EFEK SINTERING TERHADAP MIKROSTRUKTUR DAN KARAKTERISTIK SIFAT
LISTRIK KERAMIK ZINC OXIDE (ZnO)
Dwi Asmi
Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Lampung, Jl. Sumantri Brojonegoro No.1 Bandar Lampung, 35145
E-mail: [email protected]
Diterima 17 November 2009, disetujui untuk diterbitkan 6 Januari 2010
ABSTRACT
The sintering effect on the microstructure and electricity characteristic of ZnO ceramic applied for varistor has been performed. The beneficiated of sample pellet was done using dry pressing technique and
the sintering process was done at temperature of 1100 and 1300oC. The characterisation of crystal structure
was done with x-ray diffraction, while the microstructure was characterised with scanning electron microscopy (SEM). The x-ray result showed that the phase in this varistor was ZnO where this was also confirmed by microstructure analysis by SEM. The evaluation of the electric character of ZnO ceramic showed that the sintering temperature affected the characteristic of ZnO ceramic electric character which has been shown that the sample sintered at higher temperature has a better character.
Keywords : Varistor ZnO, XRD, SEM, dan karakteristik V-t. ABSTRAK
Efek sintering terhadap mikrostruktur dan karakteristik sifat listrik keramik ZnO untuk aplikasi varistor telah dilakukan dalam penelitian ini. Benefesiasi pellet sampel dilakukan dengan teknik dry pressing dan
penyinteran dilakukan pada suhu 1100 dan 1300 oC. Karakterisasi struktur kristal dilakukan dengan teknik
difraksi sinar-x sedangkan karakterisasi mikrostruktur dengan scanning electron microscopy. Hasil karakterisasi struktur kristal dengan teknik difraksi sinar-x menunjukkan bahwa fasa yang ada pada varistor ini adalah fasa ZnO dan hasil ini juga terkonfirmasi dengan hasil analisis mikrostruktur dengan menggunakan scanning electron microscopy. Evaluasi sifat listrik keramik ZnO menunjukkan bahwa suhu sintering berpengaruh terhadap karakteristik sifat listrik keramik ZnO, hal ini ditunjukkan dengan hasil kinerja yang lebih baik pada sampel yang disinter pada suhu yang lebih tinggi.
Kata kunci : Varistor ZnO, XRD, SEM, dan karakteristik V-t.
1. PENDAHULUAN
Resistor bergantung tegangan atau lebih dikenal dengan istilah varistor (variable resistor) merupakan suatu alat yang dapat digunakan untuk mengatur sentakan tegangan transien terhadap besar
yang tidak diinginkan1). Keramik varistor yang asli dikembangkan sejak awal tahun 1930 untuk mengantikan
rektifier selenium yang digunakan untuk memproteksi sistem telepon. Varistor awalnya dikembangkan oleh perusahaan Bell System yaitu terdiri dari padatan partikel SiC yang dibuat dengan teknik penyinteran secara
sebagian2,3). Kemudian pada tahun 1969, Matsuoka4) yang pada tahun sebelumnya telah mempublikasikan
varistor SiC, mengumumkan perkembangan varistor berbasis komposisi ZnO5). Varistor yang dikembangkan
oleh Matsuoka tersebut dibuat dengan penambahan substitusi ion dan densifikasi dengan liquid phase
sama pada kedua polaritas, sehingga memberikan kenaikan pada pada karakteristik arus-tegangan yang analog dengan dua dioda back-to-back. Varistor dapat digunakan dalam medan arus bolak-balik (ac) atau arus searah (dc) pada interval tegangan yang luas, yaitu mulai dari beberapa volt hingga 10 kV dan juga pada rentang arus yang lebar yaitu mulai dari beberapa mikroampere sampai dengan kiloampere. Selain karakteristik di atas, varistor juga mempunyai kemampuan untuk mengabsorbsi energi tinggi yaitu dalam rentang dari beberapa Joule hingga Kilo-Joule. Karena karakteristik uniknya ini maka varistor banyak diaplikasikan pada industri daya listrik dan industri semikonduktor. Keunikan karakteristik varistor antara lain koefisisen nonliniernya tinggi, tegangan dadal (breakdown) tajam tanpa histerisis, kemampuan absorbsi energinya tinggi, daya yang hilang rendah, ukuran kecil dengan pilihan berbagai geometri, life timenya relatif
lama, serta biaya pemrosesan material relatif kompetitif8-11). Oleh karena itu, keunikan karakteristik listrik ZnO
varistor khususnya karakteristik V-t dipelajari dalam penelitian ini. 2. METODE PENELITIAN
Sampel varistor berbentuk pelet dibuat dengan cara pengepresan serbuk ZnO (Merck, German) dengan menggunakan alat press hidrolik untuk mendapatkan pelet mentah. Sampel ini kemudian bakar pada
suhu 1100oC (sampel Zn1100) dan 1300oC (sampel Zn1300) selama 5 jam dengan laju 5oC/menit,
dilanjutkan pendinginan ke suhu ruang. Karakterisasi struktur kristal sampel dilakukan dengan teknik difraksi sinar-x dan analisis kualitatif data difraksi dilakukan dengan teknik search-match analisis sedangkan analisis struktur mikro dengan menggunakan SEM. Pengujian sifat listrik sampel (V-t) hasil penyinteran dilakukan dengan menggunakan teknik pembangkit tegangan impuls kapasitif. Pengukuran tegangan uji impuls hasil
discharging kapasitor (VRd) dan tegangan tembus varistor (Vb) tidak dapat secara langsung karena nilai tegangan yang diukur terlalu besar sehingga akan merusak alat ukur (osiloskop). Untuk itu, osiloskop
digunakan untuk mengukur tegangan puncak pada RL (resistor low) yang nilainya tidak terlalu besar. Untuk
menghitung nilai VRd yang merupakan nilai tegangan puncak impuls dan Vb yang merupakan nilai tegangan
tembus varistor digunakan Persamaan (1) dan Persamaan (2), yakni dengan mengalikan tegangan terukur pada osiloskop dengan faktor pengali pada pembagi tegangan resistif.
L H L RL Rd
R
R
R
V
V
=
×
+
(1) dan L H L RL bR
R
R
V
V
=
×
+
(2)Dengan VRL adalah nilai tegangan puncak hasil pengukuran osiloskop, VRd adalah nilai tegangan uji impuls,
Vb adalah nilai tegangan tembus varistor, RH adalah resistor high, RL adalah resistor low dengan
L H L
R
R
R
+
adalah faktor pengali pada pembagi tegangan resistif. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Hasil Karakterisasi Difraksi Sinar-X
Gambar 1 menunjukkan pola difraksi sinar-x sampel varistor ZnO yang disinter pada suhu 1100 dan
1300oC. Hasil search match analisis data difraksi sinar-x untuk kedua sampel adalah bersesuaian dengan
data base pada Powder Diffraction File (PDF) No.36-1451 yaitu untuk fasa ZnO, group ruang P63mc dengan
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 2 Theta (deg) In te n s it y ( c o u n ts ) (a) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 2 Theta (deg) In te n s it y ( c o u n ts ) (b)
Gambar 1. Pola difraksi sinar-x (a) sampel Zn1100 dan (b) sampel Zn1300. 3.2. Hasil Karakterisasi Mikrostruktur
(a) (b)
Gambar 2. Mikrostruktur varistor (a) Zn1100 dan (b) Zn 1300. 3.3. Hasil Karakterisasi Sifat Listrik V-t
Karakterisasi sifat listrik V-t varistor ZnO dilakukan dengan menggunakan pembangkit tegangan impuls kapasitif yang menggunakan input tegangan AC sebesar 75 V dari voltage regulator dengan berbagai variasi nilai induktor yang berbeda untuk mendapatkan berbagai variasi waktu muka gelombang tegangan impuls yang berbeda pula. Hal ini dilakukan untuk memperoleh nilai tegangan tembus varistor dengan koordinat V-t yang berbeda sehingga dengan menghubungkan koordinat-koordinat tersebut akan diperoleh karakteristik V-t tegangan uji dan karakteristik V-t dari varistor yang diuji. Hasil data grafik tegangan yang terukur pada osiloskop kemudian ditransfer ke dalam PC sehingga lebih mudah untuk melakukan pengolahan data tersebut. Dengan mengolah data tersebut, didapat nilai tegangan puncak impuls hasil pembangkitan dan waktu muka tegangan impuls tersebut. Tabel 1 menunjukkan nilai puncak tegangan impuls yang didapat
setelah melakukan pengukuran tegangan pada RL (menggunakan osiloskop) dan mengalikan hasilnya
dengan faktor pengali pembagi tegangan resistif (VRL × 254,66), waktu muka dan besar induktansi induktor.
Dari tabel tersebut terlihat bahwa semakin besar nilai induktansi induktor yang digunakan pada rangkaian, maka waktu muka yang diperoleh dari gelombang tegangan impuls yang diukur juga semakin besar. Sehingga bentuk gelombang tegangan impuls yang dihasilkan akan semakin landai. Hal ini berpengaruh juga kepada nilai puncak tegangan impuls yang dihasilkan.
Tabel 1. Variasi waktu muka dan tegangan impuls varistor ZnO.
Tegangan Induktansi Waktu Muka (µs) Tegangan
Regulator (Volt) Induktor (mH) Puncak Impuls (Volt)
75 0,06 1,67 1590 0,17 4,01 1490 0,31 5,01 1490 2,07 6,01 1470 4,10 8,35 1450 9,90 9,30 1390 16,35 13,23 1370
Setelah pengukuran tegangan puncak impuls diperoleh, maka langkah selanjutnya adalah mengukur tegangan tembus varistor ZnO. Gambar 3.3 menunjukkan hasil respon pengukuran tegangan tembus varistor ZnO untuk sampel Zn1100 dan Zn1300 untuk waktu muka (a) 1,67dan (c) 5,01 µs . Dari hasil tersebut terlihat bahwa tegangan tembus varistor Zn1300 lebih rendah dari pada tegangan tembus sampel Zn1100. Sedangkan Gambar 3.4 menunjukkan hasil pengukuran tegangan tembus varistor ZnO untuk sampel Zn1100 dan Zn1300 dengan waktu muka (a) 9,35 dan (b)13,26 µs . Pada gambar ini terdapat spike yang disebabkan
sangat singkat di mana kapasitor mulai meluahkan muatannya kemudian karena kontak pada saklar bergetar dan kontak sempat terbuka sesaat sehingga kapasitor berhenti meluahkan muatan sebelum kontak mulai benar-benar terhubung dan kapasitor meluahkan muatannya lagi. Tegangan tembus varistor Zn1300 lebih rendah dari pada tegangan tembus varistor Zn1100.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2 ,0 2 E -1 1 1 ,3 6 E -0 5 2 ,7 2 E -0 5 4 ,0 8 E -0 5 5 ,4 4 E -0 5 6 ,8 0 E -0 5 8 ,1 6 E -0 5 9 ,5 2 E -0 5 0 ,0 0 0 1 1 0 ,0 0 0 1 2 0 ,0 0 0 1 4 0 ,0 0 0 1 5 0 ,0 0 0 1 6 0 ,0 0 0 1 8 0 ,0 0 0 1 9 0 ,0 0 0 2 0 ,0 0 0 2 2 0 ,0 0 0 2 3 0 ,0 0 0 2 4 t (s) V ( V o lt ) impuls uji Impuls Zn1100 Impuls Zn1300 (a) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2 ,0 2 E -1 1 1 ,2 2 E -0 5 2 ,4 4 E -0 5 3 ,6 6 E -0 5 4 ,8 8 E -0 5 6 ,1 0 E -0 5 7 ,3 2 E -0 5 8 ,5 4 E -0 5 9 ,7 6 E -0 5 0 ,0 0 0 1 1 0 ,0 0 0 1 2 0 ,0 0 0 1 3 0 ,0 0 0 1 5 0 ,0 0 0 1 6 0 ,0 0 0 1 7 0 ,0 0 0 1 8 0 ,0 0 0 2 0 ,0 0 0 2 1 0 ,0 0 0 2 2 0 ,0 0 0 2 3 0 ,0 0 0 2 4 t (s) V ( V o lt ) impuls uji impuls Zn1100 impuls Zn1300 (b)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2 ,0 2 E -1 1 1 ,3 6 E -0 5 2 ,7 2 E -0 5 4 ,0 8 E -0 5 5 ,4 4 E -0 5 6 ,8 0 E -0 5 8 ,1 6 E -0 5 9 ,5 2 E -0 5 0 ,0 0 0 1 1 0 ,0 0 0 1 2 0 ,0 0 0 1 4 0 ,0 0 0 1 5 0 ,0 0 0 1 6 0 ,0 0 0 1 8 0 ,0 0 0 1 9 0 ,0 0 0 2 0 ,0 0 0 2 2 0 ,0 0 0 2 3 0 ,0 0 0 2 4 t (s) V ( v o lt ) impuls uji impuls Zn1100 impuls Zn1300 (a) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2 ,0 2 E -1 1 1 ,3 8 E -0 5 2 ,7 6 E -0 5 4 ,1 4 E -0 5 5 ,5 2 E -0 5 6 ,9 0 E -0 5 8 ,2 8 E -0 5 9 ,6 6 E -0 5 0 ,0 0 0 1 1 0 ,0 0 0 1 2 0 ,0 0 0 1 4 0 ,0 0 0 1 5 0 ,0 0 0 1 7 0 ,0 0 0 1 8 0 ,0 0 0 1 9 0 ,0 0 0 2 1 0 ,0 0 0 2 2 0 ,0 0 0 2 3 0 ,0 0 0 2 5 t (s) V ( V o lt ) impuls uji impuls Zn1100 impuls Zn1300 (b)
Gambar 4. Respon varistor ZnO terhadap tegangan impuls waktu muka (a) 9,35 dan (b) 13,26 µs.
Besar tegangan tembus Zn1100 dan Zn1300 diperoleh berdasarkan pada besar nilai puncak dari gelombang impuls hasil pengujian dengan menggunakan varistor tersebut. Karakteristik sifat listrik V-t varistor ZnO ditunjukkan pada Gambar 3.5. Dari gambar tersebut terlihat bahwa tegangan impuls hasil pengukuran dengan varistor adalah lebih besar dari pada pengujian tanpa varistor, hal ini menunjukkan bahwa varistor ZnO telah bekerja memotong impuls uji yang diberikan. Disamping itu tampak bahwa semakin besar nilai waktu (t), maka nilai puncak tegangan impuls uji maupun tegangan tembus varistor akan semakin menurun sehingga bentuk lengkung karakteristik V-t varistor semakin menurun seiring bertambahnya waktu. Hal ini
disebabkan waktu muka (Tf) impuls uji yang mempengaruhi nilai puncak tegangan impulsnya. Semakin besar
nilai Tf, semakin kecil nilai tegangan puncak impuls. Berarti dapat dikatakan varsitor Zn1100 dan varistor
Zn1300 dapat bekerja dengan baik karena untuk dapat mengetahui apakah suatu varistor bekerja dengan baik, maka salah satu syarat yang harus dipenuhi yaitu karakteristik V-t suatu varistor harus berada di bawah karakteristik V-t impuls ujinya.
spike spike
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 0 2 4 6 8 10 12 14 t (µµµµs) V ( V o lt ) Tanpa ZnO Zn100 Zn1300
Gambar 5. Karakteristik V-t pengujian impuls tanpa ZnO dan dengan varistor ZnO.
Untuk aplikasi dalam sistem proteksi kelistrikan, varistor dengan karakteristik V-t yang letaknya lebih rendah akan lebih baik dalam melindungi peralatan listrik yang diproteksinya. Hal ini dikarenakan varistor tersebut terlebih dahulu akan memotong tegangan impuls sebelum tegangan tersebut mencapai nilai yang mampu ditahan isolasi dari peralatan listrik. Dengan kata lain, jika karakteristik V-t varistor letaknya lebih rendah dari pada karakteristik V-t isolasi pada peralatan, maka peralatan dapat diproteksi dari gangguan tegangan impuls. Selain itu, varistor yang memiliki karakteristik V-t yang lebih rendah akan lebih cepat memotong gangguan tegangan impuls yang datang. Dalam proteksi peralatan listrik, hal ini tentu sangat diharapkan karena akan mengakibatkan gangguan terjadi dalam waktu yang lebih singkat. Dalam hal ini, karakteristik V-t Zn1300 tentu dapat dikatakan lebih baik dari pada karakteristik V-t Zn1100.
4. KESIMPULAN
Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini adalah (a) Varistor ZnO yang dibuat dengan metode
dry pressing telah sukses dilakukan, (b) hasil karakterisasi struktur kristal varistor ZnO menunjukkan bahwa
fasa yang ada pada sampel adalah fasa ZnO, (c) tegangan tembus yang lebih rendah membuat karakteristik V-t varistor Zn1300 lebih lebih rendah dari pada karakteristik V-t varistor Zn1100 sehingga Zn1300 lebih baik dalam memproteksi peralatan listrik daripada Zn1100, sedangkan semakin besar nilai waktu (t) saat varistor memotong tegangan impuls, maka nilai tegangan (V) potongnya semakin rendah.
UCAPAN TERIMA KASIH
Peneliti mengucapkan terima kasih kepada DP2M Dikti melalui program Hibah Bersaing dengan kontrak perjanjian No. 010/SP2H/PP/DP2M/III/2008, tanggal 6 Maret 2008. Terima kasih juga kepada bapak Henry, bapak Sunyono, Agung Sayekti, Saka Sandaran, Liza, dan Dewi atas segala bantuannya.
DAFTAR PUSTAKA
4. Masuyama, T. and Matsuoka, M., 1968. Current Dependence of Voltage Nonlinierity in SiC Varistors.
Japan J. Appl. Phys., 7, 1294-1294.
5. Mastuoka, M., Masuyama, T. and Iida, Y., 1969. Voltage Nonlinierity of Zinc Oxide Ceramics Doped
with Alkali-Earth Metal Oxide. Japan J. Appl. Phys., 8, 1275-1276.
6. Matsuoka, M., 1971. Nonohmic Properties of Zinc Oxide Ceramics. Japan J. Appl. Phys., 10 (6),
736-746.
7. Gupta, T.K., 1990. Applications of Zinc Oxide Varistors. J. Am. Cer. Soc., 73 (7), 1817-1840.
8. Gupta, T.K., 1991. Varistors. In Engineered Materials Handbook. Ceramics and Glasses. Schneider, S.J
and Chairman, V, Jr. Ed. ASM International. New York.
9. Anh, C.W., Song, H.C., Nahmn S., Priya, S., Park, S.H., Uchino, K., Lee, H.G. and Lee, H.J., 2006.
Effect of ZnO and CuO on the Sintering Temperature and Piezoelectric Properties of a Hard Piezoelectric Ceramic. J. Am. Cer. Soc., 89 (3), 921-925.
10. Park, D.H., Son, K.Y., Lee, J.H., Kim, J.J. and Lee, J.S., 2004. Effect of ZnO addition in In2O3 ceramics:
defect chemistry and sintering behavior. Solid State Ionics, 172 (1-4), 431-434.
11. Zhou, H.F., Wang, H., Zhou, D., Pang, L.X. and Yao, X. 2008. Effect of ZnO and B2O3 on the sintering
temperature and microwave dielectric properties of LiNb0.6Ti0.5O3 ceramics. Mater. Chem.Phys., 109
