KR101941166B1 - 전자기파 발생기 및 이를 이용한 광셔터 - Google Patents

전자기파 발생기 및 이를 이용한 광셔터 Download PDF

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Abstract

테라헤르츠(THz) 대역을 포함하는 광대역의 전자기파를 발생시킬 수 있으며 출력 전자기파의 파장 제어가 가능한 전자기파 발생기 및 광셔터가 개시된다. 개시된 전자기파 발생기는 서로 이격되어 마주보도록 배치된 두 전극, 상기 두 전극 사이에 배치된 대전 가능 입자, 및 상기 두 전극 사이에서 상기 대전 가능 입자를 둘러싸도록 배치된 챔버를 포함할 수 있다. 전자기파 발생기의 두 전극에 직류 전압이 인가하여 두 전극 사이에 전기장을 발생시키면, 대전 가능 입자가 대전될 수 있다. 그러면, 대전된 입자는 두 전극 사이를 왕복하는데, 이러한 대전된 입자의 이동에 따라 전자기파가 발생한다. 출력 전자기파의 파장은 두 전극 사이의 전위차를 조절함으로써 제어될 수 있다.

Description

전자기파 발생기 및 이를 이용한 광셔터 {Electromagnetic wave generator and optical shutter using the same}
개시된 실시예들은 전자기파 발생기 및 광셔터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 테라헤르츠(THz) 대역을 포함하는 광대역의 전자기파를 발생시킬 수 있으며 출력 전자기파의 파장 제어가 가능한 전자기파 발생기 및 상기 전자기파 발생기와 동일한 원리로 동작할 수 있는 광셔터(optical shutter)에 관한 것이다.
테라헤르츠 전자기파(이하, 테라헤르츠파)는 통상적으로 약 0.1~10 THz의 주파수 대역을 갖는 전자기파를 나타낸다. 테라헤르츠파는 마이크로파나 광파가 투과할 수 없는 물질을 쉽게 투과하고 수분에 잘 흡수되는 특성을 갖고 있다. 때문에, 테라헤르츠파는 의학, 화학, 군사, 보안, 생명, 환경, 정보통신 등의 다양한 기술 분야에서 중요성이 부각되고 있다. 그러나, 아직까지는 테라헤르츠 대역의 전자기파를 신뢰성 있게 발생시킬 수 있는 장치가 충분히 개발되지 않고 있어서, 새로운 테라헤르츠 발생기를 개발하기 위한 많은 연구가 진행 중이다.
예를 들어, 비선형 결정을 갖는 고체 레이저(solid state laser)를 이용하는 테라헤르츠 발생기, 코일 또는 자석을 이용한 전자기 유도 방식의 테라헤르츠 발생기 등이 현재 개발되고 있다. 그러나, 현재까지 개발된 테라헤르츠 발생기는 특정 파장의 테라헤르츠파만을 출력할 수 있거나, 또는 출력 테라헤르츠파의 가용 대역이 좁아서 응용 분야가 한정될 수 있다. 예를 들어, 신체 내의 서로 다른 장기(심장, 혈관, 위장 등)을 단층촬영하기 위해서는 서로 다른 파장의 테라헤르츠파가 요구되는데, 대역폭이 좁은 기존의 테라헤르츠 발생기로는 그러한 요구를 충족시킬 수 없다. 또한, 테라헤르츠 발생기는 그 동작 원리상 소비전력이 매우 클 수 있다.
출력 전자기파의 파장 제어가 가능한 광대역 전자기파 발생기를 제공한다.
또한, 고속 개폐가 가능한 광셔터를 제공한다.
일 유형에 따르면, 서로 이격되어 마주보도록 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 대전 가능 입자; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 대전 가능 입자를 둘러싸도록 배치된 챔버;를 포함하는 전자기파 발생기가 제공될 수 있다. 이러한 전자기파 발생기의 구조에서, 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 전압 인가시 상기 대전 가능 입자가 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이를 왕복하면서 전자기파가 발생할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버 내부의 공간에 상기 대전 가능 입자가 배치되고, 상기 챔버의 양단에서 상기 제 1 전극과 제 2 전극은 상기 챔버 내부의 공간을 밀폐시키며,상기 챔버의 내부 공간은 진공 또는 비활성 가스로 채워질 수 있다.
상기 전자기파 발생기는 상기 챔버의 외부를 둘러싸는 하우징을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버와 상기 하우징 사이의 공간은 진공으로 채워질 수 있다.
또한, 상기 챔버는 상기 제 1 전극과 제 2 전극이 전기적으로 서로 분리되도록 절연성 재료로 이루어질 수 있으며, 상기 대전 가능 입자의 운동에 의해 발생하는 전자기파에 대해 투과성을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 전극에 제 1 직류(DC) 전압이 인가되고, 상기 제 2 전극에 제 1 직류 전압과 다른 제 2 직류(DC) 전압이 인가될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 전극은 평판형이며, 상기 제 1 및 제 2 전극의 직경이 상기 챔버의 직경보다 클 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 전극은 오목한 포물면을 가지며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극의 포물면은 서로 대향하도록 배치될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 전극 중에서 하나는 평판형이며, 다른 하나는 상기 대전 가능 입자를 향해 배치된 오목한 포물면을 가질 수 있다.
예컨대, 상기 대전 가능 입자는 전기적으로 대전될 수 있는 전도체 재료로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 대전 가능 입자는 전기적으로 대전될 수 있는 전도체 코어 및 상기 전도체 코어를 둘러싸는 절연성 쉘을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 대전 가능 입자는, 상기 제 1 및 제 2 전극에 대한 전압의 인가와 무관하게 이미 대전되어 있으며 대전된 상태를 유지하는 입자, 또는 상기 제 1 및 제 2 전극에 전압이 인가될 때에만 대전되고 전압 인가의 중단시 방전되는 입자 중에서 하나일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극에 전압이 인가될 때, 상기 제 1 및 제 2 전극과 상기 대전 가능 입자 사이에 인력이 발생할 수 있다.
예컨대, 상기 제 1 및 제 2 전극과 상기 대전 가능 입자 사이에 작용하는 전체 전기적 힘(F)의 세기 F는
Figure 112012041046619-pat00001
이며,
여기서
Figure 112012041046619-pat00002
,
Figure 112012041046619-pat00003
이고, QT는 상기 대전 가능 입자의 유효 전하, s는 상기 제 1 전극과 상기 대전 가능 입자 사이의 거리, h는 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 간격, a는 상기 전도체 코어의 반경, b는 상기 절연성 쉘의 반경, EP는 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 발생한 전기장의 세기, σ1는 상기 전도체 코어의 전하 밀도, σ2는 상기 절연성 쉘의 전하 밀도, ε0는 자유 공간에서의 유전율, κ2는 상기 절연성 쉘의 유전상수, κ3는 상기 챔버 내에서 상기 대전 가능 입자의 바깥 영역의 유전상수일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 챔버는 원통형 또는 다각통형일 수 있다.
다른 유형에 따르면, 상술한 다수의 전자기파 발생기를 포함하는 전자기파 발생기 어레이가 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 전자기파 발생기들은 동일 반경을 따라 링형으로 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 다수의 전자기파 발생기들이 동기하여 동작할 수 있다.
또 다른 유형에 따르면, 서로 이격되어 마주보도록 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 대전 가능 입자; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 대전 가능 입자를 둘러싸도록 배치된 챔버; 및 상기 제 1 전극의 중심부에 빛이 통과하도록 형성된 개구;를 포함하는 광셔터가 제공될 수 있다. 여기서, 광셔터는 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 전압 인가시 상기 대전 가능 입자가 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이를 왕복하면서 반복적으로 입사광을 차단하거나 통과시키도록 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극은 불투명한 도전체로 이루어지며, 상기 제 2 전극은 투명한 도전체로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 개구의 반경은 상기 대전 가능 입자의 반경보다 작을 수 있다.
상기 광셔터는 상기 개구에 채워진 투명 윈도우를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 전극은 상기 대전 가능 입자가 상기 개구 상에 안착되도록 오목한 표면을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 챔버의 내벽은 반사성 재료로 코팅될 수 있으며, 또는 상기 챔버 자체가 반사성 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 챔버는 상기 제 1 전극과 제 2 전극이 전기적으로 서로 분리되도록 절연성 재료로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 개구는 원형 또는 다각형일 수 있다.
또 다른 유형에 따르면, 상술한 다수의 광셔터를 포함하는 광셔터 어레이가 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 광셔터는 행과 열을 이루어 매트릭스 어레이 형태로 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 전극은 모든 광셔터들에 대한 공통 전극이며, 상기 제 1 전극은 각각의 광셔터마다 독립적으로 배치될 수 있다.
상기 광셔터 어레이는 각각의 광셔터의 제 1 전극 사이에 배치된 불투명 절연체를 더 포함할 수 있다.
또한 또 다른 유형에 따른 광셔터는, 서로 이격되어 마주보도록 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 대전 가능 입자; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 대전 가능 입자를 둘러싸도록 배치된 챔버;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제 1 전극과 제 2 전극은 평판 형태의 투명한 도전성 재료로 이루어지며, 상기 챔버의 내벽은 반사성을 갖고, 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 인가되는 전압을 조절하여 상기 대전 가능 입자가 상기 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이를 왕복하는 주기를 제어함으로써, 투과되는 광의 강도를 제어할 수 있다. 여기서, 투과되는 광의 강도는 대전 가능 입자의 왕복 주기에 의해 변화될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 챔버는 반사성 금속으로 이루어지며, 상기 광셔터는 상기 챔버와 제 1 전극 사이에 배치된 제 1 절연체 및 상기 챔버와 제 2 전극 사이에 배치된 제 2 절연체를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 챔버는 반사성 유전체로 이루어지거나, 또는 상기 챔버의 내벽에 반사성 코팅막이 형성될 수 있다.
또한, 상기 대전 가능 입자의 표면이 반사성을 가질 수 있다.
또한, 상기 광셔터는 상기 제 1 전극이 배치되는 투명한 제 1 기판 및 상기 제 2 전극이 배치되는 투명한 제 2 기판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광셔터는 상기 제 2 기판 상에 배치되는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 광셔터는 상기 제 2 전극 상에 배치되는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 반사성을 갖는 상기 챔버의 내벽이 포물면의 형상을 가질 수 있다.
한편, 또 다른 유형에 따른 광셔터는, 서로 이격되어 마주보도록 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 대전 가능 입자; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 대전 가능 입자를 둘러싸도록 배치된 챔버;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제 1 전극은 중심부에 빛이 통과하도록 형성된 개구를 갖는 평판 형태의 불투명한 도전성 재료로 이루어지며, 상기 제 2 전극은 평판 형태의 투명한 도전성 재료로 이루어지고, 상기 챔버의 내벽은 반사성을 가지며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 인가되는 전압을 조절하여 상기 대전 가능 입자가 상기 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이를 왕복하는 주기를 제어함으로써, 투과되는 광의 강도를 제어할 수 있다. 여기서, 투과되는 광의 강도는 대전 가능 입자의 왕복 주기에 의해 변화될 수 있다.
개시된 전자기파 발생기는 두 전극 사이에서 대전 입자를 고속으로 왕복시킴으로써 테라헤르츠 대역을 포함하는 광대역의 전자기파를 발생시킬 수 있다. 개시된 실시예들에 따르면, 두 전극에 인가되는 전압을 조절함으로써 대전 입자가 왕복하는 주기를 제어할 수 있으며, 이에 따라 출력 전자기파의 파장을 제어할 수 있다. 또한, 개시된 전자기파 발생기는 높은 효율로 전자기파를 발생시킬 수 있기 때문에 소비전력이 매우 적다.
또한, 개시된 광셔터는 두 전극 사이에서 대전 입자의 위치에 따라 입사광을 투과시키거나 차단할 수 있다. 따라서, 대전 입자의 이동 속도를 조절하여 광셔터의 고속 개폐가 가능하다. 이러한 광셔터는, 예를 들어, 고속 구동이 요구되는 3D 영상 장치의 광변조기 등에 이용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전자기파 발생기의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 전자기파 발생기의 단면 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 전자기파 발생기의 두 전극 사이에 발생하는 전기장을 예시적으로 보인다.
도 4는 다른 실시예에 따른 전자기파 발생기의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 전자기파 발생기의 두 전극 사이에 발생하는 전기장을 예시적으로 보인다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 전자기파 발생기의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 7은 실시예들에 따른 전자기파 발생기의 두 전극 사이에 배치된 대전 가능 입자의 구조를 예시적으로 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 실시예들에 따른 전자기파 발생기에서 대전 가능 입자가 두 전극 사이에서 진동하는 원리를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 9는 실시예들에 따른 전자기파 발생기의 예시적인 동작을 도시한다.
도 10은 대전 가능 입자의 시간에 따른 위치 변화를 보이는 그래프이다.
도 11은 대전 가능 입자의 시간에 따른 속도 변화를 보이는 그래프이다.
도 12는 대전 가능 입자로부터 발생하는 전자기파의 세기 프로파일을 도시한다.
도 13은 다수의 전자기파 발생기들의 어레이를 예시적으로 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 일 실시예에 따른 광셔터의 구조 및 동작을 개략적으로 도시한다.
도 15a 및 도 15b는 다수의 광셔터들을 갖는 광셔터 어레이의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도 및 단면도이다.
도 16는 또 다른 실시예에 따른 광셔터의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 17은 도 16에 도시된 광셔터의 동작을 개략적으로 도시한다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 광셔터의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 광셔터의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 광셔터의 구조를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 전자기파 발생기 및 이를 이용한 광셔터에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1 및 도 2는 일 실시예에 따른 전자기파 발생기(10)의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 사시도 및 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자기파 발생기(10)는 서로 이격되어 마주보도록 배치된 하부 전극(11)과 상부 전극(12), 상기 두 전극(11, 12) 사이에 배치된 대전 가능 입자(14), 및 상기 두 전극(11, 12) 사이에서 대전 가능 입자(14)를 둘러싸도록 배치된 챔버(13)를 포함할 수 있다. 따라서, 챔버(13) 내부의 공간(20)에 대전 가능 입자(14)가 배치될 수 있으며, 챔버(13)의 하부와 상부에 각각 하부 전극(11)과 상부 전극(12)이 배치되어 챔버(13)의 내부 공간(20)을 밀폐시킬 수 있다.
챔버(13)의 내부 공간(20) 내에서 대전 가능 입자(14) 이외에는 전하를 가진 입자나 가스가 존재하지 않는 것이 유리하다. 이를 위해, 내부 공간(20)을 진공 상태로 유지할 수 있다. 그 대신에, 예를 들어 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 등과 같은 비활성 가스(noble gas)나, 육불화황(SF6, sulfur hexafluoride)과 같이 대전 가능 입자(14)의 전기적 방전을 억제하는 가스로 내부 공간(20)을 채울 수도 있다. 챔버(13) 내부의 공간(20)을 진공이나 비활성 가스로 확실히 유지하기 위하여, 전자기파 발생기(10)는 챔버(13)의 외부를 둘러싸는 하우징(15)을 더 포함할 수도 있다. 하우징(15)과 챔버(13) 사이의 공간(30)은 진공으로 유지될 수 있다.
챔버(13)는 두 전극(11, 12)이 전기적으로 분리되도록 절연성 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 챔버(13)는 대전 가능 입자(14)의 운동에 의해 발생하는 전자기파가 투과될 수 있는 재료로 이루어질 수 있다. 위 두 조건을 만족하는 어떠한 재료도 챔버(13)로서 사용될 수 있다. 도 1에는 챔버(13)가 원통형인 것으로 예시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 챔버(13)는 삼각통, 사각통 등과 같은 다각통형의 형상을 가질 수도 있다. 또한, 도 1에는 챔버(13) 내에 하나의 대전 가능 입자(14)가 있는 것으로 예시되어 이지만, 이에 한정되는 것은 아니며 다수의 대전 가능 입자(14)가 챔버(13) 내에 배치될 수도 있다.
전극(11, 12)은 챔버(13) 내부의 공간(20)에 전기장을 제공하는 역할을 하도록 배치된다. 예컨대, 상부 전극(12)에 VT의 전압을 인가하고 하부 전극(11)에 VL의 전압을 인가할 때, VT > VL이라면 상부 전극(12)으로부터 하부 전극(11)의 방향으로 전기장이 발생한다. 대전 가능 입자(14)가 대전되면 전기장을 따라 움직이게 되는데, 이때 대전 가능 입자(14)가 챔버(13)의 내벽에 부딪히지 않고 상하로 안정되게 운동하기 위해서는 챔버(13) 내부의 공간(20)에 챔버(13)의 벽에 대해 평행한 전기장(즉, 도면에서는 수직 방향에 평행한 전기장)이 형성되는 것이 유리하다. 이를 위해, 전극(11, 12)의 직경은 챔버(13)의 직경보다 더 클 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 평행한 두 평판 전극(11, 12) 사이에 형성되는 전기장은 전극(11, 12)의 가장자리로 갈수록 평행하지 않게 되고 전극(11, 12)의 중심부로 갈수록 평행하게 된다. 따라서, 챔버(13)의 직경은 전기장이 평행한 영역의 직경(D)과 일치하도록 선택될 수 있다. 그러면, 대전 가능 입자(14)를 챔버(13)의 중심 영역에 가둘 수 있다. 그러나, 대전 가능 입자(14)를 챔버(13)의 중심 영역에 가둘 수 있는 다른 수단이 존재하는 경우에는, 전극(11, 12)의 직경이 챔버(13)의 직경과 같을 수도 있다.
도 1 내지 도 3에는 전극(11, 12)이 평행한 평판의 형태로 도시되어 있지만, 대전 가능 입자(14)가 챔버(13)의 내벽에 부딪히는 것을 방지하기 위하여, 상기 전극(11, 12)은 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 따른 전자기파 발생기(10)는 포물면의 형태를 갖는 전극(11, 12)을 포함할 수 있다. 두 전극(11, 12)은 오목한 포물면이 서로 대향하도록 배치된다. 이 경우, 챔버(13)의 내부에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 중심을 향해 구부러진 형태의 전기장이 형성될 수 있다. 이렇게 안쪽으로 구부러진 전기장으로 인해, 챔버(13)의 중심 영역에 배치된 대전 가능 입자(14)는 바깥쪽 방향으로 거의 이동하지 않게 된다. 따라서, 대전 가능 입자(14)가 챔버(13)의 벽으로 이동하여 부딪히는 일은 거의 발생하지 않는다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 두 전극(11, 12) 중에서 하나는 평판 형태를 갖고, 다른 하나는 포물면 형태를 가질 수도 있다. 도 6에는 하부 전극(11)이 포물면 형태를 갖고 상부 전극(12)이 평판 형태를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 그와 반대로 배치되는 것도 가능하다. 즉, 하부 전극(11)이 평판 형태를 갖고 상부 전극(12)이 포물면 형태를 가질 수도 있다. 두 전극(11, 12) 중에서 포물면 형태를 갖는 전극은 포물면이 대전 가능 입자(14)를 향하도록 배치된다.
한편, 대전 가능 입자(14)는 양(+) 또는 음(-)의 전하에 의해 쉽게 전기적으로 대전될 수 있는 전도체 재료로 이루어질 수 있다. 예컨대, 대전 가능 입자(14)는 알루미늄(Al)과 같은 금속 재료로 이루어질 수 있다. 대전 가능 입자(14)는 대전된 상태를 항상 유지할 수도 있지만, 두 전극(11, 12)에 전압이 인가된 동안에만 대전된 상태를 유지하여도 무방하다. 이러한 대전 가능 입자(14)는 구 형태를 갖는 하나의 단일 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 대전 가능 입자(14)로서 대전 가능한 금속 구를 사용할 수도 있으며, 심지어 이온화된 원자(ionized atom)를 사용할 수도 있다.
또한, 대전 가능 입자(14)는 도 7에 도시된 바와 같이, 전도체 코어(14a)와 절연성 쉘(shell)(14b)을 갖는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 코어(14a)는 알루미늄과 같이 쉽게 대전될 수 있는 전도성 금속으로 이루어질 수 있으며, 코어(14a)를 둘러싸는 쉘(14b)은 Al2O3나 SiO2와 같은 절연성 재료로 이루어질 수 있다. 대전 가능 입자(14)가 이러한 코어-쉘 구조로 이루어질 경우, 운동하는 대전 가능 입자(14)이 두 전극(11, 12)에 근접할 때, 도전성을 갖는 코어(14a) 대신에 절연성을 갖는 쉘(14b)이 전극(11, 12)에 직접 접촉하므로 전기적 누설을 방지할 수 있다. 따라서, 전자기파 발생기(10)의 전력소비를 감소시킬 수 있다.
이하, 상술한 전자기파 발생기(10)의 동작에 대해 상세하게 설명한다.
전자기파 발생기(10)의 두 전극(11, 12)에 전압을 인가하기 전에는 대전 가능 입자(14)가 중력에 의해 하부 전극(11)의 표면 위에 놓여 있을 수 있다. 이때, 대전 가능 입자(14)는 전기적으로 대전되지 않은 상태일 수도 있다. 따라서, 전자기파 발생기(10)의 동작 초기에, 대전 가능 입자(14)를 대전시키기 위해서, 두 전극(11, 12)에 초기 전압을 인가한다. 예를 들어, 대전 가능 입자(14)의 코어(14a)가 알루미늄이라면, 두 전극(11, 12) 사이의 전위차가 약 700V 이상이 되도록 두 전극(11, 12)에 전압을 인가한다. 예컨대, 하부 전극(11)에 인가되는 전압 VL이 0V라면, 상부 전극(12)에 인가되는 전압 VT는 약 700V 이상일 수 있다. 그러면, 알루미늄 코어(14a) 내의 각각의 알루미늄 원자로부터 전자가 하나씩 튀어나와 상부 전극(12)을 통해 흘러나간다. 따라서, 대전 가능 입자(14)는 양(+)으로 대전된다. 만약 대전 가능 입자(14)가 전극(11, 12)에 대한 전압의 인가와 무관하게 이미 대전되어 있으며 대전된 상태를 유지할 수 있다면, 이러한 초기화 과정은 요구되지 않을 수 있다. 그러나, 전극(11, 12)에 전압이 인가될 때에만 대전 가능 입자(14)가 대전되고 전압 인가의 중단시 방전된다면, 상술한 초기화 과정이 요구될 수 있다.
그런 후, 두 전극(11, 12)에는 출력 전자기파의 소망하는 파장에 따라 각각 적절한 DC 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 두 전극(11, 12)에 인가되는 전압의 관계는 VT > VL일 수 있다. 그러면, 상부 전극(12)으로부터 하부 전극(11)의 방향으로 전기장이 발생하면서, 대전된 대전 가능 입자(14)는 하부 전극(11)과 상부 전극(12) 사이를 왕복하면서 진동할 수 있다. 이렇게 대전 가능 입자(14)가 두 전극(11, 12) 사이에서 진동하는 원리는 아래와 같이 수학적으로 설명할 수 있다.
먼저, 두 전극(11, 12)은 서로 평행하게 배치된 평판형 전극이며, 두 전극(11, 12) 사이에는 코어-쉘 구조의 대전 가능 입자(14)가 배치되어 있다고 가정한다. 대전 가능 입자(14)의 코어(14a)는 반경이 a이며 σ1의 전하밀도를 갖고, 쉘(14b)은 반경이 b이며 σ2의 전하밀도를 갖는다고 가정한다. 또한, 두 전극(11, 12) 사이의 간격은 h이며, 대전 가능 입자(14)는 상부 전극(12)으로부터 s만큼의 높이에 위치한다고 가정한다. 그리고, 상부 전극(12)에는 VT의 전압이 인가되며 하부 전극(11)에는 VL의 전압이 인가되고, 여기서 편의상 VT > VL, VL > 0 이라고 가정한다(그러나, 실제로는 VL ≤ 0이어도 무방하다). 이때, 상부 전극(12)과 하부 전극(11) 사이에는 Ep의 전기장이 발생한다고 가정한다.
그러면, 라플라스 방정식 ∇2V = 0과 경계 조건을 이용하여 코어(14a) 내부의 영역(r≤a)에서의 정전위 V1, 쉘(14b) 내부의 영역(a<r≤b)에서의 정전위 V2, 대전 가능 입자(14) 바깥의 영역(r>b)에서의 정전위 V3를 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112012041046619-pat00004
Figure 112012041046619-pat00005
Figure 112012041046619-pat00006
상기 수학식 1-3에서, α, β, γ, λ 및 ν는 다음과 같다.
Figure 112012041046619-pat00007
위의 수학식 1-4는 대전 가능 입자(14)의 중심을 원점으로 하는 구면 좌표계로 표현되었다. 따라서, 수학식 1-4에서 r은 대전 가능 입자(14)의 중심으로부터 반경 방향의 거리이며, θ는 수직축(z-축)으로부터의 고도각이다. 수학식 3에서 C는 경계 조건을 만족시키기 위한 임의의 상수이다. 수학식 4에서 ε0는 자유 공간(free space)에서의 유전율이며, κ2는 쉘(14b)의 유전상수이고 κ3는 챔버(13)의 내부 공간(20), 즉 대전 가능 입자(14) 바깥 영역의 유전상수이다.
또한, 대전 가능 입자(14) 바깥의 영역에서의 정전위 V3를 이용하면, 대전 가능 입자(14) 바깥의 영역에서의 전기변위(electric displacement) D3를 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112012041046619-pat00008
그러면, 전기변위 D3에 의해 유발되는 상부 전극(12)의 표면에서의 전하 밀도 σiup와 하부 전극(11)의 표면에서의 전하 밀도 σilp를 다음의 수학식 6 및 수학식 7과 같이 얻을 수 있다. 수학식 6 및 7은 극좌표계로 표현되며,
Figure 112012041046619-pat00009
이다.
Figure 112012041046619-pat00010
Figure 112012041046619-pat00011
하부 전극(11)의 표면과 상부 전극(12)의 표면에 각각 유발된 총 전하 QiT는 QiT = Qiup + Qilp로 표현될 수 있으며, 여기서 Qiup는 상부 전극(12)에 유발된 총 전하이고, Qilp는 하부 전극(11)에 유발된 총 전하이다. QiT를 풀이하면 다음과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112012041046619-pat00012
상부 전극(12)의 표면과 하부 전극(11)의 표면에 유발된 전하는 상기 대전되어 있는 대전 가능 입자(14)와 상호작용하여 대전 가능 입자(14)에 힘을 가할 수 있다. 상부 전극(12)의 표면(S1)에 유발된 전하에 의해 대전 가능 입자(14)에 작용하는 힘을 F1, 하부 전극(11)의 표면(S2)에 유발된 전하에 의해 대전 가능 입자(14)에 작용하는 힘을 F2라고 할 때, 대전 가능 입자(14)에 작용하는 전체 힘 F는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012041046619-pat00013
여기서, E1은 상부 전극(12)에서의 전기장이고 E2는 하부 전극(11)에서의 전기장이며, QT는 대전 가능 입자(14)의 유효 전하로서 QT = -QiT의 관계를 갖는다. 상기 수학식 9를 풀이하면, 다음의 수학식 10-12와 같은 결과를 얻을 수 있다.
Figure 112012041046619-pat00014
Figure 112012041046619-pat00015
Figure 112012041046619-pat00016
수학식 10-12에서 e z는 z 방향의 단위 벡터이다. 수학식 12의 결과는 대전 가능 입자(14)에 작용하는 전자기력만을 고려한 것이다. 대전 가능 입자(14)에 작용하는 중력을 또한 고려하면, 대전 가능 입자(14)에 작용하는 전체 힘 FT를 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112012041046619-pat00017
수학식 6, 7 및 13을 참조하면, 대전 가능 입자(14)의 위치에 따라 상부 전극(12)과 하부 전극(11)의 표면에 유도되는 전하 밀도가 변화하면서, 대전 가능 입자(14)에 대해 인력이 우세하게 작용하거나 또는 척력이 우세하게 작용하게 된다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 전기장 Ep의 방향이 상부 전극(12)으로부터 하부 전극(11)을 향하고, 대전 가능 입자(14)가 (+)로 대전되어 있다고 가정한다. 편극 소거장(depolarization field)에 의해 대전 가능 입자(14)의 위쪽 반구에는 음전하가 분포하고 아래쪽 반구에는 양전하가 분포하게 되는데, 양측 반구의 전하의 총합은 (+)가 된다. 또한, 상부 전극(12)의 표면에도 음전하가 분포하게 되는데, 대전 가능 입자(14)가 상부 전극(12)으로부터 멀어지면 상부 전극(12)의 표면에 유도되는 전하 밀도가 낮아지고, 대전 가능 입자(14)가 상부 전극(12)에 가까워지면 상부 전극(12)의 표면에 유도되는 전하 밀도가 높아진다.
따라서, 대전 가능 입자(14)가 상부 전극(12)으로부터 일정 거리 이상 멀어지면(영역 A), 도 8a에 도시된 바와 같이, 대전 가능 입자(14)의 전체 전하(q>0)와 상부 전극(12) 사이에 인력이 우세해진다. 그 결과, 대전 가능 입자(14)는 상부 전극(12)을 향해 이동하게 된다. 그러나, 대전 가능 입자(14)가 상부 전극(12)에 일정 거리 이하로 접근하면(영역 B), 상부 전극(12)의 표면에 유도되는 음전하의 밀도가 증가하면서, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상부 전극(12)의 표면에 유도된 음전하와 대전 가능 입자(14)의 위쪽 반구에 분포하는 음전하에 의한 반발력이 우세해진다. 그 결과, 대전 가능 입자(14)는 상부 전극(12)으로부터 멀어지게 된다. 이러한 원리로 대전 가능 입자(14)는 영역 A와 영역 B 사이를 왕복하면서 진동하게 된다. 이렇게 전하를 띠는 대전 가능 입자(14)가 진동하게 되면서, 도 9에 도시된 바와 같이, 전자기파가 발생하게 된다.
상술한 수학적 결과를 기초로 컴퓨터를 이용하여 대전 가능 입자(14)의 운동에 대한 모의실험을 수행하였다. 모의 실험에서, 코어(14a)는 알루미늄이고 쉘(14b)은 알루미늄 산화물(Al2O3)이라고 가정하였다. 또한, 상부 전극(12)과 하부 전극(11) 사이, 즉 챔버(13)의 내부에는 진공으로 채워져 있다고 가정하였다. 그외에도 아래와 같은 설계값을 가정하였다.
쉘(14b)의 유전상수 = 6
코어(14a)의 반경 a = 25 nm
쉘(14b)의 두께 (b - a) = 2 nm
상부 전극(12)과 하부 전극(11) 사이의 간격 h = 10 um
하부 전극(11)에 인가된 전압 VL = 0 V
상부 전극(12)에 인가된 전압 VT = 16 kV 및 32 kV
코어(14a)의 전하 밀도 σ1 = 100 C/㎡ (여기서, C는 Coulomb)
쉘(14b)의 전하 밀도 σ2 = 0 nC/㎡
코어(14a)의 질량 밀도 = 2700 kg/㎥
쉘(14b)의 질량 밀도 = 3800 kg/㎥
도 10 내지 도 12는 모의실험의 결과를 보이는 그래프이다. 먼저, 도 10은 대전 가능 입자(14)의 시간에 따른 위치 변화를 보이는 그래프이고, 도 11은 대전 가능 입자(14)의 시간에 따른 속도 변화를 보이는 그래프이다. 도 10 및 11의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 대전 가능 입자(14)는 하부 전극(11)과 상부 전극(12) 사이를 왕복하는 진동 운동을 할 수 있다. 도 10 및 도 11에서 Ep=1.6 GV/m은 VT=16 kV와 대응하며, Ep=3.2 GV/m은 VT=32 kV와 대응한다. 도 10 및 도 11으로부터 알 수 있듯이, 상부 전극(12)에 인가되는 전압이 증가하면 대전 가능 입자(14)의 진동주파수가 증가하고, 이동 속도가 증가한다.
앞서 설명한 바와 같이, 대전된 대전 가능 입자(14)가 하부 전극(11)과 상부 전극(12) 사이를 왕복하면서 진동하게 되면, 대전 가능 입자(14)로부터 전자기파가 발생할 수 있다. 이렇게 발생한 전자기파는 대전 가능 입자(14)의 운동 방향에 수직한 방향으로 진행할 수 있다. 대전 가능 입자(14)가 두 전극(11, 12) 사이를 한번 왕복하는 동안 전자기파가 2회 발생하게 되므로, 발생하는 전자기파의 주파수는 대전 가능 입자(14)의 진동주파수의 2배가 될 수 있다. 도 12는 VT=32 kV일 때 대전 가능 입자(14)로부터 발생하는 전자기파의 세기 프로파일을 예시적으로 도시하고 있다.
대전 가능 입자(14)의 진동주파수는 두 전극(11, 12)에 인가되는 전압으로 조절 가능하므로, 본 실시예에 따른 전자기파 발생기(10)는 테라헤르츠의 대역을 포함하는 매우 넓은 대역에 걸쳐 출력 전자기파의 파장을 쉽게 제어할 수 있다. 만약 대전 가능 입자(14)가 원자나 전자와 같이 매우 작고 가벼운 입자인 경우, 대전 가능 입자(14)는 매우 빠르게 진동할 수 있으므로, 전자기파 발생기(10)는 전자기파뿐만 아니라 빛을 방출하는 것도 가능하다. 이 경우, 전자기파 발생기(10)는 레이저 장치의 역할도 수행할 수 있다. 예를 들어, 챔버(13) 내에 다수의 대전 가능한 및/또는 대전된 기체 원자들을 채워 레이저 장치를 제작할 수 있다. 챔버(13) 내에는 반드시 하나의 대전 가능 입자(14)가 존재할 필요는 없으며, 다수의 대전 가능한 입자(14)가 존재할 수도 있다. 챔버(13) 내에 대전 가능한 입자(14)가 지나치게 많지 않다면, 각각의 대전 가능 입자(14)로부터 발생하는 전자기파 또는 빛의 위상을 소정의 오차 범위 내에서 일치시켜 가간섭성을 갖는(coherent) 전자기파 또는 빛을 제공하는 것이 가능하다.
또한, 두 전극(11, 12) 사이에 고전압이 인가되더라도 두 전극(11, 12)을 통해 흐르는 전류는 매우 미약하기 때문에, 본 실시예에 따른 전자기파 발생기(10)는 소비전력이 작다. 특히, 대전 가능 입자(14)가 코어-쉘 구조로 이루어지는 경우, 전류의 누설을 더 줄일 수 있어서 전자기파 발생기(10)의 소비전력이 더욱 감소할 수 있다.
이러한 전자기파 발생기(10)는 단독으로 사용될 수도 있지만, 다수의 전자기파 발생기(10)들을 함께 배열하여 사용할 수도 있다. 도 13은 다수의 전자기파 발생기(10)들로 이루어진 전자기파 발생기 어레이(100)를 예시적으로 보이고 있다. 도 13에서 전자기파 발생기 어레이(100)는 동일 반경을 따라 링형으로 배열된 다수의 전자기파 발생기(10)들을 가질 수 있다. 그러나, 도 13에 도시된 배열 형태는 단지 예시적인 것이며, 목적에 따라 다수의 전자기파 발생기(10)들을 다른 다양한 형태로 배열시킬 수도 있다. 전자기파 발생기 어레이(100)의 다수의 전자기파 발생기(10)들을 동기(synchronization)하여 동작시키면, 큰 출력을 갖는 전자기파를 제공할 수 있다. 또는, 다수의 전자기파 발생기(10)들을 동기시키지 않고, 독립적으로 동작시킴으로써 위상과 주파수가 각기 다른 다양한 전자기파를 동시에 발생시킬 수도 있다.
도 13에 도시된 전자기파 발생기 어레이(100)에서, 전자기파 발생기(10)들의 링형 어레이 내부로 진행하는 전자기파는 다른 전자기파 발생기(10)에서 발생한 전자기파와 간섭을 일으킬 수도 있다. 따라서, 링형 어레이의 내부에는 도 13에 도시된 바와 같이, 원통형의 전자기파 차폐막(110)을 배치할 수도 있다. 이 경우, 전자기파 발생기 어레이(100)의 링형 어레이 내부로 진행하는 전자기파는 차폐막(110)에 의해 차단될 수 있다. 그러면, 링형 어레이의 바깥 방향으로 진행하는 전자기파만이 남게 되어, 다수의 전자기파 발생기(10)들에서 발생한 전자기파 사이에 간섭이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
지금까지는 전자기파 발생기(10)의 상부 전극(12)과 하부 전극(11)에 직류 전압을 인가하는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 상부 전극(12)과 하부 전극(11)에 교류를 인가하여 대전 가능 입자(14)가 보다 복잡하게 운동하도록 할 수도 있다. 예를 들어, 두 전극(11, 12)에 직류 전압을 인가할 경우, 대전 가능 입자(14)는 상부 전극(12)과 하부 전극(11) 사이를 단순 왕복한다. 그러나, 교류 전압을 두 전극(11, 12)에 인가할 경우에는, 대전 가능 입자(14)는 순시적으로 변화하는 전압에 따라 복잡한 운동을 하게 된다. 그 결과, 전자기파 발생기(10)로부터 출력되는 전자기파의 세기와 주파수가 시간에 따라 복잡하게 변할 수도 있다. 따라서, 소정의 주파수를 갖는 교류 전압의 인가를 통해, 순시적으로 주파수가 변화하는 전자기파를 출력할 수 있다.
상술한 대전 가능 입자(14)의 운동 원리는 전자기파 발생기(10)뿐만 아니라 고속 개폐가 가능한 광셔터의 제작에도 적용될 수 있다. 도 14a 및 도 14b는 일 실시예에 따른 광셔터(50)의 구조 및 동작을 개략적으로 도시하고 있다. 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 광셔터(50)는 서로 이격되어 마주보도록 배치된 하부 전극(51)과 상부 전극(52), 상기 두 전극(51, 52) 사이에 배치된 대전 가능 입자(54), 및 두 전극(51, 52) 사이에서 대전 가능 입자(54)를 둘러싸도록 배치된 챔버(53)를 포함할 수 있다. 하부 전극(51), 상부 전극(52), 챔버(53) 및 대전 가능 입자(54)는 앞서 전자기파 발생기(10)의 하부 전극(11), 상부 전극(12), 챔버(13) 및 대전 가능 입자(14)에 대해 설명한 것과 동일할 수 있다. 이하에서는, 광셔터(50)를 구성하기 위한 추가적인 특징에 대해서만 설명한다.
광셔터(50)의 하부 전극(51)은 불투명한 도전체로 이루어지며, 중심부에 빛이 통과하기 위한 개구(55)가 형성되어 있다. 상기 개구(55)의 반경은 대전 가능 입자(51)의 반경보다 작으며, 빛이 투과할 수 있을 정도로 충분히 크다. 예컨대, 빛은 개구(55)의 반경은 빛의 파장보다 클 수 있다. 도면에는 개구(55)가 원형인 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시적인 것이며 개구(55)는 다각형 형태를 가질 수도 있다. 상기 개구(55)는 챔버(53)의 내부 공간을 밀폐시키기 위하여, 예를 들어 투명 윈도우로 채워질 수 있다. 하부 전극(51)은 대전 가능 입자(54)가 개구(55) 상에 안착되기 쉽도록 오목한 반구면 또는 포물면을 가질 수 있다. 상부 전극(52)은 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같이 투명한 도전체로 이루어질 수 있다. 챔버(53)의 내벽은 빛을 반사하는 재료로 코팅되어 있을 수 있다. 또는, 챔버(53) 자체가 빛을 반사하는 재료로 이루어질 수도 있다.
이러한 구조에서, 두 전극(51, 52)에 전압이 인가되면, 대전 가능 입자(54)는 하부 전극(51)과 상부 전극(52) 사이를 왕복한다. 이때, 도 14b에 도시된 바와 같이, 대전 가능 입자(54)가 하부 전극(51)의 개구(55)를 막으면 빛은 광셔터(50)를 통과하지 못하게 된다. 빛은 반파장보다 작은 틈으로는 거의 통과하지 못하기 때문에, 대전 가능 입자(54)가 개구(55)와 완벽하게 맞추어질 필요는 없다. 또한, 도 14a에 도시된 바와 같이, 대전 가능 입자(54)가 하부 전극(51)에서 떨어져 있으면, 빛은 광셔터(50)를 통과하게 된다. 대전 가능 입자(54)가 상부 전극(52)에 가까이 갈수록 통과하는 빛의 양은 증가할 수 있다. 대전 가능 입자(54)가 광경로 상에 위치하더라도, 빛은 회절을 통해 챔버(53)의 내벽과 대전 가능 입자(54) 사이로 지나갈 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 대전 가능 입자(54)는 두 전극(51, 52) 사이를 매우 빠르게 왕복할 수 있으며, 그 왕복 속도는 두 전극(51, 52)에 인가되는 전압으로 제어할 수 있다. 따라서, 대전 가능 입자(54)의 이동 속도를 조절하여 광셔터(50)를 원하는 주파수로 고속 개폐하는 것이 가능하다. 이러한 광셔터(50)는 예를 들어, 고속 구동이 요구되는 3D 영상 장치의 고속 광변조기로서 이용될 수 있다.
본 실시예에서, 대전 가능 입자(54)의 왕복 속도를 조절해 광셔터(50)를 투과하는 빛의 세기를 조절할 수도 있다. 인간의 시각 체계(human vision system)는 제한된 시간 해상도(limited temporal resolution)를 갖고 있기 때문에, 대전 가능 입자(54)의 왕복 속도에 따라 인간의 눈이 지각하는 빛의 세기가 달라진다. 예를 들어, 0.1초 동안 대전 가능 입자(54)가 개구(55)를 한 번 막았을 때와 100번 막았을 때를 비교하면, 0.1초에 한 번 막았을 때 인간의 눈이 지각하는 빛의 세기가 더 크다. 이러한 원리로 컬러 디스플레이를 구현할 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색, 청색의 빛을 각각 순차적으로 광셔터(50)를 통과시키면서, 각각의 빛에 대해 대전 가능 입자(54)의 왕복 속도를 조절하면 원하는 색이 나타날 수 있다. 여기서, 순차적이란, 시간 ㅿt 동안 적색 빛이 광셔터(50)를 통과하게 하고, 이어서 시간 ㅿt 동안 녹색 빛이 광셔터(50)를 투과하게 하고, 다음 ㅿt 동안 청색 빛이 광셔터(50)를 투과하게 한 다음, 다시 반복해서 적색, 녹색, 청색의 빛이 광셔터(50)를 각각 투과하게 하는 것을 의미한다. 적색, 녹색, 청색의 빛은, 예를 들어, 각 색에 대응하는 각각의 백라이트 유닛(도시되지 않음)을 시간 ㅿt 동안 차례로 ON/OFF시킴으로써 제공될 수 있다. 특정한 색의 빛이 ㅿt 동안 광셔터(50)를 통과할 때, 개구(55)가 막히는 회수에 의해 특정한 색의 세기가 제어될 수 있다. 예를 들어, 백라이트 유닛이 녹색 빛을 ㅿt 동안 제공할 때, 개구(55)가 한번만 막혔다면 녹색 빛의 세기는 상대적으로 클 것이고, 개구(55)가 100번 막혔었다면 녹색 빛의 세기는 상대적으로 작을 것이다.
이러한 광셔터(50)들을 다수 배열하여 광셔터 어레이를 구성할 수도 있다. 도 15a 및 도 15b는 다수의 광셔터(50)들을 갖는 광셔터 어레이(200)의 구조를 개략적으로 도시하는 평면도 및 단면도이다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 광셔터 어레이(200)는 행과 열을 이루어 매트릭스 어레이 형태로 배열된 다수의 광셔터(50)들을 포함할 수 있다. 하나의 광셔터(50)는 한 화소에 대응하는 빛을 개폐 또는 변조할 수 있다.
도 15a의 광셔터 어레이(200)를 라인 A-A'을 따라 절개한 도 15b의 단면도를 참조하면, 상부 전극(52)은 모든 광셔터(50)들에 대한 공통 전극일 수 있다. 반면, 하부 전극(51)은 각각의 광셔터(50)마다 독립적으로 배치될 수 있다. 그리고, 인접한 두 하부 전극(51) 사이에는 불투명한 절연체(56)가 더 배치될 수 있다. 이 경우, 광셔터 어레이(200)의 각각의 광셔터(50)는 독립적으로 개폐될 수 있다. 그러나, 하부 전극(51)도 역시 하나의 공통 전극일 수도 있다. 또는, 도 15b에 도시된 다수의 하부 전극(51)들이 하나의 공통 전원에 연결될 수도 있다. 이 경우, 광셔터 어레이(200)의 모든 광셔터(50)들이 동시에 개폐될 수 있다.
앞서 설명한 전자기파 발생기와 마찬가지로, 광셔터도 역시 다수의 대전 가능 입자를 포함할 수 있다. 도 16는 다수의 대전 가능 입자를 포함하는 또 다른 실시예에 따른 광셔터(60)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 16를 참조하면, 광셔터(60)는 서로 이격되어 마주보도록 배치된 하부 전극(62)과 상부 전극(64), 상기 두 전극(62, 64) 사이에 배치된 다수의 대전 가능 입자(67), 및 두 전극(62, 64) 사이에서 다수의 대전 가능 입자(67)를 둘러싸도록 배치된 챔버(65)를 포함할 수 있다. 여기서, 하부 전극(62)과 상부 전극(64)은, 예컨대, ITO, AZO 또는 IZO와 같은 투명한 도전성 재료로 이루어진 투명 전극일 수 있다. 또한, 하부 전극(62)은 투명한 하부 기판(61) 위에 평판의 형태로 형성될 수 있으며, 상부 전극(64)은 투명한 상부 기판(63)의 저면에 평판의 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 상기 하부 기판(61)과 상부 기판(63)은 생략될 수도 있다.
챔버(65)는 반사성을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 챔버(65)는 반사성 금속으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 하부 전극(62)과 상부 전극(64) 사이를 전기적으로 절연시키기 위하여, 챔버(65)와 하부 전극(62) 사이에 절연체(66a)가 배치될 수 있으며, 챔버(65)와 상부 전극(64) 사이에도 절연체(66b)가 배치될 수 있다. 그러나, 챔버(65)가 반사성 유전체로 이루어지는 경우에는 절연체(66a, 66b)가 생략될 수도 있다. 또는, 절연성 재료로 이루어진 챔버(65)의 내벽에 반사성 코팅막을 형성할 수도 있다.
대전 가능 입자(67)도 역시 반사성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 대전 가능 입자(67)는 반사성을 갖는 금속 입자일 수 있다. 또는, 대전 가능 입자(67)는 전도체 코어와 절연성 쉘을 갖는 코어-쉘 구조의 입자일 수 있다. 이 경우, 절연성 쉘이 반사성 재료로 이루어지거나 절연성 쉘의 표면에 반사성 코팅막이 형성될 수 있다. 대전 가능 입자(67)는 빛을 흡수하는 성질을 갖더라도 무방하다.
도 16에 도시된 광셔터(60)에서, 두 전극(62, 64)에 전압이 인가되면, 도 17에 도시된 바와 같이, 대전 가능 입자(67)들은 두 전극(62, 64) 사이를 왕복하면서 진동하게 된다. 이때, 챔버(65)를 투과하는 빛의 강도는 대전 가능 입자(67)의 진동 주기에 따라 변화하며, 대전 가능 입자(67)의 진동 주기는 두 전극(62, 64)의 전압 차이에 의해 제어된다. 예를 들어, 백라이트 유닛으로부터 제공된 광은 투명한 하부 기판(61)과 하부 전극(62)을 통해 챔버(65) 내로 입사한 후, 반사성을 갖는 챔버(65)의 내벽과 다수의 대전 가능 입자(67)들의 표면에서 반사되면서, 투명한 상부 전극(64)과 상부 기판(63)을 통해 챔버(65)의 상부로 방출될 수 있다. 여기서, 대전 가능 입자(67)들의 진동 주파수, 즉 두 전극(62, 64) 사이의 전위차가 커질수록 챔버(65)를 통과하는 광의 세기가 증가할 수 있다.
또한, 도 16에 도시된 광셔터(60)는 백라이트 유닛의 광을 투과/차단하는 투과형으로 동작할 수도 있지만, 다른 외부 광(예를 들어, 태양광 또는 실내 전등의 광)을 반사/차단하는 반사형으로도 동작할 수 있다. 예컨대, 대전 가능 입자(67)들의 진동 주파수가 커질수록, 챔버(65)의 상부로부터 입사한 후 대전 가능 입자(67)들과 챔버(65)의 내벽에서 반사되어 다시 챔버(65)의 상부로 반사되는 광이 증가할 수 있다. 이 경우, 하부 기판(61) 또는 하부 전극(62)은 반사성 재료로 이루어질 수도 있다.
도 16에 도시된 광셔터(60)는 백라이트 유닛이 특정한 색을 갖는 광을 방출함으로써 컬러를 구현할 수 있다. 백색광을 방출하는 일반적인 백라이트 유닛을 사용하는 경우, 컬러 필터를 갖는 도 18에 도시된 광셔터(60')를 이용하여 컬러를 구현할 수 있다. 도 18을 참조하면, 광셔터(60')는 상부 기판(63) 위에 배치된 컬러 필터(68)를 포함할 수 있다. 컬러 필터(68) 이외의 광셔터(60')의 구성과 동작은 도 16에 도시된 광셔터(60)와 동일하다. 도 18에는 컬러 필터(68)가 상부 기판(63) 위에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 상부 기판(63)이 생략되고 상부 전극(63) 위에 컬러 필터(68)가 배치될 수도 있다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 광셔터(70)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 19에 도시된 광셔터(70)는 도 16에 도시된 광셔터(60)와 전체적으로 유사한 구조를 갖지만, 단지 하나의 대전 가능 입자(77)를 갖는다는 점에서 차이가 있다. 또한, 대전 가능 입자(77)의 위치에 따라 광을 투과/차단할 수 있도록, 중심부에 개구(72a)를 갖는 불투명한 도전성 재료로 하부 전극(72)이 이루어진다는 점에서도 도 19에 도시된 광셔터(70)는 도 16에 도시된 광셔터(60)와 차이가 있다. 그 외에, 하부 기판(71), 상부 기판(73), 상부 전극(74), 챔버(75), 절연체(76a, 76b) 및 컬러 필터(78)의 구성 및 동작은 도 16 및 도 17에서 설명한 하부 기판(61), 상부 기판(63), 상부 전극(64), 챔버(65), 절연체(66a, 66b) 및 컬러 필터(68)의 구성 및 동작과 각각 동일할 수 있다. 도 19에 도시된 광셔터(70)의 경우에도, 대전 가능 입자(77)들의 진동 주파수가 커질수록 챔버(75)를 통과하는 광의 세기가 증가할 수 있다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 광셔터(80)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 지금까지 설명한 광셔터들에서는 반사성을 갖는 챔버의 내벽이 수직하게 형성되었지만, 도 20에 도시된 광셔터(80)의 경우 챔버(85)의 내벽이 포물면의 형태로 형성되어 있다. 따라서, 챔버(85)은 두께는 하부쪽이 더 두꺼워지며, 챔버(85) 내부의 공간은 하부가 좁고 상부가 넓게 형성되어 있다. 그외에, 광셔터(80)의 하부 기판(81), 하부 전극(82), 상부 기판(83), 상부 전극(84), 절연체(86a, 86b), 대전 가능 입자(87), 및 컬러 필터(88)의 구성 및 동작은 도 19에 도시된 광셔터(70)의 하부 기판(71), 하부 전극(72), 상부 기판(73), 상부 전극(74), 절연체(76a, 76b), 대전 가능 입자(77) 및 컬러 필터(78)의 구성 및 동작과 각각 동일할 수 있다.
도 20에 도시된 실시예의 경우, 하부의 백라이트 유닛(도시되지 않음)으로부터 대전 가능 입자(77)에 입사한 광은 대전 가능 입자(77)의 표면에서 반사되어 챔버(85)의 내벽에 입사하게 된다. 그런 후, 광은 포물면 형태를 갖는 챔버(85)의 내벽에서 반사된 다음, 챔버(85)의 상부로 수직하게 방출될 수 있다. 따라서, 대부분의 광이 무질서한 방향으로 방출되는 앞선 실시예들에 비해, 도 20에 도시된 광셔터(80)는 투과광의 대부분이 전방을 향해 진행하도록 할 수 있다. 이러한 포물면 형태의 내벽은 도 16 및 도 18에 도시된 챔버(65)에도 적용될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 전자기파 발생기 및 이를 이용한 광셔터에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10.....전자기파 발생기 11, 12.....전극
13, 53, 65, 75, 85.....챔버
14, 54, 67, 77, 87.....대전 가능 입자
15.....하우징 50, 60, 60', 70, 80.....광셔터
51, 52, 62, 64, 72, 74, 82, 84.....전극
55.....개구 56.....절연층
61, 63, 71, 73, 81, 83.....기판 68, 78, 88.....컬러 필터
100.....전자기파 발생기 어레이 200.....광셔터 어레이

Claims (47)

  1. 서로 이격되어 마주보도록 배치된 제 1 전극과 제 2 전극;
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 대전 가능 입자;
    상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 상기 대전 가능 입자를 둘러싸도록 배치된 챔버; 및
    상기 챔버의 외부 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 둘러싸는 하우징;을 포함하며,
    상기 제 1 전극과 제 2 전극에 전압 인가시 상기 대전 가능 입자가 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이를 왕복하면서 전자기파가 발생하고,
    상기 챔버는 상기 제 1 전극과 제 2 전극이 전기적으로 서로 분리되도록 절연성 재료로 이루어지며, 상기 대전 가능 입자의 운동에 의해 발생하는 전자기파에 대해 투과성이 있고,
    상기 제 1 및 제 2 전극의 직경이 상기 챔버의 직경보다 큰 전자기파 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 공간에 상기 대전 가능 입자가 배치되고, 상기 챔버의 양단에서 상기 제 1 전극과 제 2 전극은 상기 챔버 내부의 공간을 밀폐시키며, 상기 챔버의 내부 공간은 진공 또는 비활성 가스로 채워져 있는 전자기파 발생기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버와 상기 하우징 사이의 공간은 진공으로 채워져 있는 전자기파 발생기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극에 제 1 직류(DC) 전압이 인가되고, 상기 제 2 전극에 제 1 직류 전압과 다른 제 2 직류(DC) 전압이 인가되는 전자기파 발생기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극은 평판형인 전자기파 발생기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극은 오목한 포물면을 가지며, 상기 제 1 전극과 제 2 전극의 포물면은 서로 대향하도록 배치되는 전자기파 발생기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극 중에서 하나는 평판형이며, 다른 하나는 상기 대전 가능 입자를 향해 배치된 오목한 포물면을 갖는 전자기파 발생기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 대전 가능 입자는 전기적으로 대전될 수 있는 전도체 재료로 이루어지는 전자기파 발생기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 대전 가능 입자는 전기적으로 대전될 수 있는 전도체 코어 및 상기 전도체 코어를 둘러싸는 절연성 쉘을 포함하는 전자기파 발생기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 대전 가능 입자는, 상기 제 1 및 제 2 전극에 대한 전압의 인가와 무관하게 이미 대전되어 있으며 대전된 상태를 유지하는 입자, 또는 상기 제 1 및 제 2 전극에 전압이 인가될 때에만 대전되고 전압 인가의 중단시 방전되는 입자 중에서 하나인 전자기파 발생기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극에 전압이 인가될 때, 상기 제 1 및 제 2 전극과 상기 대전 가능 입자 사이에 인력이 발생하는 전자기파 발생기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극과 상기 대전 가능 입자 사이에 작용하는 전체 전기적 힘(F)의 세기 F는
    Figure 112012041046619-pat00018
    이며,
    여기서
    Figure 112012041046619-pat00019
    ,
    Figure 112012041046619-pat00020
    이고,
    QT는 상기 대전 가능 입자의 유효 전하, s는 상기 제 1 전극과 상기 대전 가능 입자 사이의 거리, h는 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 간격, a는 상기 전도체 코어의 반경, b는 상기 절연성 쉘의 반경, EP는 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 발생한 전기장의 세기, σ1는 상기 전도체 코어의 전하 밀도, σ2는 상기 절연성 쉘의 전하 밀도, ε0는 자유 공간에서의 유전율, κ2는 상기 절연성 쉘의 유전상수, κ3는 상기 챔버 내에서 상기 대전 가능 입자의 바깥 영역의 유전상수인 전자기파 발생기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버는 원통형 또는 다각통형인 전자기파 발생기.
  16. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 6 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 전자기파 발생기를 포함하는 전자기파 발생기 어레이.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 다수의 전자기파 발생기들은 동일 반경을 따라 링형으로 배열되어 있는 전자기파 발생기 어레이.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 다수의 전자기파 발생기들이 동기하여 동작하는 전자기파 발생기 어레이.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
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