Universidad
Politécnica de Madrid

12.09.16


Por JOSÉ MANUEL OTÓN


Las pantallas de cristal líquido (LCD) son uno de los productos más comunes en electrónica de consumo, con un mercado mundial en torno a 85.000 millones de euros. Se utilizan en micropantallas para proyección, pantallas de tamaño medio para móviles, automoción y tabletas, y pantallas de gran área para ordenadores y TV doméstica. Tal despliegue, paradójicamente, ha trasladado el interés de los grupos de investigación hacia nuevas áreas, puesto que las pantallas como tales se desarrollan en grandes compañías electrónicas del Extremo Oriente, principalmente coreanas, taiwanesas y, últimamente, chinas.

Una célula de cristal líquido (CL) es, desde el punto de vista óptico, un dispositivo birrefringente, es decir, que tiene diferente índice de refracción según la polarización de la luz incidente. Como la velocidad de la luz en un medio material es la velocidad en el vacío dividida por el índice (c/n), se deduce que distintas polarizaciones viajarán a distintas velocidades dentro de la célula de CL, originando retrasos de unas polarizaciones frente a otras. Estos retrasos generan, a su vez, modificaciones en la dirección de propagación de la luz y variaciones del estado de polarización incidente.

Es importante resaltar que esos retrasos son el único efecto que induce el CL sobre la luz. El control de la transmisión luminosa, fundamento de las pantallas LCD, se hace con el concurso de polarizadores que cortan una mayor o menor proporción de la luz de paso según su estado de polarización –el cual viene determinado por la birrefringencia del CL, como ya se ha indicado.

Un gran número de sólidos cristalinos son birrefringentes, de modo que tal propiedad no supone una gran distinción de los cristales líquidos. Lo que realmente marca la diferencia son dos características propias de los CL: la primera es la gran magnitud de su birrefringencia, entre 10 y 100 veces mayor que la de los sólidos. La segunda, aún más importante, es que los CL pueden fluir, lo que les permite reorientarse con facilidad en presencia de campos eléctricos y magnéticos externos. Así, pues, los CL son materiales electroópticos que permiten manipulaciones complejas de haces luminosos controladas externamente por medio de señales –generalmente eléctricas– de baja tensión y mínimo consumo.

Figura 1. Elemento fotónico multifuncional que modifica la dirección, amplitud o fase del haz incidente según la tensión y frecuencia aplicadas.

En la figura 1 se observa un elemento de cristal líquido entre cuyas placas se ha aplicado un campo eléctrico variable en la dirección horizontal. Las moléculas de CL de dicho elemento se reorientan más o menos dependiendo del campo aplicado, originándose un medio de índice variable que equivale funcionalmente a un prisma. Así, pues, el elemento desviará el haz de luz incidente en mayor o menor cuantía dependiendo de la tensión aplicada. Un dispositivo como este permite hacer el apuntamiento y seguimiento (pointing and tracking) de un haz láser que se emplee como comunicación entre dos satélites, con la ventaja adicional de carecer de partes móviles, algo bastante apreciado en aplicaciones espaciales.

Figura 2. Dispositivo de CL montado sobre un PIC. El CL transforma las guíaondas pasivas del PIC en elementos activos. / T. Ako ‘et al.’, ‘Opt. Express’ 23 (3) 2846 (2015).

La figura 2 muestra otro campo de aplicación, dentro de los circuitos fotónicos integrados o PIC. Estos PIC son el equivalente fotónico a los circuitos electrónicos integrados (EIC) que han revolucionado nuestro mundo con los ordenadores, comunicaciones móviles y tantos otros productos. El CL se monta sobre alguna de las guíaondas –equivalentes a los cables eléctricos– que conectan los dispositivos activos del PIC. De ese modo, las guías pasan a ser elementos activos (interferómetros, resonadores, acopladores variables) que contribuyen a las funciones del PIC, aumentando su nivel de integración –actualmente muy modesto en comparación con los EIC– sin afectar al circuito instalado.

Otro campo muy reciente –en realidad, un amplio conjunto de aplicaciones en distintas áreas– se basa en la transformación del cristal líquido en un material semisólido o sólido por polimerización del propio CL o entrecruzamiento con redes poliméricas. Los materiales obtenidos mantienen algunas propiedades de los CL, como la birrefringencia, pero pierden la fluidez, lo cual puede ser ventajoso en dispositivos comerciales por ser flexibles y robustos.

Figura 3. Elemento LILIAC fabricado por Alise Devices, ‘spin-off’ del grupo de Fotónica Aplicada de la UPM.

En la figura 3 se muestra un material polimérico basado en CL y dopado con colorantes. Expuesto a la luz natural es aparentemente una lámina gris o de color. Si se expone a luz polarizada (basta con usar un móvil o la pantalla de un ordenador), la célula sigue siendo transparente pero aparece un motivo (unas letras o una fotografía). Si se invierte la célula o se ilumina desde la otra cara, se produce un efecto sorprendente: surge otro motivo distinto, y la célula continúa siendo transparente. Este dispositivo ha sido desarrollado y patentado por el Grupo de Fotónica Aplicada de la UPM, y se ha fundado la empresa spin-off Alise Devices SL para su comercialización como dispositivo antifalsificación de alta seguridad en billetes, tarjetas, carnés y documentos oficiales. Recientemente, se ha extendido la patente a Estados Unidos, y se le ha otorgado el accésit a la mejor patente madrileña en la edición de 2016 de los premios de la Fundación Madri+d.


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José Manuel Otón es catedrático de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación e investigador principal del Grupo de Fotónica Aplicada de la UPM.