KR102018402B1 - 액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트, 특히 마이크로파 위상을 전환시키는 장치와 같은 고주파 장치, 특히 마이크로파 위상 어레이 안테나용 마이크로파 컴포넌트에 관한 것이다.

Description

액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트{LIQUID CRYSTAL MEDIUM AND HIGH-FREQUENCY COMPONENTS COMPRISING SAME}
본 발명은 액정 매질 및 이를 포함하는 고주파 컴포넌트, 특히 마이크로파 위상을 전환시키는 장치와 같은 고주파 장치, 특히 마이크로파 위상 어레이 안테나용 마이크로파 컴포넌트에 관한 것이다.
오래전부터 액정 매질은 정보를 표시하기 위해 전기-광학 디스플레이(액정 디스플레이 - LCD)에서 사용되어 왔다.
그러나, 최근 액정 매질은 또한 예를 들어 WO 2011/009524 A8, DE 10 2004 029 429 A 및 JP 2005-120208 (A)에서 마이크로파 기술용 컴포넌트에서의 사용에 대해 제안되었다.
전형적인 마이크로파 응용으로서, 문헌[K.C. Gupta, R. Garg, I. Bahl and P. Bhartia: Microstrip Lines and Slotlines, 2nd ed., Artech House, Boston, 1996]에 개시된 바와 같은 반전형 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 Tunable Components Using Liquid Crystals. 32nd European Microwave Conference, pp. 393-396, Milan 2002], 또는 [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: Tunable Invert-Microstrip Phase Shifter Device Using Nematic Liquid Crystals, IEEE MTT -S Int . Microw. Symp ., Seattle, Wash-ington, June 2002, pp. 367-370] 및 메르크 카게아아(Merck KGaA)의 상업적 액정 K15에 사용되고 있다. 문헌[C. Weil, G. Lussem, and R. Jakoby: Tunable 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 상 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] 및 [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 평면 위상 전환기 배치와 함께 중합된 LC 필름 및 이중-주파수 변환-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 기재하고 있다.
문헌[A. Gaebler, F. Goelden, S. Muller, A. Penirschke and R. Jakoby "Direct Simulation of Material Permittivites using an Eigen-Susceptibility Formula-tion of the Vector Variational Approach", 12MTC　2009 - International Instrumentation and Measurement Technology Conference, Singapore, 2009 (IEEE), pp. 463-467]은 공지의 액정 혼합물 E7(독일, 메르크 카게아아)의 상응하는 특성을 기재하고 있다.
DE 10 2004 029 429 A는 마이크로파 기술, 특히 위상 전환기에서의 액정 매질의 사용을 기재하고 있다. DE 10 2004 029 429 A는 상응하는 주파수 범위에서의 액정 매질의 특성에 대해서 이미 조사하였다.
예를 들어 하기 화학식
Figure 112014039068320-pct00001
의 화합물을 포함하는 액정 매질은 화합물의 연구를 위한 호스트 혼합물로서 사용되고, 이는 마이크로파 제품을 위한 컴포넌트에서의 사용에 제안되어지고, 문헌[F. Goelden, "Liquid Crystal Based Microwave Component 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. Goelden, S. Miller, 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, published online], 뿐만 아니라 공개된 특허 DE　10　2010　045　370.6 및 DE　10　2010　051　508.0에 기술되어 있다. 또한, DE 10 2010 051 508.0은 마이크로파 제품에 있어 올리고-페닐렌 화합물의 비스톨란 화합물과의 조합 사용을 개시한다.
그러나, 이들 조성물은 심각한 단점이 있다. 이들 대부분은 다른 결함 외에도 불리하게 높은 손실 및/또는 부적당한 위상 전환 또는 부적당한 물질 품질을 초래한다.
이들 용도에 사용하기 위해, 특히 지금까지의 것과는 다소 상이하며 비통상적인 특성 또는 특성들의 조합을 갖는 특정 액정 매질이 요구된다.
따라서 개선된 특성을 갖는 신규의 액정 매질이 필요하다. 특히, 마이크로파 범위에서의 손실이 감소되어야 하고, 물질 품질(η)이 개선되어야 한다.
본원 문맥에서, 마이크로파 범위에서의 유전 이방성은 △ε≡(εr,∥-εr,⊥)로 정의된다.
가변도 (τ)는 τ≡(△εr/εr,∥)로 정의된다.
물질 품질(η)은 ηs≡(τ/tanδεr.max)로 정의되고, 이때 최대 유전 손실은 tanδεr.max ≡max.{tanδεr,⊥; tanδεr,∥}이다.
또한, 컴포넌트들의 저온 거동에서의 개선에 대한 요구가 있다. 작동 특성 및 수명(shelf life) 모두에서의 개선이 필요하다.
따라서, 상응하는 실제 용도에 적합한 특성을 갖는 액정 매질에 대한 요구가 상당하다.
놀랍게도 본 발명에서는 종래 기술에서의 물질의 단점을 갖지 않거나 적어도 상당히 감소된 정도로만 갖는, 적절하게 높은 Δε, 140℃ 이상의 적합한 넓은 네마틱 상 범위 및 0.340 이상의 높은 Δη을 갖는 액정 매질을 달성할 수 있음이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 개선된 액정 매질은, 총 농도 90% 이상의 3종 이상의 하기 화학식 I의 화합물을 포함하되, 하기 화학식 Ia의 화합물을 총 농도 45% 이상으로 포함하고, 하기 화학식 Ib의 화합물 및 하기 화학식 Ic의 화합물을 포함한다:
Figure 112014039068320-pct00002
[상기 식에서,
R11은 CnH2n +1 또는 CH2=CH-(CH2)z, 바람직하게는 CnH2n +1을 나타내고,
R12는 CmH2m +1 또는 O-CmH2m +1 또는 (CH2)z-CH=CH2, 바람직하게는 CmH2m +1을 나타내고,
n 및 m은, 서로 독립적으로, 1 내지 9 범위의 정수를 나타내고,
z 는 0, 1, 2, 3 또는 4를 나타낸다]
Figure 112014039068320-pct00003
Figure 112014039068320-pct00004
Figure 112014039068320-pct00005
.
본 발명은 추가로, 상기 및 하기에 기술된 액정 매질을 포함하는 고주파 기술용 컴포넌트에 관한 것이다. 본원에서, 고주파(high-frequency) 기술 및 초고주파(hyper-frequency) 기술 모두, 마이크로파 범위에서 작동하기에 적합한 상기 및 하기에 기술된 액정 매질을 포함하는 고주파 기술용 컴포넌트를 포함하고 1　MHz 내지 1 THz, 바람직하게는 1 GHz 내지 500 GHz, 더욱 바람직하게는 2　GHz 내지 300 GHz, 특히 바람직하게는 약 5 내지 150 GHz의 범위의 주파수를 갖는 제품을 나타낸다.
본 발명은 추가로 고주파 기술용 컴포넌트에서의 상기 및 하기에 기술된 액정 매질의 용도에 관한 것이다.
본 발명은 추가로 상기 및 하기에 기술된 컴포넌트를 포함하는 마이크로파 장치에 관한 것이다.
상기 장치 및 컴포넌트는 비제한적으로, 위상 전환기, 버랙터(varactor), 무선 및 라디오파 안테나 배열, 정합 회로 적응 필터 등을 포함한다.
특히, 본 발명의 액정 매질은 하기 특성들을 나타낸다:
- 보통 0.340 이상의 높은 복굴절률 △η 및/또는
- 보통 140℃ 이상까지의 넓은 네마틱 상 범위 및/또는
- 보통 1.0 이상의 높은 유전 이방성 △ε 및/또는
- 15°/dB 이상의 위상 전환기 품질 및/또는
- 5 이상의 높은 값의 물질 품질(η).
본 발명의 액정 매질은 상기 기준을 충족시키도록 제조된다. 상기 매질은 또한 특히 대량 생산에 적합하고, 산업 표준 장비를 사용하여 가공될 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시양태에서, 액정 매질은 하기 화학식 Id 내지 In의 화합물의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화학식 I의 동족 화합물을 포함할 수 있다:
Figure 112014039068320-pct00006
Figure 112014039068320-pct00007
상기 식에서,
m은 화학식 I에서 주어진 의미를 갖는다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 화학식 I의 화합물의 말단 직쇄 알킬 기는 바람직하게는 할로겐, -알콕시, -알켄일, -알키닐, -NCS 및 SF6으로 치환될 수 있고, 이는 상기에 명백히 언급되어 있지 않고, 또한 임의적으로 및 유리하게 본 발명에 따른 매질에 사용될 수도 있다.
하나 이상의 하기 화학식 II의 화합물을 추가로 포함하는 액정 매질이 매우 바람직하다. 하기 화학식 II의 화합물은 허용가능한 광학 이방성, 고 양성 유전 이방성, 따라서 우수한 조종성 및 넓은 네마틱 상을 특징으로 한다:
Figure 112014039068320-pct00008
상기 식에서,
L21은 R21 또는 X21을 나타내고,
L22는 R22 또는 X22를 나타내고,
R21 및 R22는 서로 독립적으로, H, 1 내지 17개, 바람직하게는 3 내지 10개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화된 알콕시, 또는 2 내지 15개, 바람직하게는 3 내지 10개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화된 알콕시알킬, 바람직하게는 알킬 또는 비플루오르화된 알켄일을 나타내고,
X21 및 X22는 서로 독립적으로, H, F, Cl, -CN, -NCS, -SF5, 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 플루오르화된 알킬 또는 플루오르화된 알콕시, 또는 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 플루오르화된 알켄일, 비플루오르화되거나 플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화되거나 플루오르화된 알콕시알킬, 바람직하게는 플루오르화된 알콕시, 플루오르화된 알켄일옥시, F 또는 Cl을 나타내고,
Figure 112014039068320-pct00009
는 서로 독립적으로,
Figure 112014039068320-pct00010
를 나타낸다.
바람직한 실시양태에서 화학식 II의 화합물은, 바람직하게는 하기 화학식 II-1로부터 선택된다:
Figure 112014039068320-pct00011
상기 식에서, 변수들은 상기 화학식 II에 대해 기재된 개별적인 의미를 갖고, 바람직하게는
R21은 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬 또는 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알켄일을 나타내고,
R22는 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬 또는 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알켄일 또는 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알콕시를 나타내고,
X21 및 X22는, 서로 독립적으로, F, Cl, -OCF3, -CF3, -CN, -NCS 또는 -SF5, 바람직하게는 F, Cl, -OCF3 또는 -CN을 나타낸다.
상기 화학식 II-1의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 II-1a의 화합물의 군으로부터 선택되고, 매우 바람직하게는 이들로 전적으로 구성되어 있다:
Figure 112014039068320-pct00012
상기 식에서, 변수들은 상기 화학식 II-1에 대해 기재된 개별적인 의미를 갖고, 이때
Y21 및 Y22는, 각각 서로 독립적으로, H 또는 F이고, 바람직하게는
R21은 알킬 또는 알켄일이고,
X21은 F, Cl 또는 -OCF3이다.
화학식 II-1a의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 II-1a-1 및 II-1a-4의 화합물의 군으로부터 선택되고, 바람직하게는 하기 화학식 II-1a-1 및 II-1a-2의 화합물의 군으로부터 선택되고, 더욱 바람직하게는 하기 화학식 II-1a의 화합물은 주로, 더욱 더 바람직하게는 본질적으로, 매우 특히 바람직하게는 전적으로 이들로 구성된다:
Figure 112014039068320-pct00013
상기 식에서,
R21은 상기 기재된 의미를 갖고, 바람직하게는 CoH2o +1을 나타내고, 이때
o는 1 내지 15의 범위, 바람직하게는 1 내지 7의 범위 및 특히 바람직하게는 1 내지 5의 범위를 나타낸다.
본 발명에 따른 액정 매질은 추가로 하나 이상의 하기 화학식 III의 화합물을 포함할 수 있다. 화학식 III의 화합물은 수득가능한 광학 이방성, 고 양성 유전 이방성, 따라서 우수한 조종가능성 및 넓은 네마틱 상을 특징으로 한다:
Figure 112014039068320-pct00014
상기 식에서,
L31은 R31 또는 X31을 나타내고,
L32는 R32 또는 X32를 나타내고,
R31 및 R32는, 서로 독립적으로, H, 1 내지 15개, 바람직하게는 3 내지 10개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 알콕시, 또는 2 내지 15개, 바람직하게는 3 내지 10개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 알켄일옥시 또는 알콕시알킬, 바람직하게는 비플루오르화된 알킬 또는 알켄일을 나타내고,
X31 및 X32는, 서로 독립적으로, H, F, Cl, -CN, -NCS, -SF5, 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 플루오르화된 알킬 또는 플루오르화된 알콕시, 또는 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 플루오르화된 알켄일, 비플루오르화되거나 플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화되거나 플루오르화된 알콕시알킬, 바람직하게는 플루오르화된 알콕시, 플루오르화된 알켄일옥시, F 또는 Cl을 나타내고,
Z31 내지 Z33은, 서로 독립적으로, 트랜스-CH=CH-, 트랜스-CF=CF-, -C≡C- 또는 단일 결합을 나타내고, 바람직하게는 이들 중 하나 이상이 단일 결합을 나타내고, 특히 바람직하게는 모두가 단일 결합을 나타내고,
Figure 112014039068320-pct00015
는
Figure 112014039068320-pct00016
를 나타내고,
Figure 112014039068320-pct00017
는 서로 독립적으로,
Figure 112014039068320-pct00018
를 나타낸다.
화학식 III의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 III-1의 화합물의 군으로부터 선택되고, 바람직하게는 이러한 화학식 III의 화합물은 주로, 더욱 바람직하게는 본질적으로, 더욱 더 바람직하게는 전적으로 이들로 구성된다:
Figure 112014039068320-pct00019
상기 식에서, 변수들은 상기 화학식 III의 화합물로 기재된 개별적인 의미를 갖고, 바람직하게는
Figure 112017085912984-pct00020
중 하나는
Figure 112017085912984-pct00046
를 나타내고,
L31은 R31 또는 X31을 나타내고,
L32는 R32 또는 X32를 나타내고,
R31은 상기 기재된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1을 나타내고,
R32는 상기 기재된 의미를 갖고, 바람직하게는 CmH2m +1 또는 O-CmH2m +1을 나타내고,
X31 및 X32는 상기 기재된 의미를 갖고, 바람직하게는 플루오르화된 알콕시, 플루오르화된 알켄일옥시, F 또는 Cl을 나타내고,
n 및 m은 서로 독립적으로, 1 내지 15의 범위, 바람직하게는 1 내지 7의 범위, 특히 바람직하게는 1 내지 5의 범위의 정수이다.
(R31 및 R32)의 바람직한 조합은, 특히, (CnH2n +1 및 CmH2m +1) 및 (CnH2n +1 및 O-CmH2m+1)이다.
화학식 III-1의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 III-1a의 화합물의 군으로부터 선택되고, 더욱 바람직하게는 이러한 화학식 III-1의 화합물은 주로, 더욱 바람직하게는 본질적으로, 매우 특히 바람직하게는 전적으로 이들로 구성된다:
Figure 112014039068320-pct00022
상기 식에서, 변수들은 상기 주어진 의미를 갖고, 바람직하게는
R31은 상기 기재된 의미를 갖고, 바람직하게는 CnH2n +1을 나타내고,
n은 1 내지 15의 범위, 바람직하게는 1 내지 7의 범위, 특히 바람직하게는 1 내지 5의 범위의 정수이고,
X32는 상기 기재된 의미를 갖고, 바람직하게는 F, OCF3 또는 Cl을 나타낸다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 액정 매질은 추가로 하나 이상의 하기 화학식 IV의 화합물을 포함한다. 화학식 IV의 화합물은 높은 광학 이방성, 뛰어난 마이크로파 특성 및 넓은 네마틱 상으로 특징지어진다:
Figure 112014039068320-pct00023
상기 식에서,
R41 내지 R43은 서로 독립적으로, 각각 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화된 알콕시, 각각 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화된 알콕시알킬, 또는 각각 15개 이하의 탄소 원자를 갖는, 사이클로알킬, 알킬사이클로알킬, 사이클로알켄일, 알킬사이클로알켄일, 알킬사이클로알킬알킬 또는 알킬사이클로알켄일알킬을 나타내고,
바람직하게는 R41 및 R42는, 서로 독립적으로, 각각 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화된 알콕시, 또는 각각 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화된 알콕시알킬을 나타내고,
특히 바람직하게는 R41은 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬, 또는 각각 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화된 알콕시알킬이고,
특히 바람직하게는 R42는 각각 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화된 알콕시이고,
바람직하게는 R43은 1 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬, 3 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 사이클로알킬 또는 사이클로알켄일, 4 내지 12개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬사이클로헥실 또는 비플루오르화된 사이클로헥실알킬, 또는 5 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬사이클로헥실알킬, 특히 바람직하게는 사이클로프로필, 사이클로부틸 또는 사이클로헥실, 매우 특히 바람직하게는 n-알킬, 특히 바람직하게는 메틸, 에틸 또는 n-프로필을 나타낸다.
화학식 IV의 화합물은 특히 바람직하게는 하기 화학식 IV-1 내지 IV-3, 바람직하게는 하기 화학식 IV-1 및/또는 IV-2 및/또는 IV-3, 바람직하게는 화학식 IV-1 및 IV-2의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 이러한 화합물은 더욱 바람직하게는 주로, 더욱 바람직하게는 본질적으로, 매우 특히 바람직하게는 전적으로 이들로 구성된다:
Figure 112014039068320-pct00024
상기 식에서,
A4는 3 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 사이클로알킬, 바람직하게는 사이클로프로필, 사이클로부틸 또는 사이클로헥실, 특히 바람직하게는 사이클로프로필 또는 사이클로헥실이고, 매우 특히 바람직하게는 사이클로프로필을 나타내고,
다른 변수들은 화학식 I에 대해 상기 기재된 개별적인 의미를 갖고, 바람직하게는
R41은 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬을 나타내고,
R42는 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬 또는 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알콕시를 나타낸다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 추가로 5 내지 15개의 5-, 6- 또는 7-원 고리, 바람직하게는 임의적으로 치환될 수 있는, 바람직하게는 하기 화학식 V의, 1,4-결합된 페닐렌 고리를 갖는 하나 이상의 화합물을 포함한다. 화학식 IV의 화합물은 높은 광학 이방성 및 우수한 마이크로파 특성으로 특징지어진다:
Figure 112014039068320-pct00025
상기 식에서,
R51 및 R52는, 서로 독립적으로, 할로겐, 바람직하게는 F 또는 Cl, 각각 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화되거나 플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화되거나 플루오르화된 알콕시, 또는 각각 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화되거나 플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화되거나 또는 플루오르화된 알콕시알킬을 나타내고, 이때 하나 이상의 "-CH2-" 기는 또한, 서로 독립적으로, 3 내지 6개의 탄소 원자를 갖는, 바람직하게는 4 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 사이클로알킬로 대체될 수 있고, 달리, 또한, R51 및 R52 중 하나 또는 R51 및 R52 둘 모두가 H를 나타내고,
바람직하게는 R51 및 R52는, 서로 독립적으로, 각각 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화된 알콕시, 또는 각각 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화된 알콕시알킬을 나타내고,
특히 바람직하게는 R51은 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는 비플루오르화된 알킬, 또는 각각 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화된 알콕시알킬을 나타내고,
특히 바람직하게는 R52는 각각 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화된 알콕시를 나타내고,
L51 내지 L54는, 각각의 경우 서로 독립적으로, H, 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬, F 또는 Cl을 나타내고,
i는 5 내지 15의 범위, 바람직하게는 5 또는 8 내지 12의 범위, 특히 바람직하게는 5 또는 9 내지 10의 범위의 정수를 나타내고,
바람직하게는 2개 이상의 치환체가 존재하고,
L51 내지 L54는 H외에 다른 의미를 갖고, 이들은 바람직하게는 알킬을 나타내고,
R51은 CnH2n +1 또는 CH2=CH-(CH2)Z를 나타내고,
R52는 CmH2m +1 또는 O-CmH2m +1 또는 (CH2)Z-CH=CH2를 나타내고, 이때,
n 및 m은, 서로 독립적으로, 1 내지 15, 바람직하게는 1 내지 7, 특히 바람직하게는 1 내지 5의 범위의 정수를 나타내고,
z는 0, 1, 2, 3 또는 4, 바람직하게는 0 또는 2를 나타낸다.
또한, 본 발명은 R51 및 R52 모두가 H 외에 다른 의미를 갖는 화학식 V의 화합물에 관한 것이다.
화학식 V에서 하기 치환기 정의를 갖는 화합물이 바람직하다:
i가 6 내지 8인 경우,
L51 내지 L54는, 각각의 경우 서로 독립적으로, H, 1 내지 8개의 탄소 원자, 특히 바람직하게는 2 내지 5개의 탄소 원자를 갖는 알킬, F 또는 Cl을 나타내고,
존재하는 치환체 L51 내지 L54 중 2개 이상이 바람직하게는 알킬을 나타내고,
i가 9 내지 12인 경우,
L51 내지 L54는, 각각의 경우 서로 독립적으로, H, 3 내지 10개의 탄소 원자, 특히 바람직하게는 4 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 알킬, F 또는 Cl을 나타내고,
존재하는 치환체 L51 내지 L54 중 바람직하게는 3개 이상, 특히 바람직하게는 4개 이상이 알킬을 나타내고,
i가 13 내지 15인 경우,
L51 내지 L54는, 각각의 경우 서로 독립적으로, H, 5 내지 15개의 탄소 원자, 특히 바람직하게는 6 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 알킬, F 또는 Cl을 나타내고,
i는 5 내지 15의 범위, 바람직하게는 5 또는 8 내지 12의 범위, 특히 바람직하게는 5 또는 9 내지 10의 범위의 정수를 나타내고,
존재하는 치환체 L51 내지 L54 중 바람직하게는 4개 이상, 특히 바람직하게는 6개 이상이 알킬을 나타낸다.
화학식 V의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 VA 및 VB의 화합물의 군으로부터 선택된다. 화학식 V의 화합물은 바람직하게는 주로, 더욱 바람직하게는 본질적으로, 매우 특히 바람직하게는 전적으로 이들로 구성된다:
Figure 112014039068320-pct00026
상기 식에서,
n 및 m은, 서로 독립적으로, 1 내지 15, 바람직하게는 3 내지 12의 정수를 나타내고,
p는 1 내지 4의 정수, 바람직하게는 2를 나타내고,
q는 1 내지 6의 정수, 바람직하게는 1 또는 4를 나타내고,
(p + q)는 4 내지 12의 정수, 바람직하게는 4, 6 또는 8을 나타낸다.
하기 화학식 VA-1 내지 VA-3의 화합물의 군으로부터 선택된 화학식 VA의 화합물이 특히 바람직하다:
Figure 112014039068320-pct00027
상기 식에서, k는 2를 나타낸다.
화학식 VB의 바람직한 화합물은 하기 화학식 VB-1 및 VB-2의 화합물의 군으로부터 선택된다:
Figure 112014039068320-pct00028
상기에 명백히 언급되지 않은 다른 메소젠성 화합물 또한, 임의적으로 및 유리하게 본 발명에 따른 매질에 사용될 수 있다. 이러한 화합물은 당업계 숙련자에게 공지되어 있다.
화학식 I 내지 V의 화합물은 그 자체로 공지되고 유기 화학의 표준 기술, 예를 들어, 문헌[Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Thieme-Verlag, Stuttgart]에 기술된 방법에 따라 또는 유사하게 합성될 수 있다.
본 발명에 따른 액정 매질은 다수의 화합물, 바람직하게는 3 내지 15개, 더욱 바람직하게는 3 내지 10개, 매우 바람직하게는 3 내지 5개의 화합물로 구성된다. 이러한 화합물은 통상적인 방법으로 혼합된다. 일반적으로, 더 적은 양으로 사용되는 화합물의 바람직한 양은 더 많은 양으로 사용되는 화합물에 용해된다. 온도가 더 높은 농도로 사용되는 화합물의 등명점을 초과하는 경우, 용해 과정을 완료하는 것을 관찰하기가 특히 용이하다. 그러나, 또한 다른 통상적인 방법으로 매질을 제조할 수 있고, 예를 들어, 소위 예비 혼합물(이는 화합물의 동족 또는 공융 혼합물일 수 있음) 또는 소위 "멀티바틀" 시스템(이의 구성성분이 그들 자체로 사용할 준비가 된 혼합물일 수 있음)을 이용하여 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 3종 이상의 화학식 I의 화합물 및 1종 이상의 화학식 II의 화합물을 포함한다.
본 발명의 더욱 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 3종 이상의 화학식 I의 화합물 및 1종 이상의 화학식 III의 화합물을 포함한다.
더욱 더 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 3종 이상의 화학식 I의 화합물 및 1종 이상의 화학식 IV의 화합물을 포함한다.
특히 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 3종 이상의 화학식 I의 화합물 및 1종 이상의 화학식 V의 화합물을 포함한다.
특히, 3종 이상의 화학식 I의 화합물 및/또는 1종 이상의 화학식 II의 화합물, 및/또는 1종 이상의 화학식 III의 화합물, 및/또는 1종 이상의 화학식 IV의 화합물 및/또는 1종 이상의 화학식 V의 화합물을 포함하는 액정 매질이 바람직하다.
바람직하게는 본 발명에 따른 액정 매질은 화학식 Ia, Ib 및 Ic의 화합물을 총 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상 포함하고, 더욱 바람직하게는 이들로 전적으로 구성된다.
바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 4종, 5종 이상의 화학식 I의 화합물을 포함한다.
본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 화학식 Ia의 화합물을 총 45 내지 73%, 바람직하게는 48 내지 65%, 특히 바람직하게는 50 내지 55%로 포함한다.
본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 화학식 Ib의 화합물을 총 1 내지 30%, 바람직하게는 10 내지 27%, 특히 바람직하게는 15 내지 26%로 포함한다.
본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 화학식 Ic의 화합물을 26 내지 50%, 바람직하게는 26 내지 40%, 특히 바람직하게는 26 내지 30%로 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 상기 액정 매질은 각각의 경우 하나 이상의 화학식 I 및 II 내지 V의 화합물을 포함하고, 화학식 I의 화합물의 농도는 바람직하게는 90 내지 95%이고, 화학식 II 내지 V의 화합물의 농도는 바람직하게는 0 내지 10%, 더욱 바람직하게는 2 내지 10%, 특히 바람직하게는 5 내지 10%이다.
하기 농도의 화학식 Ia, Ib 및 Ic의 화합물을 90 내지 100%, 바람직하게는 95 내지 100%, 단, 총 100% 이하로 포함하는 액정 매질이 추가로 바람직하다:
- 총 혼합물 중 45 내지 73%, 바람직하게는 48 내지 65%, 특히 바람직하게는 50 내지 55%의 화학식 Ia의 화합물, 및/또는
- 총 혼합물 중 1 내지 30%, 바람직하게는 10 내지 27%, 특히 바람직하게는 15 내지 26%의 화학식 Ib의 화합물, 및/또는
- 총 혼합물 중 26 내지 50%, 바람직하게는 26 내지 40%, 특히 바람직하게는 26 내지 30%의 화학식 Ic의 화합물, 및/또는
- 총 혼합물 중 1 내지 18%, 바람직하게는 3 내지 15%, 더욱 바람직하게는 5 내지 10%의, 바람직하게는 화학식 Id 내지 In로 선택된, 하나 이상의 화학식 I의 동족 화합물, 및/또는
- 총 혼합물 중 0 내지 10%, 바람직하게는 2 내지 10%, 매우 바람직하게는 5 내지 10%의 하나 이상의 화학식 II 내지 V의 화합물.
화학식 II 내지 V의 화합물의 특히 바람직한 농도는 하기와 같고, 단 총 혼합물의 총량은 100% 이하이다:
- 총 혼합물 중 0 내지 10%, 바람직하게는 2 내지 10%, 더욱 바람직하게는 5 내지 10%의 하나 이상의 화학식 II, 특히 화학식 II-1a, 특히 화학식 II-1a-1 내지 II-1a-4의 화합물, 및/또는
- 총 혼합물 중 0 내지 10%, 바람직하게는 2 내지 10%, 더욱 바람직하게는 5 내지 10%의 하나 이상의 화학식 II, 특히 화학식 IIIa의 화합물, 및/또는
- 총 혼합물 중 0 내지 10%, 바람직하게는 2 내지 10%, 더욱 바람직하게는 5 내지 10%의 하나 이상의 화학식 IV의 화합물, 특히 화학식 IV-1 내지 IV-a의 화합물, 및/또는
- 총 혼합물 중 0 내지 10%, 바람직하게는 1 내지 10%, 더욱 바람직하게는 5 내지 10%의 하나 이상의 화학식 V, 특히 화학식 VA 및 VB, 특히 화학식 VA-1 내지 VA-3 및 VB-1 내지 VB-2의 화합물.
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 액정 매질은 상술된 화합물로 전적으로 구성된다.
본원에서, 조성물과 관련하여 "포함하다"는 해당 개체가, 즉, 상기 매질이 기재된 화합물 및 화합물들을, 바람직하게는 3% 이상, 매우 바람직하게는 5% 이상의 총 농도로 포함한다는 것을 의미한다. 또한, "전적으로 이루어지다"는 해당 개체가, 기재된 화합물 및 화합물들을, 바람직하게는 99% 이상, 매우 바람직하게는 100.0%로 포함한다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 액정 매질은 염료, 항산화제, 키랄 도판트, UV 안정화제와 같은 추가의 첨가제를 통상의 농도로 포함할 수 있다. 이러한 추가의 구성성분의 총 농도는, 총 혼합물을 기준으로 50 ppm 내지 10%, 바람직하게는 100 ppm　내지 6%의 범위이다. 사용된 개별적인 화합물의 농도는 각각 바람직하게는 0.1% 내지 3%의 범위이다.
본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 140℃ 이상, 더욱 바람직하게는 150℃ 이상, 더욱 바람직하게는 160℃ 이상, 특히 바람직하게는 170℃ 이상, 매우 특히 바람직하게는 180℃ 이상의 등명점을 갖는다.
본 발명에 따른 액정 매질은 바람직하게는 각각의 경우 -20℃ 내지 140℃, 바람직하게는 -30℃ 내지 150℃, 매우 특히 바람직하게는 -40℃ 내지 160℃의 네마틱 상을 갖는다. 특히 바람직하게는 상기 상이 170℃ 이상, 바람직하게는 180℃ 이상 확장된다. 여기에서 "네마틱 상을 갖는다"는 표현은, 상응하는 온도에서 아무런 스메틱 상 및 아무런 결정화가 저온에서 관측되지 않고, 네마틱 상으로부터의 가열시 아무런 등명점이 관측되지 않는다는 것을 의미하다. 20℃의 측정 온도에서 네마틱 상을 갖는 컴포넌트는 그와 같이 측정되고, 모든 다른 것들은 화합물처럼 여겨진다. 저온에서의 조사는 유동 점도계에서 상응하는 온도에서 수행되고, 100 시간 이상 동안 5 μm의 층 두께를 갖는 시험 셀에서 저장에 의해 확인된다. 고온에서, 등명점은 통상적인 방법에 의해 모세관에서 측정된다.
본 발명에 따른 액정 매질의 △ε(1　kHz 및 20℃에서)은 바람직하게는 1 이상, 더욱 바람직하게는 2 이상, 매우 바람직하게는 3 이상이다.
본 발명에서, "유전적으로 양성"이라는 표현은 △ε　>　3.0인 화합물 또는 컴포넌트이고, "유전적으로 중성"은 -1.5 ≤ △ε ≤ 3.0인 것들, "유전적으로 음성"은 △ε　<　-1.5인 것들을 의미한다. △ε는 1　kHz의 주파수 및 20℃에서 결정된다. 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) 배향을 갖는 셀 및 수평(homogeneous) 배향을 갖는 셀 모두에서 결정된다. 상기 두 유형의 셀 모두에서 셀의 두께는 약 20 ㎛이다. 인가 전압은 1 ㎑의 주파수를 갖는 방형파(rectangular wave)이며 전형적으로 0.5V 내지 1.0V의 실효값이지만, 이는 항상 각각의 시험 혼합물의 전기용량의 역치 미만이도록 선택되어야 한다.
△ε는 (ε∥- ε⊥)으로 정의되는 반면, εave .는 (ε∥+2ε⊥)/3으로 정의된다.
유전적으로 양성인 화합물에 사용되는 호스트 혼합물은 혼합물 ZLI-4792이고, 유전적으로 중성인 화합물 및 유전적으로 음성인 화합물에 사용되는 호스트 혼합물은 혼합물 ZLI-3086이며, 이들은 모두 독일 메르크 카게아아로부터 입수된다. 화합물의 유전 상수의 절대값은, 관심 화합물을 첨가할 경우 호스트 혼합물의 각각의 값의 변화로부터 결정된다. 상기 값은 관심 화합물의 100% 농도에 외삽된다.
본 발명에 따른 액정 매질의 △η(589　nm　(NaD) 및 20℃에서)은, 바람직하게는 0.340 이상 내지 0.90 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.350 이상 내지 0.90이하의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.400 이상 내지 0.85 이하의 범위, 매우 특히 바람직하게는 0.450 이상 내지 0.800 이하의 범위이다.
액정 매질은 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 유사하게 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 Technology Conference, Singapore, 2009 (IEEE), pp. 463-467] 및 DE 10 2004 029 429 A와 비교한다.
액정을 폴리테트라플로오로에틸렌(PTFE) 또는 용융 실리카 모세관으로 도입한다. 모세관은 180 ㎛의 내부 반경 및 350 ㎛의 외부 반경을 갖는다. 유효 길이는 2.0 cm이다. 충전된 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. 그 후 입력 신호(공급원)를 인가하고, 출력 신호의 결과를 상업용 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 기록한다. 다른 주파수의 경우(예컨대 19 GHz), 그에 따라서 캐버티의 크기가 조절될 수 있다.
액정으로 충전된 모세관을 사용한 측정과 액정으로 충전된 모세관이 없는 측정 사이의 공명 주파수 및 Q 인자에서의 변화를 사용하여, 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 마이크로파 Conference - Amsterdam, pp. 545-548]에 기재된 식 10 및 11에 의한 상응하는 표적 주파수에서의 유전 상수 및 손실 각을 결정한다.
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, 그 후 90°에 걸쳐 상응하게 회전시킨다.
바람직한 액정 물질의 물질 품질 η=-τ/tanδ⊥은 5 이상, 바람직하게는 6 이상, 바람직하게는 8 이상, 바람직하게는 10 이상, 바람직하게는 15 이상, 바람직하게는 17 이상, 특히 바람직하게는 20 이상, 특히 매우 바람직하게는 25 이상이다.
본 발명에 따른 액정 매질은 가변 위상 전환기와 같은 마이크로파 컴포넌트의 제조에 매우 적합하다. 이들은 자기 및/또는 전기장의 인가에 의해 조정될 수 있다. 전기장에 의한 조정이 일반적으로 바람직하다. 이러한 위상 전환기는 UHF-밴드 (0.3-1GHz), L-밴드 (1-2GHz), S-밴드 (2-4GHz), C-밴드 (4-8GHz), X-밴드 (8-12GHz), Ku-밴드 (12-18GHz), K-밴드 (18-27GHz), Ka-밴드 (27-40GHz), V-밴드 (50-75GHz), W-밴드 (75-110GHz) 및 1THz 이하에서 작동될 수 있다.
작동을 위한 바람직한 주파수는 C-밴드, X-밴드, Ku-밴드, K-밴드, Ka-밴드, V-밴드, W-밴드, 및 1THz 이하이다. 특히 작동을 위한 바람직한 주파수는 Ku-밴드, K-밴드, Ka-밴드, V-밴드, W-밴드, 및 1THz 이하이다.
바람직한 액정 물질은 15°/dB 이상, 바람직하게는 20°/dB 이상, 바람직하게는 30°/dB 이상, 바람직하게는 40°/dB 이상, 바람직하게는 50°/dB 이상, 특히 바람직하게는 80°/dB 이상, 특히 매우 바람직하게는 100°/dB 이상의 위상 전환기 품질을 갖는다.
본 발명에 따른 위상 전환기의 구조가 전문가들에게 공지되어 있다. 전형적으로 로디드 라인(loaded line) 위상 전환기, "역 마이크로스트립 라인" (짧은 IMSL), 핀라인 위상 전환기, 바람직하게는 안티포달(Antipodal) 핀라인 위상 전환기, 슬롯라인 위상 전환기, 마이크로스트립 라인 위상 전환기 또는 공면 도파관 (CPW) 위상 전환기가 사용되었다. 이러한 컴포넌트는 충분히 전기적으로 재구성 가능하고, 안테나의 주요 빔 방향을 조종하게 하고, 간섭자를 없애고/거나 높은 방향성을 달성하게 하는, 재구성 안테나 어레이의 구현을 가능하게 한다. 또 다른 바람직한 실시양태는, 본원에 참고로 인용하는 WO 2011/036243 A1에 기술된 바와 같은 본 발명에 따른 액정으로 부분적으로 충전된 도파관이다.
바람직한 실시양태에서 본 발명의 위상 전환기는 어레이 안테나, 바람직하게는 위상 어레이 안테나, 반사 어레이 안테나, 및 비발디 안테나로 구성된 어레이로 조합된다.
본 발명에 따른 가변 안테나 어레이를 위한 특히 바람직한 적용은, 예를 들면 위성간, 위성에서 지면 스테이션까지, 위성을 통한 이동성 지면 스테이션에서 고정된 지면 스테이션 또는 다른 이동성 지면 스테이션까지의 작동을 위한, 예컨대 통신, 텔레비전 또는 비디오 영상을 선박, 항공, 열차 및 자동차와 같은 운송 수단으로 송수신하기 위한 위성 통신 시스템이다. 다른 바람직한 적용은 랩탑 PC, 태블릿 컴퓨터 및 모바일 장치에 대한 무선 라우터의 단거리 안테나이다.
본원에서, "화합물"이라는 용어는 달리 기술하지 않는 한, 하나의 화합물 및 다수의 화합물을 의미하는 것이다.
액정 및 메소젠과 관련한 용어 및 정의와 관련해서는 문헌[Pure Appl. Chem. 73(5), 888 (2001)] 및 [C. Tschierske, G. Pelzl and S. Diele, Angew. Chem. 2004, 116, 6340-6368]을 참조한다.
"메소젠성 기"라는 용어는 액정(LC) 상의 거동을 유도하는 능력을 갖는 기를 의미한다. 메소젠성 기를 포함하는 화합물이 반드시 LC 상 그 자체를 나타낼 필요는 없다. 또한 상기 화합물은, 오직 다른 화합물(예컨대 액정 호스트 혼합물)과의 혼합물에서만 또는 메소젠성 화합물 또는 이의 혼합물이 중합될 때만 LC 상 거동을 보일 수도 있다. 간략하게 하기 위하여, "액정"이라는 용어는 이후 메소젠성 및 LC 물질 모두에 대해 사용된다.
사용된 액정은 개별적인 물질이거나 혼합물이다. 이들은 바람직하게는 네마틱 상을 갖는다.
본원에서 기재된 변수 범위는, 달리 기술하지 않는 한, 모두 한계 값을 포함한다.
서로 조합되어 다양한 범위의 특성으로 기재된 상이한 상한 및 하한 값은 추가의 바람직한 범위를 제공한다.
본원 전체에 걸쳐, 달리 명백히 기술하지 않는 한, 하기 조건과 정의가 사용된다. 모든 농도는 중량 퍼센트로 제시되고, 전체적으로 개별적인 혼합물에 관한 것이고, 모든 온도는 섭씨 온도로 제시되고, 모든 온도 차는 차등 값으로 제시된다. 모든 물리적 특성은 문헌 ["Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals", Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germany]에 따라 결정되고, 달리 명백히 기술하지 않는 한, 20℃의 온도로 제시된다. 광학 이방성(△n)은 589.3 nm의 파장에서 결정된다. 유전 이방성(△ε)은 1 kHz의 진동수에서 결정되거나, 또는 명백히 기술할 경우, 19　GHz에서 결정된다. 인가 전압 뿐만 아니라 모든 다른 전기-광학적 특성들은 독일 메르크 카게아아에서 제조된 시험 셀을 사용하여 결정된다. △ε을 결정하기 위한 시험 셀은 대략 20 μm의 셀 두께를 갖는다. 전극은 1.13　cm2의 넓이와 가드 링(guard ring)을 갖는 원형 ITO 전극이다. 배향 층은 수직 배향(ε∥)에 대해서는 일본의 닛산 케미칼즈(Nissan Chemicals)로부터 입수한 SE-1211이고, 수평 배향(ε⊥)에 대해서는 일본의 저팬 신테틱 러버(Japan Synthetic Rubber)로부터 입수한 폴리이미드 AL-1054이다. 전기 용량은 0.3　Vrms의 전압의 사인 곡선을 이용한 솔라트론(Solatron) 1260 주파수 반응을 사용하여 결정된다. 전기 광학적 측정에 사용된 광은 백색 광이다. 독일 아우트로닉-멜처스(Autronic-Melchers)로부터 시판되는 DMS 기구를 사용한 셋업(set-up)이 여기에 사용된다.
용어 "알킬"은 바람직하게는 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 직쇄형 및 분지형 알킬 기, 특히 직쇄형 기인 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실 및 헵틸을 포함한다. 2 내지 10개의 탄소 원자를 갖는 기가 일반적으로 바람직하다.
용어 "알켄일"은 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 직쇄형 및 분지형 알켄일 기, 특히 직쇄형 기를 포함한다. 특히 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.
용어 "플루오로알킬"은 바람직하게는 불소 말단을 갖는 직쇄형 기, 즉 플루오로메틸, 2-플루오로에틸, 3-플루오로프로필, 4-플루오로부틸, 5-플루오로펜틸, 6-플루오로헥실 및 7-플루오로헵틸을 포함한다. 그러나, 불소의 다른 위치가 배제되지는 않는다.
용어 "옥사알킬" 또는 "알콕시알킬"은 바람직하게는 화학식 CnH2n +1-O-(CH2)m의 직쇄형 라디칼을 포함하고, 이때 n 및 m은 각각 서로 독립적으로 1 내지 10이다. 바람직하게는 n은 1이고, m은 1 내지 6이다.
비닐 말단 기를 함유하는 화합물 및 메틸 말단 기를 함유하는 화합물은 낮은 회전 점도를 갖는다.
본 발명에 따른 액정 매질은 추가적인 첨가제 및 키랄 도판트를 통상적인 농도로 포함할 수 있다. 이들 추가적인 구성성분의 총 농도는 전체 혼합물을 기준으로 0 내지 10%, 바람직하게는 0.1 내지 6% 범위이다. 사용되는 개별적인 화합물의 농도는 각각 바람직하게는 0.1 내지 3% 범위이다. 본원에서 액정 매질의 액정 성분 및 액정 화합물의 값 및 농도 범위를 언급할 경우, 상기 성분들 및 유사한 첨가제의 농도는 고려하지 않는다.
모든 온도, 예를 들어 융점 T(C,N) 또는 T(C,S), 스멕틱 상(S)으로부터 네마틱 상(N)으로의 전이 온도 T(S, N), 및 액정의 등명점 T(N,I)은 섭씨로 제시된다. 모든 온도 차는 섭씨 온도 차이로 제시된다.
본원에서 특히 하기 실시예에서, 메소젠성 화합물의 구조를 두문자라고도 하는 약어로 나타내었다. 이들 두문자에서, 화학식들은 하기 표 A 내지 C를 사용하여 다음과 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 경우에, 각각 직쇄형 알킬 또는 알켄일, 바람직하게는 1-E-알켄일을 나타낸다. 표 A는 화합물의 코어 구조의 고리 요소에 사용되는 코드를 나열한 것이고, 표 B는 연결 기를 나타낸 것이다. 표 C는 좌선(좌측) 또는 우선(우측) 말단 기에 대한 코드의 의미를 제공한다. 표 D는 화합물 각각의 약어에 의한 화합물의 예시적인 구조를 나타낸다.
표 A: 고리 요소
Figure 112014039068320-pct00029
Figure 112014039068320-pct00030
표 B: 연결 기
Figure 112014039068320-pct00031
표 C: 말단 기
Figure 112014039068320-pct00032
상기 식에서, n 및 m은 각각 정수를 나타내고, 3개의 점 "..."은 상기 표의 다른 약어들에 대한 위치 지정자(place-holder)이다.
하기 표는 예시적 구조와 함께 이들의 개별적 약어를 제시한다. 이들은 상기 약어들에 대한 규칙의 의미를 설명하기 위해 제시된다. 이들 또한 바람직하게 사용되는 화합물들을 나타낸다.
표 D: 예시적 구조
Figure 112014039068320-pct00033
Figure 112014039068320-pct00034
Figure 112014039068320-pct00035
Figure 112014039068320-pct00036
실시예
하기 실시예는 어떤 방법으로도 본 발명을 제한하지 않으며 본 발명을 설명한다.
그러나, 물리적 특성에 있어 어떤 특성이 달성될 수 있고 어떤 범위에서 이들이 개선될 수 있는지가 당업계 숙련자에게 명백하다. 특히, 바람직하게는 달성될 수 있는 다양한 특성의 조합이 따라서 당업계 숙련자에게 널리 정의되어진다.
실시예 1
하기 표에 기재된 조성 및 특성을 갖는 액정 매질 M-1을 제조하였다.
Figure 112014039068320-pct00037
이 화합물은 마이크로파 범위에서의 용도, 특히 위상 전환기에 매우 적합하다.

Claims (12)

  1. 총 농도 90% 이상의 3종 이상의 하기 화학식 I의 화합물을 포함하되,
    하기 화학식 Ia의 화합물을 총 농도 45% 이상으로 포함하고, 하기 화학식 Ib의 화합물 및 하기 화학식 Ic의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질:
    Figure 112017085912984-pct00038

    [상기 식에서,
    R11은 CnH2n+1 또는 CH2=CH-(CH2)z를 나타내고,
    R12는 CmH2m+1 또는 O-CmH2m+1 또는 (CH2)z-CH=CH2를 나타내고,
    n 및 m은, 서로 독립적으로, 1 내지 9 범위의 정수를 나타내고,
    z 는 0, 1, 2, 3 또는 4를 나타낸다];
    Figure 112017085912984-pct00039

    Figure 112017085912984-pct00040

    Figure 112017085912984-pct00041
    .
  2. 제 1 항에 있어서,
    액정 매질이 3종 이상의 화학식 I의 화합물을 95% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  3. 제 1 항에 있어서,
    액정 매질이 3종 이상의 화학식 I의 화합물로 전적으로 구성된 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  4. 제 1 항에 있어서,
    액정 매질이 하기 화학식 IIa 내지 IId로부터 선택된 1종 이상의 화합물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질:
    Figure 112017085912984-pct00042

    상기 식에서,
    R21은 화학식 I에서 R11 및 R12에 대해 주어진 의미를 갖는다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    액정 매질이 하기 화학식 III-1a로부터 선택된 1종 이상의 화합물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질:
    Figure 112017085912984-pct00043

    상기 식에서,
    R31은 화학식 I에서 R11 및 R12에 대해 주어진 의미를 갖고,
    X32는 H, F, Cl, -CN, -NCS, -SF5, 1 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 플루오르화된 알킬 또는 플루오르화된 알콕시, 또는 2 내지 7개의 탄소 원자를 갖는, 플루오르화된 알켄일, 비플루오르화되거나 플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화되거나 플루오르화된 알콕시알킬을 나타낸다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    액정 매질이 1종 이상의 하기 화학식 IV의 화합물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질:
    Figure 112017085912984-pct00044

    상기 식에서,
    R41 내지 R43은 서로 독립적으로, 각각 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화된 알콕시, 각각 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화된 알콕시알킬, 또는 각각 15개 이하의 탄소 원자를 갖는, 사이클로알킬, 알킬사이클로알킬, 사이클로알켄일, 알킬사이클로알켄일, 알킬사이클로알킬알킬 또는 알킬사이클로알켄일알킬을 나타낸다.
  7. 제 1 항에 있어서,
    액정 매질이 1종 이상의 하기 화학식 V의 화합물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질:
    Figure 112017085912984-pct00045

    상기 식에서,
    R51 및 R52는 서로 독립적으로, F 또는 Cl, 각각 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화되거나 플루오르화된 알킬 또는 비플루오르화되거나 플루오르화된 알콕시, 또는 각각 2 내지 15개의 탄소 원자를 갖는, 비플루오르화되거나 플루오르화된 알켄일, 비플루오르화된 알켄일옥시 또는 비플루오르화되거나 플루오르화된 알콕시알킬을 나타내고, 이때 하나 이상의 "-CH2-" 기는 또한, 서로 독립적으로, 3 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 사이클로알킬로 대체될 수 있고, 달리, 또한, R51 및 R52 중 하나 또는 R51 및 R52 둘 모두가 H를 나타내고,
    L51 내지 L54는, 각각의 경우 서로 독립적으로, H, 1 내지 15개의 탄소 원자를 갖는 알킬, F 또는 Cl을 나타내고,
    i는 5 내지 15 범위의 정수를 나타낸다.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 액정 매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 기술용 컴포넌트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    마이크로파 범위에서 작동하기에 적합한 것을 특징으로 하는 컴포넌트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    위상 전환기(phase shifter)인 것을 특징으로 하는 컴포넌트.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 Ia의 화합물을 총 농도 48% 내지 65%로 포함하는 것을 특징으로 하는, 액정 매질.
  12. 제 8 항에 따른 컴포넌트를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 장치.
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