¡Pantallas LCD, una aplicación pura de la química!. Toda su química, historia y curiosidades.

Hola amigos, ¿como les va?.

Como muchos sabrán, yo soy un enamorado de mi carrera, Química, y en general de todas las ciencias. Realmente me encanta y me fascina como cada día que la estudio o simplemente leo un libro de esta, logro siempre adquirir un nuevo conocimiento y más importante aun me permite entender el trasfondo de al menos un elemento presente en nuestra vida diaria. Por esta razón siempre trato de venir a compartir con ustedes esas cosas que nos permiten entender el funcionamiento o fundamento de estos elementos de nuestro día a día, que lamentablemente a veces ignoramos o pueden pasar desapercibido.

Imagen realizada por mi.

Así el día de hoy vamos a hablar de uno de estos elementos que ha revolucionado por completo nuestro mundo, le hablo de las tan importantes pantallas LCD, las cuales podemos encontrar desde nuestros celulares, laptos, tablets y hasta los relojes digitales.

Pero ustedes se preguntaran, ¿que tiene que ver este elemento electrónico con la química?, de hecho les debo confesar que hasta yo ignoraba lo fundamental que fueron los estudios químicos para el desarrollo de esta tecnología, pero ya no demos más vueltas y empecemos por desglosar el significado de las siglas LCD, estas provienen del ingles Liquid Crystal Display que en español significan pantallas de cristal liquido.

Fuente: Cristal Liquido

Aja ahora me imagino que se preguntaran ¿como es eso de cristal liquido?, osea la materia esta presente en tres estados de agregación, solido, liquido y gaseoso. Debe haber algún error con esas siglas pues las pantallas tienen que ser solidas (cristal) o liquidas. Pues no amigos no hay ningún error, una vez mas el maravilloso mundo de la química nos sorprende al demostrarnos que ciertos compuestos presentan un comportamiento más complejo y son capaces de presentar al mismo tiempo estos dos estos de agregación.

Descubrimiento de las pantallas.

• El científico responsable del descubrimientos de este tipo de sustancias fue el botánico austriaco Frederick Reinitzer, quien en 1888 al estudiar el compuesto orgánico benzoato de colesterilo noto que este presentaba una interesante propiedad. Observo que al calentar la sustancia se funde a 145 °C, tornándose a un líquido lechoso viscoso y a 179°C el líquido repentinamente se vuelve transparente. Cuando la sustancia se enfría, se observa el proceso inverso.

Fuente: Bibliografia (3)

• Si bien esta propiedades son únicas no fue hasta aproximadamente hace 40 años que se le dio una verdadera aplicación a este tipo de sustancias que pasaron a ser fundamentales en nuestra vida diaria, no solo en las pantallas led sino ademas en sensores de presión y temperatura.

La Química detrás de las pantallas.

• Estas sustancias suelen estar constituidas por moléculas de una estructura larga y cilíndrica, con un eje longitudinal característico dado por un doble enlace C=C, C=N o N=N, anillos de benceno que hacen mas rígidas las moléculas y grupos polares que permiten el desarrollo interacciones dipolo-dipolo que generan que estas sean capaces de alinearse en una misma dirección . Todas estas características tienen como consecuencia que dichas moléculas en fase liquida muestren un comportamiento similar al de las demás moléculas es decir un ordenamiento aleatorio pero que en la fase liquida-cristal muestran su comportamiento único al exhibir cierto ordenamiento este ordenamiento dado por las alineaciones antes mencionadas. En función al tipo de ordenamiento que dichas moléculas muestran se pueden dividir en tres grandes tipos.

Fuente: Benzoato de Colesterilo

• Cristal-liquido nemáticos, las moléculas están alineadas a lo largo de sus ejes longitudinales, mas no presentan un orden especifico respecto a sus extremos, es decir el ordenamiento es similar al de un puñado de lápices cuyos extremos no están alineados.

• Cristales-líquidos esmécticos, las moléculas presentan un ordenamiento similar a las nemáticas, pero estas si están ordenadas específicamente respecto a sus extremos, tal que parecen un puñado de lápices cuyos extremos están casi alineados. A su vez estas se dividen en varios tipos de fases esmécticas, designadas por las letras A, B, C, etc.

• Fase líquido-cristalina colestérica, las moléculas están alineadas a lo largo de sus ejes longitudinales como en los cristales líquidos nemáticos, pero están dispuestas en capas donde rotan su alineación respecto a su eje longitudinal, de forma tal adoptan una forma de espiral. El nombre de estas moléculas proviene de que muchos derivados del colesterol adoptan esta estructura.

Fuente: Tipos de Cristales Líquidos

Ahora, hablemos como a partir de estas interesantes moléculas se desarrollo lo que supone uno de los mayores avance tecnológicos del siglo XX.

Los cristales-líquidos nemáticos poseen una propiedad óptica especial, pues son sustancias anisotropicas, es decir que sus propiedades ópticas dependen de la orientación relativa de las moléculas respecto al plano de la luz polarizada, a su vez dicho ordenamiento de las moléculas responden a la aplicación de campos eléctricos. Estas propiedades ópticas y eléctricas únicas son la base del funcionamiento de las pantallas LCD.

• En las pantallas LCD se hace uso de un tipo de cristal liquido especial denominado “nematico girado o enrollado”. Una capa delgada de dicho cristal-liquido se coloca entre dos placas de vidrio transparente que se encuentran a una distancia de entre 5-20 µm que hacen las veces de electrodos, pues la superficie interna de cada electrodo están recubiertas por un compuesto conductor transparente como el oxido de indio o estaño. Gracias a esta colocación de las placas es posible obtener una orientación especial del cristal-liquido “superrotada” en la cual las moléculas adyacentes a la placa frontal adoptan una orientación vertical y las adyacentes a la placa trasera adoptan una orientación horizontal, es decir una orientación de 90° respecto a la otra, las moléculas intermedias adoptan la rotación especifica que permite dicha orientación. Por ultimo el montaje se completa a colocar dos filtros ópticos (polarizadores) adyacentes a la cara externa de ambas placas y un reflector después del filtro trasero, la disposición de dichos filtro es tal que los ejes de polarización son colocados de forma vertical (placa frontal) y horizontal (placa trasera).

Fuente: Bibliografia (3)

• Este montaje permite que al incidir la luz común (no polarizada) sobre el filtro, esta se transmita polarizada de forma vertical, las moléculas de cristal solido guían la luz y giran su eje de polarización conforme pasa a través de estas, por lo que la luz adquiere la orientación correcta para atravesar el polarizador horizontal y el espejo refleja la luz que vuelve tras sus pasos, finalmente esto hace que el dispositivo se vea iluminado. Cuando se aplica un voltaje a las placas, las moléculas polares de cristal liquido se alineen con el campo eléctrico y el plano de la luz no tenga la orientación correcta para atravesar el polarizador horizontal. Esto genera que el dispositivo se vea oscuro.

• Ahora imaginemos una gran cantidad de estas pequeñas celdas colocadas una al lado de otra y obtendremos una pantalla LED, típica de los relojes digitales y si ahora se colocan celdas con filtros rojo-verde-azul es posible la exhibición de colores y así obtenemos la pantalla típica de muchos televisores, celulares o computadoras.

Fuente: Pantalla Led

Finalmente amigos pudimos observa como gracias al descubrimiento de estas moléculas únicas en combinación de la genialidad de los científicos y los ingenieros electrónicos podemos gozar hoy en día de estos elementos electrónicos indispensables en nuestras vidas. Son estas genialidades que me motivan y me hacen desear cada día más estudiar esta maravillosa carrera que junto a las demás Ciencias nos brindan un potencial infinito a nuestras sociedades.

Amigos hemos llegado al momento de la triste despedida y como siempre quiero agradecerle su apoyo incondicional, de verdad que ustedes son fundamentales en esta labor que con tanto cariño y esfuerzo realizo esperando que aprendan junto a mi, todas la maravilla que la química nos brinda en nuestra vida diaria. Que la fuerza los acompañe amigos, nos vemos en una próxima entrega. Saludos!

Bibliografia.

1. Atkins P.W., Physical Chemistry, 8th edition, OXFORD UNIVERSITY PRESS, EUA, 2006.
2. Engel, T., Reid, P., Química Física. Pearson Addinson Wesley, 2006.
3. Theodore L. Brown, Chemistry The Central Science,Ninth Edition, PRENTICE-HALL INC.,2003.