Karakteristik Model Divais Fotoluminisen RGB Multilapis Berbasis Polimer Hibrid
Norman Syakir, 1 Indra Masruri, 1 Pina Pitriana, 2 Rahmat Hidayat, 2 dan Fitrilawati 1, ∗
1 Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung-Sumedang KM 21Jatinangor, Sumedang 45363
2 KK Fisika Magnetik dan Fotonik, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha 10, Bandung 40132

## Intisari
Dalam makalah ini dilaporkan hasil karakterisasi model divais fotoluminisen RGB ( Red,Green,Blue ) mul- tilapis berbasiskan polimer hibridorganik-anorganik. Bahan divais fotoluminesen terbuat dari polimer hibrid yang di doping kromofor organik. Prekursor polimer hibrid dibuat dengan teknik Sol-gel darimonomer 3- ( Trimethoxysilyl ) propyl methacrylate (TMSPMA). Kromofor dopan terdiri dari Nile Red (R), Coumarine-6 (G) dan Coumarine-1 (B). Model divais fotoluminisensi RGB terdiri dari tiga lapisan yang dibuat lapis per lapis di atas substrat fused silicadengan menggunakan teknik spincoating. Untuk menghasilkan kombinasi warna emisi, telah dibuat tiga macam model divais dengan konfigurasi urutan lapisan R, G dan Byang berbeda. Karakterisasi dilakukan terhadap pola spektrum absorpsi UV-Vis dan spektrum emisi, dan warna cahaya yang diemisikan.Model divais dengan konfigurasi multilapis memperlihatkan spektrum emisi kontinyu dalam rentang 400nm sampai 700 nm yang bersesuaian dengan rentang panjang gelombang cahaya putih. Ketiga konfigurasi model divais memiliki pola spektrum emisi berbeda yang disebabkan oleh urutan mekanisme absorpi dan emisi antara ketiga lapisan yang berbeda.

## ABSTRACT
We report characteristics of RGB multilayer photoluminescence device models based on inorganic-organic hy- brid polymer.The hybrid polymerdoped with organic chromophores were used as a photoluminescence mate- rial. Precursor ofhybrid polymer was synthesized from monomer of 3-( Trimethoxysilyl) propyl methacrylate (TMSPMA). The organic chromophores consist of Nile Red (R), Coumarine-6 (G) and Coumarine-1 (B). The multilayer device models consist of three layers of hybrid polymer with certain chromophore color that prepared layer by layer on fused silica substrates using spincoating technique. In order to obtain various emission color, three configuration of RGB chromophores were prepared. The device models then characterized using UV-Vis absorption and emission spectroscopies. The multilayer device models show continue emission on the range of 400 nm to 700 nm that related to the range of white light emission. We obtain three different pattern of emission spectra for three different configurations, that caused by different absorption and emission mechanism for different configuration.
K ATA KUNCI : hybrid polymers, RGB organic chromophores, photoluminesence device http://dx.doi.org/10.12962/

## I. PENDAHULUAN
Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang pal- ing banyak dipergunakan dalam kehidupan sehari-hari yang mana tidak kurang dari 30% konsumsi listrik tersebut dipakai untuk lampu. Jenis lampu yang banyak digunakan adalah lampu pijar, yang sangat boros karena hampir 90% energi yang dikonsumsi berubah menjadi panas.
Teknologi penghematan energi melalui pengembangan lampu sebagai sumber pencahayaan buatan sudah mencapai tahap yang efisien. Sebagai contoh, lampu fluorosen gas CFL ( Cathode Fluorescence Lamp ), dapat mengkonversi hampir 70% energi yang dikonsumsi menjadi energi cahaya. Namun, lampu CFL tersebut masih memiliki kekurangan terhadap ke-
∗ E- MAIL : fitrilawati@phys.unpad.ac.id
sehatan dan lingkungan, karena mengemisikan sinar UV dan masih menggunakan unsur logam berat merkuri. Selain itu, bentuk dari lampu fluorosen gas tidak dapat dalam ukuran besar dan bentuknya tidak datar sehingga pencahayaannya dalam ruang kurang memadai.
Lampu fluoresen padat atau SSL ( Solid State Lighting ) merupakan salah satu alternatif untuk menggantikan lampu pijar dan lampu fluoresen gas [1]. Penggunaan lampu flu- oresen padat, selain penggunaan gas yang berbahaya dapat dihindari juga emisinya kontinyu dalam rentang cahaya tam- pak. Pemilihan bahan yang tepat, lampu fluoresen padat terse- but diharapkan dapat dibuat dalam bentuk panel lebar dan dapat ditempelkan di mana saja, dengan demikian distribusi pencahayaan dalam ruang dapat menjadi lebih baik dibanding dengan lampu fluoresen biasa. Pada umumnya lampu fluore- sen padat dikembangkan dari bahan berbasis fosfor [1],serta semikonduktor seperti AlInGaP [2] dan InGaN [3].
Pada saat ini, teknologi pengembangan lampu yang lebih hemat energi dan ramah lingkungan telah dicapai melalui je-
nis lampu bahan padat. Sebagai contoh, lampu LED (Light Emitting Device) dapat 50% lebih hemat dibanding lampu CFL. Namun, program hemat energi dalam produksi tidak dapat dipenuhi lampu LED karena menggunakan bahan in- organik yang cenderung membutuhkan energi besar dalam pengolahannya. Hal inilah yang menjadi landasan pengem- bangan SSL berbasis bahan polimer organik atau polimer hibrid organik-inorganik. Penggunakan bahan polimer hib- rid, diharapkan biaya produksi dapat dikurangi karena dengan menggunakan bahan polimer tersebut, proses pembuatan di- vaisnya sangat sederhana dan berbiaya murah.
Salah satu pengembangan bahan SSL berbasis polimer yang telah dilaporkan adalah komposit dari polimer polimetil metakrilat (PMMA) dengan bahan fluoresen RGB [4] dan komposit semikonduktor dengan polimer terkonjugasi [5]. Polimer terkonjugasi banyak diteliti sebagai bahan SSL karena bahan tersebut dapat direkayasa strukturnya sehingga dapat menghasilkan emisi putih dengan menggunakan satu je- nis bahan saja [6]. Selain itu, dikembangkan juga kombinasi bahan anorganik dan bahan organik yang menggunakan kro- mofor fluoresen organik untuk bahan untuk lampu fluoresen padat [7]. Penggunaan polimer hibrid diharapkan lebih baik dari polimer biasa karena polimer hibrid memiliki kombinasi dari gugus organik dan gugus anorganik dalam satu rantai se- hingga diharapkan dapat memiliki stabilitas termal yang lebih baik.
Dalam makalah ini akan dilaporkan hasil pembuatan model divais fotoluminisen RGB berbasiskan polimer hibrid dengan konfigurasi multilapis dan hasil karakterisasinya.

## II. METODE
Prekursor polimer hibrid organik-anorganik disintesis dari monomer 3- (Trimethoxysilyl) propyl methacrylate (TM- SPMA, Aldrich)dengan menggunakan teknik Sol-gel. Proses sol-gel diawali dengan melarutkan monomer ke dalam etanol, kemudian ke dalam larutan tersebut ditambahkan H2O sambil diaduk menggunakan magnetic stirrer . Kemudian kedalam campuran tersebut ditambahkan katalis HCl sampai keasamaan pH = 2, lalu diaduk pada suhu 60oC dengan laju pengadukan sekitar 200 rpm hingga terbentuk gel transparan. Langkah selanjutnya adalah purifikasi untuk menghasilkan prekursor polimer hibrid yang relatif murni.
Kromofor RGB yang digunakan adalah Coumarine-6 (3-(2- Benzothiazolyl )-7-( diethylamino ) Coumarine , Aldrich), Coumarine-1 (7- Diethylamino -4- methylCoumarine , Aldrich), dan Nile-Red ( Nile Blue A Oxazone , Aldrich). Proses doping kromofor RGB pada prekursor polimer hibrid diawali dengan melarutkan masing-masing kromofor dalam kloroform dan melarutkan prekursor dalam kloroform. Selanjutnya, larutan kromofor dengan konsentrasi 0,1% berat dicampurkan dengan larutan prekursor, lalu diaduk agar terbentuk larutan yang ho- mogen. Larutan yang dihasilkan kemudian disaring dengan mikrofilter ukuran 0,45 m dan dikentalkan. Sebelum dibuat lapisan tipis, larutan prekursor polimer hibrid yang mengan- dung kromofor dicampur dengan fotoinisiator Irgacure -819 ( Ciba Speciality Chemical Inc .) dengan konsentrasi 0,5% be-
(a) (b)
Gambar 1: Spektrum absorbsi (a) dan emisi (b) film polimer hibrid dengan doing kromofor emisi biru (film PHC1), emisi hijau (film PHC6), dan emisi merah (film PHNR).
rat terhadap massa prekursor. Selanjutnya, larutan tersebut dibuat menjadi lapisan tipis diatas substrat fused silica den- gan teknik spincoating pada kecepatan 800 rpm.
Model divais fotoluminesen RGB multilapis dibuat lapis per lapis di atas substrat fused silica . Ada tiga macam konfig- urasi model divais yang dibuat yaitu susunan lapisan B/G/R, G/R/B, dan R/B/G. Lapisan tipis yang didapat selanjutnya dikenakan proses pre-baked dalam oven dengan suhu 50oC selama 10 menit, untuk menghilangkan sisa pelarut. Selan- jutnya, dilakukan proses fotopolimerisasi selama 4 menitdi dalam chamber yang dialiri gas nitrogen dengan menggu- nakan sumber sinar UV dari lampu Merkuri. Langkah se- lanjutnya adalah proses post-baked untuk menyempurnakan proses polimerisasi, yaitu dengan memanaskan sampel yang sudah difotopolimerisasi di dalam oven 50 ◦ C selam 6 jam. Tahapan pembuatan divais multilapis selanjutnya adalah pem- buatan lapisan keduadan lapisan ketiga menggunakan prekur- sor polimer hibrid dengan warna lain. Tahap pelapisan terse- but sama seperti tahapan pembuatan lapisan pertama.
Karakterisasi yang dilakukan meliputi pengukuran spek-
TABEL I: Karakteristik model divais fotoluminesen lapis tung- gal yang dinyatakan dalam tinggi relatif puncak spektrum,
λ maks absorpsi, λ maks emisi dan warna emisi.
Kode Kromofor λ maks λ maks Warna Sampel Absorpsi Emisi Emisi PHC1 Coumarine 1 366 nm 431 nm Biru (rendah) (sedang)
PHC6 Coumarine 6 454 nm
504 nm Hijau (tinggi) (tinggi) PHNR Nile Red 550 nm 624 nm Merah (sedang) (sedang)
trum absorpsi menggunakan Spectrometer UV-Vis Absorp- tion, pengukuran spektrum emisi menggunakan modul Spec- trometer Fluoresence USB4000, dan perekaman warna emisi menggunakan kamera 10 megapixel.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Prekursor polimer hibrid yang dihasilkan berupa gel ben- ing yang sangat kental. Polimer hibrid yang didoping dengan Coumarine-1 (PHC1) tampak bening, serupa dengan larutan Coumarine-1 dalam kloroform. Dalam bentuk film, PHC1 juga tampak bening dan mengeluarkan emisi berwarna biru jika dikenakan cahaya UV. Polimer hibrid yang didoping den- gan Coumarine-6 (PHC6) berwarna hijau dan yang didoping dengan Nile-Red (PHNR) berwarna merah, serupa dengan warna larutan kromofor dalam bentuk larutan. Film PHC6 yang dihasilkan berwarna kuning kehijauan dan film PHNR berwarna merah. Masing-masing sampel tersebut mengelu- arkan emisi berwarna hijau dan merah jika dikenakan cahaya UV.
Proses pembentukan model divais multi lapis ini sangat mudah dan sederhana, yaitu dengan teknik spincoating . Hal tersebut sangat berbeda dibanding proses pembuatan model divais dari bahan an-organik yang membutuhkan teknik depo- sisi vakum yang sangat mahal. Dengan demikian, hal tersebut memungkinkan untuk meminimalkan biaya produksi. Selain itu, teknik pelapisan tersebut memungkinkan untuk membuat model divais dengan ukuran besar.
Pada Gambar 1(a) dan 1(b) diperlihatkan pola spektrum absorbsi dan spektrum emisi dari model divais lapis tung- gal untuk polimer hibrid yang didoping kromofor emisi biru (PHC1), kromofor emisi hijau (PHC6), dan kromofor emisi merah (PHNR). Karakteristik model divais lapis tunggal ini diperlihatkan dalam Tabel I. Masing-masing model devais tunggal tersebut memiliki λ maks absorbs dan emisi yang bers- esuaian dengan λ maks warna kromofor. Dibandingkan den- gan Coumarine 6 dan Nile Red, Coumarine 1 memiliki tinggi puncak spektrum yang relative rendah.
Seperti sudah dijelaskan sebelumnya, ada 3 macam kon- figurasi model divais fotoluminisen RGB multilapis yang dibuat, masing-masing terdiri dari 3 lapisan berbeda di atas substrat fused silica , yaitu model PH(C1/C6/NR) dengan urutan lapisan PHC1/PHC6/PHNR, model PH(C6/NR/C1) dengan urutan lapisan PHC6/PHNR/PHC1, dan model
Gambar 2: Perbandingan spektrum emisi model divais fotolumi- nesen RGB mutilapis untukkonfigurasi PH(C1/C6/NR) (simbol O), konfigurasi PH(C6/NR/C1) ( ∆ ), dan konfigurasi PH(NR/C1/C6) ( ).
Gambar 3: Perbandingan spektrum absorbsi model divais fotolu- minesen RGB mutilapis untukkonfigurasi PH(C1/C6/NR) (simbol O), konfigurasi PH(C6/NR/C1) ( ∆ ), dan konfigurasi PH(NR/C1/C6) ( ).
PH(NR/C1/C6) denga urutan lapisan PHNR/PHC1/PHC6. Pada Gambar 2 diperlihatkan pola spektrum emisi dari ketiga model divais multilapis di atas. Ketiga model divais terse- but memiliki pola spektrum emisi kontinyu pada rentang pan- jang gelombang 400 nm sampai 800 nm, dengan tiga pun- cak emisi pada panjang gelombang λ 1 E = 430 nm, λ 2 E = 504 nm, dan λ 3 E = 624 nm. Pola spektrum yang kontinyu hanya dalam rentang daerah visibel akan menjadikannya ramah pada kesehatan mata manusia. Pola tinggi komponen puncak emisi ketiga model divais mengalami perbedaan.Karakteristik perbandingan tinggi urutan komponen puncak emisi didapat melalui kuantisasi puncak spektrum masing-masing kompo- nen warna diperlihatkan dalam Tabel II.
Pada model PH(C1/C6/NR), pola puncak menguat ke pun- cak ketiga menandakan terjadi proses absorpsi kuat oleh lapisan kedua dan ketiga sehingga emisi lapisan ketiga pal- ing besar. Visual warna cahaya emisi divaisadalah kemerahan sesuai dengan warna lapisan terakhir yaitu Nile Red. Pada model PH(C6/NR/C1), pola puncak hampir simetris karena
TABEL II: Perbandingan tinggi puncak emisi masing-masing kom- ponen RGBpada ketiga konfigurasi model divais fotoluminesen RGB multilayer.
Konfigurasi Rasio Puncak Emisi Divais C1:C6:NR PH(C1/C6/NR) 30:70:100 PH(C6/NR/C1) 40:100:70 PH(NR/C1/C6) 25:100:50
TABEL III: Perbandingan tinggi puncak absorbsi masing-masing komponen RGBpada ketiga konfigurasi model divais fotoluminesen RGB multilayer.
Konfigurasi Rasio Puncak Emisi Divais C1:C6:NR PH(C1/C6/NR) 50:100:85 PH(C6/NR/C1) 85:100:50 PH(NR/C1/C6) 35:100:35
posisi lapisan pertama memiliki sifat absorpsi dan emisi kuat. Visual warna cahaya emisi divaisadalahmerah muda menuju putih.Selanjutnya, pada model PH(NR/C1/C6), pola puncak hampir simetris dengan puncak pertama lebih teredam karena diserap oleh lapisan ketiga yang memiliki sifat absorpsi dan emisi kuat. Visual warna cahaya emisi divaisadalahputih ke- abuan.
Secara keseluruhan, hasil ini menunjukkan divais model PH(C6/NR/C1) yang terdiri dari urutan lapisan film PHC6, filmPHNR, dan film PHC1 tidak dapat menghasilkan emisi putih. Perbandingan kromofor yang tepat memungkinkan diperoleh divais fotoluminisen dengan emisi mendekati ca- haya putih.
Pada Gambar 3 diperlihatkan pola spektrum absorpsi dari ketiga model divais multilapis di atas. Ketiga model di- vais tersebut memiliki pola spektrum absorpsikontinyu pada rentang panjang gelombang 330 nm sampai 750 nm, den-
gan tigapuncak absorpsi pada panjang gelombang λ 1 A = 375 nm, λ 1 A = 450 nm, dan λ 1 A = 550 nm.Bila dikaitkan dengan pola letak puncak spektrum emisi biru yang berdekatan den- gan puncak absorpsi hijau dan yang berikutnya maka kemu- ngkinan besar telah terjadi mekanisme proses absorpsi-emisi diantara ketiga bahan kromofor.Karakteristik perbandingan tinggi urutan komponen puncak emisi yang didapat melalui kuantisasi puncak spektrum absorbsi masing-masing warna diperlihatkan dalam Tabel III.
Hasil uraian di atas menunjukkan model divais multi lapis dengan konfigurasi PH(C6/NR/C1) yang dibuat dari lapisan film PHC6, film PHNR, dan film PHC1 punya potensi untuk menghasilkan emisi menuju emisi cahaya putih, walaupun belum sempurna. Diperlukan optimasi lebih lanjut yang mencakup konsentrasi kromofor atau ketebalan lapisan untuk menghasilkan emisi putih sempurna.

## IV. SIMPULAN
Dalam eksperimen yang dilakukan telah dihasilkan model divais fotoluminesen RGB multilapis dengan tiga macam konfigurasi urutan susunan lapisan RGB, yaitu: model PH(C1/C6/NR), model PH(C6/NR/C1) dan model PH(NR/C1/C6). Dengan menggunakan karakteristik spek- trum emisi dan warna emisi, telah didapat model divais mul- tilapis konfigurasi model PH(C6/NR/C1) memiliki spektrum emisi kontinyu dalam rentang 400-700 nm yang mendekati emisi cahaya putih

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian yang dibiayai Proyek Hibah Penelitian DIPA Universitas Padjadjaran, Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional
[1] B.W. D’Andrade, S.R. Forrest,Adv. Matter. 16(18), 1585-1595 (2004).
[2] D.A. Steigerwald, et al. , IEEE J. on Selected Topics in Quantum Electronics, 8(2), 310-320 (2002).
[3] H. Kudo, et al. , Phys. Stat. Sol.(a), 200(1), 95-98 (2003).
[4] S. Guha, et al. , J. Appl. Phys., 82(8), 4126-4128 (1997).
[5] F. Hide, et al. , Appl. Phys. Lett., 70(20), 2664-2666 (1997).
[6] I. H. Raja, et al. , Monatsh Chem, 139, 725-737 (2008).
[7] A. J. Steckl, J.M. Heikenfeld, S.C. Allen, IEEE/OSA J. of Dis- play Technology, 1(1), 157-166 (2005).