ABSTRAK
PENGARUH PENAMBAHAN Al2O3 TERHADAP KARAKTERISTIK
SIFAT LISTRIK V-t dan V-I KERAMIK ELEKTRONIK ZnO DENGAN SUHU PENYINTERAN 13000C
Oleh WARI WAGITO
ZnO merupakan salah satu bahan utama pembuatan varistor yang dapat digunakan sebagai pelindung peralatan elektronik dan listrik dari tegangan lebih. Saat varistor mendeteksi kehadiran tegangan yang berlebih, varistor akan bersifat seperti sakelar yang membuang arus kelebihannya, sehingga tegangan akan turun kembali ke dalam batas normal. Varistor ZnO memiliki sifat nonlinier di mana nilai tahanannya rendah saat dialiri arus yang sangat besar dan mempunyai tahanan yang besar saat dialiri arus yang kecil. Kemampuan varistor ZnO tersebut dapat ditingkatkan dengan menambahkan bahan oksida logam. Dalam penelitian ini menggunakan Al2O3 sebagai bahan dopingnya.
Dalam penelitian ini varistor dibuat dengan beberapa proses yaitu preparasi, pencetakan dan penyinteran. Pencetakan menggunakan metode dry pressing pada tekanan 200 kg/cm3 kemudian disintering dengan suhu 13000C. Varistor yang dihasilkan memiliki ketebalan ± 1,7mm, diameter ± 12 mm dan massa ± 1 gram. Selanjutnya melakukan pengujian karakteristik sifat listrik V-t dengan menggunakan pembangkit tegangan impuls kapasitif dan karakteristik sifat listrik V-I menggunakan rangkaian pengukuran arus.
ABSTRACT
THE EFFECT OF Al2O3 ADDITIVE ELECTRICAL PROPERTIES I-V
AND V-t CHARACTERISTIC OF ZnO VARISTORS WITH TEMPERATURE SINTERING 13000C
By
WARI WAGITO
ZnO is one of the key ingredient in varistors which can be used as a protector of electronic and electrical equipment from overvoltages. When varistors detect the presence of overvoltage, varistor performs like throwing switch to excess flow, then voltage will decrease to within normal limits. The Capability of ZnO varistors can be improved by adding metal oxide materials. In this study Al2O3 is used additive material.
In this study varistors are made by some process of preparation, printing and sintering. Printing using dry pressing method at a pressure of 200 kg/cm3 then sintering temperature of 13000C. Varistors are produced at a thickness of ± 1,7 mm, ± 12 mm diameter and mass of ± 1 gram. Further testing electrical properties of V-t characteristics using capacitive impulse voltage generator and electrical properties of I-V characteristics using current measurement circuit.
Based on the testing are obtained V-t characteristics of pure ZnO varistors and ZnO-Al2O3 varistors (0,05%, 0,2%, 0,5%, 0,7% and 1,0%) are obtained where the V-t characteristics of each varistor works well by cutting impulse voltage. This thing is because varistor shows gradient value to come near zero value. Best gradient value varistor gotten at doping 0,7% Al2O3 with m = - 0,86. As for the results of testing the I-V characteristics of each varistor shows the nature of nonlinearity with coefficient (β) between 0,4 to 0,8. The lowest coefficient is obtained in addition Al2O31% with β = 0,499.
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang dan Masalah
Sudah dikenalnya penggunaan bahan materi Seng Oksida (ZnO) sebagai pengganti Silikon karbon (SiC), maka sudah banyak industri yang menggunakan bahan dasar ZnO sebagai peralatan elektronik. Pada dasarnya, penyebab utama dari pergeseran arah teknologi penggunaan ZnO ini tidak lain karena pihak industri pada umumnya merasakan nilai produksinya yang lebih efisien dan murah serta mudah didapat. Dapat dilihat bahwa hampir disemua bidang industri eletronika menggunakan ZnO yang fungsinya sebagai: gas sensor, piezoelectric
device, LED substrate, transparent electrode, varistor, UV laser substrate dan
banyak lagi lainnya. Lambat namun pasti, suatu saat ZnO akan menggantikan sepenuhnya kedudukan SiC untuk memproduksi peralatan-peralatan semi konduktor. Sedangkan kelebihan dari ZnO mempunyai konduktifitas dan sifat kenonlinieran yang lebih besar dibanding SiC. Konduktifas elektrik ZnO dapat ditingkatkan dengan cara mendopan dengan unsur kimia golongan IIIA seperti Aluminium, boron, galium dan indium1. Pada proses pendopanan peneliti sebelumnya melakukan pemberian variasi persentase yang berbeda-beda, ZnO yang didopan Al2O3 mempunyai puncak fasa yang paling tinggi dengan komposisi
1
campuran 0,05% mol Al2O32 dan dengan komposisi 1% mol Al2O3 mendapatkan kenonlineran yang paling tinggi3.
ZnO merupakan salah satu bahan utama pembuatan varistor yang dapat digunakan sebagai pelindung peralatan elektronik dan listrik dari tegangan lebih. Saat varistor mendeteksi kehadiran tegangan yang berlebih, varistor akan bersifat seperti sakelar yang membuang arus kelebihannya, sehingga tegangan akan turun kembali ke dalam batas normal. Varistor dipakai sebagai komponen pengaman rangkaian dan komponen yang peka atau kritis terhadap tegangan transien yang muncul secara tiba-tiba. Tegangan transien memicu varistor bekerja membuang arus transien yang timbul sehingga elektronika terhindar dari kerusakan. Tegangan transien dapat memasuki rangkaian karena energi misalnya petir, terjadi di dekat rangkaian. Energi transien yang terlampau besar atau melebihi batas maksimal tegangan yang dapat diproteksi akan menyebabkan varistor rusak. Dalam bidang tenaga listrik khususnya jaringan tegangan tinggi, komponen varistor ini tidak dioperasikan secara sendiri melainkan terintegrasi dengan komponen lain dan secara keseluruhan disebut lighting Arrester, akan tetapi dikalangan ahli kelistrikan sendiri, komponen varistor ini diberi penamaan valve resistor. Komponen varistor yang terpadu dalam arrester tersebut mempunyai peranan yang sangat vital guna melindungi peralatan tenaga listrik dari gangguan alam yaitu surja petir dan gangguan dari sistem sendiri yaitu surja hubung.
2
Abdullah, Huda. Saadah, Nur Habibi. Ariyanto, Nugroho. Salleh, Muhamad Mat, Kesan Pengedopanan Rendah ke Atas Bahan Nanostruktur ZnO: Al sebagai Lapisan Anti Pantulan, Journal Sains Malaysiana 38, (Mei 2009), h. 679-683
3
Patil, D. R, Patil L. A. 2007. Ethanol Gas Sensing Properties of Al2O3-Doped ZnO thick Film
3
Proses pembuatan varistor meliputi proses preparasi, pembentukan atau pencetakan, dan penyinteran, sangat mempengaruhi baik atau tidaknya kualitas suatu keramik varistor. Pada penelitian ini untuk proses preparasi bahan dasar yang digunakan adalah ZnO dengan kemurnian 99% yang didopan oleh Al2O3, dengan variasi komposisi persentase Al2O3 yang ditambahkan adalah 0.05%, 0.2%, 0.5%, 0.7% dan 1% mol, untuk mencampur kedua senyawa tersebut menggunakan aceton dan magnetic stirrer yang dipanaskan di atas hotplate. Pada penelitian ini proses pencetakan keramik varistor menggunakan metode dry
pressing dengan tekanan 200 kg/cm2, berdasarkan penelitian sebelumnya yang
dilakukan oleh Agung Sayukti dengan tekanan 150 kg/cm2 memiliki batas butir yang kurang baik, sehingga pada penelitian ini tekanan ditingkatkan menjadi 200 kg/cm2. Karena berdasarkan proses pembuatan varistor dan nilai-nilai tipikal yang dikeluarkan berbagai pabrik tekanan yang diberikan antara 100 - 400 kg/cm2. Sedangkan untuk proses penyinteran atau pemanasan keramik varistor menggunakan furnace dengan suhu penyinteran 1300 0C dengan waktu penahanan selama 2 jam. Proses penyinteran ini telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dengan memvariasikan suhu pembakaran yakni 1100 0C dan 1300 0C. Dari kedua variasi suhu tersebut proses penyinteran dengan suhu 1300 0C memiliki hasil yang lebih baik karena batas butir varistor yang dihasilkan lebih sedikit sehingga medan listrik pada varistor semakin kecil akibatnya proses yang diperlukan untuk mencapai proses tembus pada varistor tersebut semakin cepat terjadi4.
4
Setelah proses pembuatan varistor selesai maka dilanjutkan dengan pengujian karakteristik sifat listrik diperlukan untuk melihat unjuk kerja dari sebuah varistor, dalam tahap akhir ini pengujian karakteristik sifat listrik varistor yaitu I dan V-t. Dimana dari pengujian karakteristik V-I tersebut dapat diketahui kenonlinieran varistor, sedangkan pada pengujian karakteristik V-t dapat diketahui keberhasilan sebuah varistor memotong gangguan tegangan impuls yang datang dengan waktu tertentu. Pada penelitian ini pengujian karakteristik listrik dilakukan pada varistor ZnO murni dan varistor ZnO dengan dopan Al2O3 dengan lima komposisi yang berbeda, sehingga pada data yang diperoleh nanti diharapkan terdapat berbedaan yang cukup signifikan dan lebih mudah dianalisis.
B. Tujuan
Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk :
1. Membuat keramik elektronik ZnO-Al2O3 untuk aplikasi varistor.
2. Menganalisis karakteristik sifat listrik V-t dan V-I keramik elektronik ZnO murni.
3. Menganalisis pengaruh penambahan Al2O3 yang diberikan pada keramik elektronik ZnO terhadap karakteristik sifat listrik V-t dan V-I.
C. Kerangka Pemikiran
5
penyinteran, tahapan pertama proses preparasi terdiri dari pencampuran ZnO dengan Al2O3 dengan variasi komposisi campuran yang ditambahkan 0.05%, 0.2%, 0.5%, 0.7% dan 1% mol. Proses pencampuran ini menggunakan aceton sebagai bahan perekat antara ZnO dan Al2O3 kemudian dipanaskan dengan menggunakan hotplate serta proses pengadukan menggunakan magnetic stirrer selanjutnya dilakukan pengeringan dioven dengan suhu 80 0C selama 24 jam akhirnya digerus menggunakan mortal dan spatula. Tahapan kedua pencetakan sampale ZnO murni dan ZnO-Al2O3 dengan metode dry pressing dengan tekanan 200 kg/cm2. Tahap selanjutnya yaitu penyinteran pelet varistor, penyinteran varistor dilakukan dengan suhu 1300 0C selama 2 jam penahanan.
Untuk pengujian karakteristik sifat listrik V-t dengan menggunakan pembangkit tegangan impuls kapasitif dan karakteristik sifat listrik V-I menggunakan rangkaian pengukuran arus.
D. Hipotesis
Varistor ZnO yang didopan dengan zat aditif Al2O3 dengan komposisi 0.05%, 0.2%, 0.5%, 0.7% dan 1% mol dengan penyinteran suhu 1300 0C akan memiliki karakteristik sifat listrik V-t dan V-I yang lebih baik dibandingkan dengan varistor ZnO murni.
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Setelah melakukan penelitian dan menganalisis hasil yang didapat, dapat disimpulkan bahwa:
1. Pembuatan varistor dengan menggunakan metode dry pressing dengan tekanan 200 kg/cm2 dan disintering dengan tekanan suhu 1300oC, telah dihasilkan keramik varistor keras dan padat.
2. Keramik varistor yang dihasilkan pada proses penyinteringan mengalami penyusutan, hal ini karena adanya energi aktivasi yang berasal dari panas sehingga serbuk menjadi keras dan padat.
3. Berdasarkan pengujian pengukuran tegangan-arus, telah didapatkan karakteristik V-I varistor ZnO murni dan varistor ZnO yang didoping dengan Al2O3 menunjukkan sifat kenonlinieran.
4. Varistor ZnO yang didoping dengan Al2O3 memiliki sifat kenonlinieran lebih baik dari varistor ZnO murni di mana nilai koefisien nonlinieran (β = 0,499) yang
60
5. Berdasarkan pengujian tegangan tembus varistor, varistor ZnO murni dan varistor ZnO yang didoping dengan Al2O3 telah bekerja dengan baik memotong tegangan impuls, di mana kurva karakteristik V-t dari tegangan tembus varistor berada di bawah kurva karakteristik V-t tegangan impuls.
6. Varistor ZnO yang didoping oleh Al2O3 memiliki nilai gradien yang lebih rendah mendekati nilai nol dibandingkan nilai gradien varistor ZnO murni yang didapat pada varistor dengan doping 0,7% Al2O3 (m = -0,86) sehingga lebih dahulu memotong tegangan impuls yang datang di bandingkan varistor ZnO murni.
B. Saran
Setelah melakukan penelitian dan menganalisis hasil yang didapat, dapat diberikan saran sebagai berikut:
1. Diharapkan pada pengukuran karakteristik V-I varistor menggunakan alat ukur yang lebih sensitif dengan range pengukuran yang tinggi serta menggunakan sistem proteksi pada rangkaian untuk mendapatkan hasil pengukuran yang lebih maksimal dan keamanan alat lebih baik.
