BAB II LANDASAN TEORI FILM POLIVINILYDENE FLUORDE UNTUK APLIKASI SENSOR PIEZOELEKTRIK 2.1 Polivinilydene Fluoride Menurut Kawai, Polyvinylidene Fluoride atau PVDF merupakan fluoropolimer termoplastik murni [2]. Ada beberapa pabrikan yang membuat Polyvinylidene Fluoride dalam bentuk pelet yaitu KYNAR, HYLAR dan SOLEF [1]. PVDF merupakan material yang biasanya digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan kemurnian, kekuatan, daya tahan terhadap pelarut, asam, dan panas. dibandingkan dengan fluoropolymer lain, PVDF lebih mudah meleleh karena memiliki titik leleh yang rendah [1]. PVDF biasanya tersedia dalam bentuk pelet, lembaran, dan dipakai isolator untuk kawat. PVDF lebih mudah dibentuk dan biasanya digunakan dalam bidang kimia, semikonduktor, medis dan bidang industri elektronika contohnya baterai ion lithium [1]. Pada tahun 1969, Kawai dan kawan-kawan mengamati efek piezoelektrik pada PVDF. didapat koefisien piezoelektrik dari film material ini sebesar 6-7pCn -1, 10 kali lebih besar daripada polimer lainnya yang telah diamati [1]. PVDF dapat disintesis dari gas monomer VDF lewat proses polimerisasi radikal bebas, setelah ini dapat dilanjutkan dengan proses pembentukan film dengan pressing atau dapat juga dengan proses pembentukan lain seperti spin coating. 6
Proses polling dapat meningkatkan sifat piezoelektrik film PVDF yaitu menghasilkan listrik bila diberi stress mekanik, didinginkan atau dipanaskan [6]. Kedua sifat tersebut sangat berguna untuk aplikasi sensor. PVDF memiliki temperatur transisi gelas sekitar -35 o C dan uniknya 50-60% berbentuk semikristal [8]. PVDF memiliki 3 bentuk fase struktur yaitu fase alpha (TGTG'), fase beta (TTTT), dan fase gamma (TTTGTTTG') [1]. Penjelasan lebih lanjut mengenai fase alpha, beta dan gamma akan dijelaskan pada sub bab berikutnya. 2.2 Struktur Molekul Padat Polyvinylidene Fluoride Bentuk molekul padat PVDF merupakan salah satu hal yang sangat mempengaruhi efek piezoelektrik dari bahan tersebut. Hal ini disebabkan efek piezoelektrik dari suatu bahan dipengaruhi oleh polarisasi spontan dari bahan tersebut, sedangkan polarisasi spontan bahan sangat dipengaruhi oleh orientasi momen-momen dipol bahan tersebut dimana pada akhirnya orientasi momenmomen dipol bahan tersebut dipengaruhi oleh bentuk molekul padat bahan tersebut. Bentuk molekul padat dari polyvinylidene fluoride dapat dikelompokan menjadi 3 (tiga) bentuk yaitu : 1. Bentuk I fase beta Bentuk beta fase ini sangat penting sebab bentuk ini memiliki sifat piezoelektrik yang paling besar dibandingkan struktur molekul padat fase lainnya. Biasanya 7
dihasilkan dengan cara deformasi mekanik film PVDF [9]. Secara umum bentuk struktur molekul padat film PVDF fase beta adalah seperti gambar 2.1. Bidang Karbon Bidang Karbon Gambar 2.1 Struktur molekul Polyvinylidene Fluoride fase beta secara umum Gambar diatas adalah permodelan struktur molekul padat Polyvinylidene Fluoride fase beta dengan Warna merah atau bulatan paling besar adalah Fluorin, Warna hitam atau bulatan sedang adalah karbon, dan hijau tua atau bulatan paling kecil adalah Hidrogen. Terlihat bahwa polarisasinya searah sehingga memiliki momen dipol yang besar. Berdasarkan permodelan struktur yang dikemukan Hasegawa dan kawankawan, strukturnya adalah ortorombik dengan parameter-parameternya adalah a = 8.58 Å, b = 4.91 Å, c = 2.56 Å. Dengan a dan b adalah dimensi pseudohexagonalnya dan c adalah perulangan dari dimensi a dan b seperti yang terlihat pada gambar 2.2. 8
Gambar 2.2 unit sel fase beta PVDF menurut hasegawa dan kawan-kawan. Dengan a = 8.58 Å, b = 4.91 Å, c = 2.56 Å Berdasarkan unit sel yang diajukan oleh hasegawa maka Galperin mengajukan model 2 dimensi yaitu rantai molekulnya memiliki bidang zig-zag (TTTT) dengan sedikit pembelokan yang disebabkan oleh interaksi atom-atom fluor yang tidak terikat dalam monomer-monomer yang terdekatnya.[10]. 2. Bentuk II fase alpha 9
Bentuk alpha fase ini bentuk yang biasa ditemui pada kebanyakan molekul PVDF [11]. Secara umum bentuk struktur molekul padat film PVDF fase alpha adalah seperti gambar 2.3. Bidang Karbon Gambar 2.3 Struktur molekul Polyvinylidene Fluoride fase alpha secara umum. Gambar diatas adalah permodelan struktur molekul padat Polyvinylidene Fluoride fase alpha dengan Warna merah atau bulatan paling besar adalah Fluorin, Warna hitam atau bulatan sedang adalah karbon, dan hijau tua atau bulatan paling kecil adalah Hidrogen. Terlihat bahwa polarisasinya tidak searah sehingga memiliki momen dipol yang kecil, karena saling menghilangkan. Berdasarkan permodelan struktur yang dikemukan Bachmann dan Lando, strukturnya adalah monoklin dengan semua sudut sebesar 90 o, a = 4.96 Ǻ b = 9.64 Ǻ dan c = 4.62 Ǻ. Dengan a dan b adalah dimensi pseudo-hexagonalnya dan c adalah perulangan dari dimensi a dan b seperti yang terlihat pada gambar 2.4. Unit sel fase alpha ini mengandung dua rantai dimana arah c antiparalel sehingga tidak terjadi pengkutuban. Oleh karena itu untuk seluruh molekul padat 10
bentuk ini adalah molekul padat nonpolar. Bentuk molekul padat fase alpha ini dapat ditransformasikan menjadi bentuk molekul yang baru dengan memberikan medan listrik yang tinggi sehingga molekul dapat berputar dan dipol listrik terbentuk [11]. Gambar 2.4 unit sel fase alpha PVDF menurut Bachmann dan Lando. 2. Bentuk III fase gamma Dengan a = 4.96 Ǻ b = 9.64 Ǻ dan c = 4.62 Ǻ Bentuk molekul padat fase gamma adalah campuran dari bentuk fase beta dan fase alpha. Struktur molekul padat fase gamma ini terdiri dari rantai yang 11
menyerupai sambungan fase alpha, dengan sambungan selanjutnya yang menyerupai fase beta. Secara umum bentuk struktur molekul padat film PVDF fase gamma adalah seperti gambar 2.5. Bidang Karbon Gambar 2.5 Struktur molekul PVDF fase Gamma secara umum. Gambar diatas adalah permodelan struktur molekul padat Polyvinylidene Fluoride fase gamma dengan Warna merah atau bulatan paling besar adalah Fluorin, Warna hitam atau bulatan sedang adalah karbon, dan hijau tua atau bulatan paling kecil adalah Hidrogen, Warna hitam adalah karbon, dan kuning adalah Hidrogen. Terlihat bahwa struktur molekul padatnya adalah gabungan fase beta dan fase alpha. Bentuk struktur molekul padat fase gamma ini masih belum dapat dipastikan dengan tepat. Takahashi dan tadokaro mengusulkan bahwa bentuk strukturnya adalah monoklin dengan β = 92,9 o, a = 4.96 Ǻ, b = 9.59 Ǻ, c =9.23 Ǻ. Bentuk yang diusulkan oleh Takahashi dan tadokaro seperti yang terlihat pada gambar 2.6. Sedangkan Weinhold mengusulkan bahwa bentuk strukturnya adalah 12
ortorombik. Bentuk yang diusulkan oleh Weinhold seperti yang terlihat pada gambar 2.7. Kedua model yang diusulkan menyatakan bahwa rantai molekulnya mempunyai arah yang sama dan momen dipol-momen dipolnya saling paralel, sehingga bentuk molekul padat III adalah bentuk polar [12]. Gambar 2.6 Bentuk yang diusulkan oleh Takahashi dan tadokaro dengan β = 92,9 o, a = 4.96 Ǻ, b = 9.59 Ǻ, c =9.23 Ǻ 13
Gambar 2.7 Bentuk yang diusulkan oleh Weinhold dengan β = 90 o, a = 4.97 Ǻ, b = 9.66 Ǻ, c =9.18 Ǻ Hal-hal yang berhubungan dengan data-data molekul padat PVDF dapat dilihat dari tabel di bawah ini : Bentuk kristal Rapat jenis (gr/cc) I (beta) 1.80 II (alpha) 1.76 III (gamma) 1.8 Tabel 2.1 Data kristalografi polimer PVDF 14
Rapat jenis diukur pada temperatur 30 o C. Bentuk-bentuk kristal dari polyvinylidene fluoride mempunyai hubungan satu sama lain. Transformasi antara bentuk-bentuk kristal tersebut dapat dilihat pada gambar 2.8. Bentuk I penarikan Bentuk II (Padat) penarikan Bentuk III Polling Polling Bentuk II (Viskos) Annealing suhu tinggi Gambar 2.8 Blok Susunan transformasi perubahan fase molekul padat polyvinylidene fluoride Hasil yang diinginkan pada penelitian ini adalah untuk mencapai bentuk fase beta. bentuk II dapat menjadi bentuk I (padat) dengan proses stretching atau penarikan dan bentuk II (viskos) dapat menjadi bentuk I dengan metode Polling. Bentuk III dapat menjadi bentuk I dengan proses stretching atau penarikan. Bentuk III dapat menjadi bentuk II (viskos) dengan metode Polling [13]. 15
2.3 Film polyvinilydene fluoride Pada saat ini, teknologi film telah digunakan di berbagai bidang. Khususnya dalam bidang sensor, film dibuat dari bahan polimer. Film dapat berfungsi sebagai permukaan aktif (active surface) maupun bulk wave sebagai sensor piezoelektrik. Bila diberi tekanan maka akan timbul beda tegangan seperti yang terlihat pada ilustrasi gambar 2.9. Gambar. 2.9 ilustrasi efek piezoelektrik, film piezo ditekan sehingga menimbulkan beda tegangan Film dapat dibuat dengan beberapa metode, diantaranya adalah dengan metode calendring. Metode ini cocok untuk film yang terbuat dari bahan polimer khususnya polyvinilydene fluoride. Oleh karena itu, metode calendring digunakan pada eksperimen ini. Berdasarkan metode ini, bahan dalam bentuk pelet dipipihkan dengan menggunakan alat yang telah dibuat yaitu pipa silinder yang diberi pemanas, yang disesuaikan dengan suhu melting point polyvinilydene fluoride. 16
PVDF digiling dengan kecepatan dan waktu tertentu. Ketebalan film yang terbentuk tergantung pada proses pengepresan polimer yang bergantung pada jarak antar silinder dan kecepatan putaran alat tersebut. Setelah film PVDF terbentuk maka ada kemungkinan polarisasi film PVDF tersebut masih acak seperti ilustrasi gambar. 2.11 maka perlu dilakukan polling agar polarisasi film PVDF menjadi teratur [8]. a. Sebelum dipooling b. Sesudah dipooling E Gambar. 2.10 skema polarisasi piezoelektrik PVDF Gambar 2.11 diatas menunjukkan skema polarisasi PVDF sebelum dan setelah dipolling. Lingkaran besar dan merah menunjukan kutub negatif, sedangkan lingkaran kecil warna kuning menunjukkan kutub negatif. Setelah dipolling struktur molekul yang polarisasinya tidak searah, menjadi searah bila diberi medan listrik yang tinggi. 2.4 Teknik Calendring Teknik calendring adalah teknik pembuatan film dengan memanfaatkan titik leleh polimer sehingga polimer dapat dipipihkan dengan mudah sehingga pemipihan dapat dilakukan semaksimal mungkin. Teknik ini cocok untuk polimer yang memiliki titik leleh yang rendah. Teknik ini merupakan teknik yang mudah 17
sebab tidak perlu melalui proses yang rumit. Gambar 2.12 adalah skema alat dan sistem kontrol teknik calendring yang digunakan untuk membuat film PVDF. Thermostat Filament pemanas Thermokopel Alat Roll Press Gambar. 2.11 skema alat dan sistem kontrol salat Roll press dipanaskan dengan menggunakan filamen pemanas yang dikontrol dengan menggunakan thermostat. Bila suhu roll press sesuai dengan yang diset pada thermostat maka filamen pemanas akan mati, tetapi filamen pemanas akan terus memanaskan roll press sampai suhu roll press sesuai yang diatur pada thermostat. Sensor yang digunakan untuk menyensing suhu roll press adalah sensor temperatur yaitu thermokopel. 2.5 Piezoelektrik 2.5.1 Definisi Piezoelektrisitas adalah kemampuan suatu material dalam memberi respon tegangan akibat adanya stress mekanik atau deformasi. Pierre Curie dan 18
saudaranya Jacques menemukan fenomena pezoelektrik pada tahun 1880. Piezoelektrisitas asal katanya diambil dari bahasa latin piezein, yang artinya menekan atau tekan [15]. Suatu material yang memiliki sifat piezoelektrik bila ditekan atau diberi stress mekanik akan memberi respon tegangan. Semakin besar tekanan yang diberikan pada material tersebut, maka semakin besar pula tegangan listrik yang dihasilkan. Hal ini seperti yang terlihat pada gambar 2.13 + + - - + + + _ + + + + + _ Gambar.2.12 Efek piezoelektrik pada material yang memiliki sifat piezoelektrik Efek piezoelektrik adalah fenomena pada material yang bila diberi stress mekanik maka efeknya dapat mengubah polarisasi dipol dalam material tersebut atau sebaliknya. Penemuan efek piezoelektrik ini banyak diterapkan pada aplikasi seperti produksi dan deteksi suara, sumber tegangan, sumber frekuensi elektronik, microbalance, dan lain-lain [15]. 2.5.2 Deskripsi matematik Piezoelectricity adalah efek kombinasi dari kelakuan listrik material Persamaan (1) 19
dimana D adalah perpindahan listrik, є adalah permitivitas dan E adalah besarnya medan listrik dan hukum hooke's adalah: Dimana S adalah strain, s adalah compliance dan T adalah stress. Persamaan (2) Persamaan 1 dan 2 dapat dikombinasikan. Kombinasi tersebut dikenal dengan persamaan kopling. Yang mana formulanya strain-charge adalah: dimana d merepresentasikan konstanta piezoelektrik, superscript E menunjukan nol atau konstant (medan listrik), superscript T menunjukkan nilai nol atau konstant (medan stress). dan subscript t menunjukkan transpos matrix. Matrik Strain-charge dapat ditulis: 20
Efek piezoelektrik dapat disederhanakan berdasarkan persamaan berikut, dta = d33*vt, Persamaan (3) Dimana Vt adalah tegangan yang diberikan. dta adalah resultan perubahan ketebalan d33 adalah koefisien piezoelektrik dari bahan material yang digunakan. Persamaan 3 diatas menggambarkan perubahan ketebalan yang akan terjadi pada suatu material bila diberikan tegangan. Perubahan tersebut bergantung pada tegangan yang diberikan dan jenis material piezoelektrik tersebut. Vtau = g33*p, Persamaan (4) Dimana Vtau adalah tegangan atau voltase listrik yang dihasilkan. g33 adalah konstanta tekanan atau pressure. P adalah amplitudo tekanan atau pressure. Persamaan 4 diatas menggambarkan tegangan yang dihasilkan bila suatu material yang memiliki sifat piezoelektrik diberi tekanan atau getaran yang 21
memiliki amplitudo tertentu. Tegangan yang dihasilkan tergantung dari jenis material dan besarnya tekanan atau amplitudo tekanan yang diberikan. Vtau=h33*dtb, Persamaan (5) Dimana Vtau adalah tegangan atau voltase listrik yang dihasilkan. h33 adalah konstanta deformasi. dtb adalah perubahan ketebalan yang diberikan pada bahan piezoelektrik. Persamaan 5 menggambarkan hal yang akan terjadi pada material piezoelektrik apabila dirubah ketebalannya. Yaitu akan dihasilkannya tegangan atau voltase listrik. Proses yang terjadi adalah proses tidak reversibel, yaitu bila kita memberikan tegangan listrik pada suatu material yang memiliki sifat piezoelektrik maka akan menghasilkan perubahan ketebalan, akan tetapi dengan merubah ketebalan suatu material yang memiliki sifat piezoelektrik yang sama besar dengan perubahan yang terjadi bila diberi tegangan listrik tertentu, tidak akan menghasilkan tegangan listrik yang sama dengan tegangan listrik yang menghasilkan ketebalan tersebut. Dengan kata lain pada suatu material piezoelektrik yang sama kita berikan beda tegangan yang merubah ketebalan material tersebut, lalu kita rubah ketebalan dengan cara ditekan, tidak akan menghasilkan tegangan listrik yang sama [16]. 22
2.6 Sensor Piezoelektrik Sensor merupakan alat yang menerima suatu rangsangan dan menanggapinya dengan sinyal elektronik. Instrumen ini mengubah besaran fisik menjadi besaran listrik [8]. Secara umum skema sensor ditunjukkan pada gambar 2.14 yaitu input/lingkungan disensor oleh sensor, sensor akan menyensing keadaan lingkungan, lalu hasil sensingan tersebut diteruskan ke tranduser, tranduser akan mengubah besaran fisik yang disensing menjadi besaran listrik. Besaran listrik tersebut lalu diproses pada bagian processing. Lalu setelah diproses didapatlah data yang bisa menunjukkan suatu keadaan/nilai lingkungan yang disensor. Dalam sistem kontrol maka ditambah kontrol, yaitu bila keadaan tidak sesuai yang diharapkan maka lingkungan yang disensor akan dibuat/direkayasa sehingga lingkungan tersebut menjadi sesuai yang diinginkan. Salah satu aplikasi dari sensor piezoelektrik adalah sebagai transduser biosensor. Sensor piezoelektrik yang berbentuk film dapat diintegrasikan dengan enzim atau antibodi. Salah satu material yang memiliki sifat piezoelektrik yang berbentuk film adalah film PVDF [8]. 23
Effector Sensor/Active Surface Transducer Amplification/Storage/Processing Output Control Gambar 2.14 Skema umum sensor Film PVDF yang memiliki sifat piezoelektrik bila diintegrasikan dengan enzim atau antibody akan menunjukkan perubahan frekuensi bila terjadi reaksi antara enzim atau antibodi yang terintegrasi pada film PVDF dengan lingkungan yang disensing. Bila terjadi perubahan frekuensi maka hal tersebut artinya lingkungan tersebut positif. Tapi bila tidak menunjukkan respon itu artinya lingkungan negatif. 24
Maksud positif dan negatif disini adalah adanya reaksi antara sensor yang telah diolesi oleh enzim atau antibody dengan lingkungan. Karena enzim atau antibody hanya bereaksi pada suatu zat tertentu. Hal yang akan terjadi pada sensor adalah konversi reaksi fisis tersebut menjadi besaran listrik sebab enzim atau antibody tersebut mengikat suatu zat sehingga material piezoelektrik mengkonversi perubahan tersebut yang terepresentasi pada perubahan frekuensi. 25