JP4539022B2

JP4539022B2 - 可変機能デバイス

Info

Publication number: JP4539022B2
Application number: JP2003075224A
Authority: JP
Inventors: 清文竹内; 邦彦小谷; 和弘北谷; 錠彦山本
Original assignee: DIC Corp
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP2004285085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯域においてより大きい誘電率異方性とより小さい誘電損失tanδを有する液晶材料により、より改善された可変機能デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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の技術開発が必要です。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おります。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。しかし、従来の技術では誘電率異方性Δεが十分に大きくなく、駆動時の誘電損失tanδが大きいというデバイス特性としての問題があり、また、より広い温度で、より高速で、より低い駆動電圧による動作を可能とした液晶材料が要求されている。
【特許文献１】
特開２０００−３１５９０２号公報（１頁）
【特許文献２】
特開２００１−２３７６０６号公報（１頁）
【非特許文献１】
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
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、マイクロ波やミリ波の電磁波に対してより大きな誘電率異方性Δεの液晶材料を用いることにより大きな移相制御を可能とし、誘電損失tanδをより少なく、特に液晶分子の短軸方向での誘電損失tanδを低減することにより伝送効率を改善した可変機能デバイスを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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、マイクロ波やミリ波の電磁波を制御する可変機能デバイスにおいて、特定の液晶化合物を構成部材として用いることにより、より大きな誘電率異方性Δεを発現し、更に誘電損失tanδを低減できることを見いだし本願発明の完成に至った。
【０００７】
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おいて、該液晶層が一般式（1）
【０００８】
【化３】

（式中、A、B及びCは各々独立的に（2-1）〜（2-9）で表される環のいずれかであり、該A、B、Cの少なくとも2つは（2-1）〜（2-5）、（2-8）、（2-9）のいずれかであり、この中の少なくとも1つの環はR¹、R²、Z¹及びZ²以外の少なくとも1個以上の置換基を有し、該置換基はF、Cl、CN、CH₃又はCF₃のいずれかであり、
【０００９】
【化４】

【００１０】
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0、１又は2であり、R¹、R²は各々独立的に炭素数1〜10のアルキル基、アルコキシ基又は炭素数2〜10のアルケニル基、アルケニルオキシ基を表し、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よく、あるいは、CN、F、Cl、CF₃、OCF₃、CF₂H、OCF₂HまたはNCSであることができる。）で表される液晶化合物を少なくとも１種以上含有することを特徴とする可変機能デバイスを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶層は、ネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、強誘電性液晶のいずれも使用することができるが、ネマチック液晶が配向性の容易性から好ましい。液晶層に含有する化合物は、一般式（1）で表される化合物を少なくとも1種以上含有することが好ましく、2種〜40種含有することもできるが、2種〜20種含有することが更に好ましい。液晶層の液晶組成物は、一般式（1）の化合物を少なくとも30質量％以上含有することが好ましく、100質量％で構成することもできる。
【００１２】
一般式（1）で表される化合物は、その部分構造において、A、B、Cの少なくとも2つは（2-1）〜（2-5）、（2-8）、（2-9）のいずれかの環構造を有するが、（2-1）又は（2-3）〜（2-5）であることが好ましい。
【００１３】
（2-1）〜（2-5）、（2-8）、（2-9）の少なくとも1つの環は少なくとも1個以上の置換基を有し、その置換基としてはF、Cl、CN、CH₃又はCF₃のいずれかから選ばれた置換基であるが、F、CH₃又はCF₃であることがより好ましい。
【００１４】
また、本発明のデバイスは低電圧駆動も可能であるが、幅広い動作温度範囲、駆動電圧に比較してより速い応答性を所望する場合には、置換基を有する化合物の含有率を70質量％以下にすることが好ましく、50質量％以下にすることが更に好ましい。
【００１５】
R¹、R²は各々独立的に炭素数1〜10のアルキル基、アルコキシ基又は炭素数2〜10のアルケニル基、アルケニルオキシ基を表すが、これらの側鎖基の一方はCN、F、Cl、CF₃、OCF₃、CF₂H、OCF₂ HまたはNCSである極性基を有する化合物を含有することが好ましく、極性基を有する化合物は、30質量％以上含有することが更に好ましい。
【００１６】
Z¹、Z²は、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-であることができるが、単結合、-C≡C-、-CH₂O-、-CH=N-N=CH-、-COO-のいずれかが更に好ましい。
【００１７】
このような観点から、一般式（1）の化合物のより具体的な好ましい形態として、下記の一般式（I-1）〜（I-20）で表される化合物群が好ましい。
【００１８】
【化５】

【００１９】
【化６】

【００２０】
（式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｚ^１、Ｚ^２は請求項１記載と同じであり、Ｘ^１〜Ｘ^１２は少なくとも１個がＦ、Ｃｌ、ＣＮ、ＣＨ_３又はＣＦ_３のいずれかで置換されている。）
液晶組成物の複屈折率Δｎは、波長５８９ｎｍにおいて、０．２０以上であることが好ましく、０．２５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。また、液晶組成物の誘電率異方性Δεが、マイクロ波帯域において、０．５０以上であることが好ましく、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、実施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。液晶組成物の複素誘電率は同軸共振器を用いて測定した。液晶層での液晶分子の配向は、PVA（ポリビニルアルコール）を配向膜として塗布し、ラビングし、ホモジニアス配向させた。印加電圧は20V迄の直流電圧を使用した。電磁波の周波数は6〜12GHｚの帯域（Xバンド）で測定した。
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（℃）
Δε ：誘電異方性（25℃及びXバンド）
Δn ：複屈折（20℃及び589nm）
Vth ：しきい値電圧（V）（25℃）
水平成分のtanδ ：液晶分子長軸方向の誘電損失（25℃及びXバンド）
垂直成分のtanδ ：液晶分子短軸方向の誘電損失（25℃及びXバンド）
【００２２】
（実施例1）
【化７】

【００２３】
T_N-I ：123.6℃
Δε ：0.61
Δn ：0.298
Vth ：1.73V
水平成分のtanδ ：0.015
垂直成分のtanδ ：0.029
実施例1は、高いネマチック相-等方性液体相転移温度（T_N-I）、大きな誘電率異方性Δεに対し比較的小さなtanδを有する。この液晶を用いた可変機能デバイスを作製したところ、移相変化が大きく330MHzの周波数の可変幅を得ることができた。これにより、後述の比較例に比べ約3倍の幅のビーム走査型アンテナを作製できる。
【００２４】
（比較例1）
【化８】

T_N-I ：72.4℃
Δε ：0.10
Δn ：0.141
Vth ：1.61V
水平成分のtanδ ：0.018
垂直成分のtanδ ：0.047
【００２５】
（比較例2）
【化９】

T_N-I ：64.8℃
Δε ：0.40
Δn ：0.225
Vth ：1.60V
水平成分のtanδ ：0.022
垂直成分のtanδ ：0.038
比較例1及び２の液晶を用いた可変機能デバイスを作製したところ、移相変化が実施例１と比べ小さく90MHz以下の周波数の可変幅しか得ることができなかった。これにより、本発明の優位性が明らかとなった。
【００２６】
（実施例2）
【化１０】

【００２７】
T_N-I ：120.9℃
Δε ：0.63
Δn ：0.299
Vth ：1.49V
水平成分のtanδ ：0.019
垂直成分のtanδ ：0.032
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、液晶化合物の部分構造、特に置換基を有する化合物に着目した液晶組成物を用いることにより、マイクロ波帯域においてより大きい誘電率異方性とより小さい誘電損失tanδを有する液晶層を作製可能とし、より改善された可変機能デバイスを作製することができた。特に、大きな移相変化330MHzの周波数の可変幅を得ることができ、従来に比べ約3倍も改善したビーム走査型アンテナを作製できる特段の効果を有していた。
【図面の簡単な説明】
【図１】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

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、該液晶層が一般式（1）

（式中、A、B及びCは各々独立的に（2-1）〜（2-7）で表される環のいずれかであり、該A、B、Cの少なくとも2つは（2-1）〜（2-5）のいずれかであり、この中の少なくとも1つの環はR¹、R²、Z¹及びZ²以外の少なくとも1個以上の置換基を有し、該置換基はF、Cl、CN、CH₃又はCF₃のいずれかであり、

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0、１又は2であり、
R¹は炭素数1〜10のアルキル基、アルコキシ基又は炭素数2〜10のアルケニル基、アルケニルオキシ基を表し、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よく、R²は炭素数1〜10のアルキル基、アルコキシ基又は炭素数2〜10のアルケニル基、アルケニルオキシ基を表し、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よく、あるいは、CN、F、Cl、CF₃、OCF₃、CF₂H、またはOCF₂Hであることができる。）で表される液晶化合物を少なくとも１種以上含有し、前記液晶層の複屈折率Δｎが、波長589nmにおいて、0.20以上であることを特徴とする可変機能デバイス。
前記液晶層が一般式（1）で表される化合物を少なくとも30質量％以上含有する請求項1記載の可変機能デバイス。
一般式（1）で表される化合物が下記の一般式（I-1）〜（I-14）、（I-17）又は（I-18）

（式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｚ^１、Ｚ^２は請求項１記載と同じであり、Ｘ^１〜Ｘ^１２は少なくとも１個がＦ、Ｃｌ、ＣＮ、ＣＨ_３又はＣＦ_３のいずれかで置換されている。）で表される化合物である請求項１記載の可変機能デバイス。
前記液晶層の誘電率異方性Δεが、マイクロ波帯域において、0.50以上である請求項1、2又は3記載の可変機能デバイス。