KR101990164B1 - 액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트, 특히 고주파 장치(예컨대, 마이크로파의 위상을 전환시키기 위한 장치, 특히 마이크로파 위상 어레이 안테나)용 마이크로파 컴포넌트에 관한 것이다.

Description

액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트{LIQUID-CRYSTALLINE MEDIUM AND HIGH-FREQUENCY COMPONENTS COMPRISING SAME}
본 발명은 액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트, 특히 고주파 장치(예컨대, 마이크로파 위상을 전환시키는 장치, 특히 마이크로파 위상 어레이 안테나)용 마이크로파 컴포넌트에 관한 것이다.
액정 매질은 전광 디스플레이(액정 디스플레이 - LCD)에서 정보를 표시하기 위해 얼마 동안 사용되어 왔다.
그러나, 최근에 액정 매질은 또한, 예컨대 국제 특허 출원 제 WO　2011/009524　A8 호 및 독일 특허 제 10　2004　029　429 A 호 및 일본 특허 제 JP　2005-120208　(A) 호에서 마이크로파 기술용 컴포넌트에서의 사용도 제안되었다.
전형적인 마이크로파 용도로서, 문헌[K.C. Gupta, R. Garg, I. Bahl and P. Bhartia: Microstrip Lines and Slotlines, 2nd ed., Artech House, Boston, 1996]에 기술된 바와 같은 반전형(inverted) 마이크로스트립 라인의 개념은, 예를 들어 문헌[D. Dolfi, M. Labeyrie, P. Joffre and J.P. Huignard: Liquid Crystal Microwave Phase Shifter. Electronics Letters, Vol.　29, No.　10, pp.　926-928, May 1993, N. Martin, N. Tentillier, P. Laurent, B. Splingart, F. Huert, PH. Gelin, C. Legrand: Electrically Microwave Tuneable Components Using Liquid Crystals. 32nd European Microwave Conference, pp. 393-396, Milan 2002, or in Weil, C.: Passiv steuerbare Mikrowellenphasenschieber auf der Basis nichtlinearer Dielektrika [Passively Controllable Microwave Phase Shifters based on Nonlinear Dielectrics], Darmstadter Disserta-tionen D17, 2002, C. Weil, G. Lussem, and R. Jakoby: Tuneable Invert-Microstrip Phase Shifter Device Using Nematic Liquid Crystals, IEEE MTT-S Int. Microw. Symp., Seattle, Wash-ington, June 2002, pp. 367-370]에서 메르크 카게아아(Merck KGaA)의 시판 액정 K15과 함께 사용되고 있다. 문헌[C. Weil, G. Lussem, and R. Jakoby: Tuneable Invert-Microstrip Phase Shifter Device Using Nematic Liquid Crystals, IEEE MTT-S Int. Microw. Symp., Seattle, Wash-ington, June 2002, pp. 367-370]은 약 40 V의 제어 전압으로 10 GHz에서 12°/dB의 위상 전환기(phase shifter) 품질을 달성한다. LC의 삽입 손실, 즉 액정에서의 편광 손실에 의해서만 유발되는 손실은 문헌[Weil, C.: Passiv steuerbare Mikrowellenphasenschieber auf der Basis nichtlinearer Dielektrika [Passively Controllable Microwave Phase Shifters based on Nonlinear Dielectrics], Darmstadter Dissertationen D17, 2002]에서 10 GHz에서 약 1 내지 2 dB로 나타난다. 또한, 위상 전환기 손실은 주로 유전체 LC 손실 및 도파관 접합부에서의 손실에 의해 결정된다. 문헌[T. Kuki, H. Fujikake, H. Kamoda and T. Nomoto: Micro-wave Variable Delay Line Using a Membrane Impregnated with Liquid Crystal. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. 2002, pp.　363-366, June 2002, and T. Kuki, H. Fujikake, T. Nomoto: Microwave Variable Delay Line Using Dual-Frequency Switching-Mode Liquid Crystal. IEEE Trans. Micro-wave Theory Tech., Vol.　50, No.　11, pp.　2604-2609, November 2002]은 또한 평면 위상 전환기 배치와 조합하여, 중합된 LC 필름 및 이중-주파수 스위칭-모드 액정의 사용을 제시한다.
특히, 문헌[A. Penirschke, S. Muller, P. Scheele, C. Weil, M. Wittek, C. Hock and R. Jakoby: "Cavity Perturbation Method for Characterization of Liquid Crystals up to 35GHz", 34th European Microwave Conference - Amsterdam, pp. 545-548]은 9 GHz의 주파수에서 공지의 단일 액정 물질 K15(독일, 메르크 카게아아)의 특성을 기술하고 있다.
문헌[A. Gaebler, F. Goelden, S. Muller, A. Penirschke and R. Jakoby "Direct Simulation of Material Permittivites using an Eigen-Susceptibility formulation of the Vector Variational Approach", 12MTC　2009 - International Instrumentation and Measurement Technology Conference, Singapore, 2009 (IEEE), pp. 463-467]은 공지의 액정 혼합물 E7(마찬가지로, 독일, 메르크 카게아아)의 상응하는 특성을 기술하고 있다.
독일 특허 제 10 2004 029 429 A 호는 마이크로파 기술, 특히 위상 전환기에서의 액정 매질의 사용을 기술하고 있다. 독일 특허 제 10 2004 029 429 A 호는 상응하는 주파수 범위에서의 액정 매질의 특성에 대해서 이미 조사하였다.
예를 들어 하기 구조식의 화합물을 포함하는 액정 매질은, 마이크로파 용도를 위한 컴포넌트에 사용하도록 제안된 화합물의 조사를 위한 호스트 혼합물로서 사용되며, 온라인으로 발표된 문헌[F. Golden, "Liquid Crystal Based Microwave Components with Fast Response Times: Materials, Technology, Power Handling Capability", Dissertation, Technische Universitat Darmstadt, 2009, (D17), A. Lapanik, "Single compounds and mixtures for microwave applications, Dielectric, microwave studies on selected systems", Dissertation, Technische Universitat Darmstadt, 2009, (D17), "Nematic LC mixtures with high birefringence in microwave region", A. Lapanik, F. Golden, S. Muller, A. Penirschke, R. Jakoby und W. Haase, Frequenz 2011, 65, 15-19, "Highly birefringent nematic mixtures at room temperature for microwave applications", A. Lapanik, F.Golden , S. Muller, R. Jakoby und W. Haase, Journal of Optical Engineering]뿐만 아니라 독일 공개 특허 제 10　2010　045　370.6 호 및 독일 특허 공개 제　10　2010　051　508.0 호에 기술되어 있다.
Figure 112014031527478-pct00001
그러나, 이러한 조성물은 심각한 단점이 있다. 이들 대부분은 다른 결함 외에도 느린 스위칭 성능을 제공한다.
빠른 스위칭 성능은 모바일 용도, 예를 들어 커뮤니케이션, 텔레비전 또는 비디오를 차량(예를 들면, 선박, 항공, 기차 및 자동차)으로 전송하고 수신하는데 특히 필요하다. 다른 바람직한 용도는 랩탑 PC, 태블릿 컴퓨터 및 모바일 장치에 대한 무선 라우터의 단거리 안테나이다.
이러한 용도에 사용하기 위해, 특히 지금까지의 것과는 달리 특이적이며 비통상적인 특성 또는 특성들의 조합을 갖는 액정 매질이 요구된다.
따라서, 개선된 특징을 갖는 신규한 액정 매질이 필요하다. 특히, 낮은 회전 점도(γ1) 값을 갖고, 또한 허용가능한 조정능(τ)을 나타내는, 빠른 스위층의 액정 매질이 요구된다.
이러한 맥락에서, 마이크로파 영역에서의 유전 이방성은 하기 식으로 정의된다.
Figure 112014031527478-pct00002
조정능(τ)은 하기 식으로 정의된다.
Figure 112014031527478-pct00003
물질 품질(η)은 하기 식으로 정의된다.
Figure 112014031527478-pct00004
이때, 최대 유전 손실은 하기와 같다.
Figure 112014031527478-pct00005
또한, 성분들의 저온 거동에서의 개선에 대한 요구가 있다. 여기서 작동 특성 및 저장 수명 둘 다에서의 개선이 필요하다.
따라서, 상응하는 실제 용도에 적합한 특성을 갖는 액정 매질이 상당히 요구된다.
놀랍게도, 이제 종래 기술의 물질의 단점을 갖지 않거나 적어도 상당히 감소된 정도로만 갖고, 적당히 높은 Δε, 넓은 네마틱 상 범위, 적당히 높은 Δn, 및 특히 허용가능한 조정능과 관련된 낮은 회전 점도를 갖는 액정 매질을 달성할 수 있음이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 개선된 액정 매질은 하기 화학식 I의 화합물을 하나 이상 포함한다:
Figure 112014031527478-pct00006
상기 식에서,
R11 및 R12는 각각 독립적으로, -F, -Cl, -CN, -NCS, 또는 비치환되거나 할로겐 또는 -CN으로 일치환 또는 다중치환될 수 있는 탄소수 1 내지 15의 직쇄 또는 분지쇄 알킬 기이며, 이때 또한 하나 이상의 비인접 -CH2- 기는, 각각의 경우 서로 독립적으로, 산소 원자들이 서로 직접 연결되지 않는 방식으로, -O-, -S-, -NH-, -N(CH3)-, -CO-, -COO-, -OCO-, -O-CO-O-, -S-CO-, -CO-S-, -CH=CH-, -CH=CF-, -CF=CF- 또는 -C≡C-로 대체될 수 있고,
Figure 112014031527478-pct00007
는 각각의 경우 서로 독립적으로,
Figure 112014031527478-pct00008
이고,
Z1은 단일 결합, -CH2CH2-, -CH=CH-, -CF2O-, -OCF2-, -CH2O-, -OCH2-, -COO-, -OCO-, -C2F4-, -C4H9-, -CF=CF- 또는 -C≡C-를 나타낸다.
본 발명은 또한, 상기 및 하기에 기술되는 바와 같은 액정 매질을 포함하는 고주파 기술용 컴포넌트에 관한 것이다. 이러한 맥락에서, 고주파 기술 및 초고주파 기술은 둘 다, 1 MHz 내지 1 THz, 바람직하게는 1 GHz 내지 500 GHz, 더욱 바람직하게는 2 GHz 내지 300 GHz 범위의 주파수를 갖고, 상기 및 하기에 기술되는 바와 같은 액정 매질을 포함하고 마이크로파 범위에서 작동하기에 적합한 고주파 기술용 컴포넌트를 포함하는 용도를 나타낸다.
본 발명은 또한, 고주파 기술용 컴포넌트에서의 상기 및 하기에 기술되는 바와 같은 액정 매질의 용도에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 및 하기에 기술되는 바와 같은 컴포넌트를 포함하는 마이크로파 장치에 관한 것이다.
이러한 장치 및 컴포넌트는 비제한적으로, 위상 전환기, 버랙터(varactor), 무선 및 라디오파 안테나 어레이, 위상 어레이 안테나, 반사 어레이 안테나, 조정가능한 정합 회로, 조정가능한 필터 등이다.
특히, 본 발명의 액정 매질은 하기의 이로운 특징을 나타낸다:
- 상기 매질은 높은 복굴절(Δn), 일반적으로 0.230 이상의 Δn을 나타내고/내거나,
- 상기 매질은 일반적으로 80℃ 이상까지의 허용가능한 네마틱 상 범위를 나타내고/내거나,
- 상기 매질은 마이크로파 범위(19 GHz)에서 높은, 일반적으로 0.50 이상의 유전 이방성 값을 나타내고/내거나,
- 상기 매질은 7 이상의 높은 물질 품질(η) 값을 나타내고/내거나,
- 상기 매질은 일반적으로 0.15 이상의 허용가능한 조정능 값과 함께 600　mPa·s 이하의 낮은 회전 점도 값을 나타낸다.
상기 매질은 특히 대량 생산에 적합하며, 산업 표준 장비를 사용하여 처리될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 액정 매질은 우수한 저장 안정성 및 우수한 저온 안정성을 나타낸다.
바람직한 실시양태에서, 화학식 I의 화합물은 하기 화학식 IA 내지 IC의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00009
상기 식에서,
R11 및 R12는 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고,
Figure 112014031527478-pct00010
는 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖는다.
화학식 IA의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 IA-1 내지 IA-6의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00011
Figure 112014031527478-pct00012
상기 식에서,
R11은 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1, O-CnH2n +1 또는 CH2=CH-(CH2)Z를 나타내고,
n은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타내고,
R12는 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 -F, -Cl, -CN 또는 -NCS, 더욱 바람직하게는 -CN을 나타낸다.
더욱 바람직한 화학식 IA-1 내지 IA-6의 화합물은 화학식 IA-1 및/또는 IA-2 및/또는 IA-3의 화합물로부터 선택되며, 화학식 IA-2의 화합물이 더더욱 바람직하다.
화학식 IB의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 IB-1 내지 IB-3의 화합물로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00013
상기 식에서,
R11은 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1, O-CnH2n+1, CH2=CH-(CH2)Z 또는 (CH2)Z-C≡C-CnH2n +1, 더욱 바람직하게는 CnH2n +1을 나타내고,
R12는 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CmH2m +1, O-CmH2m+1, (CH2)Z-CH=CH2 또는 (CH2)Z-C≡C-CmH2m +1, 더욱 바람직하게는 CmH2m +1 또는 O-CmH2m+1, 가장 바람직하게는 CmH2m +1을 나타내고,
m 및 n은 서로 독립적으로, 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
가장 바람직한 화학식 IB의 화합물은 화학식 IB-1의 화합물이다.
특히 바람직한 화학식 IB-1의 화합물이 하기에 제시된다:
Figure 112014031527478-pct00014
상기 식에서,
R11 *는 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1을 나타내고,
R12 *는 상기 화학식 I에서 R12에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n+1을 나타내고,
n은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
L은 각각 및 각각의 경우 서로 독립적으로, H가 아닌 R11 *의 의미를 갖고,
r은 각각 및 각각의 경우 서로 독립적으로, 0, 1, 2, 3 또는 4를 나타내고,
y 및 z는 서로 독립적으로, 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
더욱 바람직한 화학식 IB-1a 내지 IB-1e의 화합물은 화학식 IB-1a 및 IB-1c의 화합물이다.
화학식 IC의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 IC-1 내지 IC-3의 화합물, 가장 바람직하게는 하기 화학식 IC-1의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00015
상기 식에서,
R11은 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1, O-CnH2n+1, CH2=CH-(CH2)Z 또는 (CH2)Z-C≡C-CnH2n +1을 나타내고,
R12는 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CmH2m +1, O-CmH2m+1, (CH2)Z-CH=CH2 또는 (CH2)Z-C≡C-CmH2m +1을 나타내고,
n 및 m은 서로 독립적으로, 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
특히, 화학식 IC-1 및 IC-3에서 (R11 및 R12)의 바람직한 조합은 (CnH2n +1 및 CmH2m+1), (CnH2n +1 및 O-CmH2m +1), (CH2=CH-(CH2)Z 및 CmH2m +1), (CH2=CH-(CH2)Z 및 O-CmH2m+1), (CnH2n +1 및 (CH2)Z-CH=CH2), ((CnHn +1)-CH=CH-(CH2)Z 및 O-CmH2m +1) 및 ((CnH2n +1 및 (CH2)Z-CH=CH-(CmH2m +1))이다.
다른 바람직한 실시양태에서, 화학식 IC의 화합물은 하기 화학식 IC-4 내지 IC-12의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00016
Figure 112014031527478-pct00017
상기 식에서,
R11은 상기 화학식 I에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1, O-CnH2n+1, CH2=CH-(CH2)Z 또는 (CH2)Z-C≡C-CnH2n +1을 나타내고,
n은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타내고,
R13은 -F, -Cl, -CN 또는 -NCS, 바람직하게는 -CN 또는 -NCS를 나타낸다.
특히 바람직한 화학식 IC-4 내지 IC-13의 화합물은 화학식 IC-4, IC-5, IC-6, IC-7, IC-9, IC-10 및 IC-11의 화합물이다.
바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 하기 화학식 II의 화합물을 하나 이상 포함한다:
Figure 112014031527478-pct00018
상기 식에서,
R21은 상기 화학식 I에서 R11에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n+1, O-CnH2n +1, CH2=CH-(CH2)Z, 더욱 바람직하게는 CnH2n +1을 나타내고,
R22는 상기 화학식 I에서 R11에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CmH2m+1, O-CmH2m +1 또는 (CH2)Z-CH=CH2, 더욱 바람직하게는 CmH2m +1을 나타내고,
n 및 m은 서로 독립적으로, 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
화학식 II의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 IIA 내지 IIE의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00019
Figure 112014031527478-pct00020
상기 식에서,
m은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내다.
특히 바람직한 화학식 IIA 내지 IIE의 화합물은, m이 2 및 4인 화학식 IIC 및 IID의 화합물이다.
바람직한 실시양태에서 본 발명에 따른 액정 매질은 임의적으로 하기 화학식 III의 화합물을 하나 이상 포함한다:
Figure 112014031527478-pct00021
상기 식에서,
R31은 상기 화학식 I에서 R11에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n+1, O-CnH2n +1, CH2=CH-(CH2)Z 또는 (CH2)Z-C≡C-CnH2n +1을 나타내고,
n은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타내고,
Figure 112014031527478-pct00022
는 서로 독립적으로, 및 A32 및/또는 A33가 2회 존재하는 경우 이들 또한 서로 독립적으로,
Figure 112014031527478-pct00023
를 나타내고,
L31 및 L32는 서로 독립적으로, H 또는 F를 나타내고,
X31은 할로겐, 탄소수 1 내지 5의 할로겐화된 알킬 또는 알콕시, 탄소수 2 또는 3의 할로겐화된 알켄일 또는 알켄일옥시, -CN 또는 -NCS, 바람직하게는 -F, -Cl, -OCF3, -CN 또는 -NCS, 더욱 바람직하게는 -F, -Cl, -OCF3 또는 -CN이고,
Z31 내지 Z33는 서로 독립적으로, 및 Z31 및/또는 Z32가 2회 존재하는 경우 이들 또한 서로 독립적으로, -CH2CH2-, -CF2CF2-, -COO-, 트랜스-CH=CH-, 트랜스-CF=CF-, -CH2O-, -CF2O- 또는 단일 결합, 바람직하게는 -CH2CH2-, -CH=CH-, -CF2O- 또는 단일 결합, 더욱 바람직하게는 -CF2O- 또는 단일 결합을 나타내고,
p 및 q는 서로 독립적으로, 0, 1, 2 및 3, 바람직하게는 0, 1 및 2이고, 이때 p + q는 1 이상이다.
화학식 III의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 IIIA 내지 IIID의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00024
상기 식에서, R31, A31 내지 A33, Z31 내지 Z33, L31, L32 및 X31은 상기 화학식 III에서 제시된 의미를 갖는다.
바람직한 화학식 IIIA의 화합물은 하기 제시되는 바와 같은 화학식 IIIA-1 내지 IIIA-31의 화합물로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00025
Figure 112014031527478-pct00026
Figure 112014031527478-pct00027
Figure 112014031527478-pct00028
Figure 112014031527478-pct00029
상기 식에서, R31 및 X31은 상기 화학식 III에서 제시된 의미를 갖는다.
특히 바람직한 화학식 IIIA-1 내지 IIIA-31의 화합물은 화학식 IIIA-4, IIIA-6, IIIA-8 및 IIIA-22의 화합물이다.
화학식 IIIB의 화합물은 바람직하게는 하기 제시되는 바와 같은 화학식 IIIB-1 내지 IIIB-11의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00030
Figure 112014031527478-pct00031
상기 식에서, R31 및 X31은 상기 화학식 III에서 제시된 의미를 갖는다.
특히 바람직한 화학식 IIIB-1 내지 IIIB-11의 화합물은 화학식 IIIB-1, IIIB-4 및 IIIB-10, 더욱 바람직하게는 IIIB-10의 화합물이다.
바람직한 화학식 IIIC의 화합물은 하기 제시되는 바와 같은 화학식 IIIC-1 내지 IIIC-7의 화합물로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00032
상기 식에서, R31 및 X31은 상기 화학식 III에서 제시된 의미를 갖는다.
화학식 IIIC-1, IIIC-4 및 IIIC-7의 화합물이 특히 바람직하다.
바람직한 화학식 IIID의 화합물은 하기 화학식 IIID-1 및 IIID-2의 화합물로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00033
상기 식에서, R31 및 X31은 상기 화학식 III에서 제시된 의미를 갖는다.
본 발명에 따른 매질은 임의적으로, 3개의 6원 고리를 갖는 하기 화학식 IV의 화합물을 하나 이상 포함한다:
Figure 112014031527478-pct00034
상기 식에서,
R41 및 R42는 서로 독립적으로, 탄소수 1 내지 15, 바람직하게는 3 내지 10의 비불소화된 알킬 또는 알콕시, 또는 탄소수 2 내지 15, 바람직하게는 3 내지 10의 비불소화된 알켄일, 알켄일옥시 또는 알콕시알킬, 바람직하게는 비불소화된 알킬 또는 알켄일을 나타내고,
Z41 및 Z42는 서로 독립적으로, -CH2CH2-, 트랜스-CH=CH 또는 단일 결합을 나타내고, 바람직하게는 이들 중 하나 이상이 단일 결합을 나타내고, 특히 바람직하게는 이들 모두 단일 결합을 나타내고,
Figure 112014031527478-pct00035
는 서로 독립적으로,
Figure 112014031527478-pct00036
를 나타낸다.
화학식 IVA의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 IVA-1 내지 IVA-7의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00037
이때, 각각의 경우 화학식 IVA-1의 화합물은 화학식 IVA-2 및 IVA-3의 화합물로부터 배제되고, 화학식 IVA-2의 화합물은 화학식 IVA-3의 화합물로부터 배제되고, 화학식 IVA-6의 화합물은 화학식 IVA-7의 화합물로부터 배제되고,
상기 변수 R41 및 R42는 상기 화학식 VI에서 제시된 각각의 의미를 갖고,
L41 및 L42는 각각 서로 독립적으로, H 또는 F를 나타낸다.
여기서 (R41 및 R42)의 바람직한 조합은 (CnH2n +1 및 CmH2m +1), (CnH2n +1 및 O-CmH2m+1), (CH2=CH-(CH2)Z 및 CmH2m +1), (CH2=CH-(CH2)Z 및 O-CmH2m +1), (CnH2n +1 및 (CH2)Z-CH=CH2), ((CnHn +1)-CH=CH-(CH2)Z 및 O-CmH2m+1) 및 ((CnH2n +1 및 (CH2)Z-CH=CH-(CmH2m +1))이고, 이때
n 및 m은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
특히 바람직한 화학식 IVA-1 내지 IVA-7의 화합물은 화학식 IVA-1의 화합물이다.
본 발명에 따른 매질은 임의적으로, 4개의 6원 고리를 갖는 하기 화학식 V의 화합물을 하나 이상 포함한다:
Figure 112014031527478-pct00038
상기 식에서,
R51 및 R52는 서로 독립적으로, 탄소수 1 내지 15, 바람직하게는 3 내지 10의 비불소화된 알킬 또는 알콕시, 또는 탄소수 2 내지 15, 바람직하게는 3 내지 10의 비불소화된 알켄일, 알켄일옥시 또는 알콕시알킬, 바람직하게는 비불소화된 알킬 또는 알켄일을 나타내고,
Z51 내지 Z53는 서로 독립적으로, -CH2CH2-, 트랜스-CH=CH- 또는 단일 결합을 나타내고, 바람직하게는 이들 중 하나 이상이 단일 결합을 나타내고, 특히 바람직하게는 이들 모두 단일 결합을 나타내고,
Figure 112014031527478-pct00039
는
Figure 112014031527478-pct00040
를 나타내고,
Figure 112014031527478-pct00041
는 서로 독립적으로,
Figure 112014031527478-pct00042
를 나타낸다.
화학식 V의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 VA 내지 VC의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00043
상기 식에서, 변수들은 상기 화학식 V에서 제시된 각각의 의미를 갖고, 바람직하게는
Figure 112014031527478-pct00044
중 하나는
Figure 112014031527478-pct00045
를 나타내고,
R51은 상기 화학식 V에서 제시된 각각의 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1 또는 CH2=CH-(CH2)Z를 나타내고,
R52는 상기 화학식 V에서 제시된 각각의 의미를 갖고, 바람직하게는 CmH2m +1, O-CmH2m+1 또는 (CH2)Z-CH=CH2를 나타내고,
n 및 m은 서로 독립적으로, 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
(R51 및 R52)의 바람직한 조합은, 특히 (CnH2n +1 및 CmH2m +1) 및 (CnH2n +1 및 O-CmH2m+1)이다.
화학식 VA의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 VA-1 내지 VA-6의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00046
상기 식에서,
R51은 상기 화학식 V에서 제시된 각각의 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1 또는 CH2=CH-(CH2)Z를 나타내고,
R52는 상기 화학식 V에서 제시된 각각의 의미를 갖고, 바람직하게는 CmH2m +1, O-CmH2m+1 또는 (CH2)Z-CH=CH2를 나타내고,
n 및 m은 서로 독립적으로, 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
(R51 및 R52)의 바람직한 조합은 특히 (CnH2n +1 및 CmH2m +1)이다.
화학식 VB의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 VB-1 및 VB-2의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00047
상기 식에서, 변수들은 상기 화학식 V에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는
R51은 상기 화학식 V에서 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1을 나타내고,
n은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타낸다.
화학식 VC의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 VC-1의 화합물로부터 선택된다:
Figure 112014031527478-pct00048
상기 식에서,
R51은 상기 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1 또는 CH2=CH-(CH2)Z를 나타내고,
R52는 상기 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CmH2m +1, O-CmH2m +1 또는 (CH2)Z-CH=CH2를 나타내고,
n 및 m은 서로 독립적으로, 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
여기서 (R51 및 R52)의 바람직한 조합은, 특히 (CnH2n +1 및 CmH2m +1) 및 (CnH2n +1 및 O-CmH2m +1), 특히 바람직하게는 (CnH2n +1 및 O-CmH2m +1)이다.
또한, 상기에 명시적으로 언급되지 않은 다른 메소젠성 화합물이 본 발명에 따른 매질에 임의적으로 및 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 화합물은 당업자에게 공지되어 있다.
화학식 I 내지 V의 화합물은 그 자체로 공지되고 유기 화학의 표준 작업(예컨대, 문헌[Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Thieme-Verlag, Stuttgart])에 기술된 방법에 따라 또는 이와 유사하게 합성될 수 있다.
화학식 IB-1c의 화합물의 바람직한 제조 방법을 하기 반응식 1에 도시한다.
[반응식 1]
Figure 112014031527478-pct00049
상기 식에서,
R11 *는 상기 화학식 I에서 R11에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n+1을 나타내고,
R12 *는 상기 화학식 I에서 R12에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n+1을 나타내고,
n은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
L은 각각 및 각각의 경우 서로 독립적으로, H가 아닌 R11 *의 의미 중 하나를 갖고,
r은 각각 및 각각의 경우 서로 독립적으로, 0, 1, 2, 3 또는 4를 나타낸다.
화학식 IB-1e의 화합물의 바람직한 제조 방법을 하기 반응식 2에 도시한다.
[반응식 2]
Figure 112014031527478-pct00050
상기 식에서,
R11 *는 상기 화학식 I에서 R11에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n+1을 나타내고,
R12 *는 상기 화학식 I에서 R12에 대해 제시된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n+1을 나타내고,
n은 1 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 범위의 정수를 나타내고,
L은 각각 및 각각의 경우 서로 독립적으로, H가 아닌 R11 *의 의미 중 하나를 갖고,
r은 각각 및 각각의 경우 서로 독립적으로, 0, 1, 2, 3 또는 4를 나타낸다.
본 발명에 따른 액정 매질은 복수개의 화합물, 바람직하게는 3 내지 20종, 더욱 바람직하게는 3 내지 15종, 더욱 바람직하게는 3 내지 10종의 화합물로 이루어진다. 이들 화합물은 통상적인 방식으로 혼합된다. 일반적으로, 더 적은 양으로 사용되는 화합물의 목적하는 양이, 더 많은 양으로 사용되는 화합물에 용해된다. 더 높은 농도로 사용되는 화합물의 등명점보다 온도가 높은 경우, 용해 과정의 종료를 관찰하기가 특히 용이하다. 그러나, 다른 통상적인 방식으로, 예를 들어 화합물들의 균질 또는 공융(eutectic) 혼합물일 수 있는 소위 예비-혼합물을 사용하거나, 구성성분 자체가 바로 사용될 수 있는 혼합물인 소위 "멀티용기" 시스템(multi-bottle system)을 사용하여 상기 매질을 제조할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 하나 이상의 화학식 I의 화합물 및 하나 이상의 화학식 II의 화합물을 포함한다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 하나 이상의 화학식 I의 화합물, 하나 이상의 화학식 II의 화합물 및 하나 이상의 화학식 III의 화합물을 포함한다.
본 발명의 더더욱 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 하나 이상의 화학식 I의 화합물, 하나 이상의 화학식 II의 화합물, 하나 이상의 화학식 III의 화합물 및 하나 이상의 화학식 IV의 화합물을 포함한다.
특히 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 하나 이상의 화학식 I의 화합물, 하나 이상의 화학식 II의 화합물, 하나 이상의 화학식 III의 화합물, 하나 이상의 화학식 IV의 화합물 및 하나 이상의 화학식 V의 화합물을 포함한다.
특히, 하나 이상의 화학식 I의 화합물 및 하나 이상의 화학식 II의 화합물, 및/또는 하나 이상의 화학식 III의 화합물, 및/또는 하나 이상의 화학식 IV의 화합물 및/또는 하나 이상의 화학식 V의 화합물을 포함하는 액정 매질이 바람직하다.
본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 전체 혼합물의 총 5 내지 80%, 바람직하게는 10 내지 75%, 더욱 바람직하게는 15 내지 65%의 화학식 I의 화합물을 포함한다.
바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 1종, 2종, 3종 또는 그 이상의 화학식 I의 화합물을 포함한다.
본 발명에 따른 액정 매질 바람직하게는,
- 총 1 내지 20%, 바람직하게는 3 내지 15%, 특히 바람직하게는 5 내지 10%의 화학식 IA의 화합물, 및/또는
- 총 5 내지 60%, 바람직하게는 7 내지 50%, 특히 바람직하게는 10 내지 40%의 화학식 IB의 화합물, 및/또는
- 총 3 내지 50%, 바람직하게는 4 내지 45%, 특히 바람직하게는 5 내지 35%의 화학식 IC의 화합물, 및/또는
- 총 10 내지 80%, 바람직하게는 12 내지 70%, 특히 바람직하게는 15 내지 60%의 화학식 II의 화합물, 및/또는
- 총 0 내지 30%, 바람직하게는 1 내지 25% 및 특히 바람직하게는 5 내지 20%의 화학식 III의 화합물, 및/또는
- 총 0 내지 50%, 바람직하게는 3 내지 45% 및 특히 바람직하게는 5 내지 40%의 화학식 IV 및/또는 V의 화합물
을 포함하되, 이들 모두의 총량은 100%이다.
또한, 하기를 포함하되 이들 모두의 총량이 100%인 액정 매질이 바람직하다:
- 전체 혼합물의 총 5 내지 80%, 더욱 바람직하게는 10 내지 75%, 더더욱 바람직하게는 15 내지 65%의 하나 이상의 화학식 I의 화합물, 바람직하게는 화학식 IA, IB 및 IC의 화합물로부터 선택되는 화합물, 더욱 바람직하게는 화학식 IA-2, IB-1a, IB-1c 및 IC-I 내지 IC-3의 화합물로부터 선택되는 화합물, 및
- 전체 혼합물의 총 10 내지 80%, 바람직하게는 12 내지 70%, 특히 바람직하게는 15 내지 60%의 하나 이상 화학식 II, 바람직하게는 화학식 IIA 내지 IIE의 화합물로부터 선택되는 화합물, 더욱 바람직하게는 화학식 IIC 및/또는 IID의 화합물로부터 선택되는 화합물, 및/또는
- 임의적으로, 전체 혼합물의 총 0 내지 50%, 더욱 바람직하게는 0 내지 45%, 더더욱 바람직하게는 0 내지 40%의 화학식 III 내지 V의 화합물.
화학식 III 내지 V의 화합물의 특히 바람직한 농도는 다음과 같되, 전체 화합물의 총량은 100%이다:
- 전체 혼합물의 총 1 내지 30%, 바람직하게는 3 내지 25%, 특히 바람직하게는 5 내지 20%의 하나 이상의 화학식 III의 화합물, 바람직하게는 화학식 IIIA 내지 IIID의 화합물로부터 선택되는 화합물, 더욱 바람직하게는 화학식 IIIA-4 및/또는 IIIA-6 및/또는 IIIB-4 및/또는 IIIB-10 및/또는 IIIC-4 및/또는 IIIC-7의 화합물로부터 선택되는 화합물, 및/또는
- 전체 혼합물의 총 1 내지 40%, 바람직하게는 3 내지 35%, 특히 바람직하게는 5 내지 30%의 하나 이상의 화학식 IV의 화합물, 바람직하게는 화학식 IVA-1 내지 IVA-7의 화합물로부터 선택되는 화합물, 더욱 바람직하게는 화학식 IVA-1의 화합물로부터 선택되는 화합물, 및/또는
- 전체 혼합물의 총 1 내지 40%, 바람직하게는 3 내지 35%, 특히 바람직하게는 5 내지 30%의 하나 이상의 화학식 V의 화합물, 바람직하게는 화학식 VA 내지 VC의 화합물로부터 선택되는 화합물, 더욱 바람직하게는 화학식 VA-3 및/또는 VB-1의 화합물로부터 선택되는 화합물.
특히, 본 발명에 따른 액정 매질은 상기 언급된 화합물로 독점적으로 이루어진다.
본원에서 조성물과 관련하여 사용되는 "포함한다"란, 대상 개체, 즉 매질이 지시된 화합물 또는 화합물들을 바람직하게는 3% 이상, 더욱 바람직하게는 5% 이상의 총 농도로 포함하는 것을 의미한다. 또한, "독점적으로 이루어진다"란, 대상 개체가 바람직하게는 99% 이상, 더욱 바람직하게는 100.0%의 지시된 화합물 또는 화합물들을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 액정 매질은 추가로 첨가제, 예컨대 염료, 산화방지제, 키랄 도판트, UV 안정화제를 통상적인 농도로 함유할 수 있다. 이러한 추가 성분의 총 농도는 전체 혼합물을 기준으로 50 ppm 내지 10%, 바람직하게는 100 ppm　내지 6% 범위이다. 사용되는 개별적인 화합물 각각의 농도는 0.1% 내지 3% 범위이다.
본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 80℃ 이상, 더욱 바람직하게는 90℃ 이상, 더더욱 바람직하게는 100℃ 이상, 가장 바람직하게는 120℃ 이상의 등명점을 갖지만, -20℃ 이하, 더욱 바람직하게는 -30℃ 이하, 더더욱 바람직하게는 -40℃ 이하의 결정화 온도를 갖는다. 가장 바람직하게는, 모든 한계치가 독립적으로 서로 조합된다.
가장 바람직하게는, 본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 각각의 경우 적어도 -20℃ 내지 80℃, 바람직하게는 -30℃ 내지 100℃, 더욱 특히 바람직하게는 -40℃ 내지 120℃의 네마틱 상을 갖는다. 가장 바람직하게는, 모든 한계치가 독립적으로 서로 조합된다. 본원에서 "네마틱 상을 갖는다"라는 표현은, 한편으로는, 상응하는 온도에서 저온에서 스멕틱 상 및 결정화가 전혀 관찰되지 않고, 다른 한편으로는, 가열 시 네마틱 상으로부터 등명(clearing)이 일어나지 않음을 의미한다.
1 kHz 및 20℃에서 본 발명에 따른 액정 매질의 Δε은 바람직하게는 1 이상, 더욱 바람직하게는 2 이상, 더욱 바람직하게는 3 이상이다.
본원에서, "양의 유전율을 갖는(dielectrically positive)"이라는 표현은, Δε이 3.0을 초과하는 화합물 또는 성분을 의미하고, "중성 유전율을 갖는(dielectrically neutral)"이라는 표현은, Δε이 -1.5 이상 3.0 이하인 화합물 또는 성분을 의미하며, "음의 유전율을 갖는(dielectrically negative)"이라는 표현은, Δε이 -1.5 미만인 화합물 또는 성분을 의미한다. Δε은 1 kHz 진동수 및 20℃에서 측정된다. 각각의 화합물의 유전 이방성은 네마틱 호스트 혼합물 중의 각각의 개별적인 화합물의 10% 용액의 결과로부터 결정된다. 각각의 화합물의 호스트 혼합물에 대한 용해도가 10% 미만인 경우, 상기 농도는 5%로 감소된다. 시험 화합물의 전기용량(capacitance)은 수직(homeotropic) 정렬을 갖는 셀 및 수평(homogeneous) 정렬을 갖는 셀 둘 다에서 결정된다. 상기 두 유형의 셀 모두에서 셀의 두께는 약 20 ㎛이다. 인가 전압은 1 kHz의 진동수를 갖는 방형파(rectangular wave)이며 전형적으로 0.5V 내지 1.0V의 실효값이지만, 이는 항상 각각의 시험 혼합물의 전기용량의 역치 미만이도록 선택되어야 한다.
Δε은 (ε∥-ε⊥)으로 정의되고, ε평균은 (ε∥+2ε⊥)/3으로 정의된다.
양의 유전율을 갖는 화합물에 사용되는 호스트 혼합물은 혼합물 ZLI-4792이고, 중성 유전율을 갖는 화합물 및 음의 유전율을 갖는 화합물에 사용되는 호스트 혼합물은 혼합물 ZLI-3086이며, 이들은 모두 독일 메르크 카게아아(Merck KGaA)로부터 입수되었다. 화합물의 유전 상수의 절대값은, 관심 화합물을 첨가할 경우 호스트 혼합물의 각각의 값의 변화로부터 결정된다. 상기 값은 관심 화합물의 100% 농도로 외삽된다.
589　nm(NaD) 및 20℃에서, 본 발명에 따른 액정 매질의 Δn은 바람직하게는 0.230 이상 내지 0.90 이하 범위, 더욱 바람직하게는 0.240 이상 내지 0.90 이하 범위, 더더욱 바람직하게는 0.250 이상 내지 0.85 이하 범위이다. 가장 바람직하게는, 모든 한계치가 독립적으로 서로 조합된다.
더욱이, 본 발명에 따른 액정 매질은 19 GHz에서 마이크로파 범위의 높은 유전 이방성 값이, 예를 들어 0.50 이상, 바람직하게는 0.60 이상, 더욱 바람직하게는 0.70 이상인 것을 특징으로 한다. 가장 바람직하게는, 모든 한계치가 독립적으로 서로 조합된다.
상기 액정 매질을 문헌[A. Penirschke, S. Muller, P. Scheele, C. Weil, M. Wittek, C. Hock and R. Jakoby: "Cavity Perturbation Method for Characterization of Liquid Crystals up to 35 GHz", 34th European Microwave Conference - Amsterdam, pp. 545-548]에 기재된 바와 같이 마이크로파 주파수 범위에서 그의 성질에 대해 조사하였다.
또한, 이와 관련하여 측정 방법이 마찬가지로 상세히 기재된 문헌[A. Gaebler, F. Golden, S. Muller, A. Penirschke and R. Jakoby "Direct Simulation of Material Permittivies ...", 12MTC 2009 - International Instrumentation and Measurement 기술 Conference, Singapore, 2009 (IEEE), pp. 463-467] 및 독일 특허 제 10 2004 029 429 A 호와 비교한다.
액정을 폴리테트라플로오로에틸렌(PTFE) 또는 용융(fused) 실리카 모세관으로 도입한다. 이 모세관은 180 ㎛의 내부 반경 및 350 ㎛의 외부 반경을 갖는다. 유효 길이는 2.0 cm이다. 충진된 모세관을 30 GHz의 공명 주파수로 캐버티(cavity)의 중심으로 도입하였다. 이 캐버티는 6.6 mm의 길이, 7.1 mm의 폭 및 3.6 mm의 높이를 가진다. 이어서, 입력 신호(공급원)를 인가하고, 출력 신호의 결과를 상업용 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 기록한다. 다른 주파수(19 GHz)의 경우, 캐버티의 치수가 그에 따라 조절될 수 있다.
액정으로 충진된 모세관을 사용한 측정과 액정으로 충진된 모세관을 사용하지 않는 측정 간의 공명 주파수 및 Q 인자의 변화를, 문헌[A. Penirschke, S. Muller, P. Scheele, C. Weil, M. Wittek, C. Hock and R. Jakoby: "Cavity Perturbation Method for Characterization of Liquid Crystals up to 35 GHz", 34th European Microwave Conference - Amsterdam, pp. 545-548]에 기재된 식 10 및 11에 의해 상응하는 표적 주파수에서의 유전 상수 및 손실 각을 결정하는데 사용한다.
액정의 방향자(director)에 수직 및 수평인 성질을 가진 컴포넌트에 대한 값을 자기장에서의 액정의 정렬에 의해 수득한다. 이를 위해, 영구 자석의 자기장을 사용한다. 자기장의 강도는 0.35 테슬라이다. 자석의 정렬을 상응하게 설정하고, 이어서 90°에 걸쳐 상응하게 회전시킨다.
바람직한 액정 매질의 회전 점도(γ1)는, 바람직하게는 네마틱 상에 대해 상기 지시된 범위와 조합하여, 600 mPa·s 이하, 바람직하게는 400 mPa·s 이하, 더욱 바람직하게는 300　mPa·s 이하, 50 mPa·s 이상, 바람직하게는 100　mPa·s 이상, 더욱 바람직하게는 150 mPa·s 이상이다. 가장 바람직하게는, 모든 한계치가 독립적으로 서로 조합된다.
상기 액정 매질의 조정능(τ)은, 바람직하게는 회전 점도에 대해 상기 제시된 범위와 조합하여, 0.15 이상, 바람직하게는 0.17 이상, 더욱 바람직하게는 0.18 이상, 0.35 이하, 바람직하게는 0.30 이하, 더욱 바람직하게는 0.25 이하이다. 가장 바람직하게는, 모든 한계치가 독립적으로 서로 조합된다.
바람직한 액정 물질의 물질 품질(η)은 8 이상, 바람직하게는 9 이상, 더욱 바람직하게는 10 이상, 35 이하, 바람직하게는 30 이하, 더욱 바람직하게는 25 이하이다. 가장 바람직하게는, 모든 한계치가 독립적으로 서로 조합된다.
바람직하게는, T(N,I), γ1, τ 및 η의 바람직한 범위가 서로 조합된다.
본 발명에 따른 액정 매질은 마이크로파 컴포넌트, 예컨대 조정가능한 위상 전환기의 제조에 매우 적합하다. 이는, 자기장 및/또는 전기장의 인가에 의해 조정될 수 있다. 전기장에 의한 조정이 일반적으로 바람직하다. 이러한 위상 전환기는 UHF-밴드 (0.3 내지 1 GHz), L-밴드 (1 내지 2 GHz), S-밴드 (2 내지 4 GHz), C-밴드 (4 내지 8 GHz), X-밴드 (8 내지 12 GHz), Ku-밴드 (12 내지 18 GHz), K-밴드 (18 내지 27 GHz), Ka-밴드 (27 내지 40 GHz), V-밴드 (50 내지 75 GHz), W-밴드 (75 내지 110 GHz) 및 1 THz 이하에서 작동가능하다.
작동에 바람직한 주파수는 C-밴드, X-밴드, Ku-밴드, K-밴드, Ka-밴드, V-밴드, W-밴드, 및 1 THz 이하이다. 작동에 특히 바람직한 주파수는 Ku-밴드, K-밴드, Ka-밴드, V-밴드, W-밴드, 및 1 THz 이하이다.
본 발명에 따른 위상 전환기의 제조는 숙련자에게 공지되어 있다. 전형적으로, 부하 라인(loaded line) 위상 전환기, "반전형 마이크로스트립 라인"(쇼트(short) IMSL), 핀라인 위상 전환기, 바람직하게는 대척(antipodal) 핀라인 위상 전환기, 슬롯라인 위상 전환기, 마이크로스트립 라인 위상 전환기 또는 동일평면상 도파관(CPW) 위상 전환기가 사용된다. 이러한 컴포넌트는, 완전히 전기적으로 재구성 가능하고, 안테나의 주요 빔 방향을 조종하고 간섭자(interferer)를 지우고/지우거나 높은 지향성을 달성하도록 하는, 재구성가능한 안테나 어레이가 실현되도록 한다. 다른 바람직한 실시양태는, 본 발명에 따른 액정으로 부분적으로 충진된 도파관(국제 특허 출원 공개 제 WO　2011/036243　A1 호에 기술되어 있으며, 이 특허를 본원에 참고로 인용함)이다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명의 위상 전환기들은 어레이 안테나, 바람직하게는 위상 어레이 안테나, 반사 어레이 안테나, 및 비발디(Vivaldi) 안테나로 이루어진 어레이 내로 결합된다.
본 발명에 따른 조정가능한 안테나 어레이의 특히 바람직한 용도는, 예를 들어 위성들 간, 위성으로부터 지상국으로, 이동 지상국으로부터 위성을 통해 고정 지상국으로 또는 다른 이동 지상국으로의 운용을 위한, 예컨대 통신, 텔레비전 또는 비디오를 차량(예를 들면, 선박, 항공, 기차 및 자동차)으로 전송하고 수신하기 위한 위성 통신 시스템이다. 다른 바람직한 용도는 랩탑 PC, 태블릿 컴퓨터 및 모바일 장치에 대한 무선 라우터의 단거리 안테나이다.
액정 및 메소젠과 관련된 용어 및 정의의 개요에 대해서는 문헌[Pure Appl. Chem. 73(5), 888 (2001)] 및 문헌[C. Tschierske, G. Pelzl 및 S. Diele, Angew. Chem. 2004, 116, 6340-6368]을 참고한다.
본원에서 "화합물"이라는 용어는, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 하나의 화합물 및 복수개의 화합물을 둘 다 의미한다.
"메소젠성 기"라는 용어는, 액정(LC) 상 거동을 유도할 수 있는 능력을 갖는 기를 의미한다. 메소젠성 기를 포함하는 화합물 자체가 반드시 LC 상을 나타낼 필요는 없다. 또한, 이 화합물이 다른 화합물과의 혼합물(예컨대, 액정 호스트 혼합물)에서만 LC 상 거동을 나타내거나, 메소젠성 화합물들 또는 이들의 혼합물이 중합될 때 LC 상 거동을 나타낼 수도 있다. 단순화를 위해, "액정"이라는 용어는 이후 메소젠성 물질 및 LC 물질 둘 다에 대해 사용된다.
달리 언급되지 않는 한, 본원에서 제시된 변수 범위는 모두 그 한계값을 포함한다.
명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 본원 전체에 걸쳐 하기 조건 및 정의가 적용된다. 모든 농도는 중량%로 제시되며, 각각의 전체 혼합물에 관한 것이고, 모든 온도는 섭씨 온도로 제시되며, 모든 온도 차이는 섭씨 온도 차이로 제시된다. 모든 물리적 특성은 달리 명백하게 언급되지 않는 한, 문헌["Merck Liquid Crystals, Physical Properties of liquid Crystals", Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germany]에 따라 결정되며, 20℃의 온도에 대하여 제시된다. 광학 이방성(Δn)은 589.3 nm의 파장에서 결정된다. 유전 이방성(Δε)은 1 kHz 주파수, 또는 명시적으로 언급되는 경우, 19 GHz에서 측정된다.
"알킬"이라는 용어는 바람직하게는, 탄소수 1 내지 15의 직쇄 및 분지쇄 알킬 기, 특히 직쇄 기인 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 헵틸을 포함한다. 2 내지 10개의 탄소 원자를 갖는 기가 일반적으로 바람직하다.
"알켄일"이라는 용어는, 탄소수 2 내지 15의 직쇄 및 분지쇄 알켄일 기, 특히 직쇄 기를 포함한다. 바람직한 알켄일 기는 C2- 내지 C7-1E-알켄일, C4- 내지 C7-3E-알켄일, C5- 내지 C7-4-알켄일, C6- 내지 C7-5-알켄일 및 C7-6-알켄일, 특히 C2- 내지 C7-1E-알켄일, C4- 내지 C7-3E-알켄일 및 C5- 내지 C7-4-알켄일이다. 더 바람직한 알켄일 기의 예는 비닐, 1E-프로펜일, 1E-부텐일, 1E-펜텐일, 1E-헥센일, 1E-헵텐일, 3-부텐일, 3E-펜텐일, 3E-헥센일, 3E-헵텐일, 4-펜텐일, 4Z-헥센일, 4E-헥센일, 4Z-헵텐일, 5-헥센일, 6-헵텐일 등이다. 5개 이하의 탄소 원자를 갖는 기가 일반적으로 바람직하다.
"플루오로알킬"이라는 용어는 바람직하게는 말단 불소를 갖는 직쇄 기, 즉, 플루오로메틸, 2-플루오로에틸, 3-플루오로프로필, 4-플루오로부틸, 5-플루오로펜틸, 6-플루오로헥실 및 7-플루오로헵틸을 포함한다. 그러나, 다른 위치의 불소가 배제되는 것은 아니다.
"옥사알킬" 또는 "알콕시알킬"이라는 용어는 바람직하게는 화학식 CnH2n +1-O-(CH2)m의 직쇄 라디칼(이때, n 및 m은 각각 서로 독립적으로, 1 내지 10을 나타냄)을 포함한다. 바람직하게는, n은 1이고, m은 1 내지 6이다.
모든 온도, 예를 들어 융점 T(C,N) 또는 T(C,S), 스멕틱 상(S)으로부터 네마틱 상(N)으로의 전이 T(S, N), 및 액정의 등명점 T(N,I)은 섭씨로 제시된다. 모든 온도 차는 섭씨 온도 차이로 제시된다.
본원 및 특히 하기 실시예에서, 메소젠성 화합물의 구조는 두문자로도 지칭되는 약어로 기재된다. 이러한 두문자에서, 화학식들은 하기 표 A 내지 C를 사용하여 하기와 같이 약기된다. 모든 기 CnH2n +1, CmH2m +1 및 ClH2l +1 또는 CnH2n -1, CmH2m -1 및 ClH2l -1은, n, m 또는 l개의 탄소 원자를 갖는 각각의 경우의 직쇄 알킬 또는 알켄일, 바람직하게는 1-E-알켄일을 각각 나타낸다. 표 A는 화합물의 코어 구조의 고리 요소에 사용되는 코드를 나열한 것이고, 표 B는 연결 기를 나타낸 것이다. 표 C는 좌측 또는 우측 말단 기에 대한 코드의 의미를 제공한다. 표 D는 각각의 약어를 갖는 화합물의 예시적인 구조를 나타낸다.
Figure 112014031527478-pct00051
Figure 112014031527478-pct00052
Figure 112014031527478-pct00053
Figure 112014031527478-pct00054
상기 표들에서, n 및 m은 각각 정수를 나타내고, 3개의 점 "..."은 상기 표의 다른 약어들에 대한 위치 지정자(place-holder)이다.
하기 표는 각각의 약어와 함께 예시적 구조를 나타낸다. 이는, 상기 약어들에 대한 규칙의 의미를 설명하기 위해 제시된다. 이는 또한, 바람직하게 사용되는 화합물들을 제시한다.
Figure 112014031527478-pct00055
Figure 112014031527478-pct00056
Figure 112014031527478-pct00057
Figure 112014031527478-pct00058
Figure 112014031527478-pct00059
Figure 112014031527478-pct00060
Figure 112014031527478-pct00061
[실시예]
하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이지만, 어떠한 방식으로도 본 발명을 한정하지 않는다.
그러나, 하기 물리적 특성으로부터 어떤 물성이 수득될 수 있고 그것이 어떤 범위로 변형될 수 있는지는 당해 분야 숙련자에게 자명하다. 특히, 바람직하게 달성될 수 있는 다양한 특성들의 조합이 당해 분야 숙련자들을 위해 충분히 정의된다.
실시예 1
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-1을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00062
실시예 2
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-2를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00063
실시예 3
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-3를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00064
실시예 4
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-4를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00065
실시예 5
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-5를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00066
실시예 6
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-6를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00067
실시예 7
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-7을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00068
실시예 8
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-8을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00069
실시예 9
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-9을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00070
실시예 10
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-10을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00071
실시예 11
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-11을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00072
실시예 12
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-12를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00073
실시예 13
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-13을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00074
실시예 14
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-14을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00075
실시예 15
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-15을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00076
실시예 16
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-16을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00077
실시예 17
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-17을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00078
실시예 18
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-18을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00079
실시예 19
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-19을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00080
실시예 20
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-20를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00081
실시예 21
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-21을 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00082
실시예 22
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-22를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00083
실시예 23
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-23를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00084
실시예 24
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-24를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00085
실시예 25
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-25를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00086
비교예 1
하기 표에 제시되는 바와 같은 조성 및 특성을 갖는 액정 혼합물 M-25를 제조하였다.
Figure 112014031527478-pct00087
실시예 1 내지 23에 비해, 본 혼합물은 명백히 더 높은 τ 값을 나타냈다.

Claims (20)

  1. 하기 화학식 IB-1, IB-2 및 IB-3의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물,
    하나 이상의 하기 화학식 II의 화합물, 및
    하나 이상의 하기 화학식 III의 화합물
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴포넌트용 액정 매질:
    Figure 112019010356762-pct00105

    상기 식에서,
    R11 및 R12는 각각 독립적으로, -F, -Cl, -CN, -NCS, 또는 비치환되거나 할로겐 또는 -CN으로 일치환 또는 다중치환될 수 있는 탄소수 1 내지 15의 직쇄 또는 분지쇄 알킬 기이며, 이때 또한 하나 이상의 비인접 -CH2- 기는 각각의 경우 서로 독립적으로, 산소 원자들이 서로 직접 연결되지 않는 방식으로, -O-, -S-, -NH-, -N(CH3)-, -CO-, -COO-, -OCO-, -O-CO-O-, -S-CO-, -CO-S-, -CH=CH-, -CH=CF-, -CF=CF- 또는 -C≡C-로 대체될 수 있다.
    Figure 112019010356762-pct00092

    상기 식에서,
    R21은 상기 R11에 대해 제시된 의미를 갖고,
    R22는 상기 R12에 대해 제시된 의미를 갖는다.
    Figure 112019010356762-pct00093

    상기 식에서,
    R31은 상기 R11에 대해 제시된 의미를 갖고,
    Figure 112019010356762-pct00094
    는 서로 독립적으로, 및 A32 및/또는 A33가 2회 존재하는 경우 이들 또한 서로 독립적으로,
    Figure 112019010356762-pct00095
    를 나타내고,
    L31 및 L32는 서로 독립적으로, H 또는 F를 나타내고,
    X31은 할로겐, 탄소수 1 내지 3의 할로겐화된 알킬 또는 알콕시, 탄소수 2 또는 3의 할로겐화된 알켄일 또는 알켄일옥시, -CN 또는 -NCS를 나타내고,
    Z31 및 Z32는 서로 독립적으로, 및 Z31 및/또는 Z32가 2회 존재하는 경우 이들 또한 서로 독립적으로, -CH2CH2-, -CF2CF2-, -COO-, 트랜스-CH=CH-, 트랜스-CF=CF-, -CH2O-, -CF2O- 또는 단일 결합을 나타내고,
    Z33은 -CF2O-을 나타내고,
    p 및 q는 서로 독립적으로, 0, 1, 2 또는 3을 나타내고, 이때 p + q는 1 이상이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    임의적으로, 하기 화학식 IV 및 V로부터 선택되는 화합물을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:
    Figure 112017070723731-pct00096

    상기 식에서,
    R41 내지 R52는 서로 독립적으로, 탄소수 1 내지 15의 비불소화된 알킬 또는 알콕시, 또는 탄소수 2 내지 15의 비불소화된 알켄일, 알켄일옥시 또는 알콕시알킬을 나타내고,
    Z41 및 Z53는 서로 독립적으로, -CH2CH2-, 트랜스-CH=CH- 또는 단일 결합을 나타내고,
    Figure 112017070723731-pct00097
    는 서로 독립적으로,
    Figure 112017070723731-pct00098
    를 나타내고,
    Figure 112017070723731-pct00099
    는
    Figure 112017070723731-pct00100
    를 나타내고,
    Figure 112017070723731-pct00101
    는 서로 독립적으로,
    Figure 112017070723731-pct00102
    를 나타낸다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    하기 화학식 IA 및 IC의 화합물을 1종, 2종 또는 그 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 매질:
    Figure 112019010356762-pct00106

    Figure 112019010356762-pct00107

    상기 식에서,
    R11 및 R12는 제 1 항에서 제시된 의미를 갖고,
    Figure 112019010356762-pct00104
    는 각각의 경우 서로 독립적으로,
    Figure 112019010356762-pct00108
    Figure 112019010356762-pct00109
    이다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    혼합물 중의 화학식 I의 화합물의 비율이 총 5 내지 80 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  7. 제 5 항에 있어서,
    혼합물 중의 화학식 IA의 화합물의 비율이 총 1 내지 20 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  8. 제 1 항에 있어서,
    혼합물 중의 화학식 IB-1, IB-2 및 IB-3의 화합물의 비율이 총 5 내지 60 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  9. 제 5 항에 있어서,
    혼합물 중의 화학식 IC의 화합물의 비율이 총 3 내지 50 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  10. 제 1 항에 있어서,
    혼합물 중의 화학식 II의 화합물의 비율이 총 10 내지 80 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  11. 제 1 항에 있어서,
    혼합물 중의 화학식 III의 화합물의 비율이 총 1 내지 30 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  12. 제 4 항에 있어서,
    혼합물 중의 화학식 IV 및 V의 화합물의 비율이 총 1 내지 40 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  13. 화학식 IB-1, IB-2 및 IB-3의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물, 하나 이상의 화학식 II의 화합물 및 하나 이상의 화학식 III의 화합물을 하나 이상의 추가의 액정 화합물과 혼합하고, 임의적으로 첨가제를 가하는 것을 특징으로 하는, 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질의 제조 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 기술용 컴포넌트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    마이크로파 범위에서 조작하기에 적합한 것을 특징으로 하는 컴포넌트.
  18. 제 16 항에 있어서,
    위상 전환기(phase shifter)인 것을 특징으로 하는 컴포넌트.
  19. 삭제
  20. 제 16 항에 따른 컴포넌트를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 장치.
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