segunda-feira, 14 de junho de 2021

Como funciona o "Display de Cristal Líquido" (LCD)

Para entender os princípios envolvidos no funcionamento do "Display de Cristal Líquido", ou LCD, é necessário primeiramente saber a diferença entre um cristal e um líquido, no verdadeiro sentido da palavra.

Os Líquidos

Toda matéria é composta de átomos. Os átomos podem se ligar por forças de atração elétrica, uns aos outros, formando pequenas entidades, a que se dá o nome de moléculas. Por exemplo, dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio podem formar uma estrutura estável que, em grandes quantidades, apresenta as propriedades típicas do líquido mais abundante no planeta Terra: a água. No entanto, não é apenas no estado líquido que encontramos esta molécula. Todos estamos familiarizados com o gelo e o vapor d'água.

Se pudéssemos enxergar através de um microscópio as moléculas de água, veríamos que possuem a forma representada na figura 1. Isto, na realidade, não pode ser feito mas, por medidas indiretas da posição do centro de gravidade das cargas positivas (núcleos) e das cargas negativas (elétrons), esta forma pode ser determinada. O fato de os centros de gravidade das cargas negativas e positivas não coincidirem no mesmo lugar do espaço, faz com que a molécula exiba uma propriedade denominada momento de dipolo elétrico. A direção do momento de dipolo p, representada pela flecha, (figura 1) é uma característica da molécula.

Figura 1

Se fosse possível observar uma grande quantidade destas moléculas no estado líquido, iriamos notar que aquelas direções estão orientadas ao acaso. Isto acontece porque não existe motivo algum para que se orientem numa direção preferencial. Esta desordem e a capacidade de mudar de orientação e posição quase que livremente caracteriza a matéria no estado líquido.

Se a temperatura da água for menor que 0ºC, vamos encontrá-la no seu estado sólido (gelo). Mesmo assim, suas direções estarão orientadas ao acaso. A diferença é que, abaixo de 0ºC, as moléculas de água não podem se movimentar com tanta liberdade, perdendo a propriedade de fluir livremente entre quaisquer posições. Elas estão mais ou menos fixas nas posições em que se encontravam no momento em que a água se solidificou.

Nós podemos, entretanto, fazer com que as moléculas se orientem numa direção preferencial. Basta colocá-las numa região onde existe um campo elétrico, como, por exemplo, entre as armaduras de um capacitor carregado. O centro de gravidade das cargas negativas será atraído para a placa positiva e o centro de gravidade das cargas positivas, para a placa negativa. Como as forças de atração são iguais, a molécula não se movimenta, mas ficará alinhada, isto é, o centro de gravidade das cargas negativas estará o mais próximo possível da placa positiva e vice-versa. Se refrigerarmos, agora, a água abaixo de 0ºC, sem retirar a tensão das placas do capacitor (pois, se for retirada, as colisões entre as moléculas destruirão completamente a orientação obtida), elas se congelarão nestas posições e lá permanecerão, mesmo na ausência do campo elétrico inicial, até que o gelo derreta novamente. Esta ordenação é uma das características dos sólidos cristalinos.

Os Cristais

A maioria dos sólidos são encontrados, na natureza, sob a forma de cristais. Um cristal é um arranjo repetitivo de uma grande quantidade de átomos, situados em posições fixas, segundo formas geométricas bem definidas. Um cristal que todos conhecemos é o chamado "sal de cozinha" ou cloreto de sódio. Ele é formado por átomos de cloro (Cl) e sódio (Na) que se arranjam de tal maneira a ficar nos vértices de um cubo (figura 2).

Figura 2

O sal de cozinha é um pó policristalino. Se olhássemos uma das partículas desse pó, veríamos bilhões e bilhões de estruturas cúbicas como a da figura. Outro exemplo é o cristal de diamante. Neste, os átomos de carbono (C) formam uma figura geométrica um pouco mais complicada que o cubo (figura 3). Esta estrutura se repete também bilhões de vezes, podendo formar sólidos monocristalinos de grande tamanho.

Figura 3

Os Cristais Líquidos

Os cristais líquidos possuem ao mesmo tempo as propriedades dos cristais, isto é, uma certa ordenação das moléculas, e uma relativa liberdade de movimentos, como os líquidos. As substâncias que reunem estas propriedades são classificadas em três grandes grupos: nemáticas, esméticas e colestéricas.

Os primeiros cristais líquidos observados na natureza exibiam suas propriedades numa estreita faixa de temperatura, apenas, e a temperaturas altas demais (acima dos 80ºC), para sua utilização prática, como nos LCD. Graças a um intenso esforço de pesquisa, realizado principalmente nos laboratórios da RCA nos Estados Unidos, foram criadas algumas substâncias com as mesmas propriedades dos cristais líquidos, numa larga faixa, porém incluindo a temperatura ambiente.

A figura 4 mostra como são as moléculas de um cristal líquido do tipo nemático. Para nossa finalidade não será necessário estudar individualmente as propriedades de cada um dos três grupos de cristais líquidos, pois os princípios envolvidos são essencialmente os mesmos. As moléculas tem, como se pode ver, estruturas que são alongadas numa direção, muito parecidas com bolas de futebol americano, ou grãos de arroz. Além disso, são moléculas bastante grandes em comparação, por exemplo, com as moléculas de água. Devido à sua forma e ao seu tamanho, elas possuem normalmente uma direção determinada, pois um movimento ao acaso, de grande amplitude, de uma das moléculas, será impedido devido a presença das outras. A sua relativa liberdade pode ser comparada com a dos palitos de uma caixa de fósforos. Os palitos podem se movimentar um pouco dentro da caixa, mas em geral estarão orientados sempre na direção do seu comprimento.

Figura 4

Como a água, também as moléculas dos cristais líquidos possuem um momento de dipolo. Se quisermos fixá-las rigidamente em suas posições, devemos aplicar um campo elétrico de magnitude suficiente entre as armaduras de um capacitor.

Como funciona o LCD

O princípio de funcionamento do LCD está esquematizado nas três sequências da figura 5. Na figura 5a, vemos algumas moléculas na região localizada entre as placas de um capacitor. A bateria está desligada e as moléculas tem uma orientação casual, mas uma certa ordem, característica dos cristais líquidos, ainda pode ser observada.

Figura 5

Temos ainda a presença de alguns íons de impurezas, que existem normalmente em qualquer substância, por mais pura que seja (ou então foram adicionados, numa mistura calculada, de maneira a produzir certos efeitos desejados). Estes íons, indicados com os sinais + e -, podem ser elétrons, ou átomos dos quais foi arrancado ou adicionado um elétron, por processos que não nos interessam, agora. É suficiente saber que em qualquer substância, mesmo eletricamente neutra, estes íons existem. Nos LCD, eles desempenham um papel essencial.

Na figura 5b, a bateria foi ligada e o campo elétrico que surge entre as placas alinha as moléculas, de modo que o momento de dipolo das mesmas fica orientado perpendicularmente às placas.

Na figura 5c, o efeito desejado é obtido; os íons começam a se movimentar sob o efeito do campo elétrico dirigindo-se às placas respectivas e, nas suas trajetórias, eles colidem com as moléculas de cristal líquido, desorientando-as completamente e criando um movimento turbulento. Como consequência, a amostra do cristal, que era completamente transparente para a passagem da luz, na situação normal da figura 5a, torna-se turva e a luz que a atinge não consegue atravessá-la. Quando se desliga a bateria, o efeito desaparece e o cristal se torna novamente transparente. Baseado neste princípio, a construção de um "display" digital é simples. Uma fina camada do cristal é colocada entre duas placas de vidro, como um sanduíche. Para tornar as placas condutoras, faz-se uma deposição metálica em ambas. Uma das placas deve permitir a entrada da luz do ambiente, que será refletida pela placa inferior (figura 6), na ausência de campo elétrico. Normalmente, a placa superior é coberta com uma fina camada de óxido de estanho que é condutor e transparente. Na placa inferior é feita uma deposição de alumínio, como num espelho comum.

Figura 6

Para construir um indicador numérico são necessárias 7 células independentes que serão comandadas por um circuito eletrônico, traduzindo uma informação qualquer, produzida por um relógio, uma calculadora, etc. Um dispositivo como este requer uma potência de operação, em geral, menor que 1 miliwatt, para cada centímetro quadrado de área útil do display. As vantagens dos LCD são imediatamente evidentes quando lembramos que, numa calculadora eletrônica comum, por exemplo, a maior parte da energia elétrica consumida das pilhas ou da rede serve para manter aceso o "display" de LEDs (light emitting diodes). Uma calculadora com display LCD pode operar com as mesmas pilhas durante muito tempo, sem haver necessidade de substituição.

Como os LCD se baseiam na reflexão da luz ambiente, eles não podem, evidentemente, ser utilizados no escuro. Este problema se apresenta, digamos, no caso de mostradores de relógios, quando se deseja ver as horas, durante a noite. Como solução, utiliza-se uma pequeníssima quantidade de trítio, que é um gás radioativo e isótopo do hidrogênio comum. A luz produzida é de intensidade baixíssima, mas pode ser vista na ausência total de iluminação ambiente. Como o trítio é radioativo, sua produção e comercialização são controladas e apenas algumas empresas produtoras de displays conseguiram obter licenças para sua utilização.

Bibliografia

  • Scientific American (Abril de 1970).
  • Priestley — Introdution to Liquid Crystals - Plenum Press.

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