KR101489528B1 - 전자기파 방사선 변조 요소, 변조 소자 및 변조 매질 - Google Patents

전자기파 방사선 변조 요소, 변조 소자 및 변조 매질 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기파 방사선 변조 요소, 변조 소자 및 상기 소자를 포함하는 시스템 예컨대 텔레비전 스크린 및 컴퓨터 모니터, 및 마이크로미터 파 구성요소에 관한 것이다. 본 발명에 따른 변조 요소는, 전기장 인가시 2개 이상의 서로 다른 전이를 나타내는 유전 이방성을 갖는 메소제닉 변조 매질을 포함한다. 전자기파 방사선 변조 요소에 사용된 메소제닉 변조 매질이 또한 본 발명의 주제이다.

Description

전자기파 방사선 변조 요소, 변조 소자 및 변조 매질{MODULATION ELEMENTS FOR ELECTROMAGNETIC RADIATION, MODULATION DEVICE AND MODULATION MEDIUM}
본 발명은 전자기파 방사선 변조 요소 및 이를 포함하는 소자에 관한 것이다. 전자기파 방사선 변조 요소는, 전기장 인가시 전기장의 강도 증가에 따라 상기 변조 요소의 작동 온도들 중 하나 이상에서 2개 이상의 서로 다른 전이를 보이는 유전 이방성을 갖는 변조 매질을 사용한다.
전자기파 방사선 변조 요소는 예를 들어 전기-광학 변조 요소일 수 있으며, 이는 예컨대 밀리미터 파 및/또는 마이크로미터 파 기술의 전기-광학 디스플레이 또는 전기적으로 제어가능한 구성요소에 사용될 수 있다.
본 발명에서 변조 요소는 예를 들어 유전율 또는 광 투과율과 같은 물성을 변조 및/또는 스위칭할 수 있는 요소이다. 이들은 스위칭/변조 요소라고도 한다. 위와 같은 정의는 본 발명에 따른 변조 소자에도 적용된다.
제 1 실시양태에서, 본 발명은 이러한 유형의 요소를 함유하는 전기-광학(electro-optical) 디스플레이 및 디스플레이 시스템, 예컨대 텔레비전 스크린 및 컴퓨터 모니터 등에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광 변조 요소는, 광 변조 요소의 작동 중에 2개 이상의 서로 다른 전기-광학 전이를 보이는, 유전 이방성, 바람직하게는 양성 유전 이방성을 갖는 메소제닉(mesogenic) 변조 매질을 포함한다.
제 2 실시양태에서, 본 발명은 또한 고주파 기술 또는 초고주파 기술 구성요소, 특히 밀리미터 파 및/또는 마이크로 파 구성요소에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 제어가능한 구성요소, 바람직하게는 제어가능한 유전체로서 메소제닉 매질, 바람직하게는 액정, 가장 바람직하게는 네마틱(nematic) 액정을 사용하는 밀리미터 파 및/또는 마이크로 파 구성요소에 관한 것이다. 이들 제어가능한 유전체는 바람직하게는 양성 유전 이방성을 갖는다. 특히 바람직하게는 수동 제어가능한 구성요소이다.
또한, 본 발명은, 전기장 인가시 전기장 강도 증가에 따라 변조 요소, 바람직하게는 광 변조 요소 및/또는 마이크로 파 변조 구성요소에서 2개 이상의 서로 다른 전이를 보이는 유전 이방성, 바람직하게는 양성 유전 이방성을 갖는 메소제닉 매질 및 이들 매질의 상기 변조 요소에서의 변조 매질로서의 용도에 관한 것이다.
통상적인 전기-광학 액정 디스플레이는 일반적인 용어로 알려져 있다. 이는 변조 매질이 메조 상(mesophase), 전형적으로 주로 네마틱 상으로 존재하는 온도에서 작동된다. 그러나, 스멕틱(smectic) 상 예컨대 SSFLC(표면 안정 강유전성 액정) 디스플레이와 같은 키랄 스멕틱 C(Sc) 상, 또는 열적으로 어드레싱(addressing)되는 디스플레이와 같은 스멕틱 A(SA) 상의 액정을 사용하는 디스플레이도 있다. 특히 SSFLC 및 반-강유전성 디스플레이는 매우 양호하고 빠른 응답을 보이지만, 이들은 제조하기가 다소 어렵다. 또한, 반-강유전성 디스플레이는 일반적으로 기계적 충격에 매우 예민하다.
변조 매질이 사이보택틱(cybotactic) 상으로 존재하는 온도에서 작동되는 전기-광학 액정 디스플레이는 예를 들어 국제 특허 공개 제 2005/096085 호에 개시되어 있다.
가장 널리 보급되어 있는 디스플레이는 TN("비틀린 네마틱") 및 STN("초 비틀린 네마틱") 디스플레이이다. 이들 디스플레이에서의 액정 셀은 액정 매질의 2개의 반대쪽 기판상에 전극을 갖는다. 따라서 전기장은 본질적으로 액정 층에 수직이다. 특히 처음 언급된 디스플레이는 큰 정보 함량 및 높은 해상도를 갖는 디스플레이 예컨대 랩탑 및 노트북 컴퓨터의 디스플레이를 어드레싱시키는 TFT("박막 트랜지스터")와 함께 사용된다. 최근에는 특히 데스크탑 컴퓨터 모니터에서, IPS("평면 정렬 스위칭" 예컨대 독일 특허 제 4000451 호 및 유럽 특허 제 0588568 호) 유형 또는 다르게는 VAN("수직 배향 네마틱") 유형의 액정 디스플레이의 사용이 증가하여 왔다. VAN 디스플레이는 ECB("전기적으로 제어되는 복굴절") 디스플레이의 변형이다. ECB 디스플레이의 현대적 변형인 MVA("다중 도메인 수직 배향")에서, 다수의 도메인이 어드레싱된 전극마다 안정화되고, 또한 특수한 광학 보상 층이 사용된다. 이미 언급된 TN 디스플레이와 같은 이러한 디스플레이는 액정 층에 수직인 전기장을 사용한다. 이와는 대조적으로, IPS 디스플레이는 일반적으로 단지 하나의 기판상에, 즉 액정 층의 한 쪽에 전극을 사용한다. 즉, 액정 층에 평행한 전기장의 중요한 구성요소가 특징이다.
메소제닉 변조 매질에서 전기-광학 효과를 이용하는 통상의 전기-광학 스위칭 요소에 있어서, 전기-광학 응답은 하나의(즉, 단일) 전기-광학 전이를 특징으로 한다. 이러한 전기-광학 전이는 전형적으로 예를 들어 TN-디스플레이에서의 프레드릭스(Freedericks) 전이와 같은 점진적 전이, 또는 FLCD 또는 STN LCD에서의 단계적 또는 유사-단계적 전이로서, 모두 쌍안정성(bistability) 또는 유사 쌍안정성 응답을 보인다. 또한, 몇몇 예외적인 경우에, 예를 들어 반-강유전성 디스플레이에서의 응답 곡선 히스테리시스를 갖는 전기-광학 전이가 있다(예컨대 문헌[Toyoda, Akito and Yamamoto, Norio, Ekisho, Vol. 3, No. 4 (1999): "Application of Tri-State Switching (TSS) Liquid Crystals for Field Sequential Stereoscopic Display"] 및 문헌[Mottram, N.J. and Elston, S.J., Molecular Crystals and Liquid Crystals, Vol. 330 (1999) p. 557: "Order Parameter Theory for Switching in Antiferroelectric Liquid Crystals"] 참조).
본 발명은 2개 이상의 서로 다른 전이, 바람직하게는 이들 중 2개가 서로 상이한 유형(예컨대 연속성-, 쌍안정성- 또는 히스테리시스 유형)이고, 가장 바람직하게는 2개의 서로 다른 전이 예컨대 2개의 서로 다른 전기-광학 전이를 보이는 변조 요소를 개발하는 목적을 가진다.
다르게는, 상기 2개 이상의 전이 중 2개 이상이 동일한 유형을 가진다. 본 발명의 이러한 실시양태들 중에서 특히 바람직한 것은 전기장에 대한 응답이 세 가지 안정한 상태 또는 적어도 유사-안정한 상태를 가지는 경우들이다. 유사 안정한 상태는, 전형적으로 적어도 몇/다수의 100 mV에 걸쳐 변하는 전압 범위를 특징으로 하며, 그 범위에 걸쳐 변조 요소의 특성 응답 예컨대 유효 유전율 또는 투과율이 단지 비교적 작은 범위 내에서만 예컨대 몇 퍼센트에 걸쳐서만 변한다.
본 발명은, 하나의 실시양태로서, 2개 이상, 바람직하게는 2개의 서로 다른 전이를 보이는 전기-광학 광 변조/스위칭 요소를 제공하는 목적을 가진다.
본 발명은 2개 이상의 서로 다른 전이를 보이는 제어가능한 마이크로 파 구성요소를 제공하는 또 하나의 목적을 가진다. 이러한 적용에서, 바람직한 마이크로 파 영역은 1 내지 26 GHz 범위의 주파수, 바람직하게는 X-밴드, 가장 바람직하게는 8.3 내지 8.75 GHz 범위의 주파수 영역이다.
유사한 수동 제어가능한 마이크로 파 구성요소는 비-선형 유전체에 의해 구현되어왔다. 비-선형 유전체는 그 유전상수(εr)가 상기 재료 내의 유효 전기장 강도에 크게 좌우되는 재료이다. 내부 전기 편광은 외부 전기장 또는 인가된 전압의 함수로서 변경될 수 있다.
현재까지, 종래의 제어가능한 밀리미터 파 및 마이크로 파 구성요소는 일반적으로 고상(solid phase) 재료를 사용하여 예를 들어 국제 특허 공개 제 2004/106391 호에 보고된 바와 같이 구현되었다. 그러나, 이러한 소자의 유전 손실은 주파수가 마이크로 파 영역에서 커지는 경우 현저히 증가한다.
특히, 미국 특허 제 5,195,972 호 및 제 5,537,242 호는 밀리미터 파 및 마이크로미터 파 영역에서 작동하는 제어가능한 구성요소를 위한 변조 매질로서 액정을 사용할 것을 제안하고 있다.
최근에는, 예를 들어 미국 특허 공개 제 2005/0067605 A1 호 및 문헌[Muller et al., "Passive Phase Shifter for W-band Applications using Liquid Crystals", 36th European Microwave Conference, 2006]과 같이 마이크로 파 통신을 목적으로 한 액정 변조 매질을 사용하는 스위칭 소자가 이러한 파장 영역에서 제안되었다.
이러한 소자의 삽입 손실은 지금까지의 종래 소자의 그것보다 현저히 낮은 것으로 보고되었다. 이러한 이점은 주파수 증가에 따라 더욱 커진다. 이러한 사실로 미루어 볼 때, 본 발명에 기초한 신규의 스위칭/변조 소자는 극히 낮은 삽입 손실과 함께 더욱더 높은 디자인 적응성을 제공할 것으로 기대된다.
바람직한 소자의 실시양태는, 예를 들어 특수한 특성, 즉 변조 매질에 인가되는 제어 전압에 의존하는 3개 이상의 서로 다른 커패시턴스 값을 갖는 가변성 커패시터이다.
따라서, 전자기파 방사선에 대한 개선된 변조 요소 예를 들어 광 변조 요소 및 제어가능한 밀리미터 파 및 마이크로미터 파 구성요소뿐만 아니라, 이들 각각의 변조 매질에 대한 수요가 매우 크다.
놀랍게도,
- 전기장을 발생시킬 수 있는 전극 배열을 갖고,
- 유전 이방성, 바람직하게는 양성 유전 이방성을 갖는 메소제닉 매질을 포함하며,
- 광 변조 요소의 작동 온도들 중 하나 이상에서 2개 이상의 서로 다른 전기-광학 전이를 보이는
전자기파 방사선 변조 요소가 우수한 소자의 제조를 가능하게 함을 발견하였다.
바람직하게는, 이러한 변조 요소는 상기 메소제닉 매질이 네마틱 상으로 존재하고 2개 이상, 바람직하게는 2개의 서로 다른 전기-광학 전이를 보이는 온도에서 작동된다.
다시 말해, 전기장에서의 유효 유전 이방성의 2, 3, 4개 및 그 이상의 서로 다른 응답은 각각 3, 4, 5개 및 그 이상의 서로 다른 배향(메소제닉 매질의 방향자(director)의 상태라고도 함)에 대응한다. 즉, 배향 상태의 개수는 전기-광학 전이의 개수보다 항상 적어도 하나 더 많다.
본 발명에 따라 몇몇 용도(예를 들어 메모리 소자, 전자 종이 및 작동형(operational) 요소 예컨대 가산기, 증배기 등)가 본 발명에 바람직한 일부 경우에, 전기장에서의 유전율의 응답은 상기 상이한 상태들 간에 쌍-안정성(bi-stable)일 수 있다. 요컨대, 특성 응답 곡선은 다소 뚜렷한 히스테리시스(hysteresis)를 보일 수 있다.
본원에 따른 요소 또는 소자가 전기-광학 스위칭/변조 요소 또는 소자인 경우, 이들은 바람직하게는 하나 이상의 광 편광 요소를 갖는다.
일반적으로, 본 발명에 따른 광 변조 요소의 콘트라스트, 콘트라스트의 시야각 및 작동 전압은 우수하다. 그러나, 가장 인상적인 것은, 적어도 하나가 중간 회색 수준 상태인 둘 이상 또는 이하의 안정한 상태를 초래하는 둘 이상의 서로 다른 전이가 존재한다는 점이다.
본 발명에 따른 변조 소자는, 예를 들어 마이크로 파 영역에서, 특히 고주파에서 통상의 소자보다 훨씬 더 적은 삽입 손실을 가지며 더 큰 디자인 적응성을 제공한다.
상기 메소제닉 매질은 광 변조 요소의 변조 매질로 사용된다. 본원에서 "메소제닉 매질"이란 용어는 메조 상을 가지거나, 메조 상에서 용해성이거나, 또는 메조 상을 유도하는 매질에 적용된다. 상기 변조 매질은 바람직하게는 스멕틱 또는 바람직하게는 네마틱 상인 메조 상을 나타낸다. 가장 바람직하게는 본 발명에 따라 사용된 매질은 각각 네마틱 상을 나타낸다. 상기 매질은 또한 하나 이상의 스멕틱 상 및 네마틱 상을 나타낼 수 있다. 바람직하게는 상기 매질은 스멕틱 상을 나타내고, 온도 증가에 따라 네마틱 상으로 변환된다. 바람직하게는 상기 매질은 2개의 메조 상, 바람직하게는 스멕틱 및 네마틱 상이 동시에 존재하고/하거나 사이보택틱(cybotactic) 상이 존재하는 온도 범위를 보인다.
예컨대 그 자체로 메조 상을 갖지 않는 예비-혼합물 및 매질 재료, 즉 화합물 성분의 메소제닉 특성 조사에 사용된 매질은 바람직하게는 독일 다름슈타트에 소재한 메르크(Merck KGaA)로부터 입수한 네마틱 혼합물 ZLI-4792이다. 상기 메소제닉 재료는 바람직하게는, 이 혼합물 중의 10% 용액으로부터 외삽시, 0℃ 이상, 특히 바람직하게는 20℃ 이상, 더욱 특히 바람직하게는 40℃ 이상의 등명점(clearing point)을 갖는다.
본 발명에 따른 전자기파 방사선 변조 요소는 바람직하게는, 상기 전자기파 방사선 변조 요소의 사이보택틱 상으로부터의 전이 바로 위의 온도, 작동 온도, 또는 작동 온도들 중 하나 이상에서, 사이보택틱 상 또는 네마틱 상, 바람직하게는 네마틱 상으로 존재하는 메소제닉 변조 매질을 함유한다. 바람직하게는 상기 매질은 사이보택틱 상 및 네마틱 상을 갖고, 상기 광 변조 매질은 사이보택틱 상으로부터 네마틱 상으로의 매질의 전이 온도보다 0°내지 10°, 더욱 바람직하게는 0.1°내지 5°, 더욱더 바람직하게는 0.1°내지 2°, 가장 바람직하게는 0.1°내지 1°높은 범위의 온도에서 작동된다.
이러한 메소제닉 매질은 하나의 기판 위 또는 아래에 위치하는 것이 유리하다. 일반적으로, 상기 메소제닉 매질은 2개의 기판 사이에 위치한다. 상기 메소제닉 매질이 2개의 기판 사이에 위치하는 경우, 바람직하게는 이들 기판 중 하나 이상은 광-투과성이다. 광-투과성 기판은, 예를 들어 유리, 수정 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 사용된 기판이 광-투과성이 아닌 경우, 상기 기판은 특히 금속 또는 반도체로 이루어질 수 있다. 이러한 매질은 그 자체로 기판용으로 사용될 수 있거나 또는 지지체 예컨대 세라믹 위에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 광 변조 요소는, 메소제닉 매질의 주 평면 또는 층에 수직인, 유의적인 성분, 바람직하게는 주된 성분을 갖는 전기장을 발생시키는 전극 구조를 갖는다. 이러한 전극 구조는 통상적인 형태로 설계될 수 있다. 이는 바람직하게는 능동 매트릭스에 의해 디스플레이를 어드레싱시키기 위해 능동 어드레싱 요소를 포함한다. 이러한 유형의 능동 매트릭스 디스플레이는, 바람직하게는 각각 하나가 개별적인 광 변조 요소들 중 하나에 각각 지정된 능동 어드레싱 요소들의 매트릭스를 사용한다. 이러한 능동 어드레싱 요소들은, 예를 들어 TFT 또는 MIM("금속 절연체 금속") 다이오드와 같은 비-선형 전류-전압 특성 선을 갖는다.
상기 전극은 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투명한 금속으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 흑색 마스크로 광 변조 요소의 일부를 덮는 것이 유리할 수도 있고 몇몇 경우는 더욱 필수적일 수 있다. 이는 전기장이 작용하지 않는 영역뿐만 아니라 광 변조 요소 예컨대 능동 어드레싱 요소의 성분들이 감광성인 영역을 노출시켜서 콘트라스트 등 상기 광 변조 요소의 성능이 각각 개선될 수 있게 한다. 그러나, 상기 전극은 또한 불투명한 재료, 보통 금속으로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 별도의 흑색 마스크의 사용은 경우에 따라 생략될 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 전극 구조의 서브-구조는 상기 메소제닉 매질의 2개의 대향 면에 위치한다. 이 경우, 상기 전극의 대응 부분은 바람직하게는 서로 수직이거나 또는 적어도 서로 상당한 정도로, 바람직하게는 우세한 정도로 겹치는 광 변조 매질의 상기 대향 면에 위치하며, 가장 바람직하게는 상기 광 변조 요소의 주 평면으로부터 본질적으로 완전히 수직으로 보인다.
본 발명에 따른 변조 요소의 작동 온도는 바람직하게는 변조 매질의 전이 온도, 일반적으로 고도로 배향된 상으로부터, 즉 고상, 스멕틱 상 또는 사이보택틱 상으로부터 네마틱 상으로, 바람직하게는 액정 상으로부터, 가장 바람직하게는 사이보택틱 상으로부터 네마틱 상으로의 전이 온도보다 높다. 일반적으로 이는 상기 전이 온도보다 0.1°내지 140°, 바람직하게는 0.1°내지 130°, 더욱 바람직하게는 0.1°내지 120°, 특히 바람직하게는 0.1°내지 100°높은 범위로 존재한다.
상기 변조 매질의 네마틱 상은 바람직하게는 60°이상, 더욱 바람직하게는 80°이상, 더욱더 바람직하게는 100°이상, 가장 바람직하게는 120°이상의 폭을 갖는 온도 범위에 걸쳐 확장한다.
본 발명에 따른 광 변조 요소는 하나 이상의 광 편광 요소를 함유한다. 또한, 이는 바람직하게는 추가의 광학적 요소를 함유한다. 추가의 광학적 요소는 제 2 광 편광 요소, 반사판 또는 반투과판(transflector) 또는 이들 요소 하나 이상의 조합이다.
본 발명에 따른 광 변조 요소의 광학적 요소는, 빛이 광 변조 요소의 메소제닉 매질에 통과시, 메소제닉 매질에 진입하기 전과 메소제닉 매질을 떠난 후 둘 다에서 하나 이상의 편광 요소를 1회 이상 통과하는 방식으로 배열된다.
본 발명에 따른 광 변조 요소의 바람직한 실시양태에서, 메소제닉 매질은 2개의 편광기, 즉 편광기와 분석기 사이에 위치한다. 바람직하게는 2개의 선형 편광기가 사용된다. 이 실시양태에서, 편광기의 흡수 축은 바람직하게는 교차되고 바람직하게는 90°각을 형성한다.
본 발명에 따른 광 변조 요소에서의 메소제닉 변조 매질의 층 두께(d)는 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 150 ㎛, 특히 바람직하게는 0.2 ㎛ 내지 100 ㎛, 특히 바람직하게는 0.5 ㎛ 내지 80 ㎛, 더욱 특히 바람직하게는 0.6 ㎛ 내지 60 ㎛이다.
본 발명에 따른 광 변조 요소는 추가로 하나 이상의 광학적 요소 예컨대 비-제한적으로 복굴절 층(예컨대 보상 층), 확산 층, 및 휘도 및/또는 광 수율 또는 시야각 의존도를 증가시키는 요소를 더 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 광 변조 요소의 콘트라스트는 동일한 셀 구조에서 각각 전기-광학 모드로 작동하는 각각의 광 변조 요소들의 그것과 꽤 유사하다. 만일 약간 열등한 것으로 밝혀지는 경우, 이는 각각 더 높은 작동 전압을 인가함으로써 쉽게 개선될 수 있다. 그러나, 이들의 현저한 특성은 서로 약간 다른 2개 이상의 전이를 갖는 전기장에 대한 응답 특성을 구현하는 것에 관한 이들의 유연성이다.
본 발명에 따른 광 변조 요소는 TN 모드, 즉 예컨대 전형적인 TN 셀뿐만 아니라 OCB(광학 보상 휨), IPS(평면 전환 스위칭) 및 FFS(모서리 전계 스위칭) 모드에서 작동하는 통상의 광 변조 요소와 같이 구성될 수 있고, 바람직하게는 구성된다.
본 발명에 따른 광 변조 요소는 바람직하게는 양성 콘트라스트 및 인접한 기판에서 네마틱인 각각 사이보택틱 네마틱 액정의 우선적 배열에 수직인 편광기의 흡수 축을 갖는다.
TN 모드에서 작동하는 본 발명에 따른 광 변조 요소는 바람직하게는 0.30 ㎛ 내지 1.20 ㎛, 바람직하게는 0.32 ㎛ 내지 0.60 ㎛, 가장 바람직하게는 0.35 ㎛ 내지 0.55 ㎛ 범위의 광 지연(optical retardation)을 갖는다.
비-디스플레이 용도를 위한 메소제닉 변조 매질은 바람직하게는 키랄성이 아니다. 공간 광 변조기(SLM)와 같은 이러한 스위칭/변조 소자인 문헌[Chang, M.-S., Panarin, Yu.P., and Farrell, G. SPIE 2002]에 기술된 바와 같은 통신 기술용 고속 전기-광학 셔터(shutter)에서, 스위칭 시간은 디스플레이 용도에서 전형적으로 사용되는 것보다 훨씬 더 짧다.
본 발명에 따른 전기-광학 디스플레이는 본 발명에 따른 하나 이상의 광 변조 요소를 함유한다. 바람직한 실시양태에서, 이는 바람직하게는 능동 매트릭스에 의해 어드레싱된다.
본 발명에 따른 전기-광학 디스플레이는, 특히 텔레비전 스크린, 컴퓨터 모니터 등에 사용되는 경우, 컬러 영상의 표시를 위한 색 필터를 함유할 수 있다. 이러한 색 필터는 상이한 색상의 필터 요소의 모자이크로 이루어지는 것이 유리하다. 전형적으로 색상의 색 필터 모자이크의 요소는 전자기파 방사선에 대한 각각의 변조 요소에 지정된다.
마이크로미터 파 범위에서 작동하는 변조 요소에 대해 본 발명에 따라 사용된 매질의 특성은 유리하게는 미국 특허 공개 제 2005/0067605 A1 호에 상세히 개시된 간섭체(interfering-body) 측정법을 적용하여 특성화시킬 수 있다.
마이크로미터 파 범위에서 작동하는 본 발명에 따른 스위칭/변조 요소를 사용하는 바람직한 구성요소는 위상 천이기, 버랙터(varactor), 라디오파 안테나 어레이 등이다.
본 발명에 따라 사용되는, 밀리미터 파 및/또는 마이크로미터 파 범위, 바람직하게는 마이크로미터 파 범위에서 작동하는 바람직한 메소제닉 변조 매질은 15°/dB 이상, 바람직하게는 20°/dB 이상, 바람직하게는 30°/dB 이상, 바람직하게는 40°/dB 이상, 바람직하게는 50°/dB 이상, 특히 바람직하게는 80°/dB 이상, 더욱 특히 바람직하게는 100°/dB 이상의 위상 천이기 품질을 갖는다.
본 발명에 따라 사용되는 밀리미터 파 및/또는 마이크로미터 파 범위, 바람직하게는 마이크로미터 파 범위에서 작동하는 바람직한 메소제닉 변조 매질의 재료 품질 Δn(밀리미터 파 및/또는 마이크로미터 파)/tan(δ), 바람직하게는 Δn(마이크로미터 파)/tan(δ)는 3 이상, 바람직하게는 4 이상, 바람직하게는 5 이상, 바람직하게는 10 이상, 바람직하게는 15 이상, 바람직하게는 17 이상, 특히 바람직하게는 20 이상, 더욱 특히 바람직하게는 25 이상이다.
본 발명에 따라 사용되는 마이크로미터 파 범위에서 작동하는 메소제닉 변조 매질은 바람직하게는 양성 유전 이방성을 갖는다. 이는 바람직하게는 5 이상, 바람직하게는 10 이상, 특히 바람직하게는 20 이상, 더욱 특히 바람직하게는 30 이상이다.
그러나, 몇몇 실시양태에서, 음성 유전 이방성을 갖는 액정을 사용하는 것이 또한 가능할 수 있고 유리할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 메소제닉 매질은 네마틱 상을 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 메소제닉 매질은, 80°이상, 바람직하게는 90°이상, 가장 바람직하게는 100°이상의 폭을 갖는 범위에 걸쳐 확장되는 네마틱 상을 갖는다. 바람직하게는 상기 사이보택틱 네마틱 상의 범위는 광 변조 요소의 작동 온도 주변에서, 바람직하게는 그 주변을 중심으로 하여, 바람직하게는 대기 온도 주변에서, 가장 바람직하게는 약 20℃의 온도에서 확장된다.
상기 광 변조 요소의 작동 온도가 대기 온도와 다른 경우, 상기 네마틱 상의 온도 범위는 작동 온도를 포함하고, 바람직하게는 그 작동 온도를 중심으로 한다. 다수의 경우, 상기 광 변조 요소의 작동 온도는 대기 온도보다 높다. 이는 예를 들어 일반적으로 백-라이트를 갖는 디스플레이, 특히 프로젝션 디스플레이의 경우, 작동 중의 온도는 60℃까지 또는 심지어는 그 이상으로 상승할 수 있다. 여기서, 본 발명에 따라 사용된 매질의 등명점은 바람직하게는 70℃ 내지 130℃, 특히 바람직하게는 80℃ 내지 150℃ 범위이다.
본 발명에 따라 사용된 메소제닉 변조 매질의 네마틱 상은 바람직하게는 70°이상, 바람직하게는 80°이상, 더욱 바람직하게는 90°이상, 가장 바람직하게는 100°이상, 특히 바람직하게는 120°이상의 온도 범위에 걸쳐 안정하다. 본 발명에 따라 사용된 메소제닉 변조 매질은 바람직하게는 0℃ 이하, 특히 바람직하게는 -20℃ 이하, 더욱 특히 바람직하게는 -40℃ 이하의 온도까지 결정화하지 않는다.
본 발명에 따른 메소제닉 매질은 바람직하게는 20℃에서 0.06 이상 내지 0.35 이하, 특히 바람직하게는 0.065 이상 내지 0.30 이하, 더욱 특히 바람직하게는 0.07 이상 내지 0.25 이하의 복굴절률(Δn)을 갖는다. 그러나, 실제로, 이는 일반적으로 0.530 이하, 보통 0.450 이하이다.
본 발명에 따라 사용된 메소제닉 변조 매질은 양성 유전 이방성을 가지며, 이는 바람직하게는 +4.0 이상, 더욱 바람직하게는 +5.0 이상, 가장 바람직하게는 +7.0 이상의 값을 갖는다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태에서, 변 발명에 따라 사용된 메소제닉 변조 매질은 큰 양성 유전 이방성을 가지며, 이는 바람직하게는 +10.0 이상, 더욱 바람직하게는 +15.0 이상, 가장 바람직하게는 +19.0 이상의 값을 갖는다.
본 발명에 따른 메소제닉 매질은 바람직하게는 수개의 화합물, 바람직하게는 2 내지 40개, 특히 바람직하게는 3 내지 30개, 더욱 특히 바람직하게는 4 내지 25개의 화합물로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 양성 유전 이방성의 본 발명에 따라 사용된 메소제닉 매질은 바람직하게는 하기 성분을 포함한다:
- 바람직하게는 하기 화학식 I의 2개의 고리를 포함하는 하나 이상의 유전적으로 중성(dielectrically neutral)인 화합물을 포함하는 유전적으로 중성인 성분 A:
Figure 112009077461761-pct00001
상기 식에서,
R11 및 R12는 서로 독립적으로 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알콕시, 또는 2 내지 15개의 탄소원자를 갖는 알콕시알킬, 알케닐, 알케닐옥시이고, 바람직하게는 R11은 알킬, 알콕시 또는 알케닐이고, R12는 알킬 또는 알콕시이고, 가장 바람직하게는 R11 및 R12는 각각 서로 독립적으로 7개 이하의 탄소 원자를 갖고;
Figure 112009077461761-pct00002
및
Figure 112009077461761-pct00003
는 각각 서로 독립적으로
Figure 112009077461761-pct00004
또는
Figure 112009077461761-pct00005
이고;
Z1은 단일 결합 또는 -CH=CH-이다.
- 바람직하게는 하기 화학식 II의 음성 유전 이방성을 갖는 하나 이상의 화합물을 포함하는 유전적으로 양성인 성분 B:
Figure 112014075094723-pct00085
상기 식에서,
R2는 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알콕시, 또는 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알콕시알킬, 알케닐, 알케닐옥시이고;
Figure 112009077461761-pct00007
내지
Figure 112009077461761-pct00008
는 각각 서로 독립적으로
Figure 112009077461761-pct00009
바람직하게는
Figure 112013034921445-pct00010
이고;
더욱 바람직하게는 이들 중 하나 이상, 가장 바람직하게는 이들 중 2개 이상은
Figure 112009077461761-pct00011
이고;
X2는 할로겐, 바람직하게는 F 또는 Cl, 할로겐화된 알킬, 알콕시, 알케닐 또는 알케닐옥시, 바람직하게는 -F, -CF3, -OCF3 또는 -OCHF2이고;
Y21 및 Y22는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F, 바람직하게는 Y21 및 Y22 중 적어도 하나는 F이고;
Z21 내지 Z23은 각각 서로 독립적으로 단일 결합, -CH2-CH2-, -CO-O-, 트랜스-CH=CH-, -CH=CF-, -CF=CH-, -CF=CF-, -CH=CH-CO-O-, -CF=CF-CO-O-, -CF=CH-CO-O-, -CH=CF-CO-O-, -CF2-O-, -0-CF2-, -CH2-O-, -0-CH2- 또는 -C≡C-, 바람직하게는 단일 결합, -CH2-CH2- 또는 -CF2-O-이고, 더욱 바람직하게는 Z21은 단일 결합이고, Z22 및 Z23, 존재하는 경우, 이들 중 하나는 단일 결합 또는 -CF2-O-이고 다른 하나는 단일 결합이고;
m 및 n은 각각 서로 독립적으로 0, 1 또는 2, 바람직하게는 0 또는 1이고,
이때 m+n은 0, 1, 2 또는 3, 바람직하게는 0, 1 또는 2, 가장 바람직하게는 0 또는 1이다.
- 선택적으로, 상기 화학식 I의 화합물을 제외한, 하나 이상의 하기 화학식 III의 화합물을 포함하는, 제 2의 유전적으로 중성인 성분 C:
Figure 112009077461761-pct00012
상기 식에서,
R31 및 R32는 각각 서로 독립적으로 각각 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 n-알킬 또는 n-알콕시, 또는 각각 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 알케닐, 알케닐옥시, 알키닐 또는 알콕시알킬, 바람직하게는 n-알킬 또는 알케닐, 바람직하게는 n-알킬, 비닐 또는 1-E-알케닐, 바람직하게는 R31은 n-알킬이고 R32는 비닐 또는 1-E-알케닐이고;
Figure 112009077461761-pct00013
내지
Figure 112009077461761-pct00014
는 각각 서로 독립적으로
Figure 112009077461761-pct00015
바람직하게는
Figure 112009077461761-pct00016
더욱 바람직하게는 이들 중 적어도 하나는, 가장 바람직하게는 이들 중 적어도 2개는
Figure 112013034921445-pct00017
또는
Figure 112013034921445-pct00018
이고;
Z31 및 Z32은 각각 서로 독립적으로 단일 결합, -CH2-CH2-, -CO-O-, 트랜스-CH=CH-, -CH=CF-, -CF=CH-, -CF=CF-, -CH=CH-CO-O-, -CF=CF-CO-O-, -CF=CH-CO-O-, -CH=CF-CO-O-, -CF2-O-, -0-CF2-, -CH2-O-, -0-CH2- 또는 -C≡C-, 바람직하게는 단일 결합, -CH2-CH2- 또는 트랜스-CH=CH-, 바람직하게는 단일 결합 또는 트랜스-CH=CH-, 바람직하게는 단일 결합이고;
l은 O, 1 또는 2, 바람직하게는 O 또는 1, 바람직하게는 O이고,
이때 화학식 I의 화합물은 배제된다.
선택적으로, 본 발명에 따라 사용된 매질은, 화학식 II와 다른 화학식의 유전적으로 음성인 화합물을 하나 이상 포함하는 제 2의 유전적으로 음성인 성분 D를 포함하며, 이는 예를 들어 나프탈렌, 테트라하이드로나프탈렌, 데카하이드로나프탈렌 및 안트라센 고리와 같은 고리화된 고리를 포함할 수 있고, 선택적으로 바람직하게는 하나 이상의 F-원자 및/또는 다른 측방 극성기 예컨대 -CN, -NCS, -CF3 또는 -OCF3, 또는 기타 음성 유전 이방성을 유도하는 잔기 예컨대 하나 이상의 축방향 F, -CF3 또는 -CN 치환체를 갖는 티아졸, 티아다이아졸 또는 사이클로헥산 고리에 의해 측쇄 치환될 수 있다.
이러한 매질의 성분 A는 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I의 화합물을 포 함하고, 특히 바람직하게는 주로, 더욱 특히 바람직하게는 실질적으로 완전히, 하나 이상의 화학식 I의 화합물로 이루어진다.
매우 바람직한 화학식 I의 화합물은 하기 화학식 I-1 내지 I-4의 군으로부터 선택되는 화합물이다:
Figure 112009077461761-pct00019
상기 식에서,
R11 및 R12는 위에 제공된 각각의 의미를 갖고, 바람직하게는 각각 7개 이하의 탄소 원자를 갖고, 가장 바람직하게는
화학식 I-1의 경우,
R11은 알킬, 알콕시 또는 알케닐이고,
R12는 알킬 또는 알케닐이고, 특히 쌍(R11; R12)은 (알킬; 알킬), (알콕시; 알킬), (알케닐, 알킬) 또는 (알케닐, 알케닐), 바람직하게는 (알케닐, 알케닐)이고;
화학식 1-2의 경우,
R11 및 R12는 서로 독립적으로 알킬 또는 알케닐이고, 특히 쌍(R11; R12)은 (알킬; 알킬), (알케닐; 알킬) 또는 (알케닐; 알케닐), 바람직하게는 (알킬; 알킬)이고;
화학식 I-3의 경우,
R11은 알킬 또는 알케닐이고,
R12는 알킬 또는 알콕시이고, 특히 쌍(R11; R12)은 (알킬; 알킬), (알킬, 알콕시) 또는 (알케닐, 알킬)이고;
화학식 I-4의 경우,
R11은 알킬, 바람직하게는 메틸이고,
R12는 알케닐, 바람직하게는 비닐, 1E-프로페닐, 1E-뷰테닐, 3E-뷰테닐 또는 3E-펜테닐이고, 특히 쌍(R11; R12)은 (알킬; 알킬), (알콕시; 알킬), (알케닐, 알킬) 또는 (알케닐, 알케닐), 바람직하게는 (알케닐, 알케닐)이다.
본 발명에 따라 사용된 매질은 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I-4의 화합물을 포함한다.
화학식 I의 화합물에 사용된 알킬 기는 바람직하게는 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 n-알킬, 바람직하게는 메틸, 에틸 또는 프로필이다.
화학식 I의 화합물에 사용된 알콕시 기는 바람직하게는 1 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 알콕시, 바람직하게는 메톡시, 에톡시 또는 프로폭시이다.
화학식 I의 화합물에 사용된 알케닐 기는 바람직하게는 비닐, 1E-프로페닐, 1E-뷰테닐, 3E-뷰테닐 또는 3E-펜테닐이다.
상기 매질의 성분 B는 바람직하게는 하나 이상의 화학식 II의 화합물을 포함하고, 특히 바람직하게는 주로, 더욱 특히 바람직하게는 실질적으로 완전히 하나 이상의 화학식 II의 화합물로 이루어진다.
매우 바람직한 화학식 II의 화합물은 하기 화학식 II-1 내지 II-8의 군으로부터 선택되는 화합물이다:
Figure 112009077461761-pct00020
Figure 112009077461761-pct00021
Figure 112009077461761-pct00022
상기 식에서,
Y23 및 Y24는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F이고;
m은 0 또는 1이고;
다른 파라미터는 상기 화학식 II에 대해 제공된 각각의 의미를 갖고, 바람직하게는 상기 각각의 화합물에 존재하는 Y21 내지 Y24 중 2개 이상은 F이고, 존재하는 나머지는 서로 독립적으로 H 또는 F, 바람직하게는 H이고;
R2는, 각각 1개 또는 2개 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알케닐이고;
X2는 F, Cl 또는 -OCF3이다.
매우 바람직한 화학식 II의 화합물은 하기 서브-화학식 II-1a 내지 II-8a로부터 선택되는 화합물이고, 바람직하게는 II-1a, II-1b, II-1e, II-2c, II-2i, II-4a, II-4c, II-4f이다:
Figure 112009077461761-pct00023
Figure 112009077461761-pct00024
Figure 112009077461761-pct00025
Figure 112009077461761-pct00026
Figure 112009077461761-pct00027
Figure 112009077461761-pct00028
상기 식에서,
파라미터들은 상기 화학식 II 및 그 각각의 서브-화학식에 대해 제공된 의미를 갖고, 바람직하게는 R2는 알킬, 알케닐 또는 알콕시이다.
상기 매질의 성분 C는 바람직하게는 하나 이상의 화학식 III의 화합물을 포함하고, 특히 바람직하게는 주로, 더욱 특히 바람직하게는 실질적으로 완전히, 하나 이상의 화학식 III의 화합물로 이루어진다.
매우 바람직한 화학식 III의 화합물은 하기 화학식 III-1-1 내지 III-3-5의 군으로부터 선택되는 화합물이다:
Figure 112009077461761-pct00029
Figure 112009077461761-pct00030
Figure 112009077461761-pct00031
이때, 화학식 I의 화합물은 배제되고, 파라미터들은 상기 화학식 III 및 그 각각의 서브-화학식에 제공된 각각의 의미를 갖고;
Y31 내지 Y38 중 하나 이상은 F이고, 나머지는 H이고, 바람직하게는 존재하는 Y31 내지 Y38 중 하나 이하는 F이고;
R31 및 R32는 각각 서로 독립적으로 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 n-알킬, n-알콕시, 또는 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 알케닐, 바람직하게는 n-알킬 또는 알케닐, 더욱 바람직하게는 n-알킬, n-알콕시, 비닐 또는 1-E-알케닐, 가장 바람직하게는 R31은 n-알킬 또는 알케닐이고, R32는 n-알킬, n-알콕시, 비닐 또는 1-E-알케닐이고;
화학식에 존재하는 치환체 Y31 내지 Y38 중 절반 이하는 F이고, 더욱 바람직하게는 이들 치환체 중 0, 1, 2 또는 3개, 가장 바람직하게는 0, 1 또는 2개는 F이다.
매우 바람직한 화학식 III의 화합물은 하기 화학식 III-1-1a 내지 III-3-4a의 군으로부터 선택되는 화합물이다:
Figure 112009077461761-pct00032
Figure 112009077461761-pct00033
Figure 112009077461761-pct00034
Figure 112009077461761-pct00035
상기 식에서,
파라미터들은 상기 화학식 III 및 그 각각의 서브-화학식에 대해 제공된 의미를 갖고, 특히 바람직하게는
화학식 III-1-1a에서,
R31은 n-알킬 또는 알케닐이고,
R32는 n-알킬, 알케닐 또는 n-알콕시이고;
화학식 III-2-1a에서,
R31은 n-알킬 또는 알케닐이고,
R32는 n-알킬이다.
본 발명에 따라 사용된 매질은 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I-4의 화합물, 특히 바람직하게는 화학식 I-4a 내지 I-4d의 군으로부터 선택되는 화합물, 바람직하게는 I-4a 및 I-4b를 포함한다:
Figure 112009077461761-pct00036
상기 식에서,
알킬은 1 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기, 특히 메틸이고;
알케닐은 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 알케닐 기, 바람직하게는 비닐 또는 1E-알케닐, 특히 비닐 또는 1E-프로페닐이고;
R12a는 H, 메틸, 에틸 또는 n-프로필, 특히 메틸이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따라 사용된 매질은 바람직하게는 화학식 I의 서브-화학식인 화학식 I-4a', I-4b' 및 I-4c'의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함한다:
Figure 112009077461761-pct00037
상기 식에서,
p는 0 내지 10, 바람직하게는 1 내지 7, 바람직하게는 1 또는 2의 정수이고,
q는 0 내지 10, 바람직하게는 0 내지 3, 바람직하게는 0 또는 1의 정수이고,
k는 0 내지 8, 바람직하게는 0 내지 4, 바람직하게는 0 또는 1의 정수이고,
o는 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 5, 바람직하게는 1, 2 또는 3의 정수이다.
본 발명에 따른 음성 유전 이방성의 메소제닉 매질은 특히 바람직하게는 주로 성분 A 내지 C로 구성된다.
본 발명에 따른 메소제닉 매질은 통상적인 농도의 첨가제 및 키랄 도판트를 더 포함할 수 있다. 이들 추가 성분의 총 농도는 전체 혼합물을 기준으로 0% 내지 10%의 범위, 바람직하게는 0.1% 내지 6%의 범위이다. 이들 중 개별 화합물의 농도는 0.1% 내지 3%의 범위이다. 이들 화합물 및 상기 혼합물의 유사 성분들의 농도는 다른 혼합물 성분들의 농도 범위를 구체화하는 경우에 고려되지 않는다.
변조 매질은 상기 화합물들로부터 통상의 방식으로 수득된다. 더 적은 양으로 사용되는 화합물은 더 많은 양으로 사용된 화합물에 용해되는 것이 유리하다. 혼합 조작 중의 온도가 주성분의 등명점을 초과하여 증가하는 경우, 용해의 완전성은 쉽게 관찰될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따라 사용된 매질은 또한 예를 들어 예비-혼합물을 사용함으로써 다른 방식으로 제조될 수 있다. 사용될 수 있는 예비-혼합물은 특히 동종 화합물들의 혼합물 및/또는 공융 혼합물이다. 그러나, 예비-혼합물은 또한 이미 사용가능한 변조 매질 그 자체일 수 있다. 이는 소위 투-보틀(two-bottle) 또는 멀티-보틀(multi-bottle) 시스템인 경우이다.
본원에서, 달리 명확히 기재되지 않는 한, 하기가 적용된다.
유전적으로 양성인 화합물은 1.5 초과의 Δε를 갖고, 유전적으로 중성인 화합물은 -1.5≤Δε≤1.5 범위의 Δε를 가지며, 유전적으로 음성인 화합물은 -1.5 미만의 Δε를 갖는다. 상기 동일한 정의가 또한 혼합물의 구성요소 및 혼합물에 적용된다. 상기 동일한 정의가 또한 구성요소 및 매질에 적용된다.
상기 화합물뿐만 아니라 이와 같이 조사될 수 없는 그 구성요소의 유전 이방성(Δε)은 호스트 혼합물 중의 각각의 화합물의 10% 용액의 값을 각각의 100% 화합물에 대해 외삽함으로써 1kHz 및 20℃에서 결정된다. 시험 혼합물의 커패시턴스는 호메오트로픽(homeotropic) 모서리 정렬을 갖는 셀 및 호모지니어스(homogeneous) 모서리 정렬을 갖는 셀 둘 다에서 결정된다. 배향 층은 호메오트로픽 배향(ε∥)의 경우 일본 닛산 케미칼스(Nissan Chemicals)로부터의 SE-1211이고, 호모지니어스 배향(ε⊥)의 경우 일본 재팬 신쎄틱 러버(Japan Synthetic Rubber)로부터의 폴리이미드 AL-1054이다. 상기 두 가지 셀 유형의 층 두께는 약 20 ㎛이다. 1 kHz의 주파수 및 전형적으로 0.2 V 내지 1.0 V의 유효 전압(rms, 제곱 평균 제곱근)을 갖는 직사각형 파를 사용하여 측정한다. 그러나, 각각의 경우, 사용되는 전압은 각각의 경우에 조사되는 혼합물의 용량 역치(capacitive threshold)보다 더 낮다.
유전적으로 양성인 화합물의 경우에는 혼합물 ZLI-4792가, 유전적으로 중성 및 유전적으로 음성인 화합물의 경우에는 혼합물 ZLI-3086이 호스트 혼합물로 사용되고, 이들 혼합물은 모두 독일의 메르크 KGaA로부터 입수가능하다.
본원에서 "역치 전압"이란 용어는 광학적 역치를 의미하고 10%(V10)의 상대 콘트라스트로 나타낸다. 미드-그레이(mid-grey) 전압 및 포화 전압은 마찬가지로 광학적으로 결정되고 각각 50% 및 90%의 상대 콘트라스트로 나타낸다. 프레드릭스 역치로도 알려진 용량 역치 전압(V0)이 나타나는 경우, 이를 명백히 규정하였다.
제 1 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따라 사용된 매질은 바람직하게는
- 하나 이상의 화학식 I의 유전적으로 중성인 화합물을 바람직하게는 포함하는, 더욱 바람직하게는 이들로 주로 구성되는, 가장 바람직하게는 이들로 실질적으로 완전히 구성되는, 유전적으로 중성인 성분 A 30% 내지 60%;
- 하나 이상의 화학식 II의 음성 유전 이방성 화합물을 바람직하게는 포함하는, 더욱 바람직하게는 이들로 주로 구성되는, 가장 바람직하게는 이들로 실질적으로 완 전히 구성되는, 유전적으로 양성인 성분 B 20% 내지 50%; 및
- 선택적으로, 바람직하게는 필수적으로, 화학식 III의 화합물을 바람직하게는 포함하는, 더욱 바람직하게는 이들로 주로 구성되는, 가장 바람직하게는 이들로 실질적으로 완전히 구성되는, 제 2의 유전적으로 중성인 성분 C 10% 내지 40%
를 포함한다.
상기 제 1 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따라 사용된 매질은 바람직하게는 4 내지 7 범위의 유전 이방성을 갖는다.
제 2 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따라 사용된 매질은 바람직하게는
- 하나 이상의 화학식 I의 유전적으로 중성인 화합물을 바람직하게는 포함하는, 더욱 바람직하게는 이들로 주로 구성되는, 가장 바람직하게는 이들로 실질적으로 완전히 구성되는, 유전적으로 중성인 성분 A 10% 내지 20%;
- 하나 이상의 화학식 II의 음성 유전 이방성 화합물을 바람직하게는 포함하는, 더욱 바람직하게는 이들로 주로 구성되는, 가장 바람직하게는 이들로 실질적으로 완전히 구성되는, 유전적으로 양성인 성분 B 40% 내지 80%; 및
- 선택적으로, 바람직하게는 필수적으로, 화학식 III의 화합물을 바람직하게는 포함하는, 더욱 바람직하게는 이들로 주로 구성되는, 가장 바람직하게는 이들로 실질적으로 완전히 구성되는, 제 2의 유전적으로 중성인 성분 C 10% 내지 45%
를 포함한다.
상기 제 2 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따라 사용된 매질은 바람직하게는 7 이상의 유전 이방성을 갖는다.
기재된 값의 범위는 바람직하게는 한계치를 포함한다.
본원에서 달리 명백히 나타내지 않는 한 다음의 정의 및 조건이 적용된다. 농도는 중량%로 제공되고 완전 혼합물에 기초한다. 온도는 섭씨 온도(℃)로 표시되고 온도차는 차동 섭씨 온도(°)로 나타낸다. 모든 물성은 문헌["Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals", Version of Nov. 1997, Merck KGaA, Germany]에 기재된 바와 같이 결정되고, 20℃의 온도에 대해 나타낸다. 복굴절률로도 알려진, 광학적 이방성(Δn)은 589.3 nm의 파장에서 결정된다. 유전 이방성(Δε)은 1 kHz의 주파수에서 결정된다. 두 가지 기준 재료, 즉 위에서 이미 언급된 호스트 혼합물 ZLI-4792 및 역시 메르크 KGaA로부터 입수가능한 익히 공지된 혼합물 ZLI-2293의 물성들을 하기 표에 나타내었다.
Figure 112009077461761-pct00038
다른 가능한 목록에서, 단지 복수 형태만이 기재되는 경우, 이는 또한 단수 형태도 의미한다.
매질의 조성물 또는 이의 구성요소에 대한 세부사항과 관련하여,
- "포함하는"이란 기준 단위, 즉 매질 또는 구성요소 단위에서 언급된 각각의 재료, 즉 구성요소 또는 화합물의 농도가 바람직하게는 10% 이상, 특히 바람직하게는 20% 이상, 더욱 특히 바람직하게는 30% 이상인 것을 의미하고;
- "주로 구성되는"이란 기준 단위에서 상기 재료의 농도가 바람직하게는 50% 이상, 특히 바람직하게는 60% 이상, 더욱 특히 바람직하게는 70% 이상인 것을 의미하고;
- "실질적으로 완전히 구성되는"이란 기준 단위에서 상기 재료의 농도가 바람직하게는 80% 이상, 특히 바람직하게는 90% 이상, 더욱 특히 바람직하게는 95% 이상인 것을 의미한다.
유전 특성, 전기-광학 특성(예컨대 역치 전압) 및 응답 시간은 독일 다름스타트에 소재한 메르크 KGaA에서 제조된 시험 셀에서 결정되었다. Δε의 결정을 위한 시험 셀은 22 ㎛의 층 두께 및 1.13 ㎠의 면적을 갖는 인듐 주석 산화물(ITO)의 원형 전극 및 유도 방지형 고리를 가졌다. ε∥ 셀의 결정을 위한 호메오트로픽 정렬의 경우, 호메오트로픽으로 정렬시키는 폴리이미드 정렬 층을 갖는 셀을 사용하였다. 다르게는, 레시틴(메르크 KGaA)이 정렬제로 사용할 수도 있다. ε⊥의 결정을 위한 셀은 일본 소재의 재팬 신쎄틱 러버의 폴리이미드 AL-3046의 정렬 층을 가졌다. 커패시턴스는 일반적으로 직사각형 파 및 0.3 Vrms의 유효 전압을 갖는, 미국 휴렛 패커드(Hewlett Packard)의 HP 4274A LCR 계량기를 사용하여 측정되었다. 전기-광학적 조사는 백색광을 이용하여 수행되었다. 특성 전압은 수직 관찰에 의해 결정되었다.
본원에서, 고주파 기술 및 초고주파 기술은 1 MHz 내지 1 THz, 바람직하게는 0.1 GHz 내지 500 GHz, 바람직하게는 2 GHz 내지 300 GHz, 특히 바람직하게는 약 5 GHz 내지 150 GHz 범위의 주파수를 갖는 용도를 가리킨다.
본 발명에 따른 전자기파 방사선 변조 요소에 사용되는 변조 매질은 바람직하게는 특정 온도에서 네마틱 상으로 변환되는 사이보택틱 상을 나타낸다. 본 발명에 따른 전자기파 방사선 변조 요소는 바람직하게는 사이보택틱 상으로부터 네마틱 상으로 각각의 변조 매질의 전이 온도보다 0°내지 10°, 바람직하게는 0.1°내지 5°, 바람직하게는 0.1°내지 2°, 가장 바람직하게는 0.1°내지 1°높은 범위의 온도에서 작동된다.
본 발명에 따른 전자기파 방사선 변조 요소에 사용되는 변조 매질은 변조 요소의 작동 온도 하나 이상에서 바람직하게는 18 pN 이상, 바람직하게는 20 pN 이상, 가장 바람직하게는 25 pN 이상의 탄성 상수 k1을 갖는다.
본 발명에 따른 전자기파 방사선 변조 요소에 사용되는 변조 매질은 변조 요소의 작동 온도 하나 이상에서 바람직하게는 100 pN 이상, 바람직하게는 200 pN 이상, 가장 바람직하게는 500 pN 이상의 탄성 상수 k3을 갖는다.
하기의 실시예들은 여하한 방식으로든 본 발명을 제한하지 않고 본 발명을 예시한다. 그러나, 이들은 전형적인 실현 가능한 특성뿐만 아니라 이들의 조합을 예시한다.
모든 온도, 예를 들어 녹는점: T(C,N), 스멕틱(S)으로부터 네마틱(N) 상으로 의 전이 온도: T(S,N), 사이보택틱(Y)으로부터 네마틱(N) 상으로의 전이 온도: T(Y,N) 및 등명점: T(N,I)은 섭씨 온도(℃)로 제공되고, 온도차는 섭씨 도(°)로 제공된다.
본 발명에서, 특히 하기의 실시예들에서, 메소제닉 화합물의 구조는 두문자인 약자로 제공된다. 이들 두문자에서, 화학식은 하기와 같이 표 A 내지 C에 사용된 바에 따라 약기된다. 모든 기 CnH2n +1, CmH2m +1 및 ClH2l +1, 및 CnH2n -1, CmH2m -1 및 ClH2l -l은 각각 n개 및 m개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 알킬, 알케닐, 바람직하게는 1E-알케닐이다. 표 A는 화합물의 핵심 구조의 고리 요소에 사용된 코드를 나타낸 것이고, 표 B는 연결 기를 나타낸 것이다. 표 C는 분자의 왼쪽 및 오른쪽 코드 및 기의 의미를 각각 나타낸 것이다. 표 D는 예시적인 화학식 구조들 및 이들 각각의 약자를 나타낸 것이다.
표 A: 고리 요소
Figure 112009077461761-pct00039
Figure 112009077461761-pct00040
Figure 112009077461761-pct00041
Figure 112009077461761-pct00042
표 B: 연결 기
Figure 112009077461761-pct00043
표 C: 말단 기
Figure 112009077461761-pct00044
상기 표에서, n 및 m은 각각 정수이고, 3개 도트 "..."는 표에서 다른 약자를 위한 스페이스 바이다.
하기 표에서는 예시적인 구조들이 그들 각각의 약자와 함께 제공된다. 이들은 약자 규칙의 의미를 예시하기 위한 것이다. 또한, 이들은 바람직하게 사용되는 화합물을 예시한 것이다.
표 D: 예시적인 구조
Figure 112009077461761-pct00045
Figure 112009077461761-pct00046
Figure 112009077461761-pct00047
Figure 112009077461761-pct00048
Figure 112009077461761-pct00049
Figure 112009077461761-pct00050
Figure 112009077461761-pct00051
하기 표 E에서는 본 발명에 따라 사용된 메소제닉 매질에 안정제로 사용될 수 있는 예시적인 화합물들을 나타낸다.
표 E
Figure 112009077461761-pct00052
Figure 112009077461761-pct00053
Figure 112009077461761-pct00054
Figure 112009077461761-pct00055
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 메소제닉 매질은 표 E의 화합물 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함한다.
하기 표 F에서는 본 발명에 따라 사용된 메소제닉 매질에 바람직하게는 키랄 도판트로 사용될 수 있는 예시적인 화합물들을 나타낸다.
표 F
Figure 112009077461761-pct00056
Figure 112009077461761-pct00057
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 메소제닉 매질은 표 F의 화합물 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함한다.
본 발명에 따른 메소제닉 매질은 바람직하게는 상기 표들의 화합물들로 이루어진 군으로부터 선택되는 2개 이상, 바람직하게는 4개 이상의 화합물을 포함한다.
하기 기술된 실시예는 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하지 않고 본 발명을 예시한다. 또한, 이는 당해 분야 숙련자가 본 발명에 의해 달성 가능한 물성, 특히 물성의 조합을 나타낸다.
실시예 1
하기 조성의 액정 혼합물을 포함하는 인가된 전압에 대한 유전율 응답 측정을 통해 탄성 상수 k1 및 k3을 결정하기 위한 시험 셀을 제조하여 조사하였다.
Figure 112009077461761-pct00058
먼저 0.2로부터 20 V까지 단계적으로 전압을 증가("업"이라 함)시키고, 이어서 20.0으로부터 0.2까지 단계적으로 감소("다운"이라 함)시킴으로써, 상기 혼합물을 셀 내에서 관찰한다. 이는 2개의 명백히 서로 다른 전이를 갖는 응답을 나타낸다. 이들 전이 중 제 2의 전이가 뚜렷한 히스테리시스를 갖는다. 이를 하기 표에 나타내었다.
Figure 112009077461761-pct00059
Figure 112009077461761-pct00060
Figure 112009077461761-pct00061
Figure 112009077461761-pct00062
Figure 112009077461761-pct00063
Figure 112009077461761-pct00064
Figure 112009077461761-pct00065
Figure 112009077461761-pct00066
Figure 112009077461761-pct00067
Figure 112009077461761-pct00068
Figure 112009077461761-pct00069
제 2의 전이는 응답에 있어서 뚜렷한 히스테리시스를 분명히 나타낸다. 상승 전압 곡선과 하강 전압 곡선 간의 차이는 약 2.0 V이다. 이는 히스테리시스 루프의 폭이다. 상기 커패시턴스의 강한 증가는 상승 전압의 경우 약 9.0 V에서 발생하는 반면, 하강 전압의 경우 상기 단계는 약 7.1 V에서 발생한다. 약 9.0 V의 전압에서 상승 전압이 시작되는 제 2의 전이 기울기는 매우 가파르다. 따라서, 여기서 어드레싱 전압이 약간 증가해도 커패시턴스의 강한 상승이 초래된다.
실시예 2
하기 조성의 액정 혼합물을 제조하고 실시예 1에 기재된 바와 같이 조사한다.
Figure 112009077461761-pct00070
본 실시예의 결과는 실시예 1의 것과 유사하다.
실시예 3
하기 조성의 액정 혼합물을 제조하고 실시예 1에 기재된 바와 같이 조사한다.
Figure 112009077461761-pct00071
본 실시예의 결과는 실시예 1의 것과 유사하다. 그러나, 여기서 제 2의 전이에서의 응답 히스테리시스는 실시예 1에서보다 더 뚜렷하다.
실시예 4
하기 조성의 액정 혼합물을 제조하고 실시예 1에 기재된 바와 같이 조사한다.
Figure 112009077461761-pct00072
본 실시예의 결과를 하기 표에 나타내었다. 결과는 실시예 1의 것과 유사하나, 여기서 제 2의 전이에서의 응답 히스테리시스는 실시예 1에서보다 덜 뚜렷하다.
Figure 112009077461761-pct00073
Figure 112009077461761-pct00074
Figure 112009077461761-pct00075
Figure 112009077461761-pct00076
Figure 112009077461761-pct00077
Figure 112009077461761-pct00078
Figure 112009077461761-pct00079
Figure 112009077461761-pct00080
Figure 112009077461761-pct00081
Figure 112009077461761-pct00082
Figure 112009077461761-pct00083
이때, 제 2의 전이에서의 커패시턴스의 가파른 증가는 상승 전압의 경우 약 5.5 V의 전압에서 발생하는 반면, 하강 전압의 경우 이는 약 4.9 V에서 발생한다. 즉, 여기서 히스테리시스의 폭은 1.6 V이다.
실시예 5
하기 조성의 액정 혼합물을 제조하고 실시예 1에 기재된 바와 같이 조사한다.
Figure 112009077461761-pct00084
본 실시예의 결과는 실시예 1의 것과 유사하다.

Claims (22)

  1. 전극 배열 및 메소제닉(mesogenic) 변조 매질을 포함하는 전자기파 방사선 변조 요소로서,
    상기 메소제닉 변조 매질이 양성 유전 이방성(dielectric anisotropy)을 갖고;
    상기 메소제닉 변조 매질이 100 pN 이상의 탄성 상수 k3을 가지며,
    상기 변조 요소가, 상기 메소제닉 변조 매질이 2개 이상의 서로 다른(distinct) 전기-광학 전이를 나타내는 온도에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 변조 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    메소제닉 변조 매질이 하기 화학식 I-4의 화합물을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 변조 요소:
    화학식 I-4
    Figure 112014075094723-pct00086
    상기 식에서,
    R11 및 R12는 서로 독립적으로 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알콕시, 또는 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알콕시알킬, 알케닐 또는 알케닐옥시이다.
  3. 제 1 항에 있어서,
    메소제닉 변조 매질이 하기 화학식 II의 화합물을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 변조 요소:
    화학식 II
    Figure 112014075094723-pct00087
    상기 식에서,
    R2는 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 알콕시, 또는 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알콕시알킬, 알케닐 또는 알케닐옥시이고;
    Figure 112014075094723-pct00088
    내지
    Figure 112014075094723-pct00089
    는 각각 서로 독립적으로
    Figure 112014075094723-pct00090
    이고;
    X2는 할로겐, 할로겐화된 알킬, 알콕시, 알케닐 또는 알케닐옥시이고;
    Y21 및 Y22는 각각 서로 독립적으로 H 또는 F이고;
    Z21 내지 Z23은 각각 서로 독립적으로 단일 결합, -CH2-CH2-, -CO-O-, 트랜스-CH=CH-, -CH=CF-, -CF=CH-, -CF=CF-, -CH=CH-CO-O-, -CF=CF-CO-O-, -CF=CH-CO-O-, -CH=CF-CO-O-, -CF2-O-, -O-CF2-, -CH2-O-, -O-CH2- 또는 -C≡C-이고;
    m 및 n은 각각 서로 독립적으로 0, 1 또는 2이고,
    이때 m+n은 0, 1, 2 또는 3이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전극 배열이 메소제닉 변조 매질의 표면에 수직인 유의적인 성분(significant component)을 갖는 전기장을 발생시킬 수 있음을 특징으로 하는, 변조 요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    메소제닉 변조 매질이 사이보택틱(cybotactic) 네마틱(nematic) 상을 가짐을 특징으로 하는, 변조 요소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    변조 요소가, 메소제닉 변조 매질이 2개의 서로 다른 전이를 나타내는 온도에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 변조 요소.
  7. 제 1 항에 있어서,
    변조 요소가, 메소제닉 변조 매질이 전기장에 대한 응답 히스테리시스(hysteresis)를 나타내는 온도에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 변조 요소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    전극이 2개 이상의 부분을 포함하고, 이때 상기 배열의 각각의 하나 이상의 부분이 메소제닉 변조 매질 층의 양면 중 어느 한 쪽에 위치함을 특징으로 하는, 변조 요소.
  9. 제 1 항에 있어서,
    광 변조 요소임을 특징으로 하는, 변조 요소.
  10. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 광 편광 요소를 포함함을 특징으로 하는, 변조 요소.
  11. 제 9 항에 있어서,
    변조 요소를 통과하는 광이, 메소제닉 변조 매질을 통과하기 전과 메소제닉 변조 매질을 통과한 후 각각의 경우에 하나 이상의 광 편광 요소를 통과함을 특징으로 하는, 변조 요소.
  12. 제 9 항에 있어서,
    추가적인 복굴절 층을 함유함을 특징으로 하는, 변조 요소.
  13. 제 9 항에 따른 하나 이상의 변조 요소를 포함하는 전기-광학 디스플레이.
  14. 제 13 항에 있어서,
    능동 매트릭스에 의해 어드레싱(addressing)됨을 특징으로 하는, 전기-광학 디스플레이.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 따른 하나 이상의 전기-광학 디스플레이를 함유하는 전기-광학 디스플레이 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    텔레비전 모니터 및/또는 컴퓨터 모니터로서 사용될 수 있음을 특징으로 하는, 전기-광학 디스플레이 시스템.
  17. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    정보 디스플레이에 사용되는, 변조 요소.
  18. 제 15 항에 있어서,
    비디오 신호의 디스플레이에 사용되는, 전기-광학 디스플레이 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    마이크로미터 파 범위에서 작동가능함을 특징으로 하는, 변조 요소.
  20. 제 19 항에 따른 하나 이상의 변조 요소를 포함하는 변조 소자.
  21. 네마틱 상을 갖는 메소제닉 변조 매질로서,
    양성 유전 이방성을 갖고, 100 pN 이상의 탄성 상수 k3을 가지며, 상기 네마틱 상에서 작동되는 경우 전기장에 대한 응답에서 2개 이상의 서로 다른 전이를 나타내는 것을 특징으로 하는, 메소제닉 변조 매질.
  22. 제 21 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 12 항 및 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 변조 요소에 사용하기 위한, 메소제닉 변조 매질.
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