Journal of Korea Robotics Society
[ ARTICLE ]
The Journal of Korea Robotics Society - Vol. 16, No. 1, pp.41-48
ISSN: 1975-6291 (Print) 2287-3961 (Online)
Print publication date 01 Mar 2021
Received 24 Nov 2020 Revised 29 Dec 2020 Accepted 30 Dec 2020
DOI: https://doi.org/10.7746/jkros.2021.16.1.041

고체 전기활성 고분자 기반 가변 렌즈의 연구동향

신은재1 ; 고현우2 ; 김상연
A Review: All Solid-state Electroactive Polymer-based Tunable Lens
Eun-Jae Shin1 ; Hyun-U Ko2 ; Sang-Youn Kim
1Doctor Course Student, Korea University of Technology and Education, Cheonan, Korea ejshin@koreatech.ac.kr
2Adjunct Professor, Korea University of Technology and Education, Cheonan, Korea lostmago@koreatech.ac.kr

Correspondence to: Professor, Corresponding author: Korea University of Technology and Education, Cheonan, Korea ( sykim@koreatech.ac.kr)

CopyrightⓒKROS

Abstract

In this paper, we review papers which report to the all solid-state electroactive polymer-based tunable lens. Since electroactive polymer-based tunable lenses change their focal length by responding to electric stimuli, it can be minimized the size and weight of optical modules. Thus, it has been received attention in the robot, mobile device and display industry. The all solid-state electroactive polymer-based tunable lenses can be classified into two categories depending on the classification of materials: ionic electroactive polymer-based lenses and non-ionic electroactive polymer-based lenses. Most of the ionic electroactive polymer-based tunable lenses are fabricated with ionic polymer-metal composite. So, the ionic electroactive polymer-based tunable lenses can be operated under low electric voltage. But small force, slow recovery time and environmental limitation for operation has been pointed to the disadvantage of the lenses. The non-ionic electroactive polymer-based tunable lenses are classified again into two categories: dielectric polymer-based tunable lenses and polyvinylchloride gel-based tunable lenses. The advantage of the dielectric polymer-based tunable lenses is fast response to electric stimuli. But the essential flexible electrodes degrade performance of the lens. Polyvinylchloride gel-based tunable lens has reported impressive performance without flexible electrodes.

Keywords:

Varifocal Lens, Adaptive Lens, Self-Deformable Lens, Dielectric Polymer, PVC gel

1. 서 론

최근 모바일 기기나 안경, 보안 시스템, 디스플레이 및 로봇 눈 등 다양한 광학 시스템을 위한 가변형 렌즈의 연구가 활발히 진행되고 있다. 가변형 렌즈는 렌즈의 초점거리나 굴절률이 고정되어 있는 기존 렌즈와 다르게 외부 자극에 의하여 렌즈의 형상이나 굴절률이 변화할 수 있는 렌즈이다. 또한 복잡한 기계구조 없이도 초점거리를 바꿀 수 있어 소형화 및 저 중량화가 가능하므로 모바일 기기, 인간형 로봇과 같이 크기와 중량이 제한적인 디바이스에 적합하다.

형상이 변하는 가변형 렌즈는 외부 자극에 의해 발생하는 기계적 변형을 통하여 초점거리를 변화하는 것을 목표로 하기 때문에 부드럽고 유연하며, 외부자극에 반응하는 고분자 지능재료를 중심으로 연구가 이루어지고 있다[1]. 고분자 지능 재료를 기반으로 하는 가변형 렌즈는 내부에 물, 유전액체, 전해질 등 다양한 유체를 넣고 외부를 고분자로 감싼 유체 렌즈와 렌즈 전체가 고분자로만 이루어져 유체가 전혀 존재하지 않는 고체 렌즈로 나눌 수 있다. 유체 렌즈는 비교적 큰 변형을 손쉽게 만들 수 있어 지난 20년간 많은 연구자들에 의하여 연구되었다. Jeong et al. 은 변형이 가능한 유체를 기반으로 렌즈를 개발하였다[2]. 그러나 이러한 유체 렌즈의 경우 내부 유체증발, 누액, 중력으로 인한 렌즈 형상 변화 등 다양한 단점이 존재한다[3-14]. 이러한 유체 렌즈의 단점을 극복하기 위하여 다양한 고분자 지능재료를 기반으로 한 고체 가변형 렌즈가 제안되었다[1]. 특히 전기활성 고분자는 전기적 자극에 반응하여 형상이 변화하므로 비교적 제어가 간편하고 구조가 단순하여 다양한 고체 가변형 렌즈의 소재로 사용되었다[1]. 전기활성 고분자는 구동원리에 따라 이온성 전기활성 고분자와 비이온성 전기활성 고분자로 나누어진다. 이온성 전기활성 고분자는 이온의 이동 및 확산에 의해 변형하며, 비이온성 전기활성 고분자는 Maxwell 인력 혹은 쌍극자의 이동에 의해 변형한다. 이러한 구동원리의 차이는 각 렌즈의 거동 및 구동 특성에 큰 영향을 미친다.

본 연구에서는 내부에 고체 전기활성 고분자 기반 가변형 렌즈를 구동원리에 따라 구분하고, 그 유기화학적 기본 구성과 기계적 변형의 기본원리를 설명하며, 이를 응용한 가변형 렌즈 기술에 대하여 소개한다.


2. 이온성 전기 활성 고분자 기반 가변형 렌즈

이온성 전기 활성 고분자 기반 가변형 렌즈는 일반적으로 금속-이온 고분자 복합체를 사용하여 개발된다. 일반적인 금속-이온 고분자 복합체의 경우 [Fig. 1]과 같이 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 아시플렉스(Aciplex)와 같은 이온성 고분자 및 이온성 고분자의 위, 아래 면에 증착된 전극으로 구성된다[15]. 전극의 경우 전해질 이온성 고분자 내부의 이온이 움직일 수 있도록 높은 표면적을 가지는 금, 백금, 팔라듐과 같은 귀금속 염이나 혼합된 염을 사용한다[16]. 전압이 인가될 경우 이온성 고분자 내부의 양이온이 음극에 다량 모이게 되고 양이온과 음이온의 농도가 이방성으로 분포하게 되어 음극 필름 면이 팽창되고, 양극 면은 수축하게 된다. 이에 따라 양극방향으로 금속-이온 고분자 복합체가 구부러지는 현상이 나타나게 된다. 이러한 금속-이온 고분자 복합체의 변형율에 영향을 주는 요인은 이온성 고분자의 이온 전도성, 탄성계수, 유전계수 등이 있다. 일반적으로 높은 이온전도성 및 유전계수, 낮은 탄성계수에서 변형율이 높다[17].

[Fig. 1]

Structure and operating principle of the ionic polymer-based actuator

일반적인 금속-이온 고분자 복합체 기반 렌즈[18-23]의 구조는 [Fig. 2(a)], [Fig. 2(b)]와 같다. Shimizu et al.은 중앙부에 물이나 글리세린과 같은 액체를 넣은 유연 고분자의 외곽부에 금속-이온 고분자 복합재를 외팔보(Cantilever) 형태로 사용하여 전압 인가 시 복합재가 구부러지는 힘을 이용하여 유연고분자의 외곽부분을 누름으로써 렌즈의 형상을 변화시키는 형태의 렌즈를 개발했다[22]. 또한 Lee et al.은 외팔보 형태의 금속-이온 고분자 복합체를 이용하여 오토 포커스가 가능한 카메라 모듈을 개발했다[23]. 그러나 위와 같이 외팔보 형식으로 금속-이온 고분자 복합체를 이용할 경우 금속-이온 복합체의 구부러지는 움직임을 선형 움직임으로 변화시키기 위하여 추가적인 구조가 필요하다는 단점이 있다.

[Fig. 2]

Structure of the ionic polymer-metal composite based lenses. (a, b) Cantilever shaped ionic polymer-metal compositebased lens. (c) Ionic polymer-metal-based lens without external structure. (d) Petal-shaped and annular ionic polymer-metal-based lens

이러한 단점을 극복하기 위하여 [Fig. 2(c)]와 같이 Shin et al.은 금속-이온 고분자 복합체의 가운데 부분에 렌즈 형상을 만든 뒤 복합재의 구부러지는 성질을 이용하여 렌즈를 개발했다[24]. 이 렌즈는 금속-이온 고분자 복합체를 단독으로 사용하여 복합채가 구부러질 때 복합체의 중앙에 있는 렌즈의 위치가 변화하며, 초점거리가 변화하기 때문에 렌즈를 통과하여 보이는 상의 초점이 흐려지거나 뚜렷해지는 현상을 보인다. 또한 Wang et al.은 외팔보 형태가 아닌 꽃잎 모양으로 금속-이온 복합체를 개발하여 추가적인 구조를 사용하지 않는 형태의 렌즈를 개발하였다[25] ([Fig. 2(d)]).

위와 같이 금속-이온 고분자 복합체는 유연한 특성을 가지며, 전기적 신호를 물리적인 변형으로 변환할 수 있고, 가벼우며, 저전력에서 구동이 가능한 등 다양한 장점을 가지고 있다. 그러나 발생시킬 수 있는 힘이 낮으며, 전압이 해제되었을 때 초기상태로의 회복이 늦을 뿐만 아니라, 초기 지점을 벗어나는 부분까지 회복이 되기 때문에 빠른 반응과 정밀 구동을 필요로 하는 렌즈 모듈에는 사용이 제한된다[26,27].

위에서 언급한 다양한 이온성 고분자 기반 렌즈의 경우 전해질이 필수적으로 사용되기 때문에 주기적으로 전해질을 공급할 수 있는 환경에서만 사용이 가능하며, 전해질의 증발이나 누수로 인하여 렌즈의 구동 성능이 시간에 따라 달라질 수 있어 다양한 환경에서 사용하기 어렵다.


3. 비이온성 고분자 기반 가변형 렌즈

3.1 유전 탄성체 기반 가변형 렌즈

유전 탄성체 기반 렌즈는 [Fig. 3]과 같이 일반적으로 두 장의 유연 전극사이에 투명한 탄성체가 있는 구조를 갖는다[28-37]. [Fig. 3]과 같이 유전 탄성체의 위·아래 면에 있는 유연전극에 전압이 인가될 경우 맥스웰(Maxwell)인력이 발생하여 전극 사이의 탄성체에 압축 변형이 발생한다. 이 압축 변형은 푸아송 비에 의하여 맥스웰 인력과 수직한 방향의 팽창을 유도한다. 유전 탄성체 기반 가변형 렌즈는 이러한 변형을 통하여 렌즈의 곡률을 변화시키거나 렌즈의 위치를 이동시켜 초점거리를 변화시킨다.

[Fig. 3]

Operating principle of the dielectric elastomer actuator

Hwang et al.은 [Fig. 4(a)], [Fig. 4(b)]와 같이 여러 장의 그래핀 층을 전극으로 사용하고, 탄성체로 실리콘(Silicone)을 사용하여 유전 탄성체 기반 가변형 렌즈를 개발하였다[36]. 이 렌즈는 전압 인가 시 29 ~ 946μm의 수직 변형 발생하며, 이는 렌즈의 곡률을 변화시켜 [Fig. 4(c)], [Fig. 4(d)]와 같은 초점 변화를 발생시켰다. 그러나 전극으로 사용한 그래핀 층으로 인하여 낮은 투과율(~57%)을 가져 광학적 활용성이 낮다.

[Fig. 4]

OFF state of the few-layer-graphene (FLG) electrode based lens, (b) On state FLG based lens, (c) and (d) are the transmitted text through the FLG based lens with voltage off and on, respectively

Yun et al.은 전기장 인가 시 동적 수직 이동이 가능한 유전 탄성체 박막을 이용한 액티브 렌즈를 개발하였다[37]. 이 렌즈는 빛을 포집하고 투과시키는 반구형 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane)과 은 나노 와이어로 패터닝된 유연전극 및 박막형 탄성체로 이루어졌다. 패터닝된 유연 전극에 전압 인가 시 유연 탄성체 박막은 팽창하여 수직방향으로 반구형 폴리디메틸실록산을 이동시켜 최대 18.4%의 초점을 변화를 발생시켰다. [Fig. 5]은 1 Hz에서 작동하는 박막형 액티브 렌즈에 다양한 전기장을 적용하여 얻은 이미지이다. 렌즈의 직경은 1 mm이며, 글자의 총 길이는 300 이다. 이 렌즈는 사이즈가 작고 반응이 빨라 현미경 등 영상 장치의 광학 줌 등에 응용이 기대된다.

[Fig. 5]

Tunable lens deformation with dielectric elastomer membrane actuator under various input voltage

유전 탄성체 기반 렌즈의 경우 유연전극을 필수적으로 사용해야 한다. 투명 유연전극으로는 주로 그래핀(Graphene), 탄소 나노 튜브, 금속 나노 와이어 등이 사용되는데 이는 렌즈의 투명도를 낮출 뿐만 아니라 단단하기 때문에 변형 시 전극이 쉽게 부서질 수 있어 높은 변형율을 가지는 렌즈에 사용하기 어렵다.

이러한 단점을 극복하고자 Sun et al.은 하이드로젤을 투명 유연 전극으로 사용하여 렌즈를 개발하였다[38,39]. 이 렌즈는 [Fig. 6] 과 같이 탄성체 위와 아래에 전극으로 하이드로젤을 넣은 형태로 개발되었으며, 20 배 이상의 대변형이 가능한 것을 확인할 수 있다. 이 하이드로젤전극은 모든 색 영역에서 높은 투명도를 가지며, 매우 유연하고, 10 kHz까지 주파수 전환이 가능하며 10 kV까지의 전압을 사용할 수 있다. 그러나 대부분의 하이드로젤은 원래 길이의 약 1.2배까지 늘어나면 파열되는 등 높은 신축성을 보이지 않으며 부서지기 쉽다는 단점을 가졌다.

[Fig. 6]

Operating principle and transmitted image without voltage and with voltage

3.2 폴리 염화 비닐 젤 기반 가변형 렌즈

유전 탄성체 기반 렌즈의 단점인 투명 유연 전극을 필요로 하지 않는 형태의 렌즈를 개발하기 위하여 폴리 염화 비닐(Polyvinyl chloride, PVC) 젤 기반 렌즈에 대한 연구가 진행되었다.

Hirai et al. 은 폴리 염화 비닐과 가소제로 이루어진 폴리 염화 비닐 젤을 기반으로 인공 눈의 움직임을 모사한 렌즈를 개발하였다[40] ([Fig. 7(a)], [Fig. 7(b)]). 이 렌즈는 초기 반구형태를 가지고 있으며, 전압이 인가되었을 때 젤의 정전기적 반발에 의해 젤의 음극에서 주입된 전하가 양극표면으로 이동하며 곡률이 커지게 된다([Fig. 7(c)]). 그러나 이 연구에서 사용된 폴리 염화 비닐 젤은 디뷰틸 프탈레이트(Dibutyl phthalate)라는 독성 가소제를 사용하여 제작되었기 때문에 다양한 용도로 사용하기 어렵다는 단점을 가진다[41]. 따라서 인체에 무해한 소재를 이용하여 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈를 개발하는 연구가 진행되었다.

[Fig. 7]

PVC gel-based lens. (a) Top view of the artificial pupil based on PVC gel, (b) front view of the artificial pupil based on PVC gel, (c) operating principle of the PVC gel-based artificial pupil

Kim et al.은 무독성 가소제인 디뷰틸 아디페이트(Dibutyl adipate, DBA)[42-44]와 친환경 가소제인 아세틸 트리뷰틸 사이트레이트(Acetyl tributyl citrate, ATBC)[45]를 기반으로 한 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈를 개발하였다. 이 렌즈는 [Fig. 8]과 같이 구리전극이 패터닝 된 인쇄 회로 기판(Printed circuit board), 폴리 염화 비닐 젤과 인듐 산화 주석(Indium-tin-oxide)이 코팅되어 있는 유리로 구성되어 있다. 제작된 인쇄 회로 기판은 1 mm의 두께를 가지며, 중앙에 1.5 mm의 구멍을 가진 형태로 제작된다. 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈는 인듐 산화 주석이 코팅 되어있는 유리판에 1 mm의 두께를 가지는 폴리 염화 비닐 젤과 인쇄 회로 기판을 순서대로 올린 뒤, 위에서 압력을 가하여 초기 반구형태를 가진다.

[Fig. 8]

Operating principle of PVC gel-based lens. (a) Voltage off and (b) voltage on

반구형의 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈의 초점거리 변화는 인가전압에 따라 결정된다. 전압이 인가되기 전에는 폴리 염화 비닐 겔에 존재하는 폴리 염화 비닐 사슬 내부 쌍극자가 불규칙적으로 배열되어 있기 때문에 변형이 발생하지 않는다. 전기장이 폴리 염화 비닐 젤 양단의 전극에 인가될 경우, 폴리 염화 비닐 젤 사슬 내부 쌍극자들이 회전하며 양극 방향으로 움직이기 때문에 폴리 염화 비닐 젤이 구리 전극 방향으로 움직이게 된다[42-48]. 이에 따라 폴리 염화 비닐 젤의 곡률이 변화하며, 렌즈의 초점 또한 변화한다. [Fig. 9(a)], [Fig. 9(b)]와 같이 곡률의 변화는 인가전압에 의해 결정되며, 전압이 높을수록 양극 방향으로 움직이는 폴리 염화 비닐 젤의 변형량이 증가하기 때문에 초점거리가 길어진다.

[Fig. 9]

Focal length variation of the PVC gel-based lens. (a) PVC-DBA based-lens and (b) PVC-ATBC based-lens and (c) green PVC gel based-lens

위에서 소개한 폴리 염화 비닐 젤의 경우 폴리 염화 비닐을 녹이기 위한 용매로 독성 물질인 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran)을 사용한다[49-51]. 테트라하이드로퓨란의 경우 사람에게 암을 발생시킬 수 있으며, 자연 환경에도 악영향을 끼치기 때문에 Shin et al.은 용매를 사용하지 않는 친환경 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈를 개발하였다[52].

개발된 친환경 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈는 높은 전기 전도도를 가지는 용매를 사용하지 않기 때문에 기존 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈에 비해 전력소모가 적으며, 유전 파괴 전압이 높은 특성을 보였다. 그에 따라 [Fig. 9(c)]와 같이 기존 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈에 비해 큰 초점거리 변형을 보였다.


4. 결 론

본 논문에서는 모바일 기기나 안경, 보안 시스템, 전자 디스플레이 및 로봇 시스템 등에 사용하기 위해 연구 및 개발되고 있는 다양한 고체 전기 활성 고분자 기반의 가변형 렌즈를 설명하였다. 이온성 전기 활성 고분자 기반 렌즈의 경우 낮은 전압에서 작동이 가능하다는 장점이 있으나, 전해질을 필요로 한다는 점에서 다양한 환경에 적용하여 사용하기 어렵다는 단점을 가졌다. 비이온성 전기 활성 고분자 기반 렌즈의 경우 유전 탄성체 기반 렌즈와 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈로 나눌 수 있다. 유전 탄성체 기반 렌즈의 경우 빠른 응답속도를 가지고 있으나 구동을 위해서 필수적으로 사용되는 유연전극의 내구성 저하로 인한 구동 성능 변화 등의 단점이 존재하였다. 폴리 염화 비닐 젤 기반 렌즈의 경우 넓은 초점거리 가변 범위를 가지고 있으나 높은 전압을 요구하였다. 이러한 기술의 적용성을 증가시키기 위해 온도나 습도에 따른 특성 또는 공명 요동 제거 방안 등의 후속연구가 필요하며, 전기 활성 고분자 재료의 광학적 특성 최적화 및 표면 형상 변화에 대한 정교한 실험 연구 등 기초연구가 병행되어야 할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

This work was supported by Priority Research Centers Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (NRF-2018R1A6A1A03025526). Also, this work was supported by Institute of Information & communications Technology Planning & Evaluation (IITP) grant funded by the Korea government (MSIT) (No.2020-0-00594, Morphable Haptic Controller for Manipulating VR·AR Contents). This work is also supported by KoreaTech (the academic affairs office (Transparent haptic actuator, education/research/promotion, 2020-0084)

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신 은 재

2014 한국기술교육대학교 신소재공학과(학사)

2016 한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정(석사)

2016~현재 한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정(박사과정)

관심분야: Smart material based sensor and actuators, Electroactive polymer, Soft robotics, Smart optice Haptics

고 현 우

2012 인하대학교 기계공학과(석사)

2017 인하대학교 기계공학과(박사)

2019~현재 한국기술교육대학 대우교수

관심분야: Smart materials, Sensors and actuators, Smart optics

김 상 연

1994 고려대학교 CEE(학사)

1996 KAIST KME(석사)

2004 KAIST ME(박사)

2016~현재 한국기술교육대학교 CSE 교수

관심분야: Haptics, Human Computer Interaction, Virtual Reality, Soft robotics, Sensors and actuators

[Fig. 1]

[Fig. 1]
Structure and operating principle of the ionic polymer-based actuator

[Fig. 2]

[Fig. 2]
Structure of the ionic polymer-metal composite based lenses. (a, b) Cantilever shaped ionic polymer-metal compositebased lens. (c) Ionic polymer-metal-based lens without external structure. (d) Petal-shaped and annular ionic polymer-metal-based lens

[Fig. 3]

[Fig. 3]
Operating principle of the dielectric elastomer actuator

[Fig. 4]

[Fig. 4]
OFF state of the few-layer-graphene (FLG) electrode based lens, (b) On state FLG based lens, (c) and (d) are the transmitted text through the FLG based lens with voltage off and on, respectively

[Fig. 5]

[Fig. 5]
Tunable lens deformation with dielectric elastomer membrane actuator under various input voltage

[Fig. 6]

[Fig. 6]
Operating principle and transmitted image without voltage and with voltage

[Fig. 7]

[Fig. 7]
PVC gel-based lens. (a) Top view of the artificial pupil based on PVC gel, (b) front view of the artificial pupil based on PVC gel, (c) operating principle of the PVC gel-based artificial pupil

[Fig. 8]

[Fig. 8]
Operating principle of PVC gel-based lens. (a) Voltage off and (b) voltage on

[Fig. 9]

[Fig. 9]
Focal length variation of the PVC gel-based lens. (a) PVC-DBA based-lens and (b) PVC-ATBC based-lens and (c) green PVC gel based-lens