Electrowetting is a phenomenon that can control the surface tension of liquid when a voltage is applied. This thesis introduces the fabrication method and characteristics of liquid lens array operated by the electrowetting phenomenon. The lens array chamber is fabricated by the three different methods: mold, lithography, and dry etching. IZO deposited by sputter is used as an electrode. For the dielectric layers between the two electrodes, parylene C and tantalum oxide are deposited. Parylene C known as a good moisture barrier is used to prevent water penetration and tantalum oxide(ε=23-25) with its high dielectric constant is used to minimize the increase of operating voltage.
Dielectric materials are arranged as the sandwich structure where parylene C is divided into two layers and tantalum oxide is inserted between the parylene C layers. This sandwich layer prevents pinhole effect further. Hydrophobic surface which enables the range of contact angle from 60 to 160 degree is coated to maximize the effect of electrowetting, making wide band of dioptric power.
Liquid injection into each lens chamber is proceeded by two different ways. First way is using self water-oil dosing that requires cosolvent and diffusion effect, while the second way is micro-syringe way using hydrophobic surface properties. After distilled water and dodecane oil the two immiscible liquids are injected into each lens of the lens array, it is sealed by IZO coated glass inside the water bath. The underwater sealing is performed using UV adhesive that does not dissolve inside water.
The fabricated 23x23 lens array has 1mm diameter size with 1.6mm interval distance between adjacent lenses. Several lens characteristics including diopter, capacitance, uniformity, operating voltage, and operating temperature are measured and evaluated. The diopter of the lens is obtained by measuring focal distance when the lens is in convex state. The measured diopter is from -124 to 120.2 when voltage changes from 0V to 100V. The whole lens array capacitance measured by using oscilloscope and function generator is 50nF, while average capacitance of one liquid lens corresponds to 24.7pF. For uniformity, due to bubble and UV adhesive spreading problem, 85% of lenses are available and each lens shows similar performance when voltage is increased. Operating voltage range is measured by applying AC voltage from 0V by 10V intervals. The lens starts to move from 20V and became convex state when the applied voltage reaches 50V. When it reaches to 100V, bubble starts to occur. For operating temperature, the temperature is increased from 60 to 110 degree, but no sign of malfunction is observed. At 120 degree, however, bubble occurs. The performance of fabricated liquid lens array is also tested for the integral imaging where varifocal function is recommended to enhance depth information.
전기습윤 현상은 전압을 가해서 액체의 표면장력을 변화시키는 현상이다. 전기습윤 현상의 응용 중 하나인 액체렌즈는 전압의 크기에 따라 초점거리가 변하는 특징이 있다. 본 논문에서는 초점가변의 액체렌즈들이 어레이로 배열되어있는 액체 렌즈 어레이를 제작하고 제작한 렌즈들의 특성을 분석하였다. 또한 3D 이미지 기법 중 하나인 집적 영상을 액체렌즈 어레이를 통해서 적용하여 3D 이미지를 구현하였다.
물방울에 전압을 가하게 되면 동그랗게 모여있던 물방울이 평평하게 펴지는 모습을 관찰할 수 있다. 이 같이 물의 극성을 이용해 물의 표면장력을 변화시키는 현상을 전기습윤(Electrowetting)이라고 부르는데 이 전기습윤은 액체렌즈, E-paper, lab on a chip 등의 여러 분야에서 쓰임 받는다. 그 중 널리 사용되는 액체렌즈는 일반적으로 섞이지 않는 두 액체를 사용하고 전압을 인가해 오목렌즈를 평면렌즈 또는 볼록렌즈로 변화시킬 수 있는 특징이 있다. 따라서 액체렌즈는 공간적 설계적으로 복잡해지는 고체렌즈와는 다르게 기계장치 없이도 초점을 가변 할 수 있는 장점을 가진다.
본 논문에서는 전기습윤 현상을 이용하여 단일 액체렌즈가 아닌 집적영상(Integral imaging)을 구현하기 위해 직경 1mm 사이즈의 23x23 액체 렌즈 어레이를 제작하였다. 3D 영상 기법 중 하나인 집적영상(Integral imaging)은 이제까지 고체 렌즈로만 구현되었는데 일반적으로 안경을 써야 하는 스테레오스코픽(Stereoscopic) 방식과 다르게 안경을 쓰지 않아도 되는 장점이 있다. 하지만 직접영상에는 이미지가 맺히는 평면인 CDP(Central Depth Plane)에서 멀어질수록 입체감이 떨어져서 결국 낮은 깊이감을 가진 3D 이미지를 만들어낸다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 액체렌즈의 초점가변 특성을 이용해서 여러 개의 CDP 생성을 통해 깊이감을 향상시키는 방향으로 목표를 잡았고 본 논문에서는 처음으로 액체렌즈 어레이로 집적 영상을 구현했다.
액체렌즈 어레이의 제작은 크게 세 단계로 이루어 졌다. 세 단계는 렌즈 어레이 챔버를 만드는 단계와 EWOD(Electrowetting on Dielectric)를 실현하기 위해 유전체 층을 선택하고 쌓는 단계, 마지막으로 액체를 주입하고 밀봉(Sealing)하는 단계이다. 렌즈 어레이 챔버를 만드는 단계는 니켈과 PDMS 몰드 방식, SU-8 2100, 2150 시리즈를 이용한 리소그래피 방식, 실리콘 웨이퍼를 에칭한 DRIE 방식 이렇게 3가지 방식으로 진행하였다. 렌즈 챔버의 모양은 액체렌즈의 특성에도 영향을 미치기 때문에 이렇게 여러 방식을 통해서 가장 좋은 uniformity와 모양을 가진 챔버를 만들려고 했다. 현재까지 제작한 방식 중에는 DRIE 방식이 가장 uniform한 렌즈 챔버의 모양을 보여주었다.
유전체 층을 선택하고 쌓는 단계에서는 EWOD를 구현하기 위해 먼저 IZO/ITO 투명 전극을 증착하였다. 그 후 구동전압에 영향을 미치는 Capacitance와 물의 유입을 막을 수 있는 water penetration 성질을 중점적으로 보고 탄탈륨 산화물(Tantalum oxide)와 파릴린(Parylene)을 Breakdown voltage를 높일 수 있는 샌드위치 구조로 쌓았다. 마지막으로 전기습윤현상을 극대화하기 위하여 물과 바닥면의 초기각도를 커지게 하는 소수성 막인 테프론(Teflon)을 dip coating 방식을 이용해 입혔다.
액체를 주입하는 단계에서는 렌즈의 사이즈가 1mm이고 소수성 막인 테프론이 코팅되어 있었기 때문에 일반적인 주사기를 이용해서는 물을 주입할 수 없었다. 따라서 물과 오일 모두에 녹는 cosolvent를 이용한 self water-oil dosing 방식과 수조 안에서 마이크로 주사기를 이용한 microsyringe injection 방식으로 증류수와(Distilled water) 도데칸 오일(Dodecane oil)을 주입하였다. Sealing의 경우에는 기포의 문제로 물 속에서 진행되었기 때문에 물 속에서도 접착력이 있는 UV adhesive를 통해서 윗판인 IZO gless와 아랫판인 렌즈 챔버를 봉합하였다.
액체 렌즈 어레이가 완성된 후에는 제작된 액체 렌즈의 디옵터, capacitance, 구동가능 전압, 구동가능 온도 등 렌즈 특성을 측정하였다. 디옵터는 convergence 실험을 통해 볼록 상태에서 초점이 맺히는 거리를 직접 구하여 역산하였고, 오목인 상태에는 상 거리(Image distance)와 물체 거리(Object distance)를 통해 디옵터를 측정하였다. 측정된 디옵터는 -124~ 120.2로 현재 상용화된 전기습윤 렌즈(-13~35)에 비해서 더 넓은 영역의 디옵터 파워를 가지는 것을 확인했다. 구동전압을 낮추어주는 Capacitance 값은24.9pF으로 렌즈의 크기가 같다고 가정했을 때 상용화 된 전기습윤 렌즈에 비해 높은 값을 가진다. 구동전압의 경우 0~45V까지는 오목 상태에서 45V가 될 때는 평면 상태로 변하고 50V부터 볼록 상태로 변하는 것을 MSDS-1250 현미경을 통해 확인하였다. Breakdown voltage를 테스트 하기 위해서는 0V에서 10V 간격으로 전압을 올렸는데 100V부터 기포가 렌즈의 가장자리 부분에 생기는 것을 확인하였다.
마지막으로 제작된 액체 렌즈 어레이로 집적영상을 구현해 보았다. 0V 때는 끊어져 있던 집적영상 이미지가 전압을 올리자 입체감을 가진 3D 이미지로 변하는 것을 확인하였다. 하지만 제작된 렌즈의 수차 문제가 있어서 깔끔한 이미지는 구현되지 않았다. 앞으로의 연구로 제작한 렌즈의 수차 문제를 개선한다면 입체감을 가진 3D 이미지 구현은 물론 앞서 말했던 집적영상의 입체감 개선을 Time multiplexing 방식을 이용한 여러 개의 CDP 생성으로 이룰 것이라 기대한다.
