JP2006019855A

JP2006019855A - 可変機能デバイス

Info

Publication number: JP2006019855A
Application number: JP2004193417A
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: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】可変範囲が広く伝送損失の少ない可変機能デバイスを開発することにある。
【解決手段】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、該液晶層の室温（２５℃）における配向ベクトルに平行方向の誘電率（ε‖）の誘電分散が起こる周波数が５０ＫＨｚ以下である当該可変機能デバイス、当該デバイスは、位相制御の範囲が大きく誘電損失が小さいという優れた特性を有することから、マイクロ波帯の可変特性高周波電送線路等に有用である。
【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、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・減衰器等の性能・機能を可変制御できる、可変回路やデバイスなど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、シアノビフェニル系化合物、シアノテルフェニル系化合物が主に使用されてきた（特許文献３参照）。しかしながら、これらの化合物を用いた液晶組成物は、液晶組成物のGHｚ帯における誘電率異方性（Δε）が十分大きくないため、位相制御の範囲を大きくできない、液晶組成物のGHｚ帯における誘電損失（ｔａｎδ）が大きいため、可変機能デバイスの伝送損失が大きくなる等の問題を有している。

GHz帯のΔεを測定することは特別な装置を必要とするため一般に容易では無いが、ｋＨｚ帯におけるΔｎとＧＨz帯におけるΔεに正の相関関係があるため、測定の容易なｋＨｚ帯におけるΔｎを測定することにより間接的にＧＨz帯におけるΔεを観測することが可能である。

伝送損失を低減するためには、ＧＨｚ帯での誘電損失（ｔａｎδ）を小さくすることが必要であるが従来はｔａｎδを直接測定する以外に伝送損失を低減するための指標はなかった。しかも、ＧＨｚ帯でのｔａｎδを測定するためには特別な測定装置が必要であり、簡便に測定することは出来ず可変範囲が広く伝送損失の少ない可変機能デバイスの開発は困難であった。

一方、液晶組成物の誘電分散に関しては既に開示（特許文献４参照）されているが、ＧＨｚ帯域における他のパラメータとの相関については知られておらず、誘電分散については主にＳＴＮ液晶表示素子の時分割特性の改善に利用されてきた。なお、誘電率異方性（Δε）は、測定周波数に依存する値であり、高い周波数になると交流電界に液晶分子が追従できなくなる緩和現象により、低い周波数領域で一定の値を示していたのが、高い周波数で減少してくる。この周波数は、液晶組成物の固有の物性値であり、組成の構成により変化するが、この現象が起こる周波数を誘電分散が起こる周波数とする。以下、誘電分散が起こる周波数を、測定周波数が５００Ｈｚにおける誘電率異方性（Δε）に対し、この値が１０％減少させる周波数として定義し、これをｆ１０％（Ｈｚ）として表す（図４参照）。

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）特願平０９−２５６６８６号広報（２５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、可変範囲が広く伝送損失の少ない可変機能デバイスを開発することである。

本願発明者らは上記課題を解決するためｔａｎδと液晶組成物の物性値に関して数多くの実験を行い、その相関関係を比較した結果、ＧＨｚ帯における誘電損失（ｔａｎδ）と誘電分散が起こる周波数の間に正の相関があることを見いだした。図２は、横軸に配向ベクトルに対して平行方向の誘電率（ε‖）の誘電分散の起こった周波数の値、縦軸にＧＨｚ帯での配向ベクトルに対して平行方向の誘電損失（ｔａｎδ（‖））の値をとったグラフである。図２より、誘電分散の起こる周波数が小さい液晶組成物の方が、ｔａｎδの値が小さくなる傾向が分かる。

これらの知見から、液晶組成物の誘電分散が起きる周波数を小さくした液晶組成物を用いて可変機能デバイスを構成することで、優れた特性を有する当該デバイスを提供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、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、該液晶層の室温（２５℃）における配向ベクトルに平行方向の誘電率（ε‖）の誘電分散が起こる周波数が５０ＫＨｚ以下である当該可変機能デバイスを提供する。

本願発明の可変機能デバイスは可変範囲が広く伝送損失の少ない優れた特性を有しているため、マイクロ波帯可変移相器等として有用である。

本願発明において、液晶層の室温（２５℃）における配向ベクトルに平行方向の誘電率（ε‖）の誘電分散が起こる周波数は５０kＨz以下であるが、３５kHz以下であることがより好ましい。

液晶層の室温（２５℃）における配向ベクトルに垂直方向の誘電率（ε⊥）の誘電分散が起こる周波数が５０ＧＨz以下であることが好ましく、４５ＧＨz以下であることがより好ましい。

誘電分散の周波数を小さくするためには、液晶構成因子：Ｓ＝（η×A³）^-1
（式中、ηは液晶組成物の粘度（mPa・ｓ）を表し、Ａは液晶組成物の平均分子長（nm）を表す。）が小さいことが好ましい（図３参照）。よって、具体的には次の様な値であることが好ましい。

液晶層の室温（２５℃）における液晶分子の長軸に対する液晶構成因子：Ｓａ

（式中、ηは液晶組成物の粘度（mPa・ｓ）を表し、ａは液晶組成物の長軸方向の平均分子長（nm）を表す。）
が５．０×１０^−６以下であることが好ましく、２．０×１０^−６以下であることがより好ましい。

液晶層の室温（２５℃）における液晶分子の短軸に対する液晶構成因子：Ｓｂ

（式中、ηは液晶組成物の粘度（mPa・ｓ）を表し、ｂは液晶組成物の短軸方向の平均分子長（nm）を表す。）が１．０×１０^−３以下であることが好ましく、１．０×１０^−４以下であることがより好ましい。

本願発明の可変機能デバイスにおいて、液晶層に用いられる化合物としては一般式（I）

（式中、A、B及びCは各々独立的に式（2-1）から式（2-9）で表される構造の何れかを表すが、該置換基は該A、B及びCの少なくとも2つは式（2-1）から式（2-5）の何れかを表し、

（式中、芳香環の水素原子はフッ素原子により置換されていても良い。）Z¹及びZ²は各々独立的に単結合、-CH₂CH₂-、-CH=CH-、-C≡C-、-CH₂O-、-OCH₂-、-（CH₂）₄-、-CH₂CH₂-CH=CH-、-CH=CH-CH₂CH₂-、-CH=N-N=CH-、-COO-又は-OCO-を表し、nは１又は2を表し、R¹及びR²は各々独立的に炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数2〜10のアルケニル基、炭素数2〜10のアルケニルオキシ基、シアノ基、フッ素原子、塩素原子、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメチル基、ジフルオロメトキシ基又は−NCSを表すが、該アルキル基、該アルコキシ基、該アルケニル基又は該アルケニルオキシ基中に存在する1個又は2個以上のCH₂基は、O原子が相互に直接結合しないものとして、-O-、-CO-又は-COO-で置換されていても良い。）で表される液晶化合物を用いることが好ましい。

一般式（I）において、B及びCは式（2-1）から式（2-5）で表されるいずれかの環構造を有することが好ましく、式（ｉ）、式（ｊ）、式（ｋ）又は式（ｌ）

の構造を表すことが好ましい。

R¹及びR²は各々独立的に炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数2〜10のアルケニル基、炭素数2〜10のアルケニルオキシ基、シアノ基又はフッ素原子を表すことが好ましく、炭素数1〜8のアルキル基、炭素数1〜8のアルコキシ基、炭素数2〜8のアルケニル基、炭素数2〜8のアルケニルオキシ基、シアノ基又はフッ素原子がより好ましく、炭素数1〜8のアルキル基又はシアノ基が特に好ましい。
R¹がアルケニル基を表す場合次の式（ａ）又は式（ｂ）の構造を

（上式は、右側で環構造と結合しているものとする）表すことが好ましい。

Z¹及びZ²は各々独立的に、単結合、-C≡C-、-CH₂O-、-CH=N-N=CH-又は-COO-を表すことが好ましく、単結合又は-C≡Cを表すことがより好ましい。

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）
Δε ：誘電率異方性（25℃）
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及び比較例1）
液晶組成物No.1 (実施例1)、No.2 (実施例2)及び液晶組成物M1 (比較例1)を調製しこれらの物性値を表1に示す。

液晶層の室温（２５℃）における配向ベクトルに平行方向の誘電率（ε‖）の誘電分散が起こる周波数が低い実施例1及び2の液晶組成物を構成部材とする可変特性高周波電送線路は、比較例の液晶組成物を構成部材とする可変特性高周波電送線路と比較して伝送損失が小さかった。

又、実施例１及び２の可変特性高周波電送線路は可変範囲の大きい優れたものであった。

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。配向ベクトルに対して平行方向の誘電率（ε‖）の誘電分散の起こった周波数（Ｈｚ）とＧＨｚ帯での配向ベクトルに対して平行方向の誘電損失（ｔａｎδ（‖））の相関を示す図である。液晶構成因子：Ｓ＝（η×A³）^-1（式中、ηは液晶組成物の粘度（mPa・ｓ）を表し、Ａは液晶組成物の平均分子長（nm）を表す。）と誘電分散の起こった周波数（Ｈｚ）の相関を示す図である。誘電分散が起こる周波数を定義する図である。測定周波数が５００Ｈｚにおける誘電率（ε）に対し、この値が１０％減少させる周波数として定義し、これをｆ１０％（Ｈｚ）として表す

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

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、該液晶層の室温（２５℃）における配向ベクトルに平行方向の誘電率（ε‖）の誘電分散が起こる周波数が５０ＫＨｚ以下である当該可変機能デバイス。
液晶層の室温（２５℃）における配向ベクトルに垂直方向の誘電率（ε⊥）の誘電分散が起こる周波数が５０ＧＨｚ以下である請求項１記載の可変機能デバイス。
液晶層の室温（２５℃）における液晶分子の長軸に対する液晶構成因子：Ｓａ

（式中、ηは液晶組成物の粘度（mPa・ｓ）を表し、ａは液晶組成物の長軸方向の平均分子長（nm）を表す。）
が５．０×１０^−６以下である請求項２記載の可変機能デバイス。
該液晶層の室温（２５℃）における液晶分子の短軸に対する液晶構成因子：Ｓｂ

（式中、ηは液晶組成物の粘度（mPa・ｓ）を表し、ｂは液晶組成物の短軸方向の平均分子長（nm）を表す。）が１．０×１０^−３以下である請求項３記載の可変機能デバイス。
液晶層が一般式（I）

（式中、A、B及びCは各々独立的に式（2-1）から式（2-9）で表される構造の何れかを表すが、該置換基は該A、B及びCの少なくとも2つは式（2-1）から式（2-5）の何れかを表し、

（式中、芳香環の水素原子はメチル基又はフッ素原子により置換されていても良い。）Z¹及びZ²は各々独立的に単結合、-CH₂CH₂-、-CH=CH-、-C≡C-、-CH₂O-、-OCH₂-、-（CH₂）₄-、-CH₂CH₂-CH=CH-、-CH=CH-CH₂CH₂-、-CH=N-N=CH-、-COO-又は-OCO-を表し、nは１又は2を表し、R¹及びR²は各々独立的に炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数2〜10のアルケニル基、炭素数2〜10のアルケニルオキシ基、シアノ基、フッ素原子、塩素原子、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメチル基、ジフルオロメトキシ基又は−NCSを表すが、該アルキル基、該アルコキシ基、該アルケニル基又は該アルケニルオキシ基中に存在する1個又は2個以上のCH₂基は、O原子が相互に直接結合しないものとして、-O-、-CO-又は-COO-で置換されていても良い。）で表される液晶化合物を少なくとも１種以上含有する請求項１記載の可変機能デバイス。
Ｚ^１及びＺ^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。