DINAMIKA IPTEK - INTERAKSI CAHAYA

DENGAN MATERI

FITRI RAHMAH

i

DINAMIKA IPTEK – INTERAKSI

CAHAYA DENGAN MATERI

FITRI RAHMAH

LP UNAS

ii

Dinamika IPTEK – Interaksi Cahaya dengan Materi Oleh : Fitri Rahmah Hak Cipta© 2021 pada Penulis Editor Naskah : Gilang Almaghribi Penyunting : Kiki Rezki Lestari dan Fitria Hidayanti Desain Cover : Erna Kusuma Wati ISBN: 978-623-7273-06-6 Hak Cipta dilindungi Undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apapun, baik secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotocopy, merekam atau dengan sistem penyimpanan lainnya, tanpa izin dari Penulis. Penerbit : LP_UNAS Jl.Sawo Manila, Pejaten Pasar Minggu, Jakarta Selatan Telp. 021-78067000 (Hunting) ext.172 Faks. 021-7802718 Email : bee_bers@yahoo.com

iii

KATA PENGANTAR

Dalam pembuatan buku Dinamika IPTEK – Interaksi Cahaya dengan Materi ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada beberapa pihak yang telah banyak membantu. Penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Dr. El Amry Bermawi Putra, MA selaku

Rektor Universitas Nasional 2. Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada

Masyarakat Universitas Nasional 3. LP Unas 4. Jajaran dosen dan karyawan di lingkungan

Universitas Nasional Demikianlah semoga buku ajar Dinamika IPTEK –

Interaksi Cahaya dengan Materi ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa termasuk mahasiswa Program Studi Teknik Fisika Universitas Nasional. Tentunya dalam pembuatan buku ajar ini, tidak luput dari kesalahan. Untuk itu, kami mohon masukan dari para pembaca untuk perbaikan buku ajar ini.

Jakarta, Juni 2021

Penulis Fitri Rahmah

iv

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ........................................................... iii

DAFTAR ISI ............................................................................ iv

BAB 1 – IPTEK DAN ANALOGI FENOMENA FISIKA ....................................................................................... 1

1.1. IPTEK ....................................................................... 1

1.2. Fenomena Fisika....................................................... 3

BAB 2 – INTERAKSI CAHAYA DENGAN MATERI 32

2.1. Backscattered Electron ................................................ 32

2.2. Semikonduktor Penyusun Laser........................... 34

2.3. Quantum Hall Effect ................................................. 40

BAB 3 – SIFAT OPTIK BAHAN ...................................... 44

3.1. Cahaya dan Gelombang Elektromagnetik .......... 44

3.2. Sifat Bahan Optik pada non - Padatan ................ 66

3.3. Sifat Bahan Optik pada Padatan .......................... 76

3.4. Aplikasi dari Bahan Optik ..................................... 86

3.5. Lensa Menurut Material ........................................ 90

BAB 4 – CONTOH DINAMIKA IPTEK ...................... 105

4.1. Teknologi LASIK ................................................. 105

4.1.1 Teori atau Konsep ........................................... 107

4.1.2 Teknologi........................................................... 116

v

4.1.3 Aplikasi .............................................................. 117

4.1.4 Dampak ............................................................. 128

4.2. Teknologi Li-Fi ..................................................... 130

4.2.1 Teori atau Konsep ........................................... 132

4.2.2 Teknologi........................................................... 136

4.2.3 Aplikasi .............................................................. 144

4.2.4 Dampak ............................................................. 146

4.3. Divais Elektronik : Fotodioda ............................ 150

4.4. Sensor Sidik Jari .................................................... 156

4.5. Electrostatic Comb Drive .......................................... 166

4.6. Sensor Temperatur Berbasis CMOS ................. 168

4.7. Sel Surya ................................................................. 197

DAFTAR PUSTAKA .......................................................... 204

TENTANG PENULIS ....................................................... 207

1

BAB 1 – IPTEK DAN ANALOGI

FENOMENA FISIKA

1.1. IPTEK

Ilmu pengetahuan dan teknologi (IPTEK) merupakan

kesinambungan dari konsep, teori, ilmu, teknologi, aplikasi

dan dampak dalam peradaban manusia. IPTEK akan terus

berkembang untuk meningkatkan daya saing dan

kemandirian bangsa. Perkembangan IPTEK dapat mulai

ditinjau baik dari konsep, teori atau ilmu atau bahkan

dampaknya pada manusia dan lingkungan. Terdapat

beberapa permasalahan yang ditemui dalam pengembangan

IPTEK antara lain masih kurang kuatnya kebijakan IPTEK

dengan bidang-bidang yang akan dikembangkan. Kemudian

budaya dan ilkim dalam literasi dan melakukan inovasi.

Selanjutnya sumber daya untuk melakukan eksekusi IPTEK

tersebut masih kurang.

Mengutip dari dokumen badan perencanaan pembangunan

nasional (Bappenas) terkait iptek, terdapat penjabaran

2

mengenai identifikasi permasalahan-permasalahan yang

dihadapi pada pengembangan iptek, Langkah-langkah

kebijakan dan hasil yang dicapai, serta tindak lanjut yang

diperlukan. Selain itu jika mengacu pada riset

pengembangan IPTEK oleh Kementrian riset teknologi dan

pendidikan tinggi (Kemenristekdikti) tahun 2015

menyatakan bahwa tujuan utama program riset

pengembangan IPTEK adalah meningkatkan kesiapan

teknologi hasil riset terapan sesuai kebijakan nasional.

Sedangkan tujuan khusus dari program riset pengembangan

IPTEK adalah untuk:

a. Meningkatkan kesiapan hasil riset terapan dari

model/prototipe yang diuji di lingkungan laboratorium

ke lingkungan operasi yang relevan;

b. Meningkatkan apresiasi dan peran serta masyarakat

dalam pembudayaan IPTEK, antara lain melalui

pengembangan techno-education, techno-exhibition,

techno-entertainment, dan techno-preneurship serta

pengembangan inovasi dan kreativitas IPTEK; dan

c. Mengembangkan dan memanfaatkan IPTEK berbasis

kearifan dan sumber daya local

3

Peran perguruan tinggi dalam riset diharapkan mengarah

kepada kebijakan dan produk IPTEK untuk mempercepat

pembangunan ekonomi di Indonesia.

1.2. Fenomena Fisika

Proses fisis maupun teknologi yang ada di sekitar kita dapat

digambarkan dalam bentuk model matematika tertentu.

Fenomena fisika di sekitar kita memiliki kesamaan antar

yang satu dengan lainnya. Beberapa fenomena memiliki

analogi sama, sehingga melalui cara ini akan membuat kita

mampu memandang suatu sistem dari sisi yang lain melalui

konsep analogi. Berikut ini terdapat contoh fenomena fisika

dalam bentuk analogi-analogi yang memungkinkan.

Fenomena 1 - Sistem Suspensi pada Kendaraan Bermotor.

Sebuah benda bermassa M yang digantung dengan pegas

dan damper, kemudian dikenai gaya input P(t) maka benda

akan menghasilkan simpangan sebesar x fungsi waktu. Hal

tersebut menjadi dasar prinsip umum dalam sistem suspensi

kendaraan bermotor.

4

Pada sistem suspensi, roda dalam satu poros dihubungkan

dengan poros kaku (rigid), poros kaku tersebut dihubungkan

ke bodi dengan menggunakan pegas, dan damper. Sistem

suspensi ini terletak diantara bodi kendaraan dan roda-roda,

dan dirancang untuk menyerap kejutan dari permukaan jalan

sehingga menambah kenyamanan. Awalnya semua

kendaraan menggunakan sistem ini bahkan sampai sekarang

sebagian besar kendaraan berat seperti truck, masih

menggunakan sistem ini, sedangkan kendaraan niaga

umumnya menggunakan sistem ini pada roda belakang.

Gambar 1. Sistem Suspensi pada Kendaraan Bermotor

Konsep Fisika dan Matematika pada sistem suspensi

kendaraan merupakan jenis sistem mekanik, dimana model

5

sistemnya dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.

Proses fisis pada model sistem tersebut dapat

disederhanakan ke dalam suatu bentuk model matematis

sistem mekanik. Berikut pemodelan sistem mekanik dengan

hukum Newton.

Gambar 2. Model Sistem Suspensi pada Kendaraan

ΣF m a⋅

ΣF m 2tx t( )d

d

2⋅

P(t)

6

Sehingga bisa didapatkan model matematis sistem pada

Gambar 2 adalah

𝑚𝑚.𝑑𝑑2

𝑑𝑑𝑑𝑑2𝑥𝑥(𝑑𝑑) + 𝑘𝑘. 𝑥𝑥(𝑑𝑑) + 𝑏𝑏.

𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑥𝑥(𝑑𝑑) = 𝑃𝑃(𝑑𝑑)

Persamaan yang diperoleh dari sistem suspensi kendaraan

yang berasal dari penurunan persamaan gerak Newton.

Persamaan gerak pada benda 1

Persamaan gerak pada benda 2

Fenomena 2 - Sistem Mekanik pada Rotor

Pada sebuah generator terdapat alat mekanik yang disebut

rotor. Rotor adalah sebuah alat mekanik yang berputar

(memiliki gerakan rotasi). Rotor ini terdapat dalam

P t( ) k x t( )⋅− btx t( )d

d

⋅− m 2tx t( )d

d

2⋅

m1 2tx1 t( )d

d

2⋅ k1 x1 t( )⋅+ k2 x1 t( ) x2 t( )−( )+ c1

tx1 t( )d

d

⋅+ c2tx1 t( )d

d tx2 t( )d

d−

⋅+

m2 2tx2 t( )d

d

2⋅ c2

tx2 t( )( )d

d tx1 t( )( )d

d−

⋅+ k2 x2 t( ) x1 t( )−( )+ 0

7

kendaraan bermotor elektrik, generator, alternator atau

pompa.

Gambar 3. Rotor pada Alternator

Konsep Fisika dan Matematika pada sistem ini merupakan

jenis sistem mekanik, dengan model sistemnya dapat

digambarkan seperti Gambar 4.

Gambar 4. Model Sistem Rotor pada Alternator

Proses fisis di atas dapat disederhanakan ke dalam suatu

bentuk model matematis sistem mekanik. Berikut

8

pemodelan sistem mekanik dengan hukum Newton

mengenai gerak rotasi:

Sehingga bisa didapatkan model matematis sistem pada

Gambar 4 adalah

𝑗𝑗 ∙𝑑𝑑2

𝑑𝑑𝑑𝑑2𝜔𝜔(𝑑𝑑) + 𝑏𝑏 ∙

𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝜔𝜔(𝑑𝑑) = 𝜏𝜏

Fenomena 3 - Sistem Rangkaian Oscillator

Rangkaian RLC secara seri sering digunakan pada rangkaian

oscillator. Biasanya digunakan pada penggunaan tuning

radio dan juga televisi untuk mencari frekuensi dari

gelombang radio. Skema rangkaian RLC seri juga sering

disebut circuit conrolled. Rangkaian ini juga bisa digunakan

untuk band pass filter dan juga band stop filter. Contoh oscillator

pada radio ditunjukkan oleh Gambar 5.

τ∑ 0

τ J 2tω t( )d

d

2⋅− b

tω t( )d

d

⋅− 0

9

Gambar 5. Oscillator pada Radio

Konsep Fisika dan Matematika pada fenomena 3

merupakan jenis sistem elektrik, dimana model sistemnya

dapat digambarkan seperti Gambar 6.

Gambar 6. Model Sistem Oscillator pada Radio

10

Rangkaian Seri RLC merupakan sebuah rangkaian yang

terdiri dari resistor (R), inductor (L) dan juga kapasitor (K)

yang disusun secara seri atau juga paralel di dalam satu

rangkaian. Rangkaian RLC seri ini disimbolkan untuk

rangkaian aliran listrik ketahanan, induktansi , dan juga

kapasitansi.

Rangkaian RLC yang disusun seri ini dihantarkan oleh arus

listrik AC (arus bolak balik) yaitu arus yang arahnya dalam

rangkaian berubah-ubah (sinusoidal) dalam selang waktu

yang teratur, dimana setiap kompnen akan menerima

besaran tegangan yang sama. Jika komponen induktor L,

kapasitor C dan resistor R diberi tegangan sebesar e(t) maka

akan muncul arus yang mengalir pada komponen tersebut

sebesar i(t). Gambar 6 dapat dimodelkan dengan

menggunakan hukumKirchoff-tegangan.

Σe 0

e− t( ) Lti t( )d

d

⋅+ i t( ) R⋅+

ti t( )⌠⌡

d

C+ 0

11

Dimana,

Sehingga bisa didapatkan model matematis sistem pada

Gambar 6 adalah

𝐿𝐿.𝑑𝑑2

𝑑𝑑𝑑𝑑2𝑞𝑞(𝑑𝑑) + 𝑅𝑅.

𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑞𝑞(𝑑𝑑) +

1𝐶𝐶

. 𝑞𝑞(𝑑𝑑) = 𝑒𝑒(𝑑𝑑)

Fenomena 4 - Sistem pada Servomotor DC

Pada motorservo terdapat 3 kumparan yaitu armarure,

magnet permanen, dan komutator. Pada servomotor dc,

rotor inersia dibuat sangat kecil, yang menghasilkan motor

dengan rasio torsi-terhadap-inersia sangat tinggi

Lti t( )d

d

⋅ i t( ) R⋅+

ti t( )⌠⌡

d

C+ e t( )

itq t( )d

d

12

Gambar 7. Servomotor DC

Konsep Fisika dan Matematika pada sistem servomotor DC

ini merupakan jenis sistem elektromekanik, dimana model

sistemnya dapat digambarkan seperi pada Gambar 8.

Gambar 8. Model Sistem Elektromekanik pada

Servomotor DC

Keterangan:

Ra =Resistansi rangkaian armatur

Ia= Arus rangkaian armatur

If = Arus

ea = Tegangan armatur

eb = Tegangan balik emf

θ1= perubahan sudut motor shaft

θs = perubahan sudut koad element

13

T = torsi

J1 = momen inersia rotor

J2 = momen inersia load

n1 = konstanta gear 1

n2 = konstanta gear 2

Persamaan torsi T motor sebagai berikut :

Dimana K adalah konstanta torsi motor dan tegangan eb

sebanding dengan kecepatan sudut

Dimana Kb adalah konstanta tegangan balik emf.

Kecepatan dari armature motorservo DC yang dikontrol

tegangan armature ea dapatn dituliskan dalam bentuk

persamaan differensial sebagai berikut.

14

Untuk arus armatur yang dihasilkan digunakan untuk

menggerakkan motor dapt ditulisakn dalam persamaan

berikut.

Dari beberapa persamaan diatas dilakukan substitusi

sehingga menghasilkan persamaan sebagai berikut.

Sehingga bisa didapatkan model matematis sistem pada

Gambar 8 adalah:

2tθ t( )d

d

2

t

Ra b⋅ K Kb⋅+

Ra J⋅d

d+ Ea t( )

KRa J⋅⋅

15

Fenomena 5 - Sistem Pengisian Air pada Bak Mandi

Ketika keran air dibuka pada suatu bak mandi, air dari keran

akan jatuh ke bawah mengisi bak dengan laju aliran masuk

Q+qi sehingga akan muncul kenaikan sebesar h pada bak

mandi. Lalu, ketika katup valve pada bagian bawah bak

dibuka maka air akan mengalir keluar dengan laju aliran

Q+qo.

Gambar 9. Pengisian Air pada Bak Mandi

Konsep Fisika dan Matematika pada sistem pengisian ini

merupakan jenis sistem level, dimana model sistemnya dapat

digambarkan seperi pada Gambar 10. Berikut ini adalah

pemodelan matematis dari sistem level pada Gambar 10.

16

Sehingga bisa didapatkan model matematis sistem pada

Gambar 10 adalah

𝐶𝐶.𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑ℎ(𝑑𝑑) +

ℎ(𝑑𝑑)𝑅𝑅

= 𝑞𝑞𝑞𝑞(𝑑𝑑)

Gambar 10. Model Sistem Pengisian Air pada Bak Mandi

Fenomena 6 - Sistem Rem pada Kendaraan Bermotor

Pada sebuah kendaraan bermotor, terdapat rem yang

berfungsi untuk memperlambat dan menghentikan laju

Cth t( )d

d

⋅ qi t( ) qo t( )−

Cth t( )d

d

⋅ qi t( )h t( )R

−

17

kendaraan. Kendaraan dengan beban yang sangat berat

seperti truk misalnya, memiliki rem dengan sistem

pneumatik. Rem ini menggunakan sistem kompresi udara.

Hal ini dikarenakan udara memberikan respon yang lebih

cepat jika dibandingkan fluida lain dalam hal kompresi.

Sehingga cocok digunakan untuk kendaraan dengan massa

yang besar.

Gambar 11. Sistem Rem Kendaraan Bermotor

18

Konsep Fisika dan Matematika sistem pada Gambar 11 ini

merupakan jenis sistem pneumatik, dimana model sistemnya

dapat digambarkan seperti pada Gambar 12.

Gambar 12. Model Sistem Rem Kendaraan Bermotor

Diasumsikan bahwa t < 0, maka sistem dalam keadaan steady

state dan tekanan didalam sistem adalah 𝑃𝑃. Pada t=0, input

tekanan berubah dari 𝑃𝑃 ke 𝑃𝑃 + 𝑃𝑃𝑞𝑞. Kemudian

menyebabkan tekanan di dalam tanki akan berubah dari 𝑃𝑃

menjadi 𝑃𝑃 + 𝑃𝑃𝑃𝑃. Berikut ini adalah pemodelan matematis

dari sistem tersebut.

𝑅𝑅 = 𝑑𝑑(∆𝑝𝑝)𝑑𝑑𝑑𝑑

= 𝑝𝑝𝑖𝑖(𝑡𝑡)−𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑡𝑡)𝑑𝑑(𝑡𝑡)

𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡

= 𝑞𝑞(𝑑𝑑)

𝑅𝑅𝑞𝑞(𝑑𝑑) = 𝑝𝑝𝑖𝑖(𝑑𝑑) − 𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑑𝑑)

𝑅𝑅𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡

= 𝑝𝑝𝑖𝑖(𝑑𝑑) − 𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑑𝑑)

19

Sehingga bisa didapatkan model matematis sistem pada

Gambar 12 adalah

𝑅𝑅𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑑𝑑)𝑑𝑑𝑑𝑑

+ 𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑑𝑑) = 𝑝𝑝𝑖𝑖(𝑑𝑑)

Fenomena 7 - Sistem Pengukuran Suhu dengan

Termometer

Ketika suatu thermometer pada suhu ruang ϴoC padasaat

t=0, kemudian dimasukkan kedalam mangkuk air

temperature berubah menjadi ϴ+ϴb oC, dimana ϴboC

adalah suhu dari air di dalam mangkuk.

Gambar 13. Sistem Termal

Konsep Fisika dan Matematika pada proses yang terjadi

pada termometer dan mangkuk tersebut dapat digambarkan

20

dan dimodelkan kedalam bentuk model matematis sebagai

berikut.

Sehingga bisa didapatkan model matematis sistem pada

Gambar 13 adalah

𝑅𝑅𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝜃𝜃(𝑑𝑑) + 𝜃𝜃(𝑑𝑑) = 𝜃𝜃𝑏𝑏(𝑑𝑑)

Analogi Fenomena Fisika

Ketujuh fenomena yang telah diulas tersebut memiliki

kesamaan dalam model matematisnya. Sebagai contohnya

adalah model matematis dari sistem mekanik suspensi

kendaraan dan sistem elektrik oscillator yang dapat dilihat

pada Tabel 1.

Model matematis pada Tabel 1 memiliki bentuk persamaan

diferensial yang sama, yaitu persamaan diferensial orde 2,

sehingga kedua sistem tersebut dapat dikatakan sistem

analog. Selanjutnya adalah meninjau model matematis

Ctθ t( )d

d

⋅ q t( )

Ctθ t( )d

d

⋅θb t( ) θ t( )−( )

R

21

sistem yang lainnya, yaitu mekanik, elektrik, level,

pneumatik, dan termal yang ada pada Tabel 2.

Kelima bentuk model matematis di atas baik sistem

mekanik, elektrik, level dan termal, memiliki bentuk

persamaan diferensial yang sama yaitu persamaan diferensial

orde 1. Oleh karena itu kelima sistem di atas dapat dikatakan

sistem yang analog.

22

Tabel 1 Analogi Gaya-Tegangan Pemodelan Sistem

Sistem Mekanik Sistem Listrik

Model

Matemat

is

𝑚𝑚.𝑑𝑑2

𝑑𝑑𝑑𝑑2𝑥𝑥(𝑑𝑑) + 𝑘𝑘. 𝑥𝑥(𝑑𝑑) + 𝑏𝑏.

𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑥𝑥(𝑑𝑑)

= 𝑃𝑃(𝑑𝑑)

𝐿𝐿.𝑑𝑑2

𝑑𝑑𝑑𝑑2𝑞𝑞(𝑑𝑑) + 𝑅𝑅.

𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑞𝑞(𝑑𝑑) +

1𝐶𝐶

. 𝑞𝑞(𝑑𝑑)

= 𝑒𝑒(𝑑𝑑)

Analog

Gaya (р), torsi (T) Tegangan (e)

Massa (m), momen inersia (J) Induktansi (L)

Koefisien gesekan (b) Tahanan (R)

Tetapan pegas (k) Kapasitansi bolak-balik, (1/C)

Perpindahan (x) Muatan (q)

Kecepatan x (kecepatan sudut θ) Arus(i)

23

Tabel 2 Analogi Pemodelan Sistem Orde 1

Sistem

Mekanik Listrik (Tegangan) Level Pneumatik Termal

Mod

el M

atem

atis 𝑚𝑚.

𝑑𝑑2

𝑑𝑑𝑑𝑑2 𝑥𝑥(𝑑𝑑)

+ 𝑘𝑘. 𝑥𝑥(𝑑𝑑)

+ 𝑏𝑏.𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑥𝑥(𝑑𝑑)

= 𝑃𝑃(𝑑𝑑)

𝐿𝐿.𝑑𝑑2

𝑑𝑑𝑑𝑑2 𝑞𝑞(𝑑𝑑)

+ 𝑅𝑅.𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑞𝑞

(𝑑𝑑)

+1𝐶𝐶 . 𝑞𝑞(𝑑𝑑) = 𝑒𝑒(𝑑𝑑)

𝐶𝐶.𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 ℎ

(𝑑𝑑)

+ℎ(𝑑𝑑)𝑅𝑅

= 𝑞𝑞𝑞𝑞(𝑑𝑑)

𝑅𝑅𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡

+

𝑝𝑝𝑜𝑜(𝑑𝑑) =

𝑝𝑝𝑖𝑖(𝑑𝑑)

𝑅𝑅𝐶𝐶 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝜃𝜃(𝑑𝑑)

+ 𝜃𝜃(𝑑𝑑) = 𝜃𝜃𝑏𝑏(𝑑𝑑)

Ana

log

Gaya (р), torsi (T) Tegangan (e) Laju aliran (q) Laju aliran

(q)

Heat flow rate

(q)

Massa (m),

momen inersia (J) Induktansi (L) Kapasitansi (C)

Kapasitansi

(C) Kapasitansi (C)

24

Koefisien gesekan

(b) Tahanan (R)

Resistansi

(1/R)

Resistansi

(1/R)

Resistansi

(1/R)

Tetapan pegas (k) Kapasitansi

bolak-balik, (1/C) Ketinggian (h) Tekanan (p) Suhu (ϴ)

Perpindahan (x) Muatan (q)

Laju

perubahan

ketinggian

Laju

perubahan

tekanan

Laju perubahan

suhu

25

Contoh lain fenomena fisika adalah teknologi LASIK.

LASIK merupakan penerapan teknologi dengan bantuan

LASER sebagai alat koreksi kesalahan bias mata manusia.

Pada LASIK, secara matematika perjalanan cahaya pada

mata dapat dihitung pembiasannya. Dari pembiasan

tersebut dapat diketahui berapa jarak fokus yang dimiliki

lensa. Berdasarkan jarak fokus ini, akan diketahui kekuatan

dari lensa mata manusia. Apabila lensa mata melemah,

sehingga tidak dapat meneruskan bayangan benda tepat

pada retina, maka secara konsep dapat direkayasa melalui

perubahan bentuk korneanya. Harapannya, dengan

mengubah bentuk kornea mata, maka sudut datang dan

sudut pembiasannya nanti akan mampu dibiaskan tepat pada

retina.

Dalam metode ini dilakukan

a. Pengukuran kesalahan bias (refractive error)

RP = pupil radius in mm, a value of 5.0 is used

n = corneal refractive index, a value of 1.377 is used

26

Setelah mengetahui kesalahan bias dari mata manusia,

maka selanjutnya dilakukan pemodelan dari kornea mata

manusia. Data dari kontur kornea mata manusia ini

dianalogikan seperti tabung, seperti yang ditujukan oleh

gambar berikut.

b. Pengukuran ketebalan kornea

Gambar 14. Data Topografi Kornea

Gambar 15. Sistem Koordinat dengan Proses Pemetaan

27

Dari kontur tersebut selanjutnya dapat dihitung berapa

kelengkungan dari kornea, dan luasan kornea sebelah

mana yang akan dikenai perubahan dengan LASER

sehingga mampu membiaskan cahaya tepat pada retina.

c. Pengukuran Bentuk dan Lengkungan Kornea

Gambar 16. Bentuk dan Lengkungan Kornea

R is the radius of the fitted sphere, a, b, and c are the

coordinates of the center of the fitted sphere. Once R is

obtained, the power, D

28

Contoh fenomena fisika berikutnya pada sistem proses

pengisian air. Pada sistem pengisian tersebut, level yang

selalu dijaga tetap pada ketinggian H, dapat dilihat pada

Gambar 17.

Gambar 17. Sistem Pengisian Air

Jika diketahui laju aliran adalah Q, level ketinggian adalah H,

dan kapasitansi tanki adalah C, maka ketika valve input

dibuka, akan ada tambahan laju aliran sebesar qi. Hal ini akan

menyebabkan perubahan level ketinggian tanki sebesar h.

Oleh karena itu, harus dilakukan pembuangan aliran keluar

tanki sebesar qo.

Sistem pada gambar tersebut merupakan sistem dinamik,

karena sistem berubah terhadap waktu. Oleh karena itu

dilakukan pemodelan sistem dengan menggunakan model

29

matematik. Misal yang ditinjau adalah Resistansi tanki (R),

yang dapat ditulis dengan persamaan:

𝑅𝑅 =𝑐𝑐ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑒𝑒 𝑞𝑞𝑎𝑎 𝐻𝐻𝑒𝑒𝑎𝑎𝑑𝑑

𝑐𝑐ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑒𝑒 𝑞𝑞𝑎𝑎 𝐹𝐹𝐹𝐹𝑃𝑃𝐹𝐹 𝑅𝑅𝑎𝑎𝑑𝑑𝑒𝑒=𝑑𝑑(∆𝐻𝐻)𝑑𝑑𝑞𝑞

=ℎ𝑞𝑞𝑜𝑜

𝐶𝐶 =𝑐𝑐ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑒𝑒 𝑞𝑞𝑎𝑎 𝐹𝐹𝑞𝑞𝑞𝑞𝑙𝑙𝑞𝑞𝑑𝑑 𝑠𝑠𝑑𝑑𝑃𝑃𝑠𝑠𝑒𝑒

𝑐𝑐ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑒𝑒 𝑞𝑞𝑎𝑎 𝐻𝐻𝑒𝑒𝑎𝑎𝑑𝑑=∆𝑄𝑄𝑑𝑑ℎ𝑑𝑑𝑑𝑑

𝐶𝐶𝑑𝑑ℎ𝑑𝑑𝑑𝑑

= 𝑞𝑞𝑖𝑖 − 𝑞𝑞𝑜𝑜

𝐶𝐶𝑑𝑑ℎ𝑑𝑑𝑑𝑑

= 𝑞𝑞𝑖𝑖 −ℎ𝑅𝑅

𝑅𝑅𝐶𝐶𝑑𝑑ℎ𝑑𝑑𝑑𝑑

+ ℎ = 𝑅𝑅𝑞𝑞𝑖𝑖

(𝑅𝑅𝐶𝐶𝑠𝑠 + 1)𝐻𝐻(𝑠𝑠) = 𝑅𝑅𝑄𝑄𝑞𝑞(𝑠𝑠)

𝐻𝐻(𝑠𝑠)

𝑄𝑄𝑞𝑞(𝑠𝑠)=

𝑅𝑅𝑅𝑅𝐶𝐶𝑠𝑠 + 1

Persamaan tersebut merupakan model matematik sistem

pengisian air pada Gambar 17.

Kesimpulan

Dari feomena yang telah diulas, terlihat bahwa sistem

dinamik antara lain berupa mekanik, listrik, elektromekanik,

30

level, pneumatik, dan termal. Sistem ini dapat dijadikan

model ke dalam bentuk model matematis persamaan

diferensial. Metode untuk mengubah ke persamaan ini

contohnya melalui Hukum Newton untuk sistem mekanik,

atau Hukum Kirchoff untuk sistem elektrik.

Sistem ini dapat digambarkan dengan model matematika

yang sama, meskipun secara fisik berbeda. Keadaan inilah

yang disebut dengan analogi sistem, dimana menjadi ulasan

di dalam tulisan berikut. Analogi sistem seperti yang telah

disajikan pada Tabel 1 untuk sistem orde 2 dan Tabel 2

untuk sistem orde 1.

Konsep analogi sistem sangat bermanfaat karena alasan

sebagai berikut:

1. Dapat diterapkan secara langsung terhadap sistem yang

analogi di bidang apapun

2. Karena sistem yang satu mungkin lebih mudah diubah

ke dalam modem matematisnya dibandingkan sistem

yang lain. Misalnya jika mengalami hambatan dalam

pemodelan sistem mekanik, dapat menelaah dengan

31

analogi sistem listrik. Hal ini dikarenakan sistem listrik

secara umum jauh lebih mudah untuk dimodelkan..

Semua sistem yang dinamis ini tidak terlepas dari pentingnya

kerangka konsep, teori dasar serta peran keteknikan bidang

fisika untuk menjadikannya sebagai teknologi yang

bermanfaat bagi masyarakat luas.

32

BAB 2 – INTERAKSI CAHAYA

DENGAN MATERI

2.1. Backscattered Electron

Backscattered electron adalah salah satu istilah yang biasa

dikenal dalam interaksi elektron dengan material yang

diaplikasikan pada Scanning Electron Microscopy (SEM).

Prinsip kerja SEM sendiri adalah adanya sinar elektron dari

pistol elektron yang ditembakkan ke material. Dimana saat

elektron mengenai material, maka akan terbentuk hamburan

elektron baru hasil interaksi yang selanjutnya diterima oleh

detektor. Terdapat banyak jenis hamburan dari hasil

interaksinya dengan material yang ditunjukkan oleh Gambar

1.

Prinsip Dasar Backscattered Electron

Pada Backscattered Electron, lintasan elektron berubah

tetapi energi kinetik dan kecepatannya tetap. Hal ini karena

adanya perbedaan besar antara massa elektron dan inti atom.

Dimana atom dengan kerapatan yang tinggi atau memiliki

33

massa dan inti yang besar, akan menghamburkan lebih

banyak elektron, sehingga topografi yang dihasilkan akan

lebih cerah. Oleh karena itu Backscattered Electron

menunjukkan kekontrasan dari nomor atom Z.

Gambar 1. (Atas) Hamburan dari Interaksi Sinar Elektron

dengan Material, dan (Kiri) Kedalaman untuk Masing-

masing Hamburan pada Material

34

Sudut hamburan Backscattered Electron dapat mencapai

180o, tetapi rata-rata sudut hamburannya sebesar 5o.

Besarnya energi Backscattered Electron di atas 50 eV.

Prinsip Back Scattered Electron untuk topografi dapat

dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Backscattered Electron - Atom dengan inti

lebih besar memantulkan lebih banyak elektron sehingga

topografi yang dihasilkan akan tampak lebih cerah

dibandingkan atom berinti kecil

2.2. Semikonduktor Penyusun Laser

Jenis Semikonduktor yang dapat menghasilkan laser dan

prinsip kerjanya dijelaskan pada tulisan berikut. Laser

35

semikonduktor memiliki medium aktif dari unsur

semikonduktor. Laser semikonsuktor memiliki berkas

cahaya yang monokromatik dan sangat terarah seperti laser

Ruby dan laser He-Ne. Selain itu memiliki prinsip kerja sama

seperti LED dengan sambungan P-N nya.

Gambar 3. Ilustrasi dari Kiri ke Kanan, Direct Bandgap

Unsur Golongan IIIA-VA, Indirect Bandgap Unsur

Golongan IVA

Bahan semikonduktor yang digunakan pada Laser

Semikonduktor adalah semikonduktor dengan direct

36

bandgap. Pada tabel periodik unsur, semikonduktor dengan

direct bandgap berada pada golongan IIIA (Al, Ga, In) dan

VA (P, As, Sb). Alasan dipilihnya semikonduktor pada direct

bandgap karena kemungkinan transisi radiasinya yang sangat

tinggi.

Tiap unsur tersebut memiliki pita konduksi dan pita valensi

yang terpisah pada gap tertentu. Besar energi gap tiap unsur

berbeda-beda, dimana besarnya sebanding dengan foton

yang dihasilkan. Tabel 1 menunjukkan pasangan unsur

dengan panjang gelombang foton yang mampu dihasilkan

pada bandgap nya. Terdapat 3 buah struktur Laser

Semikonduktor dalam konfigurasi Fabry-Perot, yaitu:

1. Homojunction Laser

Struktur ini menggunakan sambungan P-N dan disebut

homojunction karena memiliki material semikonduktor

yang sama pada kedua sisi sambungannya. Pada kondisi

bias yang tepat akan dipancarkan sinar laser

2. Double Heterostructure/Heterojunction Laser

Struktur ini memiliki lapisan tipis semikonduktor misal

GaAs diapit oleh dua semikonduktor yang berbeda

misal AlxGa1−xAs. Laser ini difabrikasi menggunakan

37

teknik pertumbuhan kristal epitaksi. Selain itu

memerlukan arus listrik yang lebih sedikit daripada

homojunction laser

Tabel 1. Bahan Semikonduktor untuk Laser dengan

Panjang Gelombang yang Dihasilkan

3. Double Heterostructure/Heterojunction Laser dengan

Stripe geometry

Struktur ini memiliki oxide layer yang mengisolasi semua

kecuali stripe kontak, sehingga lasing area terbatas pada

area di bawah kontak. Lebar stripe sebesar 5 - 30 μm.

38

Dimana keuntungan stripe adalah untuk mereduksi arus

operasi dan mengeliminasi daerah multiple-emission

sepanjang sambungan.

Prinsip Kerja Laser Semikonduktor diawali dengan

population invertion melalui injeksi arus listrik DC untuk

meningkatkan emisi stimulasi. Population invertion dicapai

melalui doping yang sangat tinggi pada sisi sambungan.

Efeknya adalah level energi fermi berada di bawah ujung pita

valensi pada sambungan P, dan di atas ujung ujung pita

konduksi pada sambungan N. Efek doping yang sangat

tinggi ini jika dikenai tegangan maju disebut dengan lapisan

aktif, yang diilustrasikan oleh Gambar 4.

Gambar 4. Ilustrasi Kondisi Doping Tinggi pada

Sambungan P-N

39

Lapisan aktif memiliki fungsi seperti optical resonator,

sehingga sinar laser yang terpancar berasal dari sepanjang

lapisan ini. Pumping source dari laser ini adalah sambungan

P-N yang dikenai tegangan maju dengan rapat arus listrik

sangat besar pada ambang tertentu. Akibatnya adalah

elektron pita konduksi pada lapisan aktif dapat bergabung

kembali dengan hole pita valensi. Efek bergabungnya

elektron-hole ini menimbulkan pancaran sinar laser di

sepanjang lapisan aktifnya. Jika rapat arus yang diberikan

kecil, maka yang terjadi adalah radiasi dengan elektron-hole

secara acak seperti pada LED.

Gambar 5. Penampang Laser Semikonduktor

40

2.3. Quantum Hall Effect

Efek Hall merupakan suatu keadaan berbeloknya elektron

arus listrik dalam pelat konduktor akibat pengaruh medan

magnet. Pada saat pelat konduktor yang berada pada medan

magnet dialiri arus listrik arah tegak lurus, maka elektron

akan bergerak berbelok ke salah satu sisi elektroda dan

kemudian menghasilkan medan listrik. Membesarnya medan

listrik menyebabkan gaya Lorentz pada partikel menjadi nol.

Beda potensial yang kemudian terjadi antara kedua sisi divais

disebut potensial hall. Potensial hall sebanding dengan

medan magnet dan besar arus listrik dilewatkan divais.

Gambar 6. Ilustrasi Efek Hall Pelat Konduktor

Hal yang serupa terjadi pada semikonduktor. Efek Hall pada

semikonduktor terjadi saat semikonduktor yang berada pada

medan magnet dialiri arus, maka pembawa muatan

41

semikonduktor mengalami gaya yang arahnya tegak lurus

terhadap medan magnet dan arus. Pada titik kesetimbangan

tertentu, sebuah beda potensial terjadi pada tepi

semikonduktor. Ilustrasi Efek Hall pada semikonduktor

ditunjukkan oleh Gambar 7.

Untuk sistem elektron 2D yang biasa digunakan untuk

memproduksi MOSFET, kehadiran medan magnet yang

sangat besar dan temperatur yang rendah dapat memberikan

Quantum Hall Effect.

Gambar 7. Ilustrasi Efek Hall Semikonduktor

Quantum Hall Effect adalah keadaan ketika sistem elektron

2D yang berada pada medan magnet sangat kuat, tegak lurus

terhadap bidang, menhasilkan pergerakan elektron yang

42

terbatas dan mengalami kuantisasi. Kuantisasi ini

selanjutnya mengakibatkan terjadinya kuantisasi landau

level.

Kuantisasi landau level ini menyebabkan kuantisasi

konduktivitas dan aliran elektron di tepi semikonduktor. Hal

ini karena bagian tepi terdapat elektron yang terpantul hilang

dan mengalami skipping orbit. Skipping orbit menyebabkan

elektron menjalar sepanjang tepi dalam satu dimensi

sehingga bergerak lurus. Ilustrasi Quantum Hall Effect

ditunjukkan oleh Gambar 8.

Gambar 8. Ilustrasi Quantum Hall Effect, dari Kiri ke

Kanan, Arus Listrik Tegak Lurus dengan Medan

Magnet Menghasilkan Arus di Tepi Semikonduktor,

dan Penampang Semikonduktor dengan Landau Level

pada Band Gap

43

Kuantisasi pada level energi ini bersifat diskrit, yang

selanjutnya membawa penelitian mengenai Quantum Dots.

Quantum Dots merupakan sebuah device yang memiliki

elektron bebas sebagai satuan terkecil.

44

BAB 3 – SIFAT OPTIK BAHAN

3.1. Cahaya dan Gelombang Elektromagnetik

Disiplin dari ilmu material meliputi penyelidikan terhadap

hubungan yang muncul diantara struktur dan sifat-sifat

material. Sedangkan rekayasa material (material engineering)

adalah dasar suatu ilmu untuk merancang atau merekayasa

struktur dari suatu material untuk menghasilkan sifat-sifat

yang diinginkan sebelumnya.

Material dapat dibedakan dari sifat-sifatnya.adalah ciri-ciri

yang ada pada suatu material yang berkaitan dengan jenis

dan besarnya respon yang diberikan jika suatu material

diberikan suatu stimulus (rangsangan). Secara umum sifat

suatu material tidak bergantung terhadap bentuk dan ukuran

material tersebut. Salah satu sifat suatu material adalah sifat

optik.

Sifat optik suatu material menggambarkan bagaimana

respon suatu material terhadap medan elektromagnetik atau

radiasi cahaya yang direpresentasikan dalam indek refraksi

45

dan refleksi. Tulisan ini membahas tentang sifat optik dari

suatu material untuk dapat memahami sifat optik dari

padatan dan maupun non padatan.

Beberapa tujuan perlu dipelajarinya sifat bahan optik adalah

agar pembaca khususnya mahasiswa dapat memahami sifat

optik pada bahan padatan, memahami sifat optik pada

bahan non padatan, serta memahami aplikasi sifat optik

bahan. Untuk memahami hal tersebut perlu pengetahuan

terlebih dahulu tentang cahaya dan gelombang

elektromagnetik.

Gambar 1. Gelombang Elektromagnetik

46

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elekromagnetik

yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380–750

nm. Pada bidang fisika, cahaya adalah radiasi

elektromagnetik, baik dengan panjang gelombang kasat

mata maupun yang tidak.

Gelombang elektromagnetik dapat digambarkan sebagai

dua buah gelombang yang merambat secara transversal pada

dua buah bidang tegak lurus yaitu medan magnetik dan

medan listrik. Merambatnya gelombang magnet akan

mendorong gelombang listrik, dan sebaliknya, saat

merambat, gelombang listrik akan mendorong gelombang

magnet. Diagram di atas menunjukkan gelombang cahaya

yang merambat dari kiri ke kanan dengan medan listrik pada

bidang vertikal dan medan magnet pada bidang horizontal.

Terjadinya Gelombang Elektromagnetik

Faraday menyatakan bahwa perubahan medan magnetik

menyebabkan muatan listrik mengalir dalam loop kawat atau

ekuivalen dengan bangkitnya medan listrik. Maxwell

mengusulkan proses kebalikan bahwa suatu perubahan

47

medan listrik akan membangkitkan medan magnetik. Inti

teori Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik adalah:

• Perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan

magnet.

• Cahaya termasuk gelombang elektromagnetik. Cepat

rambat gelombang elektromagnetik (c) tergantung dari

permitivitas (ε) dan permeabilitas (µ) zat.

Jika perubahan medan magnetiknya sinusoida maka

dibangkitkan medan listrik yang juga berubah secara

sinusoida. Selanjutnya perubahan medan listrik secara

sinusoida ini membangkitkan medan magnetik yang

berubah secara sinusoida. Demikian seterusnya terjadi

proses berantai pembentukan medan listrik dan medan

magnetik yang merambat kesegala arah. Merambatnya

medan listrik dan medan magnetik ke segala arah inilah yang

disebut gelombang elektromagnetik.

Perhitungan Cepat Rambat Gelombang

Elektromagnetik

Persamaan yang berhasil diturunkan Maxwell untuk

menghitung cepar rambat gelombang dalam vakum c adalah

sebagai berikut:

48

Dengan : c = cepat rambat gelombang elektromagnetik

(m/s)

µ0 = permeabilitas vakum = 4π x 10-7 Wb A-1 m-

1

ε0 = permitivitas vakum = 8,85418 x 10-12 C2 N-

1 m-2

Jika nilai µ0 dan ε0 dimasukkan ke rumus di atas maka

dihasilkan nilai c= 3x108 m/s.

Sedangkan dari rumus kecepatan cahaya :

Dimana λ adalah panjang gelombang,f adalah frekuensi,v

adalah kecepatan cahaya. Kalau cahaya bergerak di dalam

vakum, jadiv =c, c = kecepatan cahaya jadi :

Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Spektrum elektromagnetik adalah rentang semua radiasi

elektromagnetik yang mungkin. Spektrum elektromagnetik

49

dapat dijelaskan dalam panjang gelombang, frekuensi, atau

tenaga per foton. Spektrum ini secara langsung berkaitan :

• Panjang gelombang dikalikan dengan frekuensi ialah

kecepatan cahaya: 300 Mm/s, yaitu 300 MmHz

• Energi dari foton adalah 4.1 feV per Hz, yaitu

4.1μeV/GHz

• Panjang gelombang dikalikan dengan energy per

foton adalah 1.24 μeVm

Susunan semua bentuk gelombang elektromagnetik

berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya disebut

spektrum elektromagnetik. Gambar 2 memperlihatkan

spektrum elektromagnetik disusun berdasarkan panjang

gelombang (diukur dalam satuan meter) mencakup kisaran

energi yang sangat rendah, dengan panjang gelombang

tinggi dan frekuensi rendah, seperti gelombang radio sampai

ke energi yang sangat tinggi, dengan panjang gelombang

rendah dan frekuensi tinggi seperti radiasi X-ray dan

Gamma Ray.

50

Gambar 2. Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Tabel 1 Spektrum gelombang Elektromagnetik

Gelombang Panjang gelombang λ

Gelombang Radio 1 mm-10.000 mm

Infra Merah 0,001-1 mm

Cahaya Tampak 400-720 nm

Ultraviolet 10-400nm

Sinar X 0,01-10 nm

Sinar Gamma 0,0001-0,1 nm

Hubungan antara Koefisien Optik Kompleks dan

Absorpsi

Koefisien optik n dari suatu bahan/medium memiliki

bentuk umum

51

n~ = n + iκ

dimana suku real dari ñ (Re(n) = n) adalah indeks refraksi,

sedangkan suku imaginer (Im(n ) = κ) adalah koefisien

atenuasi.

Dengan menggunakan indeks refraksi kompleks n ini, fungsi

dari suatu gelombang elektromagnetik yang merambat

dalam bahan tersebut dapat dituliskan menjadi

dan intensitasnya adalah

Dari persamaan di atas, jelaslah bahwa suku imaginer iκ

menyebabkan amplitudo dan intesitas dari gelombang

elektromagnetik tadi mengecil secara eksponensial terhadap

52

jarak x, yakni mengalami atenuasi dalam arah

perambatannya.

Oleh karena itu, jika bahan cukup tebal maka gelombang

elektromagnetik tidak dapat menembus bahan. Dalam hal

ini, bahan tersebut tidak bersifat transparan untuk

gelombang elektromagnetik tersebut. Jika suatu bahan

memiliki κ = 0 atau ñ = n, fungsi gelombang elektromagnetik

di dalam bahan adalah

dan intensitasnya menjadi

Dalam hal seperti ini, bahan bersifat transparan dan

gelombang elektromagnetik dapat merambat tanpa

mengalami atenuasi. Jika gelombang elektromagnetik

merambat masuk ke dalam medium sejauh dx, laju

perubahan intensitasnya adalah

53

dimana α adalah koefisien absorbsi. Melalui pengintegrasian,

kita akan peroleh bahwa intensitas pada jarak x adalah

dimana I0 adalah intensitas awal. Yakni, intensitas menurun

secara eksponensial terhadap jarak x. Perbandingan dengan

persamaan sebelumnya menghasilkan suatu hubungan

antara koefisien absorbsi dan koefisein atenuasi

Tetapan dielektrik secara umum juga dituliskan sebagai

fungsi kompleks

Karena indeks refraksi n = (εμ)½, untuk bahan non-

magnetik (μ=0), maka indeks refraksi n berkaitan dengan

tetapan dielektrik ε menurut hubungan

54

n(ω) dan κ(ω) berkaitan satu dengan lainnya yang ditentukan

oleh hubungan Kramers-Kronig

dimana PV adalah nilai prinsipal dari integral Cauchy yang

mengikutinya. Dari hubungan tersebut, n dapat dicari jika κ

diketahui, atau sebaliknya. Demikian juga untuk ε1(ω) dan

55

ε2(ω), ε1(ω) dapat dihitung jika ε2(ω) diketahui, atau

sebaliknya, dari persamaan berikut

Untuk bahan yang tidak transparan, pengukuran koefisien

absorbsi tidak bisa dilakukan secara langsung. Untuk itu,

spektrum absorbsi diperoleh secara tidak langsung lewat

pengukuran spektrum refleksi. Jika gelombang

elektromagnetik merambat masuk dari medium I dengan

indeks refraksi n1 ke medium II dengan indeks refraksi n2

dengan arah tegak lurus bidang batas medium, maka ratio

amplitudo antara gelombang yang dipantulkan Er dan

gelombang dating adalah

Reflektivitas didefenisikan sebagai

56

dan r⊥ bisa dituliskan sebagai

Karena

maka suku fasa dari reflektansi dapat diperoleh dari

hubungan Kramers-kronig seperti di atas

Dengan memanfaatkan hubungan diatas tadi, jika spektrum

R⊥ dapat diperoleh lewat pengukuran, maka n dan κ (∝ α)

dapat dicari dari

57

Dispersi Tetapan Dielektrik

Tetapan dielektrik merefleksikan interaksi antara gelombang

elektromagnetik dan bahan. Tetapan dielektrik

menunjukkan polarisasi elektron, dipolar (dipole

permanen), atau ion di dalam bahan ketika sebuah

gelombang elektromagnetik merambat di dalam bahan

tersebut. Model klasik sederhana dari proses polarisasi ini

adalah model Lorenz.

Jika sebuah atom berada dalam gelombang elektromagnetik

E = E0e(iωt), maka distribusi awan elektron terluar akan

mengalami pergeseran dari titik pusat dengan jarak rata-rata

r. Dengan menganggap bahwa inti atom tidak mengalami

pergeseran dan hanya ada sebuah elektron terluar yang

terpengaruh oleh gelombang elektromagnetik, persamaan

gerak dari elektron terluar tersebut adalah

Suku pertama di sebelah kanan adalah gaya resistan yang

sebanding dengan kecepatan elektron dan mengakibatkan

energi loss, suku kedua adalah gaya restorsi (serupa dengan

58

energi pegas), dan suku ketiga adalah gaya Coulomb yang

dialami oleh electron di bawah pengaruh medan

elektromagnetik. Solusi dari persamaan tersebut adalah

Pergeseran elektron di sekitar titik pusatnya tadi akan

menimbulkan momen dipol listrik

Jika di dalam bahan terdapat N buah atom, maka

polarizabilitas makroskopik P adalah

Pergeseran listrik di dalam bahan dielektrik adalah

dimana

Pemisahan suku real dan imajinernya menghasilkan

59

Baik ε1 maupun ε2 berubah drastik di sekitar ω0. Pada ω =

ω0, ε1 = 0 sedangkan ε2 memiliki nilai maksimum. γ semakin

kecil, nilai maksimum semakin besar dan lebar puncak

semakin lebar. ε2 (suku imajiner ε) ini menyebabkan energy

loss dan berkaitan dengan koefisien absorbsi α di atas, yakni

Hubungan antara Tetapan Dielektrik dan

Polarizibilitas

Telah kita lihat dari model Lorenz di atas bahwa dispersi

tetapan dielektrik merupakan refleksi dari respon elektron

terluar dari sebuah atom terhadap gelombang

elektromagnetik. Sekarang marilah kita tinjau dispersi

60

tetapan dielektrik ini sebagai fungsi dari polarizibilitas dan

suseptibilitas dari bahan bersangkutan. Polarizibilitas adalah

ukuran mikroskopik yang menunjukkan sifat dasar atom,

sedangkan suseptibilitas adalah ukuran makroskopik yang

bergantung pada bagaimana atom-atom tersusun menjadi

suatu kesatuan. Di atas telah ditunjukkan bahwa

Polarizibilitas sebuah atom α didefinisikan sebagai sebagai

fungsi dari medan listrik lokal Elokal

dimana p adalah momen dipol. Hubungan antara medan

listrik makroskopik E dan medan listrik lokal Elokal

diberikan oleh

Yakni, medan listrik yang bekerja pada sebuah atom sama

dengan medan makroskopik E ditambah dengan medan

oleh polarisasi atom di sekitarnya. Harga const bergantung

pada cara bagaimana atom-atom tersusun. Untuk atom-

atom yang tersusun dalam bentuk kristal kubik, const = 1/3ε0

dan medan lokal menjadi

61

Hubungan ini dikenal sebagai hubungan Lorentz. Polarisasi

bahan P adalah

dimana Nj adalah konsentrasi atom, αj adalah polarizibilitas

atom ke-j dan Elokal(j) adalah medan lokal pada atom ke-j.

Untuk atom-atom dalam susunan kubik, polarisasi P

menjadi

dan suseptibilitas χ adalah

Karena ε = ε0εr = ε0 (1+ χ), maka diperoleh bahwa

62

Hubungan ini (dikenal sebagai hubungan Clausius-Mossoti)

menyatakan hubungan antara tetapan dielektrik dan

polarizibilitas dari atom-atom penyusun. Polarizabilitas

sebuah atom dapat dibedakan berdasarkan jenis asalnya,

yakni elektronik, ionik dan dipolar. Polarizabilitas ionik

berasal dari pergeseran awan electron relatif terhadap inti.

Polarizabilitas ionik berasal dari pergeseran ion bermuatan

relative terhadap yang ion bermuatan lainnya.

Polarizabilitas dipolar berasal dari perubahan orientasi

molekul yang memiliki dipol permanen di bawah pengaruh

medan listrik. Pada frekuensi tinggi atau pada daerah

gelombang cahaya (optik), kontribusi polarizabilitas dipolar

dan ionik adalah kecil karena inersia dari atom/molekul dan

ion. Pada daerah tersebut hanya polarizabilitas elektronik

saja yang berperan. Gambar di bawah menunjukkan kurva

dispersi polarizabilitas dan dielektrik dari berbagai

kontribusi tadi.

Hubungan antara Konstanta Dielektrik dan Absorpsi

dalam Bahan Konduktif

Untuk bahan konduktif, persamaan Maxwell akan menjadi

63

Jika medan gelombang elektromagnetik tidak bervariasi

terlalu besar dibanding jarak tempuh rata-rata elektronik

(electronic mean free path), dengan kata lain, jika λ » , maka

Dari

dapat diperoleh persamaan gelombang

dengan tetapan dielektrik kompleks

Jelaslah bahwa suku imaginer dari tetapan dielektrik

kompleks dari logam ditentukan oleh konduktivitasnya,

64

yakni merupakan kontribusi dari pembawa muatan bebas.

Fungsi konduktivitas bisa diperoleh dari persamaan gerak

elektron di dalam logam di bawah pengaruh medan listrik E.

Persamaan gerak untuk momentum per elektron adalah

dengan p adalah momentum dan τ adalah waktu relaksasi

atau waktu antar tumbukan seperti dalam model Drude

untuk konduktivitas DC. Jika E berbentuk

maka solusi keadaan tunak p(t) juga akan berbentuk

sehinggga kita bisa peroleh hubungan

Karena rapat arus adalah

maka diperoleh bahwa

65

Bisa dilihat di sini bahwa jika ω = 0 (medan listrik DC) maka

σ akan kembali sama dengan σ dari model Drude untuk

konduktivitas DC, yakni σ = ne2τ m. Dari hasil di atas dapat

diperoleh tetapan dielektrik kompleks untuk logam adalah

dimana untuk approksimasi pertama untuk (ω»1/τ), yakni

untuk gelombang optik,

dengan ωp dinamakan sebagai frekuensi plasma. Kita lihat

disini bahwa

1. jika ω < ωp, maka ε = bilangan real dan negatif →

gelombang elektromagnetik akan mengalami atenuasi

sehingga bahan bersifat tidak transparan.

66

2. jika ω > ωp, maka ε = bilangan real dan positif →

gelombang elektromagnetik

akan mengalami propagasi sehingga bahan tampak

transparan.

3. jika ω = ωp → maka akan terjadi osilasi plasma atau

plasmon, yakni resonansi

antara gelombang elektromagnetik dan rapat muatan.

3.2. Sifat Bahan Optik pada non - Padatan

Berbagai macam sifat dapat ditimbulkan pada bahan,

tergantung dari jenis bahan itu sendiri. Sifat – sifat yang

dapat ditimbulkan oleh macam – macam jenis bahan adalah

sebagai berikut:

Refleksi (Pantulan Cahaya)

Ketika radiasi cahaya melewati dari satu medium ke lain

memiliki indeks yang berbeda bias, sejumlah sinar tersebar

di antarmuka antara kedua media bahkan jika keduanya

refleksifitas R transparant dimana merupakan bagian dari

insiden cahaya yang tercermin pada interface, atau

67

Dimana IR dan I0 intensitas dari kejadian itu dan tercermin

balok, masing-masing. Jika lampu normal (atau tegak lurus)

ke antarmuka, kemudian:

Di mana n2 dan n1 adalah indeks bias dua media. Jika lampu

insiden tidak normal ke antarmuka, R akan tergantung pada

sudut cahaya incidence. Saat ditularkan dari vakum atau

udara ke dalam s kuat, maka:

Karena indeks bias udara sangat mendekati kesatuan.

Dengan demikian, semakin tinggi indeks bias yang solid,

semakin besar reflektifitas tersebut. Pada pantulan cahaya ini

68

terbagi menjadi dua tipe yaitu Specular Reflection dan Diffuse

Reflection.

Gambar 3. Diagram refleksi sinar cahaya spekular

Specular Reflection

Specular Reflection menjelaskan perilaku pantulan sinar

cahaya pada permukaan yang mengkilap dan rata, seperti

cermin yang memantulkan sinar cahaya ke arah yang dengan

mudah dapat diduga. Kita dapat melihat citra wajah dan

badan kita di dalam cermin karena pantulan sinar cahaya

yang baik dan teratur. Menurut hukum refleksi untuk

cermin datar, jarak subyek terhadap permukaan cermin

berbanding lurus dengan jarak citra di dalam cermin namun

69

parity inverted, persepsi arah kiri dan kanan saling terbalik.

Arah sinar terpantul ditentukan oleh sudut yang dibuat oleh

sinar cahaya insiden terhadap normal permukaan, garis tegak

lurus terhadap permukaan pada titik temu sinar insiden.

Sinar insiden dan pantulan berada pada satu bidang dengan

masing-masing sudut yang sama besar terhadap normal.

Citra yang dibuat dengan pantulan dari 2 (atau jumlah

kelipatannya) cermin tidak parity inverted. Corner

retroreflector memantulkan sinar cahaya ke arah datangnya

sinar insiden.

Diffuse Reflection

Diffuse Reflection menjelaskan pemantulan sinar cahaya pada

permukaan yang tidak mengkilap (Inggris:matte) seperti

pada kertas atau batu. Pantulan sinar dari permukaan

semacam ini mempunyai distribusi sinar terpantul yang

bergantung pada struktur mikroskopik permukaan. Johann

Heinrich Lambert dalam Photometria pada tahun 1760

dengan hukum kosinus Lambert (atau cosine emission law

atau Lambert's emission law) menjabarkan intensitas radian

luminasi sinar terpantul yang proposional dengan nilai

70

kosinus sudut θ antara pengamat dan normal permukaan

Lambertian dengan persamaan:

photons/(s·cm2·sr)

Refraksi (Pembiasan)

Ketika gelombang elektromagnetik menyentuh permukaan

medium dielektrik dari suatu sudut, leading edge gelombang

tersebut akan melambat sementara trailing edge-nya tetap

melaju normal. Penurunan kecepatan leading edge

disebabkan karena interaksi dengan elektron dalam medium

tersebut. Saat leading edge menumbuk elektron, energi

gelombang tersebut akan diserap dan kemudian diradiasi

kembali. Penyerapan dan re-radiasi ini menimbulkan

keterlambatan sepanjang arah perambatan gelombang.

Kedua hal tersebut menyebabkan perubahan arah rambat

gelombang yang disebut refraksi atau pembiasan.

Perubahan arah rambat gelombang cahaya dapat dihitung

dari indeks bias berdasarkan hukum Snellius:

71

dimana:

θ1 dan θ2 adalah sudut antara normal dengan masing-

masing sinar bias dan sinar insiden

n1 dan n2 adalah indeks bias masing-masing medium

v1 dan v2 adalah kecepatan gelombang cahaya dalam

masing-masing medium

Gambar 4. Ilustrasi Hukum Snellius n1 < n2

θ1 dan θ2 adalah sudut kritis bias dimana sinar merah

merambat menurut prinsip Fermat dan membentuk jendela

Snellius. Pada sudut yang lebih besar terjadi total internal

reflection sedangkan pada sudut yang lebih kecil, cahaya

akan merambat lurus.

72

Tabel 2. Indeks Bias untuk beberapa Bahan Transparan

Refractive Indices for Some Transparent Materials

Material Average Index

Ceramics

Silica glass 1.458

Borosilicate (Pyrex) glass 1.47

Soda–lime glass 1.51

Quartz (SiO2) 1.55

Dense optical flint glass 1.65

Spinel (MgAl2O4) 1.72

Periclase (MgO) 1.74

Corundum (Al2O3) 1.76

Polymers

Polytetrafluoroethylene 1.35

Polymethyl methacrylate 1.49

Polypropylene 1.49

Polyethylene 1.51

Polystyrene 1.6

Cahaya yang ditransmisikan ke bagian dalam bahan

transparan mengalami penurunan kecepatan sehingga

tampak bengkok. Fenomena ini adalah disebut refraksi.

73

Indeks bias (n) bahan adalah rasio kecepatan dalam vakum

c terhadap kecepatan pada medium v. Besarnya n akan

tergantung pada panjang gelombang cahaya. Efek ini secara

grafis ditunjukkan oleh dispersi prisma yaitu pemisahan

cahaya polikromatis menjadi komponen warna oleh sebuah

prisma kaca.

Tidak hanya indeks bias mempengaruhi jalur optik cahaya,

tetapi fraksi insiden cahaya terhadap permukaan. juga,

seperti yang dijelaskan di bawah ini, itu mempengaruhi

fraksi insiden cahaya yang tercermin di permukaan.

Persamaan mendefinisikan besarnya c, ekspresi setara

memberikan kecepatan cahaya dalam media.

Absorpsi

Bahan bukan logam dapat tembus cahaya atau transparan

untuk cahaya tampak dan jika transparan, mereka sering

muncul berwarna. Pada prinsipnya, radiasi cahaya diserap

dalam kelompok bahan oleh dua mekanisme dasar, yang

juga mempengaruhi transmisi karakteristik Nonlogam ini.

Penyerapan foton cahaya dapat terjadi oleh promosi atau

eksitasi sebuah elektron dari pita valensi hampir penuh di

74

celah pita dan menjadi negara kosong dalam pita konduksi

seperti gambar 5 (a).

Gambar 5. (a) Mekanisme penyerapan foton (b) Emisi

dari foton cahaya

Pada gambar 5 (a) Mekanisme dari penyerapan foton untuk

bukan logam bahan di mana sebuah electron senang di band

gap, meninggalkan di balik lubang pada pita valensi. Energi

dari foton diserap adalah yang selalu lebih besar daripada

energi band gap (b) Emisi dari foton cahaya oleh transisi

langsung electron di celah band.

Transmisi

Fenomena penyerapan, refleksi, dan transmisi dapat

diterapkan ke Bagian cahaya melalui transparan yang solid.

Untuk insiden balok intensitas yang impinges pada

75

permukaan depan ketebalan specimen l dan koefisien

serapan intensitas ditransmisikan pada wajah kembali

adalah:

Gambar 6. Skema transmisi cahaya

Pada gambar 6 transmisi cahaya melalui media yang

transparan ada refleksi di depan dan belakang wajah, sebagai

serta penyerapan dalam medium. Di mana R adalah

reflektansi itu, sebab ungkapan ini, diasumsikan bahwa

media yang samaada di luar baik depan dan belakang wajah.

Dengan demikian, fraksi cahaya insiden yang ditularkan

melalui bahan transparan tergantung pada kerugian yang

terjadi oleh penyerapan dan refleksi. Sekali lagi, jumlah

reflektifitas R, A pengisapan, dan T transmisivitas, adalah

kesatuan. Selain itu, setiap variabel R, A, dan T tergantung

76

pada panjang gelombang cahaya. Hal ini ditunjukkan di

daerah tampak dari spektrum untuk kaca hijau, untuk cahaya

memiliki panjang gelombang 0,4 m, fraksi dikirimkan,

diserap, dan mencerminkan sekitar 0,90, 0,05, dan 0,05,

masing-masing. Namun, di 0,55 m, masing-masing fraksi

telah bergeser menjadi sekitar 0,50, 0,48, dan 0,02.

3.3. Sifat Bahan Optik pada Padatan

Absorbsi dan Transmisi

Proses absorpsi (absorbtion) terjadi ketika foton dengan

energi lebih besar dari celah pita energi semikonduktor yang

terserap oleh material. Proses ini biasanya menghasilkan

pasangan elektron–hole (eksiton). Ada dua jenis transisi optik

yang berkaitan dengan proses absorpsi yaitu transisi

langsung (direct band–to–band transition) dan transisi tidak

langsung (indirect band–to-band transition). Pada transisi

langsung hanya dibutuhkan sebuah foton, sedangkan pada

transisi tak langsung ada penambahan energi yang diberikan

dalam bentuk fonon.

Ketelitian dalam menentukan besarnya celah pita energi dari

pengukuran absorpsi optik pada material semikonduktor

77

dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain, pengaruh pertama

berhubungan dengan terbentuknya band-tail karena

konsentrasi impuritas atau cacat kristal yang tinggi dan

bergabung ke dalam pita konduksi atau pita valensi. Efek ini

menghasilkan tepi absorpsi eksponensial dalam

semikonduktor.

Pengaruh kedua yaitu karena adanya pembentukan eksiton

dalam semikonduktor. Kondisi eksiton mungkin dalam

keadaan bebas, berikatan mendesak ke permukaan atau

bergabung dengan cacat kompleks. Eksiton mempunyai

energi ikat yang kecil dalam orde beberapa meV sehingga

eksiton dapat muncul dengan sendirinya berupa puncak

tajam di bawah tepi absorpsi. Eksiton biasanya teramati lebih

jelas pada suhu rendah dan mengalami disosiasi free carrier

pada temperatur ruang.

Pada tulisan ini hanya akan dikaji pengaruh yang pertama

yang berhubungan dengan terbentuknya band-tail karena

konsentrasi impuritas atau cacat kristal yang tinggi dan

bergabung ke dalam pita konduksi atau pita valensi. Efek ini

78

menghasilkan tepi absorpsi eksponensial dalam

semikonduktor.

Pada struktur pita logam tidak terdapat selisih energi

sehingga foton dengan energi berapapun diabsorpsi dengan

eksitasi elektron dari pita valensi dan elektron memasuki

level energi yang lebih tinggi dalam pita konduksi. Dengan

demikian logam memiliki sifat tidak tembus radiasi

elektromgnetik, mulai dari gelombang radio, inframerah

cahaya tampak hingga ultraviolet, tetapi transparan terhadap

sinar x energi tinggi dan sinar gamma.

Untuk material non logam bersifat transparan sebab ada

kesenjangan dalam pita energinya. Sehingga bila energi

foton tidak cukup untuk mengeksitasi elektron material ke

level energi lebih tinggi, foton diteruskan dan tidak

diabsorbsi dan material bersifat transparan. Sedangkan

transmisi merupakan bagian dari cahaya yang diteruskan

melalui larutan. Hubungan absorbsi dengan transmisi dapat

dinyatakan dengan persamaan:

A = - log T = log P0/P

79

ket: A = absorbansi,

T = transmitansi,

P0 = Cahaya sebelum melewati larutan,

P= Cahaya sesudah melewati larutan

Fluorescence

Fluorescence adalah emisi cahaya radiasi elektromagnetik oleh

suatu zat yang telah menyerap panjang gelombang radiasi

yang berbeda. Dalam kebanyakan kasus, penyerapan cahaya

panjang gelombang tertentu menginduksi emisi cahaya

dengan panjang gelombang yang lebih besar (dan energi

yang lebih rendah). Namun, dalam kondisi di mana radiasi

yang diserap, memungkinkan bagi satu elektron untuk

menyerap dua foton (penyerapan beberapa foton), yang

dapat mengakibatkan emisi radiasi memiliki panjang

gelombang lebih kecil dari sumber eksitasi.

Perbedaan energi antara yang diserap dan dipancarkan foton

ini disebabkan oleh kerugian termal. Disipasi energi getaran

yang terjadi pada skala waktu yang jauh lebih besar dari emisi

fluorescent. Contoh paling mencolok dari fenomena ini

terjadi ketika foton terserap di wilayah spektrum ultraviolet,

dan dengan demikian tidak terlihat, dan cahaya yang

80

dipancarkan adalah di wilayah terlihat. Aplikasi efek ini

ditemukan di mineralogi, gemology, sensor kimia, pelabelan

neon, pewarna, detektor biologi dan lain-lain.

Photoluminescence

Photoluminescence (disingkat PL) adalah sebuah proses di mana

suatu zat menyerap foton (radiasi elektromagnetik) dan

kemudian memancarkan ulang fotonnya, hal ini dapat

digambarkan sebagai eksitasi ke energi yang lebih tinggi dan

kemudian kembali ke keadaan energi yang lebih rendah

disertai dengan emisi foton.

Luminescence

Luminescence adalah cahaya yang biasanya terjadi pada

temperatur rendah, atau biasa disebut “cahaya dingin”. Hal

ini dapat disebabkan oleh reaksi kimia, energi listrik, gerakan

sub-atomik, atau stres pada kristal. Hal ini membedakan

luminescence dari pijaran, yang ringan dihasilkan oleh suhu

tinggi. Secara historis, radioaktivitas itu dianggap sebagai

suatu bentuk "radioluminescence", meskipun saat ini

dianggap terpisah karena melibatkan lebih dari radiasi

elektromagnetik.

81

Phosphoresence

Phosphoresence adalah sebuah proses di mana energi yang

diserap oleh suatu zat yang relatif lambat, dilepaskan dalam

bentuk cahaya. Berbeda dengan reaksi yang relatif cepat

dalam tabung fluorescent umum, materi pendar yang

digunakan untuk bahan menyerap energi untuk waktu yang

lebih lama sebagai proses yang diperlukan untuk kembali

memancarkan cahaya terjadi lebih sering.

Dispersi

Dispersi adalah peristiwa penguraian cahaya polikromatik

(putih) menjadi cahaya-cahaya monokromatik (me, ji, ku, hi,

bi, ni, u) pada prisma lewat pembiasan atau pembelokan. Hal

ini membuktikan bahwa cahaya putih terdiri dari

harmonisasi berbagai cahaya warna dengan berbeda-beda

panjang gelombang. Sebuah prisma atau kisi kisi mempunyai

kemampuan untuk menguraikan cahaya menjadi warna

warna spektralnya.

Indeks cahaya suatu bahan menentukan panjang gelombang

cahaya mana yang dapat diuraikan menjadi komponen

komponennya. Untuk cahaya ultraviolet adalah prisma dari

82

kristal, untuk cahaya putih adalah prisma dari kaca, untuk

cahaya infrared adalah prisma dari garam batu.

Dalam analisis dispersi panjang gelombang, fluoresensi sinar

X yang dipancarkan oleh sampel bahan diarahkan ke kisi

difraksi monokromator. kisi-kisi difraksi yang digunakan

biasanya kristal tunggal. Dengan memvariasikan sudut

datang dan mengambil-off di kristal, panjang gelombang

sinar-X tunggal dapat dipilih. panjang gelombang yang

diperoleh diberikan oleh Persamaan Bragg:

dimana d adalah jarak lapisan atom sejajar dengan

permukaan kristal.

Gambar 7. Dispersi pada Grating

83

Hamburan (Light Scattering)

Hamburan cahaya (light scatering) adalah metode analisis

polimer untuk menentukan berat molekul satu contoh

dengan melihat jumlah cahaya yang dihamburkan oleh

partikel – partikel dalam larutan. Hamburan cahaya dapat

dipakai untuk mendapatkan berat molekul mutlak.

Gambar 8. Hamburan cahaya pada materi

Dalam kasus ini, ukuran polimer tetap harus lebih kecil

dibandingkan panjang gelombang cahaya λ. Metode Light

Scattering pada dasarnya mengukur intensitas cahaya hasil

hamburan polimer yang dilarutkan dalam suatu pelarut,

dimana intensitas hamburan yang tereduksi diberikan oleh:

84

Rθ adalah konstanta Rayleigh, iθ adalah intensitas yang

terukur, r jarak detektor cahaya hamburan, dan I0 intensitas

awal. Teori Rayleigh mengatakan untuk Rθ yang

dihubungkan terhadap massa molar dari suatu polimer

homodisperse M memiliki bentuk persamaan:

dimana 0n adalah indeks bias dari larutan dan )( dcdn

adalah nilai perubahan indeks bias terhadap

konsentrasi.

Jumlah molekul polimer per satuan volume VN

dan π adalah tekanan osmotik.

Fotokonduktivitas

Fotokonduktivitas adalah fenomena optik dan listrik di

dalam suatu material yang menjadi lebih konduktif ketika

85

menyerap radiasi electromagnet seperti cahaya tampak, sinar

ultraviolet, sinar inframerah atau radiasi gamma. Ketika

cahaya diserap oleh sebuah material seperti semikonduktor,

jumlah dari perubahan electron bebas dan hole

meningkatkan konduktivitas listrik dari semikonduktor.

Eksitasi cahaya yang menumbuk semikonduktor harus

mempunyai cukup energi untuk meningkatkan jumlah

electron yang menyeberangi daerah terlarang atau oleh

eksitasi pengotoran dengan daerah bandgap. Konduktivitas

listrik σ (S/cm) berhubungan dengan resistivitas ρ (Ω cm)

sesuai dalam persamaan:

σ = 1/ ρ

Peningkatan konduktivitas listrik disebabkan oleh eksitasi

dari penambahan pengisian bebas yang diangkut oleh cahaya

energi tinggi pada semikonduktor dan isolator. Material

alami maupun buatan yang terdapat di alam dapat

diklasifisikan menjadi tiga yaitu konduktor, isolator dan

semikonduktor. Nilai dari konduktivitas listrik ketiga

material tersebut berbeda. Material semikonduktor

86

mempunyai nilai konduktivitas antara selang dari (10-8– 10

3)

S/cm

Gambar 9. Spectrum Konduktivitas dan Resistivitas

3.4. Aplikasi dari Bahan Optik

Kaca mata merupakan alat bantu penglihatan, yang terdiri

dari frame dan lensa, yang digunakan sebagai :

1. Rehabilitasi kelainan tajam pada penglihatan,

2. Pelindung mata dari lingkungan yang membahayakan

mata,

3. Pelindung mata dari sinar atau cahaya yang

membahayakan mata, seperti sinar UltraViolet, dan

Infra merah yang berasal dari matahari dan computer.

Lensa kacamata yang baik mempunyai 3 unsur mendasar,

yaitu:

87

1. Hasil ketajaman penglihatan di butuhkan bahan,

design, dan pelapisan lensa yang baik,

2. Segi kosmetis, lensa terlihat tipis dan jernih,

3. Kenyamanan pemakai, lensa ringan dan tidak ada

distorsi.

Parameter Optik

Parameter optik, meliputi 4 hal, yang terdiri dari:

1. Index Bias

Merupakan perbandingan antara kecepatan cahaya di

ruang hampa dengan kecepatan cahaya pada media

tertentu. Jika cahaya yang dating melalui 2 media yang

berbeda index biasnya, akan terjadi pembiasan dan

sebagian kecil akan di pantulkan.

Makin besar perbedaan index bias antara kedua media

maka makin besar sudut refleksinya dan persentasi

cahaya yang di pantulkan. Index bias berbanding terbalik

dengan tebal tengah lensa, jadi makin tinggi index bias

suatu lensa maka makin tipis lensa tersebut dapat di

buat.

88

2. Daya dispersif (Sifat Bahan Lensa yang Membiaskan

Warna)

Bahan optic yang membiaskan warna ungu sampai

merah dengan sudut-sudut yang banyak berbeda di

sebut bahan yang mempunyai kekuatan dispersif besar

(nilai abbe kecil). Akibat yang di hasilkan dari penguraian

warna cahaya tersebut adanya aberasi warna yang

berpengaruh terhadap ketajaman objek.

3. Kejernihan

Bahan lensa yang baik harus jernih dan tidak berwarna,

seperti kristal atau air murni. Standar yang di pakai untuk

menentukan kejernihan secara internasional adalah

Haze Value.

Haze adalah partikel – partikel kecil, bias kotoran, debu,

gelembung udara, atau pigmen untuk menyerap cahaya

ultraviolet yang sengaja di campurkan di dalam bahan

lensa. Partikel – partikel tersebut di anggap menghambat

cahaya, jika tersebar dengan lebih besar dari 2.5 %.

Sedangkan bahan yang baik memiliki haze value lebih

eandah dari 1 %.

89

4. Warna Lensa

Sebagai patokan warna lensa yang baik atau tidak baik

untuk penilaiannya di pakai standar internasional, yaitu

(YI) Yellowness Index. Derajat kekuningan di dasarkan

pada deviasi dari putihnya warna air ke arah kuning,

dengan perhitungan panjang gelombang 570-580 nm

(nanometer). Sebagai patokan warna lensa yang baik /

tidak baik, untuk penilaiannya dipakai standart

international, yaitu Yellowness Index (YI).

Derajat kekuningan didasarkan pada deviasi dari

putihnya warna air kearah kuning, dengan perhitungan

panjang gelombang 570 – 580 nm.

Jika YI = 0, artinya sempurna

Jika YI > 0 , berarti kuning ( dipengaruhi index bias )

Jika YI < 0 , berarti warna lensa kebiru – biruan

Hampir semua lensa plastik kalau terkena sinar matahari

terus menerus atau disimpan lama akan berubah

warnanya menjadi kuning.

Parameter Fisis

Parameter fisis ini meliputi:

90

1. Berat Jenis, merupakan besaran yang akan menentukan

berat suatu lensa. Semakin rendah berat jenis suatu

bahan lensa, semakin ringan beratnya.

2. Bahan Lensa harus kuat dan ringan

Maksudnya adalah kuat terhadap benturan, tidak mudah

pecah, sehingga aman bagi pemakai, sedangkan ringan

tujuannya untuk kenyaman pemakai.

3.5. Lensa Menurut Material

Lensa Glass

Indek bias lensa gelas standart yang dipakai adalah crown glass

(1.523).

Indek bias sesuai bahan:

1. Barium Glass ……………………………… n = 1.600

2. High Lite ( Scoot ) ……………………….…n = 1.701

3. Ultra Index ………………………………….n = 1.806

Lensa Plastik

Indek bias lensa plastik standart yang dipakai adalah CR 39

(1.4 dan 1.5)

Indek bias sesuai bahan:

1. Polycarbonate ………………………….. n = 1.586

91

2. Hyper Index ………………. ……………n = 1.610

3. Super HI Index …………………….…… n = 1.67

Keuntungan Lensa Plastik dibanding Lensa Gelas:

1. 40 % lebih ringan

2. Tidak mudah pecah, sehingga aman dipakai

3. Dapat diberi warna

4. Tidak mudah berembun

5. Tersedia diameter lebih besar untuk kacamata yang

besar

6. Tersedia lensa Aspheris untuk power plus tinggi, ringan

dan tipis.

Kerugian Lensa Plastik dibanding Lensa Gelas:

1. Karena material tidak sekeras gelas, maka resiko tergores

lebih besar kemungkinannya

2. Dengan perbandingan perbedaan indek bias, maka lensa

plastik masih lebih tebal dibandingkan dengan lensa

gelas (Power sama ).

Lensa Menurut Banyaknya Fokus terdiri dari 3 bagian

yaitu:

92

1. Monofokus atau Single Vision Lens

2. Lensa Bifokus lensa yang memiliki 2 fokus yaitu :

Dp = Distant portion

Rp = Reading portion

Contoh : Bentuk Flattop, Kryptok, Curve top, etc.

3. Lensa Proggresive.

Lensa yang mempunyai banyak focus dan variasi daya

sedemikian rupa tanpa batas, yang memungkinkan para

presbyopia mampu melihat dengan jelas pada semua

jarak baik jarak jauh, sedang, ataupun dekat.

Bentuk Lensa

1. Lensa Plano/Plan/Datar, Lensa ini mempunyai

beberapa ciri, yaitu: Mempunyai kekuatan 0 (nol), Sinar

cahaya yang melewatinya di teruskan, tidak di biaskan,

Bayangan yang di lihat sama besarnya dengan objek

aslinya dan tebal tengah lensa itu sama dengan tebal

tepinya.

2. Lensa Cembung, Lensa ini mempunyai ciri: Mempunyai

kekauatan plus (+), Bersifat mengumpulkan sinar yang

melewatinya (Konvergen), Bayangan yang dilihat lebih

93

besar dari aslinya dan tebal tengah lensa itu lebih tebal

dari bagian tepinya.

3. Lensa Cekung, Lensa ini mempunyai ciri-ciri:

mempunyai kekuatan minus (-), bersifat menyebarkan

cahaya (Divergen), bayangan yang di lihat bisa lebih kecil

dari aslinya, dan tebal tepinya lebih tebal dari tebal

tengahnya.

Gambar 8. Jenis Lensa

Sebagian Istilah-istilah dalam Dunia Optik

OD/R = Oculus Dextra / Right = Mata Kanan

OS/L = Oculus Sinistra / Left = Mata Kiri

OU = Oculus Unistra = Mata Kanan Dan Kiri

Lensa Plus = + = Lensa Cembung

Lensa Minus = – = Lensa Cekung

94

Dioptri = D = Satuan Kekuatan Lensa

Sphere = S/Sph = Lensa Spheris

Cylinder = C/Cyl = Lensa Cylinder

Axis Cylinder = X = Sumbu Cylinder

Prisma Dioptri = = Satuan Kekuatan Prisma

Base In = B.I. = Arah Tebal dinasal

Base Out = B.O. = Arah Tebal ditemporal

Base Up = B.U. = Arah Tebal diatas

Base Down = B.D. = Arah Tebal dibawah

Addition = Add = Penambahan kekuatan Baca

Base Curve = B.C. = Lengkung Lensa

Centre Thick = C.T. = Tebal Tengah Lensa

Edge Thickness = E.T. = Tebal Tepi Lensa

Optical Centre = O.C. = Titik Focus

Straight Top/ = S.T./ = Segment Bagian Atas lurus,

Flattop = F.T.

Curve Top = C.T. = Segment Bagian Atas Lengkung

Segment High = S.H. = Tinggi Daerah Baca Lensa Bifocal

Pupil Vertical = P.V. = Tinggi Pupil

Pupil Distance = P.D. = Jarak antara kedua pupil mata

Kanan dan mata kiri

95

Distance Vitror = D.V. = Jarak titik focus lensa kanan dan

kiri pada kacamata

Monocular Pupil = MPD = Jarak antara tengah hidung

Distance dan pupil mata kanan / kiri

Geometrik = GCD = Jarak titik pusat rim kanan dan

centre Distance rim kiri

Index Bias = n = Ind

Sejarah Kacamata

Sejarah tertua dimiliki oleh masyarakat di kota kuno Niniwe.

Mereka telah mengenal “kaca mata”, yang sebenarnya lebih

berfungsi sebagai kaca pembesar dengan materi lensa bukan

dari kaca melainkan kristal. Bangsa Yunani kuno pun

mempunyai kaca pembesar berujud bola kaca berisi air. Baru

pada abad XII, hampir secara bersamaan kaca pembesar dari

kuarsa yang dipasang pada bingkai muncul di masyarakat

Cina dan Eropa.

Gambar 9. Kacamata

96

Melihat manfaat kaca pembesar, maka tahun 1268 Roger

Bacon, filsuf, ilmuan dan pembaharu pendidikan

berkebangsan Inggris, berpendapat perlunya lensa sebagai

peralatan optik. Namun tidak semua orang mau

menempatkan Bacon sebagai orang pertama pencetus

lahirnya kaca mata. Dengan bukti-bukti di tangan, ada yang

berpendapat kacamata kemungkinan besar lahir di Italia

pada ± tahun 1286. Sedangkan mengenai siapa penemunya

pun muncul dua versi, apakah Alessandro di Spina dari

Florence ataukah Florentine Salvina Armato.

Dalam waktu singkat, pada tahun 1300-an kacamata mulai

di produksi dengan pusat pembuatan di Venesia. Tapi

kacamata saat itu belum seperti sekarang. Kualitas lensanya

sederhana, pemakaiannya juga merepotkan.Alat baca yang

biasa dipakai para rahib dengan gangguan rabun dekat itu

hanya terdiri atas dua lensa yang disambung, tanpa tangkai.

Setelah menempelkan sambungan di batang hidung, sang

pemakai harus terus menerus memeganginya. Meski lambat

laun sambungannya makin kuat, kacamata tersebut tetap

dianggap berbahaya.

97

Berbagai macam percobaan dilakukan untuk menemukan

cara terbaik dan teraman mengenakan kacamata. Ada yang

memasang lempengan logam panjang yang dipasang mulai

dari batang hidung hingga kebagian tengah kepala lalu turun

ke bagian leher. Karena pemasangan yang rumit dan tidak

praktis, kacamata itu pun tidak diminati

Model lain adalah dengan rantai kecil yang dipasang pada

kedua sisi kacamata. Kemudian rantai ini diikatkan di bagian

belakang kepala, layaknya kacamata khusus bagi perenang

atau pengendara sepeda motor. Ada lagi yang mengaitkan

kacamata pada topi. Ini pun merepotkan, bahkan

mengganggu, terutama saat harus membaca di dalam

ruangan atau membuka topi untuk memberi salam.

Akhirnya, ada orang yang cukup kreatif dengan memasang

tangkai, sehingga kacamata dapat “berpegangan” pada

telinga.

Perkembangan selanjutnya adalah saat berhasil

ditemukannya kacamata bifokus, yang memiliki sekaligus

lensa cembung dan lensa cekung dalam satu bingkai. Tahun

1784 kacamata bifokus pertama di dunia dibuat oleh

98

Benjamin Franklin – politikus, penulis, sekaligus ilmuwan

Amerika. Namun alat optik yang bisa membuatnya nyaman

saat melakukan perjalanan, karena selain dapat menikmati

pemandangan alam juga sekaligus membaca buku-buku

kegemarannya, masih sederhana bentuknya. Setelah berhasil

memisahkan kaca cembung dan cekung, ia memotong

secara horizontal masing-masing lensa stersebut dibagian

tangan. Kemudian dengan dijepit oleh bingkai, potongan

lensa cembung ditumpankan di atas potongan lensa

cembung.

Hingga tahun 1884 masih juga dihasilkan lensa bifokus yang

dibuat dari potongan-potongan, meski sudah berperekat.

Barulah pada tahun 1908 dan 1910 dikenal lensa cembung

cekung yang benar-benar menyatu dalam satu lensa. Materi

lensa pun turut berkembang, yang mula-mula dari kuarsa,

selanjutnya dibuatlah lensa kaca. Beberapa dekade terakhir,

pilihan lensa pun makin beragam saat diperkenalkan lensa

plastik. Tahun 1888 di Prancis diproduksi lensa kontak

pertama sebagai alat kesehatan, karena gangguan pandangan

si penderita tidak mungkin lagi dibantu dengan kaca mata

biasa. Namun lensa itu hanya dipakai beberapa orang, itu

99

pun terpaksa. Saat dipasang lensa kontak yang terbuat dari

kaca tersebut akan menutupi seluruh bagian depan mata.

Untunglah, pada 1938 ditemukan lensa kontak plastik. Satu

dekade kemudian, mulai diperkenalkan lensa kontak yang

hanya menutupi kornea.

Kacamata Menurut Bahan

Kacamata itu di kelompokkan menurut bahannya, simak

kelanjutannya.

1. Frame Metal, namanya metal yang terkesan adalah

logam, sedangkan pada logam, ada nikel, titanium, emas

dan yang lainnya. Nikel banyak dipakai tapi bisa

menimbulkan alergi dan bisa berkarat. Titanium adalah

bahan yang sangat ringan dan tahan terhadap keringat,

tidak mudah karat, tidak menimbulkan alergi ke kulit

pemakai. Emas sendiri bisa di kelompokkan menjadi

beberapa, misal ada Fine gold yaitu semua bahan dari

emas, kecuali bagian temple tip dan nose pad frame

lunak,mudah patah dan tergores. Ada Solid gold yaitu

keseluruhan bahan frame terbuat dari emas 18 K. Ada

Gold Filled yaitu bahan dasar metal dicampur dengan

emas. Juga ada Gold Platted yaitu bahan dasar metal

100

terus di lapisi emas. Terakhir Frame warna yaitu frame

metal yang di beri warna dan ini banyak sekali kita

jumpai tentunya.

2. Frame Plastik, kalau yang ini pastinya bahannya terdiri

dari plastik. Bahan plastik sendiri bisa dari:

a. Cellulloid Nitrate, bahan ini mempunyai ciri-ciri

sebagai berikut:

- Biasanya pada bagian temple didalamnya ada

metal

- Lebih mengkilap

- Mudah terbakar pada suhu 360 derajat F.

- Lebih tebal serta berat

- Tahan terhadap perubahan suhu

b. Celluloid Acetat, bahan ini mempunyai ciri-ciri

sebagai berikut:

Memerlukan pemanasan secukupnya

- Tidak mudah terbakar

- Kuat walaupun lebih tipis

- Tahan terhadap zat kimia

- Mempunyai sifat getas

101

- Harus dengan suhu tinggi dalam penyetelan

- Biasanya tertulis symbol optyl dibagian temple

c. Optyl, nah yang ini yang beda dari yang lainnya:

- Tahan terhadap zat kimia

- Mempunyai sifat getas

- Harus dengan suhu tinggi dalam penyetelan

- Biasanya tertulis symbol optyl dibagian temple

Kacamata menurut fungsinya mempunyai fungsi untuk

mengkoreksi kelainan refraksi seperti:

1. Myopia, Di koreksi dengan lensa spheres minus (-)

2. Hypermetropia, Di koreksi dengan lensa spheres plus

(+)

3. Astigmatisme, Di koreksi dengan lensa spheres cylinder

4. Perbyopia, Di koreksi dengan lensa plus addition

Heterophoria, Di koreksi dengan lensa prisma, yang di

sesuaikan dengan arah base.

Lensa Kacamata Menurut Ukuran

Lensa kacamata punya ukuran, meskipun kadang juga

normal, nah normal itu juga ukuran, sebagaimana ada yang

102

minus, plus cylinder bahkan prisma. golongan lensa

kacamata menurut ukurannya.

1. Spheris (Sph) dengan simbol S

Lensa Spheris adalah lensa dimana semua meridiannya

mempunyai kekuatan yang sama. Lensa itu jika di ukur

dengan alat ukur kekuatan lensa yaitu lensometer, maka

mau di tengah, di tengah agak pinggir, di pinggir maka

akan ditunjukan dengan nilai ukuran yang sama, misal S-

1.00 D, S+1.00D.

Gambar 10. Speris

2. Cylinder (Cyl) dengan simbol C

Lensa Cylinder adalah lensa mempunyai kekuatan yang

berbeda pada meridian yang saling tegak lurus. Jadi misal

(lihat gambar di atas) pada 0 searah 180 itu kekuatannya

-1.00D maka pada garis 90 kekuatannya tidak -1.00D.

103

Selisih dari kekuatan yang saling tegak lurus itu adalah

nilai cylindernya.

Contoh:

Pada 0 = -1.00 D, Pada 90 = -2.50 D >>>> maka

Cylindernya adalah C-1.50D. Karena cylinder mengenal

daerah meredian yang berhubungan dengan derajat,

maka lensa cylider itu mempunyai axis atau sumbu,

dimana sumbu atau axis lensa cylinder itu terletak pada

meredian yang mempunyai kekuatan (secara aljabar)

TERBESAR, maksudnya -1.00 itu lebih BESAR dari

pada -4.00, sehingga jika pada meridian 0 = -1.00 dan

pada meridian 90 = -4.00, maka ukuran lensa itu adalah:

S-1.00 C-3.00 x 0.

Photochromic Lenses

Lensa berubah warna atau “Photochromic lenses”. Lensa

berubah warna hanya bisa berubah warna jika terkena sinar

ultra violet, yang terutama oleh matahari. Pertama kalinya

lensa ini di kembangkan oleh Corning pada tahun 1960-an.

Dan akhirnya juga jenis plastik di kembangkan.

104

Gambar 11. Kacamata dengan Lensa Photochronic

Lensa ini pertama di jual oleh American Optik pada tahun

1980. Untuk suksesnya penjualan jenis plastik pada tahun

1991 -an yang diperkenalkan oleh Transition Optikal. Jenis

glass, merupakan pemberian campuran pada material aslinya

berupa microcrystalline silver halides (biasanya silver

chloride), kalau plastik biasanya oxazines atau

naphthopyrans. Tingkat perubahan lensa itu tergantung dari

produk masing-masing, ada yang cepat dan kembalinya juga

cepat, juga ada yang agak lambat.

105

BAB 4 – CONTOH DINAMIKA IPTEK

4.1. Teknologi LASIK

LASIK merupakan sebuah penerapan teknologi dengan

bantuan LASER sebagai alat koreksi kesalahan bias mata

manusia. Mata manusia sendiri merupakan sebuah sistem

optik yang hidup dan memiliki karakteristik yang beragam

antarmanusia satu dengan yang lainnya. Gambar 1

merupakan skematik bola mata manusia.

Gambar 1. Skema Bola Mata Manusia

106

Gambar 2. Cacat Mata pada Manusia

107

Dalam kesehariannya, fungsi mata manusia dapat melemah

dan tidak dapat bekerja secara maksimal dikarenakan adanya

kelainan pada salah satu bagiannya. Contoh yang paling

umum adalah ketidakmampuan lensa untuk berubah dan

membiaskan cahaya tepat pada retina. Akibatnya citra yang

ditangkap berada di depan atau di belakang retina. Hal inilah

yang disebut dengan rabun jauh (myopia), rabun dekat

(hypermyopia), dan astigmatisme, seperti ditunjukkan oleh

Gambar 2.

Untuk mengoreksi bayangan agar jatuh tepat pada retina,

maka digunakanlah alat bantu pada mata. Alat bantu yang

digunakan secara umum adalah kacamata atau lensa kontak.

Alat ini didesain khusus sesuai dengan jenis kelainan pada

mata, apakah rabun dekat, rabun jauh atau astigmatisme.

Seiring dengan berkembangnya teknologi, maka

ditemukannya teknologi LASIK sebagai alat koreksi

kelainan bias pada mata manusia.

4.1.1 Teori atau Konsep

Berdasarkan konsep dari sudut pandang Teknik Fisika,

maka asal mula LASIK dibagi menjadi tiga bagian.

108

Secara Fisika, sangat penting untuk mempelajari proses

pembiasan cahaya yang terjadi di dalam mata manusia. Mata

manusia sendiri terdiri dari banyak air agar cahaya dapat

diteruskan dan terdapat lensa mata agar cahaya yang masuk

dapat dibiaskan tepat menuju retina. Teori yang menjadi

dasar hukum pembiasan cahaya adalah Hukum Snellius,

yang berbunyi:

1. Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak

pada sebuah bidang datar

2. Sudut datang sama dengan sudut pantul

Selain konsep mengenai mata manusia, terdapat juga konsep

mengenai LASER sebagai alat yang digunakan untuk proses

LASIK. Teori dasar dari LASER berangkat dari cahaya

sebagai partikel oleh Max Planck, yaitu cahaya merupakan

gelombang elektromagnet yang terpancar berupa paket-

paket energi yang disebut foton.

Sebuah atom terdiri dari inti atom yang disebut nukleus

(berisi proton dan netron), dan awan elektron, dapat dilihat

pada Gambar 3. Elektron-elektron ini selalu berputar

109

mengelilingi inti atom pada orbit-orbit tertentu, sesuai

dengan tingkat energinya.

Gambar 3 Striktur Atom

Orbit elektron yang memiliki tingkat energi paling rendah

adalah yang paling dekat dengan inti. Jadi, semakin jauh

elektron dari inti, semakin tinggi pula tingkat energinya.

Gambar 4. Eksitasi Elektron

110

Elektron yang berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi

ini (excited electron) berada dalam keadaan tidak stabil,

dapat dilihat pada Gambar 4. Elektron ini selalu berusaha

untuk kembali ke keadaan awalnya dengan cara melepaskan

kelebihan energi tersebut. Energi yang dilepaskan berbentuk

foton (energi cahaya) yang memiliki panjang gelombang

tertentu (warna tertentu) sesuai dengan tingkat energinya.

Pada Gambar 5 menunjukkan kembalinya elektron ke

tingkat energi semula disertai emisi cahaya.

Gambar 5. Perpindahan Energi ke Tingkat Lebih Rendah

Menyebabkan Emisi Cahaya

Secara matematika, maka perjalanan cahaya pada mata dapat

dihitung pembiasannya. Dari pembiasan tersebut dapat

diketahui berapa jarak fokus yang dimiliki lensa.

111

Berdasarkan jarak fokus ini, akan diketahui kekuatan dari

lensa mata manusia.

Perjalanan cahaya pada mata manusia mengalami lima

macam pembiasan, dengan indeks bias berbeda yaitu:

1. udara (n = 1,00)

2. kornea ( n = 1,38)

3. aqueous humor ( n = 1,33)

4. lensa ( n = 1,4)

Secara kolektif, semua bidang batas berperan pada

pembiasan sinar untuk membentuk bayangan di retina,

tetapi persentase terbesar terjadi pada bidang batas udara –

kornea. Mata memiliki jarak bayangan yang tetap karena

jarak antara lensa mata dan retina sebagai layar selalu tetap.

Dalam pemfokusan, pengaturan jarak fokus lensa di atur

oleh otot siliar. Bagi penderita rabun jauh, rabun dekat, dan

silindiris, otot siliar tidak dapat mengendalikan lensa mata

dengan baik. Akibatnya bayangan tidak difokuskan secara

tepat ke retina oleh lensa mata.

112

Kekuatan sebuah lensa dicirikan dengan kemampuannya

untuk mengumpulkan atau menyebarkan sinar yang

dibiaskan. Jika sebuah lensa memiliki jarak fokus yang besar,

maka lensa tersebut lemah dalam mengumpulkan atau

menyebarkan sinar sehingga dikatakan memiliki kekuatan

lensa yang kecil. Besarnya kekuatan lensa akan berbanding

terbalik dengan jarak fokusnya. Dengan demikian, dapat

disimpulkan bahwa kekuatan lensa merupakan harga

kebalikan dari jarak fokus lensa tersebut dan ditulis:

P = 1 / f

dimana, P = kekuatan lensa (dioptri)

f = jarak fokus lensa (meter)

Sedangkan konsep matematika mengenai perilaku

perpindahan elektron dari tingkat energi yang satu ke tingkat

energi yang lain ditulis:

hv12 = |E1 − E2|

dimana, E1 − E2 = perpindahan level energi

113

h = konstanta Planck

v12 = frekuensi

Secara Teknik, maka dilakukan kombinasi mengenai

konsep secara fisika dan matematika. Pada kelainan mata

manusia akibat dari kesalahan bias, dapat dikoreksi dengan

metode konvensional menggunakan kacamata atau lensa

kontak. Prinsip kerjanya adalah membantu memfokuskan

atau menyebarkan cahaya menuju ke lensa agar nanti dapat

difokuskan tepat menuju retina.

− Penderita rabun jauh memiliki lensa mata yang terlalu

cembung, sehingga pada saat melihat dari jarak yang

jauh lensa mata tetap cembung dan mengakibatkan

bayangan benda jatuh di depan retina. Untuk

merekayasa agar bayangan jatuh tepat di retina, maka

digunakanlah kacamata atau lensa kontak cekung.

Tujuannya agar cahaya yang dibiaskan seolah-olah

berasal dari dekat, sehingga lensa mata yang berbentuk

cembung dapat memfokuskan tepat di retina.

− Bagi penderita rabun dekat memiliki lensa mata yang

terlalu pipih, sehingga pada saat melihat dari jarak yang

dekat lensa mata tetap pipih dan mengakibatkan

114

bayangan benda jatuh di belakang retina. Untuk

merekayasa agar bayangan jatuh tepat di retina, maka

digunakanlah kacamata atau lensa kontak cembung.

Tujuannya agar cahaya yang dibiaskan seolah-olah

berasal dari jauh, sehingga lensa mata yang pipih dapat

memfokuskan tepat di retina.

Jadi, secara teknik dilakukan rekayasa cahaya yang datang

dengan menggunakan bantuan lensa kacamata atau lensa

kontak. Sebelumnya dengan menghitung terlebih dahulu

berapa kekuatan dari lensa mata, agar selanjutnya dapat

ditentukan berapa kekuatan lensa bantuan yang dibutuhkan.

Sedangkan konsep teknik yang digunakan dari adanya emisi

terstimulasi adalah latar belakang terciptanya LASER.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation), yaitu penguatan cahaya melalui pancaran radiasi

yang terangsang. Berkas cahaya tersebut dihasilkan oleh

adanya rangsangan (stimulasi) dari luar berupa energi foton

yang diinteraksikan terhadap bahan aktif LASER. Emisi

cahaya LASER memiliki sifat monokromatik, koheren dan

115

single phase. Untuk membangkitkan sinar LASER ini, maka

dibutuhkan tiga komponen penting, yaitu:

− Medium aktif, untuk menguatkan cahaya

− Pumping source, untuk mengeksitasi medium aktif

− Optical resonator, untuk memantulkan cahaya dan keluar

menjadi sinar LASER.

Jadi, berdasarkan konsep perpindahan antar pita energi yang

mengemisikan foton, dapat dibuat device untuk

mengumpulkan foton tersebut menjadi satu keluaran yang

disebut sinar LASER.

Gambar 6. Skema LASER

116

4.1.2 Teknologi

Teknologi yang melatarbelakangi LASIK adalah berasal dari

penemuan alat bantu koreksi kesalahan bias berupa lensa

kacamata dan lensa kontak. Konsep dasar tentang fisika,

matematika, dan teknik dari mata manusia dan LASER telah

dijelaskan pada sub bagian sebelumnya. Sehingga

selanjutnya adalah penggabungan dari kedua konsep ini.

Berawal dari rekayasa sebuah alat optik yang menjadikan

cahaya masuk mata seolah-olah berubah jarak datangnya,

maka LASIK menjadikan kornea mata sebagai objek yang

direkayasa. Caranya melalui pembentukan ulang kornea

mata, yang pengerjaannya menggunakan bantuan sinar

LASER. Pada LASIK ini, dengan memanfaatkan energi

panas dari sinar LASER dapat memberikan efek

photoablation, yaitu kerusakan suatu jaringan pada makhluk

hidup akibat panas dari sinar LASER, tepatnya di pada

kornea mata manusia. Hal inilah yang akhirnya

melatarbelakangi perkembangan teknologi untuk mengatasi

kelainan pada mata manusia tanpa bantuan kacamata atau

lensa kontak.

117

4.1.3 Aplikasi

LASIK - LASER Assisted in SItu Keratomileusis adalah

salah satu teknik tindakan bedah refraksi yang menggunakan

pemanduan LASER sebagai alat bantu koreksi kelainan

pembiasan miopia, hipermetropia, dan astigmatis dengan

mengubah bentuk kornea.

Gambar 7. Definisi LASIK

Melalui teknologi LASER, cacat mata dapat diperbaiki

dengan melakukan penyinaran terhadap kornea mata untuk

memperbaiki penglihatan. Dengan memodifikasi kornea

mata, maka akan terjadi perubahan pembiasan cahaya dari

udara menuju kornea mata dan lensa. Sehingga lensa mampu

membiaskan bayangan secara sempurna tepat pada retina.

Sejarah LASIK pertama kali dilakukan oleh ahli mata Jose

Barraquer, sekitar 1950 di klinik di Bogota, Kolombia.

118

Pengembangan pertama yaitu microkeratome, digunakan

untuk memotong lapisan penutup di kornea dan mengubah

bentuk-nya, yang disebut keratomileusis.

Pada tahun 1968 di Northrup Corporation Pusat Riset dan

Teknologi dari Universitas California, Lal Mani Bhaumik

dan sekelompok ilmuwan bekerja pada perkembangan

karbon dioksida-LASER. Pekerjaan mereka berkembang

menjadi apa yang disebut LASER Excimer. LASER jenis ini

akan menjadi dasar untuk operasi bias mata. Dr Bhaumik

mengumumkan timnya dari terobosan pada bulan Mei 1973

di sebuah pertemuan di Denver Optical Society of Amerika

di Denver, Colorado. Kemudian dia mempatenkan

penemuan itu. Istilah umum untuk mengubah pasien optik

dengan cara pengukuran suatu operasi adalah Refractive

Surgery. Pada tahun 1980, Srinivasan, bekerja di IBM

Research Lab, menemukan bahwa suatu LASER Excimer

ultraungu mengetsa dapat hidup dalam jaringan yang tepat

dengan cara tidak panas kerusakan pada daerah sekitarnya.

Hal ini dinamakan fenomena Ablative Photodecomposition

(APD). [3] Stephen Trokel menerbitkan karya dalam

American Journal of Ophthalmology di 1983 outlining

119

potensi manfaat menggunakan LASER Excimer di

refractive surgeries. Hak paten pertama untuk LASER

koreksi dari kornea menggunakan LASER Excimer

diberikan ke Dr. Steven Trokel.

Hak paten pertama untuk LASIK diberikan oleh US Patent

Office ke Dr Gholam A. Peyman pada 20 Juni 1989, US

Patent 4840175, "Metode untuk memodifikasi

kelengkungan corneal ", yang meliputi prosedur operasi di

mana sebuah flap di potong pada kornea dan diambil

kembali. Permukaan yang terkena kemudian dimanipulasi ke

bentuk yang dikehendaki dengan LASER Excimer.

Percobaan pertama FDA dari LASER Excimer dimulai

pada tahun 1989. LASER ini tidak tersedia untuk semua

dokter selain sepuluh dipilih oleh FDA untuk Visx

persidangan. Pertama menggunakan LASER adalah untuk

mengubah bentuk permukaan kornea, yang dikenal sebagai

PRK. Dr Joseph Dello Russo adalah salah satu dari sepuluh

asli FDA peneliti yang diuji dan mendapat persetujuan

untuk Visx LASER. LASIK konsep yang pertama kali

diperkenalkan oleh Dr Palliakaris pada tahun 1992 untuk

120

kelompok sepuluh Dokter Ahli Bedah yang dipilih oleh

FDA untuk menguji Visx LASER di AS.

LASER yang digunakan untuk LASIK berupa LASER

Excimer, dimana LASER ini memancarkan Pulse Wave

dengan panjang gelombang sebesar 193 nm. Panas yang

dihasilkan dari penyinaran ini menyebabkan photoablation.

LASER Excimer sendiri adalah LASER yang memiliki

kemampuan fokus yang luar biasa. LASER ini dapat

difokuskan hingga berukuran 0,25 mikrometer. Diameter

rambut manusia rata-rata 50 mikrometer, yang berarti

LASER Excimer yang mampu mengeluarkan jaringan pada

mata sebesar 0,5 persen dari luas penampang rambut

manusia. LASER Excimer adalah LASER yang dingin, yang

berarti bahwa ia tidak memanaskan udara di sekitarnya atau

permukaan. LASER excimer adalah campuran gas, biasanya

berisi gas mulia (argon, kripton, atau xenon) dan halogen

(fluor atau klor).

Prosedur Kerja LASIK

Sebelum dilakukan penyinaran, para ahli LASIK tentunya

telah melakukan penghitungan terlebih dahulu terhadap

121

mata pasien. Penghitungan yang dilakukan adalah refractive

error atau kesalahan bias yang terjadi pada mata, kemudian

menghitung ketebalan kornea, dan terakhir menghitung

lengkungan kornea.

a. Mengetahui refractive error (kesalahan bias)

RP = pupil radius in mm, a value of 5.0 is used

n = corneal refractive index , a value of 1.377 is used

b. Mengetahui ketebalan kornea

Gambar 8. Data Topografi Kornea

122

Gambar 9. Sistem Koordinat dengan Proses Pemetaan

c. Mengetahui Bentuk dan Lengkungan Kornea

Gambar 10. Bentuk dan Lengkungan Kornea

123

R is the radius of the fitted sphere, a, b, and c are the

coordinates of the center of the fitted sphere. Once R is

obtained, the power, D

Prinsip Kerja LASIK

Prinsip Kerja dari LASIK setelah melakukan penghitungan

adalah mengubah bentuk kornea, tahap-tahap nya dapat

dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Tahap - tahap Operasi LASIK

Memasang cincin

penghisapan secara

memusat di kornea mata

Menghasilkan penutup

parsial dalam kornea mata

dengan ketebalan yang

sama

124

Melakukan penyayatan

penutup kornea dengan

Microceratome

Membuka penutup kornea

sehingga bagian kornea

mata terlihat dengan jelas

Excimer LASER kemudian

disinarkan untuk

memindahkan jaringan dan

membentuk kembali

kornea mata.

Menutup kembali penutup

kornea mata

Pengembangan teknologi terbaru adalah adanya alternatif

lain dalam membuka penutup kornea mata dengan

125

menggunakan fentosecond LASER. Alternatif ini digunakan

untuk pasien dengan kornea yang terlalu datar atau pipih,

sehingga tidak memungkinkan bagi microceratome untuk

melakukan penyayatan.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa teknologi

LASIK ini digunakan untuk melakukan koreksi kesalahan

bias pada rabun jauh, rabun dekat, dan astigmatisme.

- Pada rabun jauh, dimana lensa mata terlalu cembung,

maka dilakukan koreksi pada kornea melalui penyinaran

LASER di pusat kornea. Tujuannya untuk mengurangi

kecembungan pada kornea, sehingga cahaya yang nanti

dibiaskan menuju lensa mata yang cembung seolah-olah

datang dari jarak yang jauh dan difokuskan tepat pada

retina.

- Pada rabun dekat, dimana lensa mata tidak dapat

cembung secara maksimum, maka dilakukan koreksi

pada kornea melalui penyinaran LASER di tepi kornea.

Tujuannya untuk membentuk kecembungan pada

kornea, sehingga cahaya yang nanti dibiaskan menuju

lensa mata yang pipih seolah-olah datang dari jarak yang

dekat dan difokuskan tepat pada retina.

126

- Pada astigmatisme, dimana terdapat kelainan kornea

mata yang lengkungannya tidak merata dan cenderung

berbentuk seperti telur. Sebenarnya astigmatisme tidak

bermasalah jika tidak diikuti oleh rabun jauh atau rabun

dekat. Tetapi pada saat diikuti dengan rabun jauh, maka

pusat kornea mata disinari dengan LASER dengan

luasan berbentuk oval. Sebaliknya, jika diikuti dengan

rabun dekat, maka tepi pusat kornea mata yang disinari

LASER dengan luasan berbentuk oval.

Beberapa jenis perlakuan pada kelainan mata dengan LASIK

dapat dilihat pada Tabel 2.

Pada saat menjalani prosedur ini, pasien akan mendengar

suara mekanik dari mikrokeratom dan tembakan LASER,

namun tidak merasakan sakit. Setelah itu pasien akan diberi

obat tetes mata berupa antibiotic, lubrikan dan obat minum

bila diperlukan dengan bertujuan untuk mencegah infeksi

dan menghilangkan rasa kering pada mata.

127

Tabel 2. Metode Penyinaran LASER Berdasarkan Jenis

Kelainan pada Mata

Rabun Jauh

LASER disinarkan

terpusat pada kornea,

tujuannya untuk

mengurangi

kelengkungan berlebihan

Rabun Dekat

LASER disinarkan pada

sekeliling pusat kornea,

tujuannya untuk

meningkatkan

kelengkungan pusat.

Astigmatisme

LASER disinarkan pada

pusat /sekeliling kornea,

dengan luasan berbentuk

oval, tujuannya untuk

meratakan lengkungan

mata

128

4.1.4 Dampak

Setiap aplikasi dari teknologi memiliki dampak positif dan

negatif bagi penggunanya. Berikut ini adalah dampak positif

dan negatif dari LASIK.

a. Kelebihan

- Menghilangkan ketergantungan pada pemakaian

kacamata atau lensa kontak

- Tidak memerlukan rawat inap, Tanpa rasa sakit

- Tidak perlu disuntik, tapi cukup menggunakan

anastesi melalui tetes mata

- Penyembuhan berjalan relatif cepat dan penglihatan

pun cepat membaik

- Operasi singkat, Memiliki tingkat keberhasilan

hingga 90%

b. Kekurangan

- Biaya operasi mahal

- Pasien tetap sadar selama operasi berlangsung

- Kemungkinan kelebihan atau kekurangan refraksi

- Setelah operasi mata mungkin saja terasa berpasir

dan sensitif terhadap cahaya, bahkan mengalami

corneal flap yang membuka kembali

- Pasien bisa saja kehilangan penglihatannya

129

LASIK merupakan pengobatan dengan keikutsertaan

teknologi yang sangat rumit dan tinggi. Pertama adalah

tentang teknologi yang digunakan untuk mendeteksi kontur

dari mata manusia. Kita tahu bahwa mata merupakan optika

dari Tuhan yang terdiri banyak sel dan jaringan dengan

ukuran mikro. Dalam melakukan pembentukan ulang

kornea yang hanya memiliki tebal sebesar 0.8 hingga 1 mm,

pasti sangat beresiko tinggi jika terdapat kesalahan dalam

penghitungan. Sekali melakukan kesalahan akan berakibat

fatal, karena tidak ada pengganti atau yang bisa

menggantikan sesuatu ciptaan dari Tuhan.

Kedua adalah teknologi yang digunakan untuk membentuk,

yaitu teknologi LASER. Teknologi ini merupakan buatan

manusia dan pasti masih memiliki beberapa efek negatif dari

penggunaannya. Oleh karena itu masih akan terus dilakukan

pengembangan dalam aplikasinya. Misalnya pengembangan

femtosecond LASER untuk membuka lapisan penutup kornea

menggantikan microceratome. Kemudian pemasangan pupil

tracking agar pada saat penyinaran LASER tetap berada di

bagian yang disinari meskipun bola mata sedang bergerak.

130

Salah satu keluhan dari LASIK adalah penutup kornea yang

terbuka kembali setelah tindakan pasca LASIK.

Pengembangan selanjutnya dapat difokuskan mengenai

proses penyinaran, yang tidak perlu dilakukan dibawah

penutup kornea. Tetapi perlu diadakan perlakuan khusus

pada kornea setalah disinari, seperti menanamkan implan

yang sejenis dengan penutup kornea.

4.2. Teknologi Li-Fi

Bidang energi terbarukan dan Instrumentasi kontrol

(industri dan medis) merupakan bidang-bidang kajian

Teknik Fisika yang terus dikembangkan, baik pada ranah

konsep/teori sampai aplikasi di berbagai bidang. Berikan

contoh eksplisit salah satu konsep atau produk/proses

teknologi (preferable terbaru) di salah satu bidang tersebut dan

jelaskan aspek-aspek fisis dan desain yang terkait dengan

realisasi dan aplikasi produk tersebut. Tunjukkan benang

merah yang menghubungkan aspek hulu-hilir dari produk

tersebut (tidak menafikan kemungkinan interaksi dengan

bidang kajian Teknik Fisika yang lain).

131

Proses teknologi terbaru yang sedang menjadi perbincangan

saat ini adalah teknologi Li-Fi. Li-Fi, Light Fidelity,

merupakan suatu sistem komunikasi nirkabel dengan

menggunakan cahaya sebagai media transmisi. Berbeda

dengan fiber optic yang menggunakan transmisi cahaya

menggunakan serat optik melalui konsep hukum snellius,

Li-Fi memanfaatkan pancaran cahaya dari lampu LED.

Konsep Li-FI sama seperti Wi-Fi, Wireless Fidelity, hanya saja

gelombang dalam media transmisi tidak menggunakan

gelombang radio seperti Wi-Fi, tetapi menggunakan

gelombang cahaya tampak. Teknologi ini merupakan salah

satu pengembangan terbaru dalam bidang instrumentasi

kontrol di industri.

Pada tulisan ini, saya memulai dari dampak Dampak dari

banyaknya penggunaaannya teknologi komunikasi yang

menggunakan wireless dalam rentang gelombang radio,

sedangkan bandwidth yang ada hanya terbatas. Padahal

jumlah manusia di bumi akan semakin banyak, sehingga

kebutuhan komunikasi semakin meningkat dan transfer data

akan sangat ramai dan padat. Mengingat bahwa cahaya yang

ditransmisikan dalam komunikasi fiber optik mampu

132

mentransmisikan banyak data dengan kecepatan tinggi,

maka dikembangkan komunikasi cahaya tampak secara

wireless. Kemudian dari dampak saya menuju teori/konsep

yang menjelaskan dasar teori teknologi komunikasi cahaya

tampak. Kemudian, dari teori/konsep, selanjutnya menuju

ke teknologi dan terakhir mengenai aplikasinya.

4.2.1 Teori atau Konsep

Meninjau teori atau konsep dari sudut pandang Teknik

Fisika, maka asal mula Li-Fi dibagi menjadi tiga bagian,

yaitu:

Secara Fisika, berdasarkan teori Max Planck, yaitu cahaya

merupakan gelombang elektromagnet yang terpancar

berupa paket-paket energi yang disebut foton. Foton dari

cahaya tampak ini daoat membawa sinyal-sinyal yang tidak

dapat terlihat oleh mata manusia. Sinyal-sinyal ini nantinya

diubah ke dalam bentuk kode biner sehingga informasi yang

dibawa dapat diterjemahkan.

133

Gambar 11. Sampling Sinyal Teorema Nyquist

Sedangkan untuk mengetahui jangkauan panjang

gelombang atau frekuensi sinyal yang akan ditransmisikan,

dapat menggunakan prinsip teorema Nyquist yang berlaku.

Teorema Nyquist yaitu dimana frekuensi sampling (Fs)

minimum adalah 2 kali frekuensi sinyal analog yang akan

dikonversi (Finmax). Misalnya sinyal analog yang akan

dikonversi mempunyai frekuensi sebesar 100Hz maka

134

frekuensi sampling minimum adalah 200Hz. Sebaliknya, jika

frekuensi sampling sebesar 200Hz maka sinyal analog yang

akan dikonversi harus mempunyai frekuensi maksimum

100Hz. Apabila kriteria Nyquist tidak dipenuhi maka akan

timbul efek yang disebut aliasing karena frekuensi tertentu

terlihat sebagai frekuensi yang lain (menjadi alias dari

frekuensi lain). Ilustrasi teorema Nyquist ditunjukkan oleh

Gambar 11.

Secara Matematika, telah dijelaskan bahwa cahaya yang

dipancarkan memiliki sinyal-sinyal, jika sinyal tersebut

dilakukan sampling dengan persamaan teorema Nyquist

bahwa 𝑓𝑓𝑠𝑠 > 2𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥

Dengan : 𝑓𝑓𝑠𝑠 = frekuensi sampling

𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖𝑚𝑚𝑎𝑎𝑥𝑥 = frekuensi analog

Berdasarkan persamaan tersebut, maka informasi dan data

dapat ditumpangkan ke gelombang cahaya dan selanjutnya

ditransmisikan oleh cahaya tersebut. Sehingga dari

matematik ini dapat dikembangkan teknologi mengenai

transmitter, receiver, multiplexer, dan demultiplexer dalam

135

pemrosesan sinyal digitalnya. Karena sinyal digital yang

dalam kode biner ini yang nantinya mampu dibaca dan

diterjemahkan sebagai informasi oleh manusia, baik dalam

bentuk data, suara, gambar, atau video.

Secara Teknik, maka dilakukan kombinasi mengenai konsep

secara fisika dan matematika. Pada foton, cahaya tampak ini

daoat membawa sinyal-sinyal yang tidak dapat terlihat oleh

mata manusia. Pada konsep Li-Fi, dimana medium

transmisinya adalah cahaya, maka sinyal-sinyal dari cahaya

ini yang membawa informasi. Menggunakan teknologi

LED, Light Emitting Diodes, sebagai transmitter yang mampu

memberikan kedipan cahaya tampak yang sangat cepat

sebanyak jutaan kali per detiknya. Karena kedipan yang

sangat cepat ini, maka akan terdapat banyak sekali informasi

data yang dibawa dalam kedipan yang sangat rapat dari LED

tersebut. Kedipan teersebut merupakan sinyal-sinyal yang

selanjutnya dapat diterjemahkan ke dalam kode biner.

Karena kedipan LED merupakan sinyal, maka menurut

teorema Nyquist sinyal tersebut dapat dibawa oleh

gelombang lain, misal cahaya untuk ditransmisikan.

Selanjutnya setelah setelah sinyal tersebut dibawa, maka

136

akan ada photodetector yang berfungsi sebagai receiver, yaitu

menangkap sinyal-sinyal cahaya tersebut. Selanjutnya sinyal-

sinyal akan kembali dikodekan oleh encoder sehingga dapat

menjadi informasi berupa data, suara, gambar, atau video.

4.2.2 Teknologi

Li-Fi merupakan suatu sistem komunikasi nirkabel

menggunakan cahaya sebagai media transmisi. Berbeda

dengan fiber optic yang menggunakan transmisi cahaya

menggunakan serat optik melalui konsep hukum snellius,

Li-Fi menggunakan pancaran cahaya dari lampu LED.

Teknik dari Li-Fi ini mengacu teknik dari Wi-FI, Wireless

Fidelity, hanya saja yang membedakan adalah gelombang

elektromagnetik yang menjadi media transmisi. Pada Li-Fi

menggunakan cahaya tampak, sedangkan pada Wi-Fi

menggunakan gelombang radio. Melalui cahaya tampak

dengan frekuensi yang lebih tinggi dibandingkan gelombang

radio, maka dalam waktu yang sama data yang didapatkan

jika menggunakan Li-Fi akan lebih banyak dan rapat

dibandingkan menggunakan Wi-Fi.

137

Gambar 12. Spektrum Cahaya Tampak pada GEM

Sejarah teknologi Li-Fi berbasis VLC, Visible Light

Communication, didemonstrasikan pada tahun 2011 yang lalu

oleh Harald Haas dan timnya. Memanfaatkan keberadaan

lampu LED mereka telah berhasil mencapai kecepatan

transfer hingga 10Gbps dalam percobaan terakhirnya.

Dalam percobaannya itu, Haas menggunakan tiga LED

(hijau, merah dan biru). Dan masing-masing LED itu

dimaksimalkan hingga memiliki kecepatan 3.5Gbps.

Tingginya kecepatan yang dicapai pada percobaan ini adalah

berkat penggunaan micro-LED buatan dari Universitas

Strathclyde. LED tersebut pun memiliki kemampuan untuk

mengirimkan jutaan perubahaan intensitas dalam hitungan

138

detik. Selanjutnya penelitian mengenai teknologi Li-Fi

banyak dilakukan, dimana pada tahun 2013 peneliti Cina

melakukan kegiatan yang sama dan mampu mencapai

kecepatan hingga 150Mbps. Namun teknologi Li-Fi ini

masih jauh jika digunakan untuk kepentingan umum. Hal ini

karena teknologi Li-Fi memiliki range yang kecil, karena

jarak antara receiver dengan transmitter harus dekat. Tentunya

hal ini berbeda dengan Wi-Fi yang memiliki range sangat

luas.

Komponen penting dalam komunikasi data berbasis

internet ini yang pertama adalah sebuah router. Pada

teknologi Li-Fi yang memiliki konsep seperti Wi-Fi, router

berfungsi untuk mengirimkan paket data melalui sebuah

jaringan internet menuju tujuannya. Sehinga router

merupakan penghubung dan pengalamat paket data antara

pengguna dengan server internet. Router Li-Fi yang yang

digunakan berupa optical router, yang memiliki prinsip

membawa data dan memaketkannya dengan kecepatan

cahaya.

139

Gambar 13. Ilustrasi Fungsi Router

Selanjutnya adalah lampu LED yang menyala dengan

kedipan yang sangat cepat hingga jutaan kali per detiknya

sehingga illuminasi cahayanya membentuk sinyal-sinyal.

LED merupakan sistem pencahayaan dengan efisiensi dan

green lighting yang tinggi. Efisiensi tinggi karena sebagian

besar energi listrik diubah dalam bentuk cahaya, dan sedikit

sekali yang berubah dalam bentuk panas. Kemudian green

lighting karena tidak mengandung material berbahaya seperti

merkuri yang ada pada lampu fluoroscent.

140

Tabel 1. Prinsip Kerja LED

Step 1

Step 2

141

Step 3

Step 4

142

Prinsip kerja dari LED sebenarnya sama seperti prinsip kerja

terjadinya cahaya, yaitu adanya perpindahan elektron ke

tingkat energi yang lebih rendah yang kemudian

memancarkan cahaya. Perbedaannya adalah material dioda

yang digunakan pada LED merupakan semikonduktor yang

terdiri dari semikonduktor type-P dan semikonduktor type-

N. Semikonduktor type-P memiliki banyak lubang yang

disebut hole dan semikonduktor type-N memiliki banyak

elektron. Cahaya terbentuk dari interaksi elektron-hole, yaitu

pada saat elektron jatuh ke dalam hole. Prinsip kerja LED

ditunjukkan pada Tabel 1.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa pada saat

teknologi Li-Fi dipublikasikan, banyak sekali penelitian yang

dikembangkan untuk mendukung teknologi tersebut. Salah

satunya adalah pengembangan teknologi lampu untuk

transmisi data yang menjadi kunci dari Li-Fi. Terdapat

penelitian mengenai lampu dengan efisiensi 2 kali lebih

besar dibandingkan LED biasa. Lampu ini berbentuk seperti

LED tetapi diisi oleh material gas dan metal halida. Estimasi

penggunaannya hingga 20.000 jam. Prinsip kerjanya dapat

dilihat pada Tabel 2.

143

Tabel 2. Pengembangan Teknologi Lampu untuk Li-Fi

Step 1

Lampu terdiri dari material

gas dan metal halida

Step 2

Adanya arus listrik

menyebabkan gas

terionisasi dan selanjutnya

membentuk gas plasma

Step 3

Interaksi metal halida

dengan gas plasma

menghasilkan cahaya putih

yang sangat kuat

Cahaya yang membawa sinyal-sinyal informasi selanjutnya

mengenai receiver yang berfungsi untuk menangkap data.

Receiver cahaya ini dapat berupa photodioda, yang memiliki cara

144

kerja berkebalikan dengan cara kerja dari dioda. Melalui

pengolahan sinyal digital dari sinyal-sinyal yang dibawa oleh

cahaya, maka informasi berupa data, suara, gambar, dan

video dapat disajikan. Secara umum teknologi Li-Fi

ditunjukkan oleh Gambar 14.

Gambar 14. Prinsip Kerja Teknologi Li-Fi

4.2.3 Aplikasi

Banyak sekali aplikasi dari Li-Fi jika ke depannya dapat

digunakan secara konvensional, yaitu:

145

- Komunikasi sangat cepat dan aman tanpa menggunakan

jaringan kabel atau gelombang radio, karena

menggunakan cahaya

- Untuk automatisasi dalam rumah, seperti smart lightning

network, internet dan akses berbagai media

- Dalam perjalanan dapat dengan mudah akses ke

internet, misalnya untuk hiburan dan komunikasi

pribadi

- Mengijinkan kendaraan melalui lampu depannya untuk

membawa informasi keamanan dan mampu untuk

mengukur jarak antara satu kendaraan dengan yang lain

- Mengirimkan dan menerima data yang dilakukan melalui

cahaya LED dipastikan memiliki kecepatan yang tinggi

meskipun sedang berada di dalam kendaraan seperti

mobil, pesawat, dan kapal

- Dapat mengakses informasi meskipun sedang berada di

area yang berbahaya, misalnya pabrik petrokimia dan

unit pengolahan yang lain. Hal ini karena tidak ada

interferensi dengan gelombang elektromagnetik lain

- Sebagai navigasi di dalam bangunan sehingga

meningkatkan keamanan bangunan

146

4.2.4 Dampak

Setiap aplikasi dari teknologi memiliki dampak positif dan

negatif bagi penggunanya. Berikut ini adalah dampak positif

dan negatif dari Li-Fi dari ringkasan penjabaran tentang Li-

Fi.

a. Kelebihan

- Kapasistas yang besar karena lebih banyak data yang

dapat ditransmisikan dalam waktu tertentu

dibandingkan dengan Wi-Fi

- Efisien karena loss data yang terjadi minimal akibat

sedikit sekali interferensi dengan gelombang

elektromagnetik yang lain

- Tersedianya sumber cahaya yang banyak, karena

manusia pada dasarnya tidak dapat terlepas dari

cahaya

- Aman untuk sistem keamanan dalam suatu ruangan

karena cahaya tidak dapat menembus dinding

b. Kekurangan

- Transmitter dan receiver harus berada pada range

yang dekat dan tidak boleh ada penghalang

147

- Memungkinkan terjadinya interferensi antar

pengguna dengan satu sumber cahaya yang sama

- Apabila listrik mati dan tidak ada cahaya, pengguna

akan kehilangan jaringan

- Konversi ke teknologi ini membutuhkan biaya yang

tidak sedikit, karena semua peralatan elektronik yang

akan menggunakan Li-Fi harus terintegrasi dengan

sensor dan receiver yang kompatibel untuk Li-Fi

- Adanya polusi cahaya, karena manusia bergantung

sekali dengan cahaya untuk akses internet dan

komunikasi, yang dalam jumlah besar tidak baik

untuk kesehatan manusia

Meskipun secara umum konsentrasi teknologi Li-Fi berada

pada ranah instrumentasi kontrol di industri, tetapi

sebenarnya sangat berkaitan dengan bidang kajian yang lain.

Pada daerah Teknik Fisika, teknologi ini harus berhubungan

dengan bidang akustik dalam pemrosesan sinyalnya.

Bagaimana cara mengkodekan sinyal-sinyal informasi yang

kemudian harus dibawa oleh media transmisi agar sampai ke

tujuan dengan tanpa mengurangi isi dari informasi tersebut.

148

Pada teknologi lampu LED sebagai media transmisi yang

digunakan, teknologi ini berhubungan dengan bidang

fotonika dalam perlakuan cahayanya. Bagaimana cara agar

energi listrik yang digunakan dapat seefisien mungkin

diubah ke dalam bentuk energi cahaya. Selain itu juga

terdapat teknologi bahan mengenai material yang digunakan

baik pada LED, atau pada sensor penerima cahaya pada

masing-masing perangkat elektronik nantinya. Dengan

menggunakan Li-Fi, secara tidak langsung akan memaksa

penerangan di seluruh dunia untuk berganti menggunakan

lampu green energy berbasis LED. Hal ini tentu saja membuat

Li-Fi juga berhubungan dengan bidang kajian energi.

Penemuan teknologi Li-Fi ini menurut saya merupakan

terobosan besar yang mengandung empat komponen unsur

positif, yaitu:

- Kapasitas, dimana dengan menggunakan cahaya transfer

data dapat lebih banyak karena data tersusun rapat

dengan bandwith yang sempit kemudian data dapat

ditransferkan dengan kecepatan cahaya

- Efisiensi, dimana akan sedikit interferensi yang terjadi

sehingga sedikit juga loss data yang timbul. Hal ini

disebabkan karena cahaya tampak memiliki frekuensi

149

yang lebih tinggi dibandingkan dengan gelombang radio

dalam teknologi Wi-Fi

- Ketersedian, dimana media transmisi data menggunakan

cahaya dari LED khusus. Seperti yang kita tahu bahwa

LED merupakan jenis lampu dengan efisiensi yang

tinggi karena sebagian besar energinya dikonversi

menjadi cahaya, tidak terbuang dalam bentuk panas.

Ketersediaan LED sebagai transmitter Li-Fi selain untuk

menjadi pengirim data juga akan menjadi penerang

dalam ruangan tersebut.

- Keamanan, karena yang menjadi pembawa informasi

adalah gelombang cahaya tampak yang tidak dapat

menembus tembok, maka informasi dapat diamankan

untuk satu ruangan atau gedung dengan sumber cahaya

yang sama. Hal ini akan sangat bermanfaat jika

digunakan di dalam gedung yang membutuhkan akses

keamanan yang sangat tinggi.

Jika kekurangan terbesarnya adalah hilangnya jaringan

komunikasi pada saat cahaya terhalangi, mungkin ke

depannya dapat dilakukan hibridisasi sistem Li-Fi dan Wi-

150

Fi. Sehingga pada saat Li-Fi off, maka yang menggantikan

jaringan secara otomatis adalah Wi-Fi.

4.3. Divais Elektronik : Fotodioda

Fotodioda merupakan sebuah sensor cahaya yang tentunya

sangat responsif terhadap foton. Prinsip dasar dari operasi

fotodioda adalah penyerapan foton yang kemudian

menghasilkan aliran arus pada sebuah rangkaian listrik.

Rancangan Fotodioda

Fotodioda merupakan sebuah sambungan sederhana dari

dioda semikonduktor bahan yang sama, Germanium atau

Silikon Tipe-P-N. Lapisan komposisi fotodioda ini dapat

dibuat melalui semikonduktor Tipe-P pengotor Boron

dengan ketebalan 1 mikrometer yang difabrikasi pada

substrat Tipe-N.

Prinsip rancangan fotodioda sama seperti prinsip kerja

dioda semikonduktor, bahwa pada saat setelah dua tipe

semikonduktor ini disambungkan, pada bagian sambungan

akan membuat pembawa mayoritas Tipe-N (elektron)

berpindah ke Tipe-P. Hal ini menyebabkan elektron

151

tersebut terperangkap pada hole di Tipe-P, sehingga pada

daerah sambungan di Tipe-P terdapat ion negatif. Begitu

juga sebaliknya yang terjadi pada daerah sambungan di Tipe-

N terdapat ion positif. Pasangan ion negatif dan ion positif

ini disebut dipol, dimana peningkatan jumlah dipol

menimbulkan depletion region.

Gambar 15. Skema Sambungan P-N dan Fotodioda

152

Prinsip Kerja Fotodioda

Terdapat dua prinsip dasar pada fotodioda, yaitu eksitasi

elektron dan forward bias pada semikonduktor seperti yang

dijelaskan pada Gambar 16.

Gambar 16. Diagram pita energi sambungan P-N

fotodioda

Silikon memiliki pita energi sebesar 1,12 eV suhu kamar.

Pada suhu nol Kelvin, pita valensi terisi penuh dengan

elektron. Ketika suhu meningkat, elektron akan tereksitasi

ke pita konduksi. Elektron ini dapat tereksitasi oleh partikel

atau foton dengan energi lebih besar dari 1.12eV. Setelah

tereksitasi ini, pasangan elektron hole akan berdifusi dari P-

Layer, depletion layer, dan N-Layer.

153

Pada saat fotodioda menerima cahaya pada P-Layer, maka

elektron pita valensi terkesitasi ke pita konduksi. Selanjutnya

elektron akan berdifusi menuju depletion layer. Pada lapisan

deplesi, medan elektrik mempercepat elektron menuju ke

N-Layer. Pada saat yang bersamaan, hole N-Layer berdifusi

melewati depletion layer dan dipercepat menuju pita valensi

P-Layer. Pada keadaan ini menyebabkan P-Layer akan kaya

dengan muatan positif dan N-Layer akan kaya dengan

muatan negatif.

Ketika terdapat rangkaian listrik eksternal yang

dihubungkan pada P-Layer dan N-Layer, dimana tegangan

positif dihubungkan dengan P-Layer, dan tegangan negatif

dihubungkan dengan N-Layer, akan timbul forward bias.

Elekron mengalir dari N-Layer, dan hole mengalir dari P-

Layer menuju elektroda negatif. Elektron – elektron dan

hole – hole ini menghasilkan aliran arus pada

semikonduktor yang disebut aliran pembawa.

Aplikasi Fotodioda

Fotodioda merupakan sensor cahaya yang dapat

diaplikasikan dalam pembuatan photovoltaic. Permukaan

154

photovoltaic merupakan photodioda dalam ukuran besar,

dimana ketika terdapat cahaya yang jatuh pada P-Layer akan

menyebabkan eksitasi elektron dan difusi menuju N-Layer.

Sehingga akan menyebabkan perbedaan muatan pada kedua

layer dan menimbulkan arus. Besarnya arus yang dihasilkan

adalah setara dengan intensitas cahaya yang terdeteksi oleh

sensor.

Selain photovoltaic, fotodioda juga umum digunakan

sebagai sensor dalam robot line tracer. Dimana sebuah

robot dapat berjalan pada lintasan berwarna hitam atau

putih. Prinsip kerja fotodioda adalah sebagai petunjuk

jalannya robot yang harus berjalan sesuai dengan lintasan.

Pada saat sensor mengenai lintasan berwarna putih, maka

akan banyak cahaya yang dipantulkan dan diterima sensor,

sehingga resistansi menjadi kecil dan menyebabkan arus

yang mengalir pada komparator besar atau dalam logika

bernilai 1.

Begitu juga sebaliknya, jika sensor mengenai lintasan

berwarna hitam, akan sedikit cahaya yang dipantulkan ke

sensor, sehingga resistansi besar dan arus yang mengalir

155

kecil atau dalam logika bernilai 0. Logika dari sensor ini

nantinya dapat menggerakkan motor dan menentukan ke

arah mana roda robot akan bergerak.

Gambar 17. Prinsip Kerja Photovoltaic (atas) dan Line

Tracer (bawah)

156

4.4. Sensor Sidik Jari

Sidik jari merupakan guratan pada kulit ujung jari manusia

yang berfungsi untuk memberikan gaya gesek lebih besar

agar jari dapat memegang benda lebih erat. Setiap orang

termasuk yang terlahir kembar identik, memiliki pola sidik

jari yang khas untuk diri mereka masing-masing. Dengan

kata lain, tanda pengenal manusia dapat melalui ujung jari

mereka. Karena setiap sidik jari merupakan ciri sesorang,

maka dilakukan penelitian teknik biometrik. Teknik ini

melalui pengambilan karakter tersebut untuk memverifikasi

kebenaran data. Banyak sekali aplikasi biometrik sidik jari

untuk mengakses kebenaran data dari penggunanya.

Oleh karena itu perlu diulas seperti apa prinsip kerja dan

sistem yang ada di dalamnya. Pengenalan sidik jari pada

dasarnya memiliki dua prinsip utama, yaitu:

1. Mendapatkan citra sidik jari

Untuk mendapatkan citra sidik jari diperlukan suatu

sensor sidik jari. Sensor ini merupakan alat elektronik

yang mampu untuk menangkap citra sidik jari. Hasil

citra yang ditangkap disebut live scan. Berikut ini adalah

beberapa teknologi sensor sidik jari dan prinsip kerjanya.

157

a. Optical Sensor

Pemindai optik pada sensor sidik jari bekerja seperti

Charge Couple Device (CCD) pada kamera. CCD

merupakan suatu silicon wafer dengan kisi-kisi

sangat sensitif terhadap cahaya, disebut photon sensing

site (photosites).Tiap titik pada Photosites mampu

mengubah muatan cahaya (foton) ke dalam sinyal

elektrik. Prinsip mengubah foton menjadi elektron

berdasarkan pada efek fotolistrik.

Efek ini memanfaatkan aliran muatan elektron pada

silicon wafer akibat adanya perbedaan muatan pada

lapisan silicon. Output tiap titik photosites yang

berupa tegangan, bergantung kepada banyaknya

foton yang memasuki permukaan silicon. Output

tegangan ini selanjutnya diubah ke dalam sinyal

digital. Oleh karena itu, tiap titik photosites yang

diubah menjadi sinyal digital, merepresentasikan 1

buah piksel di dalam gambar.

Terdapat beberapa metode yang digunakan dalam

pembacaan sidik jari secara optis, diantaranya

158

melalui pantulan cahaya, pemantulan cahaya dengan

usapan, dan transmisi cahaya.

Metode Pemantulan Cahaya

Pada saat jari ditempatkan pada sebuah permukaan

kaca, akan ada cahaya yang dipancarkan dari dalam

pemindai untuk menyinari jari. Ketika cahaya

mengenai pola sidik jari yang timbul (ridges), maka

akan banyak cahaya yang dipantulkan. Karena

sistem CCD adalah pembalik gambar, maka

pantulan cahaya dalam jumlah banyak akan

ditangkap CCD sebagai informasi berwarna gelap

(bernilai 0 dalam bilangan biner). Sebaliknya pada

saat mengenai sidik jari yang menjorok (valleys),

akan banyak cahaya yang diserap dan pantulan

cahaya berjumlah sedikit (bernilai 1). CCD

selanjutnya akan menggabungkan semua titik

photosites dan mendapatkan informasi berupa

matriks bilangan biner 0 dan 1. Bilangan 0

merepresentasikan ridges dan 1 merepresentasikan

valleys.

159

Gambar 18. Skema Sederhana Optical Sensor Sidik

Jari dengan Pantulan Cahaya

Gambar 19. Skema Sederhana Optical Sensor Sidik

Jari dengan Pantulan Cahaya dan Usapan

Metode Pemantulan Cahaya dengan Usapan

Perbedaan metode pemantulan cahaya yang

sebelumnya diulas dengan metode usapan adalah

keberadaan rolling tube sebagai pengganti prisma. Di

160

dalam rolling tube terdapat sumber cahaya dan juga

sensor cahaya. Prinsip kerjanya hampir sama seperti

metode pantulan. Hanya saja dalam mendapatkan

citra sidik jari harus dilakukan gerakan mengusap jari

pada rolling tube, agar cahaya dapat dipantulkan ke

keseluruhan bagian jari yang akan diambil citranya.

Gambar 20. Skema Sederhana Optical Sensor Sidik

Jari dengan Transmisi Cahaya

Metode Transmisi Cahaya

Pada metode pemantulan cahaya, sumber cahaya

berasal dari dalam pemindai dan melalui Totally

Internal Reflection, cahaya dipantulkan menuju ke

sensor. Sedangkan pada metode transmisi cahaya,

sumber cahaya disinarkan menembus jari. Dimana

ridges dan valleys terdeteksi melalui spektrum yang

dihasilkan dari hasil transmisi. Perbedaan spektrum

161

tersebut akan ditangkap oleh sensor dan menjadi

informasi dari citra sidik jari.

b. Capacitance Sensor

Konsep dasar sensor kapasitif adalah adanya pada

perubahan muatan pada sensor akibat perubahan

jarak, luas permukaan, dan atau volume dielektrik

antar kedua plat konduktor. Pada sensor sidik jari,

variabel luas permukaan dan volume dielektrik

dibuat tetap, sehingga nilai kapasitansi ditentukan

oleh perubahan jarak. Nilai kapasitansi berbanding

terbalik dengan perubahan jarak, sehingga semakin

besar jaraknya, maka nilai kapasitansi akan semakin

kecil.

Pada Gambar 21 menunjukkan susunan sensor

kapasitif, dimana sensor ini terbuat dari

semikonduktor yang terdiri dari banyak kisi sel. Pada

setiap sel terdiri dari dua buah plat konduktor yang

terhubung pada rangkaian integrator. Dua buah plat

konduktor ini memiliki prinsip yang sama seperti

plat konduktor kapasitor pada umumnya, yaitu

162

menyimpan dan melepas muatan listrik. Permukaan

jari berperan sebagai plat ketiga, yang akan

menimbulkan perubahan nilai kapasitansi.

Pada jari manusia, terdapat bagian ridges dan valleys

yang mempunyai ketinggian berbeda. Apabila jari

manusia yang berperan sebagai konduktor

diletakkan pada permukaan sensor kapasitif, maka

bagian ridges akan kontak langsung dengan

permukaan sensor, sedangkan pada bagian valley

akan timbul jarak terhadap permukaan sensor.

Perbedaan jarak ridges dan valleys pada permukaan

akan menyebabkan perbedaan nilai kapasitansi yang

diterima oleh sensor.

Nilai kapasitansi pada bagian ridges akan jauh lebih

besar dibandingkan nilai kapasitansi pada bagian

valleys. Perbedaan nilai kapasitansi ini,

menyebabkan perbedaan output tegangan pada

setiap kisi sel nya. Melalui pembacaan di setiap

output tegangan pada keseluruhan kisi sel sensor,

163

akan didapatkan gambaran keseluruhan dari citra

sidik jari.

Gambar 21. Skema Sensor Kapasitif untuk Sidik

Jari

c. Ultrasonic Sensor

Pembacaan sidik jari dengan sensor ultrasonik

memang tidak umum karena membutuhkan

mekanik alat yang sangat besar dan biaya yang

dikeluarkan lebih mahal, sehingga tidak cocok

diproduksi dalam jumlah banyak. Tetapi sensor ini

tetap berhasil memberikan citra sidik jari.

164

Pada sensor ini, gelombang ultrasonik yang

dipancarkan berasal dari komponen piezoelectric,

yang menimbulkan getaran ultrasonic ketika dikenai

tegangan input. Gelombang ultrasonik selanjutnya

menuju ke jari yang akan dipindai. Karena frekuensi

ultrasonik yang besar, maka gelombang ini mampu

menembus lapisan kulit luar dan selanjutnya

gelombang yang dipantulkan akan ditangkap oleh

receiver piezolectrik. Sensor ini mengubah kembali

getaran menjadi tegangan. Besarnya tegangan akan

berbeda pada setiap kisinya tergantung kepada

gelombang yang memantulkan. Keuntungan dari

sensor ultrasonik adalah pembacaan hingga ke

lapisan sub permukaan kulit.

2. Menentukan pola sidik jari, apakah telah sesuai dengan

pola yang sebelumnya telah dimasukkan ke dalam

database.

Setelah dilakukan pemindaian citra sidik jari melalui

berbagai macam metode baik optik, kapasitif, ataupun

ultrasonik, maka selanjutnya adalah mencocokkan pola

yang telah dipindai dengan data yang telah disimpan.

165

Gambar 22. Istilah Garis pada Sidik Jari

Gambar 23. Prinsip Kerja Pembaca Sidik Jari

Pengelompokan sidik jari berdasarkan pola garis atau

pola titik disebut dengan minutiae. Minutiae merupakan

Ridge

Terminations

Valley

Bifurcations

166

titik-titik terminasi dan titik-titik awal percabangan

(bifurcation) dari garis pada sidik jari. Berdasarkan titik-

titik minutiae, dapat dicocokkan citra sidik jari hasil

pemindaian dengan yang dijadikan data acuan. Secara

keseluruhan, pengenalan sidik jari diilustrasikan pada

Gambar 23.

4.5. Electrostatic Comb Drive

Pada divais electrostatic comb drive terdapat hubungan linier

antara kapasitansi dan pergeseran, kapasitansi yang besar,

aktuasi elektrostatik. tentukan persamaan yang

menunjukkan perubahan kapasitansi akibat pergeseran.

Adanya gigi sisir ini mengakibatkan ikatan electrostatic

comb drives mampu menciptakan area kapasitor yang besar.

Kapasitor pada dasarnya adalah suatu divais yang berfungsi

untuk menyimpan dan melepas muatan listrik. Nilai

kapasitif antar kedua plat konduktor bergantung pada

perubahan jarak, luas permukaan, dan atau volume

dielektrik.

167

Dielektrik pada umumnya terbuat dari isolator dan tidak

mampu membawa muatan listrik. Tetapi karena adanya

aliran listrik, terjadi ketidakseimbangan atom penyusun

dielektrik. Akibatnya terjadi muatan listrik pada dielektrik.

Oleh karena itu, bahan dielektrik memiliki nilai permitivitas

dan juga berpengaruh pada nilai kapasitansi.

Pada kapasitor plat paralel, persamaan untuk mendapatkan

nilai kapasitansinya adalah:

𝐶𝐶 =𝜀𝜀𝑜𝑜𝜀𝜀𝑟𝑟𝐴𝐴𝑑𝑑

Electrostatic comb driver yang terdiri dari banyak pelat juga

menggunakan persamaan kapasitor plat sejajar, sehingga

persamaan menjadi:

𝐶𝐶 =2𝑁𝑁𝜀𝜀𝑜𝑜𝜀𝜀𝑟𝑟𝐹𝐹𝑙𝑙

𝑑𝑑

Dengan : 𝑁𝑁 adalah jumlah movable finger

𝜀𝜀𝑜𝑜 adalah permitivitas ruang hampa

𝜀𝜀𝑟𝑟 adalah permitivitas dielektrik

168

𝐹𝐹 adalah panjang tiap satuan finger

𝑙𝑙 adalah lebar tiap satuan finger

𝑑𝑑 adalah jarak antar finger

Ketika terdapat pergeseran pada gigi sisir sejauh ∆𝐹𝐹, maka

akan timbul perubahan kapasitansi sebesar ∆𝐶𝐶, persamaan

menjadi:

∆𝐶𝐶 =2𝑁𝑁𝜀𝜀𝑜𝑜𝜀𝜀𝑟𝑟∆𝐹𝐹𝑙𝑙

𝑑𝑑

Dengan : ∆𝐶𝐶 adalah perubahan nilai kapasitansi

∆𝐹𝐹 adalah perubahan pergeseran

4.6. Sensor Temperatur Berbasis CMOS

Pengukuran suhu yang akurat sangat penting sebagai kontrol

proses distilasi, fraksinasi, penyimpanan, dan transportasi

dari produk intermediate dan produk akhir. Selain itu,

pengukuran suhu berkontribusi pada hasil produk yang

lebih besar dan kualitas pemrosesan yang lebih baik.

Pengukuran suhu yang akurat sangat penting untuk

memaksimalkan efisiensi atau keluaran dari operasi

pemrosesan. Mengukur dan mengontrol suhu juga

169

meminimalkan pemrosesan ulang produk karena tidak

memenuhi persyaratan spesifikasi.

Termodinamika berhubungan dengan hukum yang

mengatur perubahan kondisi termal material. Subjek

termodinamika melibatkan studi ekstensif di luar cakupan

bab ini. Namun terdapat beberapa istilah dan konsep

termodinamika harus ditinjau ulang agar lebih baik

pemahaman tentang pemilihan perangkat pengukur suhu.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi

total dalam sistem tertutup adalah kekal (konstan). Energi

tidak dapat diciptakan atau dihancurkan, energi diubah dari

satu bentuk ke bentuk lainnya. Pembakaran bahan bakar

untuk melepaskan panas merupakan contoh konversi energi

dari satu bentuk menjadi lain. Hukum kedua termodinamika

memberikan arahan pada proses. Salah satu konsekuensi

dari hukum kedua adalah bahwa panas tidak dapat

berpindah dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih

panas. Sebagai contoh, di dalam shell dan tube penukar panas,

minyak mentah pada 24 ° C tidak dapat menaikkan suhu

pada minyak gas 150 ° C di dalam pipa.

170

Beberapa konsep dan istilah tambahan yang harus ditinjau

meliputi:

• Pemahaman mengenai teori energi kinetik

• Panas dan suhu

• Konduksi, konveksi dan radiasi

Konduksi panas - Ketika perbedaan suhu terjadi dalam

sebuah benda, transfer energi panas terjadi dari area tubuh

yang lebih hangat ke area yang lebih dingin. Perpindahan

panas cenderung untuk menghasilkan keseragaman suhu.

Perpindahan panas disebut konduksi. Tidak semua bahan

menghantarkan panas dengan kecepatan yang sama. Logam

dianggap konduktor yang baik karena mereka mentransfer

panas lebih cepat dari bahan bukan logam lainnya. Perak,

yang memiliki nilai koefisien konduktivitas termal 100,

digunakan sebagai standar pembanding semua bahan

lainnya. Laju panas yang ditransfer melalui suatu benda

bergantung pada hal-hal berikut:

• Koefisien konduktivitas thermal

• Luas penampang dimana panas mengalir

• Ketebalan material

• Perbedaan suhu antara dua sisi material

171

Konveksi panas - didefinisikan sebagai transfer energi

panas melalui fluida yang bergerak (gas dan cairan).

Misalnya, uap diangkut dengan pipa ke reboiler dengan

distilasi unit menara untuk merebus produk minyak.

Radiasi panas – didefinisikan sebagai perpindahan panas

antara dua benda yang memiliki suhu yang berbeda. Radiasi

tidak membutuhkan kontak langsung antar benda atau zat.

Misalnya, energi matahari menghangatkan bumi melalui

radiasi. Radiasi tidak hanya bergantung pada suhu tubuh,

tetapi tergantung pada sifat permukaan tubuh. Permukaan

yang gelap dan kasar memancarkan panas lebih banyak

daripada permukaan halus berwarna terang.

Aspek praktis dari hukum termodinamika adalah bahwa

harus dipertimbangkan hal -hal yang dibutuhkan saat

pengukuran suhu permukaan, pengukuran suhu cairan, atau

suhu gas. Tidak cukup untuk mengasumsikan bahwa suhu

pada titik pengukuran selalu sama dengan suhu proses.

Hukum termodinamika menyatakan bahwa panas mengalir

dari yang lebih panas daerah ke daerah yang lebih dingin

dengan konduksi, konveksi, dan radiasi.

172

Tujuan dari instalasi sensor adalah untuk memastikan bahwa

jumlah panas yang mengalir antara titik yang diukur dan

sensor tidak cukup untuk mengubah suhu titik yang diukur.

Selain itu, perbedaan atau gradien suhu dapat terjadi di

sepanjang selungkup pelindung sensor. Gradien tersebut

diatasi melalui praktik pemasangan yang mencakup

membenamkan sensor ke kedalaman yang tepat.

Bahan yang peka terhadap suhu menunjukkan bahwa telah

terjadi perubahan suhu yang ditentukan sebelumnya. Bahan

sensitif suhu (Gambar 18) meliputi:

• cat dan krayon,

• kristal cair,

• bahan material padat, dan

• resistor karbon

Cat dan krayon adalah bahan sensitif suhu yang paling

umum dan paling sederhana. Cat diterapkan langsung ke

bejana pengolah; bejana bisa pada suhu berapa pun, dingin

atau panas. Beberapa cat dapat mengalami lebih dari satu

kali perubahan warna karena suhu terus berubah. Ketika

suhu tertentu tercapai, warnanya berubah secara permanen.

173

Krayon mirip dengan cat karena memiliki perubahan warna

pada suhu tertentu. Krayon dilap pada benda atau peralatan

setelah benda tersebut dipanaskan. Garis proses, pemanas

api dan penukar panas adalah beberapa contoh aplikasi di

mana krayon dapat digunakan untuk memeriksa suhu.

Kristal Cair adalah jenis indikator suhu yang berubah warna

seiring dengan suhu bervariasi. Saat warna berubah,

pengamat manusia membandingkan warna dengan referensi

standar warna. Kristal cair tersedia untuk rentang

pengukuran suhu tertentu. Utama penggunaan kristal cair

dalam pengujian peralatan yang tidak rusak.

Bahan Material Padat seperti germanium dan dioda

silikon menunjukkan perubahan arus dioda sebagai respon

terhadap perubahan suhu. Perubahan arus versus suhu

cukup linier.

Resistor Karbon telah digunakan sebagai sensor suhu. Nilai

resistansi hingga 150 ohm, dengan daya 0,1 hingga 1 watt,

dapat digunakan dalam aplikasi seperti pengukuran suhu

kriogenik.

174

Kategori Umum Perangkat Suhu

Kategori umum perangkat suhu diantaranya adalah:

• Sistem Terisi

• Termometer Bimetal

• Perangkat pirometrik

• Material sensitive suhu

• Termokopel

• Resistance temperature detector

Sistem Terisi (Filled System)

Disebut sistem terisi karena mereka menggunakan ekspansi

termal dari fluida pengisi sebagai pengukuran suhu. Sistem

termal yang terisi dapat diaplikasikan sebagai indikasi lokal

atau jarak jauh. Gambar 8 menunjukkan contoh sistem

terisi. Tiga kategori dari system terisi adalah sebagai berikut:

• Termometer glass stem

• Sistem terisi termal

• Saklar suhu

Temometer Glass Stem

Termometer glass stem memiliki cairan pengisi cairan dalam

bulb atau reservoir, tabung kaca berongga untuk cairan untuk

175

mengembang, dan skala suhu terukir di sepanjang tabung

berlubang. Cairan pengisi biasanya merkuri atau alkohol

yang diwarnai. Ekspansi termal dari fluida pengisi di

sepanjang bagian tabung berskalamenunjukkan suhu.

Termometer glass stem tersedia dalam versi terlindungi dan

tidak terlindungi.

Sistem Termal Terisi - Tujuan dari sistem termal terisi adalah

digunakan untuk indikasi suhu jarak jauh dan / atau

perekaman suhu. Sistem termal yang diisi mirip dengan

pengukur tekanan; alih-alih tabung penginderaan yang

merespons perubahan tekanan, justru merespons perubahan

suhu. Sistem termal terisi terdiri dari bulb sensor suhu yang

terhubung dengan tabung kapiler ke instrumen pembacaan.

Gambar 24: Sistem Terisi Termal

176

Gambar 25: Contoh Termometer Glass Stem

Gambar 26: Sistem Termal Terisi

177

Scientific Apparatus Makers Association (SAMA) membagi

terdapat empat kelas sistem termal terisi. Setiap kelas dibagi

menjadi beberapa sub kelas. Kelas ditentukan

menurutcairan pengisi yang digunakan di perangkat:

• Kelas I – Isi caira

• Kelas II – Isi cairan / uap

• Kelas III – Isi gas, dan

• Kelas V – Isi merkuri

Kelas I – Sistem Terisi Cairan pada dasarnya adalah

termometer berisi cairan. Contoh sistem Kelas I pada

Gambar 27 diisi penuh dengan cairan dan beroperasi pada

prinsip ekspansi cairan. Sebagai suhu fluida pengisi

meningkat, fluida pengisi mengembang dan internal

meningkat tekanan. Peningkatan tekanan menyebabkan

elemen tekanan memanjang dan menggerakkan penunjuk

sepanjang skala. Sistem Kelas I memiliki opsi untuk

kompensasi suhu kapiler dan elemen tekanan.

Kelas II – Sistem Uap pada dasarnya adalah termometer

tekanan uap. Sistem Kelas II harus diisi media yang terdiri

178

dari cairan yang mudah menguap pada kesetimbangan.

Antarmuka cairan / gas harus selalu muncul di bulb selama

rentang waktu instrument tersebut dikalibrasi.

Kelas III – Sistem Terisi Gas pada dasarnya adalah

termometer tekanan gas. Sistem Kelas III menggunakan

gas inert dalam sistem ini. Gas tersebut memiliki volume

yang hampir konstan. Saat suhu meningkat, tekanan internal

juga meningkat. Tekanan meningkat memindahkan elemen

tekanan yang terhubung ke penunjuk indikasi suhu.

Gambar 27: Sistem Terisi Kelas I

179

Gambar 28: Sistem Terisi Kelas II

Kelas V – Sistem Terisi Merkuri mirip dengan sistem

Kelas I karena keduanya menggunakan isi cairan; namun

sistem Kelas V menggunakan merkuri sebagai fluida pengisi.

Cairan pengisi merkuri memberikan linier dan respons yang

lebih cepat terhadap perubahan suhu daripada sistem Kelas

I.

Sakelar suhu menyediakan deteksi suhu tinggi atau rendah,

mencadangkan alarm yang ada, menggerakkan peralatan

tambahan untuk sistem interlock pengaman. Beberapa

180

sakelar suhu terdiri dari elemen bulb, pipa kapiler, dan sakelar

listrik. Desain bulb sakelar suhu dan kapiler diklasifikasikan

ke dalam salah satu kelas sistem terisi yang dijelaskan

sebelumnya. Sakelar suhu dapat menggunakan elemen

bimetalik sebagai elemen suhu.

Gambar 29: Sistem Terisi Sakelar Suhu

Termometer Bimetal

Termometer bimetalik (Gambar 15) dinamai demikian

karena elemen penginderaan suhu terdiri dari dua logam

berbeda yang memiliki koefisien muai yang berbeda.

Keduanya berbeda logam diikat atau dibrazing bersama.

Ketika elemen suhu terkena panas, ia akan melengkung

181

menuju logam dengan tingkat ekspansi yang lebih rendah.

Karena tekukan atau lendutan kecil, maka strip bimetalik

biasanya berbentuk heliks atau spiral.

Bentuk heliks adalah jenis yang lebih umum elemen

penginderaan termometer bimetalik. Batang termometer

bimetalik yang mengandung heliks terkadang diisi dengan

cairan silikon yang memberikan perpindahan panas dan

ketahanan getaran yang lebih baik.

Perangkat Pyrometric

Perangkat pyrometric adalah teknologi pengukuran suhu

non-kontak yang mengukur jumlah energi radiasi yang

dipancarkan benda panas. Beberapa kategori perangkat

pyrometric adalah:

• pirometer optik, dan

• pirometer radiasi.

Pirometer optik mengukur suhu bahan yang memancarkan

energi dalam spektrum yang terlihat. Suhu sebenarnya

disimpulkan dengan membandingkan energi radiasi yang

diamati dengan internal standar yang tersedia di perangkat

182

pyrometric. Mata manusia digunakan sebagai pendeteksi

untuk menentukan suhu. Cahaya dari objek yang diukur

difokuskan secara manual dengan sistem lensa dan

dibandingkan dengan sumber pijar. Seorang operator secara

manual menyesuaikan sumber pirometer sampai objek dan

standar internal tampak memiliki kecerahan (warna) yang

sama. Itu pyrometer optik manual (Gambar 16) ringan dan

dapat dipasang di tempat atau genggam. Aplikasinya

digunakan untuk memeriksa suhu refraktori dalam pemanas

berbahan bakar dan insinerator.

Pirometer radiasi menggunakan detektor radiasi listrik yang

dapat mendeteksi dari anjang gelombang infra merah hingga

ultraviolet. Pirometer inframerah beroperasi dengan

membandingkan jumlah radiasi yang dipancarkan objek

yang dipanaskan dengan referensi internal. Perbedaan antara

referensi dan sumber kemudian ditunjukkan pada meteran

dan dapat ditransmisikan secara elektronik ke sistem

kendali.

Model unit yang bisa digenggam (Gambar 17). Model

genggam berguna untuk inspeksi lapangan titik panas yang

183

tidak terdeteksi. Misalnya, unit genggam dapat digunakan

untuk memeriksa titik panas di reaktor unit reformer atau

unit perengkahan katalitik fluida reaktor-regenerator

peralatan.

Material Sensitif Suhu

Bahan yang peka terhadap suhu menunjukkan bahwa telah

terjadi perubahan suhu yang ditentukan sebelumnya. Bahan

sensitif suhu (Gambar 18) meliputi:

• cat dan krayon,

• kristal cair,

• bahan material padat, dan

• resistor karbon

Cat dan krayon adalah bahan sensitif suhu yang paling

umum dan paling sederhana. Cat diterapkan langsung ke

bejana pengolah; bejana bisa pada suhu berapa pun, dingin

atau panas. Beberapa cat dapat mengalami lebih dari satu

kali perubahan warna karena suhu terus berubah. Ketika

suhu tertentu tercapai, warnanya berubah secara permanen.

Krayon mirip dengan cat karena memiliki perubahan warna

pada suhu tertentu. Krayon dilap pada benda atau peralatan

184

setelah benda tersebut dipanaskan. Garis proses, pemanas

api dan penukar panas adalah beberapa contoh aplikasi di

mana krayon dapat digunakan untuk memeriksa suhu.

Kristal Cair adalah jenis indikator suhu yang berubah warna

seiring dengan suhu bervariasi. Saat warna berubah,

pengamat manusia membandingkan warna dengan referensi

standar warna. Kristal cair tersedia untuk rentang

pengukuran suhu tertentu. Utama penggunaan kristal cair

dalam pengujian peralatan yang tidak rusak.

Bahan Material Padat seperti germanium dan dioda

silikon menunjukkan perubahan arus dioda sebagai respon

terhadap perubahan suhu. Perubahan arus versus suhu

cukup linier.

Resistor Karbon telah digunakan sebagai sensor suhu. Nilai

resistansi hingga 150 ohm, dengan daya 0,1 hingga 1 watt,

dapat digunakan dalam aplikasi seperti pengukuran suhu

kriogenik.

185

Termocouple

Termokopel mungkin salah satu perangkat yang paling

umum digunakan dalam proses kontrol pengukuran suhu.

Termokopel terdiri dari dua kabel logam berbeda yang diikat

bersama-sama di salah satu ujung untuk membentuk

persimpangan. Persimpangan ini disebut persimpangan

"panas" atau persimpangan pengukuran. Ujung kabel yang

berlawanan dapat digabungkan untuk membentuk referensi

atau persimpangan dingin.

Ketika panas diterapkan ke sambungan panas dimana

tempat dua kabel logam yang berbeda disatukan, gaya gerak

listrik (ggl) dihasilkan. Ggl didasarkan pada suhu di

persimpangan pengukuran dan komposisi kabel logam yang

berbeda. Persimpangan dingin idealnya berada pada 32 ° F

atau 0 ° C. Ini sangat jarang terjadi, jadi jumlah kompensasi

tegangan konsisten dengan komposisi kabel dan suhu

lingkungan ditambahkan sebagai “sambungan dingin

kompensasi." Fenomena ggl disebut Efek Seebeck, dinamai

menurut Thomas Seebeck sebagai penemu. Pengoperasian

termokopel didasarkan pada Efek Seebeck.

186

Untuk menggunakan termokopel untuk pengukuran suhu,

termokopel harus dihubungkan ke alat ukur untuk

membentuk sirkuit (Gambar 20) di mana arus dapat

mengalir. Satuan pengukuran untuk ggl dalam milivolt. Titik

koneksi instrumen untuk kabel termokopel memiliki

referensi internal yang dikenal sebagai sambungan dingin

atau referensi.

Dalam prakteknya, termokopel sering kali dimasukkan ke

dalam selubung pelindung yang disebut thermowell.

Thermowell kemudian dimasukkan ke dalam bejana proses.

Kerugian thermowell adalah memperlambat kecepatan

respon secara signifikan. Sebagai perbandingan, konstanta

waktu termokopel telanjang adalah 10 kali lebih cepat dari

termokopel di thermowell. Termokopel diklasifikasikan

menurut jenisnya. Penunjukan tipe ditentukan oleh

perbedaannya logam atau paduan yang digunakan untuk

membuat termokopel. Jenis termokopel ditunjukkan pada

Gambar 30.

Paduan Kawat Rentang Suhu

187

Tipe Termokopel Min Max

B Pt70-Rh30/Pt94Rh6 32 3300

E Chromel/Konstan -450 1800

J Iron/Konstan -346 2190

K Chromel/Alumenul -450 2500

R Pt87-Rh13/Platinum -58 3200

S Pt90-Rh10/Platinum -58 3200

T Copper/Konstan -450 750

N Nicrosil/Nisil -450 2370

Gambar 30: Contoh Tipe Termokopel

Kabel positif selalu didaftar pertama. Kabel negatif selalu

ditutup dengan penyekat merah. Warna isolasi positif

bervariasi tergantung pada jenis termokopel.

Jenis yang sering digunakan oleh Saudi Aramco adalah Tipe

E dan Tipe K. Termokopel Tipe E dibuat dengan

menggunakan chromel dan constantan. Termokopel Tipe K

dibuat dengan menggunakan chromel dan alumel.

Termokopel Tipe E memiliki ggl tertinggi per derajat

188

Fahrenheit dan memiliki linieritas yang cukup baik.

Termokopel Tipe K adalah yang paling linier dari semua

jenis termokopel. Termokopel tipe E digunakan untuk suhu

dalam kisaran -450 ° F hingga 1800 ° F. Termokopel tipe K

digunakan untuk suhu dalam kisaran -418 ° F hingga 2500 °

F. Tabel millivolt tipe E dan K pada Gambar 31

membandingkan ggl per derajat F.

Gambar 31: Kutiban Tabel Termokopel Tipe E dan K

Resistance Temperature Devices (RTD)

Detektor resistansi suhu (RTD) adalah deskripsi umum

untuk perangkat apa pun yang mendeteksi suhu dengan

189

variasi hambatan bahan penghantar listrik. RTD adalah

metode paling akurat untuk mengukur suhu dalam rentang

yang luas dan sangat tinggi stabil dari waktu ke waktu dan

siklus suhu.

Prinsip Operasi

Sepotong kawat dengan panjang "l," luas "a," dan resistivitas

"r," resistansi dari potongan kawat adalah

𝑅𝑅 = 𝜌𝜌1𝑎𝑎

Dimana:

ρ: resistivitas dalam Ω-cm

R: Resistansi dalam ohms

L: Panjang dalam cm

A: luas area dalam cm2

ρ adalah fungsi dari bahan kawat dan suhu kawat; mis.,

diberi sepotong kawat tembaga, panjang l cm dan luas = a

dalam cm2, tahanan kawat ini sekarang adalah fungsi suhu.

@ T0 R1 = 𝜌𝜌11𝑎𝑎

190

@ T1 R2 = 𝜌𝜌21𝑎𝑎 T1 > T0

𝑅𝑅2𝑅𝑅1

= 𝜌𝜌2𝜌𝜌1

Dan untuk sebagian besar konduktor (kecuali karbon),

perubahan ρ bergantung pada a, koefisien resistansi suhu.

Sedangkan α berbeda untuk bahan yang berbeda dan

Rt ≠ Ro (1 + αt)

Ro = resistansi pada suhu referensi, t0

Rt = tahanan pada temperatur, t

Perubahan ρ ini dapat diprediksi dan direproduksi untuk

banyak material. Bahan yang dipilih untuk RTD

berdasarkan nilai α yang besar, linearitas, dan rentang suhu.

Bahan konduktif paling sering adalah platina. Konfigurasi

RTD yang paling umum adalah bentuk probe.

Probe RTD terdiri dari selubung pelindung, yang sering kali

berupa tabung tertutup berbahan baja tahan karat, elemen

sensor, kabel timah, dan terminasi yang berulir.

Meskipun probe RTD memiliki selubung pelindung, ia

dapat dimasukkan ke dalam thermowell untuk ditambahkan

perlindungan dari kontaminan proses.

191

Sensor RTD digunakan untuk mengukur suhu yang berkisar

dari -430 ° F hingga 1800 ° F. Beberapa produsen

membatasi suhu minimum dan maksimum hingga -328 ° F

hingga 1562 ° F untuk pengukuran aplikasi industri. Selama

rentang suhu sedang, RTD sering lebih disukai daripada

termokopel karena keakuratannya yang lebih baik,

pengulangan yang lebih tinggi, dan kurangnya syarat

pengkondisian sinyal tambahan. Gambar 32 mencantumkan

frekuensi penggunaan perangkat pengukur suhu di Saudi

Aramco.

Gambar 32 : Frekuensi Penggunaan Pengukuran Suhu

Sebuah termokopel terbuat dari dua buah bahan yang

berbeda jenisnya, yaitu A dan B, yang kemudian

192

ditempelkan bersamaan. Apabila pada salah satu sisinya

dipanaskan, maka akan terbentuk beda potensial pada kedua

sisi yang lainnya. Beda potensial ini tergantung terhadap

koefisien Seebeck dua material tersebut dan juga perbedaan

temperatur pada kedua ujungnya.

Termokopel adalah salah satu jenis sensor pengukur suhu

yang paling umum saat ini digunakan dalam industri dan di

Saudi Aramco ketika indikasi atau pengukuran jarak jauh

diperlukan untuk lingkaran kontrol. Termokopel dijelaskan

dalam pembahasan berikut dalam hal prinsip, desain,

kinerja, instalasi, dan aplikasi.

Prinsip operasi dijelaskan dalam SADP-J-400, Bagian 3.1:

“Termokopel (T / C) terdiri dari dua kawat logam atau

paduan yang berbeda yang disatukan di satu ujung, yang

disebut persimpangan (atau "panas"). Ujung bebas dari

kedua kabel dihubungkan ke pengukur instrumen untuk

membentuk jalur tertutup di mana arus dapat mengalir. Titik

dimana kabel T / C sambungkan ke alat ukur yang

ditetapkan sebagai sambungan "referensi" (atau "dingin").

193

Menerapkan panas ke persimpangan pengukuran

menyebabkan ggl kecil dihasilkan di referensi persimpangan.

Ketika perangkat pembacaan digunakan, itu mengubah ggl

yang dihasilkan oleh perbedaan suhu antara pengukuran

dan referensi persimpangan untuk merekam atau

menampilkan suhu persimpangan pengukuran. Ketika suhu

referensi diketahui (biasanya 0 ° C) dan persimpangan

pengukur terkena suhu yang tidak diketahui, ggl yang

dikembangkan akan bervariasi langsung dengan perubahan

suhu yang tidak diketahui. "

Operasi termokopel memerlukan pembahasan tentang

beberapa prinsip, yaitu berikut:

• Efek Seebeck

• Efek Peltier

• Efek Thomson

Efek Seebeck - Ketika dua kabel yang terdiri dari logam

yang berbeda terikat di kedua ujung dan salah satu ujungnya

dipanaskan, arus kontinu akan mengalir dalam suatu

rangkaian, yang disebut "rangkaian termoelektrik". Arus

mengalir setiap kali ada perbedaan suhu antara kedua

194

persimpangan. Fenomena ini disebut Efek Seebeck, dinamai

menurut Thomas Seebeck yang menemukan keberadaan

sirkuit termoelektrik. Jika Anda harus membuka sirkuit

termoelektrik dan mengukur tegangan di salah satu ujung,

tegangan akan menjadi fungsi suhu persimpangan dan

komposisi kabel logam. Tegangan ini disebut tegangan

Seebeck. Semua logam yang berbeda menunjukkan efek ini.

Efek Peltier - Efek Peltier, menyatakan bahwa saat arus

listrik mengalir melintasi persimpangan dari dua logam

berbeda, panas dibebaskan (jika arus searah dengan arus

Seebeck) atau diserap (jika arus berlawanan arah dengan arus

Seebeck).

Dalam instalasi termokopel, efek sekunder dari sambungan

dari termokopel ke kabel ekstensi ke alat ukur adalah bahwa

pada setiap koneksi terminal ada ggl dikembangkan karena

logam yang berbeda. Setiap koneksi memancarkan atau

menyerap panas. Efek ini disebabkan oleh Efek Peltier.

Apakah koneksi memancarkan atau menyerap panas

ditentukan oleh arah aliran arus listrik melalui sambungan.

195

Efek Peltier adalah dasar untuk pemanasan dan pendinginan

termoelektrik. Contoh umum dari Efek Peltier terlihat pada

pemanas / pendingin rekreasi portabel bertenaga baterai.

Efek Thomson - Efek Thomson menyatakan gradien suhu

dalam konduktor logam memiliki gradien tegangan kecil

yang besarnya dan arahnya bergantung pada logam tertentu.

Misalnya, jika satu kawat dipanaskan di titik tengahnya, suhu

di titik ujungnya, T2, akan jelas lebih rendah dari suhu a T1.

Ketika arus mengalir melalui kabel dari P2 ke P1, elektron

menyerap energi di salah satu ujung kabel dan melepaskan

energi di ujung kabel kawat yang berlawanan. Karena

keuntungan dan kerugian energi adalah sama, tidak ada efek

bersih yang terjadi di sepanjang kabel.

Gambar 33. Skema Termokopel, dimana Beda

Potensial Terbentuk pada Ujung yang Terbuka

196

Gambar 34. Skema Thermopile yang Terdiri dari Lima

Buah Termokopel yang Dipasang Seri

Gambar 35. Skema Teknologi CMOS pada Thermopile

dengan n-poly/p+-active termokopel

Salah satu sensor temperatur yang berbasis CMOS adalah

thermophile. Thermopile sebenarnya merupakan salah satu

dari jenis termokopel. Thermopile terdiri dari beberapa

197

termokopel yang disusun secara seri sehingga mampu

memiliki sensitivitas tinggi. Sehingga dalam prinsip kerjanya

menggunakan prinsip kerja termokopel dengan efek

Seebeck.

Agar mampu menghasilkan tegangan keluaran yang sangat

besar, maka diperlukan perbedaan suhu yang juga sangat

besar. Hal ini dapat dicapai melalui pengisolasian suhu

panas. Caranya dengan meletakkan thermopile pada lapisan

dielektrik, sehingga akan terjadi peningkatan pada resistansi

suhu. Terdapat beberapa lapisan yang dimodifikasi untuk

fabrikasi material thermopile dengan teknologi CMOS, yaitu

level doping, ketebalan, dan konduktivitas termal.

4.7. Sel Surya

Sel surya dengan struktur tandem/multiple junction

mempunyai efisiensi yang lebih tinggi daripada single

junction. Efisiensi multijunction sel surya lebih tinggi

dibandingkan dengan single junction sel surya, karena pada

multijunction terdapat pembagian spektrum cahaya di setiap

sambungannya. Dengan komposisi bahwa sambungan

paling atas memiliki celah pita energi yang lebih besar

198

dibandingkan sambungan di bawahnya. Sehingga ketika

cahaya mengenai sambungan yang paling atas, spektrum

yang tidak mampu diserap akan diteruskan ke sambungan

berikutnya yang terletak di bawahnya. Berbeda dengan

single junction, dimana muatan cahaya yang energinya

kurang dari celah pita energi tidak mampu diserap dan

hilang, menyebabkan efisiensinya lebih kecil dibandingkan

pada multi junction sel surya.

Prinsip kerja multijunction sel surya menggunakan dasar

solar sel pada umumnya. Permukaan sel surya merupakan

fotodioda dalam ukuran besar. Fotodioda merupakan

sebuah sambungan sederhana dari dioda semikonduktor

bahan yang sama, Germanium atau Silikon Tipe-P-N.

Sesaat setelah dua tipe semikonduktor ini disambungkan,

pada bagian sambungan akan membuat pembawa mayoritas

Tipe-N (elektron) berpindah ke Tipe-P. Hal ini

menyebabkan elektron tersebut terperangkap pada hole di

Tipe-P, sehingga pada daerah sambungan di Tipe-P terdapat

ion negatif. Begitu juga sebaliknya yang terjadi pada daerah

sambungan di Tipe-N terdapat ion positif. Pasangan ion

199

negatif dan ion positif ini disebut dipol, dimana peningkatan

jumlah dipol menimbulkan depletion region.

Gambar 36. Multijunction Sel Surya

Ketika terdapat foton yang menyinari sel surya, maka akan

terjadi interaksi antara sel surya dengan foton. Pada

multijunction, fotodioda di bagian atas (top cell), didesain

untuk menangkap spektrum energi foton yang besar.

Sehingga foton yang energinya lebih kecil akan ditangkap

oleh fotodioda pada lapisan tengah (middle cell). Interaksi

pada tiap lapisan ini menimbulkan pasangan elektron-hole.

Misal jika foton jatuh pada P-Layer, maka elektron akan

berdifusi menuju N-Layer melalui depletion region. mampu

200

menimbulkan arus. Besarnya arus yang dihasilkan adalah

setara dengan intensitas cahaya yang terdeteksi oleh

fotodioda. Gambar 36 menunjukkan lapisan multijunction.

Hal ini menyebabkan P-Layer akan kaya dengan muatan

positif dan N-Layer akan kaya dengan muatan negatif.

Perbedaan muatan dalam tiap lapisan top cell, middle cell, bottom

cell,

Perbedaan prinsip kerja antara sel surya multijunction

dengan sensor image.

Pada sel surya multijunction penyerapan spektrum cahaya

berbeda-beda tiap lapisannya sesuai dengan lebar celah pita

energi pada sel surya. Dimana pada bagian atas lapisan

menyaring energi foton yang lebih besar dibandingkan

dengan lapisan bawahnya. Selain itu, sel surya menggunakan

prinsip efek fotovoltaik. Tahap absorbsi pada efek ini terdiri

dari 2 kemungkinan.

Kemungkinan pertama apabila energi foton kecil, maka

energi tersebut hanya akan diserap oleh elektron material

tanpa menimbulkan perpindahan pada elektron.

Kemungkinan kedua apabila energi foton besar, maka energi

201

tersebut mampu diserap elektron dan bahkan membawa

elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan

meninggalkan sebuah hole. Perbedaan muatan yang

dihasilkan ini akan menimbulkan arus dengan tegangan

searah. Untuk menjadikan tegangan tersebut ke tegangan

bolak balik, dilakukan konversi dengan menggunakan

inverter.

Pada sensor image yang umum dikenal saat ini adalah

menggunakan CCD atau CMOS. Setiap fotodioda pada

sensor image disebut dengan photosite, yang bekerja dengan

efek fotolistrik. Efek ini terjadi apabila terdapat sumber

energi cahaya yang sangat besar. Energi foton yang sangat

besar jika mengenai elektron akan mengakibatkan adanya

hamburan elektron. Hamburan ini menyebabkan elektron

berpindah ke energi yang lebih tinggi dan meninggalkan

hole. Perubahan ini menyebabkan perbedaan muatan

sehingga mampu menghasilkan tegangan di tiap titik

photosite.

202

Gambar 37. Efek Fotovoltaik

Pada CCD, tegangan berupa analog sehingga terdapat

rangkaian ADC untuk konversi ke dalam sinyal digital.

Selanjutnya sinyal digital ini yang akan memberikan nilai

biner dan menjadikan dalam bentuk citra. Dimana setiap

titik photosites bernilai 1 piksel pada citra.

203

Gambar 38. Efek Fotoelektrik

Sedangkan pada CMOS telah memiliki pengubah sinyal

digital sehingga tidak memerlukan rangkaian ADC. Gambar

37 dan Gambar 38 adalah skema perbedaan Efek

Folovoltaik pada sel surya dan Efek Fotolistrik pada sensor

image.

204

DAFTAR PUSTAKA

Aulia, Riza. 2010. PENENTUAN BERAT MOLEKUL

POLIMER DENGAN METODEHAMBURAN

CAHAYA (LIGHT SCATTERING). Universitas

Haluoleo;kimia

Akin, T. 2005."CMOS-based Thermal Sensors".

Department of Electrical and Electronics Engineering,

Middle East Technical University, Ankara, Turkey.

Advanced Micro and Nanosystems. Vol. 2. CMOS –

MEMS

Fachri Yanuar, dkk. 2010. “Pengenalan Sidik Jari”. URL:

http://www.docstoc.com/docs/23520303/Pengenalan

-sidik-jari.

Guerrieri, dkk. "THE UniBO FINGERPRINT

CAPACITIVE SENSOR". URL: http://www-

micro.deis.unibo.it/~tartagni/Finger/FingerSensor.ht

ml

H. Van Vlack, Lawrence. 1981. Ilmu dan Teknologi Bahan.

Jakarta : Erlangga

205

Irzaman. 2010. Studi Konduktivitas Listrik Film Tipis

Ba0.25

Sr0.75

TiO3 Yang Didadah Ferium Oksida (BFST)

Menggunakan Metode Chemical Solution Deposition.

IPB;Bogor

Jain, Anil K. 2007. "Automated Biometric Identification".

URL:

http://www.nature.com/nature/journal/v449/n7158/

box/449038a_BX1.html

Legtenberg, Rob, dkk. 1995. "Comb-Drive Actuators for

Large Displacements". MESA Research Institute,

University of Twente, Netherlands.

Knier, Gil. 2002. "How do Photovoltaics Work?". URL:

http://science1.nasa.gov/science-news/science-at-

nasa/2002/solarcells/.

Karim, S, dkk. tt. "Optimasi Efisiensi Sel Surya GaAs dan

GaSb Persambungan P/N untuk Komponen Sel Surya

Tandem GaAs/GaSb". Jurusan Fisika, Universitas

Pendidikan Indonesia, Bandung.

Smith,William. 1990. Principles of Material Science and

Engineering. New York : McGraw-Hill Publishing

Company

206

Tom Harris. "How Fingerprint Scanners Work". URL:

http://computer.howstuffworks.com/fingerprint-

scanner6.htm.

William D. Callister, Jr. 2007. Material Science and

engineering. New York : John Wiley & Sons Inc.

207

TENTANG PENULIS

Fitri Rahmah menyelesaikan program Sarjana

dan Magister di Jurusan Teknik Fisika Institut

Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya

pada tahun 2013 dan 2015. Program Magister

ditempuh dengan bantuan Beasiswa

Pendidikan Pascasarjana Dalam Negeri (BPP-DN) Calon

Dosen. Sejak Desember 2015 hingga sekarang aktif menjadi

dosen di Program Studi Teknik Fisika Universitas Nasional

Jakarta.

Fitri Rahmah menyelesaikan program Sarjana dan Magister di Jurusan Teknik Fisika Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya pada tahun 2013 dan 2015. Program Magister ditempuh dengan bantuan Beasiswa Pendidikan Pascasarjana Dalam Negeri (BPP-DN) Calon Dosen. Sejak Desember 2015 hingga sekarang aktif menjadi dosen di Program Studi Teknik Fisika Universitas Nasional Jakarta.