Un estado intermedio entre el liquido y el sólido, conocido desde 1890 es la base para una gama de productos electrónicos revolucionarios de gran utilidad. Partiendo de aplicaciones más simples, como los displays de relojes y calculadoras, los cristales líquidos ya comienzan a sustituir los cinescopios de televisores y los instrumentos de laboratorios con ventajas que vuelven posibles su fabricación en escala comercial: los televisores de bolsillo ya son una realidad incluso con la reproducción de imágenes en colores!
Obs: lo articulo es de 1989
Mire su reloj pulsera, su calculadora, celular u otro equipo dotado de indicador electrónico.
Es bien probable que los números que ve, proyectados en el display de estos aparatos, sean producto de la tecnología del cristal líquido.
Percibirá que los números no se encienden como ocurre en muchos equipos de tecnología más antigua en que se encendían filamentos formando los guarismos, o bien diodos emisores brillaban con luz rojiza.
Los números aparecen simplemente en forma de zonas oscuras bien delimitadas.
EI cambio de un número a otro es instantáneo, como si la sustancia tuviera ia extraña propiedad de cambiar de transparente a opaca, en las regiones predeterminadas para formar cada digito.
Puntos y figuras pueden incluso guiñar como si hubiese una extraña pulsación capaz de cambiar la estructura del material.
En verdad, es exactamente eso lo que ocurre con las sustancias denominadas "cristales líquidos".
Sus características, que antes eran simple curiosidad, hoy son aprovechadas de forma cada vez más intensa en la fabricación de diversos dispositivos electrónicos.
Mostraremos en este artículo cómo funcionan los displays de cristal líquido analizando algunas de sus actuales y futuras aplicaciones prácticas.
Obs. Muchas aplicaciones que eran consideradas futuro en la época en que lo articulo fue escrito, hoy son reales.
Los estados de la materia
Como sabemos, por los. cursos básicos dé ciencias, la materia puede hallarse en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.
En el estado sólido las fuerzas cohersitivas mantienen los átomos, que para el efecto didáctico pueden ser analizados como pequeñas esferas, unidos en una estructura bien definida. Los átomos simplemente vibran en sus posiciones, pero no pueden desplazarse de una posición a otra. (fig.1)
Si elevamos la temperatura del cuerpo, la vibración de sus partículas puede volverse lo bastante intensa para que la fuerza cohersitiva sea vencida.
Los átomos todavía se mantienen relativamente juntos, pero puede moverse con una cierta libertad "rodando" unos sobre otros. El cuerpo que posee átomos en estas condiciones no puede mantener su forma original, "acomodándose" en el recipiente que la contiene. Este cuerpo estará en estado líquido (fig. 2).
Aumentando todavía más la temperatura del cuerpo, la vibración de las partículas pueden volverse lo suficientemente intensa para que la mismas se "desprendan" y se pierdan en el espacio, en movimientos aleatorios. El cuerpo estará entonces en el estado gaseoso (fig. 3).
Para un cuerpo formado por átomos o moléculas de un tipo único, el pasaje de un estado a otro se hace a temperaturas bien definidas.
Existen entonces temperaturas exactas en que ocurren la fusión y la vaporización del cuerpo, cuando ocurren las roturas de las fuerzas que mantienen unidas las moléculas.
En la figura 4 aparece un bien conocido gráfico que muestra los 5 cambios en el estado del agua.
lsotropía y anisotropía
Si tomamos un cuerpo como el vidrio, o incluso el agua, vemos que presentan algunas propiedades físicas bastante interesantes.
Un bloque de vidrio tiene la misma transparencia en cualquier sentido que lo observamos, y lo mismo ocurre con un vaso de agua.
Un trozo de metal, como el hierro o el plomo, tiene la misma resistencia eléctrica por unidad de volumen, en cualquier sentido que se haga esta medición. (figura 5)
Los cuerpos que mantienen sus principales propiedades físicas en todas las direcciones son denominados isotrópios.
Sin embargo, no todos los materiales se comportan de esta manera.
Tomemos como ejemplo el grafito. En realidad, esta sustancia está constituida por "cristales" donde átomos de carbono se organizan de modo de formar una estructura bien definida. En la figura 6 mostramos la estructura del grafito con las átomos después los en vértices de hexágonos.
Podemos decir que el grafito tiene una estructura formada por placas de átomos en formato hexagonal. El resultado de este tipo de estructuración es que el grafito no presenta la misma resistencia cuando la medimos en el sentido perpendicular al plano o en el mismo plano de las placas. En el plano de las placas, la resistencia es mucho menor que en el plano perpendicular.
Tenemos aquí un ejemplo de sustancia con propiedades anisotropicas, en este caso en relación con la resistencia eléctrica.
La propia resistencia mecánica también es diferente cuando forzamos un trozo de grafito. El mismo se quiebra más fácilmente según el plano de las placas.
Estado intermedio
Muchas sustancias orgánicas, cuyas moléculas presentan mayor grado de complejidad, tienen sus propiedades anisotrópicas bastante acentuadas.
Así, en lugar de que una sustancia de este tipo pase directamente del estado sólido al líquido, existe una fase intermedia.
Inicialmente con las moléculas organizadas de una forma bien definida, o sea, como una estructura cristalina, al ser calentada, las partículas de la sustancia se desprenden primeramente en la dirección en que las fuerzas cohersitivas son menores.
La sustancia pasa entonces a un estado ”parcialmente" líquido, donde se mantienen las "placas" de los átomos en su estructura original.
En estas condiciones, antes que la sustancia pase totalmente a estado líquido, con todas las moléculas liberadas, existe una fase intermedia en que, al mismo tiempo, tenemos una fase líquida y también las placas características de los cristales (estado sólido).
La sustancia estará entonces en el estado intermedio denominado “cristal líquido". (figura 7)
No todas las sustancias pueden presentar esta fase intermedia.
Existen aproximadamente 20.000 sustancias, en su mayoría orgánicas, con moléculas de ciertas complejidad, que pueden pasar por un estado semejante a éste.
Para Ia electrónica, interesan las sustancias que pueden mantenerse en estado intermedio, en una faja de temperaturas que corresponda al uso normal.
Sustancias con la posibilidad de mantenerse en este estado entre -10 y +80ºC con las que mejor se prestan a las aplicaciones electrónicas.
Sustancias nemáticas y sustancias esméticas
Los cristales líquidos pueden clasificarse en dos categorías principales, cuyos nombres tienen origen griego: nemáticos y esméticos.
Para las aplicaciones electrónicas los cristales líquidos nemáticos son los que presentan mayor interés.
Estos cristales líquidos tienen la propiedad de alterar el modo como la luz pasa por ellos, en función de la presencia de campos eléctricos.
Lo que ocurre es que las moléculas de las sustancias orgánicas, que son usadas en estos casos, presentan un comportamiento eléctrico bien definido.
Estas moléculas son polarizadas fuertemente, formando dipolos, que fácilmente sufren la influencia de campos eléctricos externos. (figura 8)
En la ausencia de cualquier tipo de influencia eléctrica, las moléculas se disponen de una forma más o menos desordenada. Con la aplicación de un campo eléctrico, lãs moléculas se ordenan.(figura 9)
En un cristal líquido, para aplicaciones electrónicas, normalmente se mezclan sustancias orgánicas diversas, de modo de obtener una mezcla eutéctica, o sea, en que el punto de fusión sea el mas bajo posible, consiguiéndose con eso, extender la faja en que las propiedades que interesan (de cristal líquido) se manifiestan.
Los displays
La orientación de las moléculas de un cristal líquido, según la influencia de un campo eléctrico, permite formar una especie de persiana atómica.
En la figura 10 tenemos Ia estructura básica de un display de cristal líquido.
En condiciones normales, o sea, sin la presencia de la excitación eléctrica, las moléculas que son representadas como pequeños cilindros, están formando un espiral.
La luz que pasa por el medio sufre entonces una rotación, o sea, tiene un plano de polarización rodado en 90 grados.
Una fina placa polarizadora, colocada en el lugar en que la luz emerge, es orientada justamente de acuerdo con el plano de la luz emergente permitiendo así un pasaje.
Cuando aplicamos un campo eléctrico capaz de afectar la orientación de las moléculas, éstas se disponen de tal forma que el plano de polarización de la luz que pasa por el material, no es más afectado. Esto significa que el plano de la luz no va a coincidir más con el del polarizador colocado en el punto de salida.
En estas condiciones, la luz no puede pasar y lo que vemos es una región oscura.
El tipo de display cuya descripción acabamos de hacer, es del tipo "transmisivo" en que existe una fuente de luz por atrás y la observación se hace por delante.
Además, tenemos los tipos reflectivos y los transflectivos, que aparecen en la figura 11.
El reflectivo es, sin duda, el más común, pudiendo verse en relojes, calculadoras, etc.
En la figura 12 tenemos la estructura de un display de 7 segmentos, que posibilita la formación de dígitos de 0 a 9 y otros símbolos.
En la parte frontal, tenemos una placa de vidrio en que son depositadas las regiones que corresponden a cada segmento con finísimo material conductor transparente ya con una conexión eléctrica a un circuito excitador externo.
En la parte intermedia tenemos un espaciador que será prácticamente lleno de cristal líquido. El espesor del espaciador es mínimo, del orden de 10 a 12 millonésimos de metro (micrometros), y a continuación viene la parte frontal con una nueva placa de vidrio y una región conductora única que hace las veces de electrodo común.
Cuando está desconectado, todas las moléculas del cristal están dispuestas de modo que dejen pasar la luz. Observando el display en esta condición, vemos apenas su fondo blanco.
Cuando se aplica una tensión eléctrica, estableciéndose un campo eléctrico, un nuevo ordenamiento de las moléculas impide el pasaje de la luz.
Las regiones en que esto ocurre pasan a ser vistas como cuerpos oscuros.
Para obtener Ia formación de símbolos en colores, se usan diferentes técnicas.
Se pueden usar filtros polarizadores selectivos, que dejan pasar la luz de una sola longitud de onda. Recordamos que los colores se diferencian por la longitud de onda de la radiación electromagnética que poseen.
Otras formas consisten en el uso de luz de colores en la iluminación, y finalmente en el uso de filtros oomunes de colores.
Características eléctricas
En los proyectos que hacen uso de displays de, cristal líquido es muy importante conocer todas las ventajas que brindan sus características eléctricas.
Así, la primera característica importante es el consumo de energía.
Como la energía no es usada para la emisión de ninguna forma de radiación, sino simplemente para mover las moléculas orientándolas de la forma apropiada, el consumo es extremadamente bajo.
En un display de siete segmentos el consumo medio se sitúa entre 2 µA y 0,2 µA (1uA = 1 millonésimo de ampere) contra los 20 a 50 mA (1 mA = 1 milésimo de ampere) de los displays de otros tipos, como los que hacen uso de fotoemisores de arseniuro de galio (GaAs), por ejemplo.
Un consumo 10.000 veces menor cuando pasamos de un tipo a otro de display es algo bastante importante!
Un reloj, con display de cristal líquido, puede tener un consumo tan bajo que puede funcionar con pilas de baja potencia, durante meses o incluso anos, contra semanas o días de un reloj con otro tipo de display.
Un proyecto que tenemos en este sitio es de un "Reloj movido a naranja" es un buen ejemplo de esto. (figura 13)
Otro factor importante a tener en cuenta es que los displays de cristal líquido usan materiales abundantes en la naturaleza, lo que facilita su fabricación con el consiguiente abaratamiento.
Materiales como el carbono, hidrógeno, oxigeno hacen parte de la mayoría de las sustancias orgánicas mientras que los demás displays como los electroluminiscentes (LEDs) hacen uso de sustancias que, además de muy raras como el indio y el galio, precisan tener un grado de pureza elevado, lo que dificulta su obtención.
Excitación
Para poner en acción este tipo de display, las energías involucradas son muy pequeñas, lo que significa simplificar considerablemente los circuitos. Sin embargo, la excitación debe hacerse con corrientes eléctricas de características bien definidas.
De hecho, si el campo eléctrico aplicado al display de cristal liquido fuera constante, una corriente continua circulará y acabará por producir, por efecto electrolitico (electrólisis) una alteración de las características del material. Su vida útil estará limitada por la intensidad de esta corriente.
Una tensión de saturación típica de 100 mV es el máximo admitido para un display común, a partir de la cual ocurre un rápido deterioro.
Esto quiere decir que la excitación debe hacerse con una tensión alternante, cuya máxima componente continua no debe superar los 100 mV.
Bajo el régimen de excitación alternante, el display se comporta como un capacitor, lo que quiere decir que el consumo de energía va a depender de la frecuencia.
Mientras tanto, en la taja de 30 Hz a 1 kHz, tenemos la posibilidad de uso sin que el consumo se eleve a valores impropios.
En la práctica, con una frecuencia de 30 Hz, se obtiene un consumo de 1,4 µA por centímetro cuadrado, evitándose usar frecuencias por encima de 200 Hz.
En la figura 14 tenemos el circuito equivalente a un display, que puede ser excitado fácilmente por un integrado de tecnología PMOS.
Multiplexación
En el caso de un display de 7 segmentos, que presenta uno de 10 dígitos posibles, la construcción física se vuelve relativamente simple.
Tenemos simplemente 7 terminales para la excitación de cada segmento y un terminal común para la placa mayor, común a todos los segmentos.(figura 15)
En el caso de un display, que deba presentar simultáneamente varios dígitos, o una imagen más compleja, la utilización de una conexión para cada segmento o región puede volverse complicada, por el número de terminales que serian necesarios.
Lo que se hace es emplear la técnica de la excitación multiplexada.
En la figura 16 tenemos un ejemplo simplificado de cómo funciona esta multiplexación.
Los segmentos de los diversos dígitos son conectados de manera cruzada, formando una matriz.
Manteniendo energizadas las entradas por fracción de segundo, conforme a la combinación de entradas, tenemos también la combinación de salidas que dan el patrón visual deseado.
Igualmente, basados en esta técnica de multiplexación, es que podemos obtener imágenes más complejas, con más de 7 áreas, como los displays de 7 segmentos, pasando para las decenas, centenas o incluso millares.
Este caso de los millares de regiones o puntos de imagen es, en especial, importante en el caso de los televisores de bolsillo y celulares.
Lo que tenemos para el display (pantalla) es una matriz de regiones que son accionadas de acuerdo con la imagen que debe ser reproducida.
Un factor importante en el caso de la televisión es un fenómeno conocido como "persistencia retiniana".
Cada punto de imagen debe ser reproducido por un tiempo determinado mínimo y su cambio debe ocurrir a una velocidad que la vista no puede percibir.
Como sólo podemos recibir un cambio si el mismo ocurre en un tiempo mayor a 1/20 de segundo, aproximadamente, éste es el tiempo mínimo exigido. En el caso del televisor, tenemos un número de cuadros por segundo bastante superior a 20, de modo que haya una percepción de imagen continua, lo que no es problema para el cristal liquido, ya que el mismo es capaz de responder a velocidades tales que sean equivalentes a frecuencias de hasta 1 kHz.
La principal característica de este sistema por multiplexación, en el caso del televisor, es la simplicidad del circuito de accionamiento que logra montajes bastante compactos.
Esto significa que, no sólo los televisores pueden ser extremadamente pequeños, pues el display facilita esto, sino también que presentarán consumos de energía muy bajos.
Mientras que un cinescopio de rayos catódicos de televisor común, incluso uno de los menores, exige muchos watts de potencia, no sólo para el calentamiento de su filamento sino también para la producción de la alta tensión para acelerar el haz de electrones, un display de TV para bolsillo de cristal líquido, no exige más que una fracción de watt para un funcionamiento perfecto.
Con la pantalla de cristal líquido tenemos por primera vez una inversión importante de características eléctricas en un televisor: en lugar de gastar más energía para la producción de la imagen que para la producción del sonido, tenemos lo contrario: se gasta más energía para producir el sonido que la imagen.
EI futuro
En el futuro serán comunes paneles de mayores dimensiones, llevando a la producción en masa de la "TV de pared". La misma estará constituida simplemente por un cuadro colgado en su sala.
Obs. Hoy esto es realidad. En 1998 era apenas futuro
Conectándolo, el mismo reproducirá con perfección los programas de TV, y desconectado puede hasta mostrar un lindo paisaje.
El circuito electrónico seria alojado en una pequeña caja colocada al pie del cuadro, con posibilidad de conexiones de muchos dispositivos externos como microcomputadores, juegos, videocasetes, etc.
La TV de pulsera podrá sustituir a la TV de bolsillo, uniéndose hasta servicios de telefonía en que podremos ver a la persona con la que hablamos.
Los álbumes fotográficos podrán llevarse de una forma totalmente electrónica. Memorias electrónicas (EPROMS, por ejemplo) almacenarán los puntos de la imagen fijada en un cierto momento, proyectando la misma en el display cuando sean solicitadas.
Una EPROM única de gran capacidad podrá contener todo un álbum familiar que será proyectado en una pequeña pantalla de cristal líquido, o bien acoplado a una pantalla mayor, como la del propio televisor de pared, ya citado. ¿Cosas del futuro?
Obs. Hoy son realidad
Naturalmente, los displays usados serán en colores, con la posibilidad todavía no lograda pero si imaginada de la imagen tridimensional. Matrices tridimensionales podrían hasta llegar a reproducir escenas en tres dimensiones y en colores.
Si te parece que todo esto es imposible, pregunte a su abuelo lo que él pensaba, cuando era joven, de la TV en colores y de la grabación de imágenes en cintas.
Bibliografia
1. Electronics, Components & Applications - Eindhoven - Holanda.
2. Introducción a Electricidad y Optica - Nalhanael M. Frank - Univ. de California - 1978 - USA.
3. Optoelectronics - Theory and Practice - Texas Instruments Ltd. USA.
4. Electronic lnventions - 1745/1976 - Pergamon Press - Inglaterra - 1977.