Rancang bangun spin coater sederhana untuk deposisi lapisan tipis polimer
Amalia C Nur’aidha* 1 , Mira Setiana 1 , Dena Anugrah 2
1 Program Studi Teknik Biomedis, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas PGRI Yogyakarta
2 Program Studi Teknologi Rekayasa Elektro-Medis, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas PGRI Yogyakarta
Jl. PGRI I No.117, Sonosewu, Kab. Bantul, D.I Yogyakarta *email: amalia@upy.ac.id
Abstrak – Pelapisan tipis polimer memiliki peranan penting dalam bidang medis, salah satunya meningkatkan fungsionalitas  perangkat  medis.  Selain  itu  pelapisan  tipis  polimer  dapat  memperbaiki  biokompatibilitas perangkat  medis  untuk  mencegah  rekasi  negatif  tubuh  manusia.  Untuk  menghasilkan  lapisan  tipis  dapat digunakan beberapa metode, salah satunya adalah metode spin coating yang sering digunakan. Metode tersebut sangat fleksibel  serta dapat digunakan  oleh  berbagai macam material.  Selain itu dibutuhkan  kontrol  kecepatan rotasi  dan  waktu  yang  presisi.  Berdasarkan  hal  tersebut  dirancanglah Spin  Coater menggunakan  motor  DC Brushless  serta  arduino  nano  sebagai  pengontrol  serta  dilengkapi  dengan  push  button  sebagai  pemilihan  nilai kecepatan yang diperlukan, dengan rentang kecepatan 1000-8000RPM. Pengujian hasil perancangan, dilakukan dengan  meneteskan  tinta  warna  merah  di  atas  substrat.  Hasil  spin  coating  menunjukkan  pada  1000RPM pelapisan  belum  sempurna,  sedangkan  pada  5000RPM  hasil  pelapisan  mencapai  90%.  Untuk  6000-8000RPM motor  DC  brushless  mengalami  error  lingkungan,  dimana  chamber  PLA  tidak  mampu  menahan  getaran  yang dihasilkan oleh motor DC.
Kata kunci: Motor DC, Lapisan Tipis, Polimer, Spin Coater
Abstract  – Polymer  thin coatings  have an important  role  in the medical field,  one of which is to improve the functionality of medical devices. In addition, polymer thin coatings can improve the biocompatibility of medical devices to prevent negative reactions of the human body. Several methods can be used to produce thin films, one of which is the spin coating method which is often used. The method is very flexible and can be used by a variety of materials. In addition, it requires precise control of rotational speed and time. Based on this, a Spin Coater was designed using a Brushless DC motor and arduino nano as a controller and equipped with a push button to select the required speed value, with a speed range of 1000-8000RPM. Testing of the design results was carried out  by  dripping  red  ink  on  the  substrate.  The  spin  coating  results  show  that  at  1000RPM  the  coating  is  not perfect,  while  at  5000RPM  the  coating  results  reach  90%.  For  6000-8000RPM  the  brushless  DC  motor experiences environmental errors, where the PLA chamber is unable to withstand the vibrations generated by the DC motor .
Key words: DC Motor, Thin Coating,Polymer, Spin Coating

## PENDAHULUAN
Pelapisan  tipis  polimer  memiliki  peran penting  dalam  aplikasi  bidang  medis  karena memberikan manfaat bagi perangkat dan sistem medis  [1][2],  salah  satu  manfaat  pelapisan  tipis polimer  yaitu,  meningkatkan  fungsionalitas perangkat  medis[3][4].  Pelapisan  polimer  dapat memperbaiki  biokompatibilitas[5]  perangkat medis[6]  yang  sangat  penting  untuk  mencegah reaksi negatif tubuh terhadap perangkat tersebut, hal  ini  dapat  mengurangi  resiko  peradangan dalam  tubuh  manusia.  Selain  itu,  pelapisan polimer  dapat  meningkatkan  interaksi  antara perangkat  medis  dan  jaringan  tubuh  manusia untuk    memfasilitasi  penyembuhan,  serta sebagai  sistem  penghantar  obat  yang  terkontrol
dalam  pengiriman  obat[7].  Pelapisan  polimer juga  dapat  melindungi  perangkat  medis  dari faktor-faktor  eksternal  seperti  korosi,  abrasi ataupun  rekasi  kimia  yang  dapat  merusak perangkat  tersebut.  Berdasarkan  hal  tersebut, pelapisan  tipis  sangat  dibutuhkan  dalam  bidang medis[4].
Metode pelapisan tipis antara lain, pelapisan celup, spin  coating,  spray  coating,  blade coating ,  dan roll  coating [8].  Metode spin coating merupakan  salah  satu  metode  yang mudah  dari  beberapa  metode  tersebut  [9][10]. Metode  tersebut  sangat  fleksibel,  dapat digunakan pada beberagai jenis material. Untuk menghasilkan  pelapisan  tipis  yang  optimal dibutuhkan kontrol kecepatan rotasi  dan waktu yang  presisi  [11][12].  Meskipun Spin  Coater
memiliki  kelebihan  yang  signifikan  dalam pelapisan  tipis  [13],  penggunaannya  seringkali terbatas oleh harganya yang relatif mahal. Untuk mengatasi  keterbatasan  ini  dan  membuat teknologi pelapisan tipis lebih terjangkau, perlu dilakukan  langkah  desain Spin  Coater digital berbasis Arduino Nano. Desain
ini memanfaatkan  platform  open-source  yang ekonomis  dan  tersedia  secara  luas,  seperti Arduino  Nano,  untuk  mengendalikan Spin Coater dengan presisi yang tinggi [14].
Beberapa  penelitian  telah  dilakukan  dengan membuat  desain Spin  Coater menggunakan motor DC dengan kecepatan 1000-1500RPM[9]. Selain itu telah dirancang dan diuji oleh Mohua Spin  Coater sederhana  berbiaya  rendah menggunakan motor DC dengan kecepatan putar 350-3800RPM [15][16][13]. Ali juga mendesain Spin  Coater dengan  kecepatan  1000-2000RPM menggunakan  arduino Uno dan untuk pengontrol dilakukan secara manual menggunakan resistor variabel [17][18].
Penelitian  ini  difokuskan  pada  perancangan Spin  Coater yang  diintegrasikan  dengan Arduino  Nano  sebagai  pengontrol  terhadap kecepatan  rotasi  (1000-8000RPM)  dan  waktu pemrosesan  (60  detik),  serta  mengoptimalkan efisiensi  penggunaan  material.  Selain  itu,  pada penelitian  ini  menekankan  aspek  fleksibilitas dalam  penggunaan Spin  Coater ini,  sehingga dapat  digunakan  dalam  berbagai  aplikasi, termasuk  dalam  bidang  biomedis  dan  teknik medis.  Dengan  demikian,  penelitian  ini menghadirkan  kontribusi  berharga  dalam menghadirkan  solusi  yang  lebih  terjangkau  dan efisien  dalam  teknologi  pelapisan  tipis menggunakan  Arduino  Nano  sebagai  kontroler utama.

## METODE PENELITIAN
Spin Coating salah satu metode yang digunakan untuk  proses  pelapisan  yang  seragam  pada penampang  sensor  (substrat).  Metode  tersebut paling  mudah  digunakan.  Prinsip  kerja  spin coater  menggunakan  konsep  gerak  melingkar, pada  saat  benda  berputar  makan  akan  terjadi
gaya  sentripetal  dan  sentrifugal,  serta  akan terjadi  gaya  berat  yang  menghasilkan  gaya gesek  antara  substrat  dan  larutan.  Tahapan  saat proses  spin coater bekerja adalah deposisi, spin up ,  dan spin  off sekaligus  evaporasi. Berdasarkan  prinsip  kerja Spin  Coater tersebut maka  pada  penelitian  ini  akan  dirancang Spin Coater menggunakan  motor  dan  arduino  nano sebagai pengontrol.

## A. Rangkaian Skematik
Spin  coater dirancang  menggunakan  Arduino Nano sebagai pengontrol (gambar 1). Berdasarkan diagram blok gambar 1 perancangan  spin  coater  menggunakan  motor Brushless DC (BLDC) sebagai rotor dilengkapi dengan  ESC  ( Electronic  Speed  Control ),  push button up dan down untuk  menentukan  RPM yang  diinginkan,  LCD  ukuran  2  x  16  untuk menampilkan informasi (RPM, Start, Stop) serta spin coater ini dilengkapi tombol On / Off .
Gambar 1 . Diagram Blok Sistem Spin Coater
Gambar 2 merupakan rangkaian skematik sistem spin coater yang akan dirancang. Nilai masukan RPM  menggunakan  push  button  UP  &  DOWN kelipatan  1000RPM,  dengan  nilai  maksimum mencapai  15.000  RPM.  Push  button  sebagai masukan  dihubungkan  dengan  port  D.  Nilai tersebut  akan  muncul  pada  LCD  2  x  16  yang dihubungkan  dengan  port  A  mikrokontroler. Putaran  motor  Brushless  DC  diatur  oleh  ESC yang telah diprogram melalui Arduino Nano.
Gambar 2 . Rangkaian Skematik Sistem Spin Coater

## B. Desain Chamber Spin Coater
Sistem  spin  coater  yang  pada  gambar  2  akan diletakkan  ke  dalam  sebuah  chamber  untuk menggerakkan piringan yang difungsikan untuk meletakkan  object  (substrat)  pelapisan.  Desain chamber dibuat menggunakan software Inventor. Gambar 3 merupakan desain chamber dari spin coater.
Gambar 3 . Desain Chamber Spin Coater
Berdasarkan  hasil  desain  (gambar  3)  chamber memiliki  dimensi  luar  13x13  cm  dengan
kedalaman  5  cm.  Motor  Brushless  DC ditempatkan  pada  bagian  dalam  chamber, dibagian  atas  motor  akan  diletakkan  piringan dengan  diameter  10cm  sebagai  tatakan  object (substrat).  Bagian  depan  chamber  diletakkan LCD 2x16 serta push button sebagai masukan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  fabrikasi  pada  gambar  2  disajikan  pada gambar  4.  Hasil  fabrikasi  (gambar  4.a) merupakan implementasi LCD sebagai penampil nilai  RPM  serta  ”START  &  STOP”  dan  push button  ”UP  &  DOWN”  sebagai  masukan  nilai RPM  untuk  motor  brushless  DC.  Gambar  4b merupakan  fabrikasi  Arduino  NANO  sebagai pengontrol kecepatan berbasis PWM. Hasil dari implementasi  motor  brushless  DC  dapat berputar dengan kecepatan 8000RPM selama 60 detik.  Nilai  RPM  akan  terlihat  pada  LCD  yang sudah tertanam pada chambar.
(a) (b)
Gambar 4 . (a) PCB Board LCD dan push button dan (b) PCB Board Pengontrol berbasis Arduino Nano

## A. Implementasi Desain Chamber
Desain  rangkaian Spin  Coater telah  dibuat, disusun  dan  dilengkapi  komponen-komponen, kemudian  dilakukan  proses  desain  chamber menggunakan software inventor. Konsep desain chamber  ini  terdiri  dari  bagian  bawah  sebagai tempat  motor  serta  pengontrol  dan  bagian  atas chamber  berupa  piringan  sebagai  peletakan object (substrat) pelapisan.
Berdasarkan  desain  chamber  gambar  3  dicetak menggunakan  3D  print  menggunakan  bahan PLA  untuk  luar  chamber,  bahan  akrilik  untuk penempatan  substrat  dan  penutup  luar.  Hasil dari chamber disajikan pada gambar 5.
Gambar 5 . Hasil Chamber Spin Coater B. Pengujian Spin Coater
Pengujian Spin  Coater dilakukan  dengan  cara meneteskan  sampel  tinta  merah  menggunakan mikro  pipet  pada  kaca  preparat  yang ditempelkan  di  bagian  dalam  chamber  ketika motor  sedang  berputar.  Pengujian  dilakukan sebanyak  lima  kali  dengan  nilai  1000rpm, 2000rpm,  3000rpm,  4000rpm,  dan  5000rpm. Hasil pengujian terdapat pada Tabel 1.
Tabel 1 . Hasil Pengujian Spin Coater No Kecepatan Motor Hasil Pengujian
1 1000rpm 2 2000rpm
No Kecepatan Motor Hasil Pengujian 3 3000rpm 4 4000rpm 5 5000rpm

## KESIMPULAN
Penelitian  ini  telah  merancang Spin  Coater digital  yang  mampu  digunakan  di  laboratorium untuk  melakukan  pelapisan. Spin  Coater ini dapat  bekerja  pada  rentang  1000  RPM  hingga 8000RPM  dengan  waktu  60  detik.  Pengujian Spin  Coater dilakukan  dengan  meletakkan preparat  ke  substrat  holder,  kemudian  di teteskan  air  mineral  berwarna  untuk  melihat penyebaran  dalam  proses Spin  Coater . Berdasarkan  pengujian  tersebut  masih  belum sempurna melakukan pelapisan, jika dilihat pada mikroskop pelapisan hanya mampu hingga 90%, sehingga  desain Spin  Coater ini  perlu  adanya pengembangan kembali.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada  tim penelitian  dan  penelitian  ini  dapat  terlaksana atas  hibah  DRTPM-PDP  dengan  nomor  SK: 181/E5/PG.02.00.PL/2023.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] V. Van Tran, S. Lee, D. Lee, and T. H. Le, “Recent Developments and Implementations  of  Conductive  Polymer- Based  Flexible  Devices  in  Sensing
Applications,” Polymers  (Basel). ,  vol.  14,
no. 18, pp. 1–29, 2022, doi: 10.3390/polym14183730.
[2] P.  Z.  Hanakata,  J.  F.  Douglas,  and  F.  W. Starr, “Interfacial mobility scale determines the  scale  of  collective  motion  and relaxation  rate  in  polymer  films,” Nat. Commun. ,  vol.  5,  no.  May,  2014,  doi: 10.1038/ncomms5163.
[3] M.  S.  Thanigaivel,  A.  K.  Priya,  D. Balakrishnan,  K.  Dutta,  S.  Rajendran, “Insight on recent development in metallic biomaterials:
Strategies involving
synthesis,  types  and  surface  modification for  advanced  therapeutic  and  biomedical applications,” Biochem  Eng  J ,  vol.  187, 2022, doi: 10.1016/j.bej.2022.108522.
[4] X.  H.  A.  Ekinci,  A.  Gleadall,  A.  A. Johnson, L. Li, “Mechanical and hydrolytic properties  of  thin  polylactic  acid  films  by fused  filament  fabrication,” J  Mech  Behav Biomed  Mater ,  vol.  114,  2021,  doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.104217.
[5] M.  Chelu  and  A.  M.  Musuc,  “Advanced Biomedical Applications of Multifunctional Natural  and  Synthetic  Biomaterials,” Processes ,  vol.  11,  no.  9,  p.  2696,  2023, doi: 10.3390/pr11092696.
[6] M.  Z.  and  S.  G.  Mayr,  “Ferromagnetic shape memory alloys: Synthesis, characterisation and biocompatibility of Fe- Pd  for  mechanical  coupling  to  cells,” Mater.  Sci.  Technol.  (United  Kingdom) , vol. 30, 2014, doi: 10.1179/1743284714Y.0000000592.
[7] F.  V.  et  Al,  “Biomimetic  extracellular matrix  coatings  improve  the  chronic biocompatibility of microfabricated subdural  microelectrode  arrays,” PLoS One, vol. 13, 2018, doi:
10.1371/journal.pone.0206137.
[8] M.  A.  Butt,  “Thin-Film  Coating  Methods: A Successful Marriage of High-Quality and Cost-Effectiveness—A  Brief  Exploration,” Coatings ,  vol.  12,  no.  8,  2022,  doi: 10.3390/coatings12081115.
[9] C.  Thirunavukkarasu,  K.  K.  Saranya,  B. Janarthanan,  and  J.  Chandrasekaran, “Design  ,  Fabrication  and  Working  of  In- House  Spin  Coating  Unit  for  Thin  Film Deposition,” Int.  J.  Innov.  Res.  Sci.  Eng. Technol. ,  vol.  5,  no.  6,  pp.  10017–10023,
2016, doi: 10.15680/IJIRSET.2015.0506068.
[10] M. Rashid, M. M. Ferdaus, M. M. Rashid, and  M.  A.  Rahman,  “Advances  in Environmental  Biology  Corresponding Author:  M  Design  and  Fabrication  of  a Simple  Cost  Effective  Spin  Coater  for Deposition  of  Thin  Film,” Adv.  Environ. Biol. , vol. 8, no. 3, pp. 729–733, 2014.
[11] I. Pratama, J. Y. Mindara, D. W. Maulana, C. Panatarani, and I. M. Joni,
“Development  of  Spin  Coater  with  close loop  control  system  using  ATMega8535 microcontroller,” AIP  Conf.  Proc. ,  vol. 1712,  no.  February,  pp.  1–6,  2016,  doi: 10.1063/1.4941870.
[12] A. A. Atule, A. N. Amah, I.  Ahemen,  and F. N. Gesa, “Design and Implementation of a  Three-operational  Mode  Programmable Spin  Coater  for  Deposition  of  Thin  Films on  Flat  Substrates,”  vol.  11,  no.  May,  pp. 536–547, 2020.
[13] G. Zafer, A. Mürsel, A. Cengiz, and H. M Cüneyt,  “Design  and  Construction  of Home-Made  Spin  Coater  for  OLED Production,” Int. J. Electron. Device Phys. , vol.  5,  no.  1,  2021,  doi:  10.35840/2631- 5041/1711.
[14] M. B. K. and R. G. Z. Kaddachi, M. Belhi, “Design  and  development  of  spin  coating system,” 2016  17th  Int.  Conf.  Sci.  Tech.
Autom.  Control  Comput.  Eng., pp.  558– 562, 2016, doi: 10.1109/STA.2016.7952005.
[15] M.  Fardousi  and  S.Rahat,  “Cost-Effective Home-Made  Spin  Coater  for  Depositing Thin Films,” J. Mod. Sci. Technol. , vol. 1, pp. 126–134, 2013.
[16] Irzaman,  H.  Syafutra,  R.  Siskandar, Aminullah,  and  H.  Alatas,  “Modified  Spin Coating Method for Coating and Fabricating  Ferroelectric  Thin  Films  as Sensors  and  Solar  Cells,” Thin  Film Process. - Artifacts Surf. Phenom. Technol. Facet. , 2017, doi: 10.5772/66815.
[17] F.  H.  Ali,  “Building  a  Spin  Coater  device for  thin-film  preparation,” IOP  Conf.  Ser. Mater. Sci. Eng. , vol. 757, no. 1, 2020, doi: 10.1088/1757-899X/757/1/012050.
[18] R.  G.  Aguilar and  J.  O.  López,  “Low  cost instrumentation for spin-coating deposition
of  thin  films  in  an  undergraduate laboratory.,”  Latin-American J.  Phys.
Educ ., vol. 5, no. 2, pp. 368–373, 2011, doi: 10.1016/j.aca.2007.12.028.
[19] A.  Haleem,  M.  Javaid,  R.  P.  Singh,  R. Suman, and S. Rab, “Biosensors applications  in  medical  field:  A  brief review,” Sensors  Int. ,  vol.  2,  no.  April,  p. 100100, 2021, doi: 10.1016/j.sintl.2021.100100.
[20] K.  Theyagarajan  and  Y.  J.  Kim,  “Recent Developments in the Design and Fabrication  of  Electrochemical  Biosensors Using Functional Materials and Molecules,” Biosensors ,  vol.  13,  no.  4, 2023, doi: 10.3390/bios13040424.
[21] B.  Miranda,  I.  Rea,  P.  Dardano,  L.  De Stefano,  and  C.  Forestiere,  “Recent advances in the fabrication and functionalization of flexible optical
biosensors:  Toward  smart  life-sciences applications,” Biosensors ,  vol.  11,  no.  4, 2021, doi: 10.3390/bios11040107.
[22] A. S. Hidayat, M. Rokhmat, M. Si, and A. Qurthobi,  “Pengaruh  Suhu  dan  Kecepatan Putar  Spin  Coating  Terhadap  Kinerja  Sel Surya Organik Berbahan Dasar TiO2,” vol.
1 no. 1, pp 1–14, 2010 .