diikuti oleh pertumbuhan grain serta peningkatan ikatan antar partikel yang berdekatan, sehingga menghasilkan bahan yang lebih
mampatkompak Richerson, 1982. Peristiwa sintering dapat dilukiskan seperti pada Gambar 2.5 Callister, 1994. Suhu sintering mempengaruhi
proses penyusutan, sedangkan pengaruh waktu sintering tidak banyak. Sintering umumnya dapat terjadi di dalam produk pada suhu tidak
melebihi dari setengah sampai dua pertiga dari suhu meltingnya, suhu yang membuat atom cukup mampu untuk berdifusi Ramlan, 2001.
Gambar 2.5. Perubahan Struktur Mikro pada Saat Sintering Callister, 1994
2.6. Morphotropic Phase Boundary MPB
Studi sintesa dan pengembangan bahan piezoelektrik sangat ditentukan komposisikandungan dari penyusunannya, agar dapat menghasilkan sifat
kepiezoelektrikan yang lebih optimal dan berakibat pada unjuk kerja dari aplikasinya lebih maksimal. Para peneliti mengambil komposisi bahan dasarnya
berada pada daerah batas dua sistem kristal perovskit, lebih dikenal dengan Morphotropic Phase Boundary
MPB Basetet al. 2010.
Gambar 2.6. MPB pada PbZr
1-x
Ti
x
O
3
a diagram fase PbZr
1-x
Ti
x
O
3
. HT menunjukkan suhu tinggi dan LT-suhu rendah fase rombohedral. AF adalah
fase antiferroelektrik, dan M menunjukkan daerahantara fasa monoklinik Gupta Viehland, 1998 b konstanta dielektrik
ε
r
dan faktor kopling kdari PZT yang optimalpada MPB Chen et al. 2009
Universitas Sumatera Utara
PbZr,TiO
3
PZT, bahan keramik piezoelektrik dengan unjuk kerja yang tertinggi, terbentuk dari larutan padat oleh fasa ortorombik pada PbZrO
3
PZ dan fasa tetragonal pada PbTiO
3
PT. Diagram fasa pada gambar 2.6a menunjukkan bahwa dua perovskit dengan berbagai jenis struktur kristal yang dibatasi pada
daerah sempit dengan komposisi Zr:Ti sekitar 52:48. Daerah batas ini memisahkan fasa rhomboheral dan tetragonal PZT. Beberapa fasa di daerah ini
sama, sehingga disebut Morphotropic Phase Boundary MPB. Komposisi pada Zr:Ti dapat direpresentasikan dengan kandungan PbZrO
3
: PbTiO
3
= 52 : 48 yang berada pada daerah MPBGupta Viehland, 1998. Spekulasi dari
pemilihan MPB tersebut campuran binary dan ternary suatu bahan piezoelektrik dapat menjawab bahwa sifat piezoelektrik tinggi dan didukung dari konstanta
dielektrik ԑ
r
dan faktor kopling k
p
tertinggi. Unjuk kerja dari MPB dapat mengoptimalkan konstanta dielektrik, konstanta piezoelektrik, dan hal terkait
lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.6b Chen et al. 2009.
2.7. Prinsip Efek Piezoelektrik Proses Poling
Bahan dielektrik adalah suatu bahan yang secara kelistrikan bersifat isolator dan dapat memperlihatkan struktur dipol listrik, yaitu adanya pemisahan antara
muatan listrik positif dan listrik negatif pada tingkatan molekuler atau atomik Callister, 1994. Bahan dielektrik ini memiliki muatan yang terikat dalam dipol.
Pembangkit listrik magnetik dan piezoelektrik mempunyai prinsip kerja yang hampir sama Kim, 2002. Pembangkit listrik dari magnet menggunakan energi
mekanik untuk diubah menjadi magnet. Perubahan medan magnet menghasilkan gaya untuk menggerakkan elektron bebas. Dalam pembangkit listrik piezoelektrik,
elektron bebas bergerak dengan mengubah medan listrik yang berada di dalam kristal.
Gambar 2.7. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik dari Magnet dan Pembangkit dari Piezoelektrik Kim, 2002
Universitas Sumatera Utara
Pada piezoelektrik keramik, adanya properti dielektrik menjadi sesuatu yang penting. Posisi muatan tidak berada di tengah kristal, membuat perubahan kutub.
Arah dari tengah ke muatan positif dinamakan arah pengutuban poling direction dan secara umum ialah distribusi keseluruhan secara acak dari polikristal
piezoelektrik, yang ditunjukkan pada Gambar 2.8 arah pengutuban ini dapat dimodifikasi dengan panas dan kondisi tegangan. Kristal piezoelektrik
mempunyai karakteristik suhu, yang dikenal dengan suhu Curie. Biasanya bahan piezoelektrik mempunyai spesifikasi suhu Curie masing-masing. Sesekali ada
bahan piezoelektrik yang dipanaskan di atas suhu Curie, sehingga akan kehilangan polarisasinya dan arah pengutuban baru akan muncul sebagai aplikasi
dari tegangan yang dihasilkan material piezoelektrik. Arah pengutuban muncul kemudian menghasilkan tegangan Kim, 2002.
Bahan piezoelektrik terbentuk oleh keramik terpolarisasi, sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negatif
membentuk elektroda-elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya
mekanik. Pemisahan muatan ini disebut dengan dipol. Pada monokristal, dipol berada pada satu titik sumbu simetris, sedangkan untuk polikristal dipol memiliki
daerah sumbu kutub yang berbeda McLaunghin, 2008.
Gambar 2.8. Proses pengutuban, a sebelum pengutuban, b menghasilkan tegangan meskipun elektroda berada di atas suhu Curie, c menghilangkan
tegangan dan mendingin cold down Kim, 2002.
Untuk mendapatkan bahan piezoelektrik elemen aktif yang memiliki momen dipol searah maka diperlukan proses poling. Proses poling adalah pemberian
medan listrik terhadap bahan, sehingga bisa menyearahkan momen dipol pada bahan piezoelektik. Proses pemanasan yang sebelumnya diberikan medan listrik
pada bahan piezoelektrik akan menghasilkan bahan piezoelektrik di atas. Proses
Universitas Sumatera Utara
pemanasan memberikan pengaruh pada pergerakan molekul untuk lebih bebas dan pengaruh kekuatan medan listrik mengarahkan semua momen dipol dalam
struktur kristal ke arah yang sama. Dengan adanya pemanasan ini akan mengurangi besar medan listrik yang digunakan. Proses poling ini sama
prinsipnya dengan proses magnetisasi McLaunghin, 2008. Hubungan yang paling penting pada material piezoelektrik dalam
menghasilkan energi listrik ialah antara tekanan stress dan muatan charge dan konstanta piezoelektrik d. Nilai d ialah konstanta yang diberikan pada keadaan
statis. Untuk keadaan statis, rangkaian terbuka pembangkit tegangan berada dalam hubungan:
D
ij
= d
ijk
σ
ik
1 dengan D ialah muatan listrik per area Cm
2
, σ merupakan pemberian tekanan stress Nm
2
dan d ialah konstanta piezoelektrik CN. Ketika tekanan stress mengarah secara longitudinal dari sistem, hubungan di atas dapat dituliskan
sebagai berikut: D
3
= d
31
σ
11
2 Untuk indeks pertama menunjukkan permukaan, sedangkan indeks kedua
menunjukkan arah yang ditemukan dalam elastisitas ketentuan umum indeks. Untuk konstanta piezoelektrik, indeks pertama menunjukkan arah pengutuban P
dan indeks yang kedua menunjukkan arah gaya atau medan yang diberikan. Sehingga, indeks dari D menunjukkan arah permukaan dari elektroda. D
3
berarti muatan mengumpul pada elektroda-elektoda, mereka menutupi permukaan
material piezoelektrik normal pada arah 3 yang dapat ditunjukkan pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Gaya pada Arah 1 dan Elektroda pada Permukaan 3 Kim, 2002
Secara umum material piezoelektrik 4 mm dan 6 mm untuk kelas Kristal mempunyai 5 konstanta piezoelektrik yaitu d
31
, d
32
, d
33
, d
15
, dan d
24
, semua
Universitas Sumatera Utara
sisanya bernilai nol. Konstanta d
31
sama dengan konstanta d
32
dan konstanta d
15
sama dengan konstanta d
24
. Sehingga hanya ada 3 distrik konstanta piezoelektrik. Besar hubungan diantara konstanta ialah d
15
d
33
d
31
. Secara umum material piezoelektrik d
33
dua kali lebih besar dibandingkan d
31
dan d
15
lima kali lebih besar dari d
31
. Bahkan, meskipun d
15
merupakan jumlah terbesar yang berarti 5 gaya memotong dapat menghasilkan energi lebih daripada pemberian gaya, arah
15 ini ialah memotong tekanan stress yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 yang sangat sulit untuk direalisasikan dalam struktur yang sebenarnya.
D
3
= d
15
σ
13
3
Gambar 2.10. Arah Elektroda pada Permukaan 1 dan Memotong Tekanan stress Kim, 2002
Selanjutnya jumlah yang paling besar ialah pada arah d
33
. Dalam struktur yang sebenarnya, keadaan tekanan stress konstan yang digambarkan pada
Gambar 2.9 sampai 2.11. Jika distribusi tekanan stress tidak konstan, maka distribusi elektriknya juga tidak akan konstan.
Gambar 2.11. Penampang Material Piezoelektrik dalam Arah Gaya pada Arah 3 dan Permukaan 3 Kim, 2002
2.8. PVDF Polyvinylidene Flouride
