Pengembangan Bahan Luminisensi dan Aplik

Prosiding Seminar Nasional Material 2012 Fisika

–

Institut Teknologi Bandung

10

Pengembangan Bahan Luminisensi dan Aplikasinya untuk

Lampu Hemat Energi

C. Panatarani*, B. M. Wibawa, D. Hidayat dan I M. Joni

Lab. Sistem Instrumentasi dan Pemrosesan Material Fungsional Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Padjadjaran

Jl. Raya Bandung-Sumedang KM 21 Jatinangor 45363 * Email: c.panatarani@phys.unpad.ac.id

Abstrak. Penelitian dan pengembangan bahan luminisensi untuk aplikasi lampu hemat energi (SSL) telah dilakukan di Laboratorium Sistem Instrumentasi dan Pemrosesan Material Fungsional, Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Padjadjaran. Pengembangan tersebut meliputi pengembangan peralatan sintesis dan karakterisasi bahan, pengembangan metode pemrosesan bahan luminisensi, pengembangan bahan luminisensi, pengembangan model fisis dan pengembangan aplikasi bahan luminisensi.

Kata kunci: luminisensi, phosphordan SSL.

PENDAHULUAN

Bahan luminisensi (phosphor) secara umum merupakan bahan yang dapat mengkonversi berbagai tipe energi menjadi radiasi elektromagnetik[1]. Radiasi gelombang elektromagnetik yang diemisi oleh bahan luminisensi biasanya dalam daerah cahaya tampak, tetapi dapat juga pada spektra lain seperti ultraviolet atau infra merah.

Peristiwa luminisensi berbeda dengan peristiwa radiasi benda hitam. Dalam pencahayaan buatan yang memanfaatkan peristiwa radiasi benda hitam (obor, lampu pijar dan sebagainya), sebagian besar energi yang mengalir dari bahan bakar diubah menjadi panas dan emisi yang dihasilkan akan didominasi oleh spektrum infra merah yang tidak terlihat oleh mata [2]. Dalam teknologi lampu hemat energi (lampu zat padat, SSL), bahan bakar yang berupa energi listrikdipasokdarisumbereksternalkedalam LED. Listrik yang diaplikasikan merupakan panjar maju terhadap p-n junction dari bahan semikonduktor yang membentuk LED, dan elektron yang bermuatan negative serta lubang yang bermuata npositif diinjeksikan kedalam bahan semikonduktor. Elektron dan lubang akan terperangkap di dalam suatu lapisan aktif dimana keduanya berekombinasi menghasilkan foton monokromatik pada tingkat energy yang sesuai dengan bandgap bahan semikonduktor. Foton tersebut diekstraksi dari bahan semikonduktor dan dikonversi menjadi cahaya putih. Oleh karena itu, teknologi SSL dapat dipandang sebagai teknologi siklus hidup foton dan LED menjadi jantung dari teknologi SSL tersebut [2].

Dalam rangka mewujudkan teknologi SSL, metode sintesis bahan luminisensi yang efisien, alat sintesis dan karakterisasi serta pemodelan fenomena fisis baik dalam pemrosesan bahan maupun aplikasi dikembangkan di Lab. Sistem Instrumentasi dan Pemrosesan Material Fungsional, Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Padjadjaran. Tulisan ini akan difokuskan pada pembahasan pengembangan bahan luminisensi dan aplikasinya untuk SSL yang telah dilakukan, kondisi terkini dan rencana masa depan. Pengembangan tersebut dibiayai dari berbagai dana penelitian antara laindari Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI), Kementerian Negara Riset dan Teknologi, Indonesia Toray Science Foundation, Loreal-Unesco for Women in Science dan dari Universitas Padjadjaran.

PENGEMBANGAN BAHAN

LUMINISENSI

Pengembangan Alat Sintesis Bahan

luminisensi

Pengembangan awal yang dilakukan adalah rancang bangun alat utama untuk mensintesis bahan luminisensi. Alat tersebut meliputi tungku (furnace) yang dapat bekerja sampai temperatur tinggi untuk pembentukan kristal bahan luminisensi (anorganik) dan untuk keperluan proses aktivasi doping yang sebagian besar berasal dari logam tanah jarang.

Prosiding Seminar Nasional Material 2012 Fisika

–

Institut Teknologi Bandung

11

tertutup tersebut juga masih dimungkinkan penggunannya untuk metode zat padat (solid state) dan metode lainnya. Tungku tabung dirancang untuk pemrosesan bahan dalam bentuk partikel maupun film dengan proses aerosol dekomposisi (spray pyrolysis) [4]. Tungku tabung suhu rendah (<1000oC) digunakan untuk sintesis bahan luminisensi oksida logam sederhana, seperti ZnO dan MgO, sedangkan tungku tabung suhu tinggi yang menggunakan elemen penamas SiC digunakan untuk mensintesis bahan luminisensi yang lebih kompleks dan untuk aktivasi multi doping. Tungku tabung untuk metode spray pyrolysis juga dilengkapi dengan ultrasonic nebulizer yang laju produksinya dapat diatur dengan mengubah tegangan listrik dan elektrostatik presipitator wire-plate (ESP-WP) yang berfungsi untuk menangkap produkberupa partikel yang dapat bekerja sampai 35 kV[5]. Beberapa alat sintesis yang dibangun diperlihatkan pada Gambar 1.

GAMBAR 1. Alat-alat sintesis yang telah dikembangkan [3-5]

Pengembangan Metode Sintesis

Pengembangan metode sintesis dilakukan sebagai upaya untuk mencari metode pemrosesan bahan yg mudah, murah dan aman. Beberapa metode yang dikembangkan adalah metode spray pyrolysis dan metode larutan sederhana termasuk metode sol gel yang dimodifikasi [6-7]. Spray pyrolysis merupakan metode yang menggabungkan fase cair dan gas dengan proses aerosol. Partikel yang disintesis dengan spray pyrolysis mengalami proses atomisasi larutan precursor menjadi droplet. Droplet tersebut kemudian dialirkan melewati furnance (tempat terjadinya proses epavorasi pelarut droplet) yang mengubah droplet tersebut menjadi partikel. Sedangkan metode larutan sederhana dan metode sol gel yang dimodifikasi merupakan metode pencampuran bahan kimia melalui fasa larutan dengan ukuran partikel yang dihasilkan

dapat diatur melalui proses terminasi pertumbuhan kristal.

Metode spray pyrolysis dan metode larutan sederhana tersebut dikembangkan karena keunggulannya untuk memperoleh bahan yang homogen. Homogenitas bahan diperlukan untuk mencegah terjadinya luminescent killer akibat terlokalisasinya pusat-pusat luminisensi dalam kristal host yang berdampak pada turunnya intensitas luminisensi secara drastis.

Pengembangan Bahan Luminisensi

Target dari pengembangan bahan luminisensi adalah untuk menginvestigasi mekanisme luminisensi, hubungan mikroskopik antara struktur dengan sifat luminisensi bahan serta untuk memperoleh bahan luminisensi dengan sifat yang memenuhi aplikasi khususnya untuk aplikasi lampu hemat energi. Beberapa bahan yang disintesis menggunakan alat sintesis yang telah dibuat, antara lain: ZnO; MgO; Y3Al5O12:Ce3+; BAM:Eu2+; STO:Pr3+,Al3+; Y2O3;

halophosphor dan tri-band phosphor[8-13]. Beberapa bahan yang telah dikembangkan dimuat dalam

GAMBAR 2.

GAMBAR 2. Beberapa bahan luminisensi yang telah dikembangkan[8-13].

Pengembangan Model Fisis

Prosiding Seminar Nasional Material 2012 Fisika

–

Institut Teknologi Bandung

12

GAMBAR 3. Hasil simulasi model distribusi panas

pada reaktor spray pyrolysis[14].

APLIKASI BAHAN LUMINISENSI

UNTUK LAMPU HEMAT ENERGI

Aplikasi Bahan Luminisensi

Bahan luminisensi yang telah dibuat diaplikasikan untuk pembuatan SSL berbasis LED. Secara umum, terdapat dua metode yang digunakan dalam menghasilkan cahaya putih dari SSL berbasis LED, yaitu pencampuran warna LED dan LED konversi phosphor (pc-LED dan SSL jenis ELiXIR). Diagram skematis pc-LED dan SSL jenis ELiXIR dimuat dalam Gambar 4. pc-LED dan LED jenis ELiXIR terbentuk dari LED biru dan lapisan bahan luminisensi kuning. Bahan luminisensi yang memenuhi syarat untuk mengkonversi cahaya biru menjadi cahaya kuning pita lebar adalah YAG:Ce3+.

GAMBAR 4. (a) pc-LED dan (b) SSL jenis ELiXIR.

Dalam aplikasi pc-LED, spektrum cahaya yang dihasilkan ditentukan oleh nilai arus maju yang diinjeksikan ke dalam LED. Peredupan (dimming) yang diakibatkan oleh input arus kontinu maupun input arus pwm dapat menyebabkan pergeseran spektrum cahaya. Contoh pergeseran spektrum cahaya diperlihatkan pada Gambar 5.

GAMBAR 5. Pergeseran spektrum warna akibat dimming: (a) arus pwm dan (b) arus kontinu[15].

Faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi SSL pada dasarnya mempengaruhi peningkatan efisiensi kuantum bahan luminisensi dan efisiensi selubung optik. Oleh karena itu, selain pengaruh dimming, kajianaplikasi bahanluminisensi lain seperti pengaruh suhu sambungan (junction temperature) LED [16], geometri selubung optik, jenis dan penempatan bahan luminisensi, sistem pelepas panas dan jenis driver SLL juga diinvestigasi.

Pengembangan Alat Karakterisasi

Performa LED maupun SSL perlu diuji dengan berbagai alat karakterisasi. LED ray tracer telah dirancang untuk mengetahui pola sebaran cahaya LED dalam tiga dimensi [17-18]. Pola sebaran cahaya yang dihasilkan LED tersebut menentukan jenis aplikasi yang cocok untuk LED yang dibangun. Diagram skematik LED ray tracer dimuat dalam Gambar 6. Sistem instrumentasi lain yang dibangun untuk mendukung aplikasi bahan luminisensi untuk SSL antara lain sistem instrumentasi pengukuran suhu sambungan [16], sistem instrumentasi pengukuran dimming dan simulator pencampur warna LED.

Prosiding Seminar Nasional Material 2012 Fisika

–

Institut Teknologi Bandung

13

RENCANA PENELITIAN LANJUTAN

Rencana penelitian lanjutan dalam pengembangan bahan luminisensi untuk lampu hemat energi adalah deposisi beberapa bahan elektroluminisensi, integrasi dan optimisasi sistem LED, pabrikasi SSL dan kajian efisiensi produksi dan kajian ekonomi.

KESIMPULAN

Penelitian dan pengembangan bahan perlu dilakukan dari dasar hingga aplikasi. Kerja sama berbagai bidang keahlian mutlak diperlukan agar hasil-hasil penelitian dapat digunakan untuk kesejahteraan masyarakat.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terimakasih kepada Kementerian Pendidikan Nasional Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi), Kementerian Riset dan Teknologi, Indonesia Toray Foundation danLoreal-Unesco for Women in Science atas hibah yang diberikan untuk penelitian dan pengembangan bahan luminisensi dan aplikasinya di Lab. Sistem Instrumentasi dan Pemrosesan Material Fungsional, Universitas Padjadjaran. Temperature Controller to Synthesis Phosphor Nanoparticles”, SKIM, UKM Malaysia, 2007.

4. C. Panatarani, I M. Joni, B. M. Wibawa, A. I. Noorwanda, A. M. Pradhono dan K. Heru, “Rancang Bangun Furnace Temperatur Tinggi sebagai Sub-sistem Reaktor Spray Pyrolysis, Proseding Seminar Nasional Sains dan Teknologi, Unila, Lampung 2008.

5. C. Panatarani, I M. Joni, B. M. Wibawa, D. Anggoro and D. Hidayat, “Development on Liquid and Aerosol Processes Instrumentation Systems”, International Symposium on Functional Materials Science, Bali 2011. 6. C. Panatarani, I M. Joni and L. Yusastri, ”Polyethylene Glycol Supported Synthesis of YAG:Ce3+Particles”, Proceeding of ITSF Seminar on Science and Technology, 2007.

7. C. Panatarani, D. Hidayat, B. M. Wibawa, D. Anggoro and I M. Joni, “Opportunities and Application of Liquid and Aerosol Processing: Preparation of Functional Nanoparticles”, International Symposium on Functional Materials Science, Bali 2011.

8. L. Yusastri, I M. Joni dan C. Panatarani, “Synthesis of Nano-sized Yttrium Aluminum Garnet by Sol Gel Method”, 1st International Conference on Advance Material and Nanotechnology, Serpong 2006.

9. C. Panatarani, D. Anggoro and F. Faizal, “Solution Phase Synthesis and Photoluminescent Properties of Nanocrystal LaPO4:Eu3+, AIP Conference

Proceedings,American Institute of Physics, Melville, NY, 2010, pp 77-79.

10.C. Panatarani, D. Anggoro, and F. Faizal, “Luminescent Properties of Europium Activated Y2O3 and LaPO4 by

Solution Phase Method”, The 1st _{International Seminar}

on Fundamental & Application of Chemical Engineering, Bali, 2010.

11.C. Panatarani, I. W. Lenggoro and K. Okuyama, “Size Control of ZnO Nanoparticle by Variation of Residence Time in Lithium Nitrate Assisted Spray Pyrolysis Method”, Proceeding of Asian Physics Symposium, December 2005.

12.C. Panatarani, I. W. Lenggoro and Kikuo Okuyama,

“Morphological Control of Red Phosphor Strontium Titanate Particles by Spray Pyrolysis Method”, Proceeding of International Seminar on Chemistry, 2008. 13.C. Panatarani, I. W. Lenggoro, N. Itoh, H. Yoden, K. Okuyama, “Polymer-supported Solution Synthesis of Blue Luminescent BaMg10O17:Eu2+Particles”, Materials

Science and Engineering B 122 (2005) 188-195. 14.B. M. Wibawa, A. M. Pradhono, F. Faizal, I. Saputro, I

M. Joni dan C. Panatarani, “Simulasi Distribusi Suhu Radiatif Tiga Dimensi pada Reaktor Spray Pyrolysis”, Procceding Seminar Nasional PTKRN, Batan-Universitas Padjadjaran, Bandung, 2008.

15.B. Mukti Wibawa, C. Panatarani, F. Faizal dan D. Suhendi, “Pengaruh Peredupan pada LED Putih Konversi Phosphor terhadap Pergeseran Spektrum Cahaya”, Seminar Nasional Energi 2010, Jatinangor, Indonesia.

16.B. M. Wibawa and C. Panatarani, “Phosphor-Converted White Light Emitting Diode Junction-Temperature Measurement using PWM Forward Voltage Drop

Method”, The 1st International Seminar on Fundamental & Application of Chemical Engineering, Bali, 2010.B. M. Wibawa, V. Hutabalian, I M. Joni dan C. Panatarani, Ray Tracer sebagai Alat Uji Distribusi Cahaya pada LED”, Proceeding Seminar Nasional Sains dan Teknologi, Unila, Lampung 2008