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高周波対応フレキシブル誘電材料の研究開発

藤元伸悦（日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社）

2021年1月12日（火）

開発背景と産業界のニーズ

ニーズ：IoT，スマートフォン，5G，6Gにおける大容量・高速伝送

GHz領域の高周波数の利用が見込まれるが，一般的に周波数が上がるほど伝送損失は増大するため，高周波領域における伝送損失の低減が求められる．

弊社の回路基板材料と適用例

図引用 日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社のホームページ https://www.nscm.nipponsteel.com/functional/

フレキシブル回路基板材料（銅箔＋ポリイミド）

スマートフォンの回路基板への適用例

液晶ディスプレイの接続部への適用例

1G,2G,3G800MHz,2GHz 3.6GHz 300GHz90GHz

Frequency

6G(2030)5G(2020)

4G(2010)参考：NTTドコモホワイトペーパー5Gの高度化と6G，2020

総務省 Beyond 5G推進戦略 －6Gへのロードマップ－

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伝送損失

伝送損失を低減させるために，マテリアルズインフォマティクスを活用し，ポリイミド材料の低誘電率，低誘電正接の両立を目指す．

：誘電損 ：定数 ：周波数：光速度 ：比誘電率 ：誘電正接

ターゲット製品の材料構成銅箔（9～12μm）

伝送損失＝ 誘電損（ポリイミドフィルム）＋ 導電損（銅箔）

超超PJでは誘電損に着目

ポリイミドフィルム（12～25μm）

図引用 日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社のホームページhttps://www.nscm.nipponsteel.com/functional/

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数回に

マテリアルズインフォマティクス（MI）の活用

モノマー選定 サンプル作製 評価メカニズム考察

ポリイミドの低誘電率化，低誘電正接化

数100，数1000の試作回数

計算科学・・・チャンピオンデータ↑

機械学習・・・候補モノマーの絞り込み↑

データベース・・・データセット作成

仮説

MIにより試作回数の大幅な削減を狙う

陽電子寿命計測・・・自由体積と特性の相関

高周波電磁気計測

計算データ

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目標と課題

目標MIによる研究開発促進誘電特性の回帰モデルの決定係数ポリイミドの材料データ

課題誘電率，誘電正接の計算技術の開発→超超PJ前半3年間で開発完了機械学習の教師データ蓄積MIによるチャンピオンデータ探索技術の開発陽電子消滅法による自由体積計測技術の開発

本研究ポリイミド材料の低誘電率化，低誘電正接化の検討を対象に，超超プロジェクトで開発された計算科学技術をベースにして，MIを用いた材料開発システムの提案と検証を実施する．

：試作回数1/20：0.6~0.9：100個以上

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基盤技術の活用による機能性材料の開発

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半導体材料

高機能誘電材料

高性能高分子材料

機能性化成品(超高性能触媒)

ナノカーボン材料

⑨ CNT紡糸グラフェン合成

ナノ分散プロセス

⑬ナノカーボン評価

本PJのターゲット材料群

電導性

機能性材料

スイッチング特性 損失・耐圧 強度・熱特性 効率・選択性

⑫フロー型XAFSDNP-NMR

⑪マルチスケール3次元構造解析

⑩表面・界面構造計測ﾅﾉ領域多物性評価

⑧フロープロセス⑦ブレンド・発泡

プロセス⑥ヘテロ接合

プロセス

①キャリア輸送計算②外場応答

計算③機能性高分子プロセス計算

④化学反応・流体計算

第一原理計算・分子動力学計算

マルチスケールシミュレーション

必要な基盤技術

⑤深層学習・機械学習（AI）、離散幾何解析

要請される機能

計算科学

プロセス

先端計測

フィードバック

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三位一体（計算・プロセス・計測）の取り組み体制

産総研 つくば：AIST 大島，伊藤（課題⑪），

堀部（課題⑬）

産総研 つくば：AIST 三宅ら（課題②-1），青柳ら（課題②-2），

川田ら（課題⑤）， 大谷ら（課題①）統数研 吉田ADMAT 課題②-1：渡邊，近田，小林

日鉄ケミカル＆マテリアル

機能性材料開発プロセス

モデルサンプル作製

計測陽電子消滅法（自由体積計測）

ﾏｲｸﾛ波近接ﾌﾟﾛｰﾌﾞ計測（電磁気特性計測）

計算科学マルチスケールシミュレーション

（第一原理・分子動力学）機械学習

DFT, ML MD, ML

ML, DPF ESM-RISM

陽電子

電磁気

DFT：密度汎関数法（第一原理計算）MD：分子動力学法ML：機械学習DPF：データプラットフォームESM-RISM: DFT+古典溶液理論

（敬称略）

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機械学習用の教師データの蓄積

酸二無水物：P2FDA P6FDA 6FDA 10FEDA CBDA HPMDA PMDA BTDA ODPA BPDA

ジアミン：PDA ODA 4FMPD 6FDC DCHM DATP DAMBA APAB 6FOH TFMB

教師データ用にポリイミドのモノマー群（酸二無水物10種，ジアミン10種）を選定(1),(2)(1)安藤，含ポリイミド最近の進歩2013，繊維工業技術振興会, 2013.(2)安藤，最新ポリイミド : 基礎と応用，日本ポリイミド・芳香族系高分子研究会編，2010．

第一原理計算によるポリイミドの電子分極由来の誘電率データ（酸二無水物：ジアミン＝１：１）

・電子分極由来の誘電率に関して暫定的に100データ蓄積完了（相対比較ベース）・データプラットフォームへの登録に向けて，より質の高いデータセットに整備中

計算手法：LDA，超超PJにてOpenMXに実装された誘電関数計算機能を使用計算条件：分子1本をモデル化，周期条件，100～300原子

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第一原理計算による電子分極由来の誘電率ランキング電子分極由来の誘電率ランキング

1位 HPMDA/TFMB

2位 HPMDA/6FDC

(3)特開2015-214680ポリアミド酸組成物およびポリイミド組成物

ポリイミドの低誘電率化(3)

→フッ素原子の含有→脂環構造の導入

・計算結果はこの傾向(3)を大まかに再現・第一原理計算で一次スクリーニング可能

順位 整理番号 酸二無水物 ジアミン 誘電率1 59 HPMDA TFMB 1.522 53 HPMDA 6FDC 1.603 24 6FDA DCHM 1.644 54 HPMDA DCHM 1.655 69 PMDA TFMB 1.686 33 10FEDA 6FDC 1.697 34 10FEDA DCHM 1.718 73 BTDA 6FDC 1.729 43 CBDA 6FDC 1.72

10 44 CBDA DCHM 1.75

90 97 BPDA APAB 2.7491 61 PMDA ODA 2.7492 90 BPDA PDA 2.7793 76 BTDA DAMBA 2.8194 96 BPDA DAMBA 2.8795 1 P2FDA ODA 2.8796 71 BTDA ODA 2.8897 91 BPDA ODA 2.8898 5 P2FDA DATP 2.9299 70 BTDA PDA 2.94

100 75 BTDA DATP 3.02

材料特性のトータルバランス最適化を視野に，多成分ポリイミドを調査したいが探索範囲が膨大→機械学習の要素技術検討

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・・・

データセット一部抜粋

N

数密度ECFPにおける部分構造の例

No. acid diamine SMILES Dielectric_constant0 P2FDA PDA Fc1c(C2=O)c(C(N2c3ccccc3)=O)c(F)c4c1C(NC4=O)=O1.941 P2FDA ODA Fc1c(C2=O)c(C(N2c3ccc(Oc4ccccc4)cc3)=O)c(F)c5c1C(NC5=O)=O2.872 P2FDA 4FMPD Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(c4c(F)c(F)c(F)cc4F)C3=O)=O2.483 P2FDA 6FDC Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(C4CCC(C(C(F)(F)F)(C(F)(F)F)C5CCCCC5)CC4)C3=O)=O1.814 P2FDA DCHM Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(C4CCC(C(C)(C)C5CCCCC5)CC4)C3=O)=O1.935 P2FDA DATP Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(c4ccc(c5ccc(c6ccccc6)cc5)cc4)C3=O)=O2.926 P2FDA DAMBA Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(c4ccc(C(N(C)c5ccccc5)=O)cc4)C3=O)=O2.217 P2FDA APAB Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(c4ccc(C(Oc5ccccc5)=O)cc4)C3=O)=O2.478 P2FDA 6FOH Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(c4c(O)cc(C(C(F)(F)F)(C(F)(F)F)c5cc(O)ccc5)cc4)C3=O)=O2.109 P2FDA TFMB Fc1c(C2=O)c(C(N2)=O)c(F)c3c1C(N(c4ccc(c5c(C(F)(F)F)cccc5)c(C(F)(F)F)c4)C3=O)=O1.76

10 P6FDA PDA N1C(c2c(C(F)(F)F)c(C(N(c3ccccc3)C4=O)=O)c4c(C(F)(F)F)c2C1=O)=O2.1111 P6FDA ODA O=C1N(c2ccc(Oc3ccccc3)cc2)C(c4c1c(C(F)(F)F)c(C(NC5=O)=O)c5c4C(F)(F)F)=O2.4112 P6FDA 4FMPD O=C1N(c2c(F)c(F)c(F)cc2F)C(c3c1c(C(F)(F)F)c(C(N4)=O)c(C4=O)c3C(F)(F)F)=O2.45

・記述子数密度ECFP(超超PJで開発[*])

・機械学習法LASSO回帰，ガウス過程回帰

輪を広げて部分構造を取り出していく

[*]Minami et. al., MRS Advances(2018), 2975－2980

主要ライブラリ・scikit-learn・RDKit(化合物情報を扱う)

－変数選択

データ数：100

データセットと数密度ECFP

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数密度ECFPを用いたガウス過程回帰モデルの構築誘電率の1個抜き交差検証の結果

（DFT: 第一原理計算）

全データを教師データとした場合のポリイミド持込モデルの予測結果Predicted data Calculated data Relative error [%]

ポリイミド持込モデル① 2.89 3.14 8.0ポリイミド持込モデル② 2.82 3.09 8.7

・説明能力の高い回帰モデルを構築・材料特性のトータルバランス最適化を視野に，

多成分ポリイミドの予測に展開

Training data Test data決定係数

R2 0.96 0.74

二乗平均平方根誤差RMSE 0.106 0.257

部分構造の輪の長さ：4

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機械学習による誘電率ランキング低誘電率ランキング

機械学習結果からチャンピオンデータの10位（1.95以下）までを残す

順位整理番号

酸二無水物 ジアミン誘電率の予測値

1 23 6FDA 6FDC 1.772 69 PMDA TFMB 1.783 53 HPMDA 6FDC 1.804 83 ODPA 6FDC 1.825 54 HPMDA DCHM 1.846 59 HPMDA TFMB 1.887 24 6FDA DCHM 1.918 63 PMDA 6FDC 1.939 28 6FDA 6FOH 1.94

10 43 CBDA 6FDC 1.95

補足第一原理計算結果

順位 整理番号 酸二無水物 ジアミン 誘電率1 59 HPMDA TFMB 1.522 53 HPMDA 6FDC 1.603 24 6FDA DCHM 1.644 54 HPMDA DCHM 1.655 69 PMDA TFMB 1.686 33 10FEDA 6FDC 1.697 34 10FEDA DCHM 1.718 73 BTDA 6FDC 1.729 43 CBDA 6FDC 1.72

10 44 CBDA DCHM 1.7511 23 6FDA 6FDC 1.75

機械学習により100個から10個に絞り込み（誘電率1.95以下）．これらについて分子動力学計算を実施し，誘電正接を評価する．

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分子動力学計算条件

Temperature Total steps0 計算モデルの作成1 NVT 300K 100ps2 NPT 300K 1ns3 NPT 800K 1ns4 NPT 300K 1ns5 NPT 800K 1ns6 NPT 300K 1ns7 NPT 800K 1ns8 NPT 296.15K 30ns9 NVT 296.15K 20ns

10 pythonで誘電特性計算（超超PJで開発）

力場・GAFF

点電荷の計算・B3LYP/6-31G(d)，RESP電荷

構造作成・１分子の長さはサンプル間で同程度・分子構造はアモルファス・分子の本数は16・総原子数は4000～5000

分子動力学計算シミュレータ・LAMMPS

構造緩和計算などの計算手順

10fs毎の双極子モーメントを取得

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誘電率(10GHz)

誘電率(100GHz)

誘電正接(10GHz)

誘電正接(100GHz)

2.06 2.03 0.0047 0.00651.83 1.81 0.0046 0.00671.85 1.84 0.0034 0.00612.09 2.04 0.0027 0.01931.98 1.96 0.0027 0.00572.10 2.07 0.0039 0.01061.81 1.79 0.0036 0.01112.08 2.06 0.0027 0.00472.29 2.23 0.0035 0.01811.98 1.96 0.0014 0.0056

分子動力学計算による誘電率，誘電正接の計算結果

順位整理番号

酸二無水物 ジアミン誘電率の予測値

1 23 6FDA 6FDC 1.772 69 PMDA TFMB 1.783 53 HPMDA 6FDC 1.804 83 ODPA 6FDC 1.825 54 HPMDA DCHM 1.846 59 HPMDA TFMB 1.887 24 6FDA DCHM 1.918 63 PMDA 6FDC 1.939 28 6FDA 6FOH 1.94

10 43 CBDA 6FDC 1.95

分子動力学計算結果より，誘電正接0.006以下（赤枠）のものを選定．表の赤枠の組成が，低誘電率，低誘電正接の材料の可能性．

（相対比較ベース）

誘電率（電子分極）の順位 分子動力学計算結果機械学習の予測値

（電子分極＋原子分極＋配向分極）（電子分極）

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誘電正接0.006以下(@10GHz, 100GHz)の材料の誘電正接の周波数依存性No.54: HPMDA/DCHM No.63: PMDA/6FDC

第一原理計算→機械学習(100個から10個まで絞り込み)→分子動力学計算（10個から3個まで絞り込み）を用いてチャンピオンデータを絞り込むシステムについて提案し，その一連の流れを示した．

分子動力学計算による誘電正接の計算結果

・100候補から数候補まで絞り込むことにより，試作回数を大幅に削減できる可能性を示した．

・実際には，酸二無水物：ジアミンの組み合わせは膨大にあり，その効果は非常に大きいと期待．

No.43: CBDA/6FDC

（チャンピオンデータ）

C：灰色H：白N：青O：赤F：緑

密度：1.27g/cm3CBDA/6FDC構造

各辺：3.8nm

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0 10 2010-4

10-3

10-2

10-1

100

#1 CBDA/TFMB #2 6FDA/TFMB #3 6FDA/m-TB #4 6FDA/BAPP #5 CBDA/m-TB

Time (ns)

難計測材料ポリイミドに対する陽電子消滅法の開発状況陽電子寿命の計測が困難なポリイミド材料に対して，計測手法の高度化に成功

#1 #2 #3 #4 #5

誘電特性に関係する自由体積の新たな評価技術として確立

ポリイミドサンプルの外観

（#1~#5）

陽電子寿命スペクトル

フッ素系，脂環系ポリイミド試料でo-Ps 寿命成分を確認

1 2 3 4 51.5

2

2.5

3

3.5

Sample number

フッ素(高)

フッ素（無）

フッ素(中)

色(薄)

色(濃)

色(やや濃)

量子モデルで予想される細孔サイズは 0.25 nm ～ 0.37nm

o-Ps寿命の計測結果

相対

強度

o-Ps

寿命

(ns)

自由

体積

サイ

ズ

大

小

ポリイミドサンプル#1ポリイミドサンプル#2ポリイミドサンプル#3ポリイミドサンプル#4ポリイミドサンプル#5

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まとめと今後の課題

今後の課題・データプラットフォーム用のデータ整備，トレードオフ両立の検討，

多成分ポリイミドの検討，転移学習

まとめ・ポリイミド100種類について第一原理計算データを蓄積した．・機械学習による誘電率の説明能力の高い回帰モデルを構築した．・MIを用いた材料開発システムの検証を実施し，試作回数1/20の見通しを得た．・誘電特性に関係する自由体積評価技術を確立するため陽電子消滅法により

ポリイミドを測定した．

統数研，AISTと連携

OpenMXetc.

MachineLearning

データプラットフォーム

専用アップローダー（超超PJで開発）

トレードオフ両立多成分ポリイミド転移学習，新手法検証

高品質データ

自由体積計測高周波電磁気計測

メカニズム解明特性検証

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ロードマップ

2016 2017 2018 2019 2020 2021

誘電特性等の計算技術開発

データプラットフォーム用データ蓄積

MI検証

陽電子消滅計測

電磁気計測

プロセス 弊社独自設備のため社内検討・超超PJ持込モデル作製

高度化誘電率，誘電正接，自由体積

計算データ蓄積

技術検討 検証

相関調査

高周波領域における誘電特性計測

計測手法の開発・高度化・高速化

最適化設計

2022～：材料設計プラットフォーム（MDPF）の利活用，産業界への普及

整備

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・モバイル機器分野スマートフォンウェアラブルデバイスVR（仮想現実）高解像度・高臨場感

・移動・物流分野宇宙ステーション，衛星，航空機，船舶，自動車

産業への波及効果

・センシング分野インタラクティブロボット遠隔手術ドローン管制

・エポキシ樹脂関連

日鉄ケミカル＆マテリアル・フレキシブル回路基板材料

・ディスプレイ材料関連・触媒関連

図引用 日鉄ケミカル＆マテリアルHP https://www.nscm.nipponsteel.com/epoxy/総務省 下記URL資料8-4（presented by NTT docomo）

https://www.soumu.go.jp/main_sosiki/joho_tsusin/policyreports/joho_tsusin/5th_generation/technical/02kiban14_04000594.html

・インフラ分野スマートシティスマートマニファクチャリング

高周波対応フレキシブル誘電材料

素材，基板，回路，デバイス，システム

技術応用

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