Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor
NTC Berbasis (Cu
xMn
yZn
zNi
t)Fe
2O
4Jovi Kusuma Dilaga, Dani Gustaman Syarif, Wiendartun*
Departemen Pendidikan Fisika,Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia
e-mail: [email protected] [email protected] , wien@upiedu
ABSTRAK
Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (CuxMnyZnzNit)Fe2O4. Telah dilakukan pembuatan film tebal
termistor NTC dengan mencampukan bahan yang terdiri dari CuO 15%, MnO 20%, ZnO 5%, NiO 30% dan Fe2O3 30% dan digerus selama 30 menit lalu
ditambah OV (Organic Vehicle) untuk bahan pasta dan dilapiskan diatas substrat alumina dengan metode screen printing dan disinter pada suhu 11000C. nilai resistivitas setelah uji resistivitas sebesar 0.808 Mohm.cm dan mengalami penurunan nilai resistivitas setelah heat treatment. Pada hasil difraksi sinar-x didapat pola yang tidak beraturan yang kemungkinan merupakan pengaruh dari bahan penyusun film tebal. Hasil SEM menunjukan struktur yang berongga. Pada sampel satu didapat besar nilai nilai konstanta termistor sebesar 3925.10K dan yang terbesar dibandingkan HT1 dan HT2. Namun hal ini menunjukan bahwa sampel yang dapat digunakan baik dalam termistor adalah saat awal dengan nilai konstanta termistor tersebut maka masuk ke dalam termistor pasar dimana untuk kebutuhan pasar nilai konstanta termistor adalah ≥20000K.
Kata kunci : film tebal, heat treatment, karakteristik listrik, termistor NTC
ABSTRACT
Effect of Heat Treatment Against Electrical Characteristics Based NTC Thermistor (CuxMnyZnzNit) Fe2O4. Has made the manufacture of thick film
NTC thermistor with mencampukan materials consisting of CuO 15%, MnO 20%, ZnO 5%, NiO 30% and Fe2O3 30% and ground for 30 minutes then added OV (Organic Vehicle) for the paste material and superimposed above alumina substrates by screen printing method and sintered at a temperature of 11000C resistivity value after the test the resistivity at room temperature for 0808 Mohm.cm and impaired resistivity after heat treatment. On the results of x-rays obtained difraction irregular patterns are likely to be the influence of the material making up the film thickness. SEM results showed a hollow structure. On a
sample of the great obtained thermistor constant values for 3925.10K and the largest compared to HT1 and HT2. But this shows that samples can be used in both the thermistor is at the beginning of the thermistor constant value is then entered into the thermistor market where market needs are ≥20000K thermistor constant value.
3
PENDAHULUAN
Pada zaman modern saat ini, perkembangan teknologi terus berkembang, tidak terkecuali dalam bidang elektronik. Kebutuhan manusia akan elektronik tidak lepas untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari. Banyak jenis komponen dalam bidang elektronika seperti resistor, kapasitor, transistor, termistor dan lain-lain. Dalam bidang elektronika tentu kita tidak asing lagi dengan nama sensor. Sensor merupakan alat yang berkerja terhadap suatu perubahan, seperti cahaya, gas, suhu dan jenis lainnya. Komponen dalam elektronika yang bekerja terhadap perubahan suhu adalah termistor. Termistor pertama kali ditemukan oleh ilmuwan bernama Samuel Ruben pada tahun 1930 dan mendapat hak paten di Amerika Serikat dengan nomor #2.021.491.
Pemanfaatan suhu sebagai pengembangan teknologi sampai saat ini masih terus dikembangkan guna untuk mendapatkan komponen yang dapat memenuhi kebutuhan pasar. Komponen dalam elektronika yang berkerja terhadap perubahan suhu adalah termistor
Termistor adalah singkatan dari kata termo (suhu) dan resistor (alat ukur tahanan). Termistor juga kependekan dari
thermally sensitive resistor adalah suatu
komponen elektronik yang memiliki tahanan listrik yang sensitif terhadap perubahan suhu (Syarif D, G et al. 2005).
Termistor pertama kali ditemukan oleh ilmuwan bernama Samuel Ruben pada tahun 1930 dan mendapat hak paten di Amerika Serikat dengan nomor #2.021.491. Termistor adalah singkatan dari termo (suhu) dan resistor (alat ukur tahanan). Termistor juga kependekan dari thermally
sensitive resistor adalah suatu komponen
elektronik yang memiliki tahanan listrik yang sensitif terhadap perubahan suhu
(Syarif D, G et al. 2005). Berdasarkan responnya terhadap perubahan suhu, termistor terbagi menjadi dua jenis yaitu NTC (Negative Temperature Coefficient) dan PTC (Positive Temperature Coefficient) (Syarif D, G et al. 2005). Penggunaan termistor jenis NTC sangat luas digunakan di dunia, karena dapat diaplikasika di berbagai bidang seperti kedokteran (termasuk kedokteran nuklir), ruang angkasa, instrumentasi, telekomunikasi, otomotif dan HVACR (Wiendartun et al. 2009). NTC adalah resistor yang mempunyai koefisien temperature negatif yang sangat tinggi. Termistor jenis ini dibuat dari oksida logam yang terdapat dalam golonagn transisi. Oksida-oksida ini sebenarnya mampunyai resistansi yang tinggi, tetapi dapat diubah menjadi bahan semikonduktor yaitu dengan menambahkan beberapa ion lain (sebagai doping) yang mempunyai valensi yang berbeda. Sedangkan perubahan resistansinya karena pengaruh perubahan temperature diberikan dalam bentuk kurva resitansi sebagai fungsi temperatur.
Termistor PTC banyak digunakan juga pada peralatan terutama pemanas sebagai pengontrol suhu otomatis (Self
Temperature Control) atau sebagai pemanas
yang mengatur suhu secara mandiri (Self
Regulating Control) (Syarif D, G et al.
2005). PTC merupakan resistor dengan koefisien temperatur yang sangat tinggi. Dalam beberapa hal, termistor PTC berbeda dengam termistor NTC antara lain koefisien temperatur dari PTC bernilai positif hanya dalam interval temperatur tertentu, sehingga diluar interval tersebut koefisien temperaturnya bisa bernilai nol atau negatif, dan pada umumnya harga mutlak dari koefisien temperatur dari PTC jauh lebih besar daripada NTC. Termistor CTR dibuat dari V2O3 yang dipanaskan dengan serbuk oksida Ba atau Si dan sebagainya, yang
hasilnya dalam bentuk kaca. Termistor jenis ini merupakan resistor yang mempunyai koefisien temperatur negatif yang sangat tinggi. Penurunan resistansi yang drastis karena adanya pengaruh suhu tersebut terjadi pada transisi logam-semikonduktor dan berubah-ubah tergantung dari konsentrasi dopan, yaitu seperti Ge, Ni, W atau M.
Penelitian termistor NTC dengan bahan dasar Fe2O3 juga pernah dilakukan
oleh Wiendartun (2009) dengan jenis termistor NTC keramik CuFe2O4, tujuan
untuk memanfaatkan bahan yarosit yang pada nyatanya terdapat melimpah di Indonesia sehingga bertujuan untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan Fe2O3 impor.
Metode pembuatan termistor dapat dilakukan dalam bentuk pelet maupun film tebal. Penelitian pembuatan termistor NTC dengan jenis film tebal juga pernah dilakukan oleh Wiendartun (2009) yang menyatakan keramik dengan bahan yang sama yang dibuat dalam bentuk pelet masih perlu dikembangkan dalam bentuk keramik film tebal agar lebih ekonomis dan aplikasinya lebih luas. Keramik film tebal memiliki keuntungan dibandingkan dalam bentuk pelet yaitu hanya memerlukan bahan yang sangat sedikit dan dapat diaplikasikan dalam bentuk rangkaian terintegrasi yang kompak dengan volume yang kecil (Hibridasi dan Miniaturisasi) (Wiendartun et
al. 2009). Banyak cara yang dapat
digunakan untuk mencari kualitas termistor NTC yang baik, seperti mencampurkan bahan – bahan oksida logam dengan memvariasikan campuran-campuran yang digunakan. Bisa juga dengan menggunakan proses heat treatment seperti yang pernah dilakukan oleh Dani Gustaman S (2007) yang melakukan penelitian untuk mencari pengaruh heat treatment terhadap
karakteristik keramik Fe2O3:1mTi yang
menemukan bahwa proses heat treatment yang digunakan berhasil menurunkan nilai resistivitas suhu ruang termistor. kesimpulan bahwa nilai resistivitas termistor menurun setelah dilakukan perlakuan panas yaitu saat awal sebelum dilakukan perlakuan panas besar nilai reistivitas suhu ruang didapat 2,40 ± 0,10 Kohm.cm dan setelah dilakukan perlakuan panas didapat nilai resitivitas 18,37 ± 2,13 Kohm.cm dan besar nilai konstatnta termistor pun menurun setelah dilakukan perlakuan panas.
Metode screen printing merupakan metode pelapisan film dengan cara menekan pasta melewati sebuah cetakan screen dengan bantuan alat penyapu yang terbuat dari karet. Cetakan screen memiliki ukuran pori yang bervariasi sesuai kebutuhan.
Screen merupakan tenunan
berlubang-lubang yang terbuat dari serat yang fungsinya adalah untuk menentukan pola yang akan dicetak dan menentukan ketebalan pasta yang akan ditempelkan pada substrat. Dasar metode screen printing adalah mengenai deposisi pasta melalui
screen. Bahan yang umum digunakan untuk
pembuatan screen adalah dari polyster, nylon, dan stailess steel.
Salah satu parameter yang menentukan hasil daripada karakteristik termistor NTC adalah pengaruh suhu sinter. Pembakaran atau perlakuan panas adalah salah satu proses utama dalam pembuatan keramik. Kondisi penyinteran yang berbeda akan memberikan karakteristik struktur mikro yang berbeda seperti besar butiran,fasa batas butir, fasa segresi pada batas butir, agglomerasi dan densitas (Nurhayati Sri, 2012). Tentu perbedaan tersebut dapat mempengaruhi nilai karakteristik listrik atau tahanan sebuah termistor NTC. Sintering adalah suatu proses perlakuan panas terhadap suatu bahan
5 atau material yang dilakukan dibawah titik leleh bahan tersebut. Pada tahap pembuatan bahan keramik, proses pembakaran merupaka proses yang sangat menentukan sifat bahan (Ramlan et al., 2011). Proses sintering juga untuk mereaksikan bahan-bahan penyusun baik bahan-bahan keramik maupun bahan logam yang nantinya akan membentuk fase kristal baru sesuai dengan yang diinginkan. Suatu bahan tertentu dapat terbentuk pada suhu lebih rendah dari titik meltingnya, hanya saja kemampatan bahan tersebut belum sesuai dengan yang diharapkan (Ramlan et al.. 2011). Dalam tahap perlakuan panas, terjadi peristiwa kimia antara lain pengeringan, peruraian bahan organik, penguapan air kristal, oksidasi logam transisi, peruraian karbonat, sulfat, aditif dan lainnya. Sintering adalah proses penggabungan partikel-partikel serbuk melalui peristiwa difusi pada saat suhu meningkat. Pada dasarnya sintering adalah peristiwa penghilangan pori-pori antara partikel bahan, pada saat yang sama terjadi penyusutan komponen, diikuti oleh pertumbuhan grain serta peningkatan ikatan antar partikel yang berdekatan, sehingga menghasilkan bahan yang lebih mampat/kompak (Ramlan et al.. 2011). Ramlan dkk (2011) menjelaskan proses mikro bahan saat sintering. Pertama, perataan permukaan partikel, pembentukan
grain boundary (batas butir) melalui
pertumbuhan leher antar partikel, gerakan diantara partikel dalam pori terbuka, difusi dan penurunan porositas. Kedua, penyusutan pori antara grain boundary, porositas menurun lebih banyak, perlahan-lahan grain tumbuh. Terakhir, pori-pori menutup, mengecil dan posisinya terselip diantara
grain boundary.
Pada penelitian ini, suhu sinter yang digunakan adalah pada suhu 11000C, hal ini
berdasarkan penelitian-penelitian yang telah dilakukan sebelumnya.
METODE
Serbuk CuO 15%, MnO 20%, ZnO 5%, NiO 30% dan Fe2O3 30% dicampur dan
digerus selama 30 menit hingga halus lalu dicampurkan OV (Organic Vehicle) diaduk hingga menjadi pasta. Pasta tersebut dilapiskan diatas substrat alumina dengan metode screen printing. Bahan film tebal mentah lalu disinter pada suhu 11000C. Film tebal yang telah selesai dibakar dipotong menjadi beberapa bagian yang kemudian dilapisi pasta perak konduktif dengan cara
screen printing, pasta perak ini dijadikan
sebagai kontak yang nantinya akan digunakan saat diuji nilai karakteristik listrik yaitu nilai resistivitasnya. Sebelum uji resistivitas, HT1 dan HT2 dilakukan proses
heat treatment terlebih dahulu. Pada HT1
dilakukan proses heat treatment pada suhu 5000C dalam atm H2 selama 10 menit,
sedangkan pada HT2 dilakukan proses heat
treatment pada suhu 5000C dalam atm H2
selama 15 menit. Setelah dilakukan heat
treatment terhadap film tebal, selanjutnya
dilakukan uji resistivitas dengan suhu operasi 250C sampai 1000C. Hasil dari uji resistivitas diolah untuk mendapatkan nilai dari konstanta termistor NTC (CuxMnyZnzNit)Fe2O3. Selain uji
karakterisasi listrik, dilakukan juga uji difraksi sinar- X (X-ray diffraction) untuk melihat pola kristal dari termistor NTC (CuxMnyZnzNit)Fe2O3 yang dilihat dari
pola puncak yang terbentuk setelah sampel ditembakan dengan sinar –X. Untuk melihat struktur mikro dilakukan pengujian dengan menggunakan SEM (Scanning Electron
Microscop).
Gambar 1. Pola difraksi sinar-X film tebal termistor (CuxMnyZnzNit)Fe2O3
Pada gambar di atas yang merupakan pola termistor NTC (CuxMnyZnzNit)Fe2O3.
Hasil difraksi sinar-x memperlihatkan bahwa banyak terdapat perbedaan puncak-puncak yang terbentuk bila dibandingkan dengan pola difraksi dari Fe2O3 murni. Hal
ini diprediksikan karena banyaknya variasi bahan yang digunakan dapat mempengaruhi hasil difraksi atau bentuk pola film tebal. Kemungkinan lain juga dapat dikarenakan bahan aditif CuO, MnO, ZnO, NiO tidak larut padat dalam Fe2O3, sehingga masih
ada butiran-butiran dari bahan yang mengakibatkan muncul pola-pola lain.
StrukturMikro
Gambar 2. Hasil foto SEM film tebal thermistor NTC (CuxMnyZnzNit)Fe2O3
Pada gambar diatas merupakan hasil dari SEM film tebal (CuxMnyZnzNit)Fe2O4.
Terlihat bahwa struktur mikro memiliki struktur yang berongga, rongga yang terbentuk diprediksi hasil dari OV (Organic
Vehicle) yang menguap sehingga
membentuk rongga pada film tebal. Jika semakin banyak konsentrasi OV yang digunakan maka rongga yang dihasilkan makin besar atau banyak. Bentuk butir yang tidak beraturan kemungkinan terjadi karena CuO, MnO, ZnO, NiO tidak larut padat dalam Fe2O3.
Rongga-rongga yang terbentuk akan mempengaruhi sifat kelistrikan yang terjadi pada film tebal tersebut. Semakin banyak rongga yang terbentuk maka sifat dari konduktivitas akan berkurang, berarti nilai resistivitas akan meningkat karena mobilitas pembawa muatan pada film tebal akan terganggu akibat terhalang oleh rongga-rongga yang terbentuk.
Karakteristik Listrik
Untuk karakterisasi dilakukan uji listrik yaitu mencari nilai resistivitas. Perbedaan nilai resistivitas yang signifikan tiap sampel, pada saat awal menghasilkan hasil nilai resitivitas pada suhu ruang sebesar 0.808 Mohm.cm, pada HT1 dilakukan heat
treatment dengan pemanasan pada suhu
5000C selama 10 menit menghasilkan nilai resistivitas 0.02193 Mohm.cm, dan pada HT2 dilakukan heat treatment dengan pemanasan pada suhu 5000C selama 15 menit. 20 40 60 80 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 B int ens itas 2 theta
7
Gambar 3. Grafik hubungan Besar nilai resitivitas terhadap waktu
Setelah dilakukan heat treatment, proses pendinginan berlangsung cepat sehingga pembentukan cacat oksigen atau pembentukan ion Fe2+ bertambah. Hal ini dikarenakan makin banyak ion Fe2+ yang terbentuk, maka makin banyak electron yang terbentuk (Gustaman S, D. 2007). Jadi, ion Fe3+ akan mengisi kekosongan yang ditinggalkan oksigen karena menghilang saat proses pendinginan yang cepat sehingga ion Fe3+ akan menjadi ion Fe2+.
Tabel 1. Data resistivitas film tebal pada suhu ruang
No Jenis perlakuan Resistivitas suhu ruang (Mohm.cm) 1 Non heat treatment 0.808 2 T=5000C, Gas H2, t=10 m 0.02193 3 T=5000C, Gas H2, t=15 m 0.00008065
Dari tabel diatas dapat dilihat besar nilai resistivitas pada suhu ruang. Sebelum dilakukan heat treatment diperoleh nilai resistivitas sebesar 0.808 Mohm.cm. namun setelah dilakukan proses heat treatment didapat nilai resitivitas sebesar 0.02193 Mohm.cm untuk HT1 dan 0.00008065 Mohm.cm untuk HT1. Semakin lama proses
heat treatment dengan dialiri gas H2,
semakin kecil nilai resistivitas yang diperoleh. Hal ini karena kandungan oksigen yang terdapat pada film tebal, tereduksi akibat ikatan dengan H2.
Besar nilai konstanta termistor yang diperoleh dari tiap sampel, nilai paling besar
didapat pada saat awal. Untuk HT1 dan HT2 mengalami penurunan konstanta termistor. Untuk saat awal diperoleh nilai B yaitu sebesar 3925.10K, untuk HT1 dan HT2 dilakukan proses heat treatment menurun menjadi 1241.32 0K dan 342.72 0K.
Tabel 2. Besar nilai konstanta termistor
No Jenis perlakuan B (0K) 1 Non heat treatment 3925.1 2 T=5000C, Gas H2, t=10 m 1241.3 3 T=5000C, Gas H2, t=15 m 342.72 KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah bahwa pendinginan setelah proses heat treatment mempengaruhi nilai resistivitas suhu ruang, bergantung dari laju pendinginan yang cepat atau lambat akan mempengaruhi banyak sedikitnya atau terbentuknya cacat kekosongan oksigen, semakin banyak cacat oksigen yang terbentuk maka akan banyak elektron yang ada untuk mengisi cacat kekosongan yang terbentuk. Saat awal tidak dilakukan heat
treatment, menunjukan nilai resitivitas pada
suhu ruang paling tinggi dibandingkan dengan HT1 dan HT2 yang diberi perlakuan
heat treatment sebesar 0.808 Mohm.cm,
sedangkan pada HT1 didapat nilai resistivitas suhu ruang sebesar 0.02193 Mohm.cm, dan pada HT2 didapat nilai resistivitas suhu ruang sebesar 0.00008065 Mohm.cm.
Perlakuan heat treatment selain mempengaruhi nilai resistivitas suhu ruang, juga mempengaruhi besar nilai konstanta termistor dari tiap kondisi. Untuk awal
didapat nilai konstanta paling besar yaitu sebesar 3925.10K, untuk HT1 didapat nilai konstanta termistor sebesar 1241.32 0K, dan HT2 didapat nilai konstanta termistor sebesar 342.72 0K. pada awal yang merupakan sampel yang memiliki nilai konstanta terbesar dibandingkan HT1 dan HT2, namun nilai tersebut termasuk dalam kategori konstanta yang masuk ke dalam konstanta termistor pasaran (≥2000 0K).
DAFTAR PUSTAKA
Gustaman, S. D., Guntur, D., & M. Yamin.
(2005). Pembuatan Keramik
Termistor NTC Berbahan Dasar Mineral Yarosit dan Evaluasi Karakteristiknya. [online]. Tersedia:
http://digilib.batan.go.id/ppin/katalog /index.php/searchkatalog/downloadD atabyId/1948/Dani_Gustaman_344-352.pdf. [25 september 2015].
Nurhayati, S., Syarif, D, G., Setiawan, A.(2012). Pengaruh Suhu Sinter
Terhadap Keramik Calcia Stabilized Zirconia Dengan Penambahan Natrium Karbonat untuk Elektrolit
Padat. [online].Tersedia:
http://jusami.batan.go.id/dokumen/ma teri/30Oct13_143442_%20Sri%20Nu rhayati.pdf. [24 september 2014]. Ramlan & Bama, Ahmad. Aminudin.
(2011). Pengaruh Suhu dan Waktu
Sintering Terhadap Sifat Bahan Porselen Untuk Bahan Elektrolit
Padat (Komponen Elektronik).
[online]. Tersedia: http://jpsmipaunsri.files.wordpress.co
m/2011/11/v14-no3-b-1-ramlan-22-25.pdf. [24 september 2014].
Wiendartun, Gustaman,S. D, Rusdiana D. (2009). Karakterisasi Film Tebal
CuFe2O4 untuk Termistor NTC Yang
Dibuat Dengan Menggunakan Fe2O3 Dari Bahan Mineral Yarosit.
