WO2020242153A1 - 액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈 - Google Patents

Abstract

실시 예에 따른 액체 렌즈는 캐비티를 포함하는 플레이트; 상기 캐비티 내에 배치되는 복수의 액체; 상기 플레이트의 제1 면 상에 배치되는 제1 전극; 및 상기 플레이트의 제2 면 상에 배치되는 제2 전극을 포함하고, 상기 복수의 액체는, 제1 굴절율을 가지는 전도성의 제1 액체; 및 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 가지며, 비전도성의 제2 액체를 포함한다.

Description

액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈

실시 예는, 액체렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈에 관한 것이다.

휴대용 장치의 사용자는 고해상도를 가지며 크기가 작고 다양한 촬영 기능을 갖는 광학 기기를 원하고 있다. 예를 들어, 다양한 촬영 기능이란, 광학 줌 기능(zoom-in/zoom-out), 오토 포커싱(AF:Auto-Focusing) 기능 또는 손떨림 보정 내지 영상 흔들림 방지(OIS:Optical Image Stabilizer) 기능 중 적어도 하나를 의미할 수 있다.

기존의 경우, 전술한 다양한 촬영 기능을 구현하기 위해, 여러 개의 렌즈를 조합하고, 조합된 렌즈를 직접 움직이는 방법을 이용하였다. 그러나, 이와 같이 렌즈의 수를 증가시킬 경우 광학 기기의 크기가 커질 수 있다.

오토 포커스와 손떨림 보정 기능은, 렌즈 홀더에 고정되며 광축으로 정렬된 여러 개의 렌즈가, 광축 또는 광축의 수직 방향으로 이동하거나 틸팅(Tilting)하여 수행되며, 이를 위해, 복수의 렌즈로 구성된 렌즈 어셈블리를 구동시키는 별도의 렌즈 구동 장치가 요구된다. 그러나 렌즈 구동 장치는 전력 소모가 높으며, 이를 보호하기 위해서 카메라 모듈과 별도로 커버 글라스를 추가하여야 하는 등, 기존의 카메라 모듈의 전체 크기가 커지는 문제가 있다. 이를 해소하기 위해, 두 가지 액체의 계면의 곡률을 전기적으로 조절하여 오토 포커스와 손떨림 보정 기능을 수행하는 액체 렌즈 모듈에 대한 연구가 이루어지고 있다.

본 실시예는, 계면을 형성하는 두 액체의 굴절율 차이에 기반하여 두 액체의 계면의 변화를 통해 해상도를 높일 수 있는 액체 렌즈를 제공하고자 한다. 나아가 이러한 액체 렌즈를 포함하는 카메라 모듈 및 광학기기를 제공하고자 한다.

본 실시 예는 색수차 저감시키면서 전력 소모를 줄이고, 반응속도를 향상시킬 수 있는 액체 렌즈 및 이를 포함하는 카메라 모듈 및 광학기기를 제공하고자 한다.

실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

실시 예에 따른 액체 렌즈는 캐비티를 포함하는 플레이트; 상기 캐비티 내에 배치되는 복수의 액체; 상기 플레이트의 제1 면 상에 배치되는 제1 전극; 및 상기 플레이트의 제2 면 상에 배치되는 제2 전극을 포함하고, 상기 복수의 액체는, 제1 굴절율을 가지는 전도성의 제1 액체; 및 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 가지며, 비전도성의 제2 액체를 포함한다.

또한, 상기 제2 굴절율은, 상기 제1 굴절율보다 0.05 이상 작다.

또한, 상기 제2 액체를 구성하는 물질 중 적어도 하나의 분자구조는 플루오린(F) 원소를 포함한다.

또한, 상기 제2 액체는 Trifluoroacetic anhydride, Perfluorocyclobutane, 2H-Perfluoro-5-methyl-3,6-dioxanonane 중 어느 하나를 포함한다.

또한, 상기 제2 액체의 아베수에서 상기 제1 액체의 아베수를 뺀 값은 0보다 크고, 20보다 작다.

또한, 실시 예에 따른 카메라 모듈은 전도성 액체와 비전도성 액체를 포함하고 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체가 배치되는 캐비티를 포함하는 액체 렌즈; 상기 액체 렌즈와 고체렌즈가 배치되는 홀더; 상기 액체렌즈와 연결되는 제1기판; 및 상기 제1기판과 전기적으로 연결되고 이미지 센서가 배치되는 제2기판을 포함하고, 상기 전도성 액체의 굴절율은 상기 비전도성 액체의 굴절율보다 크다.

실시 예에 따르면, 제1 액체 및 제2 액체가 가지는 굴절율을 서로 다르게 적용하여 저굴절 소재의 액체렌즈를 제공한다. 구체적으로, 실시 예에서는 전도성 액체인 제1 액체의 굴절율보다 비전도성 액체인 제2 액체의 굴절율이 작도록 한다. 이때, 액체 렌즈는 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 액체가 상기 제2 액체를 밀어내면서 목표로 하는 계면의 곡률을 형성하게 된다. 이때, 상기 제2 액체의 굴절율이 상기 제1 액체의 굴절율보다 높다는 것은 상기 제1 액체의 점도가 높다는 것을 의미하며, 이에 따라 상기 곡률을 변화시키는데 필요한 힘이 증가하게 된다. 반면, 실시 예에서는 상기 제2 액체의 굴절율이 제1 액체의 굴절율보다 작도록 하여 상기 제12 액체의 점도를 낮게 할 수 있으며, 이에 따라 상기 곡률을 변화시키는데 필요한 힘을 감소시켜 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 실시 예에서는 상기 계면을 변화시키는데 필요한 힘이 감소함에 의해, 목표로 하는 곡률을 가지도록 계면을 변화시키는데 소요되는 시간을 줄일 수 있으며, 이에 따른 액체 렌즈의 반응 속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 예에 따르면, 상기 제1 액체의 굴절율보다 제2 액체의 굴절율이 작음에 따라 상기 제1 액체의 아베수의 제2 액체의 아베수의 차이에 의해 발생하는 색수차를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 이미지의 해상도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 예에 따르면, 상기와 같은 굴절율의 차이에 의해, 계면의 변화 정도가 작아도 광의 굴절율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 동작 범위 내에서 상기 계면을 변화시키기 위해 필요한 제1 및 제2 액체의 양을 줄여 제품 사이즈를 소형화할 수 있다.

도1은 카메라 장치의 예를 설명한다.

도2는 카메라 장치에 포함된 렌즈 어셈블리의 예를 설명한다.

도3은 구동 전압에 대응하여 초점 거리가 조정되는 액체 렌즈를 설명한다.

도 4는 액체 렌즈의 일 실시예를 설명한다.

도5는 액체 렌즈 내 계면의 변화를 설명한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시예의 범위를 한정하는 것이 아니다.

실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.

도1은 카메라 장치의 예를 설명한다. 도시된 바와 같이, 카메라 모듈은 렌즈 어셈블리(22) 및 이미지 센서를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리의 상부 또는 하부에는 적어도 하나의 고체 렌즈가 배치될 수 있다. 렌즈 어셈블리는(22)는 인가되는 전압에 대응하여 초점거리가 조정되는 액체렌즈를 포함할 수 있다. 카메라 모듈은 공통 단자와 복수의 개별 단자 사이에 인가되는 구동 전압에 대응하여 초점 거리가 조정되는 제1렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리(22), 및 제1렌즈에 구동 전압을 공급하기 위한 제어회로(24), 및 렌즈 어셈블리(22)에 정렬되며 렌즈 어셈블리(22)를 통해 전달되는 광을 전기신호로 변환하고 렌즈 어셈블리의 하부에 배치되는 이미지센서(26)를 포함할 수 있다.

도1을 참조하면, 카메라 모듈은 하나의 인쇄회로기판(PCB) 상에 형성된 회로(24, 26)와 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리(22)를 포함할 수 있으나, 이는 하나의 예에 불과할 뿐 발명의 범위를 한정하지 않는다. 제어 회로(24)의 구성은 카메라 모듈에 요구되는 사양에 따라 다르게 설계될 수 있다. 특히, 액체 렌즈(28)에 인가되는 전압의 크기를 줄일 경우, 제어회로(24)는 하나의 칩(single chip)으로 구현할 수 있다. 이를 통해, 휴대용 장치에 탑재되는 카메라 모듈의 크기를 더욱 줄일 수 있다.

도2를 참조하면, 도시된 바와 같이, 렌즈 어셈블리(22)는 제1렌즈부(100), 제2렌즈부(200), 액체렌즈부(300), 렌즈 홀더(400) 및 연결부(500)을 포함할 수 있다. 연결부(500)는 이미지 센서와 액체 렌즈를 전기적으로 연결하며, 후술할 기판, 와이어 또는 전선 등을 포함할 수 있다. 도시된 렌즈 어셈블리(22)의 구조는 하나의 예에 불과하며, 카메라 모듈에 요구되는 사양에 따라 렌즈 어셈블리(22)의 구조는 달라질 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서는 액체렌즈부(300)가 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이에 위치하고 있으나, 다른 예에서는 액체렌즈부(300)가 제1렌즈부(100)보다 상부(전면)에 위치할 수도 있고, 제1렌즈부(100) 또는 제2렌즈부(200) 중 하나는 생략될 수도 있다. 제어 회로(24)의 구성은 카메라 장치에 요구되는 사양에 따라 다르게 설계될 수 있다. 특히, 렌즈 어셈블리(22)에 인가되는 동작 전압의 크기를 줄일 경우, 제어회로(24)는 하나의 칩(single chip)으로 구현할 수 있다. 이를 통해, 휴대용 장치에 탑재되는 카메라 장치의 크기를 더욱 줄일 수 있다.

도2는 카메라 장치에 포함된 렌즈 어셈블리(22)의 예를 설명한다.

도시된 바와 같이, 렌즈 어셈블리(22)는 제1렌즈부(100), 제2렌즈부(200), 액체렌즈부(300), 렌즈 홀더(400) 및 연결부(500)을 포함할 수 있다. 연결부(500)는 이미지 센서와 액체 렌즈를 전기적으로 연결하며, 후술할 기판, 와이어 또는 전선 등을 포함할 수 있다. 도시된 렌즈 어셈블리(22)의 구조는 하나의 예에 불과하며, 카메라 모듈에 요구되는 사양에 따라 렌즈 어셈블리(22)의 구조는 달라질 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서는 액체렌즈부(300)가 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이에 위치하고 있으나, 다른 예에서는 액체렌즈부(300)가 제1렌즈부(100)보다 상부(전면)에 위치할 수도 있고, 제1렌즈부(100) 또는 제2렌즈부(200) 중 하나는 생략될 수도 있다.

도2를 참조하면, 제1렌즈부(100)는 렌즈 어셈블리의 전방에 배치되고, 렌즈 어셈블리의 외부로부터 광이 입사하는 부위이다. 제1렌즈부(100)는 적어도 하나의 렌즈로 구비될 수 있고, 또는 2개 이상의 복수의 렌즈들이 중심축(PL)을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수도 있다.

제1렌즈부(100) 및 제2 렌즈부(200)는 렌즈 홀더(400) 에 장착될 수 있다. 이때, 렌즈 홀더(400)에는 관통공이 형성되고, 관통공에 제1렌즈부(100) 및 제2렌즈부(200)가 배치될 수 있다. 또한, 렌즈 홀더(400)에 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200)가 배치되는 사이 공간에는 액체렌즈부(300)가 삽입될 수 있다.

한편, 제1렌즈부(100)는 고체렌즈(110)를 포함할 수 있다. 고체렌즈(110)는 렌즈 홀더(400) 외부로 돌출되어 외부에 노출될 수 있다. 고체렌즈가 노출되는 경우 외부에 노출됨으로 인해 렌즈표면이 손상될 수 있다. 만약 렌즈표면이 손상될 경우, 카메라 모듈에서 촬영되는 이미지의 화질이 저하될 수 있다. 고체렌즈(110)의 표면손상을 방지, 억제하기 위해, 커버 글래스를 배치시키거나 코팅층을 형성하거나 고체렌즈(100)가 표면손상을 방지하기 위한 내마모성 재질로 구성하는 방법 등을 적용할 수 있다.

제2렌즈부(200)는 제1렌즈부(100) 및 액체렌즈부(300)의 후방에 배치되고, 외부로부터 제1렌즈부(100)로 입사하는 광은 액체렌즈부(300)를 투과하여 제2렌즈부(200)로 입사할 수 있다. 제2렌즈부(200)는 제1렌즈부(100)와 이격되어 렌즈 홀더(400)에 형성되는 관통공에 배치될 수 있다.

한편, 제2렌즈부(200)는 적어도 하나의 렌즈로 구비될 수 있고, 2개 이상의 복수의 렌즈들이 포함되는 경우 중심축(PL)을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수도 있다.

액체렌즈부(300)는 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200) 사이에 배치되고, 렌즈 홀더(400)의 삽입구(410)에 삽입될 수 있다. 삽입구(410)는 렌즈 홀더의 측면의 일부 영역이 개방되어 형성될 수 있다. 즉, 액체 렌즈는 홀더의 측면의 삽입구(410)를 통해 삽입되어 배치될 수 있다. 액체렌즈부(300) 역시, 제1렌즈부(100)와 제2렌즈부(200)와 같이 중심축(PL)을 기준으로 정렬될 수 있다.

액체렌즈부(300)에는 렌즈영역(310)이 포함될 수 있다. 렌즈영역(310)은 제1렌즈부(100)를 통과한 광이 투과하는 부위이고, 적어도 일부에 액체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 렌즈영역(310)에는 두 가지 종류 즉, 도전성 액체와 비도전성 액체가 함께 포함될 수 있고, 도전성 액체와 비도전성 액체는 서로 섞이지 않고 경계면을 이룰 수 있다. 연결부(500)를 통해 인가되는 구동 전압에 의해 도전성 액체와 비도전성 액체의 경계면이 변형되어 액체렌즈(28) 계면의 곡률 또는 액체 렌즈의 초점거리가 변경될 수 있다. 이러한 경계면의 변형 또는 곡률변경이 제어되면, 액체렌즈부(300)와 이를 포함하는 카메라 모듈은 오토포커싱 기능, 손떨림 보정기능 등을 수행할 수 있다. 액체렌즈의 렌즈영역(310)은 액체렌즈의 캐비티와 캐비티에 배치되는 전도성 액체와 비전도성 액체일 수 있다. 도2에서는 액체 렌즈의 캐비티가 경사면을 갖고 개구가 아래로 갈수록 작게 도시되었지만, 이와 반대로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 액체 렌즈의 캐비티가 경사면을 갖고 개구가 위로 갈수록 크게 될 수도 있다.

도3은 구동 전압에 대응하여 초점 거리가 조정되는 액체 렌즈를 설명한다. 구체적으로, (a)는 렌즈 어셈블리(22, 도2참조)에 포함된 제1렌즈(28)를 설명하고, (b)는 렌즈(28)의 등가회로를 설명한다.

먼저 (a)를 참조하면, 구동 전압에 대응하여 초점 거리가 조정되는 렌즈(28)는 동일한 각 거리를 가지고 4개의 서로 다른 방향에 배치된 개별 단자(L1, L2, L3, L4)를 통해서 전압을 인가 받을 수 있다. 개별 단자는 액체 렌즈의 중심축을 기준으로 동일한 각 거리를 가지고 배치될 수 있고, 4개의 개별단자를 포함할 수 있다. 4개의 개별단자는 액체렌즈의 4개 코너에 각각 배치될 수 있다. 개별 단자(L1, L2, L3, L4)를 통해서 전압이 인가되면 인가된 전압은 후술할 공통 단자(C0)에 인가되는 전압과의 상호작용으로 형성되는 구동 전압에 의해 렌즈영역(310)에 배치된 도전성 액체와 비도전성 액체의 경계면이 변형될 수 있다.

또한, (b)를 참조하면, 렌즈(28)는 일측의 서로 다른 개별 단자(L1, L2, L3, L4)로부터 동작 전압을 인가 받고, 다른 일측은 공통 단자(C0)와 연결된 복수의 캐패시터(30)로 설명할 수 있다. 여기서, 등가회로에 포함된 복수의 캐패시터(30)는 약 수십 내지 200 피코패럿(pF) 이하의 작은 캐패시턴스를 가질 수 있다. 액체 렌즈의 상술한 액체 렌즈의 단자는 본 명세서에서 전극 섹터 또는 서브 전극으로 불릴 수도 있다.

도4는 액체 렌즈의 구조를 설명한다.

도시된 바와 같이, 액체 렌즈(28)는 액체, 제1 플레이트 및 전극을 포함할 수 있다. 액체렌즈(28)에 포함되는 액체(122, 124)는 전도성 액체 및 비전도성 액체를 포함할 수 있다. 제1 플레이트는 전도성 액체 및 비전도성 액체가 배치되는 캐비티(cavity, 150) 또는 홀을 포함할 수 있다. 캐비티(150)는 경사면을 포함할 수 있다. 전극(132, 134)은 제1 플레이트(114) 상에 배치될 수 있으며, 제1 플레이트(114) 상부 또는 제1 플레이트(114) 하부에 배치될 수 있다.

액체 렌즈(28)는 전극(132, 134)의 상부(하부)에 배치될 수 있는 제2 플레이트(112)를 더 포함할 수 있다. 또한 액체 렌즈(28)는 전극(132, 134) 하부(상부)에 배치될 수 있는 제3 플레이트(116)를 더 포함할 수 있다.

도시된 바와 같이, 액체 렌즈(28)의 일 실시예는 서로 다른 제1 및 제2 액체(122, 124)가 형성하는 계면(130)을 포함할 수 있다. 또한, 액체 렌즈(28)에 전압을 공급하는 적어도 하나의 기판(142, 144)을 포함할 수 있다. 액체 렌즈(28)의 모서리(코너)는 액체 렌즈(28)의 중심부보다 두께가 얇을 수 있다. 액체 렌즈의 상면에 제2 플레이트가 배치되고 액체 렌즈의 하면에 제3 플레이트가 배치될 수 있으나, 액체 렌즈 코너의 상면 또는 하면의 일부에는 제2 플레이트 또는 제3 플레이트가 배치되지 않아 액체 렌즈의 코너의 두께가 중심부 보다 얇을 수 있다. 액체 렌즈의 코너 상면 또는 하면에는 전극이 노출될 수 있다.

액체 렌즈(28)는 서로 다른 두 액체, 예를 들면 제1 액체(122)와 제2 액체(124)를 포함하고, 제1 및 제2 액체가 형성하는 계면(130)의 곡률, 형상은 액체 렌즈(28)에 공급되는 구동 전압에 의해 조정될 수 있다.

이때, 제1 액체(122)는 전도성 액체일 수 있다. 그리고, 제2 액체(124)는 비전도성 액체일 수 있다.

제1 액체(122)는 전도성을 가지는 액체일 수 있다. 또한, 제2 액체(124)는 비전도성 액체일 수 있으며, 일 예로 오일일 수 있다.

즉, 복수의 제1 및 제2 액체(122, 124)는 캐비티에 수용되며, 전도성을 갖는 제1 액체(122)와 비전도성을 갖는 제2 액체(또는, 절연 액체)(124)를 포함할 수 있다. 제1 액체(LQ1)와 제2 액체(LQ2)는 서로 섞이지 않으며, 제1 및 제2 액체(122, 124) 사이의 접하는 부분에 계면(130)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 액체(122) 위에 제2 액체(124)가 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 도시된 바와는 다르게 제2 액체(124) 위에 제1 액체(122)가 배치될 수도 있을 것이다.

이때, 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)는 서로 다른 굴절율을 가질 수 있다.

바람직하게, 전도성 액체인 제1 액체(122)보다 비전도성 액체인 제2 액체(124)의 굴절율이 작을 수 있다.

즉, 액체 렌즈의 경우, 전극의 전압을 이용하여 제1 액체(122) 및 제2 액체(124) 사이의 계면(130)의 곡률, 위치, 형상 등을 변화시켜, 카메라의 오토 포커싱 기능을 수행할 수 있다. 또한, 액체 렌즈의 경우, 복수의 전극에 인가되는 전압을 비대칭적으로 인가하고, 이를 토대로 광축의 중심을 기준으로 계면 곡률이 비대칭적으로 나타나도록 하여 손떨림 방지 기능을 수행할 수 있다.

한편, 액체 렌즈에는 물 계열과 기름 계열의 액체를 사용하고, 이를 토대로 서로 섞이지 않는 두 액체의 굴절율을 이용하여 렌즈 역할을 수행하고 있다. 또한, 비교 예의 액체 렌즈는 제1 액체(122)보다 제2 액체(124)이 가지는 굴절율이 큰 값을 가지도록 설계하였다.

이에 따라, 비교 예의 액체 렌즈는 제1액체 및 제2 액체의 재료 선택에 있어, 상기와 같은 굴절율을 가지는 한정된 범위 내에서의 재료를 사용하고 있었다. 이로 인해, 비교 예의 액체 렌즈는 제1 액체의 물질 및 제2 액체의 물질의 분산 특성과 같은 기본 특성에 한계가 존재한다.

이에 따라, 실시 예에서는 액체렌즈를 구성하는 제1 액체(122)가 가지는 굴절율보다 제2 액체(124)가 가지는 굴절율이 작도록 한다.

이때, 실시 예에서는 상기 제1 액체(122)의 굴절율보다 제2 액체(124)의 굴절율이 작도록 하는 것만으로도 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)의 구성을 위한 재료 선택에 있어 아베수 차이와 같은 제약사항을 고려하지 않아도 되며, 이에 따라 재료 선택의 폭을 넓혀 액체 렌즈의 기본 특성을 한 단계 끌어올릴 수 있다.

즉, 상기와 같은 액체 렌즈는 제1 및 제2 액체(122, 124)을 구성하는 두 물질간의 굴절율을 다르게 선택하여 렌즈 역할을 조절할 수 있으며, 이에 따라 액추에이터로 사용되고 있다. 이때, 액체 렌즈를 구성할 때에 가장 고려해야할 문제에는 색깔별로 달라지는 렌즈의 굴절능이 있다.

상기와 같은 액체 렌즈를 카메라 모듈에서 사용하기 위해서는 색깔별로 렌즈의 굴절능의 변화가 아래의 식1과 같은 수식을 만족할 때, 색깔의 변화와 무관하게 동일한 이미지가 제공될 수 있다.

액체렌즈 가져야 하는 제1 및 제2 액체(122, 124)의 물질의 색깔별 굴절능 조건은 아래 식 1과 같다.

여기에서,Φ _i는 각 물질의 굴절능이고, V _i는 각 물질별 아베수(abbe number)이다.

즉, 액체 렌즈를 구성하는 2개의 액체의 굴절능 조건은, 각 물질의 굴정능을 색깔별 차이를 주는 아베수로 나눠준 값을 물질 개수만큼 더해서, 그 값이 0이 나와야 색깔로 인해 다른 이미지가 촬영되지 않는다.

이에 따라, 종래에는 제1 액체의 굴절율이 제2 액체의 굴절율보다 작도록 하면서, 상기와 같은 굴절능 조건을 만족시키기 위하여, 실질적인 설계 및 이용 가능한 물질의 범위에 한계가 있었다.

따라서, 실시 예에서는 상기와 같이 제1 액체(122)의 굴절율보다 제2 액체(124)의 굴절율이 작도록 하여, 상기 제1 및 제2 액체(122, 124)의 물질이 상기 식 1과 같은 색깔별 굴절능 조건을 만족할 수 있도록 한다.

즉, 제1 액체(122)의 굴절율보다 제2 액체(124)의 굴절율을 작도록 하고, 이에 따라 두 액체의 굴절율의 차이가 크면 클수록 상기 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)의 각각의 아베수의 차이에 의해 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 다시 말해서, 실시 예에서는 상기 제1 액체(122)가 가지는 굴절율보다 제2 액체(124)가 가지는 굴절율이 작도록 하면서, 이 두 액체의 굴절율의 차이를 최대화하여, 이에 따라 상기 제1 액체(122) 및 제2 액체(124)의 아베수 차이가 커도 높은 해상도의 이미지를 제공할 수 있도록 한다.

바람직하게, 실시 예에서는 아래의 식 2을 만족하도록 상기 제1 액체(122)의 아베수, 제1 액체(122)의 굴절율, 제2 액체(124)의 아베수 및 제2 액체(124)의 굴절율을 설계한다.

여기에서, ΔV는 제2 액체(124)의 아베수에서 제1 액체(122)의 아베수를 뺀 값 이다.

제1 액체(122)는 물(water) 또는 염분을 포함하는 물을 사용할 수 있다.

물(water)은 굴절율이 1.33이고, 아베수가 55.74를 가진다. 또한, 염분을 포함하는 물은 굴절율이 1.34일 수 있고, 아베수가 55.74일 수 있다.

제2 액체(124)를 구성하는 물질 중 적어도 하나의 분자구조는 플루오린(F, 불소)을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 액체(124)는 상기 물이 가지는 굴절율인 1.33보다 작은 값의 굴절율을 가진 액체일 수 있다.

예를 들어, 제2 액체(124)는 Trifluoroacetic anhydride(굴절율(Nd)이 1.269, vd 는 20 이상이며 125 이하), Perfluorocyclobutane(굴절율 1.217, vd 는 10 이상이며 150 이하), 2H-Perfluoro-5-methyl-3,6-dioxanonane(굴절율 1.257, vd 는 20 이상이며 125 이하) 중에서 어느 하나로 구성될 수 있다.

바람직하게, 실시 예에서는 제1 액체(122)가 가지는 굴절율보다 제2 액체(124)가 가지는 굴절율이 작도록 하면서, 이의 차이가 적어도 0.05가 되도록 한다.

이에 따르면, 제1 액체 및 제2 액체가 가지는 굴절율을 서로 다르게 적용하여 저굴절 소재의 액체렌즈를 제공할 수 있다. 구체적으로, 실시 예에서는 전도성 액체인 제1 액체의 굴절율보다 비전도성 액체인 제2 액체의 굴절율이 작도록 한다. 이때, 액체 렌즈는 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 액체가 상기 제2 액체를 밀어내면서 목표로 하는 계면의 곡률을 형성하게 된다. 이때, 상기 제2 액체의 굴절율이 상기 제1 액체의 굴절율보다 높다는 것은 상기 제1 액체의 점도가 높다는 것을 의미하며, 이에 따라 상기 곡률을 변화시키는데 필요한 힘이 증가하게 된다. 반면, 실시 예에서는 상기 제2 액체의 굴절율이 제1 액체의 굴절율보다 작도록 하여 상기 제12 액체의 점도를 낮게 할 수 있으며, 이에 따라 상기 곡률을 변화시키는데 필요한 힘을 감소시켜 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 실시 예에서는 상기 계면을 변화시키는데 필요한 힘이 감소함에 의해, 목표로 하는 곡률을 가지도록 계면을 변화시키는데 소요되는 시간을 줄일 수 있으며, 이에 따른 액체 렌즈의 반응 속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 예에 따르면, 상기 제1 액체의 굴절율보다 제2 액체의 굴절율이 작음에 따라 상기 제1 액체의 아베수의 제2 액체의 아베수의 차이에 의해 발생하는 색수차를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 이미지의 해상도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 예에 따르면, 상기와 같은 굴절율의 차이에 의해, 계면의 변화 정도가 작아도 광의 굴절율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 동작 범위 내에서 상기 계면을 변화시키기 위해 필요한 제1 및 제2 액체의 양을 줄여 제품 사이즈를 소형화할 수 있다.

한편, 액체 렌즈(28)에 공급되는 구동 전압은 연결부(500)를 통해 전달될 수 있다. 연결부는 제1기판(142) 및 제2기판(144)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 연결부가 제1기판(142) 및 제2기판(144)를 포함하는 경우 제2기판(144)은 복수의 개별 단자 각각에 전압을 전달할 수 있고, 제1기판(142)은 공통 단자에 전압을 전달할 수 있다. 복수의 개별 단자는 4개일 수 있고, 제2기판(144)은 4개의 개별 단자 각각에 전압을 전달할 수 있다. 제2기판(144)과 제1기판(142)을 통해 공급되는 전압은 액체 렌즈(28)의 각 모서리에 배치 또는 노출되는 복수의 전극(134, 132)에 인가될 수 있다.

또한, 액체 렌즈(28)는 투명한 재질을 포함하는 제3플레이트(116) 및 제2플레이트(112), 제3플레이트(116) 및 제2플레이트(112) 사이에 위치하며 기 설정된 경사면을 가지는 개구영역을 포함하는 제1플레이트(114)를 포함할 수 있다.

또한, 액체 렌즈(28)는 제3플레이트(116), 제2플레이트(112) 및 제1플레이트(114)의 개구영역에 의해 결정되는 캐비티(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 캐비티(150)는 상기 설명한 바와 같은 서로 다른 성질(예, 전도성 액체 및 비전도성 액체)의 제1 및 제2 액체(122, 124)가 충진될 수 있으며, 서로 다른 성질의 제1 및 제2 액체(122, 124) 사이에는 계면(130)이 형성될 수 있다.

또한, 액체 렌즈(28)에 포함되는 두 액체(122, 124) 중 적어도 하나는 전도성을 가지며, 액체 렌즈(28)는 제1플레이트(114) 상부 및 하부에 배치되는 두 전극(132, 134)을 포함할 수 있다. 제1플레이트(114)는 경사면을 포함하고 경사면에 배치되는 절연층(118)을 더 포함할 수 있다. 전도성을 가지는 액체는 절연층에 접촉할 수 있다. 여기서, 절연층(118)은 두 전극(132, 134) 중 하나의 전극(예, 제2전극(134))을 덮고, 다른 하나의 전극(예, 제1전극(132))의 일부를 덮거나 또는 노출시켜 전도성 액체(예, 122)에 전기 에너지가 인가되도록 할 수 있다. 여기서, 제1전극(132)은 적어도 하나 이상의 전극섹터(예, C0)를 포함하고, 제2전극(134)은 둘 이상의 전극섹터(예, 도4의 L1, L2, L3, L4)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2전극(134)은 광축을 중심으로 시계방향을 따라 순차적으로 배치되는 복수의 전극섹터를 포함할 수 있다. 전극 섹터는 서브 전극 또는 액체 렌즈의 단자로 불릴 수 있다.

액체 렌즈(28)에 포함된 두 전극(132, 134)에 전압을 전달하기 위한 하나 또는 두 개 이상의 기판(142, 144)이 연결될 수 있다. 구동 전압에 대응하여 액체 렌즈(28) 내 형성되는 계면(130)의 곡률, 굴곡 또는 경사도 등이 변하면서 액체 렌즈(28)의 초점 거리가 조정될 수 있다.

도5는 액체 렌즈 내 계면의 변화를 설명한다. 구체적으로, (a) 내지 (c)는 액체 렌즈(28)의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)에 전압이 인가되는 경우 발생할 수 있는 계면(30a, 30b, 30c)의 움직임을 설명한다.

먼저 (a)를 참조하면, 액체 렌즈(28)의 개별 전극(L1, L2, L3, L4)에 실질적으로 동일한 전압을 인가한 경우, 계면(30a)은 원형에 가까운 형태를 유지할 수 있다. 상면에서 보았을 때, 계면의 수평거리(LH)와 계면의 수직거리 (LV)가 실질적으로 동일하고, 계면(30a)의 움직임(예, 경사각)이 균형을 이루는 형태를 가질 수 있다. 이 경우에는 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4)를 통해 측정한 계면(30a)의 캐패시턴스 값이 실질적으로 동일하게 측정될 수 있다.

또한 (b)를 참조하면, 액체 렌즈(28)의 제1개별 전극(L1)과 제3개별 전극(L3)에 인가되는 전압이 제2개별 전극(L2)과 제4개별 전극(L4)에 인가되는 전압보다 높은 경우를 설명한다. 이 경우, 계면(30b)을 당기거나 미는 힘이 수평 또는 수직에서 다르기 때문에, 상면에서 보았을 때 계면의 수평거리(LH))가 상면에서 보았을 때 계면의 수직 거리(LV))보다 짧아질 수 있다. 제2개별 전극(L2)과 제4개별 전극(L4)에 인가되는 전압이 제1개별 전극(L1)과 제3개별 전극(L3)에 비하여 낮은 경우, 제2개별 전극(L2)과 제4개별 전극(L4)에서의 액체 렌즈(28)의 계면(30b)의 경사각이 제1개별 전극(L1)과 제3개별 전극(L3)에서의 액체 렌즈(28)의 계면(30b)의 경사각보다 작기 때문에, 평면상에서는 동일해 보이지만 입체적으로는 수직거리 (LV)가 수평거리 (LH)보다 길다. 이 경우에는 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4)를 통해 측정한 계면(30a)의 캐패시턴스 값이 서로 다를 수 있다. 한편, 계면(30b)이 계면(30b)이 대칭적으로 변화하였기 때문에 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4)를 통해 측정한 계면(30a)의 캐패시턴스 값이 대칭적일 수 있다. 이 경우 L1과 L3의 캐패시턴스 값이 같고, L2와 L4의 캐패시턴스 값이 같을 수 있다.

또한, (c)를 참조하면, 액체 렌즈(28)의 제1개별 전극(L1)과 제3개별 전극(L3)에 인가되는 전압과 제2개별 전극(L2)과 제4개별 전극(L4)에 인가되는 전압이 달라져, 상면에서 보았을 때 계면의 계면의 수직 거리(LV))가 수평거리(LH)) 보다 짧아 질 수 있다. (b)의 경우와 마찬가지로 계면(30c)이 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4)을 통해 측정한 계면(30c)의 캐패시턴스가 서로 다를 수 있다. 한편, 계면(30c)이 계면(30b)이 대칭적으로 변화하였기 때문에 4개의 서로 다른 개별 전극(L1, L2, L3, L4)를 통해 측정한 계면(30a)의 캐패시턴스 값이 대칭적일 수 있다. 이 경우 L1과 L3의 캐패시턴스 값이 같고, L2와 L4의 캐패시턴스 값이 같을 수 있다.

또한, (a), (b) 및 (c)에 도시된 계면(30a, 30b, 30c)에서 측정된 캐패시턴스는 차이가 있고, 이러한 캐패시턴스의 차이를 통해 제1개별 전극(L1) 내지 제4개별 전극(L4)에 인가된 전압에 따라 계면(30a, 30b, 30c)이 이전과 달리 어떻게 움직였는지를 보다 직접적으로 정확하게 측정할 수 있다.

한편, 전술한 예에서는 액체 렌즈(28)가 4개의 개별 전극을 포함하는 구조를 들어 설명하였으나, 액체 렌즈(28)가 8개, 12개, 16개 등의 더 많은 개별 전극을 가지고 그에 대응하는 피드백 전극을 포함하는 경우 액체 렌즈(28)의 움직임을 보다 정교하게 제어할 수 있고, 해당 움직임을 보다 정확하게 측정할 수 있다.

실시 예에 따르면, 제1 액체 및 제2 액체가 가지는 굴절율을 서로 다르게 적용하여 저굴절 소재의 액체렌즈를 제공한다. 구체적으로, 실시 예에서는 전도성 액체인 제1 액체의 굴절율보다 비전도성 액체인 제2 액체의 굴절율이 작도록 한다. 이때, 액체 렌즈는 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 제1 액체가 상기 제2 액체를 밀어내면서 목표로 하는 계면의 곡률을 형성하게 된다. 이때, 상기 제2 액체의 굴절율이 상기 제1 액체의 굴절율보다 높다는 것은 상기 제1 액체의 점도가 높다는 것을 의미하며, 이에 따라 상기 곡률을 변화시키는데 필요한 힘이 증가하게 된다. 반면, 실시 예에서는 상기 제2 액체의 굴절율이 제1 액체의 굴절율보다 작도록 하여 상기 제12 액체의 점도를 낮게 할 수 있으며, 이에 따라 상기 곡률을 변화시키는데 필요한 힘을 감소시켜 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 실시 예에서는 상기 계면을 변화시키는데 필요한 힘이 감소함에 의해, 목표로 하는 곡률을 가지도록 계면을 변화시키는데 소요되는 시간을 줄일 수 있으며, 이에 따른 액체 렌즈의 반응 속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 예에 따르면, 상기 제1 액체의 굴절율보다 제2 액체의 굴절율이 작음에 따라 상기 제1 액체의 아베수의 제2 액체의 아베수의 차이에 의해 발생하는 색수차를 최소화할 수 있으며, 이에 따른 이미지의 해상도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 예에 따르면, 상기와 같은 굴절율의 차이에 의해, 계면의 변화 정도가 작아도 광의 굴절율을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 동작 범위 내에서 상기 계면을 변화시키기 위해 필요한 제1 및 제2 액체의 양을 줄여 제품 사이즈를 소형화할 수 있다.

실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시형태로 구현될 수도 있다.

전술한 카메라 모듈을 포함한 광학 기기(Optical Device, Optical Instrument)를 구현할 수 있다. 여기서, 광학 기기는 광신호를 가공하거나 분석할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 광학 기기의 예로는 카메라/비디오 장치, 망원경 장치, 현미경 장치, 간섭계 장치, 광도계 장치, 편광계 장치, 분광계 장치, 반사계 장치, 오토콜리메이터 장치, 렌즈미터 장치 등이 있을 수 있으며, 액체 렌즈를 포함할 수 있는 광학 기기에 본 발명의 실시예를 적용할 수 있다. 또한, 광학 기기는 스마트폰, 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 휴대용 장치로 구현될 수 있다. 이러한 광학 기기는 카메라 모듈, 영상을 출력하는 디스플레이부, 카메라 모듈과 디스플레이부를 실장하는 본체 하우징을 포함할 수 있다. 광학기기는 본체 하우징에 타 기기와 통신할 수 있는 통신모듈이 실장될 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 메모리부를 더 포함할 수 있다.

Claims (8)

1. 캐비티를 포함하는 플레이트;

   상기 캐비티 내에 배치되는 복수의 액체;

   상기 플레이트의 제1 면 상에 배치되는 제1 전극; 및

   상기 플레이트의 제2 면 상에 배치되는 제2 전극을 포함하고,

   상기 복수의 액체는,

   제1 굴절율을 가지는 전도성의 제1 액체; 및

   상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 가지며, 비전도성의 제2 액체를 포함하는

   액체 렌즈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 굴절율은,

   상기 제1 굴절율보다 0.05 이상 작은

   액체 렌즈.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 액체를 구성하는 물질 중 적어도 하나의 분자구조는

   플루오린(F) 원소를 포함하는

   액체 렌즈.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 제2 액체는 Trifluoroacetic anhydride, Perfluorocyclobutane, 2H-Perfluoro-5-methyl-3,6-dioxanonane 중 어느 하나를 포함하는

   액체 렌즈.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 액체 및 상기 제2 액체의 아베수는 아래의 식을 만족하는 액체 렌즈.

   0<ΔV<50

   상기 Δ는 제2 액체의 아베수에서 제1 액체의 아베수를 뺀 값이다.
6. 전도성 액체와 비전도성 액체를 포함하고 상기 전도성 액체와 상기 비전도성 액체가 배치되는 캐비티를 포함하는 액체 렌즈;

   상기 액체 렌즈와 고체렌즈가 배치되는 홀더;

   상기 액체렌즈와 연결되는 제1기판; 및

   상기 제1기판과 전기적으로 연결되고 이미지 센서가 배치되는 제2기판을 포함하고,

   상기 전도성 액체의 굴절율은 상기 비전도성 액체의 굴절율보다 큰 카메라 모듈.
7. 제6 항에 있어서,

   상기 비전도성 액체는, Trifluoroacetic anhydride, Perfluorocyclobutane, 2H-Perfluoro-5-methyl-3,6-dioxanonane 중 어느 하나를 포함하는

   카메라 모듈.
8. 제5항에 있어서,

   상기 전도성 액체 및 비전도성 액체의 아베수는 아래의 식을 만족하는

   카메라 모듈.

   0<ΔV<50

   상기 Δ는 제2 액체의 아베수에서 제1 액체의 아베수를 뺀 값이다.

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