Pengaruh Perbedaan Tekanan Terhadap Proses Pemolingan Bahan Piezoelektrik PbZr0,52Ti0,48O3 Dengan Penambahan Polyvinylidine Flouride
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Ide dalam bidang material berkembang seiring perkembangan zaman yang
pesat. Ferroelektrik merupakan sifat dari suatu material yang mampu menarik
perhatian peneliti khususnya dalam bidang material (Li et al. 2001). Material
ferroelektrik mulai banyak dikembangkan untuk aplikasi baru dalam bidang
industri seperti pengembangan piezoelektrik (Donglin et al. 2001).
Piezoelektrik merupakan suatu material yang memiliki kemampuan jika
mendapatkan perlakuan tekanan akan menghasilkan tegangan listrik dan
sebaliknya jika diberi tegangan listrik akan menghasilkan perubahan bentuk.
Material ini dapat berbentuk keramik ataupun polimer (William, 2011). Di antara
bahan-bahan material tersebut, keramik merupakan bahan penghasil piezoelektrik
yang baik (Ahda & Mardiyanto, 2007).
Dewasa ini bahan piezoelektrik yang banyak digunakan adalah bahan PZT
karena memiliki beberapa sifat di antaranya kepiezoelektrik elektrisitasan,
stabilitas termal, dan sifat dielektrik yang sangat baik (Donnelly et al. 2008).
Salah satu pemanfaatan bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda
potensial listrik, sehingga banyak digunakan sebagai sumber tegangan.
Sehubungan dengan itu, aplikasinya sudah mulai digunakan di Jepang, tepatnya
di stasiun kereta api listrik East Japan Railway Company (JR East) sebagai
alternatif energi sistem ticketing, display keberangkatan, dan lampu penerangan
(Saputri, 2011). Pembangkit listrik piezoelektrik ini dapat diletakkan pada jalur
penumpang masuk-keluar, agar dapat diinjak yang akan memberikan efek
listriknya. Pengaplikasian piezoelektrik tersebut dimisalkan jika satu langkah
tekanan kaki yang dapat menyalakan lampu selama satu detik, maka dengan
sedikit perhitungan manajemen JR East Stationyakni bahwa dengan lantai yang
efektif diinjak sebesar 25 m2 maka akan menghasilkan daya yang cukup besar.
Energi ini dapat mengoperasikan penggunaan listrik pada stasiun kereta api,
Universitas Sumatera Utara
penerangan, penyuplai listrik pada alat perkantoran, dan lainnya. Seperti yang
terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 1.1. Loket Tiket Stasiun JR East Station (sumber: anonim)
Material piezoelektrik berbahan Lead Zirconium Titanate (PZT) yang
memiliki komposisi PbZrxTi1-xO3. PZT yang mengandung unsur timbal (Pb),
Zirconium (Zr), dan Titanium (Ti). PZT dengan struktur perovskit banyak
dikembangkan dalam pembuatan mikroelektrik karena memiliki keunggulan sifat
ferroelektrik dan piezoelektrik.
Ada beberapa metode yang telah dilakukan penelitian dalam mengsintesa
bahan keramik piezoelektrik di antaranya, menggunakan metode sol gel, hydro
thermal, molten salt, dan solid state reaction. Metode solid state reaction dalam
penyiapannya lebih mudah, karena diperlukan homogenisasi, penggerusan,
pemeletan, suhu sintering, dan lama pemanasan. Begitu juga dengan hasil produk
yang diperoleh lebih baik dari metode lainnya (sol gel dan hydro thermal), khusus
untuk bahan PZT menunjukkan kontaminan atau fasa baru yang relatif tidak ada.
Suatu hal penting adalah keterbatasan mendapatkan parameter sintesa menjadi
pertimbangan yangkuat pada proses sintesa bahan yang komersialisasi tinggi,
termasuk PZT (Ahda, 2013).
Penelitian bahan piezoelektrik khususnya PZT sudah pernah dilakukan pada
tahun 2013 oleh Ahda menggunakan metode solid state reaction pada komposisi
PbO : ZrO2 : TiO2 = 1 : 0,52 : 0,48 dengan variasi suhu 700oC, 800oC, 900oC,
1000oC, dan 1100oC. Sampel yang berbentuk pelet tersebut dianalisa
Universitas Sumatera Utara
menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) sehingga didapat hasil terbaik pada
sampel dengan suhu sintering 1000oC dengan struktur tetragonal perovskit.
Pada tahun 2014, Haprido melakukan penelitian dengan metode dan
komposisi bahan PZT yang sama, tetapi pada penelitian ini dilakukan peningkatan
tekanan kompaksi menjadi 49.210 N/m2. Penelitian ini tidak sebatas menganalisis
bahan sintesa, tetapi juga melakukan proses pemolingan untuk dapat
mengaplikasikan lebih lanjut bahan piezoelektrik. Sebelum proses pemolingan
dilakukan, PZT ditambahkan PVDF (Polyvinylidene Fluoride) terlebih dahulu
pada variasi massa 0,05 g, 0,07 g, 0,09 g, 0,11 g, dan 0,13 g. Sampel dipoling
dengan tegangan 2kV/mm dengan sumber tegangan tinggi dari mesin TV dan
dilengkapi dengan alat pemutus poling untuk menghindari terjadinya arus pendek.
Hasil pemolingan terbaik terdapat pada penambahan 0,05 g PVDF dengan nilai
konstanta piezoelektrik 45 x 10-12 C/N, sehingga dapat dikatakan semakin sedikit
massa PVDF yang ditambahkan akan meningkatkan nilai konstanta piezoelektrik.
Berdasarkan uraian di atas, penelitian ini dilakukan dengan metode padat
(solid state reaction) yang merupakan teknik yang sangat sederhana dan
pengerjaanya relatif mudah. PZT memiliki sifat yang mudah hancur saat
digunakan sebagai piezoelektrik, sehingga diperlukan material pendukung lain
yang ditambahkan untuk memperkuat PZT. Material ini diharapkan juga memiliki
sifat piezoelektrik, sehingga dengan tambahan bahan tersebut tidak mengganggu
atau merusak sifat piezoelektrik yang dimiliki PZT, bahkan juga bisa
meningkatkan energi yang dihasilkan. Material yang digunakan biasanya bersifat
sebagai perekat seperti PVDF (Haprido, 2014).
Karakterisasi sampel dilakukan saat proses sintesa selesai menggunakan XRD
yang bertujuan untuk mengidentifikasi struktur kristal dan karakterisasi BET
untuk mengetahui total volume pori dan diameter pori. Untuk dapat
mengaplikasikan bahan piezoelektrik PZT, bahan tersebut harus melalui proses
pemolingan yang bertujuan untuk menyearahkan momen dipol yang acak.
1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang sebelumnya, terdapat masalah yang akan
diteliti lebih lanjut, yaitu:
Universitas Sumatera Utara
1. Bagaimana proses sintesa bahan piezoelektrik PZT dengan menggunakan
metode solid state reaction ?
2. Bagaimana perbedaan pola difraksi sinar-x terhadap variasi tekanan
35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2 pada bahan piezoelektrik PZT ?
3. Bagaimana pengaruh penambahan PVDF terhadap bahan piezoelektrik
PZT pada proses pemolingan ?
1.3. Batasan Masalah
Penelitian ini membahas tentang sintesa PbZr0,52Ti0,48O3 pada variasi
tekanan 35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2 dengan metode padat (solid state reaction)
dan disintering pada suhu 9500C. Setelah itu, dilakukan karakterisasi dengan XRD
dan BET, piezoelektrik yang bagus akan digerus kembali dengan penambahan
fraksi gram PVDF 1,5% dan 2,5% untuk PZT tekanan 35.150 N/m2 dan 5% untuk
PZT tekanan 49.210 N/m2. Kemudian dilanjutkan dengan proses pemolingan
menggunakan sumber tegangan tinggi 12kV.
1.4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengidentifikasi dan menganalisis struktur kristal pada produk sintesa
PZT dengan metode solid state reaction.
2. Optimalisasi proses pemolingan bahan piezoelektik PZT dengan
penambahan PVDF dan pengujian hasil pemolingan menggunakan d33
meter.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan gambaran tentang
kondisi bahan piezoelektrik dari PZT sebagai penghasil tegangan dan juga dapat
meningkatkan sifat ferroelektrisitas dan piezoelektrisitas dengan penambahan
PVDF untuk meningkatkan sifat mekanik dalam pengaplikasian piezoelektrik
pada studi selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Ide dalam bidang material berkembang seiring perkembangan zaman yang
pesat. Ferroelektrik merupakan sifat dari suatu material yang mampu menarik
perhatian peneliti khususnya dalam bidang material (Li et al. 2001). Material
ferroelektrik mulai banyak dikembangkan untuk aplikasi baru dalam bidang
industri seperti pengembangan piezoelektrik (Donglin et al. 2001).
Piezoelektrik merupakan suatu material yang memiliki kemampuan jika
mendapatkan perlakuan tekanan akan menghasilkan tegangan listrik dan
sebaliknya jika diberi tegangan listrik akan menghasilkan perubahan bentuk.
Material ini dapat berbentuk keramik ataupun polimer (William, 2011). Di antara
bahan-bahan material tersebut, keramik merupakan bahan penghasil piezoelektrik
yang baik (Ahda & Mardiyanto, 2007).
Dewasa ini bahan piezoelektrik yang banyak digunakan adalah bahan PZT
karena memiliki beberapa sifat di antaranya kepiezoelektrik elektrisitasan,
stabilitas termal, dan sifat dielektrik yang sangat baik (Donnelly et al. 2008).
Salah satu pemanfaatan bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda
potensial listrik, sehingga banyak digunakan sebagai sumber tegangan.
Sehubungan dengan itu, aplikasinya sudah mulai digunakan di Jepang, tepatnya
di stasiun kereta api listrik East Japan Railway Company (JR East) sebagai
alternatif energi sistem ticketing, display keberangkatan, dan lampu penerangan
(Saputri, 2011). Pembangkit listrik piezoelektrik ini dapat diletakkan pada jalur
penumpang masuk-keluar, agar dapat diinjak yang akan memberikan efek
listriknya. Pengaplikasian piezoelektrik tersebut dimisalkan jika satu langkah
tekanan kaki yang dapat menyalakan lampu selama satu detik, maka dengan
sedikit perhitungan manajemen JR East Stationyakni bahwa dengan lantai yang
efektif diinjak sebesar 25 m2 maka akan menghasilkan daya yang cukup besar.
Energi ini dapat mengoperasikan penggunaan listrik pada stasiun kereta api,
Universitas Sumatera Utara
penerangan, penyuplai listrik pada alat perkantoran, dan lainnya. Seperti yang
terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 1.1. Loket Tiket Stasiun JR East Station (sumber: anonim)
Material piezoelektrik berbahan Lead Zirconium Titanate (PZT) yang
memiliki komposisi PbZrxTi1-xO3. PZT yang mengandung unsur timbal (Pb),
Zirconium (Zr), dan Titanium (Ti). PZT dengan struktur perovskit banyak
dikembangkan dalam pembuatan mikroelektrik karena memiliki keunggulan sifat
ferroelektrik dan piezoelektrik.
Ada beberapa metode yang telah dilakukan penelitian dalam mengsintesa
bahan keramik piezoelektrik di antaranya, menggunakan metode sol gel, hydro
thermal, molten salt, dan solid state reaction. Metode solid state reaction dalam
penyiapannya lebih mudah, karena diperlukan homogenisasi, penggerusan,
pemeletan, suhu sintering, dan lama pemanasan. Begitu juga dengan hasil produk
yang diperoleh lebih baik dari metode lainnya (sol gel dan hydro thermal), khusus
untuk bahan PZT menunjukkan kontaminan atau fasa baru yang relatif tidak ada.
Suatu hal penting adalah keterbatasan mendapatkan parameter sintesa menjadi
pertimbangan yangkuat pada proses sintesa bahan yang komersialisasi tinggi,
termasuk PZT (Ahda, 2013).
Penelitian bahan piezoelektrik khususnya PZT sudah pernah dilakukan pada
tahun 2013 oleh Ahda menggunakan metode solid state reaction pada komposisi
PbO : ZrO2 : TiO2 = 1 : 0,52 : 0,48 dengan variasi suhu 700oC, 800oC, 900oC,
1000oC, dan 1100oC. Sampel yang berbentuk pelet tersebut dianalisa
Universitas Sumatera Utara
menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) sehingga didapat hasil terbaik pada
sampel dengan suhu sintering 1000oC dengan struktur tetragonal perovskit.
Pada tahun 2014, Haprido melakukan penelitian dengan metode dan
komposisi bahan PZT yang sama, tetapi pada penelitian ini dilakukan peningkatan
tekanan kompaksi menjadi 49.210 N/m2. Penelitian ini tidak sebatas menganalisis
bahan sintesa, tetapi juga melakukan proses pemolingan untuk dapat
mengaplikasikan lebih lanjut bahan piezoelektrik. Sebelum proses pemolingan
dilakukan, PZT ditambahkan PVDF (Polyvinylidene Fluoride) terlebih dahulu
pada variasi massa 0,05 g, 0,07 g, 0,09 g, 0,11 g, dan 0,13 g. Sampel dipoling
dengan tegangan 2kV/mm dengan sumber tegangan tinggi dari mesin TV dan
dilengkapi dengan alat pemutus poling untuk menghindari terjadinya arus pendek.
Hasil pemolingan terbaik terdapat pada penambahan 0,05 g PVDF dengan nilai
konstanta piezoelektrik 45 x 10-12 C/N, sehingga dapat dikatakan semakin sedikit
massa PVDF yang ditambahkan akan meningkatkan nilai konstanta piezoelektrik.
Berdasarkan uraian di atas, penelitian ini dilakukan dengan metode padat
(solid state reaction) yang merupakan teknik yang sangat sederhana dan
pengerjaanya relatif mudah. PZT memiliki sifat yang mudah hancur saat
digunakan sebagai piezoelektrik, sehingga diperlukan material pendukung lain
yang ditambahkan untuk memperkuat PZT. Material ini diharapkan juga memiliki
sifat piezoelektrik, sehingga dengan tambahan bahan tersebut tidak mengganggu
atau merusak sifat piezoelektrik yang dimiliki PZT, bahkan juga bisa
meningkatkan energi yang dihasilkan. Material yang digunakan biasanya bersifat
sebagai perekat seperti PVDF (Haprido, 2014).
Karakterisasi sampel dilakukan saat proses sintesa selesai menggunakan XRD
yang bertujuan untuk mengidentifikasi struktur kristal dan karakterisasi BET
untuk mengetahui total volume pori dan diameter pori. Untuk dapat
mengaplikasikan bahan piezoelektrik PZT, bahan tersebut harus melalui proses
pemolingan yang bertujuan untuk menyearahkan momen dipol yang acak.
1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang sebelumnya, terdapat masalah yang akan
diteliti lebih lanjut, yaitu:
Universitas Sumatera Utara
1. Bagaimana proses sintesa bahan piezoelektrik PZT dengan menggunakan
metode solid state reaction ?
2. Bagaimana perbedaan pola difraksi sinar-x terhadap variasi tekanan
35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2 pada bahan piezoelektrik PZT ?
3. Bagaimana pengaruh penambahan PVDF terhadap bahan piezoelektrik
PZT pada proses pemolingan ?
1.3. Batasan Masalah
Penelitian ini membahas tentang sintesa PbZr0,52Ti0,48O3 pada variasi
tekanan 35.150 N/m2 dan 49.210 N/m2 dengan metode padat (solid state reaction)
dan disintering pada suhu 9500C. Setelah itu, dilakukan karakterisasi dengan XRD
dan BET, piezoelektrik yang bagus akan digerus kembali dengan penambahan
fraksi gram PVDF 1,5% dan 2,5% untuk PZT tekanan 35.150 N/m2 dan 5% untuk
PZT tekanan 49.210 N/m2. Kemudian dilanjutkan dengan proses pemolingan
menggunakan sumber tegangan tinggi 12kV.
1.4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengidentifikasi dan menganalisis struktur kristal pada produk sintesa
PZT dengan metode solid state reaction.
2. Optimalisasi proses pemolingan bahan piezoelektik PZT dengan
penambahan PVDF dan pengujian hasil pemolingan menggunakan d33
meter.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan gambaran tentang
kondisi bahan piezoelektrik dari PZT sebagai penghasil tegangan dan juga dapat
meningkatkan sifat ferroelektrisitas dan piezoelektrisitas dengan penambahan
PVDF untuk meningkatkan sifat mekanik dalam pengaplikasian piezoelektrik
pada studi selanjutnya.
Universitas Sumatera Utara