KR20140026093A - 기포 제거가 가능한 전기습윤 장치 및 이를 구비한 전기습윤 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기습윤 장치 내에서 발생한 기포를 제거하는 장치와 이를 이용한 전기습윤 렌즈에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 전기습윤 렌즈는 각각 평행하게 구비되는 한 쌍의 투명 플레이트; 상기 한쌍의 투명 플레이트 사이에 구비되고, 내측에 공간부를 형성하는 구동부; 및 상기 공간부 내에 구비되며 상호 계면을 형성하는 투명 극성 유체 및 투명 비극성 유체;를 포함하되, 상기 구동부는 전기장을 생성하는 전극쌍과, 상기 전극쌍을 절연하는 절연부재와, 상기 전극쌍에 전력이 공급되는 경우 친수성으로 변환되는 소수성 부재와, 촉매 반응에 의하여 상기 극성 유체와 비극성 유체 내의 버블을 이온화시키는 촉매부재를 포함한다.
본 발명에 따른 플레티늄 또는 팔라듐에 의한 촉매부재는 전기습윤 장치 내에서 절연체 파괴 또는 절연체의 복구 과정에서 발생하는 기포를 제거할 수 있으며, 또한 촉매부재의 구조적 특징과 테플론 코팅층을 형성함으로써 촉매부재와 극성 유체(물)의 접촉면적을 증가시켜 기포의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

기포 제거가 가능한 전기습윤 장치 및 이를 구비한 전기습윤 렌즈{Electro-wetting devices enable to eliminate bubble therein and Electro-wetting lens having the same}
본 발명은 전기습윤 장치 내에서 발생한 기포를 제거하는 장치와 이를 이용한 기포 제거 방법에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 카메라 및 광학 기기들은 서로 다른 위치에 놓인 물건에 대한 수차를 보정하기 위해서 기계적인 렌즈의 움직임이 필요하며 이에 따른 전력소모가 요구된다.
전기습윤 기술은 도 1에 도시된 바와 같이 전해액과 고체표면 사이에 전위차를 발생시켜 전해액의 표면장력을 제어함으로써 접촉각을 인위적으로 변화시킬 수 있는 기술이다. 이 기술은 전력소모가 적고, 기계적인 움직임이 없어 반영구적 사용이 가능하다.
전기 습윤을 이용한 장치는 높은 전압 등의 이유로 절연층이 파괴되었을 시 제 기능을 하지 못하는 문제점이 있다. 전기 습윤에서 절연층 파괴에 의한 장치의 기능 정지를 막기 위해 전극으로 쓰인 알루미늄 층을 산화시켜 장치 내부에서 절연층을 자체적으로 복구시키는 연구가 이미 진행된 바 있다.
그러나 도 2a에 도시된 바와 같이 전기습윤장치의 절연층이 손상(breakdown)되는 경우 기포가 발생할 수 있으며, 또한 도 2b에 도시된 바와 같이 전기 분해로 생성된 산소와 알루미늄의 합성물에 의하여 손상된 절연층을 자체적으로 복구하는 과정에서 수소 가스에 의한 기포가 발생할 수 있다. 이렇게 발생한 기포는 물과의 굴절율 차이가 커서 광학 장치의 성능을 크게 저하시키는 문제점이 발생한다. 즉, 전기습윤 현상 중 생성된 기포는 물이나 오일과 굴절률 차이가 매우 크기 때문에, 광학장치의 성능을 방해 할 수 있다.
본 발명은 전기습윤 장치 내에서 절연층의 손상과정에서 발생하는 기포와 손상된 절연층의 회복과정에서 발생하는 기포를 자체적으로 제거할 수 있는 수단을 제공한다.
본 발명은 전기습윤 장치, 특히 전기습윤 렌즈와 같이 기포의 발생에 의하여 자체의 성능이 크게 감소하는 경우 해당 기포를 제거함으로써 해당 장치의 광학적 성능을 회복할 수 있다.
본 발명에 따른 기포 제거가 가능한 전기습윤 장치는 적어도 둘 이상의 전극에 인가되는 전압에 따라 극성 유체, 비극성 유체 사이의 계면 형상과 상기 극성 유체의 접촉각을 변동시키는 전기 습윤 장치; 및 촉매 반응에 의하여 상기 극성 유체와 비극성 유체 내의 버블을 이온화시키는 촉매부를 포함한다.
또한 상기 촉매부는 상기 전극들 중 어느 하나의 전극에 인접하도록 구비될 수 있다.
또한 상기 촉매부는 상기 극성 유체에 노출되도록 구비될 수 있다.
또한 상기 촉매부는 상기 적어도 둘 이상의 전극들 중 어느 하나의 전극으로 기능할 수 있다.
또한 상기 촉매부는 그라운드 전극일 수 있다.
또한 상기 촉매부는 플레티늄(Pt) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나의 재질을 포함할 수 있다.
또한 상기 촉매부의 적어도 일부 표면에는 테프론 코팅층이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기습윤 렌즈는 각각 평행하게 구비되는 한 쌍의 투명 플레이트; 상기 한쌍의 투명 플레이트 사이에 구비되고, 내측에 공간부를 형성하는 구동부; 및 상기 공간부 내에 구비되며 상호 계면을 형성하는 투명 극성 유체 및 투명 비극성 유체;를 포함하되, 상기 구동부는 전기장을 생성하는 전극쌍과, 상기 전극쌍을 절연하는 절연부재와, 상기 전극쌍에 전력이 공급되는 경우 친수성으로 변환되는 소수성 부재와, 촉매 반응에 의하여 상기 극성 유체와 비극성 유체 내의 버블을 이온화시키는 촉매부재를 포함한다.
또한 상기 상기 전극쌍 중 어느 하나의 전극은 상기 촉매부재와 일체형으로 형성될 수 있다. 나아가 상기 촉매부재는 그라운드 전극일 수 있다.
또한 상기 구동부는 링 형상으로 형성될 수 있다.
나아가 상기 구동부는 링형상으로 형성된 상기 촉매부재, 상기 절연부재 및 상기 소수성 부재가 적층되어 형성될 수 있다.
또한 상기 촉매부재는 상기 공간부 측으로 돌출되어 상기 절연부재와 단차가 형성될 수 있다.
또한 상기 촉매부재는 플레티늄(Pt) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나의 재질을 포함할 수 있다.
또한 상기 촉매부재 중 상기 공간부측으로 노출되는 표면은 테프론 코팅층이 형성될 수 있다.
또한 상기 한 쌍의 투명 플레이트 중 상기 극성 유체와 접촉하는 투명 플레이트는 친수성일 수 있다.
본 발명에 따른 플레티늄 또는 팔라듐에 의한 촉매부재는 전기습윤 장치 내에서 절연체 파괴 또는 절연체의 복구 과정에서 발생하는 기포를 제거할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 촉매부재의 구조적 특징과 테플론 코팅층을 형성함으로써 촉매부재와 극성 유체(물)의 접촉면적을 증가시켜 기포의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 전기습윤 현상을 설명하기 위한 사진이다.
도 2a는 절연층 파괴로 인한 기포발생현상을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2b은 절연층 회복 중의 기포발생현상을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 렌즈를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.
도 5는 내지 도 8은 일 실시예에 따른 전기습윤 렌즈 내의 기포를 제거하는 단계를 순차적으로 나타내는 종단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
전기습윤기술(Electrowetting-on-dieletric, EWOD)이란 전기를 이용하여 극성/비극성(절연/비절연, 전도성/비전도성)의 유체 방울의 접촉각을 변화시키는 방법을 말하며, 구체적으로는 절연체로 코팅된 전극 위에 극성 유체와 비극성 유체가 맞닿아 있을 때 외부에서 전극과 극성 유체에 전압을 인가하여 극성 유체의 표면장력을 제어함으로써 극성 유체의 접촉각과 계면의 형상을 변화시키는 것이다. 이하에서느 일 실시예에 따른 전기습윤 렌즈를 설명한다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기습윤 렌즈를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.
본 실시예에 따른 전기습윤 렌즈는 전체적으로는 일반적인 렌즈와 같이 원통형상으로 형성된다. 도 3에 도시된 바와 같이 전기습윤 렌즈의 상부 및 하부에는 투명 플레이트(10a, 10b)가 구비된다. 투명 플레이트(10a, 10b)는 서로 평행하게 구비되어 전기습윤 렌즈의 상부 및 하부를 형성하며 내부에 일정한 공간부를 형성한다. 한편, 상부의 투명 플레이트(10a)는 극성 유체(물)와의 접촉성을 향상시키기 위하여 친수성 재질로 형성되거나, 친수성 물질로 코팅처리하는 것이 바람직하다.
한편, 구동부는 링형상으로 형성되어 본 실시예에 따른 전기습윤 렌즈의 외주면을 구성하는 구성부이다. 구동부는 촉매부재(40), 절연부재(50) 및 소수성부재(60)를 포함한다.
촉매부재(40)는 플레티늄(Pt)이나 팔라듐(Pd) 등의 재질로 형성될 수 있으며, 그라운드 전극으로서 기능한다. 촉매부재(40)가 촉매로서 기능하는 경우 촉매반응을 통하여 촉매부재(40) 외측에 부착된 버블과 반응하여 해당 버블을 이온화시킴으로써 서서히 제거한다. 한편, 촉매부재(40)는 촉매반응을 위한 촉매로서의 역할과 그라운드 전극으로서의 기능을 동시에 수행하기 때문에 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 본 실시예에서와 같이 촉매부재(40) 단일의 구성부로서 구현되는 방식 이외에도, 별도의 그라운드 전극과 촉매재질의 메탈이 적층된 형태로도 구현이 가능하며, 그라운드 전극에 촉매 메탈 코팅층을 형성하는 방식도 가능하다. 즉, 본 발명에 따른 촉매부재는 그라운드 전극 주위에 구비되어 전기습윤 렌즈의 내부 공간부측으로 노출되는 것으로 충분하다. 한편, 촉매부재(40)의 표면 중 내측 공간부로 노출된 표면은 테프론 처리 등에 의하여 다공성 코팅층을 형성할 수 있다. 촉매부재(40)의 표면에 다공성 코팅층을 형성함으로써 촉매부재(40)의 표면에 기포가 용이하게 접착될 수 있도록 할 수 있다.
절연부재(50)는 상술한 촉매부재(40)와 소수성 부재(60)의 사이에 구비되어 그라운드 전극의 기능을 하는 촉매부재(40)와 전력을 공급받는 소수성 부재(60)를 절연하는 기능을 한다.
소수성 부재(60)는 전극의 표면에 소수성 재질의 코팅층을 형성하는 방식으로 구현될 수 있다. 소수성 부재(60)는 전력이 공급되는 경우 상술한 촉매부재(40)와의 사이에서 발생하는 전기장에 의하여 소수성 부재(60)의 표면이 친수성으로 전환된다. 다만 앞서 설명한 촉매부재(40)의 경우와 같이 전기습윤 기술을 이용하여 전력이 공급되는 경우 소수성 부재(60)의 표면이 친수성으로 전환되면 충분하며, 그 구현 방식에는 제한이 없다. 또한 현재 공개되어 있는 다양한 방식의 전기습윤 기술이 응용될 수 있다.
전기습윤 렌즈의 내측 공간부에는 극성 유체(물, 20)와 비극성 유체(30)가 구비된다. 상부의 투명 플레이트(10a)측에는 극성 유체(20)가 구비되고, 하부의 투명 플레이트(10b) 측에는 비극성 유체(30)가 구비된다. 극성 유체(물)와 비극성 유체(30)는 일정한 계면을 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이 촉매부재(40)와 소수성 부재(60)에 외부의 전력이 공급(voltage on)되는 경우에는 소수성 부재(60)의 표면은 친수성으로 전환되어 극성 유체(20)와 소수성 부재(60)의 접촉면적이 증가하게 되며, 그 결과 극성 유체(20)와 비극성 유체(30) 사이의 계면(P1)은 위로 볼록한 형상으로 형성된다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 촉매부재(40)와 소수성 부재(60)에 공급되던 외부의 전력이 중단(voltage off)되는 경우에는 소수성 부재(60)의 표면이 다시 소수성으로 전환된다. 그 결과 비극성 유체(30)와 소수성 부재(60)의 접촉면적이 증가하게 되고, 극성 유체(20)와 비극성 유체(30) 사이의 계면(P1)은 아래로 볼록한 형상으로 형성된다. 한편, 극성 유체(20)와 비극성 유체(30)는 렌즈로서 기능하여야 하기 때문에 투명한 유체를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
위와 같이 본 실시예는 전기습윤 렌즈 내의 기포를 제거하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 이와 같이 촉매반응을 이용하여 전기습윤 렌즈 내의 기포를 제거하는 기술은 전기습윤 기술을 이용하는 다양한 장치에 응용될 수 있다.
즉, 촉매반응을 유도하는 촉매부재는 적어도 둘 이상의 전극에 인가되는 전압에 따라 극성 유체, 비극성 유체 사이의 계면 형상과 상기 극성 유체의 접촉각을 변동시키는 전기 습윤 장치내에 구비됨으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 촉매부재를 전기습윤 장치 내에 구비되는 극성 유체(또는 비극성 유체)에 노출되도록 구비함으로써 해당 극성 유체에 존재하는 기포를 이온화시켜 서서히 제거할 수 있다. 촉매부재의 표면에 다공성 코팅층을 형성함으로써 기포의 부착을 용이하게 하는 것도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하여 전기습윤 렌즈 내의 기포를 제거하는 방법을 설명한다. 도 5는 내지 도 8은 일 실시예에 따른 전기습윤 렌즈 내의 기포를 제거하는 단계를 순차적으로 나타내는 종단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 전기 습윤 장치에서 절연층 파괴 시 혹은 절연층 자체 회복을 위해 알루미늄 로드를 이용한 회복 과정에서 전기습윤 렌즈 내에 기포(5)가 발생할 수 있다. 광학적 전기 습윤 장치에서 발생하는 기포와 극성 유체간의 굴절율의 차이는 극성 유체(20)와 비극성 유체(30) 간의 굴절률 차이보다 많기 때문에 광학 장치의 성능에 이상을 발생시킨다.
전기습윤 렌즈 내에 발생한 기포(5)를 없애기 위해서는 먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 외부의 전력을 촉매부재(40)와 소수성 부재(60) 사이에 공급한다. 촉매부재(40)와 소수성 부재(60)에 전력이 공급되면, 소수성 부재(60)의 표면이 친수성으로 전환되며, 극성 유체(20)와 소수성 부재(60)의 접촉면적이 증가하는 방향으로 진행된다. 그 결과 비극성 유체(30)의 중앙부분이 밀려 올라가게 되고, 극성 유체(20)는 중심축을 기준으로 외곽방향으로 밀려나게 된다. 이 때 극성 유체(20)가 외측으로 밀려남에 따라 극성 유체(20)에 포함되어 있는 기포(5)도 함께 외곽방향, 즉 촉매부재(40)를 향하여 이동하게 된다. 기포(5)는 극성 유체(20)의 이동에 따라 함께 움직이다가 다공성 코팅층이 형성되어 있는 촉매부재(40)에 부착된다.
한편, 기포(5)가 부착될 수 있는 표면적을 증가시키기 위하여 촉매부재(40)를 내부 공간부 측으로 돌출되도록 형성하여 절연부재(50)와 단차가 형성되도록 할 수 있다. 이 경우 도 7에 도시된 바와 같이 기포(5)가 부착될 수 있는 표면적이 증가됨으로써 기포(5)가 보다 용이하게 부착될 수 있다.
기포(5)가 부착된 이후에는 촉매부재(40)에 부착된 기포(5)와 촉매부재(40)의 성분, 즉 플레티늄 또는 팔라듐과의 촉매반응에 의하여 기포(5)가 이온화된다. 기포(5)가 이온화됨에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 기포(5)의 사이즈가 점차적으로 줄어들게 되며, 결국 소멸한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 기포 제거가 가능한 전기습윤 장치 및 이를 구비한 전기습윤 렌즈로 구현될 수 있다.
10a, 10b: 투명 플레이트 20: 극성 유체(물)
30: 비극성 유체 40: 촉매부재
50: 절연부재 60: 소수성 부재

Claims (16)

  1. 적어도 둘 이상의 전극에 인가되는 전압에 따라 극성 유체, 비극성 유체 사이의 계면 형상과 상기 극성 유체의 접촉각을 변동시키는 전기 습윤 장치; 및
    촉매 반응에 의하여 상기 극성 유체와 비극성 유체 내의 버블을 이온화시키는 촉매부를 포함하는 기포 제거가 가능한 전기습윤 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부는 상기 전극들 중 어느 하나의 전극에 인접하도록 구비되는 전기습윤 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매부는 상기 극성 유체에 노출되도록 구비되는 전기습윤 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부는 상기 적어도 둘 이상의 전극들 중 어느 하나의 전극으로 기능하는 전기습윤 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 촉매부는 그라운드 전극인 전기습윤 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부는 플레티늄(Pt) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나의 재질을 포함하는 전기습윤 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부의 적어도 일부 표면에는 다공성 코팅층이 형성되는 전기습윤 장치.
  8. 각각 평행하게 구비되는 한 쌍의 투명 플레이트;
    상기 한쌍의 투명 플레이트 사이에 구비되고, 내측에 공간부를 형성하는 구동부; 및
    상기 공간부 내에 구비되며 상호 계면을 형성하는 투명 극성 유체 및 투명 비극성 유체;를 포함하되,
    상기 구동부는 전기장을 생성하는 전극쌍과, 상기 전극쌍을 절연하는 절연부재와, 상기 전극쌍에 전력이 공급되는 경우 친수성으로 변환되는 소수성 부재와, 촉매 반응에 의하여 상기 극성 유체와 비극성 유체 내의 버블을 이온화시키는 촉매부재를 포함하는 전기습윤 렌즈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상기 전극쌍 중 어느 하나의 전극은 상기 촉매부재와 일체형으로 형성되는 전기습윤 렌즈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 촉매부재는 그라운드 전극인 전기습윤 렌즈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 구동부는 링 형상으로 형성되는 전기습윤 렌즈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구동부는 링형상으로 형성된 상기 촉매부재, 상기 절연부재 및 상기 소수성 부재가 적층되어 형성되는 전기습윤 렌즈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매부재는 상기 공간부 측으로 돌출되어 상기 절연부재와 단차가 형성되는 전기습윤 렌즈.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 촉매부재는 플레티늄(Pt) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 어느 하나의 재질을 포함하는 전기습윤 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 촉매부재 중 상기 공간부측으로 노출되는 표면은 테프론 코팅층이 형성되는 전기습윤 렌즈.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 한 쌍의 투명 플레이트 중 상기 극성 유체와 접촉하는 투명 플레이트는 친수성인 전기습윤 렌즈.
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