Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 4

Transkripsi

1 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 4 Jovi Kusuma Dilaga, Dani Gustaman Syarif, Wiendartun* Departemen Pendidikan Fisika,Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia jovi.dilaga@gmail.com danigustas@batan-bdg.go.id, wien@upiedu ABSTRAK Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 4. Telah dilakukan pembuatan film tebal termistor NTC dengan mencampukan bahan yang terdiri dari CuO 15%, MnO 20%, ZnO 5%, NiO 30% dan Fe 2 O 3 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 C. nilai resistivitas setelah uji resistivitas sebesar 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 K 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 K. Kata kunci : film tebal, heat treatment, karakteristik listrik, termistor NTC ABSTRACT Effect of Heat Treatment Against Electrical Characteristics Based NTC Thermistor (Cu x Mn y Zn z Ni t ) Fe 2 O 4. 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 C 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

2 J. K. Dilaga, dkk, Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (CuxMnyZnzNit)Fe2O4) sample of the great obtained thermistor constant values for K 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 K thermistor constant value. Keywords: thick film, heat treatment, electrical characteristics, NTC Thermistor

3 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 PENDAHULUAN Pada zaman modern saat ini, perkembangan teknologi terus berkembang, tidak terkecuali dalam bidang elektronik. Kebutuhan manusia akan elektronik tidak lepas untuk memenuhi kebutuhan seharihari. 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 # 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 # 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 3 (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

4 J. K. Dilaga, dkk, Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (CuxMnyZnzNit)Fe2O4) 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 Fe 2 O 3 juga pernah dilakukan oleh Wiendartun (2009) dengan jenis termistor NTC keramik CuFe 2 O 4, tujuan untuk memanfaatkan bahan yarosit yang pada nyatanya terdapat melimpah di Indonesia sehingga bertujuan untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan Fe 2 O 3 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 Fe 2 O 3 :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 berlubanglubang 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 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 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 bahanbahan penyusun baik 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 ). 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 ). 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 C, hal ini berdasarkan penelitian-penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. METODE Serbuk CuO 15%, MnO 20%, ZnO 5%, NiO 30% dan Fe 2 O 3 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 C. 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 C dalam atm H 2 selama 10 menit, sedangkan pada HT2 dilakukan proses heat treatment pada suhu C dalam atm H 2 selama 15 menit. Setelah dilakukan heat treatment terhadap film tebal, selanjutnya dilakukan uji resistivitas dengan suhu operasi 25 0 C sampai C. Hasil dari uji resistivitas diolah untuk mendapatkan nilai dari konstanta termistor NTC (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 3. Selain uji karakterisasi listrik, dilakukan juga uji difraksi sinar- X (X-ray diffraction) untuk melihat pola kristal dari termistor NTC (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 3 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). HASIL DAN PEMBAHASAN 5

6 J. K. Dilaga, dkk, Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (CuxMnyZnzNit)Fe2O4) intensitas Gambar 1. Pola difraksi sinar-x film tebal termistor (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 3 Pada gambar di atas yang merupakan pola termistor NTC (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 3. Hasil difraksi sinar-x memperlihatkan bahwa banyak terdapat perbedaan puncakpuncak yang terbentuk bila dibandingkan dengan pola difraksi dari Fe 2 O 3 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 Fe 2 O 3, sehingga masih ada butiran-butiran dari bahan yang mengakibatkan muncul pola-pola lain. StrukturMikro 2 theta B Pada gambar diatas merupakan hasil dari SEM film tebal (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 4. 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 Fe 2 O 3. 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 ronggarongga 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 Mohm.cm, pada HT1 dilakukan heat treatment dengan pemanasan pada suhu C selama 10 menit menghasilkan nilai resistivitas Mohm.cm, dan pada HT2 dilakukan heat treatment dengan pemanasan pada suhu C selama 15 menit. Gambar 2. Hasil foto SEM film tebal thermistor NTC (Cu x Mn y Zn z Ni t )Fe 2 O 3

7 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 Gambar 3. Grafik hubungan Besar nilai resitivitas terhadap waktu Setelah dilakukan heat treatment, proses pendinginan berlangsung cepat sehingga pembentukan cacat oksigen atau pembentukan ion Fe 2+ bertambah. Hal ini dikarenakan makin banyak ion Fe 2+ yang terbentuk, maka makin banyak electron yang terbentuk (Gustaman S, D. 2007). Jadi, ion Fe 3+ akan mengisi kekosongan yang ditinggalkan oksigen karena menghilang saat proses pendinginan yang cepat sehingga ion Fe 3+ akan menjadi ion Fe 2+. Tabel 1. Data resistivitas film tebal pada suhu ruang No Jenis perlakuan Resistivitas suhu ruang (Mohm.cm) 1 Non heat treatment 2 T=500 0 C, Gas H 2, t=10 m 3 T=500 0 C, Gas H 2, t=15 m Dari tabel diatas dapat dilihat besar nilai resistivitas pada suhu ruang. Sebelum dilakukan heat treatment diperoleh nilai resistivitas sebesar Mohm.cm. namun setelah dilakukan proses heat treatment didapat nilai resitivitas sebesar Mohm.cm untuk HT1 dan Mohm.cm untuk HT1. Semakin lama proses heat treatment dengan dialiri gas H 2, semakin kecil nilai resistivitas yang diperoleh. Hal ini karena kandungan oksigen yang terdapat pada film tebal, tereduksi akibat ikatan dengan H 2. Besar nilai konstanta termistor yang diperoleh dari tiap sampel, nilai paling besar 7 didapat pada saat awal. Untuk HT1 dan HT2 mengalami penurunan konstanta termistor. Untuk saat awal diperoleh nilai B yaitu sebesar K, untuk HT1 dan HT2 dilakukan proses heat treatment menurun menjadi K dan K. Tabel 2. Besar nilai konstanta termistor No Jenis perlakuan B ( 0 K) 1 Non heat treatment 2 T=500 0 C, Gas H 2, t=10 m 3 T=500 0 C, Gas H 2, t=15 m 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 Mohm.cm, sedangkan pada HT1 didapat nilai resistivitas suhu ruang sebesar Mohm.cm, dan pada HT2 didapat nilai resistivitas suhu ruang sebesar Mohm.cm. Perlakuan heat treatment selain mempengaruhi nilai resistivitas suhu ruang, juga mempengaruhi besar nilai konstanta termistor dari tiap kondisi. Untuk awal

8 J. K. Dilaga, dkk, Pengaruh Heat Treatment Terhadap Karakteristik Listrik Termistor NTC Berbasis (CuxMnyZnzNit)Fe2O4) didapat nilai konstanta paling besar yaitu sebesar K, untuk HT1 didapat nilai konstanta termistor sebesar K, dan HT2 didapat nilai konstanta termistor sebesar K. 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 ( K). DAFTAR PUSTAKA Gustaman, S. D., Guntur, D., & M. Yamin. (2005). Pembuatan Keramik Termistor NTC Berbahan Dasar Mineral Yarosit dan Evaluasi Karakteristiknya. [online]. Tersedia: /index.php/searchkatalog/downloadd 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: teri/30oct13_143442_%20sri%20nu rhayati.pdf. [24 september 2014]. atabyid/1948/dani_gustaman_ pdf. [25 september 2015]. Padat (Komponen Elektronik). [online]. Tersedia: m/2011/11/v14-no3-b-1-ramlan pdf. [24 september 2014]. Wiendartun, Gustaman,S. D, Rusdiana D. (2009). Karakterisasi Film Tebal CuFe 2 O 4 untuk Termistor NTC Yang Dibuat Dengan Menggunakan Fe 2 O 3 Dari Bahan Mineral Yarosit. Ramlan & Bama, Ahmad. Aminudin. (2011). Pengaruh Suhu dan Waktu Sintering Terhadap Sifat Bahan Porselen Untuk Bahan Elektrolit