## APLIKASI THERMOCHROMIC LIQUID CRYSTAL

## UNTUK MENGAMATI PERPINDAHAN KALOR PADA PERMUKAAN LOGAM
Risti Suryantari * , Flaviana
Program  Studi Fisika,  Gedung 9 lantai 1, Fakultas Teknologi  Informasi  dan Sains, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung, 40141
* email:  ristisuryantari@unpar.ac.id

## ABSTRACT
The purpose of this research was to observe the heat transfer on circular metal surface in contact with the surface of Thermochromic Liquid  Crystal (TLC) R30C5W sheet, through  the image on the  surface of TLC during the heating process of metal.  If the metal surface is in contact with the surface of TLC, the heat will move from the metal surface to TLC surface, and it is indicated by a color change on the surface of TLC. The original image is obtained in RGB is converted to hue image. The results showed, the value of mean hue increases by increasing temperature of metal surface. In addition, the value of hue along the center line of  the circle image on  the surface of TLC, fairly  evenly distributed in the  middle (inner circle) but diminishing the edges (right and left edges), which shows even further away from the edge of the metal surface, the thermal energy decreases because heat transfer occurs at the edges of the metal  surface into the surrounding air.
Keywords: Thermochromic  Liquid  Crystal (TLC),  hue, heat transfer.

## ABSTRAK
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengamati peristiwa perpindahan kalor pada area permukaan logam yang  berbentuk  lingkaran,  yang  bersentuhan  dengan  permukaan  lembaran Thermochromic  Liquid Crystal ( TLC )  R30C5W,  melalui  citra  permukaan TLC selama  proses  pemanasan  logam.  Apabila permukaan  logam  tersebut  bersentuhan  dengan  permukaan TLC ,  maka  kalor  akan  berpindah  dari permukaan  logam  ke  permukaan TLC ,  dan  ditunjukkan  dengan  terjadinya  perubahan  warna  pada permukaan TLC .  Citra  asli  yang  diperoleh  dalam  format RGB dikonversi  menjadi  citra hue. Hasil menunjukkan,  seiring  dengan  meningkatnya  temperatur  permukaan  logam,  nilai mean  hue semakin meningkat. Selain itu, nilai hue sepanjang garis tengah lingkaran pada permukaan TLC , cukup merata di bagian tengahnya  (lingkaran  dalam)  namun semakin  berkurang  di  tepinya (tepi  kanan  dan  kiri),  yang menunjukkan semakin jauh dari tepi permukaan logam maka energi kalornya semakin berkurang, karena terjadi perpindahan kalor pada tepi permukaan  logam  ke udara di sekitarnya.
Kata kunci: Thermochromic Liquid Crystal ( TLC ) , hue , perpindahan kalor.

## PENDAHULUAN
Perubahan  warna  ( color  play )  terjadi  bila  pada  permukaan  bahan Thermochromic  Liquid Crystal ( TLC) mengalami  kontak  dengan  suatu  benda,  dalam  rentang  temperatur  tertentu sesuai  spesifikasi  bahan. TLC memiliki  karakteristik  dengan  memunculkan  salah  satu  warna (merah,  kuning,  hijau,  biru  atau  ungu)  yang  bergantung  pada  panjang  gelombang  yang dipantulkan  pada  temperatur  tertentu.  Keunikan  bahan  ini  dapat  dipikasikan  dalam pengamatan  berbagai  fenomena  termal [1] .
Color  play pada TLC didefinisikan  dengan  spesifikasi  warna  tertentu,  yaitu red  start, mid- green, atau blue  start .  Sebagai  contoh TLC R30C5W sheet menggambarkan TLC dengan red  start pada  30  °C,  dan bandwidth 5  °C.  Rentang  area  temperatur  dimana  warna  tidak muncul disebut clearing point, pada TLC R30C5W clearing  point terjadi  setelah  temperatur 35 °C.  Di  luar  rentang  temperatur  yang  diijinkan  oleh  bahan  tersebut,  seluruh  cahaya  akan diserap,  dan permukaan TLC akan tampak  hitam [2] .
Bharara,  2007,  melakukan  penelitian  menggunakan  menggunakan TLC dan  kamera  digital dalam  mengakuisisi  data,  untuk  mengukur  distribusi  temperatur  pada  subyek  penderita neuropati  diabetic, dengan  menggunakan  analisis  pencitraan  berbasis  citra hue .  Kalibrasi dilakukan  dengan  menempatkan TLC pada  plat  logam  yang  dapat  diatur  temperaturnya.  Dari penelitiannya,  diperoleh  hubungan  antara  nilai hue citra  permukaan TLC dengan  temperatur plat  logam  yang  menyentuhnya,  ditunjukkan  oleh  Gambar  1 [3] .
Gambar 1 . Grafik  hubungan antara nilai hue citra permukaan TLC dengan temperatur plat logam [3]
Pada  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Suryantari  dan  Flaviana  (2015),  dilakukan pengambilan  citra  permukaan TLC R25C5W  dan  R30C5W yang  mengalami  kontak  dengan permukaan  labu  erlenmayer  yang  diisi  air  pada  temperatur  tertentu,  menggunakan scanner . Hasil  citra  diolah  dengan  metode  pengolahan  citra  berbasis  morfologi  matematika.  Hasil penelitian  menunjukkan  hubungan  nilai hue terhadap  temperatur,  dimana  kedua  bahan TLC tersebut  menunjukkan  kecenderungan  hubungan  linearitas  yang  sama [4] .
Penggunaan TLC untuk  pengamatan  berbagai  fenomena  termal  perlu  dikembangkan untuk  memberikan  informasi  yang  lebih  luas  mengenai  peristiwa  termal  sekaligus mempelajari  karakteristik  material liquid  crystal [5] .  Oleh  sebab  itu  pada  penelitian  ini, akan  diaplikasikan TLC untuk  mengamati  peristiwa  perpindahan  kalor  pada  permukaan logam,  dengan  penjelasan  secara  kualitatif  dan  kuantitatif  menggunakan  metode pengolahan  citra  berbasis  citra hue [6] ,  berdasarkan  hasil  penelitian-penelitian sebelumnya.

## METODE
Dalam  penelitian  ini  digunakan  bahan  utama  berupa  lembaran Thermochromic  Liquid Crystal ( TLC )  ukuran 10  × 10  cm dengan  rentang temperatur  30-35 °C  (dinamakan TLC R30C5W). Scanner dengan  resolusi  optik  300  dpi  dan bit  depth 24- bit color dikoneksikan  dengan  komputer.  Selama  proses  pengambilan  data  temperatur  ruang diatur  konstan  pada  18  °C.  Lembaran TLC diletakkan  di  atas  permukaan scanner, kemudian  di  atas  permukaan TLC diletakkan  logam  kuningan  dengan  diameter  0,035  m, massa  0,5  kg,  tinggi  0,068  m,  kalor  jenis  sebesar  377  J/kg.K,  dan  konduktivitas  termal 109  J/m.s.K.  Pemanas  celup  dimasukkan  ke  dalam  logam  kuningan.  Pemanas  celup dihubungkan  dengan  sumber  tegangan  DC  12  V  dan  keluaran  arus  5  A.  Sensor temperatur  diletakkan  di  dalam  logam  yang  telah  dihubungkan  dengan  pemanas  celup, dan  dikoneksikan  dengan  komputer.  Nilai  temperatur  logam  selama  proses  pemanasan akan muncul  pada layar  komputer. Set up alat dan  bahan  ditunjukkan  oleh  gambar  2.
Gambar 2. (color online) Set up alat dan bahan
Citra  pertama  direkam  dengan scanner tepat  ketika  sumber  tegangan  dinyalakan.  Citra selanjutnya  diambil  setiap  30  detik  hingga  300  detik  (selama  5  menit  proses  pemanasan). Data  temperatur  keseluruhan  (selama  5  menit  tersebut)  disimpan  untuk  menunjukkan nilai  temperatur  ketika  citra  direkam.  Keseluruhan  citra  yang  telah  diperoleh  kemudian diolah  menggunakan MATLAB  R2014a untuk  kepentingan analisis. Tahapan pengolahan  citra  ditunjukkan  oleh  gambar  3.
Gambar 3 . (color online) Tahapan pengolahan citra

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Selama  proses  perekaman  citra  permukaan  TLC,  temperatur  di  dalam  logam  dapat  diukur menggunakan  sensor  temperatur  setiap  detik,  selama  proses  pemanasan  logam  tersebut. Grafik  kenaikan  temperatur  logam  terhadap  waktu  ditunjukkan  oleh  gambar  4,  dimana temperatur logam  meningkat  secara ekponensial  dengan  persamaan y =  23,23 e 0.0023 x dimana sumbu y menunjukkan  temperatur  logam,  dan sumbu x adalah  waktu  pemanasan  logam.
Gambar 4. (color online) Grafik kenaikan temperatur logam terhadap waktu pemanasan logam
Citra  permukaan TLC dalam  format RGB yang  diperoleh  ditunjukkan  oleh  gambar  5.  Hasil citra  pada  gambar  5  menunjukkan TLC R30C5W  tidak  memberikan  respon  hingga  detik  ke 90  (gambar  5d).  Hal  ini  dikarenakan  temperatur  permukaan  logam  berada  pada  nilai  kurang dari  30  °C.  Respon  yang  ditunjukkan  dengan  terbentuknya  warna  pada  permukaan TLC ditunjukkan  mulai  detik  ke  120  (gambar  5e),  dimana  secara  visual  tampak  permukaannya berwarna  kemerahan.  Citra  selanjutnya  menunjukkan  perubahan  warna  yang  semakin merata  berupa  kehijauan  dan  kebiruan,  diikuti  terbentuknya  pola  perubahan  warna  di sekeliling  area yang  tidak  kontak  langsung  dengan  permukaan  logam  kuningan.
Gambar 5. (color online) Citra RGB permukaan TLC saat kontak dengan permukaan logam  kuningan,  pada detik ke  (a) 0  (b) 30  (c) 60  (d) 90  (e) 120  (f) 150  (g) 180  (h) 210  (i) 240  (j) 270  (k) 300
Untuk  dapat  menganalisis  citra  sesara  kuantitatif,  citra  tersebut  diolah  menjadi  citra  yang lebih  sederhana.  Pada  pengolahan  citra  dipilih  metode  dengan  mengubah  citra RGB menjadi HSV dan  mengambil  komponen hue saja.  Citra hue yang  diperoleh  perlu  diolah kembali  untuk  mendapatkan  kualitas  yang  lebih  baik,  misalnya  untuk  meratakan  bagian tepi  agar  analisis  dapat  dibatasi  hanya  untuk  daerah  lingkaran  yang  distribusi  nilai hue - nya  cukup  merata.  Area  paling  tepi  menunjukkan  terjadinya  perpindahan  kalor  ke lingkungan  yang  lebih  besar.  Hal  ini  dapat  memberikan  pengaruh  cukup  besar  kepada perhitungan  nilai hue rata-ratanya.  Sementara  area  di  sekeliling  permukaan TLC yang kontak  langsung  dengan  permukaan  logam  tetap  akan  diambil,  untuk  menunjukkan  pola perpindahan  kalor  pada  permukaan  logam  ke  lingkungan.    Contoh  hasil  pengolahan  citra ditunjukkan  oleh  gambar  6.
Gambar 6. (color online) Hasil pengolahan citra permukaan TLC saat kontak dengan permukaan logam kuningan,  pada detik ke 270, (a) citra RGB (b) citra HSV  (c) citra komponen hue (d) citra akhir
Pada  citra  akhir  yang  dihasilkan  seperti  pada  gambar  6d,  tampak  dengan  lebih  jelas perbedaan  kecerahan  warna  antara  area  sekitar  pusat  lingkaran  dengan  tepinya, sementara  latar  belakang  berwarna  hitam  merupakan  area  permukaan TLC yang  tidak memberikan  respon  terhadap  temperatur  permukaan  logam  karena  temperaturnya  berada kurang  dari  30°C.  Warna  terang  yang  ditunjukkan  pada  lingkaran  bagian  dalam  cukup merata,  demikian  juga  dengan  sekelilingnya,  sehingga  tampak  jelas  batas  antara  kedua area  tersebut.  Luas  lingkaran  bagian  dalam,  sama  dengan  luasan  permukaan  logam  yang mengenai  permukaan TLC .
Tabel 1. Data temperatur logam dan nilai  mean hue citra permukaan TLC
Waktu pengambilan citra (detik) Temperatur ( ° C) Nilai mean Hue 0 24,4 0 30 24,7 0 60 25,9 0 90 27,9 0 120 30,4 0,00772 150 32,8 0,44032 180 35,7 0,47587 210 38,5 0,53579 240 41,1 0,55682 270 43,8 0,56428 300 46,4 0,56536
Berdasarkan  citra  akhir,  dapat  diperoleh  nilai mean  hue untuk  untuk  menunjukkan perbedaan  setiap  citra  yang  dihasilkan.  Nilai hue berkisar  antara  0-1.  Bila  nilai hue sama dengan  nol  menunjukkan  citra  berwarna  hitam,  dan  bila  nilai hue sama  dengan  1  maka  citra yang  ditunjukkan  adalah  putih.  Dalam  perhitungan  nilai mean  hue ,  nilai  nol  tidak dimasukkan,  karena  merupakan  latar  belakang  citra  utama.  Data  nilai mean  hue setiap  citra dan  nilai  temperatur  logam  saat  pengambilan  citra  tersebut  ditunjukkan  oleh  tabel  1. Hubungan  antara  nilai mean  hue dengan  kenaikan  temperatur  logam  ditunjukkan  oleh  grafik gambar  7.
Gambar 7. (color online) Grafik hubungan nilai mean hue permukaan TLC terhadap kenaikan temperatur logam
Berdasarkan  grafik  pada  gambar  7,  dapat  ditunjukkan  kecenderungan  kenaikan  nilai mean hue permukaan TLC seiring  meningkatnya  temperatur  logam,  hal  ini  sesuai  pula  dengan karakteristik TLC seperti  pada gambar  1.
Bedasarkan  gambar  6d,  daerah  tepi  lingkaran  yang  lebih  gelap  menunjukkan  temperatur permukaan TLC pada  area  tersebut  lebih  rendah  daripada  area  lingkaran  bagian  dalam. Pada  area  lingkaran  bagian  dalam,  tampak  kecerahannya  cukup  merata,  hal  ini menunjukkan  energi  kalor  yang  dipindahkan  dari  permukaan  logam  ke  permukaan TLC relatif  sama.  Namun  semakin  ke  tepi,  menunjukkan  energi  kalornya  semakin  berkurang. Artinya  terjadi  perpindahan  kalor  pada  tepi  permukaan  logam  ke  udara  di  sekitarnya.  Hal ini  juga  menunjukkan    pertukaran  kalor  ke  lingkungan  lebih  besar  terjadi  pada  batas  tepi permukaan  logam [7] .
Molekul-molekul  di  dekat  permukaan  logam  menerima  kalor,  dan  mengubahnya  menjadi energi  kinetik  bagi  molekul  udara  tersebut,  sehingga  bergerak  dengan  lebih  cepat  sambil memindahkan  sebagian  energi  kalornya  ke  molekul  udara  di  sekitarnya  secara  konveksi [7] . Energi  kalor  yang  dipindahkan  dari  permukaan  logam  ke  udara  di  sekitarnya  lebih  kecil daripada  energi  kalor  di  dalam  area  permukaan  logam.  Semakin  jauh  dari  permukaan  logam maka  energi  kalornya  semakin  berkurang.  Pola  distribusi  energi  kalor  pada  permukaan logam  dan  di  sekitar  permukaan  logam,  dapat  ditunjukkan  oleh  data  kuantitatif  distribusi nilai hue sepanjang  garis  tengah  pemukaan TLC untuk  setiap  citra,  seperti  pada gambar  8.
Gambar 8. (color online) Distribusi nilai hue sepanjang garis tengah citra permukaan TLC yang mengalami  kontak dengan  permukaan logam  kuningan
Berdasarkan  grafik  gambar  8,  tampak  bahwa  nilai hue sepanjang  garis  tengah  lingkaran pada  permukaan TLC menunjukkan  nilai  yang  cukup  merata  di  bagian  tengahnya  (lingkaran dalam),  namun  semakin  berkurang  di  tepinya  (tepi  kanan  dan  kiri).  Pola  untuk  logam kuningan  dapat  teramati  mulai  citra  ke  5,  sesuai  dengan  kenaikan  temperatur  logam.  Citra ke-11  menunjukkan  temperatur  yang  paling  tinggi  dari  citra  lainnya.  Melalui  gambar  8  juga dapat  ditunjukkan,  bahwa  semakin  tinggi  kenaikan  temperatur  permukaan  logam,  maka  nilai
hue sepanjang  garis  tengah  citra  permukaan TLC akan  semakin  tinggi,  sesuai  dengan  hasil pada gambar  7.

## KESIMPULAN
TLC dapat  diaplikasikan  untuk  mengamati  peristiwa  perpindahan  kalor  pada  permukaan logam  kuningan,  dengan  menerapkan  metode  pengolahan  citra,  dan  melakukan  analisis kuantitatif  berdasarkan  nilai hue dari  citra HSV permukaan TLC .  Seiring  dengan meningkatnya  temperatur  permukaan  logam,    nilai mean  hue akan meningkat.  Nilai hue cukup  merata  di  bagian  tengahnya  (lingkaran  dalam)  namun  semakin  berkurang  di  tepinya (tepi  kanan  dan  kiri),  yang  menunjukkan  semakin  jauh  dari  tepi  permukaan  logam  maka energi  kalornya  semakin  berkurang,  karena  terjadi  perpindahan  kalor  pada  tepi  permukaan logam  ke udara  di sekitarnya.

## UCAPAN  TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada  LPPM  Universitas  Katolik  Parahyangan Bandung,  atas  dukungan  dana  penelitian  dan  kepada  Dr  Aloysius  Rusli  atas  pembinaannya.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Yang,  Deng-Ke  &  Wu,  Shin-Tson.  2006.  Fundamentals  of  Liquid  Crystal  Devices. John  Wiley&Son  Ltd.
2 Hallcrest.  1991.  Handbook  of  Thermochromic  Liquid  Crystal.  Glenview,  IL,  Hallcrest.
3 Bharara,  Manish.  2007.  Liquid  Crystal  Thermography  in  Neuropathic  Assesment  of Diabetic  Foot, PhD Thesis,  Bournemouth  University.
4 Suryantari  &  Flaviana.  2015.  Linearization  of  Hue  Value  on  the  Surface  of Thermochromic  Liquid  Crystal  with  Variation  of  Temperature.  Indonesian  Journal  of Applied  Physics.  Volume:  05(1), page 84-91.
5 J.A.  Stasiek  and  T.A.  Kowalewski.  2002.  Thermochromic  liquid  crystals  applied  for heat  transfer  research.  Opto-Electronic  Review  10(1), 1-10.
6 Gonzales,  R.C., Woods, R.E.  2002. Digital  Image  Processing,  2ed, Prentice  Hall.
7 Zemansky, W.  Mark  and Dittman,  H  Richard. 1997.  Heat  and Thermodynamics.  7 th ed. McGraw-Hill,  Inc.