WO2024162004A1 - 電磁波制御用素子 - Google Patents

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liquid crystal
electrode
wave control
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英紀 安田
渉 星野
之人 齊藤
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Fujifilm Corp
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    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
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    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to an electromagnetic wave control element that uses a metasurface structure.
  • Electromagnetic waves such as the high-frequency radio waves (millimeter waves, terahertz waves) required for high-capacity wireless communication, tend to travel in a straight line. This requires a reflector that can bend the direction of electromagnetic waves in any direction.
  • a normal reflector only reflects electromagnetic waves in a fixed direction, and the reflection direction is a regular reflection with the angle of incidence and the angle of emission being equal. This means that there are significant limitations to the range in which the direction of electromagnetic waves can be changed, making it difficult to deliver the electromagnetic waves to the desired location.
  • a metasurface structure is a structure that uses metamaterials. Metamaterials are artificial materials that exhibit properties not found in natural materials, such as having a negative refractive index for electromagnetic waves.
  • a metasurface structure is an arrangement of multiple microstructures that are metamaterials. The microstructures resonate with the electromagnetic waves that pass through them, and modulate the phase of the electromagnetic waves through the resonance effect. By changing the resonance conditions of the microstructures, it is possible to change the amount of modulation of the phase of the electromagnetic waves.
  • An electromagnetic wave control element uses a metasurface structure to control the phase of the incident electromagnetic waves, thereby controlling the direction of the electromagnetic waves.
  • the electromagnetic wave control element described in the non-patent document uses a liquid crystal layer to change the resonance conditions of the microstructure.
  • the refractive index for electromagnetic waves changes by changing the orientation state of the liquid crystal compound. This change in refractive index changes the resonance conditions of the microstructure.
  • the electromagnetic wave control element described in the non-patent document controls the amount of modulation of the phase of the electromagnetic wave through changes in the refractive index of the liquid crystal layer.
  • One of the performance indicators of an electromagnetic wave control element is the switching time required to switch the emission direction of electromagnetic waves, such as the direction of electromagnetic wave reflection. By shortening the time required to switch the emission direction, it is possible to respond more quickly to changes over time in areas where wireless communication users are densely concentrated, for example. The needs of users who use wireless communication are expected to continue to increase, and as a result, there is a demand for even shorter switching times for the emission direction.
  • the technology disclosed herein provides an electromagnetic wave control element having a metasurface structure using a liquid crystal layer, which is capable of switching the emission direction of electromagnetic waves with a frequency of 0.1 to 0.3 THz in a shorter time than conventional techniques.
  • the electromagnetic wave control element has a liquid crystal layer in which the orientation state of the liquid crystal compound changes depending on the voltage, a metasurface structure in which a plurality of microstructures are arranged, and an electrode pair for applying a voltage, which is composed of a first electrode and a second electrode, and acts on electromagnetic waves with a frequency of 0.1 to 0.3 THz, and the liquid crystal layer contains a methine compound.
  • the methine compound may have a methine structure.
  • the liquid crystal layer may contain a liquid crystal compound having a methine structure.
  • At least one of the first electrode and the second electrode may be a microstructure.
  • the first electrode and the second electrode may be provided as elements independent of the microstructure.
  • One of the first electrode and the second electrode may be a patterned electrode.
  • the microstructure may include a metal.
  • the microstructure may include an oxide semiconductor.
  • An electric field may be generated by voltage in the thickness direction of the liquid crystal layer.
  • An electric field may be generated by the voltage in a direction that intersects with the thickness direction of the liquid crystal layer.
  • One of the first electrode and the second electrode may also serve as a reflective layer that reflects electromagnetic waves.
  • It has a waveguide that guides the incident electromagnetic wave in a direction along the arrangement direction of the microstructures, and a portion of the electromagnetic wave guided within the waveguide may be emitted in a direction intersecting the arrangement direction.
  • a portion of the wall defining the waveguide may have an opening formed therein for emitting electromagnetic waves.
  • the waveguide member that constitutes the waveguide may function as the first electrode or the second electrode.
  • the opening may function as a microstructure.
  • the electromagnetic wave control element according to the technology disclosed herein has a metasurface structure using a liquid crystal layer, and the reflection direction of electromagnetic waves with a frequency of 0.1 to 0.3 THz can be switched in a shorter time than before.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams illustrating an example of use of an electromagnetic wave control element.
  • 1A to 1C are diagrams showing an example of a metasurface structure used in an electromagnetic wave control element.
  • 1A and 1B are diagrams illustrating a mechanism by which the emission direction of an electromagnetic wave is changed in an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating an example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 2 is a diagram conceptually illustrating an example of a liquid crystal orientation pattern in an electromagnetic wave control element.
  • 1 is a diagram showing the relationship between an applied voltage and the amount of phase delay of an electromagnetic wave.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of a liquid crystal orientation pattern in an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of a liquid crystal orientation pattern in an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of a liquid crystal orientation pattern in an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of a liquid crystal orientation pattern in an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of a liquid crystal orientation pattern in an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating another example of a liquid crystal orientation pattern in an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 1 shows a leaky wave antenna using an electromagnetic wave control element.
  • FIG. 31 is a plan view conceptually illustrating an example of the electromagnetic wave control element of FIG. 30.
  • FIG. 32 is a perspective view conceptually showing a subunit of the electromagnetic wave control element of FIG. 31.
  • FIG. 33 is a diagram conceptually illustrating an example of a subunit of FIG. 32.
  • FIG. 33 conceptually illustrates another example of the subunit of FIG. 32.
  • FIG. 31 is a diagram conceptually illustrating another example of the electromagnetic wave control element
  • the electromagnetic wave reflecting device 2 shown in FIG. 1 uses an electromagnetic wave control element 10 according to the technology of the present disclosure.
  • the electromagnetic wave reflecting device 2 can reflect the highly rectilinear electromagnetic waves RW radiated from an antenna ANT arranged behind a building BL toward an area AR1 in front of the building BL, which is in the shadow when viewed from the antenna ANT.
  • the electromagnetic wave reflecting device 2 can also change the reflection direction of the electromagnetic waves RW to different directions in multiple areas AR1 and AR2. For example, there are cases where the area where there are many users changes depending on the time of day, such as there being many users using wireless communication in area AR1 during the daytime and many in area AR2 during the nighttime. In such a case, the electromagnetic wave reflecting device 2 can change the area to which the electromagnetic waves RW are supplied by changing the reflection direction of the electromagnetic waves RW depending on the time of day.
  • the electromagnetic wave control element 10 has a metasurface structure 12 and is a reflection-type electromagnetic wave control element that reflects the traveling direction of the electromagnetic wave RW in a desired direction.
  • the metasurface structure 12 is a structure that uses a metamaterial.
  • a metamaterial is an artificial material that exhibits properties not found in natural materials, such as having a negative refractive index for electromagnetic waves.
  • the electromagnetic wave control element 10 is configured with a plurality of unit cells UC arranged two-dimensionally, and the two-dimensional plane formed by the arrangement of the plurality of unit cells UC becomes the reflection surface of the electromagnetic wave RW.
  • Each unit cell UC includes a microstructure 14 as a metamaterial, and constitutes the smallest unit that can actively change the phase of the electromagnetic wave RW on the reflection surface.
  • the microstructure 14 is made of metal, for example.
  • the microstructure 14 has a size on the order of the wavelength of the incident electromagnetic wave RW or less, and functions as a resonator that resonates by interacting with the incident electromagnetic wave RW.
  • the microstructure 14 can be considered equivalent to a resonant circuit in which, for example, a coil and a capacitor are connected in series to resonate an alternating current.
  • the phase of the incident electromagnetic wave RW changes due to the resonant effect of the microstructure 14.
  • the electromagnetic wave control element 10 acts on electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz. Electromagnetic waves RW in this frequency band are also called high-frequency radio waves (millimeter waves or terahertz waves), and while they are capable of high-capacity wireless communication, they also have a high degree of linearity.
  • the metasurface structure 12 is configured to act on electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz.
  • the wavelength of electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz is 1 to 3 mm, and the size of the microstructures 14 that make up the metasurface structure 12 is, for example, on the order of about half the wavelength. By making the size of the microstructures 14 equal to or less than the wavelength of the electromagnetic waves RW, the microstructures 14 resonate with the electromagnetic waves RW that pass through them, and function as a phase modulation element that modulates the phase of the electromagnetic waves RW.
  • the overall traveling direction of the electromagnetic wave RW can be considered as the normal direction to the straight line connecting the wavefronts of the multiple electromagnetic waves RW.
  • the phase delay amount of the electromagnetic wave RW that is incident on and reflected from each of the multiple unit cells UC arranged in one dimension is considered to be gradually increased from the unit cell UC on the right to the unit cell UC on the left. In this case, even if the straight line connecting the wavefronts of the individual incident electromagnetic waves RW is parallel to the reflecting surface, the straight line connecting the wavefronts of the individual electromagnetic waves RW reflected by each unit cell UC is inclined with respect to the reflecting surface.
  • the outgoing direction OUT which is the traveling direction of the electromagnetic wave RW emitted from the reflecting surface, changes by an angle ⁇ with respect to the incident direction IN of the electromagnetic wave RW.
  • the traveling direction of the electromagnetic wave RW can be controlled by performing phase modulation, i.e., controlling the amount of phase delay, for each unit cell UC.
  • the electromagnetic wave reflection device 2 can change the direction of propagation of the electromagnetic wave RW in a direction other than specular reflection by using the metasurface structure 12.
  • the electromagnetic wave reflection device 2 can change the direction of propagation of the electromagnetic wave RW in a direction other than specular reflection by using the metasurface structure 12.
  • the amount of phase delay in each unit cell UC it is possible to actively change the direction of propagation of the electromagnetic wave RW.
  • the electromagnetic wave control element 10 uses a liquid crystal layer 20 as an element that actively changes the resonance conditions of the microstructures 14 of the metasurface structure 12.
  • the electromagnetic wave control element 10 has, in this order, a first electrode layer 26, a liquid crystal layer 20, and a metasurface structure 12 including a plurality of microstructures 14.
  • the liquid crystal layer 20 is provided on a support 24.
  • the first electrode layer 26 is provided to completely cover the surface of the support 24 opposite the liquid crystal layer 20.
  • Each unit cell UC is composed of a microstructure 14, a liquid crystal layer 20, and a first electrode layer 26.
  • the microstructure 14 is provided individually for each unit cell UC.
  • the remaining components, the support 16, the liquid crystal layer 20, the support 24, and the first electrode layer 26, are not independent components for each unit cell UC, but are integrally formed in areas corresponding to multiple unit cells UC.
  • the first electrode layer 26 and the support 24, and the liquid crystal layer 20 and the support 16 are attached using an adhesive (adhesive or adhesive) as necessary.
  • an adhesive adhesive or adhesive
  • OCA Optical Clear Adhesive
  • the microstructure 14 is formed of a conductive material, for example, and serves as an electrode that constitutes an electrode pair with the first electrode layer 26.
  • a power source 28 is connected to each microstructure 14 to apply a voltage between the microstructure 14 and the first electrode layer 26. This makes it possible to control the magnitude of the voltage applied to each unit cell UC.
  • the first electrode layer 26 is a common electrode common to each unit cell UC, and the microstructure 14 of each unit cell UC functions as an individual electrode.
  • the first electrode layer 26 that functions as a common electrode is an example of a "first electrode” according to the technology of this disclosure, and the individual electrode that the microstructure 14 also serves as is an example of a "second electrode.”
  • the microstructure 14 as the second electrode and the first electrode layer 26 as the first electrode are an example of an "electrode pair for applying a voltage.”
  • the electromagnetic wave control element 10 is a reflective type, and the first electrode layer 26 also serves as a reflective layer that reflects the electromagnetic wave RW.
  • the orientation state (hereinafter also referred to as the orientation pattern) of the liquid crystal compound LC changes due to the application of a voltage.
  • the alignment direction of the microstructures 14 of each unit cell UC is a direction (X direction or Y direction in the figure) perpendicular to the thickness direction of the liquid crystal layer 20 (Z direction in the figure).
  • the microstructures 14 and the first electrode layer 26 are arranged on both sides of the thickness direction of the liquid crystal layer 20.
  • a voltage is applied between the microstructures 14 and the first electrode layer 26 of each unit cell UC.
  • the application of the voltage generates an electric field in the thickness direction of the liquid crystal layer 20, and the orientation state of the liquid crystal compound LC of each unit cell UC changes.
  • the orientation state of the liquid crystal compound LC of each unit cell UC can be adjusted by adjusting the voltage applied to each unit cell UC.
  • the liquid crystal compound LC has a cross section that is approximately elliptical with a major axis and a minor axis.
  • the liquid crystal compound LC is oriented with its major axis along the thickness direction of the liquid crystal layer 20.
  • this alignment state is also referred to as "vertical alignment.”
  • the alignment state of the liquid crystal compound LC changes.
  • the alignment state of the liquid crystal compound LC in the region corresponding to the microstructures 14 changes depending on the magnitude of the applied voltage, and the liquid crystal compound LC is tilted with respect to the thickness direction of the liquid crystal layer 20.
  • the liquid crystal compound LC is oriented with its major axis aligned along a direction perpendicular to the thickness direction of the liquid crystal layer 20.
  • the alignment state with the maximum tilt angle is also referred to as "horizontal alignment”.
  • the refractive index of the liquid crystal layer 20 increases as the inclination of the liquid crystal compound LC increases, i.e., the angle of the long axis of the liquid crystal compound LC is closer to the principal surface direction of the liquid crystal layer 20 (X-direction or Y-direction in FIG. 5). Conversely, the refractive index of the liquid crystal layer 20 decreases as the inclination of the liquid crystal compound LC decreases, i.e., the angle of the long axis of the liquid crystal compound LC is closer to the thickness direction of the liquid crystal layer 20 (Z-direction in the figure).
  • Such a change in the refractive index of the liquid crystal layer 20 of each unit cell UC changes the resonance condition of the microstructure 14, and changes the amount of phase delay of the incident electromagnetic wave RW.
  • the amount of phase delay of the unit cell UC in the lower row of FIG. 5 is greater than that of the unit cell UC in the upper row of FIG. 5.
  • the refractive index of the liquid crystal layer 20 changes with respect to the electromagnetic wave RW passing through each unit cell UC. Since the refractive index and the dielectric constant are positively correlated, the change in the refractive index of the liquid crystal layer 20 changes the resonance condition of the microstructure 14 functioning as a resonator. The change in the resonance condition of the microstructure 14 appears as a change in the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW. Therefore, by changing the refractive index of the liquid crystal layer 20, the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW can be changed.
  • the change in the refractive index of the liquid crystal layer 20 also causes a change in the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW by itself. Since the refractive index of the liquid crystal layer 20 of each unit cell UC changes depending on the voltage V applied to each unit cell UC, the relationship between the voltage V and the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW is, for example, as shown in FIG. 6.
  • the electromagnetic wave RW when an electromagnetic wave RW is incident on the electromagnetic wave control element 10 from the microstructure 14 side, the electromagnetic wave RW passes through the microstructure 14 and the liquid crystal layer 20 in this order. Furthermore, the electromagnetic wave RW is reflected by the first electrode layer 26, which also serves as a reflective layer, and passes through the liquid crystal layer 20 and the microstructure 14 again in this order, and is emitted from the electromagnetic wave control element 10. The electromagnetic wave RW is reflected after passing through such an input/output path. In the input/output path, the electromagnetic wave RW passing through each unit cell UC is phase-modulated by resonance with the microstructure 14 and by passing through the liquid crystal layer 20.
  • the resonance condition of the microstructure 14 is determined according to the refractive index of the liquid crystal layer 20, and the electromagnetic wave RW is phase-modulated by resonance according to the condition.
  • the electromagnetic wave RW is also phase-modulated according to the magnitude of the refractive index of the liquid crystal layer 20.
  • the reflection direction of the electromagnetic wave RW reflected by the electromagnetic wave control element 10 is controlled by controlling the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW for each unit cell UC through the applied voltage V.
  • a normal reflector can only change the direction of propagation of the electromagnetic wave RW in the direction of specular reflection, but the electromagnetic wave control element 10 uses the metasurface structure 12, making it possible to change the direction of propagation of the electromagnetic wave RW in a direction other than specular reflection.
  • the electromagnetic wave control element 10 uses the metasurface structure 12, making it possible to change the direction of propagation of the electromagnetic wave RW in a direction other than specular reflection.
  • by actively changing the amount of phase delay in each unit cell UC it becomes possible to actively change the direction of propagation of the electromagnetic wave RW.
  • the electromagnetic wave RW emitted from the electromagnetic wave control element 10 may be made to converge toward a single focal point, or conversely, may be made to diverge.
  • the direction of travel of the emitted electromagnetic wave RW can be controlled by adjusting the voltage applied to each unit cell UC, thereby adjusting the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW for each unit cell UC.
  • the metasurface structure 12 like known metasurface structures, is formed by two-dimensionally arranging microstructures 14, which are metamaterials, on a support 16.
  • the microstructures 14 are two-dimensionally arranged at equal intervals in the X and Y directions that are perpendicular to each other.
  • all of the microstructures 14 are the same.
  • the support 16 there are no limitations on the support 16, and any known sheet-like material can be used as long as it can support the microstructure 14 and can transmit the electromagnetic waves RW of 0.1 to 0.3 THz, which are the frequency to be controlled by the electromagnetic wave control element 10.
  • the support 16 include metal substrates having an oxide insulating layer, such as silicon substrates having silicon oxide, supports made of oxides such as silicon oxide, supports made of semiconductors such as germanium and chalcogenide glass, polyacrylic resin films such as polymethyl methacrylate, cellulose resin films such as cellulose triacetate, cycloolefin polymer films (for example, trade name "Arton” manufactured by JSR Corporation, trade name “ZEONOR” manufactured by Zeon Corporation), polyethylene terephthalate (PET) films, resin films such as polycarbonate films and polyvinyl chloride films, and glass plates.
  • metal substrates having an oxide insulating layer such as silicon substrates having silicon oxide, supports made of oxides such as silicon oxide, supports made of semiconductors such as germanium
  • the thickness of the support 16 is appropriately set depending on the material from which the support 16 is formed so as to satisfy these conditions.
  • the support 16 is not a required component of the metasurface structure 12, and the support 16 may be omitted.
  • the metasurface structure 12 may be formed by arranging the microstructures 14 directly on the surface of the liquid crystal layer 20.
  • the metasurface structure 12 is composed of microstructures 14, which are metamaterials, spaced apart and arranged two-dimensionally on a plane. More specifically, it is composed of an arrangement of unit cells UC, each of which basically consists of one microstructure 14 and the space surrounding the microstructure 14.
  • the shape of the metasurface structure is basically the same as that of a known metasurface structure. Therefore, in the electromagnetic wave control element 10 according to the technology disclosed herein, various known metasurface structures can be used. That is, in the technology disclosed herein, there are no limitations on the shape and material of the microstructures 14, the arrangement of the microstructures 14, or the pitch, which is the interval between the microstructures 14.
  • the metasurface structure 12 may be designed by a known method according to the wavelength of the electromagnetic wave RW to be controlled by the electromagnetic wave control element 10 and the target reflection characteristics (for example, the range of controllable reflection directions).
  • the amplitude and phase of the electromagnetic wave RW reflected by the microstructures 14 used may be calculated using commercially available simulation software, and the arrangement of the microstructures 14 may be set so as to achieve the desired distribution of phase modulation amount.
  • phase modulation occurs due to the refractive index and further the interaction between the refractive index and the microstructures 14, and the amount of phase modulation is determined by the resonance characteristics of the microstructures 14, which change depending on the refractive index.
  • the electromagnetic wave control element 10 is intended to control electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz. Therefore, in the metasurface structure 12, the microstructures 14 are selected so as to provide a desired phase difference to the electromagnetic waves RW of this frequency, and the arrangement of the microstructures is set. Specifically, when controlling electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz, the wavelength range of the electromagnetic waves RW is approximately 1 to 3 mm, so the size of the microstructures 14 is selected to be within that wavelength range.
  • the number of microstructures 14 that one unit cell UC has is basically one, but the technology of the present disclosure is not limited to this. That is, in the electromagnetic wave control element related to the technology of the present disclosure, one unit cell UC may have multiple microstructures 14 as necessary depending on the reflection characteristics, size, material and shape of the microstructures 14, and size of the unit cell UC. In this case, one unit cell UC may have different microstructures 14. However, because the unit cell UC is the smallest unit capable of actively changing the phase of the electromagnetic wave RW, even when one unit cell UC has multiple microstructures 14, the amount of phase modulation is determined for each unit cell UC.
  • microstructure 14 there is no limitation on the material for forming the microstructure 14, and various materials used as microstructures in known metasurface structures can be used.
  • materials for forming the microstructure 14 include metals and dielectrics. In the case of metals, copper, gold, and silver are preferred examples because of their low optical loss.
  • composites consisting of metal particles and binders, and oxide semiconductors can also be used as materials for forming the microstructure 14.
  • dielectrics silicon, titanium oxide, and germanium are preferred examples because they have a large refractive index and can increase the amount of phase modulation. Note that, as shown in FIG. 4, when the microstructure 14 also serves as an electrode that forms an electrode pair with the first electrode layer 26, the microstructure 14 is formed of a conductor.
  • microstructure 14 there are no limitations on the shape of the microstructure 14, and various shapes used as microstructures in known metasurface structures can be used. Examples include a cross-shaped solid like a cross of rectangular parallelepipeds, a rectangular parallelepiped shape, a cylindrical shape, a V-shaped solid like a rectangular parallelepiped connected at its ends as shown in JP 2018-046395 A, an approximately H-shaped solid like an H-beam, and an approximately C-shaped solid like a C-channel. As shown in JP 2018-046395 A, various shapes can be used for the V-shaped solid and the cross-shaped solid by adjusting the angle between the two rectangular parallelepipeds. In addition, a solid having a bottom shape as shown in Figure 5 of "Appl. Sci. 2018, 8(9), 1689; https://doi.org/10.3390/app8091689" can also be used.
  • microstructures 14 may be of the same type, or multiple types may be used in combination. Furthermore, the same microstructures 14 may be arranged in the same orientation in the XY plane, or in different orientations. Furthermore, microstructures 14 of the same orientation and those of different orientations may be mixed. However, in the electromagnetic wave control element 10 according to the technology disclosed herein, it is preferable to use only one type of microstructure 14 and to arrange all of the microstructures 14 in the same orientation.
  • the metasurface structure 12 is preferably configured such that the same microstructures 14, all of which have the same structure, are arranged two-dimensionally at equal intervals in the mutually orthogonal X and Y directions.
  • the technology disclosed herein is not limited to this, and multiple types of microstructures may be used in combination as described above, and the arrangement intervals and arrangement of the microstructures 14 may also differ in the surface direction of the support 16.
  • the metasurface structure 12 uses all the same microstructures 14.
  • the microstructures 14 in the metasurface structure 12 are spaced at equal intervals, and even more preferable that they are spaced at equal intervals in both the orthogonal X and Y directions.
  • the liquid crystal layer 20 is a layer in which the liquid crystal compound LC is aligned in a preset state, and as described above, the alignment state of the liquid crystal compound LC changes when a voltage is applied.
  • the liquid crystal compound LC when no voltage is applied, the liquid crystal compound LC is vertically aligned.
  • the liquid crystal compound LC When a voltage is applied to the liquid crystal layer 20, the liquid crystal compound LC is aligned at an angle to the thickness direction in response to the voltage, and at most becomes horizontally aligned.
  • the change in alignment of the liquid crystal compound LC is not limited to changing from a vertical alignment to a horizontal alignment or vice versa, but may change from a state tilted to the thickness direction to a horizontal or vertical alignment, may change from a horizontal or vertical alignment to a state tilted to the thickness direction, or may change at an angle from a state tilted to the thickness direction to a state tilted to the thickness direction.
  • the liquid crystal layer 20 may be formed by a known method, for example, on the surface of an alignment film described below.
  • the liquid crystal layer 20 contains a methine compound.
  • the electromagnetic wave control element 10 has good responsiveness and can quickly switch the reflection direction of electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz. The above points will be described in more detail later.
  • the liquid crystal layer 20 is formed on the support 24.
  • the support 24 is basically the same as the support 16 described above.
  • the support 24 on which the liquid crystal layer 20 is formed may further have an alignment film for aligning the liquid crystal compound LC in a predetermined state on the surface of the main body on which the liquid crystal layer 20 is formed, with the support 16 described above being the main body.
  • Various known alignment films can be used.
  • Examples include a rubbed film made of an organic compound such as a polymer, an obliquely evaporated film of an inorganic compound, a film having a microgroove, and a film in which LB (Langmuir-Blodgett) films of organic compounds such as ⁇ -tricosanoic acid, dioctadecylmethylammonium chloride, and methyl stearyl acid are accumulated by the Langmuir-Blodgett method.
  • LB Lightmuir-Blodgett
  • a so-called photo-alignment film which is formed by irradiating a photo-alignable material with polarized or non-polarized light, can also be used.
  • These alignment films may be formed by a known method according to the material forming the main body.
  • the surface of the support 24 that forms the liquid crystal layer 20 opposite the liquid crystal layer 20 is entirely covered with a first electrode layer 26.
  • the first electrode layer 26 is an electrode that changes the orientation of the liquid crystal compound LC in the liquid crystal layer 20, and also acts as a reflective layer that reflects electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz that are incident from the metasurface structure 12 side, as described above.
  • the first electrode layer 26 there are no limitations on the first electrode layer 26, and any sheet-like material made of various known materials can be used as long as it has sufficient conductivity and can reflect electromagnetic waves with a frequency of 0.1 to 0.3 THz.
  • the first electrode layer 26 include metal layers such as copper, aluminum, gold, and silver, inorganic conductive materials such as ITO (tin-doped indium oxide), organic conductive materials such as polythiophenes, typified by PEDOT (poly 3,4-ethylenedioxythiophene), and graphene.
  • ITO in-doped indium oxide
  • organic conductive materials such as polythiophenes, typified by PEDOT (poly 3,4-ethylenedioxythiophene)
  • graphene graphene.
  • Inorganic conductive materials, organic conductive materials, and graphene are transparent to visible light, but act as reflective layers for electromagnetic waves of the above frequencies.
  • the thickness of the first electrode layer 26 can be set appropriately depending on the material from which the first electrode layer 26 is made so that the electromagnetic waves to be controlled can be reflected with the required reflectance.
  • the electromagnetic wave control element 10 is a reflective electromagnetic wave control element having a metasurface structure 12 and a liquid crystal layer 20.
  • the electromagnetic wave control element 10 power is supplied to each microstructure 14 to change the alignment state of the liquid crystal compound LC in the corresponding region of the liquid crystal layer 20, thereby forming regions with different refractive indices for each unit cell UC, thereby reflecting electromagnetic waves RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz in the desired direction.
  • the power supplied to each microstructure 14 i.e., the voltage applied to the liquid crystal layer 20
  • the reflection direction of the incident electromagnetic waves RW can be switched.
  • an electromagnetic wave control element using a conventional metasurface structure and liquid crystal layer as shown in non-patent literature takes time to switch the reflection direction of the electromagnetic wave RW.
  • the electromagnetic wave control element 10 ensures high responsiveness by the liquid crystal layer 20 containing a methine compound, preferably by the liquid crystal layer 20 containing a liquid crystal compound having a methine structure, and more preferably by forming the liquid crystal layer 20 from a liquid crystal compound having a methine structure, thereby enabling the reflection direction of the incident electromagnetic wave RW to be switched in a short time.
  • ⁇ n is an index of the anisotropy of the refractive index (also called birefringence) in the liquid crystal layer 20.
  • ⁇ n is the difference between the refractive index when the liquid crystal compound LC is vertically oriented in the liquid crystal layer 20 and the refractive index when the liquid crystal compound LC is horizontally oriented. Since ⁇ n can be increased by including a methine compound, in the technology disclosed herein, it is possible to reduce the thickness of the liquid crystal layer 20 required to provide the electromagnetic wave RW with the necessary refractive index, i.e., the necessary phase difference.
  • the orientation of the liquid crystal compound LC changes quickly when the applied voltage is changed.
  • the electromagnetic wave control element 10 according to the technology disclosed herein, it is possible to increase the response speed to changes in the voltage applied to the liquid crystal layer 20 and to switch the reflection direction of the incident electromagnetic wave RW in a short time.
  • Rc1 to Rc3 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and Rc1 to Rc3 may be bonded to form a ring structure.
  • the number of methine structures in the methine compound is not particularly limited as long as it is 1 or more, and preferably 2 or more. There is no particular upper limit on the number of methine structures, but it is often 7 or less, and more often 5 or less.
  • the methine compound may be a compound that exhibits liquid crystallinity or may not exhibit liquid crystallinity, and is preferably a compound that exhibits liquid crystallinity. In other words, the methine compound is preferably a liquid crystal compound having a methine structure.
  • Rc1 to Rc3 each independently represent a hydrogen atom or a substituent, and Rc1 to Rc3 may combine to form a ring structure.
  • n represents an integer from 1 to 7, and when n is 2 or more, Rc1 to Rc3 may be the same or different. n is preferably 1 to 5, and more preferably 1 to 4.
  • A1 and A2 each independently represent a ring structure which may have a substituent, and A1 (and its substituent) and Rc1, and A2 (and its substituent) and Rc3 may be bonded to form a ring structure.
  • the ring structure may be a monocyclic ring, a condensed ring of two or more rings, or a ring in which a plurality of monocyclic rings are bonded by a single bond (e.g., a biphenyl ring, a terphenyl ring).
  • Examples of the ring structure include a hydrocarbon ring, an aromatic ring, and a heterocyclic ring, and the heterocyclic ring may form a hydrocarbon ring or an aromatic ring condensed ring.
  • heteroatom of the heterocyclic ring an N atom, an O atom, or an S atom is preferable.
  • the heterocycle include a pyridine ring, a piperidine ring, a furan ring, a furfuran ring, a thiophene ring, a pyrrole ring, a quinoline ring, a morpholine ring, an indole ring, an imidazole ring, a pyrazole ring, a carbazole ring, a phenothiazine ring, a phenoxazine ring, an indoline ring, a triazine ring, a pyrrolidone ring, a thiazole ring, a pyrazine ring, a thiadiazine ring, a benzoquinoline ring, a thiadiazole ring, and a thienothiazole ring.
  • the substituents of A1 and A2 include alkyl groups, alkenyl groups, aralkyl groups, aryl groups, heterocyclic groups, halogen atoms, cyano groups, nitro groups, mercapto groups, hydroxy groups, amino groups, amido groups, alkoxy groups, aryloxy groups, alkylthio groups, arylthio groups, acyloxy groups, amino groups, alkylamino groups, dialkylamino groups, carbonamido groups, sulfonamido groups, sulfamoylamino groups, oxycarbonylamino groups, oxysulfonylamino groups, ureido groups, thioureido groups, acyl groups, oxycarbonyl groups, carbamoyl groups, sulfonyl groups, sulfinyl groups, sulfamoyl groups, carboxy groups (including salts), sulfo groups (including salts), and groups that
  • the methine compound may be a cyanine compound, a squarylium compound, an oxonol compound, a merocyanine compound, a hemicyanine compound, or a streptocyanine compound.
  • squarylium compounds and merocyanine compounds are more preferred.
  • the squarylium compound is preferably a compound represented by the following general formula (2):
  • D1 and D2 each independently represent a substituted or unsubstituted hydrocarbon ring or heterocyclic group.
  • Rc4 and Rc5 each independently represent a hydrogen atom or a substituent
  • n1 and n2 each independently represent an integer from 0 to 4, and when there are multiple Rc4s or Rc5s, they may be the same or different, and multiple Rc4s, multiple Rc5s, Rc4 and D1, or Rc5 and D2 may form a ring.
  • squarylium compounds have a zwitterionic structure inside the molecule, but the cationic atom, anionic atom, single bond, and double bond notation have multiple tautomeric structures. Therefore, the bond type and charge structure in the above general formula (2) are not specified.
  • merocyanine compound a compound represented by the following general formula (3) is preferred.
  • D represents a substituted or unsubstituted donor ring structure
  • A represents a substituted or unsubstituted acceptor ring structure.
  • Rc6 to Rc9 represent hydrogen atoms or substituents
  • n represents an integer from 0 to 4, and when there are multiple Rc7s or Rc8s, they may be the same or different, and multiple Rc7s, multiple Rc8s, Rc6 and D, or Rc9 and A may form a ring.
  • Preferred structures for D include a 5-membered ring containing a substituted nitrogen atom, which may have a substituent, as represented by the following general formula (4), or a 6-membered ring containing a substituted nitrogen atom, which may have a substituent, as represented by the following general formula (5).
  • Rc10 in general formula (4) represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, which may have a substituent.
  • the 5-membered ring in general formula (4) may form a condensed ring structure with another ring.
  • Rc11 in general formula (5) represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, which may have a substituent, and may have a condensed ring structure represented by a dotted line.
  • a preferred structure for A is a 5-membered ring or 6-membered ring containing a carbonyl carbon, which may have a substituent, as represented by the following general formula (6).
  • the ring structure of general formula (6) may form a condensed ring structure with another ring.
  • Specific structures of general formulas (4), (5), and (6) include those described on pages 194 to 234 of "The Theory of the Photographic Process, 4th Edition (by T. H. James)".
  • the liquid crystal composition of the present disclosure may further contain a liquid crystal compound other than a methine compound.
  • a liquid crystal compound other than a methine compound a known compound can be optimally used in order to adjust the various physical properties for use as an electromagnetic wave control element.
  • the liquid crystal compound has a high ⁇ n from the viewpoint of increasing the ⁇ n of the liquid crystal composition containing the methine compound.
  • ⁇ n is preferably 0.20 or more, more preferably 0.25 or more, and most preferably 0.30 or more.
  • methine compounds in the liquid crystal composition there are no particular limitations on the content of methine compounds in the liquid crystal composition, but from the viewpoint of increasing ⁇ n, it is preferably 3% or more, more preferably 5% or more, and most preferably 10% or more.
  • the ⁇ n of the liquid crystal layer 20 is preferably 0.35 or more. By making the ⁇ n of the liquid crystal layer 20 0.35 or more, it is preferable in that the liquid crystal layer 20 can be made thinner and the reflection direction of the electromagnetic wave RW can be switched more quickly.
  • the thickness of the liquid crystal layer 20 contains a methine compound, so that the liquid crystal layer 20 can be made thin.
  • the thickness of the liquid crystal layer 20 is preferably 200 ⁇ m or less, more preferably 150 ⁇ m or less, and even more preferably 100 ⁇ m or less.
  • the reflective electromagnetic wave control element is not limited to the configuration shown in FIG. 4, and various configurations can be exemplified.
  • the microstructure 14 constituting the metasurface structure 12 also acts as an electrode.
  • the technology disclosed herein is not limited to this, and a second electrode 30 (see FIG. 7, etc.) constituting an electrode pair with the first electrode layer 26 may be provided in correspondence with the microstructure 14.
  • the first electrode layer 26, which is an example of a first electrode, and the second electrode 30 may be provided as elements independent of the microstructure 14.
  • the second electrode 30 may be formed of the same material as the first electrode layer 26.
  • a power source 28 is connected to each electrode or to the microstructure 14 serving as an electrode, as in the example shown in FIG. 4.
  • FIG. 7 a configuration in which a second electrode 30 is provided on the microstructure 14 is exemplified.
  • the second electrode 30 may be provided between the microstructure 14 and the support 16.
  • FIG. 9 a configuration can also be used in which the first electrode layer 26 in the configuration shown in FIG. 4 is patterned to form a pattern electrode, which is provided only in the area corresponding to the microstructure 14. In this configuration, the electromagnetic wave RW incident on the area without the first electrode layer 26 is transmitted.
  • the reflective electromagnetic wave control element may have a microstructure 14 adjacent to the liquid crystal layer 20, and a metasurface structure 12 between the layered electrodes.
  • the microstructure 14 may be provided on the liquid crystal layer 20 side of the support 16, and a layered second electrode 30, i.e., a common electrode shared by multiple unit cells UC, like the first electrode layer 26, may be provided on the opposite side of the support 16 from the liquid crystal layer 20.
  • the second electrode 30 is patterned to have multiple openings to form a patterned electrode, so that the electromagnetic wave RW can pass through the second electrode 30.
  • the microstructure 14 may also be arranged on the support 24, and the metasurface structure 12 may be provided on both sides of the liquid crystal layer 20.
  • the electromagnetic wave control element according to the technology disclosed hereinabove is a reflection-type electromagnetic wave control element that, when electromagnetic waves RW having a frequency of 0.1 to 0.3 THz are incident, reflects the incident electromagnetic waves RW and allows them to travel in a desired direction, but the technology disclosed herein is not limited to this.
  • the electromagnetic wave control element according to the technology disclosed herein may be a transmission-type electromagnetic wave control element that refracts and transmits electromagnetic waves RW having a frequency of 0.1 to 0.3 THz, allowing them to travel in a desired direction.
  • electromagnetic waves RW refer to electromagnetic waves having a frequency of 0.1 to 0.3 THz.
  • FIG. 12 conceptually illustrates an example of a transmission type electromagnetic wave control element.
  • the transmission type electromagnetic wave control element according to the technology disclosed below is basically the same as the reflection type electromagnetic wave control element described above, except that it does not have the first electrode layer 26 that serves as a reflection layer, and the functions of each component are also the same. Therefore, the same components are given the same reference numerals, and the explanation will mainly focus on the different parts.
  • the transmissive electromagnetic wave control element 36 shown in FIG. 12 has the same configuration as the reflective electromagnetic wave control element 10 shown in FIG. 4, except that it does not have the first electrode layer 26. That is, the electromagnetic wave control element 36 has a metasurface structure 12 and a liquid crystal layer 20.
  • the metasurface structure 12 is formed by two-dimensionally arranging microstructures 14 that serve as resonators on a support 16, and the liquid crystal layer 20 is formed on a support 24.
  • the microstructures 14 serve as both the first electrode and the second electrode. That is, in the electromagnetic wave control element 36, a power source 28 is provided by connecting adjacent microstructures 14.
  • this electromagnetic wave control element 36 power is supplied from the power source 28 to the microstructures 14, and a voltage is applied in the in-plane direction to the liquid crystal layer 20 between adjacent microstructures 14.
  • the in-plane direction is the direction that intersects with the thickness direction of the liquid crystal layer 20.
  • the orientation state of the liquid crystal compound LC in this region of the liquid crystal layer 20 changes in response to the applied voltage, and the refractive index changes.
  • regions with different refractive indices in the in-plane direction can be formed.
  • the electromagnetic wave RW is phase-modulated by resonance with the microstructure 14 as it passes through the metasurface structure 12, and is further phase-modulated by passing through the liquid crystal layer 20. Since the electromagnetic wave control element 36 does not have the first electrode layer 26 that serves as a reflective layer, the electromagnetic wave RW passes through the liquid crystal layer 20 and is emitted from the electromagnetic wave control element 36.
  • the liquid crystal layer 20 has different refractive indices in the surface direction, so the phase difference given to the electromagnetic wave RW passing through the liquid crystal layer 20 differs depending on each region in the surface direction.
  • the electromagnetic wave RW has a different apparent optical path length depending on the phase difference given depending on the incident region, and the electromagnetic wave RW that passes through a region with a long optical path length is emitted from the liquid crystal layer 20 later than the electromagnetic wave RW that passes through a region with a short optical path length.
  • the electromagnetic wave RW that is incident on and transmitted through the electromagnetic wave control element 36 is not transmitted in a straight line, but is refracted to align the wavefront before being transmitted.
  • the electromagnetic wave RW that is incident from the normal direction is not transmitted in the normal direction, but is transmitted in a direction tilted relative to the normal.
  • each microstructure 14 i.e., the voltage applied to the liquid crystal layer 20
  • the refractive index of the transmitted electromagnetic wave RW i.e., the emission direction of the electromagnetic wave RW.
  • the voltage applied to the liquid crystal layer 20 it is possible to focus or diverge the transmitted electromagnetic wave RW, and it is also possible to switch the degree of focusing and divergence of the transmitted electromagnetic wave RW.
  • the electromagnetic wave control element 36 since the liquid crystal layer 20 contains a methine compound, it is possible to quickly switch the refractive index, i.e., the traveling direction of the transmitted electromagnetic wave RW.
  • the ⁇ n of the liquid crystal layer 20 is not limited, but is preferably large.
  • the ⁇ n of the liquid crystal layer 20 is preferably 0.2 or more, more preferably 0.3 or more, and even more preferably 0.4 or more.
  • the thickness of the liquid crystal layer 20 there is no restriction on the thickness of the liquid crystal layer 20, and the thickness that can give the electromagnetic wave RW the necessary phase difference may be appropriately set according to the material forming the liquid crystal layer 20.
  • the liquid crystal layer 20 in the transmission type electromagnetic wave control element 36 also contains a methine compound, so the liquid crystal layer 20 can be made thin.
  • the electromagnetic wave RW that is the subject of the technology is an electromagnetic wave with a frequency of 0.1 to 0.3 THz, that is, an electromagnetic wave with a wavelength of 1 to 3 mm.
  • the thickness of the liquid crystal layer 20 in the transmission type electromagnetic wave control element 36 is preferably 500 ⁇ m or less, more preferably 300 ⁇ m or less, and even more preferably 200 ⁇ m or less.
  • the thickness of the liquid crystal layer 20 500 ⁇ m or less it is preferable in that the transmission direction of the electromagnetic wave RW can be switched more quickly.
  • the transmission type electromagnetic wave control element is not limited to the electromagnetic wave control element 36 shown in FIG. 12, and various configurations can be exemplified.
  • a power source 28 is connected to each electrode or to the microstructure 14 that also serves as an electrode, as in the example shown in FIG. 12.
  • the microstructure 14 constituting the metasurface structure 12 also acts as an electrode.
  • the technology of the present disclosure is not limited to this, and a first electrode 32 and a second electrode 30 may be provided corresponding to the microstructure 14. As an example of this configuration, as conceptually shown in FIG.
  • a configuration in which a first electrode 32 is provided on one microstructure 14 and a second electrode 30 is provided on the other microstructure 14 in two adjacent microstructures 14 is exemplified.
  • a first electrode 32 may be provided between one microstructure 14 and the support 16
  • a second electrode 30 may be provided between the other microstructure 14 and the support 16.
  • the transmissive electromagnetic wave control element may have a plurality of metasurface structures.
  • the microstructures 14 may be arranged on the surface of the support 24 opposite the liquid crystal layer 20 to form a metasurface structure 12.
  • the microstructures 14 facing each other across the liquid crystal layer 20 are made to act as an electrode pair, that is, a first electrode and a second electrode.
  • a first electrode 32 and a second electrode 30 may also be provided corresponding to the microstructures 14.
  • this configuration as conceptually shown in FIG.
  • a first electrode 32 is provided on the surface of one microstructure 14, and a second electrode 30 is provided on the surface of the other microstructure 14.
  • a first electrode 32 may be provided between one microstructure 14 and the support 24, and a second electrode 30 may be provided between the other microstructure 14 and the support 16.
  • a transmission-type electromagnetic wave control element having a plurality of metasurface structures may be one in which the microstructures 14 constituting the metasurface structure 12 are arranged with a shift in the plane direction, as conceptually shown in FIG. 18.
  • the microstructures 14 facing each other across the liquid crystal layer 20 act as an electrode pair, i.e., a first electrode and a second electrode.
  • a first electrode 32 and a second electrode 30 may be provided corresponding to the microstructures 14.
  • FIG. 18 As an example of this configuration, as conceptually shown in FIG.
  • a first electrode 32 is provided on the surface of one microstructure 14, and a second electrode 30 is provided on the surface of the other microstructure 14.
  • a first electrode 32 may be provided between one microstructure 14 and the support 24, and a second electrode 30 may be provided between the other microstructure 14 and the support 16.
  • a first electrode layer 26A may be provided to completely cover the surface of the support 24 opposite the liquid crystal layer 20, and an electrode pair may be formed by the microstructure 14 and the first electrode layer 26A.
  • the first electrode layer 26A may be a patterned electrode patterned to have a plurality of openings, allowing the electromagnetic wave RW to pass through.
  • a second electrode 30 may be provided on the microstructure 14, as conceptually shown in FIG. 22, and an electrode pair may be formed by the first electrode layer 26A and the second electrode 30.
  • the microstructures 14 may be provided penetrating the electromagnetic wave control element in the thickness direction, as conceptually shown in FIG. 23.
  • the microstructures 14 may also serve as electrodes, as in the above-mentioned examples, or a first electrode and/or a second electrode may be provided corresponding to each microstructure 14.
  • a dielectric layer 34 may be provided on the side of the support 24 opposite the liquid crystal layer 20, and a first electrode layer 26A patterned to have a plurality of openings through which the electromagnetic wave RW passes may be provided on the side of the dielectric layer 34 opposite the support 24.
  • the orientation pattern of the liquid crystal compound LC in the liquid crystal layer 20 is such that when no voltage is applied, the liquid crystal compound LC is vertically aligned, and when a voltage is applied, the angle with respect to the thickness direction increases according to the applied voltage, and finally the liquid crystal orientation pattern becomes horizontal.
  • the technology of the present disclosure is not limited to this, and various liquid crystal orientation patterns can be used. An example is shown below. Note that in the example shown below, as in FIG. 5, only the liquid crystal layer 20, the microstructure 14, and the first electrode layer 26 are shown in order to simplify the operation.
  • the microstructure 14 and the first electrode layer 26 are shown as examples of electrodes, but the technology of the present disclosure is not limited to this, and the liquid crystal orientation pattern shown below can be used in all of the configurations shown in FIG. 4 and FIG. 7 to FIG. 24. The same is true for FIG. 5 in this respect.
  • the liquid crystal orientation pattern of the liquid crystal layer 20 may be, as conceptually shown in FIG. 25, a liquid crystal orientation pattern in which the liquid crystal compound LC is horizontally aligned when no voltage is applied, and when a voltage is applied, the angle with respect to the plane direction of the liquid crystal layer 20 increases according to the applied voltage, and finally becomes vertically aligned.
  • the liquid crystal orientation pattern of the liquid crystal layer 20 may be, as conceptually shown in FIG.
  • a hybrid orientation in which the orientation of the liquid crystal compound LC changes from horizontal to vertical in the thickness direction may be used.
  • this liquid crystal alignment pattern as an example, as shown in FIG. 27, when a voltage is applied from a state in which no voltage is applied, the alignment of the liquid crystal compound LC becomes closer to a vertical alignment depending on the applied voltage.
  • a voltage may be applied in a direction intersecting the thickness direction of the liquid crystal layer 20, as shown in Figs. 12 to 14.
  • the liquid crystal compound LC when no voltage is applied, the liquid crystal compound LC is horizontally aligned with its longitudinal direction perpendicular to the paper surface, and when a voltage is applied, it rotates in the plane direction according to the applied voltage, and finally becomes horizontally aligned with its longitudinal direction corresponding to the horizontal direction in the figure.
  • Fig. 28 when no voltage is applied, the liquid crystal compound LC is horizontally aligned with its longitudinal direction perpendicular to the paper surface, and when a voltage is applied, it rotates in the plane direction according to the applied voltage, and finally becomes horizontally aligned with its longitudinal direction corresponding to the horizontal direction in the figure.
  • the liquid crystal compound LC when no voltage is applied, the liquid crystal compound LC is horizontally aligned with its longitudinal direction corresponding to the horizontal direction in the figure, and when a voltage is applied, it rotates in the plane direction according to the applied voltage, and finally becomes horizontally aligned with its longitudinal direction corresponding to the vertical direction in the paper surface.
  • the polarization state (i.e., polarized state) of the electromagnetic wave RW may be unpolarized, linearly polarized, circularly polarized, or elliptically polarized. Note that when the electromagnetic wave RW is linearly polarized and the microstructures 14 are two-dimensionally arranged in the orthogonal X and Y directions, it is preferable to make the electromagnetic wave RW incident so that the polarization direction of the electromagnetic wave RW coincides with the X or Y direction.
  • a reflective electromagnetic wave control element 10 an example of which is shown in FIG. 4
  • a transmissive electromagnetic wave control element 36 an example of which is shown in FIG. 12.
  • examples are shown in which these types of electromagnetic wave control elements are used as components of an electromagnetic wave reflecting device 2.
  • the uses of the electromagnetic wave control element are not limited to the uses described above, and may be other uses. As an example of other uses, for example, by combining it with a waveguide that guides the electromagnetic wave RW, it can be used as a component of a so-called leaky wave antenna.
  • an electromagnetic wave control element 110 is incorporated into a leaky wave antenna 100.
  • the electromagnetic wave control element 110 is similar to the electromagnetic wave control element 10 in that it has the function of controlling the traveling direction of the electromagnetic wave RW. Furthermore, in the electromagnetic wave control element 110, the same components as those in the electromagnetic wave control element 10 are given the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the leaky wave antenna 100 transmits electromagnetic waves RW in the same manner as the antenna ANT shown in FIG. 1.
  • the leaky wave antenna 100 can change the direction in which the electromagnetic waves RW are emitted, for example, by emitting the electromagnetic waves RW toward area AR1 in one time period and emitting the electromagnetic waves RW toward area AR2 in another time period.
  • the electromagnetic wave control element 110 is composed of multiple subunits 110A and multiple electromagnetic wave generating sources 112.
  • the multiple subunits 110A have a rectangular parallelepiped shape, and each subunit 110A is arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the multiple electromagnetic wave generating sources 112 are assigned to each subunit 110A.
  • the subunit 110A is composed of a metasurface structure 12 in which a plurality of microstructures 14 are arranged one-dimensionally, and a waveguide member 120, and has a rectangular parallelepiped shape as a whole.
  • the waveguide member 120 is provided with its longitudinal direction aligned with the arrangement direction of the microstructures 14.
  • the waveguide member 120 is disposed so as to contact one surface of the support 24 opposite to the liquid crystal layer 20.
  • the waveguide member 120 is, for example, a tubular member in the shape of a square cylinder with a rectangular cross section.
  • the internal space defined by the inner wall of the waveguide member 120 constitutes a waveguide 120A that guides the electromagnetic wave RW.
  • An electromagnetic wave generating source 112 is disposed on one end side of the waveguide member 120, and the electromagnetic wave generating source 112 transmits an electromagnetic wave RW into the waveguide 120A.
  • the waveguide 120A guides the electromagnetic wave RW transmitted from the electromagnetic wave generating source 112 and incident on the waveguide 120A in a direction along the arrangement direction of the microstructures 14.
  • the electromagnetic wave RW propagates in the waveguide 120A while being reflected by the inner wall of the waveguide member 120.
  • an opening 121 is formed in a part of the wall surface facing the support 24, which emits the electromagnetic wave RW in a direction intersecting the arrangement direction of the microstructures 14.
  • the opening 121 is formed corresponding to the position of each of the multiple microstructures 14. In this example, the opening 121 emits the electromagnetic wave RW in the Z direction, which is the normal direction of the XY plane, which is the arrangement surface on which the microstructures 14 are arranged.
  • the unit cell UC is configured to include at least one microstructure 14 and an opening 121.
  • the microstructure 14 and the waveguide member 120 serve as an electrode pair of a first electrode and a second electrode.
  • An electric field is generated in the thickness direction of the liquid crystal layer 20 by applying a voltage to each unit cell UC.
  • the electromagnetic wave control element 110 can control the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW by controlling the voltage applied to each unit cell UC. This makes it possible to control the emission direction of the electromagnetic wave RW that is emitted from the opening 121 and passes through the liquid crystal layer 20 and the microstructure 14.
  • the liquid crystal layer 20 has a higher responsiveness than conventional devices, so the electromagnetic wave control element 110 can also switch the emission direction of the electromagnetic wave RW with a frequency of 0.1 to 0.3 THz in a shorter time than conventional devices.
  • the microstructure 14 is provided separately from the opening 121, but as shown in Fig. 34, the opening 121 may function as the microstructure. That is, the opening 121 itself may function as a resonator that generates a phase delay for the electromagnetic wave RW.
  • the opening 121 can also function as a resonator by forming it to a size equal to or smaller than the wavelength range of the electromagnetic wave RW and devising a shape, etc. Then, by controlling the resonance condition of the opening 121 by changing the refractive index of the liquid crystal layer 20, it is possible to control the amount of phase delay of the electromagnetic wave RW for each unit cell UC.
  • an electrode pair of a first electrode 32 and a second electrode 30 is provided for each unit cell UC between the support 24 and the liquid crystal layer 20. Then, by applying a voltage to these electrode pairs, an electric field is generated in a direction intersecting the thickness direction of the liquid crystal layer 20, and the refractive index of the liquid crystal layer 20 is changed for each unit cell UC.
  • the electromagnetic wave control element 110 is described as being configured with a rectangular parallelepiped subunit 110A, but may be configured in other ways than those shown in Figs. 32 and 33.
  • the electromagnetic wave control element 110 may be configured by arranging metasurface structures 12 radially around one electromagnetic wave generating source 112.
  • the electromagnetic wave generating source 112 radially generates electromagnetic waves RW.
  • a waveguide member (not shown) is provided corresponding to the metasurface structure 12 in which a plurality of microstructures 14 are arranged.
  • the waveguide member is provided with an opening that outputs a portion of the electromagnetic waves RW propagating through the waveguide in a direction intersecting the arrangement direction of the microstructures 14. This allows the electromagnetic waves RW to be output.
  • the various modified examples shown in Figures 7 to 29 for the reflective or transmissive electromagnetic wave control element 10 may be combined as appropriate where applicable.
  • a liquid crystal composition 1 was prepared according to the following composition.
  • Compound 2-1 10.00 parts by mass PTU-3-S 13.48 parts by mass PTU-5-S 13.48 parts by mass PGU-3-S 13.48 parts by mass PPTU-5-S 8.99 parts by mass CPU-2-S 25.18 parts by mass CPU-4-S 15.28 parts by mass D-1c 0.11 parts by mass
  • Liquid crystal composition 2 was prepared in the same manner as in liquid crystal composition 1, except that compound 2-2 below was used instead of compound 2-1.
  • Liquid Crystal composition 3 was prepared in the same manner as in liquid crystal composition 1, except that compound 2-3 shown below was used instead of compound 2-1.
  • Liquid crystal composition 4 was prepared in the same manner as in liquid crystal composition 1, except that compound 3-1 below was used instead of compound 2-1.
  • Liquid Crystal composition 5 was prepared in the same manner as in liquid crystal composition 1, except that compound 3-2 below was used instead of compound 2-1.
  • Liquid Crystal composition 6 was prepared in the same manner as in liquid crystal composition 1, except that compound 3-3 shown below was used instead of compound 2-1.
  • Comparative liquid crystal composition x was prepared in the same manner as in liquid crystal composition 1, except that compound 2-1 was not used.
  • Example 1 A patterned gold (Au) film was formed by deposition in the center of a 2.5 mm square quartz substrate, and a metasurface structure was formed by arranging multiple microstructures. At this time, as the pattern of the microstructures, 40 0.32 mm square microstructures were arranged vertically and 40 horizontally at a period of 0.4 mm. In addition, the 40 microstructures arranged horizontally were connected with a thin wire-like metal pattern with a width of 0.05 mm and a length of 2.5 mm for voltage application, and used as the first electrode. An alignment film made of polyimide was formed on the first electrode.
  • a gold (Au) film was formed on the front surface of another 2.5 mm square quartz substrate by similar vapor deposition to form a second electrode.
  • An alignment film made of polyimide was formed on the second electrode.
  • the quartz substrate on which the first electrode was formed and the quartz substrate on which the second electrode was formed were bonded together with the electrode surfaces facing inward.
  • the thickness of the spacer was set so that the optical path length ( ⁇ n ⁇ thickness) was 25 ⁇ m.
  • the liquid crystal composition 1 was filled into the cavity between the electrodes formed by the spacer.
  • the electromagnetic wave control element of Example 1 was created, which functions as a reflector capable of changing the direction of electromagnetic waves like the electromagnetic wave control element 10 described above.
  • Electromagnetic wave controlling elements of Examples 2 to 6 were prepared in the same manner as in Example 1, except that liquid crystal composition 1 was changed to any one of liquid crystal compositions 2 to 6 shown in Table 1 below.
  • ⁇ n which is an index of refractive index anisotropy (also called birefringence)
  • ⁇ n for an electromagnetic wave with a frequency of 250 GHz (i.e., 0.25 THz) was measured by the method disclosed in Applied Optics, Vol. 44, No. 7, p1150 (2005).
  • ⁇ n was measured by filling the above composition into a variable short-circuited waveguide and holding it in a static magnetic field of 0.3 T for 3 minutes to align the dichroic dye in the composition.
  • An electromagnetic wave with a frequency of 250 GHz was input into the variable short-circuited waveguide, and the amplitude ratio of the reflected wave to the incident wave was measured. Measurements were performed by changing the direction of the static magnetic field and the tube length of the variable short-circuited waveguide, and the refractive indices ne and no of the two axes were determined.
  • ⁇ n was calculated from ne-no.
  • the switching time of the reflection direction of the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave control element produced was evaluated by the method shown in FIG. 36.
  • the applied voltage of the electromagnetic wave control element was adjusted in advance so that the electromagnetic wave incident from the normal direction of the reflection surface was reflected in the direction of 30°.
  • a signal with a frequency of about 14 GHz was generated by a frequency generator, and the frequency was multiplied by 18 times by a multiplier to generate a signal with a frequency of 250 GHz.
  • the electromagnetic wave with a frequency of 250 GHz emitted from the emitter was focused by a resin lens and made to enter the electromagnetic wave control element.
  • the intensity of the reflected electromagnetic wave reflected by the electromagnetic wave control element and focused by the resin lens and the horn antenna was detected by a Schottky diode.
  • the applied voltage was readjusted to change the reflection direction of the electromagnetic wave in the electromagnetic wave control element from the direction of 30° to the direction of 0°.
  • the time when the intensity of the electromagnetic wave detected by the Schottky diode became 1/10 was defined as the switching time of the reflection direction of the electromagnetic wave.
  • a numerical range expressed using “ ⁇ ” means a range that includes the numerical values written before and after “ ⁇ ” as the lower and upper limits.
  • “same” includes the error range generally accepted in the technical field.
  • a and/or B is synonymous with “at least one of A and B.”
  • a and/or B means that it may be just A, or just B, or a combination of A and B.
  • the same idea as “A and/or B” is also applied when three or more things are linked together with “and/or.”
  • Additional Item 1 a liquid crystal layer in which the orientation state of liquid crystal compounds changes depending on a voltage; A metasurface structure having a plurality of microstructures arranged thereon; an electrode pair configured by a first electrode and a second electrode for applying a voltage; An electromagnetic wave control element which acts on electromagnetic waves having a frequency of 0.1 to 0.3 THz and in which a liquid crystal layer contains a methine compound.
  • Additional Note 2 2. The electromagnetic wave control element according to claim 1, wherein the methine compound has a methine structure.
  • Additional Note 3 3. The electromagnetic wave control element according to claim 1 or 2, wherein the liquid crystal layer contains a liquid crystal compound having a methine structure.
  • Additional Item 4" 4. The electromagnetic wave control element according to claim 1, wherein at least one of the first electrode and the second electrode is a microstructure. "Additional Item 5" 5. The electromagnetic wave control element according to any one of claims 1 to 4, comprising a first electrode and a second electrode as elements independent of the microstructure. "Additional Item 6” 6. The electromagnetic wave control element according to claim 1, wherein one of the first electrode and the second electrode is a pattern electrode. "Additional Item 7" 7. The electromagnetic wave control element according to any one of claims 1 to 6, wherein the microstructure includes a metal. “Additional Item 8" 8. The electromagnetic wave control element according to any one of claims 1 to 7, wherein the microstructure includes an oxide semiconductor. "Appendix 9" 9.
  • "Additional Item 15” 15. The electromagnetic wave control element according to claim 14, wherein an opening for emitting electromagnetic waves is formed in a part of a wall surface defining the waveguide.
  • “Additional Item 16” 16 16. The electromagnetic wave control element according to claim 14, wherein a waveguide member constituting the waveguide functions as the first electrode or the second electrode.

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Abstract

電圧によって液晶化合物の配向状態が変化する液晶層と、複数の微細構造体を配列してなるメタサーフェス構造体と、第１電極および第２電極によって構成され、電圧を印加するための電極対と、を有し、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波に作用するものであり、かつ、液晶層がメチン化合物を含む、電磁波制御用素子。

Description

電磁波制御用素子
　本開示の技術は、メタサーフェス構造体を用いる電磁波制御用素子に関する。
　高容量無線通信に必要な高周波数電波（ミリ波、テラヘルツ波）などの電磁波は直進性が高い。そのため、電磁波の進行方向を任意の方向に曲げる反射板が求められる。しかしながら、通常の反射板は電磁波の反射方向は一定であり、しかも、反射方向は、入射角と出射角が等しい正反射となるため、電磁波の進行方向を変更する範囲の制約が大きく、電磁波を届けたい場所に届けにくいという問題があった。
　そこで、非特許文献（Jingbo Wu et al., Liquid crystal programmable metasurface for terahertz beam steering, Applied Physics Letters, 116, 131104 (2020)）には、メタサーフェス構造体を利用することにより、電磁波の反射方向を正反射以外の方向に変化させたり、反射方向をアクティブに変化させることが可能な電磁波制御用素子が記載されている。このような電磁波制御用素子は、ビームステアリング素子などとも呼ばれる。
　メタサーフェス構造体は、メタマテリアルを利用した構造体である。メタマテリアルは、電磁波に対して負の屈折率を有するなど自然界の物質にはない特性を示す人工物質をいう。メタサーフェス構造体は、メタマテリアルである微細構造体を複数個配列したものである。微細構造体は、透過する電磁波によって共振し、共振作用によって電磁波の位相を変調する。微細構造体の共振条件を変化させることにより、電磁波の位相の変調量を変化させることができる。電磁波制御用素子は、メタサーフェス構造体を利用して、入射する電磁波の位相を制御することにより、電磁波の進行方向を制御する。
　非特許文献に記載の電磁波制御用素子は、微細構造体の共振条件を変化させるために、液晶層を用いている。液晶層においては、液晶化合物の配向状態を変化させることにより、電磁波に対する屈折率が変化する。この屈折率の変化によって微細構造体の共振条件が変化する。こうした現象を利用することにより、非特許文献に記載の電磁波制御用素子は、液晶層の屈折率の変化を通じて電磁波の位相の変調量を制御している。
　電磁波制御用素子の性能の指標の１つとして、電磁波の反射方向など、電磁波の出射方向を切り替える切り替え時間がある。出射方向の切り替え時間を短時間化することにより、例えば、無線通信を利用するユーザが密集するエリアの経時的な変化に、より迅速に対応することができる。無線通信を利用するユーザのニーズは今後も高まることが予想されており、それに伴って、出射方向の切り替え時間のさらなる短時間化が要望されている。
　本開示の技術は、液晶層を用いたメタサーフェス構造体を有する電磁波制御用素子において、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波の出射方向を従来よりも短時間で切り替えることが可能な電磁波制御用素子を提供する。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子は、電圧によって液晶化合物の配向状態が変化する液晶層と、複数の微細構造体を配列してなるメタサーフェス構造体と、第１電極および第２電極によって構成され、電圧を印加するための電極対と、を有し、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波に作用するものであり、かつ、液晶層がメチン化合物を含む。
　メチン化合物が、メチン構造を有していてもよい。
　液晶層がメチン構造を有する液晶化合物を含んでいてもよい。
　第１電極および第２電極の少なくとも一方が微細構造体であってもよい。
　微細構造体とは独立した要素として、第１電極と第２電極を有していてもよい。
　第１電極および第２電極の一方は、パターン電極であってもよい。
　微細構造体が、金属を含んでもよい。
　微細構造体が、酸化物半導体を含んでもよい。
　液晶層の厚さ方向に、電圧による電界が発生してもよい。
　液晶層の厚さ方向と交差する方向に、電圧による電界が発生してもよい。
　電磁波を反射する反射型でもよい。
　第１電極および第２電極の一方は、電磁波を反射する反射層を兼ねてもよい。
　電磁波を透過する透過型でもよい。
　入射する電磁波を、微細構造体の配列方向に沿う方向に導波する導波路を有しており、導波路内を導波する電磁波の一部を配列方向と交差する方向に出射してもよい。
　導波路を画定する壁面の一部に、電磁波を出射する開口部が形成されていてもよい。
　導波路を構成する導波路部材は、第１電極または第２電極として機能してもよい。
　開口部が微細構造体として機能してもよい。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子によれば、液晶層を用いたメタサーフェス構造体を有する電磁波制御用素子において、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波の反射方向を従来よりも短時間で切り替えることができる。
電磁波制御用素子の使用例を示す図である。 電磁波制御用素子に用いられるメタサーフェス構造体の一例を示す図である。 電磁波制御用素子において電磁波の出射方向が変更されるメカニズムを説明する図である。 電磁波制御用素子の一例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子における液晶配向パターンの一例を概念的に示す図である。 印加する電圧と電磁波の位相の遅れ量の関係を示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子における液晶配向パターンの別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子における液晶配向パターンの別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子における液晶配向パターンの別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子における液晶配向パターンの別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子における液晶配向パターンの別の例を概念的に示す図である。 電磁波制御用素子を使用する漏れ波アンテナを示す図である。 図３０の電磁波制御用素子の一例を概念的に示す平面図である。 図３１の電磁波制御用素子のサブユニットを概念的に示す斜視図である。 図３２のサブユニットの一例を概念的に示す図である。 図３２のサブユニットの別の例を概念的に示す図である。 図３０の電磁波制御用素子の別の例を概念的に示す図である。 切り替え時間を測定する方法を模式的に示す図である。
　図１に示す電磁波反射装置２には、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０が用いられている。電磁波反射装置２は、建物ＢＬの背後に配置されたアンテナＡＮＴから放射される直進性の高い電磁波ＲＷを、アンテナＡＮＴから見ると陰となる建物ＢＬの前方のエリアＡＲ１に向けて反射させることが可能である。また、電磁波反射装置２は、複数のエリアＡＲ１とエリアＡＲ２の異なる方向に電磁波ＲＷの反射方向を変化させることが可能である。例えば、無線通信を利用するユーザが日中の時間帯においてはエリアＡＲ１に多く存在し、夜間の時間帯にはエリアＡＲ２に多く存在するというように、ユーザが多く存在するエリアが時間帯によって変化する場合がある。そのような場合において、電磁波反射装置２は、時間帯に応じて電磁波ＲＷの反射方向を変化させることにより、電磁波ＲＷを供給するエリアを変化させることが可能である。
　図２に示すように、電磁波制御用素子１０は、メタサーフェス構造体１２を有しており、電磁波ＲＷの進行方向を所望の方向に反射する反射型の電磁波制御用素子である。メタサーフェス構造体１２は、メタマテリアルを利用した構造体である。メタマテリアルは、電磁波に対して負の屈折率を有するなど自然界の物質にはない特性を示す人工物質をいう。電磁波制御用素子１０は、複数のユニットセルＵＣが二次元に配列された構成であり、複数のユニットセルＵＣの配列によって形成される二次元平面が電磁波ＲＷの反射面となる。各ユニットセルＵＣは、それぞれメタマテリアルとして微細構造体１４を含んでおり、反射面において、電磁波ＲＷの位相をアクティブに変化させることが可能な最小単位を構成する。微細構造体１４は、一例として金属製である。微細構造体１４は、入射する電磁波ＲＷの波長以下のオーダのサイズであり、入射する電磁波ＲＷとの相互作用によって共振する共振器として機能する。微細構造体１４は、電気的には、例えば、コイルとコンデンサとを直列に接続し、交流電流を共振させる共振回路と等価とみなすことができる。微細構造体１４の共振作用によって、入射する電磁波ＲＷの位相が変化する。さらに、微細構造体１４の共振条件を種々の方法によってアクティブに変化させることにより、電磁波ＲＷの位相の遅れ量の制御も可能となる。
　電磁波制御用素子１０は、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷに作用する。この周波数帯の電磁波ＲＷは、高周波数電波（ミリ波またはテラヘルツ波）などとも呼ばれ、高容量の無線通信が可能である一方、直進性が高い。電磁波制御用素子１０において、メタサーフェス構造体１２は、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷに対して作用するように構成されている。周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷの波長は１～３ｍｍであり、メタサーフェス構造体１２を構成する微細構造体１４のサイズは、一例として、波長の１／２程度のオーダである。微細構造体１４のサイズを電磁波ＲＷの波長以下とすることで、微細構造体１４は透過する電磁波ＲＷによって共振し、電磁波ＲＷの位相を変調する位相変調素子として機能する。
　図３において、入射方向ＩＮおよび出射方向ＯＵＴで例示するように、電磁波ＲＷの全体的な進行方向は、複数の電磁波ＲＷの波面をつないだ直線に対する法線方向と考えることができる。そして、電磁波制御用素子１０において、例えば、一次元に配列された複数のユニットセルＵＣのそれぞれに入射しかつ反射する電磁波ＲＷの位相の遅れ量を、右方向のユニットセルＵＣから左方向のユニットセルＵＣに向かうにつれて徐々に大きくすることを考える。そうすると、入射する個々の電磁波ＲＷの波面をつないだ直線が反射面と平行な場合でも、各ユニットセルＵＣで反射した個々の電磁波ＲＷの波面をつないだ直線は反射面に対して傾斜する。すなわち、反射面から出射する電磁波ＲＷの進行方向である出射方向ＯＵＴは、電磁波ＲＷの入射方向ＩＮに対して角度θだけ変化する。このように、ユニットセルＵＣ毎に、位相変調、すなわち、位相の遅れ量の制御を行うことにより、電磁波ＲＷの進行方向を制御することができる。
　その結果、通常の反射板では電磁波ＲＷの進行方向を正反射の方向にしか変化させることができないところ、電磁波反射装置２は、メタサーフェス構造体１２を用いることにより、正反射以外の方向に電磁波ＲＷの進行方向を変化させることが可能となる。また、各ユニットセルＵＣにおける位相の遅れ量をアクティブに変化させることで、電磁波ＲＷの進行方向をアクティブに変化させることが可能となる。
　一例として図４に概念的に示すように、電磁波制御用素子１０は、メタサーフェス構造体１２の微細構造体１４の共振条件をアクティブに変化させる要素として、液晶層２０を用いる。電磁波制御用素子１０は、図中下方から、第１電極層２６と、液晶層２０と、複数の微細構造体１４を含むメタサーフェス構造体１２とを、この順で有する。液晶層２０は、支持体２４に設けられている。さらに、第１電極層２６は、支持体２４の液晶層２０とは逆側の面を全面的に覆って設けられる。
　各ユニットセルＵＣは、微細構造体１４、液晶層２０および第１電極層２６を含んで構成される。このうち、微細構造体１４については、ユニットセルＵＣ毎に個別に設けられている。それ以外の支持体１６、液晶層２０、支持体２４および第１電極層２６は、ユニットセルＵＣ毎に独立した構成ではなく、複数のユニットセルＵＣに対応する領域が一体的に形成されている。
　電磁波制御用素子１０において、第１電極層２６と支持体２４、および、液晶層２０と支持体１６とは、必要に応じて、貼着剤（粘着剤または接着剤）を用いて貼着されている。貼着方法には、制限はなく、電磁波制御用素子１０が制御対象とする電磁波が透過可能なＯＣＡ（Optical Clear Adhesive）を用いる方法など、電磁波制御用素子１０が制御対象とする電磁波が透過可能な公知の方法が、各種、利用可能である。
　微細構造体１４は、一例として導電性の材料で形成されており、第１電極層２６と電極対を構成する電極を兼ねている。また、個々の微細構造体１４に、微細構造体１４と第１電極層２６との間に電圧を印加するための電源２８が接続されている。このため、ユニットセルＵＣ毎に印加する電圧の大きさを制御することが可能である。第１電極層２６は、各ユニットセルＵＣに共通の共通電極であり、各ユニットセルＵＣの微細構造体１４は、個別電極として機能する。共通電極として機能する第１電極層２６は、本開示の技術に係る「第１電極」の一例であり、微細構造体１４が兼用する個別電極は、「第２電極」の一例である。第２電極としての微細構造体１４と、第１電極としての第１電極層２６は、「電圧を印加するための電極対」の一例である。
　電磁波制御用素子１０は、反射型であり、第１電極層２６は、電磁波ＲＷを反射する反射層を兼ねる。
　液晶層２０は、電圧の印加によって液晶化合物ＬＣの配向状態（以下において配向パターンともいう）が変化する。各ユニットセルＵＣの微細構造体１４の配列方向は、液晶層２０の厚さ方向（図におけるＺ方向）と直交する方向（図におけるＸ方向またはＹ方向）である。微細構造体１４と第１電極層２６とは、液晶層２０の厚さ方向の両側に配置されている。電源２８から電力を供給することにより、各ユニットセルＵＣの微細構造体１４と第１電極層２６との間に電圧が印加される。電圧の印加によって、液晶層２０の厚さ方向に電界が発生し、各ユニットセルＵＣの液晶化合物ＬＣの配向状態が変化する。また、各ユニットセルＵＣに印加する電圧を調節することにより、各ユニットセルＵＣの液晶化合物ＬＣの配向状態を調節することができる。
　図５に示すように、液晶化合物ＬＣは、断面が長軸と短軸を有する略楕円形状をしている。一例として、電極対として機能する微細構造体１４と第１電極層２６との間に電圧が印加されていない状態では、液晶層２０に電界が生じない。この状態では、図５の上段に概念的に示すように、液晶化合物ＬＣは、長軸が液晶層２０の厚さ方向に沿う姿勢に配向されている。以下の説明では、この配向状態を『垂直配向』ともいう。
　この状態から、微細構造体１４と第１電極層２６との間に電圧を印加すると、液晶層２０に電界が発生し、液晶化合物ＬＣの配向状態が変化する。具体的には、図５の下段に概念的に示すように、微細構造体１４に対応する領域の液晶化合物ＬＣは、印加された電圧の大きさに応じて、配向状態が変化して、液晶層２０の厚さ方向に対して傾斜する。図５の下段に示す例において、液晶化合物ＬＣの傾斜角が最大となった状態を示している。傾斜角が最大の状態では、液晶化合物ＬＣは、長軸が、液晶層２０の厚さ方向に対して直交する方向に沿う姿勢に配向される。以下の説明では、傾斜角が最大となった配向状態を『水平配向』ともいう。
　液晶層２０の屈折率は、液晶化合物ＬＣの傾斜が大きいほど、すなわち、液晶化合物ＬＣの長軸が液晶層２０の主面方向（図５においてＸ方向またはＹ方向）に近い角度であるほど大きい。逆に、液晶化合物ＬＣの傾斜が小さいほど、すなわち、液晶化合物ＬＣの長軸が液晶層２０の厚さ方向（図のＺ方向）に近い角度であるほど、液晶層２０の屈折率は小さい。こうした各ユニットセルＵＣの液晶層２０の屈折率の変化によって、微細構造体１４の共振条件が変化し、入射した電磁波ＲＷの位相の遅れ量が変化する。本例においては、図５の下段のユニットセルＵＣの位相の遅れ量が、図５の上段のユニットセルＵＣよりも多くなる。
　すなわち、各ユニットセルＵＣの微細構造体１４の周辺に位置する液晶層２０において、液晶化合物ＬＣの配向状態が変化すると、各ユニットセルＵＣを透過する電磁波ＲＷに対する液晶層２０の屈折率が変化する。そして、屈折率と誘電率は正の相関を有するため、液晶層２０の屈折率の変化によって、共振器として機能する微細構造体１４の共振条件が変化する。微細構造体１４の共振条件の変化は、電磁波ＲＷの位相の遅れ量の変化として現われる。このため、液晶層２０の屈折率を変化させることにより、電磁波ＲＷの位相の遅れ量を変化させることができる。また、液晶層２０の屈折率の変化は、それ自体によっても電磁波ＲＷの位相の遅れ量の変化を引き起こす。各ユニットセルＵＣの液晶層２０の屈折率は、各ユニットセルＵＣに印加する電圧Ｖによって変化するため、電圧Ｖと電磁波ＲＷの位相の遅れ量の関係は、一例として、図６に示すようになる。
　図３で示したとおり、電磁波制御用素子１０に対して、微細構造体１４側から電磁波ＲＷが入射すると、電磁波ＲＷは、微細構造体１４および液晶層２０をこの順に透過する。さらに、電磁波ＲＷは、反射層を兼ねる第１電極層２６で反射し、再び、液晶層２０および微細構造体１４をこの順で透過して、電磁波制御用素子１０から出射する。このような入出射経路を経て電磁波ＲＷは反射される。入出射経路において、各ユニットセルＵＣを透過する電磁波ＲＷに対しては、微細構造体１４による共振による位相変調と、液晶層２０を透過することによる位相変調が生じる。より詳細には、各ユニットセルＵＣにおいては、液晶層２０の屈折率に応じて微細構造体１４の共振条件が決まり、その条件に応じた共振によって電磁波ＲＷの位相変調が生じる。加えて、液晶層２０の屈折率の大きさに応じた電磁波ＲＷの位相変調も生じる。
　図６に示す関係に基づいて、印加する電圧Ｖを通じてユニットセルＵＣ毎に電磁波ＲＷの位相の遅れ量を制御することにより、電磁波制御用素子１０において反射する電磁波ＲＷの反射方向が制御される。
　図３にも示したように、通常の反射板では電磁波ＲＷの進行方向を正反射の方向にしか変化させることができないところ、電磁波制御用素子１０では、メタサーフェス構造体１２を用いることにより、正反射以外の方向に電磁波ＲＷの進行方向を変化させることが可能となる。また、各ユニットセルＵＣにおける位相の遅れ量をアクティブに変化させることで、電磁波ＲＷの進行方向をアクティブに変化させることが可能となる。
　さらに、電磁波制御用素子１０から出射する電磁波ＲＷの進行方向の制御は、図３に示した例のように反射した電磁波ＲＷが全体として１方向に直進するように制御する以外にも、種々の例が考えられる。例えば、電磁波制御用素子１０から出射する電磁波ＲＷが、ある１つの焦点に向かって集束するようにしてもよいし、その反対に発散するようにしてもよい。出射する電磁波ＲＷの進行方向の制御は、ユニットセルＵＣ毎に印加する電圧を調節することにより、ユニットセルＵＣ毎の電磁波ＲＷの位相の遅れ量を調節することにより行うことが可能である。
　例えば、図３に示したように１方向に配列された複数のユニットセルＵＣがある場合において、中央のユニットセルＵＣの位相の遅れ量を大きくし、両側に向かって位相の遅れ量を小さくすることを考える。この場合は各ユニットセルＵＣを透過する電磁波ＲＷの波面をつなぐとＶ字形状になるため、出射する電磁波ＲＷを集束させることができる。また、その反対に、中央のユニットセルＵＣの位相の遅れ量を小さくし、両側に向かって位相の遅れ量を大きくすることを考える。この場合は各ユニットセルＵＣを透過する電磁波ＲＷの波面をつなぐと山形（逆Ｖ字形状）になるため、出射する電磁波ＲＷを発散させることができる。こうした集束および発散の程度についても、印加する電圧の大きさの調節を通じて、各ユニットセルＵＣを透過する電磁波ＲＷの位相の遅れ量を制御することにより調節することできる。
　メタサーフェス構造体１２は、公知のメタサーフェス構造体と同様、支持体１６に、メタマテリアルである微細構造体１４を二次元的に配列してなるものである。図示例のメタサーフェス構造体１２においては、図２で示したように、微細構造体１４は、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に、等間隔で二次元的に配列されている。また、このメタサーフェス構造体１２においては、微細構造体１４は、一例として、全て同じものである。
　支持体１６には制限はなく、微細構造体１４を支持可能で、かつ、電磁波制御用素子１０が制御対象とする周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷが透過可能であれば、公知の各種のシート状物が利用可能である。支持体１６としては、一例として、酸化シリコンを有するシリコン基板などの酸化物絶縁層を有する金属基板、酸化シリコンなどの酸化物からなる支持体、ゲルマニウムおよびカルコゲナイドガラスなどの半導体からなる支持体、ポリメチルメタクリレートなどのポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム（例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリカーボネートフィルムおよびポリ塩化ビニルフィルムなどの樹脂フィルム、ならびに、ガラス板等が例示される。
　支持体１６の厚さにも制限はなく、微細構造体１４を支持でき、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷに対して十分な透過性が得られ、さらに、電磁波制御用素子１０の用途等に応じて十分な強度が得られればよい。このような条件を満たすように、支持体１６の厚さは、支持体１６の形成材料に応じて、適宜、設定される。
　なお、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０において、メタサーフェス構造体１２には、支持体１６は必須の構成ではなく、支持体１６は無くてもよい。例えば、可能であれば、液晶層２０の表面に、直接、微細構造体１４を配列して、メタサーフェス構造体１２を形成してもよい。
　上述のとおり、メタサーフェス構造体１２は、メタマテリアルである微細構造体１４を、離間して、平面上に二次元的に配列してなるものであり、より詳細には、基本的に１個の微細構造体１４と、微細構造体１４の周囲の空間とを単位とするユニットセルＵＣの配列によって構成される。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０において、メタサーフェス構造体の形態は、基本的に、公知のメタサーフェス構造体と同様である。従って、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０においては、公知の各種のメタサーフェス構造体が利用可能である。すなわち、本開示の技術において、微細構造体１４の形状および形成材料、微細構造体１４の配列、ならびに、微細構造体１４の間隔であるピッチ等にも、制限はない。また、メタサーフェス構造体１２は、電磁波制御用素子１０が制御対象となる電磁波ＲＷの波長および目標とする反射特性（例えば、制御可能な反射方向の範囲）に応じて、公知の方法で設計すればよい。一例として、用いる微細構造体１４が反射する電磁波ＲＷの振幅および位相を市販のシミュレーションソフトを用いて算出し、目的とする位相変調量の分布となるように、微細構造体１４の配列を設定すればよい。位相変調は、本例のように液晶層２０を用いる場合は屈折率、さらに屈折率と微細構造体１４との相互作用によって生じ、位相変調量は、屈折率によって変化する微細構造体１４の共振特性によって決まる。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０は、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷを制御対象とするものである。従って、メタサーフェス構造体１２は、この周波数の電磁波ＲＷに対して、所望の位相差を与えるように、微細構造体１４が選択され、さらに、微細構造体の配列等が設定される。具体的には、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷを制御対象とする場合は、電磁波ＲＷの波長範囲は１～３ｍｍ程度なので、微細構造体１４のサイズも、その波長範囲以下のものが選択される。
　１つのユニットセルＵＣが有する微細構造体１４の数は、基本的に１つであるが、本開示の技術は、これに制限はされない。すなわち、本開示の技術に係る電磁波制御用素子では、反射特性、微細構造体１４の大きさ、形成材料および形状、ならびに、ユニットセルＵＣの大きさ等に応じて、必要に応じて、１つのユニットセルＵＣが、複数の微細構造体１４を有してもよい。この際には、１つのユニットセルＵＣが、異なる微細構造体１４を有してもよい。但し、ユニットセルＵＣは、電磁波ＲＷの位相をアクティブに変化させることが可能な最小単位であるため、１つのユニットセルＵＣが、複数の微細構造体１４を有する場合でも、位相変調量は、ユニットセルＵＣ毎に決まる。
　また、微細構造体１４の形成材料には、制限はなく、公知のメタサーフェス構造体において微細構造体として用いられているものが、各種、利用可能である。微細構造体１４の形成材料としては、金属および誘電体が例示される。金属の場合、光学損失が少ない等の点で、銅、金、および、銀が好ましく例示される。また、微細構造体１４の形成材料としては、金属粒子とバインダとからなる複合体、および、酸化物半導体も利用可能ある。他方、誘電体の場合、屈折率が大きく、位相変調量を大きくすることが可能である等の点を考慮して、シリコン、酸化チタン、および、ゲルマニウムが好ましく例示される。なお、図４に示すように、微細構造体１４が第１電極層２６と電極対を成す電極を兼ねる場合には、微細構造体１４は導電体で形成する。
　同様に、微細構造体１４の形状にも、制限はなく、公知のメタサーフェス構造体において微細構造体として用いられている形状が、各種、利用可能である。一例として、直方体を交差させたような十字状の立体、直方体状、円柱形状、特開２０１８－０４６３９５号公報に示されるような直方体を端部で接続したようなＶ字状の立体、Ｈ鋼のような略Ｈ字状の立体、および、Ｃチャンネルのような略Ｃ字状の立体、等が例示される。また、特開２０１８－０４６３９５号公報に示されるように、Ｖ字状の立体、および、十字状の立体は、２つの直方体が成す角度を調節した、様々な形状が利用可能である。これ以外にも、『Appl. Sci. 2018, 8(9), 1689; https://doi.org/10.3390/app8091689』のFigure.5に示されるような底面形状を有する立体等も、利用可能である。
　メタサーフェス構造体１２において、このような微細構造体１４は、同じ種類のものを用いてもよく、あるいは、複数種を併用してもよい。また、同じ微細構造体１４は、ＸＹ平面において同じ向きで配列してもよいし、異なる向きで配列してもよい。また、同じ向きのものと異なる向きのものとが混在してもよい。しかしながら、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０においては、微細構造体１４は、１種のみを用い、かつ、全ての微細構造体１４を同じ向きで配列するのが好ましい。
　また、図３に示したとおり、メタサーフェス構造体１２は、全て同じ構造を有する同じ微細構造体１４が、等間隔で、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に二次元的に配列されている態様が好ましい態様である。しかしながら、本開示の技術は、これに制限はされず、上述のように複数種の微細構造体を併用してもよく、また、微細構造体１４の配列間隔、および、配列も、支持体１６の面方向で異なってもよい。ただし、液晶層２０に電圧を印加した際における電磁波ＲＷの反射方向の制御性等を考慮すると、メタサーフェス構造体１２は、全て同じ微細構造体１４を用いるのが好ましい。さらに、メタサーフェス構造体１２は、微細構造体１４同士の間隔が、等間隔であることがより好ましく、直交するＸ方向およびＹ方向の両方向において等間隔であるのがさらに好ましい。
　液晶層２０は、液晶化合物ＬＣを予め設定された状態で配向してなる層であり、前述のように、電圧を印加することによって、液晶化合物ＬＣの配向状態が変化する。
　図４に例示した液晶層２０は、電圧が印加されていない状態では、液晶化合物ＬＣが垂直配向されている。液晶層２０に電圧が印加されると、液晶化合物ＬＣは電圧に応じて厚さ方向に対して傾斜して配向され、最大で水平配向となる。なお、電磁波制御用素子１０において、液晶化合物ＬＣの配向の変化は、垂直配向から水平配向に変化あるいは逆に制限はされず、厚さ方向に対して傾いた状態から水平配向または垂直配向に変化するものでもよく、水平配向または垂直配向から厚さ方向に対して傾いた状態まで変化するものでもよく、厚さ方向に対して傾いた状態から厚さ方向に対して傾いた状態まで角度が変化するものでもよい。
　また、液晶層２０は、例えば後述する配向膜の表面に、公知の方法で形成すればよい。
　ここで、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０において、液晶層２０は、メチン化合物を含むものである。電磁波制御用素子１０は、液晶層２０がメチン化合物を含むことによって、応答性を良好にして、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷの反射方向を、短時間で切り替えることができる。以上の点に関しては、後に詳述する。
　電磁波制御用素子１０において、液晶層２０は、支持体２４に形成される。支持体２４は、基本的に、上述した支持体１６と同様のものである。
　ここで、液晶層２０が形成される支持体２４は、さらに、上述した支持体１６を本体として、この本体の液晶層２０を形成される表面に、液晶化合物ＬＣを所定の状態に配向するための配向膜を有してもよい。配向膜は、公知の各種のものが利用可能である。一例として、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω－トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるＬＢ（Langmuir-Blodgett：ラングミュア・ブロジェット）膜を累積させた
膜、等が例示される。また、配向膜としては、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜も利用可能である。これらの配向膜は、本体の形成材料に応じた公知の方法で形成すればよい。
　液晶層２０を形成する支持体２４の液晶層２０とは逆側の面は、全面が第１電極層２６に覆われる。第１電極層２６は、液晶層２０における液晶化合物ＬＣの配向を変化させる電極であると共に、上述のように、メタサーフェス構造体１２側から入射した、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷを反射する反射層としても作用する。
　第１電極層２６には、制限はなく、十分な導電性を有し、かつ、周波数０．１～０．３ＴＨｚの電磁波を反射可能であれば、公知の各種の材料からなるシート状物が利用可能である。第１電極層２６としては、一例として、銅、アルミニウム、金および銀などの金属層、ＩＴＯ（鈴ドープ酸化インジウム）などの無機導電材料、ＰＥＤＯＴ（ポリ３，４－エチレンジオキチオフェン）を代表とするポリチオフェンなどの有機導電材料、ならびに、グラフェン等が例示される。無機導電材料、有機導電材料およびグラフェン等は、可視光に対しては透明であるが、上記周波数の電磁波に対しては、反射層として作用する。
　第１電極層２６の厚さにも制限はなく、第１電極層２６の形成材料に応じて、制御対象となる電磁波を必要な反射率で反射できる厚さを、適宜、設定すればよい。
　上述のように、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０は、メタサーフェス構造体１２と液晶層２０とを有する反射型の電磁波制御用素子である。電磁波制御用素子１０においては、各微細構造体１４に電力を供給して、液晶層２０の対応する領域における液晶化合物ＬＣの配向状態を変更することにより、ユニットセルＵＣ毎に屈折率の異なる領域を形成することで、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷを、所望の方向に反射する。また、各微細構造体１４に供給する電力、すなわち、液晶層２０に印加する電圧を変更することで、入射した電磁波ＲＷの反射方向を切り替えることができる。
　ここで、上述のように、非特許文献に示されるような従来のメタサーフェス構造体と液晶層とを用いる電磁波制御用素子は、電磁波ＲＷの反射方向の切り替えに時間がかかる。これに対し、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０は、液晶層２０がメチン化合物を含むことにより、好ましくは液晶層２０がメチン構造を有する液晶化合物を含むことにより、より好ましくは液晶層２０を、メチン構造を有する液晶化合物で形成することにより、高い応答性を確保して、入射した電磁波ＲＷの反射方向の切り替えを短時間で行うことができる。
　すなわち、本開示の技術においては、液晶層２０がメチン化合物を含むことにより、液晶層２０における屈折率の異方性（複屈折性ともいう）の指標であるΔｎを大きくすることができる。Δｎは、液晶層２０において液晶化合物ＬＣの姿勢が垂直方向の場合の屈折率と水平方向の場合の屈折率の差である。メチン化合物を含むことにより、Δｎを大きくすることができるため、本開示の技術においては、必要な屈折率すなわち必要な位相差を電磁波ＲＷに与えるために必要な液晶層２０の厚さを、薄くできる。液晶層２０を薄くすることで、印加した電圧を変更した際に、液晶化合物ＬＣの配向が、迅速に変化する。その結果、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０によれば、液晶層２０に印加した電圧の変化に対する応答速度を速くして、入射した電磁波ＲＷの反射方向の切り替えを短時間で行うことが可能になる。
　メチン化合物としては、メチン構造（－Ｃ(Ｒｃ１)＝Ｃ(Ｒｃ２)－Ｃ(Ｒｃ３)＝）を含む化合物であれば、特に制限されない。ここでＲｃ１～Ｒｃ３はそれぞれ独立に、水素原子または置換基を表し、Ｒｃ１～Ｒｃ３は結合して環構造を形成してもよい。メチン化合物が有するメチン構造の数は特に制限されず、１以上であればよく、２以上が好ましい。メチン構造の数の上限は特に制限されないが、７以下の場合が多く、５以下の場合がより多い。メチン化合物は、液晶性を示す化合物であってもよいし、液晶性を示さない化合物であってもよく、液晶性を示す化合物であることが好ましい。つまり、メチン化合物は、メチン構造を有する液晶化合物であることが好ましい。
　メチン化合物としては、式（１）で表される化合物が好ましい。
　式（１）中、Ｒｃ１～Ｒｃ３はそれぞれ独立に水素原子又は置換基を表し、Ｒｃ１～Ｒｃ３は結合して環構造を形成してもよい。
　ｎは１～７の整数を表し、ｎが２以上の時、Ｒｃ１～Ｒｃ３は同一であっても異なっていてもよい。ｎは１～５が好ましく、１～４がさらに好ましい。
　Ａ１及びＡ２はそれぞれ独立に置換基を有していてもよい環構造を表し、Ａ１（とその置換基）とＲｃ１、Ａ２(とその置換基)とＲｃ３、は結合して環構造を形成していてもよい。環構造は単環であっても、２環以上の縮環であってもよく、複数の単環が単結合で結合した環（例えば、ビフェニル環、ターフェニル環）であってもよい。上記環構造としては、炭化水素環また芳香環、ヘテロ環が挙げられ、ヘテロ環は炭化水素環また芳香環縮合環を形成していてもよい。ヘテロ環のヘテロ原子としては、Ｎ原子、Ｏ原子、Ｓ原子が好ましい。ヘテロ環としては、ピリジン環、ピぺリジン環、フラン環、フルフラン環、チオフェン環、ピロール環、キノリン環、モルホリン環、インドール環、イミダゾール環、ピラゾール環、カルバゾール環、フェノチアジン環、フェノキサジン環、インドリン環、トリアジン環、ピロリドン環、チアゾール環、ピラジン環、チアジアジン環、ベンゾキノリン環及びチアジアゾール環、チエノチアゾール環、等が挙げられる。
　Ａ１及びＡ２が有する置換基としては、アルキル基、アルケニル基、アラルキル基、アリール基、ヘテロ環基、ハロゲン原子、シアノ基、ニトロ基、メルカプト基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミド基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基、アシルオキシ基、アミノ基、アルキルアミノ基、ジアルキルアミノ基、カルボンアミド基、スルホンアミド基、スルファモイルアミノ基、オキシカルボニルアミノ基、オキシスルホニルアミノ基、ウレイド基、チオウレイド基、アシル基、オキシカルボニル基、カルバモイル基、スルホニル基、スルフィニル基、スルファモイル基、カルボキシ基（塩を含む）、スルホ基（塩を含む）、および、これらの基を組み合わせた基が挙げられる。これらの基は、さらにこれらの基で置換されていてもよい。
　上記メチン化合物は、シアニン化合物、スクアリリウム化合物、オキソノール化合物、メロシアニン化合物、ヘミシアニン化合物、ストレプトシアニン化合物、であってもよい。特にスクアリリウム化合物、およびメロシアニン化合物がより好ましい。
　スクアリリウム化合物としては、下記一般式（２）で表される化合物が好ましい。
　ここで、Ｄ１およびＤ２はそれぞれ独立に、置換もしくは無置換の、炭化水素環又は複素環基を表す。Ｒｃ４およびＲｃ５はそれぞれ独立に、水素原子もしくは置換基を表し、ｎ１およびｎ２はそれぞれ独立に、０から４までの整数を表し、Ｒｃ４もしくはＲｃ５が複数ある場合は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、複数あるＲｃ４同士、Ｒｃ５同士、Ｒｃ４とＤ１もしくはＲｃ５とＤ２が環を形成していてもよい。なお、スクアリリウム化合物は、分子内部に双性イオン構造を有するが、カチオン原子、アニオン原子、単結合および二重結合の表記は複数の互変異性体構造を取る。従って、上記一般式（２）における結合種および電荷構造は明示されていない。
　メロシアニン化合物としては、下記一般式（３）で表される化合物が好ましい。
　ここで、Ｄは、置換もしくは無置換の、ドナー性の環構造を表し、Ａは、置換もしくは無置換の、アクセプター性の環構造を表す。Ｒｃ６～Ｒｃ９は水素原子もしくは置換基を表し、ｎは、０から４までの整数を表し、Ｒｃ７もしくはＲｃ８が複数ある場合は、それぞれ同じでも異なっていてもよく、複数あるＲｃ７同士、Ｒｃ８同士、Ｒｃ６とＤもしくはＲｃ９とＡが環を形成していてもよい。Ｄの好ましい構造としては、下記一般式（４）で表される、置換基を有していてもよい、置換窒素原子を含む５員環、もしくは下記一般式（５）で表される、置換基を有していてもよい、置換窒素原子を含む６員環が挙げられる。
　ここで、一般式（４）におけるＲｃ１０は、置換基を有していてもよい、炭素数１～１０のアルキル基を表す。また、一般式（４）の５員環は、別の環と縮環構造を形成していてもよい。一般式（５）におけるＲｃ１１は、置換基を有していてもよい、炭素数１～１０のアルキル基を表し、点線で表される縮環した環構造を有していてもよい。Ａの好ましい構造としては、下記一般式（６）で表される、置換基を有していてもよい、カルボニル炭素を含む５員環、もしくは６員環が挙げられる。
　ここで、一般式（６）の環構造は、別の環と縮環構造を形成していてもよい。一般式（４）、（５）および（６）の具体的な構造としては、「Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓ第４版（Ｔ．Ｈ．Ｊａｍｅｓ著）」に１９４～２３４頁に記載のものが挙げられる。
　本開示の液晶組成物は、さらにメチン化合物以外の液晶化合物を含有していてもよい。メチン化合物以外の液晶化合物は、電磁波制御用素子として用いるための諸物性を調整するために、公知のものを最適に用いることができる。用いられる液晶化合物としては、特に制限はないが、メチン化合物を含む液晶組成物としてのΔｎを大きくするという観点から、高いΔｎを有していることが好ましい。さらに、Δｎは、０．２０以上が好ましく、０．２５以上がより好ましく、０．３０以上が最も好ましい。
　液晶組成物中におけるメチン化合物の含率については、特に制限はないが、Δｎをより大きくするという観点から、３％以上が好ましく、５％以上がより好ましく、１０％以上が最も好ましい。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０において、液晶層２０のΔｎには、制限はないが、大きい方が好ましい。ここで、本例の反射型の電磁波制御用素子１０においては、液晶層２０のΔｎは、０．３５以上が好ましい。液晶層２０のΔｎを０．３５以上とすることにより、液晶層２０を薄くして、より迅速に電磁波ＲＷの反射方向の切り替えを行うことができる等の点で好ましい。
　また、液晶層２０の厚さにも制限はなく、液晶層２０の形成材料に応じて、電磁波ＲＷに必要な位相差を与えられる厚さを、適宜、設定すればよい。ここで、上述のように、本開示の技術に係る電磁波制御用素子１０は、液晶層２０がメチン化合物を含むので、液晶層２０を薄くできる。この点を考慮すると、液晶層２０の厚さは、２００μｍ以下が好ましく、１５０μｍ以下がより好ましく、１００μｍ以下がさらに好ましい。液晶層２０の厚さを２００μｍ以下とすることにより、より迅速に電磁波ＲＷの反射方向の切り替えを行うことができる等の点で好ましい。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子において、反射型の電磁波制御用素子は図４に示される構成に制限はされず、各種の構成が例示可能である。例えば、図４に示す電磁波制御用素子１０は、メタサーフェス構造体１２を構成する微細構造体１４が電極としても作用していた。しかしながら、本開示の技術は、これに制限はされず、微細構造体１４に対応して、第１電極層２６と電極対を構成する第２電極３０（図７など参照）を設けてもよい。すなわち、微細構造体１４とは独立した要素として、第１電極の一例である第１電極層２６と第２電極３０とを有していてもよい。第２電極３０は、第１電極層２６と同様の材料で形成すればよい。なお、以下に示す例では図示は省略するが、各電極あるいは電極を兼ねる微細構造体１４には、図４に示す例と同様に電源２８が接続される。
　この構成としては、例えば、図７に概念的に示すように、微細構造体１４の上に、第２電極３０を設けた構成が例示される。あるいは、図８に概念的に示すように、第２電極３０を微細構造体１４と支持体１６との間に設けてもよい。さらに、図９に概念的に示すように、図４に示す構成において第１電極層２６をパターニングしてパターン電極とし、微細構造体１４に対応する領域のみに設ける構成も利用可能である。この構成では、第１電極層２６の無い領域に入射した電磁波ＲＷは、透過する。
　また、本開示の技術に係る電磁波制御用素子において、反射型の電磁波制御用素子は、液晶層２０に隣接して微細構造体１４を設け、層状の電極の間にメタサーフェス構造体１２を設けてもよい。例えば、図１０に概念的に示すように、微細構造体１４を支持体１６の液晶層２０側に設け、さらに、支持体１６の液晶層２０とは逆側に、第１電極層２６のような層状、すなわち複数のユニットセルＵＣに共用される共通電極である第２電極３０を設けてもよい。この構成においては、第２電極３０は複数の開口部を有するようにパターニングしてパターン電極とし、第２電極３０を電磁波ＲＷが透過できるようにする。この構成においては、図１１に概念的に示すように、支持体２４にも微細構造体１４を配列して、液晶層２０の両面にメタサーフェス構造体１２を設けてもよい。
　以上において説明した本開示の技術に係る電磁波制御用素子は、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷが入射した場合に、入射した電磁波ＲＷを反射して所望の方向に進行させる、反射型の電磁波制御用素子であるが、本開示の技術は、これに制限はされない。すなわち、本開示の技術に係る電磁波制御用素子は、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷを屈折して透過することにより所望の方向に進行させる、透過型の電磁波制御用素子であってもよい。以下の説明では、特に注釈が無い場合には、電磁波ＲＷとは、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波を示す。
　図１２に透過型の電磁波制御用素子の一例を概念的に示す。なお、以下に示す本開示の技術に係る透過型の電磁波制御用素子は、反射層となる第１電極層２６を有さない以外は、基本的に、上述した反射型の電磁波制御用素子と同様であり、また、各部材の作用も同様である。従って、同じ部材には同じ付与号を付し、説明は、異なる部位を主に行う。
　図１２に示す透過型の電磁波制御用素子３６は、第１電極層２６を有さない以外は、図４に示す反射型の電磁波制御用素子１０と同様の構成を有する。すなわち、電磁波制御用素子３６は、メタサーフェス構造体１２と、液晶層２０とを有する。メタサーフェス構造体１２は、支持体１６に共振器となる微細構造体１４を二次元的に配列してなるものであり、液晶層２０は、支持体２４に形成される。ここで、図１２に示す電磁波制御用素子３６は、微細構造体１４が第１電極および第２電極を兼ねる。すなわち、電磁波制御用素子３６においては、隣接する微細構造体１４を接続して、電源２８が設けられる。
　この電磁波制御用素子３６においては、電源２８から微細構造体１４に電力を供給することにより、隣接する微細構造体１４の間の液晶層２０に面方向の電圧が印加される。面方向とは、液晶層２０の厚さ方向と交差する方向である。その結果、印加された電圧に応じて、この領域の液晶層２０における液晶化合物ＬＣの配向状態が変化して、屈折率が変化する。また、各微細構造体１４に供給する電力すなわち対応する領域に印加する電圧を変えることにより、面方向に屈折率が異なる領域を形成できる。
　電磁波制御用素子１０と同様、電磁波制御用素子３６に電磁波ＲＷが入射すると、電磁波ＲＷは、メタサーフェス構造体１２を透過する際に微細構造体１４による共振で位相を変調され、さらに、液晶層２０を透過することで位相を変調される。電磁波制御用素子３６は、反射層となる第１電極層２６を有さないので、電磁波ＲＷは液晶層２０を透過して、電磁波制御用素子３６から出射される。ここで、上述のように、液晶層２０は面方向に異なる屈折率を有するので、液晶層２０を透過する電磁波ＲＷに与えられる位相差は、面方向の各領域によって異なる。そのため、電磁波ＲＷは、入射領域に応じて与えられた位相差に応じて見掛け上の光路長が異なり、光路長が長い領域を透過した電磁波ＲＷは、光路長が短い領域に透過した電磁波ＲＷよりも、遅く液晶層２０から出射する。その結果、電磁波制御用素子３６に入射して透過した電磁波ＲＷは、直線的に透過するのではなく、波面を揃えるように屈折されて透過する。例えば、法線方向から入射した電磁波ＲＷは、法線方向に透過するのではなく、法線に対して傾いた方向に透過される。
　また、各微細構造体１４に供給する電力すなわち液晶層２０に印加する電圧を変更することにより、透過する電磁波ＲＷの屈折率、すなわち、電磁波ＲＷの出射方向を切り替えることができる。さらに、液晶層２０に印加する電圧を調節することで、透過する電磁波ＲＷを集束あるいは発散してもよく、さらに、透過する電磁波ＲＷの集束および発散の程度を切り替えることも可能である。ここで、電磁波制御用素子３６においても、液晶層２０がメチン化合物を含むので、屈折率の切り替え、すなわち透過する電磁波ＲＷの進行方向の切り替えを迅速に行うことができる。
　本開示の技術に係る透過型の電磁波制御用素子３６において、液晶層２０のΔｎには、制限はないが、大きい方が好ましい。ここで、図示例のような透過型に電磁波制御用素子３６において、液晶層２０のΔｎは、０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましく、０．４以上がさらに好ましい。電磁波制御用素子３６においては、液晶層２０のΔｎを０．２以上とすることにより、液晶層２０を薄くして、より迅速に電磁波ＲＷの透過方向の切り替えを行うことができる等の点で好ましい。
　また、液晶層２０の厚さにも制限はなく、液晶層２０の形成材料に応じて、電磁波ＲＷに必要な位相差を与えられる厚さを、適宜、設定すればよい。ここで、上述のように、透過型の電磁波制御用素子３６においても、液晶層２０がメチン化合物を含むので、液晶層２０を薄くできる。また、本開示の技術において、対象とする電磁波ＲＷは、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波、すなわち、波長が１～３ｍｍの電磁波である。この点を考慮すると、透過型の電磁波制御用素子３６において液晶層２０の厚さは、５００μｍ以下が好ましく、３００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下がさらに好ましい。液晶層２０の厚さを５００μｍ以下とすることにより、より迅速に電磁波ＲＷの透過方向の切り替えを行うことができる等の点で好ましい。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子において、透過型の電磁波制御用素子は、図１２に示す電磁波制御用素子３６に制限はされず、各種の構成が例示可能である。なお、以下に示す例では図示は省略するが、各電極あるいは電極を兼ねる微細構造体１４には、図１２に示す例と同様に電源２８が接続される。例えば、図１２に示す電磁波制御用素子３６は、メタサーフェス構造体１２を構成する微細構造体１４が電極としても作用していた。しかしながら、本開示の技術は、これに制限はされず、微細構造体１４に対応して、第１電極３２および第２電極３０を設けてもよい。この構成としては、一例として、図１３に概念的に示すように、隣接する２つの微細構造体１４において、一方の微細構造体１４の上に第１電極３２を設け、他方の微細構造体１４の上に第２電極３０を設けた構成が例示される。あるいは、図１４に概念的に示すように、隣接する２つの微細構造体１４において、一方の微細構造体１４と支持体１６との間に第１電極３２を設け、他方の微細構造体１４と支持体１６との間に第２電極３０を設けてもよい。
　透過型の電磁波制御用素子は、複数のメタサーフェス構造体を有してもよい。例えば、図１５に示すように、図１２に示す電磁波制御用素子３６において、支持体２４の液晶層２０とは逆側の面に微細構造体１４を配列して、メタサーフェス構造体１２としてもよい。本例においては、一例として、液晶層２０を挟んで対面する微細構造体１４を電極対、すなわち、第１電極および第２電極として作用させる。図１５に示す構成においても、微細構造体１４に対応して、第１電極３２および第２電極３０を設けてもよい。この構成としては、一例として、図１６に概念的に示すように、液晶層２０を挟んで対面している電極対を構成する２つの微細構造体１４において、一方の微細構造体１４の表面に第１電極３２を設け、他方の微細構造体１４の表面に第２電極３０を設けた構成が例示される。あるいは、図１７に概念的に示すように、液晶層２０を挟んで対面している電極対を構成する２つの微細構造体１４において、一方の微細構造体１４と支持体２４との間に第１電極３２を設け、他方の微細構造体１４と支持体１６との間に第２電極３０を設けてもよい。
　複数のメタサーフェス構造体を有する透過型の電磁波制御用素子は、図１８に概念的に示すように、メタサーフェス構造体１２を構成する微細構造体１４が、面方向にズレて配置したものでもよい。この構成においても、図１５に示す例と同様、一例として、液晶層２０を挟んで対面する微細構造体１４を電極対、すなわち、第１電極および第２電極として作用させる。また、図１８に示す構成においても、微細構造体１４に対応して、第１電極３２および第２電極３０を設けてもよい。この構成としては、一例として、図１９に概念的に示すように、液晶層２０を挟んで対面している電極対を構成する２つの微細構造体１４において、一方の微細構造体１４の表面に第１電極３２を設け、他方の微細構造体１４の表面に第２電極３０を設けた構成が例示される。あるいは、図２０に概念的に示すように、液晶層２０を挟んで対面している電極対を構成する２つの微細構造体１４において、一方の微細構造体１４と支持体２４との間に第１電極３２を設け、他方の微細構造体１４と支持体１６との間に第２電極３０を設けてもよい。
　さらに、図２１に概念的に示すように、透過型の電磁波制御用素子においても、上述した反射型の電磁波制御用素子と同様、支持体２４の液晶層２０とは逆側の面を全面的に覆って第１電極層２６Ａを設け、微細構造体１４と第１電極層２６Ａとで電極対を構成してもよい。ただし、この場合には、第１電極層２６Ａは、複数の開口部を有するようにパターニングしたパターン電極として、電磁波ＲＷが透過できるようにする。さらに、図２１に示すような第１電極層２６Ａを有する構成でも、微細構造体１４を電極として兼用するのではなく、図２２に概念的に示すように、微細構造体１４の上に第２電極３０を設けて、第１電極層２６Ａと第２電極３０とで電極対を構成してもよい。
　さらに、透過型の電磁波制御用素子は、支持体の表面に微細構造体１４を配列するのではなく、図２３に概念的に示すように、電磁波制御用素子を厚さ方向に貫通して微細構造体１４を設けてもよい。なお、この構成においても、上述した各例と同様、微細構造体１４が電極を兼ねてもよく、あるいは、各微細構造体１４に対応して第１電極および／または第２電極を配置してもよい。あるいは、図２３に示す構成において、図２４に示すように、支持体２４の液晶層２０とは逆側に誘電体層３４を設け、誘電体層３４の支持体２４とは逆側に、電磁波ＲＷが透過する複数の開口部を有するようにパターニングした第１電極層２６Ａを設けてもよい。
　以上の例では、液晶層２０における液晶化合物ＬＣの配向パターンは、電圧が印加されていない状態では、液晶化合物ＬＣが垂直配向されており、電圧が印加されると、印加された電圧に応じて厚さ方向に対する角度が大きくなり、最終的に水平配向となる液晶配向パターンである。しかしながら、本開示の技術は、これに制限はされず、各種の液晶配向パターンが利用可能である。以下に、一例を示す。なお、以下に示す例では、図５と同様、作用を簡潔にするために、液晶層２０と、微細構造体１４および第１電極層２６とのみを示す。また、以下に示す例では、一例として、電極として、微細構造体１４および第１電極層２６を例示しているが、本開示の技術は、これに制限はされず、図４、図７～図２４に示す、全ての構成で、以下に示す液晶配向パターンが利用可能である。この点に関しては、図５も同様である。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子において、液晶層２０の液晶配向パターンとしては、図２５に概念的に示すように、電圧が印加されていない状態では液晶化合物ＬＣが水平配向されており、電圧が印加されると、印加された電圧に応じて液晶層２０の面方向に対する角度が大きくなり、最終的に垂直配向となる液晶配向パターンも利用可能である。また、液晶層２０の液晶配向パターンとしては、図２６に概念的に示すように、電圧が印加されていない状態では液晶化合物ＬＣが水平配向で、かつ、厚さ方向に螺旋状に捩れ配向されており、電圧が印加されると、印加された電圧に応じて液晶層２０の主面に対する角度が大きくなり、最終的に垂直配向となる液晶配向パターンも利用可能である。さらに、液晶層２０の液晶配向パターンとしては、図２７に概念的に示すように、液晶化合物ＬＣの配向が、厚さ方向に水平配向から垂直配向に変化するハイブリット配向も利用可能である。この液晶配向パターンの場合には、一例として、図２７に示すように、電圧が印加されていない状態から、電圧が印加された場合には、印加された電圧に応じて、液晶化合物ＬＣの配向が垂直配向に近くなる構成が例示される。
　また、本開示の技術に係る電磁波制御用素子では、図１２～図１４に示すように、液晶層２０の厚さ方向と交差する方向）に電圧を印加してもよい。この構成においては、図２８に概念的に示すように、電圧が印加されていない状態では、液晶化合物ＬＣが長手方向を紙面に垂直な方向に一致して水平配向されており、電圧が印加されると、印加された電圧に応じて面方向に回転して、最終的に長手方向を図中横方向に一致して水平配向される液晶配向パターンも利用可能である。あるいは、逆に、図２９に概念的に示すように、電圧が印加されていない状態では、液晶化合物ＬＣが長手方向を図中横方向に一致して水平配向されており、電圧が印加されると、印加された電圧に応じて面方向に回転して、最終的に長手方向を紙面と垂直方向に一致して水平配向される液晶配向パターンも利用可能である。
　本開示の技術に係る電磁波制御用素子が制御対象とする電磁波ＲＷの偏光状態（すなわち偏波状態）には、制限はなく、無偏光でも、直線偏光でも、円偏光でも、楕円偏光でもよい。なお、電磁波ＲＷが直線偏光である場合で、かつ、微細構造体１４が直交するＸ方向およびＹ方向に二次元的に配列されている場合には、電磁波ＲＷの偏光方向と、Ｘ方向またＹ方向とが一致するように、電磁波ＲＷを入射させるのが好ましい。
　上記実施形態において、電磁波制御用素子のタイプとして、図４に一例を示した反射型の電磁波制御用素子１０と、図１２に一例を示した透過型の電磁波制御用素子３６の２つのタイプを示した。また、これらの各タイプの電磁波制御用素子を、電磁波反射装置２の構成要素として用いる例を示した。電磁波制御用素子の用途は、上記の用途に制限されず、上記以外の用途でもよい。上記以外の用途としては、例えば、電磁波ＲＷを導波する導波路と組み合わせることにより、いわゆる漏れ波アンテナの構成要素として用いることが可能である。
　一例として図３０に示すように、電磁波制御用素子１１０は、漏れ波アンテナ１００に組み込まれている。電磁波制御用素子１１０は、電磁波ＲＷの進行方向を制御する機能を有する点において電磁波制御用素子１０と同様である。また、電磁波制御用素子１１０において、電磁波制御用素子１０と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
　漏れ波アンテナ１００は、図１に示すアンテナＡＮＴと同様に、電磁波ＲＷを送出する。漏れ波アンテナ１００は、例えば、ある時間帯においてはエリアＡＲ１に向けて電磁波ＲＷを出射し、別の時間帯ではエリアＡＲ２に向けて電磁波ＲＷを出射するというように、電磁波ＲＷの出射方向を変更することが可能である。
　一例として図３１に示すように、電磁波制御用素子１１０は、複数のサブユニット１１０Ａと、複数の電磁波発生源１１２とによって構成される。複数のサブユニット１１０Ａは、直方体形状をしており、各サブユニット１１０Ａは、長手方向と直交する方向に配列されている。複数の電磁波発生源１１２は、各サブユニット１１０Ａに１つずつ割り当てられている。
　一例として図３２および図３３に示すように、サブユニット１１０Ａは、複数の微細構造体１４が一次元に配列されたメタサーフェス構造体１２と、導波路部材１２０とによって構成され、全体として直方体形状をしている。導波路部材１２０は、長手方向が微細構造体１４の配列方向に沿う姿勢で設けられている。導波路部材１２０は、支持体２４において液晶層２０とは反対側の一面と接するように配設されている。導波路部材１２０は、例えば、断面が矩形状の角筒状の管状部材である。導波路部材１２０の内壁によって画定される内部空間が電磁波ＲＷを導波する導波路１２０Ａを構成する。
　導波路部材１２０の一端側には、電磁波発生源１１２が配置されており、電磁波発生源１１２は導波路１２０Ａ内に電磁波ＲＷを送出する。導波路１２０Ａは、電磁波発生源１１２から送出され、導波路１２０Ａに入射する電磁波ＲＷを、微細構造体１４の配列方向に沿う方向に導波する。電磁波ＲＷは、導波路１２０Ａ内において、導波路部材１２０の内壁で反射しながら伝搬する。導波路部材１２０において、支持体２４と対面する壁面の一部には、微細構造体１４の配列方向と交差する方向に電磁波ＲＷを出射する開口部１２１が形成されている。開口部１２１は、複数の微細構造体１４のそれぞれの位置に対応して形成されている。本例の開口部１２１は、微細構造体１４が配列される配列面であるＸＹ面の法線方向であるＺ方向に電磁波ＲＷを出射する。
　電磁波制御用素子１１０においては、少なくとも１つの微細構造体１４と開口部１２１とを含むようにユニットセルＵＣが構成されている。そして、第１電極および第２電極の電極対を、微細構造体１４および導波路部材１２０が兼ねる。各ユニットセルＵＣに電圧を印加することにより液晶層２０の厚さ方向に電界を発生させる。そして、電磁波制御用素子１１０は、図４に示した電磁波制御用素子１０と同様に、ユニットセルＵＣ毎に印加する電圧を制御することにより、電磁波ＲＷの位相の遅れ量を制御することが可能である。これにより、開口部１２１から出射し、液晶層２０および微細構造体１４を透過する電磁波ＲＷの出射方向を制御することができる。
　液晶層２０は、上記のとおり、従来よりも応答性が高いため、電磁波制御用素子１１０も、周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波ＲＷの出射方向を従来よりも短時間で切り替えることができる。
　図３３の例では、微細構造体１４が開口部１２１とは別に設けられている例で説明したが、図３４に示すように、開口部１２１を微細構造体として機能させてもよい。つまり、開口部１２１自体を、電磁波ＲＷに対して位相の遅れを生じさせる共振器として機能させてもよい。開口部１２１も、電磁波ＲＷの波長範囲以下のサイズで形成し、形状等を工夫
することにより共振器として機能させることができる。そして、開口部１２１の共振条件を、液晶層２０の屈折率の変化によって制御することで、ユニットセルＵＣ毎に電磁波ＲＷの位相の遅れ量を制御することが可能である。
　この場合は、一例として、支持体２４と液晶層２０との間に、ユニットセルＵＣ毎に第１電極３２および第２電極３０の電極対を設ける。そして、これらの電極対に電圧を印加することで、液晶層２０の厚さ方向と交差する方向に電界を発生させることにより、ユニットセルＵＣ毎に液晶層２０の屈折率を変化させる。
　また、図３２および図３３に示したように、電磁波制御用素子１１０を、直方体形状のサブユニット１１０Ａで構成した例で説明したが、図３２および図３３に示す構成以外でもよい。例えば、図３５に示すように、１つの電磁波発生源１１２を中心に、放射状にメタサーフェス構造体１２を配置することにより、電磁波制御用素子１１０を構成してもよい。この例では、電磁波発生源１１２は、放射状に電磁波ＲＷを発生する。そして、複数の微細構造体１４が配列したメタサーフェス構造体１２に対応して、図示しない導波路部材が設けられている。図３２に示したように、導波路部材には、導波路を伝搬する電磁波ＲＷの一部を微細構造体１４の配列方向と交差する方向に出射する開口部が設けられている。これにより、電磁波ＲＷが出射する。
　漏れ波アンテナ１００に使用する電磁波制御用素子１１０についても、反射型または透過型の電磁波制御用素子１０について示した図７～図２９の種々の変形例について、適用可能なものについては適宜組み合わせてもよい。
（液晶組成物１の調製）
下記組成にて、液晶組成物１を調製した。
化合物２－１         １０．００質量部
ＰＴＵ－３－Ｓ              １３．４８質量部
ＰＴＵ－５－Ｓ              １３．４８質量部
ＰＧＵ－３－Ｓ              １３．４８質量部
ＰＰＴＵ－５－Ｓ     　８．９９質量部
ＣＰＵ―２－Ｓ              ２５．１８質量部
ＣＰＵ－４－Ｓ              １５．２８質量部
Ｄ－１ｃ             　０．１１質量部
（液晶組成物２の調製）
液晶組成物１の化合物２－１の代わりに、下記化合物２－２を用いた以外は同様にして、液晶組成物２を調製した。
（液晶組成物３の調製）
液晶組成物１の化合物２－１の代わりに、下記化合物２－３を用いた以外は同様にして、液晶組成物３を調製した。
（液晶組成物４の調製）
液晶組成物１の化合物２－１の代わりに、下記化合物３－１を用いた以外は同様にして、液晶組成物４を調製した。
（液晶組成物５の調製）
液晶組成物１の化合物２－１の代わりに、下記化合物３－２を用いた以外は同様にして、液晶組成物５を調製した。
（液晶組成物６の調製）
液晶組成物１の化合物２－１の代わりに、下記化合物３－３を用いた以外は同様にして、液晶組成物６を調製した。
（液晶組成物ｘの調製）
液晶組成物１の化合物２－１を使用しないこと以外は同様にして、比較例の液晶組成物ｘを調製した。
(電磁波制御用素子の作製)
(実施例１)
　２．５ｍｍ角の石英基板上の中央部に、パターン化した金(Ａｕ)膜を蒸着法により形成し、複数の微細構造体を配列してなるメタサーフェス構造体とした。このとき、微細構造体のパターンとして、０．３２ｍｍの正方形の微細構造を、０．４ｍｍ周期で、縦に４０個、横に４０個配列させた。また、横方向に配列した４０個の微細構造は、電圧印加のため幅０．０５ｍｍ、長さ２．５ｍｍの細線上の金属パターンで接続し、第１電極とした。第１電極上にはポリイミドよりなる配向膜を形成した。
　次に、同様に蒸着法により別の２．５ｍｍ角の石英基板上の前面に金(Ａｕ)膜を形成し、第２電極とした。第２電極上にはポリイミドよりなる配向膜を形成した。次に、エポキシ樹脂をスペーサーとし、上記第１電極を形成した石英基板と第２電極を形成した石英基板を、電極面を内側にして接着した。このとき、スペーサーの厚みは、光路長（Δｎ×厚み）が２５μｍとなる厚みとした。
　次に、スペーサーにより形成された電極間の空洞に、液晶組成物１を充填した。以上により、上述した電磁波制御用素子１０のように電磁波の方向を変化させることが可能な反射板として機能する、実施例１の電磁波制御用素子を作成した。
(実施例２～６と比較例)
　液晶組成物１を下記の表１に示す液晶組成物２～６のいずれかに変えたほかは、実施例１と同様の方法により実施例２～６の電磁波制御用素子を作製した。
（Δｎの評価）
　屈折率の異方性（複屈折性ともいう）の指標であるΔｎは次のように評価した。周波数が２５０ＧＨｚ（すなわち、０．２５ＴＨｚ）の電磁波に対するΔｎは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．７，ｐ１１５０（２００５）に開示された方法で測定した。Δｎは、可変短絡導波管に上記組成物を充填し、０．３Ｔの静磁場内に３分保持して、組成物中の二色性色素を配列させた。可変短絡導波管に周波数が２５０ＧＨｚの電磁波を入力し、入射波に対する反射波の振幅比を測定した。静磁場の向きと可変短絡導波管の管長を変えて測定し、２つの軸のそれぞれの屈折率ｎｅ，ｎｏを決定した。Δｎは、ｎｅ－ｎｏから計算した。
（切り替え時間の評価）
　図３６に模式的に示す方法によって、作製した電磁波制御用素子へ入射した電磁波の反射方向の切り替え時間を評価した。まず、電磁波制御用素子については、反射面の法線方向から入射した電磁波が３０°の方向へ反射されるように印加電圧を予め調整した。そして、エミッタにおいて、周波数発生器で約１４ＧＨｚの周波数の信号を生成し、逓倍器で周波数を１８倍とすることで、２５０ＧＨｚの周波数の信号を生成した。図３６に示すように、エミッタから出射する２５０ＧＨｚの周波数の電磁波を樹脂レンズで集束させ、電磁波制御用素子に入射させた。そして、電磁波制御用素子において反射し、樹脂レンズとホーンアンテナで集束した反射電磁波の強度をショットキーダイオードで検出した。次に、印加電圧を再調整することにより、電磁波制御用素子における電磁波の反射方向を、３０°の方向から０°の方向に変更した。このとき、ショットキーダイオードで検出される電磁波の強度が１/１０となる時間を電磁波の反射方向の切り替え時間とした。
　作製した電磁波制御用素子に対し、充填した液晶組成物のΔｎ及び反射方向の切り替え時間を評価した結果を表１に示す。液晶層がメチン化合物を含む実施例１～６の電磁波制御用素子では、切り替え時間が短縮されていることが明らかである。また、実施例においては反射型の電磁波制御用素子について示したが、透過型の電磁波制御用素子についても同様の効果が認められる。
　本開示の技術は、上述の種々の実施形態および／または種々の変形例を適宜組み合わせることも可能である。また、上記各実施形態に限らず、要旨を逸脱しない限り種々の構成を採用し得ることはもちろんである。
　以上に示した記載内容および図示内容は、本開示の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本開示の技術の一例に過ぎない。例えば、上記の構成、機能、作用、および効果に関する説明は、本開示の技術に係る部分の構成、機能、作用、および効果の一例に関する説明である。よって、本開示の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容および図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことはいうまでもない。また、錯綜を回避し、本開示の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容および図示内容では、本開示の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。
　本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。本明細書において、「同一」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。
　上記において、電磁波制御用素子などを例示した図は、いずれも概念図である。したがって、各部材の形状、大きさ、厚さ、および、位置関係等は、必ずしも、実際のものとは一致しない。
　本明細書において、「Ａおよび／またはＢ」は、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」と同義である。つまり、「Ａおよび／またはＢ」は、Ａだけであってもよいし、Ｂだけであってもよいし、ＡおよびＢの組み合わせであってもよい、という意味である。また、本明細書において、３つ以上の事柄を「および／または」で結び付けて表現する場合も、「Ａおよび／またはＢ」と同様の考え方が適用される。
　２０２３年１月３１日に出願された日本国特許出願２０２３-０１３６０２号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。また、本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
　上記実施形態は、更に以下の付記項に係る技術を開示する。
「付記項１」
　電圧によって液晶化合物の配向状態が変化する液晶層と、
　複数の微細構造体を配列してなるメタサーフェス構造体と、
　第１電極および第２電極によって構成され、電圧を印加するための電極対と、を有し、
　周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波に作用するものであり、かつ、液晶層がメチン化合物を含む、電磁波制御用素子。
「付記項２」
　メチン化合物が、メチン構造を有する、付記項１に記載の電磁波制御用素子。
「付記項３」
　液晶層がメチン構造を有する液晶化合物を含む、付記項１又は付記項２に記載の電磁波制御用素子。
「付記項４」
　第１電極および第２電極の少なくとも一方が微細構造体である、付記項１～付記項３のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項５」
　微細構造体とは独立した要素として、第１電極と第２電極を有する、付記項１～付記項４のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項６」
　第１電極および第２電極の一方は、パターン電極である、付記項１～付記項５のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項７」
　微細構造体が、金属を含む、付記項１～付記項６のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項８」
　微細構造体が、酸化物半導体を含む、付記項１～付記項７のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項９」
　液晶層の厚さ方向に、電圧による電界が発生する、付記項１～付記項８のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１０」
　液晶層の厚さ方向と交差する方向に、電圧による電界が発生する、付記項１～付記項９のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１１」
　電磁波を反射する反射型である、付記項１～付記項１０のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１２」
　第１電極および第２電極の一方は、電磁波を反射する反射層を兼ねる、付記項１１に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１３」
　電磁波を透過する透過型である、付記項１～付記項１２のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１４」
　入射する電磁波を、微細構造体の配列方向に沿う方向に導波する導波路を有しており、導波路内を導波する電磁波の一部を配列方向と交差する方向に出射する、付記項１～付記項１３のうちのいずれか１項に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１５」
　導波路を画定する壁面の一部に、電磁波を出射する開口部が形成されている、付記項１４に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１６」
　導波路を構成する導波路部材は、第１電極または第２電極として機能する、付記項１４又は付記項１５に記載の電磁波制御用素子。
「付記項１７」
　開口部が微細構造体として機能する、付記項１５又は付記項１６に記載の電磁波制御用素子。

Claims (17)

  1. 　電圧によって液晶化合物の配向状態が変化する液晶層と、
    　複数の微細構造体を配列してなるメタサーフェス構造体と、
    　第１電極および第２電極によって構成され、前記電圧を印加するための電極対と、を有し、
    　周波数が０．１～０．３ＴＨｚの電磁波に作用するものであり、かつ、前記液晶層がメチン化合物を含む、電磁波制御用素子。
  2. 　前記メチン化合物が、メチン構造を有する、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  3. 　前記液晶層がメチン構造を有する液晶化合物を含む、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  4. 　前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方が前記微細構造体である、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  5. 　前記微細構造体とは独立した要素として、前記第１電極と前記第２電極を有する、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  6. 　前記第１電極および前記第２電極の一方は、パターン電極である、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  7. 　前記微細構造体が、金属を含む、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  8. 　前記微細構造体が、酸化物半導体を含む、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  9. 　前記液晶層の厚さ方向に、前記電圧による電界が発生する、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  10. 　前記液晶層の厚さ方向と交差する方向に、前記電圧による電界が発生する、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  11. 　前記電磁波を反射する反射型である、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  12. 　前記第１電極および前記第２電極の一方は、電磁波を反射する反射層を兼ねる、請求項１１に記載の電磁波制御用素子。
  13. 　前記電磁波を透過する透過型である、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  14. 　入射する前記電磁波を、前記微細構造体の配列方向に沿う方向に導波する導波路を有しており、前記導波路内を導波する前記電磁波の一部を前記配列方向と交差する方向に出射する、請求項１に記載の電磁波制御用素子。
  15. 　前記導波路を画定する壁面の一部に、前記電磁波を出射する開口部が形成されている、請求項１４に記載の電磁波制御用素子。
  16. 　前記導波路を構成する導波路部材は、前記第１電極または前記第２電極として機能する、請求項１４に記載の電磁波制御用素子。
  17. 　前記開口部が前記微細構造体として機能する、請求項１５に記載の電磁波制御用素子。
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