Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 21 November 2015 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
Deposisi Lapisan Tipis Kopolimer Hibrid TMSPMA-TEMS Doping DCM dengan Teknik Spray-Airbrush sebagai Bahan Luminisensi pada Lampu Planar Berbasis SSL Handika Sandra Dewi, Norman Syakir, Annisa Aprilia, Fitrilawati Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran, Jl. Raya Jatinangor KM 21, Kabupaten Sumedang 45363, Jawa Barat Abstrak Teknologi penerangan terus berkembang untuk memenuhi kebutuhan efisiensi dan efisasi yang lebih besar. Salah satu inovasi dalam teknologi penerangan adalah lampu berbasis Solid-State Lighting (SSL) berdimensi besar (planar), yaitu dengan menambahkan bahan phosphor di atas pelat pandu gelombang dengan LED biru atau ultra-violet sebagai sumber pengeksitasi hingga menghasilkan lampu putih. Terdapat dua jenis bahan phosphor, yaitu phosphor organik dan phosphor anorganik. Phosphor organik memiliki efisiensi kuantum mendekati 100%, akan tetapi suhu degradasi bahan tersebut hanya sekitar 200oC, sehingga dibutuhkan bahan lain untuk menjaga daya tahan (life time) phosphor organik. Penelitian ini menggunakan phosphor organik DCM (4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(pdimethylaminostyryl)-4H-pyran) yang didoping ke dalam matriks kopolimer hibrid TMSPMA(3(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate)-TEMS(triethoxymetylsilane). Kemudian dibuat dalam bentuk lapisan tipis di atas substrat kaca dengan variasi konsentrasi tertentu melalui teknik spray-airbrush. Berdasarkan hasil karakterisasi spektrum emisi dan absorbsi yang telah dilakukan, konsentrasi optimum dalam pembuatan lapisan tipis adalah 0,6 g/mL. Lapisan tipis juga mampu mengabsorp panjang gelombang pada rentang 400-550nm dan mengemisikan panjang gelombang pada rentang 500-700nm. Dengan demikian, lapisan tipis kopolimer hibrid TMSMPA-TEMS dengan doping DCM dapat digunakan sebagai bahan luminisensi untuk lampu planar berbasis SSL. Kata Kunci: Solid-State Lighting, phosphor organik, kopolimer hibrid, Sprayairbrush Abstract Higher efficiency and efficacy are the purpose of lighting technology. Planar based Solid-state Lighting (SSL) is a promising innovation on lighting technology which provides higher efficiency and efficacy. It develops by coating light guide plate with phosphor material and putting blue or UV LED as light sources, therefore white light can be emitted brightly. There are two kinds of phosphor material can be used, which are organic phosphor and inorganic phosphor. Organic phosphor has near to 100% of quantum efficiency which means it has big potential to develop. Although it has a lower decomposition temperature, which around 200oC, other materials might be used to maintain the life time. This research uses matrix of hybrid copolymer TMSPMA(3(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate)-TEMS(triethoxymetylsilane) to trap organic phosphor DCM (4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(pdimethylaminostyryl)-4H-pyran). The thin films have been synthesised using spray-airbrush technique on glass substrate through different concentrations. Irradiance and absorbance spectra of thin films show that there is an optimum concentration which is 0.6 g/mL. The thin films also absorb light in around 400-550nm, then emit light in around 500-700nm. Therefore, the thin film of TMSPMA-TEMS doped by DCM might be use as luminescent material on planar based SSL. Keywords: Solid-State Lighting, phosphor organik, kopolimer hibrid, Spray-airbrush
FM-25
FM-26
Handika Sandra Dewi,dkk
I. Pendahuluan Sebelumnya, lampu fluorosense memiliki efisiensi tertinggi sebesar 25%, dibandingkan dengan lampu pijar dengan efisiensi sebesar 5%. Sampai ditemukannya LED biru oleh Nakamura yang mendukung perkembangan lampu putih berbasis LED. Lampu LED putih terbaik memiliki efisiensi sebesar 30% dan jelas lebih tinggi daripada lampu pijar dan lampu fluorosense[1,5]. Lampu berbasis LED atau SSL dapat dikembangkan melalui dua pendektan, yaitu pendekatan eksitasi langsung (DPE-Direct Path Excitation) dan pendekatan kopling cahaya (LWC-Light Wave Coupling)[4]. Pendekatan LWC dapat digunakan dalam pembuatan lampu SSL berdimensi besar berbentuk panel lebar (planar), sehingga dibutuhkan lapisan pengkonversi panjang gelombang yang berukuran lebar dan memiliki karakteristik yang sesuai dengan pelat pandu gelombang yang pada umumnya berbahan PMMA[6,7]. Lapisan pengkonversi panjang gelombang dapat dibuat menggunakan bahan phosphor organik, dalam penelitian ini digunakan phosphor organik DCM dengan struktur kima sebagai berikut.
(a)
(b)
(c)
Gambar 1. (a) Struktur kimia DCM (b) Struktur kimia monomer TMSPMA (c) Struktur kimia monomer TEMS
Phosphor organik DCM memiliki suhu degradasi sekitar 220 oC, sehingga untuk pengaplikasian pada lampu planar berbasis SSL dibutuhkan bahan lain yang mampu menjaga daya tahan (life time) DCM, seperti matriks kopolimer hibrid. Penelitian ini menggunakan kopolimer hibrid TMSPMA-TEMS, penambahan monomer TEMS pada TMSPMA dapat mengurangi gugus akrilat sehingga kopolimer bersifat lebih elastis dan tidak mudah mengalami pecahan (crack)[2]. Salah satu teknik pembuatan lapisan tipis adalah spray-airbrush yang bekerja dengan cara memecah material dalam bentuk liquid ke dalam butiran-butiran kecil dan mengarahkannya pada titik-titik tertentu. Besar dan jarak antar butiran-butiran yang dihasilkan dapat diatur berdasarkan nozzle dan tekanan dari airbrush[3]. II. Metode Penelitian Kopolimer hibrid TMSPMA-TEMS yang digunakan sebagai matriks, disintesis menggunakan teknik sol-gel. Masing-masing monomer TMSPMA dan TEMS yang ditunjukkan oleh Gambar 1 dilarutkan ke dalam etanol dan larutan monomer TEMS dicampurkan dengan larutan monomer TMSPMA. Kemudian ditambahkan akuades untuk memulai proses hidrolisis dengan perbandingan antara monomer:etanol:akuades adalah 1:4:8. Setelah proses hidrolisis selesai, ditambahkan HCl sebesar 1% dari volume akuades. Larutan tersebut diaduk hingga membentuk gel yang selanjutnya disebut sebagai prekursor. Phosphor organik DCM ditambahkan sebagai dopan dengan cara melarutkan DCM dalam
Deposisi Lapisan Tipis Kopolimer Hibrid TMSPMA-TEMS Doping DCM dengan.....
FM-27
etanol dan menambahkan Irgacure 819 sebagai fotoinisiator ke dalam larutan DCM. Irgacure 819 dan DCM yang digunakan adalah tetap sebesar 0,2% dan 1% dari berat prekursor yang digunakan, sedangkan berat prekursor divariasikan sebesar 0,1g, 0,4g, 0,5g, 0,6g, dan 1,2g, sehingga diperoleh variasi konsentrasi prekursor terhadap etanol sebesar 0,1g/mL, 0,4g/mL, 0,5g/mL, 0,6g/mL, dan 1,2g/mL. Larutan-larutan tersebut dibuat menjadi lapisan tipis di atas substrat kaca menggunakan teknik spray-airbrush dan difotopolimerisasi selama 15 menit mengunakan sinar UV. Teknik spray-airbrush dilakukan dengan meletakkan pena airbrush tegak lurus terhadap substrat, seperti Gambar 4.
Gambar 4. Skema teknik spray-airbrush dengan meletakkan pena airbrush tegak lurus di atas substrat.
III. Hasil dan Pembahasan 40.2
43.6
38 40
36 533.4
34 32
35
536.9
30 457.9 476.9 467.3
28 30
475.8
26 24 22
25 %T
%T
C=C
20 18
20
C=C
10
16 14
Si-O-Si
15
O-H 3447.4
C=O 2954.0
5
C-H
1718.8 1636.5
609.9 816.2 756.4
8
O-H
6
3468.0
10
1405.2
1297.3
1168.0
C-H
C=O
2955.2
4 1452.9
1636.7 1716.0
1407.3
Si-O-Si 1271.1 1298.3
1453.0
904.5 1123.9
816.5 771.9
2
3.3 4000.0
608.7
12
0.3 3600
3200
2800
2400
2000
1800 cm-1
1600
1400
1200
1000
800
600
450.0
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800 cm-1
1600
1400
1200
1000
800
600
450.0
(a) (b) Gambar 5 (a) Hasil spektroskopi FTIR lapisan tipis poli(TMSPMA) (b) Hasil spektroskopi FTIR lapisan tipis poli(TMSPMA-TEMS)
Gambar 5 menunjukkan hasil spktroskopi FTIR kedua lapisan tipis polimer hibrid TMSPMA dan kopolimer hibrid TMSPMA-TEMS. Terlihat bahwa kedua lapisan tipis memiliki gugus struktur yang serupa ditunjukkan oleh adanya gugus Si-O-Si pada kedua lapisan tipis tersebut. Namun, kita dapat melihat bahwa penambahan TEMS pada TMSPMA dapat mengurangi rasio gugus C=O dan C=C, sehingga memengaruhi sifat mekanik lapisan tipis TMSPMA-TEMS menjadi lebih elastis dan tidak mudah mengalami retakan.
FM-28
Handika Sandra Dewi,dkk
Tabel 1. Tabel hasil uji viskositas larutan TMSPMA-TEMS:DCM dengan gambar lapisan tipis menggunakan mikroskop optik. Konsentrasi Viskositas Perbesaran 10x dengan No Lapisan Tipis dengan Kaca (g/mL) (mPa.s) Mikroskop Optik 1
0,1
1,66
2
0,4
4,41
3
0,5
11,7
4
0,6
17,6
5
1,2
50,1
Tabel 1 menunjukkan hasil pengamatan viskositas larutan TMSPMATEMS:DCM dan struktur lapisan tipis. Perbesaran viskositas larutan sebanding dengan konsentrasi yang diberikan, dengan konsentrasi yang semakin besar maka viskositas larutan menjadi semakin besar. Struktur lapisan tipis telah homogen pada setiap konsentrasi, akan tetapi konsentrasi larutan yang tinggi mampu memunculkan warna dominan dari DCM 0.6
0.4
0,1 g/mL 0,4 g/mL 0,5 g/mL 0,6 g/mL 1,2 g/mL
5000
Intensitas (Counts)
Absorbansi (Abs)
6000
0,1 g/mL 0,4 g/mL 0,5 g/mL 0,6 g/mL 1,2 g/mL
0.5
0.3
0.2
0.1
4000
3000
2000
1000
0.0 400
500
600
700
Panjang Gelombang (nm)
800
900
0 500
550
600
650
700
Panjang Gelombang (nm)
(a)
(b)
Gambar 6. (a) Hasil spektroskopi UV-Visible lapisan tipis dengan berbagai konsentrasi (b) Hasil spektroskopi iradiansi lapisan tipis dengan berbagai konsentrasi
Gambar 6 menunjukkan hasil spektroskopi UV-Visible dan emisi lapisan tipis kopolimer hibrid, terlihat bahwa perbesaran konsentrasi tidak selalu menghasilkan absorbansi dan emisi yang besar. Lapisan tipis dengan konsentrasi besar akan lebih tebal dan membutuhkan waktu yang lebih lama untuk dapat terfotopolimerisasi sempurna, sehingga memungkinkan sebagian besar DCM terdegradasi sebelum kopolimer hibrid terpolimerisasi sempurna dan menyimpan DCM dalam matriks. Sedangkan pada konsentrasi yang lebih rendah akan menghasilkan lapisan yang lebih tipis dengan jumlah DCM yang lebih sedikit, sehingga memiliki nilai absorbansi yang relatif rendah. Puncak absorbansi dan iradiansi tertinggi ditunjukkan oleh lapisan tipis dengan konsentrasi 0,6 g/mL.
Deposisi Lapisan Tipis Kopolimer Hibrid TMSPMA-TEMS Doping DCM dengan.....
FM-29
Lapisan luminisensi yang mampu mengabsorb lebih banyak dapat mengiradiansi dengan lebih terang, begitu juga sebaliknya. Gambar 7 menunjukkan perbandingan besar iradiansi pada lapisan luminisensi dengan substrat kaca dan substrat LGP serta iradiansi larutan kopolimer hibrid TMSPMA-TEMS:DCM pada konsentrasi 0,6 g/mL. Terlihat bahwa lapisan tipis di atas substrat LGP memiliki iradiansi paling besar.
Emisi (Counts)
8000
Substrat LGP Substrat Kaca Larutan
6000
4000
2000
0 500
600
700
Panjang Gelombang (nm)
Gambar 7. Hasil spektroskopi emisi lapisan tipis 0,6 g/mL pada substrat kaca dan LGP serta emisi dalam bentuk larutan
IV. Kesimpulan Teknik spray-airbrush mampu mendeposisi lapisan luminisensi secara homogen, efektif, dan lebih efisien untuk dimensi lapisan yang besar. Pembuatan lapisan luminisensi TMSPMA-TEMS:DCM dengan teknik spray-airbrush memiliki kondisi optimum, yaitu dengan konsentrasi larutan TMSPMA-TEMS:DCM sebesar 0,6 g/mL. Penggunaan konsentrasi yang lebih besar atau kecil memengaruhi ketebalan lapisan dan besar absorbansi serta iradiansi lapisan luminisensi. Penggunaan LGP sebagai substrat juga memengaruhi iradiansi yang dihasilkan oleh lapisan tipis, yaitu mampu membuat iradiansi lapisan luminisensi menjaid lebih besar dibandingkan dengan penggunaan kaca sebagai substrat. Ucapan Terima Kasih Penelitian ini didanai oleh Penelitian Desentralisasi (Penelitian Unggulan Tinggi) Tahun Anggaran 2015 DIPA UNPAD berdasarkan surat penugasan nomor 393/UN6.R/PL/2015 pada tanggal 16 Februri 2015. Daftar Pustaka 1. Humphreys, Colin J.2008.Solid-State Lighting.UK:MRS Bulletin Volume 3 2. Fitrilawati, Norman Syakir, Agustin P. Mastiti, Utami Yuliani, Annisa Aprilia.Penggunaan Polimer Hibrid TMSPMA dan Phosphor Organik Sebagai Bahan Luminisensi untuk Aplikasi Solid State Lighting Planar. 3. Dan, Liu.2008.Robotics Painter I.Singapore:National University of Singapore
FM-30
Handika Sandra Dewi,dkk
4. J. Steckl, J. Heikenfeld, S. C. Allen, Light Wave Coupled Flat Panel Display and Solid-State Lighting using Inorganic/organic Materials, IEEE/OSA J. Of Display Technology 1 (2005), 157-166 5. Ines Lima Azevedo, M. Granger Morgan, The Transition to Solid-state Lighting, Proceedigs of the IEEE, Vol. 97, No. 3, March 2009 6. Travis A., T. Large, N. Emerton, and S. Bathieche, 2009, Collimated light from a waveguide for a display backlight, OSA/ Vol.17, No. 22/OPTICS EXPRESS 19719 7. Travis A., Timothy A, Large, Neil Emerton and Stevan N. Bathiche, 2011, Wedge Optics id Flat Panel Display, Proceeding of the IEEE
