Analisis Karakteristik Lapisan Tipis MMA

(1)

Abstrak— Percobaan Analisis Karakteristik Lapisan Tipis MMA dengan Metode Spin Coating bertujuan untuk membuat dan memahami lapisan tipis pada material MethyleMethacrylate (MMA). Material Methyl Methacrylate (MMA) diteteskan diatas substrat kaca yang sudah diamplas dan dicuci dengan alkohol, lalu empat buah kaca preparat diberi perlakuan kecepatan yang berbeda yaitu 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm dan tanpa perlakuan. Setelah itu didapatkan hasil berupa lapisan tipis. Lapisan tipis tersebut, diamati dengan mikroskop kemudian shot hasilnya dengan software super eyes. Pada percobaan ini menggunakan prinsip dari spin coating, gaya sentrifugal, gaya viskositas, gaya sentripetal, dan prinsip pandu gelombang. Dari percobaan ini diperoleh data pada kecepatan 1500 rpm, 2000 rpm, dan 2500 rpm ketebalan lapisan sebesar 0,0001625262 μm; 0,0001180808 μm ; 0,00004839820 μm. Pada percobaan ini dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi kecepatan putarnya maka ketebalan lapisan yang dihasilkan akan semakin kecil atau tipis.

Kata Kunci— Kecepatan putar, Methyl Methacrylate (MMA), pandu gelombang, spin coating.

I. PENDAHULUAN

apisan tipis memiliki banyak manfaat dalam perkembangan teknologi. Misalnya saja dalam dunia material, lapisan tipis banyak dimanfaatkan sebagai pelapisan bahan untuk menutupi kelemahan dari bahan yang dilapisi seperti anti korosi, persiapan material baru sebelum difabrikasi serta dalam pengembangan material baru. Sedangkan dalam dunia optic, lapisan tipis umumnya digunakan dalam teknologi laser, LED, sel surya, dll. Karena digunakan dalam berbagai terknologi, fabrikasi lapisan tipis pun telah banyak dilakukan oleh peneliti untuk mendapatkan kualitas lapisan tipis yang baik. Salah satu cara pembuatan lapisan tipis adalah dengan cara spin coating. Pada percobaan spin coating ini pandu gelombang diterapkan ketika suatu larutan diteteskan pada substrat dan diputar pada kecepatan tinggi.

Spin coating adalah proses pembuatan lapisan dengan cara memutar larutan yang diletakkan diatas substrat. Ketebalan lapisan yang dihasilkan dari proses spin coating berada pada range 1-200 mikrometer. Parameter – parameter yang berpengaruh pada proses spin coating adalah viskositas atau kekentalan larutan, kandungan material, kecepatan anguler, waktu putar. Untuk memperoleh ketebalan lapisan yang tebal dapat dilakukan dengan tingkat kekentalan yang tinggi, kecepatan putar yang rendah, waktu putar yang sedikit [1]. Proses spin coating dibagi menjadi empat yaitu tahap deposisi, spin-up, spin-off, dan evaporasi. Tahap pertama dimulai dari diteteskan atau dialirkannya cairan pelapis berupa gel di atas substrat. Pada tahap deposisi substrat belum diputar. Kemudian pada tahap berikutnya substrat mulai

diputar. Akibat gaya sentrifugal cairan menjadi tersebar secara radial keluar dari pusat putaran menuju tepi piringan. Pada tahap ini substrat mengalami percepatan. Sedangkan pada kedua tahap berikutnya laju putaran mulai konstan, artinya tidak ada percepatan sudut pada substrat. Pada tahap spin-off sebagian cairan yang berlebih akan menuju ke tepi substrat dan akhirnya terlepas dari substrat membentuk tetesan-tetesan. Semakin menipis lapisan yang terbentuk semakin berkurang tetesan-tetesan yang terbuang. Hal ini dipengaruhi oleh adanya penambahan hambatan alir dan viskositas pada saat lapisan semakin tipis. Tahap terakhir, evaporasi, merupakan mekanisme utama dari proses penipisan lapisan [2].

Ketebalan lapisan yang terbentuk ditentukan oleh dua parameter utama yaitu viskositas dan laju putaran (angular speed) disamping parameter-parameter lainnya seperti waktu dan kerapatan cairan. Kecepatan putar merupakan salah satu faktor terpenting dalam proses spin coating. Kecepatan putar pada substrat berpengaruh terhadap sudut gaya sentrifugal yang mengenai cairan resin selain kecepatan dan turbullence udara diatasnya. Secara lebih spesifik tingkat kecepatan putar yang tinggi menetukan ketebalan lapisan yang terbentuk. Gambar 1 menunjukkan kurva hubungan antara kecepatan putar dan ketebalan lapisan [2]

Percepatan sentripetal terjadi ketika partikel dipercepat memutar. Pada situasi ini, ditinjau dari luar sistem, sehingga tidak ada suatu gaya sentrifugal misterius yang menarik partikel agar terdorong keluar, yang ada adalah kecenderungan untuk bergerak lurus. Arah dari percepatan sentripetal searah dengan putaran, sehingga tegak lurus terhadap arah gaya gesekan fluida. Titik kecil pada A (Gambar 2) menyatakan partikel atau makromolekul dari fluida yang diendapkan. Ketika terjadi pemutaran, partikel tersebut cenderung untuk bergerak lurus sepanjang garis terputus – putus, akan tetapi gaya gesekan antar molekul pada fluida (viskositas) yang arahnya ke dalam menahan gerak tersebut, sehingga lintasan partikel berupa lingkaran. Apabila gaya gesekan tidak cukup besar, maka partikel -partikel fluida tersebut akan terlempar keluar dari lintasan. Jika ditinjau dari dalam sistem, gaya yang bekerja pada spin coating adalah gaya sentrifugal dan gaya viskositas dimana gaya sentrifugal tersebut berarah radial terhadap gaya viskositas. Gaya sentrifugal dituliskan dengan persamaan berikut:

FS = mv2/r (1)

Dimana m massa, r jari – jari lintasan, v laju konstan. Sedangkan gaya viskositas dituliskan dengan persamaan: FS = pA (2) Dengan p viskositas, A luas lintasan , v laju dan l ketebalan fluida. Ketika gaya sentrifugal dan gaya viskositas berada

Analisis Karakteristik Lapisan Tipis MMA

dengan Metode Spin Coating

Sulistiyawati Dewi Kiniasih, Muhadha Shalatin, Annisa Nurul Aini, Sudarsono

Jurusan Fisika, Fakultas Ilmu Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia

e-mail: sudars@physics.its.ac.id

(2)

Gambar 1. Hubungan antara ketebalan lapisan dan kecepatan putar

Gambar 2.Model gerak fluida pada proses spin coating.

dalam kesetimbangan, Meyerhofer mendiskripsikan bahwa ketebalan lapisan tipis yang dihasilkan dari proses spin coating bergantung pada parameter kecepatan putar dan viskositas. Semakin besar viskositas maka kecepatan putar optimum yang dibutuhkan juga semakin besar. Pada metode ini lapisan yang dihasilkan tidak homogen, karena besarnya gaya dipengaruhi oleh jarak atom. semakin jauh jarak atom dari pusat, gaya sentrifugal yang bekerja semakin kecil [1].

Proses pemanduan cahaya dalam suatu pandu gelombang dapat dijelaskan dengan menggunakan prinsip penjalaran sinar optic dengan didasarkan pada hukum pemantulan dan pembiasan Snellius. Dimana ketika indeks bias film lebih besar dari indeks bias cover dan pada sudut 90 derajat, tidak ada gelombang yang merambat pada daerah kover sehingga dapat dikatakan gelombang mengalami pemantulan dalam total pada daerah film. Pemanduan dalam total dapat terjadi pula bila sudut dating lebih besar daripada sudut kritisnya [3].

MMA (Monomer Metil Metakrilat) mempunyai rumus molekul CH2CCH3COOCH3, BM = 100,11 , titik didih 1000C, titik beku -42,20C, densitas = 0,936 pada 20/40C, berupa cairan tak berwarna, larut dalam air, dapat terbakar, beracun dan bahan yg irritant. MMA adalah cairan tak berwarna dan transparansi substansi. Transparansi yang tinggi merupakan karakteristik utama dari PMMA (Polimetil Metakrilat). PMMA merupakan termoplastik transparan yang disintesi secara polimer dari metil metakrilat. MMA merupakan cairan tak berwarna atau padatan tak berwarna, larut dalam air, dapat terbakar, beracun dan termasuk bahan yang iritant [4].

II. URAIAN PENELITIAN A. Alat dan Bahan

Pada percobaan Spin Coating ini digunakan alat dan bahan antara lain adalah 4 buah kaca preparat yang berfungsi sebagai substrat, Larutan Polymethyl Methacrylate (PMMA) yang berfungsi sebagai larutan yang diteteskan di atas substrat, kertas amplas untuk menghaluskan sisi samping kaca preparat,

Gambar 3. Skema alat percobaan

1 buah mikroskop yang digunakan saat pengamatan ketebalan tipis, 1 set alat Spin coater sebagai media pembentukan lapisan tipis, alkohol 70% untuk mensterilkan kaca preparat yang telah dicuci dengan air, tisu untuk membantu proses pengeringan kaca preparat,1 buah pipet tetes sebagai alat bantu menuangkan larutan ke substrat, mikroskop sebagai alat untuk melihat dan memperbesar lapisan tipis yang terbentuk dengan bantuan software, software logitech webcam untuk melihat perubahan atau pixel lapisan saat diberikan pergeseran.

B. Skema Alat

Adapun skema alat pada percobaan ini dapat dilihat pada gambar 3.

C. Cara Kerja 1. Tahap Persiapan

Siapkan alat dan bahan lalu mengamplas sisi samping kaca preparat agar membentuk pola yang homogen sehingga mudah untuk diamati. Setelah itu kaca preparat dicuci dengan alkohol 96% agar steril dan dikeringkan dengan tisu.

2. Tahap Fabrikasi Lapisan Tipis Methyl Methacrylate (MMA)

Kaca preparat yang telah diamplas lalu dicuci dengan alkohol 96% dan dikeringkan dengan tisu hingga benar-benar kering. Selanjutnya diletakkan kaca preparat diteteskan larutan MMA dan diletakkan pada spin coater. Tekan gas penghisap agar kaca dapat bertahan pada tempatnya. Nyalakan spin coater untuk memutar substrat beserta larutannya. Dengan

B

Alkohol

Kaca Preparat

Pipet tetes

Cawan petri

Tisu

(3)

Gambar 4. Flowchart Percobaan Spin Coating

sebelumnya dinyalakan kecepatan spin coater dengan variasi kecepatan 1500 rpm, 2000 rpm, dan 2500 rpm. Dengan waktu putaran untuk setiap kecepatan adalah selama 5 menit, dan dibiarkan 1 kaca preparat tanpa perlakuan.

3. Analisa Karakteristik Lapisan Methyl Methacrylate (MMA)

Pada tahap pengamatan lapisan tipis PMMA ini digunakan mikroskop yang telah dihubungkan dengan webcam yang terintegrasi computer yang berisi software super eyes. Dalam tahap ini ketebalan lapisan tipis diamati menggunakan mikroskop optik dan kemudian hasilnya dishoot menggunakan software super eyes. Gambar lapisan diambil pada posisi awal kemudian digeser sebesar 0,5 mm dan diambil gambar setelah digeser. Kemudian dihitung besar 1 pixel, ketebalan lapisan

Tabel 1. Data kalibrasi hasil pergeseran

Pixel Awal Pixel Akhir

X Y X' Y'

193 106 156 91

156 91 119 62

119 62 193 106

193 106 156 91

156 91 91 62

Tabel 2. Data pixel lapisan pada kecepatan 1500 rpm

X Y X' Y'

75 32 86 22

188 110 202 97

301 174 312 162

X Y X' Y'

195 15 205 14

222 100 235 95

268 230 279 224

X Y X' Y'

207 10 209 11

235 96 239 91

273 198 279 196

dalam pixel dan ketebalan lapisan dalam mikrometer menggunakan software paint.

D. Flowchart

Adapun flowchart pada percobaan ini dapat dilihat pada gambar 4.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Analisa Data

Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh data posisi X dan Y seperti pada tabel 1 sampai tabel 4.

B. Grafik

Dari hasil perhitungan, dapat digambarkan grafik seperti pada gambar 5.

C. Pembahasan

Pada percobaan Analisis Karakteristik Lapisan Tipis MMA dengan Metode Spin Coating ini bertujuan untuk membuat dan memahami lapisan tipis pada material MMA (metil metakrilat). Prinsip yang digunakan dalam percobaan ini adalah gaya viskositas, gaya sentrifugal dan gaya sentripetal. Alat dan bahan disiapkan

Kaca preparat diamplas, lalu dibersihkan dengan alkohol 96%

Substrat ditetesi larutan MMA dan dimasukkan pada spin coater

Gas penghiasap ditekan , spin coater dinyalakan dan diputar dengan kecepatan 1000 rpm selama 5 menit

Diamati dengan mikroskop dan software super eyes

Gambar posisi akhir setelah pergeseran, ketebalan lapisan dalam pixel dan mikrometer

Apakah sudah dilakukan variasi kecepatan

Start

Finish

Gambar posisi awal sebelum pergeseran

(4)

Gambar 5. Grafik hubungan antara kecepatan putar dan ketebalan lapisan

Kaca preparat (substrat) diamplas terlebih dahulu agar kaca menjadi rata. Hal ini dikarenakan dengan permukaan subtrat yang rata maka lapisan yang terbentuk rata, sehingga batas antara substrat dan film dapat terlihat dengan jelas saat diamati. Pada percobaan ini digunakan alkohol untuk mensterilkan kaca preparat, karena alkohol mengandung etil alkohol (etanol) yang dapat membunuh bakteri.

Pada percobaan ini digunakan larutan MMA karena pada dasarnya larutan ini merupakan larutan berbahan polimer yang memiliki karakteristik mudah difabrikasi dan dapat diintegrasikan dengan komponen optic lain. Selain itu, MMA adalah larutan dengan indeks bias yang cukup tinggi, yaitu 1,4908 sehingga lapisan tipis MMA mampu dimanfaatkan untuk pandu gelombang slab. Tidak semua jenis larutan dapat digunakan untuk melihat lapisan tipis yang tipis yang terbentuk, namun ada beberapa syarat yang harus dimiliki oleh larutan yang akan dipakai tersebut. Adapun persyaratannya adalah larutan yang transparan atau bening, konsentrasi yang besar dan memiliki indeks bias yang lebih kecil daripada substrat. Larutan yang digunakan harus memiliki konsentrasi yang besar sehingga saat substrat diputar, larutannya dapat menyebar dengan mudah dan kemudian membentuk lapisan tipis. Pada percobaan ini kaca sebagai substrat yang memiliki indeks bias lebih besar daripada larutan MMA sehingga akan terjadi proses pandu gelombang pada lapisan tipis tersebut. Larutan yang digunakan pada percobaan juga harus mempunyai viskositas yang sesuai dengan putaran, homogen, merupakan larutan elektrolit, dan bersifat dielektrik. Adapun nilai viskositas MMA adalah 0,512 cp (saat T= 300C). Apabila larutan yang digunakan mempunyai nilai viskositas yang lebih besar maka cairan akan terkumpul di dalam kaca dan cairan tersebut tidak menyebar. Sebaliknya, jika mempunyai nilai viskositas yang sangat kecil maka cairan tersebut akan terhambur ke luar, dan tidak terjadi pelapisan

Larutan MMA yang diteteskan pada substrat lalu diputar pada kecepatan tinggi menggunakan spin coater akan mengalami beberapa tahap. Saat larutan dan substrat diputar pada kecepatan tinggi akan menimbulkan gaya. Adapun gaya-gaya yang bekerja pada percobaan ini adalah gaya-gaya sentrifugal,

gaya viskositas, dan gaya sentripetal. Gaya sentrifugal adalah gaya gerak melingkar yang berputar menjauhi pusat lingkaran, pada percobaan ini dapat terlihat pada larutan yang tersebar merata dipermukaan kaca preparat atau substrat. Persebaran merata larutan ini dikarenakan adanya gaya sentrifugal larutan MMA yang arahnya keluar dari lingkaran. Gaya sentrifugal, berhubungan dengan kecepatan putaran spin coating. Pengaruh kecepatan putaran pada substrat terhadap sudut gaya sentrifugal yang mengenai larutan MMA selain kecepatan dan turbullence adalah udara diatasnya. Hal ini berhubungan dengan nilai kelembaban udara yang berada di dalam laboratorium. Secara spesifik tingkat kecepatan putar yang tinggi menetukan ketebalan lapisan yang terbentuk dimana nilai kecepatan putaran berbanding terbalik dengan nilai ketebalan larutan. Tahap terakhir dalam percobaan ini, merupakan mekanisme utama dari proses penipisan lapisan. Ketebalan lapisan yang terbentuk dipengaruhi oleh dua faktor utama, yaitu viskositas dan laju putaran atau yang biasa disebut kecepatan angguler, disamping parameter-parameter lainnya seperti waktu pemutaran dan kerapatan cairan. Selanjutnya yaitu gaya viskositas, gaya ini merupakan gaya gesekan yang ditimbulkan oleh fluida (pada percobaan ini fluidanya adalah larutan MMA) terhadap substrat saat diputar pada kecepatan (1500 rpm, 2000 rpm dan 2500 rpm). Arah dari gaya gesekan larutan selalu berlawanan dengan arah gerak larutan. Selanjutnya adalah gaya sentripetal, gaya sentripetal merupakan lawan dari gaya sentrifugal. Arah dari gaya sentripetal ini selalu masuk ke dalam lingkaran putar larutan MMA.Gaya sentripetal pada percobaan ini terjadi pada saat larutan diteteskan pada suatu titik pada substrat maka larutan itu akan berputar atau berpusat pada titik tetesan tersebut.

Pada percobaan ini terjadi pandu gelombang yang hubungannya dengan indeks bias pada larutan dan substrat. Indeks bias pada substrat harus lebih besar daripada indeks biar larutan. Penjalaran gelombang cahaya dari indeks bias besar ke kecil akan menimbulkan sudut kritis, sehingga terjadi pemantulan total. Karena larutan MMA merupakan larutan dielektrik maka akan terjadi gelombang elektromagnetik, namun jika tidak tidak akan terjadi gelombang elektromagnetik.

(5)

Gambar 6. Substrat tanpa perlakuan

Gambar 7. Substrat yang ditetesi larutan MMA

cepat kecepatan putaran spin coater menimbulkan semakin tipis lapisan. Dikarenakan ketika spin coating berputar ada gaya sentripetal yang terjadi yang mengakibatkan larutan tertarik ke pinggir substrat dan tersebar merata. Semakin cepat nilai putaran coater, berbanding lurus dengan gaya sentrifugal yang diterima larutan. Semakin cepat kecepatan putaran dari spin coating menyebabkan penyebaran larutan diatas permukaan substrat semakin cepat merata jika dibandingkan dengan kecepatan putaran spin coating yang dengan kecepatan lebih kecil. Ketika putaran semakin cepat, maka suhu dalam spin coating juga semakin cepat sehingga mengakibatkan larutan MMA yang pada dasarnya memiliki karakteristik mudah menguap mengalami penguapan sehingga ketebalan lapisan yang terbentuk pada substrat pun menjadi semakin tipis jika dibandingkan dengan saat kecepatan puatan yang lebih kecil.

Pada kaca preparat tanpa diberi kecepatan tidak ada lapisan yang didapatkan, karena larutan MMA tidak menyebar merata secara homogen karena tidak adanya gaya sentrifugal akibat adanya putaran dari spin coater, sehingga yang terlihat dari mikroskop hanya kover kaca preparat. Sedangkan pada tiga kaca preparat yang lain yang mendapatkan perlakuan pemutaran pada spin coater didapatkan tebal lapisan yang berbeda akibat adanya gaya sentrifugal saat kaca preparat diputar, seperti ditunjukkan pada gambar 7.

IV. KESIMPULAN

Dari percobaan Spin Coating diperoleh kesimpulan bahwa terbentuk lapisan tipis ketika larutan MMA diteteskan pada substrat dan diputar dengan kecepatan tinggi. Dari percobaan

ini diperoleh data pada kecepatan 1500 rpm, 2000 rpm, dan 2500 rpm ketebalan lapisan sebesar 0,0001625262 μm; 0,0001180808 μm ; 0,00004839820 μm. Pada percobaan ini dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi kecepatan putarnya maka ketebalan lapisan yang dihasilkan akan semakin kecil atau tipis.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terima kasih kepada Muhadha Shalatin dan Annisa Nurul Aini selaku asisten laboratorium pada percobaan Spin Coating yang telah membimbing selama praktikum. Serta terima kasih untuk teman-teman praktikan yang telah ikut membantu selama percobaan berlangsung.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Billmeyer Fred W.JR. “Textbook of Polymer Science”. New York: John

Wiley and Sons, Inc. (1970)

[2] Asrorudin U. 2004. Perancangnan Alat Deposisi Spin Coating [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.

[3] Sunarno, Hasto., Optika Serat. Surabaya, Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam ITS (2000).

(6)

LAMPIRAN

1. Perhitungan

Dari data-data yang diperoleh, dilakukan perhitungan untuk mencari nilai 1 pixel lapisan tipis dan ketebalan. Berikut adalah salah satu contoh perhitungan pada kecepatan 2000 rpm:

1. Perhitungan mencari 1 pixel Diketahui:

∆Pixel rata2 = 56,825862

Pergeseran = 0,5 mm = 0,5 x 10-3μm Ditanya: 1 pixel ?

Jawab:

1 pixel = pergeseran / ∆Pixel rata2 =

= 0,0000097031 μm 2. Perhitungan ketebalan lapisan Diketahui:

∆Pixel rata2 = 12,16940933 (pada kecepatan 2000 rpm) 1 pixel = 0,0000097031 μm

Ditanya: Tebal lapisan tipis ? Jawab:

Tebal = ∆Pixel rata2 x 1 pixel

= 12,16940933 x 0,0000097031 μm

= 0,0001180808 μm

Dilakukan perhitungan seperti contoh perhitungan diatas. Adapun hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel 1-4 dibawah ini:

Tabel 1. Data kalibrasi pergeseran

Δpixel 1 pixel _(μm) X Y X' Y'

193 106 156 91 39,92493 0,0000125235

156 91 119 62 47,010637 0,0000106359

119 62 193 106 86,092973 0,0000058077

193 106 156 91 39,92493 0,0000125235

156 91 91 62 71,175839 0,0000070249

Rata-rata Δpixel 56,825862 0,0000097031

Δpixel Ketebalan _(μ m) X Y X' Y'

75 32 86 22 14,866069

188 110 202 97 19,104973 0,0001625262

301 174 312 162 16,278821

Rata-rata Δpixel 16,74995417

Pixel Awal _AkhirPixel

195 15 205 14 10,049876

222 100 235 95 13,928388 0,0001180808

268 230 279 224 12,529964

Rata-rata Δpixel 12,16940933

207 10 209 11 2,236068

235 96 239 91 6,4031242 0,0000483982

273 198 279 196 6,3245553