## PENGARUH VARIASI MATERIAL ALUMUNIUM TERHADAP UNJUK KERJA NANOGENERATOR PIEZOELEKTRIK DENGAN MATERIAL SENG OKSIDA
Lukman Nulhakim Program Studi Teknik Mesin Politeknik Enjinering Indorama Email: lukman.mesin@gmail.com

## ABSTRAK
Teknologi  mengubah energi  mekanik  menjadi energi listrik disebut piezoelektrik. Dimana  material yang  digunakan  mempunyai  bentuk  kristal  non-sentrosimetris  dengan  ukuran  nano  berbentuk  serat. Metode yang digunakan yaitu metode elektrospining, dimana membuat serat dengan ukuran nano dengan menggunakan tegangan sebesar 15 kV dengan laju aliran 2 µl/m. Penelitian ini menggunakan variasi 3, 5 dan  7  %  Al  dari  berat  total  ZnAc-AlCl 3 .  Variasi  penambahan  Al  terhadap  ZnO  dapat  mempengaruhi ukuran  serat  serta  daya  dan  tegangan  yang  dihasilkan nanogenerator piezoelektrik.  Ukuran  serat  yang dihasilkan hingga 84 nm pada penambahan 7 % Al serta tegangan dan daya terbesar yaitu sebesar 122,89 mV dan 93,65 nW pada 7 % Al.
Kata kunci: nanogenerator , elektrospinning, ZnO, aluminium, piezoelektrik.

## ABSTRACT
Technology converts mechanical energy into electrical energy is piezoelectric.  Where the material used has a non - crystalline form centrosymetris with the size of nano-shaped fibers. The method used is the method of electrospinning, which create a letter with the nano-size by using a voltage of 15 kV with a flow  rate  of  2 µl/m. This  study  used  several  variations  of 3,  5 and 7  %  Al of  the  total  weight ZnAc  - AlCl 3 . Variations  addition  of Al to ZnO can  affect  the  size  of  the  fiber  as  well  as  power  and  voltage produced by the piezoelectric nanogenerator. The resulting fiber size up to 84 nm on the addition of 7 % Al, and the voltage and the greatest power in the amount of 122,89 mV and 93,65 nW/cm 2 at 7 % Al.
Keywords: nanogenerator , electrospinning , ZnO, aluminium, piezoelectric .

## 1. PENDAHULUAN
Efek  piezoelektrik  dimanfaatkan  untuk  mengubah  energi  mekanik  menjadi  energi  listrik  dengan memberi beban pada suatu material tertentu yang mempunyai bentuk kristal non-sentrosimetris [1]. ZnO merupakan material dasar yang menarik untuk diteliti, karena material tersebut mempunyai bentuk kristal non-sentrosimetris sehingga dapat digunakan sebagai material piezoelektrik.
Elektrospinning  merupakan  metode  untuk  membuat  material  piezoelektrik  berbasis  serat  nano, dimana  biaya  yang  dibutuhkan  dengan  metode  ini  cukup  terjangkau  [2].  Ukuran  serat  yang  dihasilkan dalam  proses  elektrospinning  lebih  besar  dikarenakan  pengaruh  dari  laju  aliran  prekursor  yang  lebih besar.
Penelitian  dilakukan  tentang  penggunaan  material  ZnO  berbasis nanowire sebagai nanogenerator telah  menghasilkan  tegangan  sampai  25  mV  [3].  Penelitian  lain  tentang  material  ZnO  yang  didoping dengan Aluminium (Al) berbasis nanorods dapat menghasilkan tegangan hingga 60 mV [4].
Penelitian  ini  akan  mempelajari  metode  perbaikan  unjuk  kerja nanogenerator ZnO  dengan penambahan  material  lain  ( dopant ),  yaitu  alumunium  (Al)  yang  berasal  dari  material  AlCl 3 .  Pemilihan material  Al karena dapat  memperkecil  serat  ZnO [5]. Maka  menarik  untuk dilakukan  penelitian tentang penambahan  material  Al  sebagai doping dengan  material  ZnO  sehingga  hasil  yang  diharapkan  ukuran serat mengecil dan unjuk kerja dari material piezoelektrik meningkat.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Proses pengadukan serbuk PVA dicampur dengan H 2 O (1:10%wt) pada temperatur 70 °C selama 4 jam  dan  didiamkan  pada  temperatur  ruang  selama  8  jam.  Kemudian  larutan  ZnAc:AlCl 3 (1:5%wt) diperoleh dengan variasi penambahan campuran AlCl 3 sebesar 3, 5 dan 7 %, dari berat total yaitu masing- masing  4  g  pada  20  g  H 2 O  yang  diaduk  dengan  temperatur  70  °C  selama  1  jam.  Setelah  itu  larutan
ZnAc:AlCl 3 masing-masing dicampur dengan  larutan PVA (1:4%wt) dan diaduk pada  temperatur 70 °C selama  8  jam,  didiamkan  pada  temperatur  ruang  selama  24  jam,  sehingga  dihasilkan  3  larutan  bening ZnAc:AlCl 3 :PVA yang disiapkan untuk mensintesa serat nano.

## Gambar 1. Mesin elektrospinning horisontal [6]
Larutan  bening  ZnAc:AlCl 3 :PVA  dimasukkan  ke  dalam  1  ml  pompa  suntik  untuk  menghasilkan sintesa serat nano  dengan  menggunakan  mesin elektrospinning (Gambar  1). Jarum dihubungkan dengan terminal positif dengan jarak 8 cm horisontal terhadap pelat kolektor aluminium yang terhubung dengan terminal negatif, sedangkan tegangan tinggi DC yang digunakan sebesar 15 kV.
Pada  saat  tegangan  tinggi  dihidupkan  dan  larutan  yang  ada  didalam  pompa  suntik  mulai  didorong keluar dengan laju aliran 2 μl/menit, larutan akan tertarik oleh medan elektrostatis dan menempel dengan sendirinya  pada  permukaan  pelat  kolektor  aluminium  dengan  ukuran  6  x  6  cm  menjadi green  fibers . Selanjutnya untuk menghilangkan materi organik seperti PVA dilakukan sintering dengan temperatur 500 °C selama 4 jam, karena PVA diatas temperatur 440 °C sudah terdekomposisi seluruhnya dan yang tersisa hanyalah serat nano [7].
Kemampuan  unjuk  kerja  piezoelektrik  untuk  menghasilkan  energi  listrik  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. Pemilihan beban 0,5 kgf dilakukan untuk mewakili kondisi terapan tekanan jari lemah [8].
Unjuk  kerja  piezoelektrik  dapat  dicari  berdasarkan  besarnya  daya  (Watt)  yang  dihasilkan  dengan memberikan  variasi  beban  tahanan  (Ω).  Peralatan  untuk  mengakuisisi  data  perubahan  tegangan  (Volt) yang  dihasilkan  oleh  masing-masing nanogenerator piezoelektrik  ZnO doping Al  (Al-ZnO),  selain  itu juga dilakukan pengujian karakterisasi morfologi serat nano diperoleh dengan pengujian SEM.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pengujian SEM
Pengujian  SEM  untuk  material  ZnO doping Al  dilakukan  pada  pembesaran  50.000  X.  Foto  SEM material  ZnO  yang  didoping  Al  terlihat  pada  Gambar  2,  dimana  semakin  besar doping Al  semakin mengecil serat nano yang dihasilkan.
Gambar 2. a). Foto SEM ZnO dengan 3 % Al; b). Foto SEM ZnO dengan 5 % Al; dan c). Foto SEM ZnO dengan 7 % Al.
Kutub positif Kutub negatif Pelat kolektor aluminiu m
Generator tegangan tinggi DC (15 kV) Pompa suntik (1 ml) Motor untuk pompa suntik Kendali untuk pompa suntik A B C
Diameter  serat  dari  ZnO doping Al  yang  dihasilkan  disajikan  pada  tabel  1.  Semakin  besar  jumlah doping Al semakin kecil serat yang dihasilkan dan serat yang terbentuk beberapa masih saling bergabung. Ukuran serat ZnO yang dihasilkan pada saat pendopingan Al antara 84-105 nm. Hal ini disebabkan pada saat proses elektrospinning, larutan yang mengandung AlCl 3 mempunyai konduktivitas listrik yang lebih tinggi. Gelembung larutan dengan konduktivitas listrik tinggi yang keluar dari syringe pump lebih mudah ditarik oleh medan elektrostatik, sehingga ukuran dari serat yang dihasilkan lebih kecil.
Tabel 1. Diameter serat nano ZnO dengan pendopingan Al
Jenis Doping Diameter serat Rasio jumlah doping (%) 3 5 7 AlCl 3 Maksimum (nm) 141 137 130 Minimum (nm) 65 55 52 Rata-rata (nm) 105 86 84

## 3.2 Pengujian Unjuk Kerja Nanogenerator Piezoelektrik
Pengujian unjuk kerja nanogenerator dilakukan dengan penerapan beban tekan-lepas sebesar 0,5 kg setiap 3 detik per siklus. Pengujian dilakukan dengan pengamatan terhadap perubahan tegangan keluaran (mV)  dan  daya  keluaran  (nW)  dengan  beberapa  variasi  hambatan  (MΩ).  Grafik  hasil  pengujian  unjuk kerja nanogenerator piezoelektrik  berbasis  Al-ZnO  disajikan  pada  gambar  3  dan  gambar  4.  Besarnya daya dan tegangan maksimum yang dihasilkan nanogenerator piezoelektrik berbasis Al-ZnO dapat dilihat pada tabel 2 dan tabel 3.
Gambar 3. Grafik tegangan dari nanogenerator piezoelektrik Al-ZnO
Gambar 4. Grafik daya dari nanogenerator piezoelektrik Al-ZnO
Tabel 2. Tegangan hasil pada nanogenerator piezoelektrik Al-ZnO
Pengukuran Unjuk Kerja Hambatan (MΩ) Doping (%) 3 5 7 Tegangan (mV) 0 0,00 0,00 0,00 0,001 1,22 1,33 2,89 0,005 2,98 3,66 8,46 0,01 12,98 19,42 23,11 0,05 31,20 44,96 57,96 0,1 55,28 70,49 97,54 0,5 60,09 73,45 105,94 1 73,30 87,63 114,17 2 78,28 90,94 117,07 3 78,50 92,79 118,87 4 81,15 93,42 119,04 5 83,93 94,08 119,77 6 88,20 96,35 119,93 7 89,20 100,06 120,09 8 90,07 101,74 120,43 9 91,76 104,33 120,65 10 92,39 109,47 122,89
Tabel 3. Daya hasil pada nanogenerator piezoelektrik Al-ZnO
Pengukuran Unjuk Kerja Hambatan (MΩ) Doping (%) 3 5 7 Daya (nW) 0 0,00 0,00 0,00 0,001 2,15 4,67 9,43 0,005 2,72 6,40 14,15 0,01 37,35 45,81 58,40 0,05 42,93 54,70 68,73 0,1 49,65 63,71 93,65 0,5 10,64 15,02 22,30 1 7,69 10,32 12,67 2 4,12 5,00 6,69 3 2,86 3,40 4,58 4 2,19 3,03 3,51 5 1,71 2,02 2,84 6 1,53 2,01 2,36 7 1,42 1,87 2,01 8 1,29 1,60 1,80 9 1,18 1,42 1,70 10 1,17 1,43 1,60
Material  piezo  adalah  material  yang  jika  diberi  beban  dapat  mengeluarkan  listrik.  Pada  saat pembebanan kontinu sebesar 0,5 kg, tegangan yang dikeluarkan oleh serat Al-ZnO tergantung dari beban tahanan  yang diberikan. Pada pembebanan  0 M  sampai  1 M  terjadi peningkatan tegangan dan daya, tetapi  setelah  1  M  besarnya  tegangan  yang  dihasilkan  oleh  masing-masing nanogenerator hanya mengalami  peningkatan  yang  kecil  atau  hampir  dikatakan  stabil.  Daya  yang  dihasilkan  setelah pembebanan 1 M  terjadi penurunan yang sangat signifikan. Pada doping 7  %  Al,  tegangan  yang  dihasilkan  meningkat  dibandingkan  yang  dihasilkan  oleh nanogenerator ZnO  dengan doping 3  dan  5  %  Al.  Tegangan  keluaran  maksimum  dari nanogenerator piezoelektrik  berbasis  ZnO  yang  didoping  7  %  Al  adalah  122,89  mV.  Dibanding  dengan  penelitian sebelumnya  yang  menggunakan  piezoelektrik  dengan  lapisan  tipis  ZnO  mampu  menghasilkan  tegangan kurang dari 20 mV pada pembebanan kurang dari 0,4 kg dan kurang dari 60 mV pada pembebanan antara 0,4 kg sampai 1 kg [8]. Nilai daya keluaran maksimum dari nanogenerator berbasis ZnO yang di doping dengan 7 % Al juga meningkat sampai 93,65 nW/cm 2 . Hasil ini masih lebih tinggi dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya, yaitu 38.8 nW/cm² [6].

## 4. KESIMPULAN
Nanogenerator piezoelektrik doping 7  %  Al  pada  ZnO  mampu  meningkatkan  daya  sebesar  93,65 nW dan tegangan sebesar 122,89 mV. Selain itu dengan adanya doping Al pada ZnO dapat memperkecil serat nano hingga 84 nm, dimana semakin besar doping Al menyebabkan serat nano semakin kecil serta daya dan tegangan yang dihasilkan semakin besar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Haertling, G.H., 1999, Ferroelectric Ceramics: History and Technology , pp. 797-818.
[2] He,  J.-H.,  Liu,  Y.,  Mo,  L.-F.,  Wan,  Y.-Q.,  and  Xu,  L.,  2008, Electrospun  Nanofibres  and  Their Applications .
[3] Wang, Z.L., Wang, X., Song, J., Liu, J., and Gao, Y., 2008, Piezoelectric Nanogenerators for Self- Powered Nanodevices , Vol 7.
[4] Fang,  T.-H.,  and  Kang,  S.-H.,  2010, Physical  Properties  of  ZnO:Al  Nanorods  for  Piezoelectric Nanogenerator Application, Current Nanoscience, Vol. 6, pp 1-7.
[5] Lee,  D.Y.,  Cho,  J.E.,  Cho,  N.I.,  Lee,  M.H.,  Lee,  S.J.,  and  Kim,  B.Y.,  2008,  Characterization  of Electrospun Aluminium-Doped Zinc Oxide Nanofibers, Thin Solid Film, Vol. 517 pp. 1262-1267.
[6] Sholahuddin, I., 2013, Fabrikasi Nanogenerator Zno Dan AZO Berbasis Serat Nano Dengan Metode Elektrospinning.
[7] Yang, X., Shao, C., Guan, H., Li, X., and Gong, J., 2004, Preparation and Characterization of ZnO Nanofibers  by  Using  Electrospun  PVA/Zinc  Acetate  Composite  Fiber  as  Precursor,  Inorganic Chemistry Communications, Vol. 7 pp. 176-178.
[8] Choi, D., Lee, K.Y., Lee, K.H., Kim, E.S., Kim, T.S., Lee, S.Y., et al., 2010, Piezoelectric Touch- Sensitive Flexible Hybrid Energy Harvesting Nanoarchitectures, Nanotechnology, Vol. 21 (40), pp. 405503.