KR20240033683A

KR20240033683A - 열 발광 장치

Info

Publication number: KR20240033683A
Application number: KR1020230117473A
Authority: KR
Inventors: 로스 스탠리; 마티아스 임보덴
Original assignee: 4케이-엠이엠에스 에스에이
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2023-09-05
Publication date: 2024-03-12
Also published as: WO2024052740A1; JP2024036302A; CN117651352A; EP4333560A1; US20240084997A1

Abstract

본 발명은 표면(11, 12)을 포함하고, 표면(11, 12)의 방사율이 0.7보다 낮으며, 방열 온도로 가열되어 상기 표면이 IR 또는 가시 광선을 방사하도록 배열되는 방열막(10); 및 방열막(10)의 표면(11, 12)을 향하고, 방사된 IR 또는 가시 광선을 부분적으로 반사하기 위해 렌즈 표면에 수직인 반사율이 4%에서 40% 범위에 포함되는 렌즈 표면(21)을 구비하는 렌즈(2)를 포함하고, 렌즈 표면(21)과 표면(11, 12) 사이의 거리(d)가 L/4 이하이며, L은 방열막(10)의 큰 쪽 길이인 써멀 이미터 장치(1)에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 렌즈(2)에서 반사된 IR 또는 가시 광선의 일부는 방열막(10)에 의해 재흡수되고, 렌즈(2)에서 반사된 IR 또는 가시 광선의 다른 일부는 방열막(10)에 의해 렌즈(2)를 향해 반사되어 이에 따라 렌즈를 통과할 또 다른 기회가 생겨 써멀 이미터 장치(1)의 효율이 증가된다.

Description

열 발광 장치{Thermal Light Emitting Device}

본 발명은 내화 재료로 제조된 열 발광 장치(이하 써멀 이미터)에 관한 것이다. 이 장치는 고온(예를 들어, 1600K 이상 및/또는 최대 3000K 이상)에서 광대역 가시 광선 및 적외선을 방출할 수 있다.

이와 관련해, IR 광은 0.8㎛ 내지 12㎛ 범위에 속하는 파장을 갖고, 가시 광선은 0.4㎛ 내지 0.8㎛ 범위에 속하는 파장을 갖는다.

예를 들어 적외선 분광학, 가스 감지용 조명, 초분광 이미징, 머신 비전과 같은(그러나 이에 국한되지 않는) 다양한 응용 분야를 위한 써멀 이미터가 알려져 있다.

공지된 써멀 이미터의 예는 본 출원인이 출원한 특허 출원 WO2020012042, WO2021144463 또는 WO2021144464에 설명되어 있다.

써멀 이미터는 흑체 복사 이론에 따라 광을 방출한다. 이는 방출 강도가 온도와 파장에 따라 어떻게 변하는지에 대한 자세한 정보를 제공한다.

그러나, 실제 물질은 실제로 검은색이 아니므로 흑체 방사율은 파장과 온도의 함수인 방사율(ε)이라는 파라미터에 의해 조정되어야 한다.

대부분의 써멀 이미터는 가능한 검은색, 즉 관심 파장 범위에서 1.0에 가까운 ε을 갖는 재료를 기반으로 한다. 단점은 방사율이 높은 물질이 거의 없으며 일반적으로 상대적으로 낮은 온도, 즉 2000K 미만의 온도에서만 존속할 수 있다는 것이다.

일부 IR 써멀 이미터는 내화 재료로 만들어진다. 내화 재료는 녹는점이 2000K 이상인 재료이다. 내화 재료의 예로는 텅스텐, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 탄탈륨, 몰리브덴 및 이들의 질화물, 산화물 및 탄화물이 있다. 내화 금속은 녹는점이 2000K 이상인 금속이다.

IR 파장의 내화 금속은 반사율이 매우 높으며(30% 내지 99% 이상의 범위에 이르는 반사율을 가지며) 해당 방사율은 일반적으로 0.7 내지 0.01 범위에 속한다. 내화 금속의 장점은 고온에서 안정적이라는 점이며, 단점은 고유 방사율이 낮다는 것이다.

편평한 써멀 이미터 장치, 즉 실질적으로 편평한 방출막을 포함하는 써멀 이미터 장치는 램버시안 이미터이다. 와이어 써멀 이미터 장치는 한 축(일반적으로 필라멘트 축)에서는 램버시안이고 제2 축에서는 균일하다. 램버시안 이미터의 경우, 대부분의 출력이 45°콘(cone)으로 방출된다.

열 발광 장치는 일반적으로 주로 이미터를 산화로부터 보호하기 위한 하우징을 포함한다. 이 하우징에는 광학 시스템의 써멀 이미터 성능을 향상시키는 요소가 포함될 수 있다. 일반적인 문제는 써멀 이미터에서 광학 시스템으로 빛을 전달하는 방법이다. 가능한 최대 출력을 사용하려면, 매우 높은 각도(즉, 60°보다 높거나 -60°보다 낮은 각도)의 빛을 집광해야 한다. 또한, 써멀 이미터 장치를 가능한 한 소형으로 만드는 것이 바람직하다.

특히 와이어 써멀 이미터 장치에 사용되는 일반적인 방안은 써멀 이미터 장치를 포물선형 반사기 내에 배치하는 것이다. 그러나, 포물선형 반사기(또는 미러)의 크기가 써멀 이미터 장치 크기와 유사한 경우, 섀도잉(shadowing)이 발생한다. 즉, 써멀 이미터 장치 자체가 포물선형 반사기에서 반사된 빛을 차단한다. 더욱이, 이 방안은 평면 써멀 이미터 장치에는 적합하지 않다. 마지막으로, 포물선형 반사기는 써멀 이미터 장치의 상단측에서 빛을 수집하는 효율이 낮다.

또 다른 접근법은 제1 렌즈 표면과 (제1 렌즈 표면의 반대인) 제2 렌즈 표면을 포함하고, 적어도 하나의 렌즈 표면이 방열막(放熱膜)의 표면 중 하나와 마주하는 렌즈를 사용하는 것이다. 집광된 빛을 최대화하려면 렌즈가 매우 커야 한다. 그러나, 이 경우, 반사로 인해 고각의 광이 손실된다.

램버시안 방열막이 랜덤한 편광으로 방출한다고 가정하면, 반사로 인해 제1 렌즈 표면에서 일부 광이 손실된다. 제2 렌즈 표면에서는 또 다른 부분이 손실된다.

이러한 손실을 극복하는 일반적인 방법은 반사 방지 코팅을 사용하여 반사를 줄이는 것이다. 일부 참조문헌에서는 이미터의 방사율을 향상시키기 위해 멤브레인 아래에 배치되거나(US 2021246016 A1 또는 AT 519870 B1) 이미터 장치의 측벽에 배치된(US 2019195602 A1) 반사층의 사용을 개시한다.

그러나, 반사 방지 코팅은 가격이 비싸고, 넓은 파장 범위에 대해 제조하기가 복잡하며, 작용하는 각도 범위도 제한되어 있다. 마지막으로, 반사 방지 코팅은 열원을 다룰 때 분명 이상적이지 못한데, 이는 파장 범위가 1㎛ 내지 3.5㎛처럼 크고 방출 각도 범위도 매우 크기 때문이다(램버시안 광원).

다른 광대역 기술은 소위 "나방 눈 구조(moth eye structures)"와 같은 서브파장 구조를 포함한다. 나방 눈 구조는 또한 제작 비용이 많이 들고 일반적으로 표준 상용 공정에서는 사용할 수 없다.

따라서, 방출된 광이 가능한 한 효율적으로 사용되고 최신 기술의 단점과 한계를 극복한 써멀 이미터 장치가 필요하다.

본 발명의 목적은 현 기술 수준의 단점과 한계를 극복한 써멀 이미터 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 효율이 개선되고/되거나 제조가 용이한 써멀 이미터 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 방출된 광이 가능한 효율적으로 사용되는 써멀 이미터 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 첨부된 청구항의 대상, 특히 청구항 1에 따른 써멀 이미터 장치에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 써멀 이미터 장치는 표면을 포함하는 방열막을 포함하고, 방열막은 표면이 IR 또는 가시 광선을 방출하도록 방열 온도로 가열되게 배열된다.

이와 관련하여, "막(membrane)"이라는 용어는 요소의 두께가 그 요소의 다른 두 치수보다 적은 요소를 나타낸다. 이러한 맥락에서, "멤브레인"이라는 용어는 "(핫)플레이트"라는 용어와 동의어이다. 이러한 맥락에서, 멤브레인은 온도에 독립적으로 자체 모양을 유지하도록 배열되며 여러 지점에서 유지된다. 즉, 이러한 맥락에서, 멤브레인은 고온에서 휘어지거나 부서지지 않는다. 바람직한 일 실시예에서, 막은 실질적으로 평면형이다. 바람직한 일 실시예에서, 막은 스스로를 지탱할 수 있다. 즉, 구조적으로 독립적이다. 다른 실시예에서, 막은 모든 면에 부착되지 않는 한 스스로를 지탱할 수 없다.

본 발명에 따르면, 표면의 방사율은 0.7보다 낮다. 실제로, 본 발명은 저방사율 재료, 즉 0.7보다 낮은 방사율을 갖는 재료에 유용하다. 즉, 우수한 이미터 재료, 즉 방사율이 0.7 이상인 재료의 방사율을 향상시키는 데는 그다지 관심이 없다.

본 발명에 따른 써멀 이미터 장치는 방열막의 표면을 향하고, 방사된 IR 또는 가시 광선을 부분적으로 반사하기 위해 렌즈 표면에 수직인 반사율이 4%에서 40% 범위에 포함되는 렌즈 표면을 구비하는 렌즈를 포함한다.

이와 관련하여, "렌즈"라는 용어는 반드시 평면 렌즈와 동의어일 필요는 없다. 즉, 렌즈는 평평할 수도 있고 평평하지 않을 수도 있다. 예들 들어, 볼록한 모양을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 렌즈 표면과 상기 제1 또는 제2 표면 중 하나 사이의 거리는 L/4 이하이며, L은 방열막의 큰 쪽 길이이다. 즉, 본 발명에 따르면, 렌즈는 써멀 이미터 장치에 실제로 "가까이" 배치된다. 이런 식으로, 렌즈에서 반사된 IR 또는 가시 광선의 일부는 방열막에 의해 재흡수되고, 렌즈에서 반사된 빛의 다른 일부는 방열막에 의해 렌즈 쪽으로 반사되어 렌즈를 통과할 또 다른 기회를 갖게 되어, 써멀 이미터 장치의 효율을 높인다.

효율이 증가하므로, 고정된 복사에너지에 대해 온도를 낮추는 것이 가능하다. 더 낮은 온도에서 작동하는 써멀 이미터는 일반적으로 작동 수명이 더 길다. 즉, 특정 분광 복사광도(radiance)가 필요한 사용자는 작동 온도를 낮추어 수명을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 써멀 이미터 장치는 완벽한 흑체가 아니다. 본 써멀 이미터 장치는 파장과 재료에 따라 방사율이 0.7보다 낮다. 이는 반사율이 30% 이상임을 의미한다. 본 발명에 따르면, 써멀 이미터 장치는 부분 반사 렌즈에 "가까이" 배치된다. 따라서, 방출된 광의 일부는 렌즈를 통과하고 방출된 광의 다른 부분은 렌즈에 의해 반사되어 이미터 표면에 닿고, 다른 일부는 써멀 이미터 장치에 의해 재흡수되거나 써멀 이미터 장치에 의해 렌즈 쪽으로 반사되어 렌즈를 통과할 제2 기회를 갖게 된다.

써멀 이미터 장치의 반사 덕분에 투과율이 향상된다. 더욱이, 남은 출력이 써멀 이미터 장치에 의해 흡수될 때 실제로 손실되는 것이 아니라 이미터의 효율 및/또는 수명을 증가시키기 때문에, 추가 이득이 있다.

일 실시예에 따르면, 방열막은 내화 재료, 예를 들어 내화 금속, (탄화물 또는 질화물과 같은) 내화 세라믹 및/또는 내화 금속 합금으로 제조되거나 이를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 렌즈와 방열막 표면 사이의 거리는 L/8 이하이다. 이 실시예에서, 렌즈는 방열막에 더 가깝고, 이로써 써멀 이미터 장치의 효율 및/또는 수명이 더 많이 증가된다.

일 실시예에 따르면, 렌즈는 유리, 실리콘, 사파이어, 석영, 게르마늄, 및/또는 CaF2, MgF2, ZnSe, ZnS, NaCl과 같은 MID-Far 방열 재료로 제조된다.

일 실시예에 따르면, 써멀 이미터 장치는 뚜껑을 포함하고, 렌즈는 뚜껑 내부 또는 뚜껑 상에 배치된다. 한 실시예에서, 렌즈가 뚜껑이다.

일 실시예에 따르면, 렌즈 표면은 렌즈 입사면이고, 렌즈는 렌즈 출사면을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 렌즈는 "얇다". 이 실시예에서, 렌즈의 두께로 인해 렌즈 출사면이 이머터 표면에 "가까운" 것으로 간주된다. 본 실시예에서는, "얇은" 렌즈의 두께를 계산할 때, 렌즈 재질의 광 굴절을 고려해야 하며 렌즈 겉보기 두께를 사용해야 한다.

주어진 굴절률(n)을 갖는 렌즈 재료에 대한 렌즈 겉보기 두께 공식이 잘 알려져 있으며 렌즈의 입사각에 따라 달라진다. 각도가 45°인 경우, 렌즈 겉보기 두께 공식은 렌즈의 실제 두께에

에 해당하는 배율을 곱한 값이다.

본 실시예에 따르면, 렌즈 겉보기 두께가 L/4(또는 L/8) 미만이면, 렌즈는 "얇다". 이 실시예에서, 렌즈 입사면과 방열막의 (제1) 표면 사이의 거리는 L/4(또는 L/8) 미만이다.

일 실시예에 따르면, 렌즈는 평면 렌즈이다. 이와 관련하여, 렌즈 표면이 모두 평평하고 눈에 띄게 평행하면 렌즈는 평평한 것이다.

일 실시예에 따르면, 렌즈는 "두껍다". 본 실시예에 따르면, 렌즈 겉보기 두께가 L/4(또는 L/8)보다 크면 렌즈는 "두껍다". 이 실시예에서, 렌즈 입사면과 방열막의 (제1) 표면 사이의 거리는 L/4(또는 L/8) 미만이다.

일 실시예에 따르면, 렌즈 출사면은 광을 이미터로 리포커싱시키기 위해 및/또는 방출을 보다 지향시키기 위해 구배져 있다.

일 실시예에 따르면, 써멀 이미터 장치는 렌즈 출사면의 적어도 일부에 미러를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 미러는 축에서 벗어나 있다. 렌즈는 일반적으로 대칭축을 가지고 있다. 이와 관련하여, "미러가 축에서 벗어났다"는 표현은 렌즈의 대칭축이 미러를 통과하지 않는다는 것을 말한다.

일 실시예에 따르면, 미러는 콜드 미러(cold mirror), 즉 미러면에 수직인 반사율이 80%보다 높은 미러(즉, 고반사 미러)이다.

일 실시예에 따르면, 미러는 개구를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 방출되는 광을 더 제어하기 위해, 개구를 향하는 렌즈의 부분은 개구를 향하지 않는 렌즈의 형상과 다른 형상을 갖는다.

일 실시예에 따르면, 써멀 이미터 장치는 방열막에 연결된 복수의 저항 암을 포함하며, 방열막은 저항 암에 의해 매달려 있고, 방열막은 상기 저항 암을 통해 방열 온도로 가열된다.

일 실시예에 따르면, 표면은 제1 표면이고, 장치는 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면을 포함하며, 방열막은 제1 표면과 제2 표면이 열광을 방출하도록 방열 온도로 가열되게 배열되며,

미러는 방열막의 제1 표면 또는 제2 표면 중 하나를 향하고,

방열막의 적어도 일부는 관통 구멍을 포함하며, 상기 구멍의 방열막의 제1 표면 또는 제2 표면 중 하나에 평행한 평면의 임의의 단면은 상기 미리 정의된 영역의 가장 긴 파장보다 더 큰 치수를 갖고,

구멍 면적의 합은 방열막의 제1 또는 제2 표면 각각의 면적의 적어도 10%이다.

본 발명의 내용에 포함됨.

본 발명의 예시적인 실시예가 명세서에 개시되어 있고 도면에 의해 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 단면도를 예시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 렌즈의 단면도를 예시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 단면도를 예시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 "얇은" 렌즈를 포함하는 써멀 이미터 장치의 단면도를 예시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 "두꺼운" 렌즈의 단면도를 예시한다.
도 6은 렌즈 출사면을 넘어 광이 전파되는 실시예를 갖는, 도 5의 써멀 이미터 장치의 "두꺼운" 렌즈의 단면도를 예시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 "두꺼운" 렌즈와 렌즈 출사면의 일부에 있는 미러의 단면도를 예시한다.
도 8은 콜드 미러, 즉 관심 파장에서 방출하지 않는 미러를 포함하는 써멀 이미터 시스템을 개략적으로 예시한다.
도 9는 렌즈 출사면에 축외 미러를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 단면도를 예시한다.
도 10은 렌즈 출사면에 축을 벗어난 미러를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 단면도를 예시한다.
도 11은 렌즈 출사면에 축을 벗어난 미러를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 단면도를 예시한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 사시도를 도시한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 써멀 이미터 장치(1)의 일부분의 절단 단면을 도시한다. 이 실시예에서, 써멀 이미터 장치(1)는 제1 표면(11)과 제2 표면(12)을 포함하는 방열막(10)을 포함하며, 제2 표면(12)은 제1 표면(11)의 반대편에 있고, 방열막(10)은 제1 및 제2 표면(11, 12)이 방열 온도에서 광(100)을 방사하도록 방열 온도로 가열되게 배열된다. 도 1에 예시된 다양한 요소의 크기와 비율은 단지 예시일 뿐이며 실제 크기와 각각의 비율이 반드시 일치하는 것은 아니다.

본 발명에 따르면, 표면, 예를 들어 제1 표면(11)의 방사율(ε)은 0.7보다 낮다. 일 실시예에서, 방열막(10)은 모놀리식이다. 방열막(10)이 모놀리식이라면, 제2 표면(12)은 제1 표면(11)과 동일한 방사율(ε)을 갖게 될 것이다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 표면(11, 12)은 동일한 재료로 제조된다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 표면(11, 12)은 서로 다른 재료로 제조되나 둘 다 0.7보다 낮은 방사율을 갖는다. IR 및 가시 광선 스펙트럼에서 방사율이 0.7보다 낮은 재료의 비제한적인 예는 내화 재료, 예를 들어 내화 금속 및 그 합금을 포함한다. 내화 금속의 예로는 텅스텐, 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 탄탈륨, 몰리브덴 및 이들의 질화물, 산화물 및 탄화물이 있다.

제1 및 제2 표면(11, 12)이 평행하게 표현되었지만, 이는 본 발명에 있어서 필수적인 것은 아니다. 제1 및 제2 표면(11, 12)이 실질적으로 판형으로 표현되었지만, 이것이 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 그러나, 본 발명은 편평한 방열막(10)에 특히 적합하다.

예시된 실시예에서, 방열막(10)은 단일 막이다. 다른 실시예(미도시)에서, 방열막(10)은 다층 막이다. 즉, 이는 제1 표면(11)과 제2 표면(12) 사이에 (다른 재료로 된) 적어도 하나의 층을 포함한다.

도 1의 실시예에서, 써멀 이미터 장치(1)는 방열막(10)에 연결된 복수의 저항 암(4)을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 저항 암(4)은 방열막(10)을 지지대(13)에 연결한다. 방열막(10)은 저항 암(4)에 의해 현가되고, 저항 암(4)을 통해 방열 온도로 가열된다.

본 발명에 따르면, 써멀 이미터 장치(1)는 또한 렌즈(2)를 포함한다. 렌즈(2)는 도 1에서 방열막(10)의 제1 표면(11)과 마주하는 렌즈 입사면(21)을 포함한다. 렌즈(2)는 렌즈 입사면(21)의 반대편인 렌즈 출사면(22)을 포함한다.

도 1의 실시예에서, 렌즈 입사면(21)은 실질적으로 편평하고, 렌즈 출사면(22)은 구배부(24), 특히 볼록부(24)를 포함한다.

도 1의 실시예에서, 렌즈는 모노블록이고 동일한 재료로 제조된다. 다른 실시예에서, 렌즈는 2개 이상의 피스를 포함할 수 있고/있거나 다른 재료로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, (평면-볼록) 렌즈가 예를 들어 접착제 또는 기타 적합한 고정 수단을 사용하여 뚜껑 위에 배치된다.

도 1의 실시예에서, 방열막(10)은 렌즈(2)와 지지체(13)에 의해 정의된 하우징(8)에 배치된다. 일 실시예에서, 이 하우징(8)은 진공 또는 예를 들어 고온에서 방출 재료와 반응하는산소 또는 기타 가스가 없는 제어된 분위기를 포함한다.

본 발명에 따르면, 렌즈(2)는 방출된 광을 부분적으로 반사하도록 렌즈 표면, 예를 들어 렌즈 입사면(21)에 수직인 반사율이 4% 내지 40% 범위에 포함된다.

일 실시예에 따르면, 렌즈(2)는 유리, 실리콘, 사파이어, 석영, 게르마늄, 및/또는 CaF2, MgF2, ZnSe, ZnS, NaCl 방열 재료와 같은 MID-Far 방열 재료로 제조된다.

본 발명에 따르면, 렌즈 입사면(21)과 방열막(10)의 제1 표면(11) 사이의 거리(d)는 L/4 이하이며, L은 방열막(10)의 큰 쪽 치수이다.

방열막(10)이 직사각형 단면을 갖는 경우, 그 큰 쪽 치수(L)는 직사각형 단면의 긴 변이다. 방열막(10)이 원형 단면을 갖는 경우, 그 큰 쪽 치수(L)는 원형 단면의 직경이다.

즉, 본 발명에 따르면 렌즈(2)는 실제로 써멀 이미터 장치(10)에 "가깝이" 배치된다. 이러한 방식으로, 렌즈(2)에 의해 반사된 광의 일부가 방열막(10)에 의해 재흡수된다. 렌즈(2)에 의해 반사된 광의 또 다른 부분은 방열막(10)에 의해 렌즈(2) 방향으로 반사되어 렌즈를 통과할 또 다른 기회를 갖게 되며, 이는 써멀 이미터 장치의 효율 및/또는 수명을 증가시킬 수 있다. .

일 실시예에 따르면, 렌즈 입사면(21)과 방열막(10)의 제1 면(11) 사이의 거리(d)는 L/8 이하이다. 본 실시예에서, 렌즈(2)는 방열막(10)에 더 가깝고, 이로써 써멀 이미터 장치의 효율 및/또는 수명이 더 증가된다.

일 실시예에서, 써멀 이미터 장치(1)는 뚜껑을 포함하고, 렌즈(2)가 뚜껑 내부 또는 뚜껑 위에 배치된다.

방열막(10)에 가까운 렌즈(2)를 사용하면, 열 방출된 광의 각도 분산이 변경된다. 하우징(8)과 렌즈 입사면(21) 사이의 경계면에서의 굴절로 모든 각도가 변할 수 있도록 하여 모든 광이 렌즈(2)의 재료로 인해 표면(21)에서의 내부 전반사 각도와 관련된 최대 각도보다 작은 각도로 전파되도록 한다. 예를 들어, 렌즈가 유리로 만들어진 경우, 최대 각도는 약 40°이다. 렌즈(2)가 실리콘으로 만들어진 경우, 최대 각도는 약 16°이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 렌즈(2)의 단면도를 예시한다. 이 실시예에서, 렌즈(2)는 실리콘으로 제조되고 입사면 렌즈(21)와 상기 입사면 렌즈(21)에 실질적으로 평행한 출사면 렌즈(22)를 포함하며, 입사면 렌즈(21)와 출사면 렌즈(22)는 모두 실질적으로 편평하다.

예를 들어 1.5 마이크론 파장에서 랜덤 편광으로 방출하는 램버시안 광원(S)(방열막(10)을 개략적으로 나타냄)을 가정하면, 약 32%의 광이 반사로 인해 렌즈 입사면(21)에서 손실된다. 약간 작은 부분인 27%가 렌즈 출사면(22)에서 손실된다. 따라서, 렌즈의 전체 투과율은 50%이다.

0.5 = (1.000 - 0.315) × (1.00-0.27) (1)

이러한 손실을 가령 반사 방지 코팅을 사용하여 개선해야 할 단점으로 고려하는 대신, 본 발명에 따른 써멀 이미터 장치(1)는 완벽한 흑체가 아닌 방열막(10)을 사용함으로써 이러한 반사를 활용한다.

방열막(10)은 파장 및 재료에 따라 방사율이 0.7 미만이다. 이는 반사율이 30% 이상임을 의미한다. 본 발명에 따르면, 방열막(10)은 렌즈에 가깝게 위치하므로, 렌즈(2)에서 반사된 빛은 방열막(10)의 제1 표면(11)에 닿고 방열막(10)에 의해 재흡수되거나 방열막(10)에 의해 렌즈를 향해 반사되어 렌즈(2)를 통과할 제2 기회를 갖게 된다.

T_lens를 렌즈(21)의 제1 표면의 투과라고 하면, 제1 통과에서 투과된 광은 간단히 T_lens이다. R_lens를 렌즈에 의해 반사된 광이라 하자. 반사율(R_emitter)을 갖는 방열막(10)에서 반사(R_lens) 후에 1회 왕복한 다음, 추가 광(R_lensR_emitter)이 렌즈(2)에 부딪힌다. 따라서, 제1 통과 및 1회 왕복 후 전송된 총 광은 다음과 같다:

T_lens(1 + R_lensR_emitter) (2)

그리고, n 왕복 후에는 다음과 같이 된다:

T_lens(1 + R_lensR_emitter + (R_lensR_emitter)² + …. (R_lensR_emitter)ⁿ) (3)

표 1은 방사율이 0.4이고 반사율(R_emitter)이 0.6인 써멀 이미터 장치에 대해 특정 횟수의 왕복 후에 전송된 총 광을 나타내고, 표 2는 방사율이 0.2이고 반사율(R_emitter)이 0.8인 써멀 이미터 장치에 대해 특정 횟수의 왕복 후에 전송된 총 광을 나타낸다.

왕복 회수	투과
0	68.49%
1	81.43%
2	83.88%
3	84.35%
N	84.45%

왕복 회수	투과
0	68.49%
1	85.75%
2	90.10%
3	91.20%
N	91.57%

이들 2개의 실시예는 방열막(10)으로부터의 반사를 통해 투과에 있어 대부분의 상당한 개선이 일어난다는 것을 나타낸다. 논의된 바와 같이, 남은 출력이 방열막(10)에 의해 흡수될 때 실제로 손실되지 않는다는 점에서 추가적인 이득도 있고, 따라서, 효율이 증가한 것을 예시한다.

본 출원인은 2회 왕복이면 방열막(10)에서 반사되는 광으로부터 대부분의 이득을 얻기에 충분하다는 것을 발견했다. 렌즈(2)와 방열막(10) 사이의 "가까운" 거리는 이러한 고려에 기초하여 정의되었다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치(1)의 단면도를 예시한다.

본 발명에 따른 써멀 이미터 장치, 굴절률이 3.5인 렌즈(2) 및 방사율이 0.4인 방열막(10)을 사용하여 본 출원인이 수행한 광선 추적 소프트웨어를 사용한 완전한 수치 시뮬레이션은 최대 84.4%까지의 열 발광이 렌즈(2)를 통해 투과될 수 있고, 나머지 15.4%는 방열막(10)에 의해 흡수되는 것을 나타낸다.

렌즈(2)가 "얇은" 한, 렌즈 출사면(22)을 이용함으로써 유사한 이점을 얻을 수 있다. 즉, 렌즈(2)의 두께로 인해 렌즈 출사면(22)도 위에서 정의한 바와 같이 렌즈 입사면(21)에 가까운 것으로 간주될 수 있다.

본 출원인이 수행한 광선 추적 소프트웨어를 사용한 완전한 수치 시뮬레이션은 렌즈(2) 자체가 "얇으면" 본 발명에 따른 열 발광 장치를 통한 투과율이 향상된다는 것을 나타낸다.

이와 관련하여, 렌즈 겉보기 두께가 L/4(또는 L/8) 미만이면 렌즈(2)는 "얇다". 본 실시예에서, 렌즈 입사면(21)과 방열막의 표면(11) 사이의 거리는 L/4(또는 L/8) 미만이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 "얇은" 렌즈(2)를 포함하는 써멀 이미터 장치(1)의 단면도를 예시한다. 도 4에서는 렌즈(2)의 굴절률이 약 3.5인 것으로 간주된다.

예를 들어, 굴절률이 3.5인 렌즈 재료의 경우, 45°의 광은 11.6°로 굴절된다. 11.6°의 탄젠트는 0.2이다. 보다 구체적으로, 두께는 45°에서 볼 때 렌즈의 겉보기 두께이다. 예를 들어, 굴절률 n이 3.5이면 축척 비율이 0.21이므로 창(window)이 실제보다 0.21배 더 가깝게 나타난다. n=1.5인 경우, 축척 비율은 0.53이다.

직경 100㎛의 방열막(10)을 사용하여 본 출원인이 수행한 광선 추적 소프트웨어를 사용한 완전한 수치 시뮬레이션은 렌즈 입사면(21)이 가까워지려면 제1 표면(11)에서 20㎛ 떨어져 있어야 함을 보여준다. 얇은 렌즈의 스케일링된 두께도 마찬가지로 20㎛가 되어야 한다. 굴절률이 3.5인 경우, 이는 렌즈의 실제 두께가 20/0.21 = 95㎛일 수 있음을 의미한다.

일 실시예에서, "얇은" 렌즈(2)의 입사면과 렌즈 출사면(21, 22)은 실질적으로 편평하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치의 "두꺼운" 렌즈(2)의 단면도를 예시한다. 표시된 맵 스케일은 "두꺼운" 렌즈(2)의 가능한 크기를 표시할 뿐이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

도 5의 실시예에서, 렌즈 출사면(22)은 반사를 통해 광의 적어도 일부를 다시 방열막(10) 상으로 리포커싱하기 위해 (적어도 부분적으로) 구배져 있다. 렌즈 출사면(22)의 적어도 일부가 볼록하다. 도 5의 실시예에서, 모든 렌즈 출사면(22)이 볼록하다.

본 출원인이 수행한 테스트는 "두꺼운" 렌즈(2)에 의한 순 투과율이 약 71%로 추정될 수 있으며 나머지 29%는 방열막(10)에 의해 재흡수된다는 것을 나타낸다.

구배진 렌즈 출사면(22)을 포함하는 렌즈(2)를 사용하는 데에는 추가적인 이점이 있다. 이는 써멀 이미터 장치(1)의 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 방출을 더 지향시키게 한다.

출원인에 의해 수행된 테스트는, 3.5의 굴절률을 갖는 렌즈의 경우, 광빔의 각도 확산이 단순히 렌즈 입사면에서의 굴절에 의해서 +/- 11.6°라는 것을 나타낸다. 방열막(10)의 개구수 NA는 0.95에서 약 0.2로 변경되었으며, 이는 다른 외부 광학 요소가 필요하지 않기 때문에 많은 응용 분야에서 큰 이점을 갖는다.

일 실시예에서, 써멀 이미터 장치(1)는 방출된 광을 추가로 시준하기 위한 외부 광학 장치를 포함한다.

도 6은 렌즈 출사면을 넘어 광 전파의 실시예를 갖는, 도 5의 써멀 이미터 장치(1)의 "두꺼운" 렌즈(2)의 단면도를 예시한다. 도시된 실시예에서, 빔은 렌즈 출사면(22)에서 편향되지 않는다. 다른(도시되지 않은) 실시예에서, 빔은 렌즈 출사면(22)에서 편향될 수 있다. 도시된 맵 스케일은 단지 "두꺼운" 렌즈(2)의 가능한 크기의 표시를 제공할 뿐이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

렌즈(2)의 개구를 제한하기 위해, 렌즈(2)의 형상을 변경하거나 렌즈 출사면(22)의 일부 부분에 미러를 배치하는 것이 가능하다. 이 미러는 광을 차단하고 광을 다시 방열막(10)으로 반사할 것이며, 광이 방열막(10)에서 반사되거나 방열막(10)에서 재흡수될 수 있다는 이중 이점을 갖게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 렌즈 출사면(22)의 부분(23)에 미러를 포함하는 써멀 이미터 장치의 "두꺼운" 렌즈(2)의 단면도를 예시한다. 표시된 맵 스케일은 "두꺼운" 렌즈(2)의 가능한 크기의 표시를 제공할 뿐이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

도 7의 실시예에서, 렌즈 출사면(22)은 구배부(24)를 포함한다. 미러(23)는 구배부(24)의 두 단부에 배치되어 광빔의 출사각을 제한함으로써 방향성을 개선한다.

바람직한 일 실시예에서, 방열막(10)(도 7에 미도시)은 곡선형이다. 이는 렌즈(2)에서 방출된 광의 왕복 횟수를 더 많이 증가시킬 수 있다.

렌즈(2)의 미러(23)에서 반사된 광과 방열막에서 반사된 광이 빠져나가기 위해, 일 실시예에서 미러 부분(23)이 약간 디포커싱된다. 즉, 이미터가 정확한 초점위치에 배치되지 않는다. 블러가 이미터 치수의 스케일로 작게 유지되어야 한다; 다른 실시예에서, 방열막은 약간 구배져(렌즈를 향해 위쪽으로 휘어져), 미러(23)에서 반사된 광이 원래 경로로 정확하게 후퇴되지 않는다. 휘어짐은 이미터 치수 스케일에 비해 작아야 한다.

본 출원인에 의해 수행된 테스트는 휘어진 미러(23)가 상기 미러(23)로부터 반사된 광을 탈출 콘(cone) 내에 결합함으로써 써멀 이미터 장치의 효율을 직접적으로 향상시킨다는 것을 나타낸다.

일 실시예에서, 미러 부분(23)은 렌즈 출사면에 축외 개구를 포함한다. 이를 통해 장치 방사율을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에서, (콜드) 미러를 사용함으로써 장치 방사율이 개선된다.

도 8은 콜드 미러(200), 즉 관심 파장에서 방출하지 않는 미러를 포함하는 써멀 이미터 시스템(1000)을 개략적으로 예시한다. 도 8에서는 미러가 구배진 미러로 도시되어 있지만, 본 발명은 구배진 미러에 국한되지 않으며, 예를 들어 평면 미러를 포함하는 임의의 형상의 미러를 포함한다. 도 8의 다양한 요소의 크기 및 비율은 단지 예시일 뿐이며 각각의 실제 크기 비율과 반드시 일치하는 것은 아니다. 표시된 화살표의 기울기에도 동일하게 적용된다.

흡수 재료의 경우 ε = 1 - R_m이며, R_m은 재료의 반사율이다. 재료에서 방출된 광의 일부를 동일한 표면에서 반사함으로써, 유효 방사율을 높일 수 있다.

이 실시예는 유효 방사율을 증가시키기 위해 동일한 표면에서 다시 제1 써멀 이미터 장치(100)로부터 방사된 일부 광의 콜드 미러(200) 또는 제1 써멀 이미터 장치(100)에 의한 반사를 기반으로 한다.

P₁을 광학 장치(300)를 향해 그리고 미러(200)을 향해 제1 써멀 이미터 장치(100)에 의해 방출되는 출력이라고 가정하자. 그러면:

P₁ = ε·dA₁·Ω₁ (4)

제1 써멀 이미터 장치(100)를 향해 반사율(R)을 갖는 콜드 미러(200)에 의해 다시 반사되는 출력은 다음과 같다:

P₂ = R·ε·dA₁·Ω₁ (5)

콜드 미러(200)에 의해 다시 반사된 출력(P₂)은 P₃로서 이미터에 의해 반사된다.

P₃ = R_m·R·ε·dA₁·Ω₁ (6)

여기서, R_m은 제1 써멀 이미터 장치(100)의 재료의 반사율이다.

따라서, 광학 장치(300)를 향한 총 출력은 P₁ + P₃이고 다음과 같다:

P₁ + P₃ = ε·dA₁·Ω₁ (1 + Rm·R) (7)

총 방출 출력은 보존되고, 미러(200)에서 가능한 손실이 줄어든다. 광학 장치를 향한 출력은 dA₁·Ω₁ 을 초과할 수 없으므로 열역학 제2법칙이 충족된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 써멀 이미터 장치는 도 8에 도시된 아이디어의 구현이다.

도 9는 축을 벗어난 미러(23)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 써멀 이미터 장치(1)의 단면도를 도시한다. 미러는 개구(26)를 포함한다. 도 9의 써멀 이미터 장치(1)는 또한 본 개시에 따른 렌즈(미도시)를 포함한다.

도 9의 실시예에서, 미러(23)을 향한 콘(Ω₁)에서의 방출은 방열막(10)으로 다시 반사된다. 출력의 일부가 방열막(10)에서 재흡수되고 출력의 일부는 개구(26)를 통해 반사되어 개구(26)를 향해 방출된 원래 출력과 합해지고 따라서 출력이 향상된다.

도 10은 렌즈 출사면(22)에 축을 벗어난 미러를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치(1)의 단면도를 예시한다.

이 실시예에서, 개구(26)는 렌즈 출사면(22,22) 상에 있으므로 광이 보다 지향적이다. 이 실시예는 샘플에서 광을 반사하기 위해 미러(23)와 함께 (각도를 수집하기 위한) (닫힌) 렌즈의 장점을 결합한다.

도 11은 렌즈 출사면(22)에 축을 벗어난 미러를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 써멀 이미터 장치(1)의 단면도를 예시한다.

이 구성에서, 개구는 광을 추가로 제어하기 위해 렌즈(2)의 나머지 부분과 다른 모양을 가질 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 써멀 이미터 장치(1)의 예를 도시한 것으로, 방열막(10)은 상기 방열막(10)에 연결된 복수의 저항 암(4)을 포함하고, 방열막(10)은 저항 암(4)에 의해 현가되며, 방열막(10)은 저항 암(4)을 통해 방열 온도로 가열된다. 도 12의 도시된 예에서 암(4) 각각은 길이(5), 폭(6) 및 두께(7)를 갖고, 그 단면적은 방열막(10)의 단면적보다 훨씬 작다. 연결 패드(3)는 방열막(10)이 암(4)과 패드(3)에 의해서만 기판에 대해 지지되도록 기판에 기계적 연결을 제공하도록 설계된다. 연결 패드(3)는 암(4)과 이로써 방열막(10)에 전기적 연결을 제공한다. 방열막(10), 패드(3) 및 암(4)은 바람직하게는 단일 연속 재료 피스로 제조된다. 이 써멀 이미터 장치(1) 및/또는 이 방열막(10)의 다른 특징 및 다른 실시예는 본 출원인이 출원하고 본 명세서에 참조로 포함된 참조문헌 WO2020012042, WO2021144463 또는 WO2021144464에 설명되어 있다.

도 12의 실시예에서, 방열막(10)은 본 출원인이 출원한 출원 번호 EP20220155542의 특허 출원에 설명된 바와 같이 서로 다른 구멍을 포함하며, 본 명세서에 참조로 포함된다.

출원 번호 EP20220155542의 특허 출원에 설명된 바와 같이 방열막(10)에 구멍이 존재하는 것은 도 12의 실시예에 국한되지 않으며, 미러를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에도 적용된다.

1 써멀 이미터 장치
2 렌즈
3 연결 패드
4 암
5 암 길이
6 암의 너비
7 암의 두께
8 하우징
10 방열막
11 제1 표면
12 제2 표면
13 지지체
21 렌즈 입사면
22 렌즈 출사면
23 미러링된 부분
24 구배부
26 개구
20 콜드 미러
100 방출된 광
200 콜드 미러
300 광학 장치
400 제2 써멀 이미터 장치
1000 써멀 이미터 시스템
d 거리
P₁, .. P_j 출력
t 렌즈의 두께
S 램버시안 광원
Ω₁, Ω₂ 입체각

Claims

- 표면(11, 12)을 포함하고, 표면(11, 12)의 방사율이 0.7보다 낮으며, 방열 온도로 가열되어 상기 표면이 IR 또는 가시 광선을 방사하도록 배열되는 방열막(10); 및
- 방열막(10)의 표면(11, 12)을 향하고, 방사된 IR 또는 가시 광선을 부분적으로 반사하기 위해 렌즈 표면에 수직인 반사율이 4%에서 40% 범위에 포함되는 렌즈 표면(21)을 구비하는 렌즈(2)를 포함하는 써멀 이미터 장치(1)로서,
렌즈 표면(21)과 표면(11, 12) 사이의 거리(d)가 L/4 이하여서(L은 방열막(10)의 큰 쪽 길이) 렌즈(2)에서 반사된 IR 또는 가시 광선의 일부는 방열막(10)에 의해 재흡수되고, 렌즈(2)에서 반사된 IR 또는 가시 광선의 다른 일부는 방열막(10)에 의해 렌즈(2)를 향해 반사되어 이에 따라 렌즈를 통과할 또 다른 기회가 생겨 써멀 이미터 장치(1)의 효율이 증가되는 써멀 이미터 장치(1).
제1항에 있어서,
렌즈(2)와 표면(11, 12) 사이의 거리(d)가 L/8 이하인 써멀 이미터 장치(1).
제1항에 있어서,
렌즈(2)는 유리, 실리콘, 사파이어, 석영, 게르마늄, 및/또는 CaF2, MgF2, ZnSe, ZnS, NaCl 열재료와 같은 MID-Far 열재료로 제조되는 써멀 이미터 장치(1).
제1항에 있어서,
뚜껑을 포함하고, 렌즈(2)가 뚜껑 내부에 또는 뚜껑 위에 배치되는 써멀 이미터 장치(1).
제1항에 있어서,
방열막(10)은 내화 재료로 제조되거나 이를 포함하는 써멀 이미터 장치(1).
제1항에 있어서,
렌즈(2)의 렌즈 겉보기 두께가 L/4 이하인 써멀 이미터 장치(1).
제1항에 있어서,
렌즈(2)의 렌즈 겉보기 두께가 L/4보다 큰 써멀 이미터 장치(1).
제7항에 있어서,
렌즈 표면은 렌즈 입사면(21)이고, 렌즈(2)는 렌즈 출사면(22)을 포함하며, 렌즈 출사면(22)은 빛을 다시 방열막(10)으로 리포커싱시키고/시키거나 방출을 다소 지향시키 위해 적어도 부분적으로 구배진 써멀 이미터 장치(1).
제7항에 있어서,
렌즈 표면(22)의 적어도 일부에 미러(23)를 포함하는 써멀 이미터 장치(1)
제9항에 있어서,
미러(23)는 축에서 벗어난 미러인 써멀 이미터 장치(1).
제9항에 있어서,
미러(23)는 콜드 미러(23)인 써멀 이미터 장치(1).
제9항에 있어서,
미러(23)는 개구(26)를 포함하는 써멀 이미터 장치(1).
제12항에 있어서,
개구(26)를 향하는 렌즈(22) 부분은 방사된 빛을 더 조절하기 위해 개구(26)를 향하지 않는 렌즈의 형상과 다른 형상을 갖는 써멀 이미터 장치(1).
제1항에 있어서,
방열막에 연결된 복수의 저항 암을 포함하고, 방열막은 저항 암에 의해 현가되며, 방열막은 상기 저항 암을 통해 방열 온도로 가열되는 써멀 이미터 장치(1).
제9항에 있어서,
표면은 제1 표면(11)이고, 장치는 제1 표면(11) 반대쪽에 있는 제2 표면(12)을 포함하며, 방열막(10)은 제1 표면과 제2 표면이 IR 또는 가시 광선을 방사하도록 방열 온도로 가열되게 배열되며,
미러(23)는 방열막(10)의 제1 표면 또는 제2 표면(11, 12) 중 하나를 향하고,
방열막(10)의 적어도 일부는 관통 구멍(40)을 포함하며, 상기 구멍(40)의 방열막의 제1 표면 또는 제2 표면 중 하나에 평행한 평면의 임의의 단면은 상기 미리 정의된 영역의 가장 긴 파장보다 더 큰 치수를 갖고,
구멍(40) 면적의 합은 방열막(10)의 제1 또는 제2 표면(11, 12) 각각의 면적의 적어도 10%인 써멀 이미터 장치(1).