KR101939272B1

KR101939272B1 - 미소 전기 유체 방식의 개구 조절 장치

Info

Publication number: KR101939272B1
Application number: KR1020130001783A
Authority: KR
Inventors: 정규동; 장종현; 이승완; 이은성; 최민석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2019-04-10
Also published as: US20140192218A1; KR20140089850A; US9207448B2

Abstract

광이 투과되는 개구가 조절되는 개구 조절 장치가 개시된다. 개시된 개구 조절 장치는 유체가 유동되는 공간을 구성하는 것으로, 하부 채널, 상부 채널 및 상기 하부 채널과 상부 채널을 연결하며 유체의 유동 방향을 가로지르는 폭이 불균일한 복수의 레저버 영역을 구비하는 챔버; 상기 챔버 내에 마련된 것으로, 광차단성의 제1유체 및 상기 제1유체와 혼합되지 않는 성질을 가지며, 투광성의 제2유체; 상기 하부 채널에 마련된 것으로, 상기 챔버 내에 전기장을 형성하기 위해 전압이 인가되는 하나 이상의 전극들이 어레이된 제1전극부;를 포함하며, 전기장에 따른 상기 제1유체와 상기 제2유체간 계면 위치 변화에 의해 광이 투과되는 개구가 조절된다.

Description

미소 전기 유체 방식의 개구 조절 장치{Apparatus for adjusting aperture using microelectrofluidic method}

본 개시는 미소전기유체 방식을 이용하여 광이 투과되는 개구를 조절하는 개구 조절 장치에 관한 것이다.

광의 투과율을 조절, 제어하는 기술은 영상을 획득하는 장치에서 조리개나 셔터로, 또는 영상을 표시하는 장치에서 개개의 화소를 구동하기 위해 널리 사용되는 기술이다.

기존 광학시스템에서 일반적으로 사용되는 가변 조리개는 주로 여러 개의 금속 블레이드(blade)를 조작하는 방식을 사용하여 왔는데, 기계적 움직임, 마찰력, 움직이는 기계 요소의 사용은 소형화를 제한하는 요인이 된다.

전열 또는 정전기 방식의 MEMS 조리개가 소개된 바 있으나, 개구부(aperture)가 비원형(non-circular)이고 블레이드 사이에 틈이 존재하며, 전체 소자 면적에 비해 최대 개구율이　1% 이하로 낮은 문제가 있다.

한편, 미소광학(micro-optics)과 미세유체시스템(microfluidics)을 결합한 광유체 기술(optofluidic technology)의 발전과 함께, 공압(air pressure)으로　PDMS 멤브레인을 변형시켜 개구율을 조정하는 가변 조리개를 제안된 바 있다. 3차원 구조체와 모세관힘(capillary force)을 이용하여 가변 조리개의 해상도가 개선되었다. 이러한 조리개는 기존의 MEMS 조리개에 비해 개구율이 높은 장점이 있으나, 구동을 위해 주사기펌프를 사용하여야 하는 단점이 있다.

또한, 최근에는 유전력(dielectric force)을 구동 원리로 하는 액체 렌즈를 이용한 조리개가 발표된 바 있는데, 이는 외부 구동 펌프없이 조리개 바닥의 전기 배선만으로 개구율을 조절할 수 있는 장점이 있다.

본 개시는 본 개시는 미소전기유체 방식을 이용하여 광이 투과되는 개구를 조절하는 개구 조절 장치에 관한 것이다.

일 유형에 따르는 개구 조절 장치는 유체가 유동되는 공간을 구성하는 것으로, 하부 채널, 상부 채널 및 상기 하부 채널과 상부 채널을 연결하며 유체의 유동 방향을 가로지르는 폭이 불균일한 복수의 레저버 영역을 구비하는 챔버; 상기 챔버 내에 마련된 것으로, 광차단성의 제1유체 및 상기 제1유체와 혼합되지 않는 성질을 가지며, 투광성의 제2유체; 상기 하부 채널에 마련된 것으로, 상기 챔버 내에 전기장을 형성하기 위해 전압이 인가되는 하나 이상의 전극들이 어레이된 제1전극부;를 포함하며, 전기장에 따른 상기 제1유체와 상기 제2유체간 계면 위치 변화에 의해 광이 투과되는 개구가 조절된다.

상기 제1유체와 제2유체 중 어느 하나는 극성 유체이고, 다른 하나는 비극성 유체일 수 있다.

상기 챔버는 상기 제1전극부가 마련된 제1기판; 상기 제1기판 상에 이격 배치되며, 상기 복수의 레저버 영역에 각각 대응하는 복수의 관통홀이 형성된 제2기판; 상기 제2기판 상에 이격 배치되는 제3기판; 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이의 공간을 둘러싸는 제1스페이서; 상기 제2기판과 상기 제3기판 사이의 공간을 둘러싸는 제2스페이서;를 포함할 수 있다.

상기 레저버 영역은 상기 레저버 영역 내에서 제1유체 표면의 곡률이 상기 하부 채널 내에서 제1유체 표면의 곡률보다 작도록 그 형상이 정해질 수 있다.

상기 복수의 관통홀의 측면은 상기 제2기판 면에 대해 소정 각으로 기울어진 형상으로 형성될 수 있다.

상기 관통홀의 측면의 외각은 상기 제1유체에 대한 소수성 계면에서 상기 제1유체가 형성하는 접촉각에 대응하는 크기로 정해질 수 있다.

상기 복수의 관통홀은 원뿔대 형상일 수 있다.

상기 복수의 관통홀은 중심부의 폭이 좁은 절구 형상일 수 있다.

상기 복수의 관통홀은 상기 제2기판의 외주부를 따라 형성될 수 있다.

상기 제2기판의 중앙부에 관통홀이 더 형성될 수 있다.

상기 제1유체는 상기 하부 채널의 중심부를 벗어난 주변부 및 레저버 영역에 배치될 수 있다.

상기 제1유체의 유동은 상기 레저버 영역 및 상기 하부 채널의 영역 내로 국한되며, 상기 상부 채널로 이동하지 않을 수 있다.

상기 제1전극부는 절연층으로 코팅된 하나 이상의 환형 전극을 포함할 수 있고, 상기 절연층은 상기 제1유체에 대해 소수성 표면 처리될 수 있다.

상기 제2기판의 하면에 하나 이상의 전극을 구비하는 제2전극부;를 더 포함할 수 있다.

상기 제2전극부는 절연층으로 코팅된 하나 이상의 환형 전극을 포함할 수 있고, 상기 절연층은 상기 제1유체에 대해 소수성 표면 처리될 수 있다.

상기 챔버 내에, 상기 제1유체와 상기 제2유체 중 극성 액체에 접하는 위치에 접지 전극이 더 마련될 수 있고, 상기 접지 전극은 상기 제1기판 상에 마련될 수 있다.

상기 제3기판 상의 중심부에는 상기 하부 채널과 상기 상부 채널을 투과한 광을 차단할 수 있는 불투명패턴부가 더 형성될 수 있다.

상기 불투명패턴부는 상기 제1유체와 상기 제2유체의 유동에 따라 정해지는 개구의 최소 크기에 대응하는 크기를 가질 수 있다.

또한, 일 유형에 따르는 영상 획득 장치는 상술한 어느 하나의 개구 조절 장치; 상기 개구 조절 장치를 통해 입사된 광으로부터 피사체의 상을 형성하는 결상부; 상기 결상부에서 형성된 상을 전기 신호로 변환하는 촬상 소자;를 포함한다.

또한, 일 유형에 따르는 영상 표시 장치는 영상 형성용 광을 제공하는 광원부; 상기 광원부에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 것으로, 상술한 어느 하나의 개구 조절 장치 다수개가 어레이 되어 이루어진 디스플레이 패널;을 포함한다.

상기 디스플레이 패널은 상기 제2유체가 제1컬러를 나타내도록 구성된 상술한 어느 하나의 개구 조절 장치; 상기 제2유체가 제2컬러를 나타내도록 구성된 상술한 어느 하나의 개구 조절 장치; 상기 제2유체가 제3컬러를 나타내도록 구성된 상술한 어느 하나의 개구 조절 장치;를 포함한다.

상기 디스플레이 패널의 상부에 상기 다수의 개구 조절 장치에 각각 대응되는 컬러 영역을 가지는 컬러 필터가 더 배치될 수 있다.

상술한 개구 조절 장치는 외부 구동 펌프나 기계 장치가 필요하지 않은 밀폐 구조로 다루기가 용이하며, 제작이 용이하다.

또한, 표면장력에 의해 원형의 개구부를 가지며 소형화가 용이하다.

또한, 연결된 두 채널에서 유체계면의 압력차와, 두 기판 사이에서의 동시 전기 습윤 구동을 이용하므로 조리개 개폐 속도가 빠르며 전력 소모가 낮다.

또한, 유체의 전진, 후진시, 즉, 개구 개폐시의 속도 차이가 적어 개구 제어가 용이하다.

또한, 광을 차단하는 성질의 유체는 하부 채널과 레저버 내에 배치되고 상부 채널에는 배치되지 않는 구조로, 개구율이 높다.

도 1은 실시예에 따른 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 분리 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이며, 각각 다른 크기의 개구가 형성된 것을 보인다.
도 3은 도 1의 개구 조절 장치의 개구 개폐시의 속도를 비교예와 비교한 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 8은 도 7의 개구 조절 장치의 개구 개폐시의 속도를 비교예와 비교한 그래프이다.
도 8는 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 11은 실시예에 따른 영상 획득 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 12는 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 구조를 보인다.
도 13은 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치의 개략적인 구조를 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 개구 조절 장치(100)의 개략적인 구조를 보이는 분리 사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 개구 조절 장치(100)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이며, 각각 다른 크기의 개구가 형성된 것을 보인다. 다만, 도 1의 사시도에서는 일부 구성요소가 편의상 생략되어 있다.

도면들을 참조하면, 개구 조절 장치(100)는 유체가 유동되는 공간을 구성하는 것으로 하부 채널(C1), 상부 채널(C2) 및 하부 채널(C1)과 상부 채널(C2)을 연결하는 레저버 영역(R)을 구비하는 챔버(CH)와, 챔버(CH) 내에 마련된 것으로, 광차단성의 제1유체(F1) 및 제1유체(F1)와 혼합되지 않는 성질을 가지며, 투광성의 제2유체(F2), 챔버(CH) 내에 전기장을 형성하기 위해 전압이 인가되는 하나 이상의 전극들이 어레이된 제1전극부(120)를 포함한다. 전기장에 따라, 제1유체(F1)와 제2유체(F2)간 계면 위치가 변하여 광이 투과되는 개구가 조절된다. 또한, 실시예의 개구 조절 장치(100)는 개구 개폐의 동작시 유체가 원활히 유동되게 하는 형상의 레저버 영역(R)을 제시하고 있다. 레저버 영역(R)은 레저버 영역(R) 내에서의 유체 유동 방향을 가로지르는 폭이 일정하지 않고 불균일하게 형성될 수 있다.

보다 상세한 구성과 작용을 살펴보면 다음과 같다.

챔버(CH)는 제1전극부(120)가 마련된 제1기판(110), 제1기판(110) 상에 이격 배치되며, 복수의 레저버 영역(R)에 각각 대응하는 복수의 관통홀이 형성된 제2기판(150), 제2기판(150) 상에 이격 배치되는 제3기판(190), 제1기판(110)과 제2기판(150) 사이의 공간을 둘러싸는 제1스페이서(130), 제2기판(150)과 제3기판(190) 사이의 공간을 둘러싸는 제2스페이서(170)를 포함한다. 또한, 제2기판(150)의 중앙부에도 관통홀(TH)이 더 형성될 수 있다.

하부 채널(C1)은 제1기판(110), 제2기판(150), 제1스페이서(130)에 의해 형성되고, 상부 채널(C2)은 제2기판(150), 제3기판(190), 제2스페이서(170)에 의해 형성되며, 레저버 영역(R)은 제2기판(150)의 주변부에 형성된 관통홀에 의해 형성된다.

제1유체(F1)는 하부 채널(C)의 중심부를 벗어난 주변부 및 레저버 영역(R)에 걸쳐 배치되고, 제2유체(F2)는 상부 채널(C2) 및 하부 채널(C1)의 중심부에 걸쳐 배치된다.

챔버(CH)의 내면은 소수성 표면 처리 될 수 있고, 예를 들어 제1유체(F1)의 유동 공간인 하부 채널(C1)의 내면은 소수성 표면 처리될 수 있다. 이를 위해, 소수성 표면 처리된 제1기판(110), 제2기판(150), 제1스페이서(130)를 사용할 수 있다. 또는 제1전극부(120)를 코팅하는 절연층(127)의 표면을 소수성 표면 처리할 수 있다.

레저버 영역(R)을 형성하는 관통홀의 측면은 제2기판(150) 면에 대해 소정 각으로 기울어진 형상일 수 있다. 예를 들어, 상기 관통홀의 측면의 외각(θ)은 제1유체(F1)에 대해 소수성인 막 표면에서 제1유체(F1)가 형성하는 접촉각에 대응하는 크기로 정해질 수 있다. 예를 들어, 소수성 막 위에 놓인 액적은 액체 분자간 인력이 액체-고체 분자간 인력보다 크기 때문에 액체-고체간 접촉 면적을 최소화하려는 힘(계면장력, interfacial tension)이 작용하고 고체, 액체, 기체 3상의 각 계면장력에 의해 90° 이상의 접촉각을 가지게 된다. 이러한 접촉각은 유체의 종류 및 소수막 특성에 따라 정해지는 것이며, 실시예에서는 개구 조절 장치(100)에 사용하고자 하는 제1유체(F1)와 챔버(CH) 내면의 소수성 성질을 고려하여, 레저버 영역(R)의 측면 경사각을 정한다. 레저버 영역(R)의 이러한 형상에 따라, 레저버 영역(R) 내에서 제1유체(F1)의 계면(RS)의 곡률은 작아지며, 예를 들어, 계면(RS)의 곡률은 하부 채널(C1) 내에 형성된 제1유체(F1) 계면(DS)의 곡률보다 작을 수 있다.

레저버 영역(R)을 이와 같은 형상으로 형성한 것은 레저버 영역(R) 내에 형성되는 계면(RS)의 곡률이 거의 없도록 하기 위한 것이다. 다시 말하면, 일반적으로, 유체 계면에서의 압력은 곡률에 비례하는데, 레저버 영역(R) 내에 형성된 계면(RS)에는 이러한 압력이 거의 형성되지 않게 하기 위한 것이다. 개구 조절 장치(100)에서 제1유체(F1)의 유동 속도는 하부 채널(C1)에 형성된 계면(DS)에서의 압력과 레저버 영역(R)에 형성된 계면(RS)에서의 압력의 차이에 의해 정해지는데, 레저버 영역(R)에 형성된 계면(RS)에서의 압력을 거의 0으로 함으로써, 제1유체(F1)의 전진, 후진시의 속도 차이가 줄어들게 된다. 여기서, '전진'은 도 2a와 같이, 제1유체(F1)가 채널(CH)의 중심부로 이동하여 개구가 좁아지는 동작을 의미하며, '후진'은 제2유체(F2)가 채널(CH)의 주변부로 이동하여 개구가 넓어지는 동작을 의미한다. 제1유체(F1)의 유동 속도는 구체적으로, 하부 채널(CH)에서 제1유체(F1) 계면(DS)의 위치 및 전진, 후진 여부에 따라 유체 유동 속도가 달라지는데, 개구 조절 장치(100)의 구동 성능은 최저 속도에 의해 정해진다. 즉, 유체 유동의 최저 속도를 높이는 설계가 필요하다.

레저버 영역(R)에 형성된 계면(RS)에서의 압력이 0보다 큰 소정 크기, Pr이고, 하부 채널(C1) 내에서 제1유체(F1) 계면(DS) 압력을 Pd라고 하면, 전진시의 속도는 Pd+Pr에 비례하며, 후진시의 속도는 Pd-Pr에 비례한다. 즉, 레저버 영역(R)에 형성된 계면(RS)에서의 압력, Pr이 클수록 전진, 후진시의 속도 차이가 커지며, 또한, 최저 속도가 낮아진다. 본 실시예에서는 Pr의 값을 거의 0에 가?게 하여, 전진, 후진 시의 속도 차이를 줄이고, 또한, 최저 속도가 높아져 전체적인 구동 속도를 향상시키도록 레저버 영역(R)의 형상을 형성하고 있다.

레저버 영역(R)을 형성하는 관통홀은 도시된 바와 같이 원뿔대 형상일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 레저버 영역(R)은 제2기판(150)의 외주부를 따라 복수개 구비된 것으로 도시되어 있으나, 도시된 개수에 한정되는 것은 아니다.

제1기판(110), 제2기판(150), 제3기판(190)은 투광성 소재, 예를 들어, 글래스나 투명 플라스틱 소재로 형성될 수 있다.

제1유체(F1)와 제2유체(F2) 중 어느 하나는 극성, 다른 하나는 비극성일 수 있다.

제1유체(F1)는 광을 차단 또는 흡수하는 성질을 가지는 유체로, 하부 채널(C1)의 중심부를 벗어난 주변부 및 레저버 영역(R)에 마련될 수 있다. 제1유체(F1)로는 액체 금속 또는 극성 액체가 사용될 수 있다. 제1유체(F1)로는 예를 들어, Hg와 같은 액체 금속, 또는 흡광 파장 영역에 맞게 염료를 녹인 용액이 채용될 수 있다. 이러한 염료로는 예를 들어, 가시광선 영역을 흡수하는 카본 블랙이나, 최대 흡광 파장이 약 968nm인 근적외선 흡수 염료로 Epoline(社)의 EpolightTM2717, 최대 흡광 파장이 약 1054nm인 근적외선 흡수 염료로 QCR Solution(社)의 NIR1054B가 있다.

제2유체(F2)는 제1유체(F1)와 혼합되지 않는 투광성의 유체로 예를 들어, 기체, 또는 비극성 액체가 채용될 수 있다.

제1유체(F1)는 하부 채널(C1) 및 레저버 영역(R) 내에 각각 계면(DS)(RS)을 형성하게 되며, 제1전극부(120)의 전압 인가에 따른 계면(DS)(RS)의 움직임에 의해 개구 크기가 조절된다.

제1전극부(120)는 제1기판(110) 상에 형성될 수 있고, 하나 이상의 전극을 포함한다. 제1전극부(120)는 절연층(127)으로 코팅되어 있으며, 절연층(127)의 표면은 제1유체(F1)에 대한 소수성 표면 처리될 수 있다.

제1전극부(120)는 개구의 디지털 제어를 위해 하나 이상의 전극을 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 동심 환형(concentric annulus)이고 반경이 다른 다수의 전극(121,122,123,124)으로 이루어질 수 있다. 다만, 제1전극부(120)를 구성하는 전극들의 형상이나 개수는 도시된 형상, 개수에 한정되지는 않으며 다양하게 변경될 수 있다.

접지 전극(140)는 챔버의 내부 어느 한 곳 이상에서 극성 유체와 접촉을 유지하도록 구비될 수 있으며, 예를 들어 극성의 제1유체(F1)와 접촉을 유지하도록 마련될 수 있으며, 도시된 바와 같이, 제1기판(110) 상에 배치될 수 있다.

제1전극부(120)를 이루는 전극은 투명 전도성 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide)등의 금속산화물, Au, Ag등의 금속 나노입자 분산 박막, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole(PPy), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등의 전도성 고분자등이 사용될 수 있다.

접지 전극부(140)는 배치 위치상 투광성이 요구되지 않을 수 있으므로, 투명 전도성 재질 뿐 아니라, Au, Ag, Al, Cr, Ti등 금속 박막으로 형성될 수 있다.

개구 조절 장치(100)는 전기 습윤 구동과, 하부 채널(C1)에서 제1전극부(120)와 접하는 제1유체(F1)의 계면(DS), 레저버 영역(R)내에서의 제1유체(F1)의 계면(RS) 사이의 압력차(?)에 의해, 제1유체(F1), 제2유체(F2)간 계면이 중심 방향 또는 그 반대 방향으로 이동하도록 조절되어 개구 크기가 변하게 된다.

전기 습윤 현상은 절연체로 코팅된 전극 상의 전해질 액적에 전압을 가하면 액적의 접촉각이 변하는 현상을 의미한다. 즉, 유체, 액적, 절연체가 만나는 삼상 접촉선(three-phase contact line, TCL)에서 각각의 계면장력에 따라 접촉각이 변한다. 전기 습윤 현상을 이용하는 경우, 낮은 전압을 사용하여 빠르고 효과적으로 유체의 유동을 제어할 수 있으며, 가역적으로 유체의 이송 및 제어가 가능하다.

제1전극부(120)의 어느 한 전극에 적절한 전압을 인가하면, 활성화된 구동전극, 예를 들어, 도 2a에 도시한 바와 같이, 전극(122) 위의 삼상 접촉선(three-phase contact line, TCL), 즉, 제1유체(F1), 제2유체(F2) 및 절연층(127)이 만나는 접선에서 전기기계적 힘이 작용하여 제1유체(F1)가 하부 채널(C1)을 통해 중심부로 이동하면서 개구가 축소되며, AD1의 개구 직경을 형성하게 된다.

또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 전극(123)에 전압이 인가된 경우, 제1유체(F1)가 하부 채널(C1)을 통해 레저버 영역(R)으로 이동하면서 개구가 축소되며, AD2의 개구 직경을 형성하게 된다.

제1전극부(120)를 도시된 바와 같이, 동심 환형의 다수 전극(121,122,123,124)으로 구성하는 경우, 활성화된 전극을 변화시킴에 따라 개구 크기를 디지털 방식으로 제어할 수 있다. 도시된 다수 전극(121,122,123,124)의 간격, 개수에 제한되지 않으며, 예를 들어, 다수 전극 간 간격, 개수를 조절하여, 개구 크기의 간격, 개수를 다양하게 정할 수 있다.

상술한 개구 조절 장치(100)는 제1유체(F1)의 유동에 있어, 레저버 영역(R) 내에서의 제1유체(F1) 계면(RS) 곡률을 최소화하는 형상의 레저버 영역(R)을 채용하고 있으며, 이에 따라 개구 개폐의 구동 속도가 향상된다. 또한, 제1유체(F1)의 유동은 레저버 영역(R) 및 하부 채널(C1)의 영역 내로 국한되도록 다수의 레저버 영역(R)의 크기, 개수, 하부 채널(C1)의 높이, 제1유체(F)의 양을 정할 수 있고, 이 경우, 상부 채널(C2)에는 투광성의 제2유체(F2) 만이 배치되고, 광을 차단하는 성질의 제1유체(F1)는 상부 채널(C2)로 이동하지 않기 때문에, 개구율이 향상된다.

상술한 설명에서 광을 차단 또는 흡수하는 제1유체(F1)가 극성, 투광성의 제2유체(F2)가 비극성인 것을 예시하여 설명하였으나, 광을 차단 또는 흡수하는 제1유체(F1)가 비극성, 투광성의 제2유체(F2)가 극성을 가지도록 구성될 수 있으며, 이 경우 조리개 개폐 경향은 반대가 된다. 즉, 제1전극부(120)에 전압이 인가될 때, 개구(A)가 넓어지고, 제2전극부(180)에 전압이 인가될 때, 개구(A)가 축소된다.

도 3은 도 1의 개구 조절 장치(100)의 개구 개폐시의 속도를 비교예와 비교한 그래프이다.

비교예는 실시예와 달리, 레저버 영역의 폭을 일정하게 한 경우이다.

그래프에서 가로축은 하부 채널(C1)에서의 제1유체(F1) 계면(DS)의 위치를 나타내며, 세로축은 하부 채널(C1)에서의 제1유체(F1) 계면(DS) 압력과 레저버 영역(R)에서의 제1유체(F1) 계면(RS) 압력의 차이(ΔP)이다. 제1유체(F1)의 유동 속도는 ΔP에 비례한다.

그래프를 참조하면, 실시예의 경우, 비교예보다 압력차 최소값(ΔPmin)이 향상되는 것을 볼 수 있다.

도 4는 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치(101)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

본 실시예는 개구 조절 장치(101)가 개구가 완전히 차폐되는 셔터로도 기능할 수 있는 구조라는 점에서 도 1 내지 도 2b에서 설명한 개구 조절 장치(100)와 차이가 있다. 제3기판(190)상의 중심부에는 하부 채널(C1), 상부 채널(C2)을 투과한 광을 차단할 수 있는 불투명패턴부(230)가 더 형성되어 있다. 불투명패턴부(230)는 제1유체(F1), 제2유체(F2)의 유동에 의해 정해지는 개구의 최소 크기에 대응하는 크기로 형성될 수 있다. 즉, 제1전극부(120)에서 가장 중심부에 위치하는 전극(121)이 활성화될 때, 하부 채널(C1)의 삼상 접촉선이 최대한 중심부로 이동하여 최소 개구가 형성되며, 불투명패턴부(230)는 이에 대응하는 크기를 가질 수 있다. 또한, 이러한 최소 개구 상태에서 이를 투과한 광이 불투명패턴부(230)에 의해 차단되므로, 셔터가 완전히 닫힌 상태가 된다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치(102)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

본 실시예는 제2기판(150)의 하면에 하나 이상의 전극으로 이루어진 제2전극부(320)가 더 구비된 점에서 도 1 내지 도 2b에서 설명한 개구 조절 장치(100)와 차이가 있다. 제2전극부(320)는 제1전극부(120)와 함께, 하부 채널(C1)에서 발생하는 구동력을 증가시키는 역할을 한다. 제2전극부(320)는 절연층(327)으로 코팅된 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 절연층(327)은 제1유체(F1)에 대한 소수성 표면 처리가 되어 있을 수 있다. 제2전극부(320)는 하나 이상의 동심 환형의 전극으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 제2전극부(320)는 동심 환형이고 반경이 다른 다수의 전극(321,322,323,324)으로 이루어질 수 있으며, 다만, 도시된 형상, 개수에 한정되지는 않는다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치(103)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

본 실시예는 개구 조절 장치(103)가 개구가 완전히 차폐되는 셔터로도 기능할 수 있는 구조라는 점에서 도 5의 개구 조절 장치(102)와 차이가 있다. 즉, 제3기판(190)상의 중심부에는 하부 채널(C1), 상부 채널(C2)을 투과한 광을 차단할 수 있는 불투명패턴부(430)가 더 형성되어 있다. 불투명패턴부(430)는 제1유체(F1), 제2유체(F2)의 유동에 의해 정해지는 개구의 최소 크기에 대응하는 크기로 형성될 수 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치(200)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

본 실시예의 개구 조절 장치(200)는 레저버 영역(R)의 구체적인 형상에서 전술한 실시예들과 차이가 있다.

레저버 영역(R)을 형성하기 위해 제2기판(250)에 형성된 관통홀은 중심부의 폭이 좁은 절구 형상으로 되어 있다. 레저버 영역(R) 내에서 제1유체(F1)의 유동 방향을 가로지르는 폭은 하부에서 상부로 가며 좁아졌다가 다시 넓어지며, 도시된 바와 같이, 레저버 영역(R)의 측면은 외각이 θ인 경사면들이 대칭적으로 형성된 형태일 수 있다. θ는 제1유체(F1)에 대해 소수성인 막 표면에서 제1유체(F1)가 형성하는 접촉각에 대응하는 크기로 정해질 수 있다.

본 실시예도 레저버 영역(R) 내에서의 제1유체(F1) 계면(RS)의 곡률이 거의 0이 되는 점에서 전술한 실시예들과 동일하며, 하부 채널(C1)에서 제1유체(F1) 계면(DS) 위치 및 전진, 후진 여하에 따른 제1유체(F1)의 유동 속도의 최소값을 보다 높일 수 있는 구조를 갖는다.

도 8은 도 7의 개구 조절 장치(200)의 개구 개폐시의 속도를 비교예와 비교한 그래프이다.

도 9는 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치(201)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

본 실시예는 개구가 완전히 차폐되는 셔터로도 기능할 수 있도록 불투명패턴부(230)를 더 구비한 점에서 도 7의 개구 조절 소자(200)와 차이가 있다.

즉, 제3기판(190)상의 중심부에는 하부 채널(C1), 상부 채널(C2)을 투과한 광을 차단할 수 있는 불투명패턴부(230)가 더 형성되어 있다. 불투명패턴부(230)는 제1유체(F1), 제2유체(F2)의 유동에 의해 정해지는 개구의 최소 크기에 대응하는 크기로 형성될 수 있다.

도 10은 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치(202)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

본 실시예는 제2기판(150)의 하면에 하나 이상의 전극으로 이루어진 제2전극부(320)가 더 구비된 점에서 도 7의 개구 조절 장치(200)와 차이가 있다. 제2전극부(320)는 제1전극부(120)와 함께, 하부 채널(C1)에서 발생하는 구동력을 증가시키는 역할을 한다. 제2전극부(320)는 절연층(327)으로 코팅된 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 절연층(327)은 제1유체(F1)에 대한 소수성 표면 처리가 되어 있을 수 있다. 제2전극부(320)는 하나 이상의 동심 환형의 전극으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 제2전극부(320)는 동심 환형이고 반경이 다른 다수의 전극(321,322,323,324)으로 이루어질 수 있으며, 다만, 도시된 형상, 개수에 한정되지는 않는다.

도 11은 또 다른 실시예에 따른 개구 조절 장치(203)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

본 실시예는 개구가 완전히 차폐되는 셔터로도 기능할 수 있도록 불투명패턴부(430)를 더 구비한 점에서 도 10의 개구 조절 소자(202)와 차이가 있다.

도 12는 실시예에 따른 영상 획득 장치(500)의 개략적인 구조를 보인다.

영상 획득 장치(500)는 피사체(OBJ)로부터의 광이 입사되는 개구(A) 크기가 조절되는 가변 조리개(VA), 가변 조리개(VA)를 통해 입사된 광으로부터 피사체(OBJ)의 상을 형성하는 결상부(520), 결상부(520)에서 형성된 상을 전기 신호로 변환하는 촬상 소자(550)를 포함한다.

가변 조리개(VA)는 전술한 개구 조절 장치(100, 101, 102, 103, 200, 201, 202, 203)들 중 어느 하나가 채용될 수 있으며, 결상부(520)는 하나 이상의 렌즈를 포함하여 구성될 수 있다. 촬상 소자(550)로는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)등이 채용될 수 있다.

가변 조리개(VA)는 미소전기유체(microelectrofluidic) 방식을 사용하는 구조로 빠른 속도로 미세 구동이 가능하므로, 이를 채용하는 영상 획득 장치(500)는 OCT(optical coherence tomography), Microscope와 같은 의료 영상 기기로 활용되기에 적합하다.

도 13은 실시예에 따른 영상 표시 장치(600)의 개략적인 구조를 보인다.

영상 표시 장치(600)는 영상 형성용 광을 제공하는 광원부(620), 광원부(620)에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 디스플레이 패널(640)을 포함한다.

디스플레이 패널(640)은 전술한 개구 조절 장치(100, 101, 102, 103, 200, 201, 202, 203)들 중 어느 하나가 다수개 어레이된 구성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1소자(641), 제2소자(642), 제3소자(643)를 포함할 수 있으며, 제1소자(641)는 전술한 예들 중 하나의 개구 조절 장치로서, 제1컬러를 나타내는 투광성 유체(FR)를 구비하도록 구성되고, 제2소자(642)는 전술한 예들 중 하나의 개구 조절 소자로서, 제2컬러를 나타내는 투광성 유체(FG)를 구비하도록, 제3소자(643)는 전술한 예들 중 하나의 개구 조절 장치로서, 제3컬러를 나타내는 투광성 유체(FB)를 구비하도록 구성될 수 있다. 상기 제1컬러, 제2컬러, 제3컬러는 각각 적색, 녹색, 청색일 수 있다. 제1소자(641), 제2소자(642), 제3소자(643) 각각은 영상 정보에 따라 전극부 구동이 제어되어 광원부(620)로부터 입사되는 광을 투과시키거나 차단할 수 있으며, 또한, 투과모드에서 개구 크기가 조절될 수 있으므로 계조 표시가 가능하다.

도 14는 다른 실시예에 따른 영상 표시 장치(700)의 개략적인 구조를 보인다.

영상 표시 장치(700)는 영상 형성용 광을 제공하는 광원부(720), 광원부(720)에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 디스플레이 패널(740)을 포함하며, 디스플레이 패널(740)은 개구 조절 소자(745) 다수개가 어레이된 구성으로 이루어질 수 있다. 개구 조절 소자(745)는 전술한 개구 조절 장치(100, 101, 102, 103, 200, 201, 202, 203)들 중 어느 하나 또는 이들로부터의 변형예가 채용될 수 있다. 본 실시예의 영상 표시 장치(700)는 컬러 표시를 위한 컬러 필터(750)를 별도로 구비한 점에서 도 8의 영상 표시 장치(600)와 차이가 있으며, 즉, 디스플레이 패널(740)의 상부에 다수의 개구 조절 소자(745)에 각각 대응되는 컬러 영역(R, G, B)을 가지는 컬러 필터(750)가 배치된다.

개개의 개구 조절 소자(745)는 영상 정보에 따라 전극부 구동이 제어되어 광원부(720)로부터 입사되는 광을 투과시키거나 차단할 수 있으며, 또한, 투과 모드에서 개구 크기가 조절되어 컬러 필터(750)의 컬러 영역(R, G, B)에 입사되는 광량이 조절되므로 계조 표시가 가능하다.

이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100, 101, 102, 103, 200, 201, 202, 203,...개구 조절 장치
110...제1기판 120...제1전극부
127, 327...절연층 130...제1스페이서
140...접지 전극 150...제2기판
170...제1스페이서 190...제3기판
230, 430...불투명패턴부 320...제1전극부
520...결상부 550...촬상 소자
620, 720...광원부 640, 740... 디스플레이 패널

Claims

유체가 유동되는 공간을 구성하는 것으로, 하부 채널, 상부 채널 및 상기 하부 채널과 상부 채널을 연결하며 유체의 유동 방향을 가로지르는 폭이 불균일한 복수의 레저버 영역을 구비하는 챔버;
상기 챔버 내에 마련된 것으로, 광차단성의 제1유체 및 상기 제1유체와 혼합되지 않는 성질을 가지며, 투광성의 제2유체;
상기 하부 채널에 마련된 것으로, 상기 챔버 내에 전기장을 형성하기 위해 전압이 인가되는 하나 이상의 전극들이 어레이된 제1전극부;를 포함하며,
전기장에 따른 상기 제1유체와 상기 제2유체간 계면 위치 변화에 의해 광이 투과되는 개구가 조절되며,
상기 챔버는
상기 제1전극부가 마련된 제1기판;
상기 제1기판 상에 이격 배치되며, 상기 복수의 레저버 영역에 각각 대응하는 복수의 관통홀이 형성된 제2기판;
상기 제2기판 상에 이격 배치되는 제3기판;
상기 제1기판과 상기 제2기판 사이의 공간을 둘러싸는 제1스페이서;
상기 제2기판과 상기 제3기판 사이의 공간을 둘러싸는 제2스페이서;를 포함하며,
상기 복수의 관통홀의 폭은 상기 레저버 영역 내에서 상기 제1유체 표면의 곡률이 상기 하부 채널 내에서 상기 제1유체 표면의 곡률보다 작도록 불균일하게 형성된, 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1유체와 제2유체 중 어느 하나는 극성 유체이고, 다른 하나는 비극성 유체인 개구 조절 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 관통홀의 측면은 상기 제2기판 면에 대해 소정 각으로 기울어진 형상으로 형성된 개구 조절 장치.
제5항에 있어서,
상기 관통홀의 측면의 외각은 상기 제1유체에 대한 소수성 계면에서 상기 제1유체가 형성하는 접촉각에 대응하는 크기로 정해지는 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 관통홀은 원뿔대 형상인 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 관통홀은 중심부의 폭이 좁은 절구 형상인 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 관통홀은 상기 제2기판의 외주부를 따라 형성된 개구 조절 장치.
제9항에 있어서,
상기 제2기판의 중앙부에 관통홀이 더 형성된 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1유체는 상기 하부 채널의 중심부를 벗어난 주변부 및 레저버 영역에 마련되는 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1유체의 유동은 상기 레저버 영역 및 상기 하부 채널의 영역 내로 국한되며, 상기 상부 채널로 이동하지 않는 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1전극부는 절연층으로 코팅된 하나 이상의 환형 전극을 포함하는 개구 조절 장치.
제13항에 있어서,
상기 절연층은 상기 제1유체에 대해 소수성 표면 처리된 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2기판의 하면에 하나 이상의 전극을 구비하는 제2전극부;를 더 포함하는 개구 조절 장치.
제15항에 있어서,
상기 제2전극부는 절연층으로 코팅된 하나 이상의 환형 전극을 포함하는 개구 조절 장치.
제16항에 있어서,
상기 절연층은 상기 제1유체에 대해 소수성 표면 처리된 개구 조절 장치.
제2항에 있어서,
상기 챔버 내에, 상기 제1유체와 상기 제2유체 중 극성 액체에 접하는 위치에 접지 전극이 더 마련된 개구 조절 장치.
제18항에 있어서,
상기 접지 전극은 상기 제1기판 상에 마련되는 개구 조절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제3기판 상의 중심부에는 상기 하부 채널과 상기 상부 채널을 투과한 광을 차단할 수 있는 불투명패턴부가 더 형성된 개구 조절 장치.
제20항에 있어서,
상기 불투명패턴부는 상기 제1유체와 상기 제2유체의 유동에 따라 정해지는 개구의 최소 크기에 대응하는 크기를 갖는 개구 조절 장치.
제1항, 제2항, 제5항 내지 제21항 중 어느 한 항의 개구 조절 장치;
상기 개구 조절 장치를 통해 입사된 광으로부터 피사체의 상을 형성하는 결상부;
상기 결상부에서 형성된 상을 전기 신호로 변환하는 촬상 소자;를 포함하는 영상 획득 장치.
영상 형성용 광을 제공하는 광원부;
상기 광원부에서 제공된 광의 투과율을 영상 정보에 따라 조절하는 것으로, 제1항, 제2항, 제5항 내지 제21항 중 어느 한 항의 개구 조절 장치 다수개가 어레이 되어 이루어진 디스플레이 패널;을 포함하는 영상 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 디스플레이 패널은
상기 제2유체가 제1컬러를 나타내도록 구성된 제1항, 제2항, 제5항 내지 제18항 중 어느 한 항의 개구 조절 장치;
상기 제2유체가 제2컬러를 나타내도록 구성된 제1항, 제2항, 제5항 내지 제18항 중 어느 한 항의 개구 조절 장치;
상기 제2유체가 제3컬러를 나타내도록 구성된 제1항, 제2항, 제5항 내지 제18항 중 어느 한 항의 개구 조절 장치;를 포함하는 영상 표시 장치.
제23항에 있어서,
상기 디스플레이 패널의 상부에 상기 다수의 개구 조절 장치에 각각 대응되는 컬러 영역을 가지는 컬러 필터가 더 마련된 영상 표시 장치.