KR20150054544A - 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치 - Google Patents

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KR20150054544A
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Abstract

미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치를 제공한다. 본 미세 전기 유체 소자는, 광차단성의 제1 유체와 제1 유체와 혼합되지 않으며 투광성의 제2 유체가 유동하는 제1 채널, 제1 채널과 중첩되면서 이격 배치되고, 상기 제1 및 제2 유체가 유동하는 제2 채널, 제1 및 제2 채널을 연결하는 연결부을 포함하고, 제1 및 제2 채널 중 어느 하나에서의 제1 유체와 상기 제2 유체간 계면 위치 변화에 의해 광이 투과되는 개구가 조절되고, 제2 채널은 상기 제1 및 제2 유체가 유동되며 높이가 균일하지 않는 제1 서브 채널과 제2 유체가 유동하며 높이가 균일한 제2 서브 채널을 포함한다.

Description

미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치 {Micro electric Liquid Device and Apparatus included the same}
본 개시는 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치에 관한 것이다.
광의 투과율을 조절, 제어하는 기술은 영상을 획득하는 장치에서 조리개나 셔터로, 또는 영상을 표시하는 장치에서 개개의 화소를 구동하기 위해 널리 사용되는 기술이다.
기존 광학시스템에서 일반적으로 사용되는 가변 조리개는 주로 여러 개의 금속 블레이드(blade)를 조작하는 방식을 사용하여 왔는데, 기계적 움직임, 마찰력, 움직이는 기계 요소의 사용은 소형화를 제한하는 요인이 된다.
전열 또는 정전기 방식의 MEMS 조리개가 소개된 바 있으나, 개구부(aperture)가 비원형(non-circular)이고 블레이드 사이에 틈이 존재하며, 전체 소자 면적에 비해 최대 개구율이 1% 이하로 낮은 문제가 있다.
한편, 미소광학(micro-optics)과 미세유체시스템(microfluidics)을 결합한 광유체 기술(optofluidic technology)의 발전과 함께, 공압(air pressure)으로 PDMS 멤브레인을 변형시켜 개구율을 조정하는 가변 조리개를 제안된 바 있다. 3차원 구조체와 모세관힘(capillary force)을 이용하여 가변 조리개의 해상도가 개선되었다. 이러한 조리개는 기존의 MEMS 조리개에 비해 개구율이 높은 장점이 있으나, 구동을 위해 주사기펌프를 사용하여야 하는 단점이 있다.
또한, 최근에는 유전력(dielectric force)을 구동 원리로 하는 액체 렌즈를 이용한 조리개가 발표된 바 있는데, 이는 외부 구동 펌프없이 조리개 바닥의 전기 배선만으로 개구율을 조절할 수 있는 장점이 있다.
본 개시는 전기 습윤 방식을 이용하여 광이 투과되는 개구를 조절할 수 있는 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함하는 장치를 제공한다.
본 개시는 최대 크기의 개구를 확보할 수 있는 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치를 제공한다.
본 개시는 외부 충격에 의해서 최대 크기의 개구를 유지할 수 있는 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치를 제공한다.
본 개시는 개구의 개방 속도가 향상된 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치를 제공한다.
일 유형에 따르는 미세 전기 유체 소자는, 광차단성의 제1 유체와 제1 유체와 혼합되지 않으며 투광성의 제2 유체가 유동하는 제1 채널; 상기 제1 채널과 중첩되면서 이격 배치되고, 상기 제1 및 제2 유체가 유동하는 제2 채널; 및 상기 제1 및 제2 채널을 연결하는 연결부;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 채널 중 어느 하나에서의 상기 제1 유체와 상기 제2 유체간 계면 위치 변화에 의해 광이 투과되는 개구가 조절되고, 상기 제2 채널은 상기 제1 및 제2 유체가 유동되며 높이가 균일하지 않는 제1 서브 채널과 상기 제2 유체가 유동하며 높이가 균일한 제2 서브 채널을 포함한다.
그리고, 상기 제2 서브 채널로 유동된 상기 제1 유체는, 라플라스 압력에 의해 상기 제1 서브 채널로 유동되어 정지될 수 있다.
또한, 상기 제1 서브 채널은 상기 제2 서브 채널을 둘러쌀 수 있다.
그리고, 상기 제1 서브 채널의 높이는 상기 제2 서브 채널로부터 멀어질수록 증가할 수 있다.
또한, 상기 제1 서브 채널의 높이는 선형적으로 증가할 수 있다.
그리고, 상기 제1 서브 채널의 평균 높이는 상기 제2 서브 채널의 높이보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1 서브 채널의 평균 높이는 상기 제1 채널의 평균 높이보다 클 수 있다.
그리고, 상기 제1 유체는, 상기 미세 전기 유체 소자의 중심축을 기준으로 대칭되게 유동할 수 있다.
또한, 상기 연결부는, 상기 제1 및 제2 채널간에 상기 제1 유체가 유동하도록 형성된 제1 연결부; 및 상기 제1 및 제2 채널간에 상기 제2 유체가 유동하도록 형성된 제2 연결부;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 채널의 내측면에 마련되며, 상기 제1 채널 내에 전기장을 형성하기 위한 전압이 인가되는 전극부;를 더 포함하고, 상기 전기장에 따라 상기 계면 위치 변화가 발생할 수 있다.
또한, 성기 전극부는, 절연층으로 코팅된 하나 이상의 환형 전극을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 채널에 전기장이 형성되지 않을 때 상기 개구가 가장 클 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 유체 중 어느 하나는 극성 액체이고, 나머지 하는 무극성 또는 기체일 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 채널 중 적어도 일부 영역은 소수성 표면 처리될 수 있다.
또한, 상기 제1 채널은, 제1 기판, 상기 제1 기판과 마주하면서 이격 배치된 제2 기판 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치된 제1 스페이서에 의해 형성되고, 상기 제2 채널은, 상기 제2 기판, 상기 제2 기판과 마주하면서 이격 배치된 제3 기판 및 상기 제2 기판과 상기 제3 기판 사이에 배치된 제2 스페이서에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 연결부는, 상기 제2 기판에 관통홀로 형성될 수 있다.
또한, 상기 연결부는, 상기 제2 기판의 가장자리 영역에 형성된 하나 이상의 제1 관통홀; 및 상기 제2 기판의 가운데 영역에 형성된 하나 이상의 제2 관통홀;을 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 영상 획득 장치는 전술한 따른 미세 전기 유체 소자; 상기 미세 전기 유체 소자를 통해 입사된 광으로부터 피사체의 상을 형성하는 결상부; 및 상기 결상부에서 형성된 상을 전기 신호로 변환하는 촬상 소자;를 포함한다.
한편, 일 실시예에 따른 영상 표시 장치는, 광을 제공하는 광원부; 및 상기 광원부에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 것으로, 전술한 미세 전기 유체 소자가 다수개 어레이되어 이루어진 디스플레이 패널;를 포함한다.
그리고, 상기 미세 전기 유체 소자내 제2 유체는 특정 컬러를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자는 단순한 구조로 소형화가 가능하다.
일 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치는 외부 충격에 의해서도 최대 크기의 개구를 유지할 수 있다.
일 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자 및 이를 포함한 장치는 개구의 개방 속도가 향상될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자의 개략적인 구조를 보이는 분리 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 미세 전기 유체 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 미세 전기 유체 소자에 적용될 수 있는 제2 채널의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 4a는 도 1의 미세 전기 유체 소자가 최대 개구를 갖을 때의 단면도이다.
도 4b는 도 4a의 미세 유체 소자 내 제1 유체를 나타내는 평면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자를 나타내는 단면도이다.
도 6a은 외력에 의해 계면의 위치가 변경된 미세 전기 유체 소자를 도시한 단면도이다.
도 6b는 외력에 의해 계면의 위치가 변경된 제1 유체를 도시한 도면이다.
도 7은 미세 전기 유체 소자의 개구와 압력차의 관계를 나타낸 시뮬레이션 결과이다
도 8은 또 다른 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 9는 실시예에 따른 영상 획득 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 10은 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 11은 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 구조를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자의 개략적인 구조를 보이는 분리 사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 미세 전기 유체 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이며, 각각 다른 크기의 개구가 형성된 것을 보인다. 다만, 도 1의 사시도에서는 일부 구성요소가 편의상 생략되어 있다.
도면들을 참조하면, 미세 전기 유체 소자(100)는 광차단성의 제1 유체(F1)와 제1 유체(F1)와 혼합되지 않으며 투광성의 제2 유체(F2)가 유동하는 제1 채널(CH1), 제1 채널(CH1)과 중첩되면서 이격 배치되고 제1 및 제2 유체(F1, F2)가 유동하는 제2 채널(CH2), 제1 및 제2 채널(CH1, CH2)을 연결하는 연결부(CU)를 포함하고, 제1 및 제2 채널(CH1, CH2) 중 어느 하나에서 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)간 계면 위치 변화에 의해 광이 투과되는 개구가 조절된다.
제1 유체(F1)와 제2 유체(F2) 중 어느 하나는 극성, 다른 하나는 비극성일 수 있다. 구체적으로, 제1 유체(F1)는 광을 차단 또는 흡수하는 성질을 가지는 유체로, 제1 유체(F1)로는 액체 금속 또는 극성 액체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 유체(F1)는 Hg와 같은 액체 금속, 또는 흡광 파장 영역에 맞게 염료를 녹인 용액이 채용될 수 있다. 이러한 염료로는 예를 들어, 가시광선 영역을 흡수하는 카본 블랙이나, 최대 흡광 파장이 약 968nm인 근적외선 흡수 염로, 최대 흡광 파장이 약 1054nm인 근적외선 흡수 염료 등이 사용될 수 있다. 제2 유체(F2)는 제1 유체(F1)와 혼합되지 않는 투광성의 유체로 예를 들어, 기체, 또는 비극성 액체가 채용될 수 있다.
제1 유체(F1)는 제1 및 제2 채널(CH1, CH2)의 가장자리 영역에 배치될 수 있고, 제2 유체(F2)는 제1 및 제2 채널(CH1, CH2)의 가운데 영역에 배치되어 유동할 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 유체(F1, F2)는 미세 전기 유체 소자(100)의 중심축(CX)을 기준으로 대칭되게 유동될 수 있다.
제1 채널(CH1)은 제1 기판(110), 제1 기판(110)과 마주하면서 이격 배치된 제2 기판(120) 및 제1 기판(110)과 제2 기판(120) 사이에 배치된 제1 스페이서(130)에 의해 형성되고, 제2 채널(CH2)은 제2 기판(120), 제2 기판(120)과 마주하면서 이격 배치된 제3 기판(140) 및 제2 기판(120)과 제3 기판(140) 사이에 배치된 제2 스페이서(150)에 의해 형성될 수 있다. 제1기판(110), 제2 기판(120), 제3 기판(140)은 투광성 소재, 예를 들어, 글래스나 투명 플라스틱 소재로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 스페이서(130, 150)은 광 차단성 소재로 형성될 수 있으며, 글래스 또는 플라스틱 소재에 광 차단성의 물질이 코팅될 수도 있다.
그리고, 연결부(CU)는 제2 기판(120)에 관통홀(TH1, TH2)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 연결부(CU)는 제2 기판(120)의 가장자리 영역에 배치되는 하나 이상의 제1 관통홀(TH1)과 제2 기판(120)의 가운데 영역에 배치되는 하나 이상의 제2 관통홀(TH2)로 형성될 수 있다. 그리하여, 제1 유체(F1)는 제1 관통홀(TH1)을 통해 제1 및 제2 채널(CH1, CH2)간을 유동하고, 제2 유체(F2)는 제2 관통홀(TH2)을 통해 제1 및 제2 채널(CH1, CH2)간을 유동할 수 있다.
한편, 제1 채널(CH1)의 높이(h1)는 균일할 수 있으며, 제2 채널(CH2)은 제1 및 제2 유체(F1, F2)가 유동되며 높이(h2)가 균일하지 않는 제1 서브 채널(CH21)과 제2 유체(F2)가 유동하며 높이(h3)가 균일한 제2 서브 채널(CH22)을 포함할 수 있다. 제1 서브 채널(CH21)은 제2 채널(CH2)의 가장자리에 배치되고, 제2 서브 채널(CH22)은 제2 채널(CH2)의 가운데 영역에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 채널(CH21)은 제2 서브 채널(CH22)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 그리고, 제1 서브 채널(CH2)의 높이(h2)는 제2 서브 채널(CH22)로부터 멀어질수록 증가할 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2)는 선형적으로 증가할 수 있다. 구체적으로, 제2 서브 채널(CH22)과 접하는 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2)는 제2 서브 채널(CH22)의 높이(h3)와 같을 수 있고, 제2 스페이서(150)와 접하는 제2 서브 채널(CH22)의 높이(h2)는 최대일 수 있다.
또한, 제1 서브 채널(CH21)의 평균 높이는 제1 채널(CH1)의 평균 높이(h1)보다 클 수 있고, 제2 서브 채널(CH22)의 높이(h3)보다 클 수 있다. 그리하여, 제1 유체(F1)가 제1 채널(CH1)에서 제2 채널(CH2)로 유동하더라도 제1 유체(F1)는 제1 서브 채널(CH21)에만 수용될 수 있다.
제1 및 제2 채널(CH1, CH2)의 적어도 일부 영역은 소수성 표면 처리 될 수 있다. 이를 위해, 소수성 표면 처리된 제1기판(110), 제2 기판(120), 제3 기판(140)을 사용할 수 있다.
그리고, 제1 채널(CH1)의 내측면에 마련되며, 제1 채널(CH1) 내에 전기장을 형성하기 위한 전압이 인가되는 전극부(160)가 더 포함될 수 있다. 전극부(160)는 개구의 디지털 제어를 위해 하나 이상의 전극쌍(161, 162, 163)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도시된 바와 같이 동심 환형(concentric annulus)이고 반경이 다른 다수의 전극쌍(161, 162, 163)으로 이루어질 수 있다. 다만, 전극부(160)를 구성하는 전극쌍(161, 162, 163)들의 형상이나 개수는 도시된 형상, 개수에 한정되지는 않으며 다양하게 변경될 수 있다.
전극부(160)를 이루는 전극은 투명 전도성 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide)등의 금속산화물, Au, Ag등의 금속 나노입자 분산 박막, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole(PPy), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등의 전도성 고분자등이 사용될 수 있다. 또한, 전극부(160)를 코팅한 절연층의 표면도 소수성 표면 처리될 수도 있다.
일 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자(100)는 전기 습윤 현상에 의해 구동되고 라플라스 압력의 평형에 의해 정지된다. 전기 습윤 현상은 절연 물질로 코팅된 전극 상의 극성 유체에 전압을 가하면 극성 유체의 접촉각이 변하는 현상을 의미한다. 즉, 비극성 유체, 극성 유체 및 절연 물질이 만나는 삼상 접촉선(three-phase contact line, TCL)에서 각각의 계면장력에 따라 접촉각이 변한다. 전기 습윤 현상을 이용하는 경우, 낮은 전압을 사용하여 빠르고 효과적으로 유체의 유동을 제어할 수 있으며, 가역적으로 유체의 이송 및 제어가 가능하다.
전극부(160)의 어느 한 전극에 적절한 전압을 인가하면, 활성화된 구동전극, 예를 들어, 도 2a에 도시한 바와 같이, 전극(162) 위의 삼상 접촉선(three-phase contact line, TCL), 즉, 제1 유체(F1), 제2 유체(F2) 및 절연층(170)이 만나는 접선에서 전기기계적 힘이 작용하여 제1 유체(F1)가 제1 채널(CH1)의 가운데 영역으로 이동하면서 개구가 축소된다. 그리고 라플라스 압력의 평형에 의해 AD1의 개구 직경을 형성하면서 제1 및 제2 유체(F1, F2)의 유동이 정지된다.
또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 전극(162)에 전압이 인가되지 않는 경우, 제1 유체(F1)가 제1 채널(CH1)의 가장자리 영역으로 이동하면서 개구가 확대된다. 그리고 라플라스 압력이 평형이 되는 지점에서 제1 및 제2 유체(F1, F2)가 정지되어 AD2의 개구 직경을 형성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 미세 전기 유체 소자에 적용될 수 있는 제2 채널의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2)는 제2 서브 채널(CH22)로부터 멀어질수록 비선형적으로 증가할 수 있다. 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2)가 비선형적으로 증가한다 하더라도 변곡점이 없는 것이 바람직하다. 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2)는 제3 기판(140)의 폭의 변화에 의해 제어될 수 있을 있다. 뿐만 아니라 제2 기판(120)의 폭의 변화에 의해서도 제어될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2 기판(120)의 폭은 가운데 영역은 일정한 반면 가장자리로 갈수록 작아짐으로써 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2)가 커질 수 있다. 뿐만 아니라, 도 3c에 도시된 바와 같이, 제2 및 제3 기판(120, 140)의 폭 변화에 의해 제1 서브 채널(CH21)이 형성될 수도 있다.
한편, 전극부(160)에 전압이 인가되지 않으면, 제1 및 제2 유체(F1, F2)간의 계면(I1, I2)은 라플라스 압력에 의해 결정된다. 전극부(160)에 전압이 인가되지 않으면, 제1 및 제2 유체(F1, F2)는 라플라스 압력이 평형이 되는 지점으로 이동하여 정지한다. 제1 및 제2 유체(F1, F2)간의 계면에서 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)의 압력 차(
Figure pat00001
)는 개략적으로 하기 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00002
여기서, γ, θ, h, r은 각각 제1 및 제2 유체(F1, F2)간의 계면장력, 채널의 표면에 극성 유체 즉, 제1 유체(F1)의 접촉각, 채널의 높이(h), 제1 유체(F1)에 의해 형성된 개구의 반경을 의미한다. 채널의 높이(h)에 비해 개구의 반경(r)이 매우 큰 경우, 반경(r)은 압력차에 큰 영향을 미치지 않는다. 그리하여, 접촉각 (θ)이 동일한 지점에서 라플라스 압력이 평형을 이루게 되어 제1 및 제2 유체(F1, F2)는 정지하게 되고, 제1 및 제2 유체(F1, F2)가 정지된 지점에서 최대 개구가 형성될 수 있다. 즉, 제1 채널(CH1)의 계면(I1) 및 제2 채널(CH2)의 계면(I2) 중 어느 하나에 의해 최대 개구가 될 수 있다. 도 4a는 도 1의 미세 전기 유체 소자가 최대 개구를 갖을 때의 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 미세 유체 소자 내 제1 유체를 나타내는 평면도이다. 도 4a에서는 제1 채널(CH1)의 계면(I1)에 의해 형성된 개구가 최대 개구인 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 도 5는 다른 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자를 나타내는 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 채널(CH2)의 계면(I2)에 의해 형성된 개구가 최대 개구가 될 수 있다.
미세 전기 유체 소자(100)를 제작할 때 제1 및 제2 유체(F1, F2)의 계면(I2)이 제1 서브 채널(CH21)에서 형성될 수 있도록 제1 채널(CH1)의 높이(h1), 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2) 및 제1 서브 채널(CH21)의 경사도(
Figure pat00003
)가 결정될 수 있다. 상기한 제1 서브 채널(CH21)의 경사도(
Figure pat00004
)는 제1 유체(F1)의 접촉각(θ)을 증가시키는 요인이 된다. 그리하여, 제1 및 제2 유체(F1, F2)의 계면(I2)이 제1 서브 채널(CH21)에 형성할 때의 접촉각은 제1 및 제2 유체(F1, F2)의 계면(I2)이 제2 서브 채널(CH22)에 형성할 때의 접촉각보다 항상 크게 된다. 라플라스의 평형에 의해 제1 및 제2 유체(F1, F2)의 계면(I2)은 항상 제1 서브 채널(CH21)에 형성될 수 있다.
이와 같이, 전극부(160)에 전압이 인가되지 않을 때 제1 유체(F1)가 제1 서브 채널(CH21)내에 배치되도록 미세 전기 유체 소자(100)를 설계하면 외력에 상관없이 최대 개구의 크기 및 형상을 일정하게 유지할 수 있다.
예를 들어, 전극부(160)에 전압이 인가되지 않을 때라도 외력에 의해 계면(I1, I2)의 위치는 변경될 수 있다. 도 6a은 외력에 의해 계면의 위치가 변경된 미세 전기 유체 소자를 도시한 단면도이고, 도 6b는 외력에 의해 계면의 위치가 변경된 제1 유체를 도시한 도면이다. 여기서 외력은 중력 또는 외부 충격일 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 외력에 의해 개구, 즉, 제1 유체(F1)의 띠가 축대칭을 이루지 못할 수 있다. 제1 유체(F1)의 띠가 축대칭을 이루지 못하게 되면 미세 전기 유체 소자(100)가 조리개로 동작하는 경우에도 개구가 일부 가려지는 문제가 발생한다. 특히, 제1 및 제2 채널(CH1, CH2)의 높이(h)가 일정한 경우, 외력에 의해 제1 및 제2 계면의 위치가 변경되더라도 라플라스의 압력은 평형을 이루게 된다. 그리하여, 제1 및 제2 계면(I1, I2)은 변경된 위치를 그대로 유지하게 된다. 축대칭의 개구를 확보하기 어려워진다.
하지만, 일 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자(100)는 외부에 의해 개구(DA3')가 변경되더라도 원래의 개구(DA3)로 복원될 수 있다. 구체적으로, 외력에 의해 제1 및 제2 계면(I1, I2)의 위치가 변경될 수 있다. 예를 들어, 제2 계면(I2) 중 일부(I21)는 제1 서브 채널(CH21)에 형성될 수 있고 제2 계면(I2) 중 나머지(I22)는 제2 서브 채널(CH21)에 형성될 수 있다. 제2 서브 채널(CH22)의 높이(h3)가 제1 서브 채널(CH21)의 높이(h2)보다 상대적으로 작고, 제2 서브 채널(CH22)에서 제1 유체(F1)의 접촉각이 제1 서브 채널(CH21)에서 제1 유체(F1)의 접촉각보다 상대적으로 작기 때문에 제2 서브 채널(CH22) 내에 형성된 제1 유체(F1)는 제1 서브 채널(CH21) 쪽으로 유동하게 되고, 제1 서브 채널(CH21) 내에 형성된 제1 유체(F1)는 제2 서브 채널(CH22) 쪽으로 유동하게 된다. 그리하여, 라플라스 압력이 평형이 되는 지점인 원래의 개구(DA3)로 복원될 수 있다.
그리하여, 높이가(h2) 균일하지 않은 제1 서브 채널(CH21)을 구비한 일 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자(100)는 외력이 가해져 순간적으로 제1 유체(F1)가 제2 서브 채널(CH22)내로 유동하더라도 라플라스 압력의 평형에 의해 제1 유체(F1)는 제1 서브 채널(CH21)로 유동하여 최대 개구(DA3)를 유지할 수 있다. 외력에 의해 제1 유체(F1)가 제1 서브 채널(CH21)에서 불균형을 형성하더라도 제2 계면의 접촉각이 동일하도록 복원될 수 있음은 물론이다.
상술한 미세 전기 유체 소자는 개구 개폐의 구동 속도도 향상된다. 도 7은 미세 전기 유체 소자의 개구와 압력차의 관계를 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 비교예의 제2 채널의 높이는 균일하게 하였고, 실시예의 제2 채널의 높이 중 최대 높이로 하였다. 그래프에서 가로축은 제2 채널에서의 제1 유체 계면의 위치를 나타내며, 세로축은 제2 채널내 계면에서의 제1 유체와 제2 유체간의 압력차(ΔP)이다.
그래프를 참조하면, 실시예의 경우, 개구를 개방할 때, 실시예의 압력차가 비교예의 압력차보다 큼을 알 수 있다. 압력차는 미세 전기 유체 소자(100)의 구동 속도와 선형적으로 비례하기 때문에 일 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자(100)가 조리개로 동작할 때 개방 속도가 빨라짐을 알 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 미세 전기 유체 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
일 실시예는 미세 전기 유체 소자(200)가 개구(AD)가 완전히 차폐되는 셔터로도 기능할 수 있는 구조라는 점에서 앞서 설명한 미세 전기 유체 소자(100)와 차이가 있다. 제1 기판(110)상의 중심 영역에는 제1 채널(CH1), 제2 채널(CH2)을 투과한 광을 차단할 수 있는 불투명패턴부(210)가 더 형성되어 있다. 불투명패턴부(210)는 제1 유체(F1), 제2 유체(F2)의 유동에 의해 정해지는 개구(AD)의 최소 크기에 대응하는 크기로 형성될 수 있다. 즉 제1 유체(F1)의 유동으로 최소 개구(AD)가 형성될 때, 이러한 최소 개구(AD)를 투과한 광은 불투명패턴부(210)에 의해 차단된다.
상술한 미세 전기 유체 소자(100)들은 영상 획득 장치나 영상 표시 장치에서 가변 조리개나 화소 셔터로 응용될 수 있다. 도 9는 실시예에 따른 영상 획득 장치의 개략적인 구조를 보인다.
영상 획득 장치(300)는 피사체(OBJ)로부터의 광이 입사되는 개구(AD) 크기가 조절되는 가변 조리개(VA), 가변 조리개(VA)를 통해 입사된 광으로부터 피사체(OBJ)의 상을 형성하는 결상부(320), 결상부(320)에서 형성된 상을 전기 신호로 변환하는 촬상 소자(350)를 포함한다.
가변 조리개(VA)는 전술한 미세 전기 유체 소자가 채용될 수 있으며, 결상부(320)는 하나 이상의 렌즈를 포함하여 구성될 수 있다. 촬상 소자(350)로는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)등이 채용될 수 있다.
가변 조리개(VA)는 미소전기유체(microelectrofluidic) 방식을 사용하는 구조로 빠른 속도로 미세 구동이 가능하므로, 이를 채용하는 영상 획득 장치(300)는 OCT(optical coherence tomography), Microscope와 같은 의료 영상 기기로 활용되기에 적합하다.
도 10은 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 구조를 보인다.
영상 표시 장치(400)는 영상 형성용 광을 제공하는 광원부(420), 광원부(420)에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 디스플레이 패널(440)을 포함한다.
디스플레이 패널(440)은 전술한 미세 전기 유체 소자(100)가 다수개 어레이된 구성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 소자(441), 제2소자(442), 제3소자(443)를 포함할 수 있으며, 제1소자(441)는 전술한 예들 중 하나의 미세 전기 유체 소자(100)로서, 제1컬러를 나타내는 투광성 유체(FR)를 구비하도록 구성되고, 제2소자(442)는 전술한 미세 전기 유체 소자(100)로서, 제2컬러를 나타내는 투광성 유체(FG)를 구비하도록, 제3소자(443)는 전술한 미세 전기 유체 소자(100)로서, 제3컬러를 나타내는 투광성 유체(FB)를 구비하도록 구성될 수 있다. 상기 제1컬러, 제2컬러, 제3컬러는 각각 적색, 녹색, 청색일 수 있다. 제1 소자(441), 제2소자(442), 제3소자(443) 각각은 영상 정보에 따라 전극부(160) 구동이 제어되어 광원부(420)로부터 입사되는 광을 투과시키거나 차단할 수 있으며, 또한, 투과모드에서 개구(AD) 크기가 조절될 수 있으므로 계조 표시가 가능하다.
도 11은 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 구조를 보인다.
영상 표시 장치(500)는 영상 형성용 광을 제공하는 광원부(520), 광원부(520)에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 디스플레이 패널(540)을 포함하며, 디스플레이 패널(540)은 미세 전기 유체 소자(545) 다수개가 어레이된 구성으로 이루어질 수 있다. 미세 전기 유체 소자(545)는 전술한 미세 전기 유체 소자(100)가 채용될 수 있다. 본 실시예의 영상 표시 장치(500)는 컬러 표시를 위한 컬러 필터(550)를 별도로 구비한다. 예를 들어, 도 10의 영상 표시 장치(400)와 차이가 있으며, 즉, 디스플레이 패널(540)의 상부에 다수의 미세 전기 유체 소자(545)에 각각 대응되는 컬러 영역(R, G, B)을 가지는 컬러 필터(550)가 배치된다.
개개의 미세 전기 유체 소자(545)는 영상 정보에 따라 전극부(160) 구동이 제어되어 광원부(520)로부터 입사되는 광을 투과시키거나 차단할 수 있으며, 또한, 투과 모드에서 개구(AD) 크기가 조절되어 컬러 필터(550)의 컬러 영역(R, G, B)에 입사되는 광량이 조절되므로 계조 표시가 가능하다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 미세 전기 유체 소자
F1 : 제1 유체 F2: 제2 유체
CH1: 제1 채널 CH2: 제2 채널
CH21 : 제1 서브 채널 CH22 : 제2 서브 채널
CU: 연결부 TH1, TH2: 관통홀
I1, I2: 계면
DA1, DA2, DA3, DA3' 개구
110: 제1 기판 120: 제2 기판
130: 제1 스페이서 140: 제3 기판
150: 제2 스페이서 160: 전극부

Claims (20)

  1. 광차단성의 제1 유체와 제1 유체와 혼합되지 않으며 투광성의 제2 유체가 유동하는 제1 채널;
    상기 제1 채널과 중첩되면서 이격 배치되고, 상기 제1 및 제2 유체가 유동하는 제2 채널;
    상기 제1 및 제2 채널을 연결하는 연결부;을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 채널 중 어느 하나에서의 상기 제1 유체와 상기 제2 유체간 계면 위치 변화에 의해 광이 투과되는 개구가 조절되고,
    상기 제2 채널은 상기 제1 및 제2 유체가 유동되며 높이가 균일하지 않는 제1 서브 채널과 상기 제2 유체가 유동하며 높이가 균일한 제2 서브 채널을 포함하는 미세 전기 유체 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 서브 채널로 유동된 상기 제1 유체는, 라플라스 압력에 의해 상기 제1 서브 채널로 유동되어 정지되는 미세 전기 유체 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 서브 채널은 상기 제2 서브 채널을 둘러싸는 미세 전기 유체 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 서브 채널의 높이는 상기 제2 서브 채널로부터 멀어질수록 증가하는 미세 전기 유체 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 서브 채널의 높이는 선형적으로 증가하는 미세 전기 유체 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 서브 채널의 평균 높이는 상기 제2 서브 채널의 높이보다 큰 미세 전기 유체 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 서브 채널의 평균 높이는 상기 제1 채널의 평균 높이보다 큰 미세 전기 유체 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 유체는,
    상기 미세 전기 유체 소자의 중심축을 기준으로 대칭되게 유동하는 미세 전기 유체 소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 제1 및 제2 채널간에 상기 제1 유체가 유동하도록 형성된 제1 연결부; 및
    상기 제1 및 제2 채널간에 상기 제2 유체가 유동하도록 형성된 제2 연결부;를 포함하는 미세 전기 유체 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 채널의 내측면에 마련되며, 상기 제1 채널 내에 전기장을 형성하기 위한 전압이 인가되는 전극부;를 더 포함하고,
    상기 전기장에 따라 상기 계면 위치 변화가 발생하는 미세 전기 유체 소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    성기 전극부는,
    절연층으로 코팅된 하나 이상의 환형 전극을 포함하는 미세 전기 유체 소자.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 채널에 전기장이 형성되지 않을 때 상기 개구가 가장 큰 미세 전기 유체 소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유체 중 어느 하나는 극성 액체이고, 나머지 하는 무극성 또는 기체인 미세 전기 유체 소자.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 채널 중 적어도 일부 영역은 소수성 표면 처리된 미세 전기 유체 소자.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 채널은,
    제1 기판, 상기 제1 기판과 마주하면서 이격 배치된 제2 기판 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치된 제1 스페이서에 의해 형성되고,
    상기 제2 채널은,
    상기 제2 기판, 상기 제2 기판과 마주하면서 이격 배치된 제3 기판 및 상기 제2 기판과 상기 제3 기판 사이에 배치된 제2 스페이서에 의해 형성되는 미세 전기 유체 소자.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 제2 기판에 관통홀로 형성된 미세 전기 유체 소자.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 제2 기판의 가장자리 영역에 형성된 하나 이상의 제1 관통홀; 및
    상기 제2 기판의 가운데 영역에 형성된 하나 이상의 제2 관통홀;을 포함하는 미세 전기 유체 소자.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 미세 전기 유체 소자;
    상기 미세 전기 유체 소자를 통해 입사된 광으로부터 피사체의 상을 형성하는 결상부; 및
    상기 결상부에서 형성된 상을 전기 신호로 변환하는 촬상 소자;를 포함하는 영상 획득 장치.
  19. 광을 제공하는 광원부; 및
    상기 광원부에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 것으로, 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 따른 미세 전기 유체 소자가 다수개 어레이되어 이루어진 디스플레이 패널;를 포함하는 영상 표시 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 미세 전기 유체 소자내 제2 유체는 특정 컬러를 나타내는 영상 표시 장치.
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