시터의 역할을 하므로, 교류전압을 인가할 때 방전효과를 높이기 위해 구동 속도를 빠르게 해야 하며, 이 를 위해 교류전압이 낮아질수록 진동수를 높이는 것이다.

도4는 본 발명에 따른 직류전압 인가 장치가 구비된 액체렌즈의 단면도이다.

도4를 참조하여, 본 발명에 따른 액체렌즈를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 액체렌즈는 제1,2플레이트(470,435)가 차례로 구비되고, 상기 제1,2플레이트(470,435)의 사이에 실린더(415)가 구비되고, 상기 제1플레이트(470)의 상부면에는 제1전극층(460)이 구비되고, 상기 실린더(415)의 표면에는 제2전극층(420)이 구비되며, 상기 제2전극층(420)의 표면에 구비된 절연층(430)이 구비되며, 상기 제1전극층(460) 및 상기 제2전극층(420)에 교류전압 인가 장치가 연결된다.

또한, 상기 실린더(415)의 내부측면과 상부면에는 소수성 물질층(445)가 형성되는데, 이는 상기 실린더(415) 내부에 저장된 제1,2액체(455,450)가 실린더의 내부 표면에 접하는 접촉각을 크게 하여, 전압을 인가할 때 전기습윤 현상에 따라 상기 제1,2액체(455,450)의 곡률이 원활하게 바뀌게 하기 위함이다.

상기 실린더(415)와 상기 제1,2플레이트(470,435)의 사이에는 접착층(440)이 형성되는데, 종래에는 광학용 접착제를 이용했으나 최근에는 NCF(Non-conductive film) 등을 이용하려는 노력이 있다.단

바람직하게는, 상기 교류전압 인가 장치의 진동수는 상기 교류전압의 크기가 커질수록 감소한다.

바람직하게는, 상기 교류전압 인가 장치의 진동수는 상기 교류전압의 크기가 0 V 일때 2MHz(메가 헤르쯔) 정도이다.

따라서, 상술한 액체렌즈는 초점거리의 조절 시간을 단축할 수 있다.

구체적으로 종래의 방법처럼 직류전압을 액체렌즈에 인가할 경우 초점거리 조절에는 수 초(second)가 소요된다.

그러나, 본 발명에 따른 방법으로 상기 실린더에 저장된 액체에 교류전압을 인가하고, 상기 교류전압의 크기가 커질수록 진동수를 작게 조절하면 초점거리의 조절에는 수 백 분의 일 초(second) 밖에 소모되지 않는다.

즉, 상기 액체렌즈에서 실린더에 저장된 액체는 캐패시터의 역할을 하므로, 교류전압을 인가할 때 방전효과를 높이기 위해 구동 속도를 빠르게 해야 하며, 이를 위해 교류전압이 낮아질수록 진동수를 높이는 것이다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하도 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 액체렌즈 및 액체렌즈의 구동방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 액체렌즈 및 액체렌즈의 구동방법에 의하면, 실린더 내부에 저장된 액체에 인가되는 교류전압의 주파수를 각 구동전압에 대해 최적화하여, 상기 실린더 내부에 저장된 액체의 초점거리가 변하는 시간이 단축된다.

Claims (5)

1. 실린더에 저장된 액체에 교류전압을 인가하여 초점거리를 조절하는 액체렌즈의 구동방법에 있어서,

   상기 교류전압의 진동수는 상기 교류전압의 크기에 반비례하여 감소하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 구동방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 교류전압이 0 V(볼트)일 때, 상기 진동수는 2 MHz(메가 헤르쯔)인 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 구동방법.
3. 실린더에 저장된 액체로 초점거리를 조절하는 액체렌즈에 있어서,

   차례로 배열되는 제1,2플레이트;

   상기 제1,2플레이트의 사이에 구비되는 실린더;

   상기 제1플레이트의 상부면에 구비된 제1전극층;

   상기 실린더의 표면에 구비된 제2전극층;

   상기 제2전극층의 표면에 구비된 절연층; 및

   상기 제1전극층 및 상기 제2전극층에 연결된 교류전압 인가 장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
4. 제3항에 있어서,

   상기 교류전압 인가 장치의 진동수는 상기 교류전압의 크기에 반비례하여 감소하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
5. 제4항에 있어서,

   상기 교류전압 인가 장치의 전압이 0 V(볼트)일 때, 상기 진동수는 2 MHz(메가 헤르쯔)인 것을 특징으로 하는 액체렌즈.

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