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5Gスマートフォン端末・5G基地局向け
低誘電特性樹脂材料 5G

Summary

  • 5G通信の特徴は、(1) 超高速、(2) 超低遅延、(3) 多数同時接続です。
  • 5G通信では減衰が大きい高周波電波を利用するため、大きな伝送損失が課題となります。
    この対応として、使用する材料の見直しが必要とされています。
  • 旭化成は、5G通信対応のスマートフォン端末や5G基地局向けの樹脂材料として、変性ポリフェニレンエーテル樹脂『ザイロン™』をご提案します。

旭化成からのご提案

モバイル通信の進化と5G

モバイル通信は、携帯電話などの進化や利用されるデータ通信量の増加とともに進化してきました。

 

1980年代にアナログ無線通信技術で1G通信が始まり、モバイル音声通話が可能になりました。1990年代には2G通信でデジタル化が進み、メールを中心としたデータ通信が広く普及しました。2000年代には、3G通信でのデータ通信が急激に高速化し、静止画の受発信やブラウザ閲覧が可能になり、通信規格も世界共通のデジタル方式となりました。さらに、2010年頃からは3.9GでLTE (Long Term Evolution) 方式も含めたスマートフォンが普及し始め、2015年頃からはLTE Advanced方式の4G通信が広く普及し、現在に至ります。

モバイル通信の進化と5G

そして、次の通信規格として期待され、今まさに普及が進むのが5G通信です。

※参照:総務省 「第5世代移動通信システム (5G) の今と将来展望

5Gの特徴と課題

5G通信の最大の特徴は、つぎの3点です。

5G通信の特徴

  • eMBB (enhanced Mobile Broadband):超高速・大容量
  • URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications):超高信頼性・低遅延
  • mMTC (massive Machine Type Communication):多数同時接続

5G通信の最大通信速度は、4Gの10倍以上となる見込みです*1

 

5G通信ではこれまでの世代と比べて高周波帯を使用します。日本の4G通信では、プラチナバンド (700~900MHz帯) と主要バンド (1.5~3.5GHz帯) の周波数が使われてきましたが、5G通信ではSub6帯 (3.7、4.5GHz帯) や準ミリ波帯 (28GHz帯) の周波数の使用が中心となります。一方で、高周波化することによる課題も出てきます。電波の減衰は周波数の2乗に比例するため*2、高周波になるほど電波は減衰しやすく届きづらくなります。電波の届きづらさは通信の繋がりにくさの原因となり、快適な通信を阻害する一要因となります。

 

そのため、5G通信では通信基地局をこれまでより多く設置し通信環境を整える必要があります。
一方、受信する側である5G通信対応スマートフォン端末はより快適な通信が行えるよう、これまで以上の通信性能が求められます。

*1:4Gは1Gbps, 5Gは10Gbps  *2:フリスの伝達公式

5Gの特徴と課題

5Gと部品スペック

このような背景から、5G通信の製品は、高周波帯域での電波の減衰を抑えることが重要です。

 

そこで、その製品と部品を構成する材料の比誘電率・誘電正接がポイントになります。比誘電率や誘電正接は電波の減衰性と関係があり、これらの数値が高いと「電波が材料に吸収されやすく」なるため、電波損失 (ロス) に繋がり、通信感度に影響します。モバイル機器においては、筐体での電波減衰をこれまで以上に抑える必要や、筐体内部の部品レイアウトでも電波干渉をさらに減らしていく工夫が必要となります。受信感度を良くしていくには、1つ1つの部品設計での対策を積み重ねトータルで高めていくしかなく、5G通信でもそれに変わりはありません。

スマートフォン:

スマートフォンは、筐体が薄いほどユーザーに好まれる傾向にあるため、薄い筐体の中で達成しなければならないという難しさがあります。そのため、筐体・フレーム・アンテナに用いる材料の選定、配線レスの構造、各種部品のモジュール化、フレキシブルプリント配線板等が検討されています。

 

■ 基地局:

基地局においては、モバイル機器と同様に筐体やアンテナに用いる材料の電波の減衰性はもちろん重要ですが、より効率良く電波を送るために、その部品・場所に合わせた比誘電率と誘電正接の制御が必要となります。また、基地局では金属またはセラミック製のフィルターを多数個配置するため、重量増になり設置工数および作業負荷が大きくなります。さらに、5G通信になれば基地局設置数も増加するため、その工数・作業負荷・コストの増大は無視できないものになります。そのため、比誘電率と誘電正接の制御だけでなく、カバー・筐体・フィルター・アンテナの樹脂化による軽量化、および複雑形状一体化が5G通信環境整備に貢献しています。

通信アンテナカバー・MIDアンテナ基材

旭化成からのご提案

5G通信向け樹脂材料「ザイロン™」

旭化成は、5G通信対応スマートフォン端末向け材料、5G基地局向け材料として、変性ポリフェニレンエーテル樹脂 (変性PPE樹脂) ザイロン™をご提案します。

ザイロン™とは

  • ザイロン™は、ポリフェニレンエーテル (PPE) と他樹脂とのポリマーアロイの総称です。
    旭化成が製造販売を開始したのは1979年であり、エンジニアリングプラスチックにおいて長い歴史を持ち、幅広いポリマーアロイのラインアップを備えています。

     

  • ザイロン™は、優れた複数の特性を有します。
    高い耐熱性を備えた上、難燃性と絶縁性寸法安定性耐水性にも優れ、なおかつ低比重といった特長があります。さらに、相手となる他樹脂の特長も生かしながらPPEを添加することによってPPEの特長との相乗効果を狙ったポリマーアロイです。

     

  • ザイロン™はこれまでに、自動車家電をはじめとする幅広い業界の部品や筐体にご使用いただいてきました。
    特に自動車においては、低比重という特徴に併せ、耐熱性や難燃性も備えることから、搭載部品の軽量化を目的に頻繁に採用いただいています。

活用のメリット

  • ザイロン™の母材であるPPEは、低誘電率低誘電正接という特徴を備えることから、情報通信分野での適用に適しています。またPPEは、高いガラス転移温度を有しており、他の高耐熱性樹脂に比べて誘電特性の温度依存性が小さい点も特徴です。
    これは、さまざまな温度環境を想定される中で安定した通信品質を確保する上で、重要な利点です (左図)。

     

  • ザイロン™はPPE由来の低誘電特性と旭化成コンパウンド技術を組み合わせることで、幅広い誘電特性ニーズに適応可能です。
    これにより、さまざまな誘電特性を持ったグレードを備えています (右図)。
各種材料の誘電特性比較

各種材料の誘電特性比較

ザイロン™ のグレード別誘電特性@10GHz

ザイロン™ のグレード別誘電特性 (@10GHz)

ご提案グレード

5G通信対応スマートフォン端末 MIDアンテナ向け

5G通信対応スマートフォン端末のMIDアンテナ向けとして、ザイロン™のグレード開発を進めています。

 

この開発グレードは、低誘電率、低誘電正接、耐加水分解性に優れています。これをMIDアンテナとした場合には、従来使われてきたポリカーボネート (PC) 系材料と比較して、トータル効率が最大で1dB改善するシミュレーション結果も得られています。

 

これにより、対応周波数の増加やデバイスの高機能化に伴う設計スペースの制限といった課題解消に貢献します。

ザイロン™開発グレードのアンテナ効率シミュレーション結果

ザイロン™開発グレードのアンテナ効率シミュレーション結果

5G基地局 アンテナカバー向け

ザイロン™開発材「AA181-7」

5G基地局のアンテナカバー向けとして、ザイロン™開発材「AA181-7」のご活用を提案いたします。

 

ザイロン™開発材「AA181-7」は、耐加水分解性および高衝撃性に優れ、オールカラーで難燃性 UL94V-0 を達成しています。

 

最外装であるアンテナカバーは軽量化や耐候性の要求に加え、電波透過性を向上させるために低誘電特性が求められます。「AA181-7」では、従来の材料では困難であった難燃性 (UL94V-0) と低誘電特性の両立を実現しています。

 

これまで、アンテナカバー材にはポリカーボネート (PC) などが使用されてきましたが、誘電特性の観点では十分ではありません。旭化成の「AA181-7」をアンテナカバーに採用することで、その課題解消が期待できます。

 

ザイロン™は、このほかにもカバー向け材料で耐光変色抑制グレード等の開発も進めており、5G基地局アンテナカバーの幅広いニーズにお応えすることが出来ます。

5G基地局 キャビティー型RFフィルター向け

5G基地局キャビティー型RFフィルター向けとして、ザイロン™のグレード開発を進めています。

 

基地局では金属またはセラミック製のRFフィルターを多数個配置するため重量増になり、設置工数および作業負荷が大きくなります。さらに5G通信になれば、基地局設置数も増加します。これにより、部材のさらなる軽量化が求められることになります。

 

ザイロン™で開発を進める5G基地局キャビティー型RFフィルター向けグレードは、高耐熱、良メッキ性、金属に相当する低線膨張性を実現しており、RFフィルターの樹脂化に貢献しうる材料です。

動画でご紹介

「旭化成の5G通信向け材料:ザイロン™」ご紹介動画
こちらの動画は、2021年10月27日~29日に開催された「5G/IoT通信展」にて撮影したものです。

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