JP2005213423A

JP2005213423A - 液晶組成物

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Publication number: JP2005213423A
Application number: JP2004023226A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Kurisawa; 和樹栗沢; Kunihiko Kotani; 邦彦小谷; Kiyobumi Takeuchi; 清文竹内
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP4834955B2

Abstract

【課題】高周波伝送路用液晶組成物において複屈折率Δnが大きく、GHz帯における誘電率異方性Δεが大きい組成物を開発することにある。
【解決手段】一般式（I）及び一般式（II）
【化６】

で表される化合物を含有し、高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配置してなる可変機能デバイス用液晶組成物及び当該液晶組成物を構成部材とする可変機能デバイス。当該デバイスは、可視光域でのΔｎが大きいためGHz帯での誘電率異方性Δεが大きく、結果として位相制御の範囲が大きいという優れた特性を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配置してなる可変機能デバイスに用いる液晶組成物及びこれを用いた可変機能デバイスに関する。

多種多様な機能のシステムをひとつのハードウェアで切り替えて利用したり、ソフトウェアによりプログラム的に切り替えて利用するためには、高周波アナログステージで周波数帯や帯域幅などを電子的に可変できるデバイスが必要である。このため、例えば、電子同調フィルタ、電圧制御発振器、可変特性増幅器、移相器・減衰器などの可変回路やデバイスなど性能・機能を可変制御できるものの開発が進められている。

可変機能デバイスとして液晶媒質を利用した高周波デバイスとして、駆動電圧が無印加時と印加時により液晶層の誘電率を変化させることによって、マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波の移相を可変させたり、遅延させることが可能なマイクロ波帯可変移相器が開示されている（非特許文献1参照）。又、液晶媒質を利用した可変機能デバイスの液晶層として、高分子分散型液晶（特許文献1参照）、二周波駆動液晶（特許文献2参照）を用いた技術が報告されている。

上記可変機能デバイスにおいて従来使用されてきた液晶組成物では、位相制御の範囲を大きくできなことが問題となっているが、この原因は用いられる液晶組成物のΔεが十分大きくないものによると考えられる。此処で記載するΔεとは液晶組成物において通常論じられることの多い低周波領域のΔεではなくGHz帯域でのΔεを指すが、一般にGHz帯でのΔεを測定することは特別な測定装置が必要であり、簡易に測定できるものではない。しかし、可視光域での複屈折率ΔｎとGHz帯でのΔεとは比例関係となっていることが知られており、可視光域でのΔｎを測定することにより間接的にGHz帯でのΔεを相対的に観測することができる。

これらの知見により、従来用いられてきた液晶組成物（特許文献3参照）では、可視光域でのΔｎが0.3を大幅に下回るためGHz帯のΔεが小さく、可変機能デバイスにおける位相制御の範囲を十分大きくすることが困難であることが判明した。しかし、0.3を超えるΔｎを有する液晶組成物の開発は問題が多く、Δｎがある程度大きくなったとしてもネマチック相-等方性液体相転移温度T_NIが低いというような問題点があり、可視光域でのΔｎの大きい液晶組成物の開発が求められていた。

特開２０００−３１５９０２号公報（１頁）特開２００１−２３７６０６号公報（１頁）特開平０８−００５９９６号広報（５、６頁）ドルフィ（D.Dolfi），「エレクトロニクスレター（Electronics Letters）」，（英国），１９９３年，２９巻，１０号，ｐ．９２６−９２７

本願発明の課題は、可変機能デバイス用液晶組成物において複屈折率Δｎが大きく、GHz帯における誘電率異方性Δεが大きい組成物を開発することにある。

本願発明の発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、特定の液晶化合物を構成部材として用いることにより、液晶組成物のΔｎを増大することができることを見出し本願発明の完成に至った。本願発明は、一般式(I)

（式中、R¹は炭素数が４から１２で二重結合の置換位置が３位以上であるアルケニル基を表し、X¹及びX²はそれぞれ独立してフッ素原子又は水素原子を表す。）で表される化合物及び一般式(II)

(式中、R²は炭素原子数１から１５のアルキル基、炭素原子数２から１５のアルケニル基又は水素原子を表し、該アルキル基又はアルケニル基は非置換であるか又は置換基として1個又は2個以上のフッ素原子、塩素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基を有することができ、該アルキル基又はアルケニル基中に存在する１個又は２個以上のメチレン基は、−CO−で置換されていても良く、酸素原子が相互に直接結合しないものとして、−S−、−O−、−OCOO−、−OCO−又は−COO−で置換されていても良く、
C¹及びC²はそれぞれ独立して、

(i) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する１個のメチレン基又は隣接していない２個以上のメチレン基は−O−又は−S−に置き換えられてもよい)、
(ii) 1,4-フェニレン基(この基中に存在する１個の−CH＝又は隣接していない２個以上の−CH＝は窒素原子に置き換えられてもよい)及び、
(iii) 1,4-シクロヘキセニレン基、1,4-ビシクロ(2.2.2)オクチレン基、ピペリジン-1,4-ジイル基、ナフタレン-2,6-ジイル基、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基及びデカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(i)、基(ii)又は基(iii)はそれぞれシアノ基、フッ素原子又は塩素原子で置換されていても良く、
K¹及びK²はそれぞれ独立的に単結合、−CH₂CH₂−、−(CH₂)₄−、−OCH₂−、−CH₂O−、−COO−、−OCO−又は−C≡C−を表し、
X³、Ｘ^４及びX^６はそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表し、
pは０、１又は２を表し、
X^５は、水素原子、フッ素原子、塩素原子、シアノ基、トリフルオロメチル基、フルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基、トリフルオロメトキシ基又は2,2,2-トリフルオロエチル基を表す。)で表される化合物を含有する、高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配置してなる可変機能デバイス用液晶組成物、及び当該液晶組成物を構成部材とする可変機能デバイスを提供する。

本発明の液晶組成物は可視光域での複屈折率Δｎが大きく、GHz帯での誘電率異方性Δεが大きいという優れた特性を有しているため、当該液晶組成物を構成部材とする可変機能デバイスでの位相制御の範囲を拡大する優れた効果を有する。本願発明の可変機能デバイスはマイクロ波帯可変移相器等として有用である。

本願発明の液晶組成物において、一般式(I)で表される化合物の含有量は５〜５０質量％が好ましく、５〜４０質量％がより好ましく、１０〜３０質量％が特に好ましい。

一般式（I）において、R¹は炭素原子数が１〜１０のアルキル基、炭素原子数が１〜１０のアルコキシ基、２〜１０のアルケニル基又は炭素原子数が２〜１０のアルケニルオキシ基が好ましく、炭素原子数１〜８のアルキル基、炭素原子数１〜８のアルコキシ基又は２〜８のアルケニル基、アルケニルオキシ基がより好ましく、１〜５のアルキル基、アルコキシ基、炭素原子数２〜５のアルケニル基又は炭素原子数２〜５のアルケニルオキシ基が特に好ましい。R¹がアルケニル基をあらわす場合、以下の式（a）又は式（ｂ）の構造が好ましく、

（構造式は右端で環に連結しているものとする。）
特に式（a）が最も好ましい。

X¹及びX²はそれぞれ独立してフッ素原子又は水素原子を表すが、X¹及びX²が共に水素原子、X¹がフッ素原子でX²が水素原子又はX¹が水素原子でX²がフッ素原子で表される化合物が好ましい。具体的には、一般式（ｃ）、一般式（ｄ）又は一般式（ｅ）

（式中、Ｒ^１は炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基を表す。）で表される構造が好ましく、特に一般式（ｄ）が最も好ましい。

一般式(II)の含有量は９５〜５０質量％であり、なおかつ一般式(I)及び一般式(II)の含有量の合計が６０質量％以上であることが好ましく、一般式(II)を９５〜６０質量％含有し、なおかつ一般式(I)及び一般式(II)の含有量の合計が７０質量％以上がより好ましく、一般式(II)を９０〜７０質量％含有し、なおかつ一般式(I)及び一般式(II)の含有量の合計が８０質量％以上であることが特に好ましい。

一般式(II)で表される化合物は多くの化合物を含有するものであるが、以下の態様が好ましい。Ｒ^２は炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基が好ましいが、炭素原子数１〜８のアルキル基、炭素原子数１〜８のアルコキシ基又は炭素原子数２〜８のアルケニル基がより好ましく、炭素原子数１〜５アルキル基が特に好ましい。

Ｃ^１及びＣ^２はそれぞれ独立して式（ｉ）、式（ｊ）及び式（ｋ）からなる群より選ばれる構造を表すことが好ましい。

Ｋ^１及びＫ^２はそれぞれ独立して単結合又は−Ｃ≡Ｃ−を表すことが好ましい。

Ｘ^３、Ｘ^４及びＸ^６はそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表す。
Ｘ^５はシアノ基、フッ素原子、炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基が好ましいが、フッ素原子、シアノ基、炭素原子数１〜８のアルキル基、炭素原子数１〜８のアルコキシ基又は炭素原子数２〜８のアルケニル基がより好ましく、炭素原子数１〜５アルキル基が特に好ましい。

一般式（II）で表される化合物は、具体的には、以下の一般式（III−ａ）、一般式（III−ｂ）、一般式（IV−ａ）、一般式（IV−ｂ）又は一般式（V）で表される化合物が好ましい。

（式中、Ｒ^３は炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基を表す。）
一般式（III−ａ）又は一般式（III−ｂ）で表される化合物を含有する場合、その含有量は５〜３０質量％が好ましいが、１０〜２０質量％が特に好ましい。
一般式（II）においてＲ³は、炭素原子数１〜８のアルキル基、炭素原子数１〜８のアルコキシ基又は炭素原子数２〜８のアルケニル基が好ましく、炭素原子数１〜５アルキル基がより好ましい。

（式中、Ｒ^４及びR^５はそれぞれ独立して炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基を表す。）
一般式（IV−ａ）又は一般式（IV−ｂ）で表される化合物を含有する場合、その含有量は、１０〜４０質量％が好ましいが、１５〜３０質量％がより好ましく、２０〜３０質量％が特に好ましい。

R^４は炭素原子数１〜８のアルキル基、炭素原子数１〜８のアルコキシ基又は炭素原子数２〜８のアルケニル基がより好ましく、炭素原子数１〜５アルキル基が特に好ましい。
R^５は炭素原子数１〜８のアルキル基、炭素原子数１〜８のアルコキシ基又は炭素原子数２〜８のアルケニル基がより好ましく、炭素原子数１〜５アルキル基が特に好ましい。

（式中、Ｒ⁶は炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基を表す。）
一般式（V−ａ）又は一般式（V−ｂ）で表される化合物を含有する場合、その含有量は１０〜３０質量％が好ましく、１５〜２５質量％がより好ましい。

R^５6は炭素原子数１〜８のアルキル基、炭素原子数１〜８のアルコキシ基又は炭素原子数２〜８のアルケニル基がより好ましく、炭素原子数１〜５のアルキル基が特に好ましい。

本願発明の液晶組成物の複屈折率Δnは、波長589nmにおいて、０．２５以上であることが好ましく、０．３０以上であることが更に好ましく、より大きくすることでより大きな移相変換を可能とすることができる。

本願発明において、可変機能デバイスとは液晶層によりデバイスの伝送特性を可変できるものであれば特に制限はないが、マイクロ波帯の可変特性高周波電送線路として用いることが有用であり、マイクロストリップ線路において、位相特性を可変するマイクロ波帯可変位相器として用いることが好ましい。又、マイクロ波帯可変位相器をビーム走査型のアンテナとして応用することもできる。

以下、実施例と比較例を挙げて本発明を更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、以下の実施例及び比較例の組成物における「%」は『質量%』を意味する。
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
T_N-I ：ネマチック相−等方性液体相転移温度（℃）
Δn ：複屈折（20℃及び589nm）
Vth ：しきい値電圧（V）（25℃）
化合物の記載に下記の略号を使用する。
-末端の n(数字) : -C_nH_2n+1 ndm- : C_nH_2n+1-CH=CH-(CH₂)_m-1-
-T- : -C≡C- -ndm : -(C_nH_2n+1-CH=CH-(CH₂)_m-1)
-F : -F -On : -OC_nH_2n+1
-VO- : -COO- -CN : -C≡N
-Z- : -CH=N-N=CH- -CF₂O- : -CF₂-O-

例えば、以下に示すように略号を用いる。

（実施例1、2、3及び比較例1、2）
液晶組成物No.1(実施例1)、No.2(実施例2)、No.3(実施例3)及び液晶組成物M1(比較例1)、液晶組成物M2(比較例2)を調製しこれらの物性値を表1に示す。

比較例1及び2の液晶組成物と比較して、実施例の液晶組成物は、何れも0.3以上の高い複屈折率を有し、ネマチック相-等方性液体相転移温度（T_NI）も高い特徴を有する。

本発明に係る可変特性高周波電送線路の構造を示す図である。

符号の説明

1、６・・・セラミックス基板
2・・・液晶層
3・・・導体線路（金属ライン）
4・・・配向膜
5・・・グランド面（金属膜）

Claims

一般式(I)

（式中、R¹は炭素数が４から１２で二重結合の置換位置が３位以上であるアルケニル基を表し、X¹及びX²はそれぞれ独立してフッ素原子又は水素原子を表す。）で表される化合物及び一般式(II)

(式中、R²は炭素原子数１から１５のアルキル基、炭素原子数２から１５のアルケニル基又は水素原子を表し、該アルキル基又はアルケニル基は非置換であるか又は置換基として1個又は2個以上のフッ素原子、塩素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基を有することができ、該アルキル基又はアルケニル基中に存在する１個又は２個以上のメチレン基は、−CO−で置換されていても良く、酸素原子が相互に直接結合しないものとして、−S−、−O−、−OCOO−、−OCO−又は−COO−で置換されていても良く、
C¹及びC²はそれぞれ独立して、
(i) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する１個のメチレン基又は隣接していない２個以上のメチレン基は−O−又は−S−に置き換えられてもよい)、
(ii) 1,4-フェニレン基(この基中に存在する１個の−CH＝又は隣接していない２個以上の−CH＝は窒素原子に置き換えられてもよい)及び、
(iii) 1,4-シクロヘキセニレン基、1,4-ビシクロ(2.2.2)オクチレン基、ピペリジン-1,4-ジイル基、ナフタレン-2,6-ジイル基、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基及びデカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(i)、基(ii)又は基(iii)はそれぞれシアノ基、フッ素原子又は塩素原子で置換されていても良く、
K¹及びK²はそれぞれ独立的に単結合、−CH₂CH₂−、−(CH₂)₄−、−OCH₂−、−CH₂O−、−COO−、−OCO−又は−C≡C−を表し、
X³、Ｘ^４及びX^６はそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表し、
pは０、１又は２を表し、
X^５は、水素原子、フッ素原子、塩素原子、シアノ基、トリフルオロメチル基、フルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基、トリフルオロメトキシ基又は2,2,2-トリフルオロエチル基を表す。)で表される化合物を含有する、高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配置してなる可変機能デバイス用液晶組成物。
R¹が式（ａ）又は式（ｂ）の構造を表す請求項１記載の液晶組成物。

（上式は、右側で環構造と結合しているものとする）
一般式（ｃ）、一般式（ｄ）又は一般式（ｅ）で表される化合物を含有する請求項１記載の液晶組成物。

（式中、Ｒ^１は炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基を表す。）
一般式（I）で表される化合物の含有量が５〜５０質量％である請求項１記載の液晶組成物。
Ｃ^１及びＣ^２がそれぞれ独立して式（ｉ）、式（ｊ）又は式（ｋ）の構造を表す請求項１記載の液晶組成物。
Ｋ^１及びＫ^２がそれぞれ独立して単結合又は−Ｃ≡Ｃ−を表す請求項１記載の液晶組成物。
Ｘ^５が水素原子、フッ素原子、炭素原子数１〜１５のアルキル基、炭素原子数１〜１５のアルコキシ基又は炭素原子数２〜１５のアルケニル基を表す請求項１記載の液晶組成物。
一般式（II）で表される化合物の含有量が９５〜５０質量％であり、一般式(I)及び一般式(II)で表される化合物の含有量の合計が６０質量％以上である請求項１記載の液晶組成物。
高周波線路を構成する導体線路とグランド導体との間に液晶層を配置してなる可変機能デバイスにおいて、該液晶層が請求項１〜８のいずれかに記載の液晶組成物からなることを特徴とする可変機能デバイス。
液晶層の複屈折率Δｎが、波長５８９ｎｍにおいて、０．２５以上である請求項９記載の可変機能デバイス。