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Technical Documents - Documentos Técnicos: MINICALCULADORAS ELECTRÓNICAS - DIFERENTES TIPOS DE DISPLAY (INDICADORES LUMINOSOS)
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D. EL DISPLAY DE CRISTALES LIQUIDOS.
1. Aspectos técnico - históricos de los cristales líquidos .
Desde su aparición en el mercado son numerosas las aplicaciones de los diferentes tipos de cristales líquidos que por sus características singulares han despertado mucho interés en círculos técnicos. El nombre de "Cristales Líquidos" es muy ilustrativo si se analiza detenidamente ambas partes de este concepto. Un líquido es una sustancia que fluye y un cristal es una sustancia que exhibe ciertos efectos ópticos. Los cristales líquidos son por lo tanto substancias líquidas que poseen las características ópticas de los cristales. Se trata de substancias y compuestos orgánicos cuyas características pueden definirse con más acierto si consideramos el ordenamiento de sus moléculas. Recordemos para este fin que en un gas nos encontramos que para todos los fines prácticos las moléculas del gas no poseen ordenamiento alguno. En cambio. en un líquido las moléculas poseen un cierto grado de ordenamiento y en un sólido las moléculas están rigurosamente ordenadas y fijas y no poseen casi ninguna movilidad. Finalmente en un cristal líquido las moléculas poseen un grado de ordenamiento que se ubica entre el que corresponde a un líquido y un sólido. Este estado molecular se suele denominar también "Estado mesomórfico" y muchos investigadores lo consideran como una cuarta posición junto con los estados líquidos, sólidos y gaseosos.
El estado mesomórfico de los cristales líquidos fue descubierto por primera vez en el año 1883 por un botánico austriaco, Friedrich Reinitzer. Este científico observó colores variables con el calentamiento y posterior enfriamiento de una sustancia denominada "Colesteril - benzoato". Esta sustancia orgánica tuvo también un comportamiento diferente al fundirla ya que no se producía su fusión en forma neta y definida como en otras substancias orgánicas. Los científicos Lehmann y Friedel profundizaron las observaciones de Reinitzer y pronto llegaron a la conclusión que se necesitaba una designación y una descripción más definida para poder describir adecuadamente todos los fen6menos relacionados con estas substancias. En 1869 observó O. Lelimann que los cristales líquidos o substancias mesomórflcas poseían importantes características ópticas, poco comunes en los líquidos convencionales. Finalmente el científico Friedel utilizó designaciones específicas de origen griego para clasificar tres tipos de cristales líquidos: Los cristales líquidos del tipo esméctico, nemático y colestérico. Estas designaciones se encuentran en vigencia en la actualidad.
2. Características de los diferentes tipos de cristales líquidos.
Los cristales líquidos del tipo esméctico pueden poseer más de una forma de ordenamiento y son en general los cristales de mayor grado de ordenamiento molecular de los tres tipos mencionados. Las moléculas en la mesofase esméctica están ubicadas esencialmente en forma mutuamente paralela y en capas o estratos paralelos con los ejes largos de sus moléculas perpendiculares al plano de la capa. En la figura 11A vemos esta disposición en forma muy esquemática. Las moléculas de una sustancia esméctica son monoaxiales y ópticamente positivos y no poseen poder óptico rotativo.
Fig. 11 - Los diferentes tipos de cristal líquido .
Los cristales líquidos con mesofase nemática pueden poseer también una fase esméctica pero se distinguen de la misma por la forma de su ordenamiento molecular. Los cristales líquidos del tipo nemático poseen moléculas ordenadas en forma paralela entre sí con respecto a sus ejes largos. Estas moléculas no están tan restringidos en sus movimientos como los cristales del tipo esméctico y por lo tanto están ubicadas en forma paralela pero no estratificada, corno podemos observar en la figura 11B en forma esquemática. También los cristales nemáticos son monoaxiales y no poseen poder óptico rotativo.
El tercer grupo de los cristales líquidos corresponde al tipo de los colestéricos que poseen un eje óptico retorcido que da lugar a la aparición de capas de gran espesor. El espesor de la capa de un cristal colestérico es del orden de los 1000 unidades Angstrom, mientras que el espesor de una capa de un cristal esméctico, que también se presenta estratificado, es sólo de unos 20 Angstrom. Esta diferencia de unas 50 veces en el espesor de las capas produce una gran diferencia en el comportamiento óptico de los cristales líquidos colestéricos.
Cabe señalar que la longitud de los cristales en las moléculas esmécticas es de 20 Angstrom, mientras que en las moléculas colestéricas esta dimensión es de 26 Angstrom. Debido a su forma retorcida helicoidal encontramos que el eje óptico de una capa colestérica traza una curva helicoidal y debido a ello existe una gran actividad óptica en los cristales líquidos del tipo colestérico. En la figura 11C vemos en forma esquemática la disposición en capas de gran espesor de las moléculas del cristal liquido colestérico que es ópticamente negativo.
En general se puede manifestar que los cristales líquidos pueden fabricarse para responder prácticamente a cualquier tipo de estímulo. Entre estos estímulos figuran el calor, luz, radiación ultravioleta, sonido, presión, magnetismo, electricidad y aún trazos de vapores químicos. Estos estímulos producen el realineamiento de los cristales de tal manera que los mismos alteran sus características ópticas. En algunos casos reflejan la luz incidente, en otros se produce la dispersión de la luz y en un tercer grupo se produce la desintegración de la luz en sus componentes espectrales con diferentes longitudes de onda de la luz reflejada. Como la longitud de onda de la luz determina su color pueden producirse efectos cromáticos importantes que, debidamente usados pueden ser de gran utilidad.
3. Los displays de cristales líquidos.
En la aplicación como displays para calculadoras electrónicas, relojes digitales y otros tipos de display de aparatos electrónicos se usa generalmente los cristales líquidos del tipo nemático. En un display del tipo nemático se encierra en forma hermética una capa de cristal líquido con un espesor de 6 a 12 micrones entre dos placas de vidrio. La superficie interna de estas placas de vidrio está recubierta con una capa de material conductivo transparente que transforma estas simples placas de vidrio en electrodos. Estos electrodos asumen la forma de los siete segmentos clásicos usados en la presentación alfanumérica digital. En la figura 12 vemos en forma esquemática la construcción de un display de cristal líquido.
Fig. 12 - Display básico de cristal líquido .
Cuando se aplica una tensión eléctrica a los electrodos pueden producirse dos diferentes reacciones en el cristal líquido, según el tipo de construcción de "dispersión dinámica" o de “efecto de campo". El display de dispersión dinámica se observa esquemáticamente en la figura 13A. Este tipo de display posee en reposó las moléculas del cristal líquido en filas bien ordenadas. La luz pasa entre estas moléculas y se refleja en el espejo adosado al electrodo posterior. Cuando se aplica una tensión a los electrodos, se forman iones que disturban el ordenamiento de las moléculas del líquido. La luz que incide sobre esta zona de moléculas desordenadas es dispersado y reflejado en forma aleatoria. De esta manera los segmentos que introducen la carga eléctrica se transforman en un medio lechoso y opaco en contraste con sus zonas adyacentes que son transparentes.
El proceso que se produce en los cristales líquidos de efecto de campo es algo más complejo. En la figura 13B vemos que los cristales líquidos se encuentran entre dos polarizadores cuya posición relativa es en ángulo recto. Esto produce una disposición helicoidal de las capas moleculares a la manera de una escalera caracol. Debido a la polarización en 90 grados que sufre la luz al pasar por el polarizador frontal puede atravesar el polarizador posterior y se refleja en el espejo ubicado en la parte posterior. Cuando se aplica la tensión eléctrica a los electrodos entonces las mismas moléculas del cristal líquido sufren un giro de 90 grados, quedando en forma perpendicular al polarizador frontal. La luz que atraviesa estas moléculas no es girado y por lo tanto el polarizador posterior la absorbe. El resultado es un dígito oscuro que contrasta con las zonas adyacentes claras. También puede lograrse que los dígitos sean claros y las zonas adyacentes oscuras.
Fig. 13 - Diferentes tipos de cristal líquido nemático .
Ambos tipos de display de cristal líquido poseen la ventaja de no generar luz sino reflejar sólo la luz del ambiente. Esto en principio reduce drásticamente el consumo del display comparado con otros tipos del tipo de descarga gaseosa, fluorescente o diodos fotoemisivos. El consumo típico de un display de cristal líquido puede ser del orden de uno o dos microamperios en 15 voltios cuando otros tipos de display consumen tal vez 1000 veces más de energía. También el contraste del display de cristal líquido en ambientes claros es mucho mayor ya que la luz reflejada aumenta con la luz ambiente, en cambio en los otros tipos de display se reduce el contraste con el incremento de la luz ambiente. En la figura 14 vemos un gráfico que ilustra este aspecto.
Fig. 14 - Contraste de diferentes tipos de display .
La alimentación de los displays de cristal líquido debe realizarse con preferencia con corriente alterna y no continua para evitar efectos secundarios de origen electrolítico que pueden destruir el display en corto tiempo.
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