KR20200100649A - 광학 소자 및 광학 소자 제작방법 - Google Patents

광학 소자 및 광학 소자 제작방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20200100649A
KR20200100649A KR1020207017637A KR20207017637A KR20200100649A KR 20200100649 A KR20200100649 A KR 20200100649A KR 1020207017637 A KR1020207017637 A KR 1020207017637A KR 20207017637 A KR20207017637 A KR 20207017637A KR 20200100649 A KR20200100649 A KR 20200100649A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer material
layer
electrode layer
material layer
electrode
Prior art date
Application number
KR1020207017637A
Other languages
English (en)
Inventor
야스미 야마다
도시히로 히라이
Original Assignee
닛토덴코 가부시키가이샤
신슈 다이가쿠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 닛토덴코 가부시키가이샤, 신슈 다이가쿠 filed Critical 닛토덴코 가부시키가이샤
Priority claimed from PCT/JP2018/048301 external-priority patent/WO2019131933A1/ja
Publication of KR20200100649A publication Critical patent/KR20200100649A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0205—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties
    • G02B5/021—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0075—Arrays characterized by non-optical structures, e.g. having integrated holding or alignment means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B5/00—Adjustment of optical system relative to image or object surface other than for focusing
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0056—Arrays characterized by the distribution or form of lenses arranged along two different directions in a plane, e.g. honeycomb arrangement of lenses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

본 발명은 간단한 구성으로 광학 특성을 조정할 수 있는 광학 소자 및 그 제작방법을 제공한다.
본 발명의 광학 소자(10A)는, 제1 전극층(12A)과, 제2 전극층(14A)과, 상기 제1 전극층(12A)과 상기 제2 전극층(14A) 사이에 배치되는 고분자 재료층(11)과, 상기 고분자 재료층(11)과 상기 제2 전극층(14A) 사이에 배치되어 상기 고분자 재료층(11)과 상기 제2 전극층(14A) 사이에 소정 공간(17)을 형성하는 절연성 스페이서층(13A)을 포함하고, 상기 고분자 재료층(11)은 전압이 인가된 상태에서 변형되어 상기 소정 공간에 하나 이상의 광 산란체(15)를 형성한다.

Description

광학 소자 및 광학 소자 제작방법
본 발명은 광학 소자 및 광학 소자 제작방법에 관한 것이다.
종래에 전압 인가에 의해 변형되는 고분자 재료를 사용하여 렌즈를 광축 방향으로 이동시키는 초점 조절 기구(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 렌즈 구동 기구(예를 들어, 특허문헌 2 참조) 등이 알려져 있다. 고분자 재료는 렌즈를 홀딩하는 렌즈 홀더에 사용되며, 전압 인가에 의한 고분자 재료의 신축을 이용하여 렌즈 위치를 광축에 따라 움직이고 있다.
또한, 전계의 인가 방향으로 신축하는 유기 재료를 한 쌍의 전극 사이에 끼우고서, 유기 재료층에 있어 전계 인가 방향에 수직한 면 내에서 단위 전기장 당 전기 변형(electrostriction)성 변형량이 분포를 갖도록 함으로써, 유기 재료층과 전극을 변형시켜 볼록 렌즈, 오목 렌즈 등을 형성하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 3 참조).
인공 근육 액츄에이터에 적용되는 고분자 유연 액츄에이터로서, 폴리염화비닐 1~50중량부에 대해 이온 액체를 1~30중량부 포함하는 겔 재료가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 4 참조).
일본국 특허공보 제4530163호 일본국 특허공보 제5180117호 일본국 특허공보 제5029140호 일본국 특허공보 제5392660호
렌즈를 광축에 따라 이동시키는 구성은, 렌즈 홀더에 배치된 고분자 재료를 신축시킴으로써 단일 렌즈의 위치를 변화시킨다. 이 구성은, 먼저 홀더를 변형시키며 홀더의 변형에 의해 렌즈 위치가 변하므로, 렌즈 구동의 응답성과 정밀도를 충분히 향상시키는 것이 곤란하다.
유기 재료층의 면내 방향에서 전기 변형성 변형량 분포를 갖도록 하는 구성은, 잉크젯이나 마이크로컨택트 프린팅 등에서 특성이 서로 다른 재료를 원하는 위치에 미세량씩 도포하므로, 렌즈 제작 공정이 복잡하여 시간이 걸린다.
또한, 전술한 종래의 구성은 모두 단일 렌즈의 조정을 목적으로 하지만, 이미징이나 영상 관련 제품에서는 다수의 미세 렌즈를 사용한 마이크로렌즈 어레이에 대한 수요가 커지고 있다. 마이크로렌즈 어레이에 초점 조정 기능을 부여할 수 있다면 부가 가치를 높일 수 있다.
상기 과제를 고려하여, 본 발명은 간단한 구성으로 광학 특성을 조정할 수 있는 광학 소자 및 그 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 전압 인가에 의한 고분자 재료의 신축 또는 변형을 이용하여 광의 집광·확산을 제어할 수 있는 광학 소자를 제공한다.
제1 양태에 있어 광학 소자는, 제1 전극층, 제2 전극층, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되는 고분자 재료층, 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되어 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 소정 공간을 형성하는 절연성 스페이서층을 포함하고, 상기 고분자 재료층은 전압이 인가된 상태에서 변형되어 상기 소정 공간에 하나 이상의 광 산란체를 형성한다.
제2 양태에 있어 광학 소자 제작방법은, 제1 전극층 상에 고분자 재료층을 형성하고, 상기 고분자 재료층 상에 절연성 스페이서층과 제2 전극층을 배치하여 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 소정 공간을 형성하며, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 인가하여 상기 고분자 재료층을 변형시킴으로써 상기 공간에 하나 이상의 광 산란체를 형성하는 공정을 포함한다.
상기 구성 및 방법에 의해 간단한 구성으로 광학 특성을 조정할 수 있는 광학 소자 및 그 제작방법이 실현된다.
도 1은 실시형태의 광학 소자의 기본 구성을 나타내는 개략 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는 실시형태의 광학 소자의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 실시형태의 광학 소자에 복수 개의 광 산란체를 형성하여 얻어지는 마이크로렌즈 어레이의 개략도이다.
도 4는 도 3의 X-X` 단면도이다.
도 5a는 복수 개의 광 산란체를 갖는 광학 소자의 제작 공정도이다.
도 5b는 복수 개의 광 산란체를 갖는 광학 소자의 제작 공정도이다.
도 5c는 복수 개의 광 산란체를 갖는 광학 소자의 제작 공정도이다.
도 6a 내지 도 6c는 실시형태의 광학 소자의 변형 과정을 나타내는 3D 이미지이다.
도 7은 도 6a 내지 도 6c의 광학 소자(마이크로렌즈 어레이)의 단면 프로파일을 전압의 함수로서 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 광학 소자의 변형예와 동작을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시형태의 광학 소자를 사용한 촬상 장치의 모식도이다.
도 10은 실시형태의 광학 소자를 사용한 조명 장치의 모식도이다.
도 11a 및 도 11b는 이온 액체를 첨가한 고분자 재료의 특성을 측정하기 위한 샘플의 모식도이다.
도 12는 도 11a 및 도 11b의 샘플에서 고분자 재료에 여러 이온 액체를 첨가했을 때의 고분자 재료층의 응답 특성을 나타내는 도면이다.
도 13은 이온 액체의 특성과 폴리머 겔의 변위 상태를 나타내는 도면이다.
도 14는 이온 액체의 첨가량과 폴리머 겔의 변위 간 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 전압 인가에 의해 형성된 광 산란체의 평가 결과를 이온 액체의 첨가량마다 나타낸 도면이다.
도 16은 이온 액체가 전극 열화에 미치는 영향을 나타낸 도면이다.
도 1은 실시형태의 광학 소자(10)의 일 구성예로서 광학 소자(10A)의 기본 구성을 나타낸다. 광학 소자(10A)는 제1 전극층(12), 제2 전극층(14A), 제1 전극층(12)과 제2 전극층(14A) 사이에 배치되는 고분자 재료층(11), 고분자 재료층(11)과 제2 전극층(14A) 사이에 배치되는 스페이서층(13A)을 포함한다. 스페이서층(13A)은, 소정 패턴의 개구(16)를 가지며, 개구(16)의 위치에서 고분자 재료층(11)과 제2 전극층(14A) 사이에 공간(17)이 형성되어 있다.
고분자 재료층(11)은 전압이 인가된 상태에서 탄성 변형하여 공간(17) 내에 광 산란체(15)를 형성한다. 광 산란체(15)는 후술하는 바와 같이 볼록 형상을 가진다.
스페이서층(13A)은 전기적으로 절연성이라면 재료의 종류를 묻지 않는다. 무기 절연막과 유기 절연막 중 어느 것이어도 좋다. 도 1의 예에서, 스페이서층(13A)은 소정 개구(16)의 패턴을 갖는 절연성 수지막이다. 개구(16)의 평면 형상 및 치수는, 공간(17)의 체적 및 공간(17) 내에 발생시킬 광 산란체(15)의 형상에 따라 적절하게 설계되며, 일 예로서 원, 타원, 다각형 등일 수 있다.
스페이서층(13A)의 개구(16) 직경은, 예를 들어 1mm 미만, 바람직하게는 300㎛ 이하로 설정된다. 개구(16)의 직경이 1mm 이상이면, 전압 인가에 의해 개구(16) 내에 고분자 재료층(11)을 돌출시키기가 어렵다. 개구(16)의 직경을 300㎛ 이하로 하는 경우에는, 전압 인가에 대한 고분자 재료층(11)의 변형 효율이 향상되어 볼록 형상을 형성할 수 있다.
고분자 재료층(11)과 광 산란체(15)는 겔 상의 폴리머 재료(이하, "폴리머 겔"이라 함)로 형성되어 있다. 광 산란체(15)는 전압 인가에 의한 폴리머 겔의 신축 또는 변형을 이용하여 형성되어 있다.
폴리머 겔은, 폴리염화비닐(PVC: polyvinyl chloride), 폴리메타크릴산메틸, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리아세트산비닐, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 실리콘 고무 등이며, 사용 파장에 대해 투명한 고분자(또는 수지) 재료를 적절하게 선택할 수 있다.
실시형태에서는, 전기장의 작용에 의한 변형예가 커서 취급하기 용이한 PVC를 사용한다. PVC에 가소제를 적절하게 첨가할 수도 있으며, PVC를 용매에 용해시킬 수도 있다. 가소제를 사용하는 경우에는, 아디핀산디부틸(DBA: dibutyl adipate), 아디핀산디에틸(DEA: diethyl adipate), 세바신산디에틸(DES: diethyl sebacate), 프탈산디옥틸(DOP: dioctyl phthalate), 프탈산디에틸(DEP: diethyl phthalate) 등을 사용할 수 있다. 용매로는 테트라히드로푸란(THF) 등을 사용할 수 있다.
가소제의 혼합 비율은 50wt% 이상, 바람직하게는 75wt% 이상이다. 혼합 비율이 50wt% 미만이면, 전압을 인가하여도 고분자 재료층(11)을 변형시키기가 어려워진다. 혼합 비율이 50wt% 이상 75wt% 미만일 때에는, 전압 인가에 의해 고분자 재료층(11)을 변형시킬 수 있으나, 인가할 전압 레벨이 높아질 우려가 있다. 혼합 비율을 75wt% 이상으로 함으로써, 적절한 전압 레벨에서 고분자 재료층(11)을 변형시킬 수가 있다.
제1 전극층(12)은 도전성을 갖는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 제1 전극층(12)을 금속으로 형성하는 경우에는, 백금, 금, 은, 니켈, 크롬, 구리, 티탄, 탄탈, 인듐, 팔라듐, 리튬, 니오븀, 이들의 합금 등을 사용할 수 있다. 제1 전극층(12)을 ITO(Indium Tin Oxide: 산화인듐주석) 등과 같은 투명한 산화물 반도체 재료로 형성할 수도 있으며, 도전성 폴리머, 도전성 카본 등을 사용할 수도 있다.
제2 전극층(14A)은 투명 전극층인 것이 바람직하다. 제2 전극층(14A)을 투명 전극층으로 함으로써, 광 산란체(15)에서 집광 또는 확산되는 광을 투과시킬 수 있다.
제1 전극층(12) 및 제2 전극층(14A)의 극성은 고분자 재료층(11)의 형상을 변화시키는 방향에 따라 설정할 수 있다. 도1의 예에서는, 고분자 재료층(11)로서 음(-)으로 잘 대전되는 재료를 사용하며, 제1 전극층(12)이 음극, 제2 전극층(14A)이 양극이다.
고분자 재료층(11)의 양극쪽 표면의 일부는 스페이서층(13A)에 면 접촉하고 있다. 고분자 재료층(11)은 전압 인가에 의해 스페이서층(13A)에 면 접촉하지 않는 영역(즉, 개구(16) 안으로 돌출되어 있는 영역)에서 변형되어 제2 전극층(14A) 쪽으로 끌어올려진다.
광학 소자(10A)는, 예를 들어 이하의 방법으로 제작할될 수 있다. 소정 치수로 형성된 제1 전극층(12) 상에 가소제가 첨가된 PVC로 된 용액을 캐스팅법 등으로 도포하여 고분자 재료층(11)을 형성한다. 고분자 재료층(11) 상에 미리 개구(16) 패턴을 형성한 스페이서층(13A)과 제2 전극층(14A)을 배치한다. 스페이서층(13A)의 배치와 제2 전극층(14A)의 배치는, 동시에 할 수도 있고 차례로 할 수도 있다.
제1 전극층(12)과 제2 전극층(14A) 사이에 소정 전압을 인가하여, 개구(16)에 의해 형성되는 공간(17) 내에 광 산란체(15)를 형성한다.
고분자 재료층(11)의 두께는, 개구(16)의 직경 및 깊이, 형성하려는 광 산란체(15)의 높이, 제1 전극층(12) 및 제2 전극층(14A)의 두께 등에 따라 적절하게 결정된다. 일 예로서 고분자 재료층(11)의 두께는 1mm 이하, 바람직하게는 0.1mm~0.5mm이다. 고분자 재료층(11)의 두께가 0.1mm 이하일 때에는 다소 다루기가 어려워지지만, 어디까지나 개구(16) 크기와의 관계를 고려하여 설계된다. 따라서, 미세한 다수의 렌즈를 갖는 마이크로렌즈 어레이 시트를 제작하는 경우에는, 고분자 재료층(11)의 두께가 0.1mm 이하로 되는 경우도 가능하다. 스페이서층(13A)의 두께는 1mm 이하, 바람직하게는 0.1mm 이하이다.
도 2a 및 도 2b는, 실시형태의 광학 소자(10A)의 동작 원리를 설명하는 도면이다. 도 2a는 전압이 인가되지 않은 상태를 나타낸다. 도 2b는 전압이 인가되었을 때의 상태를 나타낸다.
도 2a의 상태에서는, 고분자 재료층(11)은 표면이 평탄한 상태로 제1 전극층(12)과 제2 전극층(14A) 사이에 위치한다. 고분자 재료층(11)과 제2 전극층(14A) 사이에 스페이서층(13A)이 구비되어 있으므로, 고분자 재료층(11)의 일부는 스페이서층(13A)에 면 접촉하고 있다. 스페이서층(13A)에 형성된 개구(16)의 위치에서는, 고분자 재료층(11)과 제2 전극층(14A) 사이에 공간(17)이 형성되어 있다.
도 2b에서와 같이, 제1 전극층(12)과 제2 전극층(14A) 사이에 전압이 인가되면, 음극인 제1 전극층(12)으로부터 겔 상의 고분자 재료층(11)으로 전자가 주입된다. 전자를 포함하는 폴리머 겔은 양극인 제2 전극층(14A) 표면을 향해 끌어올려진다. 한편, 스페이서층(13A)은 절연성이며, 폴리머 겔은 개구(16)의 측면보다는 중심부에서 우선적으로, 제2 전극층(14A)을 향해 끌어당겨져서 광 산란체(15)가 형성된다.
고분자 재료층(11)은 폴리머 겔 자체가 갖는 탄성과 전압 응답성에 따라 변형되어, 개구(16)의 중심축을 중심으로 볼록 형상의 광 산란체(15)가 형성된다. 고분자 재료층(11)의 조성 및 개구(16)의 형상이 균일하다면, 같은 레벨을 전압을 인가함으로써 개구(16) 내에 불균일하지 않은 볼록 형상의 광 산란체(15)를 형성할 수가 있다.
폴리머 겔의 전체 체적은 같으므로, 폴리머 겔이 개구(16) 안으로 끌어올려진만큼 고분자 재료층(11)의 두께가 약간 줄어든다. 고분자 재료층(11)의 두께가 줄어들면, 고분자 재료층(11)에 면 접촉하고 있는 스페이서층(13A)과 스페이서층(13A)에 의해 지지되고 있는 제2 전극층(14A)의 위치도 약간 아랫쪽으로 내려간다.
고분자 재료층(11)의 변형은 가역적이어서, 전압 인가를 정지함으로써 도 2b의 초기 상태로 되돌릴 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 인가하는 전압 레벨에 따라 광 산란체(15)의 높이를 조정할 수 있다.
스페이서층(13A)에 형성되는 개구(16)의 갯수는 1개에 한정되지 않는다. 스페이서층(13A)에 복수 개의 개구(16)를 형성함으로써, 전압 인가에 의해 고분자 재료층(11)을 변형시켜 복수 개의 광 산란체(15)를 형성할 수 있다. 이 경우에도, 고분자 재료층(11)의 조성과 복수 개의 개구(16) 형상이 균일하다면, 전압 인가에 의해 균일한 형상의 복수 개의 광 산란체(15)를 동시에 형성할 수가 있다.
도 3은 광학 소자(10A)에 광 산란체(15)를 형성하여 얻어지는 마이크로렌즈 어레이(100)의 개략도이다. 마이크로렌즈 어레이(100)는 제1 전극층(12A), 제2 전극층(14A), 제1 전극층(12A)과 제2 전극층(14A) 사이에 배치되는 고분자 재료층(11), 고분자 재료층(11)과 제2 전극층(14A) 사이에 삽입되는 스페이서층(13A)을 포함한다. 도 3의 예에서는 제1 전극층(12A)과 제2 전극층(14A)이 투명 전극이다.
스페이서층(13A)에는 복수 개의 개구(16)가 형성되어 있다. 제1 전극층(12A)과 제2 전극층(14A) 사이에 전압이 인가되면, 고분자 재료층(11)이 변형되어 각 개구(16) 안으로 광 산란체(15)가 형성된다.
제1 전극층(12A)은 음극층, 제2 전극층(14A)은 양극층이며, 고분자 재료층(11)의 양극쪽 표면에 광 산란체(15)의 배열이 형성되어 있다. 일 예로서 고분자 재료층(11)의 두께는 500㎛, 광 산란체(15)의 저면 직경은 150㎛, 높이는 50㎛, 중심간 피치는 200㎛이다.
고분자 재료층(11)은, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, PC, 폴리메타크릴산메틸, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리아세트산비닐, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 실리콘 고무 등으로 된 폴리머 겔이다. 폴리머 겔에 DBA, DEA, DES, DOP, DEP 등으로 된 가소제를 첨가할 수도 있다. 가소제의 혼합비는 50wt% 이상, 보다 바람직하게는 75wt% 이상이다.
마이크로렌즈 어레이(100)의 광 산란체(15)는, 복수 개의 개구(16)의 내부 공간에서 고분자 재료층(11)이 제2 전극층(14A)으로 전기적으로 끌어당겨져 변형함으로써 형성되어 있으며, 고분자 재료층(11)의 표면에 균일한 볼록 형상의 광 산란체(15)가 배열되어 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 전극층(12A)과 제2 전극층(14A) 사이에 인가되는 전압 레벨에 따라 광 산란체(15)의 배열을 출현시키고 또한 광 산란체(15)의 높이를 변경시킬 수 있다.
도 4는 전압이 인가되지 않았을 때의 도 3의 X-X` 단면도이다. 제1 전극층(12A)과 제2 전극층(14A) 사이에서 고분자 재료층(11)의 표면은 평탄하다. 고분자 재료층(11) 표면의 일부는 스페이서층(13A)에 면 접촉하며, 다른 부분은 스페이서층(13A)에 형성된 개구(16) 내 공간(17)에 노출되어 있다. 개구(16)의 직경 φ는 150㎛이고, 스페이서층(13A)의 두께는 30㎛이다.
도5a~도5c는 복수 개의 광 산란체(15)를 갖는 광학 소자의 일 예인 마이크로렌즈 어레이(100)의 제작 공정도이다. 도 5a에서는, 기재(21) 상에 제1 전극층(12A)을 형성하고, 제1 전극층(12A) 상에 고분자 재료층(11)을 형성한다. 제1 전극층(12A)은, 예를 들어 두께가 100㎛인 ITO 필름이다. 고분자 재료층(11)은, PVC에 아디핀산디부틸(DBA)을 혼합 비율 80wt%로 첨가하고 THF 용매에 완전히 용해시켜 겔 용액으로 한 후, 겔 용액을 제1 전극층(12A) 상에 두께 500㎛로 캐스팅한 것이다. 가소제인 DBA는 음이온을 잘 띄므로, 전압 인가에 의해 폴리머 겔이 양극으로 끌어당겨진다.
도 5b에서, 고분자 재료층(11) 상에 복수 개의 개구(16)가 형성된 스페이서층(13A)과 제2 전극층(14A)을 배치한다. 스페이서층(13A)으로는 예를 들어 두께가 30㎛인 폴리이미드 필름을 사용한다. 제2 전극층(14A)은 두께가 100㎛인 ITO 필름이다. 이 예에서는, 스페이서층(13A)과 제2 전극층(14A)이 미리 붙여맞추어져 전극 어셈블리(19A)가 형성되어 있다. 전극 어셈블리(19A)가 기재(미도시) 상에 지지되어 있을 수도 있다.
스페이서층(13A)에서는 직경이 150㎛인 개구(16)가 30×30의 매트릭스로 배치되어 있다. 개구(16)의 피치 P는 200㎛, 인접하는 개구(16) 간 간격은 50㎛이다.
도 5c에서, 기재(21)를 박리하여 마이크로렌즈 어레이(100)의 박막이 완성된다. 그 후, 제1 전극층(12A)과 제2 전극층(14A) 사이에 원하는 레벨의 전압을 인가함으로써 개구(16) 안으로 광 산란체(15)를 발생시킨다.
도6a~도6c는, 복수 개의 광 산란체(15)를 갖는 광학 소자(10)에 인가하는 전압 레벨을 변화시키면서 관찰한 3D 이미지이다. 3D 관측은 KEYENCE社 제조의 디지털 마이크로스코프 VHX1000을 이용하여 실시한다.
도 6a는 인가 전압이 600V일 때의 이미지, 도 6b는 인가 전압이 700V일 때의 이미지, 도 6c는 인가 전압이 800V일 때의 이미지이다. 전압 인가에 의해 폴리머 겔이 중심부에서 끌어올려지는 모습을 알 수 있다.
도 7은 도6a~도6c의 3D 이미지로부터 3개 연속되는 광 산란체(15)의 높이를 전압 인가의 함수로서 플로팅한 것이다. 종축이 초기 상태(전압 인가 없는 상태)에서 고분자 재료층(11) 표면 위치로부터의 높이이고, 횡축은 스페이서층(13A)의 개구(16)의 면내 위치이며 1구획을 150㎛로 하였다.
전압 인가가 없을 때(0V)에, 개구(16) 안쪽에서의 고분자 재료층(11)의 높이 위치는 -20㎛ 부근이다. 이것은 광학적 측정에 있어 광이 들어오기 어려운 깊이 방향에서의 오차(±20㎛ 정도)의 영향이며, 개구(16) 내 고분자 재료층(11)의 프로파일은 평탄하게 되어 있다.
전압 인가가 500V일 때에 폴리머 겔이 크게 변형되어 개구(16)의 중심을 중심축으로 해서 돌기가 형성된다. 전압 레벨이 600V와 700V일 때에는, 피크 높이 위치가 더 커져서 세로로 길다란 볼록 형상의 프로파일이 얻어진다. 이 때에 광 산란체(15)의 높이는 50㎛에 이른다. 전압 인가가 800V일 때에는, 피크 높이 위치가 약간 줄어드나 폭도 작아지므로, 험준도는 더욱 커진다. 피크 부근에서의 곡률 반경은 보다 작아진다.
도 7의 프로파일로부터 알 수 있듯이, 광학 소자(10)(또는 마이크로렌즈 어레이(100))에 인가되는 전압 레벨을 제어함으로써, 원하는 렌즈 형상의 광학 소자(10)(또는 마이크로렌즈 어레이(100))를 얻을 수 있다.
한편, 800V를 인가하더라도 폴리머 겔에 흐르는 전류는 10㎂ 이하로서 매우 낮으며 발열량이 억제되어 장기간의 사용에 견딜 수가 있다.
도 8a 및 도 8b는 변형예인 광학 소자(10B)의 개략도이다. 전술한 실시형태에서는 평탄한 제2 전극층(14A)에 개구(16)를 갖는 절연성 스페이서층(13A)을 붙여맞추어 사용하였었다. 변형예에서는 제2 전극층(14B)에 있어 고분자 재료층(11)에 대향하는 주면(141)에 개구(143)를 구비하고, 주면(141)과 개구(143) 내 측벽이 절연성 스페이서층(13B)으로 덮여진다. 개구(143)의 저면(145)은 스페이서층(13B)으로 덮이지 않고 노출되어 있다.
개구(143)를 갖는 제2 전극층(14B)과 스페이서층(13B)은 전극 어셈블리(19B)로서 일체로 형성되어 있을 수 있다. 개구(143)는 웨트 에칭 또는 드라이 에칭으로 원하는 형상으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 개구(143)의 평면 형상은 소정 직경을 갖는 원, 타원, 다각형 등이다.
개구(143)가 형성된 제2 전극층(14B)의 주면(141) 전체면에 절연성 스페이서층(13B)을 형성하고, 포토리소그래피와 에칭에 의해 개구(143) 저면(145)의 스페이서층(13B)을 제거하여 개구(143) 안에서 제2 전극층(14B)을 노출시킨다. 개구(143)의 측벽을 덮는 스페이서층(13)에 의해, 제2 전극층(14B)과 고분자 재료층(11) 사이에 소정의 공간(17)이 형성된다.
도 8a에 나타내는 바와 같이, 전압을 인가하지 않은 상태에서는, 공간(17) 안쪽에서 고분자 재료층(11)의 표면이 평탄하게 되어 있다. 개구(143) 이외의 영역에서 고분자 재료층(11)은 스페이서층(13B)에 면 접촉하고 있다.
도 8b에 나타내는 바와 같이, 제1 전극층(12B)과 제2 전극층(14B) 사이에 전압이 인가되면, 고분자 재료층(11)이 변형되어 개구(143) 내부에서 중심부로부터 우선적으로 제2 전극층(14B)을 향해 끌어당겨진다. 이로써 공간(17) 내에 볼록 형상의 광 산란체(15)가 형성된다.
도 8a 및 도 8b의 광학 소자(10B) 역시, 복수 개의 광 산란체(15)를 형성함으로써 마이크로렌즈 어레이로 사용할 수 있다. 이 경우에는, 제2 전극층(14B)에 복수 개의 개구(143)를 형성하고 전체면에 걸쳐 스페이서층(13B)을 형성한 후에, 개구(143)의 저면을 노출시키면 된다. 전압을 인가함으로써 복수 개의 개구(143) 안쪽에 균일한 형상의 광 산란체(15)를 형성할 수 있다.
도 9는 실시형태의 마이크로렌즈 어레이(100)를 사용한 촬상 장치(150)의 모식도이다. 마이크로렌즈 어레이(100)로서 실시형태의 광학 소자(10A)와 변형예의 광학 소자(10B) 중 어느 것을 사용하여도 좋다. 도 9의 예에서는, 제1 전극층(12), 고분자 재료층(11), 스페이서층(13), 제2 전극층(14)의 순서로 적층된 광학 소자(10A)를 마이크로렌즈 어레이(100)로서 사용하고 있다.
촬상 장치(150)는, 복수 개의 광 산란체(15)의 배열을 갖는 마이크로렌즈 어레이(100)와, 복수 개의 촬상 소자가 배열된 촬상 소자 어레이(130)를 포함한다. 촬상 소자는 CCD(charge coupled device), CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 센서 등으로 형성되어 있다. 촬상 소자의 배열에 대응하여 3색의 컬러 필터(131)가 배치되어 있을 수도 있다. 이 예에서는 적(R), 녹(G), 청(B)의 컬러 필터(131R,131G,131B)가 교대로 배치되어 있다.
도 10은 실시형태의 마이크로렌즈 어레이(100)를 사용한 조명 장치(250)의 모식도이다. 조명 장치(250)는, 예를 들어, LED 램프 등의 광원(230)과, 광원(230)의 출력쪽 앞면에 배치된 마이크로렌즈 어레이(100)를 갖는다. 마이크로렌즈 어레이(100)로서 실시형태의 광학 소자(10A)와 변형예의 광학 소자(10B) 중 어느 것을 사용하여도 좋다. 도 10의 예에서는, 제1 전극층(12), 고분자 재료층(11), 스페이서층(13), 제2 전극층(14)의 순서로 적층된 광학 소자(10A)를 마이크로렌즈 어레이(100)로서 사용한다.
전압을 인가함으로써, 스페이서층(13)에 의해 형성되는 공간 내에 원하는 형상의 광 산란체(15)를 형성하여, 광 확산을 억제하고 휘도를 높게 유지한 상태에서 확산광을 평행광으로 변환할 수 있다.
도 9 및 도 10의 적용예 외에도, 광학 소자(10A,10B)는 광학 현미경, 산업용 등의 조명 장치 등에 적용할 수 있다.
마이크로렌즈 어레이(100)는 1mm 이하의 박형으로 형성되며 음극, 양극 모두 투명화될 수 있으므로, 초박형 카메라, 헤드 마운트 디스플레이(HMD), 마이크렌즈 어레이(MLA) 시트 등에 적용하는 것뿐 아니라, 내시경 시스템 등과 같은 의료 분야에도 유효하게 적용 가능하다. 광 산란체(15)의 갯수가 하나인 광학 소자(10)도 의료, 이미지 형성 분야에서 광 확산 시트, 렌즈 시트 등에 적용할 수가 있다.
<고분자 재료의 구성>
전술한 바와 같이, 실시형태의 광학 소자(10) 및 마이크로 렌즈 어레이(100)는, 복잡한 기구를 사용하지 않고 전압을 ON/OFF 제어하거나 전압 레벨을 조정함으로써 여러 배향 분포를 갖는 광 산란체(15)를 발생시킬 수 있다. 여기에서, 인가되는 전압은 낮은 것이 바람직하다. 이에 광학 소자 및 마이크로렌즈 어레이에 사용되는 고분자 재료의 조성을 고안하여 인가 전압을 저감시킨다.
구체적으로는, 고분자 재료층(11)으로 사용되는 겔상의 고분자 재료(폴리머 겔)에 소정 조건을 만족하는 이온 액체를 첨가함으로써 광학 소자(10) 또는 마이크로렌즈 어레이(100)의 구동 전압을 저감시킨다. 이온 액체의 첨가에 의해 고분자 재료의 변형 효율을 높일 수 있다.
이온 액체는 카티온(양의 전하를 띈 이온)과 아니온(음의 전하를 띈 이온)으로 구성되는 염이며, 25℃에서 액체인 것을 말한다. 소정 조건 중 하나는, 이온 액체가 25℃에서 일정값 이상의 아니온(음이온) 수송율을 가지는 것이다. 이것의 상세한 조건에 대해서는 후술하기로 한다.
고분자 재료는, 전술한 바와 같이, 폴리염화비닐(PVC: polyvinyl chloride), 폴리메타크릴산메틸, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리아세트산비닐, 폴리비닐알코올, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 실리콘 고무 등이다. 바람직한 구성예에서는 사용 파장에 대해 투명한 고분자 또는 수지 재료가 사용된다.
이러한 고분자 재료에 대한 이온 액체의 중량 비율은, 0.2wt% 이상 1.5wt% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.3wt% 이상 1.0wt% 이하이다. 고분자 재료의 중량을 1(또는 100%)이라 하였을 때에 상기 중량 비율의 이온 액체를 혼합함으로써, 광학 소자 또는 마이크로렌즈 어레이의 구동 전압을 저감시킬 수 있다. 그 근거에 대해서도 후술하기로 한다.
폴리머 겔에 적절한 가소제를 첨가할 수도 있으며 용매에 용해시킬 수도 있다. 가소제를 사용하는 경우에는, 아디핀산디부틸(DBA: dibutyl adipate), 아디핀산디에틸(DEA: diethyl adipate), 세바신산디에틸(DES: diethyl sebacate), 프탈산디옥틸(DOP: dioctyl phthalate), 프탈산디에틸(DEP: diethyl phthalate) 등을 사용할 수 있다. 용매로는 테트라히드로푸란(THF) 등과 같은 에테르계 용매를 사용할 수 있다.
이온 액체가 첨가된 고분자 재료는, 도1~도2b의 광학 소자(10A), 도 8a 및 도 8b의 광학 소자(10B), 도3의 마이크로렌즈 어레이(100)에 적용 가능하다. 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 고분자 재료에 소정 조건의 이온 액체를 첨가함으로써, 고분자 재료층(11)의 구동 전압을 200V 이하, 보다 바람직하게는 150V 이하로 저감시킬 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 이온 액체를 첨가한 고분자 재료의 특성을 측정하기 위한 샘플(110)의 모식도이다. 도 11a는 전압 인가가 없는 상태이고, 도 11b는 전압이 인가된 상태이다.
고분자 재료의 여러 특성을 조사하기 위해 전극(112,113) 사이에 고분자 재료층(111)을 끼운 샘플을 제작한다. 중량 평균 분자량이 230,000인 PVC를 테트라히드로푸란(THF) 용매에 용해시킨 폴리머 겔을 준비하고 여러 이온 액체를 첨가하여 복수 개의 종류의 샘플을 제작한다. 비교예로서 이온 액체가 첨가되지 않은 폴리머 겔을 사용했을 때의 특성도 측정한다.
하부 전극이 되는 전극(112) 상에 샘플과 비교예의 폴리머 겔을 두께 300㎛로 도포한다. 폴리머 겔 상에, 상부 전극(113)으로서 직경이 100㎛인 구멍이 형성된 두께 20㎛의 금속 박막을 배치한다. 전극(112,113) 사이에 인가하는 전압을 0V에서 400V까지 변화시켜, 전극(113)으로부터 돌출되는 광 산란체(115)의 정점(피크) 높이 h를 측정한다. 높이 h는 전극(113) 표면(113s)에서부터의 높이이다. 전극(112)은 음극이고, 전극(113)은 양극이다.
실시형태의 광학 소자(10)는, 전압 인가에 의한 폴리머 겔의 탄성 변형을 이용하여 폴리머 겔을 전극으로 끌어당겨 공간 내에 광 산란체(15)를 형성하고 있는데, 도 11a 및 도 11b의 샘플(110)도 전압 인가에 의한 탄성 변형을 이용하여 광 산란체(115)를 형성하는 점에서는 마찬가지이다. 도 11a 및 도 11b의 샘플에서 얻어진 폴리머 겔의 특성 측정 결과는 도1~도3, 도 8a, 도 8b의 구성에도 적용할 수가 있다.
도 12는 여러 이온 액체를 첨가했을 때에 폴리머 겔의 전압 응답 특성을 나타낸다. 고분자 재료층(111)에 인가되는 전압값을 변화시켜 피크 높이 h의 전압 의존성을 측정한다. 비교예로서 이온 액체가 첨가되지 않은 폴리머 겔을 사용하여 마찬가지로 피크 높이의 전압 의존성을 측정한다.
선 A는 이온 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨=테트라플루오로붕소산염(EMI-BF4)을 첨가한 샘플 A의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다. PVC에 대한 EMI-BF4의 중량 비율은 0.5wt%이다. EMI는 카티온이고, BF4는 아니온이다.
선 B는 이온 액체로서 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨=테트라플루오로붕소산염(OMI-BF4)을 첨가한 샘플 B의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다. PVC에 대한 OMI-BF4의 중량 비율은 0.5wt%이다. OMI는 카티온이고, BF4는 아니온이다.
선 C는 이온 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨=디시아나미드(EMI-DCA)를 첨가한 샘플 C의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다. PVC에 대한 EMI-DCA의 중량 비율은 0.5wt%이다. EMI는 카티온이고, DCA(C2N3)는 아니온이다.
선 D는 이온 액체로서 테트라부틸포스포늄=테트라플루오로붕소산염(TBP-BF4)을 첨가한 샘플 D의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다. PVC에 대한 TBP-BF4의 중량 비율은 0.1wt%이다. TBP는 카티온이고, BF4는 아니온이다.
선 E는 이온 액체로서 테트라부틸포스포늄=테트라플루오로붕소산염(TBP-BF4)을 첨가한 샘플 D의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다. 이온 액체의 종류는 샘플 D와 같으나, PVC에 대한 TBP-BF4의 중량 비율은 0.5wt%이다. TBP는 카티온이고, BF4는 아니온이다.
선 F는 이온 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨=트리플루오로메탄술폰이미드(EMI-TFSI)를 첨가한 샘플 F의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다. PVC에 대한 EMI-TFSI의 중량 비율은 0.5wt%이다. EMI는 카티온이고, TFSI는 아니온이다.
선 G는 이온 액체로서 테트라부틸포스포늄=메탄술폰산(TBP-MES)을 첨가한 샘플 G의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다. PVC에 대한 TBP-MES의 중량 비율은 0.5wt%이다. TBP는 카티온이고, MES는 아니온이다.
선 W는 비교예로서 이온 액체가 첨가되지 않은 샘플 W에 있어 PVC 폴리머 겔의 피크 높이의 전압 의존성을 나타낸다.
도 12의 측정 결과를 보면, 이온 액체를 첨가하지 않은 경우에도, 유전 분극이 생기는 폴리머 겔을 사용함으로써 전압 인가에 의해 폴리머 겔이 변형된다. 이온 액체를 첨가하지 않은 비교예의 폴리머 겔 W에서는, 인가 전압에 대해 거의 선형적으로 광 산란체(115)의 높이가 증가하고 있다. 그러나, 샘플 W를 전극(113) 표면(13s)에서부터 20㎛의 높이로 돌출시키려면 400V의 전압이 필요하다.
이에 대해 이온 액체로서 EMI-BF4를 0.5wt% 첨가한 샘플 A와, OMI-BF4를 0.5wt% 첨가한 샘플 B는, 100V 이하의 전압 인가로써 고분자 재료층(11)을 20㎛ 이상의 높이로 구동시킬 수 있다. 특히, 샘플 A는 50V의 전압 인가로써 20㎛의 높이, 200V의 전압 인가로써 40㎛에 조금 못 미치는 높이로 변위한다. 샘플 B도 100V의 전압 인가로써 25㎛의 높이, 200V의 전압 인가로써 30㎛의 높이로 변위한다.
EMI-DCA를 0.5wt% 첨가한 샘플 C는, 이온 액체를 첨가하지 않은 샘플 W에 비해 약 절반의 인가 전압(210~220V)으로써 동일한 피크 높이 20㎛를 얻을 수 있어서, 변형 효율이 크게 향상되어 있다.
TBP-BF4를 0.1wt% 첨가한 샘플 D는, 50V의 전압 인가로써 전극(113) 표면(113s)에서부터 광 산란체(115)를 돌출시킬 수 있지만, 전압을 높이더라도 피크 높이는 여전히 10㎛ 미만이어서 50V~400V의 범위에서 피크 높이의 변화가 적다. 따라서, 샘플 D에서는 전압 제어에 의해 광 산란체(115)의 높이를 양호한 정밀도로 조정하기가 어렵다.
TBP-BF4를 0.5wt% 첨가한 샘플 E, EMI-TFSI를 0.5wt% 첨가한 샘플 F, TBP-MES를 0.5wt% 첨가한 샘플 G는, 400V의 전압을 인가하더라도 전극(113) 표면(113s)에서부터 광 산란체(115)를 돌출시킬 수 없다.
도 12의 측정 결과로부터, 이온 액체의 종류(즉, 물성)와 첨가량 중 적어도 한쪽은 고분자 재료층(111)의 구동 전압 저감에 영향을 미치고 있다고 생각된다.
<폴리머 겔의 변위와 이온 액체 물성의 관계>
도 13은 폴리머 겔의 변위와 이온 액체 물성의 관계를 나타내는 도면이다. 이온 액체로서 도 12의 샘플 A~G에 더해 1-에틸-3-메틸이미다졸륨=플루오로술포닐이미드(EMI-FSI)를 첨가한 샘플 H의 물성도 같이 측정한다.
각종 이온 액체를 첨가한 샘플 A~H에서 변위가 양(+)인 것은, 전압 인가에 의해 폴리머 겔이 전극(113) 표면(113s)으로부터 돌출하여 광 산란체(115)가 형성된 것을 나타낸다. 변위가 음(-)인 것은 전압을 인가하여도 전극(113) 표면(113s)으로부터 폴리머 겔이 돌출하지 않은 것이다.
각 이온 액체의 물성으로서, 도전율, 전위창의 크기, 25℃에서의 음이온 확산 계수 및 수송율을 측정한다. 사용한 이온 액체 중에는 25℃에서 고체인 것도 있으므로, 80℃로 가열하여 용융시킨 것에 대해서는 80℃에서의 음이온 확산 계수 및 수송율을 측정한다.
전술한 파라미터 중 우선 도전율에 대해 검토한다. 샘플 C는 샘플 A, B와 비교하여 도전율이 2자리 작은데 샘플 C를 첨가한 폴리머 겔은 +로 변위되어 있다. 이에 대해 샘플 H는 샘플 C보다 훨씬 도전율이 큰데, 폴리머 겔은 +로 변위되지 않았다. 따라서, 이온 액체의 도전율은 폴리머 겔의 변형 효율에 직접적으로 관계하지 않는다고 생각된다.
전위창은 도 11a 및 도 11b의 계(系)에서 전기화학적으로 안정성이 유지되는 전위 영역을 말한다. 전위창이 넓을수록(수치가 클수록) 계가 전기화학적으로 안정되는 범위가 넓다. 샘플 A와 샘플 F의 전위창은 같은 넓이임에도, 샘플 A의 폴리머 겔은 +로 변위되었고 샘플 F의 폴리머 겔은 +로 변위되지 않았다. 따라서, 이온 액체의 전위창의 넓이도 폴리머 겔의 변형 효율에 직접적으로 관계하지 않는다고 생각된다.
이어서, 25℃에서의 아니온(음이온)의 확산 계수 및 수송율에 대해 검토한다. 이온 액체에 포함되는 양·음이온의 확산 계수는, 측정 기기로서 고체 NMR(Varian社 제조, VNMR System)을 이용하여 측정한다. 측정 방법은, 우선 모세관에 이온 액체를 주입하고 장치에 세팅한다. 소정 온도(이 경우에는 25℃와 80℃)에서 자기장 변화에 대한 시그널 강도를 계측하여 Stokes-Einstein 식으로부터 양·음이온의 확산 계수를 산출한다.
음이온 수송율은, 전류를 이온 액체로 흐르게 했을 때에 전체 전류에 대해 아니온이 담당하는 전류의 비율을 나타낸다. 음이온 수송율은, 상기에서 구한 음이온 확산 계수와 양이온 확산 계수의 총합에 대한 음이온 확산 계수의 비(Danion/(Dcation+Danion))로서 계산된다.
샘플 A, B, C, F, H에 사용된 이온 액체는 25℃에서 액체이며, 액체 크로마토그래피에 의한 측정 결과로부터 각 이온 액체의 음이온 확산 계수 및 수송율을 산출하였다. +변위가 얻어진 샘플 A, B, C에서 25℃에서의 이온 액체의 음이온 수송율은 모두 0.4 이상이다. 이에 대해 +변위가 얻어지지 않은 샘플 F, H에서 사용된 이온 액체의 25℃에서의 음이온 수송율은 0.4보다 작다. 이로부터, 실온에서의 음이온 수송율은 폴리머 겔의 변형 효율에 영향을 미치고 있다고 생각된다.
한편, +변위가 얻어진 샘플 D에 첨가된 이온 액체 TBP-BF4는, 사용한 액체 크로마토그래피의 가열 가능 온도(80℃)에서는 용융되지 않으므로 확산 계수를 측정할 수 없었다.
+변위가 얻어지지 않은 샘플 G에 첨가된 이온 액체 TBP-MES도, 25℃에서 고체이므로 확산 계수를 측정할 수 없었다. 그런데 이 이온 액체를 80℃로 가열하였더니 용융되었는 바, 음이온 확산 계수 및 수송율을 계산하였더니 수송율은 0.6이었다.
도 13의 결과로부터, 고분자 재료층(11)에 첨가되는 이온 액체의 특성으로서 25℃에서의 음이온 수송율이 0.4 이상인 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 12 및 도 13으로부터, 이온 액체의 아니온 크기(분자량)가 작은 쪽이 폴리머 겔의 변형 효율에 기여하는 것으로 추정된다. 한편, 이온 액체의 카티온 크기는 변형 효율에 그다지 기여하지 않는다고 생각된다. 하지만, 샘플 D의 변형 효율이 충분하지 않다는 점으로부터는 카티온의 종류에 따라 음극의 열화에 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 이에 대해서는 도 16을 참조하여 후술한다.
한편, 샘플 G가 사용된 이온 액체는 아니온 크기도 카티온 크기도 중간 정도이나, 이온 액체가 25℃에서 고체이므로 교반에 의해 폴리머 겔 중에 분산되더라도 겔의 변형 효율에는 그다지 기여하지 않는 것으로 생각된다.
이상으로부터, BF4- 및 DCA 이외에도, 아니온으로서 이온 크기가 비교적 작은 Cl-, Br- 등을 사용할 수가 있다. 또한, 카티온으로서 음극의 열화에 영향주지 않는 것을 선택하여, 여러 이온 액체를 사용할 수 있다. 예를 들어, Li-BF4-를 이온 액체로서 사용할 수 있다.
<이온 액체의 첨가량과 폴리머 겔 변위의 관계>
도 14는 이온 액체의 첨가량과 폴리머 겔 변위의 관계를 나타내는 도면이다. 횡축은 폴리머 겔에 있어 고분자 재료에 대한 이온 액체의 함유량(wt%)이고, 종축은 변위의 피크 높이이다.
고분자 재료로서 분자량이 230,000인 PVC를 사용하며, 이온 액체로서 샘플 A의 EMI-BF4를 사용한다. EMI-BF4의 첨가량을 0wt%~ 5.0wt%의 범위에서 변화시킨다. 또한, 인가 전압을 0V, 50V, 100V, 200V, 400V로 변화시킨다.
인가하는 전압 레벨에 관계없이 이온 액체의 첨가량이 0.2wt%~1.5wt%인 범위에서 +변위가 얻어진다. 또한, 0.3wt%~1.0wt%의 범위에서 변위가 최대이다. 이 범위의 이온 액체 첨가에 의해 100V 이하의 전압 인가로 전극(113)의 표면(113s)에 광 산란체(115)를 형성할 수 있다. 이온 액체의 첨가량이 5.0wt%일 때에는 전압을 OFF로 하여도 변형이 다시 되돌아오지 않는 메모리 현상이 발생한다.
도 14로부터, 고분자에 대한 이온 액체의 중량 비율은 0.2wt%~1.5wt%가 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.3wt%~1.0wt%임을 알 수 있다. 이것은 도 12의 결과와도 일치한다.
도 15는 고분자 재료층(111)으로 전압을 인가함으로써 형성되는 광 산란체(115)의 광 확산 분포 평가 결과를 이온 액체 첨가량마다 나타내는 도면이다. 이온 액체로서 EMI-BF4를 사용하며 EMI-BF4의 첨가량을 변화시킨 고분자 재료층(111)으로 도 11a 및 도 11b의 샘플(110)을 제작한다. 고분자 재료층(111)은, 폴리머 겔로서 PVC를 포함하며, 가소제로서 아디핀산디부틸(DBA)을 포함한다. PVC와 DBA의 총량에 대한 DBA의 함유 비율은 83wt%이다.
음극이 되는 전극(112)을 두께 150㎛인 ITO로 형성하고, 전극(112)과 전극(113) 사이에 끼운 고분자 재료층(111)에 전압을 인가하여 광 산란체(115)를 형성한다. ITO로 형성되는 전극(112) 쪽에 레이저를 배치하고, 광 산란체(115)가 형성되는 쪽에 스크린을 배치한다. 전극(112)의 뒷면쪽에서 적색 평행광인 레이저 광을 샘플(110)로 입사시켜 스크린에서의 광 확산 상태를 관찰한다.
스크린은 광 산란체(115)의 광 출사측에서 광 산란체(115)의 초점보다 먼 위치에 배치되어 있다. 광 산란체(115)의 초점에서 한번 집광된 후의 광 확산을 스크린 상에서 관찰한다. 샘플(110)의 광 산란체(115)의 직경은 100㎛, 높이는 0~40㎛ 정도로서 작으며, 그 초점 위치는 광 산란체(115)에 아주 가깝게 위치하므로, 육안으로 관찰하기 어렵기 때문이다. 광 산란체(115)의 초점을 넘은 위치에서의 광 확산을 관찰함으로써 집광 상태를 평가할 수 있다.
이온 액체가 첨가되지 않은 샘플("w/o IL"로 표기)에서는, 200V의 전압을 인가하여도 전극(113) 표면으로부터 돌출되는 광 산란체(115)가 형성되지 않는다. 샘플(110)의 뒷면에서 입사된 적색 평행광은 집광되지 않고 평행광인 채로 샘플(110)을 투과한다. 0V~400V의 범위에서는, 인가 전압 레벨에 관계없이 스크린 상에 같은 크기의 스폿이 형성되어 있다.
EMI-BF4가 0.05wt% 첨가된 샘플에서는, 100V의 전압 인가에 의해 전극(113) 표면에서 폴리머 겔이 약간은 부풀어오르지만, 집광 기능이 불충분하여 스크린 위치에서 평행광 스폿이 거의 유지되고 있다. 200V의 전압 인가에서는 피크 높이가 10㎛ 정도인(곡률이 완만한) 광 산란체(115)가 형성된다. 일단 광 산란체(115)의 초점 위치에서 집광된 광이 확산되어 퍼져서 스크린 상에 스폿이 나타나지 않는다.
EMI-BF4가 0.5wt% 첨가된 샘플에서는, 50V의 전압 인가에 의해 전극(113) 표면에 광 산란체(115)가 형성되며, 집광 후에 확산되기 시작한 광이 스크린 위치에서 관찰된다. 100V의 전압 및 200V의 전압 인가에서는 50V 인가시보다 피크 높이가 큰, 즉, 곡률이 급격한 광 산란체(115)가 전극(113) 표면에 형성된다. 샘플(110)의 뒷면에서 입사된 광은 집광된 후에 크게 확산하여 스크린 위치에서 스폿이 관찰되지 않는다. 이들 평가 결과는 도 14의 측정 결과와 일치한다.
도 15의 광 확산 분포로부터, 인가 전압을 조정함으로써 광 산란체(115)의 초점 거리를 가변적으로 할 수 있음이 확인된다. 이 측정 결과를 실시형태의 광학 소자(10A,10B) 및 마이크로어레이(100)에 적용하면, 보다 낮은 전압으로 광 산란체(115)를 형성할 수 있어서 변형 효율이 양호한 가변 초점 렌즈 또는 가변 형상 렌즈로서 사용할 수가 있다.
<이온 액체(카티온)가 음극 열화에 미치는 영향>
도 16은 이온 액체가 음극 열화에 미치는 영향을 나타내는 도면이다. 시험용 샘플로서, 금속 기판 상에, 여러 이온 액체를 첨가한 PVC 겔을 도포하고, PVC 겔 상에 대향 전극으로서 ITO 전극을 배치한다.
도포하는 PVC 겔의 종류는 샘플 A(0.5wt%의 EMI-BF4를 포함), 샘플 B(0.5wt%의 OMI-BF4를 포함), 샘플 C(0.5wt%의 EMI-DCA를 포함), 샘플 D(0.1wt%의 TBP-BF4를 포함), 샘플 H(0.5wt%의 EMI-FSI를 포함), 샘플 G(0.5wt%의 TBP-MES를 포함)의 6종류이다. 이 중 도 13에서 +변위가 얻어진 것은 샘플 A~D이다. 샘플 D는 이온 액체의 중량 비율을 다른 샘플과 같은 0.5wt%로 한 경우에 변위가 얻어지지 않으므로 첨가량을 0.1wt%로 줄인 샘플이다.
금속 기판을 양극, ITO를 음극으로 하여 PVC 겔에 인가하는 전압 레벨을 변화시키면서 ITO 쪽에서 전극의 표면 상태를 관찰한다.
변위 효과가 없는 샘플 G는 50V라는 낮은 인가 전압에서 ITO(음극)의 열화가 관찰된다. 또한, 샘플 D에서도 전압 인가에 의한 ITO 전극의 열화가 관찰된다. 이는 카티온이 ITO 전극의 열화에 영향을 미치고 있기 때문이라고 생각된다. 이에 대해 변위 효과가 높은 샘플 A~C에서는, 인가 전압을 올려도 ITO 전극의 열화가 관찰되지 않았다.
도11a~도16에 대한 고찰을 보면, 25℃에서 음이온 수송율이 0.4 이상인 이온 액체를 첨가함으로써 이온 액체를 첨가하지 않은 폴리머 겔에 비해 낮은 인가 전압에서 큰 변형을 얻을 수 있었다. 특히, 샘플 A 및 샘플 B에서와 같이 아니온 크기가 작은 이온 액체를 사용하면, 100V 이하의 전압 범위에서 피크 높이를 크게 변화시킬 수 있어서 실시형태의 광학 소자(10)에 있어 광 산란체(15)의 제어가 용이하다. 즉, 인가 전압 레벨에 따라 공간(17) 내에 광 산란체(15)를 출현시켜 그 높이를 조정할 수가 있다. 이들 샘플을 사용하는 경우에는, 광학 소자(10A,10B)의 구동시에 음극에 대한 악영향도 적다.
이온 액체를 첨가한 고분자 재료는, 전술한 바와 같이 도 3의 마이크로렌즈 어레이(100)에 적용 가능하다. 이 경우 전극(12A)과 전극(14A) 사이에 200V 이하의 전압을 인가함으로써, 공간(17) 내에 광 산란체(15)의 배열을 형성할 수 있다. 첨가하는 이온 액체의 종류에 따라서는, 100V 이하의 전압 인가로 높이가 20㎛ 이상인 광 산란체(15) 배열을 형성할 수 있다.
이상, 특정의 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 전술한 구성예로 한정되지 않는다. 광학 소자(10)에 복수 개의 광 산란체(15)를 형성하는 경우, 광 산란체(15)의 배열은 매트릭스 모양의 배열에 한정되지 않으며 엇갈린 배열로 할 수도 있다. 또한, 스페이서층(13A)의 개구(16 또는 143) 형상을 육각형으로 하여 세밀하게 배치할 수도 있다.
본 출원은, 2017년 12월 28일에 일본국 특허청에 출원된 특허출원2017-254352호 및 2018년 12월 26일에 일본국 특허청에 출원된 특허출원2018-243599호에 기초하여 그 전체 내용을 포함하는 것이다.
10A,10B 광학 소자
11,111 고분자 재료층
12,12A,12B 제1 전극층
13,13A,13B 스페이서층
14,14A,14B 제2 전극층
141 주면
143 개구
145 저면
15,115 광 산란체
16 개구
17 공간
19A,19B 전극 어셈블리
21 기재
100 마이크로렌즈 어레이
110 샘플
112,113 전극
130 촬상 소자 어레이
131R,131G,131B 컬러 필터
150 촬상 장치
250 조명 장치

Claims (15)

  1. 제1 전극층과, 제2 전극층과, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되는 고분자 재료층과, 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되어 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 소정 공간을 형성하는 절연성 스페이서층을 포함하고,
    상기 고분자 재료층이 전압이 인가된 상태에서 변형되어 상기 소정 공간에 하나 이상의 광 산란체를 형성하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서층은 하나 이상의 개구를 가지는 절연막이며,
    상기 전압이 인가된 상태에서 상기 하나 이상의 광 산란체의 각각이 대응하는 상기 하나 이상의 개구 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 상기 고분자 재료층에 대향하는 주면에 하나 이상의 개구를 포함하며,
    상기 스페이서층은 상기 주면에 있어 상기 하나 이상의 개구의 저면을 제외한 영역을 덮어 구비되며,
    상기 전압이 인가된 상태에서 상기 하나 이상의 광 산란체의 각각이 대응하는 상기 하나 이상의 개구 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 산란체가 볼록 형상인 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전극층은 양극층이며, 상기 제1 전극층은 음극층인 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전극층이 투명 전극층인 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 재료층은, 겔 상의 고분자 재료에 25℃에서 음이온 수송율이 0.4 이상인 이온 액체가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
  8. 제1 전극층과, 제2 전극층과, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되는 고분자 재료층과, 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되어 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 소정 공간을 형성하는 절연성 스페이서층을 포함하며,
    전압이 인가된 상태에서 상기 제2 전극층의 표면에 복수 개의 광 산란체의 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로어레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고분자 재료층은, 겔 상의 고분자 재료에 25℃에서 음이온 수송율이 0.4 이상인 이온 액체가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로렌즈 어레이.
  10. 제8항 또는 제9항에 기재된 마이크로렌즈 어레이와,
    상기 마이크로렌즈 어레이에 대향하여 배치되는 촬상 소자 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  11. 제8항 또는 제9항에 기재된 마이크로렌즈 어레이와, 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  12. 제1 전극층 상에 고분자 재료층을 형성하고,
    상기 고분자 재료층 상에 절연성 스페이서층과 제2 전극층을 배치하여, 상기 고분자 재료층과 상기 제2 전극층 사이에 소정 공간을 형성하며,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 전압을 인가하여 상기 고분자 재료층을 변형시킴으로써, 상기 공간에 하나 이상의 광 산란체를 형성하는 공정을 포함하는 광학 소자 제작방법.
  13. 제12항에 있어서,
    하나 이상의 개구를 갖는 상기 스페이서층을 상기 제2 전극층에 붙여맞춘 전극 어셈블리를 형성하고,
    상기 고분자 재료층 상에 상기 전극 어셈블리를 배치하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 제작방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 전극층의 주면에 하나 이상의 개구를 형성하고,
    상기 주면에 있어 상기 개구의 저면을 제외한 영역을 덮는 상기 스페이서층을 형성하여 전극 어셈블리를 형성하고,
    상기 고분자 재료층과 상기 주면이 대향하도록 상기 고분자 재료층 상에 상기 전극 어셈블리를 배치하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 제작방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 재료층은, 겔 상의 고분자 재료에 25℃에서 음이온 수송율이 0.4 이상인 이온 액체가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 소자 제작방법.
KR1020207017637A 2017-12-28 2018-12-27 광학 소자 및 광학 소자 제작방법 KR20200100649A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017254352 2017-12-28
JPJP-P-2017-254352 2017-12-28
JP2018243599A JP7246068B2 (ja) 2017-12-28 2018-12-26 光学素子、及び光学素子の作製方法
JPJP-P-2018-243599 2018-12-26
PCT/JP2018/048301 WO2019131933A1 (ja) 2017-12-28 2018-12-27 光学素子、及び光学素子の作製方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200100649A true KR20200100649A (ko) 2020-08-26

Family

ID=67306247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207017637A KR20200100649A (ko) 2017-12-28 2018-12-27 광학 소자 및 광학 소자 제작방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20210055544A1 (ko)
EP (1) EP3734348A4 (ko)
JP (1) JP7246068B2 (ko)
KR (1) KR20200100649A (ko)
CN (1) CN111492297A (ko)
TW (1) TW201937227A (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200129222A1 (en) * 2018-10-25 2020-04-30 Domain Surgical, Inc. Surgical shears having ferromagnetic heater
KR102292189B1 (ko) * 2019-10-23 2021-08-24 고려대학교 산학협력단 유기 이온 전도성 폴리머 겔 탄성체 및 이의 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5029140B1 (ko) 1970-06-03 1975-09-20
JP4530163B2 (ja) 2005-03-31 2010-08-25 セイコープレシジョン株式会社 焦点調節装置及び撮像装置
JP5180117B2 (ja) 2009-02-17 2013-04-10 株式会社Ｓｕｗａオプトロニクス レンズ駆動機構
JP5392660B2 (ja) 2010-06-07 2014-01-22 秀憲 石井 土分離装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9930555D0 (en) 1999-12-23 2000-02-16 Opti Switch As Optical systems
JP2005300560A (ja) * 2002-02-22 2005-10-27 Mitsuteru Kimura ディスプレイ装置
WO2003107087A1 (en) 2002-06-13 2003-12-24 Nokia Corporation Enhancement electrode configuration for electrically controlled light modulators
JP4604932B2 (ja) 2005-09-20 2011-01-05 ソニー株式会社 光偏向素子
NO326372B1 (no) 2006-09-21 2008-11-17 Polight As Polymerlinse
CN102436018A (zh) * 2006-12-15 2012-05-02 手持产品公司 包括可变形透镜元件的装置和方法
JP2008170632A (ja) 2007-01-10 2008-07-24 Sony Corp 液体デバイス、液体デバイス製造装置および方法
WO2010015093A1 (en) 2008-08-08 2010-02-11 Optotune Ag Electroactive optical device
FR3029644B1 (fr) 2014-12-04 2018-01-12 Webster Capital Llc Camera autofocus et dispositif optique a focale variable destine a etre integre a une telle camera
WO2016133278A1 (ko) 2015-02-17 2016-08-25 한국기술교육대학교 산학협력단 폴리머 기반 가변 렌즈 및 이를 위한 전기활성 폴리머와 그 제조 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5029140B1 (ko) 1970-06-03 1975-09-20
JP4530163B2 (ja) 2005-03-31 2010-08-25 セイコープレシジョン株式会社 焦点調節装置及び撮像装置
JP5180117B2 (ja) 2009-02-17 2013-04-10 株式会社Ｓｕｗａオプトロニクス レンズ駆動機構
JP5392660B2 (ja) 2010-06-07 2014-01-22 秀憲 石井 土分離装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3734348A1 (en) 2020-11-04
JP7246068B2 (ja) 2023-03-27
US20210055544A1 (en) 2021-02-25
JP2019120948A (ja) 2019-07-22
TW201937227A (zh) 2019-09-16
CN111492297A (zh) 2020-08-04
EP3734348A4 (en) 2021-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7233082B2 (ja) 光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法
US7265910B2 (en) Optical unit, image taking apparatus and optical finder
US8248544B2 (en) Camera module with liquid crystal module
CA1223950A (en) Variable power lens system
CN101097264B (zh) 可调焦距的透镜
US10942299B2 (en) Liquid lens, liquid lens driving method, imaging apparatus, and display apparatus
JP4626697B2 (ja) 光学素子、撮像装置及び駆動方法
KR20200100649A (ko) 광학 소자 및 광학 소자 제작방법
US20060050402A1 (en) Variable-focus lens and image taking apparatus
JP2006285184A (ja) 発光ユニット、および撮影装置
Lan et al. Fast-response microlens array fabricated using polyvinyl chloride gel
WO2019131933A1 (ja) 光学素子、及び光学素子の作製方法
WO2019131925A1 (ja) 光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法
WO2020138242A1 (ja) 電気変位材料、これを用いた光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法
KR101686442B1 (ko) 폴리머 기반 가변 렌즈 및 렌즈 초점거리 조절 방법
JP2011242542A (ja) 液体レンズ及び液体レンズの制御方法
Liu et al. Self‐Contained Focus‐Tunable Lenses Based on Transparent and Conductive Gels
WO2020262426A1 (ja) 光学素子、マイクロレンズアレイ、及びマイクロレンズアレイを用いた表示システム
CN110780368B (zh) 一种自适应液体透镜及其制作方法
JP2021009364A (ja) 光学素子、マイクロレンズアレイ、及びマイクロレンズアレイを用いた表示システム
JP2005092009A (ja) 液晶素子の駆動方法と装置
KR102326249B1 (ko) 평면전극을 갖는 3차원적 초점 가변 겔렌즈
WO2020262430A1 (ja) 光学素子、及びマイクロレンズアレイ
Song et al. PVA/glycerol-based lenticular microlens array with tunable focal length depending on electric field polarization effect
Del Rosso et al. Fabrication Processes for Adaptive Optofluidic Lens Arrays