El Cristal Líquido y su Aplicación a los Sistemas 5G

En los últimos años, se han popularizado una serie de materiales, como el grafeno, el dióxido de vanadio o el cristal líquido, debido a las extraordinarias propiedades que muestran. Aunque sus características son distintas, estos materiales comparten algo en común, la reconfigurabilidad intrínseca de sus propiedades eléctricas y térmicas. Esta reconfigurabilidad es muy apreciada desde el punto de vista de las telecomunicaciones y, en especial, para los nuevos sistemas de comunicaciones 5G. Es por ello que, a altas frecuencias de operación, los tradicionales componentes electrónicos que aportan reconfigurabilidad a los circuitos (diodos PIN, varactores o transistores CMOS) están siendo sustituidos por estos novedosos materiales reconfigurables, de mayor eficiencia y menores pérdidas. En concreto, el cristal líquido es uno de los materiales más prometedores a altas frecuencias (>30 GHz), debido al conocimiento extraído de su amplio uso en otros sectores de la industria.

Historia de los Cristales Líquidos

Los cristales líquidos se conocen desde finales del siglo XIX. Fue el científico austríaco Friedrich Reinitzer quien, centrado en investigar las propiedades físico-químicas de moléculas orgánicas derivadas del colesterol, descubrió en 1888 un material que parecía tener dos puntos de fusión. Este material fue nombrado por Otto Lehmann, un compañero físico de Reinitzer, como cristal líquido. Los cristales líquidos se llevan empleando en la industria desde hace 40 años, inicialmente en pantallas en blanco y negro para calculadoras y relojes, y actualmente en todo tipo de pantallas LCD aplicadas a televisión, teléfonos móviles, proyectores de vídeo, etc. [1,2]. Aunque su nicho de aplicación se encuentra fundamentalmente en el rango de frecuencias ópticas, en los últimos 10 años se están dedicando grandes esfuerzos a la fabricación de modelos específicos que operen en el rango de microondas. Este fenómeno está dando paso a la aplicación de cristales líquidos en el diseño de circuitos y antenas reconfigurables de los nuevos sistemas de comunicaciones a alta frecuencia en sistemas 5G (vea la anterior entrada de nuestro blog). Ejemplo de ello es la antena mostrada en la Figura 1, donde el haz principal de radiación puede ser reconfigurado al variar las propiedades del cristal líquido.

Figura 1. Reconfiguración de la dirección de apuntamiento de la antena al polarizar el cristal líquido. Imagen extraída de [3].

Propiedades de los Cristales Líquidos

El cristal líquido es un material exótico que comparte propiedades de sólidos, como la orientación de sus moléculas, y de líquidos, como su viscosidad o volumen. Sus moléculas en forma de varilla o cilindro dotan al material de su característica anisotropía (veremos esto posteriormente en más detalle). La orientación de las moléculas en un cristal líquido se puede controlar mediante la aplicación de campos magnéticos o eléctricos externos, con lo cual las propiedades eléctricas del material cambian. El cristal líquido se puede encontrar en distintas fases, técnicamente “mesofases”, dependiendo de su estado cristalino: termotrópica (afectada por la temperatura) y liotrópica (soluciones que involucran a moléculas anfifílicas) [4]. La fase termotrópica ha sido la más comúnmente utilizada en lo que a tecnología y comunicaciones se refiere. Ésta a su vez se subdivide en las fases esméctica, quiral y nemática, dependiendo de la temperatura a la que se encuentre el cristal líquido. Como se observa en la Figura 2, a medida que la temperatura aumenta, el orden posicional y orientacional de las moléculas se va perdiendo, hasta llegar a un estado puramente isotrópico (característico de los líquidos comunes como el agua). Existen otros estados más exóticos en los que se puede encontrar el LC, como la fase azul (llamada así por el característico tono azul del material).

Figura 2. Fases termotrópicas del cristal líquido en función de la temperatura T.

Isotropía vs Anisotropía

Los cristales líquidos son materiales anisotrópicos. En los materiales anisotrópicos, la luz se propaga a distintas velocidades dependiendo de la dirección que tome. Esto provoca curiosos fenómenos ópticos como el de la birrefrigencia o “doble refracción”, que se puede observar de forma natural en algunos minerales como la calcita. La Figura 3 ilustra este fenómeno. Como se observa en la imagen de la izquierda, al incidir un haz de luz sobre la calcita, éste se divide a su vez en dos haces que se propagan con distinto ángulo y distinta velocidad. Esto se traduce en que, al mirar a través de este mineral, la imagen del objeto “aparece doble”, tal y como se puede observar en la imagen de la derecha. Por el contrario, decimos que un material es isótropico si la luz se propaga por él a la misma velocidad independientemente del camino que tome. Este es el escenario más típico para los medios y materiales más comunes, como el aire o el agua.

Figura 3. Fenómeno de birrefrigencia o “doble refracción” en un cristal de calcita. Imagen extraída de [5]. 

Fase Nemática

La fase donde se puede encontrar el cristal líquido de mayor relevancia desde el punto de vista de las telecomunicaciones es la fase nemática [6]. El cristal líquido se encuentra en estado nemático a temperaturas ambiente (unos 25 grados centígrados). En el estado nemático, el posicionamiento periódico de las moléculas se ha perdido, pero éstas siguen manteniendo un cierto orden. Es decir, todas las moléculas se orientan aproximadamente en la misma dirección cuando se aplican campos eléctricos o magnéticos. Los cristales líquidos nemáticos más comunes son uniaxiales (tienen un único eje óptico). Esto es, de las tres direcciones espaciales (izquierda-derecha, arriba-abajo y delante-atrás), una de ellas es “la preferida” y las otras dos comparten mismas características. .

Tal y como se ha comentado anteriormente, las moléculas del LC pueden ser reordenadas (y las propiedades eléctricas reconfiguradas) mediante la aplicación de campos magnéticos o eléctricos externos. La energía que portan los campos electromagnéticos aplicados se transforma en energía elástica, deformando el cristal líquido y cambiando la orientación de las moléculas. A la mínima cantidad de energía eléctrica necesaria para reorientar las moléculas se le conoce como umbral de Frederiks, en honor al físico ruso Vsevolod Frederiks [7]. El escenario más común, en lo que al diseño de antenas y circuitos se refiere, es trabajar con campos eléctricos, aprovechando las paredes metálicas de las estructuras que rodean al material como elemento polarizador. De este modo, cuando el cristal líquido se confina entre dos metales (véase la Figura 4) y se aplica un campo eléctrico muy intenso, las moléculas tienden a orientarse, en promedio, perpendicularmente a las placas (ángulo de 90º). Cuando el campo eléctrico aplicado es poco intenso, las moléculas se orientan paralelamente a las placas metálicas (ángulo de 0º). Por consiguiente, la velocidad a la que se propaga la onda dentro del cristal líquido cambia a medida que el ángulo promedio de las moléculas lo hace. Así, el índice de refracción del cristal líquido se puede controlar mediante la aplicación de un campo externo. En la mayoría de cristales líquidos nemáticos (los que tienen anisotropía dieléctrica positiva), el índice de refracción aumenta a medida que el ángulo promedio de las moléculas también lo hace. Dicho de otro modo, la onda se propaga más lento por el cristal líquido a medida que el campo eléctrico aplicado es más intenso.

Figura 4. Orientación de las moléculas en el cristal líquido cuando se aplica un campo eléctrico. Las moléculas tienden a orientarse paralelas a las placas metálicas cuando la intensidad de campo es baja (imagen de la izquierda) y perpendiculares a las placas cuando la intensidad de campo es alta (imagen de la derecha).

Dispositivos Reconfigurables de Microondas con Cristal Líquido

A continuación, se ilustran algunos ejemplos de dispositivos de microondas electrónicamente reconfigurables mediante el uso de cristal líquido. En la Figura 5 podemos observar una fibra óptica reconfigurable cuyo núcleo está relleno de cristal líquido (color naranja en la imagen superior izquierda) y cuyo revestimiento está compuesto de fibra de vidrio o “Rexolite” (color azul) [8]. Al variar la orientación de las moléculas mediante la aplicación, en este caso, de campos magnéticos (imagen superior derecha), la velocidad de propagación de la onda por la fibra óptica cambia. Dicho de otro modo, el desfase de la onda puede ser controlado eléctricamente, tal y como se puede observar en la imagen inferior a las frecuencias de 85 GHz y 95 GHz. En el eje X de la gráfica tenemos la permitividad (índice de refracción al cuadrado) del cristal líquido y en el eje Y el desfase de la onda. Se puede observar que la onda se desfasa en mayor medida al aumentar el índice de refracción del cristal líquido, ya que la onda se propaga más lento por el material. A este elemento capaz de reconfigurar la fase de la onda se le conoce como desfasador, y es fundamental para controlar la dirección de apuntamiento de las antenas en los sistemas de beamforming aplicados a comunicaciones 5G.

Figura 5. Fibra óptica reconfigurable implementada con cristal líquido (LC): diseño, prototipado y medidas. Imágenes extraídas de [8].

Por otro lado, la Figura 6 muestra una antena reconfigurable con cristal líquido operando a 100 GHz. La antena opera a modo de reflector plano o reflectarray (vea la imagen superior), reflejando la radiación de la antena emisora en distintas zonas del espacio a medida que se reconfiguran las propiedades cristal líquido. Esto se puede observar con más detalle en el diagrama de radiación de la antena mostrado en la imagen inferior. La antena apunta en distintos ángulos, en elevación, a medida que se aplican campos eléctricos de mayor intensidad para polarizar el cristal líquido.

Figura 6. Antena reconfigurable implementada con cristal líquido: diseño, prototipado y medidas. Imágenes extraídas de [9].

Tal y como hemos visto, el cristal líquido, ampliamente utilizado por la industria en pantallas LCD, se ha posicionado como uno de los materiales reconfigurables más prometedores en sistemas de comunicaciones 5G. Mediante la aplicación de campos eléctricos o magnéticos externos, sus propiedades eléctricas pueden ser controladas y, por tanto, el funcionamiento de circuitos y antenas puede ser reconfigurado en tiempo real. En la actualidad, modelos específicos de cristal líquido están siendo desarrollados para su operación en el rango de microondas, todo con el objetivo de reducir al mínimo las pérdidas del material y aumentar la eficiencia de los dispositivos electrónicos que hagan uso de él.

Antonio Alex Amor,

Investigador del grupo SWAT de la Universidad de Granada.

REFERENCIAS:

[1] J.M. Otón, “Pantallas de cristal líquido: de la calculadora a la televisión de alta definición”

https://www.upm.es/UPM/SalaPrensa/Noticias?fmt=detail&prefmt=articulo&id=3528a3f36944d310VgnVCM10000009c7648a

[2] Samsung, “Understanding Today's LCD Screen Technology,”

https://pid.samsungdisplay.com/en/learning-center/blog/lcd-structure

[3] S.R. Davis, S. D. Rommel, S. Johnson, M. H. Anderson, A. W. Yu “Liquid crystal clad waveguide laser scanner and waveguide amplifier for LADAR and sensing applications;” Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, vol. 9365, 2015.

[4] G. A. DiLisi, Chapter 4: Phases of liquid crystals, publicado en “An Introduction to Liquid Crystals”, Ed. IOP Concise Physics, 2019.

[5] D. B. Murphy, K.R. Spring, S. Inoué, M. J. Parry-Hill and M. W. Davidson, “Birefringence in Calcite Crystals”, https://www.microscopyu.com/tutorials/birefringence-in-calcite-crystals

[6] A. Alex-Amor, Á. Palomares-Caballero, A. Palomares, A. Tamayo-Domínguez, J. M. Fernández-González and P. Padilla, "Generalized Director Approach for Liquid-Crystal-Based Reconfigurable RF Devices," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 29, no. 10, pp. 634-637, Oct. 2019.

[7] Wikipedia, “Fréedericksz transition”,

https://en.wikipedia.org/wiki/Fr%C3%A9edericksz_transition

[8] R. Reese et al., “Liquid Crystal Based Dielectric Waveguide Phase Shifters for Phased Arrays at W-Band," IEEE Access, vol. 7, pp. 127032-127041, 2019.

[9] G. Perez-Palomino et al., “Design and Demonstration of an Electronically Scanned Reflectarray Antenna at 100 GHz Using Multiresonant Cells Based on Liquid Crystals," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 8, pp. 3722-3727, Aug. 2015.