KR20210121222A - 적외선 액체 렌즈 설계를 위한 저융점 이온성 액체 - Google Patents

적외선 액체 렌즈 설계를 위한 저융점 이온성 액체 Download PDF

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KR20210121222A
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벤쟈민 쟝-밥티스트 프랑소와 버거
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 디시안아미드 음이온 및 반대 양이온을 갖는 이온성 화합물을 포함하며, 상기 디시안아미드 음이온은 하기 화학식을 갖고
Figure pct00047

상기 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄 또는 설포늄 양이온 중 어느 하나인 전도성 액체를 제공한다.

Description

적외선 액체 렌즈 설계를 위한 저융점 이온성 액체
< 관련 출원들에 대한 상호-참조 >
본 출원은 2019년 2월 1일 출원된 미국 예비 출원 일련번호 제62/800,088호의 35 U.S.C.§119 하의 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용은 그 전체로서 참조로 본 명세서에 통합된다.
본 개시 내용은 액체 렌즈에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 전자기 스펙트럼 중 적외선 영역의 파장을 갖는 입사 전자기파를 높은 백분율로 투과시키는 액체 렌즈와 함께 사용되는 전도성 액체의 조성에 관한 것이다.
액체 렌즈는 통상 내부에 전도성 액체 및 절연성 액체가 배치된 캐비티를 포함하는 일종의 가변 초점 렌즈이다. 상기 액체들은 서로 섞이지 않고, 서로 다른 굴절률을 가지고 있어, 액체 사이의 계면(예를 들어, 매니스커스)은 렌즈를 형성한다. 상기 캐비티는 전극들을 통합한다. 상기 전극들은 전기습윤의 원리에 기초해, 렌즈의 모양를 조작할 수 있다. 예를 들어, 전압은 전도성 액체에 대한 캐비티 표면의 습윤성을 증가 또는 감소시키고, 계면의 모양을 변화시키기 위해 전도성 액체와 캐비티 표면 사이에 인가될 수 있다. 계면의 모양(예를 들어, 곡률)의 변화는 렌즈의 초점거리 또는 초점을 변화시킨다.
지금까지, 전도성 액체는 통상 물에 용해된 이온성 화합물 또는 또다른 극성 비이온성 용매에 용해된 이온성 화합물을 포함해왔고, 상기 이온성 화합물은 양이온 및 음이온으로 각각 분리되어 전기적 전도성 액체를 형성한다. 상기 절연성 액체는 통상 오일, 알케인(alkane), 또는 알케인 혼합물이다. 상기 전도성 액체로서 통상 사용되는 액체에 존재하는 하이드록시기(-OH) 또는 하이드록시기들은 상기 전도성 액체를 유리하게 상기 절연성 액체로서 통상 사용되는 액체와 섞일 수 없도록 만들 수 있다.
희망하는 응용에서 액체 렌즈가 최적으로 작동하기 위해서, 상기 전도성 액체와 상기 절연성 액체 모두는 감지되기를 희망하는 입사 전자기파의 파장에 대해서 투명해야한다. 즉, 상기 전도성 액체와 상기 절연성 액체는 이슈가 되는 입사 전자기파의 파장을 흡수하지 않아야 한다. 이슈가 되는 입사 전자기파의 파장을 흡수하는 것은 액체 렌즈를 통한 이슈가 되는 입사 전자기파의 파장의 투과를 방지한다. 액체 렌즈를 이용하는 대부분의 응용은 400nm와 700nm 사이의 파장을 갖는 전자기파 스펙트럼의 가시광선 영역을 감지(및 이미지화)하기 위함이다. 이러한 응용들에서 통상 사용되는 상기 전도성 액체는 그러한 범위 내의 파장을 갖는 입사 전자기파에 대해서 매우 투명하다.
그러나, 액체 렌즈에서 통상 이용되는 상기 전도성 액체는 적외선 영역의 전자기파와 같이 전자기파 스펙트럼 중 가시광선 영역의 파장을 갖는 전자기파보다 더 긴 파장을 갖는 입사 전자기파를 감지하도록 의도된 응용들에 있어서, 액체 렌즈를 부적합하게 만들 수 있다.
따라서, 가시광선 영역보다 더 긴 파장을 갖는 전자기파에 대해서 충분히 투명하고, 통상 사용되는 절연성 액체와 양립할 수 있는 전도성 액체에 대한 요구가 있다.
본 개시 내용은 디시안아미드 음이온(dicyanamide anion) 및 트리시아노메타나이드 음이온(tricyanomethanide anion)이 그 반대 양이온과: (1)-20 °C 이하의 융점을 가지고; (2) 20°C 에서 1.0g/cm3에 가까운 밀도를 가지고, 이에 따라 통상 사용되는 절연성 액체와 쌍을 이루기 쉽고; (3) 하이드록시기들이 없음에도 불구하고 통상 사용되는 절연성 액체와 섞일 수 없으며; (4) 가시광선 영역보다 더 긴 파장을 갖는 전자기파에 대해 충분히 투명한 이온성 화합물을 형성할 수 있다는 것을 발견할 요구를 만족한다. 따라서 상기 디시안아미드 음이온 또는 상기 트리시아노메타나이드 음이온과 그 반대 양이온의 이러한 이온성 화합물은 전도성 액체를 적외선 영역의 파장을 갖는 전자기파를 감지하기 위한 응용들을 위해 의도된 액체 렌즈와 함께 사용하기에 적합하도록 만들 수 있다.
본 개시 내용의 제1 양태에 따르면, 액체 렌즈를 위한 전도성 액체는 디시안아미드 음이온 및 반대 양이온을 갖는 이온성 화합물을 포함하며, 상기 디시안아미드 음이온은 하기 화학식을 갖고
Figure pct00001
상기 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄 또는 설포늄 양이온 또는 희망하는 특성들을 제공하는 기타 양이온 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 섭씨 -20도 내지 섭씨 70도 사이에서 액상이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 1400nm 내지 1550nm 사이의 파장을 갖는 전자기파에 대해 1mm의 두께에 걸쳐서 적어도 50%(일부 실시예에서, 적어도 85%)의 투과율을 갖는다. 실시예에서, 상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 이미다졸리움 양이온이다.
Figure pct00002
여기서, R은 수소 또는 알킬기(Alkyl group)이고, R'은 수소 또는 오르가닐기(Organyl group)이다. 실시예에서, 상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-알릴-3-메틸이미다졸리움, 1-벤질-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 또는 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온이다.
실시예에서, 상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 피롤리디니늄 양이온이다.
Figure pct00003
여기서 R은 수소 또는 알킬기이며, R'은 수소 또는 오르가닐기이다. 실시예에서, 상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온 또는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 양이온 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 상기 전술한 이온성 화합물 중 하나 또는 하나를 초과하는 상기 전술한 이온성 화합물의 혼합물로 구성된다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 하나 이상의 상기 전술한 이온성 화합물 및 또다른 액체의 혼합물을 포함한다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 하나 이상의 상기 전술한 이온성 화합물 및 또다른 액체의 혼합물을 포함하고, 상기 하나 이상의 상기 이온성 화합물은 전도성 액체의 적어도 50 중량%, 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 90 중량%, 또는 적어도 99 중량%이다.
본 개시 내용의 제2 양태에 따르면, 액체 렌즈를 위한 전도성 액체는 트리시아노메타나이드 음이온 및 반대 양이온을 갖는 이온성 화합물을 포함하며, 상기 트리시아노메타나이드 음이온은 하기 화학식을 갖고,
Figure pct00004
상기 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄 또는 설포늄 양이온 또는 희망하는 특성들을 제공하는 기타 양이온 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 섭씨 -20도 내지 섭씨 70도 사이에서 액상이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 1400n 내지 1550nm 사이의 파장을 갖는 전자기파에 대해 1mm의 두께에 걸쳐서 적어도 50%(일부 실시예에서, 적어도 85%)의 투과율을 갖는다. 실시예에서, 상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 이미다졸리움 양이온이다.
Figure pct00005
여기서 R은 수소 또는 알킬기이며, R'은 수소 또는 오르가닐기이다이다. 실시예에서, 상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-알릴-3-메틸이미다졸리움, 1-벤질-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 또는 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-알릴-3-메틸이미다졸리움, 1-벤질-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 또는 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 중 어느 하나이다.
실시예에서, 상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 피롤리디니늄 양이온이다.
Figure pct00006
여기서 R은 수소 또는 알킬기이며, R'은 수소 또는 오르가닐기이다. 실시예에서, 상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온 또는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 양이온 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 하나 이상의 상기 전술한 이온성 화합물 및 또다른 액체의 혼합물을 포함하고, 상기 하나 이상의 상기 전술한 이온성 화합물은 전도성 액체의 적어도 50 중량%, 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 90 중량%, 또는 적어도 99 중량%이다.
본 개시 내용의 제3 양태에 따르면, 액체 렌즈는 캐비티를 포함하는 렌즈 바디; 및
상기 캐비티 내에 배치된 전도성 액체 및 절연성 액체로서, 실질적으로 서로 혼합되지 않고, 그 사이에서 계면이 정의되는 상기 전도성 액체 및 상기 절연성 액체를 포함하고,
상기 전도성 액체는 디시안아미드 음이온 및 그 반대 양이온 또는 트리시아노메타나이드 음이온 및 그 반대 양이온 중 어느 하나인 이온성 화합물을 포함하고, 상기 디시안아미드 음이온은 하기 화학식을 갖고,
Figure pct00007
상기 트리시아노메타나이드 음이온은 하기 화학식을 가지며,
Figure pct00008
상기 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄 또는 설포늄 양이온 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 섭씨 -20도 내지 섭씨 70도 사이에서 액상이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체와 상기 절연성 액체는 각각 밀도를 가지고, 상기 전도성 액체의 상기 밀도는 섭씨 20도에서 상기 절연성 액체의 상기 밀도의 0.10g/cm3 이내이다. 실시예에서, 상기 반대 상기 반대 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-알릴-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-벤질-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 양이온, 또는 트리헥실테트라데실포스포늄 양이온 중 어느 하나이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 디시안아미드이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리시아노메타나이드이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드이다. 실시예에서, 상기 전도성 액체는 1400nm 내지 1550nm의 파장을 갖는 전자기파에 대해, 1mm의 두께에 걸쳐서 적어도 50%(일부 실시예에서, 적어도 80%, 일부 실시예에서, 적어도 85%를 포함하는)의 투과율을 갖는다.
추가적인 피쳐들 및 이점들이 이어지는 상세한 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로는 그 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해지거나, 또는 이어지는 상세한 설명 및 청구항들을 포함하여 본 명세서에서 기술된 실시예들을 실시함으로써 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 모두는 단지 예시적인 것이며, 청구항들의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 뼈대를 제공하도록 의도된 것이라고 이해되어야 한다.
도 1은 계면에서 분리된 채로 유지되는, 전도성 액체와 절연성 액체를 이용할 수 있는 액체 렌즈의 일부 실시예에 대한 입면 단면도이며, 상기 계면은 전자기파를 조작(예를 들어, 초점)하기 위한 렌즈로서 작동한다.
도 2a는 계면에서 분리된 채로 유지되는, 전도성 액체와 절연성 액체를 이용할 수 있는 액체 렌즈의 일부 실시예에 대한 투시 단면도이며, 상기 계면은 전자기파(예를 들어, 초점)를 조절하기 위한 렌즈로서 작동한다.
도 2b는 전도성 액체와 절연성 액체를 내부에 포함하고, 계면에서 분리된 도 2a의 액체 렌즈의 다른 실시예에 대한 입면 단면도이며, 상기 계면은 전자기파(예를 들어, 초점)를 조절하기 위한 렌즈로서 작동한다.
도 3은 (a)전압이 상승하거나 (b) 전압이 하강하는 동안에, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드(전도성 액체로서) 및 디페닐디메틸저메인(절연성 액체로서)에 인가되는 전압에 따른 접촉각 그래프이다.
도 4a는 전자기파의 파장에 따른 입사 전자기파의 에틸렌 글리콜을 통한 투과도 백분율 그래프이다.
도 4b는 전자기파의 파장에 따른 입사 전자기파의 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드를 통한 투과도 백분율 그래프이다.
도 5는 각각 다른 전도성 액체 및 절연성 액체를 이용하는 여러 액체 렌즈를 통한 입사 전자기파의 투과도 백분율을 나타내는 그래프로, 상기 전도성 액체가 트리시아노메타나이드 음이온 또는 디시안아미드 음이온 중 어느 하나를 포함할 때, 적외선 영역의 파장을 갖는 전자기파의 향상된 투과율을 나타낸다.
도 6은 본 개시 내용에 따른 전도성 액체를 포함하는 액체 렌즈의 전압에 따른 광출력(전기습윤) 및 전압에 따른 파면오차 그래프이다.
<예시적인 액체 렌즈의 구조>
도 1을 참조하면, 예시적인 액체 렌즈(10)의 개략화된 단면도가 나타나있다. 액체 렌즈(10)는 렌즈 바디(12)를 포함한다. 렌즈 바디(12)는 캐비티(14)를 형성한다. 캐비티(14)는 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)를 함유한다. 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)는 섞이지 않고, 이에 따라 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18) 사이에는 계면(20)이 형성된다. 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)는 서로 다른 굴절률을 가지고 있기 때문에, 계면(20)이 렌즈로 작동한다.
일부 실시예에서, 복수의 층들이 협력하여 렌즈 바디(12) 및 캐비티(14)를 형성하고, 상기 캐비티(14) 내에 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)가 배치된다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 상기 렌즈 바디(12)는 제1 외부층(22), 제2 외부층(24), 및 제1 외부층(22)과 제2 외부층(24) 사이에 배치되는 중간층(26)을 포함한다. 중간층(26)은 캐비티(14)의 일부를 정의하도록 중간층(26)을 관통하여 형성된 보어(28)를 포함할 수 있다. 제1 창(30)은 제1 외부층(22)에 배치된다. 제2 창(32)은 제2 외부층(24)에 배치된다.
제1 창(30) 및 제2 창(32)은 감지되기를 희망하는 파장(36)을 갖는 전자기파(34)가 액체 렌즈(10)를 통해 통과할 수 있도록 충분히 투명하다. 파장(36)을 갖는 입사 전자기파(34)는 제1 창(30)을 통해 액체 렌즈(10)로 들어오고, 전도성 액체(16) 및 절연성 액체(18) 사이의 계면(20)에서 조작되며, 제2 창(32)을 통해 액체 렌즈(10)를 나간다. 일부 실시예에서, 제1 외부층(22) 및/또는 제2 외부층(24)의 전체는 감지되기를 희망하는 전자기파(34)의 파장(36)에 대해 충분히 투명하다. 전자기파(34)는 중간층(26)의 보어(28)를 관통할 수 있기 때문에 중간층(26)은 감지되기를 희망하는 전자기파(34)의 파장(36)에 대해 투명할 필요가 없으나, 투명할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 제1 외부층(22)의 외면(38) 및/또는 제2 외부층(24)의 외면(40)은 각각 실질적으로 평면이다. 따라서, 액체 렌즈(10)가 (계면(20)을 관통하는 전자기파(34)를 굴절시킴으로써로)렌즈로서 기능하더라도, 액체 렌즈(10)의 외면(38,40)들은 일부 고정 렌즈의 만곡된 외면과는 대조적으로 평평할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 외부층(22)의 외면(38) 및/또는 제2 외부층의 외면(40)은 각각 만곡(예를 들어 오목 또는 볼록)될 수 있다. 따라서 액체 렌즈(10)는 통합 고정 렌즈를 포함할 수 있다.
액체 렌즈(10)는 전도성 액체(16)와 전기적으로 연결되는 공통전극(42)을 더 포함한다. 나아가, 액체 렌즈(10)는 하나 이상의 구동전극(들)(44)을 포함하고, 상기 하나 이상의 구동전극(들)(44)은 캐비티(14) 근처 또는 측벽에 배치될 수 있고, 전도성 액체(16) 및 절연성 액체(18)로부터 절연된다. 계면(20)의 모양을 변화시키기 위해, 전기습윤(Electrowetting)이라는 현상에 의해 여기서 설명된 바와 같이 공통전극(42) 및 구동전극(들)(44)에 전압이 인가될 수 있다. 즉, 전압은 전도성 액체(16)에 대한 캐비티(14)의 표면(46)의 습윤성(Wetting)을 증가시키거나 감소시키고, 계면(20)의 모양이나 위치를 변경하기 위해 조작될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전압은 액체 렌즈(10)의 초점이나 초점 거리를 변화시키는 계면(20)의 모양을 변화시키기 위해 조작된다. 예를 들어, 이러한 초점 거리의 변화는 액체 렌즈(10)가 자동 초점 기능을 수행할 수 있게 한다. 다른 실시예들에서, 전압은 액체 렌즈(10)의 광축(48)에 대한 계면(20)의 위치(예를 들어 틸트)를 변화시키기 위해 조절된다. 예를 들어, 계면(20)의 틸트는 액체 렌즈(10)가 OIS (Optical image Stabilization) 기능을 수행할 수 있게 한다. 계면(20)의 조정은 이미지 센서, 고정된 렌즈 또는 렌즈 스택, 하우징, 또는 액체 렌즈(10)가 통합될 수 있는 장치의 다른 부품에 대해 렌즈 바디(12)를 물리적으로 이동시키지않고 이루어질 수 있다. 넓은 범위의 초점 거리 및 넓은 범위의 틸트각을 제공하기 위해, 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)사이의 큰 광학 지수 차이는 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전도성 액체(16) 및 절연성 액체(18)는 실질적으로 동일한 밀도를 가지며, 이는 렌즈 바디(12)의 물리적 배향의 변화(예를 들어 중력의 결과로써)의 결과에 의한, 계면(20)의 모양 또는 틸트의 변화를 방지하는데 도움이 된다.
액체 렌즈(10)의 일부 실시예들에서, 캐비티(14)는 헤드스페이스(50) 및 베이스 영역(52)을 포함한다. 예를 들어, 액체 렌즈(10)의 중간층(26)의 보어(28)는 캐비티(14)의 베이스 영역(52)을 정의할 수 있다. 액체 렌즈(10)의 제1 외부층(22)의 리세스(54)는 캐비티(14)의 헤드스페이스(50)를 정의할 수 있고, 헤드스페이스(50)는 여기서 설명된 바와 같이 중간층(26)의 보어(28)의 외측에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전도성 액체(16)의 적어도 일부는 캐비티(14)의 헤드스페이스(50)에 배치되고, 절연성 액체(18)는 캐비티(14)의 베이스 영역(52) 내에 배치된다. 절연성 액체(18)의 실질적인 전부 또는 일부는 캐비티(14)의 베이스 영역(52) 내에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면(20)의 둘레(56)는 캐비티(14)의 베이스 영역(52) 내에서 캐비티(14)의 표면(46)과 접촉한다.
예시적인 실시예들에서, 캐비티(14)(더 구체적으로는, 캐비티(14)의 베이스 영역(52))은 제1 창(30)에서 제2 창(32)을 향하는 방향으로 광축(48)을 따라 캐비티(14)의 단면적이 좁아지도록 테이퍼진다. 예를 들어, 캐비티(14)의 베이스 영역(52)은 좁은 단부(58) 및 넓은 단부(60)를 가진다. “좁다” 와 “넓다”는 상대적인 의미로, 이는 좁은 단부(58)가 넓은 단부(60)보다 좁다는 것을 의미한다. 캐비티(14)의 이와 같은 테이퍼 형상은 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18) 사이의 계면(20)이 광축(48)을 따라 정렬을 유지하는 것을 도울 수 있다. 또다른 실시예들에서, 캐비티(14)는 제1 창(30)에서 제2 창(32)을 향하는 방향으로 광축(48)을 따라 캐비티(14)의 단면적이 넓어지도록 테이퍼지거나, 광축(48)을 따라 캐비티(14)의 단면적이 실질적으로 일정하도록 테이퍼지지 않을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 액체 렌즈(10)는 도전층(62)을 더 포함한다. 도전층(62)의 적어도 일부는 캐비티(14)를 마주한다. 도전층(62)은 제1 외부층(22) 및/또는 제2 외부층(24)이 중간층(26)에 접합하기전에, 중간층(26)에 적용된 도전성 코팅층일 수 있다. 도전층(62)은 금속 물질, 도전성 폴리머, 또다른 적절한 도전성 물질, 또는 이들의 조합일 수 있다. 도전층(62)은 단층, 또는 복수의 층으로부터 형성될 수 있고, 적어도 일부의 층은 도전성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도전층(62)은 공통전극(42) 및/또는 구동전극(들)(44)을 정의 할 수 있다. 예를 들어, 도전층(62)은 제1 외부층(22) 및/또는 제2 외부층(24)이 중간층(26)에 접합하기 전에, 중간층(26)의 실질적인 전체 외면에 적용될 수 있다. 상기 도전층(62)의 중간층(26)에 대한 적용에 이어서, 도전층(62)은 다양한 도전성 요소(예를 들어, 공통전극(42) 및/또는 구동전극(44))로 분할될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도전층(62)은 공통전극(42) 및 구동전극(44)을 격리(예를 들어, 전기적 격리)하도록 스크라이브(64)에서 분할될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스크라이브(64)는 도전층(62) 내의 갭이다. 예를 들어, 스크라이브(64)는 약 5 μm, 약 10 μm, 약 15 μm, 약 20 μm, 약 25 μm, 약 30 μm, 약 35 μm, 약 40 μm, 약 45 μm, 약 50 μm, 또는 상기 나열된 값들로 정의되는 임의의 범위를 갖는 갭일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 액체 렌즈(10)는 구동전극(44)층 상에 배치되고, 캐비티(14)를 마주하는 절연층(66)을 더 포함한다. 예를 들어, 절연층(66)을 형성하기 위해, 제2 외부층(24) 및 중간층(26)이 함께 접합된 후, 그러나 제1 외부층(22) 및 중간층(26)이 접합되기전에, 절연 코팅은 도전층(62) 및 제2 창(32) 상에 적용될 수 있다. 따라서 절연층(66)은 제2 창(32) 및 캐비티(14) 상의 도전층(62)의 적어도 일부를 덮는다. 절연층(66)은 감지를 위해 액체 렌즈(10)를 관통하도록 의도된 전자기파(34)의 파장(36)에 대해 충분히 투명하다. 또다른 실시예들에서, 절연층(66)을 형성하기 위해, 절연 코팅은 제1 외부층(22) 및/또는 제2 외부층(24)이 중간층(26)에 접합되기 전에 중간층(26)에 적용된다.
액체 렌즈(10)의 예시적인 실시예에서, 절연층(66)은 전도성 액체(16) 및 절연성 액체(18)를 구동전극(44)로부터 절연하기 위해, 덮이지 않으면 캐비티(14)에 노출될 구동전극(들)(44)의 일부를 덮는다. 그러나, 예시적인 실시예에서, 절연층(66)은 캐비티(14)에 노출된 공통전극(42)의 적어도 일부를 덮지 않는다. 따라서, 공통전극(42)은 전도성 액체(16)와 전기적으로 연결이 있다.
<또다른 예시적인 액체 렌즈의 구조>
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 액체 렌즈(200)의 다른 실시예를 나타내는 개략화된 단면도가 도시된다. 액체 렌즈(200)는 캡 영역(202), 개스킷(204), 베이스 영역(206), 창(210), 및 창(238)을 포함하는 렌즈 바디(201)를 포함한다. 렌즈 바디(201)는 캐비티(213)를 형성한다. 캐비티(213)는 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)를 함유한다.
캡 영역(202)은 베이스 영역(206) 상에 배치되나, 개스킷(204)에 의해 그것과 분리된다. 캡 영역(202)은 얇은 전도성 금속 시트로 형성된 금속 캡(208)을 포함하고 디스크 모양의 유리창(210)이 예를 들어, 접착제로 형성된 씰(212)에 의해 밀봉된다. 캡은 유리창(210)을 통해 전자기파(34)가 관통할 수 있도록 하는 원형의 개구부(214)를 포함한다. 원형의 개구부(214)는 액체 렌즈(200)의 광축 Δ의 중심에 있으며, 광축 Δ에 수직한 평면 상에 있다.
광축의 바깥으로 이동하면서, 금속 캡(208)은 바람직하게 광축 Δ에 수직이며, 개구부(214)를 둘러싸고 있는 환형의 평평한 영역(216)을 포함한다. 영역(216) 내면의 제1 부분은 창(210)의 외면과 접촉하고, 영역(216) 내면의 방사형 바깥 부분은 창(210)의 외부 가장자리및 씰(212)과 접촉한다. 영역(216)의 외부 가장자리는 광축 Δ에 평행하고 거의 직각으로 연장되며, 영역(216)으로부터 베이스 영역(206)을 향해 연장되는 가장자리(218)를 형성하기 위해 만곡 되어있다. 가장자리(218)는 바람직하게는 씰(212)과 접촉한다. 본 실시예에 따르면, 가장자리(218)로부터, 실질적으로 S 형상(예를 들어, 물결 형상)의 영역(220)은 광축Δ으로부터 멀어지게 연장되며, 바람직하게는 광축Δ에 적어도 대체로 수직으로 연장되는 추가적인 환형의 평평한 영역(222)에 가장자리(218)를 연결한다. S 형상의 영역(220)은 액체 렌즈(200) 내부의 유체에 의해 압력이 가해질때 창(210)의 일부 이동을 허락하나, 광축Δ에 평행한 방향으로만 이동이 가능하도록 설계된다.
영역 222로부터 직각으로 구부러진 부분은 광축Δ에 적어도 실질적으로 평행하게 연장되는 환형 림 영역(224)과 연결되며, 환형 림 영역(224)은 액체 렌즈(200)의 바깥 림을 형성하고, 개스킷(204) 및 베이스 영역(206)을 둘러싼다. 금속 캡(208)을 형성하는 금속 시트의 바깥 가장자리인 영역(224)의 끝 부분은 크림핑(Crimping)에 의해 바람직하게는 광축 Δ를 향해 영역(226) 안쪽 방향으로 만곡되고, 이에 따라 개스킷(204) 및 베이스 영역(206)을 고정한다.
개스킷(204)은 폴리머로 구성될 수 있으며, 개스킷(204)은 환형이거나 실질적으로 L 형상의 단면을 가질 수 있으며, 이에 따라 L 형상의 제1 레그 또는 림브(228)의 외측 표면은 금속 캡(208)의 환형의 평평한 영역(222)의 내면과 접촉하고 평행하며, L 형상의 제2 레그 또는 림브(230)의 외측 표면은 금속 캡(208)의 림 영역(224)의 내면과 접촉하고 평행하며, 따라서 접촉 면적을 넓힐 수 있다. 다른 모양의 개스킷(204)도 가능하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 개스킷(204)은 제1 림브(228)만을 포함할 수 있다. 제1 림브(228) 및 제2 림브(230)의 내면은 베이스 영역(206)의 표면과 접촉한다. 제2 림브(230)의 끝 영역(232)은 금속 캡(208)의 주름진 영역(226)에 의해 가해지는 압력에 의해 광축Δ을 향해 안쪽으로 만곡될 수 있으며(따라서 만곡된 영역(232)이 된다), 이 지점 상의 개스킷(204) 내면은 베이스 영역(206)의 코너에 압력을 가해, 이를 지지할 수 있다. 제1 림브(228)의 끝 영역(234)은 광축 Δ을 향하며, 액체 렌즈(200)의 내부 챔버에 노출된다.
베이스 영역(206)은 바람직하게는 환형 전극(236)을 포함하며, 상기 환형 전극(236)은 전도성 재료 또는 바람직하게는 금속으로 형성되고, 광축 Δ에 대체로 수직으로 배치된 디스크 형상 유리 창(238)은 예를 들어, 글루 또는 애드해시브와 같은 씰(240)에 의해 접착되고 밀봉된다. 개구부(242)는 광축 Δ에 중심을 두고 환형 전극(236) 내에 형성되어, 액체 렌즈(200)로부터 또는 액체 렌즈(200)로 빛이 유리창(238)을 관통할 수 있게 한다. 유리창(238)은 개구부(242)의 외부에 위치한다. 환형 전극(236)은 바람직하게는 광축 Δ에 대해 회전 대칭인 다수의 표면을 갖는 고리 모양으로 성형되거나 가공되고, 이는 이하에서 더 자세히 설명될 것이다.
개구부(242)를 둘러싸는 환형 전극(236)의 내부 가장자리(244)는 바람직하게는, 예를 들어, 광축 Δ에 대해 약 45도로 기울어진, 액체 렌즈(200)를 향하여 기울어진 표면이다. 내부 가장자리(244)에 이웃하고 이를 둘러싸고 있는 환형의 평평한 영역(246)은 일반적으로 광축 Δ에 수직이며, 추가적인 기울어진 가장자리(248)는 이것과 이웃하고 액체 렌즈(200)를 향하며, 내부 가장자리(244)와 거의 평행하다. 환형의 평평한 표면(250)은 기울어진 가장자리(248)와 이웃하고 이를 둘러싸고 있으며, 그 내부는 액체 렌즈(200)의 내부 챔버에 노출되고, 외부는 개스킷(204)의 림브(228)의 내부 표면과 접촉하는 제1 접촉 표면을 제공한다. 가장자리 표면(252)은 표면(250)과 이웃하며, 광축 Δ에 일반적으로 평행하고, 이는 개스킷(204)의 림브(230)의 내부 표면과 접촉하는 제2 접촉 표면을 바람직하게 제공한다. 가장자리 표면(252)과 이웃한 환형의 평평한 외부 표면(254)은 액체 렌즈(200)의 외부를 향하고, 광축 Δ의 바깥 방향으로 연장된다. 가장자리 표면(252)과 외부 표면(254) 사이의 대체로 직각인 코너는 바람직하게는, 금속 캡(208)의 주름진 영역(226)에 의해 만곡된 개스킷(204)의 내부 영역과 접촉하는 코너이다. 외부 표면(254)과 이웃한 추가적인 표면(256)은, 광축 Δ에 일반적으로 평행한 액체 렌즈(200)의 바깥 방향으로 연장되며, 광축 Δ에 일반적으로 수직하고 표면(256)에 이웃한 환형 표면(258)은 광축 Δ을 향해 안쪽으로 연장된다. 반지름 방향 내측을 향하는 표면(260)은 일반적으로 환형 표면(258)과 이웃한 광축 Δ에 평행하게 연장되며, 액체 렌즈(200)의 내부 챔버의 뒤쪽으로 연장된다. 표면(260)은 환형 전극(236)의 내부 가장자리(244)에서 종결되고 일반적으로 광축 Δ에 수직인 환형의 평평한 표면(262)에 이웃한다. 환형의 평평한 표면(262)의 반지름 방향 내부 부분은 유리창(238)과 접촉하며, 환형의 평평한 표면(262)의 반지름 방향 외부 부분은 유리창(238)을 고정하는 씰(240)과 접촉한다.
환형 전극(236)은 바람직하게는 유리창(238)을 수용하기 위한 접촉 표면(260,262), 절연성 액체(18)를 수용하기 위한 내부 가장자리(244), 개스킷(204)의 내부 표면들에 접촉하기 위한 제1 표면(250) 및 제2 표면(252), 그리고 환형 전극(236)을 고정시키는 개스킷(204)의 만곡된 영역(232)과 접촉하기 위한 표면(252) 및 표면(252) 사이에 배치되는 코너를 포함한다.
도 2a에는 도시되지 않았으나, 도 2b에 도시된 바와 같이, 액체 렌즈(200)는 창(210)과 창(238) 사이에 형성된 캐비티(213) 내에 전도성 액체(16) 및 절연성 액체(18)를 함유한다. 유전체 일 수도 있는 절연성 액체(18)는 유리창(238)의 표면에서 환형 전극(236)의 개구부(242)를 덮도록 위치한다. 절연성 액체(18)의 가장자리는 바람직하게는 환형 전극(236)의 내부 가장자리(244)의 일부 내에 위치한다. 전도성 액체(16)는 캐비티(213)의 나머지 부피를 채운다. 전도성 액체(16) 또는 절연성 액체(18) 중 어느 것도 후술할 것과 같이, 절연층으로 덮인 환형 전극(236)의 노출된 표면과 직접적으로 접촉하지 않는다. 캐비티(213)에 노출된 금속 캡(208)의 S 형상 영역(220)의 전도성 액체(16)는 그것과 전기적 연결을 만든다.
작동 시, 바람직하게는 진동하는 전압은 환형 전극(236)과 금속 캡(208)사이에 적용되며, 금속 캡(208)은 제2 전극으로 기능하고 전도성 액체(16)와 접촉한다. 이러한 전압은 물에 의해 내부 가장자리(244)의 습윤성을 증가시키는 전기습윤 효과를 통해 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18) 사이의 계면(20)의 곡률을 바꾼다. 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)는 서로 다른 굴절률을 가지므로 전자기파(34)는 계면(20)에서 굴절된다. 전자기파(34)는 창(210) 및 창(238)을 관통해 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18) 사이의 계면(20)을 관통한다.
예를 들어, 전기습윤을 효과적으로 하기 위해, 폴리머와 같은 절연층이 베이스 영역(206)의 상부 및 측면에, 즉 표면(252, 250, 248, 246, 244)에, 그리고 창(238)의 표면을 가로질러 적용된다. 연질 폴리머 코팅(400)은 개스킷(204)과 접촉하는 금속 캡(208)의 노출된 내부 표면, 즉 부분(224, 222)의 내부 표면 위, 및 S 형상 영역(220)의 내부 부분의 적어도 일부분에 적용될 수 있다. 개스킷(204)은 그 외부 및 내부 표면들이 각각 연질 폴리머 코팅(402, 404)으로 모두 코팅될 수 있다. 이들은 각각 금속 캡(208) 및 베이스 영역(206)과 접촉하는 영역이다. 폴리머 코팅(406)은 절연층(예를 들어, 개스킷(204)과 접촉하는 표면) 상의 환형 전극(236)의 외부 가장자리 표면(252) 및 상부 표면(250)에 적용될 수 있다.
액체 렌즈(10) 및 액체 렌즈(200)는 본 명세서에 기재된 새로운 전도성 액체(16)에 대한 맥락을 제공하기 위한 예이며, 상이한 구조 및 구성을 갖는 액체 렌즈에 새로운 전도성 액체(16)의 적용 가능성을 제한하려는 것은 아니다. 본 명세서에 기술된 새로운 전도성 액체(16)는 임의의 액체 렌즈 구조에서 유리하게 이용될 수 있다.
<절연층>
액체 렌즈(10)의 절연층(66) 및 베이스 영역(206)의 상면과 측면에, 즉 표면(252, 250, 248, 246, 244)에, 그리고 액체 렌즈(200)의 창(238)의 표면을 가로질러 적용된 절연층은 예를 들어, 다음과 같을 수 있다.
Figure pct00009
실리콘 폴리머 PDSM;
Figure pct00010
Dupont사가 제조한 Teflon®AF 1600 및 AF 1601와 같은 비결정성 플루오로 폴리머들;
Figure pct00011
폴리(아릴렌 에테르류);
Figure pct00012
플루오로화 폴리(아릴렌 에테르류);
Figure pct00013
파라-자일렌 선형 폴리머들, 예를 들어, 파릴렌 C, 파릴렌 F 또는 파릴렌 AF-4, 파릴렌 VT-4, 파릴렌 N 또는 파릴렌 D와 같은 플루오로화되거나 되지않은 파릴렌;
Figure pct00014
Asahi Glass Co사가 제조한 Cytop®와 같은 비결정성 플루오로 폴리머들;
Figure pct00015
Solvay사가 제조한 Hyflon®폴리머;
Figure pct00016
Dow Chemical사가 제조한 디비닐셀록세인-벤조사이클로부텐 폴리머(DVS-BCB)와 같은 방향족 비닐 실록세인 폴리머들;
Figure pct00017
다이아몬드와 유사한 탄소(DLC);
Figure pct00018
폴리(테트라플루오로에틸린);
Figure pct00019
폴리에틸렌;
Figure pct00020
폴리프로필렌;
Figure pct00021
플루오로 에틸렌 프로필렌 폴리머;
Figure pct00022
폴리나프탈렌;
Figure pct00023
플루오로화 폴리나프탈렌; 및
Figure pct00024
실리콘 유사 폴리메릭 필름 SiOxCyHz.
<절연성 액체>
일부 실시예들에서, 절연성 액체(18)는 1x10-8 S/m 미만, 1x10-10 S/m 미만, 또는 1x10-14 S/m 미만의 전도도를 가진다. 절연성 액체(18)는 유기 또는 무기 화합물 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이러한 유기 또는 무기 화합물의 예는 탄화수소(hydrocarbons), Si계 단량체(Si-based monomer), 올리고머(Oligomer), 및 중합체, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 다른 예시들은 Ge계 단량체(Ge-based monomer), 올리고머, 중합체, Si-Ge계 단량체(Si-Ge based monomer), 올리고머 및 중합체를 포함한다.
탄화수소는 선형, 분지형이거나 또는 포화, 불포화 또는 부분적인 불포화 여부에 관계없이 하나 이상의 고리형 모이어티(들)를 포함할 수 있다. 탄화수소는 약 8 내지 약 35개의 탄소 원자, 또는 10 내지 약 20개의 탄소 원자를 가질 수 있다. 상기 탄화수소는 100°C 이상의 비등점을 가질 수 있다. 탄화수소는 -20°C 미만의 빙점을 갖는 단일 탄화수소 또는 석유 증류물을 포함할 수 있다.
상기 탄화수소는 이중 및/또는 삼중 결합(들)의 형태로 하나 이상의 불포화(들)를 포함할 수 있다. 그러나 2~3개보다 많은 이중 또는 삼중 결합들은 자외선에 노출되는 경우 분해 위험을 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 탄화수소는 이중 또는 삼중 결합을 포함하지 않으며, 이 경우 탄화수소는 알케인(alkane)으로 지칭될 수 있다.
상기 탄화수소는 치환기로서 및/또는 탄화수소 사슬 및/또는 고리에 끼어드는 원자 또는 원자 그룹으로서 하나 이상의 헤테로원자를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 헤테로원자는 산소, 황, 질소, 인, 할로겐(주로 불소, 염소, 브롬 및/또는 요오드)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 헤테로원자의 존재가 두 유체의 불혼화성에 영향을 미치지 않도록 주의해야 한다.
절연성 액체(18)는 99.8% 초과의 알케인을 포함하는 혼합물일 수 있다. 이러한 혼합물은 절연성 액체(18)의 1중량% 미만(예를 들어, 약 0.5중량% 미만)의 비율로 방향족기 및/또는 불포화 모이어티를 포함할 수 있다. 알케인의 혼합물은 알케인의 제조로 인한 부산물로서 존재하는 불순물을 포함할 수 있다(예를 들어, 증류 공정에 의해 얻은 경우).
절연성 액체(18)로 사용하기 위한 일부 예시적인 탄화수소들은 다음을 포함할 수 있다: 데케인(decane)(C10H22), 도데칸(dodecane) (C12H24), 스쿠알란(squalene) (C30H62) 등과 같은 선형 또는 분지형 알케인, tert-뷰틸사이클로헥세인(tert-butylcyclohexane) (C10H20) 등과 같은 하나 이상의 고리를 포함하는 알케인, 알파-클로로나프탈렌(α chloronaphthalene), 알파-브로모나프탈렌(α-bromonaphthalene), 시스트랜스- 데카하이드로나프탈렌(cis,trans-decahydronaphthalene) (C10H18) 등과 같은 융합 고리를 포함하는 알케인, 및 Isopar®V, Isopar®P (Exxon Mobil사 제조) 등과 같은 탄화수소 혼합물; 등, 및 이들의 혼합물.
언급된 바와 같이, 절연성 액체(18)는 실리콘계 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 실리콘계 화합물은 하기 화학식 Ia, Ib 또는 Ic의 실록세인을 포함할 수 있다:
Ia
Figure pct00025
Ib
Figure pct00026
Ic
Figure pct00027
여기서 R1, R2 및 R'는 각각 독립적으로 알킬, (헤테로)아릴, (헤테로)아릴알킬, (헤테로)아릴알케닐 또는 (헤테로)아릴알키닐을 나타내고, n은 약 1 내지 20, 또는 1 내지 10(예를 들어, 1, 2, 3, 4 또는 5)을 포함하며 식 Ic에서는 n이 2보다 크다.
이러한 실리콘계 화합물은 하기 화학식 II의 실란을 포함할 수 있다:
II
Figure pct00028
여기서 R1, R2 및 R'는 상기 정의된 바와 같고 m은 약 1 내지 약 20, 또는 약 1 내지 약 10(예를 들어, 1, 2 또는 3)을 포함한다.
이러한 실리콘계 화합물은 하기 화학식 III의 실란을 포함할 수 있다
III
Figure pct00029
여기서 R1 및 R2는 상기 정의된 바와 같고, R3 및 R4는 각각 독립적으로 알킬, (헤테로)아릴, (헤테로)아릴알킬, (헤테로)아릴알케닐 또는 (헤테로)아릴알키닐을 나타낸다.
상기 화학식에서: (1) 알킬은 약 1 내지 약 10개의 탄소 원자, 또는 약 1 내지 약 6개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬 라디칼을 의미한다. 알킬은 메틸, 에틸, n-프로필, 이소-프로필을 포함할 수 있고; 알킬 라디칼은 할로겐화될 수 있고, 예를 들어 1,1,1-트리플루오로프로필기(1,1,1-trifluopropyl group)를 포함할 수 있다; (2) (헤테로)아릴은 적어도 하나(예를 들어, 하나)의 방향족 및/또는 헤테로방향족 고리를 형성하는 약 5 내지 약 12개의 원자를 포함하는 방향족 또는 헤테로방향족 라디칼을 의미하며, 상기 고리(들)는 하나이상의 할로겐(예를 들어, 불소, 염소 및/또는 브롬과 같은 1, 2, 3개의 할로겐 원자)으로 선택적으로 치환되고, 및 선택적으로 하나 이상의 포화, 부분 포화 또는 불포화 고리 시스템과 결합될 수 있고; (헤테로)아릴은 1, 2 또는 3개의 할로겐 원자로 선택적으로 치환된 페닐, 나프틸, 비시클로[4.2.0]옥타트리에닐을 포함할 수 있다.; (3) (헤테로)아릴알킬은 각각의 알킬 및 (헤테로)아릴 라디칼에 대해 상기 정의된 바와 같고; (헤테로)아릴알킬은 1, 2 또는 3개의 할로겐 원자로 선택적으로 치환된 벤질, 페네틸을 포함할 수 있다. (4) (헤테로)아릴알케닐 및 (헤테로)아릴알키닐은 라디칼에 상응하며, 여기서 (헤테로)아릴 모이어티는 상기 정의된 바와 같고, 알케닐 및 알키닐 각각은 하나 이상의 (예를 들어, 하나) 이중 결합 또는 하나 이상의 (예를 들어, 하나) 삼중 결합을 추가로 포함하는, 상기 정의된 바와 같은 선형 또는 분지형 알킬 라디칼을 나타낸다.
절연성 액체(18)로의 사용을 위한 일부 예시적인 실리콘계 화합물은, 헥사메틸다이실레인(hexamethyidisilane), 디페닐디메틸실레인(diphenyldimethylsilane) , 클로로페닐트리메틸실레인(chlorophenyltrimethylsilane), 페닐트리메틸실레인(phenyltrimethyl-silane), 페네틸트리스(트리메틸실록시)실레인(phenethyltris(trimethylsiloxy)silane), 페닐트리스(트리메틸실록시)실레인(phenyltris(trimethylsiloxy)silane), 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane), 테트라페닐테트라메틸트리실록세인(tetra-phenyltetramethyltrisiloxane), 폴리(3,3,3-트리플루오로프로필메틸실록세인)(poly(3,3,3-trifluoropropylmethylsiloxane)), 3,5,7-트리페닐노나메틸-펜타실록세인(3,5,7-triphenylnonamethyl-pentasiloxane), 3,5-디페닐옥타메틸테트라실록세인(3,5-diphenyloctamethyltetrasiloxane), 1,1,5,5-테트라페닐-1,3,3,5-테트라메틸-트리실록세인(1,1,5,5-tetraphenyl-1,3,3,5-tetramethyl-trisiloxane), 헥사메틸사이클로트리실록세인(hexamethylcyclotrisiloxane), 및 n-옥틸트리스(트리메틸실록시)실레인(n-octyltris(trimethylsiloxy)silane) 을 포함한다.
절연성 액체(18)는 하나 이상의 저메인(Ge)계 종을 포함할 수 있다. 저메인 기반 화합물의 예들은
헥사메틸이저메인(hexamethyldigermane), 헥사에틸디저메인(hexaethyldigermane), 디페닐디메틸저메인(diphenyldimethylgermane), 1-나프틸트리에틸저메인(1-naphtyltriethylgermane), 및 페닐트리메틸저메인(phenyltrimethylgermane)을 포함한다.
절연성 액체(18)는 하나 이상의 페닐 기 및/또는 플루오르화 또는 비-플루오르화 알킬(에틸, n-프로필, n-부틸), 선형 또는 분지형 알킬, 염화 또는 브롬화 페닐 기, 벤질 기, 할로겐화 벤질 기와 같은 다른 기로 치환된 Si- 및/또는 Ge 기반 화합물; 또는 Si- 및/또는 Ge 기반 화합물들의 혼합물로서 하나 이상의 화합물이 하나 이상의 페닐 기 및/또는 플루오르화 또는 비-플루오르화 알킬(에틸, n-프로필, n-부틸), 선형 또는 분지형 알킬, 염화 또는 브롬화 페닐 기, 벤질 기, 할로겐화 벤질 기와 같은 다른 기들로 치환된 상기 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 특정 예시들은 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인(bis(nonafluorohexyl)tetramethyldisiloxane) 및 (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인(nonafluorohexylmethylsiloxane)) (65-75% 디메틸실록세인(dimethylsiloxane))의 공중합체를 포함한다.
예시적인 절연성 액체(18)는 도데칸, 노나플루오로헥실메틸실록세인/디메틸실록세인(nonafluorohexylmethylsiloxane/dimethylsiloxane) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인 및 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane)을 포함할 수 있다. 총 중량의 예시적인 중량 백분율은 다음을 포함한다: 도데칸 (12-30퍼센트); (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체 (15-63퍼센트); 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인 (15-60퍼센트); 및 폴리디메틸실록세인 (10-30퍼센트). 다른 예시적인 절연성 액체(18)는 1-나프틸트리에틸저메인(1-naphtyltriethylgermane), n-옥틸트리스(트리메틸실록시)실레인(n-octyltris(trimethylsiloxy)silane), 및 폴리페닐에테르(polyphenylether) SANTOLIGHT SL-5267®를 포함한다. 다른 예시적인 절연성 액체(18)는 도데칸, (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인, 헥사메틸디저메인(hexamethyldigermane), 및 헥사에틸디저메인(hexaethyldigermane)을 포함한다. 절연성 액체(18)의 개별 성분의 중량 백분율을 조정하는 것은 절연성 액체(18)의 밀도, 점도 및 굴절률에 영향을 미친다.
<전도성 액체>
일부 실시예들에서, 본 개시 내용의 새로운 전도성 액체(16)는 디시안아미드 음이온과 트리시아노메타나이드 음이온, 및 그 반대 양이온 중 적어도 하나 이상의 이온성 화합물을 포함할 수 있다. 디시안아미드 음이온은 화학식 IV로 표시된다.
IV
Figure pct00030
트리시아노메타나이드 음이온은 화학식 V로 표시된다.
V
Figure pct00031
디시안아미드 음이온 또는 트리시아노메타나이드 음이온을 그 반대 양이온과 함께 포함하는 이온성 화합물이 (1) 섭씨 -20도에 가깝거나 그보다 낮은 융점을 가질 가능성이 더 높으며; (2) 섭씨 20도에서 1.0g/cm3에 더 가까운 밀도를 갖기 때문에 통상 사용되는 절연성 액체(18)와 쌍을 이루는 것이 더 쉽고, (3) 하이드록실 그룹이 없음에도 불구하고 통상 사용되는 절연성 액체(18)와 섞이지 않고, (4) 가시 영역보다 긴 파장(36)을 갖는 전자기파(34)에 대해 히드록실기를 포함하는 통상 사용되는 전도성 액체(16)보다 더 투명하다는 점이 발견되었다.
이론에 구속되기를 바라지 않으나, 통상의 전도성 액체에 존재하는 하나 이상의 하이드록실 그룹은 전도성 액체와 통상적인 절연성 액체의 불혼화성에 적어도 부분적으로 책임이 있지만 1400nm 이상의 파장을 갖는 전자기파도 흡수하는 것으로 여겨진다. 1400 nm 이상의 파장을 갖는 전자기파를 흡수함으로써, 이러한 하이드록실 그룹들은 전도성 액체가 충분한 백분율의 1400nm 이상의 파장을 갖는 입사 전자기파가 액체 렌즈를 통해 투과되어 감지되고 처리되는 것을 막는다. 따라서, 하나 이상의 하이드록실 그룹은 종래의 전도성 액체를 사용하는 액체 렌즈가 1400nm 이상의 파장을 갖는 전자기파가 감지되도록 의도된 응용에 사용되는 것을 불가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기서 개시된 이온성 화합물들은 하이드록실 기를 거의 또는 전혀 포함하지 않을 수 있으며, 이는 1400 nm 이상의 파장을 갖는 전자기파를 수반하는 응용에서 사용하기 위한 통상적인 전도성 액체의 단점을 해결하는 데 도움이 될 수 있다.
1400nm 이상의 파장을 갖는 전자기파를 감지하는 것을 수반할 수 있는 예시적인 응용은 광통신으로서, 이는 대게 1550nm의 파장을 갖는 전자기파를 감지하는 것을 포함할 수 있다. 또한 일부 라이다(lidar) 측량 방법은 1500nm의 파장을 갖는 전자기파를 감지하는 것을 수반할 수 있다. 또 다른 예로, 단파장 적외선(Short-Wave infrared, SWIR) 이미징은 900nm와 1700nm 사이의 파장을 갖는 전자기파를 예를 들어, InGaAs 센서들을 사용해서 감지하는 것을 수반할 수 있다.
일부 실시예에서, 전도성 액체와 절연성 액체는 액체 렌즈 응용에서의 사용을 위해 그들을 양립할 수 있도록 만드는데 도움이 되는 특성들을 가지고 있다. 예를 들어, 전도성 액체와 절연성 액체의 밀도들은 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. (예를 들어, 섭씨 20도에서 약 3.10-3g/cm3 이하의 차이). 또한, 전도성 액체 및 절연성 액체의 동점도는 충분히 낮거나 및/또는 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, 의도된 용도에서의 온도 범위에 걸쳐 서로 0cSt 및 ±5cSt 이내). 또한, 전도성 액체와 절연성 액체의 융점은 충분히 낮을 수 있다(예를 들어, -40℃와 같이 -20℃이하의 온도). 일부 응용들에서, 전도성 액체 및 절연성 액체는 -20℃내지 70℃의 온도 범위(예를 들어, 1 atm과 같은 표준 압력에서)에 걸쳐 액상일 수 있다. 또 다른 응용들에서, 전도성 액체 및 절연성 액체는 -40℃내지 85℃의 온도 범위(예를 들어, 1 atm과 같은 표준 압력에서)에 걸쳐 액상일 수 있다.
디시안아미드 음이온과 트리시아노메타나이드 음이온 둘 모두는 전도성 액체(16)로서 또는 전도성 액체(16)에서 사용되는 이온성 화합물을 형성하기 위해 많은 가능한 반대 양이온과 매칭될 수 있다. 디시안아미드 음이온 및 트리시아노메타나이드 음이온과 쌍을 이루는 예시적인 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄, 설포늄 기반 양이온을 포함한다.
이미다졸리움 양이온은 하기 화학식 VI과 같이 표시된다.
VI
Figure pct00032
여기서 R은 수소 또는 알킬기이고, R'은 수소 또는 임의의 오르가닐기이며, 오르가닐기의 하이드록실기의 수는 바람직하게는 0이다. 이미다졸리움 양이온의 일부 실시예에서, R'는 메틸기이고 R은 에틸기이며, 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온(1-ethyl-3-methylimidazolium cation)으로 지칭된다. 상기 이온성 화합물 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드는 섭씨 26도에서 1.101g/cm3의 밀도, 섭씨 21도에서 16.8mPa*s의 점도, 섭씨 -21도의 융점, 및 1.516의 굴절률(589 nm)을 갖는다. 이온성 화합물 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드는 섭씨 25도에서 1.08g/cm3의 밀도, 섭씨 25도에서 14.0cP의 점도, 섭씨 -11도의 융점, 및 1.512의 굴절률(589nm)을 갖는다. 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드 둘 모두의 밀도는 절연성 액체(18)의 일반적인 구성 요소와 매치하기에 적합하다. 일부 실시예로 적합한 또 다른 이미다졸리움 양이온은 1-알릴-3-메틸이미다졸리움 양이온이다. 이온성 화합물 1-알릴-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드는 섭씨 24도에서 1.11g/cm3의 밀도, 섭씨 18도에서 16mPa*s의 점도, 상온 이하의 융점을 갖는다. 일부 실시예로 적합한 또 다른 이미다졸리움 양이온은 1-벤질-3-메틸이미다졸리움 양이온이다. 이온성 화합물 1-벤질-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드는 섭씨 24도에서 1.16g/cm3의 밀도, 섭씨 25도에서 78.5mPa*s의 점도, 상온 이하의 융점을 갖는다. 일부 실시예로 적합한 또 다른 이미다졸리움 양이온은 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 양이온이다. 이온성 화합물 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드는 섭씨 25도에서 1.06g/cm3의 밀도, 섭씨 25도에서 28mPa*s의 점도, 및 0℃이하의 융점을 갖는다. 상기 이온성 화합물 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드는 섭씨 25도에서 1.05g/cm3의 밀도, 섭씨 25도에서 27.3 cP의 점도를 갖는다. 일부 실시예로 적합한 또 다른 이미다졸리움 양이온은 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 양이온이다. 이온성 화합물 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드는 섭씨 24도에서 1.02g/cm3의 밀도, 섭씨 25도에서 39.2 cP의 점도, 및 상온 이하의 융점을 갖는다.
피롤리디니늄 양이온은 하기 화학식 VII과 같이 표시된다.
VII
Figure pct00033
여기서, R은 수소 또는 알킬기이고, R'은 수소 또는 임의의 오르가닐기이며, 오르가닐기의 하이드록실기의 수는 바람직하게는 0이다. 피롤리디니늄 양이온의 일부 실시예에서, R'는 메틸기이고 R은 에틸기이며, 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디니늄 양이온으로 지칭된다. 이온성 화합물 N-에틸-N-메틸피롤리디니늄 디시안아미드는 일부 실시예에서, 전도성 액체(16)로서, 또는 전도성 액체(16)에서 사용되기 위한 이온성 화합물로서 적합할 수 있다. 이온성 화합물 N-에틸-N-메틸피롤리디니늄 트리시아노메타나이드는 일부 실시예에서, 전도성 액체(16)로서, 또는 전도성 액체(16)에서 사용되기 위한 이온성 화합물로서 적합할 수 있다. 일부 실시예로 적합한 또 다른 피롤리디니늄 양이온은 1-부틸-1-메틸피롤리디니늄 양이온이다. 이온성 화합물 1-부틸-1-메틸피롤리디니늄 디시안아미드는 섭씨 20도에서 1.02g/cm3의 밀도, 섭씨 20도에서 46mPa*s의 점도, 섭씨 -55도의 융점을 갖는다. 이온성 화합물 1-부틸-1-메틸피롤리디니늄 트리시아노메타나이드는 섭씨 25도에서 1.01g/cm3의 밀도, 섭씨 25도에서 26.9 cP의 점도를 갖는다. 화합물 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드 둘 모두의 밀도는 절연성 액체(18)의 일반적인 구성 요소와 매치하기에 적합하다. 섭씨 -20도보다 훨씬 낮은 1-부틸-1-메틸피롤리디니늄 디시안아미드의 융점은 액체 렌즈(10)의 많은 응용들에 있어서, 이온성 화합물 1-부틸-1-메틸피롤리디니늄 디시안아미드를 전도성 액체(16)에 적합하게 만든다.
피페리디늄 양이온은 하기 화학식 VIII으로 표시된다.
VIII
Figure pct00034
여기서 R은 수소 또는 오르가닐기이고, R'은 수소 또는 임의의 오르가닐기이며, 상기 오르가닐기의 하이드록실기의 수는 0일 수 있다.
포스포늄 양이온은 하기 화학식 IX으로 표시된다.
IX
Figure pct00035
여기서 R1, R2, R3, R4는 각각 개별적으로 수소 또는 임의의 오르가닐기일 수 있으며, 상기 오르가닐기의 하이드록실기의 수는 0일수 있다. 일부 실시예에 적합한 포스포늄 양이온은 트리헥실테트라데실포스포늄 양이온(trihexyltetradecylphosphonium cation)이다. 이온성 화합물 트리헥실테트라데실포스포늄 디시안아미드는 섭씨 28도에서 0.90g/cm3의 밀도, 섭씨 25도에서 361mPa*s의 점도, 상온 이하의 융점을 갖는다. 이온성 화합물 트리헥실테트라데실포스포늄 트리시아노메타나이드 또한 상업적으로 입수 가능하다.
피리디늄 양이온은 하기 화학식 X으로 표시된다.
X
Figure pct00036
여기서 R은 수소 또는 임의의 오르가닐기이고, 상기 오르가닐기의 하이드록실기의 수는 0일 수 있다.
피롤리늄 양이온은 하기 화학식 XI으로 표시된다.
XI
Figure pct00037
여기서 R은 수소 또는 임의의 오르가닐기이고, 상기 오르가닐기의 하이드록실기의 수는 0일 수 있다.
설포늄 양이온은 하기 화학식 XII로 표시된다.
XII
Figure pct00038
여기서, R1, R2, R3은 수소 또는 임의의 오르가닐기이고, 상기 오르가닐기의 하이드록실기의 수는 0일 수 있다.
전도성 액체(16)는 용매를 더 포함할 수 있다. 그러나, 전도성 액체(16)에서 하이드록실 함유 물질의 중량비(w/w)에 따른 농도는 20%, 10%, 5%, 또는 1% 미만이어야 한다. 하이드록실기를 포함하지 않는 예시적인 극성 용매는 디메틸술폭시드(dimethylsulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디알킬에틸렌글리콜에테르류(dialkyl ethylene glycol ethers), 디알킬프로필렌글리콜에테르류(dialkyl propylene glycol ethers), 카보네이트류(carbonates), 및 락탐류(lactames)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 접촉각을 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드(전도성 액체(16)로서) 및 디페닐디메틸저메인(절연성 액체(18)로서)에 인가되는 전압의 함수로서 결정하기 위해서 전기 습윤 실험이 수행되었다. 그래프는 30V를 넘는 전압 범위에서 낮은 전기습윤 히스테리시스(hysteresis)를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4b를 참조하면, (a) 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드와(b) 에틸렌 글리콜 모두에 대해, 전자기파(34)의 파장(36)의 함수로서 입사 전자기파(34)의 투과율을 결정하기 위한 실험이 수행되었다. 에틸렌 글리콜에 대한 결과는 도 4a에 도시되었다. 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드에 대한 결과는 도 4b에 도시되었다. 양 실험에서, 입사 전자기파(34)가 지향된 액체의 두께는 1mm 였다. 실험 결과는 일반적으로 800nm 내지 2200nm의, 특히 1400nm 내지 1600nm, 특히 1550nm의 파장(36)을 갖는 입사 전자기파(34)에 대해 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드가 에틸렌 글리콜보다 더 높은 투과도 백분율을 가짐을 증명했다.
예시들
디시안아미드 음이온 또는 트리시아노메타나이드 음이온을 포함하는 이온성 화합물을 포함하는 전도성 액체(16)를 이용하는 몇몇 예시적인 액체 렌즈 배합물이 준비되었다. 실시예들은 디시안아미드 음이온 또는 트리시아노메타나이드 음이온을 갖는 이온성 화합물을 포함하는 전도성 액체(16)가 절연성 액체(18)의 밀도와 일치하는 밀도(섭씨 20도의 온도에서 0.10g/cm3 이내)를 가질 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 상기 밀도는 0.01g/cm3 이내, 0.005g/cm3 이내, 0.001g/cm3 이내로 일치할 수 있다. 예시적인 배합물들은 액체 렌즈(200)에 포함되고, 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)를 모두 포함하는 액체 렌즈(200)의 투과율은 입사 전자기파(34)의 파장(36)의 함수로서 결정되었다. 예시적인 액체 렌즈(200) 배합물의 투과율은 도 5의 상업용 액체 렌즈(200)의 투과율과 비교된다.
<예시 1>
예시 1의 배합물에서, 전도성 액체(16)는 100중량%의 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드이다. 절연성 액체(18)는 도데칸, (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인, 및 폴리디메틸실록세인을 포함한다. 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)의 밀도가 일치함을 주목해라.
전도성 액체(16) 절연성 액체(18)
중량% 화합물 중량% 화합물
100% 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드 12% 도데칸
63% (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체
15% 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인
10% 폴리디메틸실록세인
밀도 (20 °C) : 1.104 g/cm3
점도　(20°C) : 14.9 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.516		 밀도 (20°C) : 1.104 g/cm3
점도 (20°C) : 4.6 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.375
<예시 2>
예시 2의 배합물에서, 전도성 액체(16)는 100중량%의 1-부틸-1-메틸피롤리디니늄 트리시아노메타나이드이다. 절연성 액체(18)는 도데칸, (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인, 및 폴리디메틸실록세인을 포함한다. 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)의 밀도가 0.001g/cm3 이내로 일치함을 주목해라.
전도성 액체(16) 절연성 액체(18)
중량% 화합물 중량% 화합물
100% 1-부틸-1-메틸피롤리디니늄 트리시아노메타나이드 30% 도데칸
20% (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체
20% 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인
30% 폴리디메틸실록세인
밀도 (20 °C) : 1.010 g/cm3
점도　(20°C) : 34.4 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.499		 밀도(20°C) : 1.011 g/cm3
점도(20°C) : 3.7 cSt
굴절률(589nm, 20°C) : 1.387
<예시 3>
예시3의 배합물에서, 전도성 액체(16)는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드 및 γ부틸로락톤(γ을 포함한다. 절연성 액체(18)는 도데칸, (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인, 및 폴리디메틸실록세인을 포함한다. 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)의 밀도가 0.005g/cm3 이내로 일치함을 주목해라.
전도성 액체(16) 절연성 액체(18)
중량% 화합물 중량% 화합물
80% 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드 15% 도데칸
20% γ부틸로락톤 15% (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체
60% 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인
10% 폴리디메틸실록세인
밀도(20 °C) : 1.095 g/cm3
점도　(20°C) : 9.2 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.500		 밀도 (20°C) : 1.090 g/cm3
점도 (20°C) : 4.2 cSt
굴절률(589nm, 20°C) : 1.378
도 5를 참조하면, 상기 예시1의 배합물은 배합된 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)를 포함하고 있는 액체 렌즈(200)를 통과하는 전자기파(34)의 투과율을 입사 전자기파(34)의 파장(36)의 함수로서 결정하기 위해 테스트되었다. 투과율 테스트를 위한 액체 렌즈(200)는 반사 방지 코팅을 포함하지 않았다. 반사 방지 코팅의 사용은 투과율만을 증가시킬 것이다. 예시1의 배합물의 투과율은 비교 배합물의 투과율과 비교된다. 비교 배합물은 Corning®Varioptic® Lenses라는 상품으로 입수 가능한 Corning®의 상업용 액체 렌즈이며 모델 A-25H이다. Corning®Varioptic® 모델 A-25H 가변 초점 렌즈는 물과 에틸렌 글리콜 둘 모두를 포함하는 전도성 액체를 사용한다.
도 5의 그래프에서 볼 수 있듯이, 예시1의 배합물은 900nm 내지 1150nm 범위의 파장(36)을 갖는 전자기파(34)에 대해 비교 배합물만큼 투명하다. 예시1의 배합물은 1150nm 보다 더 큰 파장(36)(적어도 1150nm 내지 1800nm 범위를 포함하는)을 갖는 전자기파(34)에 대해 비교 배합물보다 더 투명하다. 예시 1의 배합물은 900nm 내지 약 1570nm 사이의 파장(36)을 갖는 전자기파(34)에 대해 85% 이상의 투과율을 갖는다. 예시 1의 배합물은 1400nm 내지 1600nm 사이의 파장(36)을 갖는 전자기파(34)에 대해 비교 배합물보다 훨씬 더 투명하다. 예를 들어, 예시 1 내지 3의 배합물은 1550nm의 파장(36)을 갖는 입사 전자기파(34)의 약 90%를 투과시키는 반면, 비교 배합물은 이와 같은 파장(36)에서 입사 전자기파(34)의 57%를 투과시킨다. 1550 nm의 파장(36)을 갖는 입사 전자기파(34)에 대한 90%의 투과율은 반사 방지 코팅이 없는 경우에서의 이론적인 한계인 92%의 투과율에 근접한다. 또한 투과율 실험에서 사용된 샘플들은 전도성 액체의 일부 응용들보다 더 두꺼운 두께를 가진다. 따라서, 이러한 일부 응용들에서의 투과율 수준은 이곳에 표시된 결과에 비해 더 높을 것이다. 예시 2 내지 3의 배합물에서도 매우 유사한 특징이 예상된다.
<예시 4>
예시 4의 배합물에서, 전도성 액체(16)는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드이다. 절연성 액체(18)는 1-나프틸트리에틸저메인, n-옥틸트리스(트리메틸실록시)실레인, 및 폴리페닐에테르 SANTOLIGHT SL-5267®를 포함한다. 전도성 액체(16)와 절연성 액체(18)의 밀도가 0.008g/cm3 이내로 일치함을 주목해라.
전도성 액체(16) 절연성 액체(18)
중량% 화합물 중량% 화합물
100% 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드 85% 1-나프틸트리에틸저메인
10% n-옥틸트리스(트리메틸실록시)실레인
5% 폴리페닐에테르 SANTOLIGHT SL-5267®
밀도 (20 °C) : 1.104 g/cm3
점도　(20°C) : 14.9 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.516		 밀도 (20°C) : 1.112 g/cm3 (모사)
점도 (20°C) : 10.1 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.569
<예시 5>
예시 5의 배합물에서, 전도성 액체(16)는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드를 포함한다. 절연성 액체(18)는 도데칸, (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75 디메틸실록세인) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인, 헥사메틸디저메인, 및 헥사에틸디저메인을 포함한다.
전도성 액체(16) 절연성 액체(18)
중량% 화합물 중량% 화합물
100% 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드 12% 도데칸
33% (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체
5% 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인
20% 헥사메틸디저메인
30% 헥사에틸디저메인
밀도 (20 °C) : 1.104 g/cm3
점도　(20°C) : 14.9 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.516		 밀도 (20°C) : 1.136 g/cm3 (모사)
점도 (20°C) : 3.6 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.430
<예시 6>
예시 6의 배합물에서, 전도성 액체(16)는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드를 포함한다. 절연성 액체(18)는 n-옥틸트리스(트리메틸실록시)실레인, 헥사메틸디저메인, 및 헥사에틸디저메인을 포함한다.
전도성 액체(16) 절연성 액체(18)
중량% 화합물 중량% 화합물
100% 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드 14% n-옥틸트리스(트리메틸실록시)실레인
50% 헥사에틸디저메인
36% 헥사메틸디저메인
밀도 (20 °C) : 1.104 g/cm3
점도　(20°C) : 14.9 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.516		 밀도 (20°C) : 1.106 g/cm3 (모사)
점도 (20°C) : 1.9 cSt
굴절률 (589nm, 20°C) : 1.472
예시 6의 전도성 액체(16) 및 절연성 액체(18)는 액체 렌즈(200)에 포함될 수 있다. 액체 렌즈(10)에 인가된 전압에 대한 함수로서, 광출력 및 파면 오차(Wavefront error)를 나타내는 전기습윤 곡선이 도 6에 도시되어있다. -5D ~ +15D 디옵터 범위에서 렌즈들의 히스테리시스는 최대 0.6D로 계산된다. 평균제곱근 파면오차(Root-mean-squared wavefront error, RMS WFE)로 정량화된 광학 특성은 최대 65 nm이다. 이러한 값들은 2.5m의 투명 조리개에서 측정되었다.
통상의 기술자는 예시 1 내지 3, 5, 및 6에서 전도성 액체(16)가 절연성 액체(18)의 광학 지수보다 더 높은 광학 지수를 가짐을 알 것이다. 이에 대응하는 액체 렌즈(10)는 낮은 전압에서 수렴하고 더 높은 전압에서 발산하게 될 것이다. 예시 4에서, 전도성 액체(16)는 절연성 액체(18)의 광학 지수보다 더 낮은 광학 지수를 갖는다. 이에 대응하는 액체 렌즈(10)는 낮은 전압에서 발산하고, 더 높은 전압에서 수렴하게 될 것이다. 전압에 따른 구동 매개변수의 변동 징후가 전체 시스템 설계에서 고려된다면, 어떠한 종류의 상황도 자동 초점, 또는 틸트 또는 액체 렌즈를 이용하는 높은 수차 보정을 포함하는 광학 시스템의 설계하는데 사용될 수 있다.
상기 예시 1, 2, 4 ,5 및 6에서, 이온성 화합물은 전도성 액체(16)의 100중량%이다. 예시 3에서, 이온성 화합물은 전도성 액체(16)의 80중량%이다. 일부 실시예에서, 이온성 화합물은 적어도 전도성 액체(16)의 80중량%, 적어도 전도성 액체(16)의 85중량%, 적어도 전도성 액체(16)의 90중량%, 적어도 전도성 액체(16)의 95중량%, 적어도 전도성 액체(16)의 97중량%, 또는 전도성 액체(16)의 약 100중량% 또는 100중량%일수 있다. 이온성 화합물을 만드는 데 사용되는 제조 공정은 이온성 화합물로 제공된 액체에 존재하는 물과 같은 미량의 불순물을 초래할 수 있다.
청구항들의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (31)

  1. 디시안아미드 음이온 및 반대 양이온을 갖는 이온성 화합물을 포함하며, 상기 디시안아미드 음이온은 하기 화학식을 갖고
    Figure pct00039

    상기 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄 또는 설포늄 양이온 중 어느 하나인 전도성 액체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 액체는 섭씨 -20도 내지 섭씨 70도 사이에서 액상인 전도성 액체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 액체는 1550nm의 파장을 갖는 전자기파에 대해 1mm의 두께에 걸쳐서 적어도 50%의 투과율을 갖는 전도성 액체.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 이미다졸리움 양이온인 전도성 액체.
    Figure pct00040

    여기서 R은 수소 또는 알킬기이며, R'은 수소 또는 오르가닐기이다.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-알릴-3-메틸이미다졸리움, 1-벤질-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 또는 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 중 어느 하나인 전도성 액체.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온인 전도성 액체.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 피롤리디니늄 양이온인 전도성 액체.
    Figure pct00041

    여기서 R은 수소 또는 알킬기이며, R'은 수소 또는 오르가닐기이다.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온 또는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 양이온 중 어느 하나인 전도성 액체.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온인 전도성 액체.
  10. 트리시아노메타나이드 음이온 및 반대 양이온을 갖는 이온성 화합물을 포함하며, 상기 트리시아노메타나이드 음이온은 하기 화학식을 갖고,
    Figure pct00042

    상기 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄 또는 설포늄 양이온 중 어느 하나인 전도성 액체.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 전도성 액체는 섭씨 -20도 내지 섭씨 70도 사이에서 액상인 전도성 액체.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 전도성 액체는 1550nm의 파장을 갖는 전자기파에 대해 1mm의 두께에 걸쳐서 적어도 50%의 투과율을 갖는 전도성 액체.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 이미다졸리움 양이온인 전도성 액체.
    Figure pct00043

    여기서 R은 수소 또는 알킬기이며, R'은 수소 또는 오르가닐기이다.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-알릴-3-메틸이미다졸리움, 1-벤질-3-메틸이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움, 또는 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 중 어느 하나인 전도성 액체.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 이미다졸리움 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온인 전도성 액체.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 반대 양이온은 하기 화학식을 갖는 피롤리디니늄 양이온인 전도성 액체.
    Figure pct00044

    여기서 R은 수소 또는 알킬기이며, R'은 수소 또는 오르가닐기이다.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온 또는 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 양이온 중 어느 하나인 전도성 액체.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 피롤리디니늄 양이온은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온인 전도성 액체.
  19. 캐비티를 포함하는 렌즈 바디; 및
    상기 캐비티 내에 배치된 전도성 액체 및 절연성 액체로서, 상기 전도성 액체 및 상기 절연성 액체는 실질적으로 서로 혼합되지 않고, 그 사이에서 계면이 정의되는 상기 전도성 액체 및 상기 절연성 액체를 포함하고,
    상기 전도성 액체는 디시안아미드 음이온 및 그 반대 양이온 또는 트리시아노메타나이드 음이온 및 그 반대 양이온 중 어느 하나인 이온성 화합물을 포함하고, 상기 디시안아미드 음이온은 하기 화학식을 갖고,

    Figure pct00045

    상기 트리시아노메타나이드 음이온은 하기 화학식을 가지며,

    Figure pct00046

    상기 반대 양이온은 이미다졸리움, 피롤리디니늄, 피페리디늄, 포스포늄, 피리디늄, 피롤리늄 또는 설포늄 양이온 중 어느 하나인 액체 렌즈.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체는 섭씨 -20도 내지 섭씨 70도 사이에서 액상인 액체 렌즈.
  21. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체의 밀도는 섭씨 20도에서 상기 절연성 액체의 밀도의 0.10g/cm3 이내인 액체 렌즈.
  22. 제19 항에 있어서,
    상기 반대 양이온은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-알릴-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-벤질-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-헥실-3-메틸이미다졸리움 양이온, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 양이온, N-에틸-N-메틸피롤리디늄 양이온, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 양이온, 또는 트리헥실테트라데실포스포늄 양이온 중 어느 하나인 액체 렌즈.
  23. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 N-에틸-N-메틸피롤리디늄 디시안아미드인 액체 렌즈.
  24. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드인 액체 렌즈.
  25. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리시아노메타나이드인 액체 렌즈.
  26. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 트리시아노메타나이드인 액체 렌즈.
  27. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체는 1550nm의 파장을 갖는 전자기파에 대해 1mm의 두께에 걸쳐서 적어도 50%의 투과율을 갖는 액체 렌즈.
  28. 제19 항에 있어서,
    상기 전도성 액체는 1550nm의 파장을 갖는 전자기파에 대해 적어도 90%의 투과율을 갖는 액체 렌즈.
  29. 제19 항에 있어서,
    상기 이온성 화합물은 적어도 전도성 액체중량의 97중량%인 액체 렌즈.
  30. 제19 항에 있어서,
    상기 절연성 액체는 도데칸, (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인, 및 폴리디메틸실록세인을 포함하고;
    상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리시아노메타나이드인 액체 렌즈.
  31. 제19 항에 있어서,
    상기 절연성 액체는 도데칸, (25-35% 노나플루오로헥실메틸실록세인) (65-75% 디메틸실록세인) 공중합체, 비스(노나플루오로헥실)테트라메틸디실록세인, 헥사메틸디저메인, 및 헥사에틸디저메인이고;
    상기 전도성 액체의 상기 이온성 화합물은 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 디시안아미드인 액체 렌즈.
KR1020217028094A 2019-02-01 2020-01-23 적외선 액체 렌즈 설계를 위한 저융점 이온성 액체 KR20210121222A (ko)

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