エレクトロニクス産業における液晶ポリマー（LCP）フィルム

1 はじめに

液晶ポリマー（LCP）は、加熱したり溶媒に溶かしたりすると液晶のような挙動を示す、ユニークな高性能ポリマーの一種である。この特性により、LCPは流動性と分子秩序を併せ持つ特徴的な材料となり、卓越した耐熱性、誘電特性、寸法安定性で知られている。

硬い棒状の分子構造を特徴とするLCPは、稠密な分子パッキングと高い分子間力を示し、優れた高温性能、超低吸水性、優れた流動特性を提供する。1970年代に開発されたLCP材料は、タイプI、II、IIIに進化し、それぞれエレクトロニクス、通信、工業製造などさまざまな用途に適したユニークな構造組成と熱特性を備えている。

なかでもLCPフィルムは、高速・高周波条件下での安定性が高く評価されており、高度な電子実装や通信システムに最適である。

図1 液晶ディスプレイの原理

2 LCPフィルムの紹介

2.1 LCPフィルムとは

液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer：LCP）は、熱で溶かしたり、溶媒で溶かしたりすると液晶状態になる高分子である。溶媒に溶けたり溶かされたりすると、結晶性物質の配向や秩序を維持したまま、硬い固定物質から流動性を持つ液体物質に変化します。このように、液体の流動性と結晶性分子が、液晶状態の特徴を活かして整然と配列して形成されたものが「スーパーエンプラ」と呼ばれるものです。分子構造から、LCPは、剛性の棒状の分子鎖構造を有し、分子鎖は、高度に配向配置、密接な、大きな分子間力のスタッキングの構造にすることができます。その特殊な分子構造により、他の高分子材料と比較して、優れた耐高温性、誘電特性、良好な寸法安定性、超高流動性、超低吸水性を有する。

図 2 さまざまな 状態の分子 構造

2.2 LCPフィルム開発の歴史

液晶ポリマー(LCP)の開発は数十年にわたり、様々な地域や企業から革新的な技術が生まれてきた。LCP製造の歴史は、様々なタイプのLCPが登場した1970年代初頭まで遡ることができる。

• タイプI LCP：最初に商品化されたLCPはEkonolとして知られ、1972年に米国で開発された。p-ヒドロキシ安息香酸（PHB）、ビスフェノールA（BP）、テレフタル酸（TPA）などのモノマーをベースにしており、分子構造が高剛性で耐熱性に優れ、コネクターなどの電子部品に適していた。1979年には、日本の住友化学がE2000シリーズを独自に開発し、この技術をさらに発展させ、日本はLCP製造のキープレーヤーとなった。
• タイプII LCP：1984年、ヘキスト・セラネーゼ社が「ベクトラ」のブランドでタイプII LCPを発表し、LCP技術は大きく飛躍した。p-ヒドロキシ安息香酸（PHB）と6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸（HNA）からなるタイプII LCPは、分子組成がより単純で機械的特性が優れており、特にアンテナ材料に適していた。1996年までには、この技術は世界中に広まり、ポリプラスチックスは LAPEROSというブランドでLCPを生産していた。
• タイプIII LCP：イーストマン・コダックは1976年にタイプIII LCPを発表し、1986年にX-7Gのブランド名で生産を開始した。このタイプは、HBA（p-ヒドロキシ安息香酸）とPET（ポリエチレンテレフタレート）を組み合わせた柔軟なエステルベースの構造を特徴としていたが、耐熱性が低いため、主にプラスチック接続チューブやセンサーへの用途に限られていた。

図3 LCP開発の歴史

2.3 LCPフィルムの分類

LCPフィルムは、その分子特性、加工方法、最終用途によって分類することができる。これらの分類は、様々な産業用途に適したLCP材料を決定するのに役立つ。

2.3.1.液晶形成による分類

液晶の生成条件の違いにより、LCPはリオトロピック液晶（LLCP）、サーモトロピック液晶（TLCP）、ピエゾトロピック液晶に分類される。

• ピエゾトロピック液晶は比較的珍しい；
• リオトロピックLCPは 溶液中で加工する必要があり、一般に繊維やコーティングとして使用される；
• サーモトロピックLCPは溶融状態で加工でき、射出成形グレード、繊維グレード、フィルムグレードの材料を製造できる。現在最も広く使用されている。

図4 LLCPとTLCPの模式図

2.3.2.製品グレードによる分類

LCPは製品の要求によって、射出成形用、フィルム用、ファイバー用に分けられる。

• 射出グレードのLCP材料は主に射出成形に使用され、高温での流動性により複雑な形状を形成する。耐熱性、耐薬品性、機械的強度に優れ、高精度部品の製造に適しています。
• フィルムグレードのLCPは、主に耐熱性、電気絶縁性、化学的安定性に優れた高性能フィルムの製造に使用され、低誘電率、低誘電損失が主な利点で、特に電子・電気産業における高周波用途に適している。
• ファイバーグレードのLCPは、高い引張強度と弾性率を持つ高強度ファイバーに加工でき、複合材料の補強によく使用される。ファイバーグレードのLCPは耐熱性、化学的安定性、寸法安定性に優れ、高機能繊維用途に適している。

2.3.3.耐熱性と分子構造による分類

LCP材料は、合成モノマーと発熱特性の違いから、タイプⅠ、タ イプⅡ、タイプⅢに分類することができる。

• タイプIのLCP膜の分子構造は、p-ヒドロキシ安息香酸、ビスフェノールA、フタル酸（PHB、BP、TPA）からなる。タイプI LCPの熱変形温度は250～350℃、耐熱性は比較的良好ですが、逆に加工性は弱く、主にコネクターなどの電子部品に使用されます。
• II型LCPフィルムII型モノマーはp-ヒドロキシ安息香酸と6-ヒドロキシ-2-ナフタレンカルボン酸（PHBとHNA）からなり、熱変形温度は180-250℃である。
• III型モノマーはHBAとPETからなり、熱変形温度は100～200℃、III型LCPの熱変形温度、耐熱性能は比較的弱いため、現在はあまり使用されていない。

表1 LCPの3タイプ

種類	熱変形温度	分子構造
タイプI	250-350℃
タイプII	180-250℃
III型	100-200℃

3 LCPフィルムの製品特性

3.1 高速・高周波での安定した低誘電率・低誘電損失

誘電率とは、材料が電界下で電気エネルギーを蓄える能力を測定するパラメータである。LCPフィルムの誘電率は極めて低く、通常2.9～3.5で、高速・高周波用途に最適です。誘電率が低ければ低いほど、電気信号が材料を通過する速度が速くなり、全体的な通信速度が向上する。同時に、低いDk値は、特に高周波信号を伝送する際の信号遅延や歪みの低減に役立ちます。誘電率が低いため、LCPは10GHzを超える周波数でも優れた性能を維持でき、ミリ波帯や5G通信機器での使用に適している。

誘電損失は、電界の作用下で材料が熱に変換するエネルギーの損失であり、信号を伝導する際の材料のエネルギー損失を反映する。LCPの誘電損失は極めて低く、通常0.002～0.004の範囲である。そのエネルギー損失は高周波でも小さいままです。Df値が低いということは、高周波での信号伝送中に失われるエネルギーが少ないということであり、シグナル・インテグリティを維持し、ノイズ干渉を低減する上で極めて重要です。特にGHz帯では、低い誘電損失が伝送リンクの信号減衰を効果的に減少させ、長距離または高速でのデータの完全性を保証します。LCP材料は発熱が少なく、温度上昇による信号の歪みや材料の劣化の影響を受けにくいため、高周波・高温環境下での長期にわたる安定した動作が保証されます。

LCPフィルムは誘電率や誘電損失が低いため、常温だけでなく広い温度範囲（-50℃～250℃以上）で優れた性能を発揮します。そのため、過酷な環境下での高速・高周波信号伝送に最適です。

LCP（液晶ポリマー）フィルムの高速・高周波用途における一貫した低誘電率と低誘電損失は、現代のエレクトロニクス、通信、高周波信号伝送に広く関心を集め、使用されている主な理由です。

図5 LCPによる高周波伝送損失の大幅低減

3.2 低吸水率と低熱線膨張係数

LCP（液晶ポリマー）フィルムは、その低吸水性と低熱線膨張係数により、高精度のエレクトロニクスや通信アプリケーションにおいて大きな利点をもたらします。この2つの特性は、特に湿度や温度が大きく変化する過酷な環境下でのLCPフィルムの性能安定性において重要な役割を果たします。

吸水率とは、材料が環境から水分を吸収する能力のこと。LCPフィルムの吸水率は極めて低く、通常0.04%未満です。つまり、ほとんど水分を吸収せず、高湿度環境下でも安定した性能を維持します。吸水は材料の電気特性に大きな影響を与え、誘電率や誘電損失を増加させます。しかし、LCPフィルムは吸水率が極めて低いため、湿度による電気特性への影響はほとんどなく、湿度の高い環境でも高品質の信号伝送を実現します。吸水率が低いということは、吸水によって材料の物理的寸法が大きく変化しないことを意味し、湿度が変動する環境でも高い精度を維持できる。このような特性により、LCPフィルムの表面は優れた耐湿性を持ち、環境に敏感な電子パッケージや追加保護を提供する外部デバイスへの使用に適しています。

熱膨張係数（CTE）とは、温度が変化するにつれて材料の長さが膨張する割合のことです。LCPフィルムの線膨張係数は、一般的に10ppm/℃～17ppm/℃の範囲にあり、他の多くのエンジニアリング・プラスチックや高周波材料よりもはるかに低い。この低熱膨張係数のおかげで、LCPフィルムは劇的な温度変化にもほとんど寸法を変化させることなく、高温や高温・低温のサイクル条件下でも変形することがありません。これは精密電子機器や高周波回路にとって非常に重要であり、LCPの低熱膨張係数は銅などの一般的な導電材料に近く、熱サイクル中の膨張の不一致による層間剥離やクラック、接続不良を最小限に抑えることができる。特に高速・高周波回路基板では、この特徴がデバイスの信頼性を大幅に向上させます。フレキシブル回路、センサー、マイクロエレクトロニクスパッケージなど、非常に高い寸法精度が要求される用途では、低CTEにより、熱処理、加工、長期使用時のLCPフィルムの寸法安定性が確保される。

図6 LCP基板とPI基板の吸湿前後の伝送損失比較

3.3 高次元安定性とバリア性

LCP（液晶ポリマー）フィルムは、その卓越した高い寸法安定性とバリア性により、高機能用途において重要な役割を担っている。

LCPフィルムの高い寸法安定性は、そのユニークな分子構造、特に液晶的な分子配列によるもので、熱や応力が加わっても、材料のサイズや形状を維持することができます。LCPフィルムの熱膨張係数（CTE）は極めて低く、高温や激しい温度変化による熱膨張や熱収縮の影響をほとんど受けません。17ppm/℃であり、高温や激しい温度変化による熱膨張や熱収縮がほとんどない。他のポリマー材料に比べ、LCPフィルムは高温下での寸法変化が少なく、これは熱に敏感なデバイスにおいて重要である。LCPフィルムは耐熱性に優れ、一般的に250℃以上の環境でも物理的な寸法や形態を維持したまま使用できる。この特性により、高温環境下で高精度を維持し、熱による材料の変形を避けることができる。

さらに、LCPフィルムの分子配列と高強度分子結合は、優れた引張強度と耐衝撃性をもたらし、機械的ストレス下でも元の形状と寸法を維持することができる。これは精密エレクトロニクスの信頼性にとって極めて重要である。この高い寸法安定性により、LCPフィルムは高周波回路基板、フレキシブル回路、精密電子パッケージなど、長期間の使用や過酷な環境下でのデバイスの信頼性を確保するために、高精度で安定した寸法が要求される分野で広く使用されています。

LCPフィルムは 、ガス、水分、化学薬品などに対する優れたバリア性を持ち、多くの過酷な環境下で優れた性能を発揮します。LCPフィルムは、さまざまなガス（酸素、二酸化炭素、窒素など）に対して非常に高いバリア性を持っています。この特性は、特に酸化防止が求められる電子部品や精密機器の長寿命化に不可欠です。LCPフィルムは吸水率が非常に低く、通常0.04%未満で、水蒸気の侵入を効果的に遮断します。このため、湿度の高い環境でも安定性に優れ、水分が材料の電気特性に影響を与えるのを防ぐことができます。その結果、LCPフィルムは、高い信頼性と耐湿性を必要とする電子機器やパッケージによく使用されています。また、LCPフィルムは化学的に不活性であるため、さまざまな酸、アルカリ、溶剤、化学薬品に耐性があります。これは、腐食性環境に長期間さらされても劣化や損傷が生じないため、化学、製薬、電子部品の製造や応用において非常に重要である。

図7 LCPの特殊な分子構造が、他の熱可塑性プラスチック材料と比較して、そのユニークで優れた性能を決定している。

3.4 卓越した耐熱性と優れた冷熱交互特性

LCP（液晶ポリマー）フィルムの耐熱性と高温／低温交互特性は、ハイエンドのエレクトロニクス、通信、工業用途で際立った存在感を示す重要な要素です。これらの特性により、LCPフィルムは極端な温度変化環境下でも安定した物理的・電気的特性を維持し、デバイスの長期信頼性と耐久性を確保することができます。

LCPフィルムの耐熱性は、そのユニークな液晶状態の分子構造によるもので、高温下でも材料に優れた安定性を与えます。熱変形温度は通常250℃から320℃以上であり、物理的な変形や性能の著しい低下なしに、超高温環境下で長期間使用することができる。この高温安定性により、LCPは高温環境下での電子的・機械的用途に理想的な材料となっている。LCPフィルムは高温下でも優れた機械的強度と電気的特性を維持し、高温動作時の機器の安全性と信頼性を確保します。例えば、高周波回路や5G通信機器では、LCPフィルムが低誘電率・低誘電損失を維持し、高温下でも優れた信号伝送性能を維持する。LCP材料は自己消火性があり、火源にさらされてもすぐに消火できるため、電子部品、自動車、航空宇宙などの分野で優れており、高温や電気的誤作動による火災のリスクを低減します。高温や電気的誤作動による火災のリスク

図8 "液晶分子構造から見たLCPフィルムの耐熱性"

また、LCPフィルムは、 耐熱性、耐寒性にも優れている。冷熱交互特性とは、材料が頻繁な温度変化にさらされても物理的・化学的安定性を維持できる能力のことで、LCPフィルムはこのような環境に優れており、急激な温度変化による機械的ストレスや疲労、材料の劣化に効果的に耐える。

LCPフィルムは熱衝撃に非常に強い。つまり、急速な昇温・冷却時の熱膨張・収縮によって、材料が大きく寸法変化したり、クラックが入ったりすることはない。この特性は、航空宇宙や高周波エレクトロニクスのように、頻繁な温度変動を経験する必要がある機器や部品にとって非常に重要です。同時に、LCPフィルムは熱膨張係数が非常に小さい（通常10ppm/℃～17ppm/℃）ため、他の材料で起こるような大きな寸法変化を起こすことなく、熱サイクルや冷サイクルに耐えることができる。このことは、材料の耐久性を向上させるだけでなく、温度遷移中に起こりうる材料の変形、クラック、層間剥離などの問題を防ぐことにもなる。

さらに、LCPフィルムの分子配列は、熱や冷熱のサイクルを何度繰り返しても疲労や性能劣化が生じない構造になっており、機械的強度や電気的特性は長期にわたって維持される。これは高周波信号伝送や精密電子機器にとって特に重要で、過酷な使用環境下での長期安定性を保証します。

LCPフィルムは、ポリイミド（PI）やポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などの他の高性能材料と比較して、耐熱性が高いだけでなく、熱と冷の交互特性の点でも優れています。PIフィルムは耐熱性に優れる反面、熱膨張係数が大きいため、頻繁な熱・冷熱サイクル時に寸法が不安定になりやすい。PTFEは耐薬品性に優れるが、機械的強度や電気的特性は高周波用途ではLCPに劣る。

3.5 優れた機械的特性（高強度、高弾性率）

LCP（液晶ポリマー）フィルムは優れた機械的特性、特に 高強度、高弾性率を有しており、機械的応力や高荷重に対する耐性が要求される用途に優れています。LCPフィルムの高い強度は、分子鎖が高度に秩序化された液晶状態であるためであり、引張方向に規則的な配列を形成するため、機械的応力下での引張や破壊に対して優れた耐性を発揮する。 LCPフィルムの引張強度は、一般的に150MPaから300MPaの範囲にある。LCPフィルムの引張強度は、一般的に150MPaから300MPaに達し、従来の多くのポリマーよりもはるかに高い。これは、LCPフィルムが機械的応力を受けても破壊や変形を起こしにくく、外部からの引張応力に効果的に抵抗できることを意味します。LCP材料は剛性が高いため高い強度を示しますが、用途によっては耐衝撃性も十分です。外部からの衝撃や振動を受けても安定した機械的特性を維持できるため、電子機器や車載用電子機器、工業用途などで高い信頼性を発揮します。LCPフィルムは高強度であるにもかかわらず低密度（約1.4～1.6g/cm³）であるため、航空宇宙や家電製品など重量要求の厳しい分野での使用に適した軽量かつ高性能な材料です。LCPフィルムは、材料の剛性を示すヤング率が非常に高く、その結果、優れた剛性と耐変形性を示します。 LCPフィルムのヤング率は、通常10GPaの範囲にあります。LCPフィルムのヤング率は、一般的に10GPaから25GPaの間であり、応力下での弾性変形が非常に小さい。この特性により、曲げや変形の影響を受けにくい精密構造において、高い形状安定性を維持することができる。また、LCPフィルムの曲げ弾性率が高いということは、曲げ力が加わっても変形しにくいということでもあり、フレキシブルプリント配線板（FPC）やアンテナなど、機械的安定性や耐疲労性が要求される用途では非常に重要である。LCPフィルムは弾性率が高いため、応力下でも変形が少なく、電子部品パッケージング、アンテナ材料、マイクロメカニカル構造など、高い精度と寸法保持性が要求される場面で特に重要です。

LCPフィルムは 室温で高い強度と弾性率を示すだけでなく、高温でも優れた機械的特性を維持する。 LCP フィルムは、250℃を超える高温でも、温度上昇による著しい劣化を起こすことなく、高い強度と弾性率を維持することができる。このため、高温電子機器や自動車エンジン部品など、高温環境下での機械的用途に最適です。低温環境下での強度LCPフィルムは低温でも高い強度と剛性を維持し、極端な温度下でも良好な機械的特性を示すことができるため、特に低温・高応力環境において、航空宇宙機器や軍用機器に幅広く使用されている。

図9 機械的強度と電気的特性から航空電子機器に使用されるLCP

表2 LCPの主な特性LCP（液晶ポリマー）フィルムの主な特性

4 結論

LCPフィルムは、そのユニークな特性の組み合わせにより、高性能用途の主要材料となっている。LCPフィルムは、常に低い誘電率と損失、極めて低い吸水率、低い熱膨張係数を持ち、過酷な環境下でも性能の完全性を維持します。LCPフィルムは、優れた寸法安定性、高強度、温度変化に対する優れた耐性を備えており、高周波回路基板、フレキシブル回路、精密電子パッケージングなど、さまざまな用途に適しています。LCPフィルムは、他の高機能材料と比べて機械的特性、熱特性、誘電特性のバランスがとれており、過酷な条件下でも信頼性を確保できる。電子デバイスの高周波化と小型化が進むなか、LCPフィルムはこうした技術の進歩を支える重要な役割を果たすだろう。

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、高品質のLCPフィルムを提供する重要なプロバイダーであり、信頼性の高い材料ソリューションでこれらの重要なアプリケーションをサポートしています。

関連記事

液晶ポリマー

光学用途向け主鎖型液晶ポリマー