PENGARUH KONSENTRASI CuO DAN ZnO TERHADAP KARAKTERISTIK TERMISTOR NTC BERBASIS

Transkripsi

1 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 2, September 2015 PENGARUH KONSENTRASI CuO DAN ZnO TERHADAP KARAKTERISTIK TERMISTOR NTC BERBASIS Aria Respati 1 ; Dani Gustaman Syarif 2* ; Dadi Rusdiana 3* 1,3Jurusan Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154, Indonesia 2Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radioaktif (BATAN ), Jl. Tamansari No. 71; Bandung , Indonesia ariesphysic@gmail.com ABSTRAK Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan film tebal untuk termistor NTC berbasis. Termistor ini berbahan dasar CuO, ZnO, MnO, NiO, dan FF 2 O 3 dengan variasi konstrasi CuO dan ZnO berturut-turut dalam persen massa adalah (15 dan 5), (10 dan 10) dan (5 dan 15). Penelitian ini bertujuan mendapatkan komposisi yang optimal yang memiliki karakterisitik yang paling baik. Hasil karakterisasi listrik menunjukan tahanan suhu ruang meningkat dari komposisi 1 ke komposisi 3 yaitu (3,84 MΩ), (11,78 MΩ) dan (25,94 MΩ). Harga konstanta B dari komposisi 1 ke 3 adalah (3046 K), (3962 K), dan (3397 K) semua memenuhi kebutuhan pasar. Pola difraksi menunjukkan bhwa semua komposisi berstrktur kubik spinel dan struktur membaik dari komposisi 1 ke 3, ditunjukkan dengan semakin sedikitnya puncak-puncak selain fasa spinel. Analisis SEM menunjukkan bahwa dari komposisi 1 ke 3 stuktur mikronya semakin membaik, itu ditunjukkan dari semakin sedikitnya bulir-bulir berukuran kecil dan semakin tumbuhnya bulir-bulir besar yang diduga kuat adalah fasa spinel. Dengan demikian komposisi yang paling optimal adalah komposisi 2. Kata kunci: Fasa spinel, komposisi optimal, NTC, termistor, *Penanggung Jawab

2 Aria Respati, dkk, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik termistor NTC berbasis EFFECT OF CuO AND ZnO CONCENTRATION FOR NTC THERMISTOR CHARACTERIZATION BASED ABSTRACT A study about fabrication of thick film for NTC thermistor based of has done. This thermistor made of CuO, ZnO, MnO, NiO and FF 2 O 3 with variation of CuO and ZnO concentration in percent of mass are (15 : 5), ( 10 : 10), and (5 :15). the studies purpose was to get optimal composistion with best characteristic. The electric caractirization showed that room temprature resistivity increased from composition 1 to composition 3 thouse are (3,84 MΩ), (11,78 MΩ) dan (25,94 MΩ). The result of B value from composition 1 to 3 are 3046 K), (3962 K), and (3397 K), all of them are appropriate the market demand.. The patern of difraction showed that all of composition have cubic-spinel structure and the stucture was better from composition 1 to 3, it know from decreasing of not-spinel pic phase. SEM analyst showed that the microstructure was better from composition 1 to 3, it know from decreasing of litle grain and increasing of big grain that the spinel phase. So thte optimal composition is composition 2. Keyword : Keyword: spinel phase, thick film. NTC, thermistor PENDAHULUAN Termistor NTC (Negative Temprature Coeficience) adalah komponen elekronika yang biasa digunakan untuk barbagai aplikasi seperti pembatas suhu, pembatas aliran air, pembatas arus listrik, sensor panas, sensor tekanan (D.G. Syarif,dkk. 2007). Selain itu, temistor NTC telah digunakan dalam berbagai bidang seperti kedokteran (termasuk kedokteran nuklir), otomotif, instrumentasi, telekomunikasi, HVACR (Heating Ventilation Air Condisioning and Refrigerator) (Wiendartun, dkk. 2009). Termistor NTC pada umumnya berstruktur spinel tetragonal, terbentuk dari logam-logam transisi dalam sistem periodik dan memiliki rumus umum AB 2 O 4 dengan A adalah ion logam pada posisi tetrahedral dan B adalah adalah ion logam pada posisi octaherdral (D.G. Syarif dan E. Sukirman, 2007,Wiendartun, 2007). Sampai saat ini baik di dalam maupun diluar negeri telah banyak dilakukan penelitian tentang termistor NTC yang memiliki struktur spinel dan memiliki rumus umum AB 2 O 4. Penelitian tersebut antara lain bertujuan untuk memperbaiki struktur, nilai konstanta B, maupun suhu kerjanya. Berikut ini adalah beberapa contoh hasil penelitian tentang termistor NTC yang telah dilakukan yaitu: 1. Termistor CCFF 2 O 4 memiliki struktur spinel tetragonal atau spinel cubic, nilai B = ( K) dan bekerja pada suhu rendah (D.G. Syarif dan E.Sukirman, 2007). 2. Termistor ZZFF 2 O 4 (didopping SSO 2 ) memiliki struktur spinel cubic, nilai B = ( K), dan bekerja pada suhu rendah (Wiendartun, dkk, 2010). 3. Termistor FFTT 2 O 5 (didopping MMO 2 ) memiliki harga B = ( K) dan bekerja pada suhu tinggi (Wiendartun, dkk 2013). 4. Termistor Ni 0,6 CC 0,4 FF y MM 2 y O 4 berstruktur spinel cubic, memiliki harga B = (1978, K) dan bekerja pada suhu tinggi (R.N. Jadhav, dkk 2012). 5. Termistor NN 0,8 CC 0,2 MM 2 O 4 berstruktur spinel cubic, memiliki harga B =( K), dan bekerja

3 Aria Respati, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik terimistor NTC berbasis pada suhu ruang (S.A. Kanade dan V. Puri 2007). Selain itu masih banyak lagi penelitian tentang termistor NTC yang berstruktur spinel yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Pada peneltian ini dilakukan pembuatan termistor berbentuk CC x ZZ y MM z NN t Fe 2 O 4 yang masih berstruktur AB 2 O 4 dengan variasi CuO dan ZnO, bahan-bahan tersebut merupakan gabungan dari logam-logam transisi yang pada umumnya digunakan untuk pembuatan keramik termistor NTC. Pada hasil penelitian yang sudah ada, pengaruh konsentrasi Cu yaitu pada pembuatan termistor NTC CCFF 2 O 4, semakin turun konsenterasi Cu maka harga B justru meningkat dan termistor tersebut berstruktur spinel tetragonal atau spinel cubic (D.G. Syarif dan E.Sukirman, 2007). Sedangkan pengaruh Zn pada termistor NTC yaitu pada pembuatan termistor NTC MM 1,17 x NN 0,93 CC 0,9 O 4 (0 x 0,075) harga B akan meningkat seiring dengan penambahan Zn tetapi tidak begitu berpengaruh pada struktur kristal maupun ukuran butir dari keramik termistor NTC tersebut (K. Park dan J.K. Lee, 2009). Jadi pada pembuatan termistor NTC ini diharapkan mendapatkan komposisi yang optimal untuk mendapatkan harga B yang tinggi dan memiliki stuktur spinel serta memiliki tahanan suhu ruang yang rendah. METODE PENELITIAN Pembuatan keramik termistor NTC ini dilakukan dengan metode screen printing untuk mendapatkan keramik film tebal. Pertama-tama seluruh bahan termistor NTC yaitu ZnO, CuO, MnO, NiO dan FF 2 O 3 dicampur dan digerus bersama-sama dengan variasi konsentrasi CuO dan ZnO yaitu (15:5), (10:10) dan (5:15) masing-masing dalam persen massa, sedangkan bahan lainnya dibiarkan konstan. Setelah itu lalu campuran bahan tadi ditambahkan organic vehicles seberat seluruh campuran dan diaduk selama 30 menit sehingga terbentuklah pasta. selanjutnya adalah membentuk film tebal pada sebuah substrat alumina dengan metode screen printing. Film tebal yang sudah terbentuk lalu dibakar pada suhu 1100 o C ditahan selama 3 jam. Film tebal hasil bakar lalu dilapisi pasta perak dan dibakar kembali pada suhu 600 o C sehingga terbentuk film tebal dengan kontak perak. Setelah terbentuk keramik film tebal lalu dilakukan beberapa karakterisasi. Pemotretan sampel untuk mengetahui penampakan visual secara kasat mata dan penampilan luarnya. Uji resistivitas terhadap suhu yang bervariasi dari derajat Celcius dan dari derajat celcius, dari sana akan didapatkan informasi tentang tahanan suhu ruang dan konstanta termistor B. Sturktur kristal ditentukan dengan cara XRD, pola difraksi yang didapat diplot kedalam sebuah grafik dan diamati puncakpuncaknya dan dibandingkan terhadap pola spinel hasil penelitian lain. Struktur mikro diamatai dengan menggunakan SEM. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Pemotretan sampel. a. Penampilan visual Hasil pemotretan sampel komposisi 1, 2 dan 3 menghasilkan penampilan visual

4 Aria Respati, dkk, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik termistor NTC berbasis seperti yang diperlihatkan oleh gambar 1,2, dan 3 dibawah ini: Dari gambar 1,2,dan 3 diatas dapat dilihat bahwa sampel tiap komposisi berpenampilan baik hal tersebut bisa dilihat dari permukaannya yang cukup halus dan tidak ada cacat dilihat secara kasat mata. b. Perhitungan faktor koreksi. Gambar 1: penampilan visual sampel komposisi 1 Karena ketebalan serta jarak antar perak berbeda-beda untuk setiap komposisi, maka perlu dilakukan normalisasi terhadap suatu faktor koreksi supaya tidak ada faktor ketebalan dan jarak yang akan mempengaruhi perubahan resistivitas. Perhitungan faktor koreksi diperlihatkan oleh tabel 1 dibawah ini: Tabel 1. Perhitungan faktor koreksi. Gambar 2: penampilan visual sampel komposisi 2 komposisi Jarak (mm) Tebal (mm) Rasio jarak/ tebal fk 1 0,73 0,61 1,2 1,0 2 0,87 0,62 1,4 1,2 3 0,89 0,61 1,4 1,2 2. Uji kelistirikan a. Tahanan suhur ruang. Dari hasil uji kelistrikan terhadap termistor NTC CC x ZZ y MM z NN t FF 2 dengan mengukur resistivitas terhadap suhu, yaitu dari suhu o C dan o C maka didapat hasil seperti yang diperlihatkan oleh gambar 4 dibawah ini: Gambar 3: penampilan visual sampel komposisi 3

5 Aria Respati, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik terimistor NTC berbasis Resistivitas (ohm) suhu (derajat celcius) Gambar 4. Plot grafik hubungan resistivitas vs suhu untuk semua komposisi Ln (R/Ro) 0.5 y = x R² = Gambar 5. Grafik Ln(R/Ro) vs 1/T untuk sampel komposisi 1. I/T Dari grafik diatas kita bisa lihat bahwa pengaruh dari perbedaan komposisi terhadap profil grafik yang dihasilkan. Yang paling bawah adalah sampel komposisi 1, yang tengah adalah sampel komposisi 2 sedangkan yang paling atas adalah sempel komposisi 3. Secara berturut-turut konsentrasi CuO turun dan konsetrasi ZnO naik. Kita bisa lihat bahwa pada suhu kamar, semakin Cu turun dan Zn naik nilai hambatan memperlihatkan harga yang semkin besar. sehingga penambahan ZnO dan pengurangan CuO justru memperburuk termistor karena tahanan suhu ruangnya yang semakin besar. b. Nilai konstanta termistor (B) Dengan mengambil fungsi logaritma natural (ln) maka akan didapatkan grafik seperti di bawah ini, dari gradien grafik tersebut dapat diambil informasi tentang konstanta termistor (B). Konstanta tersebut merupakan parameter kualitas termistor NTC. Termistor yang baik adalah yang miliki nilai B 2000 K semakin besar harga B maka semakin bagus kualitas termistor tersebut. Cara mendapatkan harga B ditunjukkan oleh grafik pada gambar 5-7 di dbawah ini. Ln(R/Ro) y = x R² = /T Gambar 6. Grafik Ln(R/Ro) vs 1/T untuk sampel komposisi Ln(R/Ro) -1.5 y = x R² = /T. Gambar 7. Grafik Ln(R/Ro) vs 1/T untuk sampel komposisi 3

6 Aria Respati, dkk, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik termistor NTC berbasis Dari grafik di atas antara ln(r/ro) dengan 1/T, maka gradien atau koefisien dari variabel x adalah nilai B. Dengan demikian harga B untuk tiap komposisi ditunjukkan oleh tabel 2 di bawah ini. Tabel 2. Hasil B untuk tiap komposisi R suhu No Nilai B Komposisi ruang (K) (KK) , , ,94 pola difraksi yang didapat tersebut dianalisis menggunakan metode perbandingan. Hasil pola diraksi tersebut dibandingkan dengan dengan hasil pola difraksi dari keramik lain yang memiliki stuktur spinel murni yaitu CCFF 2 O 4 yang dibakar pada suhu 1100 o C(Wiendartun, dkk 2009). Pola difraksi tiap komposisi diperlihatkan oleh gambar 8-10 di bawah ini. Dari tabel diatas dapat dilihat bahwa nilai B meningkat seiring dengan penurunan CuO dan penambahan ZnO yaitu pada komposisi ke 1 ke komposisi ke 2, namun ketika Zn ditambah lagi dan Cu diturunkan, harga B justru kembali menurun walaupun masih pada harga B yang diterima pasaran yaitu B 2000 K. Di sini seperti terjadi anomali pada pola yang didapat yaitu kecenderungan dari B naik pada rentang komposisi 1 sampai komposisi 2 dan kecenderungan B turun pada rentang komposisi 2 sampai komposisi 3. Sehingga jika mengacu pada keterangan bahwa semakin besar nilai B maka semakin baik kualitas termistor, maka komposisi 2 adalah komposisi yang paling baik dari semua termistor NTC ini.seperti yang disebutkan pada bab 2 di atas bahwa nilai B juga menunjukan kualitas material termistor NTC. Gambar 8: Hasil XRD sampel komposisi 1 Gambar 9. Hasil XRD sampel komposisi 2 3. Struktur kristal Untuk mengetahui struktur kristal dari termistor NTC tersebut dilakukan karakterisasi XRD. Di bawah ini adalah grafik hasil plot puncak-puncak intensitas terhadap 2 tetha hasil pengukuran XRD.

7 Aria Respati, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik terimistor NTC berbasis demikian dikomposisi 2 masih ada sedikit fasa lain yaitu fasa CuO. Gambar 10. Hasil XRD sampel komposisi 3 Gambar di atas merupakan plot hasil pengukuran XRD yang berisi informasi tentang hubungan antara intensitas terhadap sudut 2 (dua) tetha. Gambar.8-10 berturut-turut adalah hasil XRD sampel komposisi 1 sampai 3. Kita bisa lihat bersama bahwa pada sempel komposisi 1 masih banyak terdapat fasa lain selain fasa spinel dari termistor NTC yang dibuat tersebut. Hal tersebut terlihat dari puncak-puncak yang banyak yang saling berdekatan dan bertumpang tindih pada komposisi 1, ini jelas dapat dipastikan bahwapada komposisi tersebut terdapat lebih dari 1 fasa. Besar kemungkinan bahwa fasa lainnya tersebut salah satunya adalah fasa dari CuO yang tidak ikut larut membentuk termistor NTC yang memiliki rumus umum AB 2 O 4. Dengan kata lain di komposisi 1 masih banyak kelebihan CuO. Pada sampel dengan komposisi 2 puncak yang bertumpang tindih terlihat sangat berkurang. Sehingga jika dihubungkan dengan pernyataan pada pembahasan di atas, pengurangan puncakpuncak yang bertumpang tindih tersebut diakibatkan oleh pengurangan konsentrasi CuO dan penambahan ZnO. Itulah yang menyebabkan harga konstanta B naik pada komposisi 2. Namun meskipun Pada sampel komposisi 3 bisa dikatakan fasa CuO sudah sangat sedikit atau bisa dikatakan sudah tidak ada sama sekali. Puncak-puncaknya sangat terlihat jelas dan terurai, sehingga sangat mudah untuk dianalisis. Jika dilihat pola difraksinya sangat mirip dengan pola difraksispinel murni CCFF 2 O 4 Ini membuktikan bahwa pada sampel komposisi ini mendekatifasa spinel murni. Seluruh material telah terlarut untuk membentuk fasa spinel.namun demikian pada sampel komposisi 3 ini terjadi penurunan harga B meskpun masih dalam rentang permintaan pasar. Dari ketiga komposisi bisa dilihat puncak-puncak yang sama. Puncakpuncak yang sama tersebut memiliki pola difraksi yang mirip dengan pola difraksi dari spinel murni yaitu CCFF 2 O 4 Sehingga dapat disimpulkan bahwa ketiga komposisi tersebut memiliki struktur spinel. Dari komposisi 1 sampai 3 fasa spinel-nya semakin murni seiring berkurangnya konsentrasi CuO dan ion CC 2+ pada campuran. 4. Struktur mikro. Untuk mengetahui struktur mikro dan morfologi kristal dilakukan karakterisasi scanning electrone michroscophy (SEM). Karakterisasi ini juga dilakukan untuk menguatkan data yang diperoleh dari hasil XRD tentang keberadaan fasa lain selain spinel pada tiap sampel dari semua komposisi. Karakterisasi SEM ini dilakukan di bagian Geologi PPGL Bandung. Perbesaran yang dipakai adalah sebesar kali. Gambar di bawah ini adalah potret hasil SEM untuk ketiga sampel yang memeperlihatkan struktur mikro dan morfologi kristal.

8 Aria Respati, dkk, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik termistor NTC berbasis Gambar 11. Gambar 12. Gambar 13. Hasil foto SEM sampel komposisi 1. Hasil foto SEM sampel komposisi 2. Hasil foto SEM sampel komposisi 3. Ketiga gambar diatas memperlihatkan penampilan gambar hasil SEM untuk perbesaran kali. Pada sampel komposisi 1 terlihat banyak sekali fasa lain selain fasa spinel. Hal tersebut bisa terlihat dari banyak terdapatnya bulir-bulir berukuran kecil kurang dari 1 μμ. Bulir-bulir itu besar kemungkinan adalah fasa dari CuO yang tidak ikut larut membentuk fasa spinel. Fakta tersebut ternyata menguatkan dugaan yang sama ketika membahas struktur kristal pada karakterisasi XRD yaitu terdapat banyak puncak-puncak yang bertumpang tindi dan puncak-puncak tersebut adalah fasa lain selain spinel. Gambar 12 adalah sampel dengan komposisi 2. Pada sampel komposisi 2 ini jumlah CuO berkurang sedangkan ZnO bertambah dengan porsi 10:10 pada campuran. Terlihat butir-butir berukuran kecil berkurang secara drastis dibanding sampel komposisi 1. Ion ZZ 2+ kemungkinan mereduksi ion CC 2+ sehingga dengan bertambahnya ZnO dan berkurangnya CuO pasti menyebabkan fasa CuO yang tidak terlarut berkurang diganti dengan ZnO yang ikut terlarut bersama bahan lain membentuk fasa spinel. Hal itu juga alasan yang menyebabkan harga konstanta termistor (B) pada sampel komposisi 2 meningkat dari yang asalnya 3046 K pada sampel komposisi 1 menjadi 3926 K pada sampel komposisi 2. Seperti yang dijelaskan pada pembahasan sebelumnya bahwa harga B juga menentukan kualitas dari material keramik termistor NTC. Gambar 13 adalah sampel komposisi 3. Pada sampel komposisi 3 ini sudah sangat jelas terlihat butir-butir kecil sudah sangat berkurang. Jelas ini disebabkan karena pengurangan CuO dan penambahan ZnO sehingga yang nampak adalah fasa yang homogen dan bukan multi fasa. Jika

9 Aria Respati, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik terimistor NTC berbasis dilihat dari segi tingkat kemurnian fasa spinel komposisi 3 memiliki fasa spinel yang lebih murni dibanding dengan komposisi 2. Butir-butir yang sudah tumbuh dengan ukuran yang lebih besar menunjukkan bahwa fasa spinel semakin murni dan strukturnya semakin membaik. Seharusnya harga resistivitas akan mengecil ketika strukturnya membaik, namun pada kenyataannya justru resistivitasnya membesar, besar kemungkinan hal tersebut disebabkan oleh porsi ZnO yang lebih banyak. Pada sampel komposisi 1 dan 2 besar kemungkinan banyak terdapat ion-ion CC 2+. Itu yang menyebabkan mengapa resistivitas komposisi 3 lebih besar dari pada resistivitas komposisi 1 dan 2 padahal sampel komposisi 1 dan 2 strukturnya lebih buruk daripada sampel komposisi 3. KESIMPULAN Penambahan konsentrasi ZnO dan pengurangan konsentrasi CuO meningkatkan nilai konstanta termistor (B) dari 3046 K (komposisi 1) ke 3962 K (komposisi 2), dan menurun kembali menjadi 3397 K (komposisi 3) karena terjadi perubahan struktur mikro. Sehingga termistor yang dibuat memenuhi kebutuhan pasar karena memiliki harga B 2000 K. selain itu semua termistor ini mempunyai struktur kubik spinel. Komposisi optimal berdasarkan harga B adalah komposisi 2. DAFTAR PUSTAKA D.G Syarif dan E. Sukirman, (2007). Characterization Of ( CCC FF 2 O 3 ) With Three Different Composition Sintered At C For NTC Thermistor. Indonesian Journal of Material Science. Vol 8, Hal D.G Syarif, dkk, (2007). Pembuatan Keramik dari Bahan Manganit dan Karakterisasi Listriknya Sebelum dan Sesudah Iradiasi Gamma. Prosiding Seminar Nasional Dan Teknologi Nuklir K. Park dan J.K Lee, (2009). The Effect of Zn on the Microstucture and Electrical Properties of MM 1,17 x NN 0,93 CC 0,9 O 4 (0 x 0,075) NTC thermistor. Journal of Alloys And Compounds, Vol 467, Hal R.N. Jadhav, S.N. mathad, dan Vijaya Puri, (2012). Studies on the properties of Ni0.6Cu0.4Mn2O4 NTC ceramic due to Fe doping. Ceramic InternationalVol 38, Hal S.A. Kanade dan Vijaya Puri, (2007). Elerctrical Properties of Thickfilm NTC Thermistor Composed Of NN 0,8 CC 0,2 MM 2. Materials Research Bulletin Vol 43, Hal Wiendartun, D.G. Syarif dan P. Fian (2010). Syntesis and Characterization of SSO 2 for Negative Temprature Coefficient (NTC) Thermistors. Prosiding PPI-PDIPTN. Wiendartun, D.G. Syarif, dan D. Rusdiana, (2009). Karakterisasi Keramik Film Tebal CCFF 2 O 4 untuk Termistor NTC yang dibuat dengan menggunakan

10 Aria Respati, dkk, pengaruh konsentrasi CuO dan ZnO terhadap karakteristik termistor NTC berbasis FF 2 O 3 dari mineral yarosit. Jurnal FPMIPA UPI. Wiendartun, dkk. (2007). Pengaruh Penambahan AA 3 O 3 terhadap KarakteristikKeramik CCFF 2 O 4 Untuk Termistor NTC. Jurnal FPMIPA UPI. Wiendartun, Waslaludin, dan D.G. Syarif, (2013). Effect of MnO 2 Addition on Characteristics of Fe 2 TiO 5 Ceramic for NTC Thermistor Utilizing Commercial and Local Iron Oxide. Journal of The Australian Ceramic Society, Vol 49, Hal