20 Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013

ISSN : 0853-0823

Pengamatan Perubahan Grid Pattern pada Kristal Cair Nematik

Intan Rindu Kusumawardany

1*, Dwiria Wahyuni

2, Sri Hartini

3, Yusril Yusuf

1 1 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada

Sekip Utara PO BOX BLS. 21 Yogyakarta Indonesia 55281

2 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Tanjungpura

Jl. Prof. Dr. H. Hadari Nawawi Pontianak Kalimantan Barat Indonesia 78124

3 Jurusan Pendidikan Ilmu Pengetahuan Alam, Fakultas Pendidikan, Universitas Lambung Mangkurat

Jl. Bigjen H. Hasan Basri Kayutangi Banjarmasin Kalimantan Selatan Indonesia 70123

*intanrindu@gmail.com

Abstrak – Telah dilakukan pengamatan terhadap grid pattern (GP) pada sampel kristal cair nematik 4-methoxy-

benziledene-4-n-buthyl-aniline (MBBA) penjajaran planar dengan ketebalan 50µm dan 100µm. Pemberian medan listrik

eksternal pada kristal cair nematik menyebabkan arah orientasi director molekul kristal cair berubah. GP muncul ketika

sampel diberikan frekuensi tertentu dan tegangan yang melebihi tegangan ambang, VGP, dalam bentuk pencabangan

yang pendek yang terjadi akibat pergerakan yang konvektif. Pengamatan perubahan pola GP dilakukan secara visual

dengan menggunakan perangkat lunak ImageJ. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa variasi frekuensi yang dikenakan

pada sampel memberikan perubahan bentuk pola yang terbentuk pada citra.

Kata kunci: kristal cair nematik, grid pattern, pengolahan citra

Abstract – We observed the grid pattern (GP) in planar alignment of 4-methoxy-benziledene-4-n-buthyl-aniline (MBBA)

nematic liquid crystal samples with 50µm and 100µm of thickness. When an external electric field induced into samples,

the director of liquid crystal molecules would changed. GP appeared when samples were applied by a certain frequency

and voltage exceeded a typical the threshold voltage, VGP, with a short width that caused by the convective flows.

Observation of GP dimensional changes had been made by using image processing with ImageJ software. The result

showed that the frequency was inversely proportional to the dimensions of the GP.

Key words: nematic liquid crystal, grid pattern, image processing

I. PENDAHULUAN

Kristal cair merupakan material yang memiliki

keteraturan arah seperti padatan (kristal) dan memiliki

sifat dapat bergerak bebas seperti cairan biasa. Orde

keteraturan molekul dalam kristal cair dipengaruhi oleh

bentuk anisotropik molekulnya. Kristal cair nematik

adalah kristal cair dengan orde orientasi (digambarkan

dengan director n) yang paling sederhana dan

merupakan jenis kristal cair yang paling umum dijumpai.

Sebagian besar molekulnya digambarkan dengan bentuk

seperti batang (rod-like shape) [1-3]. Untuk mempelajari

respon suatu kristal cair nematik terhadap medan

eksternal dapat dilakukan dengan cara menempatkan

kristal cair nematik ke dalam sebuah sel tipis yang terdiri

dari dua plat kaca berlapis elektroda (sumbu-x). Terdapat

dua tipe director di dalam sel, yaitu penjajaran planar

ketika director dalam keadaan sejajar elektroda (sumbu-

x) dan penjajaran homeotropik ketika director tegak

lurus terhadap elektroda (sumbu-z) [3]. Lapisan kristal

cair nematik yang memiliki tetapan dielektrik

anisotropik negatif, seperti MBBA, dengan penjajaran

planar, akan menunjukkan pola garis yang teratur pada

tegangan ambang ketika sebuah medan DC atau AC

berfrekuensi rendah dikenakan pada sel kristal cair

namatik. Partikel ionik yang terkandung dalam kristal

cair nematik akan mengalami gerak periodik karena

pengaruh medan, sesuai dengan pola pergerakan

hidrodinamika. Pemberian medan listrik juga

menimbulkan modulasi pada orientasi director.

Modulasi director terjadi pada bidang-xz dan

membentuk sudut modulasi terhadap sumbu-x [1].

Fenomena ini dikenal sebagai elektro-hidrodinamika

(EHD). Pada mekanisme EHD, terdapat dua wilayah:

wilayah konduktif dan dielektrik yang dipisahkan oleh

frekuensi kritis tertentu, fc [1-3].

Berdasarkan kenaikan tegangan-frekuensi, dapat

diklasifikasikan pola-pola yang terbentuk dalam kristal

cair nematik penjajaran planar yaitu WD → FWD → GP

→ quasi-GP → DSM-like → DSM1 → DSM2, dengan

singkatan yang digunakan adalah sebagai berikut: WD;

Williams domain, FWD; fluctuating Williams domain,

GP; grid pattern, DSM; dynamic scattering mode. Pola

GP tebentuk pada daerah konduktif (f < fc). Bentuk kotak

GP berdeformasi secara bertahap dengan peningkatan

frekuensi [4].

II. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN

Kristal cair nematik 4-methoxy-benzilidene-4-buthyl-

aniline (MBBA) diisikan ke dalam sel yang terbuat dari

plat kaca indium tin oxide (ITO) yang berfungsi sebagai

elektroda dan dilapisi dengan Polyvinyl Alcohol (PVA),

serta dilakukan proses rubbing untuk mendapatkan sel

Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik 21

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013

ISSN : 0853-0823

dengan penjajaran planar. Ketebalan sel sampel divariasi

menggunakan mylar spacer berukuran 50µm dan

100µm. Susunan alat dalam penelitian ini diperlihatkan

pada Gambar 1. Sel sampel diletakkan dalam hot stage

dan suhu diatur konstan pada (30±0.01)ºC. Pola yang

terbentuk diamati pada layar komputer melalui kamera

CCD yang terhubung pada mikroskop polarisasi. Pola

yang teramati adalah pada bidang-xy. Tegangan-

frekuensi yang dikenakan pada sampel dihasilkan oleh

function synthesizer-amplifier dan tegak lurus terhadap

elektroda. Frekuensi (f) dalam penelitian ini berada di

bawah frekuensi kritis, fc. Tegangan ambang GP terbaca

pada multimeter pada tiap variasi frekuensi. Citra GP

direkam menggunakan perangkat lunak Pixel View dan

pengolahan citra GP dengan perangkat lunak ImageJ.

Proses pengolahan citra menggunakan ImageJ adalah

untuk mengamati perubahan bentuk GP.

Gambar 1. Setup alat.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN Pola konvektif GP dapat diamati ketika sampel

dikenakan medan eksternal berupa tegangan listrik

sebesar tegangan ambang tertentu. GP terbentuk setelah

pembentukan mode twist pada pola fluctuating Williams

domain (FWD) berhenti. Peningkatan tegangan yang

dikenakan pada sampel secara terus menerus akan

menimbulkan GP ketika mencapai suatu nilai tegangan

ambang VGP. GP berbentuk kotak-kotak. Lebar dari kisi

percabangan yang terjadi adalah pendek-pendek. Kisi

pada GP memiliki bagian pembentuk kisi yang

menyerupai garis, sedangkan bagian pusatnya seperti

titik berwarna lebih terang. Bentuk GP menyerupai

bentuk persegi panjang, dimana bagian yang pendek

berada sejajar dengan arah director atau sumbu-x dan

bagian yang lebih panjang sejajar dengan sumbu-y

sampel. Bagian antara kisi garis dan pusat berwarna

gelap. Lebar kisi yang terbentuk dipengaruhi oleh

ketebalan sampel. GP memiliki perilaku yang lebih

stasioner daripada pola FWD [4].

Pada sampel 50µm GP diamati pada variasi frekuensi

mulai dari 60Hz sampai dengan 130Hz sedangkan pada

sampel 100µm terjadi pada variasi frekuensi mulai dari

50Hz sampai dengan 120Hz. Bentuk diagram fase

hubungan frekuensi dengan tegangan ambang (VGP)

untuk kawasan konduktif yang diperoleh dari penelitian

ditunjukkan oleh Gambar 2. Semakin tinggi frekuensi

yang diberikan kepada kristal cair nematik maka

semakin tinggi juga nilai tegangan ambang munculnya

GP, tetapi hubungan tersebut tidak linier. Hal ini terjadi

karena kemunculan GP pada tegangan yang lebih tinggi

merupakan kelanjutan dari proses GP yang terjadi pada

tegangan yang lebih rendah. Tegangan ambang

munculnya GP pada sampel dengan ketebalan 50µm dan

100µm nilainya tidak berbeda jauh dan cenderung sama.

Gambar 2. Diagram fase V-f pada GP.

Grid pattern pada sampel kristal cair nematik planar

berbentuk kotak dan menyerupai barisan yang rapi. Pola

ini melakukan pergerakan secara terus menerus ketika

ada medan listrik yang mengenainya. Semakin besar

nilai frekuensi yang diberikan, semakin besar pula

tegangan yang diperoleh, tetapi kotak GP yang terbentuk

semakin kecil daripada sebelumnya atau dengan kata lain

dimensi GP berubah. GP mengalami nilai lebar yang

mengecil, tetapi nilai panjang yang membesar. Kotak

yang mula-mula berbentuk persegi, setelah diberikan

frekuensi yang lebih tinggi lama-kelamaan menjadi

bentuk persegi panjang, dengan panjang di sumbu-y dan

lebar di sumbu-x. Pada Gambar 3 ditampilkan GP untuk

masing-masing ketebalan sampel. Dari Gambar 3 dapat

dibandingkan bentuk dan ukuran GP pada sampel

dengan ketebalan 50µm dan 100µm. Sampel dengan

ketebalan 50µm memiliki kisi yang lebih kecil

dibandingkan dengan kisi pada sampel 100µm sehingga

disimpulkan bahwa ketebalan sampel kristal cair nematik

mempengaruhi besar kisi dalam GP. Pola kotak GP lebih

mudah diamati pada frekuensi rendah karena pada

frekuensi yang lebih tinggi (f >150Hz) GP terbentuk

sangat cepat sehingga sangat mudah hilang.

Perubahan dimensi GP dari persegi menjadi persegi

panjang disebabkan oleh gerakan konvektif dalam GP

yang berlangsung secara terus menerus. Perubahan ini

terjadi baik pada sampel 50µm maupun 100µm. Hal ini

mengartikan bahwa pada kristal cair nematik dengan

penjajaran planar selalu terjadi perubahan dimensi GP.

Perubahan yang sulit diamati adalah perubahan panjang

(di sumbu-y) dikarenakan garis-garis kisi tidak nampak

dengan jelas, ada pula yang hilang atau tidak mucul.

Semakin tinggi frekuensi yang diberikan terhadap kristal

cair nematik, semakin sulit didapatkan GP yang baik dan

benar-benar membentuk kotak. Yang terlihat jelas hanya

titik tengah berwarna terang dan garis kisi yang semakin

tipis atau hampir menghilang. Pada frekuensi tinggi,

22 Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013

ISSN : 0853-0823

konveksi pada GP terjadi semakin cepat sehingga

menyebabkan kisinya hampir menghilang. GP terjadi

pada kawasan konduktif yaitu kawasan frekuensi rendah

(f > fc) sehingga hanya pada kawasan tersebut GP bisa

terbentuk dengan baik.

Gambar 3. Skematik perubahan bentuk GP.

Intan Rindu Kusumawardany / Pengamatan Perubahan Grid Pattern Pada Kristal Cair Nematik 23

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013

ISSN : 0853-0823

IV. KESIMPULAN

Bentuk GP menyerupai persegi panjang, dimana kisi

yang pendek berada sejajar dengan arah direktor atau

sumbu-x dan kisi yang lebih panjang sejajar dengan

sumbu-y sampel. Diagram fase hubungan antara

tegangan ambang sebagai fungsi frekuensi pola

konvektif GP berbentuk tidak linier. Semakin tinggi nilai

frekuensi medan listrik maka semakin tinggi pula

tegangan ambang terbentuknya GP, dimana ketebalan

lapisan kristal cair nematik tidak berpengaruh besar

terhadap tegangan ambang munculnya GP. Perubahan

bentuk GP merupakan perubahan bentuk persegi menjadi

persegi panjang, dengan pemendekan di sumbu-x dan

pemanjangan di sumbu-y.

UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini didanai oleh Hibah Kompetensi DIKTI

dan Jurusan Fisika FMIPA UGM.

PUSTAKA [1] Chandrasekhar, S., Liquid Crystal, Clarendon Press,

Oxford, 1992.

[2] de Gennes, P. G., dan Prost, J., The physics of Liquid

Crystal, Clarendon Press, Oxford, 1993.

[3] Yusuf, Y., Prewavy Instabilities in Nematic Liquid

Crystal, Thesis, Faculty of Engineering, Kyushu

University, Fukuoka, 2002.

[4] Hirakawa, K., dan Kai, S, 1977, Molecular Crystals and

Liquid Crystals, 40, 261 (1977).

TANYA JAWAB

Hendri W ? Apakah ada parameter kuantitif yang ditunjukkan dari

hasil pattern GP-nya? Scale bar dimunculkan.?

Intan Rindu K, UGM

√ Iya, sudah diukur. akan tetapi dalam paper ini belum

dimunculkan.

Galih Setyawan, UGM ? Apakah fenomena yang menarik pada Kristal cair

sehingga Kristal cair banyak dijadikan objek untuk

penelitian? Apakah Kristal cair terpengaruh oleh

perubahan suhu?

Intan Rindu K, UGM

√ Karena sifatnya yang dapat bergerak bebas seperti

cairan biasa, maka apabila diberi medan eksternal, akan

membentuk pola-pola yang bisa diaplikasikan untuk

penelitian selanjutnya.

Tidak berpengaruh dalam penelitian ini karena suhu

dibuat konstan.