Desarrollo de una pantalla electromecánica

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(1)Desarrollo de una pantalla electromecánica. Zantiago Echeverri Pinilla Asesora: Alba Ávila. Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniero Electrónico. Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Electrónica Bogota 2007. 1.

(2) Agradezco a: Alba, por haberme dado la oportunidad de realizar este proyecto y por su invaluable ayuda a lo largo del mismo. Mi familia, incluyendo máquinas y animales, porque sin ellos nada de esto se habría hecho. Diego, por su constante apoyo como ingeniero. La Unión Tecnócrata, por dejarme entender el sueño de una humanidad iluminada y segura. Y todos aquellos que por razones que no logro entender siguen teniendo fe en mí.. “In many of the more relaxed civilizations on the Outer Eastern Rim of the Galaxy, the Hitch Hiker's Guide has already supplanted the great Encyclopedia Galactica as the standard repository of all knowledge and wisdom, for though it has many omissions and contains much that is apocryphal, or at least wildly inaccurate, it scores over the older, more pedestrian work in two important respects. First, it is slightly cheaper; and secondly it has the words Don't Panic inscribed in large friendly letters on its cover.” -Douglas Adams, Hitchhiker's Guide to the Galaxy. 2.

(3) índice de Tablas, Figuras y Fotos .................................................................................. 4 1. Introducción............................................................................................................... 5 1.1 Monitores convencionales........................................................................................................ 7 1.1.1 Tecnología CRT ................................................................................................................................. 8 1.1.2 Tecnología LCD ................................................................................................................................. 9 1.1.3 Problemas con la lectura prolongada .............................................................................................. 10. 1.2 Alternativas a los monitores convencionales ...................................................................... 12 1.2.1 EPD (electronic paper display)........................................................................................................ 13 1.2.1.1 Estado del Arte ......................................................................................................................... 14. 2. Desarrollo de una pantalla electromecánica ............................................................ 18 2.1 Requerimientos y especificaciones ....................................................................................... 19 2.2 Módulos .................................................................................................................................... 19 2.2.1 Pantalla.............................................................................................................................................. 19 2.2.2 Generador de matriz de imagen....................................................................................................... 20 2.2.3 Control .............................................................................................................................................. 20. 2.3 Propuestas................................................................................................................................ 20 2.3.1 Marco teórico.................................................................................................................................... 20 2.3.1.1 Actuadores electromagnéticos................................................................................................. 20 2.3.1.2 Propiedades magnéticas de los materiales.............................................................................. 22 2.3.1.3 Ferrofluidos .............................................................................................................................. 25 2.3.1.3.1 Aplicaciones de los ferrofluidos...................................................................................... 26 2.3.1.4 Electromagnetismo................................................................................................................... 27 2.3.2 Hipótesis ........................................................................................................................................... 28 2.3.2.1 Imanes de disco ........................................................................................................................ 28 2.3.2.2 Cilindros móviles de hierro ..................................................................................................... 31 2.3.2.3 Partículas de hierro en fluido viscoso. .................................................................................... 33 2.3.2.4 Ferrofluidos .............................................................................................................................. 35 2.3.2.5 Control ...................................................................................................................................... 39. 2.4 Prototipo................................................................................................................................... 41. 3. Resultados, Conclusiones y Tareas .......................................................................... 46 3.1 Resultados ................................................................................................................................ 46 3.2 Conclusiones ............................................................................................................................ 46 3.3 Trabajos por realizar ............................................................................................................. 47. Referencias................................................................................................................... 48. 3.

(4) Índice de Tablas, Figuras y Fotos. F Figura 1: Tecnología CRT............................................................................................................................... 8 Figura 2: Tecnología LCD............................................................................................................................. 10 Figura 3: Gyricon e impresora................................................................................................................... 14 Figura 4: EPD fléxible Fujitsu .................................................................................................................... 15 Figura 5: Tecnología E-Ink .......................................................................................................................... 16 Figura 6: e-Reader de Sony......................................................................................................................... 17 Figura 7: Módulos del dispositivo............................................................................................................. 19 Figura 8: Representación de un campo magnético ............................................................................ 21 Figura 9: Curvas de histéresis de magnetización. .............................................................................. 23 Figura 10: Propuesta con imanes de disco ............................................................................................ 29 Figura 11: Contención de los campos en los embobinados .............................................................. 30 Figura 12: Solución para los campos alrededor de los discos ........................................................ 31 Figura 13: Propuesta con cilindros de hierro....................................................................................... 32 Figura 14: Propuesta con partículas de hierro .................................................................................... 33 Figura 15: Propuesta con Ferrofluido ..................................................................................................... 36 Figura 16: Módulos del control.................................................................................................................. 39 Figura 17: Esquemático para el UDN2981............................................................................................ 40 Figura 18: Esquemático para el ULN2803 ............................................................................................ 41 Figura 19: Programa para el manejo de la pantalla........................................................................... 45 Figura 20: Esquemático completo del prototipo.................................................................................. 45 Foto 1: Pruebas con imanes de disco ....................................................................................................... 29 Foto 2: Pruebas con cilindros de hierro.................................................................................................. 32 Foto 3: Pruebas con partículas de hierro ............................................................................................... 35 Foto 4: Capilaridad en el ferrofluido ........................................................................................................ 37 Foto 5: Pruebas con ferrofluido ................................................................................................................. 38 Foto 6: Tubo de vidrio ................................................................................................................................... 42 Foto 7: Llenado del tubo ............................................................................................................................... 42 Foto 8: Sellado del tubo ................................................................................................................................ 43 Foto 9: Embobinado ....................................................................................................................................... 43 Foto 10: Matriz de generación de imagen ............................................................................................. 44 Foto 11: Pantalla............................................................................................................................................. 44 T Tabla 1: Clasificación de los monitores convencionales ..................................................................... 7. 4.

(5) Introducción Es innegable que hoy en día el principal medio por el cual se distribuye, almacena, procesa y visualiza la información son los computadores, ya sean personales, portátiles o dispositivos de mano. La digitalización ya se ha tomado casi por completo los mercados del correo, del video y de la música.. Sin embargo, en medio de la revolución informática, el campo editorial de distribución y visualización de libros en formato digital ha avanzado de manera lenta y aún hoy en día se pone en duda la validez del computador como dispositivo de lectura. El problema existente en este campo no reside en las tecnologías de distribución; los formatos de impresión digital han existido desde 1976, permitiendo a las compañías editoriales mantener sus estándares; las redes están más que desarrolladas para manejar el tamaño de cualquier tipo de formato de impresión digital; el mercado editorial ha avanzado mucho en el campo, poniendo versiones digitales de sus libros a la venta e intentando promover dichas versiones. El debate sobre las necesidades y bondades de digitalizar las bibliotecas vienen desde hace años, incluyendo desde conferencias tan importantes como aquella de Humberto Eco “From Internet to Gutenberg” o programascomo el de Google para la digitalización y clasificación de libros “Google Books”.. Pero el crecimiento del mercado de libros digitales es muy lento comparado con el de la música o el video en formato digital, a pesar llevar más tiempo en desarrollo. La principal razón para esto es que los computadores no logran competir con la impresión convencional en lo que se refiere a comodidad y facilidad para la visualización de la información distribuida. La mayoría de personas prefieren leer un libro que una pantalla de computador. Aún con los grandes avances en calidad de imagen de los monitores actuales la lectura prolongada sigue siendo molesta y riesgosa,. 5.

(6) sin. mencionar. que. los. dispositivos. fáciles. de. transportar. como. computadores portátiles y PDA’s no disponen de la mejor calidad de pantallas.. Por otro lado, existe la necesidad de lectura prolongada en pantallas de computador en muchos más campos que el editorial. La digitalización de información está haciendo que en muchos ambientes laborales sea necesario leer largos documentos que se transmiten directamente a los computadores, desde manuales técnicos hasta resúmenes de conferencias y reuniones. Esto se ha convertido en un riesgo al bienestar y a la salud de los empleados y trabajadores en las empresas y hoy en día se le da una gran importancia a ese tipo de factores. La solución más comúnmente usada consiste simplemente en imprimir la información necesaria, lo que en la mayoría de los casos no es eficiente en la mayoría de los casos debido a los costos de papelería y tinta.. Podemos ver que los monitores convencionales no son óptimos para la lectura prolongada, llegando incluso a correr el riesgo de que la fatiga ocular producida por estos traiga problemas serios en la salud de los usuarios; Sin embargo la digitalización de la información se da en forma masiva y presenta grandes posibilidades, no solo económicas, sino en beneficio de la universalización del conocimiento y del bienestar de las personas, por no mencionar los beneficios ecológicos que el ahorro de papel podría traer. Por esto vemos una necesidad y un interés por investigar nuevas tecnologías de visualización que permitan la lectura prolongada de textos en formato digital.. 6.

(7) Monitores convencionales En la actualidad casi todos los monitores usados para la visualización de información en los computadores usan tecnología basada en rayos catódicos (CRT) o en cristal líquido (LCD). La resolución de los monitores se cuenta según el número de píxeles, o puntos de color, del que están compuestos, contando el número de filas y de columnas de los mismos. El tamaño físico de las pantallas depende de la tecnología usada, pero se clasifica según la siguiente tabla:. Resolución XGA. (Extended 1024x768. Graphics Array). Uso típico Monitores de 15- y 17pulgadas CRT ó de 15pulgadas LCD. SXGA (Super XGA). 1280x1024. Monitores de 15- y 17pulgadas CRT ó de 17-y 19-pulgadas LCD. UXGA (Ultra XGA). 1600x1200. Monitores de 19-, 20-, 21-pulgadas CRT ó 20pulgadas LCD. QXGA (Quad XGA). 2048x1536. Monitores. de. 21-. pulgadas ó más CRT WXGA (Wide XGA). 1280x800. Monitores de portátil de 15.4-pulgadas LCD. WSXGA+ (Wide SXGA 1680x1050. Monitores. plus). pulgadas LCD. WUXGA XGA). (Wide. Ultra 1920x1200. Monitores. de. 20-. de. 22-. pulgadas LCD. Tabla 1: Clasificación de los monitores convencionales (Carmack. pág. 3). 7.

(8) El tamaño de la pantalla se mide según la diagonal, tomando en cuenta la relación entre ancho y alto. Así, una pantalla de 20’ con radio 4:3 tendría 16’ de ancho y 12’ de alto.. Tecnología CRT Los monitores que usan tubos de rayos catódicos tienen pantallas en donde una superficie fosforescente recibe haces de electrones y muestra puntos de colores determinados. Los haces de electrones se producen en un extremo del tubo de rayos catódicos y se dirigen hacía un punto determinado de la pantalla. Cada ‘disparo’ de un electrón golpea un punto de la pantalla, de modo que para generar una imagen es necesario iluminar secuencial mente cada uno de los puntos. Por eso en esta tecnología se requiere refrescar periódicamente cada píxel con un nuevo haz de electrones, por lo que una pantalla CRT en realidad está parpadeando continuamente a una frecuencia que el ojo humano percibe como continua bajo condiciones normales.. Figura 1: Tecnología CRT (Carmack, pág. 4). La pantalla fosforescente está compuesta de millones de puntos verdes rojos y azules y un píxel se compone de tres de estos puntos, uno de cada color, iluminados a distintas intensidades por haces de electrones que los golpean.. La calidad de la imagen en un monitor CRT está determinada por su resolución y el tamaño de la pantalla, que a su vez viene del tamaño de punto (Dot Pitch) y que es la medida que hay entre dos puntos adyacentes 8.

(9) del mismo color en la pantalla fosforescente. El Dot Pitch se interpreta comúnmente como el tamaño de píxel y varia entre los 1mm para pantallas antiguas de televisión y 0.25mm en las pantallas planas modernas.. La frecuencia de los monitores CRT está dada por el número de veces por segundo en el que el haz de electrones recorre toda la pantalla, usualmente entre los 60 y los 100 Hz. Las frecuencias dependen mucho del tamaño y resolución de la pantalla y, aunque muchos monitores permiten al usuario elegir a qué frecuencia funcionan, hay una relación inversa entre la frecuencia y la resolución usada, por lo que, a pesar de que frecuencias bajas hacen que exista un “centelleo” y resoluciones bajas afectan la calidad de la imagen, la mejor configuración de un monitor CRT no es siempre la de su mayor resolución, ni la de su mayor frecuencia.. Estos monitores ocupan mucho espacio, son bastante pesados y su consumo de potencia es mayor al de los monitores LCD (100 watios en un monitor típico de 19 pulgadas contra 45 watios de un monitor LCD del mismo tamaño), por lo que los computadores portátiles y los dispositivos de mano prefieren usar tecnologías LCD.. Tecnología LCD Los monitores elaborados con tecnología LCD ocupan menos espacio que los CRT, dada su estructura basada en dos paneles de vidrio polarizados entre los cuales se pone un cristal que cambia su polarización según se le aplique un campo eléctrico. La luz atraviesa el primer panel de manera que se alinea y al pasar por el cristal liquido depende de la alineación de sus moléculas para determinar qué tanta luz atraviesa el segundo panel.. 9.

(10) Figura 2: Tecnología LCD (Carmack, pág. 6). La gran mayoría de monitores LCD en la actualidad usan tecnología de matriz activa, en donde una matriz de transistores y capacitores se encarga de cambiar la polarización de una pequeña parte del cristal liquido y mantener el potencial mientras sea necesario. Esto determina el tamaño de cada píxel en la pantalla, de modo que el tamaño de un píxel en un monitor LCD se puede calcular fácilmente con solo su resolución y el tamaño de la pantalla, por ejemplo para un monitor WSXGA+ será de 0,29mm.. Para manejar diferentes colores se usan tres pantallas superpuestas, una para manejar el color rojo, otra para el verde y otra para el azul.. Problemas con la lectura prolongada Ambas tecnologías presentan problemas importantes en lo que se refiere a la lectura prolongada, ya que ninguna está pensada para que el usuario se mantenga observando la misma imagen por demasiado tiempo.. En primera instancia ambas tecnologías requieren que una fuente de luz golpee directamente a los ojos de los usuarios; mientras que al leer un libro la luz llega a los ojos de forma indirecta. Los monitores convencionales producen un haz de luz que llega a los ojos de forma directa, ya sea la luz producida por la pantalla fluorescente de los monitores CRT o la de las 10.

(11) lámparas de los monitores LCD. Esto hace que el ojo se fatigue más rápido y se experimenten molestias.. Por otra parte la frecuencia de barrido de los monitores CRT no siempre es completamente indetectable por los ojos e incluso en las configuraciones ideales puede verse afectada por campos magnéticos en el ambiente, por presencia de partículas en el aire entre el usuario y el monitor o por condiciones especiales en los usuarios. Los problemas con la frecuencia de barrido se conocen como “flickering” o “centelleo” y causan dolores de cabeza y fatiga ocular. La administración de salud y seguridad ocupacional americana OSHA recomienda no poner un monitor CRT cerca de equipos con potencias electroestáticas de +/- 500V y mantener siempre un ambiente libre de polvo (OSHA, pág.1).. El tamaño de los monitores CRT hace que no sea posible acomodarlos al usuario, por lo que adicionalmente a los problemas mismos del monitor aparezcan problemas ergonómicos que causan dolores de espalda y cuello en la lectura prolongada.. Por su parte, los monitores LCD se ven afectador por el ángulo en el que el usuario observa el monitor, dado que esto puede hacer que varíen los índices de polarización de la pantalla. Si bien se han hecho grandes avances en este campo, aún no se logra un monitor donde el ángulo de visión no afecte la calidad de la imagen. La luz externa también afecta de manera importante a los monitores LCD, dado que es necesario que el haz de luz atraviese la pantalla desde atrás, por lo que la calidad de la imagen varía dependiendo de la luz que exista en el lugar en donde se esta usando.. La OSHA recomienda precaución al usar cualquier tipo de monitor convencional para la lectura prolongada, llegando incluso a sugerir se evite de ser posible o se usen lentes especializados para evitar daños a los ojos.. 11.

(12) Además de las molestias que la mayoría de personas asocian a la lectura prolongada en un monitor convencional existen riesgos directos a la salud ocular, principalmente la fatiga ocular, los dolores de cabeza y otros síntomas que colectivamente se han catalogado como el Síndrome de Visión de Computador (CVS) por la asociación nacional americana de optómetras.. El CVS se da debido al esfuerzo que hacen los ojos por mejorar los defectos en la imagen de los monitores. El cerebro interpreta esos defectos como problemas de focalización e intenta solucionarlos forzando el enfoque de los ojos. Si se pasa demasiado tiempo frente al monitor, en especial si se está observando una imagen estática como en el caso de la lectura prolongada, los músculos oculares se lesionan y los síntomas del CVS aparecen. Estos síntomas van desde simples molestias hasta dolores frecuentes de cabeza, visión borrosa, cambios en la percepción del color, dolor alrededor de los ojos, migrañas y problemas refractivos progresivos.. Para evitar el CVS se producen muchos tipos distintos de filtros y lentes, tanto para los monitores como para los usuarios. Estos dispositivos buscan filtrar la luz producida por los monitores, eliminar los reflejos en la pantalla, forzar al usuario a mejorar la distancia y el ángulo al que ven la pantalla y aumentar el tamaño de las imágenes.. Alternativas a los monitores convencionales Se sabe que el éxito de un método de visualización depende en gran medida de qué tan cómodo y fácil es recibir la información de éste, lo que se hace critico si se va a observar por largos periodos de tiempo. Por lo que es fácil entender porqué las pantallas emisoras de luz no son el ideal para lectura.. Algunas compañías actualmente trabajan en el desarrollo de pantallas mate de bajo consumo de energía para lectores electrónicos por medio del. 12.

(13) uso de microsistemas, buscando establecer una posición importante en el mercado de los dispositivos portátiles de lectura de documentos, llamadas EPD’s.. EPD (electronic paper display) El EPD es un periférico de salida que busca reemplazar las pantallas emisoras de luz que se usan en la gran mayoría de dispositivos computacionales en la actualidad.. A medida que la cantidad de información disponible en medios electrónicos se hace cada vez mayor y más fácil de conseguir, aparece la preocupación por los problemas que trae leer demasiado tiempo de una pantalla convencional. La lectura se hace idealmente en un medio mate, como la página de un libro, y el ideal de una pantalla para lectura prolongada seria obtener un medio de este tipo que permitiera variar la información mostrada, con un consumo bajo de energía y una buena resolución de imagen. Con estas bases aparecen los desarrollos de EPD.. El primer desarrollo se da en 1970, en Seros y se conoce como Gyricon. En este desarrollo se usaban pequeñas esferas flotando en aceite, con dos hemisferios de colores diferentes que se cargaban para que actuaran como dipolos eléctricos, de manera que al aplicar un voltaje sobre el papel las esferas mostraran el color deseado.. En el Gyricon se usaba una impresora especial que aplicaba los voltajes deseados sobre el papel. En este aspecto, el EPD era simplemente una hoja reusable y el objetivo de las investigaciones era la de reducir el tamaño de la impresora hasta hacerla parte de un computador portátil, o darle autonomía, de forma que se pudiera almacenar un documento extenso para ser impreso por partes.. 13.

(14) Figura 3: Gyricon e impresora. (Eldershaw, pág. 1). La resolución del Gyricon no era muy buena y no era una aplicación muy práctica del EPD, por lo que su desarrollo nunca alcanzó la etapa comercial y en el año 2005 Xerox canceló los fondos de la investigación.. A partir de 1990 se empezaron a desarrollar otros métodos de EPD usando micro cápsulas llenas de un aceite de color determinado con partículas de otro color que se cargan eléctricamente, de modo que salgan a la superficie del aceite ante un campo eléctrico.. Estado del Arte Actualmente se están dando avances importantes en el desarrollo de EPD’s aunque sus desarrollos comerciales son aún muy limitados. Los mayores desarrollos se dan en los campos de lectores electrónicos, desarrollo de pantallas para PDA’s, etiquetas para precios y códigos de barras, publicidad y displays a gran escala. 14.

(15) Las principales características que se buscan en un EPD son: Buena resolución, tamaño reducido y bajo consumo de potencia. Dependiendo de sus aplicaciones se están investigando otros aspectos, como flexibilidad del material, diferentes tonalidades o colores, rápida actualización de imagen y permanencia de las imágenes.. Xerox esta desarrollando, a partir de variantes de las pantallas de cristal liquido, etiquetas electrónicas para tarjetas de presentación, códigos de barras y precios de artículos en supermercados. Estas etiquetas tienen una resolución baja y se requieren impresoras especiales para cambiar sus imágenes, pero tienen costos muy bajos, por lo que representan un buen reemplazo del papel convencional, con el beneficio adicional de que no puede ser alterado por cualquiera.. Fujitsu recientemente (Julio 2005) anunció sus avances en el desarrollo de EPD flexible, a color y con memoria, es decir, que requiere potencia solo durante los cambios de imagen. Se esperan los primeros desarrollos comerciales para antes del segundo semestre del 2007.. Figura 4: EPD fléxible Fujitsu. (Eldershaw, pág. 1). 15.

(16) Estas pantallas son matrices pasivas de cristal líquido que se polariza de manera similar a las microcápsulas o las esferas del Gyricon. El display tiene 0.8 mm de espesor, permite hasta 512 colores y necesita de 10 a 100 miliwats de potencia para cambiar una imagen por completo.. E-Ink corporation, una compañía independiente, ha desarrollado la versión más moderna y más completa de EPD.. E-ink usa micro cápsulas con partículas de tinta polarizadas según sus colores, de manera que al aplicar un campo eléctrico bajo las capsulas la tinta de un determinado color se mueve a la superficie de la capsula:. Figura 5: Tecnología E-Ink. (E-ink, pág. 1). E-ink trabaja con varias compañías en el desarrollo de aplicaciones comerciales, incluyendo a Phillips, Sony, Citizen, Seiko y otros. Sin embargo, cabe anotar que se mantiene como una compañía independiente, al punto que ofrece kits de prueba de sus productos para el desarrollo de prototipos, lo que se hace por estudio de solicitud y tiene un valor aproximado de 2.000 dólares.. Philips ha desarrollado lo que ellos llaman, la primera generación de EPD, que han usado en prototipos de lectores, pantallas de celular y de PDA’s. Próximamente saldrá al mercado una versión de lector, el Iliad, a través de una sub compañía llama Irex. 16.

(17) Las especificaciones de las EPD de primera generación de Philips son: •. Escala de Grises de 2 bits.. •. Resolución: Cualquiera alrededor de 125-150+ ppi. •. Radio de contraste 8:1. •. Angulo de visión, cerca de 180°. •. Touch panel Opcional. •. Temperatura de operación 0 a +50°C. •. Temperatura de almacenamiento -20 a +70°C. Las especificaciones del Iliad son: •. Escala de 16 Niveles de Gris.. •. Resolución de 1024x768 en una pantalla de 8.1 pulgadas. •. Poder: Batería recargable con una duración de Aprox. 21 horas. •. Interfaz de Touch Screen.. Sony ya sacó al mercado japonés un lector completamente operacional basado en la tecnología de E-ink : El Sony reader®, conocido en Japón como el Sony librie® con las siguientes especificaciones:. Figura 6: e-Reader de Sony. (Sony Inc. pág. 1). 17.

(18) •. Tamaño de pantalla: 6 pulgadas.. •. Resolución: SVGA 800x600 Aprox.170 Pixels por pulgada.. •. Color: Escala de grises de 4 niveles.. •. Poder:. Batería recargable de Litio-ion. Con capacidad para 7,500 cambios de. página. •. Peso: 250gms. Las aplicaciones de las demás compañías son para displays publicitarios, relojes y otras aplicaciones especificas, como pantallas que muestran predicciones del clima.. Desarrollo de una pantalla electromecánica Ya se vio la necesidad de promover dispositivos de lectura prolongada y el interés que existe por avanzar en el desarrollo de los mismos. También se vio cómo este campo está apenas iniciando y cómo aún hay mucho espacio para buscar nuevas alternativas. Tomando todo esto en cuenta, en este proyecto de grado se planteó una pantalla electromecánica como posible alternativa, buscando lograr el desarrollo de un monitor en donde los píxeles se dieran debido a cambios mecánicos en algún elemento, de modo que la visualización se diera por luz reflejada, del mismo modo que sucede con la página de un libro.. Para esto se propuso avanzar en un diseño Top-Down, iniciando con una etapa de planteamiento de requerimientos y especificaciones para pasar a un diseño de alto nivel. Una vez se tuviera esto en claro se pasó a buscar soluciones para cada parte del dispositivo, planteando posibles hipótesis de solución, probándolas y validándolas, para finalmente usar la más apropiada para un prototipo y una tecnología que podría ser usada en la industria para la elaboración de monitores para lectura prolongada.. 18.

(19) Requerimientos y especificaciones Se busca desarrollar un dispositivo que permita la visualización de información enviada por un computador, de modo que se eviten los factores que afectan la comodidad en lectura prolongada en los monitores convencionales. Por lo tanto este dispositivo debe ser visible por luz reflejada y no directa, no debe tener efectos de “centelleo” ni se debe ver afectado por el ángulo en el que se vea la pantalla. Además debe ser razonablemente portátil en términos de tamaño y peso. El consumo de corriente no debe ser demasiado elevado y su costo final debe estar entre los estándares del mercado actual de los monitores convencionales.. Módulos Se proponen tres módulos principales del dispositivo:. Pantalla Control. Generador de matriz de imagen. Figura 7: Módulos del dispositivo.. •. Pantalla Matriz de elementos que puedan variar entre dos estados (negro visible y blanco visible) y que respondan al generador de matriz de imagen.. •. Debe ser posible producir el monitor de modo que el tamaño de cada elemento pueda reducirse a tamaño micrométrico.. •. En una solución óptima deben conservar su estado actual sin necesidad de que el generador esté activo. 19.

(20) •. Los elementos no deben cambiar por factores como la gravedad.. Generador de matriz de imagen • Matriz de elementos que hacen que los elementos de la pantalla varíen. •. En una solución óptima deben tener un bajo consumo de potencia.. •. El control debe poder activar estos elementos por filas y columnas.. Control • El control debe recibir la información del computador y activar los elementos del generador de matriz que sean necesarios para mostrar la información dada.. Propuestas Basándose en los objetivos, requerimientos y recursos disponibles se planteó inicialmente usar actuadores electromagnéticos o piezoeléctricos como base del desarrollo. Sin embargo, los actuadores piezoeléctricos son difíciles de conseguir en las medidas apropiadas y sus costos económicos son demasiado altos, por lo que solo se trabajó con actuadores electromagnéticos.. Marco teórico Actuadores electromagnéticos Los actuadotes electromagnéticos son usados frecuentemente en la industria, tanto como parte de motores de inducción como en relés y golpeadores de barra. El principio básico de un actuador electromagnético es el de usar la fuerza magnética inducida por una corriente que circula por un embobinado para generar una fuerza mecánica.. 20.

(21) El campo magnético se mide según las unidades SI en Teslas, que equivalen a Un Newton por Coulomb-metro por segundo o Newtown por Amper metro. También es usual encontrarlo en Gauss, que equivale a 10-4 T.. Es usual representar los campos magnéticos con vectores cerrados que van de un polo magnético a otro. En esta representación se entiende que una mayor concentración o densidad de líneas señala un campo mayor y una mayor separación entre líneas representa un campo más débil.. Figura 8: Representación de un campo magnético. El estado magnético de una sustancia se describe por medio de una cantidad denominada vector de magnetización M. La magnitud de este vector se define como el momento magnético por unidad de volumen de la sustancia y cuando se analizan campos magnéticos que surgen de magnetización, es conveniente introducir una cantidad de campo llamada intensidad de campo magnético H (Serway, pág. 958). El "campo H" , es el que siente cada parte del material (campo "efectivo"), denominado a veces "intensidad" de campo magnético. La magnetización M es la respuesta generada por el material. Finalmente, la superposición de los dos anteriores, es el campo magnético total en el material, denominado "campo magnético" B, confusamente llamado "inducción magnética".. 21.

(22) En el sistema internacional (SI) de unidades:. B = m0 (H + M). donde H y M se miden en A/m, y B en tesla (T), siendo la constante magnética en el vacío:. m0 = 4 10-7 T m / A. En el sistema gaussiano:. B = H + 4 M. donde H se mide en oersted (Oe), M en erg/(cm3xG) y B en gauss (G). (Giordano, pág. 1). Propiedades magnéticas de los materiales Los materiales se dividen respecto a sus propiedades magnéticas en paramagnéticos,. diamagnéticos. y. ferromagnéticos.. Los. materiales. diamagnéticos son muy raros y presentan la peculiaridad de tener un coeficiente de permeabilidad magnética menor al del vacío, por lo que son levemente repelidos por los campos magnéticos. Para los propósitos de este proyecto no es necesario ahondar más en este tipo de materiales.. Los materiales ferromagnéticos poseen átomos que tienen momentos magnéticos permanentes. Estos campos se alinean en pequeños grupos llamados dominios con volúmenes de aproximadamente 10 -12 a 10 -10 m3. Normalmente están orientados al azar, de modo que la suma neta de su flujo magnético es cero y no producen un campo por sí mismos, pero en presencia de un campo magnético los dominios se alinean con el campo. 22.

(23) produciendo un material magnetizado que mantendrá esta propiedad por algún tiempo aún después de que el campo inicial sea retirado.. La magnetización de una sustancia ferromagnética depende de la historia de dicha sustancia, así como del campo aplicado en un efecto conocido como histéresis magnética, en donde se comparan los campos B y M de un material en curvas de magnetización, según se aplique o se retire un campo sobre éste.. Dentro de los materiales ferromagnéticos existen materiales denominados “Blandos” que tienen una magnetización remanente muy baja, por lo que se magnetizan y desmagnetizan fácilmente. El material ferromagnético blando más conocido es el hierro. También existen los materiales ferromagnéticos “duros” que tienen una gran magnetización remanente, entre ellos la ferrita. En la gráfica siguiente vemos dos diferentes curvas de histéresis; la primera pertenece a un material duro y la segunda a un material blando. Se puede ver que la espira de histéresis del primero es mucho más ancha, por lo que tienen una magnetización remanente mayor.. Figura 9: Curvas de histéresis de magnetización. (Giordano, pág. 1). Cuando un material ferromagnético duro ha sido expuesto a un campo lo suficientemente fuerte adquiere un campo magnético externo permanente y se conoce como imán. Existen imanes naturales y fabricados por el hombre,. ambos. con. base. en. diferentes. aleaciones. y. materiales 23.

(24) ferromagnéticos. Para ver qué material duro (para imanes) es mejor, se utilizan principalmente la temperatura de Curie TC y el máximo producto BxH. Un mayor (BH)max hace que el tamaño necesario del imán para una dada aplicación, sea menor. En el sistema gaussiano, el parámetro (BH)max de un material duro se mide en millones de gauss-oersted (MGOe), mientras que en el SI se mide en kilojoule por metro cúbico (kJ/m3).. Aunque los imanes naturales más conocidos son los que están hechos de magnetita, el hierro es el metal más importante entre los imanes permanentes. Una ínfima cantidad de carbono en el hierro hace que el hierro tenga la suficiente coercitividad (1 Oe) como para fabricar el imán de una brújula. Por otra parte, la saturación del hierro (20kG) es mayor que la saturación de la magnetita (4kG), por lo tanto, para una brújula se prefiere una aguja de acero. Pero por otro lado, la coercitividad de la magnetita (200G) es unas 200 veces superior. Es decir, el hierro es mejor imán temporal y la magnetita mejor imán permanente.. En cuanto a los imanes fabricados por el hombre los más comunes son: los alnicos (tienen Al, Ni y Co), que son metálicos, aunque en algunos casos más de un 50% de su peso sigue siendo Fe. Con ellos se alcanzan 8 MGOe; las ferritas, que son cerámicos y aunque tienen menores (BH)max, dominan el 90% del mercado de imanes por ser suficientemente buenos y mucho más baratos; y los de la familia llamada “de tierras raras”. Los principales imanes de esta familia son del tipo RE-M5 y RE2M17, donde "RE" son Samario Sm, Prometio Pr y Neodimio Nd y "M" son mezclas de Co con metales como Fe, Cu, Zr, Ti, Hf y Mn.. Estos imanes tienen una. coercitividad y energía enormes, de más de HCI = 20kOe y (BH)max = 25 MGOe. Además, tienen un campo muy alto (aprox. 1 tesla) cerca de su superficie, aún siendo discos delgados. (Giordano, pág. 1). 24.

(25) Los materiales paramagnéticos tienen una susceptibilidad magnética muy baja debido a la presencia de átomos o iones cuyos momentos magnéticos interactúan tan solo muy débilmente entre sí. La principal diferencia que existe entre materiales paramagnéticos y ferromagnéticos está en los valores de su permeabilidad magnética µm. En una sustancia el vector M es proporcional a la intensidad del campo H, según una constante de susceptibilidad magnética inherente a cada tipo de sustancia. De esta relación se asume un valor de permeabilidad magnética µm y se dice que el campo magnético es:. B = µmH. Para un material paramagnético como el oxígeno, el valor de µm es tan solo de 2.6 x 10-6 veces mayor que el del vacío, mientras que el del hierro en su estado más puro puede llegar a ser hasta 5000 veces mayor.. Ferrofluidos Los. ferrofluidos. son. fluidos. coloidales. que. tienen. propiedades. superparamagnéticas y se han venido desarrollando en las últimas décadas. Consisten en partículas finamente divididas de materiales ferromagnéticos como la magnetita o el cobalto, suspendidas en un medio aceitoso, como el kerosene. Para evitar que estas partículas se unan y el coloide se coagule, se adiciona un tensoactivo o agente dispersante como el ácido oleico. Las partículas deben ser del orden de 10 nm. Estas partículas rodeadas de tensoactivo interactúan entre sí como si fueran esferas duras que llevaran un dipolo magnético. (Ferrotec, pág. 1). La curva de histéresis de un ferrofluido presenta una magnetización remanente muy baja, prácticamente nula con campos de saturación en el orden de los 4000 Gauss, pero tiene una gran susceptibilidad magnética. 25.

(26) (en el orden de las decenas) lo que hace que, a pesar de su nombre, los ferrofluidos tengan propiedades conocidas como super paramagnéticas.. La calidad de un ferrofluido está determinada principalmente por el tipo de material ferromagnético, el tamaño de las partículas y el líquido de suspensión usado. Estos fluidos son bastante complejos; La mecánica de fluidos necesaria para ahondar en el estudio de su comportamiento es objeto de muchas investigaciones y sobrepasa los alcances de este proyecto. Por lo que solo se mencionarán dos de sus propiedades principales: Al ubicarse dentro de un campo magnético, la densidad del fluido aumenta y éste se ve atraído hacía los lugares donde el campo es más fuerte. Aplicaciones de los ferrofluidos Este coloide, además de poseer las formas de energía inherentes a todo flujo: energía de presión, energía cinética y energía gravitacional, tiene una energía ferromagnética al interactuar con un campo magnético. El juego de todas estas energías ha permitido una serie de útiles aplicaciones: Por ejemplo, la interacción entre magnetismo y presión puede ser utilizada para diseñar un tapón magnético en un tubo que une los recipientes con gas a distintas presiones. Un tapón hecho con fluido normal se movería hasta que las presiones quedaran equilibradas. Un ferrofluido se mantiene en su posición enfocando un campo magnético, ya que si el tapón se mueve un poco hacia la región de baja energía, la fuerza magnética lo detendrá. Al ser la energía cinética y gravitacional constantes, el decremento de la energía debido a la presión debe ser compensado por un aumento de energía magnética y viceversa. Estos sellos se utilizan cuando un eje rotante debe pasar por un compartimiento herméticamente cerrado. Esta fue la primera aplicación de los ferrofluidos y posteriormente ha sido aplicada a láseres de gas. También se han diseñado sellos en etapas múltiples, que pueden resistir presiones 60 veces mayores a la atmosférica. 26.

(27) Una variante del sello ferrofluídico de presión se ha empleado en el diseño de bocinas. En la mayoría de éstas, el elemento más importante es una bobina cilíndrica, ajustada en un magneto permanente con un hueco que le permite moverse. El calor producido en el alambre puede ser disipado mejor si se coloca un líquido en el hueco en lugar de aire. Un fluido ferromagnético no se caerá, pues el campo magnético lo sostendrá.. Otra de las aplicaciones importantes de los ferrofluidos es su utilización en procesos de separación de materiales que difieren en su densidad. Los métodos ordinarios de separación utilizan líquidos pesados, pero son tóxicos y no pueden flotar substancias de alta densidad. Con los ferrofluidos, por otro lado, se puede hacer y de hecho se usa para levitar partes no ferrosas de autos, en la incineración de desperdicios sólidos, etc. Recientes aplicaciones incluyen la separación de diamantes de la arena y la guía de taladros de perforación petrolera con un acelerador subterráneo en el cual la masa sensible es levitada en un ferrofluido (Tagueña, pág. 1).. Electromagnetismo Es bien sabido que una corriente eléctrica induce un campo magnético a su alrededor, de modo que una espira conductora por la que circule una corriente generará un campo magnético perpendicular al plano de la espira. En un solenoide donde las espiras estén muy próximas entre sí se puede considerar a cada una como una espira cerrada, por lo que el campo magnético neto será el vector suma de los campos debidos a todas las vueltas. A medida que la longitud del solenoide crece y la distancia entre sus espiras disminuye el campo en su interior se hará más uniforme mientras el campo fuera de él se hará más débil.. Se puede usar la ley de Ampere para obtener una expresión para el campo magnético de un solenoide ideal en función del número de espiras por. 27.

(28) unidad de longitud y de la corriente que circula por él. La ecuación resultante para el interior del solenoide es:. B= µoN/ liu I. Y para sus extremos será la mitad de ese valor. En este cálculo se asume vacío al interior del solenoide, pero si se usa un núcleo de algún material ferromagnético el valor del campo se verá multiplicado dado que la permeabilidad magnética será mucho mayor. Este es el principio básico de un electroimán y por lo tanto de un actuador electromagnético.. Hipótesis Partiendo de la base de que se usarían actuadores electromagnéticos para la matriz de generación de imagen se propusieron varias hipótesis para el desarrollo de la pantalla, probando cada una y validándolas con base en las especificaciones mencionadas anteriormente.. Imanes de disco La primera hipotésis planteada fue usar el principio de polaridad en imanes permanentes planos para generan un cambio visible en un punto: al generar un campo magnético sobre un núcleo de hierro ubicado debajo de un imán permanente en forma de disco, éste girará sobre sí mismo según la polaridad del campo inducido. Al cambiar la dirección de la corriente la polaridad del campo cambiará y el disco girará de nuevo. Esta solución solo requeriría energía en el momento de generar el cambio de estado, dado que el imán permanente se ve atraído por el núcleo de hierro sin importar su polaridad cuando no se indujera un campo. El cambio visible se daría al pintar un lado del disco de un color y su lado opuesto de un color que contrastara.. 28.

(29) Figura 10: Propuesta con imanes de disco. Esta hipótesis se comprobó primero con imanes de disco a base de neodimio de 1.2mm de diámetro con un campo sobre su superficie de 9000 Gauss, con una de sus caras pintada de negro y la otra de blanco. A una distancia de aproximadamente 1mm se colocó un embobinado con núcleo de hierro de 300 espiras y 2cm de largo. Se obtuvo una respuesta satisfactoria sobre el disco al alimentar el embobinado con un pulso de 100mA por 100mS. También se probó con imanes cerámicos de 1.5mm de diámetro con un campo de 3000 Gauss, usando el mismo embobinado a la misma distancia. En este caso la corriente usada fue un pulso de 250mA por 100mS.. Foto 1: Pruebas con imanes de disco. 29.

(30) Si bien estos resultados iniciales eran favorables, se presentó un problema al considerar el efecto de los campos de un píxel sobre los píxeles adyacentes. Los efectos indeseados se dieron debido a dos causas: el campo alrededor de los discos y el campo alrededor de los embobinados. El de los embobinados causaba cambios de estado indeseados en píxeles adyacentes. Para evitar esto se pensó en recubrir los embobinados con un cilindro de ferrita, de modo que el campo se viera encerrado en este y no afectara los discos vecinos. Si bien esto causaba un aumento de 2mm en el diámetro de los embobinados el resultado fue satisfactorio.. Figura 11: Contención de los campos en los embobinados. El campo alrededor de los discos presentó problemas más serios: causaba en primera estancia que los discos se vieran atraídos entre sí con mayor fuerza de la que se eran atraídos hacía el embobinado, por lo que fue necesario considerar una separación mínima permitida entre discos para tener un estado estable. Con los discos de neodimio esta distancia fue de casi un centímetro, lo que reducía la posible resolución de la pantalla más allá de lo que pretendía el proyecto, por lo que se descartaron los discos de neodimio. Los discos cerámicos necesitaban una distancia mucho menor, de tan solo 2mm para conseguir un estado estable; Sin embargo el campo generado por un disco al cambiar de estado producía cambios en los discos adyacentes en casi un 50% de los casos. Para evitar esto se necesitaba una. 30.

(31) distancia adicional de 5mm entre discos, lo que una vez más se salía de los requerimientos de resolución del proyecto.. 5mm. Figura 12: Solución para los campos alrededor de los discos. Analizando los resultados se vio que la propuesta de usar imanes permanentes para la pantalla no cumplía con los requerimientos del proyecto. Si bien es posible conseguir imanes de medidas muy pequeñas, los campos magnéticos producidos a su alrededor obligan a que se consideren como objetos magnéticos de tamaños mucho mayores.. Cilindros móviles de hierro En la siguiente hipótesis se considero usar cilindros de hierro que pudieran desplazarse por un tubo hueco rodeado por un solenoide, siguiendo el principio básico de los actuadores electromagnéticos. El cambio visual se daría cuando uno de los extremos del cilindro de hierro se acercara a la superficie.. El principal problema de esta propuesta radicaba en la necesidad de encontrar una solución que no requiriera una alimentación constante de corriente para mantener un determinado estado. La primera posible solución planteada fue usar un medio mecánico de sujeción, de modo que dos laminas delgadas sostuvieran el cilindro en su puesto evitando que las vibraciones o la gravedad cambiaran su estado. El solenoide tendría que generar un campo lo suficientemente fuerte como para liberar el cilindro de las láminas. 31.

(32) Figura 13: Propuesta con cilindros de hierro. Esta hipótesis se comprobó usando un tubo plástico de 4mm de diámetro con un cilindro de hierro de 2mm de diámetro y 0,5cm de largo en su interior. Alrededor del tubo plástico se pusieron dos embobinados de 120 espiras y 1cm de largo cada una. En medio del tubo, entre las dos espiras, se colocó una lámina de aluminio de 2mm de ancho. Esta lámina sostenía el cilindro para que no cambiara de posición debido a la gravedad ni al movimiento del tubo plástico. El objetivo era que el cilindro metálico fuera atraído por los embobinados, de modo que se fue aumentando poco a poco la corriente inducida para aumentar el campo producido. La corriente mínima requerida para esto fue de 1.2A, demasiado alta, no solo para las especificaciones del proyecto, sino para los materiales usados. El embobinado se hizo con alambre delgado de cobre y con esa corriente presentó un aumento elevado de temperatura.. Foto 2: Pruebas con cilindros de hierro. 32.

(33) Para solucionar este problema se planteó primero aumentar el numero de espiras, pero esto aumentaba el diámetro alrededor del tubo plástico, lo que afectaba la resolución y no lograba una disminución significativa en la corriente necesaria: Con 60 espiras más el diámetro se aumentaba en casi 1mm y la corriente necesaria disminuía en solo 180mA.. Se concluyó que esta hipótesis no cumpliría con los requerimientos de resolución ni de potencia, por lo que era necesario considerar otros métodos que no requirieran campos magnéticos tan fuertes, cambiando el medio de sujeción y el cilindro por elementos más livianos.. Partículas de hierro en fluido viscoso. Pensando en esto se planteó una nueva propuesta en la que se llenó el tubo de plástico con un fluido viscoso en el que se depositaron limaduras de hierro. El liquido viscoso de color debería evitar un cambio de posición de las partículas de hierro y en un extremo el tubo se cerraría con un cristal transparente, de modo que si las partículas se agrupaban el ese extremo se vería un punto negro, mientras que si se alejaban se vería el color blanco del fluido. Un embobinado con núcleo de hierro ubicado debajo del elemento debería atraer las partículas lejos del extremo visible.. Figura 14: Propuesta con partículas de hierro. 33.

(34) Un primer problema apareció al considerar que este método solo lograría cambiar uno de los elementos del estado “negro” al “blanco”, pero no a la inversa, dado que para esto sería necesario generar un campo magnético encima del elemento lo que ocultaría el extremo visible. Reconsiderando las especificaciones, se vio que no era necesario que los elementos individuales de la pantalla cambiaran constantemente de color. Al buscar una solución para lectura prolongada, se podía suponer un proceso de “impresión” de toda la pantalla, por lo que se planteó el proceso de visualización en dos estados diferentes: Un momento que se llamara de “borrado”, en el que todos los píxeles de la pantalla regresan a un estado determinado, y uno de “impresión”, en donde píxeles determinados cambian a otro estado y la imagen es generada.. Dado este funcionamiento, se planteó usar imanes permanentes para mover las partículas de hierro hacía el extremo visible de los tubos, para después, usando los embobinados, atraer las partículas de los píxeles blancos hacía el otro extremo.. Para el fluido es necesario tener en cuenta su viscosidad que se mide usualmente en unidades centipose, teniendo como base que el agua tiene 1cps de viscosidad. Para los propósitos de este proyecto no es necesario entrar en demasiado detalle sobre la viscosidad de los fluidos.. Para la comprobación de esta hipótesis se usaron tubos de 4mm con embobinados de núcleo de hierro de 200 espiras en 1cm de longitud. Se probaron soluciones lubricantes de diferentes viscosidades entre 3000 y 6000 cps. Los fluidos menos viscosos no evitaban que con el tiempo las partículas de hierro se vieran afectadas por la gravedad. Con los más viscosos fueron necesarias corrientes de hasta 700mA para cambiar el estado de los píxeles.. 34.

(35) Foto 3: Pruebas con partículas de hierro.. Si bien esto era una mejora notable sobre las hipótesis anteriores, aún distaba de ser una solución óptima para los requerimientos de resolución y de potencia. Además debía considerarse que a largo plazo se presentarían efectos de oxidación en las partículas.. Ferrofluidos Para evitar los problemas con las partículas de hierro se propuso reemplazarlas por ferrofluido. En un tubo de vidrio se pone una mezcla 50/50 de alcohol isopropílico y agua desionizada para que funcione como líquido base. En esta mezcla se puede suspender una gota de ferrofluido sin que éste cambie sus propiedades. El principio básico es el mismo que el de la propuesta con partículas de hierro: Si se agrega un colorante blanco ala mezcla base, en un extremo del tubo se vera un punto blanco (el fluido base) si el ferrofluido está en el otro extremo, o un punto negro si el ferrofluido está en el extremo visible.. 35.

(36) Figura 15: Propuesta con Ferrofluido. Se consiguieron dos calidades distintas de ferrofluido para las pruebas: EFH1 de Ferrotec, que es un ferrofluido con kerosene como líquido de suspensión y magnetita como material ferromagnético y un ferrofluido de alta calidad, cuya composición es información no divulgada por Ferrotec.. Para evitar tener que usar un liquido base con una alta viscosidad, el proyecto tuvo en cuenta algunas generalidades sobre la tensión superficial y la densidad que se dan cuando un fluido se encuentra con otras sustancias.. La tensión superficial se origina a partir de las fuerzas entre las moléculas de un líquido y las fuerzas entre éstas y las moléculas de cualquier sustancia contigua. Esto produce una membrana sobre el líquido que actúa como una membrana dilatada. Debido a los efectos de ésta, el liquido ejerce tensión sobre las proporciones adyacentes de la superficie o sobre los objetos que tienen contacto con el líquido y dos fuerzas entran a jugar un papel importante en el comportamiento del líquido: la cohesión que existe entre las moléculas del líquido que hacen que tienda a permanecer como un ensamblado de partículas y la adhesión que se da debido a la membrana entre las moléculas del líquido y una superficie sólida. Si las fuerzas de adhesión son mayores a las de cohesión, las moléculas del líquido se esparcirán sobre el sólido y se presentará un fenómeno de capilaridad. (Muñoz, pág. 22). 36.

(37) Dependiendo del diámetro de la membrana dilatada y de la capilaridad existente en un líquido, ésta podrá ser lo suficientemente fuerte como para que la gravedad no afecte al líquido. Con base en este principio se uso el fenómeno de capilaridad para evitar que la gravedad o el movimiento cambiara el estado de un píxel: al introducir el ferrofluido en un tubo delgado de vidrio se comprobó que la capilaridad era suficiente para mantenerlo en el extremo superior del tubo, en donde es visible.. Foto 4: Capilaridad en el ferrofluido. Para la comprobación de esta hipótesis se realizaron pruebas con tubos de 1,2mm y 3mm de diámetro, sellados en un extremo con calor y en el otro por una capa de latex. En los tubos de 1,2mm se uso 10µl de liquido base y 2µl de ferrofluido de alta calidad. En los de 3mm se uso 0,1ml de base y 0,02ml de ferrofluido EFH1. Los tubos de 3mm se cortan de 6mm de largo.. Para los tubos de 1,2mm no fue posible conseguir núcleos de materiales ferromagnéticos apropiados con el tamaño correcto, por lo que se usaron núcleos de acero en los embobinados de 500 espiras por 2cm de alto. Con esta configuración y pulsos de 360 mA de 200mS se generaron campos 37.

(38) verticales justo sobre el núcleo lo suficientemente fuertes para atraer al ferrofluido a través de vidrio. Para los tubos de 3mm se trabajó con embobinados en cobre sobre núcleos de hierro de 500 espiras de 3mm de diámetro y 2.5 cm de alto y pulsos de corriente de 90mA de 200 mS.. Foto 5: Pruebas con ferrofluido. Además, se experimentó usando los embobinados de 3mm bajo matrices de tubos de 1.2mm, de modo que los cambios en la pantalla no se dieran en relación directa a los cambios en la matriz de generación de imagen, sino que dependieran de la suma total de los valores de los campos generados. Para esto se usaron pulsos desde 80mA hasta 160mA de 200mS.. Los campos producidos por los embobinados son lo suficientemente fuertes como para hacer que la cohesión del ferrofluido supere las fuerzas de adhesión, de modo que se rompa la capilaridad y el ferrofluido se vea atraído hacía el extremo del tubo. Este campo se midió en 0.46T en la superficie del embobinado. En los píxeles adyacentes el ferrofluido también se ve atraído por el campo, pero, además de que el campo es más fuerte justo encima del núcleo (a 4mm del núcleo el campo generado ya puede considerarse nulo), la atracción no se da de manera paralela a las paredes del tubo, por lo que se necesita más fuerza para romper la capilaridad.. 38.

(39) Los. resultados. del. trabajo. con. ferrofluidos. fueron. satisfactorios.. Teóricamente sería posible reproducir los resultados en tamaños mucho menores, siendo la construcción de los tubos de vidrio la principal limitación. Reducir el tamaño de los píxel reduciría los costos de potencia, haciendo razonable el uso de cientos de éstos píxeles en un monitor a base de ferrofluidos. Tomando esto en cuenta no se probaron más hipótesis y se decidió construir un prototipo usando esta solución.. Control Una vez definida la pantalla, se empezó a trabajar en el módulo de control para manejar la matriz de generación de imagen. Éste módulo se dividió en módulos menores, siguiendo la filosofía de diseño Top-Down:. Interfaz con Computador. Control de Barrido. Decodificador de Pantalla. Control de Potencia. Figura 16: Módulos del control. La imagen a mostrar en pantalla se produce originalmente en el computador. El módulo de interfaz debe transmitir la información a ser mostrada en la pantalla al dispositivo. Dado que en este caso se tiene una pantalla monocromática, esta información se puede dar usando un bit por píxel, de modo que no es necesario una transmisión de alta velocidad y se puede pensar en cualquiera de los puertos existentes, sea serial, usb o paralelo.. El control de Barrido recibe la información del computador y la convierte a direcciones puntuales en la matriz de la pantalla, entregándole al decodificador una serie de direcciones. Debido al consumo de potencia de 39.

(40) los embobinados y a la necesidad de mantener los campos magnéticos puntuales, no es recomendable activar todos los píxeles a la vez, por lo que se activarían en un barrido.. El decodificador activa una fila y columna determinados, indicando el píxel que debe cambiar de estado. Para esto lo más efectivo es usar decodificadores para filas y columnas.. El control de potencia debe recibir las señales digitales y de acuerdo a estas alimentar los embobinados con la corriente que sea necesaria. Esto se puede conseguir usando transistores darlington pnp y npn para filas y columnas respectivamente, con una configuración de regulación de voltaje usando resistencias variables. Este tipo de configuración es común en aplicaciones con motores de inducción y en el mercado se pueden conseguir integrados con varios arreglos de transistores. Por ejemplo se presentan las configuraciones del UDN2981 y el ULN2803:. Figura 17: Esquemático para el UDN2981 (Tomado del Datasheet). 40.

(41) Figura 18: Esquemático para el ULN2803 (Tomado del Datasheet). Prototipo Para la construcción de un prototipo funcional se encontró que la principal dificultad provenía del proceso de sellado de los tubos de vidrio, dado que éste debería ser completamente hermético, sin dejar ningún tipo de burbuja en el interior del tubo, de lo contrario la capilaridad se vería afectada y la pantalla no funcionaria de manera correcta.. Por éstas mismas dificultades se decidió trabajar con los tubos de 3mm, dado que los de 1.2mm eran más difíciles de cortar y sellar a las medidas necesarias. Para mostrar un resultado funcional se decidió construir una pequeña matriz de 8 por 8 píxeles en donde los tubos se sellaron solo con látex. Los embobinados se construyeron a la medida y el resultado inicial de este prototipo fue satisfactorio. Sin embargo existían filtraciones que ocasionaron fallas a largo plazo, por lo que varias semanas después de construido se filtro aire dentro de los tubos de vidrio y fue necesario comenzar de nuevo.. Para el segundo prototipo se construyó una matriz más pequeña, de 5 por 4 píxeles, apenas lo suficiente para visualizar un solo cáracter, reforzando el sellamiento de látex con sellante elástico industrial a base de poliuretano.. 41.

(42) El proceso de elaboración fue el siguiente:. 1) Los tubos de vidrio se cortan a la medida indicada y se sellan por un lado por medio de calor:. Foto 6: Tubo de vidrio. 2) Se llenan con el líquido base y después se les introduce la cantidad correcta de ferrofluido, con la ayuda de un imán para mantenerlo alejado del extremo que va a ser sellado:. Foto 7: Llenado del tubo. Se revisa que no existan burbujas de aire y después se sellan con látex líquido y una vez se ha secado el látex se refuerza con silicona de alto rendimiento:. 42.

(43) Foto 8: Sellado del tubo. Por otro lado el núcleo de hierro se recubre con un solenoide de hilo conductor de cobre, según el número indicado de espiras:. Foto 9: Embobinado. Los embobinados se unen por filas y columnas para lograr la matriz de generación de imagen. Cada embobinado tiene una resistencia de 3.5. Su inductancia no se calcula dado que debido a su respuesta lenta no habrá un comportamiento en frecuencia que sea necesario tomar en cuenta.. 43.

(44) Foto 10: Matriz de generación de imagen. Los tubos llenos y sellados se unen para armar la pantalla:. Foto 11: Pantalla. Para el control de potencia se decidió usar arreglos de transistores UDN2981 y ULN2803, con trimmers para el control de corriente. Dado que estos arreglos traen 8 transistores por pastilla, manejan corrientes de hasta 500mA y se activan con señales TTL se consideraron óptimos para el prototipo pensado.. El proceso de borrado se manejó con un pequeño motor DC que pasa un imán cerámico de 6000G a 5mm de la pantalla antes de cada proceso de impresión.. Como fuente de alimentación se pensó en una batería de Iones de Litio, dado que este tipo de baterías tienen un rendimiento superior y se recomiendan para aplicaciones en las que se requieren pulsos de corrientes considerables, tal como en el caso de este prototipo.. 44.

(45) Para la interfaz con el computador, el control de barrido y la decodificación de pantalla se usó un microprocesador Atmel89S51 que recibe por comunicación serial rs232 el carácter a ser mostrado en pantalla y activa los transistores necesarios en el control de potencia.. En el computador se escribió un pequeño programa para enviar los caracteres a ser mostrados en pantalla junto con una previsualización del resultado esperado.. Figura 19: Programa para el manejo de la pantalla. Figura 20: Esquemático completo del prototipo.. 45.

(46) Resultados, Conclusiones y Tareas Resultados •. A lo largo de este proyecto se demostró la necesidad y el interés existentes en el desarrollo de alternativas a los monitores comunes, basados en tecnología CRT y LCD.. •. Se estudiaron posibles soluciones para la elaboración de una pantalla electromecánica para lectura prolongada y después de proponer un diseño a alto nivel se siguió un proceso de planteamiento de hipótesis y comprobación de las mismas.. •. Se comprobaron algunas de las dificultades que se presentan al tratar de hacer una pantalla a base de actuadores electromecánicos, especialmente las que acarrean el alto consumo de potencia y el control sobre la extensión de los campos magnéticos inducidos.. •. Se estudió el ferrofluido como posible alternativa para el desarrollo de. la. pantalla,. aprovechando. algunas. de. las. peculiares. características de este tipo de sustancias. •. Se logró una solución acorde con los requerimientos planteados y se construyó un pequeño prototipo para su comprobación.. Conclusiones •. Es necesario ahondar más en el campo de desarrollo de ideas novedosas para buscar alternativas a las tecnologías existentes. Si bien el campo de los monitores parece haber avanzado mucho, aún falta mucho por trabajar antes de poder obtener pantallas completamente seguras y cómodas, que puedan usarse como los monitores convencionales y también sirvan para la lectura prolongada.. 46.

(47) •. Materiales poco usados en este tipo de campo, como los ferrofluidos, pueden traer desarrollos nuevos y alternativas importantes a las tecnologías comunes.. •. Un proceso de diseño ordenado y cuidadoso permite probar diferentes ideas y clasificarlas para avanzar en el desarrollo de nuevas tecnologías.. Trabajos por realizar •. Desarrollar una base teórica robusta que permita comprobaciones con los ferrofluidos por medio de simulaciones.. •. Desarrollar un método más práctico para el cambio de estado en los píxeles, de modo que no sea necesario un proceso general de borrado de la pantalla.. •. Mejorar el proceso de construcción de la solución encontrada, para poder tener prototipos más complejos, que permitan comprobaciones más completas.. •. Hacer un estudio más profundo de la calidad y duración de la pantalla, incluyendo tiempo de vida útil, confiabilidad y rangos de temperatura y otras variables difíciles de controlar.. •. Buscar un método más avanzado de sellamiento, preferiblemente por calor, que permita asegurar el buen funcionamiento a largo plazo de la pantalla.. 47.

(48) Referencias Carmack Carmen, Tyson Jeff. How Computer Monitors Work. En How Stuff Works [en linea, consultado en Agosto de 2006]. Disponible en http://computer.howstuffworks.com/monitor.htm. Eldershaw Craig.. Electronic Reusable Paper. En Palo Alto Research Center [en linea, consultado en Abril de 2006]. Disponible en http://www2.parc.com/hsl/projects/gyricon/. E-ink Corporation. E-ink Development. En E-ink homepage [consultado en Abril de 2006] Disponible en http://www.eink.com. Ferrotec Corporation. Ferrofluid. En Ferrotec homepage [en linea, consultado en Agosto de 2006]. Disponible en http://www.ferrotec.com/products/ferrofluid/. Giordano José Luis. El iman. En Cómo Funcionan las Cosas, Profísica Chile [en linea, consultado en Noviembre de 2006]. Disponible en http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=21. Irex Technologies. Iliad Specifications. En Irex homepage [catalogo en linea, consultado en Abril de 2006]. Disponible en http://www.irextechnologies.com/home.htm. Muñoz Zazueta Jose de Jesús. Mecanica de fluidos para ingenieros. Prentice Hall, 1986, Mexico.. Salibello Cosmo. COMPUTER VISION SYNDROME (CVS): HOW TO TREAT THE PATIENTS YOU MAY NOT KNOW YOU HAVE. En Continuing Education on the Web, Oregon Pacific University [en. linea,. consultado. en. Agosto. de. 2006].. Disponible. en. http://www.opt.pacificu.edu/ce/catalog/web001/course.htm. Serway, Raymond, Robert Beichner. Fisica para coencias e ingenieria tomo 2 Mc Graw Hill 2001; Mexico. Sony Corporation. Sony Reader. En Sony Products [catalogo en linea, consultado en Abril de 2006].. Disponible. en. http://products.sel.sony.com/pa/prs/index.html?DCMP=reader&HQS=showcase_reader. Tagueña Julia, Martina Esteban. El magnetismo y sus aplicaciones en el mundo moderno. En De la brújula al espín. [En Linea, Capítulo V. Consultado en Noviembre de 2006]. Disponible en http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/056/htm/sec_7.htm. U.S. Department of Labor Occupational Safety & Health Administration. Computer Workstation Hazards: Monitors. En OSHA Homepage. [en linea, consultado en Agosto de 2006]. Disponible en http://www.osha.gov/SLTC/etools/computerworkstations/components_monitors.html. 48.

(49)