WO2016133278A1 - 폴리머 기반 가변 렌즈 및 이를 위한 전기활성 폴리머와 그 제조 방법 - Google Patents

폴리머 기반 가변 렌즈 및 이를 위한 전기활성 폴리머와 그 제조 방법 Download PDF

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WO2016133278A1
WO2016133278A1 PCT/KR2015/013623 KR2015013623W WO2016133278A1 WO 2016133278 A1 WO2016133278 A1 WO 2016133278A1 KR 2015013623 W KR2015013623 W KR 2015013623W WO 2016133278 A1 WO2016133278 A1 WO 2016133278A1
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polymer
electrode
pvc
lens
electrode layer
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PCT/KR2015/013623
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English (en)
French (fr)
Inventor
김상연
박원형
배진우
신은재
여명
최동수
남병욱
최은진
최종민
Original Assignee
한국기술교육대학교 산학협력단
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • 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

Definitions

  • the present invention is directed to a polymer based variable lens technology that uses an electroactive polymer to vary the focal length.
  • a lens is a device capable of focusing one or more light wavelengths.
  • the variable lens refers to an adjustable lens for changing a focal length or position of a lens.
  • development of a variable lens that can be used in a miniaturized device is being actively made. For example, there is a method of controlling the shape of the lens using hydraulic pressure, a method of controlling the shape of the liquid crystal (Liquid Crystal) according to the application of voltage, a method of using different properties of water (aqueous solution) and oil.
  • the method of controlling the shape of the lens by using hydraulic pressure is to change the curvature of the lens hydraulically by operating the actuator of the structure containing the aqueous solution, there is an additional part for the actuation, it is difficult to miniaturize, multifocal lens It is not suitable for array structures.
  • the method of inducing the rotation of the liquid crystal by applying a voltage and changing the refractive index of the light according to the rotated angle has a limitation in the lens focusing range, and there is also a problem in that it is difficult to increase the optical characteristics of the lens only with a single layer structure.
  • the method of changing the curvature using the shape change between the aqueous solution and the oil interface by enclosing the aqueous solution and the oil in the lens holder and applying a voltage to the aqueous solution through the electrodes above and below the container is not only difficult to realize a flexible shape, but also an ultra compact lens. Impossible to implement
  • the method using the difference in refractive index between the electrolyte and the non-electrolyte solution requires a high voltage, and thus requires auxiliary equipment for the high voltage, and the iodine ion antioxidant necessary to implement the method cannot be used permanently, and due to iodine sulfation There is also a problem of reducing the spectral transmittance.
  • the shape of the polymer on the transparent gel provided in the through-hole of the electrode is modified by the external pressure or the movement of the electrons (voltage application), thereby adjusting the focal length of the convex lens, as well as concave lens form It is another object to provide an adjustable, polymer based variable lens.
  • the present invention by further comprising a lens protective film on the transparent gel on the polymer provided in the porous interior of the electrode, to provide a polymer-based variable lens that can prevent the gel from being damaged by foreign matter or contact with the outside For another purpose.
  • the present invention by manufacturing a gel (gel) by mixing a PVC (polyvinyl chloride) and a plasticizer, a polymer-based variable lens that can be changed to a concave as well as concave shape, fast, arbitrary optical properties It is a further object to provide an electroactive polymer suitable for the manufacture and a process for the preparation thereof.
  • a gel gel
  • PVC polyvinyl chloride
  • the present invention a plate-shaped transparent electrode layer; An electroactivation unit provided on the transparent electrode layer and formed of an electroactive polymer on a transparent gel; And an electrode part provided to be electrically insulated from the transparent electrode layer and disposed above or outside the electric activation part, wherein a voltage is applied to the transparent electrode layer and the electrode part so that the shape of the electric activation part is changed to a focal length. It provides a polymer-based variable lens that is variable.
  • the electrode portion may be formed in a circular, oval or polygonal through the central portion and spaced apart from the electro-activation portion.
  • the electrode portion may be formed to include a vertical surface of the tubular shape connecting the inner surface of the upper surface and the lower surface and the upper surface and the ring shape.
  • the electrode unit may include a ring-shaped lower surface and a vertical surface having a tubular shape connected to the inner side of the lower surface, and the vertical surface may be formed to be narrowed upwards.
  • the vertical surface may be configured as a concave or convex surface.
  • the lower surface may be provided in parallel with the transparent electrode layer.
  • some or all of the longitudinal surface and the lower surface may contact the electroactivation unit.
  • a lens protective film to block foreign matter or external contact is further provided on the upper portion of the electrical activation portion constituting the lens.
  • the electrode part may be provided vertically with respect to the transparent electrode layer, a part of the electrical activation part may form a columnar portion inside the electrode part, and a concave part may be formed on the inner surface of the electrode part.
  • An auxiliary electrode part insulated from the electrode part may be further provided on the electrode part, and a separate voltage may be applied to the auxiliary electrode part and the electrode part.
  • the electrical activation part may include a pillar-shaped portion formed higher than the electrode portion, and the pillar-shaped portion may be formed to be led upward of the electrode portion in response to the application of a voltage.
  • the upper surface of the pillar-shaped portion may be provided concave in a state where no voltage is applied.
  • the electrode part may include a first electrode part and a second electrode part stacked in an electrically insulated state, and voltages may be applied to the first electrode part and the second electrode part, respectively.
  • An electrode support part supporting the electrode part and forming a surface spaced apart from the transparent electrode layer, and a mesh electrode part provided under the electrode support part, may be lowered when the voltage is applied to the transparent electrode layer and the mesh electrode part. have.
  • the electrical activation portion may be deformed into a concave lens.
  • An EAP actuator including an EAP layer and a working electrode is provided between the transparent electrode layer and the electrode portion, and the electrode portion and the transparent electrode layer are brought closer to each other by the operation of the EAP actuator so that the electroactivation portion may be transformed into a convex lens. .
  • the transparent electrode layer is formed to form a convex surface, wherein the electrical activation portion is provided on the inner side of the convex surface of the transparent electrode layer in the form of a thicker than the center portion, the electrode portion is provided so as to surround the outside of the electrical activation portion, When the voltage is applied to the transparent electrode layer and the electrode unit, the electroactivator may be deformed into a meniscus concave lens.
  • the electrode portion may have a hemispherical shape or a cross section in the shape of an arc and cover the upper portion of the electroactivation portion.
  • the electrode unit may be provided to be spaced apart from the transparent electrode layer and convex with respect to the electroactivation unit.
  • the present invention in the electroactive polymer forming the electroactive portion of the polymer-based variable lens, PVC (Polyvinyl chloride) and a plasticizer is mixed to provide an electroactive polymer that is made of an electroactive gel in a gel (gel) state.
  • PVC Polyvinyl chloride
  • a plasticizer is mixed to provide an electroactive polymer that is made of an electroactive gel in a gel (gel) state.
  • DEHP DOP, Di-2-ethylhexyl phthalate
  • DOP Dioctyl phthalate
  • DOTP Dioctyl terephthalate
  • DINP Di-isononyl phthalate
  • the electroactive polymer is physically crosslinked to form a film, is prepared to have a thickness of 0.1 ⁇ 2.0 mm, may be prepared to have a transparency of 70 to 95% in the wavelength range of 350 ⁇ 800 nm -1 . have.
  • the PVC is prepared according to the first production process of dissolving the PVC powder in THF (Tetrahydrofuran) and then washing and purifying with alcohol, or after dissolving the PVC powder in the THF and precipitated in alcohol and the resulting solid
  • the precipitate is prepared according to a second production process of washing and purifying with alcohol, and the first production process or the second production process may be repeated 2-10 times.
  • the alcohol may be any one selected from normal propanol, isopropanol, ethanol, methanol.
  • the electroactive polymer is prepared in a first manner in which the PVC is added to THF, stirred and dissolved, and then the plasticizer is added and stirred to obtain a mixed solution, or the plasticizer is added to THF and stirred to disperse.
  • the PVC may be prepared by a second method of obtaining a mixed solution by stirring, or the PVC and the plasticizer may be prepared by adding a PVC solution, and then stirred and dissolved in a third method to obtain a mixed solution. .
  • the PVC and the plasticizer is added in a ratio of 1: 1 to 25, and may be stirred at a speed of 200 to 1000 rpm for at least 1 hour.
  • the mixed solution may be obtained by dropping the dried solution or drying after evaporation, evaporation for at least 1 hour, and vacuum drying for at least 1 hour to remove residual THF solvent.
  • the present invention also provides a first step of dissolving a polyvinyl chloride (PVC) powder in a solvent, a second step of precipitating and drying the lysate obtained in the first step in alcohol, and the second step.
  • It provides a method for producing an electroactive polymer comprising a fifth step of drying the mixed solution or evaporated and dried to produce a gel (gel) electroactive gel.
  • an electrode portion formed of a circular or oval or polygonal electrode having a through hole, a transparent electrode layer provided at a predetermined distance from a lower end of the electrode portion, It consists of a porous inside of the electrode, and an electrical activation portion provided between the electrode portion and the transparent electrode layer, a voltage supply for forming an electric field in the electrode portion, by modifying the shape of the polymer on the transparent gel provided in the hole inside the electrode Only by changing the intensity of the applied voltage, the focal length change can be adjusted.
  • the polymer on the transparent gel provided in the through-hole of the electrode is deformed by the external pressure or the movement of the electrons (voltage application), thereby adjusting the focal length of the convex lens, as well as concave lens form Also adjustable.
  • the electroactive polymer and the manufacturing method suitable for manufacturing the polymer-based variable lens according to the present invention by mixing the PVC and the plasticizer to produce a polymer on a transparent gel, it is possible to change the shape quickly, has an arbitrary optical properties
  • the present invention provides an electroactive polymer capable of changing not only the convex shape but also the concave shape.
  • the present invention is to dissolve the PVC powder in THF, precipitate in alcohol and wash and dry the solid precipitate to produce pure PVC, the prepared PVC and plasticizer in the ratio of 1: 1-25 in THF and stirred
  • electroactive polymers can be prepared that are soft, transparent, physically crosslinked, environmentally friendly and suitable for producing polymer-based variable lenses.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a polymer-based variable lens according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a polymer-based variable lens according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 illustrate a driving mechanism of the polymer-based variable lens according to the first preferred embodiment of the present invention.
  • 5A to 5C illustrate a state in which a curvature of a lens is changed by applying a voltage to a polymer-based variable lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 illustrate a polymer-based variable lens according to a second preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a manufacturing process of an electroactive polymer used in a polymer-based variable lens according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating transparency of a mixture ratio of PVC and a plasticizer as an electroactive polymer used in a polymer-based variable lens according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 10 to 12 are diagrams of a polymer-based variable lens according to a third preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 13A and 13B illustrate a polymer-based variable lens according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • 14A to 14C illustrate a polymer-based variable lens according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.
  • 15A and 15B illustrate a polymer-based variable lens according to a sixth exemplary embodiment of the present invention.
  • 16A to 16C illustrate a polymer-based variable lens according to a seventh exemplary embodiment of the present invention.
  • 17A to 17D illustrate a polymer-based variable lens according to an eighth exemplary embodiment of the present invention.
  • 18A to 18C illustrate a polymer-based variable lens according to a ninth preferred embodiment of the present invention.
  • 19A and 19B illustrate a polymer-based variable lens according to a tenth preferred embodiment of the present invention.
  • 20A and 20B illustrate a polymer-based variable lens according to an eleventh exemplary embodiment of the present invention.
  • 21A and 21B illustrate a polymer-based variable lens according to a twelfth preferred embodiment of the present invention.
  • 22A to 22C illustrate a polymer based variable lens according to a thirteenth preferred embodiment of the present invention.
  • 23A to 23C illustrate a polymer-based variable lens according to a fourteenth preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a polymer-based variable lens according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens may include an electrode part 100 and a lower end of the electrode part 100 formed of a circular or elliptical or polygonal electrode having a hole therein.
  • the transparent electrode layer 200 is provided at a predetermined distance, the interior of the electrode and the electrical activation portion 300 provided between the electrode portion 100 and the transparent electrode layer 200, and is connected to the electrode portion and the transparent electrode layer It may be configured to include a voltage supply unit 400.
  • Polymer-based variable lens according to the present invention by applying a voltage to the electrode portion 100, deforms the surface shape of the electro-activation portion 300 made of a polymer provided in the through hole of the electrode constituting the electrode portion 100 It is characterized in that the focal length is changed.
  • the electrode unit 100 may be formed as a circular, elliptical, or polygonal electrode having a through hole. Circular or elliptical, or polygonal may be applied in various forms as an embodiment.
  • the electrode unit 100 may be connected to the voltage supply unit 400 to form an electric field when a voltage is applied.
  • the voltage supply unit 400 may be connected to the + pole, and when a voltage is applied, the entire electrode unit 100 may take the + pole.
  • the transparent electrode layer 200 may be connected to the -pole of the voltage supply unit 400, when the voltage is applied, the entire transparent electrode layer 200 can take the -pole.
  • FIG. 2 is a perspective view of a polymer-based variable lens according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the electrode part 100 may have an upper surface 110 and a lower surface 120, and an upper surface 110 and a lower surface ( It may be configured to include a vertical surface 130 connecting the 120 in the vertical direction.
  • One side cross-section of the electrode unit 110 may be formed in a substantially "C" shape as shown in Figure 7 below.
  • the vertical surface 130 may be located at the center portion (inside) of the electrode portion 100.
  • the electrode unit 100 is provided with a connection only 130, or is provided with any one of the vertical surface 130 and the upper surface 110 or lower surface 120. Of course, it may be in one form.
  • the side surface of the electrode unit 100 is bent and formed of an upper surface 110 and a vertical surface 130 connected to one end of the upper surface 110 in a vertical direction, and the vertical surface 130 is the It may be located in the center of the electrode unit 100.
  • the side surface of the electrode unit 100 is bent and formed of a vertical surface 130 connected in a vertical direction with one end of the lower surface 120 and the lower surface 120, the vertical The surface 130 may be located at the center of the electrode unit 100.
  • the side surface of the electrode unit 100 may be configured to include an upper surface 110 and a lower surface 120 formed in parallel with the upper surface 110.
  • 3 and 4 illustrate a driving mechanism of a polymer-based variable lens according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram before application
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a case where the shape of the electric activation unit 300 is modified by applying a voltage.
  • the electrodes constituting the electrode part 100 have a cross-sectional shape of a “c” shape, and have an upper surface 110, a lower surface 120, and an upper surface 110 having a donut shape.
  • a vertical surface 130 having a cylindrical shape connecting the inside of the lower surface 120.
  • the upper surface 110 of the electrode unit 100 is connected to the voltage supply unit 400, part or all of the vertical surface 130, and the lower surface 120 is in contact with the electrical activation unit 300 Can be.
  • the vertical surface 130 adopts an electrode structure that connects the inside of the upper surface 110 and the lower surface 120
  • the area of the electrode portion 100 positioned in parallel with the transparent electrode layer 200 may be widened. (Ie, the area of the lower surface 120 facing the transparent electrode layer 200 is secured).
  • the electric field is passed from the electrode unit 100 to the electric activation unit 300, and the electric field is easily formed in the transparent electrode layer 200, and the voltage application efficiency may be increased.
  • the area of the electrode part 100 positioned in parallel with the transparent electrode layer 200 becomes wider. Therefore, when the voltage is applied as shown in FIG. 4, the current flows smoothly when the current flows from the electrode part 100 to the transparent electrode layer 200 and the voltage application efficiency may be increased.
  • the transparent electrode layer 200 which is provided at a predetermined distance from the lower end of the electrode unit 100, when connected to the voltage supply unit 400, a voltage may be applied to the negative pole.
  • the transparent electrode refers to an electrode having light transmittance and conductivity, and may be formed by depositing a thin film of tin oxide, indium oxide, platinum, gold, or the like on glass.
  • a material having high transparency and high conductivity such as a metal thin film such as Graphene, CNT, Ag nanowires, indium tin oxide (ITO), Au, or Pt, may be used.
  • a transparent electrode is used for the electrode layer 200 forming the lower end of the variable lens proposed in the present invention.
  • the electroactivator 300 may be composed of a polymer on a transparent gel, and preferably, may be an electroactive polymer (EAP).
  • EAP electroactive polymer
  • the electro-activation unit 300 In order to perform the role of the lens, the electro-activation unit 300 must also have the property of 'transparent', and the surface shape must be modified according to whether or not a voltage is applied, so that it may be a gel polymer.
  • a polymer is a compound in which one or several kinds of structural units are polymerized to each other by a large number of chemical bonds, and according to one embodiment of the present invention, versatility such as polyvinyl chloride (PVC), high density polyethylene, low density polyethylene, etc.
  • PVC polyvinyl chloride
  • By using a polymer may be a component of the electro-activation unit 300 of the present invention.
  • the voltage supply unit 400 is connected to the electrode unit 100 and the transparent electrode layer 200 to form an electric field in the electrode unit 100 when a voltage is applied.
  • the electrode unit 100 when a voltage is applied to the electrode unit 100, the electrode unit 100 has a positive pole, an electric field is formed, the electrical activation unit 300 is moved toward the electrode unit 100 with a positive pole to contact The area will be increased.
  • the contact area between the electrical activation unit 300 and the electrode unit 100 increases, the thickness of the center portion of the electrical activation unit 300 becomes correspondingly thinner. Using this phenomenon, the focal length of the lens can be adjusted.
  • the electroactivation unit 300 may be provided between the inside of the electrode and the electrode unit 100 and the transparent electrode layer 200, and the electroactivation unit 300 provided in the inside of the electrode may have a surface.
  • the shape is variable so that it can function as a convex (FIG. 3) or concave (FIG. 4) lens.
  • the electric activation unit 300 provided between the electrode unit 100 and the transparent electrode layer 200 may serve to connect a current to flow from the electrode unit 100 to the transparent electrode layer 200 when a voltage is applied. Can be.
  • the polymer on the transparent gel that is provided in the through-hole of the electrode before the voltage is applied to the electrode portion 100 forms a curved surface with a convex surface due to external pressure, but after applying the voltage to the electrode portion 100 Due to the movement of electrons due to the generation, a curved surface may be formed.
  • the lens returns to the convex phenomenon.
  • the gels of the electroactive portion 300 may change from the initial shape of the convex shape to the concave shape as the internal electrons move to the electrode part 100 by applying the voltage. I can come back.
  • 5A to 5C illustrate a state in which a curvature of a lens is changed by applying a voltage to a polymer-based variable lens according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A illustrates a state in which no voltage is applied
  • FIG. 5B illustrates a state in which the lens is unevenly changed by applying a voltage
  • FIG. 5C illustrates a state in which the lens is concave by applying a higher voltage than FIG. 5B.
  • the electric activation unit 300 maintains a convex shape (FIG. 5A), but the voltage is applied to the electrode unit 100 and the transparent electrode layer 200.
  • the gel-like polymer constituting (300) is drawn to the electrode portion 100, the curvature is changed.
  • 6 and 7 illustrate a polymer-based variable lens according to a second preferred embodiment of the present invention.
  • a lens protective film 500 may be further provided on the polymer on the transparent gel provided in the porous interior of the electrode to prevent the gel from being damaged by foreign matter or external contact. have. Since the polymer on the transparent gel may be damaged by an external stimulus, a lens protective film 500 may be added to protect the polymer. As shown in FIG. 6, the lens passivation layer 500 may maintain a circular shape regardless of the shape deformation of the electrical activator 300. However, in the embodiment of the present invention, the lens protective film 500 is composed of a material having flexibility to be in close contact with the surface of the electro-activation unit 300 is configured to be modified together with the shape deformation of the electro-active unit 300. You may.
  • the electrode part 100 formed as an electrode through which the inside is formed, the transparent electrode layer 200 provided at a predetermined distance from the lower end of the electrode part 100, and a polymer on a transparent gel, and the inside of the electrode and the electrode
  • the electric activation part 300 provided between the part 100 and the transparent electrode layer 200, and the electrode part 100 and the transparent electrode layer 200 are connected to form an electric field in the electrode part 100 when a voltage is applied.
  • the lens structure is configured to include a voltage supply unit 400 to.
  • the electrode part in the voltage supply part 400 using the width of the inside of the electrode, the distance between the electrode part 100 and the transparent electrode layer 200, and the shape deformation coefficient of the polymer on the transparent gel relative to the voltage. Calculate the voltage to be applied to (100).
  • the electrode unit 100 By applying the calculated voltage, the electrode unit 100 exhibits a positive electrode, the transparent electrode layer 200 has a negative electrode, and the shape of the polymer on the transparent gel deforms.
  • the shape of the polymer on the transparent gel may be deformed according to the amount of voltage applied from the voltage supply part 400, which may be deformed from the convex lens to the concave lens as described above.
  • the lens focal length can be adjusted.
  • the degree of lens shape deformation may be calculated using the width of the inside of the electrode, the distance between the electrode part 100 and the transparent electrode layer 200, and the shape deformation coefficient of the polymer on the transparent gel relative to the voltage.
  • EAP electroactive polymer
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a process of preparing an electroactive polymer for use in a polymer-based variable lens according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is an electroactivity for use in a polymer-based variable lens according to a preferred embodiment of the present invention. It is a figure which shows the transparency according to the mixing ratio of PVC and a plasticizer as a polymer.
  • the electroactive polymer constituting the electroactivator 300 included in the polymer-based variable lens according to the preferred embodiment of the present invention is prepared by mixing a polyvinyl chloride (PVC) and a plasticizer into an electroactive polymer in a gel state. Can be.
  • PVC polyvinyl chloride
  • DBP Di-butyl-phthalate
  • DOP Dioctyl phthalate
  • DOTP Diocty
  • the PVC is a first production process in which the PVC powder is dissolved in THF (Tetrahydrofuran) and then purified by washing at least twice with alcohol (for example, one selected from normal propanol, isopropanol, ethanol, and methanol). It can be prepared according to.
  • THF Tetrahydrofuran
  • alcohol for example, one selected from normal propanol, isopropanol, ethanol, and methanol.
  • PVC dissolves the PVC powder in THF (Tetrahydrofuran) and then precipitates in alcohol (e.g., normal propanol, isopropanol, ethanol, methanol), and the resulting solid precipitate is alcohol (e.g., Normal propanol, isopropanol, ethanol, methanol) may be prepared according to the second production process of washing at least two times to purify.
  • alcohol e.g., normal propanol, isopropanol, ethanol, methanol
  • alcohol e.g., Normal propanol, isopropanol, ethanol, methanol
  • PVC may be purified to high purity when the first production process or the second production process is repeated 2-10 times.
  • a PVC prepared by the same process as the first production process or the second production process is added to THF, stirred to dissolve, and then added with a plasticizer to stir to obtain a mixed solution .
  • the plasticizer was added to THF, stirred to disperse, and then the prepared PVC was added to the mixture to stir to obtain a mixed solution.
  • the prepared PVC and the plasticizer were added to THF, followed by stirring and dissolving to obtain a mixed solution.
  • a PVC mixed solution can be obtained in a third manner.
  • the PVC and the plasticizer can be mixed at a ratio of 1: 1-25, and can be stirred at a speed of 200-1000 rpm for at least 1 hour.
  • the plasticizer may use ATBC as described above, and in addition to ATBC, any one of DBP, DEHP, DINP, DIDP, DOTP, BBP, and TBC having excellent compatibility with PVC may be used.
  • the obtained mixed solution is dropped into a container in a drop cast method and dried or evaporated and dried to prepare a gel, which is evaporated for at least 1 hour and vacuum-dried for at least 1 hour to maintain residual THF.
  • Solvents can be removed and physically crosslinked to produce an electroactive polymer in the form of a cured film, which can be prepared to have a thickness of 0.1-2.0 mm.
  • electroactive polymers can be prepared to have a transparency of 70-95% in the wavelength range of 350-800 nm ⁇ 1 .
  • the electroactive polymer described above may be fast, have an arbitrary optical characteristic, and have the property of changing not only the convex shape but also the concave shape by mixing the PVC and the plasticizer to prepare the electroactive polymer in a gel state.
  • the lysate obtained in step S302 may be precipitated in alcohol and dried (S304).
  • the alcohol may be any one of normal propanol, isopropanol, ethanol and methanol.
  • the solid precipitate produced through the step S304 may be purified and dried by washing at least two times with alcohol (S306).
  • the alcohol may be any one of normal propanol, isopropanol, ethanol and methanol.
  • the process of S302 to S306 may be repeated 2-10 times (S308).
  • S308 may be omitted.
  • the PVC powder is dissolved in THF (Tetrahydrofuran) and then precipitated in alcohol, and the solid precipitate is produced according to a second production process of purifying by washing at least twice with alcohol.
  • THF Tetrahydrofuran
  • it can be prepared according to the first production process of dissolving the PVC powder in THF and washing and purifying with alcohol at least twice.
  • the first production process or the second production process as described above may be repeated 2-10 times, thereby purifying the PVC with high purity.
  • the PVC and the plasticizer prepared through the step S306 or S308 may be put into THF and stirred (S310).
  • step S310 the prepared PVC is added to THF, stirred to dissolve, and then a plasticizer is added to stir to obtain a mixed solution.
  • a plasticizer is added to THF, stirred to disperse, and then prepared PVC is stirred
  • the mixed solution may be obtained in a second manner in which a mixed solution is obtained, a PVC and a plasticizer prepared in THF, followed by stirring and dissolving to obtain a mixed solution.
  • the PVC and the plasticizer are added at a ratio of 1: 1-25, and can be stirred at a speed of 200-1000 rpm for at least 1 hour, and the plasticizer has excellent compatibility with PVC, DBP, DEHP, DINP, DIDP, Any one of DOTP, BBP, ATBC, and TBC can be selected and used.
  • the mixed solution obtained through step S310 may be dropped into a container and dried, or may be dried after evaporation to prepare an electroactive polymer in a gel state (S312).
  • the mixed solution may be evaporated for at least 1 hour, vacuum dried for at least 1 hour to remove residual THF solvent, and physically crosslinked to prepare a cured film-active electroactive polymer.
  • the active polymer can be made to have a thickness of 0.1-2.0 mm.
  • the electroactive polymer for preparing a variable lens manufactured through the above process may have different transparency depending on a mixing ratio of PVC and a plasticizer.
  • the horizontal axis represents Wavelength (nm ⁇ 1 ), the vertical axis represents Transmittance (%), and the vertical axis represents transparency (ePVC 0) of 350 (nm ⁇ 1 ) without a plasticizer. Rapid increase to the wavelength shows 80% transparency, while longer wavelengths result in a curved form with curvature between 80-90% transparency and transparency of mixing the plasticizer at a ratio of 5-15 (ePVC 5, ePVC 7).
  • ePVC 10, ePVC 12, and ePVC 15 increase rapidly to a wavelength of 350 (nm -1 ), resulting in 85% transparency, but with longer wavelengths, they have curvature between 85-90% transparency, It can be seen that it has a relatively uniform transparency than in the case.
  • the PVC and the plasticizer may be mixed in a ratio of 1: 1 to 25, and preferably in a ratio of 1: 5 to 15.
  • the present invention dissolves PVC powder in THF, precipitates in alcohol and washes the solid precipitate to produce PVC, and the resulting PVC and plasticizer are added to THF in a ratio of 1: 5-15, stirred and dried, Soft, transparent, physically crosslinked to produce environmentally friendly, gel-form electroactive polymers suitable for making polymer based variable lenses.
  • 10 to 12 are diagrams of a polymer-based variable lens according to a third preferred embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens according to the third exemplary embodiment of the present invention includes a transparent electrode layer 200, an electroactivation unit 300, and an electrode unit 100.
  • the electrode unit 100 includes a donut-shaped lower surface 120 and a vertical surface 130 having a tubular shape connected to the inner side of the lower surface 120, and the vertical surface 130 is gradually upward. It is formed to be narrow.
  • the electric activator 300 moves in the direction of the electrode 100 to increase the curvature of the lens.
  • the vertical surface 130 is formed to be inclined inward, the movement of the electric activator 300 may be more easily performed when a voltage is applied.
  • the vertical surface 130 may be formed to be convex inward. 12, the vertical surface 130 may be formed to be concave with respect to the inside.
  • FIGS. 14A to 14C illustrate a polymer-based variable lens according to a fifth preferred embodiment of the present invention. to be.
  • FIG. 13A is a state before applying a voltage
  • FIG. 13B is a state where a voltage is applied.
  • the polymer-based variable lens according to the fourth embodiment includes a transparent electrode layer 200, an electroactivation unit 300, and an electrode unit 100, and a recess 102 on an inner side surface of the electrode unit 100. Characterized in that formed.
  • a portion of the electrical activator 300 is formed as a pillar-shaped portion 302, such that the pillar-shaped portion 302 of the electrical activator 300 is formed.
  • the shape of the electrode unit 100 is enclosed.
  • the electric activation unit 300 Before the voltage is applied, as shown in FIG. 13A, the electric activation unit 300 maintains the convex lens shape. However, when the voltage is applied as shown in FIG. 13B, the curvature is changed to the concave lens shape. In this case, as the concave portion 102 is formed on the inner surface of the electrode portion 100, the electro-activation portion (e) to the concave portion 102 when the electro-activation portion 300 is drawn and changed in the direction of the electrode portion 100. 300 is easily deformed so as to change the lens curvature.
  • the configuration of the polymer-based variable lens according to the fifth embodiment shown in FIGS. 14A to 14C is the same as that of the fourth embodiment, except that the auxiliary electrode unit 104 is additionally provided on the upper portion of the electrode unit 100. There is a difference. In this case, the electrode unit 100 and the auxiliary electrode unit 104 are insulated from each other, and a voltage is separately applied.
  • FIG. 14A illustrates a state before voltage is applied
  • FIG. 14B illustrates a state in which a cathode voltage is applied to the transparent electrode layer 200 and a primary anode voltage is applied to the auxiliary electrode unit 104.
  • the top of the columnar portion 302 of the electroactivation 300 is modified to be led to the auxiliary electrode 104.
  • the pillar-shaped portion 302 of the electric activation unit 300 has an electrode portion with the upper end partially attached to the auxiliary electrode unit 104. It is changed to a concave lens having a larger curved surface while being led to the concave portion 102 of 100.
  • 15A and 15B illustrate a polymer-based variable lens according to a sixth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 15A is a state before voltage is applied
  • FIG. 15B is a state where voltage is applied.
  • the polymer-based variable lens according to the sixth embodiment includes a transparent electrode layer 200, an electroactivation unit 300, and an electrode unit 100, but the electroactivation unit 300 is higher than the electrode unit 100.
  • the columnar portion 302 is formed, and in a state where no voltage is applied (FIG. 15A), the upper surface of the columnar portion 302 is formed concave.
  • 16A to 16C illustrate a polymer-based variable lens according to a seventh exemplary embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens according to the seventh embodiment is similar to the first embodiment, in which the electrode unit 100 is divided into a first electrode unit 100-1 and a second electrode unit 100-2. .
  • the transparent electrode layer 200 constitutes a convex lens, and a part of the lower end of the convex lens is in contact with the first electrode part 100-1.
  • the transparent electrode layer 200 is changed as shown in FIG. 16B so that the convex lens becomes flatter or flat. Or slightly concave.
  • an anode voltage is additionally applied to the second electrode part 100-2 as shown in FIG. 16C, the transparent electrode layer 200 is changed into a concave lens shape.
  • lens shape change with a larger displacement is possible.
  • 17A to 17D illustrate a polymer-based variable lens according to an eighth exemplary embodiment of the present invention.
  • a polymer-based variable lens may include a transparent electrode layer 200, an electrical activator 300 provided thereon, an electrical activator 300, The electrode part 100 supported by the electrode support part 600 which is spaced apart by a predetermined distance and forms a surface spaced apart from the electric activation part 300, and the electrode support part 600 and the distance between the electric activation part 300.
  • the mesh electrode part 610 provided in the space is provided.
  • the electrode support part 600 may be formed of a nonconductor.
  • the mesh electrode part 610 provided on the bottom of the electrode support part 600 may be an electrode provided in a mesh form, and the mesh electrode part 610 may be coupled to the electrode support part 600.
  • the mesh electrode part 610 and the electrode part 100 are insulated from each other.
  • the electrode support part 600 supporting the electrode part 100 may be configured to be movable up and down when an external force is applied.
  • FIG. 17B illustrates a state in which a cathode voltage is applied to the transparent electrode layer 200 and an anode voltage is applied to the mesh electrode unit 610.
  • the mesh electrode part 610 may be led to the electric activation part 300, and the electrode support part 600 may be lowered.
  • the electrode support 600 presses the electroactivator 300 so that the electroactivator 300 is changed into a convex lens.
  • FIG. 17D illustrates a state in which the anode voltage applied to the mesh electrode part 610 is removed, and the electrode support part 600 rises, and the electric activation part 300 is further drawn toward the electrode part 100 to change into a concave lens shape. do.
  • 18A to 18C illustrate a polymer-based variable lens according to a ninth preferred embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens according to the ninth exemplary embodiment of the present invention includes a transparent electrode layer 200, an electric activation unit 300, and an electrode unit 100, but includes a transparent electrode layer 200 and an electrode unit 100. ) Is characterized in that connected to the EAP actuator 700.
  • the EAP actuator 700 may have a columnar structure connecting the transparent electrode layer 200 and the electrode unit 100. In addition, the lower and upper ends of the EAP actuator 700 are fixed to the transparent electrode layer 200 and the electrode unit 100, respectively.
  • the EAP actuator 700 includes a pair of working electrodes 720 and 730 provided on the upper and lower surfaces of the EAP layer 710.
  • the working electrodes 720 and 730 are electrically insulated from the electrical activation part 300 and the electrode part 100.
  • 18B illustrates that when the voltage is applied to the working electrodes 720 and 730, the EAP layer 710 is contracted to lower the electrode part 100, and the electric activation part 300 is pressed to form a convex lens.
  • 19A and 19B illustrate a polymer-based variable lens according to a tenth preferred embodiment of the present invention.
  • the transparent electrode layer 200 having the convex surface and the electro-activation provided on the transparent electrode layer 200 and having a central portion thicker than the outside are provided.
  • 19A is a state in which no voltage is applied, and the transparent electrode layer 200 is provided in a convex form, and an inner surface of the meniscus convex lens is formed by providing an electric activation part 300 having a central portion thicker than an outer portion thereof. Is provided.
  • 19B is a state in which a voltage is applied, and a part of the electric activation part 300 is led to the electrode part 100 so that the central part of the electric activation part 300 becomes thin and is deformed into the meniscus concave lens.
  • 20A and 20B illustrate a polymer-based variable lens according to an eleventh exemplary embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens according to the eleventh preferred embodiment of the present invention includes a transparent electrode layer 200 and an electric activation part 300 provided thereon, and the electrode part 100 has a hemispherical shape or an arc cross section. Characterized in forming.
  • the electric activation unit 300 is provided in the space between the hemisphere or the cross-section of the electrode portion 100 and the electric activation unit 300 of the arc shape.
  • the electrode unit 100 is provided in at least a portion of the transparent form.
  • the electrode unit 100 is formed of a resin of a transparent form, the metal for forming the electrode may be provided only in the portion in contact with the electrical activation unit 300.
  • 20A illustrates a state in which no voltage is applied, and the electric activation unit 300 is provided in a convex form.
  • 20B illustrates a state in which a voltage is applied, and the electric activation unit 300 is led to the inner side surface of the electrode unit 100 to change into a concave lens.
  • 21A and 21B illustrate a polymer-based variable lens according to a twelfth preferred embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens according to the twelfth embodiment of the present invention includes a transparent electrode layer 200 and an electroactivation unit 300 provided thereon, and the electrode unit 100 faces the electroactivation unit 300. Characterized in that it is provided with a convex surface.
  • 21A is a state in which no voltage is applied, and is provided in the form of a convex lens of the transparent electrode layer 200.
  • FIG. 21B when a voltage is applied to the electrode unit 100 and the electrical activator 300, the electrical activator 300 is led to the electrode unit 100, and the electrical activator 300 is the electrode unit ( It deforms into the concave lens shape while contacting the convex surface of 100).
  • At least a portion of the electrode unit 100 may be provided to be transparent, and the transparent portion may include a central portion of the lens formed by the electroactivation unit 300.
  • the electrode unit 100 may be provided in the form of an electrode surrounding the transparent portion.
  • 22A to 22C illustrate a polymer based variable lens according to a thirteenth preferred embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens according to the thirteenth preferred embodiment of the present invention includes an electroactivator 800 provided in a flat form, and a convex surface convex outwardly of the electroactivator 800.
  • the first transparent electrode layer 810 including the 812 and the second transparent electrode layer 820 are included.
  • FIG. 22B illustrates a state in which a cathode voltage is applied to the first transparent electrode layer 810 and the fourth transparent electrode layer 850, and an anode voltage is applied to the second transparent electrode layer 820 and the third transparent electrode layer 840.
  • the electroactivator 800 moves to the convex surface 812 of the second transparent electrode layer 820
  • the electroactivator 830 moves to the third transparent electrode layer 840 to function as a concave lens as a whole.
  • FIG. 22C illustrates a state in which an anode voltage is applied to the first transparent electrode layer 810 and the fourth transparent electrode layer 850, and a cathode voltage is applied to the second transparent electrode layer 820 and the third transparent electrode layer 840.
  • the electric activator 800 moves to the convex surface 812 of the first transparent electrode layer 810
  • the electric activator 830 moves to the fourth transparent electrode layer 850 to function as a convex lens as a whole.
  • 23A to 23C illustrate a polymer-based variable lens according to a fourteenth preferred embodiment of the present invention.
  • the polymer-based variable lens according to the fourteenth preferred embodiment of the present invention includes a first electrode 900 having a center penetrating therebetween, and the first electrode 900 and the insulator 910 interposed therebetween. And a second electrode 920 and an electrical activator 300 disposed above the first electrode 900 and the second electrode 920. A portion of the electroactivator 300 is exposed through the central through portion of the first electrode 900 and constitutes a lens.
  • the first electrode 900, the insulator 910, and the second electrode 920 may be provided to form concentric circles.
  • 23A is a state where no voltage is applied.
  • a cathode voltage is applied to the first electrode 900 and an anode voltage is applied to the second electrode 920.
  • the electrical activator 300 is drawn toward the second electrode 920 so that the electrical activator 300 forms a convex lens as a whole.
  • FIG. 23C illustrates a state in which a positive voltage is applied to the first electrode 900 and a negative voltage is applied to the second electrode 920.
  • the electrical activator 300 is drawn toward the first electrode 900 so that the electrical activator 300 forms a concave lens as a whole.

Abstract

본 발명은 전기활성 폴리머를 이용하여 초점 거리를 가변하는 폴리머 기반 가변 렌즈 기술에 대한 것이다. 본 발명은, 판 형태의 투명 전극층; 상기 투명 전극층의 상부에 구비되며, 투명 젤 상의 전기활성 폴리머로 형성되는 전기활성화부; 및 상기 투명 전극층과 전기적으로 절연되도록 구비되며 상기 전기활성화부의 상부 또는 외측에 구비되는 전극부;를 포함하고, 상기 투명 전극층과 상기 전극부에 전압이 인가됨으로써 상기 전기활성화부의 형태가 변화되어 초점거리가 가변되는 폴리머 기반의 가변 렌즈를 제공한다.

Description

폴리머 기반 가변 렌즈 및 이를 위한 전기활성 폴리머와 그 제조 방법
본 발명은 전기활성 폴리머를 이용하여 초점 거리를 가변하는 폴리머 기반 가변 렌즈 기술에 대한 것이다.
렌즈란, 하나 이상의 광 파장을 포커싱 할 수 있는 장치이다. 가변 렌즈란, 렌즈의 초점거리 또는 위치를 변경할 수 있도록 하는 조절 가능형 렌즈를 의미한다. 최근 기기의 소형화 및 다기능화 추세에 따라 소형화된 기기에 사용이 가능한 가변 렌즈에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 예로, 유압을 이용하여 렌즈의 형상을 제어하는 방법, 전압 인가에 따라 액정(Liquid Crystal)의 형상을 제어하는 방법, 물(수용액)과 기름의 서로 다른 성질을 이용하는 방법 등이 있다.
그러나 유압을 이용하여 렌즈의 형상을 제어하는 방법은, 수용액이 들어있는 구조의 액추에이터를 동작시켜 유압으로 렌즈 곡률을 변화시키는 것으로서, 액추에이션을 위한 부가적인 부분이 존재하여 초소형화가 어렵고, 다초점 렌즈 어레이 구조에는 적합하지 않다. 전압 인가에 의하여 액정의 회전을 유도하고, 회전되는 각도에 따라 빛의 굴절률을 변화시키는 방법은, 렌즈 초점 조절 범위에 한계가 있고, 단층 구조만으로 렌즈의 광학적 특성을 증가시키기 어렵다는 문제도 있다. 렌즈 홀더 내에 수용액과 기름을 봉입하고, 용기 상하의 전극을 통하여 수용액에 전압을 인가함으로써 수용액과 기름 경계면 사이의 형상 변화를 이용해 곡률을 변화시키는 방식은, 유연한 형상으로의 구현이 어려울 뿐만 아니라, 초소형 렌즈로의 구현이 불가능하다. 또한, 전해질과 비전해질 용액 사이의 굴절률 차이를 이용하는 방법은 고전압이 요구되므로 고전압을 위한 보조 장비가 필요하고, 이 방법을 구현하기 위하여 필요한 요오드 이온 산화방지제는, 영구적으로 사용할 수 없으며, 요오드 황화로 인하여 분광 투과율을 감소시키는 문제도 있다.
한편, 전기활성 폴리머의 형태 변형 성질을 이용하는 방식에 대해서도 많은 연구가 이루어지고 있다. 일본에서는, 주머니 모양의 투명한 가용성막 내부에 투명한 액체(물, 렌즈 본체)를 충진하고, 액체 외부에 구비되는 이온 도전성 고분자로 구성되는 렌즈 본체용 액추에이터의 형태 변형 성질을 이용하여 렌즈 곡률을 변형시키는 발명이 개발되었으나(일본특허출원 제2006-238391호 참조), 이와 같은 방식은 볼록렌즈에 한정하여 볼록렌즈 두께를 변형시키는 기능만 가능할 뿐이다.
본 발명은 투명 젤 상의 폴리머의 형태를 변형시킴으로써, 가해지는 전압의 세기 변화만으로, 초점거리 변화 조절이 가능한, 폴리머 기반 가변 렌즈를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 전극의 통공된 내부에 구비되는 투명 젤 상의 폴리머가 외부 압력 또는 전자의 이동(전압 인가)에 의하여 형태가 변형됨으로써, 볼록 렌즈의 초점거리 조절뿐만 아니라, 오목 렌즈 형태로도 조절 가능한, 폴리머 기반 가변 렌즈를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 전극의 통공된 내부에 구비되는 투명 젤상의 폴리머 상부에 렌즈 보호막을 더 포함함으로써, 이물질 또는 외부의 접촉에 의하여 젤이 파손되는 것을 막을 수 있는, 폴리머 기반 가변 렌즈를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, PVC(Polyvinyl chloride)와 가소제를 혼합하여 젤(gel) 상태로 제조함으로써, 빠르고, 임의의 광특성을 가지며, 볼록한 형상뿐만 아니라 오목한 형상까지 변화시킬 수 있는 폴리머 기반 가변 렌즈를 제조하는데 적합한 전기활성 폴리머 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 판 형태의 투명 전극층; 상기 투명 전극층의 상부에 구비되며, 투명 젤 상의 전기활성 폴리머로 형성되는 전기활성화부; 및 상기 투명 전극층과 전기적으로 절연되도록 구비되며 상기 전기활성화부의 상부 또는 외측에 구비되는 전극부;를 포함하고, 상기 투명 전극층과 상기 전극부에 전압이 인가됨으로써 상기 전기활성화부의 형태가 변화되어 초점거리가 가변되는 폴리머 기반의 가변 렌즈를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전극부는 중앙부가 통공된 원형, 타원형 또는 다각형으로 형성되고 상기 전기활성화부와 이격되게 구비될 수 있다.
또한, 상기 전극부는 고리 형태의 상부면과 하부면 및 상기 상부면과 하부면의 내측을 연결하는 통 형태의 세로면을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극부는 고리 형태의 하부면과, 상기 하부면의 내측에 연결되는 통 형태의 세로면을 포함하고, 상기 세로면은 위쪽으로 갈수록 좁아지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 세로면은 오목 또는 볼록면으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 하부면은 상기 투명 전극층과 평행하게 구비될 수 있다.
또한, 상기 세로면의 일부 또는 전부, 및 상기 하부면은 상기 전기활성화부와 접촉할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기활성화부 중 렌즈를 구성하는 부분의 상부에 이물질 또는 외부 접촉을 차단하는 렌즈보호막이 추가로 구비된다.
또한, 본 발명의 다양한 측면에 의하면 다음과 같은 실시예가 제공된다.
상기 전극부는 상기 투명 전극층에 대하여 세로로 구비되며, 상기 전기활성화부의 일부는 상기 전극부의 내측에 기둥 형태 부분을 형성하고, 상기 전극부의 내측면에는 오목부가 형성될 수 있다. 상기 전극부의 상부에는 상기 전극부와는 절연된 보조 전극부가 추가로 구비되고, 상기 보조 전극부와 상기 전극부에는 개별적인 전압이 인가될 수 있다.
상기 전기활성화부는 상기 전극부보다 높게 형성된 기둥 형태 부분을 포함하고, 전압 인가에 따라 상기 기둥 형태 부분이 상기 전극부의 위쪽으로 이끌리도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 기둥 형태 부분의 상부면은 전압이 인가되지 않은 상태에서 오목하게 구비될 수 있다.
상기 전극부는 전기적으로 절연된 상태로 적층된 제 1 전극부와 제 2 전극부로 구비되며, 상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부에는 각각 전압이 인가될 수 있다.
상기 전극부를 지지하며 상기 투명 전극층에 이격된 면을 이루는 전극 지지부와, 상기 전극 지지부 하부에 구비된 메쉬 전극부를 구비하여, 상기 투명 전극층과 상기 메쉬 전극부에 전압 인가시 상기 전극 지지부가 하강될 수 있다. 또한, 상기 메쉬 전극부에 전압을 인가하지 않고, 상기 전극부에 전압을 인가하는 경우 상기 전기활성화부는 오목 렌즈로 변형될 수 있다.
상기 투명 전극층과 상기 전극부의 사이에는 EAP 층과 작동 전극을 포함하는 EAP 액추에이터가 구비되고, 상기 EAP 액추에이터의 작동에 의해 상기 전극부와 상기 투명 전극층이 가까워져 상기 전기활성화부가 볼록 렌즈로 변형될 수 있다.
상기 투명 전극층은 볼록한 면을 이루도록 형성되고, 상기 전기활성화부는 중앙부가 바깥쪽보다 두꺼운 형태로 상기 투명 전극층의 볼록한 면의 내측면에 구비되며, 상기 전극부는 상기 전기활성화부의 외측을 둘러싸도록 구비되어, 상기 투명 전극층과 상기 전극부에 전압 인가시 상기 전기활성화부는 메니스커스 오목 렌즈로 변형될 수 있다.
상기 전극부는 반구 형태 또는 단면이 원호 형태를 이루며 상기 전기활성화부의 상부를 덮는 형태로 구비될 수 있다.
상기 전극부는 상기 투명 전극층과 이격되고 상기 전기활성화부에 대해 볼록한 면으로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명은, 폴리머 기반 가변 렌즈의 전기활성화부를 이루는 상기 전기활성 폴리머에 있어서, PVC(Polyvinyl chloride)와 가소제를 혼합하여 젤(gel) 상태의 전기활성 젤로 제조되는 전기활성 폴리머를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가소제는, 프탈레이트(Phthalate)계인 DBP(Di-butyl-phthalate), DEHP(=DOP, Di-2-ethylhexyl phthalate), DOP(Dioctyl phthalate), DOTP(Dioctyl terephthalate), DINP(Di-isononyl phthalate), DIDP(Di-isodecyl phthalate), BBP(Butyl benzyl phthalate), 논프탈레이트(Non-phthalate)계인 ATBC(Acetyl tributyl citrate), 시트레이트(Citrate)계인 TBC(tributyl Citrate), 벤조에이트 (benzoate), 설포네이트(sulfonate), 싸이클로헥사노에이트(cyclohexanoate), 트리멜리(Trimelli) 중 적어도 하나를 선택하여 사용한다.
또한, 상기 전기활성 폴리머는, 물리적으로 가교되어 필름 형태로 제조되며, 0.1~2.0 mm의 두께를 갖도록 제조되고, 350~800 nm-1의 파장 범위에서 70~95 %의 투명도를 갖도록 제조될 수 있다.
또한, 상기 PVC는, PVC 파우더를 THF(Tetrahydrofuran)에 용해시킨 후 알코올로 세척하여 정제하는 제 1 생성 프로세스에 따라 제조되거나, 또는 상기 PVC 파우더를 상기 THF에 용해시킨 후 알코올에 침전시키고 생성된 고체 침전물을 상기 알코올로 세척하여 정제하는 제 2 생성 프로세스에 따라 제조되며, 상기 제 1 생성 프로세스 또는 제 2 생성 프로세스는, 2-10회 반복 수행될 수 있다.
또한, 상기 알코올은, 각각 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 전기활성 폴리머는, 상기 PVC를 THF에 투입하고, 교반시켜 용해한 후, 상기 가소제를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 1 방식으로 제조되거나, 상기 가소제를 THF에 투입하고, 교반시켜 분산시킨 후, 상기 PVC를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 2 방식으로 제조되거나, 상기 PVC 및 가소제를 THF에 투입한 후, 교반시키고, 용해시켜 혼합용액을 수득하는 제 3 방식으로 제조될 수 있다.
또한, 상기 PVC 및 가소제는, 1 : 1~25의 비율로 투입되며, 적어도 1시간 동안 200~1000 rpm의 속도로 교반될 수 있다.
또한, 상기 혼합용액은, 용기에 떨어뜨려 건조하거나 또는 증발 후 건조하되, 적어도 1시간 동안 증발시키고, 적어도 1시간 동안 진공 건조시켜 잔류하는 THF 용매를 제거하여 얻을 수 있다.
또한 본 발명은, PVC(Polyvinyl chloride) 파우더를 용매에 용해시키는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에서 수득된 용해물을 알코올에 침전시킨 후 건조시키는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계를 통해 생성된 고체 침전물을 알코올로 세척하여 정제한 후 건조시키는 제 3 단계와, 상기 제 3 단계를 통해 제조된 PVC와 가소제를 용매에 투입한 후 교반시키는 제 4 단계와, 상기 제 4 단계를 통해 수득된 혼합용액을 건조하거나 또는 증발 후 건조하여 겔(gel) 상태의 전기활성겔로 제조되는 제 5 단계를 포함하는 전기활성 폴리머의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서 제안하고 있는 폴리머 기반 가변 렌즈 및 렌즈 초점거리 조절 방법에 따르면, 내부가 통공된 원형 또는 타원형, 또는 다각형 전극으로 형성되는 전극부, 전극부의 하단으로부터 미리 정해진 거리를 두고 구비되는 투명 전극층, 전극의 통공된 내부, 및 전극부와 투명 전극층 사이에 구비되는 전기활성화부, 전극부에 전기장을 형성시키는 전압공급부로 구성되어, 전극의 통공된 내부에 구비되는 투명 젤 상의 폴리머의 형태를 변형시킴으로써, 가해지는 전압의 세기 변화만으로, 초점거리 변화 조절이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 전극의 통공된 내부에 구비되는 투명 젤 상의 폴리머가 외부 압력 또는 전자의 이동(전압 인가)에 의하여 형태가 변형됨으로써, 볼록 렌즈의 초점거리 조절뿐만 아니라, 오목 렌즈 형태로도 조절 가능하다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따르면, 전극의 통공된 내부에 구비되는 투명 젤 상의 폴리머 상부에 렌즈 보호막을 더 포함함으로써, 이물질 또는 외부의 접촉에 의하여 젤이 파손되는 것을 막을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 제조하는데 적합한 전기활성 폴리머 및 제조 방법에 따르면, PVC와 가소제를 혼합하여 투명 젤 상의 폴리머를 제조함으로써, 빠른 형상 변화가 가능하고, 임의의 광특성을 가지며, 볼록한 형상뿐만 아니라 오목한 형상까지 변화시킬 수 있는 전기활성 폴리머가 제공된다.
또한, 본 발명은 PVC 파우더를 THF에 용해시키고, 알코올에 침전시킨 후 그 고체침전물을 세척 및 건조하여 순수한 PVC를 제조하며, 제조된 PVC와 가소제를 1:1-25의 비율로 THF에 넣고 교반시킨 후 건조함으로써, 부드럽고, 투명하며, 물리적으로 가교되어 친환경적이고, 폴리머 기반 가변 렌즈를 제조하는데 적합한 전기활성 폴리머를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 구동 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 전압을 인가하여 렌즈의 곡률이 변화하는 상태를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 사용되는 전기활성 폴리머의 제조 과정을 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 사용되는 전기활성 폴리머로서 PVC와 가소제의 혼합 비율에 다른 투명도를 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 도면이다.
도 13a와 도 13b는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 바람직한 제 6 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 바람직한 제 7 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 바람직한 제 8 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 바람직한 제 9 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 바람직한 제 10 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 바람직한 제 11 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 바람직한 제 12 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 바람직한 제 13 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 23a 내지 도 23c는 본 발명의 바람직한 제 14 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 내부가 통공된 원형 또는 타원형, 또는 다각형 전극으로 형성되는 전극부(100), 전극부(100)의 하단으로부터 미리 정해진 거리를 두고 구비되는 투명 전극층(200), 전극의 통공된 내부 및 전극부(100)와 투명 전극층(200) 사이에 구비되는 전기활성화부(300), 및 전극부 및 투명 전극층과 연결되는 전압공급부(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 전극부(100)에 전압을 인가하여 전극부(100)를 구성하는 전극의 통공된 내부에 구비되는 폴리머로 구성된 전기활성화부(300)의 표면 형태를 변형시켜, 초점거리가 변하는 것을 특징으로 한다.
전극부(100)는, 내부가 통공된 원형 또는 타원형, 또는 다각형 전극으로 형성될 수 있다. 원형 또는 타원형, 또는 다각형은 일 실시예로서 다양한 형태로 응용될 수 있다. 전극부(100)는, 전압공급부(400)와 연결되어 전압 인가 시 전기장을 형성시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 전압공급부(400)의 +극과 연결될 수 있고, 전압이 인가되면, 전극부(100) 전체가 +극을 띌 수 있다. 반면, 투명 전극층(200)은 전압공급부(400)의 -극과 연결될 수 있고, 전압이 인가되면, 투명 전극층(200) 전체가 -극을 띌 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 있어서, 전극부(100)는 상부면(110)과 하부면(120) 및 상부면(110)과 하부면(120)을 수직 방향으로 연결하는 세로면(130)을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 전극부(110)의 일측 단면은 이하의 도 7에 도시된 바와 같이 대략 "ㄷ"자 형태로 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 세로면(130)은 전극부(100)의 중앙부(안쪽)에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시에 있어서, 상기 전극부(100)는 연결만(130)을 구비한 형태이거나, 세로면(130)과 상기 상부면(110) 또는 하부면(120) 중 어느 하나를 구비한 형태일 수 있음은 물론이다.
상기 전극부(100)의 측면은, 절곡 형성되어 상부면(110) 및 상기 상부면(110)의 일단과 수직 방향으로 연결되는 세로면(130)으로 구성되고, 상기 세로면(130)은 상기 전극부(100)의 중앙부에 위치할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 전극부(100)의 측면은, 절곡 형성되어 하부면(120) 및 상기 하부면(120)의 일단과 수직 방향으로 연결되는 세로면(130)으로 구성되고, 상기 세로면(130)은 상기 전극부(100)의 중앙부에 위치할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전극부(100)의 측면은, 상부면(110) 및 상기 상부면(110)과 평행하게 형성되는 하부면(120)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 구동 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 3은 인가 전의 도면이고, 도 4는 전압이 인가되어 전기활성화부(300)의 형태가 변형된 경우를 도시한 도면이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전극부(100)를 구성하는 전극은, 단면이 "ㄷ"자 형태로서, 도넛 형태의 상부면(110)과 하부면(120) 및 상부면(110)과 하부면(120)의 내측을 연결하는 원통 형상의 세로면(130)으로 구성될 수 있다. 또한, 전극부(100)의 상부면(110)은 전압공급부(400)와 연결되고, 세로면(130)의 일부 또는 전부, 및 상기 하부면(120)은 전기활성화부(300)와 접촉될 수 있다.
이와 같이 세로면(130)이 상부면(110)과 하부면(120)의 내측을 연결하는 전극 구조를 채택하면, 투명 전극층(200)과 평행하게 위치하는 전극부(100)의 면적이 넓어지게 된다(즉, 투명 전극층(200)과 마주보는 하부면(120)의 면적이 확보된다).
따라서 전압 인가시(도 4)에, 전극부(100)에서 전기활성화부(300)를 통과하여, 투명 전극층(200)으로의 전기장의 형성이 용이하며, 전압 인가 효율도 높아질 수 있다. 또한, 투명 전극층(200)과 평행하게 위치하는 전극부(100)의 면적이 넓어지게 된다. 따라서 도 4와 같이 전압 인가시에, 전극부(100)에서 전기활성화부(300)를 통과하여, 투명 전극층(200)으로 전류가 흐를 때에 전류 흐름이 원활해지고, 전압 인가 효율도 높아질 수 있다.
한편, 투명 전극층(200)은, 전극부(100)의 하단으로부터 미리 정해진 거리를 두고 구비되는 것으로서, 전압공급부(400)와 연결되어 전압이 인가되면, -극을 띌 수 있다. 투명전극이란, 광 투과성과 도전성이 있는 전극을 의미하는 것으로서, 산화주석, 산화인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리 위에 증착한 것일 수 있다. 또한, 투명 전극은, Graphene, CNT, Ag 나노 와이어, ITO(Indium Tin Oxide)나 Au, Pt 등의 금속박막과 같이 높은 투명성과 높은 도전성을 갖는 재질이 사용될 수 있다.
렌즈의 기능을 하기 위해서는 광 투과성이 요구되므로, 본 발명에서 제안하고 있는 가변 렌즈의 하단부를 형성하는 전극층(200)에, 투명전극을 사용하는 것이다.
전기활성화부(300)는, 투명 젤 상의 폴리머로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 전기활성 폴리머(Electroactive Polymer : EAP)일 수 있다. 전기활성화부(300)도 렌즈의 역할 수행을 위하여 '투명'의 성질을 구비하여야 하고, 전압 인가 여부에 따라 표면 형태가 변형되어야 하므로 젤 형태의 폴리머(gel polymer)일 수 있다. 폴리머는, 한 종류 또는 수 종류의 구성단위가 서로에게 많은 수의 화학결합으로 중합되어 있는 화합물로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 폴리비닐클로라이드(PVC), 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 등과 같은 범용성 고분자를 이용하여 본 발명의 전기활성화부(300)의 구성성분으로 할 수 있다.
전압공급부(400)는, 전극부(100) 및 투명 전극층(200)과 연결되어, 전압 인가 시 전극부(100)에 전기장을 형성시킨다.
한편, 전극부(100)에 전압이 인가되면, 전극부(100)는 +극을 띄게 되고, 전기장이 형성되며, 전기활성화부(300)가 +극을 띄는 전극부(100) 쪽으로 이동하여 접촉 면적이 증가되게 된다. 전기활성화부(300)와 전극부(100)의 접촉 면적이 증가하면, 전기활성화부(300)의 중앙부 두께는 그에 대응되게 얇아지게 된다. 이와 같은 현상을 이용하여 렌즈의 초점거리를 조절할 수 있다.
전기활성화부(300)는, 전극의 통공된 내부 및 전극부(100)와 투명 전극층(200)의 사이에 구비될 수 있고, 전극의 통공된 내부에 구비되는 전기활성화부(300)는, 표면 형태가 가변적이어서 볼록(도 3) 또는 오목(도 4) 렌즈로서의 기능을 할 수 있다. 전극부(100)와 투명 전극층(200)의 사이에 구비는 전기활성화부(300)는, 전압 인가 시에 전극부(100)에서 투명 전극층(200)으로 전류가 흘러가도록 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로, 전극의 통공된 내부에 구비되는 투명 젤 상의 폴리머는, 전극부(100)에 전압 인가 전에는 외부의 압력으로 인하여 표면이 볼록한 곡면을 형성하나, 전극부(100)에 전압 인가 후에는 전기장 발생으로 인한 전자의 이동에 의하여 표면이 오목한 곡면을 형성할 수 있다. 또한, 전압 인가를 멈추면, 렌즈가 볼록한 현상으로 돌아온다. 이와 같이, 전극부(100)에 인가되는 전압을 조절하여, 렌즈의 초점거리를 조절하고 볼록렌즈뿐만 아니라 오목렌즈까지 연속적으로 렌즈 표면의 곡률 변화가 가능하다. 즉, 전기활성부(300)의 젤들이 전압 인가에 의해 내부 전자가 전극부(100)로 이동하면서 형태가 볼록한 초기 형상에서 오목한 모습으로 변화할 수 있고, 전압 인가를 멈추면, 볼록한 렌즈 형상으로 돌아올 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 전압을 인가하여 렌즈의 곡률이 변화하는 상태를 도시한 도면이다.
도 5a는 전압을 인가하지 않은 상태이며, 도 5b는 전압을 인가하여 렌즈가 편형하게 변한 상태이고, 도 5c는 도 5b에 비해 더 높은 전압을 인가하여 렌즈가 오목하게 변한 상태를 나타낸다. 전극부(100)에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 전기활성화부(300)는 볼록한 형태를 유지하나(도 5a), 전극부(100)와 투명 전극층(200)에 전압이 인가됨에 따라 전기활성화부(300)를 이루는 젤 형태의 폴리머가 전극부(100)로 이끌리어 곡률이 변화한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 6와 도 7에 도시된 바와 같이, 전극의 통공된 내부에 구비되는 투명 젤 상의 폴리머 상부에는, 이물질 또는 외부의 접촉에 의하여 젤이 파손되는 것을 막기 위한 렌즈 보호막(500)이 더 구비될 수 있다. 투명 젤 상의 폴리머는 외부 자극에 의하여 파손될 우려가 있는 바, 렌즈 보호막(500)을 부가하여 폴리머를 보호하도록 할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 렌즈 보호막(500)은, 전기활성화부(300)의 형태 변형과 무관하게 원 형태를 유지하도록 할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시에 있어서는, 렌즈 보호막(500)은 유연성을 가지는 소재로 구성하여 전기활성화부(300)의 표면에 밀착시켜 전기활성부(300)의 형태 변형에 따라 함께 형태가 변형되도록 구성할 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 폴리머 기반의 가변 렌즈의 초점 거리를 조절하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 내부가 통공된 전극으로 형성되는 전극부(100), 전극부(100)의 하단으로부터 미리 정해진 거리를 두고 구비되는 투명 전극층(200), 투명 젤 상의 폴리머로 구성되며, 전극의 통공된 내부 및 전극부(100)와 투명 전극층(200)의 사이에 구비되는 전기활성화부(300), 및 전극부(100) 및 투명 전극층(200)과 연결되어, 전압 인가 시 전극부(100)에 전기장을 형성시키는 전압공급부(400)를 포함하여 구성되는 렌즈 구조를 형성한다.
형성된 렌즈 구조에서 전극의 통공된 내부의 너비, 전극부(100)와 투명 전극층(200)과의 거리, 및 전압 대비 투명 젤 상의 폴리머의 형태 변형 계수를 이용하여, 전압공급부(400)에서 전극부(100)에 인가할 전압을 연산한다.
연산된 전압을 인가하여 전극부(100)는 +극을, 투명 전극층(200)은 -극을 띄고, 투명 젤 상의 폴리머의 형태가 변형시킨다. 전압공급부(400)에서의 전압 인가량에 따라 투명 젤 상의 폴리머 형태가 변형될 수 있고, 이는 앞서 설명한 바와 같이, 볼록렌즈에서 오목렌즈로까지 변형 가능하다.
이와 같이 렌즈 형태 변형을 전압 인가로 조절함으로써, 렌즈 초점거리가 조절될 수 있다. 또한, 렌즈 형태 변형의 정도는 전극의 통공된 내부의 너비, 전극부(100)와 투명 전극층(200)과의 거리, 및 전압 대비 투명 젤 상의 폴리머의 형태 변형 계수를 이용하여 연산할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 전기활성화부(300)를 구성하는 젤 상의 폴리머를 구현하기 위한 전기활성 폴리머(EAP)의 일 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 사용되는 전기활성 폴리머의 제조 과정을 도시한 흐름도이고, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 사용되는 전기활성 폴리머로서 PVC와 가소제의 혼합 비율에 따른 투명도를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈에 포함되는 전기활성화부(300)를 구성하는 전기활성 폴리머는, PVC(Polyvinyl chloride)와 가소제를 혼합하여 젤(gel) 상태의 전기활성 폴리머로 제조될 수 있다. 여기에서, 가소제는 PVC와의 상용성이 우수한 물질로서, 프탈레이트(Phthalate)계인 DBP(Di-butyl-phthalate), DEHP(=DOP, Di-2-ethylhexyl phthalate), DOP(Dioctyl phthalate), DOTP(Dioctyl terephthalate), DINP(Di-isononyl phthalate), DIDP(Di-isodecyl phthalate), BBP(Butyl benzyl phthalate), 논프탈레이트(Non-phthalate)계인 ATBC(Acetyl tributyl citrate), 시트레이트(Citrate)계인 TBC(tributyl Citrate), 벤조에이트(benzoate), 설포네이트(sulfonate), 싸이클로헥사노에이트(cyclohexanoate), 트리멜리(Trimelli) 중 적어도 하나를 선택하여 사용될 수 있다.
또한, 상기 PVC는 PVC 파우더를 THF(Tetrahydrofuran)에 용해시킨 후 알코올(예를 들면, 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 어느 하나를 선택함)로 적어도 2회 이상 세척하여 정제하는 제 1 생성 프로세스에 따라 제조될 수 있다.
또한, PVC는 PVC 파우더를 THF(Tetrahydrofuran)에 용해시킨 후 알코올(예를 들면, 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 어느 하나를 선택함)에 침전시키고 생성된 고체 침전물을 알코올(예를 들면, 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 어느 하나를 선택함)로 적어도 2회 이상 세척하여 정제하는 제 2 생성 프로세스에 따라 제조될 수 있다.
제 1 생성 프로세스 또는 제 2 생성 프로세스를 2-10회 반복하여 제조할 경우 PVC는 고순도로 정제될 수 있다.
상기 전기활성 폴리머를 제조하는 과정에서, 상기 제 1 생성 프로세스 또는 제 2 생성 프로세스와 같은 공정을 통해 제조된 PVC를 THF에 투입하고 교반시켜 용해한 후 가소제를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 1 방식, 가소제를 THF에 투입하고 교반시켜 분산시킨 후, 제조된 PVC를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 2 방식, 제조된 PVC 및 가소제를 THF에 투입한 후, 교반시키고 용해시켜 혼합용액을 수득하는 제 3 방식으로 PVC 혼합용액을 수득할 수 있다.
여기에서, PVC 및 가소제는 1 : 1-25의 비율로 혼합될 수 있고, 적어도 1시간동안 200-1000 rpm의 속도로 교반시킬 수 있다. 또한, 가소제는 상술한 바와 같이 ATBC를 사용할 수 있고, ATBC 이외에도 PVC와의 상용성이 우수한 DBP, DEHP, DINP, DIDP, DOTP, BBP, 및 TBC 중 어느 하나를 선택하여 사용될 수 있다.
이 후, 수득된 혼합용액을 드롭 캐스트(drop cast) 방식으로 용기에 떨어뜨려 건조하거나 또는 증발 후 건조하여 젤 상태로 제조되는데, 적어도 1시간 동안 증발시키고, 적어도 1시간동안 진공 건조시켜 잔류하는 THF 용매를 제거할 수 있고, 물리적으로 가교하여 경화된 필름 형태의 전기활성 폴리머를 제조할 수 있으며, 그 전기활성 폴리머는 0.1-2.0 mm의 두께를 갖도록 제조될 수 있다.
또한, 이러한 전기활성 폴리머는 350-800 nm-1의 파장 범위에서 70-95 %의 투명도를 갖도록 제조될 수 있다.
이상에서 설명된 전기활성 폴리머는 PVC와 가소제를 혼합하여 젤 상태로 전기활성 폴리머를 제조함으로써, 빠르고, 임의의 광특성을 가지며, 볼록한 형상뿐만 아니라 오목한 형상까지 변화시킬 수 있는 특성을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 전기활성 폴리머의 제조 방법을 도 8을 참조하여 다시 설명하면 다음과 같다.
PVC(Polyvinyl chloride) 파우더를 THF(Tetrahydrofuran)에 용해시킨 후에(S302), 상기 S302 단계에서 수득된 용해물을 알코올에 침전시키고 건조할 수 있다(S304). 여기에서, 알코올은 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
다음에, 상기 S304 단계를 통해 생성된 고체 침전물을 알코올로 적어도 2회 이상 세척하여 정제하고 건조할 수 있다(S306). 여기에서, 알코올은 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
한편, PVC를 고순도로 정제하기 위해서 S302 내지 S306의 과정을 2-10회 반복 수행할 수 있다(S308). 물론, S302 내지 S306의 과정을 통해 전기활성 고분자 렌즈에 적합하게 고순도로 정제된 PVC를 제조할 수 있을 경우에는 이 S308 단계는 생략될 수 있다.
여기에서, 본 발명의 실시예에서는 PVC 파우더를 THF(Tetrahydrofuran)에 용해시킨 후 알코올에 침전시키고 생성된 고체 침전물을 알코올로 적어도 2회 이상 세척하여 정제하는 제 2 생성 프로세스에 따라 제조되는 것으로 하여 설명하였으나, PVC 파우더를 THF에 용해시킨 후 알코올로 적어도 2회 이상 세척하여 정제하는 제 1 생성 프로세스에 따라 제조될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 제 1 생성 프로세스 또는 제 2 생성 프로세스는 2-10회 반복 수행됨으로써, PVC를 고순도로 정제할 수 있다.
다음에, 상기 S306 또는 S308 단계를 통해 제조된 PVC와 가소제를 THF에 넣은 후 교반시킬 수 있다(S310).
S310 단계에서는 제조된 PVC를 THF에 투입하고, 교반시켜 용해한 후, 가소제를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 1 방식, 가소제를 THF에 투입하고, 교반시켜 분산시킨 후, 제조된 PVC를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 2 방식, 제조된 PVC 및 가소제를 THF에 투입한 후, 교반시키고, 용해시켜 혼합용액을 수득하는 제 3 방식으로 혼합용액을 수득할 수 있다.
여기에서, PVC 및 가소제는 1 : 1-25의 비율로 투입되고, 적어도 1시간동안 200-1000 rpm의 속도로 교반시킬 수 있으며, 가소제는 PVC와의 상용성이 우수한 DBP, DEHP, DINP, DIDP, DOTP, BBP, ATBC, TBC 중 어느 하나를 선택하여 사용될 수 있다.
이어서, 상기 S310 단계를 통해 수득된 혼합용액을 용기에 떨어뜨려 건조하거나 또는 증발 후 건조하여 젤 상태의 전기활성 폴리머를 제조할 수 있다(S312). 여기에서, 혼합용액은 적어도 1시간동안 증발시키고, 적어도 1시간동안 진공 건조시켜 잔류하는 THF 용매를 제거할 수 있고, 물리적으로 가교하여 경화된 필름 형태의 전기활성 폴리머를 제조할 수 있으며, 그 전기활성 폴리머는 0.1-2.0 mm의 두께를 갖도록 제조될 수 있다.
이상의 과정을 통해 제조된 가변 렌즈 제조용 전기활성 폴리머는, 도 9에 도시된 바와 같이 PVC와 가소제의 혼합 비율에 따라 투명도가 다르게 나타날 수 있다.
도 9를 참조하면, 가로축이 파장인 Wavelength(nm-1)을 나타내고, 세로축이 투명도인 Transmittance(%)를 나타내는데, 가소제를 넣지 않은 상태의 투명도(ePVC 0)의 경우 350(nm-1)의 파장까지 급격히 증가하여 80%의 투명도를 나타내다가 파장이 더 길어지면 80~90%의 투명도 사이에서 굴곡을 갖는 곡선 형태가 나타나고, 가소제를 5~15의 비율로 혼합하는 투명도(ePVC 5, ePVC 7, ePVC 10, ePVC 12, ePVC 15)의 경우 350(nm-1)의 파장까지 급격히 증가하여 85%의 투명도를 나타내다가 파장이 더 길어지면 85~90%의 투명도 사이에서 굴곡을 갖지만 ePVC 0의 경우에서보다 상대적으로 균일한 투명도를 갖는 것을 알 수 있다.
따라서, PVC 및 가소제는 1 : 1~25의 비율로 혼합될 수 있고, 바람직하게는 1 : 5~15의 비율로 혼합될 수 있다.
본 발명은 PVC 파우더를 THF에 용해시키고, 알코올에 침전시킨 후 그 고체 침전물을 세척하여 PVC를 생성하며, 생성된 PVC와 가소제를 1:5-15의 비율로 THF에 넣고 교반시킨 후 건조함으로써, 부드럽고, 투명하며, 물리적으로 가교되어 친환경적이고, 폴리머 기반 가변 렌즈를 제조하는데 적합한 젤 형태의 전기활성 폴리머를 제조할 수 있다.
다음으로 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 구성을 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 이전에서 설명된 폴리머 가변 렌즈의 구성과 중복되는 부분의 설명은 생략하고 차이점을 중심으로 설명한다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 투명 전극층(200)과, 전기활성화부(300), 및 전극부(100)를 구비한다. 전극부(100)는 도넛 형태의 하부면(120)과, 상기 하부면(120)의 내측에 연결된 통 형태의 세로면(130)을 포함하여 구성되며, 상기 세로면(130)은 위쪽으로 갈수록 좁아지도록 형성된다. 전기활성화부(300)에 전압이 인가되는 경우, 전기활성화부(300)는 전극부(100) 방향으로 이동하여 렌즈의 곡률이 커지게 된다. 세로면(130)이 내측으로 기울어지도록 형성되면 전압이 인가된 경우 전기활성화부(300)의 이동이 더 쉽게 이루어질 수 있다.
도 11을 참조하면, 세로면(130)은 내측으로 볼록하도록 형성될 수 있다. 또한, 도 12을 참조하면, 세로면(130)은 내측에 대해 오목하도록 형성될 수 있다.
도 13a와 도 13b는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이고, 도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 13a는 전압을 인가하기 전 상태이고, 도 13b는 전압을 인가한 상태이다.
제 4 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 투명 전극층(200)과, 전기활성화부(300), 및 전극부(100)를 구비하되, 전극부(100)의 내측면에는 오목부(102)가 형성된 것을 특징으로 한다.
내측면에 오목부(102)가 형성된 전극부(100)의 내측에는 전기활성화부(300)의 일부가 기둥 형태 부분(302)으로 형성되어, 전기활성화부(300)의 기둥 형태 부분(302)을 전극부(100)가 둘러싼 형상이다.
도 13a에서와 같이 전압이 인가되기 전에는 전기활성화부(300)는 볼록렌즈 형태를 유지하나, 도 13b와 같이 전압이 인가되면 전기활성화부(300)는 오목 렌즈 형태로 곡률이 변화된다. 이 경우, 전극부(100)의 내측면에 오목부(102)가 형성됨에 따라, 전기활성화부(300)가 전극부(100) 방향으로 이끌리어 변화될 때 오목부(102)로 전기활성화부(300)가 접하도록 변형되면서 렌즈 곡률 변화를 용이하게 한다.
도 14a 내지 도 14c에 도시된 제 5 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 구성은 제 4 실시예와 동일하나, 전극부(100)의 상단에 보조 전극부(104)가 추가로 구비된다는 점에서 차이가 있다. 여기서 전극부(100)와 보조 전극부(104)는 서로 절연되어 있고 개별적으로 전압이 인가된다.
도 14a는 전압이 인가되기 전 상태이며, 도 14b는 투명 전극층(200)에 음극 전압을, 보조 전극부(104)에 1차 양극 전압을 인가한 상태이다. 도 14b에서, 전기활성화부(300)의 기둥 형태 부분(302)의 상단은 보조 전극부(104)로 이끌리도록 변형되어 있다. 이후, 도 14c와 같이 전극부(100)에 2차 양극 전압을 인가하면, 전기활성화부(300)의 기둥 형태 부분(302)은 상단이 보조 전극부(104)에 일부 부착된 상태에서 전극부(100)의 오목부(102)로 이끌리면서 더 큰 곡면을 갖는 오목 렌즈로 변화된다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 바람직한 제 6 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 15a는 전압이 인가되기 전 상태이고, 도 15b는 전압이 인가된 상태이다.
제 6 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 투명 전극층(200)과, 전기활성화부(300), 및 전극부(100)를 구비하되, 전기활성화부(300)는 전극부(100)보다 높게 형성된 기둥 형태 부분(302)을 포함하고, 전압이 인가되지 않은 상태(도 15a)에서 상기 기둥 형태 부분(302)의 상면은 오목하게 형성되어 있다.
전압이 인가되면(도 15b), 기둥 형태 부분(302)이 전극부(100)로 이끌리어 기둥 형태 부분(302)의 상부면이 볼록하게 변화된다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 바람직한 제 7 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
제 7 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는 제 1 실시예와 유사하되, 전극부(100)가 제 1 전극부(100-1)와 제 2 전극부(100-2)로 구분된 것이 특징이다.
전압이 인가되지 않은 상태에서(도 16a), 투명 전극층(200)은 볼록 렌즈를 구성하며, 볼록 렌즈의 하단 일부가 제 1 전극부(100-1)에 접한 상태이다. 투명 전극층(200)에 음극 전압을 인가하고, 제 1 전극부(100-1)에 음극 전압을 인가하면, 도 16b와 같이 투명 전극층(200)이 변화하여 볼록 렌즈가 좀 더 편평하게 되거나, 평면 또는 약간 오목하게 변화된다. 이후, 도 16c와 같이 제 2 전극부(100-2)에 추가로 양극 전압을 인가하면 투명 전극층(200)은 오목 렌즈 형태로 변화된다. 이에 따라, 더 큰 변위를 갖는 렌즈 형상 변화가 가능하게 된다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 바람직한 제 8 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 17a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 8 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 투명 전극층(200)과, 그 상부에 구비되는 전기활성화부(300)와, 상기 전기활성화부(300)와 일정 거리 이격되며 상기 전기활성화부(300)와 이격된 면을 형성하는 전극 지지부(600)에 의해 지지되는 전극부(100), 및 상기 전극 지지부(600)와 상기 전기활성화부(300)의 이격된 공간에 구비되는 메쉬 전극부(610)를 구비한다.
전극 지지부(600)는 부도체로 구성될 수 있다. 전극 지지부(600)의 저면에 구비되는 메쉬 전극부(610)는 메쉬 형태로 구비된 전극이며, 메쉬 전극부(610)는 전극 지지부(600)에 결합된 상태일 수 있다. 메쉬 전극부(610)와 전극부(100)는 서로 절연되어 있다. 또한, 전극부(100)를 지지하는 전극 지지부(600)는 외력이 작용하는 경우 상하로 이동 가능하게 구성될 수 있다.
도 17b는 투명 전극층(200)에 음극 전압을 인가하고, 메쉬 전극부(610)에 양극 전압을 인가한 상태이다. 메쉬 전극부(610)에 인가된 전압에 의해, 메쉬 전극부(610)는 전기활성화부(300)로 이끌리며, 전극 지지부(600)가 하강될 수 있다. 전극 지지부(600)가 전기활성화부(300)를 누르게 되어 전기활성화부(300)는 볼록 렌즈 형태로 변화된다.
이후, 도 17c와 같이 전극부(100)에 별도의 양극 전압을 인가하면, 전기활성화부(300)의 일부가 전극부(100) 방향으로 이끌리게 되어, 좀더 편평한 렌즈 형태로 변화된다.
도 17d는, 메쉬 전극부(610)에 인가된 양극 전압을 제거한 상태로서, 전극 지지부(600)는 상승하고, 전기활성화부(300)가 전극부(100) 방향으로 더 이끌리어 오목 렌즈 형태로 변화된다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 바람직한 제 9 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 제 9 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 투명 전극층(200)과, 전기활성화부(300), 및 전극부(100)를 포함하되, 투명 전극층(200)과 전극부(100)는 EAP 액추에이터(700)로 연결된 것을 특징으로 한다.
EAP 액추에이터(700)는 투명 전극층(200)과 전극부(100)를 연결하는 기둥 구조일 수 있다. 또한, EAP 액추에이터(700)의 하단과 상단은 각각 투명 전극층(200)과 전극부(100)에 고정된다.
도 18a를 참조하면, 전압이 인가되기 전 상태로서, 전기활성화부(300)는 편평한 형태로 제공된다. EAP 액추에이터(700)는 EAP 층(710) 상기 EAP 층(710)의 상, 하면에 구비된 한 쌍의 작동 전극(720, 730)을 포함한다. 상기 작동 전극들(720, 730)은 전기활성화부(300) 및 전극부(100)와 전기적으로 절연된 상태이다.
도 18b는 작동 전극(720, 730)에 전압을 인가하면 EAP 층(710)이 수축되어 전극부(100)가 하강하며, 전기활성화부(300)가 눌려져 볼록 렌즈로 형성됨을 도시한다.
이후 도 18c와 같이, 작동 전극(720, 730)에 인가된 전압을 제거하고, 투명 전극부(100)와 전극부(200)에 전극을 인가하면, 전기활성화부(300)는 오목 렌즈로 변형된다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 바람직한 제 10 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 제 10 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 볼록한 면을 이루는 투명 전극층(200)과, 상기 투명 전극층(200)의 상부에 구비되며 중앙부가 바깥쪽보다 두꺼운 형태로 제공되는 전기활성화부(300)와, 상기 전기활성화부(300)의 외곽에 구비되는 전극부(100)를 포함한다.
도 19a는 전압이 인가되지 않은 상태로서, 투명 전극층(200)이 볼록한 형태로 구비되고, 그 내면에 중앙부가 외곽보다 두꺼운 형태의 전기활성화부(300)가 구비됨에 따라, 메니스커스 볼록 렌즈가 제공된다.
도 19b는 전압이 인가된 상태로서, 전기활성화부(300)의 일부가 전극부(100)로 이끌리게 되어 전기활성화부(300)의 중앙부가 얇아져 메니스커스 오목 렌즈로 변형된다.
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 바람직한 제 11 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 제 11 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 투명 전극층(200)와 그 상부에 구비된 전기활성화부(300)를 포함하며, 전극부(100)는 반구 형태 또는 단면이 원호 형태를 이루는 것을 특징으로 한다. 이 때, 전기활성화부(300)는 반구 또는 단면이 원호 형태의 전극부(100)와 전기활성화부(300)의 사이의 공간에 구비된다. 여기에서, 전극부(100)는 적어도 일부가 투명한 형태로 제공된다. 또한 일 실시예에 있어서, 전극부(100)는 투명한 형태의 수지로 형성되며, 전기활성화부(300)와 접촉하는 부분에만 전극 형성을 위한 금속이 구비될 수 있다.
도 20a는 전압이 인가되지 않은 상태로서, 전기활성화부(300)는 볼록한 형태로 제공된다.
도 20b는 전압이 인가된 상태로서, 전기활성화부(300)가 전극부(100)의 내측면으로 이끌리게 되어 오목 렌즈로 변화된다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 바람직한 제 12 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
본 발명의 제 12 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 투명 전극층(200)과 그 상부에 구비된 전기활성화부(300)를 포함하며, 전극부(100)는 전기활성화부(300)를 향하여 볼록한 면으로 구비됨을 특징으로 한다.
도 21a는 전압이 인가되지 않은 상태로서, 투명 전극층(200)의 볼록 렌즈 형태로 구비된다. 도 21b와 같이, 전극부(100)와 전기활성화부(300)에 전압이 인가되면, 전기활성화부(300)는 전극부(100)로 이끌리게 되며, 전기활성화부(300)가 전극부(100)의 볼록한 표면에 접하면서 오목 렌즈 형태로 변형된다.
전극부(100)는 적어도 일부가 투명하게 구비되며, 그 투명한 부분은 전기활성화부(300)가 형성하는 렌즈의 중앙 부분을 포함할 수 있다. 또한, 전극부(100)에는 전극이 상기 투명한 부분을 둘러싸는 형태로 구비될 수 있다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 바람직한 제 13 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
도 22a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 13 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 편평한 형태로 제공되는 전기활성화부(800)와, 상기 전기활성화부(800)의 바깥 방향으로 볼록한 볼록면(812)을 구비하는 제 1 투명 전극층(810)과, 제 2 투명전극층(820)을 포함한다. 또한, 다른 전기활성화부(830)와 전기활성화부(830)의 바깥 방향으로 볼록한 볼록면(812)을 구비하는 제 3 투명 전극층(840)과, 제 4 투명전극층(850)을 포함한다.
도 22b는 제 1 투명 전극층(810)과 제 4 투명 전극층(850)에는 음극 전압을 인가하고, 제 2 투명 전극층(820)과 제 3 투명 전극층(840)에는 양극 전압을 인가한 상태를 나타낸다. 이 경우 전기활성화부(800)는 제 2 투명 전극층(820)의 볼록면(812)으로 이동하고, 전기활성화부(830)는 제 3 투명 전극층(840)으로 이동하여, 전체적으로 오목 렌즈로서 기능한다.
도 22c는 제 1 투명 전극층(810)과 제 4 투명 전극층(850)에는 양극 전압을 인가하고, 제 2 투명 전극층(820)과 제 3 투명 전극층(840)에는 음극 전압을 인가한 상태를 나타낸다. 이 경우 전기활성화부(800)는 제 1 투명 전극층(810)의 볼록면(812)으로 이동하고, 전기활성화부(830)는 제 4 투명 전극층(850)으로 이동하여, 전체적으로 볼록 렌즈로서 기능한다.
도 23a 내지 도 23c는 본 발명의 바람직한 제 14 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 제 14 실시예에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈는, 중앙이 관통 형성된 제 1 전극(900)과, 상기 제 1 전극(900)과 절연체(910)를 사이에 두고 동일 평면 상에 구비되는 제 2 전극(920), 및 상기 제 1 전극(900)과 상기 제 2 전극(920)의 상부에 구비되는 전기활성화부(300)를 포함한다. 전기활성화부(300)의 일부는 상기 제 1 전극(900)의 중앙 관통부를 통해 노출되며 렌즈를 구성한다. 일 실시예에 있어서, 제 1 전극(900)과 절연체(910) 및 제 2 전극(920)은 동심원을 이루도록 구비될 수 있다.
도 23a는 전압이 인가되지 않은 상태이다.
도 23b는 제 1 전극(900)에는 음극 전압을 인가하고, 제 2 전극(920)에는 양극 전압을 인가한 상태이다. 전기활성화부(300)는 제 2 전극(920) 방향으로 이끌리게 되어 전기활성화부(300)는 전체적으로 볼록한 볼록 렌즈를 형성한다.
도 23c는 제 1 전극(900)에는 양극 전압을 인가하고, 제 2 전극(920)에는 음극 전압을 인가한 상태이다. 전기활성화부(300)는 제 1 전극(900) 방향으로 이끌리게 되어 전기활성화부(300)는 전체적으로 오목 렌즈를 형성한다.
이상의 설명에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (35)

  1. 판 형태의 투명 전극층;
    상기 투명 전극층의 상부에 구비되며, 투명 젤 상의 폴리머로 형성되는 전기활성화부; 및
    상기 투명 전극층과 전기적으로 절연되도록 구비되며 상기 전기활성화부의 상부 또는 외측에 구비되는 전극부;
    를 포함하고, 상기 투명 전극층과 상기 전극부에 전압이 인가됨으로써 상기 전기활성화부의 형태가 변화되어 초점거리가 가변되는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 중앙부가 통공된 원형, 타원형 또는 다각형으로 형성되고 상기 전기활성화부와 이격된 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극부는 고리 형태의 상부면과 하부면 및 상기 상부면과 하부면의 내측을 연결하는 통 형태의 세로면을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극부는 고리 형태의 하부면과, 상기 하부면의 내측에 연결되는 통 형태의 세로면을 포함하고, 상기 세로면은 위쪽으로 갈수록 좁아지는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 세로면은 오목 또는 볼록면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 하부면은 상기 투명 전극층과 평행하게 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 세로면의 일부 또는 전부, 및 상기 하부면은 상기 전기활성화부와 접촉하는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기활성화부 중 렌즈를 구성하는 부분의 상부에 이물질 또는 외부 접촉을 차단하는 렌즈보호막이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 투명 전극층에 대하여 세로로 구비되며, 상기 전기활성화부의 일부는 상기 전극부의 내측에 기둥 형태 부분을 형성하고, 상기 전극부의 내측면에는 오목부가 형성된 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극부의 상부에는 상기 전극부와는 절연된 보조 전극부가 추가로 구비되고, 상기 보조 전극부와 상기 전극부에는 개별적인 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기활성화부는 상기 전극부보다 높게 형성된 기둥 형태 부분을 포함하고, 전압 인가에 따라 상기 기둥 형태 부분이 상기 전극부의 위쪽으로 이끌리는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기둥 형태 부분의 상부면은 전압이 인가되지 않은 상태에서 오목하게 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극부는 전기적으로 절연된 상태로 적층된 제 1 전극부와 제 2 전극부로 구비되며, 상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부에는 각각 전압이 인가될 수 있음을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부를 지지하며 상기 투명 전극층에 이격된 면을 이루는 전극 지지부와, 상기 전극 지지부 하부에 구비된 메쉬 전극부를 구비하여, 상기 투명 전극층과 상기 메쉬 전극부에 전압 인가시 상기 전극 지지부가 하강되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 메쉬 전극부에 전압을 인가하지 않고, 상기 전극부에 전압을 인가하는 경우 상기 전기활성화부는 오목 렌즈로 변형되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극층과 상기 전극부의 사이에는 EAP 층과 작동 전극을 포함하는 EAP 액추에이터가 구비되고, 상기 EAP 액추에이터의 작동에 의해 상기 전극부와 상기 투명 전극층이 가까워져 상기 전기활성화부가 볼록 렌즈로 변형되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 전극층은 볼록한 면을 이루도록 형성되고, 상기 전기활성화부는 중앙부가 바깥쪽보다 두꺼운 형태로 상기 투명 전극층의 볼록한 면의 내측면에 구비되며, 상기 전극부는 상기 전기활성화부의 외측을 둘러싸도록 구비되어, 상기 투명 전극층과 상기 전극부에 전압 인가시 상기 전기활성화부는 메니스커스 오목 렌즈로 변형되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 반구 형태 또는 단면이 원호 형태를 이루며 상기 전기활성화부의 상부를 덮는 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 투명 전극층과 이격되고 상기 전기활성화부에 대해 볼록한 면으로 구비되는 것을 특징으로 하는 폴리머 기반의 가변 렌즈.
  20. 제 1 항에 따른 폴리머 기반 가변 렌즈의 전기활성화부를 이루는 상기 전기활성 폴리머에 있어서,
    PVC(Polyvinyl chloride)와 가소제를 혼합하여 젤(gel) 상태의 전기활성 젤로 제조되는 전기활성 폴리머.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 가소제는, 프탈레이트(Phthalate)계인 DBP(Di-butyl-phthalate), DEHP(=DOP, Di-2-ethylhexyl phthalate), DOP(Dioctyl phthalate), DOTP(Dioctyl terephthalate), DINP(Di-isononyl phthalate), DIDP(Di-isodecyl phthalate), BBP(Butyl benzyl phthalate), 논프탈레이트(Non-phthalate)계인 ATBC(Acetyl tributyl citrate), 시트레이트(Citrate)계인 TBC(tributyl Citrate), 벤조에이트 (benzoate), 설포네이트(sulfonate), 싸이클로헥사노에이트(cyclohexanoate), 트리멜리(Trimelli) 중 적어도 하나를 선택하여 사용하는 전기활성 폴리머.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전기활성 폴리머는, 물리적으로 가교되어 필름 형태로 제조되며, 0.1~2.0 mm의 두께를 갖도록 제조되고, 350~800 nm-1의 파장 범위에서 70~95 %의 투명도를 갖도록 제조되는 전기활성 폴리머.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 PVC는, PVC 파우더를 THF(Tetrahydrofuran)에 용해시킨 후 알코올로 세척하여 정제하는 제 1 생성 프로세스에 따라 제조되거나, 또는 상기 PVC 파우더를 상기 THF에 용해시킨 후 알코올에 침전시키고 생성된 고체 침전물을 상기 알코올로 세척하여 정제하는 제 2 생성 프로세스에 따라 제조되며, 상기 제 1 생성 프로세스 또는 제 2 생성 프로세스는, 2-10회 반복 수행되는 전기활성 폴리머.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 알코올은, 각각 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 선택된 어느 하나인 전기활성 폴리머.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 전기활성 폴리머는, 상기 PVC를 THF에 투입하고, 교반시켜 용해한 후, 상기 가소제를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 1 방식으로 제조되거나, 상기 가소제를 THF에 투입하고, 교반시켜 분산시킨 후, 상기 PVC를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 2 방식으로 제조되거나, 상기 PVC 및 가소제를 THF에 투입한 후, 교반시키고, 용해시켜 혼합용액을 수득하는 제 3 방식으로 제조되는 전기활성 폴리머.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 PVC 및 가소제는, 1 : 1~25의 비율로 투입되며, 적어도 1시간동안 200~1000 rpm의 속도로 교반시키는 전기활성 폴리머.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 혼합용액은, 용기에 떨어뜨려 건조하거나 또는 증발 후 건조하되, 적어도 1시간 동안 증발시키고, 적어도 1시간 동안 진공 건조시켜 잔류하는 THF 용매를 제거하는 전기활성 폴리머.
  28. PVC(Polyvinyl chloride) 파우더를 용매에 용해시키는 제 1 단계와,
    상기 제 1 단계에서 수득된 용해물을 알코올에 침전시킨 후 건조시키는 제 2 단계와,
    상기 제 2 단계를 통해 생성된 고체 침전물을 알코올로 세척하여 정제한 후 건조시키는 제 3 단계와,
    상기 제 3 단계를 통해 제조된 PVC와 가소제를 용매에 투입한 후 교반시키는 제 4 단계와,
    상기 제 4 단계를 통해 수득된 혼합용액을 건조하거나 또는 증발 후 건조하여 겔(gel) 상태의 전기활성겔로 제조되는 제 5 단계
    를 포함하는 전기활성 폴리머의 제조 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기활성 폴리머의 제조 방법은,
    상기 제 1 단계 내지 제 3 단계를 2~10회 반복 수행하여 상기 PVC를 제조하는 단계를 더 포함하는 전기활성 폴리머의 제조 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기활성 폴리머는, 물리적으로 가교되어 필름 형태로 제조되며, 0.1~2.0 mm의 두께를 갖도록 제조되고, 350~800 nm-1의 파장 범위에서 70~95 %의 투명도를 갖도록 제조되는 전기활성 폴리머의 제조 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는, 상기 PVC를 상기 용매인 THF(Tetrahydrofuran)에 투입하고, 교반시켜 용해한 후, 상기 가소제를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 1 방식을 수행하거나,
    상기 가소제를 상기 용매인 THF에 투입하고, 교반시켜 분산시킨 후, 상기 PVC를 넣어 교반시켜 혼합용액을 수득하는 제 2 방식을 수행하거나,
    상기 PVC 및 가소제를 상기 용매인 THF에 투입한 후, 교반시키고, 용해시켜 혼합용액을 수득하는 제 3 방식을 수행하는 전기활성 폴리머.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 및 제 3 단계에서 각각 사용되는 상기 알코올은, 노말프로판올, 이소프로판올, 에탄올, 메탄올 중 선택된 어느 하나가 사용되는 전기활성 폴리머의 제조 방법.
  33. 제 28 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는, 상기 PVC 및 가소제가 1 : 1~25의 비율로 투입되며, 상기 가소제는, 프탈레이트(Phthalate)계인 DBP(Di-butyl-phthalate), DEHP(=DOP, Di-2-ethylhexyl phthalate), DOP(Dioctyl phthalate), DOTP(Dioctyl terephthalate), DINP(Di-isononyl phthalate), DIDP(Di-isodecyl phthalate), BBP(Butyl benzyl phthalate), 논프탈레이트(Non-phthalate)계인 ATBC(Acetyl tributyl citrate), 시트레이트(Citrate)계인 TBC(tributyl Citrate), 벤조에이트(benzoate), 설포네이트(sulfonate), 싸이클로헥사노에이트(cyclohexanoate), 트리멜리(Trimelli) 중 적어도 하나를 선택하여 사용하는 전기활성 폴리머의 제조 방법.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는, 적어도 1시간동안 200-1000 rpm의 속도로 교반시키는 전기활성 폴리머의 제조 방법.
  35. 제 28 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 5 단계는, 상기 혼합용액을 적어도 1시간동안 증발시키고, 적어도 1시간 동안 건조시켜 잔류하는 THF 용매를 제거하는 전기활성 폴리머의 제조 방법.
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