bahan crystal cair untuk piranti display

Suatu bahan kristal cair sebelum digunakan untuk display harus mempunyai sifat phase kristal cair ini terjadi pada temperatur ruang. Selain hal tersebut, beberapa criteria dasar yang harus dipenuhi antara lain :

Ø  Phase kristal cair dapat terbentuk dalam rentang temperatur yang lebar.

Ø  Mempunyai stabilitas kimiawi dan photokimia yang baik, serta tahan lama.

Ø  Viskositasnya rendah, kecepatan respons tinggi.

Ø  Sifat anisotropis dielektriknya besar sehingga dapat beroperasi pada tegangan yang cukup rendah.

Ø  Indeks bias rangkap tinggi untuk menambah kontras

Ø  Derajat perubahan orientasi molekul tinggi untuk menambah kontras.

Dalam kenyataan sangat sulit mendapatkan kristal cair yang tersusun dari molekul tunggal yang dapat memenuhi semua kristal yang diperlukan untuk piranti display. Sehingga dicari bahan campuran kristal cair yang dapat memberikan criteria di kualitas yang diperlukan.

Beberapa bahan yang mempunyai phase kristal cair dan dapat digunakan untuk bahan dasar pembuatan piranti display antara lain bahan kristal cair yang termasuk dalam tipe nematic.

1.       Schiff Bases, seperti MBBA (p-methoxybenzylidene-p-butylaniline) dan EBBA (p- ethoxybenzylidene-p-butylaniline) yang mempunyai anisotropic dielektrik negative (De = 0,5) bias rangkap yang tinggi (Dh - 0,25), viskositas yang sedang (h-35cSt).

2.       Benzoate ester

3.       Campuran Byphenyl dan terphenyl, yang mempunyai karakteristik De - 13, Dh - 0,2, h - 35 cSt.

4.       Cyohexylcarboxylic De - 8, Dh - 0,12, h <  20 cSt

5.       Campuran Phenylcyclohexane dan biphenylcyclohexane

6.       Campuran pyrimidine dan dioxane

Sedangkan yang termasuk dalam tipe cholsteric seperti cholesterol acetate, cholesterol palmitate, cholesterol benzoate. Karakteristik dari tipe ini mempunyai sifat daya optis rendah, refleksi cahaya terpilih dan dikrois lingkaran yang sangat sensitive terhadap perubahan temperatur dan tegangan yang diberikan.

Salah satu sifat kristal cair yang dimanfaatkan sebagai komponen display adalah sifat elektro-optik yaitu perubahan parameter cair (nilai indeks biasnya) karena pemberian medan listrik dari luar. Pemberian gangguan berupa medan listrik ini (dengan penempatan elektroda yang terhubung dengan sumber tegangan) relative lebih mudah dibandingkan gangguan lain seperti medan magnet, tegangan karena temperatur display berdasarkan efek gangguan luar, (dalam buku ini tidak dibahas tentang hal itu)

v  Efek Arus Listrik

Ø  Dynamic Scattering Effect (DS)

v  Efek Medan Listrik

Ø  Twisted Nematic Effect (TN)

Ø  Guest-Host

Ø  Electrically Controller Birefringence (EBC)

Ø  Phase Change Effect

v  Efek Termal

Ø  Smectic Effect

Ø  Cnolesteric Effect.

LCD (Liquid crystal divice)

Umumnya suatu bahan mempunyai titik lebur unggal, yaitu suatu temperatur yang mengakibatkan benda dari phase padat berubah menjadi phase cair transparan. Tetapi sekumpulan bahan yang disebut Kristal cair mempunyai dua keadaan/tahap untuk merubah menjadi zat cair transparan dari keadaan padat. Pemberian sejumlah energy pada bahan padat tertentu sehingga temperatur mencapai titik tertentu (titik lebur pertama), maka bahan-bahan padat tersebut akan berubah menjadi cair dengan kondisi berkabut, dan penambahan energy yang mengakibatkan temperaturnya menjadi lebih tinggi lagi akan mengubahnya menjadi cair transparan. Kedua perubahan phase ini dalam bahan Kristal cair ditunjukkan gambar 2.8.

Pada rentang temperatur tertentu, bahan kristal cair berwujud fluida tetapi pada saat yang sama mempunyai struktur kristal dengan sifat bias rangkap optis. Phase kristal cair ini pertama kali ditemukan oleh F Reinitzer (1888) dalam asam benzoid dan cholesterol acetic acid esters.

Bahan kristal cair merupakan campuran organic yang mempunyai bentuk molekul kepingan atau batang tipis. Dalam phase krital cair orientasi molekul dapat dikelompokkan menjadi tipe smectic, nematic, dan cholesteric seperti ditunjukkan gambar . Kristal cair smetic, molekul berbentuk batang tersusun dalam lapisan sejajar terhadap yang lain dan berjajar tegak lurus terhadap lapisan. Ikatan antara lapisan molekul sangat lemah sehingga mudah terlepas antara kedua lapisan.

Dalam tipe nematic, molekul berbentuk batang tersusun sejajar dengan yang lain, tetapi tidak membentuk lapisan-lapisan. Sedangkan kristal cair cholesteric mempunyai struktur berlapis-lapis seperti tipe smectic, tetapi sumbu molekulnya membentuk satu bidang lapisan.

Struktur molekul dalam kristal cair tidak tegar (rigid) sebagaimana dalam struktur kristal. Sehingga molekulnya mudah diatur posisinya (orientasinya) sebagai akibat pemberian gangguan luar seperti medan listrik, medan magnet, regangan (strain) temperatur atau mekanik. Kelenturan orientasi molekul dalam kristal cair digunakan dasar penerapan/aplikasi kristal cair sebagai piranti display, piranti optoelektronika, sensor. Kristal cair sebagai dasar pembuatan piranti display yang kemudian dikenal sebagai LCD (Liquid Crystal Display) mempunyai keuntungan sebagai berikut :

Ø  Memerlukan daya yang rendah (beberapa puluh oW/cm²), sehingga memperpanjang umur sumbu tegangan baterai.

Ø  Tegangan penggeraknya rendah (10 V atau kurang) sehingga dapat dengan mudah terhubung secara langsung dengan penggerak IC untuk membentuk system yang kompak dan sederhana.

Ø  Piranti yang terbentuk cukup tipis (misalnya dibandingkan dengan CRT) dan dapat digunakan untuk display yang mempunyai dimensi luasan yang besar.

Ø  Merupakan piranti display pasif

Ø  Dapat dibuat display warna dengan mudah, sehingga fungsi display dapat diperluas dan bervariasi.

Sedangkan kukurangan dari LCD ini adalah :

Ø  Karena display ini merupakan tipe yang tidak mengemisi radiasi (non-emitting), maka penampilan yang cukup jelas akan terjadi bila ditempatkan pada ruang yang tidak gelap.

Ø  Kontras display tergantung pada sudut pandang pengguna terhadap LCD.

Ø  Respons sistem tergantung pada temperatur.

tabung sinar katoda crt

Tabung sinar kaloda merupakan salahs satu contoh piranti display yang termasuk tipe cathodoluminescensi, dengan eksitasi lektron dalam atom terjadi karena photon yang terjadi sama dengan proses dalam tipe photoluminescensi, walaupun dengan proses eksitasi yang berbeda. Ketika barkas electron yang mempunyai energy yang cukup (energy yang lebih besar dari 1 keV) mengenai benda padat maka sebagai besar berkas electron terserap oleh atom dan sebagian yang lain akan terhambur balik (10%). Berkas electron yang mengenai benda padat akan menyebabkan emisi radiasi dari benda padat tersebut.

Pada tabung sinar katoda (CRT), berkas electron yang digunakan untuk mengemisi radiasi benda padat (layar) dihasilkan oleh “electron gun”. Dalam electron gun, pelepasan electron dilakukan dengan emisi termionik, yaitu pemberian panas dengan cara mengaliri elemen elektron gun dengan arus listrik. Elektron gun yang ada difungsikan sebagai katoda (biasanya terbuat dari oksida barium dan strontium) dan dilengkapi dengan kisi-kisi untuk mengontrol aliran berkas elektron yang keluar. Berkas elektron dari elektron gun untuk dapat mencapai layar phosphor dibantu dengan pemberian beda potensial yang cukup tinggi (20 kV). Elektron-elektron dari katoda supaya dapat menumbuk seluruh permukaan layar, maka pada CRT dilengkapi dengan keeping depleksi arah x dan y seperti ditunjukkan pada gambar 5.4 untuk mengatur posisi dan kedudukan berkas elektron pada layar CRT. Berkas elektron menyapu seluruh permukaan layar berupa sederetan garis harisontal dengan arah gerak dari bagian kiri ke bagian kanan layar.

Pada aplikasi CRT sebagai display video (televisi) berkas elektron yang menyapu seluruh permukaan layar berupa sederetan gari horizontal sejumlah 625 garis untuk standar eropa atau 525 garis untuk standar Amerika. Garis sejumlah itu digunakan untuk menunjukkan satu gambar penuh, sehingga untuk menghindari kesan gambar yang terputus atau diam dilakukan “pembuatan” gambar dengan frekuensi lebih besar dari 45 Hz. Artinya dalam satu detik tersaji minimal 45 gambar, sehingga dalam layar dapat ditampilkan suatu citra dari suatu objek yang bergerak. Proses pembuatan satu gambar penuh dari garis horizontal oleh berkas elektron pada layar CRT, dilakukan dengan membagi satu gambar menjadi dua pola dengan masing-masing waktu pembentukan pola adalah setengah dari waktu yang dibutuhkan untuk membuat satu gambar penuh. Pola pertama dilakukan membentuk gambar dengan menyapu garis horizontal urutan gajil, yakni garis horizontal ke-1, 3, 5, 7 dan seterusnya, dan dilanjutkan pola kedua untuk melengkapi gambar dengan menyapu garis horizontal urutan genap yaitu ke-2, 4, 6, 8 dan seterusnya.

Elektron yang bergerak cepat dari “elektron gun” menuju layar menimbulkan emisi radiasi pada layar yang terjadi secara cathodoluminescensi. Layar tersebut dari lapisan tipis (~ 5mm) butiran phosphor yang dilindungi dengan lapisan tipis aluminium (~ 10,15mm) yang dilapiskan pada bagian layar yang tertembaki oleh elektron. Lapisan aluminium ini difungsikan untuk memerikan muatan-muatan lebih pada phosphor (bahan phosphor umumnya mempunyai kondutivitas yang rendah) dan untuk mereleksikan radiasi yang dihasilkan oleh partikel phosphor yang mengarah ke belakang sehingga dapat memecahkan radiasi ke depan. Ketebalan lapisan aluminium dan butiran phosphor ini sangat mempengaruhi kualitas gambar yang dihasilkan oleh display CRT, bila lapisan aluminium terlalu tebal maka sebagian energy berkas elektron akan terserap oleh lapisan aluminium sehingga mengurangi jumlah elektron yang dapat mengenai butiran phosphor dan akibatnya hanya sedikit emisi radiasi yang dipancarkan oleh layar. Sendangkan bila terlalu tipis akan berpengaruh terhadap reflekstansi lapisan aluminium sehingga radiasi yang menjalar ke bagian belakang tidak terarahkan ke bagian depan CRT dengan baik. Tetapi untuk lapisan phosphor yang terlalu tebal akan menghamburkan dan mengabsopsi radiasi yang telah terbentuk sehingga mengurangi intensitas cahaya yang diemisikan. Tebal lapisan phosphor yang terlalu tipis akan mengakibatkan ketidak sempurnaan citra yang dihasilkan oleh layar. Penampang melintang layar CRT ditunjukkan gambar 5.5. berkas elektron yang mengenai partikel phosphor mengakibatkan timbulnya emisi radiasi yang memancar kesegala arah dan radiasi yang terpancar ke bagian belakang akan dipantulkan oleh lapisan tipis aluminium sehingga dapat memancar ke depan.

Pada gambar 2.5 citra yang ditampilkan dilayar CRT masih berupa citra hitam-putih. Display berwarna pada CRT dapat dibentuk dengan menggunakan prinsip “shadrowmask” seperti ditunjukkan gambar 5.6. pembedaan kedua tipe display CRT (hitam-putih dan berwarna) terutama hanya pada layar CRT.

Contoh piranti display yang didasarkan pada pemanfaatan sinar katoda (CRT) antara lain tabung layar TV, layar osiloskop, layar computer, layar display pada instrument industry.

luminescense piranti display

Luminescensi umumnya digunakan untuk menggamarkan emisi radiasi dari benda padat ketika padanya diberikan sejumlah energi. Luminescensi merupakan gejala emisi rediasi gelombang elektro magnetic dari suatu benda sebagai akibat adanya proses non-termal. Luminescensi dibagi menjadi tiga tipe berdasarkan pada metode/cara bahan mendapatkan energi untuk mengeksitasi electron dari sutu  tingkat energi ketingkat energi yang lebih tinggi. Ketiga tipe itu adalah :

1.      Photokeminescensi

Pada luminescensi tipe ini eksitasi terjadi karena electron mendapatkan energi dengan menyerap/absorpsi energi berupa photon

2.      Cathodolminescensi

Eksitasi yang terjadi dalam benda padat karena pemberian energi dengan cara penembakan (bombardment) dengan berkas electron.

3.      Elektrokeminescensi

Eksitasi yang terjadi disebabkan oleh pemerian medan listrik dari luar.

Ketika energi dalam berbagai bentuk yang mungkin mengenai suatu bahan luminescensing yang menyebabkan transisi elektronik dari tingkat energi E, ke tingkat energi E₂ (E, < E₂) maka emisi yang terjadi memancarkan photo dengan panjang gelombang (l)

                                                                                 (2.1)

Dengan h : konstanta planck

             c  : Kecepatan rambat cahaya dalam vakum

bila luminescensi pada suatu bahan terjadi dengan rentang waktu sela (waktu antara proses eksitasi dengan waktu transisi) yang sama dengan waktu hidup (lifetime) electron pada tingkat energi yang lebih tinggi maka proses luminescensi ini disebut dengan flouresensi. Sedangkan untuk waktu terjadinya proses luminescensi dengan rentang waktu yang lebih lama dibading waktu hidup electron disebut dengan phosphoresensi. Pada fenomena phosphoresensi, lamanya proses luminescensi dapat terjadi karena pada bahan ini terdapat satu tingkat electron metastabil yang energi lebih kecil disbanding E₂, dan mempunyai waktu hidup electron ditingkat energi ini lebih lama. Bahan yang dapat menimbulkan fenomena phosphoresensi disebut dengan phosphor. Mekanisme dan lamanya proses luminescensi pada bahan phosphor dapat disebabkan karena pada bahan ini ditambahkan bahan ketidakmurnian (impuriti) yang disebut aktivator. Ion aktivator mempunyai muatan yang identik dengan Ion yang digantikannya dalam bahan phosphor. Sedangkan untuk muatan Ion pengganti yang berbeda dikenal dengan sebutan co-aktivator.

Pada luminascensi dibedakan menjadi dua tipe tingkat energi. Pertama tingkat energi yang merupakan tingkat energi dari Ion aktivatornya, dan tipe kedua berhubungan dengan tingkat energi kisi/sistem  yang telah berubah karena adanya ion aktovator. Tipe pertama disebut dengan tipe “karakteristik” sedangkan tipe kedua disebut dengan tipe “non-karaktertistik”. Pada tipe “karakteristik” transisi partikel bermuatan biasanya terjadi perubahan yang sangat cepat (yakni kurang dari 10⁸ s) ke-ion activator. Bahan luminescensi “non-karakteristik” yang melibatkan ion activator dan ion co-aktivator menyebabkan adanya tingkat energi akseptor dan donor pada bahan. Absorpsi energi mengakibatkan timbulnya pasangan electron lubang (hole), dengan probabilitas electron dengan energi yang lebih besar rendah disbanding sebelumnya. Emisi radiasi terjadi antara energi pada pita konduksi dengan energi pada akseptor, seprti ditunjukkan Gambar 2.1

Gambar dalam photoluminescensi dipindahkan ke dalam kristal melalui fenomena absorpsi photon. Pada bahan luminescensi karakteristik ion akivator yang secara langsung menyerap photn. Karena tingkat energi yang terlibat dalam proses absorpsi sama dengan proses emisi, maka panjang gelombang photon yang terabsorpsi dan yang ter-emisi identik. Tetapi kenyataan yang didapat tidak selalu demikian, karena adanya fenomena pergeseran stokes (stokes shift) maka panjang gelombang photon yang teremisi lebih besar disbanding panjang gelombang absorpsi seperti ditunjukkan gambar 2.3 untuk bahan thalium dalam potassium chloride (KCI : TI) pada temperatur ruang.

Tampak dalam  gambar 5.3 bahwa lebar spectral (rentang panjang gelombang) photon yang diemisikan lebih lebar disbanding lebar spectral photon yang ter-absorpsi sedangkan intensitas maksimum cahaya yang ter-emisi relative lebih kecil. Spectral phoron yang ter-emisi bergeser ke panjang gelombanga yang lebih besar dengan energi photon yang lebih kecil.