i
REKAYASA SIFAT PIEZOELEKTRIK BERBASIS ZnO
DENGAN CODOPING ALUMINIUM (Al) DAN KOBALT (Co)
UNTUK MENINGKATKAN KEPADATAN DAYA DAN
DURABILITY
HALAMAN JUDUL SKRIPSI
Ditujukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh DEDI SUBAGIYO
NIM. I0410015
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
ii
REKAYASA SIFAT PIEZOELEKTRIK BERBASIS ZnO DENGAN CODOPING ALUMINIUM (Al) DAN KOBALT (Co) UNTUK MENINGKATKAN KEPADATAN DAYA DAN DURABILITY
Dedi Subagiyo
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
ABSTRAK
Penelitian ini membahas efek kodoping alumunium dan kobalt terhadap kepadatan daya pada bahan piezoelektrik berbasis ZnO. Pencampuran bahan piezoelektrik berbasis ZnO terdiri dari empat langkah: (1) membuat larutan prekursor oleh doping alumunium dan kobalt, (2) menciptakan serat dengan mesin elektrospinning, (3) sintering serat, dan (4) pengujian daya piezoelektrik. Bahan prekursor yang digunakan adalah polivinil asetat (PVA), seng-asetat (ZnAc), AlCl3, dan CoAc. Serat ZnO diproduksi di mesin electrospinning dengan jarak 8 cm antara ujung jarum dan kolektor dan laju aliran larutan prekursor pada 4 uL/min. Sintering dilakukan pada suhu 400, 450, 500, 550, dan 600° C selama 4 jam. Perangkat ADAM Advantech seri 4018 adalah alat yang digunakan untuk mengukur daya keluaran yang dihasilkan piezoelektrik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai maksimum daya keluaran diperoleh di kodoping aluminium: cobalt pada rasio 25%Al:75%Co pada suhu
sintering 500o C, sebesar 0.268 nW / cm².
Kata kunci: piezoelectrik, elektrospinning, kepadatan daya, co-doping, aluminum,
ENGINEERING OF CODOPING ALUMINIUM (Al) AND COBALT (Co) ON ENHANCING THE PIEZOELECTRICITY PROPERTIES OF POWER
DENSITY-BASED ZINC OXIDE
Dedi Subagiyo
Mechanical Engineering Department Engineering Faculty, Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia [email protected]
ABSTRACT
This study reports the effect of co-doping aluminum and cobalt on the power density of ZnO piezoelectric materials. Synthesizing the ZnO-fiber piezoelectric material consisted of four steps: (1) making precursor solutions by doping aluminum and cobalt, (2) creating green fibers with an electrospinning machine, (3) sintering the fibers, and (4) testing the power density of piezoelectric materials. The precursor materials used were polyvinyl acetate (PVA), zinc-acetate (ZnAc), AlCl3, and CoAc. The ZnO fibers were produced in an electrospinning machine with a distance between needle tip and collector of 8 cm and a flow rate of precursor solutions at 4 μL/min. The sintering was conducted at temperatures of 400, 450, 500, 550, and 600°C for 4 hours. ADAM Advantech with number of series 4018 used to measure the power density of piezoelectric materials. The results show that maximum value of power density was obtained in co-doping aluminium:cobalt at a ratio of 25%Al:75%Co at the sintering temperature of 500°C, which amounted to 0.268nW/cm².
Keywords: piezoelectric, electrospinning, power density, co-doping, aluminum, cobalt, ZnAc
iv
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah, segala puji hanya kepada Allah Subhanallahu Wa Ta’ala, atas segala nikmat cahaya ilmu pengetahuan, kemudahan serta petunjuk yang telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Rekayasa Sifat Piezoelektrik Berbasis ZnO dengan Codoping Aluminium (Al) dan Kobalt (Co) untuk Meningkatkan Kepadatan Daya dan Durability”. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan jenjang pendidikan strata satu (S1) serta memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) di Program Studi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dengan terselesaikannya laporan ini, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1. Allah Subhanallahu Wa Ta’ala atas segala Ridho-Nya, sehingga penulisan skripsi ini dapat terselesaikan.
2. Kedua orang tua, Ibu Tuhermi dan Bapak Darwito yang selalu memberikan kasih sayang, nasehat dan doa, serta dukungan secara moral dan material.
3. Bapak Prof. Dr. techn. Suyitno, S.T., M.T., selaku Pembimbing I yang telah memberikan nasehat dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan skripsi ini. 4. Bapak R. Lulus Lambang, ST., MT., selaku Pembimbing II yang telah
memberikan koreksi dan bimbingan dalam menyelesaikan penulisan skripsi ini. 5. Seluruh Dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan ilmu, inspirasi dan
motivasi selama menjalani proses perkuliahan.
6. Rekan-rekan di Laboratorium Nano Bioenergi, Bapak Basuki, Bapak Subur, Mas Thoyib, Mas Ratno, Bambang, Catur, Yudha, Rizky, Dewi, sebagai rekan diskusi serta rekan kerja selama ini semoga Allah selalu memberikan kesabaran dan kemudahan.
7. Rekan-rekan anggota group “bukber for fun”, diskusi dan obrolan ringan yang dapat dijadikan sebagai “distraction” ketika penulis mengerjakan Tugas Akhir.
Harapan penulis mudah-mudahan skripsi ini menjadi sumber inspirasi bagi pembaca sebagai tambahan wacana ilmu pengetahuan dan teknologi. Penulis
menyadari masih terdapat banyak kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran sangat diharapkan untuk kesempurnaan penyusunan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat menjadi manfaat bagi kita semua. Aamiin...
Surakarta, 10 April 2017
vi
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN ... Error! Bookmark not defined.
ABSTRACT ... iii
KATA PENGANTAR ... iv
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR NOTASI ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II DASAR TEORI ... 5
2.1 Tinjauan Pustaka ... 5
2.2 Material Piezoelektrik ... 6
2.3 Pembangkitan Listrik pada Material Piezoelektrik ... 7
2.4 Elektrospinning ... 9
BAB III METODE PENELITIAN... 12
3.1 Tempat Penelitian ... 12
3.2 Alat dan Bahan... 12
3.3 Prosedur Penelitian ... 14
3.4 Diagram Penelitian ... 18
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 19
4.1 Pengujian XRD dari Material Piezoelektrik ... 19
4.2 Tegangan Keluaran dari Nanogenerator (NG) Piezoelektrik ... 24
4.4 Daya Keluaran dari Nanogenerator (NG) Piezoelektrik ... 28
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 31
5.1 Kesimpulan ... 31
5.2 Saran ... 31
DAFTAR PUSTAKA ... 32
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 (a) kristal non-centrosymetric (b) kristal centrosymmetric ... 6
Gambar 2. 2 Identifikasi arah tiga sumbu pada material piezoelektrik... 7
Gambar 2. 3 Model pembebanan nanogenerator PZT (Chen, X., et al., 2010). ... 8
Gambar 3. 1 Tahapan membuat bahan piezoelektrik berbentuk serat ... 14
Gambar 3. 2 Mesin elektrospinning horizontal ... 16
Gambar 3. 3 Peralatan uji daya keluaran dari material piezoelektrik ... 16
Gambar 3. 4 Diagram alir penelitian ... 18
Gambar 4. 1 Ilustrasi difraksi sinar-X pada XRD ... 19
Gambar 4. 2 Pola XRD material ZnO, di dalam ZnO (PDF 36-1451) ... 20
Gambar 4. 3 Spektrum XRD material piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 450°C ... 21
Gambar 4. 4 Spektrum XRD material piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 500°C ... 21
Gambar 4. 5 Spektrum XRD material piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 550°C ... 22
Gambar 4. 6 Spektrum XRD material piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 600°C ... 22
Gambar 4. 7 Ukuran kristal material piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co .. 23
Gambar 4. 8 Tegangan keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 450°C ... 25
Gambar 4. 9 Tegangan keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 500°C ... 25
Gambar 4. 10 Tegangan keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 550°C ... 25
Gambar 4. 11. Tegangan keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 600°C ... 26
Gambar 4. 12 SEM serat nano NG ZnO kodoping 50% Al- 50% Co suhu sintering 450 - 600 oC ... 27
Gambar 4. 13. Daya keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co pada temperatur sintering 450°C ... 29 Gambar 4. 14. Daya keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co
pada temperatur sintering 500°C ... 29 Gambar 4. 15. Daya keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co
pada temperatur sintering 550°C ... 29 Gambar 4. 16. Daya keluaran dari NG piezoelektrik berbahan ZnO codoping Al-Co
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Pengaruh unsur dopant terhadap material ZnO ... 5 Tabel 2. 2 Pengaruh parameter terhadap morfologi serat nano yang dihasilkan ... 10 Tabel 3. 1 Variabel pengujian ... 17
DAFTAR NOTASI
B = FWHM
D = ukuran kristal (nm)
PL = daya dengan pembebanan (Watt)
RL = beban tahanan (Ohm)
T = periode (detik)
t = waktu (detik)
Vo = tegangan keluaran (Volt)
𝜆 = panjang gelombang radiasi-X (CuKα = 0,15406 nm)
