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일렉트로웨팅(Electrowetting) – 전기로 조절하는 액체렌즈!

2016년 9월 23일

 LG화학 대학생 에디터 3기 김지영 PEN NAME : 졍이 / 23, 응용화학, 일상을 담아내듯 화학도 술술 풀어낼 김지영입니다~

오늘은 신기한 렌즈가 있어서 소개해드리려고 합니다! 보통 렌즈라 하면 유리렌즈를 떠올리실 겁니다. 그러나 액체로 이루어진 렌즈가 있다고 하네요. 바로 전압을 이용해서 두께를 조절하는 액체렌즈입니다! 액체렌즈를 이용하면 렌즈 자체의 두께를 변화시켜 좁은 공간에서도 초점을 조절할 수 있습니다. 그렇다면 어떤 원리로 액체렌즈가 작용하는지 한 번 알아보겠습니다.

유리렌즈 vs 액체렌즈

캐논 줌 렌즈를 클로즈업해서 보여주고 있다.

ⓒpexels.com

그렇다면 기존 렌즈와 액체렌즈 간의 차이점은 무엇일까요? 먼저 보통의 카메라 렌즈는 유리로 이루어져 있습니다. 그리고 렌즈와 필름 사이의 거리를 조절해서 줌인•아웃을 하고 초점을 맞춥니다. 그러나 휴대전화와 같은 소형기기의 경우 공간의 제약이 있기 때문에 여러 개의 렌즈의 거리를 자유자재로 바꾸기 힘듭니다. 그래서 액체렌즈는 전압을 이용해 렌즈 자체의 두께를 조절하는 유용한 렌즈입니다!

렌즈로 쓰이기 위한 액체의 성질!

렌즈로 사용하는 액체의 둥근 표면 모양

ⓒwikipedia.org

그렇다면 액체의 어떤 성질이 렌즈로 이용되는 것일까요? 바로 표면장력과 극성 입니다! 두 성질을 가지고 있는 물이 주로 액체렌즈에 쓰이게 됩니다. 액체는 그 표면을 최소한으로 하려는 힘, 즉 표면장력을 가지고 있습니다. 그래서 물방울은 둥근 모양을 유지하게 됩니다. 이 둥근 모양은 빛을 모아서 초점을 맞추는 렌즈의 역할을 합니다! 표면장력이 변한다는 것은 물방울의 모양이 변화한다는 것을 의미합니다.

극성은 전하가 분리되어 있는 것을 뜻합니다. 극성분자는 한쪽은 +, 다른 – 전하를 띠고 있습니다. 물은 극성분자이고, 위의 그림에서 산소부분(빨간색 부분)은 –전하, 두 수소부분(파란색 부분)은 +전하를 띠고 있습니다. 이때 +나 –를 띤 물체를 갖다 대면, 극성 분자는 끌려오게 됩니다.

전기로 액체의 두께를 조절 – ‘일렉트로웨팅(Electrowetting)’

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1870년, 프랑스의 리프만이라는 과학자가 둥그런 모양의 물방울을 금속판 위에 놓고 낮은 전압을 걸어주었을 때 물방울의 모양이 변하는 현상을 관찰했습니다. 극성분자인 물이 가지는 부분적인 전하로 인해 금속판으로 끌려가기 때문입니다. 이렇게 전기로 액체의 표면장력을 변화시키는 것을 ‘일렉트로웨팅(Electrowetting)’이라고 합니다! 전압을 걸어주면 물이 금속판에 끌려가 더 납작하고 젖게 만드는 면적이 넓어지게 됩니다. 이때 절연체는 물이 금속과 전자를 주고받아 전기 분해되는 것을 막아주기 위함입니다.

이런 액체렌즈를 사용하면 제품의 크기를 작게 만들 수도 있지만, 렌즈를 움직이는 방식보다 전력소모가 적다는 장점도 가집니다. 그리고 일렉트로웨팅은 액체렌즈뿐만 아니라 전자종이나, 랩온어칩(Lab on a chip) 등 다양한 분야에 적용될 수 있다고 하네요~ 하나의 발견이 기술로 발전하다니 과학의 세계는 참 신기합니다!

무궁무진, 일렉트로웨팅 응용분야!

일렉트로웨팅의 원리를 이용한 액체렌즈 덕분에 우리는 휴대전화에서도 줌인•아웃이 가능하게 되었습니다. 그렇다면 또 다른 응용분야로는 어떤 것들이 있을까요?

(좌)휘어진 전자 종이를 손으로 잡고 있다, (우)투명하고 작은 랩온어칩(Lab on a chip)을 손으로 잡고 있다.

ⓒ(좌측)LG디스플레이, (우측) 나노엔텍 공식 홈페이지

먼저 전자종이에 쓰일 수 있습니다. 전자종이는 휘어지는 디스플레이의 한 형태로 마치 종이와 같은 느낌을 주는 전자 장치입니다! 하지만 화면이 바뀌는 속도가 느리다는 문제점이 있습니다. 그러므로 유동성이 큰 액체를 사용하면 속도 문제를 해결할 수 있습니다.

그리고 랩온어칩(Lab on a chip)에도 이용될 수 있습니다. 랩온어칩은 말 그대로 작은 칩 위의 실험실, 즉 실험실에서 시행할 연구를 손바닥 위의 칩에서 가능하게 한 것입니다. 이 칩을 이용하면 혈액 한 방울만 떨어뜨려도 질병을 분석할 수 있다고 하네요. 하지만 워낙 작기 때문에 액체를 미세한 관으로 이동시키기 힘들다는 문제점이 있습니다. 이때 일렉트로웨팅 현상을 이용하면 수~수십 V의 낮은 전압으로도 쉽게 이동시킬 수 있습니다. 게다가 기존의 방식보다 백 배 이상 빠르게 이동시킬 수 있다고 합니다!

 

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