## KARAKTERISTIK NANOGENERATOR PIEZOELEKTRIK ZnO DOPING
Co 3 O 4

## Lukman Nulhakim
Program Studi Teknik Mesin Politeknik Enjinering Indorama Email: lukman.mesin@gmail.com

## ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan unjuk kerja nanogenerator piezoelektrik berbasis ZnO. Metode  yang  digunakan  untuk  membuat  serat  ukuran  nano  yaitu  metode  elektrospinning,  dimana menggunakan tegangan sebesar 15 kV dan laju aliran 2 µl/m. Penelitian ini menggunakan variasi doping 1, 2 dan 3 % kobalt oksida (Co 3 O 4 ) dari berat total  CoAc-ZnAc.  Ukuran serat, daya dan tegangan  yang dihasilkan nanogenerator piezoelektrik  dipengaruhi  oleh  variasi doping Co 3 O 4 terhadap  ZnO.  Semakin besar doping kobalt  oksida  semakin  besar  tegangan  dan  daya  yang  dihasilkan.  Pada doping 3  %  Co 3 O 4 dihasilkan ukuran serat nano mencapai 71 nm, tegangan 181,33 mV dan daya 63,71 nW.
Kata kunci: Co 3 O 4 , ZnO, elektrospinning, nanogenerator , piezoelektrik.

## ABSTRACT
The  purpose  of  this  research  is  to  improve  the  performance  of  ZnO-based  piezoelectric nanogenerators.  The  method  used  to  make  nano-size  fiber  was  electrospinning  method,  which  uses  a voltage of 15 kV and flow rate of 2 μl / m. This study identified variations of doping of 1, 2 and 3% cobalt oxide  (Co 3 O 4 )  of  total  weight  CoAc-ZnAc.  The  size  of  the  fiber,  power  and  voltage  generated  by piezoelectric nanogenerators was affected by the Co 3 O 4 doping variation of ZnO. The larger the cobalt oxide  doping  the  greater  the voltage  and  power  generated.  In  doping  3%  Co 3 O 4 ,  the  size  of  nano  fiber reached 71 nm, voltage 181,33 mV and power 63,71 nW.
Keywords: Co 3 O 4 , ZnO, electrospinning, nanogenerator , piezoelectric .

## 1. PENDAHULUAN
Piezoelektrik  merupakan  teknologi  mengubah  energi  mekanik  menjadi  energi  listrik.  Piezoelektrik terjadi dikarenakan  materialnya  mempunyai bentuk kristal non-sentrosimetris [1]. ZnO merupakan salah satu material yang mempunyai bentuk  kristal non-sentrosimetris. Material ZnO mempunyai karakteristik yang sesuai diterapkan pada nanogenerator piezoelektrik selain itu juga harganya yang relatif murah [2]. Metode  elektrospinning  dipilih  untuk  menghasilkan  serat  ukuran  nano  yang  sebagai  penghasil  energi piezoelektrik [3].
Beberapa penelitian tentang nanogenerator dengan menggunakan material ZnO berbentuk nanowire telah  menghasilkan  tegangan  25  mV  [4]. Penelitian  lain  tentang  material  ZnO  berbentuk nanorods menggunakan doping Aluminium (Al) dapat menghasilkan tegangan 60 mV [5]. Penelitian tentang ZnO dengan  doping  Aluminium  yang  berbentuk nanofiber mampu  menghasilkan  daya  sampai  38.8  nW  [6]. Penelitian lain  tentang nanogenerator ZnO doping dengan  kobalt oksida (Co 3 O 4 )  mampu  meningkatkan nilai modulus elastisitas dari 106 MPa menjadi 217 MPa [7].

## Gambar 1. Grafik Tegangan Dan Regangan ZnAc Dan CoAc [7]
Penelitian  ini  dilakukan  untuk  memperbaiki  sifat  mekanis  serat  nanogenerator  piezoelektrik  ZnO dengan doping kobalt oksida (Co 3 O 4 ), material ini dihasilkan dari material CoAc. Pemilihan material Co 3 O 4 sebagai doping  dapat  meningkatkan sifat  mekanis sehingga mampu  meningkatkan  nilai regangan terlhat pada gambar 1, diharapkan dengan nilai regangan yang meningkat dapat meningkatkan tegangan dan daya keluar pada saat pembebanan .

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Serbuk PVA dicampur H 2 O dengan perbandingan 1:10% wt, diaduk selama 4 jam pada temperatur 70 °C  dan  didiamkan  pada  temperatur  ruang  selama  8  jam.  Setelah  itu  larutan  CoAc:ZnAc  dengan perbandingan 1:5% wt didapatkan dengan beberapa variasi doping CoAc sebesar 1, 2 dan 3 % dari berat total serbuk CoAc dan ZnAc  yaitu  masing-masing 4 g  dicampur dengan 20 g H 2 O diaduk  selama 1 jam pada temperatur 70 °C. Larutan CoAc:ZnAc dengan beberapa variasi dicampur lagi dengan larutan PVA perbandingan 1:4% wt dan diaduk selama 8 jam pada temperatur 70 °C, lalu didiamkan selama 24 jam pada temperatur ruang, maka dihasilkan 3 larutan bening CoAc:ZnAc:PVA yang siap untuk proses pembuatan serat nano.

## Gambar 2. Mesin elektrospinning [8]
Larutan CoAc:ZnAc:PVA dengan variasi 3, 5 dan 7 % CoAc masing-masing dimasukkan ke dalam 1 ml  pompa  suntik  untuk  disintesa  dengan  menggunakan  mesin  elektrospinning  agar  menghasilkan  serat ukuran nano (gambar 2). Dengan menggunakan tegangan tinggi DC sebesar 15 kV, dimana terminal positif dihubungkan dengan jarum pompa suntik pada jarak 8 cm horisontal terhadap pelat kolektor aluminium yang terhubung pada terminal negatif.
Larutan yang ada didalam pompa suntik mulai didorong keluar dengan laju aliran 2 μl/menit dengan bersamaan tegangan tinggi DC dihidupkan, larutan akan tertarik oleh medan elektrostatis dan menempel dengan sendirinya pada permukaan pelat kolektor aluminium dengan ukuran 6 x 6 cm menjadi green fibers . Setelah  itu  untuk  menghasilkan  serat  nano  dilakukan  sintering  dengan  temperatur  500  °C  selama  4  jam untuk menghilangkan materi organik diantaranya PVA, karena materi organik tersebut diatas temperatur 440 °C sudah terdekomposisi seluruhnya [9].
Mengetahui kemampuan unjuk kerja piezoelektrik dilakukan penerapan beban tekan-lepas sebesar 0,5 kgf untuk mewakili kondisi terapan tekanan jari lemah [10]. Perubahan tegangan secara langsung ( realtime ) untuk  menghasilkan  energi  listrik.  Alat  yang  digunakan  untuk  membaca  perubahan  tegangan  secara langsung yaitu akuisisi data merek ADAM Advantech seri 4018. Tegangan  ( Volt )  dan daya  ( Watt )  yang  dihasilkan nanogenerator piezoelektrik  Co 3 O 4 -ZnO  dengan menggunakan  beberapa  variasi  beban  tahanan  (Ω)  untuk  mengetahui  unjuk  kerja nanogenerator piezoelektrik doping Co 3 O 4 berbasis ZnO. Pengujian SEM juga dilakukan untuk mengetahui ukuran serat nano Co 3 O 4 -ZnO yang dihasilkan dari proses elektrospinning dan sintering pada temperatur 500 o C.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pengujian SEM
Pengujian  SEM  dilakukan  untuk  mengetahui  serat  nano  material  ZnO doping Co 3 O 4 dengan pembesaran  50.000  X.  Foto  SEM  material  ZnO  yang  didoping  Co 3 O 4 terlihat  pada  gambar  3,  dimana semakin besar doping Co 3 O 4 pada ZnO semakin kecil serat nano yang dihasilkan dan serat yang terbentuk beberapa masih saling menyatu.
Tabel 1 menunjukan hasil diameter serat dari ZnO doping Co 3 O 4 . Semakin besar jumlah doping Co 3 O 4 semakin kecil serat yang dihasilkan.  Ukuran serat ZnO terkecil pada doping 3 % Co 3 O 4 yang dihasilkan antara 71-141 nm dengan rata-rata 105 nm.  Hal ini disebabkan  pada saat proses elektrospinning  larutan ZnAc yang mengandung CoAc mempunyai sifat regangan yang lebih tinggi dari pada tanpa menggunakan doping [7].
Tabel 1. Diameter serat nano ZnO doping Co 3 O 4 Diameter serat (nm) Doping Co 3 O 4 (%) 1 2 3 Maksimum 160 153 141 Minimum 80 74 71 Rata-rata 124 117 105
Gambar 3. Foto SEM ZnO Dengan Doping Co 3 O 4 ; a). 1%, b). 2%, dan c). 3%
A B C

## 3.2 Pengujian Unjuk Kerja Nanogenerator Piezoelektrik
Penerapan beban tekan-lepas sebesar 0,5 kgf setiap 3 detik per siklus dilakukan untuk pengujian unjuk kerja nanogenerator Co 3 O 4 -ZnO.  Pengujian  dilakukan  menggunakan  beberapa  variasi  hambatan  (MΩ) dengan  mengamati  perubahan  tegangan  (mV)  dan  daya  (nW)  yang  dihasilkan  oleh nanogenerator piezoelektrik Co 3 O 4 -ZnO. Tabel 2 dan Tabel 3 menunjukan besarnya tegangan dan daya yang dihasilkan oleh nanogenerator piezoelektrik Co 3 O 4 -ZnO.  Material piezo merupakan suatu material jika diberi beban dapat mengeluarkan energi listrik. Pada saat pembebanan dilakukan secara berkelanjutan sebesar 0,5 kgf, dimana  tegangan  yang  dihasilkan  oleh nanogenerator piezoelektrik  Co 3 O 4 -ZnO  tergantung  dari  beban tahanan  yang  diberikan.  Pada  penelitian  ini  pembebanan  dilakukan  pada  0  M  sampai  1  M  terjadi peningkatan tegangan dan daya, tetapi daya yang dihasilkan setelah pembebanan 1 M  terjadi penurunan yang sangat signifikan terlihat pada gambar 4 dan 5.
Tabel 2. Tegangan nanogenerator piezoelektrik Co 3 O 4 -ZnO Hambatan (MΩ) Doping Co 3 O 4 (%) 1 2 3 0 0,00 0,00 0,00 0,001 1,41 1,43 1,46 0,005 5,07 5,13 5,48 0,01 13,41 13,98 14,20 0,05 33,85 34,48 34,24 0,1 61,74 63,02 77,72 0,5 113,80 115,13 124,02 1 143,41 144,41 150,93 2 174,26 176,11 180,76 3 175,39 177,66 178,35 4 174,13 176,86 180,98 5 170,98 174,89 175,02 6 168,52 170,46 175,46 7 165,76 168,70 169,65 8 167,43 169,52 171,57 9 162,28 165,20 167,17 10 174,98 180,22 181,33
Tabel 3. Daya nanogenerator piezoelektrik Co 3 O 4 -ZnO Hambatan (MΩ) Doping Co 3 O 4 (%) 3 5 7 0 0,00 0,00 0,00 0,001 2,45 2,50 2,67 0,005 5,94 6,29 6,40 0,01 18,52 19,28 20,81 0,05 23,15 24,68 24,70 0,1 39,61 43,11 63,71 0,5 25,55 26,24 31,02 1 20,11 20,37 22,32 2 14,88 15,19 16,00 3 10,04 10,30 10,40 4 7,42 7,63 8,03 5 5,71 5,98 6,02 6 4,63 4,73 5,01 7 3,83 3,97 4,01 8 3,43 3,51 3,60 9 2,91 3,04 3,12 10 3,01 3,20 3,23 Pada doping 1, 2 dan 3 % Co 3 O 4 , tegangan dan daya yang dihasilkan mengalami peningkatan hingga 181,33  mV  dan  63,71  nW.  Hasil  tersebut  masih  lebih  besar  daripada  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 [4].  Dan  juga  masih  lebih  besar  dari  penelitian  lain  yang  menghasilkan  daya  sebesar  38.8  nW  dengan menggunakan doping Al [6].

## 4. KESIMPULAN
Tegangan dan daya terbesar yang dihasilkan nanogenerator piezoelektrik Co 3 O 4 -ZnO terdapat pada doping 3 % Co 3 O 4 sebesar 181,33 mV dan 63,71 nW. Ukuran serat nano yang dihasilkan dari doping 3 % Co 3 O 4 pada ZnO mengecil sampai 71 nm dengan rata-rata sebesar 105 nm, adanya doping Co 3 O 4 membuat serat nano mengecil yang mengakibatkan tegangan dan daya 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] Lipol, LS., Md. Moshiur Rahman., 2016, Electrospinning and Electrospun Nanofibers , World Journal of Nano Science and Engineering, Vol 6 pp. 45-50.
[4] Wang, Z.L., Wang, X., Song, J., Liu, J., and Gao, Y., 2008, Piezoelectric Nanogenerators for Self- Powered Nanodevices , Vol 7.
[5] 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.Haertling, G.H., 1999, Ferroelectric Ceramics: History and Technology , pp. 797-818.
[6] Sholahuddin, I., 2013, Fabrikasi Nanogenerator ZnO Dan AZO Berbasis Serat Nano Dengan Metode Elektrospinning. Universitas Sebelas Maret.
[7] Kanjwal, M.A., Sheikh, F.A., and Barakat. N.A.M, 2011, Co3O4-ZnO Nanofiber Their Properties , Journal Nanoenginering and Nanomanufacturing, Vol. 1 pp. 196-202.
[8] Xiaomin Shi., Weiping Zhou., Delong Ma., Qian Ma., Denzel Bridges., Ying Ma., and Anming Hu., 2015,  Review  Article  Electrospinning  of  Nanofibers  and  Their  Applications  for  Energy  Devices, Journal of Nanomaterials, pp 1-20.
[9] 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.
[10] 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. 405-503.