電磁波発生器及びそれを利用した光シャッタ
【課題】テラヘルツ（ＴＨｚ）帯域を含む広域の電磁波を発生させることができ、出力電磁波の波長制御が可能な電磁波発生器及び光シャッタを提供する。
【解決手段】互いに離隔されて対面するように配された２つの電極、２つの電極間に配された帯電可能粒子、及び２つの電極間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバを含む電磁波発生器である。該電磁波発生器の２つの電極に直流電圧が印加され、２つの電極間に電場を発生させれば、帯電可能粒子が帯電される。それにより、帯電された粒子は、２つの電極間を往復するが、そのような帯電された粒子の移動によって電磁波が発生する。出力電磁波の波長は、２つの電極間の電位差を調節することによって制御することができる。
【解決手段】互いに離隔されて対面するように配された２つの電極、２つの電極間に配された帯電可能粒子、及び２つの電極間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバを含む電磁波発生器である。該電磁波発生器の２つの電極に直流電圧が印加され、２つの電極間に電場を発生させれば、帯電可能粒子が帯電される。それにより、帯電された粒子は、２つの電極間を往復するが、そのような帯電された粒子の移動によって電磁波が発生する。出力電磁波の波長は、２つの電極間の電位差を調節することによって制御することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波発生器及び光シャッタに係り、さらに詳細には、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯域を含む広域の電磁波を発生させ、出力電磁波の波長制御が可能な電磁波発生器、及び前記電磁波発生器と同じ原理で動作する光シャッタ（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｈｕｔｔｅｒ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波（以下、テラヘルツ波）は、一般的に約０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯域を有する電磁波を示す。テラヘルツ波は、マイクロ波や光波が透過することができない物質を容易に透過し、水分に良好に吸収される特性を有している。そのため、テラヘルツ波は、医学、化学、軍事、保安、生命、環境、情報通信などの多様な技術分野で重要性が認識されている。しかし、今のところは、テラヘルツ帯域の電磁波を信頼性あるように発生させることができる装置が十分に開発されておらず、新たなテラヘルツ発生器を開発するための多くの研究が進行中である。
【０００３】
例えば、非線形結晶を有する固体レーザ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ）を利用するテラヘルツ発生器、コイルまたは磁石を利用した電磁気誘導方式のテラヘルツ発生器などが現在開発されている。しかし、現在までに開発されたテラヘルツ発生器は、特定波長のテラヘルツ波しか出力できなかったり、または出力テラヘルツ波の可用帯域が狭くて応用分野が限定されている。例えば、身体内の互いに異なる臓器（心臓、血管、胃腸など）を断層撮影するためには、互いに異なる波長のテラヘルツ波が要求されるが、帯域幅が狭い既存のテラヘルツ発生器では、かような要求を充足させられない。また、テラヘルツ発生器は、その動作原理上、消費電力が非常に大きくなってしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、出力電磁波の波長制御が可能な広域電磁波発生器を提供するものである。
【０００５】
本発明はまた、高速開閉が可能な光シャッタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一類型によれば、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含む電磁波発生器が提供される。このような電磁波発生器の構造で、第１電極及び第２電極に電圧を印加するとき、帯電可能粒子が第１電極と第２電極との間を往復しつつ電磁波が発生しうる。
【０００７】
一実施例によれば、チャンバ内部の空間に、帯電可能粒子が配され、チャンバの両端で、第１電極及び第２電極は、チャンバ内部の空間を密閉させ、チャンバの内部空間は、真空状態であるか、または不活性ガスで充填されてもよい。
【０００８】
電磁波発生器は、チャンバの外部を取り囲むハウジングをさらに含んでもよい。
【０００９】
一実施例によれば、チャンバとハウジングとの間の空間は、真空状態になっていてもよい。
【００１０】
また、チャンバは、第１電極及び第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなり、帯電可能粒子の運動によって発生する電磁波に対して、透過性を有してもよい。
【００１１】
例えば、第１電極に第１直流（ＤＣ）電圧が印加され、第２電極に第１直流電圧と異なる第２直流電圧が印加されてもよい。
【００１２】
一実施例で、第１電極及び第２電極は、平板型であり、第１電極及び第２電極の直径が、チャンバの直径より大きくてもよい。
【００１３】
他の実施例で、第１電極及び第２電極は、凹型の放物面を有し、第１電極及び第２電極の放物面は、互いに対向するように配されてもよい。
【００１４】
さらに他の実施例で、第１電極及び第２電極のうちいずれか一つは、平板型であり、他の一つは、帯電可能粒子に向かって配された凹型の放物面を有してもよい。
【００１５】
例えば、帯電可能粒子は、電気的に帯電される伝導体材料からなってもよい。
【００１６】
一実施例で、帯電可能粒子は、電気的に帯電される伝導体コアと、伝導体コアを取り囲む絶縁性シェルと、を含んでもよい。
【００１７】
一実施例で、帯電可能粒子は、第１電極及び第２電極に対する電圧の印加と係わりなく、すでに帯電されており、帯電された状態を維持する粒子、または第１電極及び第２電極に電圧が印加されるときにのみ帯電され、電圧印加の中断時に放電される粒子のうち一つであってもよい。
【００１８】
一実施例によれば、第１電極及び第２電極に電圧が印加されるとき、第１電極及び第２電極と帯電可能粒子との間に引力が発生しうる。
【００１９】
例えば、第１電極及び第２電極と帯電可能粒子との間に作用する全体力の電気的強度Ｆは、
【数１】
であり、ここで、
【数２】
であり、ＱＴは、帯電可能粒子の有効電荷であり、ｓは、第１電極と帯電可能粒子との間の距離であり、ｈは、第１電極と第２電極との間の間隔であり、ａは、伝導体コアの半径であり、ｂは、絶縁性シェルの半径であり、ＥＰは、第１電極と第２電極との間に発生した電場の強度であり、σ１は、伝導体コアの電荷密度であり、σ２は、絶縁性シェルの電荷密度であり、ε０は、自由空間での誘電率であり、κ２は、絶縁性シェルの誘電定数であり、κ３は、チャンバ内での帯電可能粒子の外側領域の誘電定数である。
【００２０】
一実施例で、チャンバは、円筒形または多角筒形であってもよい。
【００２１】
他の類型によれば、前述の電磁波発生器を複数含む電磁波発生器アレイが提供される。
【００２２】
例えば、複数の電磁波発生器は、同一半径に沿ってリング形に配列されてもよい。
【００２３】
ここで、電磁波発生器アレイは、リング形アレイの内部に配された電磁波遮蔽膜をさらに含んでもよい。
【００２４】
一実施例で、複数の電磁波発生器が同期して動作しうる。
【００２５】
他の類型によれば、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、第１電極の中心部に光が通過するように形成された開口と、を含む光シャッタが提供される。ここで、光シャッタは、第１電極及び第２電極に電圧を印加するとき、帯電可能粒子が、第１電極と第２電極との間を往復しつつ、反復的に入射光を断続させるように動作しうる。
【００２６】
一実施例で、第１電極は、不透明な導電体からなり、第２電極は、透明な導電体からなってもよい。
【００２７】
例えば、開口の半径は、帯電可能粒子の半径より小さくてもよい。
【００２８】
光シャッタは、開口に充填された透明ウインドウをさらに含んでもよい。
【００２９】
一実施例で、第１電極は、帯電可能粒子が、開口上に載置されるように、凹型の表面を有してもよい。
【００３０】
例えば、チャンバの内壁は、反射性材料でコーティングされたり、チャンバ自体が反射性材料からなってもよい。
【００３１】
また、チャンバは、第１電極及び第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなってもよい。
【００３２】
一実施例で、開口は、円形または多角形であってもよい。
【００３３】
さらに他の類型によれば、前述の光シャッタを複数含む光シャッタ・アレイが提供される。
【００３４】
例えば、複数の光シャッタは、行と列とをなしてマトリックス・アレイ状に配列されてもよい。
【００３５】
一実施例で、第２電極は、あらゆる光シャッタに対する共通電極であり、第１電極は、それぞれの光シャッタごとに独立して配されてもよい。
【００３６】
光シャッタ・アレイは、それぞれの光シャッタの第１電極間に配された不透明絶縁体をさらに含んでもよい。
【００３７】
さらに他の類型による光シャッタは、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、ここで、第１電極及び第２電極は、平板状の透明な導電性材料からなり、チャンバの内壁は、反射性を有し、第１電極及び第２電極に印加される電圧を調節し、帯電可能粒子が、第１電極と第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御できる。ここで、透過する光の強度は、帯電可能粒子の往復周期によって変化しうる。
【００３８】
一実施例で、チャンバは、反射性金属からなり、光シャッタは、チャンバと第１電極との間に配された第１絶縁体と、チャンバと第２電極との間に配された第２絶縁体と、をさらに含んでもよい。
【００３９】
他の実施例で、チャンバは、反射性誘電体からなるか、あるいはチャンバの内壁に反射性コーティング膜が形成されてもよい。
【００４０】
また、帯電可能粒子の表面が反射性を有してもよい。
【００４１】
また、光シャッタは、第１電極が配される透明な第１基板と、第２電極が配される透明な第２基板と、をさらに含んでもよい。
【００４２】
一実施例で、光シャッタは、第２基板上に配されるカラーフィルタをさらに含んでもよい。
【００４３】
他の実施例で、光シャッタは、第２電極上に配されるカラーフィルタをさらに含んでもよい。
【００４４】
例えば、反射性を有するチャンバの内壁が、放物面の形状を有してもよい。
【００４５】
一方、他の類型による光シャッタは、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、ここで、第１電極は、中心部に光が通過するように形成された開口を有する平板状の不透明な導電性材料からなり、第２電極は、平板状の透明な導電性材料からなり、チャンバの内壁は、反射性を有し、第１電極及び第２電極に印加される電圧を調節し、帯電可能粒子が、第１電極と第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御することができる。ここで、透過する光の強度は、帯電可能粒子の往復周期によって変化しうる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一実施例による電磁波発生器の構造を概略的に図示する図面である。
【図２】図１に図示された電磁波発生器の断面構造を概略的に図示する図面である。
【図３】図１に図示された電磁波発生器の２つの電極間に発生する電場を例示的に示す図面である。
【図４】他の実施例による電磁波発生器の構造を概略的に図示する図面である。
【図５】図４に図示された電磁波発生器の２つの電極間に発生する電場を例示的に示す図面である。
【図６】さらに他の実施例による電磁波発生器の構造を概略的に図示する図面である。
【図７】実施例による電磁波発生器の２つの電極間に配された帯電可能粒子の構造を例示的に図示する図面である。
【図８Ａ】実施例による電磁波発生器で、帯電可能粒子が２つの電極間で振動する原理について概略的に説明する図面である。
【図８Ｂ】実施例による電磁波発生器で、帯電可能粒子が２つの電極間で振動する原理について概略的に説明する図面である。
【図９】実施例による電磁波発生器の例示的な動作を図示する図面である。
【図１０】帯電可能粒子の経時的な位置変化を示すグラフである。
【図１１】帯電可能粒子の経時的な速度変化を示すグラフである。
【図１２】帯電可能粒子から発生する電磁波の強度プロファイルを図示するグラフである。
【図１３】複数の電磁波発生器のアレイを例示的に図示する図面である。
【図１４Ａ】一実施例による光シャッタの構造及び動作を概略的に図示する図面である。
【図１４Ｂ】一実施例による光シャッタの構造及び動作を概略的に図示する図面である。
【図１５Ａ】複数の光シャッタを有する光シャッタ・アレイの構造を概略的に図示する平面図である。
【図１５Ｂ】複数の光シャッタを有する光シャッタ・アレイの構造を概略的に図示する断面図である。
【図１６】他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【図１７】図１９に図示された光シャッタの動作を概略的に図示する図面である。
【図１８】さらに他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【図１９】さらに他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【図２０】さらに他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、添付された図面を参照しつつ、電磁波発生器及びそれを利用した光シャッタについて詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜性のために、誇張されていることがある。
【００４８】
図１及び図２は、一実施例による電磁波発生器１０の構造をそれぞれ概略的に図示する斜視図及び断面図である。図１及び図２を参照すれば、一実施例による電磁波発生器１０は、互いに離隔されて対面するように配された下部電極１１及び上部電極１２、下部電極１１と上部電極１２との間に配された帯電可能粒子（ｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ）１４、及び下部電極１１と上部電極１２との間で、帯電可能粒子１４を取り囲むように配されたチャンバ１３を含む。従って、チャンバ１３内部の空間２０に、帯電可能粒子１４が配され、チャンバ１３の下部及び上部に、それぞれ下部電極１１と上部電極１２とが配され、チャンバ１３の内部空間２０を密閉させることができる。
【００４９】
チャンバ１３の内部空間２０内で、帯電可能粒子１４以外には、電荷を有した粒子やガスが存在しないことが有利である。このために、内部空間２０を真空状態に維持する。その代わりに、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）のような希ガス（ｎｏｂｌｅ ｇａｓ）や、六フッ化硫黄（ＳＦ６）のように、帯電可能粒子１４の電気的放電を抑制するガスで内部空間２０を充填することも可能である。チャンバ１３内部の空間２０を、真空や不活性ガスで確実に維持するために、電磁波発生器１０は、チャンバ１３の外部を取り囲むハウジング１５をさらに含む。ハウジング１５とチャンバ１３との間の空間３０は、真空に維持されてもよい。
【００５０】
チャンバ１３は、下部電極１１及び上部電極１２が電気的に分離されるように、絶縁性材料からなってもよい。また、チャンバ１３は、帯電可能粒子１４の運動によって発生する電磁波が透過できる材料からなってもよい。該２つの条件を満たすいかなる材料も、チャンバ１３として使われる。図１には、チャンバ１３が円筒形であると例示されているが、これに限定されるものではない。例えば、チャンバ１３は、三角筒、四角筒のような多角筒形の形状を有することもできる。また、図１には、チャンバ１３内に、１つの帯電可能粒子１４があると例示されているが、これに限定されるものではなく、複数の帯電可能粒子１４がチャンバ１３内に配されもする。
【００５１】
下部電極１１及び上部電極１２は、チャンバ１３内部の空間２０に電場を提供する役割を行うように配される。例えば、上部電極１２にＶＴの電圧を印加し、下部電極１１にＶＬの電圧を印加するとき、ＶＴ＞ＶＬであるならば、上部電極１２から下部電極１１の方向に電場が発生する。帯電可能粒子１４が帯電されれば、電場に沿って動くが、このとき、帯電可能粒子１４が、チャンバ１３の内壁にぶつからずに、安定して上下動するためには、チャンバ１３内部の空間２０に、チャンバ１３の壁に対して平行な電場（すなわち、図面では、垂直方向に平行な電場）が形成されることが有利である。このために、下部電極１１及び上部電極１２の直径は、チャンバ１３の直径よりより大きいことが望ましい。図３に図示されているように、平行な２枚の平板の下部電極１１及び上部電極１２間に形成される電場は、下部電極１１及び上部電極１２のエッジへ行くほど平行ではなくなり、下部電極１１及び上部電極１２の中心部へ行くほど平行になる。従って、チャンバ１３の直径は、電場が平行である領域の直径Ｄと一致するように選択されてもよい。それにより、帯電可能粒子１４をチャンバ１３の中心領域に閉じ込めることができる。しかし、帯電可能粒子１４を、チャンバ１３の中心領域に閉じることができる他の手段が存在する場合には、下部電極１１及び上部電極１２の直径が、チャンバ１３の直径と同じであってもよい。
【００５２】
図１ないし図３には、下部電極１１及び上部電極１２が平行な平板の形態であると図示されているが、帯電可能粒子１４が、チャンバ１３の内壁に衝突することを防止するために、下部電極１１及び上部電極１２は、他の形態を有することもできる。例えば、図４に図示されているように、他の実施例による電磁波発生器１０は、放物面の形態を有する下部電極１１及び上部電極１２を含む。下部電極１１及び上部電極１２は、凹型の放物面が互いに対向するように配される。この場合、チャンバ１３の内部には、図５に図示されているように、中心に向かって曲がった形態の電場が形成される。このように、内側に曲がった電場によって、チャンバ１３の中心領域に配された帯電可能粒子１４は、外側にほぼ移動しなくなる。従って、帯電可能粒子１４が、チャンバ１３の壁に移動して衝突することは、ほぼ発生しない。
【００５３】
また、図６に図示されているように、下部電極１１及び上部電極１２のうち一つは、平板状を有し、他の一つは、放物面形態を有することもできる。図６には、下部電極１１が放物面形態を有し、上部電極１２が平板状を有すると図示されているが、それと反対に配されることも可能である。すなわち、下部電極１１が平板状を有し、上部電極１２が放物面形態を有することもできる。下部電極１１及び上部電極１２のうち放物面形態を有する電極は、放物面が帯電可能粒子１４に向かうように配される。
【００５４】
一方、帯電可能粒子１４は、正（＋）または負（−）の電荷によって、容易に電気的に帯電される伝導体材料からなってもよい。例えば、帯電可能粒子１４は、アルミニウム（Ａｌ）のような金属材料からなってもよい。帯電可能粒子１４は、帯電された状態を常に維持することができるが、下部電極１１及び上部電極１２に、電圧が印加された間にのみ帯電された状態を維持しても差し支えない。このような帯電可能粒子１４は、球状を有する１つの単一材料から形成されてもよい。例えば、帯電可能粒子１４として、帯電可能金属球を使用することができ、さらにまた、イオン化された原子（ｉｏｎｉｚｅｄ ａｔｏｍ）も使用可能である。また、帯電可能粒子１４は、図７に図示されているように、伝導体コア１４ａと絶縁性シェル１４ｂとを有するコア−シェル（ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ）構造を有することもできる。例えば、コア１４ａは、アルミニウムのように容易に帯電される伝導性金属からなり、コア１４ａを取り囲むシェル１４ｂは、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２のような絶縁性材料からなってもよい。帯電可能粒子１４が、このようなコア−シェル構造からなる場合、運動する帯電可能粒子１４が、下部電極１１及び上部電極１２に近接するとき、導電性を有するコア１４ａの代わりに、絶縁性を有するシェル１４ｂが、下部電極１１及び上部電極１２に直接接触するので、電気的漏れを防止することができる。従って、電磁波発生器１０の電力を低減させることができる。
【００５５】
以下、前述の電磁波発生器１０の動作について詳細に説明する。
【００５６】
電磁波発生器１０の下部電極１１及び上部電極１２に電圧を印加する前には、帯電可能粒子１４が、重力によって下部電極１１の表面上に置かれている。このとき、帯電可能粒子１４は、電気的に帯電していない状態でもある。従って、電磁波発生器１０の動作初期に、帯電可能粒子１４を帯電させるために、下部電極１１及び上部電極１２に初期電圧を印加する。例えば、帯電可能粒子１４のコア１４ａがアルミニウムであるならば、下部電極１１と上部電極１２との電位差が約７００Ｖ以上になるように、下部電極１１及び上部電極１２に電圧を印加する。例えば、下部電極１１に印加される電圧ＶＬが０Ｖであるならば、上部電極１２に印加される電圧ＶＴは、約７００Ｖ以上である。それにより、アルミニウムコア１４ａ内のそれぞれのアルミニウム原子から、電子が一つずつ飛び出してきて、上部電極１２を介して流れ出る。従って、帯電可能粒子１４は、正（＋）に帯電される。もし帯電可能粒子１４が、下部電極１１及び上部電極１２に対する電圧の印加と係わりなく、すでに帯電されており、帯電された状態を維持できるならば、このような初期化過程は、要求されるものではない。しかし、下部電極１１及び上部電極１２に電圧が印加されるときにのみ帯電可能粒子１４が帯電され、電圧印加の中断時に放電されるならば、前述の初期化過程が要求される。
【００５７】
その後、下部電極１１及び上部電極１２には、出力電磁波の所望する波長によって、それぞれ適切なＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）電圧を印加する。例えば、下部電極１１及び上部電極１２に印加される電圧の関係は、ＶＴ＞ＶＬであってもよい。それにより、上部電極１２から下部電極１１の方向に電場が発生しつつ、帯電された帯電可能粒子１４は、下部電極１１と上部電極１２との間を往復しつつ振動することができる。このように、帯電可能粒子１４が下部電極１１と上部電極１２との間で振動する原理は、以下のように数学的に説明することができる。
【００５８】
まず、下部電極１１及び上部電極１２は、互いに平行するように配された平板型電極であり、下部電極１１と上部電極１２との間には、コア−シェル構造の帯電可能粒子１４が配されていると仮定する。帯電可能粒子１４のコア１４ａは、半径がａであり、σ１の電荷密度を有し、シェル１４ｂは、半径がｂであり、σ２の電荷密度を有すると仮定する。また、下部電極１１と上部電極１２との間隔はｈであり、帯電可能粒子１４は、上部電極１２からｓほどの高さに位置すると仮定する。そして、上部電極１２には、ＶＴの電圧が印加され、下部電極１１には、ＶＬの電圧が印加され、ここで、便宜上ＶＴ＞ＶＬ、ＶＬ＞０であると仮定する（しかし、実際には、ＶＬ≦０でもよい）。このとき、上部電極１２と下部電極１１との間には、Ｅｐの電場が発生すると仮定する。
【００５９】
では、ラプラス方程式∇２Ｖ＝０と境界条件とを利用し、コア１４ａ内部の領域（ｒ≦ａ）での正電位Ｖ１、シェル１４ｂ内部の領域（ａ＜ｒ≦ｂ）での正電位Ｖ２、帯電可能粒子１４の外側領域（ｒ＞ｂ）での正電位Ｖ３を、次の通り求めることができる。
【数３】
【数４】
【数５】
【００６０】
数式１ないし３で、α、β、γ、λ及びνは、次の通りである。
【数６】
【００６１】
上記数式１ないし４は、帯電可能粒子１４の中心を原点とする球面座標系として表現されている。従って、数式１ないし４でｒは、帯電可能粒子１４の中心から半径方向の距離であり、θは、垂直軸（ｚ軸）からの高度角である。数式３でＣは、境界条件を満足するための任意の定数である。数式４でε０は、自由空間（ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ）での誘電率であり、κ２は、シェル１４ｂの誘電定数であり、κ３は、チャンバ１３の内部空間２０、すなわち、帯電可能粒子１４の外側領域の誘電定数である。
【００６２】
また、帯電可能粒子１４の外側領域での正電位Ｖ３を利用すれば、帯電可能粒子１４の外側領域での電気変位（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）Ｄ３を、次の通り得ることができる。
【数７】
【００６３】
さて、電気変位Ｄ３によって誘発される上部電極１２の表面での電荷密度σｉｕｐと、下部電極１１の表面での電荷密度σｉｌｐとを、次の数式６及び数式７のように得ることができる。数式６及び数式７は、極座標系で表現され、
【数８】
である。
【数９】
【数１０】
【００６４】
下部電極１１の表面と、上部電極１２の表面とにそれぞれ誘発された総電荷ＱｉＴは、ＱｉＴ＝Ｑｉｕｐ＋Ｑｉｌｐで表現され、ここでＱｉｕｐは、上部電極１２に誘発された総電荷であり、Ｑｉｌｐは、下部電極１１に誘発された総電荷である。ＱｉＴを解釈すれば、次の通り誘導される。
【数１１】
【００６５】
上部電極１２の表面と、下部電極１１の表面とに誘発された電荷は、帯電されている帯電可能粒子１４と相互作用し、帯電可能粒子１４に力を加えることができる。上部電極１２の表面Ｓ１に誘発された電荷によって、帯電可能粒子１４に作用する力をＦ１、下部電極１１の表面Ｓ２に誘発された電荷によって、帯電可能粒子１４に作用する力をＦ２とするとき、帯電可能粒子１４に作用する全体力Ｆは、次の通り表現される。
【数１２】
【００６６】
ここで、Ｅ１は、上部電極１２での電場であり、Ｅ２は、下部電極１１での電場であり、ＱＴは、帯電可能粒子１４の有効電荷であって、ＱＴ＝−ＱｉＴの関係を有する。数式９を解釈すれば、次の数式１０ないし１２のような結果を得ることができる。
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００６７】
数式１０ないし１２でｅｚは、ｚ方向の単位ベクトルである。数式１２の結果は、帯電可能粒子１４に作用する電磁力のみを考慮したものである。帯電可能粒子１４に作用する重力をさらに考慮すれば、帯電可能粒子１４に作用する全体力ＦＴを、次の通り得ることができる。
【数１６】
【００６８】
数式６，７及び１３を参照すれば、帯電可能粒子１４の位置によって、上部電極１２と下部電極１１との表面に誘導される電荷密度が変化しつつ、帯電可能粒子１４に対して引力が優勢に作用したり、あるいは斥力が優勢に作用するということが分かる。例えば、電場Ｅｐの方向が上部電極１２から下部電極１１に向かい、帯電可能粒子１４が（＋）に帯電していると仮定する。偏極消去場（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）により、帯電可能粒子１４の左側半球には、負電荷が分布し、下側半球には、正電荷が分布することになるが、両半球の電荷の総計は、（＋）になる。また、上部電極１２の表面にも、負電荷が分布するが、帯電可能粒子１４が上部電極１２から遠ざかれば、上部電極１２の表面に誘導される電荷密度が低くなり、帯電可能粒子１４が上部電極１２に近づけば、上部電極１２の表面に誘導される電荷密度が高くなる。
【００６９】
従って、帯電可能粒子１４が上部電極１２から一定距離以上遠ざかれば（領域Ａ）、図８Ａに図示されているように、帯電可能粒子１４の全体電荷（ｑ＞０）と上部電極１２との間に引力が優勢となる。その結果、帯電可能粒子１４は、上部電極１２に向かって移動する。しかし、帯電可能粒子１４が上部電極１２に一定距離以下に接近すれば（領域Ｂ）、上部電極１２の表面に誘導される負電荷の密度が上昇し、図８Ｂに図示されているように、上部電極１２の表面に誘導された負電荷と、帯電可能粒子１４の左側半球に分布する負電荷とによる反発力が優勢になる。その結果、帯電可能粒子１４は、上部電極１２から遠ざかる。かような原理により、帯電可能粒子１４は、領域Ａと領域Ｂとの間を往復しつつ振動する。このように、電荷を帯びる帯電可能粒子１４が振動すれば、、図９に図示されているように、電磁波が発生することになる。
【００７０】
前述の数学的結果を基に、コンピュータを利用して帯電可能粒子１４の運動についての模擬実験を行った。模擬実験で、コア１４ａは、アルミニウムであり、シェル１４ｂは、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）であると仮定した。また、上部電極１２と下部電極１１との間、すなわち、チャンバ１３の内部は、真空状態であると仮定した。それ以外にも、下記のような設計値を仮定した。
シェル１４ｂの誘電定数＝６
コア１４ａの半径ａ＝２５ｎｍ
シェル１４ｂの厚み（ｂ−ａ）＝２ｎｍ
上部電極１２と下部電極１１との間隔ｈ＝１０μｍ
下部電極１１に印加された電圧ＶＬ＝０Ｖ
上部電極１２に印加された電圧ＶＴ＝１６ｋＶ及び３２ｋＶ
コア１４ａの電荷密度σ１＝１００Ｃ／ｍ２（ここで、ＣはＣｏｕｌｏｍｂ）
シェル１４ｂの電荷密度σ２＝０ｎＣ／ｍ２
コア１４ａの質量密度＝２７００ｋｇ／ｍ２
シェル１４ｂの質量密度＝３８００ｋｇ／ｍ２
【００７１】
図１０ないし図１２は、模擬実験の結果を示すグラフである。まず、図１０は、帯電可能粒子１４の経時的な位置変化を示すグラフであり、図１１は、帯電可能粒子１４の経時的な速度変化を示すグラフである。図１０及び図１１のグラフを介して分かるように、帯電可能粒子１４は、下部電極１１と上部電極１２との間を往復する振動運動を行うことができる。図１０及び図１１で、Ｅｐ＝１．６ＧＶ／ｍは、ＶＴ＝１６ｋＶと対応し、Ｅｐ＝３．２ＧＶ／ｍは、ＶＴ＝３２ｋＶと対応する。図１０及び図１１から分かるように、上部電極１２に印加される電圧が増加すれば、帯電可能粒子１４の振動周波数が増加し、移動速度が速まる。
【００７２】
前述のように、帯電された帯電可能粒子１４が、下部電極１１と上部電極１２との間を往復しつつ振動すれば、帯電可能粒子１４から電磁波が発生しうる。このように発生した電磁波は、帯電可能粒子１４の運動方向に垂直な方向に進みうる。帯電可能粒子１４が、下部電極１１と上部電極１２との間を一回往復する間、電磁波が２回発生するので、発生する電磁波の周波数は、帯電可能粒子１４の振動周波数の２倍になる。図１２は、 ＶＴ＝３２ｋＶであるとき、帯電可能粒子１４から発生する電磁波の強度プロファイルを例示的に図示している。
【００７３】
帯電可能粒子１４の振動周波数は、下部電極１１及び上部電極１２に印加される電圧で調節自在であるので、本実施例による電磁波発生器１０は、テラヘルツの帯域を含む非常に広い帯域にわたって、出力電磁波の波長を容易に制御することができる。もし帯電可能粒子１４が、原子や電子のように非常に小さくて軽い粒子である場合、帯電可能粒子１４は、非常に早く振動することができるので、電磁波発生器１０は、電磁波だけではなく、光を放出することも可能である。この場合、電磁波発生器１０は、レーザ装置の役割も行うことができる。例えば、チャンバ１３内に、複数の帯電可能であり、かつ／または帯電された気体原子を充填してレーザ装置を製作することができる。チャンバ１３内には、必ずしも１つの帯電可能粒子１４が存在する必要はなく、複数の帯電可能な粒子１４が存在することも可能である。チャンバ１３内に、帯電可能な粒子１４が過度に多くないならば、それぞれの帯電可能粒子１４から発生する電磁波または光の位相を、所定の誤差範囲内で一致させ、可干渉性を有する（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）電磁波または光を提供することが可能である。
【００７４】
また、下部電極１１と上部電極１２との間に高電圧が印加されたとしても、下部電極１１及び上部電極１２を介して流れる電流は、非常に微弱であるために、本実施例による電磁波発生器１０は、消費電力が小さい。特に、帯電可能粒子１４が、コア−シェル構造からなる場合、電流の漏れをさらに減らすことができ、電磁波発生器１０の消費電力がさらに低減する。
【００７５】
このような電磁波発生器１０は、単独で使われもするが、複数の電磁波発生器１０を共に配列して使用することもできる。図１３は、複数の電磁波発生器１０からなる電磁波発生器アレイ１００を例示的に示している。図１３で電磁波発生器アレイ１００は、同一半径に沿ってリング形に配列された複数の電磁波発生器１０を有してもよい。しかし、図１３に図示された配列形態は、単に例示的なものであり、目的によって、複数の電磁波発生器１０を他の多様な形態に配列させることもできる。電磁波発生器アレイ１００の複数の電磁波発生器１０を、同期（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）して動作させれば、大きい出力を有する電磁波を提供することができる。または、複数の電磁波発生器１０を同期させずに、独立して動作させることによって、位相と周波数とがそれぞれ異なる多様な電磁波を同時に発生させることもできる。
【００７６】
図１３に図示された電磁波発生器アレイ１００で、電磁波発生器１０のリング形アレイ内部に進む電磁波は、他の電磁波発生器１０で発生した電磁波と干渉を起こすこともある。従って、リング形アレイの内部には、図１３に図示されているように、円筒形の電磁波遮蔽膜１１０を配することもある。その場合、電磁波発生器アレイ１００のリング形アレイの内部に進む電磁波は、遮蔽膜１１０によって遮断される。それにより、リング形アレイの外側の方向に進む電磁波のみ残り、複数の電磁波発生器１０で発生した電磁波間に干渉が起こることを防止することができる。
【００７７】
以上、電磁波発生器１０の上部電極１２と下部電極１１とに直流電圧を印加する場合について説明した。しかし、上部電極１２と下部電極１１とに交流電流を印加し、帯電可能粒子１４をさらに複雑に運動させることもできる。例えば、下部電極１１及び上部電極１２に直流電圧を印加する場合、帯電可能粒子１４は、上部電極１２と下部電極１１との間を単純往復する。しかし、交流電圧を、下部電極１１及び上部電極１２に印加する場合には、帯電可能粒子１４は、瞬時に変化する電圧によって、複雑な運動を行う。その結果、電磁波発生器１０から出力される電磁波の強度と周波数とが経時的に複雑に変わりもする。従って、所定の周波数を有する交流電圧の印加を介して、瞬時に周波数が変化する電磁波を出力することができる。
【００７８】
前述の帯電可能粒子１４の運動原理は、電磁波発生器１０だけではなく、高速開閉が可能な光シャッタの製作にも適用することができる。図１４Ａ及び図１４Ｂは、一実施例による光シャッタ５０の構造及び動作を概略的に図示している。図１４Ａ及び図１４Ｂを参照すれば、光シャッタ５０は、互いに離隔されて対面するように配された下部電極５１及び上部電極５２、下部電極５１と上部電極５２との間に配された帯電可能粒子５４、及び下部電極５１と上部電極５２との間で、帯電可能粒子５４を取り囲むように配されたチャンバ５３を含む。下部電極５１、上部電極５２、チャンバ５３及び帯電可能粒子５４は、前述の電磁波発生器１０の下部電極１１、上部電極１２、チャンバ１３及び帯電可能粒子１４について説明したところと同一である。以下、光シャッタ５０を構成するための追加的な特徴についてのみ説明する。
【００７９】
光シャッタ５０の下部電極５１は、不透明な導電体からなり、中心部に光が通過するための開口５５が形成されている。開口５５の半径は、帯電可能粒子５１の半径より小さく、光が透過できるほどに十分に大きい。例えば、開口５５の半径は、光の波長より大きいことが望ましい。図面には、開口５５が円形であると図示されているが、これは、例示的なものであり、開口５５は、多角形状を有することもできる。開口５５は、チャンバ５３の内部空間を密閉させるために、例えば、透明ウインドウで充填される。下部電極５１は、帯電可能粒子５４が開口５５上に載置されやすいように、凹型の半球面または放物面を有してもよい。上部電極５２は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＡＺＯ（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）または酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）のように透明な導電体からなってもよい。チャンバ５３の内壁は、光を反射する材料でコーティングされている。または、チャンバ５３自体が光を反射する材料からなっている。
【００８０】
このような構造で、下部電極５１及び上部電極５２に電圧が印加されれば、帯電可能粒子５４は、下部電極５１と上部電極５２との間を往復する。このとき、図１４Ｂに図示されているように、帯電可能粒子５４が、下部電極５１の開口５５を塞げば、光は、光シャッタ５０を通過できない。光は、半波長より小さい間隙からは、ほとんど通過できないため、帯電可能粒子５４が開口５５と完壁に合わせる必要はない。また、図１４Ａに図示されているように、帯電可能粒子５４が、下部電極５１から離れていれば、光は、光シャッタ５０を通過する。帯電可能粒子５４が、上部電極５２に近づくほど通過する光の量は増加しうる。帯電可能粒子５４が光路上に位置しても、光は、回折を介してチャンバ５３の内壁と帯電可能粒子５４との間を通過しうる。前述のように、帯電可能粒子５４は、下部電極５１と上部電極５２との間を非常に早く往復でき、その往復速度は、下部電極５１及び上部電極５２に印加される電圧で制御することができる。従って、帯電可能粒子５４の移動速度を調節し、光シャッタ５０を所望の周波数で、高速開閉することが可能である。このような光シャッタ５０は、例えば、高速駆動が要求される三次元（３Ｄ）映像装置の高速光変調器として利用されもする。
【００８１】
本実施例で、帯電可能粒子５４の往復速度を調節し、光シャッタ５０を透過する光の強度を調節することもできる。人間の視角体系（ｈｕｍａｎ ｖｉｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）は、制限された時間解像度（ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を有しているために、帯電可能粒子５４の往復速度によって、肉眼が知覚する光の強度が変わる。例えば、０．１秒間の間、帯電可能粒子５４が開口５５を１回塞いだときと、１００回塞いだときとを比較すれば、０．１秒に１回塞いだとき、肉眼が知覚する光の強度がさらに強い。このような原理により、カラーディスプレイを具現することができる。例えば、赤色、緑色、青色の光を、それぞれ順次に光シャッタ５０を通過させつつ、それぞれの光に対して、帯電可能粒子５４の往復速度を調節すれば、所望の色が現れる。ここで、順次ということは、時間Δｔの間、赤色光が光シャッタ５０を通過し、次に、時間Δｔの間、緑色光が光シャッタ５０を透過し、次に、Δｔの間、青色光が光シャッタ５０を透過するようにした後、再び反復して赤色、緑色、青色の光をして光シャッタ５０をそれぞれ透過させることを意味する。赤色、緑色、青色の光は、例えば、各色に対応するそれぞれのバックライト・ユニット（図示せず）を、時間Δｔの間、順にＯＮ／ＯＦＦさせることによって提供される。特定の色の光が、Δｔの間、光シャッタ５０を通過するとき、開口５５が塞がれる回数によって、特定の色の強度が制御される。例えば、バックライト・ユニットが、緑色光をΔｔの間、提供するとき、開口５５が１回だけ塞がったとするならば、緑色光の強度は、相対的に大きく、開口５５が１００回塞がったならば、緑色光の強度は、相対的に小さいのである。
【００８２】
このような光シャッタ５０を複数配列し、光シャッタ・アレイを構成することもできる。図１５Ａ及び図１５Ｂは、複数の光シャッタ５０を有する光シャッタ・アレイ２００の構造を概略的に図示する平面図及び断面図である。図１５Ａに図示されているように、光シャッタ・アレイ２００は、行と列とをなし、マトリックス・アレイ状に配列された複数の光シャッタ５０を含む。１つの光シャッタ５０は、１つの画素に対応する光を開閉または変調することができる。
【００８３】
図１５Ａの光シャッタ・アレイ２００を、ラインＡ−Ａ’に沿って切開した図１５Ｂの断面図を参照すれば、上部電極５２は、あらゆる光シャッタ５０に対する共通電極であってもよい。一方、下部電極５１は、それぞれの光シャッタ５０ごとに独立して配されてもよい。そして、隣接した２つの下部電極５１間には、不透明な絶縁体５６がさらに配されてもよい。この場合、光シャッタ・アレイ２００のそれぞれの光シャッタ５０は、独立して開閉されてもよい。しかし、下部電極５１も、１つの共通電極であってもよい。または、図１５Ｂに図示された複数の下部電極５１が、１つの共通電源に連結されてもよい。その場合、光シャッタ・アレイ２００のあらゆる光シャッタ５０が同時に開閉されもする。
【００８４】
前述の電磁波発生器と同様に、光シャッタも、複数の帯電可能粒子を含む。図１６は、複数の帯電可能粒子を含む他の実施例による光シャッタ６０の構造を概略的に図示している。図１６を参照すれば、光シャッタ６０は、互いに離隔されて対面するように配された下部電極６２及び上部電極６４、下部電極６２と上部電極６４との間に配された複数の帯電可能粒子６７、及び下部電極６２と上部電極６４との間で、複数の帯電可能粒子６７を取り囲むように配されたチャンバ６５を含む。ここで、下部電極６２と上部電極６４は、例えば、ＩＴＯ、ＡＺＯまたはＩＺＯのような透明な導電性材料からなる透明電極であってもよい。また、下部電極６２は、透明な下部基板６１上に、平板状に形成され、上部電極６４は、透明な上部基板６３の底面に、平板状に形成されてもよい。しかし、下部基板６１と上部基板６３は、省略されもする。
【００８５】
チャンバ６５は、反射性を有する材料からなってもよい。例えば、チャンバ６５は、反射性金属からなる。その場合、下部電極６２と上部電極６４との間を電気的に絶縁させるために、チャンバ６５と下部電極６２との間に、絶縁体６６ａが配され、チャンバ６５と上部電極６４との間にも、絶縁体６６ｂが配されてもよい。しかし、チャンバ６５が反射性誘電体からなる場合には、絶縁体６６ａ，６６ｂが省略されもする。または、絶縁性材料からなるチャンバ６５の内壁に、反射性コーティング膜を形成することもできる。
【００８６】
帯電可能粒子６７も、反射性を有してもよい。例えば、帯電可能粒子６７は、反射性を有する金属粒子であってもよい。または、帯電可能粒子６７は、伝導体コアと絶縁性シェルとを有するコア−シェル構造の粒子であってもよい。その場合、絶縁性シェルが反射性材料からなったり、絶縁性シェルの表面に反射性コーティング膜が形成されてもよい。帯電可能粒子６７は、光を吸収する性質を有しても差し支えない。
【００８７】
図１６に図示された光シャッタ６０で、下部電極６２及び上部電極６４に電圧が印加されれば、図１７に図示されているように、帯電可能粒子６７は、下部電極６２と上部電極６４との間を往復しつつ振動する。このとき、チャンバ６５を透過する光の強度は、帯電可能粒子６７の振動周期によって変化し、帯電可能粒子６７の振動周期は、下部電極６２及び上部電極６４の電圧差によって制御される。例えば、バックライト・ユニットから提供された光は、透明な下部基板６１と下部電極６２とを介してチャンバ６５内に入射した後、反射性を有するチャンバ６５の内壁と、複数の帯電可能粒子６７の表面とで反射されつつ、透明な上部電極６４と上部基板６３とを介して、チャンバ６５の上部に放出される。ここで、帯電可能粒子６７の振動周波数、すなわち、下部電極６２と上部電極６４との電位差が大きくなるほど、チャンバ６５を通過する光の強度が増加しうる。
【００８８】
また、図１６に図示された光シャッタ６０は、バックライト・ユニットの光を透過／遮断する透過型として動作することも可能であるが、他の外部光（例えば、太陽光または室内電灯の光）を反射／遮断する反射型としても動作しうる。例えば、帯電可能粒子６７の振動周波数が大きくなるほど、チャンバ６５の上部から入射した後、帯電可能粒子６７とチャンバ６５の内壁とで反射され、再びチャンバ６５の上部に反射される光が増加しうる。この場合、下部基板６１または下部電極６２は、反射性材料からなりもする。
【００８９】
図１６に図示された光シャッタ６０は、バックライト・ユニットが特定の色を有する光を放出することによってカラーを具現することができる。白色光を放出する一般的なバックライト・ユニットを使用する場合、カラーフィルタを有する図１８に図示された光シャッタ６０’を利用して、カラーを具現することができる。図１８を参照すれば、光シャッタ６０’は、上部基板６３上に配されたカラーフィルタ６８を含む。カラーフィルタ６８以外の光シャッタ６０’の構成と動作は、図１６に図示された光シャッタ６０と同一である。図１８には、カラーフィルタ６８が上部基板６３上に配されると図示されているが、上部基板６３が省略され、上部電極６３上にカラーフィルタ６８が配されもする。
【００９０】
図１９は、さらに他の実施例による光シャッタ７０の構造を概略的に図示している。図１９に図示された光シャッタ７０は、図１６に図示された光シャッタ６０と全体的に類似した構造を有するが、単に１つの帯電可能粒子７７を有するという点で違いがある。また、帯電可能粒子７７の位置によって、光を透過／遮断させることができるように、中心部に開口７２ａを有する不透明な導電性材料で、下部電極７２がなるという点でも、図１９に図示された光シャッタ７０は、図１６に図示された光シャッタ６０と違いがある。それ以外に、下部基板７１、上部基板７３、上部電極７４、チャンバ７５、絶縁体７６ａ，７６ｂ及びカラーフィルタ７８の構成及び動作は、図１６及び図１７で説明した下部基板６１、上部基板６３、上部電極６４、チャンバ６５、絶縁体６６ａ，６６ｂ及びカラーフィルタ６８の構成及び動作とそれぞれ同一である。図２２に図示された光シャッタ７０の場合にも、帯電可能粒子７７の振動周波数が大きくなるほど、チャンバ７５を通過する光の強度が増加しうる。
【００９１】
図２０は、さらに他の実施例による光シャッタ８０の構造を概略的に図示している。以上で説明した光シャッタでは、反射性を有するチャンバの内壁が直交して形成されたが、図２０に図示された光シャッタ８０の場合、チャンバ８５の内壁が、放物面の形態に形成されている。従って、チャンバ８５の厚みは、下部側がさらに厚くなり、チャンバ８５の内部空間は、下部が狭くて上部が広く形成されている。それ以外、光シャッタ８０の下部基板８１、下部電極８２、上部基板８３、上部電極８４、絶縁体８６ａ，８６ｂ、帯電可能粒子８７及びカラーフィルタ８８の構成及び動作は、図１９に図示された光シャッタ７０の下部基板７１、下部電極７２、上部基板７３、上部電極７４、絶縁体７６ａ，７６ｂ、帯電可能粒子７７及びカラーフィルタ７８の構成及び動作と、それぞれ同一である。
【００９２】
図２０に図示された実施例の場合、下部のバックライト・ユニット（図示せず）から、帯電可能粒子７７に入射した光は、帯電可能粒子８７の表面で反射されてチャンバ８５の内壁に入射する。その後、光は、放物面状を有するチャンバ８５の内壁で反射された後、チャンバ８５の上部に直交して放出される。従って、ほとんどの光が無秩序な方向に放出される実施例に比べ、図２０に図示された光シャッタ８０は、透過光のほとんどが前方に向かって進む。このような放物面状の内壁は、図１６及び図１８に図示されたチャンバ６５にも適用される。
【００９３】
以上、本発明の理解を助けるために、電磁波発生器及びそれを利用した光シャッタに係わる例示的な実施例について説明し、添付された図面に図示した。しかし、このような実施例は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点を理解せねばならない。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限定されるものではないという点を知らなければならない。これは、多様な他の変形が本技術分野で当業者に可能であるためである。
【符号の説明】
【００９４】
１０ 電磁波発生器
１１，５１，６２，７２，８２ 下部電極
１２，５２，６４，７４，８４ 上部電極
１３，５３，６５，７５，８５ チャンバ
１４，５４，６７，７７，８７ 帯電可能粒子
１４ａ コア
１４ｂ シェア
１５ ハウジング
２０ 内部空間
３０ ハウジングとチャンバとの間の空間
５０，６０，６０’，７０，８０ 光シャッタ
５５，７２ａ 開口
５６ 不透明絶縁層
６１、７１，８１ 下部基板
６３，７３，８３ 上部基板
６６ａ，６６ｂ，７６ａ，７６ｂ，８６ａ，８６ｂ 絶縁体
６８，７８ カラーフィルタ
１００ 電磁波発生器アレイ
１１０ 電磁波遮蔽膜
２００ 光シャッタ・アレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波発生器及び光シャッタに係り、さらに詳細には、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯域を含む広域の電磁波を発生させ、出力電磁波の波長制御が可能な電磁波発生器、及び前記電磁波発生器と同じ原理で動作する光シャッタ（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｈｕｔｔｅｒ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波（以下、テラヘルツ波）は、一般的に約０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯域を有する電磁波を示す。テラヘルツ波は、マイクロ波や光波が透過することができない物質を容易に透過し、水分に良好に吸収される特性を有している。そのため、テラヘルツ波は、医学、化学、軍事、保安、生命、環境、情報通信などの多様な技術分野で重要性が認識されている。しかし、今のところは、テラヘルツ帯域の電磁波を信頼性あるように発生させることができる装置が十分に開発されておらず、新たなテラヘルツ発生器を開発するための多くの研究が進行中である。
【０００３】
例えば、非線形結晶を有する固体レーザ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ）を利用するテラヘルツ発生器、コイルまたは磁石を利用した電磁気誘導方式のテラヘルツ発生器などが現在開発されている。しかし、現在までに開発されたテラヘルツ発生器は、特定波長のテラヘルツ波しか出力できなかったり、または出力テラヘルツ波の可用帯域が狭くて応用分野が限定されている。例えば、身体内の互いに異なる臓器（心臓、血管、胃腸など）を断層撮影するためには、互いに異なる波長のテラヘルツ波が要求されるが、帯域幅が狭い既存のテラヘルツ発生器では、かような要求を充足させられない。また、テラヘルツ発生器は、その動作原理上、消費電力が非常に大きくなってしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、出力電磁波の波長制御が可能な広域電磁波発生器を提供するものである。
【０００５】
本発明はまた、高速開閉が可能な光シャッタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一類型によれば、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含む電磁波発生器が提供される。このような電磁波発生器の構造で、第１電極及び第２電極に電圧を印加するとき、帯電可能粒子が第１電極と第２電極との間を往復しつつ電磁波が発生しうる。
【０００７】
一実施例によれば、チャンバ内部の空間に、帯電可能粒子が配され、チャンバの両端で、第１電極及び第２電極は、チャンバ内部の空間を密閉させ、チャンバの内部空間は、真空状態であるか、または不活性ガスで充填されてもよい。
【０００８】
電磁波発生器は、チャンバの外部を取り囲むハウジングをさらに含んでもよい。
【０００９】
一実施例によれば、チャンバとハウジングとの間の空間は、真空状態になっていてもよい。
【００１０】
また、チャンバは、第１電極及び第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなり、帯電可能粒子の運動によって発生する電磁波に対して、透過性を有してもよい。
【００１１】
例えば、第１電極に第１直流（ＤＣ）電圧が印加され、第２電極に第１直流電圧と異なる第２直流電圧が印加されてもよい。
【００１２】
一実施例で、第１電極及び第２電極は、平板型であり、第１電極及び第２電極の直径が、チャンバの直径より大きくてもよい。
【００１３】
他の実施例で、第１電極及び第２電極は、凹型の放物面を有し、第１電極及び第２電極の放物面は、互いに対向するように配されてもよい。
【００１４】
さらに他の実施例で、第１電極及び第２電極のうちいずれか一つは、平板型であり、他の一つは、帯電可能粒子に向かって配された凹型の放物面を有してもよい。
【００１５】
例えば、帯電可能粒子は、電気的に帯電される伝導体材料からなってもよい。
【００１６】
一実施例で、帯電可能粒子は、電気的に帯電される伝導体コアと、伝導体コアを取り囲む絶縁性シェルと、を含んでもよい。
【００１７】
一実施例で、帯電可能粒子は、第１電極及び第２電極に対する電圧の印加と係わりなく、すでに帯電されており、帯電された状態を維持する粒子、または第１電極及び第２電極に電圧が印加されるときにのみ帯電され、電圧印加の中断時に放電される粒子のうち一つであってもよい。
【００１８】
一実施例によれば、第１電極及び第２電極に電圧が印加されるとき、第１電極及び第２電極と帯電可能粒子との間に引力が発生しうる。
【００１９】
例えば、第１電極及び第２電極と帯電可能粒子との間に作用する全体力の電気的強度Ｆは、
【数１】
であり、ここで、
【数２】
であり、ＱＴは、帯電可能粒子の有効電荷であり、ｓは、第１電極と帯電可能粒子との間の距離であり、ｈは、第１電極と第２電極との間の間隔であり、ａは、伝導体コアの半径であり、ｂは、絶縁性シェルの半径であり、ＥＰは、第１電極と第２電極との間に発生した電場の強度であり、σ１は、伝導体コアの電荷密度であり、σ２は、絶縁性シェルの電荷密度であり、ε０は、自由空間での誘電率であり、κ２は、絶縁性シェルの誘電定数であり、κ３は、チャンバ内での帯電可能粒子の外側領域の誘電定数である。
【００２０】
一実施例で、チャンバは、円筒形または多角筒形であってもよい。
【００２１】
他の類型によれば、前述の電磁波発生器を複数含む電磁波発生器アレイが提供される。
【００２２】
例えば、複数の電磁波発生器は、同一半径に沿ってリング形に配列されてもよい。
【００２３】
ここで、電磁波発生器アレイは、リング形アレイの内部に配された電磁波遮蔽膜をさらに含んでもよい。
【００２４】
一実施例で、複数の電磁波発生器が同期して動作しうる。
【００２５】
他の類型によれば、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、第１電極の中心部に光が通過するように形成された開口と、を含む光シャッタが提供される。ここで、光シャッタは、第１電極及び第２電極に電圧を印加するとき、帯電可能粒子が、第１電極と第２電極との間を往復しつつ、反復的に入射光を断続させるように動作しうる。
【００２６】
一実施例で、第１電極は、不透明な導電体からなり、第２電極は、透明な導電体からなってもよい。
【００２７】
例えば、開口の半径は、帯電可能粒子の半径より小さくてもよい。
【００２８】
光シャッタは、開口に充填された透明ウインドウをさらに含んでもよい。
【００２９】
一実施例で、第１電極は、帯電可能粒子が、開口上に載置されるように、凹型の表面を有してもよい。
【００３０】
例えば、チャンバの内壁は、反射性材料でコーティングされたり、チャンバ自体が反射性材料からなってもよい。
【００３１】
また、チャンバは、第１電極及び第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなってもよい。
【００３２】
一実施例で、開口は、円形または多角形であってもよい。
【００３３】
さらに他の類型によれば、前述の光シャッタを複数含む光シャッタ・アレイが提供される。
【００３４】
例えば、複数の光シャッタは、行と列とをなしてマトリックス・アレイ状に配列されてもよい。
【００３５】
一実施例で、第２電極は、あらゆる光シャッタに対する共通電極であり、第１電極は、それぞれの光シャッタごとに独立して配されてもよい。
【００３６】
光シャッタ・アレイは、それぞれの光シャッタの第１電極間に配された不透明絶縁体をさらに含んでもよい。
【００３７】
さらに他の類型による光シャッタは、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、ここで、第１電極及び第２電極は、平板状の透明な導電性材料からなり、チャンバの内壁は、反射性を有し、第１電極及び第２電極に印加される電圧を調節し、帯電可能粒子が、第１電極と第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御できる。ここで、透過する光の強度は、帯電可能粒子の往復周期によって変化しうる。
【００３８】
一実施例で、チャンバは、反射性金属からなり、光シャッタは、チャンバと第１電極との間に配された第１絶縁体と、チャンバと第２電極との間に配された第２絶縁体と、をさらに含んでもよい。
【００３９】
他の実施例で、チャンバは、反射性誘電体からなるか、あるいはチャンバの内壁に反射性コーティング膜が形成されてもよい。
【００４０】
また、帯電可能粒子の表面が反射性を有してもよい。
【００４１】
また、光シャッタは、第１電極が配される透明な第１基板と、第２電極が配される透明な第２基板と、をさらに含んでもよい。
【００４２】
一実施例で、光シャッタは、第２基板上に配されるカラーフィルタをさらに含んでもよい。
【００４３】
他の実施例で、光シャッタは、第２電極上に配されるカラーフィルタをさらに含んでもよい。
【００４４】
例えば、反射性を有するチャンバの内壁が、放物面の形状を有してもよい。
【００４５】
一方、他の類型による光シャッタは、互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、第１電極と第２電極との間で、帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、ここで、第１電極は、中心部に光が通過するように形成された開口を有する平板状の不透明な導電性材料からなり、第２電極は、平板状の透明な導電性材料からなり、チャンバの内壁は、反射性を有し、第１電極及び第２電極に印加される電圧を調節し、帯電可能粒子が、第１電極と第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御することができる。ここで、透過する光の強度は、帯電可能粒子の往復周期によって変化しうる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一実施例による電磁波発生器の構造を概略的に図示する図面である。
【図２】図１に図示された電磁波発生器の断面構造を概略的に図示する図面である。
【図３】図１に図示された電磁波発生器の２つの電極間に発生する電場を例示的に示す図面である。
【図４】他の実施例による電磁波発生器の構造を概略的に図示する図面である。
【図５】図４に図示された電磁波発生器の２つの電極間に発生する電場を例示的に示す図面である。
【図６】さらに他の実施例による電磁波発生器の構造を概略的に図示する図面である。
【図７】実施例による電磁波発生器の２つの電極間に配された帯電可能粒子の構造を例示的に図示する図面である。
【図８Ａ】実施例による電磁波発生器で、帯電可能粒子が２つの電極間で振動する原理について概略的に説明する図面である。
【図８Ｂ】実施例による電磁波発生器で、帯電可能粒子が２つの電極間で振動する原理について概略的に説明する図面である。
【図９】実施例による電磁波発生器の例示的な動作を図示する図面である。
【図１０】帯電可能粒子の経時的な位置変化を示すグラフである。
【図１１】帯電可能粒子の経時的な速度変化を示すグラフである。
【図１２】帯電可能粒子から発生する電磁波の強度プロファイルを図示するグラフである。
【図１３】複数の電磁波発生器のアレイを例示的に図示する図面である。
【図１４Ａ】一実施例による光シャッタの構造及び動作を概略的に図示する図面である。
【図１４Ｂ】一実施例による光シャッタの構造及び動作を概略的に図示する図面である。
【図１５Ａ】複数の光シャッタを有する光シャッタ・アレイの構造を概略的に図示する平面図である。
【図１５Ｂ】複数の光シャッタを有する光シャッタ・アレイの構造を概略的に図示する断面図である。
【図１６】他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【図１７】図１９に図示された光シャッタの動作を概略的に図示する図面である。
【図１８】さらに他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【図１９】さらに他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【図２０】さらに他の実施例による光シャッタの構造を概略的に図示する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、添付された図面を参照しつつ、電磁波発生器及びそれを利用した光シャッタについて詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜性のために、誇張されていることがある。
【００４８】
図１及び図２は、一実施例による電磁波発生器１０の構造をそれぞれ概略的に図示する斜視図及び断面図である。図１及び図２を参照すれば、一実施例による電磁波発生器１０は、互いに離隔されて対面するように配された下部電極１１及び上部電極１２、下部電極１１と上部電極１２との間に配された帯電可能粒子（ｃｈａｒｇｅａｂｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ）１４、及び下部電極１１と上部電極１２との間で、帯電可能粒子１４を取り囲むように配されたチャンバ１３を含む。従って、チャンバ１３内部の空間２０に、帯電可能粒子１４が配され、チャンバ１３の下部及び上部に、それぞれ下部電極１１と上部電極１２とが配され、チャンバ１３の内部空間２０を密閉させることができる。
【００４９】
チャンバ１３の内部空間２０内で、帯電可能粒子１４以外には、電荷を有した粒子やガスが存在しないことが有利である。このために、内部空間２０を真空状態に維持する。その代わりに、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）のような希ガス（ｎｏｂｌｅ ｇａｓ）や、六フッ化硫黄（ＳＦ６）のように、帯電可能粒子１４の電気的放電を抑制するガスで内部空間２０を充填することも可能である。チャンバ１３内部の空間２０を、真空や不活性ガスで確実に維持するために、電磁波発生器１０は、チャンバ１３の外部を取り囲むハウジング１５をさらに含む。ハウジング１５とチャンバ１３との間の空間３０は、真空に維持されてもよい。
【００５０】
チャンバ１３は、下部電極１１及び上部電極１２が電気的に分離されるように、絶縁性材料からなってもよい。また、チャンバ１３は、帯電可能粒子１４の運動によって発生する電磁波が透過できる材料からなってもよい。該２つの条件を満たすいかなる材料も、チャンバ１３として使われる。図１には、チャンバ１３が円筒形であると例示されているが、これに限定されるものではない。例えば、チャンバ１３は、三角筒、四角筒のような多角筒形の形状を有することもできる。また、図１には、チャンバ１３内に、１つの帯電可能粒子１４があると例示されているが、これに限定されるものではなく、複数の帯電可能粒子１４がチャンバ１３内に配されもする。
【００５１】
下部電極１１及び上部電極１２は、チャンバ１３内部の空間２０に電場を提供する役割を行うように配される。例えば、上部電極１２にＶＴの電圧を印加し、下部電極１１にＶＬの電圧を印加するとき、ＶＴ＞ＶＬであるならば、上部電極１２から下部電極１１の方向に電場が発生する。帯電可能粒子１４が帯電されれば、電場に沿って動くが、このとき、帯電可能粒子１４が、チャンバ１３の内壁にぶつからずに、安定して上下動するためには、チャンバ１３内部の空間２０に、チャンバ１３の壁に対して平行な電場（すなわち、図面では、垂直方向に平行な電場）が形成されることが有利である。このために、下部電極１１及び上部電極１２の直径は、チャンバ１３の直径よりより大きいことが望ましい。図３に図示されているように、平行な２枚の平板の下部電極１１及び上部電極１２間に形成される電場は、下部電極１１及び上部電極１２のエッジへ行くほど平行ではなくなり、下部電極１１及び上部電極１２の中心部へ行くほど平行になる。従って、チャンバ１３の直径は、電場が平行である領域の直径Ｄと一致するように選択されてもよい。それにより、帯電可能粒子１４をチャンバ１３の中心領域に閉じ込めることができる。しかし、帯電可能粒子１４を、チャンバ１３の中心領域に閉じることができる他の手段が存在する場合には、下部電極１１及び上部電極１２の直径が、チャンバ１３の直径と同じであってもよい。
【００５２】
図１ないし図３には、下部電極１１及び上部電極１２が平行な平板の形態であると図示されているが、帯電可能粒子１４が、チャンバ１３の内壁に衝突することを防止するために、下部電極１１及び上部電極１２は、他の形態を有することもできる。例えば、図４に図示されているように、他の実施例による電磁波発生器１０は、放物面の形態を有する下部電極１１及び上部電極１２を含む。下部電極１１及び上部電極１２は、凹型の放物面が互いに対向するように配される。この場合、チャンバ１３の内部には、図５に図示されているように、中心に向かって曲がった形態の電場が形成される。このように、内側に曲がった電場によって、チャンバ１３の中心領域に配された帯電可能粒子１４は、外側にほぼ移動しなくなる。従って、帯電可能粒子１４が、チャンバ１３の壁に移動して衝突することは、ほぼ発生しない。
【００５３】
また、図６に図示されているように、下部電極１１及び上部電極１２のうち一つは、平板状を有し、他の一つは、放物面形態を有することもできる。図６には、下部電極１１が放物面形態を有し、上部電極１２が平板状を有すると図示されているが、それと反対に配されることも可能である。すなわち、下部電極１１が平板状を有し、上部電極１２が放物面形態を有することもできる。下部電極１１及び上部電極１２のうち放物面形態を有する電極は、放物面が帯電可能粒子１４に向かうように配される。
【００５４】
一方、帯電可能粒子１４は、正（＋）または負（−）の電荷によって、容易に電気的に帯電される伝導体材料からなってもよい。例えば、帯電可能粒子１４は、アルミニウム（Ａｌ）のような金属材料からなってもよい。帯電可能粒子１４は、帯電された状態を常に維持することができるが、下部電極１１及び上部電極１２に、電圧が印加された間にのみ帯電された状態を維持しても差し支えない。このような帯電可能粒子１４は、球状を有する１つの単一材料から形成されてもよい。例えば、帯電可能粒子１４として、帯電可能金属球を使用することができ、さらにまた、イオン化された原子（ｉｏｎｉｚｅｄ ａｔｏｍ）も使用可能である。また、帯電可能粒子１４は、図７に図示されているように、伝導体コア１４ａと絶縁性シェル１４ｂとを有するコア−シェル（ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ）構造を有することもできる。例えば、コア１４ａは、アルミニウムのように容易に帯電される伝導性金属からなり、コア１４ａを取り囲むシェル１４ｂは、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２のような絶縁性材料からなってもよい。帯電可能粒子１４が、このようなコア−シェル構造からなる場合、運動する帯電可能粒子１４が、下部電極１１及び上部電極１２に近接するとき、導電性を有するコア１４ａの代わりに、絶縁性を有するシェル１４ｂが、下部電極１１及び上部電極１２に直接接触するので、電気的漏れを防止することができる。従って、電磁波発生器１０の電力を低減させることができる。
【００５５】
以下、前述の電磁波発生器１０の動作について詳細に説明する。
【００５６】
電磁波発生器１０の下部電極１１及び上部電極１２に電圧を印加する前には、帯電可能粒子１４が、重力によって下部電極１１の表面上に置かれている。このとき、帯電可能粒子１４は、電気的に帯電していない状態でもある。従って、電磁波発生器１０の動作初期に、帯電可能粒子１４を帯電させるために、下部電極１１及び上部電極１２に初期電圧を印加する。例えば、帯電可能粒子１４のコア１４ａがアルミニウムであるならば、下部電極１１と上部電極１２との電位差が約７００Ｖ以上になるように、下部電極１１及び上部電極１２に電圧を印加する。例えば、下部電極１１に印加される電圧ＶＬが０Ｖであるならば、上部電極１２に印加される電圧ＶＴは、約７００Ｖ以上である。それにより、アルミニウムコア１４ａ内のそれぞれのアルミニウム原子から、電子が一つずつ飛び出してきて、上部電極１２を介して流れ出る。従って、帯電可能粒子１４は、正（＋）に帯電される。もし帯電可能粒子１４が、下部電極１１及び上部電極１２に対する電圧の印加と係わりなく、すでに帯電されており、帯電された状態を維持できるならば、このような初期化過程は、要求されるものではない。しかし、下部電極１１及び上部電極１２に電圧が印加されるときにのみ帯電可能粒子１４が帯電され、電圧印加の中断時に放電されるならば、前述の初期化過程が要求される。
【００５７】
その後、下部電極１１及び上部電極１２には、出力電磁波の所望する波長によって、それぞれ適切なＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）電圧を印加する。例えば、下部電極１１及び上部電極１２に印加される電圧の関係は、ＶＴ＞ＶＬであってもよい。それにより、上部電極１２から下部電極１１の方向に電場が発生しつつ、帯電された帯電可能粒子１４は、下部電極１１と上部電極１２との間を往復しつつ振動することができる。このように、帯電可能粒子１４が下部電極１１と上部電極１２との間で振動する原理は、以下のように数学的に説明することができる。
【００５８】
まず、下部電極１１及び上部電極１２は、互いに平行するように配された平板型電極であり、下部電極１１と上部電極１２との間には、コア−シェル構造の帯電可能粒子１４が配されていると仮定する。帯電可能粒子１４のコア１４ａは、半径がａであり、σ１の電荷密度を有し、シェル１４ｂは、半径がｂであり、σ２の電荷密度を有すると仮定する。また、下部電極１１と上部電極１２との間隔はｈであり、帯電可能粒子１４は、上部電極１２からｓほどの高さに位置すると仮定する。そして、上部電極１２には、ＶＴの電圧が印加され、下部電極１１には、ＶＬの電圧が印加され、ここで、便宜上ＶＴ＞ＶＬ、ＶＬ＞０であると仮定する（しかし、実際には、ＶＬ≦０でもよい）。このとき、上部電極１２と下部電極１１との間には、Ｅｐの電場が発生すると仮定する。
【００５９】
では、ラプラス方程式∇２Ｖ＝０と境界条件とを利用し、コア１４ａ内部の領域（ｒ≦ａ）での正電位Ｖ１、シェル１４ｂ内部の領域（ａ＜ｒ≦ｂ）での正電位Ｖ２、帯電可能粒子１４の外側領域（ｒ＞ｂ）での正電位Ｖ３を、次の通り求めることができる。
【数３】
【数４】
【数５】
【００６０】
数式１ないし３で、α、β、γ、λ及びνは、次の通りである。
【数６】
【００６１】
上記数式１ないし４は、帯電可能粒子１４の中心を原点とする球面座標系として表現されている。従って、数式１ないし４でｒは、帯電可能粒子１４の中心から半径方向の距離であり、θは、垂直軸（ｚ軸）からの高度角である。数式３でＣは、境界条件を満足するための任意の定数である。数式４でε０は、自由空間（ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ）での誘電率であり、κ２は、シェル１４ｂの誘電定数であり、κ３は、チャンバ１３の内部空間２０、すなわち、帯電可能粒子１４の外側領域の誘電定数である。
【００６２】
また、帯電可能粒子１４の外側領域での正電位Ｖ３を利用すれば、帯電可能粒子１４の外側領域での電気変位（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）Ｄ３を、次の通り得ることができる。
【数７】
【００６３】
さて、電気変位Ｄ３によって誘発される上部電極１２の表面での電荷密度σｉｕｐと、下部電極１１の表面での電荷密度σｉｌｐとを、次の数式６及び数式７のように得ることができる。数式６及び数式７は、極座標系で表現され、
【数８】
である。
【数９】
【数１０】
【００６４】
下部電極１１の表面と、上部電極１２の表面とにそれぞれ誘発された総電荷ＱｉＴは、ＱｉＴ＝Ｑｉｕｐ＋Ｑｉｌｐで表現され、ここでＱｉｕｐは、上部電極１２に誘発された総電荷であり、Ｑｉｌｐは、下部電極１１に誘発された総電荷である。ＱｉＴを解釈すれば、次の通り誘導される。
【数１１】
【００６５】
上部電極１２の表面と、下部電極１１の表面とに誘発された電荷は、帯電されている帯電可能粒子１４と相互作用し、帯電可能粒子１４に力を加えることができる。上部電極１２の表面Ｓ１に誘発された電荷によって、帯電可能粒子１４に作用する力をＦ１、下部電極１１の表面Ｓ２に誘発された電荷によって、帯電可能粒子１４に作用する力をＦ２とするとき、帯電可能粒子１４に作用する全体力Ｆは、次の通り表現される。
【数１２】
【００６６】
ここで、Ｅ１は、上部電極１２での電場であり、Ｅ２は、下部電極１１での電場であり、ＱＴは、帯電可能粒子１４の有効電荷であって、ＱＴ＝−ＱｉＴの関係を有する。数式９を解釈すれば、次の数式１０ないし１２のような結果を得ることができる。
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００６７】
数式１０ないし１２でｅｚは、ｚ方向の単位ベクトルである。数式１２の結果は、帯電可能粒子１４に作用する電磁力のみを考慮したものである。帯電可能粒子１４に作用する重力をさらに考慮すれば、帯電可能粒子１４に作用する全体力ＦＴを、次の通り得ることができる。
【数１６】
【００６８】
数式６，７及び１３を参照すれば、帯電可能粒子１４の位置によって、上部電極１２と下部電極１１との表面に誘導される電荷密度が変化しつつ、帯電可能粒子１４に対して引力が優勢に作用したり、あるいは斥力が優勢に作用するということが分かる。例えば、電場Ｅｐの方向が上部電極１２から下部電極１１に向かい、帯電可能粒子１４が（＋）に帯電していると仮定する。偏極消去場（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）により、帯電可能粒子１４の左側半球には、負電荷が分布し、下側半球には、正電荷が分布することになるが、両半球の電荷の総計は、（＋）になる。また、上部電極１２の表面にも、負電荷が分布するが、帯電可能粒子１４が上部電極１２から遠ざかれば、上部電極１２の表面に誘導される電荷密度が低くなり、帯電可能粒子１４が上部電極１２に近づけば、上部電極１２の表面に誘導される電荷密度が高くなる。
【００６９】
従って、帯電可能粒子１４が上部電極１２から一定距離以上遠ざかれば（領域Ａ）、図８Ａに図示されているように、帯電可能粒子１４の全体電荷（ｑ＞０）と上部電極１２との間に引力が優勢となる。その結果、帯電可能粒子１４は、上部電極１２に向かって移動する。しかし、帯電可能粒子１４が上部電極１２に一定距離以下に接近すれば（領域Ｂ）、上部電極１２の表面に誘導される負電荷の密度が上昇し、図８Ｂに図示されているように、上部電極１２の表面に誘導された負電荷と、帯電可能粒子１４の左側半球に分布する負電荷とによる反発力が優勢になる。その結果、帯電可能粒子１４は、上部電極１２から遠ざかる。かような原理により、帯電可能粒子１４は、領域Ａと領域Ｂとの間を往復しつつ振動する。このように、電荷を帯びる帯電可能粒子１４が振動すれば、、図９に図示されているように、電磁波が発生することになる。
【００７０】
前述の数学的結果を基に、コンピュータを利用して帯電可能粒子１４の運動についての模擬実験を行った。模擬実験で、コア１４ａは、アルミニウムであり、シェル１４ｂは、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）であると仮定した。また、上部電極１２と下部電極１１との間、すなわち、チャンバ１３の内部は、真空状態であると仮定した。それ以外にも、下記のような設計値を仮定した。
シェル１４ｂの誘電定数＝６
コア１４ａの半径ａ＝２５ｎｍ
シェル１４ｂの厚み（ｂ−ａ）＝２ｎｍ
上部電極１２と下部電極１１との間隔ｈ＝１０μｍ
下部電極１１に印加された電圧ＶＬ＝０Ｖ
上部電極１２に印加された電圧ＶＴ＝１６ｋＶ及び３２ｋＶ
コア１４ａの電荷密度σ１＝１００Ｃ／ｍ２（ここで、ＣはＣｏｕｌｏｍｂ）
シェル１４ｂの電荷密度σ２＝０ｎＣ／ｍ２
コア１４ａの質量密度＝２７００ｋｇ／ｍ２
シェル１４ｂの質量密度＝３８００ｋｇ／ｍ２
【００７１】
図１０ないし図１２は、模擬実験の結果を示すグラフである。まず、図１０は、帯電可能粒子１４の経時的な位置変化を示すグラフであり、図１１は、帯電可能粒子１４の経時的な速度変化を示すグラフである。図１０及び図１１のグラフを介して分かるように、帯電可能粒子１４は、下部電極１１と上部電極１２との間を往復する振動運動を行うことができる。図１０及び図１１で、Ｅｐ＝１．６ＧＶ／ｍは、ＶＴ＝１６ｋＶと対応し、Ｅｐ＝３．２ＧＶ／ｍは、ＶＴ＝３２ｋＶと対応する。図１０及び図１１から分かるように、上部電極１２に印加される電圧が増加すれば、帯電可能粒子１４の振動周波数が増加し、移動速度が速まる。
【００７２】
前述のように、帯電された帯電可能粒子１４が、下部電極１１と上部電極１２との間を往復しつつ振動すれば、帯電可能粒子１４から電磁波が発生しうる。このように発生した電磁波は、帯電可能粒子１４の運動方向に垂直な方向に進みうる。帯電可能粒子１４が、下部電極１１と上部電極１２との間を一回往復する間、電磁波が２回発生するので、発生する電磁波の周波数は、帯電可能粒子１４の振動周波数の２倍になる。図１２は、 ＶＴ＝３２ｋＶであるとき、帯電可能粒子１４から発生する電磁波の強度プロファイルを例示的に図示している。
【００７３】
帯電可能粒子１４の振動周波数は、下部電極１１及び上部電極１２に印加される電圧で調節自在であるので、本実施例による電磁波発生器１０は、テラヘルツの帯域を含む非常に広い帯域にわたって、出力電磁波の波長を容易に制御することができる。もし帯電可能粒子１４が、原子や電子のように非常に小さくて軽い粒子である場合、帯電可能粒子１４は、非常に早く振動することができるので、電磁波発生器１０は、電磁波だけではなく、光を放出することも可能である。この場合、電磁波発生器１０は、レーザ装置の役割も行うことができる。例えば、チャンバ１３内に、複数の帯電可能であり、かつ／または帯電された気体原子を充填してレーザ装置を製作することができる。チャンバ１３内には、必ずしも１つの帯電可能粒子１４が存在する必要はなく、複数の帯電可能な粒子１４が存在することも可能である。チャンバ１３内に、帯電可能な粒子１４が過度に多くないならば、それぞれの帯電可能粒子１４から発生する電磁波または光の位相を、所定の誤差範囲内で一致させ、可干渉性を有する（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）電磁波または光を提供することが可能である。
【００７４】
また、下部電極１１と上部電極１２との間に高電圧が印加されたとしても、下部電極１１及び上部電極１２を介して流れる電流は、非常に微弱であるために、本実施例による電磁波発生器１０は、消費電力が小さい。特に、帯電可能粒子１４が、コア−シェル構造からなる場合、電流の漏れをさらに減らすことができ、電磁波発生器１０の消費電力がさらに低減する。
【００７５】
このような電磁波発生器１０は、単独で使われもするが、複数の電磁波発生器１０を共に配列して使用することもできる。図１３は、複数の電磁波発生器１０からなる電磁波発生器アレイ１００を例示的に示している。図１３で電磁波発生器アレイ１００は、同一半径に沿ってリング形に配列された複数の電磁波発生器１０を有してもよい。しかし、図１３に図示された配列形態は、単に例示的なものであり、目的によって、複数の電磁波発生器１０を他の多様な形態に配列させることもできる。電磁波発生器アレイ１００の複数の電磁波発生器１０を、同期（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）して動作させれば、大きい出力を有する電磁波を提供することができる。または、複数の電磁波発生器１０を同期させずに、独立して動作させることによって、位相と周波数とがそれぞれ異なる多様な電磁波を同時に発生させることもできる。
【００７６】
図１３に図示された電磁波発生器アレイ１００で、電磁波発生器１０のリング形アレイ内部に進む電磁波は、他の電磁波発生器１０で発生した電磁波と干渉を起こすこともある。従って、リング形アレイの内部には、図１３に図示されているように、円筒形の電磁波遮蔽膜１１０を配することもある。その場合、電磁波発生器アレイ１００のリング形アレイの内部に進む電磁波は、遮蔽膜１１０によって遮断される。それにより、リング形アレイの外側の方向に進む電磁波のみ残り、複数の電磁波発生器１０で発生した電磁波間に干渉が起こることを防止することができる。
【００７７】
以上、電磁波発生器１０の上部電極１２と下部電極１１とに直流電圧を印加する場合について説明した。しかし、上部電極１２と下部電極１１とに交流電流を印加し、帯電可能粒子１４をさらに複雑に運動させることもできる。例えば、下部電極１１及び上部電極１２に直流電圧を印加する場合、帯電可能粒子１４は、上部電極１２と下部電極１１との間を単純往復する。しかし、交流電圧を、下部電極１１及び上部電極１２に印加する場合には、帯電可能粒子１４は、瞬時に変化する電圧によって、複雑な運動を行う。その結果、電磁波発生器１０から出力される電磁波の強度と周波数とが経時的に複雑に変わりもする。従って、所定の周波数を有する交流電圧の印加を介して、瞬時に周波数が変化する電磁波を出力することができる。
【００７８】
前述の帯電可能粒子１４の運動原理は、電磁波発生器１０だけではなく、高速開閉が可能な光シャッタの製作にも適用することができる。図１４Ａ及び図１４Ｂは、一実施例による光シャッタ５０の構造及び動作を概略的に図示している。図１４Ａ及び図１４Ｂを参照すれば、光シャッタ５０は、互いに離隔されて対面するように配された下部電極５１及び上部電極５２、下部電極５１と上部電極５２との間に配された帯電可能粒子５４、及び下部電極５１と上部電極５２との間で、帯電可能粒子５４を取り囲むように配されたチャンバ５３を含む。下部電極５１、上部電極５２、チャンバ５３及び帯電可能粒子５４は、前述の電磁波発生器１０の下部電極１１、上部電極１２、チャンバ１３及び帯電可能粒子１４について説明したところと同一である。以下、光シャッタ５０を構成するための追加的な特徴についてのみ説明する。
【００７９】
光シャッタ５０の下部電極５１は、不透明な導電体からなり、中心部に光が通過するための開口５５が形成されている。開口５５の半径は、帯電可能粒子５１の半径より小さく、光が透過できるほどに十分に大きい。例えば、開口５５の半径は、光の波長より大きいことが望ましい。図面には、開口５５が円形であると図示されているが、これは、例示的なものであり、開口５５は、多角形状を有することもできる。開口５５は、チャンバ５３の内部空間を密閉させるために、例えば、透明ウインドウで充填される。下部電極５１は、帯電可能粒子５４が開口５５上に載置されやすいように、凹型の半球面または放物面を有してもよい。上部電極５２は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ＡＺＯ（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）または酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）のように透明な導電体からなってもよい。チャンバ５３の内壁は、光を反射する材料でコーティングされている。または、チャンバ５３自体が光を反射する材料からなっている。
【００８０】
このような構造で、下部電極５１及び上部電極５２に電圧が印加されれば、帯電可能粒子５４は、下部電極５１と上部電極５２との間を往復する。このとき、図１４Ｂに図示されているように、帯電可能粒子５４が、下部電極５１の開口５５を塞げば、光は、光シャッタ５０を通過できない。光は、半波長より小さい間隙からは、ほとんど通過できないため、帯電可能粒子５４が開口５５と完壁に合わせる必要はない。また、図１４Ａに図示されているように、帯電可能粒子５４が、下部電極５１から離れていれば、光は、光シャッタ５０を通過する。帯電可能粒子５４が、上部電極５２に近づくほど通過する光の量は増加しうる。帯電可能粒子５４が光路上に位置しても、光は、回折を介してチャンバ５３の内壁と帯電可能粒子５４との間を通過しうる。前述のように、帯電可能粒子５４は、下部電極５１と上部電極５２との間を非常に早く往復でき、その往復速度は、下部電極５１及び上部電極５２に印加される電圧で制御することができる。従って、帯電可能粒子５４の移動速度を調節し、光シャッタ５０を所望の周波数で、高速開閉することが可能である。このような光シャッタ５０は、例えば、高速駆動が要求される三次元（３Ｄ）映像装置の高速光変調器として利用されもする。
【００８１】
本実施例で、帯電可能粒子５４の往復速度を調節し、光シャッタ５０を透過する光の強度を調節することもできる。人間の視角体系（ｈｕｍａｎ ｖｉｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）は、制限された時間解像度（ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を有しているために、帯電可能粒子５４の往復速度によって、肉眼が知覚する光の強度が変わる。例えば、０．１秒間の間、帯電可能粒子５４が開口５５を１回塞いだときと、１００回塞いだときとを比較すれば、０．１秒に１回塞いだとき、肉眼が知覚する光の強度がさらに強い。このような原理により、カラーディスプレイを具現することができる。例えば、赤色、緑色、青色の光を、それぞれ順次に光シャッタ５０を通過させつつ、それぞれの光に対して、帯電可能粒子５４の往復速度を調節すれば、所望の色が現れる。ここで、順次ということは、時間Δｔの間、赤色光が光シャッタ５０を通過し、次に、時間Δｔの間、緑色光が光シャッタ５０を透過し、次に、Δｔの間、青色光が光シャッタ５０を透過するようにした後、再び反復して赤色、緑色、青色の光をして光シャッタ５０をそれぞれ透過させることを意味する。赤色、緑色、青色の光は、例えば、各色に対応するそれぞれのバックライト・ユニット（図示せず）を、時間Δｔの間、順にＯＮ／ＯＦＦさせることによって提供される。特定の色の光が、Δｔの間、光シャッタ５０を通過するとき、開口５５が塞がれる回数によって、特定の色の強度が制御される。例えば、バックライト・ユニットが、緑色光をΔｔの間、提供するとき、開口５５が１回だけ塞がったとするならば、緑色光の強度は、相対的に大きく、開口５５が１００回塞がったならば、緑色光の強度は、相対的に小さいのである。
【００８２】
このような光シャッタ５０を複数配列し、光シャッタ・アレイを構成することもできる。図１５Ａ及び図１５Ｂは、複数の光シャッタ５０を有する光シャッタ・アレイ２００の構造を概略的に図示する平面図及び断面図である。図１５Ａに図示されているように、光シャッタ・アレイ２００は、行と列とをなし、マトリックス・アレイ状に配列された複数の光シャッタ５０を含む。１つの光シャッタ５０は、１つの画素に対応する光を開閉または変調することができる。
【００８３】
図１５Ａの光シャッタ・アレイ２００を、ラインＡ−Ａ’に沿って切開した図１５Ｂの断面図を参照すれば、上部電極５２は、あらゆる光シャッタ５０に対する共通電極であってもよい。一方、下部電極５１は、それぞれの光シャッタ５０ごとに独立して配されてもよい。そして、隣接した２つの下部電極５１間には、不透明な絶縁体５６がさらに配されてもよい。この場合、光シャッタ・アレイ２００のそれぞれの光シャッタ５０は、独立して開閉されてもよい。しかし、下部電極５１も、１つの共通電極であってもよい。または、図１５Ｂに図示された複数の下部電極５１が、１つの共通電源に連結されてもよい。その場合、光シャッタ・アレイ２００のあらゆる光シャッタ５０が同時に開閉されもする。
【００８４】
前述の電磁波発生器と同様に、光シャッタも、複数の帯電可能粒子を含む。図１６は、複数の帯電可能粒子を含む他の実施例による光シャッタ６０の構造を概略的に図示している。図１６を参照すれば、光シャッタ６０は、互いに離隔されて対面するように配された下部電極６２及び上部電極６４、下部電極６２と上部電極６４との間に配された複数の帯電可能粒子６７、及び下部電極６２と上部電極６４との間で、複数の帯電可能粒子６７を取り囲むように配されたチャンバ６５を含む。ここで、下部電極６２と上部電極６４は、例えば、ＩＴＯ、ＡＺＯまたはＩＺＯのような透明な導電性材料からなる透明電極であってもよい。また、下部電極６２は、透明な下部基板６１上に、平板状に形成され、上部電極６４は、透明な上部基板６３の底面に、平板状に形成されてもよい。しかし、下部基板６１と上部基板６３は、省略されもする。
【００８５】
チャンバ６５は、反射性を有する材料からなってもよい。例えば、チャンバ６５は、反射性金属からなる。その場合、下部電極６２と上部電極６４との間を電気的に絶縁させるために、チャンバ６５と下部電極６２との間に、絶縁体６６ａが配され、チャンバ６５と上部電極６４との間にも、絶縁体６６ｂが配されてもよい。しかし、チャンバ６５が反射性誘電体からなる場合には、絶縁体６６ａ，６６ｂが省略されもする。または、絶縁性材料からなるチャンバ６５の内壁に、反射性コーティング膜を形成することもできる。
【００８６】
帯電可能粒子６７も、反射性を有してもよい。例えば、帯電可能粒子６７は、反射性を有する金属粒子であってもよい。または、帯電可能粒子６７は、伝導体コアと絶縁性シェルとを有するコア−シェル構造の粒子であってもよい。その場合、絶縁性シェルが反射性材料からなったり、絶縁性シェルの表面に反射性コーティング膜が形成されてもよい。帯電可能粒子６７は、光を吸収する性質を有しても差し支えない。
【００８７】
図１６に図示された光シャッタ６０で、下部電極６２及び上部電極６４に電圧が印加されれば、図１７に図示されているように、帯電可能粒子６７は、下部電極６２と上部電極６４との間を往復しつつ振動する。このとき、チャンバ６５を透過する光の強度は、帯電可能粒子６７の振動周期によって変化し、帯電可能粒子６７の振動周期は、下部電極６２及び上部電極６４の電圧差によって制御される。例えば、バックライト・ユニットから提供された光は、透明な下部基板６１と下部電極６２とを介してチャンバ６５内に入射した後、反射性を有するチャンバ６５の内壁と、複数の帯電可能粒子６７の表面とで反射されつつ、透明な上部電極６４と上部基板６３とを介して、チャンバ６５の上部に放出される。ここで、帯電可能粒子６７の振動周波数、すなわち、下部電極６２と上部電極６４との電位差が大きくなるほど、チャンバ６５を通過する光の強度が増加しうる。
【００８８】
また、図１６に図示された光シャッタ６０は、バックライト・ユニットの光を透過／遮断する透過型として動作することも可能であるが、他の外部光（例えば、太陽光または室内電灯の光）を反射／遮断する反射型としても動作しうる。例えば、帯電可能粒子６７の振動周波数が大きくなるほど、チャンバ６５の上部から入射した後、帯電可能粒子６７とチャンバ６５の内壁とで反射され、再びチャンバ６５の上部に反射される光が増加しうる。この場合、下部基板６１または下部電極６２は、反射性材料からなりもする。
【００８９】
図１６に図示された光シャッタ６０は、バックライト・ユニットが特定の色を有する光を放出することによってカラーを具現することができる。白色光を放出する一般的なバックライト・ユニットを使用する場合、カラーフィルタを有する図１８に図示された光シャッタ６０’を利用して、カラーを具現することができる。図１８を参照すれば、光シャッタ６０’は、上部基板６３上に配されたカラーフィルタ６８を含む。カラーフィルタ６８以外の光シャッタ６０’の構成と動作は、図１６に図示された光シャッタ６０と同一である。図１８には、カラーフィルタ６８が上部基板６３上に配されると図示されているが、上部基板６３が省略され、上部電極６３上にカラーフィルタ６８が配されもする。
【００９０】
図１９は、さらに他の実施例による光シャッタ７０の構造を概略的に図示している。図１９に図示された光シャッタ７０は、図１６に図示された光シャッタ６０と全体的に類似した構造を有するが、単に１つの帯電可能粒子７７を有するという点で違いがある。また、帯電可能粒子７７の位置によって、光を透過／遮断させることができるように、中心部に開口７２ａを有する不透明な導電性材料で、下部電極７２がなるという点でも、図１９に図示された光シャッタ７０は、図１６に図示された光シャッタ６０と違いがある。それ以外に、下部基板７１、上部基板７３、上部電極７４、チャンバ７５、絶縁体７６ａ，７６ｂ及びカラーフィルタ７８の構成及び動作は、図１６及び図１７で説明した下部基板６１、上部基板６３、上部電極６４、チャンバ６５、絶縁体６６ａ，６６ｂ及びカラーフィルタ６８の構成及び動作とそれぞれ同一である。図２２に図示された光シャッタ７０の場合にも、帯電可能粒子７７の振動周波数が大きくなるほど、チャンバ７５を通過する光の強度が増加しうる。
【００９１】
図２０は、さらに他の実施例による光シャッタ８０の構造を概略的に図示している。以上で説明した光シャッタでは、反射性を有するチャンバの内壁が直交して形成されたが、図２０に図示された光シャッタ８０の場合、チャンバ８５の内壁が、放物面の形態に形成されている。従って、チャンバ８５の厚みは、下部側がさらに厚くなり、チャンバ８５の内部空間は、下部が狭くて上部が広く形成されている。それ以外、光シャッタ８０の下部基板８１、下部電極８２、上部基板８３、上部電極８４、絶縁体８６ａ，８６ｂ、帯電可能粒子８７及びカラーフィルタ８８の構成及び動作は、図１９に図示された光シャッタ７０の下部基板７１、下部電極７２、上部基板７３、上部電極７４、絶縁体７６ａ，７６ｂ、帯電可能粒子７７及びカラーフィルタ７８の構成及び動作と、それぞれ同一である。
【００９２】
図２０に図示された実施例の場合、下部のバックライト・ユニット（図示せず）から、帯電可能粒子７７に入射した光は、帯電可能粒子８７の表面で反射されてチャンバ８５の内壁に入射する。その後、光は、放物面状を有するチャンバ８５の内壁で反射された後、チャンバ８５の上部に直交して放出される。従って、ほとんどの光が無秩序な方向に放出される実施例に比べ、図２０に図示された光シャッタ８０は、透過光のほとんどが前方に向かって進む。このような放物面状の内壁は、図１６及び図１８に図示されたチャンバ６５にも適用される。
【００９３】
以上、本発明の理解を助けるために、電磁波発生器及びそれを利用した光シャッタに係わる例示的な実施例について説明し、添付された図面に図示した。しかし、このような実施例は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点を理解せねばならない。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限定されるものではないという点を知らなければならない。これは、多様な他の変形が本技術分野で当業者に可能であるためである。
【符号の説明】
【００９４】
１０ 電磁波発生器
１１，５１，６２，７２，８２ 下部電極
１２，５２，６４，７４，８４ 上部電極
１３，５３，６５，７５，８５ チャンバ
１４，５４，６７，７７，８７ 帯電可能粒子
１４ａ コア
１４ｂ シェア
１５ ハウジング
２０ 内部空間
３０ ハウジングとチャンバとの間の空間
５０，６０，６０’，７０，８０ 光シャッタ
５５，７２ａ 開口
５６ 不透明絶縁層
６１、７１，８１ 下部基板
６３，７３，８３ 上部基板
６６ａ，６６ｂ，７６ａ，７６ｂ，８６ａ，８６ｂ 絶縁体
６８，７８ カラーフィルタ
１００ 電磁波発生器アレイ
１１０ 電磁波遮蔽膜
２００ 光シャッタ・アレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、
前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加するとき、前記帯電可能粒子が、前記第１電極と前記第２電極との間を往復しつつ電磁波が発生する電磁波発生器。
【請求項２】
前記チャンバ内部の空間に、前記帯電可能粒子が配され、前記チャンバの両端で、前記第１電極及び前記第２電極が、前記チャンバ内部の空間を密閉し、前記チャンバの内部空間が、真空状態であるか、または不活性ガスで充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項３】
前記チャンバの外部を取り囲むハウジングをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項４】
前記チャンバと前記ハウジングとの間の空間が、真空状態であることを特徴とする請求項３に記載の電磁波発生器。
【請求項５】
前記チャンバが、前記第１電極及び前記第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなり、前記帯電可能粒子の運動によって発生する電磁波に対して透過性であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項６】
前記第１電極に第１直流（ＤＣ）電圧が印加され、前記第２電極に第１直流電圧と異なる第２直流（ＤＣ）電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項７】
前記第１電極及び前記第２電極が、平板型であり、前記第１電極及び前記第２電極の直径が、前記チャンバの直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項８】
前記第１電極及び前記第２電極が、凹型の放物面を有し、前記第１電極及び前記第２電極の放物面が、互いに対向するように配されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項９】
前記第１電極及び前記第２電極のうちいずれか一方が、平板型であり、他方が、前記帯電可能粒子に向かって配された凹型の放物面を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１０】
前記帯電可能粒子が、電気的に帯電される伝導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１１】
前記帯電可能粒子が、電気的に帯電される伝導体コアと、前記伝導体コアを取り囲む絶縁性シェルと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１２】
前記帯電可能粒子が、前記第１電極及び前記第２電極に対する電圧の印加と係わりなく、すでに帯電されており、帯電された状態を維持する粒子、または前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されるときにのみ帯電され、電圧印加の中断時に放電される粒子のうち一つであることを特徴とする請求項１１に記載の電磁波発生器。
【請求項１３】
前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されるとき、前記第１電極及び前記第２電極と前記帯電可能粒子との間に引力が発生することを特徴とする請求項１１に記載の電磁波発生器。
【請求項１４】
前記第１電極及び前記第２電極と前記帯電可能粒子との間に作用する全体力の電気的強度Ｆが、
【数１】
であり、
ここで、
【数２】
であり、
ＱＴが、前記帯電可能粒子の有効電荷であり、ｓが、前記第１電極と前記帯電可能粒子との間の距離であり、ｈが、前記第１電極と前記第２電極との間の間隔であり、ａが、前記伝導体コアの半径であり、ｂが、前記絶縁性シェルの半径であり、ＥＰが、前記第１電極と前記第２電極との間に発生した電場の強度であり、σ１が、前記伝導体コアの電荷密度であり、σ２が、前記絶縁性シェルの電荷密度であり、ε０が、自由空間での誘電率であり、κ２が、前記絶縁性シェルの誘電定数であり、κ３が、前記チャンバ内での前記帯電可能粒子の外側領域の誘電定数であることを特徴とする請求項１３に記載の電磁波発生器。
【請求項１５】
前記チャンバが、円筒形または多角筒形であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の電磁波発生器を複数含む電磁波発生器アレイ。
【請求項１７】
複数の前記電磁波発生器が、同一半径に沿ってリング形に配列されていることを特徴とする請求項１６に記載の電磁波発生器アレイ。
【請求項１８】
前記リング形のアレイの内部に配された電磁波遮蔽膜をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の電磁波発生器アレイ。
【請求項１９】
複数の前記電磁波発生器が同期して動作することを特徴とする請求項１６に記載の電磁波発生器アレイ。
【請求項２０】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、
前記第１電極の中心部に光が通過するように形成された開口と、を含み、
前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加するとき、前記帯電可能粒子が、前記第１電極と前記第２電極との間を往復しつつ、反復的に入射光を断続させる光シャッタ。
【請求項２１】
前記第１電極が、不透明な導電体からなり、前記第２電極が、透明な導電体からなることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２２】
前記開口の半径が、前記帯電可能粒子の半径より小さいことを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２３】
前記開口に充填された透明ウインドウをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２４】
前記第１電極が、前記帯電可能粒子が前記開口上に載置されるように、凹型の表面を有することを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２５】
前記チャンバの内壁が、反射性材料でコーティングされていることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２６】
前記チャンバが、反射性材料からなることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２７】
前記チャンバが、前記第１電極及び前記第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２８】
前記開口が、円形または多角形であることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２９】
請求項２０から２８のいずれか一項に記載の光シャッタを複数含む光シャッタ・アレイ。
【請求項３０】
複数の前記光シャッタが、行と列とをなしてマトリックス・アレイ状に配列されていることを特徴とする請求項２９に記載の光シャッタ・アレイ。
【請求項３１】
前記第２電極が、あらゆる光シャッタに対する共通電極であり、前記第１電極が、それぞれの光シャッタごとに独立して配されていることを特徴とする請求項２９に記載の光シャッタ・アレイ。
【請求項３２】
それぞれの光シャッタの第１電極間に配された不透明絶縁体をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の光シャッタ・アレイ。
【請求項３３】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、
前記第１電極及び前記第２電極が、平板状の透明な導電性材料からなり、前記チャンバの内壁が、反射性を有し、
前記第１電極及び前記第２電極に印加される電圧を調節して、前記帯電可能粒子が前記第１電極と前記第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御する光シャッタ。
【請求項３４】
前記チャンバが、反射性金属からなり、
前記チャンバと第１電極との間に配された第１絶縁体と、前記チャンバと前記第２電極との間に配された第２絶縁体と、をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３５】
前記チャンバが、反射性誘電体からなるか、または前記チャンバの内壁に反射性コーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３６】
前記帯電可能粒子の表面が反射性を有することを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３７】
前記第１電極が配される透明な第１基板と、前記第２電極が配される透明な第２基板と、をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３８】
前記第２基板上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の光シャッタ。
【請求項３９】
前記第２電極上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項４０】
反射性を有する前記チャンバの内壁が、放物面の形状を有することを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項４１】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、
前記第１電極が、中心部に光が通過するように形成された開口を有する平板状の不透明な導電性材料からなり、前記第２電極が、平板状の透明な導電性材料からなり、前記チャンバの内壁が、反射性を有し、
前記第１電極及び前記第２電極に印加される電圧を調節して、前記帯電可能粒子が前記第１電極と前記第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御する光シャッタ。
【請求項４２】
前記チャンバが、反射性金属からなり、
前記チャンバと第１電極との間に配された第１絶縁体と、前記チャンバと前記第２電極との間に配された第２絶縁体と、をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４３】
前記チャンバが、反射性誘電体からなるか、または前記チャンバの内壁に反射性コーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４４】
前記帯電可能粒子の表面が反射性を有することを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４５】
前記第１電極が配される透明な第１基板と、前記第２電極が配される透明な第２基板と、をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４６】
前記第２基板上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項４５に記載の光シャッタ。
【請求項４７】
前記第２電極上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４８】
反射性を有する前記チャンバの内壁が、放物面の形状を有することを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項１】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、
前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加するとき、前記帯電可能粒子が、前記第１電極と前記第２電極との間を往復しつつ電磁波が発生する電磁波発生器。
【請求項２】
前記チャンバ内部の空間に、前記帯電可能粒子が配され、前記チャンバの両端で、前記第１電極及び前記第２電極が、前記チャンバ内部の空間を密閉し、前記チャンバの内部空間が、真空状態であるか、または不活性ガスで充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項３】
前記チャンバの外部を取り囲むハウジングをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項４】
前記チャンバと前記ハウジングとの間の空間が、真空状態であることを特徴とする請求項３に記載の電磁波発生器。
【請求項５】
前記チャンバが、前記第１電極及び前記第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなり、前記帯電可能粒子の運動によって発生する電磁波に対して透過性であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項６】
前記第１電極に第１直流（ＤＣ）電圧が印加され、前記第２電極に第１直流電圧と異なる第２直流（ＤＣ）電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項７】
前記第１電極及び前記第２電極が、平板型であり、前記第１電極及び前記第２電極の直径が、前記チャンバの直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項８】
前記第１電極及び前記第２電極が、凹型の放物面を有し、前記第１電極及び前記第２電極の放物面が、互いに対向するように配されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項９】
前記第１電極及び前記第２電極のうちいずれか一方が、平板型であり、他方が、前記帯電可能粒子に向かって配された凹型の放物面を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１０】
前記帯電可能粒子が、電気的に帯電される伝導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１１】
前記帯電可能粒子が、電気的に帯電される伝導体コアと、前記伝導体コアを取り囲む絶縁性シェルと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１２】
前記帯電可能粒子が、前記第１電極及び前記第２電極に対する電圧の印加と係わりなく、すでに帯電されており、帯電された状態を維持する粒子、または前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されるときにのみ帯電され、電圧印加の中断時に放電される粒子のうち一つであることを特徴とする請求項１１に記載の電磁波発生器。
【請求項１３】
前記第１電極及び前記第２電極に電圧が印加されるとき、前記第１電極及び前記第２電極と前記帯電可能粒子との間に引力が発生することを特徴とする請求項１１に記載の電磁波発生器。
【請求項１４】
前記第１電極及び前記第２電極と前記帯電可能粒子との間に作用する全体力の電気的強度Ｆが、
【数１】
であり、
ここで、
【数２】
であり、
ＱＴが、前記帯電可能粒子の有効電荷であり、ｓが、前記第１電極と前記帯電可能粒子との間の距離であり、ｈが、前記第１電極と前記第２電極との間の間隔であり、ａが、前記伝導体コアの半径であり、ｂが、前記絶縁性シェルの半径であり、ＥＰが、前記第１電極と前記第２電極との間に発生した電場の強度であり、σ１が、前記伝導体コアの電荷密度であり、σ２が、前記絶縁性シェルの電荷密度であり、ε０が、自由空間での誘電率であり、κ２が、前記絶縁性シェルの誘電定数であり、κ３が、前記チャンバ内での前記帯電可能粒子の外側領域の誘電定数であることを特徴とする請求項１３に記載の電磁波発生器。
【請求項１５】
前記チャンバが、円筒形または多角筒形であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生器。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の電磁波発生器を複数含む電磁波発生器アレイ。
【請求項１７】
複数の前記電磁波発生器が、同一半径に沿ってリング形に配列されていることを特徴とする請求項１６に記載の電磁波発生器アレイ。
【請求項１８】
前記リング形のアレイの内部に配された電磁波遮蔽膜をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の電磁波発生器アレイ。
【請求項１９】
複数の前記電磁波発生器が同期して動作することを特徴とする請求項１６に記載の電磁波発生器アレイ。
【請求項２０】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、
前記第１電極の中心部に光が通過するように形成された開口と、を含み、
前記第１電極及び前記第２電極に電圧を印加するとき、前記帯電可能粒子が、前記第１電極と前記第２電極との間を往復しつつ、反復的に入射光を断続させる光シャッタ。
【請求項２１】
前記第１電極が、不透明な導電体からなり、前記第２電極が、透明な導電体からなることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２２】
前記開口の半径が、前記帯電可能粒子の半径より小さいことを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２３】
前記開口に充填された透明ウインドウをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２４】
前記第１電極が、前記帯電可能粒子が前記開口上に載置されるように、凹型の表面を有することを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２５】
前記チャンバの内壁が、反射性材料でコーティングされていることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２６】
前記チャンバが、反射性材料からなることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２７】
前記チャンバが、前記第１電極及び前記第２電極が電気的に互いに分離されるように、絶縁性材料からなることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２８】
前記開口が、円形または多角形であることを特徴とする請求項２０に記載の光シャッタ。
【請求項２９】
請求項２０から２８のいずれか一項に記載の光シャッタを複数含む光シャッタ・アレイ。
【請求項３０】
複数の前記光シャッタが、行と列とをなしてマトリックス・アレイ状に配列されていることを特徴とする請求項２９に記載の光シャッタ・アレイ。
【請求項３１】
前記第２電極が、あらゆる光シャッタに対する共通電極であり、前記第１電極が、それぞれの光シャッタごとに独立して配されていることを特徴とする請求項２９に記載の光シャッタ・アレイ。
【請求項３２】
それぞれの光シャッタの第１電極間に配された不透明絶縁体をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の光シャッタ・アレイ。
【請求項３３】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、
前記第１電極及び前記第２電極が、平板状の透明な導電性材料からなり、前記チャンバの内壁が、反射性を有し、
前記第１電極及び前記第２電極に印加される電圧を調節して、前記帯電可能粒子が前記第１電極と前記第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御する光シャッタ。
【請求項３４】
前記チャンバが、反射性金属からなり、
前記チャンバと第１電極との間に配された第１絶縁体と、前記チャンバと前記第２電極との間に配された第２絶縁体と、をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３５】
前記チャンバが、反射性誘電体からなるか、または前記チャンバの内壁に反射性コーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３６】
前記帯電可能粒子の表面が反射性を有することを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３７】
前記第１電極が配される透明な第１基板と、前記第２電極が配される透明な第２基板と、をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項３８】
前記第２基板上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の光シャッタ。
【請求項３９】
前記第２電極上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項４０】
反射性を有する前記チャンバの内壁が、放物面の形状を有することを特徴とする請求項３３に記載の光シャッタ。
【請求項４１】
互いに離隔されて対面するように配された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配された少なくとも１つの帯電可能粒子と、
前記第１電極と前記第２電極との間で、前記帯電可能粒子を取り囲むように配されたチャンバと、を含み、
前記第１電極が、中心部に光が通過するように形成された開口を有する平板状の不透明な導電性材料からなり、前記第２電極が、平板状の透明な導電性材料からなり、前記チャンバの内壁が、反射性を有し、
前記第１電極及び前記第２電極に印加される電圧を調節して、前記帯電可能粒子が前記第１電極と前記第２電極との間を往復する周期を制御することによって、透過する光の強度を制御する光シャッタ。
【請求項４２】
前記チャンバが、反射性金属からなり、
前記チャンバと第１電極との間に配された第１絶縁体と、前記チャンバと前記第２電極との間に配された第２絶縁体と、をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４３】
前記チャンバが、反射性誘電体からなるか、または前記チャンバの内壁に反射性コーティング膜が形成されていることを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４４】
前記帯電可能粒子の表面が反射性を有することを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４５】
前記第１電極が配される透明な第１基板と、前記第２電極が配される透明な第２基板と、をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４６】
前記第２基板上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項４５に記載の光シャッタ。
【請求項４７】
前記第２電極上に配されるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【請求項４８】
反射性を有する前記チャンバの内壁が、放物面の形状を有することを特徴とする請求項４１に記載の光シャッタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−４９７０（Ｐ２０１３−４９７０Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２６８０８（Ｐ２０１２−１２６８０８）
【出願日】平成２４年６月４日（２０１２．６．４）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月４日（２０１２．６．４）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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