소형 광학 시스템을 위한 전기 구동형 전환식 액체 조리개

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 소형 광학 시스템 통합을 위한 새로운 형태의 switchable 액체 조리개를 제안하고, 그 작동 원리 및 동적 특성을 실험적으로 분석하였다. 제안된 액체 조리개는 표준 MEMS 기반 미세 제조 공정을 통해 제작된 프로토타입 샘플을 이용하여평가되었으며, 구조는 투명 유리 기판 상에 패턴화된 Indium Tin Oxide(ITO) 전극을포함한 두 개의 평행 기판 사이에 배치된 이중 액체 구성으로 이루어진다. 내부 유체는 빛을 흡수하는 불투명 전도성 액체와 빛을 투과하는 비전도성 액체의 조합으로 구성된다. 조리개의 개구 제어 방식은 다채널 전극에 순차적인 전압을 인가함으로써 전도성 액적의 위치를 조절하고, 이에 따라 조리개의 유효 개구 직경을 2.5 mm와 5 mm
로 가변적으로 조절할 수 있다. 유체 조리개의 신뢰성과 내구성 검증을 위해 50회 이상의 반복 구동 실험과 고속 선형 가속 조건에서 동작 안정성을 평가하였다. 실험 결과, 조리개의 동적 응답 특성은 외란 조건에서도 개구 직경의 일관된 조절이 가능하였으며, 구조적 안정성이 유지됨을 확인하였다. 또한, 제안된 액체 조리개를 실제 광학모듈에 통합하여 초점 조절 기능을 구현한 결과 안정적인 개구 제어가 가능함을 실증하였다. 제안된 switchable 액체 조리개는 소형 전자기기에 용이하게 통합될 수 있는높은 집적 가능성과 견고한 작동 안정성을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Miniaturized optical systems require compact and reliable aperture mechanisms, but conventional mechanical irises are limited by bulky actuators and integration challenges. Liquid-based optical devices with a tunable aperture have emerged as promising alternatives, yet most prior designs rely on thick chambers that hinder integration into compact modules. This paper presents an electrowetting-actuated liquid iris with a dual-state aperture formed by two immiscible liquids confined within a thin microfluidic chamber between transparent indium tin oxide electrodes.
Microfluidic walls constrain the liquid interface to two stable diameters of 2.5 mm and 5 mm, enabling rapid and reversible switching through sequential electrode actuation. Experimental results verified repeatable operation and stable modulation under accelerations up to 84 g, while integration into a prototype optical module demonstrated reliable focus adjustment. The proposed dual-state liquid iris offers a compact and MEMS-compatible solution with robust dynamic stability, showing strong potential for next-generation miniature optical systems.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 iii
• 그림목차 iv
• 국문초록 v
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 2
• 1.3 연구목적 3
• 제 2 장 유체 조리개 설계 4
• 2.1 유체 조리개 구조 4
• 2.2 구동 메카니즘 6
• 제 3 장 재료 및 구성요소 13
• 3.1 졀연층 및 표면 코팅 13
• 3.2 구동 유체 13
• 3.3 조리개 제어 구조 14
• 3.4 광학적 투과도 평가 14
• 제 4 장 제작 공정 19
• 제 5 장 실험결과 22
• 5.1 구동 실험 장치 구성 22
• 5.2 개폐 구동 평가 27
• 5.3 반복 구동 안정성 29
• 5.4 외란(진동, 가속도) 내구성 평가 31
• 5.5 영상 시스템 적용 평가 34
• 제 6 장 결론 36
• 참고문헌 37
• Abstract 41