일본 이화학 연구소의 생명 기능 과학 연구 센터 통합 바이오 장치 연구팀이 직경  30μm(마이크로미터)~1mm 정도의 작은 유리 렌즈(돔 구조)를 만드는 기술을 개발했습니다. 

 

 

열팽창 전과 후. 열팽창 후 렌즈처럼 쓸 수 있습니다. 

 

최근에는 스마트폰 카메라나 센서 모듈의 부품으로 작은 렌즈를 많이 사용하고 있습니다. 플라스틱으로 렌즈를 만들면 대량 생산이 가능하나, 유리 렌즈보다 내구성이나 투명도가 부족합니다. 유리 렌즈는 미세 가공에 시간, 노력, 비용이 많이 들어가기에 고정밀 유리 렌즈를 짧은 시간 안에 대량 생산하기 어렵습니다. 

 

 

연구팀은 수백년 동안 유리 가공에 사용한 유리 불기 제조법을 사용했습니다. 유리 내부에 공기를 불어넣고 열팽창을 통해 유리를 성형하는 기술을 마이크로 스케일의 가공에 응용했습니다.

 

 

불화수소산을 써서 유리 기판의 일부를 녹여 얕은 홈을 형성하고, 그 위에 커버 유리를 겹치면서 내부에 빈 공간을 만듭니다. 이 기판을 진공 상태에서 가열하면 빈 공간이 부풀어 오르면서 두 장의 유리가 붙습니다. 원하는 모양이 나오면 가열을 중단하고 진공 상태를 유지하며 천천히 냉각해 유리 돔 을 만듭니다.

 

이렇게 만든 돔 구조는 열팽창 때문에 중앙의 유리 벽이 조금 얇아지며, 오목 렌즈로 쓸 수 있습니다. 또 돔 구조의 비어있는 부분에 공기보다 굴절률이 큰 충전액을 치워 볼록렌즈처럼 쓸 수도 있습니다. 순수한 유리 렌즈는 아니지만 물리적인 강도나 내구성은 유리와 똑같습니다. 

 

 

열팽창 때 깨지는 걸 막기 위에 유리 두께를 맞출 필요가 있습니다. 이건 유리 기판의 두께를 바꾸고 변형되는 양을 조정해서 해결합니다. 유리의 수량, 모양, 크기도 마음대로 조정할 수 있고, 균일하게 제조하거나 충전액을 채워넣을 수로도 만들 수 있어 다양한 분야에서 응용 가능합니다. 

 

 

유리의 두께, 홈의 직경, 깊이와 돔 구조와의 관계에 실험한 결과, 커버 유리가 얇고/홈이 깊고/직경이 클수록 렌즈 돔이 높아진다는 결론이 나왔습니다. 돔의 높이 차이는 오차 5% 이내입니다. 표면 형상 측정기를 통한 측정에서도 돔 구조가 매우 깨끗해, 구조를 설계하기 쉽고 재현성이 좋다는 결론이 나왔습니다.

 

이렇게 만든 돔 구조가 유리 렌즈로 작동하는지 테스트해봤는데, 충전액을 쓰지 않았을 땐 최대 0.61배의 축소, 미네랄 오일을 채웠을 땐 1.65배의 확대 효과가 있었습니다. 핫 플레이트에서 300도 이상으로 가열해도 유리의 특성을 유지했고, 황산이나 아세톤에 넣어도 정상 작동했습니다.