Recently, electrowetting has been widely studied for various optical applications such as optical switch, sensor, prism, and display. The electrowetting phenomena that changes the surface tension by varying electrical potential difference has several advantages to realize active optical device such as fast response time, low power consumption, and no mechanical movement parts. Two immiscible liquids that are water and oil are used for forming lens. By applying a voltage to the water, the focal length of the lens could be tuned as contact angle of water changes. In this study, single liquid lens, flat array of liquid lenses, and curved array of liquid lenses are fabricated using electrowetting phenomena.
The single electrowetting liquid lens is fabricated which has 2mm lens aperture and 0.7mm thickness of lens chamber. To achieve low voltage operation with high dioptric power, it is implemented to sandwich-like multiplayer dielectric structure which consist of parylene, tantalum oxide, and parylene layers in sequence. This type of dielectric layer can achieve high capacitor which is inverse proportion to operation voltage and high breakdown voltage. Diopter of liquid lens is varied from -22 to 18 diopters as applying voltage from 0 to 19V. The response time is below 15ms and transition response of lens diopter is almost completed within 1ms. If the transition response is controlled by applied voltage, it could have faster response time. This results show superior in quality when it compares with commercialized liquid lens in operation voltage and response time view points
The array of electrowetting liquid lenses is fabricated with maintaining uniformity of each lens which is based on the study of the single liquid lens. Deep reactive ion etching (DRIE) method is used to make uniform arrays of lenses chamber on silicon wafer which has 1mm diameter cylindrical shape and 1.6mm distance between each lens. The number of lenses on the array panel is 23x23 and fill-factor is 35%. After electrode and dielectric layers deposition, the hydrophobic layer is coated using dip coating method for uniformly spreading solution on array of lenses chamber structure. Liquid injection is proceed under water to prevent formation of air bubble. Using an accurately controllable micro metering pump syringe, 130nL of oil injected into the each lens chamber and the rest of chamber volume is automatically filled with water. The Array of lens chamber is bonded with IZO glass using UV adhesive under water. The focal length of the lenses are simultaneously varied from -130 to 120 diopters depending on the applied voltage. The flat array of lenses sufficiently uniform to implement integral imaging system which is kind of autostereoscopic 3D display systems.
The curved array of electrowetting liquid lenses is fabricated on the basis of previous studies in order to realize wide viewing angle. To bend the substrate of flat array of lenses, the curvilinear structure of substrate which has 25mm curvature is made by several molding steps. The flat array of lenses chamber is used as master mold in this experiment. Using silicon master mold, thin PDMS fixable slave chamber mold is made for curved array of lens chamber mold on 25mm curvature convex lens. After than UV epoxy, which is highly transparent, is cured on curved slave mold for making curved array of lenses chamber. After electrode, dielectric layers, and hydrophobic layer deposition, liquid injection is proceed under water. Even though the array of lenses chamber is curved, the attraction force between oil and the hydrophobic layer keeps it a stable state during oil injection. To seal liquids in the curved array of chamber, IZO coated convex lens which has identical curvature of array is used. The focal length of lenses is changed simultaneously from concave state to convex state as applying a voltage.
In conclusion, the research was mostly focused on the fabrication of lens and array of lenses whose individual lens is able to adjust its focal length. The flat array of lenses is fabricated based on study of the single electrowetting liquid lens which has low operating voltage and high optical power. To achieve wide viewing angle, the curved array of lenses is fabricated by bending process of flat array of lenses. The approaches addressed in this thesis can be applied for solving the problems of current solid lens systems, which couldn’t change focal length. The varifocal electrowetting liquid lens systems will lead to the industries such as 3D display technology and camera lens systems.
근래에 전기습윤 현상은 광학 스위치, 센서, 프리즘, 디스플레이 등의 다양한 광학 어플리케이션을 위해 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기습윤 현상은 전기장을 이용하여 액체의 표면장력을 변화시키는 방법으로 빠른 응답속도와, 낮은 전력소모, 기계적인 운동부품이 필요하지 않기 때문에 광학 어플리케이션을 구현함에 있어서 장점을 가진다. 섞이지 않는 두 종류의 액체인 물과 기름을 이용하여 렌즈를 제작하면, 물에 전압을 인가하여 전압에 따라 물의 접촉각이 변화하는 현상을 이용하여 초점이 변화하는 액체 렌즈를 제작 할 수 있다. 본 연구에서는 크게 3가지 종류의 실험이 진행되었으며, 전기 습윤 현상을 이용하여 단일 초점가변 단일 액체 렌즈와 평면 어레이 액체 렌즈 및 곡면 어레이 액체 렌즈를 제작하였다.
단일 전기습윤 액체렌즈 2mm 개구면과 0.7mm의 두께의 렌즈 챔버로 구성되어 있으며 낮은 동작전압과 높은 디옵터 변화량을 목표로 하였다. 저 전압과 높은 디옵터 변화량을 위해서 샌드위치 형태의 절연층 구조를 적용하여 페릴린, 탄탈륨 옥사이드, 페를린 레이어를 연속적으로 증착하였다. 이러한 형태의 절연층 구조는 동작전압과 반비례하는 커패시턴스의 값을 높일 수 있고, 절연파괴 전압도 증가하는 이점을 가진다. 액체 렌즈는 0V일 때 -22디옵터이며, 전압이 증가함에 따라 디옵터가 상승하여 19V에서 +18디옵터를 가진다. 액체 렌즈의 초점변화 응답속도는 15ms 이하로 측정되었으며, 대부분의 변화는 1ms 이내에서 완료됨을 확인하였다. 동작전압을 제어하여 과도응답을 제어한다면, 액체 렌즈는 더 빠른 응답속도를 가질 것으로 예상된다. 이와 같은 결과는 상용화된 렌즈의 디옵터, 동작전압 및 응답속도와 비교하여 더 우수한 것으로 판단된다.
단일 액체 렌즈 연구를 바탕으로, 평면 어레이 전기습윤 액체 렌즈는 렌즈간의 균일성을 최대한 유지하면서 제작하고자 하였다. 실리콘 웨이퍼 상에 DRIE 방식을 이용하여 균일한 원통형 구조를 가지는 렌즈 챔버 어레이를 제작하였으며 렌즈 챔버의 개구면은 1mm이고 개구면 사이의 간격은 1.6mm를 유지하였다. 패널 상의 렌즈는 23x23 의 배열로 이루어져 있으며, fill-factor는 35%이다. 렌즈 챔버에 전극 및 절연층을 증착 한 후 dip-coating 방식을 이용하여 소수성 막을 구성하는 수용액을 고르게 도포하여 코팅하였다. 액체 주입은 렌즈 챔버에 기포가 생성되는 것을 방지하기 위해 물속에서 진행하였다. 마이크로 정량주입기를 이용하여 130nL 오일을 각각의 렌즈 챔버에 균일하게 주입하였으며 자동적으로 남은 렌즈 챔버의 부피는 물으로 채워지게 된다. 액체가 주입된 렌즈 챔버는 IZO가 코팅된 유리로 물속에서 UV 접착제를 이용하여 밀봉하였다. 제작된 평면 기판의 어레이 렌즈는 전압을 인가함에 따라 -130디옵터에서 120디옵터까지 변화하며 이는 무안경식 삼차원 디스플레이 기술의 일종인 집적영상을 구현할 수 있을 정도의 균일도를 가지고 있음을 실험을 통하여 확인하였다.
이러한 축적된 기술을 이용하여 평면 어레이 렌즈보다 더 큰 시야각을 가지는 어레이 렌즈를 제작을 위해 곡면 구조를 가지는 렌즈 어레이를 제작 하였다. 곡면 어레이 전기습윤 액체 렌즈를 위해 기존에 연구한 평면 어레이 렌즈를 곡률을 가지게 만드는 실험이 추가적으로 진행하였다. 25mm의 곡률의 곡면 구조를 가지는 기판은 몇번의 몰딩과정을 거쳐서 에폭시로 제작했으며, 이전 실험에서에 제작한 평면 형태의 렌즈 어레이 챔버를 마스터 몰드로 이용하였다. 평면 렌즈어레이 마스터 몰드를 이용하여 얇고 신축성이 있는 PDMS 슬레이브 몰드를 제작하였다. 제작된 슬레이브 몰드상에 높은 투명도를 가지는 UV 에폭시를 도포하여 곡면 형태를 가지는 렌즈 어레이 챔버를 제작하였다. 평면 어레이 렌즈와 같은 방식으로 전극, 절연층, 소수성막을 증착하였으며 액체 주입 또한 물 속에서 진행하였다. 비록 곡면 구조를 가지는 렌즈 어레이 일지라도 소수성막과 오일의 인력이 충분하기 때문에 정량주입기를 이용하여 오일을 주입할 때 안정된 상태를 유지하였다. 액체가 주입된 곡면형태의 렌즈 어레이와 같은 곡률을 가지는 볼록렌즈에 IZO를 코팅하여 밀봉을 완료하였다. 제작된 곡면 어레이 전기습윤 액체 렌즈는 전압을 인가함에 따라 렌즈의 모양이 오목렌즈에서 볼록렌즈로 변화함을 확인하였다.
앞의 연구들을 요약하면, 본 논문에서는 초점 거리가 조절 가능한 렌즈와 어레이 렌즈의 제작에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 낮은 구동전압과 높은 광출력을 가지는 단일 가변초점 액체렌즈를 기반하여 균일한 렌즈들을 가지는 평면 기판상의 어레이 렌즈와 광각을 위한 곡면기판 상의 어레이 렌즈를 제작하였다. 본 논문은 기존의 초점 가변이 불가능한 고체렌즈를 대체하여 초점 가변 기능을 수행하는 렌즈와 어레이 렌즈를 제작을 목적으로 하였으며, 이는 카메라의 자동초점 기능(Auto Focus), 이미지 흔들림 방지기능(OIS), 삼차원 디스플레이 시스템과 광각구현 등의 응용분야에 적용하여 산업적인 발전에 기여할 수 있을 것이다.
