## FABRIKASI DAN KARAKTERISASI NANOGENERATOR BERBASIS NANOFIBER-NANOWIRE ZnO
Imam Sholahuddin 1 , M. Fahrur Rozy H. 1
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Jember 68121
Email: imam.teknik@unej.ac.id

## ABSTRACT
Fiber diffusion process when the fiber is still green on a plate collector and the thermal decomposition process followed by the formation of ZnO crystal nucleation has a very large role of the morphology of the final form of fiber products. Conversely, a positive result occurs in nanowire growth process. At the time of natural air pressure conditions and the presence of oxygen in the air in the process of sintering for 2 hours without using a catalyst, ZnO crystals can grow by itself (self-growth) into a nanowire. As a material nanogenerator, this situation provides an additional active area to excite the tap-off force into electrical voltage of up to 234.55 mV (2 μℓ / min).

## Keywords: nano fibers, nanowire, nanogenerator

## PENDAHULUAN
Bergesernya  tren  global  dalam  pemanfaatan sumber  energi  konvensional  yang  berasal  dari  fosil disebabkan  semakin  menipis  ketersediaannya  di  alam. Kondisi  tersebut  telah  mendorong  masyrakat  untuk mencari  berbagai  cara  alternatif  dalam  pengolahan  dan pemanfaatan  sumber  energi  terbarukan  yang  berasal dari energi angin, panas bumi, matahari, gerakan ombak laut,  aliran  air  serta  limbah  atau  sampah.  Bahkan sumber  energi  terkecil  dan  terdekat  yang  ada  disekitar manusia  seperti  energi  panas  tubuh,  gerakan  tubuh, getaran  residu  yang  dihasilkan  dari  gerakan-gerakan benda di lingkungan sekitar kini sudah mulai diteliti dan dimanfaatkan keberadaannya.
Hadirnya  teknologi  nano  menjadikan  proses konversi  energi  semakin  leluasa  untuk  menjangkau potensi-potensi  kecil  (nano)  energi  agar  dapat dikonversi  dan  digunakan  sebagai  potensi  sumber energi  alternatif  terbarukan.  Munculnya  istilah  baru nanogenerator  dalam  klasifikasi  sumber  energi  listrik yang  berasal  dari  proses  konversi  energi  mekanis  atau thermal dengan melibatkan skala nano material ataupun prosesnya  telah  dipopulerkan  oleh  Profesor  Wang  Z.L. berasal Georgia Insititute of Technology pada sekitaran tahun  2006.  Pemeran  utama  berkembangnya  penelitian nanogenerator  tidak  terlepas  dari  peran  material semikonduktor  yang  terus  mengalami  eksplorasi karakteristik  yang  semakin  beragam,  unik  dan  terus ditemukannya inovasi-inovasi baru hingga saat ini.
Seperti halnya sifat thermoelektrik, piezoelektrik maupun photoelektrik yang dapat dimunculkan  dari  satu  jenis  material  semikonduktor yaitu  Seng  oksida  (ZnO)  dalam  skala  nano  dengan bentuk  morfologi nanofilm,  serat  nano,  dan  nanowire [1]. Luasnya cakupan karakteristik material Seng oksida (ZnO)  menjadikan  daya  tarik  tersendiri  untuk  menjadi sebuah  objek  penelitian  yang  selalu  hangat  dan menarik.  Teknologi  pemanen  energi  khususnya  yang berbasis  piezoelektrik  telah  banyak  dipilih  dan
dikembangkan  menuju  fungsi  aplikatif  yang  lebih ringkas,  portabel  dan  fleksibel  [2].    Seperti  halnya keyboard,  pakaian,  dan  tekanan  tumit  pada  sepatu, dengan  adanya  pergerakan  tubuh  secara  mekanis dapat  dikonversi  menjadi  energi  listrik  dengan menempatkan material yang memiliki sifat piezoelektrik. Topik penelitian energi terbarukan khususnya  bidang  material  maju  penghasil  energi terbarukan masih sangat sedikit jumlahnya dibandingkan dengan ragam topik penelitian tentang energi  terbarukan  yang  ada  saat  ini.  Luaran  yang menjadi target penelitian ini yaitu prototype material piezoelektrik  ZnO  berbasis serat  nano-nanowire sebagai bahan utama pembuatan nanogenerator ZnO pengkonversi energi mekanis menjadi energi listrik. Produk  luaran  ini  diharapkan  akan  menjadi kontribusi yang positif untuk memperkaya perkembangan ilmu pengetahuan di Indonesia.

## TINJAUAN PUSTAKA
Morfologi  piezoelektrik  berbentuk  serat nano telah dapat diproduksi via electrospinning dan mulai  banyak  diteliti  karena  kemudahan  proses fabrikasi  dengan  biaya  yang  murah  [3].  Serat  nano ZnO  termasuk  dalam  kategori  serat nonwovens dengan  pola  jaringan  serat  acak  yang  memiliki susunan  bertumpuk  dan  berinteraksi  secara  natural saling  menahan  dan  mengikat.  Pola  tersebut menyebabkan daya serap energi mekanis yang lebih baik daripada material padat, dengan cara mendistribusikan gaya mekanis secara bertahap dari satu  serat  hingga  ke  serat  yang  terjauh  hingga mencapai  kegagalan  dalam  rentang  fungsi  waktu yang  panjang.  Energi  mekanis  yang  terjadi  pada jaringan  serat  menyebabkan  terjadinya  energi regangan-tegangan yang kemudian dikonversi menjadi energi listrik oleh material piezoelektrik.
Berdasarkan  penelitian  sebelumnya  terdapat pengaruh  yang  kuat  antara  laju  aliran  pada  proses penyemprotan  larutan  mesin electrospinning dengan diameter serat yang dihasilkan yaitu semakin besar laju aliran  maka  semakin  besar  nilai  diameter  serat. Demikian  pula  daya  listrik  yang  dihasilkan  linier terhadap ukuran serat yang semakin kecil akan semakin besar pula nilai daya listrik yang dapat dieksitasi. Akan menjadi  penelitian  yang  menarik  dengan  memperkecil ukuran  serat  nano  ZnO  disertai  penumbuhan nanowire dipermukaan  serat  sehingga  dapat  menghasilkan  daya listrik  yang  lebih  besar  dibandingkan  penelitian sebelumnya.

## Nanogenerator
Perkembangan  ini  telah  diprediksi  oleh Departemen  Energi  Amerika  Serikat  pada  tahun  1997, bahwa  sumber  energi  listrik  hasil  konversi  energi mekanis  telah  mengarah  pada  teknologi nanogenerator piezoelektrik  yang  ringkas  dan  portabel  dan  banyak dikembangkan  pada  saat  ini  [4]. Nanogenerator piezoelektrik  terus  mengalami  perkembangan  dengan basis  teknologi  nano  dan  telah  menghasilkan  puluhan paten khususnya pada material jenis seng oksida (ZnO). Beberapa  penelitian  terkini  diantaranya  adalah  ZnO nanowire sebagai  nanogenerator  mampu  menghasilkan tegangan puncak hingga 25 mV seperti yang dilaporkan oleh  Wang,  Z.  L.[5],  selain  itu  Fang,  T.  H., et.  al., dengan material ZnO:Al berbasis nanorods melaporkan hasil  penelitiannya  dengan  tegangan  puncak  hingga  60 mV.  Sedangkan  laporan  mengenai nanogenerator khusus berbasis serat nano telah dirangkum oleh Chang, et.  al., [6]  menyebutkan  bahwa  material  jenis  polimer PVDF  memiliki  nilai  eksitasi  yang  tinggi  sebesar  2,21 Volt, dimana untuk jenis serat nano ZnO belum banyak laporan penelitian mengenai unjuk kerjanya.
Dari  beberapa  percobaan  penelitian  yang pernah  dilakukan  terkait  dengan  pembuatan  serat  nano ZnO  dengan  menggunakan  teknologi electrospinning telah  memberikan  informasi  yang  cukup  mendukung dan  mudah  dipahami  sehingga  dapat  diterapkan  dalam penelitian serta percobaan di lapangan.
Electrospinning Serat nano dapat diperoleh dengan menggunakan mesin electrospinning melalui penyemprotan  larutan  yang  telah  diberi  muatan  listrik positif  (ujung  jarum/jet)  terhadap  pelat  kolektor  yang telah dihubungkan dengan listrik negatif.
Gambar 1. Peralatan electrospinning
Serat  nano  dihasilkan  dari  larutan  yang dipompa  keluar  dengan  kecepatan  tertentu  kemudian medan  elektrostatis  akan  menciptakan  kerucut  diujung
jarum,  ujung  kerucut  selanjutnya  tertarik  ke  pelat kolektor  dengan  tiga  tahapan  penting  yaitu pembentukan  kerucut,  penarikan  larutan  menjadi serat,  kemudian  semakin  mendekati  kerucut  terjadi ketidakstabilan dan terjadi spinning hingga mencapai pelat kolektor. Secara sederhana, peralatan electrospinning dapat dilihat pada gambar
1.
Sintering
Istilah  sinter  telah  umum  digunakan  untuk membuat  suatu  objek  dari  sebelumnya berbentuk serbuk  yang  berbasis  pada  proses  difusi  atomik. Difusi  terjadi  pada  saat  pemanasan  yang  biasanya dibawah  titik  didih,  kemudian  terjadi  fusi  atau penyatuan  hingga  terbentuk  material  solid.  Dalam proses  sintesa  suatu  material,  difusi  terjadi  seiring terjadinya  dekomposisi thermal materi  organik penyusun  material  awal  sebelum  pemanasan. Berdasarkan  hasil  penelitian  Park,  J.Y., et.  al .,  [7] diketahui  proses  dekomposisi  material  PVA/ZnAc terhadap  perubahan  suhu  selama  proses  sintering. Sebagian besar materi organik PVA dan asam asetat terdekomposisi  atau  hilang  pada  suhu  440 o C.    Juga dilaporkan  bahwa  setelah  temperature  mencapai 420 o C  tidak  terdapat  perubahan  berat  material  yang menunjukkan  kandungan  pelarut  dan  polimer  telah terdekomposisi  sepenuhnya  menjadi  fasa  ZnO. Perubahan  temperatur  yang  terjadi  pada  material saat  proses  sintering  mengakibatkan  perubahan tekanan  lingkungan  secara  alamiah.  Hal  ini berdampak  pada  saat  proses  inisiasi  nukleasi pembentukan akhir morfologi material ZnO. Bentuk kristal  ZnO  pada  umumnya  termasuk  dalam  grup fasa  hexagonal  yang  secara  natural  pertumbuhan ZnO  yang  terjadi  disepanjang  sumbu c lebih  cepat daripada sumbu a dan b yang dapat diakibatkan oleh perubahan temperatur dan tekanan lingkungan.
Proses penumbuhan nanowire diperkirakan mengikuti  arah  sumbu  c  pada  susunan  kristal  ZnO. Faktor  yang  menyebabkan  keadaan  ini  disebabkan oleh  tekanan  chamber,  tekanan  parsial  oksigen  dan ketebalan  katalis  yang  diberikan  pada  permukaan ZnO.  Berdasarkan  penelitian  Wang  Z.L.,  [5] ditemukan  bahwa  tekanan  oksigen  parsial  dan sistem  tekanan  total  memainkan  peranan  penting dalam pertumbuhan nanowire ZnO.

## METODOLOGI PENELITIAN
Larutan PVA (1:10 %wt) disiapkan terlebih dahulu  menggunakan  2  g  PVA  yang  dicampur dengan  20  g  H 2 O,  dihomogenisasi  dengan pengadukan  pada  suhu  70°C  selama  4  jam  dan didiamkan  pada  suhu  ruang  selama  8  jam. Kemudian larutan ZnAc diperoleh dengan pencampuran 2 g (CH 3 COO) 2 Zn.2H 2 O dan 8 g H 2 O yang  diaduk  selama  1  jam  dengan  suhu  70°C. Setelah itu larutan ZnAc dicampur dengan PVA (1:4 %wt)  dan  diaduk  pada  suhu  70°C  selama  8  jam, didiamkan pada suhu ruang selama 24 jam, sehingga dihasilkan larutan bening ZnAc/PVA yang disiapkan untuk mensintesa serat nano ZnO. Sintesa  serat  nano  menggunakan  mesin electrospinning (gambar 1) dengan cara Pompa Kolektor (+) (-)
15kV
memasukkan  masing-masing  larutan  ke  dalam  1  mL pompa  suntik.  Jarum  dihubungkan  dengan  terminal positif  dengan  jarak  8  cm  horisontal  terhadap  pelat kolektor  aluminium  yang  terhubung  dengan  terminal negatif dan tegangan tinggi yang diterapkan sebesar 15 kV.    Pada  saat  tegangan  tinggi  dihidupkan  dan  larutan mulai  didorong  keluar  dengan  variasi  laju  aliran  1-  6  L/menit, larutan akan tertarik oleh medan elektrostatis dan  menempel  dengan  sendirinya  dipermukaan  pelat kolektor  menjadi green  fibers .  Selanjutnya  disintering dengan  suhu  600°C  untuk  menghilangkan  materi organik karena diatas suhu 440°C sudah terdekomposisi seluruhnya  [8]  dan  yang  tersisa  hanyalah  serat  nano ZnO.  Proses  penumbuhan nanowire diamati  dengan melakukan variasi waktu sintering selama 2, 4, 6 dan 8 jam. Karakterisasi morfologi dan kristalinitas serat nano ZnO diperoleh dengan pengujian SEM dan XRD.
Selanjutnya  kemampuan  piezoelektrik  untuk menghasilkan energi diukur dengan membaca perubahan  tegangan  secara  langsung  ( realtime )  dengan penerapan beban tekan-lepas  sebesar 0,5 kgf. Peralatan yang  digunakan  adalah  akuisisi  data  merek  ADAM Advantech seri 4018. Besarnya beban 0,5 kgf dilakukan untuk  mewakili kondisi  terapan tekanan jari lemah  [9]. Unjuk  kerja  piezoelektrik  dapat  dicari  berdasarkan besarnya  perubahan  tegangan  (Volt)  yang  dihasilkan oleh nanogenerator piezoelektrik ZnO.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  2.  Hasil  Pengujian  SEM  pada  sampel  serat nano ZnO 2 µℓ/mnt
Gambar  3.  Hasil  Pengujian  SEM  pada  sampel  serat nano ZnO 4 µℓ/mnt
Gambar  4.  Hasil  Pengujian  SEM  pada  sampel  serat nano ZnO 6 µℓ/mnt
Gambar  5.  Unjuk  kerja  tegangan  keluaran  (mV) dengan pemberian beban tekan-lepas sebesar 0,5 kg.
Serat  nano  yang  dibuat  menggunakan  proses electrospinning
telah berhasil dilakukan.
Berdasarkan  gambar  2,  3,  dan  4,  hasil  pengujian morfologi  menggunakan  SEM  dapat  dilihat  bahwa ukuran  serat  nano  yang  dihasilkan  homogenitasnya rendah,  terlihat  saling  bertumpuk  dan  beberapa diantaranya menyatu dengan serat yang lain dengan kisaran  ukuran  90  –  500  nm.  Berbeda  dengan nanowire  yang  tumbuh  di  permukaan  serat  dan terlihat  kontras  dengan  ukuran  yang  memiliki keseragaman pada diameternya sebesar 66 – 98 nm, dan  tingginya  berada  pada  kisaran  400  -  800  nm. Sedangkan  unjuk  kerja  sampel  uji  serat  nano- nanowire ZnO  sebagai nanogenerator pada  gambar 5  menghasilkan  angka  tegangan  puncak  sebesar 146,77  mV  (sampel  c),  175,1  mV  (sampel  b),  dan 234,55  mV  (sampel  a).  Pada  saat  pelepasan  beban tekan  selama  >1  detik,  serat  nano- nanowire ZnO mampu  menahan  tegangan  keluaran  hingga  50% dari tegangan puncak  yang dihasilkan dan  memiliki nilai  yang  stabil  dan  seragam  pada  saat  proses pemberian beban tekan sebesar 0,5 kg.
Pengaruh  variasi  laju  aliran  terhadap diameter serat tidak dapat terlihat dengan jelas pada gambar  5.  Hal  ini  disebabkan  oleh  adanya  difusi antar  serat  pada  saat  proses  electrospinning  seperti
serat nano
nanowire
serat nano nanowire
pembentukan  green  fiber  pada  pelat  kolektor  tidak sepenuhnya  kering,  saling  bertumpuk  dan  diantarnya saling  menyatu.  Sehingga  lebih  nampak  berbentuk gumpalan  dan  sedikit  sekali  yang  nampak  utuh  dalam bentuk  serat.  Selain  permasalahan  diatas  proses sintering  juga  menentukan  terjadinya  difusi  serat, karena  pada  saat  terjadi  pembentukan  nukleasi  dan penumbuhan  kristal  ZnO  beberapa  diantaranya  saling berdifusi. Keadaan yang berbeda terjadi pada morfologi nanowire yang tumbuh dipermukaan serat, tampak jelas dengan  bentuk  yang  hampir  seragam  dengan  panjang nanowire  antara  400  –  800  nm,  dengan  diameter  66  – 167  nm.  Keseragaman  ini  disebabkan  oleh  lama  waktu sintering  yang  sama,  sehingga  nilai  tekanan  chamber dan  tekanan  parsial  oksigen  atau  udara  secara  alamiah yang  diberikan  pada  permukaan  ZnO  juga  sama. Dimana  menurut  [5]  tekanan  chamber  dan  tekanan parsial oksigen  memiliki peranan penting dalam proses penumbuhan nanowire meskipun  pada  penelitian  ini dilakukan  tanpa  menggunakan  katalis  sebagai  pemicu terjadinya  pertumbuhan.  Sehingga  rekayasa  material penumbuhan nanowire ZnO  semakin  mudah  untuk dilakukan dengan cara self-growth . Unjuk  kerja  serat  nano- nanowire sebagai nanogenerator  ZnO  menunjukkan  perilaku  yang menarik.  Dengan  pemberian  beban  tekan-lepas  sebesar 0,5  kg,  semakin  kecil  laju  aliran  penyemprotan  larutan nilai  tegangan  keluaran  (mV)  semakin  tinggi.  Hal disebabkan  oleh  hubungan  tidak  langsung  antara  laju aliran  penyemprotan  dengan  luasan  aktif  serat  nano- nanowire, dimana  semakin  besar  laju  aliran  semakin tinggi nilai tegangan keluaran dengan rangkaian terbuka (V oc ) hingga 234,55 mV (2 µℓ/mnt). Hal ini disebabkan jumlah serat nano- nanowire yang dihasilkan dalam satu luasan  semakin  besar  dengan  semakin  kecilnya  laju aliran electrospinning .

## KESIMPULAN
Beberapa sumber bacaan memberikan informasi yang cukup akurat mengenai pengaruh antara laju aliran penyemprotan larutan terhadap dimensi serat yang dihasilkan,  semakin lambat laju aliran  maka akan menghasilkan serat nano yang berukuran semakin kecil. Berbeda  dengan  hasil  penelitian  ini,  ternyata  beberapa faktor proses fabrikasi serat akan banyak mempengaruhi morfologi produk akhir serat. Kemungkinan terjadinya difusi serat pada kondisi masih green  fiber pada  pelat  kolektor  dan  saat  proses dekomposisi thermal yang diikuti dengan pembentukan nukleasi  kristal  ZnO  memiliki  peranan  yang  sangat besar.  Sehingga  bentuk  morfologi  serat  tidak  terlalu kontras  dan  hanya  terlihat  seperti  gumpalan  serat  yang menyatu.  Namun  hasil  yang  cukup  positif  terjadi  pada proses  penumbuhan nanowire .  Tekanan  udara  alamiah serta  keberadaan  oksigen  pada  udara  bebas  pada  saat
sintering  dengan  waktu  yang  cukup  lama,  tanpa menggunakan katalis dapat memberikan kesempatan beberapa  kristal  ZnO  untuk  tumbuh  dengan sendirinya ( self-growth )  menjadi nanowire . Sebagai material  nanogenerator,  keadaan  ini  memberikan tambahan  luasan  aktif  untuk  mengeksitasi  gaya tekan-lepas menjadi tegangan listrik dalam miliVolt. Semakin  lambat  laju  aliran  penyemprotan  larutan menjadi  serat,  maka  luasan  aktif  nanogenerator semakin  besar  dan  tegangan  lsitrik  yang  dihasilkan juga semakin besar. Sehingga akan  menjadi potensi yang  cukup  menarik  material  ZnO  berbasis  serat nano- nanowire menjadi  prototype  nanogenerator dengan aplikasi yang lebih luas.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Wang,  Z.  L.  2008. Towards  Self-Powered
Nanosystems: From Nanogenerators to Nanopiezotronics . Advanced Functional Materials. 18(22). 3553-3567.
[2] Rodig, T., A. Schonecker, dan G. Gerlach. 2010. A  Survey  on  Piezoelectric  Ceramics  for Generator Applications . Journal of the American Ceramic Society. 93(4). 901-912.
[3] Park, J.-a., J. Moon, S.-j. Lee, S.-c. Lim, dan T. Zyung.  2009. Fabrication  and  Characterization of  ZnO  Nanofibers  by  Electrospinning .  Current Applied Physics. 9(3). S210-S212.
[4] Fry,  D.  N.,  D.  E.  Holcomb,  J.  K.  Munro,  L.  C. Oakes,  dan  M.  J.  Matson.  (1997).  Compact Portable  Electric  Power  Source.  Oak  Ridge laboratory.
[5]  Wang,  Z.  L.  2008. Towards  Self-Powered Nanosystems: From Nanogenerators to Nanopiezotronics . Advanced Functional Materials. 18(22). 3553-3567.
[6] Chang,  J.,  M.  Dommer,  C.  Chang,  dan  L.  Lin. 2012. Piezoelectric  Nanofibers  for  Energy Scavenging  Applications .  Nano  Energy. 1(3). 356-371.
[7] Park,  J.  Y.,  dan  S.  S.  Kim.  2009. Growth  of Nanograins  in  Electrospun  ZnO  Serat  nanos .  J. Am. Ceramic. Soc. 92(8). 1691-1694.
[8] Yang, X., C. Shao, H. Guan, X. Li, dan J. Gong. 2004. Preparation  and  Characterization  of  ZnO Nanofibers  by  using  Electrospun  PVA/zinc acetate Composite Fiber as Precursor . Inorganic Chemistry Communication. 7. 176-178
[9] Choi, D., K. Y. Lee, K. H. Lee, E. S. Kim, T. S. Kim, S. Y. Lee, et al. 2010. PiezoelectricTouch- SensitiveFlexible  Hybrid  Energy  Harvesting Nanoarchitectures .  Nanotechnology. 21(40).
405503