KR20080035252A - 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 습윤 현상을 이용한 액체 렌즈에 있어서 수평 방향으로도 촛점을 형성할 수 있는 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈에 관한 것이다.

본 발명의 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈는 일정한 두께의 유전체막으로 이루어진 원통형의 챔버; 상기 챔버 내부에 상층을 이루는 소수성 매질; 상기 챔버의 하층을 이루는 전자기유체; 상기 챔버의 측벽의 외부에 부착하여 설치된 측면 전극; 및 상기 챔버의 상면의 외부에 메트릭스 형태로 설치된 다수의 미소 전극;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈에 의하면 메트릭스 형태의 미소 전극을 형성함으로써 수직 방향으로 초점을 조절할 수 있어 3가지 축방향에 대하여 촛점위치 변경이 가능하다는 효과가 있다.

액체 렌즈(liquid lens), 가변 촛점, 미소 전극, ITO

Description

삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈{Liquid lens making focal point in 3-dimensional space}

도 1은 종래의 가변 포커스 액체 렌즈의 개략적인 단면도,

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 렌즈의 사시도,

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 렌즈의 단면도,

도 3은 수직방향으로 촛점이 형성되는 것을 설명하는 단면도,

도 4는 수평방향으로 촛점이 형성되는 것을 설명하는 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 절연 액체 방울 12 : 유전 챔버

13 : 도전성 액체 14 : 표면 처리

15 : 접촉 영역 16 : 측면 전극

17 : 제2 전극

100 : 챔버 110 : 소수성 매질

120 : 전자기유체 130 : 측면 전극

140 : 미소 전극

본 발명은 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 습윤 현상을 이용한 액체 렌즈에 있어서 수평 방향으로도 촛점을 형성할 수 있는 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈에 관한 것이다.

최근 들어 종래의 카메라처럼 초점 거리를 맞추기 위해 모터를 이용해 렌즈의 거리를 변화시키는 방식과는 달리, 마치 사람의 눈과 같은 액체렌즈(liquid lens)를 사용하는 제품의 개발이 진행되고 있다.

액체렌즈란 평평한 전극을 보호하는 유전체 박막 상에 배치된 도전성 액체 방울로 이루어진 소자를 말한다. 도전성 액체방울과 전극 사이에 전압이 인가될 때, 상기 도전성 액체 방울의 형상이 전기 습윤(electrowetting)에 의하여 변하는 현상을 이용한 것이다.

전기 습윤(electrowetting) 현상이란 계면에 존재하는 전하를 조절하여 계면의 장력이 변화하는 현상을 의미한다. 이러한 전기 습윤 현상은 기본적으로 전기장의 변화를 이용하므로 응답 속도가 매우 빠르고 비교적 낮은 전압에서 구동될 수 있으며 소형화할 수 있는 장점이 있다.

이러한 전기 습윤 현상을 이용하여 액체 렌즈, 디스플레이 장치, 광학 장치, MEMS(micro-electro mechanical systems) 분야 등에 폭 넓게 활용 및 연구되어 지고 있다.

예를 들어 미국 특허 제6,369,954는 가변 포커스 렌즈를 개시하고 있는데, 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 습윤이 낮다. 상기 도전성 액체(13)에 대해 상기 유전 챔버(12)의 벽의 높은 습윤을 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.

따라서 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 측면 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 있 다.

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

그러나 종래의 기존 습윤 현상을 이용한 액체 렌즈는 수직(vertical) 방향의 초점 조절로만 활용되어 왔을 뿐, 수평(horizontal) 방향으로 초점을 조절할 수 없다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 수직(vertical) 방향뿐만 아니라 수평(horizontal) 방향으로 초점을 조절할 수 있어 3가지 축방향에 대하여 촛점위치 변경이 자유로운 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈는 일정한 두께의 유전체막으로 이루어진 원통형의 챔버; 상기 챔버 내부에 상층을 이루는 소수성 매질; 상기 챔버의 하층을 이루는 전자기유체; 상기 챔버의 측벽의 외부에 부착하여 설치된 측면 전극; 및 상기 챔버의 상면의 외부에 메트릭 스 형태로 설치된 다수의 미소 전극;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소수성 매질은 오일이고 상기 전자기 유체는 질산칼륨 수용액인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측면 전극 및 미소 전극은 ITO, ZnO, CdO 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 챔버는 투명유리 또는 석영 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 렌즈의 사시도이고, 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 액체 렌즈의 단면도이고, 도 3은 수직방향으로 촛점이 형성되는 것을 설명하는 단면도이고, 도 4는 수평방향으로 촛점이 형성되는 것을 설명하는 단면도이다.

첨부된 도 2a 내지 도 2b에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈는 챔버(100), 소수성 매질(110), 전자기유체(120), 측면 전극(130) 및 미소 전극(140)을 포함하여 이루어져 있다.

상기 챔버(100)는 일정한 두께의 유전체막으로 이루어진 원통 형상의 것으로서, 내부의 측벽 및 상면은 소수성 물질로 코팅이 되고 저면은 친수성 물질로 코팅이 되어 있다.

상기 소수성 매질(110)은 상기 챔버(100) 내부의 상층을 이루는 액체 물질이고, 상기 전자기유체(120)는 상기 챔버(100)의 하층을 이루는 액체 물질이다.

상기 측면 전극(130)은 상기 챔버(100)의 측벽의 외부에 부착하여 설치된 전극이고, 상기 미소 전극(140)은 상기 챔버(100)의 상면의 외부에 설치된 전극으로 메트릭스(matrix) 형태로 이루어진다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈는 소정의 지름과 높이를 가지는 원통 형상의 챔버(100)에 전자기유체(120)와 소수성 매질(110)을 넣어 형성된다. 상기 원통 내부의 측벽 및 상면은 소수성 물질로 코팅이 되어 있기 때문에 상기 전자기유체(120) 보다 소수성 매질(110)과 더 친하다.

따라서 열역학적으로 가장 안정된 전자기유체의 모양은 첨부된 도 2b에 도시한 바와 같이 가운데가 위로 볼록한 형태로 존재하는 것이다.

첨부된 도 3에 도시한 바와 같이, 메트릭스 형태로 이루어진 미소 전극(140)간에 서로 상이한 전압을 액체렌즈의 축에 대칭적으로 인가하면 상기 전자기유체(120)는 친수성(hydrophilicity)이 줄어들어 옆으로 퍼져 납작해진다.

만약 여기에 전기장이 더 강해지면 원통 내부의 측벽 및 상면은 소수성 물질보다 전자기유체에 더 친해지고, 소수성 물이 가운데로 몰려 결국 전자기유체의 모양은 아래로 볼록한 모양이 될 수 있다.

그런데, 만약 메트릭스 형태로 이루어진 미소 전극(140)간에 서로 상이한 전압을 액체렌즈의 축에 비대칭적으로 인가하면 상기 전자기유체(120)의 친수성은 국부적으로 감소하게 되어 전자기유체(120)와 소수성 매질(110)의 경계를 이루는 곡 면의 곡률 반경은 국부적으로 차이가 발생하여 첨부된 도 4에 도시한 바와 같이 수평방향으로 촛점을 형성하는 것이다.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈의 소수성 매질은 오일(oil)이고 상기 전자기 유체는 질산칼륨(KNO₃) 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈의 측면 전극 및 미소 전극은 빛이 투과할 수 있는 ITO(indium Tin Oxide), ZnO, CdO 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈의 챔버는 빛이 잘 투과할 수 있는 투명유리 또는 석영(quartz) 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.

따라서 본 발명은 3축의 자유도를 갖는 액체렌즈를 제공하여 종래의 수직 방향으로만의 초점조절의 한계를 극복하는 자유로운 초점위치 변경이 가능한 것이다. 특히 메트릭스 형태의 미소 전극을 구비함으로써 구면형상을 원하는 형태로 만들고 이를 통하여 초점의 정도와 광량을 최대화하는 것이 가능하다.

본 발명에서 사용되는 전자기유체는 전자기장하에서 물질의 형상이 달라지는 성질을 가지고 있다. 이를 활용하여 원통형 투명 유리 혹은 석영 안에 전자기유체와 소수성 물질을 함께 넣고, 밀도의 차이에 의해 소수성 물질이 상부에 자리잡게 된다.

그리고 원통형 투명유리 혹은 석영 겉면에 ITO와 같은 투명 전극을 부착하고, 상부전극은 전자기 유체의 원하는 형상의 구면을 형성하기 위해 메트릭스 형태의 전극을 부착하고 각각의 전극에 다른 전압을 인가함으로 전자기유체의 형상을 자유로이 변경된다. 이를 통하여 빛의 굴절방향을 자유로이 변경하여, 3축 방향에 대한 초점위치변경의 자유도를 가지는 액체렌즈를 제작한다.

본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈에 의하면 메트릭스 형태의 미소 전극을 형성함으로써 수직 방향으로 초점을 조절할 수 있어 3가지 축방향에 대하여 촛점위치 변경이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 일정한 두께의 유전체막으로 이루어진 원통형의 챔버; 상기 챔버 내부에 상층을 이루는 소수성 매질; 상기 챔버의 하층을 이루는 전자기유체; 상기 챔버의 측벽의 외부에 부착하여 설치된 측면 전극; 및 상기 챔버의 상면의 외부에 메트릭스 형태로 설치된 다수의 미소 전극;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈.
2. 제1항에 있어서, 상기 소수성 매질은 오일이고 상기 전자기 유체는 질산칼륨 수용액인 것을 특징으로 하는 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈.
3. 제1항에 있어서, 상기 측면 전극 및 미소 전극은 ITO, ZnO, CdO 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈.
4. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 투명유리 또는 석영 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼차원적 가변 촛점의 액체 렌즈.

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