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Lenti a cristalli liquidi, verso le nuove applicazioni

I cristalli liquidi (Liquid Crystal o LC) sono materiali anisotropi, ampiamente utilizzati in vari dispositivi elettro-ottici, inclusi i display, messa a fuoco adattiva, modulatori spaziali di luce e altri dispositivi fotonici. L’effetto della modulazione di fase è basato su un campo elettrico indotto che provoca un cambiamento dell’indice di rifrazione. Il controllo della luce, utilizzando questa tecnologia, è considerato abbastanza maturo, con un enorme impatto su molti settori della scienza e dell'ingegneria, oltre che sulla nostra vita quotidiana.

Introduzione

I display a cristalli liquidi rappresentano la tecnologia leader nel settore informativo. Essi sono utilizzati nei display di piccole dimensioni, quali calcolatrici, telefonia cellulare, fotocamere digitali; nei display di medie dimensioni come computer portatili e desktop; e nei display di grandi dimensioni, come TV e proiettori. Presentano diversi vantaggi, tra i quali alta risoluzione e alta luminosità e possono essere utilizzati nei modi trasmissivi e riflettenti.

I cristalli liquidi presentano una anisotropia ottica a causa delle loro strutture molecolari. Le molecole che compongono un cristallo liquido sono orientate lungo una direzione preferenziale chiamato direttore; da ciò deriva, quindi, l’anisotropicità delle loro proprietà meccaniche, elettriche ed ottiche. Ovvero, possiedono due diversi indici di rifrazione come visualizzato in figura 1.

Materiale Anisotropo
Figura 1: Materiale Anisotropo

 

birifrangenza
Figura 2: Birifrangenza

 

Un indice di rifrazione corrispondente alla luce polarizzata lungo la direttrice del cristallo liquido, indice di rifrazione straordinario ne (Figura 1a), l'altro per la luce polarizzata perpendicolarmente alla direttrice del cristallo liquido, ed è chiamato indice di rifrazione ordinario no, come mostra in Figura 1b. La birifrangenza (anisotropia ottica) del LC è definita come:

La birifrangenza è un fenomeno fisico che consiste nella scomposizione di un raggio di luce in due raggi, a causa del passaggio in particolari mezzi anisotropi, a seconda della polarizzazione della luce.
Per avere birifrangenza è necessario avere sostanze contenenti molecole fortemente asimmetriche. Vista l’influenza dell’indice di rifrazione sulla velocità della luce e sul cammino ottico si può notare che l’attraversamento di un materiale birifrangente introduce uno sfasamento.

In generale, la birifrangenza diminuisce con la lunghezza d'onda della luce incidente o con l’aumento della temperatura (Figura 2). All'aumentare della temperatura, ha la tendenza a diminuire e non ad aumentare. Alla temperatura chiamata "clear point", il cristallo liquido diventa isotropo e l'indice di rifrazione è niso.

I cristalli liquidi (LC) sono lo stato della materia intermedio tra un solido cristallino ed un liquido isotropo. Possiedono molte delle proprietà meccaniche di un liquido, ad esempio un'elevata fluidità.

Allo stesso tempo, essi sono simili a cristalli in quanto presentano anisotropia nelle loro proprietà ottiche, elettriche e magnetiche.

Varie tecniche permettono di creare diversi cristalli liquidi, i cristalli nematici per esempio, sono privi di distribuzione regolare dei centri di massa, dove un film viene posto tra due substrati di vetro separati da un dielettrico di un certo spessore.
Opportune tecniche permettono di realizzare diversi orientamenti:

  • Configurazione parallela: le molecole sono disposte parallelamente ai substrati;
  • Configurazione homeotropic: le molecole sono disposte perpendicolarmente ai substrati;
  • Configurazione tilted: le molecole sono disposte parallelamente ai substrati, ma ruotate di 90° lungo la direzione della cella.

La caratteristica che rende i cristalli liquidi utilissimi per le applicazioni è la possibilità di cambiare molto facilmente la direzione media delle molecole con azioni esterne non meccaniche, come campi elettrostatici o magnetostatici, oppure variazioni di temperatura o del suo gradiente.

Dielettrico anisotropo

Qualsiasi isolante ha una costante dielettrica. La costante dielettrica o permettività (ε) è una costante adimensionale che indica la facilità di un materiale ad essere polarizzato sotto l’azione di un campo elettrico. La costante dielettrica ε  può essere espressa mediante la seguente relazione:

dove εs è la permittività statica del materiale, e ε0 è la permittività del vuoto. Come descritto sopra il cristallo liquido ha due indici di rifrazione e quindi due costanti dielettriche: una lungo l’asse principale (//) e l’altro perpendicolare al suo asse ().

Esistono diversi cristalli che sono anisotropi dal punto di vista elettrico. L'anisotropia dei cristalli è causata dai legami non simmetrici negli elettroni più esterni degli ioni che compongono il cristallo. In tal modo, lo spostamento degli elettroni di legame sotto l'azione di un campo elettrico applicato, dipenderà dalla sua direzione.
Nei mezzi anisotropi la propagazione lungo una determinata direzione viene espressa tramite due modi normali associati a due direzioni ortogonali di polarizzazione. Inoltre, altra caratteristica rilevante, la direzione di propagazione dell’energia non è perpendicolare ai fronti d'onda.

Progettazione

progettazione lenti cristalli liquidi
Figura 3: Esempio di struttura di lenti LC

Le lenti liquide hanno diverse applicazioni, in particolare, l’utilizzo per la correzioni di immagini aberrate si basa sulla maggior compattezza che hanno rispetto ad altri sistemi. Inoltre, l’utilizzo di basse tensioni e l’assenza di parti meccaniche le rendono immuni dal deterioramento; per questi vari motivi sono sempre più utilizzate all’interno di microcamere, fotocamere per cellulari e lettori di codici a barre. I sistemi di controllo sviluppati si basano su due tecniche: electrowetting e pressione meccanica.
La Figura 3a mostra alcuni esempi di una struttura a lenti liquide: tra due finestre di vetro, due liquidi non miscibili sono intrappolati in una cella chiusa. Un liquido si basa su una soluzione di acqua, e quindi è conduttore di elettricità. L'altro liquido è apolare, e dovrebbe essere non conduttore (fase oleosa). L'interfaccia naturale tra i liquidi costituisce quindi una diottria naturale, a causa della differenza dell'indice dei due liquidi.
L'azionamento dell'interfaccia liquido-liquido utilizza l’elettrowetting, che permette di modificare la caratteristica relativa dei due liquidi da una semplice applicazione di tensione. In queste condizioni, l'interfaccia liquido-liquido ha una forma sferica, con raggio di curvatura variabile.
Per poter funzionare correttamente, la lente liquida ha bisogno di diverse caratteristiche chiavi:

  • Densità: i due liquidi devono avere esattamente la stessa densità. Questo permette alla lente di lavorare in ogni orientamento possibile dovuto alla gravità.
  • Centraggio: controllare la stabilità dell’asse ottico quando viene applicata la tensione.
  • Interfaccia liquido-liquido: è importante che il design permetta di avere fasi che conducono al mondo esterno senza dover toccare fisicamente l’interfaccia.

I dispositivi controllati tramite electrowetting sono costituiti, quindi, da due liquidi immiscibili, la cui interfaccia costituisce la superficie curva della lente; i due liquidi sono contenuti entro un coating idrofobico su cui sono applicati gli elettrodi che permettono di modularne l’idrofobicità.
Consideriamo l'energia elettrica di cristalli liquidi nematici a campi elettrici applicati esternamente attraverso l'interazione di un dielettrico. Una tipica cella a cristalli liquidi è mostrata nella Figura 3b, in cui il cristallo liquido è inserito tra due substrati paralleli con elettrodi trasparenti.

In assenza di campo elettrico, il coating si distribuisce in maniera tale da non entrare in contatto con le pareti della cella: il comportamento è assimilabile ad una lente divergente.

Il limite di questo tipo di dispositivo è dato dalla scelta dei due liquidi, che devono essere immiscibili ma con densità e reazioni paragonabili.
L’applicazione di un campo elettrico permette di ottenere diversi effetti in funzione della configurazione e del tipo di anisotropia dielettrica dei LC: se (anisotropia positiva) le molecole tendono ad orientarsi nella direzione del campo elettrico, altrimenti (anisotropia negativa) tendono a disporsi perpendicolarmente ad esso.
Applicando un campo elettrico ad un sistema a configurazione parallela e anisotropia positiva si ottiene una re-orientazione detta effetto S, che è attualmente il più utilizzato.
La modulazione di fase dipende da molti parametri, in particolare dallo spessore della lente e dai valori di birifrangenza; valori tipici di spessori sono inferiori a 50 µm.  I vantaggi della modulazione sono molteplici e possono essere riassunti nei seguenti punti:

  •  Compattezza;
  •  Semplicità del sistema di controllo;
  •  Bassi costi;
  •  Bassi valori di tensione applicata.

Restano però diverse limitazioni al loro utilizzo: risentono fortemente della temperatura, limitazioni nell’efficienza dovute al fatto che lavorano in trasmissione con assorbimento in un range spettrale limitato.
Per la configurazione a pressione meccanica, le lenti LC sono costituite da un unico liquido di scelta vincolata e posta in una camera con due aperture: la prima garantisce una variabilità del volume del liquido, la seconda, invece, rappresenta la superficie della lenta stessa. Attraverso una pressione controllata è possibile modificare la tensione superficiale e quindi il raggio di curvatura attraverso una relazione di proporzionalità diretta.
La pressione può essere applicata attraverso diverse modalità: dispositivi controllati tramite un motore servo, un chip microfluidico, un cristallo piezoelettrico.  I chips microfluidici vengono già usati in molti laboratori per i notevoli vantaggi che presentano, tutti derivanti dai ridotti volumi di fluido trattati.

Conclusione

I cristalli liquidi, in particolare le lenti a cristalli liquidi, rappresentano una tecnologia in fase di crescita con un forte impatto sui prodotti dell’elettronica di consumo e non solo (fotovoltaico). Le lenti a cristalli liquidi riducono notevolmente l’ingombro delle soluzioni standard e per questo motivo si adatteranno alla perfezione sempre di più su smartphone, webcam e altro. La visione generale di questo articolo ci indirizzerà prossimamente verso una serie di articoli più dettagliati, approfondendo tematiche di analisi e progettazione: dalla fisica fino ai parametri di design e tecniche di controllo e acquisizione dati, per concludere con un esempio applicativo per Mobile Camera.

2 Commenti

  1. Piero Boccadoro 4 novembre 2014
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 4 novembre 2014

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