فيلم LCP: تمكين الجيل الخامس، والأجهزة القابلة للارتداء، والتقدم في مجال الفضاء الجوي

1 مقدمة

البوليمرات البلورية السائلة (LCPs) هي بوليمراتعالية الأداء تُظهر سيولة وترتيبًا جزيئيًا في مراحل البلورات السائلة عند تسخينها أو إذابتها. تتميز البوليمرات البلورية السائلة بهياكلها الجزيئية الصلبة الشبيهة بالقضبان، وتُظهر مقاومة فائقة لدرجات الحرارة العالية والاستقرار العازل ومتانة الأبعاد. ومنذ سبعينيات القرن العشرين، أدت التطورات في مواد LCPs إلى استخدامها في مجال الإلكترونيات والاتصالات السلكية واللاسلكية والتصنيع الصناعي.

يمكن تصنيف LCPs إلى عدة أنواع بناءً على الخصائص الحرارية وقابلية المعالجة، وكل نوع منها مصمم لتطبيقات محددة: النوع الأول للمكونات الإلكترونية عالية المقاومة للحرارة العالية، والنوع الثاني لمواد الهوائيات، والنوع الثالث لتوصيل الأنابيب والمستشعرات. من بين درجات LCP، تمتلك أغشية LCP خصائص كهربائية وميكانيكية متميزة، بما في ذلك ثوابت عازلة منخفضة (2.9 إلى 3.5)، والحد الأدنى من امتصاص الماء، والاستقرار الحراري الممتاز (درجات حرارة انحراف الحرارة بين 250-320 درجة مئوية)، وقوة شد رائعة. تجعل هذه الخصائص أغشية LCP مناسبة للغاية للتطبيقات في الإلكترونيات عالية السرعة وعالية التردد، مثل هوائيات الجيل الخامس للهواتف المحمولة، والدوائر القابلة للارتداء، وأنظمة الاتصالات الفضائية، حيث يكون أداء المواد أمرًا بالغ الأهمية لكفاءة وموثوقية التقنيات المتقدمة.

2 مقدمة فيلم LCP

استنادًا إلى طبيعتها عالية الأداء، توفر البوليمرات البلورية السائلة (LCPs) هياكل سائلة ومرتبة جزيئيًا في مراحل البلورات السائلة عند تسخينها أو إذابتها. وتتميز بوليمرات LCPs ببنية سلسلة جزيئية صلبة تشبه القضبان وتُظهر مقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية وخصائص عازلة وثباتاً في الأبعاد.

منذ تطويرها في سبعينيات القرن العشرين، تطورت LCP إلى أشكال مختلفة مصممة خصيصاً للإلكترونيات والاتصالات السلكية واللاسلكية والتصنيع الصناعي. يمكن تصنيف LCP إلى بلورات سائلة ذائبة اللون، وبلورات سائلة حرارية اللون، وبلورات سائلة متغيرة اللون، وبلورات سائلة متغيرة اللون، والبلورات السائلة المتغيرة اللون، والتي تعد البلورات السائلة الحرارية اللونية الأكثر استخداماً.

ووفقًا لمتطلبات المنتج، تتوفر البلورات السائلة اللونية السائلة في درجات الحقن والرقائق والألياف. يمكن تقسيم LCP إلى الأنواع الأول والثاني والثالث وفقًا للمونومرات الاصطناعية المختلفة. يتميز النوع الأول من LCP بمقاومة عالية للحرارة، والنوع الثاني بمقاومة عالية للحرارة وقابلية معالجة عالية، والنوع الثالث بمقاومة ضعيفة للحرارة. بعد تسويق النوع الأول من LCP في عام 1972، تم تطوير النوع الثاني والنوع الثالث في عامي 1984 و1976 على التوالي. النوع الأول مناسب للمكونات الإلكترونية، والنوع الثاني هو الأنسب لمواد الهوائي. النوع الأول مناسب للمكونات الإلكترونية، والنوع الثاني هو الأنسب كمادة هوائية، والنوع الثالث يستخدم لتوصيل الأنابيب وأجهزة الاستشعار.

تتميز أفلام LCP بالثبات عند السرعات العالية والترددات العالية. وتتراوح ثوابتها العازلة من 2.9 إلى 3.5، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات عالية السرعة وعالية التردد. يسمح الفقد العازل الكهربائي المنخفض بأداء ممتاز في نطاق الترددات العالية. تمتص أغشية LCP أقل من 0.04% من الماء وتتميز بانخفاض CTE (10-17 جزء في المليون/درجة مئوية)، مما يضمن الاستقرار في البيئات ذات الرطوبة الشديدة والتغيرات في درجات الحرارة. وتتمتع أغشية LCP بدرجة حرارة انحراف حراري تتراوح بين 250 و320 درجة مئوية، مما يوفر لها ثباتاً حرارياً ممتازاً وأداءً عالياً في التطبيقات عالية السرعة وعالية التردد. وبفضل قوة الشدّ التي تتراوح بين 150-300 ميجا باسكال ومعامل يونج من 10-25 جيجا باسكال، تحافظ أغشية LCP على ثباتها حتى في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، مما يوفر مقاومة جيدة للصدمات الحرارية.

ونظرًا لخصائصه الكهربائية الممتازة، يتم استخدام أفلام LCP على نطاق واسع في التطبيقات الإلكترونية المتقدمة.

الشكل 1 أفلام LCP

3 تطبيقات فيلم LCP في مجالات مختلفة

3.1 الدوائر المرنة القابلة للارتداء

توفر أفلام LCP خصائص عازلة ممتازة، مما يجعلها عوازل فعالة للغاية. ويعد ذلك ضروريًا للإلكترونيات القابلة للارتداء، حيث يمنع الأداء الكهربائي الموثوق به حدوث دوائر كهربائية قصيرة وتداخل الإشارات. وتتيح المرونة المتأصلة في رقائق LCP تطوير تصميمات دوائر مدمجة وقابلة للتوافق يمكن دمجها بسهولة في الملابس والإكسسوارات، مما يسمح بتصاميم أكثر إبداعًا ووظيفية للتكنولوجيا القابلة للارتداء. كما تساعد مواد LCP أيضاً في الحفاظ على سلامة الإشارة بفضل ثابت العزل الكهربائي المنخفض والظل المنخفض للخسارة، وهو أمر ضروري للتطبيقات عالية التردد مثل أجهزة تتبع اللياقة البدنية والساعات الذكية.

ولراحة المستخدم، توفر أغشية LCP قوة شد ومرونة عالية، مما يعزز من متانة الأجهزة وإمكانية ارتدائها. يمكنها تحمل الانحناء والتمدد دون المساس بسلامتها الهيكلية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب حركة متكررة. بالإضافة إلى ذلك، تساهم الطبيعة خفيفة الوزن لأفلام LCP في توفير الراحة العامة للأجهزة القابلة للارتداء. من المرجح أن يرتدي المستخدمون أجهزة غير مزعجة ولا تضيف حجمًا كبيرًا.

يمكن معالجة أغشية LCP بمعدلات تدفق عالية، مما يسمح بتصميمات هندسية معقدة وتصاميم مفصلة. هذا التنوع مفيد للمصنعين الذين يتطلعون إلى إنشاء تقنيات مبتكرة قابلة للارتداء. يتمتع LCP بمقاومة حرارية عالية، مما يسمح له بالحفاظ على الأداء عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. وهذا الأمر مفيد بشكل خاص للأجهزة القابلة للارتداء التي قد تتعرض لظروف بيئية مختلفة وحرارة الجسم المتفاوتة، مما يضمن ثبات الأداء الوظيفي. مواد LCP مقاومة لمجموعة كبيرة من المواد الكيميائية، بما في ذلك العرق وسوائل الجسم الأخرى. وهذا يجعلها مناسبة للتطبيقات القابلة للارتداء، حيث يمكنها تحمل التعرض لمختلف المواد دون أن تتحلل.

الشكل 2 دائرة مرنة قابلة للارتداء

3.2 هوائي الهاتف المحمول 5G

يتم استخدام رقائق LCP بشكل متزايد في هوائيات الجيل الخامس للهواتف المحمولة نظرًا لخصائصها الفريدة التي تتماشى مع المتطلبات الصعبة للاتصالات عالية التردد. يتميز LCP بثابت عازل كهربائي منخفض، مما يساعد على تقليل فقدان الإشارة عند الترددات العالية، وهو عامل حاسم لتطبيقات الجيل الخامس التي تعمل في نطاقات الموجات المليمترية. يساهم الظل المنخفض للخسارة في LCP في تحسين سلامة الإشارة، مما يضمن وصول المزيد من الإشارة المرسلة إلى وجهتها دون تدهور. يمكن تصميم هوائيات LCP لدعم عرض النطاق الترددي العريض، مما يتيح الوصول إلى نطاقات تردد متعددة في وقت واحد. هذا الأمر مهم بشكل خاص لتقنيات الجيل الخامس التي تستخدم تعدد الإرسال بتقسيم التردد. يمكن دمج أغشية LCP بسهولة مع لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs)، مما يسمح بالتجميع الفعال والأداء المحسّن. هذا التوافق أمر بالغ الأهمية لتصغير الأجهزة مع الحفاظ على مستويات الأداء العالية. يتيح المظهر الرقيق لأغشية LCP تطوير هوائيات مدمجة، وهو أمر ضروري للهواتف الذكية الحديثة التي تعطي الأولوية للتصاميم النحيفة. يساعد هذا الحجم الصغير أيضًا في جماليات الجهاز بشكل عام.

تحافظ أفلام LCP على خصائصها على نطاق واسع من درجات الحرارة. هذا الاستقرار الحراري ضروري لهوائيات الجيل الخامس، والتي يمكن أن تولد حرارة أثناء التشغيل. يعد الحفاظ على الأداء في ظل الظروف الحرارية المختلفة أمرًا بالغ الأهمية لموثوقية الجهاز. تتميز أفلام LCP بالمرونة والقوة، مما يسمح بتصميم هوائيات خفيفة الوزن ومدمجة يمكن دمجها بسلاسة في الأجهزة المحمولة دون إضافة حجم كبير. تساعد قوتها الميكانيكية على مقاومة التشوه أثناء التصنيع والاستخدام. تُظهر مواد LCP مقاومة ممتازة للرطوبة والمواد الكيميائية، وهو أمر حيوي للأجهزة التي قد تتعرض لعوامل بيئية مع مرور الوقت. تضمن هذه المتانة أن يحافظ الهوائي على أدائه وسلامته طوال دورة حياة الجهاز.

تسمح إمكانيات المعالجة التي يتمتع بها LCP بإنتاج كميات كبيرة من الهوائيات بجودة ثابتة، مما يجعلها خياراً فعالاً من حيث التكلفة للمصنعين الذين يتطلعون إلى إنتاج هواتف ذكية من الجيل الخامس على نطاق واسع.

الشكل 3 الهوائي الداخلي للهاتف الخلوي

3.3 هوائي التردد اللاسلكي الكبير للطائرات

يتم استخدام أغشية LCP بشكل متزايد في هوائيات الترددات اللاسلكية (RF) للطائرات الكبيرة نظراً لخصائصها الاستثنائية التي تلبي المتطلبات الصعبة لتطبيقات الطيران. السبب الأول هو أن مواد LCP تُظهر ثابت عازل كهربائي منخفض، مما يقلل من فقدان الإشارة ويسمح بنقل فعال للإشارات عالية التردد الضرورية لأنظمة الاتصالات في الطائرات الحديثة. وعلاوة على ذلك، يساعد ثابت العزل المنخفض على الحفاظ على سلامة الإشارة، مما يضمن إرسال إشارات الترددات اللاسلكية بفعالية مع الحد الأدنى من التشويش، وهو أمر حيوي للاتصالات والملاحة الموثوقة. يمكن أن تدعم هوائيات LCP مجموعة واسعة من الترددات، وهو أمر مفيد للطائرات الحديثة التي تتطلب قنوات اتصال متعددة للملاحة ومراقبة الحركة الجوية واتصال الركاب. تعزز هذه القدرة من كفاءة الاتصالات بشكل عام.

يمكن لأغشية LCP تحمّل درجات الحرارة القصوى التي عادةً ما تكون موجودة في بيئات الطيران، مما يضمن أداءً ثابتاً في مختلف الظروف التشغيلية. هذا الثبات في نطاق درجات حرارة التشغيل الواسعة ضروري للهوائيات التي قد تتعرض لدرجات حرارة متقلبة أثناء الطيران. يسمح الجمع بين المرونة والقوة في رقائق LCP بتصميم هوائيات خفيفة الوزن ومتينة يمكن دمجها بسلاسة في هيكل الطائرة. وهذا الأمر مهم بشكل خاص في التطبيقات الفضائية حيث يكون تقليل الوزن أمراً أساسياً.

مقاومة الصدمات: يمكن أن تساعد الطبيعة القوية لرقائق LCP على تحمل الصدمات والاهتزازات الشائعة أثناء الطيران، مما يضمن احتفاظ الهوائي بأدائه وسلامته الهيكلية مع مرور الوقت. مواد LCP مقاومة للرطوبة والمواد الكيميائية، وهو أمر بالغ الأهمية للطائرات التي تعمل في ظروف جوية متنوعة. تضمن هذه المتانة الموثوقية على المدى الطويل وتقلل من خطر تدهور أداء الهوائي.

يسمح المظهر الرقيق لأغشية LCP بتطوير هوائيات مدمجة لا تضيف وزناً كبيراً للطائرة، مما يساهم في كفاءة استهلاك الوقود والأداء العام. هذا الجانب مهم بشكل خاص في الطائرات الكبيرة حيث يكون كل جرام مهم. يمكن دمج أغشية LCP بسهولة في أنظمة الترددات اللاسلكية الموجودة، مما يجعلها خياراً متعدد الاستخدامات لترقية أو استبدال مواد الهوائي التقليدية دون الحاجة إلى إعادة تصميمات واسعة النطاق. يضمن هذا التوافق تنفيذ أكثر سلاسة في تطبيقات الفضاء الجوي.

تتيح قدرات المعالجة التي يتمتع بها LCP إنتاج كميات كبيرة من الهوائيات بجودة ثابتة، مما يجعلها خياراً فعالاً من حيث التكلفة لمصنعي الطيران الذين يهدفون إلى إنتاج حلول ترددات لاسلكية موثوقة للطائرات الكبيرة.

الشكل 4 هوائي التردد اللاسلكي

3.4 الاتصالات الرادارية بالموجات المليمترية 5G

الاتصالات الرادارية بالموجات المليمترية 5G هي تقنية ثورية تستخدم نطاق تردد الموجات المليمترية (عادةً ما بين 30 جيجاهرتز و300 جيجاهرتز) لنقل البيانات عالية السرعة والسعة. توفر نطاقات الموجات المليمترية نطاقًا تردديًا أكبر، ويمكن لتقنية الجيل الخامس 5G أن تدعم معدلات نقل بيانات أعلى مقارنة بتقنيات الاتصالات المتنقلة التقليدية مثل الجيل الرابع. يمكن لتقنية الموجة المليمترية 5G أن تحقق معدلات بيانات أعلى من 10 جيجابت في الثانية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب كميات كبيرة من نقل البيانات، مثل بث الفيديو عالي الوضوح والواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR). وفي الوقت نفسه، تجلب الكفاءة العالية معها متطلبات أعلى للمواد، والتي يتم تلبيتها بشكل مناسب من خلال الخصائص الممتازة لمواد LCP.

تحظى أغشية LCP باهتمام كبير لاستخدامها في اتصالات الرادار ذات الموجات المليمترية من الجيل الخامس، ويرجع ذلك أساسًا إلى خصائصها الكهربائية الفائقة واستقرارها الحراري وقوتها الميكانيكية.

وتتميز أغشية LCP بثوابت عازلة منخفضة للغاية وخسائر عازلة منخفضة للغاية، وهي أمور بالغة الأهمية لنقل الإشارة في نطاق الموجات المليمترية. يقلل الفقد العازل الكهربائي المنخفض من توهين الإشارة ويحسن كفاءة الإرسال، مما يتيح للرادارات ذات الموجات المليمترية تحقيق جودة إشارة أعلى ومسافات إرسال أطول. تحافظ أغشية LCP على خصائص كهربائية مستقرة عند الترددات العالية وهي مناسبة لنطاق التردد (30 جيجاهرتز إلى 300 جيجاهرتز) التي تتطلبها رادارات الموجات المليمترية.

يسمح الثبات الحراري لأفلام LCP بالعمل في بيئات ذات درجات حرارة عالية دون فقدان الأداء، وهو أمر مهم في محطات اتصالات الجيل الخامس الأساسية ومعدات الموجات المليمترية. يمكن لأفلام LCP أن تتحمل التدوير الحراري طويل الأمد، مما يضمن الحفاظ على الأداء المستقر في البيئات القاسية وإطالة عمر المعدات. وبالإضافة إلى ذلك، تتمتع أغشية LCP بقوة وصلابة ميكانيكية ممتازة، مما يجعلها مقاومة للضرر المادي والإجهاد البيئي، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في الأجهزة المحمولة والمحطات القاعدية. تسمح الطبيعة المرنة لأغشية LCP بتصميم هوائيات ودوائر أرقّ، وهي مناسبة لأجهزة الرادار المصغرة ذات الموجات المليمترية من الجيل الخامس، مما يساهم في زيادة تكامل الجهاز وخفة وزنه.

في تصميم الهوائيات ذات الموجات المليمترية، يمكن استخدام غشاء LCP كمادة عازلة للهوائي. ويساعد ثابت العزل الكهربائي المنخفض في تحسين كسب الهوائي وكفاءة الإشعاع. كما أن الأداء عالي التردد وقابلية المعالجة لأفلام LCP تجعلها مناسبة للاستخدام في تصنيع هوائيات المصفوفات لمصفوفات الهوائي واسعة النطاق المطلوبة لاتصالات الجيل الخامس. يمكن أيضًا استخدام أغشية LCP في تصنيع لوحات دوائر الترددات الراديوية (لوحات الدوائر الراديوية ثنائية الفينيل متعدد الكلور)، والتي توفر مسارات نقل فعالة لإشارات الموجات المليمترية. تعمل خصائصها منخفضة الخسارة على تحسين كفاءة نقل إشارات التردد اللاسلكي بشكل كبير وتقلل من استهلاك الطاقة.

التغليف: في أجهزة الترددات اللاسلكية ذات الموجات المليمترية، تُستخدم أغشية LCP أيضاً كمواد تغليف لحماية المكونات الإلكترونية من البيئة الخارجية.

الشكل.5 نقل إشارات المحطة القاعدية لرادار الاتصالات بجهاز 5G

3.5 وحدة إرسال مرنة للمحطة القاعدية 5G 5G

يتميز غشاء LCP بثابت عازل كهربائي منخفض وعامل فقدان عازل منخفض، مما يجعله مناسبًا لنقل الإشارات عالية التردد في النطاق المليمتري. وهذا يمكّنها من تقليل الفقد في نقل الإشارات عالية السرعة وعالية التردد بشكل فعال وضمان جودة نقل الإشارة. في صفائف الهوائيات وقنوات نقل الإشارات في محطات الجيل الخامس القاعدية، يمكن استخدام رقائق LCP كمادة دارة مرنة لتحسين مسار نقل الإشارات عالية التردد، مما يساعد على تحسين سرعة الإرسال واستقرار الإشارات، خاصة في دوائر الربط البيني وتعديل الإشارات في وحدات الهوائي في المحطات القاعدية.

تتمتع أغشية LCP بمرونة وخصائص ميكانيكية ممتازة تسمح لها بالحفاظ على السلامة الهيكلية في بيئات الانحناء والتمدد، إلخ. تسمح الطبيعة الرقيقة والمتينة لأغشية LCP بدمجها مع عناصر الدوائر الأخرى كجزء من وحدة هوائي مرنة. في وحدة الهوائي لمحطة قاعدية صغيرة من الجيل الخامس، مثل محطة ماكرو أو محطة متناهية الصغر، يمكن استخدام رقائق LCP كمادة عازلة لتغليف الهوائي وتوفير ركيزة مرنة للهوائي، وهو أمر مفيد بشكل خاص في هياكل المحطات القاعدية ذات المساحة المحدودة والأشكال المعقدة. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يزيد فيلم LCP من عرض النطاق الترددي لوحدة الهوائي، وهو ما يساعد على تحقيق استقبال وإرسال إشارات متعددة النطاقات.

في تطبيق معدات الاتصالات بالموجات المليمترية في المحطات الأساسية للجيل الخامس، فإن الخصائص منخفضة الفقد لمواد LCP أثناء نقل الموجات المليمترية (ترددات 24 جيجاهرتز وما فوق) تمكنها من تقليل التوهين بشكل فعال وتحسين كفاءة الإرسال على خطوط الإرسال في نطاقات الموجات الميكروية والموجات المليمترية. في معدات الاتصالات بالموجات المليمترية لمحطات الجيل الخامس الأساسية، يمكن استخدام أغشية LCP للتوصيلات المرنة بين الهوائيات وعناصر الدوائر الأخرى. يمكن لخط النقل المرن هذا تحسين سلامة إشارة الإرسال بالموجات المليمترية، مما يسمح للمحطة الأساسية بالحفاظ على إرسال إشارة عالية الجودة حتى في ظل الظروف المناخية المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع فيلم LCP بثبات ممتاز في البيئات ذات التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة، مما يجعله مناسبًا لمحطات الجيل الخامس الأساسية الخارجية.

تتميز أغشية LCP بأنها أرق وأخف وزنًا من مواد الركائز الأخرى ويمكن معالجتها في طبقات متعددة مع الحفاظ على السلامة الوظيفية. وتسمح خاصية المعالجة هذه باستخدام رقائق LCP كركيزة مضغوطة للدوائر الكهربائية، كما أن طبيعة رقائق LCP خفيفة الوزن تجعلها مناسبة بشكل خاص لاحتياجات التصغير في وحدات محطات الجيل الخامس الأساسية، خاصة في المحطات الأساسية الدقيقة والنانو حيث يكون حجم الجهاز محدوداً. يقلل استخدام رقائق LCP من سماكة ووزن الوحدة، مما يسهل تركيب معدات المحطة الأساسية في مواقع خاصة مثل المباني الشاهقة وأعمدة إنارة الشوارع، مما يوسع نطاق تغطية إشارة الجيل الخامس.

الشكل 6 محطة قاعدة 5G 5G

4 الخلاصة 4

باختصار، توفر أغشية LCP حلاً متعدد الاستخدامات وقويًا في مختلف التطبيقات عالية الأداء نظرًا لخصائصها العازلة الاستثنائية وقوتها الميكانيكية وثباتها الحراري ومقاومتها للضغوطات البيئية. وتلعب هذه الرقائق دورًا حيويًا في تمكين التطورات في مجالات مثل الإلكترونيات القابلة للارتداء وهوائيات الجيل الخامس المتنقلة وأنظمة الترددات اللاسلكية الفضائية واتصالات الرادار بالموجات المليمترية من خلال دعم سلامة الإشارات عالية التردد وتصغير حجم الجهاز وتصميم الدوائر المرنة. مع استمرار نمو الطلب على التكنولوجيا عالية السرعة والسعة والمرونة في النمو، توفر أغشية LCP خصائص المواد اللازمة لتلبية المتطلبات الصارمة للأنظمة الإلكترونية والاتصالات السلكية واللاسلكية والصناعية الحديثة.

وتُعدّ Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً لأفلام LCP عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات الهامة بحلول مواد موثوقة.

قراءة ذات صلة:

البوليمر البلوري السائل

البوليمرات البلورية السائلة ذات السلسلة الرئيسية للتطبيقات البصرية