(minha Monografia) Abordagem Física E Funcional Dos Principais Mostradores De...

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MARCOS FERNANDO SOARES ALVES ABORDAGEM FÍSICA E FUNCIONAL DOS PRINCIPAIS MOSTRADORES DE INFORMAÇÕES COM DESTAQUE PARA OS DISPLAYS DE CRISTAIS LÍQUIDOS Londrina 2010 MARCOS FERNANDO SOARES ALVES ABORDAGEM FÍSICA E FUNCIONAL DOS PRINCIPAIS MOSTRADORES DE INFORMAÇÕES COM DESTAQUE PARA OS DISPLAYS DE CRISTAIS LÍQUIDOS Monografia apresentada ao Departamento de Física da Universidade Estadual de Londrina como requisito parcial para obtenção do título de especialista em Física para o novo Ensino Médio. Orientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Laburú. Londrina 2010 MARCOS FERNANDO SOARES ALVES ABORDAGEM FÍSICA E FUNCIONAL DOS PRINCIPAIS MOSTRADORES DE INFORMAÇÕES COM DESTAQUE PARA OS DISPLAYS DE CRISTAIS LÍQUIDOS Monografia apresentada como requisito parcial para obtenção do título de especialista em Física para o novo Ensino Médio da Universidade Estadual de Londrina, Departamento de Física, submetida à avalição da banca examinadora composta pelos seguintes membros: Londrina, ___ de __________________ de 2010. ______________________________________ Prof. Dr. Carlos Eduardo Laburú Orientador ______________________________________ Prof. Msc. Daniel Trevisan Sanzovo (UEL) ______________________________________ Msc. Ferdinando Vinícius Domenes Zapparoli (UEL) DEDICATÓRIA ____________________________________________________________ Dedico este trabalho aos meus pais, aos meus irmãos, à minha namorada, aos familiares e amigos que sempre me apoiaram e me incentivaram a seguir nos estudos. AGRADECIMENTOS ____________________________________________________________ Primeiramente agradeço a Deus, que me concedeu a oportunidade de viver a fim de conquistar mais esta etapa. A Ele que me deu força, coragem e persistência para vencer todos os obstáculos durante os anos do curso. À minha família, pois sem ela não teria chegado até aqui. À minha mãe que sempre acreditou em mim e me incentivou na busca dos meus sonhos, fazendo o possível e o impossível para me ajudar a alcançá-los, mesmo com todas as dificuldades que enfrentamos ao longo desses anos. Ao meu pai pelo apoio e compreensão. A vocês que me ensinaram a ser um cidadão de bem, honesto e batalhador. À minha irmã pelas palavras de apoio durante os momentos mais difíceis e cansativos dessa caminhada e por ter estado sempre ao meu lado. Ao meu pequeno irmão, pelo carinho e amor, que foi também o responsável por me dar motivação para que continuasse em frente. À minha namorada, aos amigos que fiz durante a realização deste curso e, a todos aqueles que de uma forma ou de outra, me ensinaram a ser como sou e contribuíram para que pudesse chegar até aqui. Ao Prof. Dr. Carlos Eduardo Laburú, pela orientação para a realização desse trabalho. Aos professores do Departamento de Física da Universidade Estadual de Maringá, essenciais para minha formação. Agradeço especialmente o Prof. Dr. Paulo Ricardo Garcia Fernandes, pela ajuda fundamental, pela atenção e também pelo entusiasmo demonstrado para a realização deste trabalho. “A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao tamanho original.” Albert Einstein ALVES, Marcos Fernando Soares. Abordagem Física e funcional dos principais mostradores de informações com destaque para os displays de cristais líquidos. Monografia (Especialização em Física Para o Novo Ensino Médio) – Departamento de Física, Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2010. RESUMO ____________________________________________________________ O presente trabalho trata das principais tecnologias de mostradores de informações disponíveis no mercado. Aqui serão apresentados, além das tradicionais telas conhecidas como tubos de raios catódicos ou então pela sigla CRT, os displays de OLED (sigla em inglês, Organic Light Emitting Diodes), LED (Light Emitting Diode), telas de toque, FED (Field Emission Display), plasma e LCDs (Liquid Cristal Display), que são tecnologias contemporâneas na fabricação de displays. A abordagem de cada uma dessas tecnologias compreende a Física envolvida e o princípio básico de formação da imagem em cada tela, sendo feita de forma sucinta, o que não impede que, no decorrer do texto, seja realizado um estudo mais abrangente. Uma análise mais aprofundada será realizada ao tratar dos mostradores de cristais líquidos (LCDs), tendo em vista que é o tema motivador deste trabalho. Tal análise aborda a fase da matéria liquido-cristalina, suas classificações, as aplicações no cotidiano da sociedade e o funcionamento do mostrador que utiliza esse estado da matéria. Como atividade experimental, ao final do trabalho é sugerido uma prática em que pode ser observado a composição das cores em uma tela colorida. Sabe-se que o ensino de Física nas escolas, tanto públicas quanto particulares, baseia-se, praticamente, na Física conhecida como clássica (que abrange o período de 1600 a 1850, aproximadamente), sendo assim, seus currículos carecem de tópicos “mais próximos da realidade” dos estudantes, ou seja, da abordagem em sala de aula de temas modernos e contemporâneos da Ciência. E é com o intuito de propiciar aos alunos uma introdução de tópicos atuais da Física que propõe a realização deste trabalho. Palavras-chave: Atualização curricular; Física Moderna e Contemporânea; Ensino Médio; LCD. SUMÁRIO ____________________________________________________________ DEDICATÓRIA .............................................................................................................. ii AGRADECIMENTOS .................................................................................................... iii RESUMO ......................................................................................................................... v INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1 Capítulo I A necessidade de inserção de temas atuais da Física na educação básica................. 3 1.1 – O ensino de Física no ensino médio e algumas justificativas para a atualização curricular ............................................................................................................................... 3 1.2 – Realce da problemática e dos objetivos do trabalho ............................................... 5 1.3 – Mas, por que cristais líquidos? ............................................................................... 7 Capítulo II Tipos de Mostradores de Informações: uma introdução ........................................... 9 2.1 – OLED ...................................................................................................................... 9 2.2 – LED ......................................................................................................................... 11 2.3 – Tela de Toque ......................................................................................................... 12 2.4 – FED ......................................................................................................................... 13 2.5 – Tubo de Raios Catódicos ........................................................................................ 13 2.5.1 – O tubo de imagem da TV.................................................................................. 14 2.6 – Plasma ..................................................................................................................... 16 2.6.1 – Lâmpadas fluorescentes e painéis de plasma ................................................... 18 2.7 – LCD ........................................................................................................................ 20 Capítulo III Cristais Líquidos ............................................................................................................ 21 3.1 – Breve Histórico ....................................................................................................... 21 3.2 – Classificação dos Cristais Líquidos ........................................................................ 22 3.3 – Classificação das mesofases líquido-cristalinas ..................................................... 23 3.4 – O estado líquido-cristalino no cotidiano e algumas aplicações tecnológicas ......... 26 3.5 – Descrição da montagem e funcionamento de um display de cristal líquido ........... 27 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................ 32 REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 34 ANEXOS ......................................................................................................................... 38 INTRODUÇÃO O cristal líquido, descoberto em 1888, é denominado como sendo uma fase da matéria compreendida entre os estados sólido e líquido, já que apresenta propriedades de ambos. O estudo dessa nova fase permitiu que os cristais líquidos fossem classificados, em 1922, em três tipos: nemáticos, esméticos e colestéricos. Devido às propriedades óticas descobertas nos cristais líquidos, as aplicações tecnológicas não tardaram a surgirem. Hoje sua utilização se dá nas mais diversas áreas, porém, uma das mais populares e de grande impacto na sociedade é a fabricação de displays de cristal líquido, também chamados de mostradores de LCD (sigla em inglês, Liquid Cristal Display). Um dos fatores que influenciou na popularização de telas de LCD é a possibilidade da obtenção de telas consideravelmente grandes, mas, delgadas, além, é claro, do baixo consumo de energia. O LCD é hoje o potencial substituto dos televisores e monitores tradicionais, também conhecidos como tubo de raios catódicos (CRT). Porém, não é o único. Em termos de imagem as telas tradicionais são as mais desenvolvidas, isso se deve ao amadurecimento da pesquisa neste tipo de tela. Como consomem muita energia e ocupam um espaço considerável, justamente por causa do tubo de raios catódicos, responsável pelo aparecimento da imagem, é que estão gradativamente sendo substituídas. A tecnologia de plasma para a construção de mostradores também se tornou bastante popular, concorrendo com o LCD na preferência dos consumidores. Os primeiros mostradores de CRT fabricados tinham uma coloração esverdeada e, exibiam a imagem em branco com um fundo verde. Em seguida a imagem passou a ser exibida em preto e branco, passando pelo tom de cinza. Pouco tempo depois, coloridas. Posteriormente, os mostradores evoluíram e o CRT não é mais o único a ser utilizado pela indústria, novas tecnologias foram sendo empregadas na fabricação desses mostradores que se tornaram maiores, e também bem pequenos, de acordo com a exigência do mercado. Não há como questionar o progresso tecnológico nos dias atuais; ao longo dos anos a ciência deu grandes passos e propiciou que diversos aparatos fossem criados e até mesmo evoluídos, proporcionando bem-estar e avanços para toda a sociedade. Nesse sentido, é de fundamental importância que os jovens compreendam a tecnologia que há ao seu redor para que possa também despertar uma vocação para a ciência envolvida por trás dos mecanismos tecnológicos cotidianos. Um dos papéis que devem ser desempenhados pela escola, segundo Siqueira (2006), é transmitir o conhecimento gerado pela humanidade. E cabe ao professor 1 traçar as diretrizes para que tal dever seja cumprido. Nas escolas de educação básica é nítido que a grade curricular da disciplina de Física está bastante defasado em relação ao desenvolvimento da Ciência. De acordo com Sanches (2006), a Física ensinada em sala de aula tem seus tópicos compreendidos entre o ano de 1600 e 1850 aproximadamente, ou seja, o que os alunos aprendem é simplesmente a Física Clássica, por isso, tópicos atuais da Física, como cristais líquidos e outras tecnologias de displays (como os OLEDs, desenvolvidos a partir dos estudos de materiais semicondutores), devem ser trabalhados em sala de aula. Assim, este trabalho tem o intuito de contribuir servindo como um material básico, atual, de apoio a professores e alunos. Neste trabalho, além das tecnologias já citadas para a produção de displays, serão também apresentados diversos tipos de mostradores, tais como: OLED, LED, tela de toque e FED. Cada uma dessas tecnologias será abordada de forma sucinta, aprofundando o assunto à medida que for necessário. Porém, será possível compreender de forma simples o funcionamento de cada um dos mostradores apresentados. Ao mostrador de cristal líquido será dada uma atenção maior, pois é o principal objeto de estudo desse trabalho. 2 Capítulo I A necessidade de inserção de temas atuais da Física na educação básica 1.1 – O ensino de Física no Ensino Médio e algumas justificativas para a atualização curricular Desde 1808 a Física é uma realidade nas escolas brasileiras. No ano de 1837 foi criado, no Rio de Janeiro, o Colégio Pedro II, que serviria de modelo para as escolas a serem instaladas em outras províncias do território nacional. Para essa fase inicial do ensino de Física foi adotado um material de origem francesa, traduzido para o português, que abordava uma Física puramente matematizada e quantitativa. Durante muito tempo o conteúdo e a forma da abordagem do ensino praticado nas escolas brasileiras tiveram grande influência estrangeira, principalmente dos Estados Unidos da América (EUA), o grande problema da importação dos materiais e metodologias era o fato de serem totalmente desvirtuada da realidade do país. Isso, posteriormente, levou diferentes grupos a criarem materiais e métodos educacionais próprios às condições brasileiras. Segundo os Parâmetros Curriculares de Física para o Ensino Médio (PARANÁ/SEED, 2008), no período da monarquia brasileira o ensino de Física era voltado apenas para a elite da sociedade, visando à formação de engenheiros e médicos. Não apenas no Brasil, mas em grande parte do mundo, a ciência abordada na educação básica não desempenhava papel muito importante. De acordo com Diogo e Gobara (2007), ela passou a compor um papel relevante na educação básica com o lançamento do primeiro satélite artificial, Sputinik, pela União Soviética e a Segunda Guerra Mundial, marcando assim uma corrida eufórica para que profundas mudanças ocorressem na Física do nível básico de ensino. Tal processo desencadeou, nos EUA, o surgimento de diversos projetos, entre eles o Physical Science Study Commitee (PSSC), que posteriormente foram utilizados também no Brasil. Neste mesmo período, por volta da década de 1970, iniciou a elaboração de projetos nacionais encabeçados pelo Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP) e pela Fundação Brasileira de Educação e Cultura (FUNBEC), com o intuito de melhorar a qualidade do ensino de Física nas escolas do país. No regime militar, impulsionados pela busca da modernização e desenvolvimento do país, buscou-se a valorização do ensino de Ciências, já que havia a necessidade da 3 qualificação da mão-de-obra, isso levou a promulgação, no ano de 1971, da Lei nº 5.692, de Diretrizes e Bases da Educação (LDB). O processo político-educacional brasileiro passou então a ser norteado por documentos elaborados pelo Banco Mundial (BM), através de seu correspondente, o Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID), entre outros. Assim, a educação deveria proporcionar a formação de um indivíduo apto a fazer parte de uma sociedade cada vez mais dominada por recursos tecnológicos. Por isso, fazia-se necessário a reformulação educacional brasileira, tão debatida por diversos pesquisadores em ensino do país. Então, em 1996 é publicada a nova LDB1, que entre outras, propõe que a formação na educação básica deve promover aos indivíduos a compreensão dos fundamentos científicos-tecnológicos atuais no qual estão inseridos. Dessa forma, segundo Kawamura e Hosoume (2003), para que os jovens saiam preparados a fim de exercitarem a cidadania, os temas atuais do mundo contemporâneo deverão necessariamente estar presentes no ensino médio, isto quer dizer que, tópicos atuais da Física devem fazer parte do currículo. No trabalho realizado por Sanches (2006), é identificado que alguns autores apresentam uma iniciativa de abordagem, em seus livros textos, de tópicos da Física Moderna e Contemporânea (FMC), no entanto, como evidencia, não contextualizam os temas de forma adequada e geralmente os assuntos tratados estão inseridos nos livros como seções especiais, o que devido à falta de tempo são os primeiros a serem excluídos por estarem tachados como “leitura complementar”. Além da LDB, os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) propõem um ensino que direcione para os fenômenos que ocorrem no cotidiano dos jovens, através da aprendizagem ligada aos fatos de divulgação pela mídia, chamada de Aprendizagem Centrada em Eventos (ACE) (BRASIL, 2002). Apesar da promulgação de Leis e parâmetros que passaram a reger e orientar o ensino básico no país, e do esforço de muitos educadores e pesquisadores, nota-se que as escolas têm seus currículos bastante defasados em relação ao desenvolvimento da ciência e tecnologia. Particularmente o ensino de Física aplicado em sala de aula mal ultrapassa aquela desenvolvida até o século XIX, isto quer dizer que o que os estudantes aprendem é, basicamente, mecânica, termologia, ótica geométrica e eletromagnetismo (TERRAZZAN, 1992). Com um rol de conteúdos extenso e pouco tempo de aula, professores e alunos vêemse pressionados a darem conta de ensinar e aprender os tópicos acima descritos, dessa forma parece caminhar na contramão uma tentativa de atualização curricular da Física ensinada nas escolas (ALVES, 2008). Porém, como adverte Terrazzan (1992, p. 210-211): “devemos 1 Lei nº 9.394 de 20 de novembro de 1996. 4 lembrar a impossibilidade de se vivenciar e participar plenamente do mundo tecnológico atual sem um mínimo de conhecimentos básicos dos desenvolvimentos mais recentes da Física”. Assim, é inegável que tal necessidade seja urgente. Em um documento publicado pela UNESCO (2005) intitulado “Ensino de Ciências: o futuro em risco”, é citado que o desenvolvimento científico e tecnológico de um país está diretamente relacionado com o conhecimento produzido. Relatando ainda que as diferenças entre avanço e atraso residem, em grande parte, na escola capaz de preparar a população para tempos mais exigentes, e que uma formação escolar que contemple conhecimentos científicos e tecnológicos refletem numa melhora na vida das pessoas. Segundo a UNESCO, da mesma forma como diz a LDB, esta educação é importante na formação da cidadania, pois permite às pessoas terem oportunidade de discutir, questionar, resolver problemas e criar soluções, bem como compreender o mundo que as cercam. De acordo com o que consta, uma educação voltada para a ciência e tecnologia é ainda fundamental não apenas por proporcionar à população a capacidade de desfrutar dos conhecimentos científicos e tecnológicos, mas também para despertar vocações, a fim de criar estes conhecimentos. Segundo Siqueira (2006), desde o final da década de 1980 vem sendo discutida entre educadores e pesquisadores a necessidade de ocorrer uma mudança concreta no currículo das escolas de ensino médio, inserindo, entre outros, tópicos relacionados à FMC. Tendo em vista que esse nível de ensino já não é encarado apenas como fase preparatória para o ingresso nas Universidades, mas sim, como uma etapa de formação plena do indivíduo, pronto para exercer sua cidadania e a viver em um mundo tecnologicamente evoluído. A inserção de temas contemporâneos da ciência em sala de aula proporciona ao aluno uma maior aproximação com a ciência moderna o que o permite compreender os diversos aparatos tecnológicos presentes no seu cotidiano. E, por estar tão próximo da realidade, os tópicos da FMC tornam essa ciência muito mais interessante e atrativa. 1.2 – Realce da problemática e dos objetivos do trabalho Antes de prosseguir, vale ressaltar que a Física do Ensino Médio é muito matematizada, sendo, muitas vezes, citada como uma disciplina de cálculos, assim, deve-se resgatar a necessidade de que aos conceitos físicos seja dado mais importância e não tratando a disciplina apenas como uma aproximação matemática. Pois, observa-se que os alunos, em 5 geral, possuem dificuldades em utilizar a ferramenta matemática o que torna o ensino de Física pouco atrativo e motivador. No item anterior discorreu-se sobre a necessidade de atualização curricular da Física ensinada nas escolas de nível médio. Porém, como defende Ostermann (2000), a etapa de “levantamento de justificativas” para a inserção da FMC já foi suplantada. Assim, é necessário que atitudes concretas sejam efetivadas para uma real abordagem de temas contemporâneos da ciência no ensino médio. Entretanto, na literatura especializada há uma escassez de trabalhos publicados em que abordam o tema cristais líquidos como uma proposta a ser trabalhada por professores da rede básica de ensino. Dessa maneira, o trabalho aqui apresentado tem o caráter de servir como material de apoio básico a professores interessados em tratar em suas aulas de Física o tema em questão e, por ser introdutório, a linguagem utilizada é bastante simples e os conceitos físicos envolvidos são descritos apenas qualitativamente. E ainda, na tentativa de buscar uma inserção do tema também com uma abordagem demonstrativa ou como prática de laboratório, propõe-se ao final deste trabalho, a realização de uma atividade experimental que permite entender como ocorre a formação da imagem colorida observada nos mostradores de cristais líquidos. O experimento proposto trata da superposição da luz a partir das três cores luz primárias (vermelho, verde e azul), em que o aluno pode constatar que a partir de tais cores todas as demais podem ser formadas. Apesar da ênfase dada aos displays de cristais líquidos no presente trabalho, não se pretende com isso “bajular” os LCDs em detrimento dos demais mostradores de informações, por isso, não serão apresentadas as vantagens e desvantagens entre um ou outro display, mas sim, serão abordados diversos mostradores de informações cada um com sua ciência e tecnologia particular. A abordagem de vários mostradores tem o intuito de mostrar que a ciência está muito próxima da realidade dos educandos e da sociedade em geral, além do mais, à medida que a ciência evolui abre caminhos para que os meios tecnológicos se aperfeiçoem e progridam, oferecendo mais conforto e qualidade de vida para a humanidade. Permitindo uma simples analogia, ao dar a uma criança um tablete de chocolate para que possa comer, dificilmente ela se contentará com aquele mísero pedaço sabendo que ainda existe uma barra praticamente inteira para ser devorada. Assim, é dessa forma que, neste trabalho, se aborda diversos tipos de mostradores, principalmente os de LCDs, para que tal conhecimento, ressaltando, introdutório, sirva como estopim para a busca de um conhecimento além do proposto. 6 1.2 – Mas, por que Cristais Líquidos? Em virtude do mundo globalizado e contemporâneo no qual fazemos parte, é fundamental que haja uma reformulação, e não exclusão, no conteúdo da Física ensinada nas escolas. E para isso, de acordo com Terrazzan (1992), é fundamental levar em conta o cotidiano vivido pelos estudantes na definição da forma de abordagem e dos conteúdos a serem trabalhados em sala de aula. Nesse sentido, o trabalho aqui apresentado tem como abordagem especial a fase líquido-cristalina da matéria, que, por estar extremamente “enraizada” na sociedade, principalmente através dos displays de LCDs, pode permitir ao aluno criar uma visão de mundo atual, que o leve a questionar e querer saber mais sobre a ciência envolvida nos modernos aparatos tecnológicos. A comunicação, ao longo da história, nas mais variadas formas e meios, sempre esteve presente na vida das pessoas. A transformação de sociedade industrial para sociedade da informação tem levado a humanidade a empregar cada vez mais instrumentos de comunicação baseados em imagens e textos, utilizando displays ou mostradores para sua exibição. Os displays são dispositivos que permitem a interação do homem com os sistemas eletrônicos e informáticos e, conforme será mostrado no decorrer deste trabalho, existem diversas tecnologias utilizadas na fabricação desses mostradores, sendo que o foco se concentrará nos mostradores de cristais líquidos. Evidencia-se uma corrida desenfreada pela indústria de displays para a fabricação de telas que exibam imagens em alta definição, fiéis à cor, de pequeno volume, baixo peso e consumo de energia. A fabricação de telas como as de laptops só foram possíveis graças ao desenvolvimento dos LCDs, no entanto, são aplicadas na construção de mostradores de informação de uma variada gama de dispositivos eletrônicos, entre eles, TVs, computadores, calculadoras, relógios e, muitos outros. Talvez a mais comum sejam os visores de aparelhos de celulares. Portanto, como dito anteriormente, os cristais líquidos fazem parte de eventos diários da vida da sociedade, e consequentemente, dos estudantes do ensino médio. “Defendendo” a idéia da inserção de temas da FMC no Ensino Médio e visando a alfabetização científica da sociedade em geral, os PCNs sugerem uma possibilidade metodológica dentro do enfoque Ciência, Tecnologia e Sociedade (CTS), que é a ACE no qual utiliza os fatos de divulgação na mídia para promover a exploração dos pilares Ciência e Tecnologia. Dessa forma, levando-se em consideração a atualidade do tema e a sua presença no cotidiano dos alunos, o tópico “Cristais Líquidos” é de suma importância para ser trabalhado em sala de aula. Além do mais, é relevante o fato de que, para muitos estudantes, a 7 Física ensinada na escola será o último contato com os conhecimentos atribuídos a essa ciência, como afirma Terrazzan (1992, p. 212): “[...] a Física desenvolvida neste nível de ensino (2º grau) é o último contato formal com esta ciência para grande percentual dos alunos”. Portanto, é no ensino médio uma das poucas, e últimas, oportunidades de acesso formal a esse conhecimento. Ao estudar temas da FMC, como os cristais líquidos, o estudante consegue perceber que a Física pode ir muito além do que imagina ou daquilo que, habitualmente, vê com os temas clássicos abordados em sala de aula, podendo então estar tão próxima quanto jamais imaginou. Ao estudar tais tópicos o aluno percebe a Física como uma ciência em constante desenvolvimento, dinâmica, rompendo a idéia de disciplina exata e imutável no tempo. Como visto, motivos não faltam para a defesa de que tópicos como esse seja inserido no currículo no ensino médio. Há muito ainda o que argumentar e fazer para que mudanças venham a ocorrer e que se concretize o que almejam tantos pesquisadores de ensino de Física no país. 8 Capítulo II Tipos de Mostradores de Informações: uma introdução Ao longo do tempo desenvolveram-se diversos dispositivos para a fabricação de mostradores de informação pela indústria de displays. O progresso dessa indústria deve-se à necessidade de um material com maior qualidade de resolução, eficiência energética e tamanho da tela. A seguir serão apresentadas algumas tecnologias empregadas em mostradores, no entanto, esse trabalho não tem intenção de discutir em detalhes o funcionamento de cada display abordado, mas sim, os aspectos considerados fundamentais, por isso, as características individuais serão discutidas brevemente. 2.1 – OLED A Física do estado sólido classifica os materiais em três diferentes grupos: os metais, os isolantes e os semicondutores. Devido à liberdade de movimentos que possuem os elétrons nos metais, esse material é considerado condutor. Os isolantes, por sua vez, são péssimos condutores de eletricidade. Já os semicondutores possuem um comportamento intermediário entre os condutores e os isolantes, uma das propriedades que definem o seu grau de condutividade é a temperatura (no zero absoluto, o semicondutor pode ser considerado um material isolante), à medida que a temperatura aumenta, eleva também a condutividade elétrica do semicondutor (MARTINS, 2008). Da tabela periódica, os elementos que compõe o grupo IV e a combinação dos elementos do grupo III e V, II e VI, demonstram propriedades semicondutoras (DIAS; TEIXEIRA; DUARTE, 2005), exceção mantida ao Carbono (C), pertencente ao grupo IV, já que, segundo Quirino (2007), a Física do estado sólido classifica esse elemento como isolante, e considera que materiais orgânicos (a base de carbono) não poderiam conduzir corrente elétrica. Essa afirmação começou a mudar a partir de pesquisas realizadas em 1963, quando alguns cientistas descobriram que aplicando determinadas tensões os materiais poderiam emitir luz. Em 1970, o químico Hideki Shirakawa, descobriu que alguns materiais orgânicos podem conduzir corrente elétrica. Essa descoberta deu largada a uma corrida tecnológica para a aplicação de semicondutores orgânicos em mostradores de informação baseados em polímeros e OLEDs (sigla em inglês, Organic Light Emitting Diodes). 9 O primeiro display utilizando materiais orgânicos foi produzido pela Pioneer® em 1997. Daí em diante surgiram diversos produtos com displays baseados em OLEDs. De acordo com Quirino (2007), os OLEDs podem ser divididos em dois tipos, os SMOLEDs (sigla em inglês, Small Molecules Organic Light Emitting Diode), e os PLEDs (Polymer Light Emitting Diode), os primeiros utilizam moléculas orgânicas nanométricas de materiais eletroluminescentes e, o segundo utilizam materiais orgânicos maiores de polímeros conjugados. Os OLEDs são construídos a partir da sobreposição em camadas de uma série de filmes filmes2, de tal forma que as camadas fiquem entre o anodo e o catodo. Pelo fato das estruturas do OLED ter espessura extremamente fina, a deposição de filmes finos pode ocorrer em um substrato de vidro ou plástico flexível. E essa variação no substrato é que permite a construção de mostradores dobráveis de OLEDs (figura 1). Fig. 1: OLED dobrável feito de plástico flexível3. O OLED funciona a partir de uma diferença de potencial entre o anodo e o catodo, fazendo-o brilhar. Esse brilho é proporcional à corrente elétrica aplicada no dispositivo. As cores são definidas a partir do material orgânico utilizado para a composição do OLED, para obter um display colorido são colocados vários filmes orgânicos no mesmo dispositivo. Esses mostradores, apesar de possuírem brilho intenso, consomem pouca energia, já que não necessitam de uma fonte de luz para destacar a imagem. Sendo assim, são potenciais concorrentes dos atuais displays de LCDs. 2 “Filme fino é o nome dado a uma camada delgada de um material qualquer”. Devido à necessidade de obtenção de um material com alto grau de pureza, para a construção do OLED, é empregado o método deposição de filmes finos a vácuo (LABURÚ; SIMÕES; URBANO, 1998). 3 Figura extraída de . Acesso em: 12 jan 2010. 10 2.2 – LED O LED (sigla em inglês, Light Emitting Diode), nada mais é que um dispositivo emissor de luz, quando submetido a um campo elétrico, baseado em material semicondutor inorgânico. Um diodo emissor de luz é simplesmente uma junção p-n com características tais que, na junção, ocorre uma grande quantidade de recombinações entre as cargas de cada lado da junção num pequeno intervalo de tempo, de tal modo que produza luz (DIAS; TEIXEIRA; DUARTE, 2005). A junção p-n, chamada de diodo, é formada a partir da combinação de um material dopante tipo p com outro do tipo n, construído não de forma separada, mas sim, juntos. Com um processo denominado dopagem, pode-se alterar as propriedades elétricas dos materiais semicondutores. Esse método consiste em trocar pequenas quantidades de átomos do elemento que compõe o material “principal” (matriz do cristal básico) por outro, chamado de dopante (Ibid., 2005). Ao trocar, por exemplo, alguns átomos de Silício (Si) por Arsênio (Ar), dopante que favorece o aparecimento de carga negativa, têm-se uma dopagem tipo n. Mas, se, ao invés de Ar, a matriz de Si for dopada com Boro (B), dopante que favorece o aparecimento de carga positiva (neste caso, denominada de buracos), obtêm-se uma dopagem tipo p. Segundo Martins (2008), na junção p-n tem-se duas camadas constituídas pelo mesmo material semicondutor, porém, cada camada possui um tipo de dopante, uma tipo p e outra tipo n. Essa junção é executada para propiciar a existência de um campo elétrico interno, que funciona como um controlador da passagem de cargas. Para a fabricação de um LED, no processo de dopagem para a obtenção da junção p-n, é assegurado um controle da concentração de cargas positivas e negativas de ambos os lados do diodo. A luz emitida pelo LED ocorre devido à recombinação dos elétrons e buracos ao passarem, a partir de uma diferença de potencial fornecida por uma fonte, pela junção p-n. São inúmeras as características favoráveis à utilização do LED nas mais diversas aplicações tecnológicas, entre elas: sua eficiência em converter a energia elétrica em luminosa, chegando a 80%, o que representa economia; durabilidade e, o tamanho do diodo, que pode chegar a dimensões milimétricas (MARTINS, 2008). Os LEDs podem ser empregados em: semáforos de trânsito; como luz de fundo, “backlight”, em substituição à lâmpada fluorescente nos displays de LCDs; “TVs gigantes” (tipo letreiros de propaganda luminosos), entre outros. Nas TVs gigantes, que também pode ser chamadas de “telas jumbo”, que geralmente ficam expostas ao ar livre, são utilizados LEDs das cores vermelho, verde e azul (cores primárias luz). Esses LEDs coloridos são arranjados em grupos, chamados 11 módulos, de forma a “substituir” um pixel de uma TV comum. Cada módulo possui de quatro a dezenas de LEDs, e a quantidade de módulos depende do tamanho da tela que deseja construir. Para que a imagem ou caractere apareça na tela, através de tensões aplicadas individualmente, faz-se acender diferentes LEDs ou módulos de acordo com as características e cores que compõe a imagem. 2.3 – Tela de Toque A tela de toque (Touch Screen), como se pode imaginar, é sensível ao toque e, é baseada em monitores CRT ou LCD, em que, ao pressioná-la com o dedo ou com uma caneta de feltro, sem tinta, as funções predefinidas na tela são ativadas. Isso elimina a necessidade do uso de mouse, teclado, controle ou qualquer outro dispositivo de entrada para a ativação das operações requeridas. Esse tipo de tela é muito comum no sistema bancário, restaurantes e, atualmente, está presente em alguns aparelhos de celular entre outros equipamentos. Existem basicamente três tipos de sistemas para identificar o toque na tela pelo usuário, sendo eles: sistema resistivo, sistema capacitivo e sistema de onda acústica superficial, sendo que o mais comum é o que utiliza o sistema resistivo, por isso é relatado a seguir. A tela sensível ao toque, conforme descreve Gutierrez (et al., 2006), consiste de uma tela de vidro recoberta por duas camadas, uma resistiva e outra condutora. Entre essas camadas existem espaçadores a fim de mantê-las afastadas (figura 2). Para que a camada condutora seja protegida, e consequentemente todo o conjunto, uma película de material polimérico reveste a tela. Enquanto o monitor está em operação uma corrente elétrica percorre as duas camadas, assim, quando o usuário toca a tela, a camada condutiva é pressionada contra a camada resistiva, o que proporciona um contato elétrico exatamente naquele ponto. Assim, a imagem é mostrada de acordo com o mapeamento feito na tela a partir do comando de toque. Fig. 2: Esquematização do funcionamento e componentes de uma tela Touch Screen (GUTIERREZ, et al. 2006, p. 41). 12 2.4 – FED Os mostradores eletroluminescentes denominados FED (sigla em inglês, Field Emission Display), são semelhantes a outros dois tipos de displays, os CRTs e LCDs. Assim como no CRT, os painéis FEDs, possuem uma camada de fósforo aplicada na parte frontal da tela tornando-se luminescente quando elétrons, oriundos do catodo, atingem-na. No entanto, diferencia-se do CRT na forma de ativação da tela que, para isso, é utilizado três canhões de elétrons para ativarem um pixel, no FED, por sua vez, para cada pixel existem diversos emissores, pode-se dizer que para cada um deles existe uma fonte emissora de elétrons. O controle direto, pixel a pixel, no mostrador FED o faz semelhante ao display de LCD. A presente tecnologia ainda está em fase de pesquisas, no entanto, alguns resultados são muito promissores. Uma das vantagens dos FEDs perante as atuais tecnologias em displays, além do baixo consumo de energia, são sua leveza, espessura, preço de custo e temperatura de trabalho (que varia de -30 a 80º C). 2.5 – Tubo de Raios Catódicos A televisão nasceu em 1950 nos Estados Unidos, possuía uma imagem em preto e branco e chegou ao Brasil no ano de 1963. A TV em cores teve suas primeiras transmissões, no Brasil, a partir de março de 1972, sendo que o país foi o primeiro da América Latina a adquirir televisões em cores. Tal televisão, produzida e utilizada até os dias atuais, funciona a partir de um tubo conhecido como tubo de raios catódicos. Por isso, é chamada de convencional ou CRT. O tubo de raios catódicos não foi projetado da maneira como hoje se conhece, sua maior utilização era para o estudo das descargas elétricas em gases rarefeitos. Inicialmente, o aparato era constituído por um tubo cilíndrico de vidro fino com mercúrio metálico em seu interior. Por volta de 1850 iniciaram as investigações científicas em tubos evacuados (CHESMAN; ANDRÉ; MACEDO, 2004). Em 1858, o alemão Julius Plücker, utilizando esses tubos, ao realizar experiências com descargas elétricas observou alguns fenômenos “anormais”, como, por exemplo, raios com cores diferentes no interior do tubo e que, quando submetido à presença de um campo magnético, tinham como trajetórias as paredes do vidro. Em 1869, o físico alemão Johann Hittorf notou que os raios descreviam trajetórias retilíneas. Como esses raios surgem no catodo, foi denominado de raios catódicos, em 1876, pelo físico 13 alemão Eugen Goldstein. Realizando experiências com tubo de raios catódicos, em 1897, o físico inglês Joseph John Thomson descobriu que os raios catódicos eram, na verdade, uma partícula constituinte do átomo, denominada de elétrons, eliminando o mito de que o átomo era indivisível. A conseqüência prática da descoberta de Thomson se deve à possibilidade de controlar o movimento dos elétrons através de campos elétricos e magnéticos (Ibid., 2004). Foi esse princípio que permitiu a utilização do tubo de raios catódicos como mostradores de informação, ou seja, a construção de TVs e monitores. 2.5.1 – O tubo de imagem da TV A parte fundamental de uma televisão e dos monitores de vídeos de computadores, que utilizam essa tecnologia, é o tubo de raios catódicos (figura 3). No interior do CRT existe um vácuo. Próximo ao gargalo do tubo há um filamento metálico, parecido com o de uma lâmpada incandescente, que, quando aquecido, emite elétrons por efeito chamado termoiônico. Os elétrons são acelerados por uma diferença de potencial entre o catodo e o anodo, formando um feixe delgado que se projeta na extremidade oposta do tubo (AMALDI, 1997). Esse feixe eletrônico é controlado por campos elétricos e magnéticos que o direcionam de tal forma que eles varram a tela que contém um material fosforescente. A varredura feita pelo feixe de elétrons ocorre em linhas horizontais, chegando ao fim da linha ele salta para a de baixo, assim sucessivamente, até varrer toda a tela, linha a linha. Em seguida, recomeça o processo a partir da primeira linha (figura 4). Esse processo de varredura é que formará a imagem na tela e é executada 60 vezes por segundo, conforme a freqüência da corrente alternada da rede elétrica. A velocidade de varredura leva em consideração o fato de que a retina retêm a imagem de um ponto luminoso durante 1/20 segundos após ela ter sido recebida (GREF, 2005), já que para a imagem ser completamente formada na tela leva 1/60 segundos, os nossos olhos não conseguem perceberem o tempo de renovação da imagem, mas sim, a vê como completa e contínua (sem interrupções na sua formação). 14 Fig. 3: Esquema simplificado de um tubo de raios catódicos4. Fig. 4: Varredura da tela. O feixe de elétrons percorre a tela linha a linha. Ao chegar ao fim, reinicia o processo, guiado horizontal e verticalmente por campo elétrico e magnético. Esse ciclo ocorre 60 vezes por segundo (Figura extraída de GREF, 2005). Como dito, a parte interna da tela de uma TV é recoberta por um material fosforescente (em TVs o material utilizado é o fósforo). Ao ser atingido pelo feixe de elétrons o fósforo emite luz na faixa do visível. As primeiras TVs tinham suas imagens em preto e branco formadas por um conjunto de pontos com diferentes luminosidades, geradas a partir da intensidade do feixe eletrônico emitida sobre a tela da TV. Os televisores coloridos têm sua tela formada por milhares de pontos fosforescentes em grupos de três, igualmente distribuídos (GREF, 2005). Cada um desse grupo pode emitir, quando atingidos pelo feixe de elétrons, a luz nas cores primárias vermelho, verde ou azul. Esse televisor possui ainda três feixes de elétrons com intensidade variável, independentes entre si e diferenciados por cores (um canhão para cada cor primária), que, em conjunto, varrem a tela reproduzindo as proporções das cores na imagem que se vê na tela. Na figura 5, verifica-se que os feixes desses canhões atravessam uma máscara perfurada, localizada atrás da tela, com bastante precisão, isto 4 Adaptado de . Acesso em: 10 mar 2010. 15 proporciona que os elétrons atinjam exatamente os pontos que emitem a luz da cor desejada (AMALDI, 1997). Dessa maneira, na tela da TV, é possível visualizar as imagens coloridas. Fig. 5: Os três feixes atravessam a máscara perfurada ou placa de sombras, atingindo o ponto de cor correspondente. O que se vê na tela é regulado pelo controle da intensidade de cada feixe5. 2.6 – PLASMA O plasma se tornou popularmente conhecido através das TVs de plasma. No entanto, sua descoberta ocorreu em 1926 pelos físicos Irving Langmuir e H. Mott-Smith, que, ao estudarem descargas elétricas em vapor de mercúrio descobriram que as características do gás ionizado produzidos nestas descargas eram consideravelmente uniformes, a este efeito denominaram plasma. Já a aplicação do plasma nos televisores, de acordo com Damasio e Calloni (2008), remonta a década de 1960 e, os créditos da invenção da TV de plasma pertencem aos cientistas Donald L. Bitzer e H. Gene Slottow da Universidade de Illinois. A primeira TV de plasma era monocromática, nas cores laranja e verde, a TV colorida foi criada na mesma Universidade por Larry Weber na década de 1970. Ao longo do trabalho será apresentada uma breve descrição sobre o funcionamento desse tipo de TV, mas, antes, é necessário compreender o que é o plasma. Ao plasma é comumente atribuído o posto de “quarto estado da matéria”, na ordem: sólido, líquido, gasoso e plasma. Este último difere dos demais, pois, a mudança de fase entre o estado gasoso e o plasma não ocorre por transição bem definida, como acontece, por exemplo, do estado líquido para o sólido, assim, caracteriza-se como sendo um gás constituído por partículas eletricamente carregadas suficientemente para afetar suas propriedades e comportamento. Pode-se dizer que a seqüência estabelecida para determinar o plasma como o quarto estado da matéria, além da energia atribuída a cada fase, está na ordem molecular dos distintos estados, sendo o plasma o estado mais desordenado e energético. 5 Retirado de . Acesso em: 08 jun 2010. 16 Comparando a quantidade de cada fase existente, o plasma é o mais abundante, cerca de 99% da matéria visível do universo é constituído por este estado. Como visto, o plasma é também um gás. Porém, a fase gasosa é formada por átomos eletricamente neutros, ou seja, possui carga líquida nula, isso quer dizer que os átomos de um gás ordinário são compostos por átomos com um número igual de cargas positivas e negativas. Por outro lado, “o plasma é um gás que contém uma mistura de átomos neutros, átomos ionizados e elétrons livres em constante interação elétrica” (DAMASIO e CALLONI, 2008, p. 17). Sabe-se que o átomo é formado por partículas eletricamente neutras, positivas (prótons) e negativas (elétrons) e, que o átomo é dito eletricamente neutro quando possui o mesmo número de cargas positivas e negativas; além disso, há processos, por adição de calor ou outra forma de energia, que permitem que tais átomos percam alguns ou todos os seus elétrons. Os elétrons que se desligam do átomo são chamados de elétrons livres, já os átomos que perderam seus elétrons, por apresentarem uma carga resultante positiva, tornam-se ionizados. O gás em que ocorreu tal processo recebe o nome de gás ionizado e, dependendo da taxa de ionização desse gás (determinada pela quantidade de elétrons livres) e da interação entre as partículas (as partículas não apenas colidem entre si, como ocorre em um gás, mas, sofrem movimentos coletivos em que passam a interagirem-se a distância devido às forças eletromagnéticas), será denominado plasma (observe a figura 6). Segundo Muzart (1988), até mesmo gases pouco ionizados são plasmas. Cruz (et al., 1989) ressalta que os íons e elétrons livres resultantes, não mais se comportarão como um gás, visto que, além de colisões, eles sentirão também os efeitos dos campos elétricos e magnéticos devido às cargas e correntes. Quanto maior for a temperatura do gás, maior será a energia dos elétrons livres, aumentando a probabilidade de ionização dos átomos, no entanto, os elétrons livres ao colidirem-se com um íon positivo, poderá permanecer “ligado”, formando assim um átomo neutro emitindo um fóton. Fig. 6: Matéria no estado gasoso, constituída por átomos neutros (a) e, no estado de plasma, onde as partículas são íons e elétrons livres (b) (TAVARES et al., 2009, p. 2) 17 O processo de obtenção do plasma geralmente se dá aquecendo um gás a temperaturas muito elevadas. Assim, a temperatura tem papel fundamental no comportamento da matéria, capaz de quebrar a estabilidade do átomo. O Sol, com uma massa de 1,989 x 1030 Kg, como normalmente se imagina, não possui estrutura rochosa, mas sim, é formado integralmente por gases e sua matéria é o plasma. No núcleo solar a temperatura do plasma atinge 15 milhões de graus Celsius, esta temperatura é gerada por reações termonucleares. Para perceber a existência de plasma não é necessário ir tão longe, a camada da atmosfera chamada de ionosfera (conforme o nome sugere) possuem muitos átomos ionizados e é essa região a responsável pela manifestação das auroras; ainda mais próximo, o relâmpago é também um fenômeno de plasmas (TAVARES e SANTIAGO, 2002). Cientistas buscam a obtenção de energia utilizando plasma, trata-se de fazer com que o processo de fusão nuclear ocorra em um gás altamente aquecido. Uma das principais aplicações tecnológicas do plasma, ao menos as mais comuns, está na fabricação de lâmpadas fluorescentes e de TVs de plasma. Mas, como descrito anteriormente, o plasma é caracterizado por um gás ionizado e, obtido através da elevação da temperatura, então, como podem as TVs e as lâmpadas fluorescentes serem aplicações do plasma e mesmo assim serem “frias”? A seguir será apresentado o principio básico de funcionamento da TV de plasma, permitindo que tal questão possa ser respondida. 2.6.1 – Lâmpadas fluorescentes e painéis de plasma As lâmpadas fluorescentes possuem em seu interior um gás, geralmente, neônio e argônio misturados com uma pequena quantidade de mercúrio. Nas extremidades da lâmpada existem os terminais (positivo e negativo) que geram uma diferença de potencial. O tubo, em que está contido o gás, é revestido com uma camada de fósforo. Ao ligar a lâmpada cria-se uma diferença de potencial entre os terminais fazendo com que os elétrons fluam no interior do tubo e ionizem os átomos do gás, gerando, portanto, o plasma de baixa densidade que, por ser condutor, manterá a corrente elétrica fluindo (DAMASIO e CALLONI, 2008). Conforme visto anteriormente, a elevada temperatura é sinal de estado altamente energético dos íons que formam o plasma, e o plasma está relacionado à quantidade de átomos ionizados; quando a quantidade de íons de um gás é elevada, dizemos que se trata de um plasma de alta densidade, como acontece no sol, mas, quando a densidade de partículas ionizadas for baixa, a temperatura média do meio também será baixa, caracterizando o plasma de baixa densidade. 18 As lâmpadas fluorescentes e os painéis de plasma são compostos por plasmas de baixa densidade. O plasma tem a função de excitar os átomos de mercúrio contidos no interior do tubo, que ao regressarem ao estado normal emitem energia (fótons) na forma de luz. A luz emitida nesse processo está na faixa do ultravioleta, que não é visível ao homem, ela, por sua vez, incide na camada de fósforo, excitando-o, que ao decair para um nível normal de energia libera luz visível, capaz de iluminar o ambiente6. A TV de plasma funciona como se fosse um aglomerado de pequenas lâmpadas fluorescentes formadas pelas três cores primárias: vermelho, verde e azul. A tela de plasma é basicamente formada por dois vidros, dois eletrodos, gás nobre (geralmente neônio e xenônio), e um material fosforescente, como o fósforo. A figura 7 apresenta um esquema da composição da tela de plasma. A diferença de potencial, capaz de ionizar o gás, é gerada pelos eletrodos, emissor e de exposição, que excitará o gás até que ele atinja o estado de plasma. Os elétrons livres incidirão sobre os átomos do gás, fornecendo a energia necessária para que estes se excitem. Quando os elétrons dos átomos do gás decaírem ao nível normal de energia, emitirão luz na faixa do ultravioleta. Como já descrito, para que a luz torne-se visível é necessário que a luz ultravioleta interaja com os átomos do fósforo, ao receber a energia um elétron do átomo do fósforo passa para um nível mais alto de energia e, ao decair para o nível inicial, estável, emitirá energia na forma de luz visível. Fig. 7: Esquematização dos componentes que formam uma tela de plasma. Um pixel é constituído por três células de cores diferentes (retirado de Damásio e Calloni, 2008, p. 19). 6 Para saber mais sobre o processo de excitação e decaimento dos átomos nos níveis de energia, consultar Damasio e Calloni (2008). 19 A imagem na tela de plasma é formada por pixels. Cada pixel da tela colorida é composta por três células (sub-pixels), onde cada célula contém um material fosfórico de cor diferente. Tais cores, quando misturadas, formam toda a gama de cores possíveis em um pixel e a intensidade dessas cores é determinada pela variação da corrente que percorre o plasma. 2.7 – LCD O display de LCD é uma aplicação tecnológica de um estado da matéria denominado liquido-cristalino, assim chamado por apresentar propriedades do estado líquido e também do sólido. Diferentemente do CRT os mostradores de LCD são delgados. Isso porque para seu funcionamento não utilizam canhões de elétrons no intuito de ativar um pixel, mas sim, um mecanismo de ativação pixel a pixel. O cristal líquido mais empregado na fabricação de tais mostradores tem a capacidade de fazer girar o plano da luz polarizada, no qual o grau de torção pode ser controlado através de uma diferença de potencial aplicada ao material. Em um dispositivo que apresenta imagem em preto e branco, ou na tonalidade cinza, tem-se apenas dois estados on ou off, isto quer dizer que o cristal líquido permitirá ou não que a luz passe e forme uma imagem na tela. As telas de LCDs coloridas também tem seus pixels ativados um a um, no entanto, são divididos em três partes onde cada parte possui uma cor característica (vermelho, verde ou azul), as denominadas cores luz. O controle da intensidade das cores nas telas coloridas, feito por eletrodos, e a mistura dessas três cores básicas é que forma a imagem que se vê na tela. Uma abordagem mais detalhada sobre esse assunto será tratada adiante. 20 Capítulo III Cristais Líquidos 3.1 – Breve Histórico Geralmente é ensinado na escola de educação básica que a matéria possui três distintos estados: sólido, líquido e gasoso, no entanto, estes não são os únicos. Em 1888 o químico e botânico austríaco Friedrich Richard Kornelius Reinitzer (1858-1927), estudando as propriedades de diversos compostos derivados do colesterol, descobriu que o benzoato de colesterila apresentava uma propriedade anômala, pois observou a existência de dois pontos de fusão para este material. O material, até determinada temperatura, apresenta-se no estado sólido, ao ser aquecido a 145,5 ºC fundia-se e, ao ser aquecido ainda mais, chegando a 175,5 ºC, voltava a fundir-se, tornando-se líquido. Quando o material se encontrava a uma temperatura entre 145,5 e 175,5 ºC ficava em um estado intermediário, tornando-se pastoso e turvo (PASQUALI, 2009; OLIVEIRA, 2002). Intrigado com o que observara, Reinitzer enviou algumas amostras do material para o físico alemão Otto Lehmann que, com um microscópio equipado com um polarizador e um controlador de temperatura, observou-as e concluiu que o material na fase intermediária era um líquido homogêneo, mas que na presença de luz polarizada tinha um comportamento análogo ao de um cristal. Foi Lehmann quem, em 1889, denominou a nova fase da matéria (mesofase ou líquido-cristalina) de cristal líquido, por pensar que a única diferença entre os cristais líquidos e os cristais sólidos se resumia na fluidez (BECHTOLD, 2005). Os cristais líquidos, na verdade, são assim chamados por apresentarem propriedades mecânicas similares às do estado líquido (fluidez) e propriedades óticas do estado sólido (anisotropia), combinando então as propriedades dos dois estados7. Mais precisamente, os cristais líquidos “são caracterizados por apresentarem um grau de ordem molecular intermediário, entre a ordem orientacional e posicional de longo alcance dos sólidos cristalinos, e a desordem de longo alcance dos líquidos isotrópicos e gases” (BECHTOLD, 2005, p. 333). Na figura 8, abaixo, observa-se que o grau de ordem na fase liquido-cristalina é menor que na dos sólidos, porém, é mais ordenado que os líquidos. Nota-se também que as moléculas estão orientadas segundo uma direção preferencial no espaço, definida pelo vetor 7 Por ser uma fase intermediária, não se deve imaginar os cristais líquidos como uma mistura de cristais com líquidos. Um cristal líquido é um verdadeiro líquido, porém, apresenta propriedades características dos sólidos cristalinos (KROIN, 1985). 21 n, e é essa tendência, das moléculas de apontarem ao longo do vetor diretor (n), que leva a uma condição conhecida como anisotropia8. Segundo Kroin (1985), por ser anisotrópicos é que os cristais líquidos possuem importantes aplicações tecnológicas, conforme será tratado posteriormente. A anisotropia dos cristais líquidos permite a mudança de suas propriedades óticas pela aplicação de campos magnéticos ou elétricos. Fig. 8: Esquematização da estrutura molecular dos estados sólido, cristal líquido e líquido (MOREIRA, 2004, p. 52). A classificação dos cristais líquidos, de acordo com sua mesofase, ocorreu em 1922 com a publicação do trabalho de Georges Friedel (1895-1933), em que, descrevendo as diferentes fases de um cristal líquido, dividiu-os em três categorias: nemático, esmético e colestérico. 3.2 – Classificação dos cristais líquidos Os materiais que apresentam a fase líquido-cristalina são divididos em dois grupos, de acordo com os parâmetros que mais influenciam nas transições de fase, são eles: os termotrópicos, quando os parâmetros mais relevantes para ocorrer a mudança de fase são a temperatura e em menor grau a pressão e, os liotrópicos, quando os parâmetros relevantes são a concentração relativa de uma dada substância e a temperatura (BECHTOLD, 2005; OHARA, 2005). Os cristais líquidos termotrópicos são formados por moléculas anisotrópicas bastante alongadas (em forma de bastão) ou espalmados (na forma de disco ou plaqueta); os cristais líquidos que apresentam a forma alongada são ditos calamíticos e os que apresentam a forma de discos são chamados de discóticos. De acordo com Pasquali (2009), os principais tipos de 8 Característica que uma determinada substância possui de variar certas propriedades Físicas segundo direções diferentes. 22 cristais líquidos pertencentes a este grupo, termotrópicos, são os nemáticos, os esméticos e os colestéricos. Os termotrópicos são de grande interesse tecnológico, principalmente pela indústria de mostradores de informações, os displays. Os liotrópicos são misturas de moléculas anfifílicas em solventes. Segundo Pasquali (2009), essas moléculas são assim chamadas por possuírem duas partes muito diferentes entre si quando misturadas com um solvente, por exemplo, a água, uma parte tem afinidade pela água (hidrofílica) e a outra pelas gorduras e óleos (lipofílica). Essas moléculas em determinadas condições de temperatura, pressão e concentração relativa dos diferentes componentes, apresentam a formação de agregados moleculares, que se organizam com certo grau de ordem. Dessa forma, tais moléculas são formadas por uma parte hidrofílica e outra lipofílica, que se agrupam de acordo com aquilo em que são misturadas. Quando misturadas em um solvente polar, por exemplo, água, elas se agrupam de forma a maximizar o contato da parte hidrofílica com a água, formando estruturas conhecidas como micelas (figura 9); já quando misturados em solvente apolar, elas se agrupam a fim de maximizar a parte lipofílica com o tal solvente, formando estruturas chamadas de micela reversa ou “vesicle”. Fig. 9: Esquematização da formação de micelas. A parte polar da molécula hidrofílica fica em contato com a água, enquanto as caudas, parte apolar, ficam protegidas sem o contato com o solvente, neste caso, a água. Se fosse feita uma representação com um solvente apolar a cauda ficaria em contato com o solvente, já a cabeça ficaria protegida sem o contato com o solvente (BECHTOLD, 2005, p. 334). 3.3 – Classificação das mesofases liquido-cristalinas A classificação das mesofases se deu em 1922 por Friedel, que propôs a divisão em três classes: nemáticos, colestéricos e esméticos. Bechtold (2005) ressalta que tal classificação, inicialmente, foi atribuída apenas aos cristais líquidos termotrópicos, visto que eram os únicos identificados na época. E que após a descoberta dos liotrópicos, tiveram suas propriedades 23 similarmente identificadas com as mesofases propostas, apesar das diferenças quanto à natureza e processo de obtenção. Os cristais líquidos nemáticos, em nível molecular, são os que têm menos ordem (PASQUALI, 2009). Sua ordem orientacional é de longo alcance e suas moléculas, que são alongadas, se orientam, em média, paralelas entre si numa direção preferencial caracterizada pelo vetor unitário n (figura 10), chamado diretor (KROIN, 2005). De acordo com Neves Filho (2008), o fato dos nemáticos se alinharem em uma direção preferencial, é a única característica que os diferenciam do estado líquido isotrópico, além do mais, comparativamente às demais mesofases, os nemáticos possuem alta fluidez. Os cristais líquidos nemáticos possuem um aspecto turvo, mas, quando submetidos a um campo magnético, tornam-se transparentes (PASQUALI, 2009). Fig. 10: Estrutura esquemática da fase nemática (calamítica) dos cristais líquidos termotrópicos (adaptado de Moreira, 2004, p. 56). A mesofase colestérica, também chamada de nemática torcida, é tida como um caso particular dos nemáticos, considerada assim uma mesofase nemática quiral (NEVES FILHO, 2008). Nessa mesofase a estrutura líquido-cristalina é formada por moléculas quirais, que, segundo Bechtold (2005), são caracterizadas por não possuírem simetria especular, isto é, são objetos que diferem de suas respectivas imagens especulares. Em outras palavras, as moléculas dos nemáticos podem fazer-se coincidir com a sua imagem num espelho, mas, as dos colestéricos não. Assim como nos nemáticos, as moléculas dos colestéricos tendem a ficarem paralelas, porém, existe uma torção espontânea do vetor diretor, gerando uma estrutura helicoidal contínua (figura 11). 24 Fig. 11: Representação da mesofase colestérica (BECHTOLD, 2005, p. 336). As setas representam o vetor diretor. Devido à sua estrutura helicoidal, os colestéricos podem apresentar propriedades óticas únicas, encontradas apenas nesses materiais. A mais importante é que eles possuem a capacidade de fazer girar o plano de polarização da luz, que será entendida com mais detalhes posteriormente. Outra característica dessa mesofase é observada quando o material é submetido a um campo elétrico ou magnético, sua estrutura helicoidal é desfeita tornando-se uma mesofase nemática, como aquela apresentada na figura 10. Os cristais líquidos esméticos são caracterizados por apresentarem ordem orientacional e posicional, que lembra a dos sólidos (NEVES FILHO, 2008). Nessa mesofase, as moléculas estão organizadas em camadas periódicas, podendo deslizar livremente uma sobre as outras, diferentemente das estruturas cristalinas. Segundo Pasquali (2009), os cristais líquidos esméticos em que a direção média das moléculas é perpendicular à superfície das camadas são denominados estruturados; já aqueles que possuem um ângulo de inclinação, são chamados de esméticos não estruturados. As substâncias que apresentam a mesofase esmética são subdivididas em subfases (esméticos A, B, C, ...), seguindo a ordem cronológica de sua descoberta. E as diferentes subfases ocorrem de acordo com o ângulo de inclinação que pode existir entre o eixo perpendicular e o vetor diretor n (figura 12) (NEVES FILHO, 2008). 25 Fig. 12: Representação esquemática da mesofase esmética. (a) esmética A (estruturada) e, (b) esmética C (não estruturada) (BECHTOLD, 2005, p. 336). 3.4 – O estado líquido-cristalino no cotidiano e algumas aplicações tecnológicas O estado líquido-cristalino da matéria possui muitas aplicações no dia-a-dia, às vezes as pessoas nem se dão conta de sua presença. Esse estado tornou-se popularmente conhecido pelo termo cristal líquido, principalmente pelo seu uso em telas de computadores, TVs e celulares. A grande aplicação dos cristais líquidos, certamente, se dá nos mostradores de cristais líquidos, os displays, além das telas de TVs e computadores, pode-se encontrar os cristais líquidos em displays de calculadoras, relógios de pulso, rádios, painéis de veículos, aparelhos de celulares, entre outros. No entanto, a aplicação desses materiais se dá, também, na indústria alimentícia, lubrificantes, fármacos, cosméticos, etc. As principais aplicações tecnológicas dos cristais líquidos se devem, em grande parte, às suas propriedades óticas. Os cristais líquidos termotrópicos são bastante utilizados em eletrônica, os esméticos, por exemplo, devido à sua polarização espontânea, são bastante utilizados na fabricação de mostradores de telas mais sofisticadas. Os cristais líquidos esméticos possuem um tempo de resposta mais rápido. Na fabricação dos mostradores de cristais líquidos de calculadoras e relógios de pulso, em que a exigência de um tempo de resposta rápido não é tão necessária, utiliza-se os nemáticos (BECHTOLD, 2005). Os colestéricos, por causa das estruturas helicoidais e pela capacidade de variarem a cor devido à dependência com a temperatura, são utilizados na fabricação de termômetros (ANDERY e SILVEIRA JÚNIOR, 2008); são ainda, empregados na produção de telas de calculadoras, monitores de computadores e TVs, isso se deve a capacidade que tem de alterar a estrutura pela ação de campos elétricos intensos (PASQUALI, 2005). De acordo com Pasquali (2005), é possível encontrar os cristais liotrópicos em uma mistura de sabão ou detergente e água. Ao misturar uma pequena quantidade de sabão ou detergente na água, formarão uma solução em que suas moléculas ficarão rodeadas pela água. 26 Acrescentando mais sabão ou detergente na mistura, chegando a uma determinada concentração (micelar crítica), as moléculas de sabão ou detergente associam-se, formando micelas (conforme apresentada na figura 9). Nessas micelas, a parte lipofílica das moléculas de sabão ou detergente ficam no interior, enquanto a parte hidrofílica fica no exterior, em contato com a água. Para que seja formado um cristal líquido liotrópico as micelas devem associarem-se de maneira ordenada e, para que isto ocorra a concentração de detergente ou sabão em água deve ser alta. Os cristais líquidos liotrópicos, pela característica anfifílica das substâncias que os formam, possuem a capacidade de dissolver fármacos tanto solúveis em água quanto em óleos. Além disso, por possuírem alta viscosidade, são capazes de promover a liberação de medicamentos mais lentamente, o que permite reduzir a freqüência de administração de remédios. 3.5 – Descrição da montagem e funcionamento de um mostrador de Cristal Líquido A fabricação de displays de cristais líquidos (LCD) não são apenas para uso em telas de TVs ou computadores, mas, como já mencionado, o principal mercado da indústria de cristais líquidos são os displays portáteis, aqueles utilizados em aparelhos como: celulares, relógios de pulso, calculadoras, máquinas digitais, e outros. Sendo assim, é fácil constatar a presença marcante dos displays de cristais líquidos na sociedade. Um dos principais motivos pelo uso desse material é que a tecnologia LCD permite a exibição de imagens monocromáticas ou coloridas sem a necessidade de um tubo de imagens (CRT). Os displays mais comuns empregam a tecnologia nemático-torcida (LCD-TN) ou colestérico. Os TN (twisted nematic), devido à sua estrutura helicoidal, têm a capacidade de fazer girar o plano da luz que o atravessa. No entanto, na presença de um campo elétrico esses dispositivos eletrônicos perdem essa capacidade de girar a luz polarizada, ou seja, aquela que oscila em apenas um plano9. O display de cristal líquido, basicamente, é formado por polaróides, “sanduíche” de cristal líquido e um espelho refletor. Laburú (et al., 1998), ao desmontar os mostradores de calculadoras e relógios de pulso, pode identificar a seguinte seqüência construtiva dos LCDs: 9 A luz, de acordo com a teoria ondulatória, é formada por ondas eletromagnéticas que se propagam por todas as direções, ou seja, difusa. O polarizador seleciona a onda de luz que se propaga somente em uma determinada direção, por exemplo, o polarizador (2) da figura 13 permite a passagem da luz que caminha na horizontal, dessa forma todas as outras ficariam retidas. Assim, a luz que atravessa é chamada de luz polarizada. 27 Fig. 13: Esquema das partes que formam um LCD: capa protetora (1), polaróide ou polarizador (2 e 7), vidros com circuito elétrico (3 e 6), borracha condutora (4), cristal líquido (5) e espelho (8) (LABURÚ, et al., 1998). O “sanduíche” de cristal líquido é composto pelas partes 3, 4, 5 e 6, da figura acima. Para que o cristal líquido colestérico possa girar o plano da luz que passa pelo primeiro polarizador e permita que a luz, polarizada, chegue ao segundo polarizador, nesse caso, disposto na vertical, é necessário que ele esteja ancorado paralelamente nas paredes internas dos vidros em uma direção determinada. Isso é feito tratando o vidro, de forma grosseira, pode-se dizer que, nas paredes internas do vidro (3) terão minúsculas ranhuras na horizontal, já no vidro (6) as ranhuras serão na vertical (observe a figura 14 (a)). Como os cristais líquidos TN permitem a torção de 90º, os polarizadores são orientados de acordo com o tratamento do vidro, dessa forma, ortogonais entre si. Existem dois tipos de tecnologias de LCD, a reflexiva, que utiliza a iluminação frontal e possui um espelho na parte traseira, fazendo com que a luz, vinda do exterior, faça o caminho inverso, e a transmissiva, que apresenta uma iluminação na parte traseira, chamada backlight. A figura 13 apresenta uma montagem típica para mostradores que utilizam a tecnologia reflexiva (telas de relógios, calculadores, e outros), já a figura 14 apresenta uma esquematização para aqueles displays que empregam a tecnologia transmissiva (telas de celulares, notebooks, entre outros). Nos displays estudados por Laburú (et al., 1998), têm-se apenas dois estados de funcionamento, aceso (on) ou apagado (off). Esse fato não ocorre devido à tecnologia reflexiva, mas sim, por serem monocromáticos; nos displays coloridos, que será visto com mais detalhes posteriormente, não quer dizer que existam necessariamente dois estados, as imagens formadas de acordo com a intensidade das cores, que por sua vez é determinada pela aplicação de diferentes tensões pelos eletrodos nos pixels que formam cada ponto da imagem. Como visto, o “sanduíche” de cristal líquido é colocado entre dois polarizadores ortogonais entre si. A luz difusa emitida pelo interior do display, para o caso dos mostradores que possuem backlight, é linearmente polarizada pelo polarizador traseiro. Ao passar pelo cristal líquido a luz segue a torção deste, sendo então rotacionada (em 90º), o que possibilita que ela atravesse o polarizador frontal e seja transmitida (tornando claro o segmento de onde 28 surgiu a luz), conforme se observa na figura 14 (a). No entanto, ao se aplicar uma diferença de potencial entre os eletrodos (circuitos elétricos “impressos” nos vidros do display), gerando assim um campo elétrico, toda a estrutura colestérica será desfeita, ou seja, as moléculas respondem à ação do campo elétrico e perdem a orientação helicoidal passando a orientaremse, aproximadamente, paralelas ao campo, isso impede a rotação do plano de polarização da luz a partir do polarizador traseiro e, consequentemente, o polarizador frontal bloqueará a luz e o mostrador se tornará escuro (figura 14 (b)). Fig. 14: Esquema de um mostrador que utiliza a tecnologia tipo transmissiva10. (a) A luz, depois de polarizada, sofre uma torção pelo cristal líquido e passa pelo polarizador frontal, sendo assim transmitida. (b) A partir da ação de um campo elétrico, as moléculas do cristal líquido se orientam praticamente paralelas ao campo o que faz com que a luz seja bloqueada pelo polarizador frontal e não seja transmitida. É esse o principio de funcionamento dos mostradores de cristais líquidos e, como pode ser observado, é bastante simples. A dificuldade encontrada está na construção de tais displays, pois, para que a imagem seja formada na tela é necessário que cada ponto luminoso (pixel) tenha o mesmo dispositivo de funcionamento do que foi apresentado acima. Então, a imagem mostrada na tela é fruto de ajuste pixel a pixel feito pela microeletrônica, através de eletrodos. Dessa forma, quanto maior a resolução da tela e maior a definição da imagem mais complexa é a sua fabricação. No funcionamento de um LCD simples, monocromático, como o que tem sido apresentado até o momento, a imagem apresentada na tela é constituída por pontos, os chamados pixels, que, estão ordenados em colunas e linhas. Cada pixel corresponde a um endereço na memória de vídeo do aparelho e à medida que são transferidos para a tela os 10 Figura extraída de . Acesso em: 08 jun 2010. 29 pontos do LCD são alterados, passando aos estados on e off, ou seja, iluminado e não iluminado. A junção de diversos pixels no estado não iluminado, por exemplo, formam uma imagem. Na figura 15 (a), abaixo, para que a letra “A” possa ser gerada, são ativados 16 pixels, no entanto, isso varia de uma imagem para outra. Os “tons de cinza”, na imagem, são obtidos ajustando a luminosidade do ponto, que é feito através do controle da tensão aplicada aos eletrodos o que pode fazer com que as moléculas dos cristais líquidos fiquem apenas parcialmente torcidas. Nos mostradores coloridos a imagem continua a ser formada por pixels, e seu funcionamento é exatamente como o descrito. Então, o que o faz apresentar imagens coloridas? Tais displays são construídos dividindo-se cada pixel em três partes ou sub-pixels, por meio de filtros coloridos, vermelho (Red), verde (Green) e azul (Blue), que designa a denominação utilizada para telas coloridas, do inglês, “RGB” (figura 15 (b)). Estas são as chamadas “cores luz” que, delas, originam todas as outras cores, variando a mistura e intensidade das três cores básicas. Assim, os eletrodos exercem a função de controlar a intensidade da luz em cada sub-pixel que forma um pixel. Fig. 15: Esquema da imagem formada através de pontos ou pixels (OLIVEIRA, [2003?]). (a) Para que a letra “A” aparecesse na tela, foram ativados 16 pontos. (b) A luz difusa da fonte (1) incide sobre o polarizador (2), tornando-a linearmente polarizada na vertical. Em seguida, atravessa o vidro (3) e atinge a matriz (4) de eletrodos, que armazena os padrões de imagem. A luz polarizada chega ao “sanduíche” de cristal líquido (5), que “torce-a”. Após, passa pelos filtros coloridos (6), o vidro (7) e o polarizador horizontal (8), permitindo aos feixes de luz, que puderam atravessá-lo, chegarem aos pixels (9) do mostrador. Os mostradores de cristais líquidos que apresentam imagens coloridas, geralmente, são constituídos por backlight, uma luz de fundo ou lateral, diferente das calculadoras e relógios digitais, por exemplo, que necessitam de luz ambiente para que possam formar imagens, é por 30 isso que esses últimos são fabricados com um espelho na parte traseira para refletir a luz polarizada incidente. A iluminação traseira utilizada, por exemplo, em notebooks, é, na maioria das vezes, realizada por lâmpadas fluorescentes ou LEDs. 31 CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste trabalho verificamos que, devido às suas propriedades óticas, os cristais líquidos apresentam importantes aplicações tecnológicas. A mudança nas propriedades óticas de um cristal líquido está relacionada com a aplicação de campos elétricos ou magnéticos, possibilitando a passagem, ou não, da luz para que alguma informação possa ser exibida na tela. Sendo esta, a utilização em displays, uma das principais aplicações do cristal líquido, e isto é o que o torna tão próximo da nossa realidade. Ao se tratar dos mostradores de informações, os cristais líquidos são os potenciais substitutos das tradicionais telas de tubo de raios catódicos, no entanto, como relatado neste trabalho, não são os únicos, há importantes outros tipos de mostradores que despontam como concorrentes e pelas animadoras pesquisas na área. No decorrer desta monografia ressaltamos a importância de ensinar tópicos de FMC no ensino médio. É notável a preocupação e o empenho de pesquisadores e educadores em ensino de Física para que, a Física ensinada nas escolas, assim como a Ciência, a Tecnologia e a própria humanidade, possa também evoluir. É possível perceber ainda que há algumas iniciativas por parte de autores de materiais didáticos em incluírem em seus livros tópicos relacionados à FMC, porém, há um longo caminho a ser percorrido para que tal abordagem seja adequada e suficiente. Em se tratando do principal tópico deste trabalho, cristais líquidos, nota-se na literatura especializada uma escassez de publicações que apresentem uma metodologia e textos com linguagens específicas para o nível médio da educação básica. Ainda assim, apesar de utilizar uma linguagem pouco técnica e sem abordagem matemática, neste trabalho não se propõe uma metodologia de aplicação do tema no ensino médio. O intuito é despertar em alunos e, principalmente, em professores, um interesse sobre o tópico a partir da análise dos argumentos físicos e tecnológicos aqui apresentados. Pois acreditamos que, mais que ensinar, é necessário permitir aos alunos que se sintam insatisfeitos com o conhecimento científico tratado em sala de aula, e ainda, que os ensinamentos e as trocas de saberes realizadas em uma aula de Física possam servir como fonte de inspiração para que o próprio aluno sinta-se intrigado e entusiasmado em aprofundar-se sobre os temas abordados. Ao analisar os documentos que tratam das diretrizes e parâmetros que regem a educação básica, observa-se a exigência máxima quanto à formação do indivíduo pela escola, onde realça que a formação básica deve, não apenas permitir a manipulação dos mecanismos tecnológicos, mas, também, propiciar ao indivíduo o conhecimento científico vinculado aos 32 aparatos modernos. Por isso, a insistência da necessidade de abordagem de temas atuais da Física nas escolas de ensino médio. Muitas vezes, a intenção por parte de alguns professores de inserirem nas aulas tópicos da FMC no ensino médio esbarra no número reduzido de hora-aula para a disciplina de Física e o grande rol de conteúdos que devem ser trabalhos para cumprir o currículo. No entanto, é possível perceber que, ao tratar em sala de aula do tema em questão, diferentes abordagens Físicas podem ser trabalhadas em associação ao tópico, tais como: análise quântica da luz (fótons), polarização, refração e reflexão da luz, entre outros. Por isso, a FMC não pode ser simplesmente taxada como “leitura complementar”. Além do mais, observa-se que atualmente poucas medidas práticas foram efetivadas para que tópicos atuais da Física fossem inseridos no rol de conteúdos da Física ensinada na escola básica. Assim, é necessário que os professores tomem atitudes para que mudanças realmente aconteçam na vida daqueles que se tem a responsabilidade de educar. Vivemos num mundo tecnológico, onde, dia-a-dia, ciência e tecnologia dão saltos em evolução melhorando a vida das pessoas. Nesse sentido, é urgente apresentar aos alunos que o ensino escolar é útil e, particularmente a Física, é extremamente importante para compreender os fenômenos que ocorrem no mundo que os cercam. Para o aluno, não há nada mais fascinante do que perceber e compreender que os mecânicos tecnológicos são frutos da ciência e que por ela podem ser explicados. 33 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALVES, Marcos Fernando Soares. Atualização curricular e ciência contemporânea: considerações sobre o ensino das partículas elementares na educação básica. Trabalho de Conclusão de Curso (licenciatura em Física) – Departamento de Física, Universidade Estadual de Maringá, Maringá, 2008. AMALDI, Ugo. Imagens da Física: as idéias e experiências, do pêndulo aos quarks. São Paulo: Scipione ltda, 1997. ANDERY, Nadyara P.; SILVEIRA JÚNIOR, Landulfo. Termômetro de Cristal Líquido Colestérico. 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Assim, pode-se explicar o papel dos cristais líquidos nos displays e o funcionamento dos LCDs, em seguida, para fins práticos, sugerimos a utilização de uma caixa de cores, conforme a descrita abaixo, para que possa ser explicado o fato de percebermos imagens coloridas nas telas de cristais líquidos. Um experimento sobre a composição da luz: caixa de cores Ao se tratar dos cristais líquidos, observa-se que as imagens coloridas exibidas nos mostradores de LCDs são formadas a partir da superposição de três cores primárias: vermelho, verde e azul. Assim, disponibilizamos como anexo uma proposta para uso em sala de aula, ou de laboratório, um experimento para demonstração de superposição de cores, denominado “caixa de cores”. Este experimento consiste basicamente de uma caixa de madeira e três lâmpadas coloridas (vermelha, verde e azul) de 40 W. Pode-se construir uma caixa de madeira retangular (20x20x30cm) em que na frente da caixa é feito uma abertura circular e no lado oposto colocam-se três “bocais” para a instalação das lâmpadas (conforme figura 1 (a e b)). Para controlar quais lâmpadas devem ser acessas, instala-se, para cada bocal, um interruptor de acordo com o esquema da figura 1 (c)11. A maior dificuldade para a construção deste experimento está em encontrar no mercado lâmpadas que tenham comprimentos de ondas adequados às cores aqui utilizadas12. Não testamos, mas, segundo alguns autores (COSTA et al, 2008), as que apresentaram os melhores resultados foram as lâmpadas coloridas Sylvania Decorativa®. 11 Cuidados devem ser tomados ao fazer a instalação elétrica. Costa (et al., 2008), para evitarem esse problema utilizam lâmpadas do tipo dicróticas (P = 50 W) e um slide com filtro colorido. 12 38 Fig. 1: Representação esquemática da caixa de cores (GREF, 1998). De todo o espectro eletromagnético, visualmente, o ser humano consegue perceber somente a faixa localizada da região chamada de visível, ou seja, entre 400 e 700 nm (figura 2). Após ultrapassar todas as camadas do olho, a luz chega até a retina. A retina é a responsável por detectar a luz, ela contém células sensíveis à luz, chamadas de cones, assim, conseguem perceber as diferentes cores, ou melhor, os diferentes comprimentos de onda correspondente a cada cor. Cada cor também possui um pequeno intervalo de comprimento de onda que pode ser identificado, o vermelho, por exemplo, se encontra entre 630 e 780 nm. Dessa forma, quando as células da retina recebem a luz de uma determinada cor, é enviado ao cérebro um sinal, através dos nervos óticos, que o interpreta e o transforma em sensação visual. Isso significa que quando vemos uma luz de 680 nm, por exemplo, a resposta das células resulta na sensação da cor vermelho, no entanto, ao vermos a luz de comprimento de onda de 580 nm, os cones vermelhos e verdes serão estimulados a perceberam estas duas cores, ocasionando a sensação da cor amarela. Fig. 2: Espectro eletromagnético, em destaque o espectro da luz visível (figura extraída de . Acesso em: 16 jan 2010). 39 A partir das cores primárias: vermelho, verde e azul, podemos obter qualquer cor, desde que a proporção de cada uma seja adequada. A adição de duas cores primárias resulta em uma cor secundária, da seguinte forma: Tabela 1: As siglas RGB representam respectivamente as cores vermelho (Red), verde (Green) e azul (Blue). As cores resultantes são denominadas de cores secundárias. Adição Cor resultante R+G Amarelo G+B Ciano R+B Magenta R+G+B Branco A composição das cores apresentadas na tabela 1 é verificada, com a utilização da caixa de cores, deixando acessas apenas as lâmpadas com as cores desejáveis. Porém, devido às lâmpadas não apresentarem comprimentos de ondas adequados às cores primárias luz, a cor secundária resultante não é não nítido, mesmo assim, é um experimento válido e didático para o estudo da composição das cores. As telas de TVs, por exemplo, são construídas baseadas na percepção do olho humano. Ao visualizarmos uma determinada cor e a luz for interrompida, ainda assim continuamos a “enxergá-la”, pois, as células da retina continuam a enviar ao cérebro sinais das respectivas cores durante aproximadamente 1/30 s. Por isso, mesmo após a luz do experimento ter sido desligada, ainda podemos “enxergá-la” por essa pequena fração de tempo. 40