Diseño y fabricación de dispositivos basados en cristal líquido polimérico

Esta tesis se centra en el estudio y desarrollo de dispositivos de aplicación basados en cristal líquido polimérico. Las propiedades de los cristales líquidos los hacen interesantes para su uso en el desarrollo de dispositivos de seguridad para autenticación de productos y marcas, y detección y prevención de falsificaciones. Asimismo, pueden ser muy útiles para fabricar dispositivos basados en CLs dispersos en polímero, los cuales tienen a su vez múltiples aplicaciones. La orientación de las moléculas de cristal líquido y la birrefringencia son las dos características principales que afectan a las propiedades de estos dispositivos. Un dispositivo de cristal líquido estándar consiste en un sándwich formado por dos sustratos de vidrio transparente, dotados con electrodo de ITO (Indium Tin Oxide) en su superficie interna, que confinan el cristal líquido en su interior. En la primera parte de esta tesis se describen las características más importantes que describen una célula de cristal líquido. Esta introducción básica en necesaria para la correcta comprensión de los capítulos posteriores en los que se detalla el desarrollo concreto de los dispositivos desarrollados en la investigación llevada a cabo. Por ejemplo, en el caso de los dispositivos de seguridad se han eliminado los sustratos de vidrio (en la última fase de su desarrollo) para conseguir dispositivos flexibles. En la segunda parte de la tesis se incluye la descripción completa de los dispositivos fabricados, así como de los protocolos de fabricación seguidos y diseñados específicamente para ello. También se detallan en esta parte los resultados obtenidos, así como las propiedades ópticas y electroópticas en cada caso, y el/los equipos de caracterización utilizados. Utilizando cristal líquido nemático y colorante dicroico, se han desarrollado dispositivos que contienen múltiples imágenes latentes en cada cara del mismo. Utilizando distintas técnicas de alineamiento se consigue crear cualquier tipo de motivo latente, ya sean símbolos sencillos, figuras, logotipos o incluso imágenes con escala de gris. Cuanto más complejo es el dispositivo, mayor es la dificultad para reproducirlo en una eventual falsificación. Para visualizar e identificar los motivos es necesario emplear luz polarizada, por ejemplo, con la ayuda de un sencillo polarizador lineal. Dependiendo de si el polarizador está colocado delante del dispositivo o detrás del él, se mostrarán las imágenes generadas en una u otra cara. Este efecto es posible gracias al colorante dicroico añadido al CL, a la orientación inducida sobre las moléculas, y a la estructura de twist utilizada en los dispositivos. En realidad, para ver el efecto de los dispositivos no es necesario el uso de un polarizador, basta con el reflejo de una superficie dielétrica (percialmente polarizado), o la luz emitida por la pantalla de dispositivos de consumo comunes como un televisor LCD, un monitor de ordenador o un “smartphone”. Por otro lado, utilizando una mezcla entre un CL nemático polimérico y un CL nemático no polimérico es posible fabricar dispositivos LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) con propiedades electroópticas muy interesantes, que funcionan a tensiones de conmutación bajas. El CL polimérico conforma una estructura de red en el interior del sándwich que mantiene confinado al CL nemático en pequeños microdominios. Se han fabricado dispositivos LCPC con conmutación inversa utilizando tanto alineamiento homogéneo como homeotrópico. Debido a que tanto la estructura de CL polimérico como el CL nemático que rellena los microdominios están orientados en una misma dirección de alineamiento preinducida, la luz dispersada por el dispositivo se encuentra polarizada. La dirección de polarización coincide con la dirección de alineamiento. La innovación aportada por esta investigación: un nuevo dispositivo LCPC inverso de respuesta ultrarápida y polarizada basado en la mezcla de dos CL nemáticos y, un dispositivo de seguridad y autenticación, patentado internacionalmente, basado en CL nemáticos dopados con colorante dicroico. Abstract This thesis is centered on the availability to use polymerizable liquid crystals to develop non-display application LC devices. Liquid crystal properties make them useful for the development of security devices in applications of authentication and detection of fakes, and also to achieve polymer dispersed LC devices to be used for different applications that will be studied here. Induced orientation of liquid crystal molecules and birefringence are the two main properties used in these devices. A standard liquid crystal device is a sandwich consisting of two parallel glass substrates carrying a thin transparent ITO (Indium‐Tin‐Oxide) electrode on their inner surfaces with the liquid crystal in the middle. The first part of this thesis will describe the most important parameters describing a liquid crystal cell. This basis is necessary for the understanding of later chapters where models of the liquid crystal devices will be discussed and developed. In the case of security devices the standard structure of an LC device has been modified by eliminating the glass substrates in order to achieve plastic and flexible devices. The second part of the thesis includes a detailed description of the devices achieved and the manufacturing protocols that have been developed ad-hoc. The optical and electrooptical properties and the characterization equipment are described here as well. Employing nematic liquid crystal and dichroic colorants, we have developed devices that show, with the aid of a polarizer, multiple images on each side of the device. By different alignment techniques it is possible to create any kind of symbols, drawings or motifs with a grayscale; the more complex the created device is, the more difficult is to fake it. To identify the motifs it is necessary to use polarized light. Depending on whether the polarizer is located in front of the LC cell or behind it, different motifs from one or the other substrate are shown. The effect arises from the dopant color dye added to the liquid crystal, the induced orientation and the twist structure. In practice, a grazing reflection on a dielectric surface is polarized enough to see the effect. Any LC flat panel display (LCD TV, computer, mobile phone) can obviously be used as backlight as well. On the other hand, by using a mixture of polymerizable and non-polymerizable nematics liquid crystals it is also possible to achieve LCPC (Liquid Crystal Polymer Composite) devices that show really interesting electrooptical characteristics using low switching voltages. Polymerizable LC creates a hollow structure inside the sandwich glass cell that keep nematics liquid crystal confined creating microdomains. Homogeneous and homeotropic alignments have been used to develop inverse switching mode LCPCs. Due to the double LC oriented structure, the outgoing scattered light from these devices is already polarized. The polarization axis coincides with LC molecules director, the alignment direction promoted. The novelties derived from the investigation presented here, new ultrafast inverse LCPC with polarized outgoing scattered light based on oriented nematic LC mixture, and an internationally patented security and authentication device based on nematics (doped with dichroic dye) oriented polymerizable LC.

Array de microlentes de cristal líquido con control gradual de índice de refracción

Se ha diseñado y construido un array de microlentes cilíndricas de cristal líquido (CL) y se ha llevado a cabo un estudio sobre su comportamiento electroóptico. El array lenticular es novedoso en cuanto a los materiales empleados en su fabricación. Se ha utilizado Níquel como material clave para la implementación de un electrodo de alta resistividad. La combinación del electrodo de alta resistividad junto al CL (cuya impedancia paralelo es elevada) da lugar a un divisor reactivo que proporciona un gradiente de tensión hiperbólico del centro al extremo de cada lente. Este efecto, unido al alineamiento homogéneo de las moléculas de CL, permite la generación de un gradiente de índice de refracción, comportándose el dispositivo como una lente GRIN (GRadient Refraction INdex). Para la caracterización de su funcionamiento se ha analizado su perfil de fase empleando métodos interferométricos y procesamiento de imágenes. Además se han efectuado también diferentes medidas de contraste angular.

Implementación de un interferómetro de difracción puntual con un monopíxel de cristal líquido

En este trabajo se presenta la implementación de un interferómetro por difracción puntual construido con un monopíxel de cristal líquido. En primer lugar se ha fabricado un monopíxel de cristal líquido con alineamiento paralelo de unas dimensiones de 3x3 cm2, en el que el electrodo cubre toda la superficie excepto en un orificio central de unas 50 ?m. Este orificio es el que actuará como punto difractor. Aplicando diferentes tensiones se puede cambiar la fase de la onda que llega al píxel en relación al punto central. Se ha construido un interferómetro con este elemento. Se captan 4 interferogramas con lo que se puede obtener la distribución de amplitud y fase de la onda. Se aplica este sistema para obtener un holograma digital y enfocar digitalmente diferentes planos de un objeto tridimensional.

Estimación de la producción de pastos en dehesas mediante índices de vegetación.

El seguro de sequía en pastos en España se basa en la evaluación de un índice de vegetación sin la estimación de la producción de biomasa del pasto. El objetivo de este trabajo es estimar la producción de biomasa de los pastos mediante el índice de vegetación de la diferencia normalizada (NDVI). Desde 2010 a 2012 se realizó un seguimiento del pasto en dehesas de El Cubo de Don Sancho (Salamanca), Trujillo (Cáceres) y Pozoblanco (Córdoba). Se midió mensualmente la producción de biomasa del pasto y el NDVI obtenido del satélite DEIMOS-1 con una resolución de 22 m por 22 m. Con los datos de 2010 y 2011 se estableció la función de producción de biomasa del pasto (fresco y seco) a partir del NDVI, con un coeficiente de correlación r2 de 0,975 altamente significativo para el pasto fresco. Los datos obtenidos en 2012 se han utilizado para validar la función de producción. La validación de la función de producción entre los valores observados y simulados ha mostrado un coeficiente de correlación r2 de 0,734. Estos resultados sugieren que el NDVI puede ser un buen estimador de la producción de biomasa de los pastos en dehesas.

Clasificación de pimentones por índices de calidad espectrofotométricos. (Técnicas espectrofotométricas para la determinación de la calidad del pimentón).

Existe la necesidad de disponer de sistemas objetivos y rápidos para la determinación de la calidad de los productos agrícolas. Los sistemas ópticos y espectrofotométricos se han presentado como muy válidos para estos fines en muchos productos (Mohsenin, 1984) (tomates, peras, manzanas, patatas, carnes, huevos...) esto justifica el uso de estos métodos sobre nuevos materiales. Las restricciones impuestas a los colorantes artificiales por las nuevas legislaciones favorecen el consumo de colorantes de origen natural, como el pimentón. Es necesario encontrar un sistema rápido y eficaz que determine la calidad de este producto de creciente interés, (Mínguez, 1992; Conrad, 1987; Nagle 1979; Navarro y Costa, 1993 ). Además existen graves problemas en la comercialización de este producto por la poca transparencia del mercado. Se han producido, en los últimos años, importaciones de pimentón de Marruecos de muy baja calidad y precio, que se mezclaban con pequeñas proporciones de pimentón de humo, comercializándose como pimentón de alta calidad y a precios similares al pimentón producido en la Vera por el sistema tradicional, lo que supone un fraude. Es por tanto necesario encontrar un sistema que discrimine producto de alta calidad ( con color atractivo, alto nivel de carotenoides y alta estabilidad ) de pimentones de baja calidad o dañados ( por exceso de calor durante el secado, enranciamiento, etc.). El objetivo de este trabajo ha sido segregar diversas calidades de pimentón, para esto se disponía de pimentones procedentes de Extremadura, de líneas seleccionadas obtenidas por el SIA, secados por el método tradicional (humo) y con estufa, incluyendo muestras que presentan daños por quemado. Sin ningún conocimiento previo se ha trabajado sobre espectros de reflexión en VIS y NIR a los que se han aplicado ciertas transformaciones para la obtención de variables que fueran capaces de discriminar pimentones secados con humo de los secados con estufa y de los quemados. Realizando reiterados estudios estadísticos se ha llegado a establecer algunas variables útiles en la separación de estas tres clases, para ambos rangos del espectro.

Respuesta en paso banda en estructuras de cristal líquido impurificadas con Rodamina 6-G

Como es sabido, los cristales líquidos poseen la propiedad de orientarse en dominios inducidos por las condiciones de contorno, así como de sufrir reorientaciones por la acción de campos externos magnéticos, eléctricos u ópticos. Se conoce, asimismo, que la introducción de sustancias no mesomórficas en una estructura de cristal líquido no modifica apreciablemente su ordenación, a condición de que la impurificación realizada sea muy pequeña (10-2 -10-3 M típicamente). Las moléculas no mesomórficas son en este caso inducidas por los dominios de cristal líquido a orientarse a su vez, efecto este que puede ser detectado estudiando la absorción y/o emisión de luz polarizada de las mismas. La reorientación por campos externos, por su parte, sigue produciéndose cualitativamente de igual manera, aunque se producen variaciones en el voltaje umbral y/o tiempo de respuesta.

Estudio de las trayectorias de una radiación monocromática a través de un capilar con cristal líquido esméctico

The thin lens method, used for the interpretation of interferometric data - obtained from smectic liquid cristals, has been modified. The analysis employed has - been derived from the one presented by Granjean. The theoretical results are in a good agreement with the experimentals values from other authors.

Reorientación inducida ópticamente en una estructura cilíndrica hemeotrópica de cristal líquido

En este artículo se presentan los primeros resultados obtenidos cuando una radiación láser de intensidad adecuada actúa sobre una estructura cilíndrica con cristal líquido nemático orientado homeotrópicamente. Según ha sido observado, se produce una reorientación inducida por el campo electromegnético del haz en las moléculas del nemático, con el consiguiente efecto sobre la radiación dispersada.

Biestabilidad óptica híbrida en estructuras homeotrópicas de cristal líquido

En el presente artículo se presentan algunos de los resultados que pueden obtenerse en el campo de la biestabilidad óptica híbrida, mediante el empleo de cristales líquidos del tipo nemático cuando adoptan una estructura homeotrópica planar. Los resultados obtenidos son análogos a los conseguidos con otros materiales ofreciendo la innegable ventaja de su menor costo y su mayor rendimiento energético.

Análisis exploratorio de firmas espectrales e índices de vegetación para la monitorización de emisiones de CO2 en un análogo natural.

Se ha analizado el problema de la detección de fugas de CO2 en reservorios naturales utilizados como almacenes de este gas. Los trabajos han sido realizados sobre un área del Campo de Calatrava, Ciudad Real, España, donde a causa de la actividad volcánica remanente se pueden encontrar puntos de emisión de CO2. Se han utilizado imágenes QuickBird y WorldView-2 para la generación de firmas espectrales e índices de vegetación. Estos índices han sido evaluados para obtener los más idóneos para la detección de fugas de CO2. Palabras clave: teledetección, CO2, vegetación, satélite. ABSTRACT The problem of detecting CO2 leaks in natural reservoirs used to store the gas has been analyzed. The works have been done over an area where, because of the residual volcanic activity, CO2 delivery spots can be found. This area is located in Campo de Calatrava, Ciudad Real, Spain. QuickBird and WorldView-2 imagery has been used to generate spectral signatures and vegetation indexes. These indexes have been evaluated in order to obtain the most suitable ones to detect CO2 leaks. Keywords: remote sensing, CO2, vegetation, satellite.

Aplicación de índices de vegetación para evaluar la falta de producción de pastos y montaneras en dehesas.

El ganado porcino ibérico aprovecha los recursos naturales de la dehesa mediante montanera, principalmente la bellota y los pastos existentes. La línea 133 de los seguros agrarios españoles recoge el seguro de compensación por pérdida de pastos, solo para bovino reproductor y de lidia, ovino, caprino y equino, no incluyen los cerdos en montanera. Emplea un Índice de Vegetación de la Diferencia Normalizada (NDVI) medido por satélite sobre pastos desarbolados. El objetivo es comprobar si se puede utilizar un índice de vegetación para estimar la producción de pasto y bellota. Se han tomado datos del aforo de montaneras desde 1999 al 2005, y del pasto en dehesas de Salamanca (Vitigudino), Cáceres (Trujillo) y Córdoba (Pozoblanco) durante 2010 al 2012. Con los datos de 2010 y 2011 se estableció una función de producción del pasto fresco en función del NDVI, mostrando un coeficiente de correlación de 0,975, altamente significativa. Los datos obtenidos en 2012 se utilizaron para validar la función de producción de pasto fresco. La comparación entre los valores observados y simulados para 2012 ha mostrado un coeficiente de correlación de 0,734. Como conclusión, el NDVI puede ser un buen estimador de la cantidad de pasto fresco en dehesas españolas.

Deflexiones transversales de radiación luminosa en estructuras prismáticas de cristal líquido

A novel structure , based on a wedge shaped configuration, is presented . This structure , previously used in one of his forms,for refraction index measurements is analysed in this paper. The results obtained give the possibility of his use in electro snd magneto-optical modulation and deflection.

Modelización y validación experimental del transporte de tritio en metal líquido y otros materiales para reactores de fusión nuclear magnética e inercial

La presente tesis se centra en el estudio de los fenómenos de transporte de los isótopos de hidrógeno, y más concretamente del tritio, en materiales de interés para los reactores de fusión nuclear. Los futuros reactores de fusión nuclear necesitarán una Planta de Tritio, con una envoltura regeneradora (breeding blanket) y unos sistemas auxiliares claves para su diseño. Por lo tanto su desarrollo y cualificación son cruciales para demostrar que los reactores de fusión son una opción viable como futura fuente de energía. Se han resaltado los diferentes retos de la difusión y retención de estas especies ligeras para cada sistema de la Planta de Tritio, y se han identificado las necesidades experimentales y paramétricas para abordar las simulaciones de difusión, como factores de transporte como la difusividad, absorción/desorción, solubilidad y atrapamiento. Se han estudiado los fenómenos de transporte y parámetros del T en el metal líquido LiPb, componente del breeding blanket tanto para una planta de fusión magnética como inercial. Para ello se han utilizado dos experimentos con características diversas, uno de ellos se ha llevado a cabo en un reactor de alto flujo, y por lo tanto, en condiciones de irradiación, y el otro sin irradiación. Los métodos de simulación numérica aplicados se han adaptado a los experimentos para las mediciones y para estudiar el régimen de transporte. En el estudio de estos experimentos se ha obtenido un valor para algunos de los parámetros claves en el transporte y gestión del tritio en el reactor. Finalmente se realiza un cálculo de la acumulación y difusión de tritio en una primera pared de tungsteno para un reactor de fusión inercial. En concreto para el proyecto de fusión por láser europeo, HiPER (para sus fases 4a y 4b). Se ha estudiado: la implantación de los isótopos de H y He en la pared de W tras una reacción de fusión por iluminación directa con un láser de 48MJ; el efecto en el transporte de T de los picos de temperatura en el W debido a la frecuencia de los eventos de fusión; el régimen de transporte en la primera pared. Se han identificado la naturaleza de las trampas más importantes para el T y se ha propuesto un modelo avanzado para la difusión con trampas. ABSTRACT The present thesis focuses into study the transport phenomenons of hydrogen isotopes, more specifically tritium, in materials of interest for nuclear fusion reactors. The future nuclear reactors will be provided of a Tritium Plant, with its breeding blanket and its auxiliary systems, all of them essential components for the plant. Therefore a reliable development and coalification are key issues to prove the viability of the nuclear fusion reactors as an energy source. The currently challenges for the diffusion and accumulation of these light species for each system of the TP has been studied. Experimental and theoretical needs have been identified and analyzed, specially from the viewpoint of the parameters. To achieve reliable simulations of tritium transport, parameters as diffusivity, absorption/desorption, solubility and trapping must be reliables. Transport phenomenon and parameters of T in liquid metal have been studied. Lead lithium is a key component of the breeding blanket, either in magnetic or inertial fusion confinement. Having this aim in mind, two experiments with different characteristics have been used; one of them has been realized in a high flux reactor, and hence, under irradiation conditions. The other one has been realized without radiation. The mathematical methods for the simulation have been adapted to the experiments, for the measures and also to study the transport behavior. A value for some key parameters for tritium management has been obtained in these studies. Finally, tritium accumulation and diffusion in a W first wall of an inertial nuclear fusion reactor has been assessed. A diffusion model of the implanted H, D, T and He species for the two initial phases of the proposed European laser fusion Project HiPER (namely, phase 4a and phase 4b) has been implemented using Tritium Migration Analysis Program, TMAP7. The effect of the prompt and working temperatures and the operational pulsing modes on the diffusion are studied. The nature of tritium traps in W and their performance has been analyzed and discussed.

Metodología de simulación numérica de la transferencia de calor por ebullición en película en torno a superficies esféricas refrigeradas por líquido saturado en convección libre: aplicación a reactores nucleares de lecho de bolas (PBR)

En la presente Tesis se realizó un análisis numérico, usando el código comercial Ansys-Fluent, de la refrigeración de una bola de combustible de un reactor de lecho de bolas (PBR, por sus siglas en inglés), ante un escenario de emergencia en el cual el núcleo sea desensamblado y las bolas se dejen caer en una piscina de agua, donde el mecanismo de transferencia de calor inicialmente sería la ebullición en película, implicando la convección y la radiación al fluido. Previamente se realizaron pruebas de validación, comparando los resultados numéricos con datos experimentales disponibles en la literatura para tres geometrías diferentes, lo cual permitió seleccionar los esquemas y modelos numéricos con mejor precisión y menor costo computacional. Una vez identificada la metodología numérica, todas las pruebas de validación fueron ampliamente satisfactorias, encontrándose muy buena concordancia en el flujo de calor promedio con los datos experimentales. Durante estas pruebas de validación se lograron caracterizar numéricamente algunos parámetros importantes en la ebullición en película con los cuales existen ciertos niveles de incertidumbre, como son el factor de acoplamiento entre convección y radiación, y el factor de corrección del calor latente de vaporización. El análisis térmico de la refrigeración de la bola del reactor por ebullición en película mostró que la misma se enfría, a pesar del calor de decaimiento, con una temperatura superficial de la bola que desciende de forma oscilatoria, debido al comportamiento inestable de la película de vapor. Sin embargo, la temperatura de esta superficie tiene una buena uniformidad, notándose que las áreas mejor y peor refrigeradas están localizadas en la parte superior de la bola. Se observó la formación de múltiples domos de vapor en diferentes posiciones circunferenciales, lo cual causa que el área más caliente de la superficie se localice donde se forman los domos más grandes. La separación entre los domos de vapor fue consistente con la teoría hidrodinámica, con la adición de que la separación entre domos se reduce a medida que evolucionan y crecen, debido a la curvatura de la superficie. ABSTRACT A numerical cooling analysis of a PBR fuel pebble, after an emergency scenario in which the nucleus disassembly is made and the pebbles are dropped into a water pool, transmitting heat by film boiling, involving convection and radiation to the fluid, is carried out in this Thesis. First, were performed validation tests comparing the numerical results with experimental works available for three different geometries, which allowed the selection of numerical models and schemes with better precision and lower computational cost. Once identified the numerical methodology, all validation tests were widely satisfactory, finding very good agreement with experimental works in average heat flux. During these validation tests were achieved numerically characterize some important parameters in film boiling with which there are certain levels of uncertainty, such as the coupling factor between convection and radiation, and the correction factor of the latent heat of vaporization. The thermal analysis of pebble cooling by film boiling shows that despite its decay heat, cooling occurs, with pebble surface temperature descending from an oscillatory manner, due to the instability of the vapor film. However, the temperature of this surface has a good uniformity, noting that the best and worst refrigerated area is located at the top of the pebble. The formation of multiple vapor domes at different circumferential positions is observed, which cause that the hottest area of the surface was located where biggest vapor domes were formed. The separation between vapor domes was consistent with the hydrodynamic theory, with the addition that the separation is reduced as the vapor dome evolves and grows, due to the surface curvature.

Monitorización de emisiones de CO2 en un análogo natural mediante correlación con Índices de Vegetación

Entre las soluciones más satisfactorias al problema de las emisiones de CO2 está la captura y almacenamiento de este gas de efecto invernadero en reservorios profundos. Esta técnica implica la necesidad de monitorizar grandes extensiones de terreno. Utilizando una zona de vulcanismo residual, en la provincia de Ciudad Real, se han monitorizado las emisiones de CO2 utilizando imágenes de muy alta resolución espacial. Se han generado índices de vegetación, y estos se han correlacionado con medidas de contenido de CO2 del aire en los puntos de emisión. Los resultados han arrojado niveles de correlación significativos (p. ej.: SAVI = -0,93) y han llevado a descubrir un nuevo punto de emisión de CO2. Palabras clave: teledetección, CO2, vegetación, satélite Monitoring CO2 emissions in a natural analogue by correlating with vegetation indices Abstract: Among the most satisfactory solutions for the CO2 emissions problem is the capture and storage of this greenhouse gas in deep reservoirs. This technique involves the need to monitor large areas. Using a volcanic area with residual activity, in the province of Ciudad Real, CO2 emissions were monitored through very high spatial resolution imagery. Vegetation indexes were generated and correlated with measurements of the air?s CO2 content at the emission points. The results yielded significant correlation levels (e.g.: SAVI = -0.93) and led to the discovery of a new CO2 emission point. Keywords: remote sensing, CO2, vegetation, satellite.