PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR ZINC OXIDE YANG DIDOPING ALUMINIUM

(1)

i

PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL

SEMIKONDUKTOR ZINC OXIDE YANG DIDOPING

ALUMINIUM

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh: ZADID IHSANI

NIM. I 0411043

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

~ ~ p pe " Sun ': l fU! SaW :qaM £9 t Z£9 HZ O ·dl a l. e:jJe)jems ue6uqu a )l '19 £ 'o N!we~ns JI If NIS3W)lIN)l3~ 15

torus

WVl:I90l:ld )lIN)l3.L S'V.L In)l'V::I -.L3~'VL'\I S'V1383S SV.LIS~31\INn 199NI.L NV:>IIOION3dN'VO 19010N)l3.L .L3SI~ N'VI~3.LN3L'\13)1 Stoz/tt/tSIY:D6990 :JOWON ulsaw >tlu>tal.tS: !pn~sWeJDOJd SNnNIS3N >lIN>l3l.VNvfuvs WVU90Ud UIH>lVSV9nl. Ifn9N3d NVO9NI8WI8N3d SV9nl. l.vuns 2:DU!qW!qwa d t DU!qW!qwa d DUep ! 8 W I ewe ZOOtZ0866tSt90tL6tl"l.·W "l.·S 'IOVHlnSWVAS '9N3 'UO : ZOOtZttOOZZ060'l7L6tl"l.W "ONl.IAnS NH::>3l. 'UO: 16JaU3ISJaAU0>l: E'l70tt'l701: INVSHIOIOVZ: tOOtZtOOOZSOLOZL6t/l.W'l.S '9NV8WVl smm 'U'E tOOtE0666tSZ'l70tL6t I"l.W "l.S 'NVMVIl.SIU>lIOna 'JO·Z tOOt'l70'l7tOZ8t80E86t /6U3W'l.S 'ouo~"Ie::>OJPUI Ifew>tns·t : COt-Ett90SW)U010 UOnN3d"£ (Ot-EZt90SW)l9U3N3 N3W3I'vNVW"2: (Ot-ES090SW>SVNVdNVHVONldU3d ISVl.ndwo>rt Dun)jnpu a d 4e!ln)l e~ev.J

IIwnlNIWn,y

9NldOOlO

9NYA30lXO

JNIZ

1I0J.>lnONO)llW3S

'YW1I3.1SY.1II\IJ.>InONO)l

NYlfn9N3dll

"d! S JV' "v "V'.lJo~ e u!PJoo)l"£ "SqAV'.l DU!qW!qw a d uasorj "2: "S qA e Ms!se4ew "t :ue s nqwa.l

(3)

WnlNllr4Jn1V9NldOalO 9NVA 3alXO ::>NIZ1I0UnaNO)llW3S 1VW1I3.1SV.1IJ\IUnaNO)l NVlr n 9N3d £"Ott"OI : WIN INVSHIOIOVZ ZOOtZ0866tSt90tL6t 'diN ·.L·W" '5 'IOVH1nSWVAS '!)N3 '\10 ZOOtZttOOZZ060"L6t 'diN ·.LW"ON.LIA :>3.L ' \10 'SNn-.L::Irp!) 'torw !P~edwa+Jaq 'oo:oo:Ot 'LtOZ-ZO-60 le66uel eped !fn6uad uesoq W!.iuedap !Pue>tue4e+Jad!p 4ela.i 100IvOv!O~8180€86! 6U3W 'is 'ouoA4e::>OJPUI !few>tns '! 100!€06661S~vO!L61 '.iW''.is 'NVMVI.iSI~)f ions 'Ja 'z 1001~1000~SOLO~L6! .iW'.iS '9NVSWVl srnrn'~ '€ ZOOtZ0866tSt90tL6t'diN , 5'IOVH 1nSWVAS'!)N3 \10

(4)

ii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Selama menyelesaikan skripsi ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis saat bekerja.

Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak memperoleh bantuan, bimbingan, pengalaman, dan pelajaran yang sangat berharga dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada:

1. Bapak Dr.Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku pembimbing pertama skripsi. 2. Bapak Prof. Dr.Techn. Suyitno, S.T., M.T. selaku pembimbing kedua skripsi. 3. Bapak Agus Kurniawan, S.T., M.T. selaku pembimbing lapangan skripsi. 4. Orang tua, kakak, adik, Tiara Setia Satiti, dan keluarga besar atas kasih sayang,

perhatian, doa, dan dukungan yang selalu diberikan kepada penulis.

5. Seluruh Dosen, Staf, dan Laboran Program Studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret.

6. Teman-teman Lab Nano Bioenergi : Mas Bambang, Husein, Bayu, Mbak Dewi, Mas Yuda, Mas Catur, Mas Dedi, Pak Basuki, Mas Ratno, Mas Aryo, Mas Aris, Mas Adit, Mas Fama.

7. Teman-teman teknik mesin angkatan 2011 untuk dukungan dan kebersamaannya.

8. Semua pihak yang telah memberikan bantuan, dukungan, dan nasihat selama ini kepada Penulis yang tidak bisa disebutkan satu - persatu.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, masukan dan saran yang membangun sangat penulis terima. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan bagi pembaca pada umumnya. Akhirnya semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi segala pihak.

Surakarta, Februari 2017

(5)

iii

PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR

ZINC OXIDE YANG DIDOPING ALUMINIUM

Zadid Ihsani I0411043

Mahasiswa Program Sarjana Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret, Surakarta

zadid05@gmail.com

+6287736646825

Abstrak

Zinc Oxide (ZnO) adalah salah satu material semikonduktor yang dapat dikembangkan menjadi modul termoelektrik karena memiliki banyak keuntungan. Penelitian ini membahas tentang pengujian konduktivitas termal pellet ZnO doping Aluminium (Al) dengan menggunakan metode steady-state. Pellet ZnO doping Al (2 wt%) disintering pada temperatur 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, dan 1500ºC dengan heating rate 8ºC/menit. Hasil uji SEM dan XRD menunjukkan bahwa semakin tinggi temperatur sintering maka mengakibatkan ukuran butir meningkat, batas butir mengecil, dan porositas menurun. Pada sampel sintering 1500ºC terdapat fase ZnAlxOy yang menyebabkan menurunnya nilai konduktivitas termal. Nilai

konduktivitas termal tertingi didapatkan 2,25 W/m.°C pada temperatur sintering 1400o_{C dan suhu pengujian 300°C.}

(6)

iv

THERMAL CONDUCTIVITY MEASUREMENTS OF

ALUMINUM-DOPED ZINC OXIDE SEMICONDUCTOR

Zadid Ihsani I0411043

Student of Undergraduate Program of Mechanical Engineering Department Sebelas Maret University Surakarta

zadid05@gmail.com

+6287736646825

Abstract

Zinc Oxide (ZnO) is one of semiconductor material that can be developed into a thermoelectric module because of its advantages. This study discusses the thermal conductivity measurements of Aluminum (Al)-doped Zinc Oxide (ZnO) by using steady-state method. Al-doped ZnO (2 wt%) pellet was sintered into temperatures of 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, and 1500ºC with heating rate 8ºC/minute. The grain size of pellet became bigger, the crystallinity increased, and the porosity decreased if the temperature of sintering became higher as pointed out by SEM and XRD test. A phase of ZnAlxOy which caused the value of thermal conductivity to decrease was found in the sample of sintering at 1500°C. The highest thermal

conductivity of 2.25 W/m.o_{C was obtained by which sintering temperature of}

1400o_{C and operational temperature of 300}o_C.

(7)

v DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ... ii Abstrak ... iii Abstract ... iv DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR LAMPIRAN ... ix

DAFTAR NOTASI ... x BAB I PENDAHULUAN ... Error! Bookmark not defined.

1.1 Latar Belakang ... Error! Bookmark not defined.

1.2 Perumusan masalah ... Error! Bookmark not defined.

1.3 Batasan masalah ... Error! Bookmark not defined.

1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ... Error! Bookmark not defined.

1.5 Sistematika Penulisan ... Error! Bookmark not defined.

BAB II LANDASAN TEORI ... Error! Bookmark not defined.

2.1 Tinjauan Pustaka ... Error! Bookmark not defined.

2.2 Dasar Teori ... Error! Bookmark not defined.

2.2.1 Modul Termoelektrik ... Error! Bookmark not defined.

2.2.2 Kalor ... Error! Bookmark not defined.

2.2.3 Konduktivitas termal ... Error! Bookmark not defined.

2.2.4 Standar pengujian ... Error! Bookmark not defined.

2.2.5 Perhitungan... Error! Bookmark not defined.

(8)

vi

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... Error! Bookmark not defined.

3.1 Tempat Penelitian ... Error! Bookmark not defined.

3.2 Pengujian ... Error! Bookmark not defined.

3.3 Analisa Data ... Error! Bookmark not defined.

3.4 Diagram Alir Penelitian ... Error! Bookmark not defined.

3.4.1 Pembuatan Sampel ... Error! Bookmark not defined.

3.4.2 Alat uji konduktivitas termal ... Error! Bookmark not defined.

3.4.3 Pengujian ... Error! Bookmark not defined.

3.4.4 Penggunaan software ... Error! Bookmark not defined. BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ... Error! Bookmark not defined.

4.1 Hasil Pengujian SEM ... Error! Bookmark not defined.

4.2 Hasil Pengujian XRD ... Error! Bookmark not defined.

4.3 Hasil pengukuran Porositas ... Error! Bookmark not defined.

4.4 Hasil Pengujian Konduktivitas Termal ... Error! Bookmark not defined.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... Error! Bookmark not defined.

5.1 Kesimpulan ... Error! Bookmark not defined.

5.2 Saran ... Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA ... Error! Bookmark not defined.

(9)

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1. Modul Termoelektrik ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 2. Proses perpindahan kalor ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 3. Standar pengujian ASTM D 5470-06 (ASTM, 2006) ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 3. 1. Skema alat pengujian konduktivitas termalError! Bookmark not defined.

Gambar 3. 2. Alur penelitian ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 3. 3. Langkah pembuatan sampel ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 1. Skema pertumbuhan butir dikarenakan difusi atom ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 2. Foto SEM material ZnO:Al dengan perbesaran 2500X pada suhu sintering (a) 1100°C, (b) 1200°C, (c) 1300°C, (d) 1400°C, (e) 1500°C ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 3. Grafik XRD material semikonduktor ZnO:Al. (a) ZnO (b) ZnAlxOy

... Error! Bookmark not defined. Gambar 4. 4. Gibbs free energy pada perubahan ukuran kristalError! Bookmark not defined.

Gambar 4. 5. (a) Struktur kristal ZnO, (b) Struktur kristal ZnO doping Al ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 6. Susunan kristal ... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 7. Grafik porositas terhadap temperatur sinteringError! Bookmark not defined.

Gambar 4. 8. Hubungan laju penyusutan terhadap temperatur sintering ... Error! Bookmark not defined.

(10)

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 4. 1. Ukuran butir sampel ZnO doping Al .... Error! Bookmark not defined.

Tabel 4. 2. Hasil EDAX material semikonduktor ZnO doping Al ... Error! Bookmark not defined.

Tabel 4. 3. Data analisa XRD sampel pellet ZnO:AlError! Bookmark not defined.

(11)

ix

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Sampel Pellet ZnO doping Aluminium dan Data Porositas ... Error! Bookmark not defined.

Lampiran 2. Hasil uji EDAX ... Error! Bookmark not defined.

Lampiran 3. Identifikasi tipe material pada spektrum XRDError! Bookmark not defined.

Lampiran 4. Analisa profil puncak pada spektrum XRDError! Bookmark not defined.

Lampiran 5. Data uji konduktivitas termal ... Error! Bookmark not defined.

Lampiran 6. Perhitungan nilai konduktivitas termalError! Bookmark not defined.

Lampiran 7. Perhitungan uncertainty konduktivitas termalError! Bookmark not defined.

(12)

x

DAFTAR NOTASI

A : Luas meter-bar m2

Amb : Luas meter-bar m2

Aiso : Luas isolator m2

B : FWHM

D : Ukuran kristal nm

dA : Jarak antara sensor T1 dan T3 m

dB : Jarak sensor T3 dengan permukaan sampel m

dC : Jarak antara sensor T4 dan T6 m

dD : Jarak sensor T4 dengan permukaan sampel m

dg : Diameter sampel sebelum proses sintering m

ds : Diameter sampel sesudah proses sintering m

Dmb : Diameter meter-bar m

Diso : Diameter isolator m

k : Konduktivitas termal W/m.o_C

kA : Konduktivitas termal meter-bar antara T1 dan T2 W/m.oC

kB : Konduktivitas termal meter-bar antara T2 dan T3 W/m.oC

kC : Konduktivitas termal meter-bar antara T4 dan T5 W/m.oC

kD : Konduktivitas termal meter-bar antara T5 dan T6 W/m.oC

kiC : Konduktivitas termal isolator dingin W/m.oC

kiH : Konduktivitas termal isolator panas W/m.oC

𝑙 : Laju penyusutan sampel %

LA : Jarak antara T1 dan T2 m

LB : Jarak antara T2 dan T3 m

LC : Jarak antara T4 dan T5 m

LD : Jarak antara T5 dan T6 m

LiC : Jarak antara T1 dan T3 m

LiH : Jarak antara T4 dan T6 m

q : Heat transfer W

qave : Heat transfer rata-rata W

(13)

xi

qH : Heat transfer panas W

RC : Total thermal resistance dingin W/oC

RH : Total thermal resistance panas W/oC

RmbH : Thermal resistance meter-bar panas W/oC

RmbC : Thermal resistance meter-bar dingin W/oC

RisoH : Thermal resistance isolator panas W/oC

RisoC : Thermal resistance isolator dingin W/oC

S : Koefisien Seebeck V/K

t : Tebal spesimen m

T : Temperatur o_Celcius

TC : Temperatur permukaan meter-bar dingin oC

TH : Temperatur permukaan meter-bar panas oC

T1 : Temperatur meter-bar pada titik T1 oC

T13 : Beda temperatur antara T1 dan T3 oC

T46 : Beda temperatur antara T4 dan T6 oC

x : Jarak penempatan thermocouple m

ZT : Figure of merit

λ : Panjang gelombang X-ray Å

θ : Sudut difraksi o_Derajat