KR20100109730A

KR20100109730A - 액체렌즈 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20100109730A
Application number: KR1020090028141A
Authority: KR
Inventors: 공성호; 김학린
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-11
Also published as: KR101119560B1

Abstract

본 발명은 전기적 신호로 초점조절이 가능한 액체렌즈에 관한 것이다. 본 발명은 측단면의 모양이 반구형인 중공을 가지며, 상기 중공을 이용하여 서로 혼화되지 않고 밀도가 동일한 절연성 액적과 전도성 액적을 수용하는 수용체; 상기 수용체의 하부면과 결합되어, 상기 수용체의 하부면에 수용된 액적에 외부로부터 가해진 압력을 전달하기 위한 유압로가 형성된 유압판; 상기 유압판의 하부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하는 하부기판; 및 상기 수용체의 상부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하고, 상기 유압판의 유압로를 통해 외부로부터 압력이 전달된 경우, 상기 전달된 압력에 대응하여 중앙면이 볼록하게 팽창하는 상부기판;을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 발명은, 종래의 수용체의 구조로 인해 발생하는 단점을 극복함과 더불어 종래에 비해 적은 전압으로 보다 효율적인 초점조절이 가능하고, 또한 유체압을 이용한 렌즈의 초점조절수단을 추가함으로써 보다 넓은 범위의 초점조절이 가능하다.

액체렌즈, 초점조절, 유체압, 수용체, 전기습윤

Description

액체렌즈 및 그의 제조방법{LIQUID LENS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 액체렌즈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전기적 신호로 초점조절이 가능한 액체렌즈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 고성능의 디지탈카메라의 렌즈모듈은 유리로 만든 광학렌즈와 이 광학렌즈를 구동시키는 렌즈 구동장치로 구성되어 있다. 이러한 렌즈모듈은 광학렌즈의 초점 및 배율을 조절하기 위해, 렌즈 구동장치를 이용하여 여러 장의 광학렌즈간의 위치를 조절한다.

이와 같이, 종래의 고성능 디지털카메라는 초점 및 배율을 조절하기 위한 렌즈 구동장치를 장착해야 하기 때문에 디지탈카메라의 부피가 커지는 것을 피할 수 없었고, 고성능 디지탈카메라를 소형화하는 것이 어려웠다.

그래서, 최근, 렌즈 구동장치를 사용하지 않고 렌즈의 초점 및 배율의 조정이 가능한 액체렌즈가 개발되었다. 액체렌즈는 전기습윤(electrowetting) 현상에 의하여 액체방울의 곡률이 조정됨으로써 초점거리가 조절된다. 도1를 참조하여 전기습윤의 원리를 참고적으로 설명한다. 도1에 도시된 바와 같이, 전기적으로 절연 된 절연막(14)의 상부면에 직경 2 mm 이하의 전도성 액적(40)을 떨어뜨리면 도1에 실선으로 나타난 구형을 이루게 되며 절연막(14) 밑의 제1전극(13)과 전해액 방울 사이의 제2전극(15)에 전압을 인가하면 도1에 점선으로 나타난 것처럼 전기습윤 현상이 일어난다. 즉, 전압을 인가하기 전(V=0)의 전도성 액적(40)과 절연막(13)의 상부면 사이의 접촉각(contact angle)를 θ₁ 라고 하고, 전압을 인가했을 때의 접촉각을 θ₂라 하면, 'θ₁ > θ₂'와 같은 식이 성립한다. 이와 같이, 전기습윤 현상은 제1전극(13)과 제2전극(15) 사이의 전도성 액적(40)에 전압(전기장)이 인가된 경우 접촉각이 변하는 현상을 의미한다. 접촉각은 액적(liquid droplet), 액적을 둘러싸는 물질(다른 액체 혹은 공기), 절연막(13)의 상부면 사이의 물질의 특성에 의해 결정 되어지는 고유값이다. 여기서 전도성 액적(40)을 직경 2mm 이하의 액적으로 제한한 것은 액체가 중력보다 계면장력에 의한 힘의 지배를 받게 하기 위해서이다.

도2 및 도3에 도시된 액체렌즈는 종래 개발된 액체렌즈를 도시한 것으로, 동작원리는 위에서 설명한 전기습윤 현상을 이용하여 종래의 렌즈 구동장치를 사용하지 않고 렌즈의 초점 및 배율의 조절이 가능하다.

도2에 도시된 액체렌즈는 원통형 구조의 중공을 가지고 있어 수직 측벽에 의해 전도성 액적(40)과 절연성 액적(50)이 수용되고, 이러한 구조로 인해 외부 충격에 대해 액적(40,50)이 안정적인 장점은 있지만 액적(40,50)의 주입이 어렵다는 단점을 가진다. 도3에 도시된 액체렌즈는 45°로 기울어진 원뿔대 구조의 중공를 가지고 있어 위의 원통형 구조에 비해 액적(40,50) 주입이 용이한 장점은 있지만 중 공에 수용된 액적(40,50)이 외부 충격에 대해 위의 원통형 구조에 비해 불안정한 단점을 가진다.

또한, 종래의 액체렌즈는 수용체를 유리 또는 금속을 이용한 제작방법을 통해 제작한다. 그러나. 이러한 제작방법으로는 수용체의 중공을 보다 정밀하게 제작하는 것에 어느 정도 한계가 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 종래 수용체의 중공의 구조를 개선함으로써 종래의 액체렌즈의 중공의 구조로 인해 발생하는 단점을 극복함과 더불어 종래에 비해 적은 전압으로 보다 효율적인 초점조절이 가능하고, 또한 유체압을 이용한 렌즈의 초점조절수단을 추가함으로써 보다 넓은 범위의 초점조절이 가능한 액체렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 종래와 같이 유리 또는 금속을 통해 수용체를 제작하는 것 대신 반도체 공정기술을 이용하여 종래에 비해 정밀한 수용체의 형성을 가능하게 하고, 대량 생산이 용이한 액체렌즈의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 액체렌즈의 특징은, 전기적 신호로 초점조절이 가능한 액체렌즈에 관한 것으로, 상기 액체렌즈는, 측단면의 모양이 반구형인 중공을 가지며, 상기 중공을 이용하여 서로 혼화되지 않고 밀도가 동일한 절연성 액적과 전도성 액적을 수용하는 수용체; 상기 수용체의 하부면 과 결합되어, 상기 수용체의 하부면에 수용된 액적에 외부로부터 가해진 압력을 전달하기 위한 유압로가 형성된 유압판; 상기 유압판의 하부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하는 하부기판; 및 상기 수용체의 상부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하고, 상기 유압판의 유압로를 통해 외부로부터 압력이 전달된 경우, 상기 전달된 압력에 대응하여 중앙면이 볼록하게 팽창하는 상부기판;을 구비하고, 상기 수용체는, 상기 중공이 형성된 외벽과, 상기 외벽의 내측면에 형성되며 상기 전도성 액적 및 상기 절연성 액적과 접촉하는 제1절연막을 포함하고, 상기 유압로를 통해 가해지는 압력에 대응하여 상기 중공에 수용된 전도성 액적 및 절연성 액적과 상기 상부기판의 형상이 변경되는 것에 의해 상기 초점조절을 수행하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 수용체는, 상기 중공이 형성된 외벽과, 상기 외벽의 내측면에 형성되며 일단이 외부 전원과 연결되는 제1전극과, 상기 제1전극의 표면에 적층형성되며 상기 전도성 액적 및 상기 절연성 액적과 접촉하는 제1절연막과, 상기 제1절연막의 표면의 일부영역에 적층형성되며 일단이 상기 전도성 액적과 접촉되고 타단이 상기 외부 전원과 연결되는 제2전극을 포함하며, 상기 제1전극과 상기 제2전극을 통해 상기 외부 전원으로부터 인가되는 전압에 대응하여 상기 중공에 수용된 절연성 액적과 전도성 액적의 계면의 형상이 변경되는 것에 의해 상기 초점조절을 수행한다. 또한, 상기 반구형 중공은, 상기 초점조절을 위해, 종래 액체렌즈의 원통형 또는 원뿔대형 중공에 비해 보다 작은 전기습윤 전압을 필요로 한다.

여기서, 상기 수용체의 중공의 내측면의 곡률은 상기 절연성 액적과 상기 전 도성 액적의 메니스커스가 최소가 되는 값으로 정해지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수용체에 수용되는 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 양의 비율은 상기 수용되는 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 메니스커스가 최소가 되는 값으로 정해진다.

그리고, 상기 상부기판은 탄성 고분자 멤브레인으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 수용체는, 상기 외벽의 내측면과 제1전극 사이에 게재된 제2절연막을 구비한다.

그리고, 상기 수용체는, 상기 제1절연막과 상기 절연성 액적 및 전도성 액적의 접촉면에 형성된 소수성 박막을 구비한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 액체렌즈의 제조방법의 특징은, 전기적 신호로 초점조절이 가능한 액체렌즈의 제조방법에 관한 것으로, (a) 서로 혼화되지 않고 밀도가 동일한 절연성 액적과 전도성 액적을 수용하는 수용체를 제조하는 공정; (b) 상기 수용체의 하부면과 결합되어, 상기 수용체에 수용된 액적에 외부로부터 가해진 압력을 전달하기 위한 유압홈이 형성된 유압판을 제조하는 공정; (c) 상기 유압판의 하부면과 결합되어 상기 유압홈의 상부면을 밀폐하여 상기 수용체에 수용된 액적에 외부로부터 가해진 압력을 전달하는 유압로를 형성하고, 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하는 하부기판을 제조하는 공정; (d) 상기 수용체의 상부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하고, 상기 유압판의 유압로를 통해 외부로부터 압력이 전달된 경우, 상기 전달된 압력에 대응하여 중앙면이 볼록하게 팽창하는 상부기판을 제조하는 공정; 및 (e) 상 기 수용체의 하부면에 상기 유압판을 결합하여 상기 유압로를 형성하고, 상기 유압판의 하부면에 상기 하부기판을 결합하며, 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적을 상기 수용체에 투입하고, 상기 수용체의 상부면에 상기 상부기판을 결합하여 액체렌즈를 완성하는 공정;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 중공의 측단면의 모양이 상기 액적의 메니스커스가 최소가 되는 곡률을 가지도록 상기 등방성 식각액의 조성비 및 교반의 방식 및 세기를 조정한다.

그리고, 상기 하부기판이 결합된 상기 수용체에 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적을 투입하는 것은, 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 양의 비율이 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 메니스커스가 최소가 되도록 정해진 값에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (a)공정은, (a1) 제1 반도체 기판의 양면에 실리콘산화막을 형성하는 단계; (a2) 상기 제1 반도체 기판의 중앙영역을 등방성 식각액으로 교반하면서 식각하여 측단면의 모양이 반구형인 중공을 가진 외벽을 형성하는 단계; (a3) 실리콘 산화막을 모두 제거하고, 상기 외벽의 내측면에 전도성 박막으로 상기 제1전극을 형성하는 단계; (a4) 상기 제1전극 위에 상기 제1절연막을 형성하는 단계; 및 (a5) 상기 제1절연막의 표면의 일부 영역에 전도성 박막으로 상기 제2전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 (a2)단계와 상기 (a3)단계 사이에, 실리콘 산화막을 모두 제거하고, 상기 외벽의 내측면에 누설방지용 절연막을 형성하는 단계;를 더 구비하고, 상기 (a3)단계는 상기 외벽의 내측면에 전도성 박막을 이용하여 상기 제1전극을 형성하는 것에 의해 이루어진다.

그리고, 상기 (a4)단계 및 상기 (a5)단계의 사이에, 상기 제1절연막 중 상기 액적과 접촉하는 영역 위에 소수성 박막을 형성하는 단계;를 더 구비한다.

또한, 상기 (b)공정은, (b1) 제2 반도체 기판의 양면에 실리콘산화막을 형성하는 단계; 및 (b2) 상기 제2 반도체 기판의 중앙영역을 식각하여 외벽 하부면의 내측과 일치하는 중공을 형성하고, 상기 형성된 중공을 제외한 상기 제2 반도체 기판의 상부면에 상기 유압홈을 식각하여 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 액체렌즈는 액적을 수용하는 중공을 반구형으로 형성함으로써, 전압의 소모를 최소화하면서 효율적인 초점조절이 가능하고, 유압로를 통해 가해지는 유체압에 대응하여 액적과 상부기판이 변형됨으로써 전압과 더불어 유체압을 조정함으로써 보다 넓은 범위의 초점조절이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 액체렌즈의 제조방법은 반도체 공정을 이용하여, 액적이 수용되는 수용체 및 유압판을 제조함으로써, 보다 정밀한 수용체를 가진 액체렌즈의 제조가 가능하고, 종래 방법에 비해 대량생산이 용이하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액체렌즈의 구조 및 그 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체렌즈에 대하여 구체적으로 설명한다. 도4는 본 실시예에 따른 액체렌즈의 측단면도이다.

본 실시예에 따른 액체렌즈(1)는 도4에 도시된 바와 같이, 수용체(100), 유압판(200), 하부기판(300), 상부기판(400)으로 이루어진다. 수용체(100)의 중공에 수용된 전도성 액적(500)과 절연성 액적(600)은 상부기판(400) 및 하부기판(300)에 의해 밀폐되어 있으며, 외부로부터 인가되는 전기적 신호에 대응하여 수용된 액적(500,600)의 형태가 변하면서 초점이 변화는 가변렌즈의 기능을 수행한다. 그리고, 유압판(200)에 형성된 유압로(220)를 통하여 외부로부터 수용체(100)에 수용된 액적(500,600)에 압력을 가하면 수용된 액적(500,600)의 형태를 추가적으로 변경할 수 있어 액체렌즈(1)의 초점조절의 범위를 넓힌다.

여기서, 도4의 (a)는 전압이 인가되기 전이고, 도4의 (b)는 전압이 인가되어 전도성 액적(500)과 절연성 액적(600)의 계면의 모양이 변화된 것을 나타낸다. 그리고, 도4의 (c)는 유압로(220)을 통하여 외부로부터 압력이 가해진 경우, 상부기판(400)과 액적(500,600)의 형태가 변형된 모양을 나타낸다.

수용체(100)는, 도4에 도시된 바와 같이, 측단면의 모양이 반구형인 중공을 가지며, 중공에 서로 혼화되지 않고 밀도가 동일한 절연성 액적(600)과 전도성 액적(500)을 수용하고 있다. 수용체(100)는 중공이 형성된 외벽(110), 외벽(110)의 내측면에 형성되며 일단이 외부 전원과 연결된 제1전극(130), 제1전극(130)의 표면에 적층형성되며 전도성 액적(500) 및 절연성 액적(600)과 접촉하는 제1절연막(140), 제1절연막(140)의 표면의 일부 영역에 적층형성되며 일단이 전도성 액적(500)과 접촉되고 타단이 외부 전원(V)과 연결되는 제2전극(150)을 포함한다.

또한, 수용체(100)는, 외벽(110)의 내측면과 제1전극(130) 사이에 제2절연막(120)을 구비한다. 제2절연막(120)은 제1전극(130)에 인가된 전압이 외벽(110)의 내부로 누설되는 것을 막아주는 기능을 수행한다. 그리고, 수용체(100)는, 제1절연막(140)과 절연성 액적(600) 및 전도성 액적(500)의 접촉면에 소수성 박막(160을 구비한다. 소수성 박막(160)은 제1절연막(140)의 표면 중 액적(500,600)과 접촉되는 영역에 형성되어 있어 액적(500,600)이 제1절연막(140)으로 침투되는 것을 막아주며, 수용된 액적(500,600)과의 적절한 유지시켜 주는 기능을 수행한다. 여기서, 사용되는 소수성 박막(160)의 종류에 따라 액적(500,600)과의 접촉각이 달라진다.

수용체(100)에 형성된 중공은, 도4에 도시된 바와 같이 측단면의 모양이, 반구형이다. 따라서, 절연성 액적(600)과 전도성 액적(500)이 도4와 같이 중공에 수용된 경우, 2개 액적(500,600)의 계면은 반구형의 중공 표면과 접하게 된다. 이러한 특징은 도1 및 도2에 도시된 종래의 액체렌즈(원통형, 원뿔대형)와 구별되는 특징이다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 절연성 액적(50)과 전도서 액적(40)의 계면은 평면형의 표면과 접하게 된다. 이 때문에, 도1 및 도2에 도시된 종래의 원통형 또는 원뿔대형 액체렌즈에 수용된 액적(40,50)의 메니스커스는 도4에 도시된 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)의 중공에 수용된 액적(500,600)의 메니스커스보다 크게 된다. 수용체(100)의 중공에서 바라보는 액적(500,600)의 메니스커스가 작을수록, 볼록렌즈를 형성하기 위해 필요한 전기습윤 전압이 작아지기 때문에, 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)는 종래 발명에 따른 액체렌즈(도1, 도2 참조)보다 렌즈 초점 조절을 위해 소모되는 전압을 줄일 수 있다. 즉, 도5에 도시된 바와 같이, 동일한 초 점거리 변화를 위해 도5의 (a)와 같이 중공이 원통형인 경우 Va, 도5의 (b)와 같이 중공이 원뿔대형인 경우 Vb, 도5의 (c)와 같이 중공이 반구형인 경우 Vc의 전압이 필요하다. 이 경우, 동일한 초점거리 확보를 위한 인가전압의 크기는 'Va > Vb > Vc'와 같이 나타난다. 이와 같이, 수용체의 중공의 모양이 본 실시예와 같이 반구형인 경우 인가전압이 가장 작음을 알 수 있다.

본 실시예에 따른 수용체(100)의 중공의 내측면 곡률은 절연성 액적(600)과 도전성액적(500,600)의 메니스커스가 최소가 되는 값으로 정해진다.

도6을 참조하여, 본 실시예에 따른 수용체(100)의 중공의 곡률의 변화에 따른 메니스커스의 변화에 대해 개략적으로 설명한다. 액적(500,600)이 수용된 중공의 모양에 따른 액적(500,600)의 초기 접촉각은 2개의 액적(500,600)의 경계점에서 접선을 그었을 때, 접선과 2개의 액적(500,600)의 계면이 이루는 각(θ)으로 나타낼 수 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 중공의 측단면의 모양이 도6의 (a)에서 도6의 (c)로 갈수록 높이는 같고 곡률 반경이 크게 된 경우, 곡률 반경이 큰 구조일수록 중공에서 바라보는 액적(500,600)의 메니스커스는 작아진다. 이것은 액적 계면에서 접선을 그었을 때 각각의 접촉각(θ)은 접촉하는 물질사이의 고유값이므로 동일하고 실제 중공에서 바라보는 액적의 접촉각은 접선과 중공의 벌어진 각도(θa)만큼의 차이에 의해 작아지기 때문이다. 여기서는 도6의 (c)에 도시된 중공이 가장 작은 메니스커스를 가진다. 다만, 메니스커스를 작게 하기 위해 곡률 반경을 지나치게 크게 하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 이것은 곡률 반경이 커질수록 액적(500,600)의 중심을 유지하는 것은 상대적으로 어렵게 될 수 있기 때문이다.

본 실시예에 따른 수용체(100)의 중공에 수용되는 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 양의 비율은 상기 수용되는 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 메니스커스가 최소가 되는 값으로 정해진다. 이것은 메니스커스가 가장 작은 경우, 초점 조절을 위해 제1전극(130)과 제2전극(150) 사이에 인가되는 전기습윤 전압이 작아져, 전압소모를 줄일 수 있기 때문이다.

도7을 참조하여, 수용된 액적(500,600)의 양의 비율의 변화에 따른 메니스커스의 변화에 대해 설명한다. 도7의 인가전압이 '0'인 상태에서 액적(500,600)의 양의 비율의 변화에 따른 메니스커스의 변화는 본 실시예에 따른 수용체(100)의 중공의 구조가 반구형이기 때문에 나타나는 것으로 본 발명의 중요한 특징 중의 하나이다. 도7은 반구형 중공에 수용되는 전도성 액적(500)과 절연성 액적(600)의 경계점에서 접선을 그었을 때, 접선과 2개의 액적(500,600)의 계면이 이루는 각(θ)을 액적(500,600)의 양의 비율을 변화시켜가며 측정한 것이다. 여기서 액적(500,600)의 계면에서 접선을 그었을 때 각각의 접촉각(θ)은 접촉하는 물질사이의 고유값이므로 동일하다. 도7에서는, 계면이 가장 평평한 도7의 (b)가 가장 작은 메니스커스를 갖으며 초점조절을 위해 인가되는 전기습윤 전압이 가장 작은 조건을 만족시킨다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)은, 액적(500,600)을 수용하는 중공을 반구형으로 형성함으로써, 전압의 소모를 최소화하면서 효율적인 초점조절이 가능하다. 또한, 중공을 반구형으로 형성함으로써, 중공의 곡률의 조절과, 수용되는 전도성 액적(500) 및 절연성 액적(600)의 양의 비율을 조절함으로써 사용자의 편의에 따라 초점 조절을 위한 전기습윤 전압의 세기를 변경하는 것이 가능하다.

유압판(200)은 외부로부터 가해진 압력을 수용체(100)에 수용된 액적(500,600)에 전달해 주는 통로의 기능을 하는 유압로(220)를 구비하며, 유압로(220)는 외벽(110)의 하부면과 하부기판(300)의 상부면의 접합에 의해 밀폐되도록 형성된다. 여기서, 유압판(200)은 원형의 중공이 형성되어 있고, 유압판(200)의 외측은 외벽(110)의 외측과 일치하고, 유압판(200)에 형성된 중공의 내측은 외벽(110)의 하부면 내측과 일치한다. 유압로(220)는 유압판(200)의 상부면에 유압홈(210)을 형성하고 유압홈(210)이 형성된 유압판(200)의 상부면과 수용체(100)의 하부면을 접합하는 것에 의해 밀폐됨으로써 만들어진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 액체렌즈(1)의 초점조절은, 제1전극(130) 및 제2전극(150)을 통해 인가되는 전압과, 외부로부터 유압로(220)를 통해 가해지는 압력에 의해 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액체렌즈(1)의 초점조절이 전압에 의해서만 가능한 반면, 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)의 초점조절은 전압과 더불어 유체압에 의해서도 가능하다. 제1전극(130)과 제2전극(150)에 전압이 인가된 경우, 액적(500,600)의 모양은 도8의 (b)에 도시된 바와 같이 볼록하게 변형된다. 따라서, 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)는 인가되는 전압에 대응하여 렌즈의 초점조절이 가능하다.

도6의 (c)는, 도6의 (b)와 같이 전압에 의해 변형된 액적(500,600)의 모양을 유압로(220)를 통해 전달된 유체압을 이용하여 추가적으로 변형한 것이다. 또한, 액적(500,600)의 변형과 함께 상부기판(400)의 변형도 일어난다. 도6의 (c)에 도시된 바와 같이, 상부기판(400)의 중앙면이 유압로(220)를 통해 전달된 유체압에 대 응하여 볼록하게 팽창된다. 따라서, 본 실시예에 따른 상부기판(400)은 광투과성이 높은 폴리머를 이용하여 탄성막의 형태, 즉, 탄성 고분자 멤브레인 형태로 제조된다. 여기서, 상부기판(400)은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 이용하여 만들어진다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체렌즈(1)는, 액적(500,600)을 수용하는 중공을 반구형으로 형성함으로써, 전압의 소모를 최소화하면서 효율적인 초점조절이 가능하다. 또한, 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)는 유압로(220)를 통해 가해지는 유체압에 의해 액적(500,600)과 상부기판(400)을 변형하는 것이 가능하기 때문에, 제1전극(130) 및 제2전극(150)에 인가되는 전압과 더불어 유압로(220)를 통한 유체압을 조정함으로써 보다 정밀한 초점조절을 할 수 있고, 초점의 조절범위도 보다 크게할 수 있다.

이하, 도8을 참조하여, 본 발명의 본 실시예에 따른 액체렌즈의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)의 제조 방법은 크게 5개의 공정으로 구분될 수 있다.

먼저, 서로 혼화되지 않고 밀도가 동일한 절연성 액적(600)과 전도성 액적(500)을 수용하는 수용체(100)를 제조하는 공정과, 수용체(100)의 하부면과 결합되어 수용체(100)에 수용된 액적(400,500)에 외부로부터 가해진 압력을 전달하기 위한 유압로(220)가 형성된 유압판(200)을 제조하는 공정과, 유압판(200)의 하부면과 결합되어 절연성 액적(600)과 전도성 액적(500)을 밀폐하는 하부기판(200)을 제조하는 공정과, 수용체(100)의 상부면과 결합되어 절연성 액적(600)과 전도성 액적(500)을 밀폐하는 상부기판(300)을 제조하는 공정으로 이루어진다. 그리고, 위의 공정을 통해 제작된 구성을 결합하여 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)를 조립하는 공정을 수행한다. 즉, 본 실시예에 따른 조립공정은 수용체(100)의 하부면에 유압판(200)을 결합하고 유압판의 하부면에 하부기판(200)을 결합하며 하부기판에 의해 결합되어 밀폐된 수용체(100)에 절연성 액적(600)과 전도성 액적(500)을 투입한 후 수용체(100)의 상부면에 상부기판(300)을 결합하여 절연성 액적(600)과 전도성 액적(500)을 밀폐함으로써 이루어진다.

도8을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체렌즈(1)의 제조방법을 설명한다. 여기서는 반도체 제조공정을 이용하여 액체렌즈(1)를 제조하는 방법을 설명한다. 도8의 (a) 내지 (e)는 수용체(100)를 제조하는 단계를 도시한 것이고, 도8의 (f)는 유압판(200)을 접합하는 단계를 나타내며, 도8의 (g)는 하부기판(300)을 접합하여, 액적(500,600)을 투입하는 단계를 나타내며, 도8의 (h)는 상부기판(400)을 결합하는 단계를 나타낸다.

먼저, 도8의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 반도체기판('S')의 양면에 실리콘산화막(SiO₂)을 형성하고, 실리콘산화막이 형성된 제1 반도체기판('S')의 중앙영역을 등방성 식각액으로 교반하면서 식각하여, 도8의 (b)에 도시된 바와 같은 반구형 중공('C')이 관통형성된 외벽(110)을 형성한다. 여기서, 습식식각의 경우 등방성 식각액은 HNA (Hydrofluoric acid : Nitric acid : Acetic acid=1:3:8)의 비율로 만들 수 있으며, 식각액 혼합 비율이나 교반(stirring)의 유무에 따라 식각되는 중공('C)의 측단면 구조가 달라질 수 있다. 물론, 'Xenon Difluoride(XeF₂ ₎' 등의 가 스를 이용한 등방성 건식식각 방법도 사용가능하다.

다음, 도8의 (c)에 도시된 바와 같이, 중공('C)이 형성된 외벽(110)에 존재하는 실리콘산화막을 모두 제거하며, 외벽(110)의 내측면에 제2절연막(120)을 형성시키며, 제2절연막(120)의 상부면 및 외벽(110)의 상부면에 걸쳐 금속 등 전도성 박막을 형성시켜 제1전극(130)을 만든다. 그리고 도8의 (d)에 도시된 바와 같이, 제1전극(130)의 상부면에 제1절연막(140)을 형성하고, 제1절연막(140) 중 액적(500,600)과 접촉하는 표면에 소수성 박막(160)을 형성시킨다. 그리고, 도8의 (e)에 도시된 바와 같이, 외벽(110)의 상부면에 형성된 제1절연막(140)위에 금속 등 전도성 박막을 형성시켜 제2전극(150)을 만든다. 도8의 (e)는 본 실시예에 따른 완성된 수용체(100)의 측단면을 도시한 것이다.

도8의 (f)는 수용체(100)의 하부면에 유압판(200)을 접합하는 단계이다. 이에 의해 유압판(200)의 상부면에 형성된 유압홈(210)이 수용체(100)의 하부면에 의해 밀폐되어 유압로(220)가 형성된다. 본 실시예에 따른 유압판(200)의 제조는, 외벽(110)의 제조공정과 동일하게 반도체 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 먼저, 반도체기판의 양면에 실리콘산화막(SiO₂)을 형성하고, 실리콘산화막이 형성된 반도체기판의 중앙영역을 식각하여 외벽(110)의 하부면의 내측과 일치하는 중공을 형성하며, 중공이 형성된 반도체기판의 상부면에 유압로(220)에 대응하는 유압홈(210)을 식각 형성한다. 이렇게 형성된 유압홈(210)의 상부면에 절연막(도시되지 않음) 또는 소수성 박막(도시되지 않음)을 형성할 수 있다.

도8의 (g)에 도시된 바와 같이, 광투과율이 높은 하부기판(300)을 수용체(100)의 하부면에 접합한다. 그리고, 도8의 (h)에 도시된 바와 같이, 하부기판(300)이 접합된 수용체(100)에 절도성 액적(500) 및 절연성 액적(600)을 투입하고, 폴리머 탄성막으로 제조된 상부기판(400)을 수용체(100)의 상부면에 접합한다.

이상 본 실시예에서는 중공의 형태를 반구형으로하여 인가전압을 최소화하는 형태의 액체렌즈(1)를 제시하였으나, 종래의 원통형, 원뿔대형과 같은 중공에 본 실시예에 따른 유압로(220)를 설치하여 초점조절 기능을 수행하는 액체렌즈도 고려할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 액체렌즈(1)의 제조방법은 반도체 공정을 이용하여, 액적(500,600)이 수용되는 수용체(100) 및 유압판(200)을 제조함으로써, 보다 정밀한 수용체(100)를 가진 액체렌즈를 제조할 수 있고, 종래의 제조방법에 비해 대량생산이 용이하다.

본 발명에 따른 액체렌즈는 렌즈 구동장치 없이도 초점조절이 가능한 렌즈로서 소형화 및 경량화를 추구하는 카메라에 소요되는 광학소자로서 유용하게 사용될 수 있다.

도1은 종래 액체렌즈에 적용되는 전기습윤 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도2, 도3은 종래 액체렌즈에 대해 설명하기 위한 개략적인 측단면도이다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체렌즈의 측단면도이다.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 중공과 종래의 원통형 및 원뿔대형 중공에 따른 인가전압을 비교한 도면이다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 중공의 곡률 변화에 따른 메니스커스 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반구형 중공에 수용된 전도성 액적과 절연성 액적의 비율의 변화에 따른 메니스커스 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체렌즈의 제조공정을 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 액체렌즈 100 : 수용체

110 : 외벽 120 : 제2절연막

130 : 제1전극 140 : 제1절연막

150 : 제2전극 200 : 유압판

210 : 유압홈 220 : 유압로

300 : 하부기판 400 : 상부기판

500 : 전도성 액적 600 : 절연성 액적

Claims

전기적 신호로 초점조절이 가능한 액체렌즈에 있어서,

측단면의 모양이 반구형인 중공을 가지며, 상기 중공을 이용하여 서로 혼화되지 않고 밀도가 동일한 절연성 액적과 전도성 액적을 수용하는 수용체;

상기 수용체의 하부면과 결합되어, 상기 수용체의 하부면에 수용된 액적에 외부로부터 가해진 압력을 전달하기 위한 유압로가 형성된 유압판;

상기 유압판의 하부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하는 하부기판; 및

상기 수용체의 상부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하고, 상기 유압판의 유압로를 통해 외부로부터 압력이 전달된 경우, 상기 전달된 압력에 대응하여 중앙면이 볼록하게 팽창하는 상부기판;을 구비하고,

상기 수용체는, 상기 중공이 형성된 외벽과, 상기 외벽의 내측면에 형성되며 상기 전도성 액적 및 상기 절연성 액적과 접촉하는 제1절연막을 포함하고, 상기 유압로를 통해 가해지는 압력에 대응하여 상기 중공에 수용된 전도성 액적 및 절연성 액적과 상기 상부기판의 형상이 변경되는 것에 의해 상기 초점조절을 수행하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제1항에 있어서,

상기 수용체는, 상기 반구형인 중공이 형성된 외벽과, 상기 외벽의 내측면에 형성되며 일단이 외부 전원과 연결되는 제1전극과, 상기 제1전극의 표면에 적층형성되며 상기 전도성 액적 및 상기 절연성 액적과 접촉하는 제1절연막과, 상기 제1절연막의 표면의 일부영역에 적층형성되며 일단이 상기 전도성 액적과 접촉되고 타단이 상기 외부 전원과 연결되는 제2전극을 포함하며, 상기 제1전극과 상기 제2전극을 통해 상기 외부 전원으로부터 인가되는 전압에 대응하여 상기 중공에 수용된 절연성 액적과 전도성 액적의 계면의 형상이 변경되는 것에 의해 상기 초점조절을 수행하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제2항에 있어서, 상기 반구형 중공은, 상기 초점조절을 위해, 종래 액체렌즈의 원통형 또는 원뿔대형 중공에 비해 보다 작은 전기습윤 전압을 필요로 하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수용체의 중공의 내측면의 곡률은 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 메니스커스가 최소가 되는 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수용체에 수용되는 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 양의 비율은 상기 수용되는 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 메니스커스가 최소가 되는 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부기판은 탄성 고분자 멤브레인으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수용체는, 상기 제1절연막과 상기 절연성 액적 및 전도성 액적의 접촉면에 형성된 소수성 박막을 구비한 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제2항에 있어서, 상기 수용체는, 상기 외벽의 내측면과 제1전극 사이에 게재된 제2절연막을 구비한 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
전기적 신호로 초점조절이 가능한 액체렌즈의 제조방법에 있어서,

(a) 서로 혼화되지 않고 밀도가 동일한 절연성 액적과 전도성 액적을 수용하는 수용체를 제조하는 공정;

(b) 상기 수용체의 하부면과 결합되어, 상기 수용체에 수용된 액적에 외부로부터 가해진 압력을 전달하기 위한 유압홈이 형성된 유압판을 제조하는 공정;

(c) 상기 유압판의 하부면과 결합되어 상기 유압홈의 상부면을 밀폐하여 상기 수용체에 수용된 액적에 외부로부터 가해진 압력을 전달하는 유압로를 형성하고, 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하는 하부기판을 제조하는 공정;

(d) 상기 수용체의 상부면과 결합되어 상기 절연성 액적과 전도성 액적을 밀폐하고, 상기 유압판의 유압로를 통해 외부로부터 압력이 전달된 경우, 상기 전달 된 압력에 대응하여 중앙면이 볼록하게 팽창하는 상부기판을 제조하는 공정; 및

(e) 상기 수용체의 하부면에 상기 유압판을 결합하여 상기 유압로를 형성하고, 상기 유압판의 하부면에 상기 하부기판을 결합하며, 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적을 상기 수용체에 투입하고, 상기 수용체의 상부면에 상기 상부기판을 결합하여 액체렌즈를 완성하는 공정;을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈.
제9항에 있어서,

상기 중공의 측단면의 모양이 상기 액적의 메니스커스가 최소가 되는 곡률을 가지도록 상기 등방성 식각액의 조성비 및 교반의 방식 및 세기를 조정하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 하부기판이 결합된 상기 수용체에 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적을 투입하는 것은, 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 양의 비율이 상기 절연성 액적과 상기 전도성 액적의 메니스커스가 최소가 되도록 정해진 값에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 (a)공정은,

(a1) 제1 반도체 기판의 양면에 실리콘산화막을 형성하는 단계와;

(a2) 상기 제1 반도체 기판의 중앙영역을 등방성 식각액으로 교반하면서 식 각하여 측단면의 모양이 반구형인 중공을 가진 외벽을 형성하는 단계;

(a3) 실리콘 산화막을 모두 제거하고, 상기 외벽의 내측면에 전도성 박막으로 상기 제1전극을 형성하는 단계;

(a4) 상기 제1전극 위에 상기 제1절연막을 형성하는 단계; 및

(a5) 상기 제1절연막의 표면의 일부 영역에 전도성 박막으로 상기 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (a2)단계와 상기 (a3)단계 사이에,

실리콘 산화막을 모두 제거하고, 상기 외벽의 내측면에 누설방지용 절연막을 형성하는 단계;를 더 구비하고,

상기 (a3)단계는 상기 외벽의 내측면에 전도성 박막을 이용하여 상기 제1전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (a4)단계 및 상기 (a5)단계의 사이에,

상기 제1절연막 중 상기 액적과 접촉하는 영역 위에 소수성 박막을 형성하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 (b)공정은,

(b1) 제2 반도체 기판의 양면에 실리콘산화막을 형성하는 단계; 및

(b2) 상기 제2 반도체 기판의 중앙영역을 식각하여 외벽 하부면의 내측과 일 치하는 중공을 형성하고, 상기 형성된 중공을 제외한 상기 제2 반도체 기판의 상부면에 상기 유압홈을 식각하여 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체렌즈의 제조방법.