Verbundvorhaben 6G-LICRIS: Liquid crystal reconfigurable intelligent surfaces for 6G mobile networks; Teilvorhaben: Optimierte Flüssigkristallformulierungen für den Einsatz in rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen für selektive Frequenzbereiche

Abstract

Innerhalb des 6G-LICRIS-Projekts konzentrierte sich die Merck Electronics KGaA auf die Entwicklung von Flüssigkristallmischungen (LC) für eine Frequenz von 30 GHz. Ziel war es, herauszufinden, ob die für 19 GHz optimierten Mischungen tatsächlich ihr Leistungsmaximum bei dieser Frequenz erreichen oder ob dies eine intrinsische Materialeigenschaft ist. Zu diesem Zweck wurden eine Vielzahl von Einzelkomponenten (sogenannte "Singles") bei 30 GHz charakterisiert, um die Grundlage für die Mischungsentwicklung zu erweitern. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steuerbarkeit dieser Singles im Durchschnitt um etwa 6% geringer ist, während die dielektrischen Verluste um etwa 4% sinken. Zudem wurden Unterschiede in den Mikrowelleneigenschaften der Singles identifiziert, die für die Optimierung der Mischungen genutzt werden sollen. Ein weiteres Screening untersuchte die Leistungsfähigkeit von Flüssigkristallen bei niedrigeren Frequenzen (12 GHz). Hierbei zeigte sich, dass die Steuerbarkeit von 19 GHz zu 12 GHz konstant bleibt, während die Verluste signifikant ansteigen, was die Herausforderungen für Anwendungen von LC im unteren GHz-Bereich verdeutlicht. Das Ziel der Mischungsentwicklung war es, die Steuerbarkeitsänderung über die Frequenz zu minimieren und gleichzeitig die dielektrischen Verluste zu reduzieren. Mit den Mischungen, "Mix 5" und "Mix 6", konnten die Hochfrequenzparameter bei 30 GHz signifikant verbessert werden. Weiter sind diese Mischungen bis -20°C stabil. Mix 5 hebt sich durch eine Steuerbarkeitsverbesserung von 20% im Vergleich zur GT7 29001 hervor und wurde als projektspezifische Mischung für 6G-LICRIS unter der Bezeichnung GT8-32003 definiert. Die Temperaturcharakterisierung der Mischung GT8-32003 zeigt, dass die Permittivität mit steigender Temperatur abnimmt und die beiden Permittivitäten sich nahe dem Klärpunkt annähern, was zu einer sinkenden Steuerbarkeit führt. Der Verlustwinkel steigt ebenfalls mit der Temperatur an. Im direkten Vergleich zur GT7-29001 zeigt die GT8-32003 eine geringere Verluststeigerung und eine höhere Steuerbarkeit, selbst bei höheren Temperaturen, was die Realisierung einer leistungsstarken RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) auch unter höheren Temperaturbedingungen ermöglicht.