혁신적인 LC 렌즈 기술로 헤이즈 감소, 고품질 이미징 실현

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대만의 국립 양밍차오퉁 대학교 연구팀이 이미지 품질을 크게 향상시키면서도 작동에 필요한 전력은 매우 적은 액정(LC) 렌즈를 개발하여 이 기술을 주류 기기에 적용하는 데 있어 두 가지 주요 장벽을 극복했습니다. 이 연구 결과는 증강 현실 안경에서 의료 진단에 이르기까지 다양한 분야에서 더 선명한 초점을 제공할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

테스트한 두 개의 액정(LC) 렌즈의 구조를 보여주는 그림입니다. 각 렌즈는 패턴 전극, 정렬 코팅, 유리 기판 사이에 둘러싸인 LC 층으로 구성된 유사한 다층 설계를 가지고 있습니다. 한 가지 주요 차이점은 렌즈 A는 LN3라는 LC 소재를 사용하고 렌즈 B는 LCM1790을 사용한다는 것입니다. (출처: 광학 마이크로시스템 저널)

LC 렌즈는 시력 보정 및 줌 광학 장치와 같은 용도에 매력적인 기능인 전자적으로 가변적인 광학 출력을 제공합니다. 그러나 실제 사용 시에는 헤이즈로 인한 이미지 저하와 비현실적으로 높은 구동 전압 요구 사항으로 인해 어려움을 겪었습니다.

정상 작동 시에는 미세한 분자 변동으로 인해 빛이 산란되어 이미지 선명도가 점진적으로 저하됩니다. 또한 짧은 초점 거리를 위해 광학 출력을 높이면 전압 수요도 동시에 증가합니다. 초기 설계에서는 선명도, 조정 가능한 초점 범위, 소형 저전압 작동 사이에서 타협을 해야 했습니다.

이제 연구원들은 구조적 최적화와 함께 헤이즈의 원인을 파악하고 억제함으로써 통합 솔루션을 시연했습니다. 이 렌즈는 탁월한 3.6디옵터 출력 범위를 유지하면서 제어 전압을 80에서 18VRMS로 4배 낮췄습니다.

상업용 액정 렌즈 제품의 예입니다. (출처: 플렉서블)

연구팀은 액정 렌즈의 헤이즈가 광학 균일성을 교란하는 선천적 분자 무작위성에서 비롯된다는 사실을 밝혀냈습니다. 연구팀은 분자 간 질서를 개선하면 에러 시딩 교란을 억제할 수 있음을 이론적, 실험적으로 증명했습니다.

고차 탄성 상수 LC 소재를 사용하거나 최적화된 전기장 제어를 통해 정렬을 강화하여 방향 분포를 원활하게 유지하는 기준 에너지를 높이면 광학 전송 규칙성이 향상됩니다.

연구팀은 맞춤형 셀에서 이러한 기본적인 역학을 확인하는 것 외에도 테스트 렌즈의 내부 아키텍처와 회로를 재설계했습니다. 기존 버퍼 구성 요소를 제거하여 고저항 전압 전파 레이어를 더 세밀하게 보정할 수 있었습니다. LC 레이어에 더 많은 기준 안정화 에너지를 펌핑하는 것과 함께 이러한 조정은 헤이즈 형성을 방지하는 데 시너지 효과를 발휘했습니다.

더 낮은 제어 전압으로 넓은 전자식 가변 초점 범위를 유지하면 두 가지 상반된 끝에서 가능성이 열립니다. 얇은 망원 렌즈처럼 더 높은 광학 출력 밀도와 개방 기능을 구현할 수 있습니다. 동시에 전압 및 전류 소비를 줄임으로써 더 작은 폼 팩터 모바일 장치에 통합할 수 있습니다.