KR20140107063A - 초점가변 액정렌즈 및 그 제조 방법 - Google Patents

초점가변 액정렌즈 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정렌즈에 있어서, 서로 마주보며 이격된 제 1 및 제 2 기판과, 상기 제 1 및 제 2 기판 상하부에 형성된 제 1 및 제 2 투명전극과, 상기 제 1 투명전극 상에 형성된 렌즈 패턴 박막층과, 상기 렌즈 패턴 박막층과 상기 제 2 투명전극 사이에 형성되는 액정층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초점가변 액정렌즈 및 그 제조 방법{VARIABLE FOCUSING LIQUID CYSTAL LENS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 초점가변 액정렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초점거리가 조절되는 초점가변 액정렌즈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 렌즈(lens)는 빛을 모으거나 분산시키는 도구로 보통 유리로 만들며, 빛의 직진과 굴절의 성질을 이용하여 상을 확대 혹은 축소한다.
빛은 동일한 매질을 통과할 때에는 직진하나, 다른 매질을 만나면 반사, 굴절하게 된다.
렌즈의 주재료인 유리는 빛의 대부분을 통과시키기 때문에 반사가 적고, 모양에 따라 굴절하게 된다.
또한, 빛은 렌즈의 두꺼운 쪽으로 굴절하기 때문에 렌즈의 가운데 부분의 두께가 가장자리보다 두꺼운 볼록렌즈의 경우, 가운데 쪽으로 빛이 모이게 되고 렌즈의 가장자리 부분의 두께가 가운데보다 두꺼운 오목렌즈의 경우에는 빛이 가장자리로 굴절되므로 빛이 퍼져나가게 된다.
일반적인 유리나 플라스틱 렌즈의 경우 초점거리가 고정되어 있음을 알 수 있다.
한편, 45세 이상의 사람들 중 90%는 노안을 경험하는데, 눈의 노화는 수정체의 조절 능력이 저하되면서 생기는 현상으로 가까운 거리의 시력이 떨어진다.
그래서 대부분의 사람들은 가까운 곳을 보는 렌즈와 먼 곳을 보는 렌즈가 같이 들어있는 이중초점 안경을 착용한다. 하지만 이중초점 안경은 시야가 좁고 가까운 곳과 먼 곳을 볼 때 렌즈를 바라보는 곳이 달라 불편하다. 심지어 이중초점 안경 때문에 어지럼증이나 두통을 호소하는 사람들도 있다.
출원번호 10-2011-0045415는 액정을 포함한 액정층과 액정층의 기판에 평면의 투명전극과 또 다른 기판에 만들어진 회전나선형의 투명전극 패턴에 의해 생성되는 전기장의 구배에 의해 형성되는 액정의 빛의 굴절 현상을 이용한 액정렌즈에 관한 것으로서, 액정층의 양측에 구성되는 평면의 투명전극과 회전나선형 투명전극의 가장자리와 중앙에 인가되는 전압의 투명전극의 자체 저항에 의한 전압차에 의해 발생하는 전계의 구배에 의해, 연속적으로 변하는 액정분자의 배열에 의한 액정렌즈를 형성하는 회전나선형 투명전극을 이용한 전기가변형 초점거리를 갖는 액정렌즈를 제공하고 있으며, 이는 고정된 렌즈의 거리 차에 의한 초점 구현방식이 아닌, 액정에 의한 빛의 굴절현상을 이용하여 렌즈를 구성하고 있다.
하지만 이와 같은 출원번호 10-2011-0045415의 액정렌즈는, 인가되는 전극 패드의 수가 많고 제조 공정이 복잡하며 단가가 높아지고 액정렌즈가 두꺼워질 수 있다는 단점이 있다.
한편, 기존에 액정의 동작을 이용한 가변초점 액정렌즈의 기술은 렌즈를 액정소자 외부에 두어 초점거리 조절을 가능하게 했지만 먼 거리까리 초점을 모을 수가 없었다.
또한 네마틱 액정을 사용한 액정렌즈의 경우에는 편광 필름을 사용하기 때문에 투과율이 낮아지는 단점이 있다.
KR 10-2011-0045415 A
따라서, 본 발명의 목적은 렌즈를 액정소자 내부에 두어 초점거리를 조절하고 편광 의존성이 없는 초점가변 액정렌즈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 초점가변 액정렌즈에 있어서, 서로 마주보며 이격된 제 1 및 제 2 기판과, 상기 제 1 및 제 2 기판 상하부에 형성된 제 1 및 제 2 투명전극과, 상기 제 1 투명전극 상에 형성된 렌즈 패턴 박막층과, 상기 렌즈 패턴 박막층과 상기 제 2 투명전극 사이에 형성되는 액정층을 포함하는 것으로 달성된다.
여기서, 상기 제 1 투명전극은 상기 렌즈 패턴 박막층에 상에 형성할 수도 있으며, 상기 렌즈 패턴 박막층은 PDMS 또는 acrylate계열 중 하나이다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 투명전극은 ITO, MnO, CNT, ZnO, IZO 중 어느 하나이며, 상기 렌즈 패턴 박막층은 프레넬 렌즈(Fresnel lens)의 역상(逆像) 패턴이며, 상기 액정층은 콜레스테릭 액정인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은 초점가변 액정렌즈 제조 방법에 있어서, 제 1 및 제 2 기판을 준비하는 단계와, 상기 제 1 및 제 2 기판 각각에 제 1 및 제 2 투명전극을 형성하는 단계와, 상기 제 1 투명전극 상에 렌즈 패턴 박막층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 투명전극과 상기 렌즈 패턴 박막층이 서로 마주보며 이격시킨 후 액정층을 형성시키는 단계를 포함하는 것으로 달성된다.
여기서, 상기 렌즈 패턴 박막층을 형성하는 단계는, 프레넬 렌즈 표면에 계면활성제를 코팅하는 단계와, 상기 계면활성제가 도포된 프레넬 렌즈 표면에 PDMS 또는 acrylate계열 중 하나를 도포하는 단계와, 상기 도포된 PDMS 또는 acrylate계열 중 하나를 상기 프레넬 렌즈로부터 떼어낸 후, 떼어낸 PDMS 또는 acrylate계열 박막을 상기 제 1 투명전극 상에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 액정층은 평균 굴절률이 1.6495, 단축 방향의 굴절률은 1.4997, 피치가 3um이고, 반사되는 파장대가 4.7238um인 액정이며, 상기 렌즈 패턴 박막층의 굴절률은 상기 액정층의 평균 굴절률과 단축방향의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈는 넓은 범위의 시야를 가지고 있으며, 전계의 인가 여부에 따라 초점거리를 원하는 대로 바꾸므로 상황에 따라 초점거리 조절이 가능하다. 그 밖에 반사형 디스플레이모드 이므로, 편광필름을 사용하지 않아 편광 의존성이 없는 높은 투과율의 액정렌즈를 제공하는데 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈의 구조를 나타낸 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈에 전계가 인가된 상태를 나타낸 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈의 PDMS 박막 패턴 제조 단계를 나타내는 제 1 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈의 PDMS 박막 패턴 제조 단계를 나타내는 제 2 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈의 PDMS 박막 패턴 제조 단계를 나타내는 제3 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈에 전계가 인가된 상태에서의 광 경로를 나타낸 단면도이다.
이하, 도면을 참조하며 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 초점가변 액정렌즈는 제 1 기판(10)과, 상기 제 1 기판(10) 상에 형성된 제 1 투명전극(30)과, 상기 제 1 기판(10)과 서로 마주보며 이격된 제 2 기판(20)과 상기 제 2 기판(20) 하부에 형성된 제 2 투명전극(40)과, 상기 제 1 투명전극(30) 상에 형성된 렌즈 패턴 박막층(50)과, 상기 제 2 투명전극(40)과 렌즈 패턴 박막층(50) 사이에 형성된 액정층(60)으로 구성된다.
여기서 상기 제 1 투명전극(30)은 상기 렌즈 패턴 박막층(50) 상에 형성할 수 있다.
상기 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)에 형성되는 제 1 투명전극(30) 및 제 2 투명전극(40)은 ITO(Indium Tin Oxide), MnO(Manganese Oxide), CNT(Carbon Nano Tube), ZnO(Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 하나이다.
상기 렌즈 패턴 박막층(50)은 PDMS 또는 acrylate계열 중 하나인 박막층이다.
또한, 상기 렌즈 패턴 박막층(50)은 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 몰드로 제작하여 균일한 패턴을 가지는 형태이다.
상기 프레넬 렌즈(Fresnel lens)는 집광렌즈의 하나로서 볼록렌즈처럼 빛을 모아주는 역할을 하면서도 두께는 줄인 렌즈이다. 두께를 줄여도 볼록 렌즈와 같은 역할을 할 수 있는 이유는 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘작용을 가지게 하여 수차를 작게 했기 때문이다.
또한, 빛을 한 곳에 모으기 위하여 굴절률의 차이를 줄여야 하는데, 그렇게 하기 위해서 프레넬 렌즈 표면에 수많은 동심원의 홈이 있다는 것을 알 수 있고, 이 홈에 따라 굴절률이 조절되기 때문에 빛을 한 곳에 집중시킬 수 있는 것이다.
상기 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 몰드로 제작하여 균일한 형태의 패턴을 가지는 렌즈 패턴 박막층(50)은 먼저 프레넬 렌즈 표면을 계면활성제로 도포한다.
상기 계면활성제는 Polyoxyethylene Sorbitan monolaurate, 실리콘 오일(Silicone Oil) 등 이다.
이후, 상기 계면활성제가 도포된 프레넬 렌즈 표면에 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)를 도포한다. 여기서, 상기 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)는 acrylate계열로 대체하여도 무방하다.
상기 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)가 도포된 프레넬 렌즈를 유리기판을 이용하여 압력을 가한 후 경화시킨다. 이후, 얇게 만들어진 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)를 프레넬 렌즈로부터 떼어낸다. 여기서 상기 떼어낸 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane) 박막(50)을 상기 제 1투명전극(30) 상에 UV 접착제를 이용하여 합착시킨다.
즉, 상기 렌즈 패턴 박막층(50)은 프레넬 렌즈의 역상(逆像) 패턴이다.
이어서, 상기 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 사이에 콜레스테릭 액정을 주입시켜 액정층(60)을 형성한다.
여기서, 상기 콜레스테릭 액정은 네마틱 액정에 주기적인 나선구조를 유도하는 카이랄 성분이 더해진 액정혼합물로 나선의 꼬인 방향과 반복적인 구조의 피치에 따라 빛을 선택적으로 반사하는 특성을 가지고 있다.
또한, 상기 콜레스테릭 액정에는 액정의 헬리칼(Helical) 축이 양쪽의 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20) 면에 대하여 방위축이 일정하지 않아 빛이 산란되는 포칼 코닉(Focal conic) 상태와 전계에 따라 액정분자의 헬리칼(Helical) 축이 양쪽의 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)에 수직이 되도록 배열되어, 특정 파장대의 빛을 선택적으로 반사하는 플라나(Planar) 상태, 액정분자가 양쪽의 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)에 수직하게 배열되어 한 쪽 방향의 굴절률에만 영향을 받는 호메오트로픽(Homeotropic) 상태가 된다.
따라서, 액정층(60)에 콜레스테릭 액정을 주입하여 액정 상의 변화를 유도하므로 초점이 가변된다.
또한, 상기 액정층(60)에 주입된 콜레스테릭 액정은 평균 굴절률이 1.6495이고, 단축방향의 굴절률이 1.4997이며, 피치(Pitch)는 3um이고, 반사되는 파장대가 4.7238um인 액정이다.
도 2는 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈에 전계가 인가된 상태를 나타낸 단면도로, 전계를 인가하지 않은 포칼 코닉(Focal conic) 상태에서는 액정분자의 평균 굴절률에 영향을 받아 빛이 많이 굴절되지만, 전계를 인가한 호메오트로픽(Homeotropic) 상태에서는 액정분자의 단축방향 굴절률에만 영향을 받기 때문에 빛이 굴절되는 각도가 포칼 코닉(Focal conic) 상태일 때보다 줄어든다.
즉, 인가된 전계에 의해 구동되는 액정층(60)은 평균 굴절률(ne)과 단축방향의 굴절률(no) 모두 렌즈 패턴 박막층(50)의 굴절률보다 크다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈의 PDMS 박막 패턴의 제조 단계를 나타낸 단면도로, 먼저 도 3과 같이 프레넬 렌즈를 준비한 후, 프레넬 렌즈 표면을 계면활성제로 도포한다.
상기 계면활성제는 Polyoxyethylene Sorbitan monolaurate, 실리콘 오일(Silicone Oil) 등 이다.
이후, 상기 계면활성제가 도포된 프레넬 렌즈 표면에 도 4와 같이 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)를 도포한다.
상기 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)가 도포된 프레넬 렌즈를 유리기판을 이용하여 압력을 가한 후 경화시킨 후, 도 5와 같이 얇게 만들어진 PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)를 프레넬 렌즈로부터 떼어낸다.
도 6는 본 발명에 따른 초점가변 액정렌즈에 전계가 인가된 상태에서의 광 경로를 나타낸 단면도이다.
10 : 제 1 기판 20 : 제 2 기판
30 : 제 1 투명전극 40 : 제 2 투명전극
50 : 렌즈 패턴 박막층 60 : 액정층

Claims (10)

  1. 서로 마주보며 이격된 제 1 및 제 2 기판과;
    상기 제 1 및 제 2 기판 상하부에 형성된 제 1 및 제 2 투명전극과;
    상기 제 1 투명전극 상에 형성된 렌즈 패턴 박막층과;
    상기 렌즈 패턴 박막층과 상기 제 2 투명전극 사이에 형성되는 액정층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 투명전극은 상기 렌즈 패턴 박막층 상에 형성할 수도 있는 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 패턴 박막층은 PDMS 또는 acrylate계열 중 하나인 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 투명전극은 ITO, MnO, CNT, ZnO, IZO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 패턴 박막층은 프레넬 렌즈(Fresnel lens)의 역상(逆像) 패턴인 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정층은 콜레스테릭 액정인 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈.
  7. 제 1 및 제 2 기판을 준비하는 단계와;
    상기 제 1 및 제 2 기판 각각에 제 1 및 제 2 투명전극을 형성하는 단계와;
    상기 제 1 투명전극 상에 렌즈 패턴 박막층을 형성하는 단계와;
    상기 제 2 투명전극과 상기 렌즈 패턴 박막층이 서로 마주보며 이격시킨 후 액정층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 렌즈 패턴 박막층을 형성하는 단계는,
    프레넬 렌즈 표면에 계면활성제를 코팅하는 단계와;
    상기 계면활성제가 도포된 프레넬 렌즈 표면에 PDMS 또는 acrylate계열 중 하나를 도포하는 단계와,
    상기 도포된 PDMS 또는 acrylate계열 중 하나를 상기 프레넬 렌즈로부터 떼어낸 후, 떼어낸 PDMS 또는 acrylate계열 박막을 상기 제 1 투명전극 상에 형성하는 단계를 포함하는 이루어지는 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 액정층은 평균 굴절률이 1.6495, 단축방향의 굴절률이 1.4997, 피치가 3um이고, 반사되는 파장대가 4.7238um인 액정인 것을 특징으로 하는 액정렌즈 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 렌즈 패턴 박막층의 굴절률은 상기 액정층의 평균 굴절률과 단축방향의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 초점가변 액정렌즈 제조 방법.
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