Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 1411-2213

PEMBENTUKAN STRUKTUR MIKRO

DAN KENON-LINEARAN VARISTOR ZnO- TiO2YANG DISINTER PADA SURD 1400 °c DAN 1540 °c

Oani Gustaman Syarif, Engkir Sukirman2, Saeful Hidayat1,M. Yamin1'Puslitbang Teknik Nuklir-BA TAN, ]l.Tamansari 7 t, Bandung 40 t 32 e-mail:dgs@bdg.centrin.netid

2Puslitbang Iptek Bahan-BAT AN, Puspiptek, Serpong, Tangerang

ABSTRAK'"

PEMBENTUKAN STRUKTUR MIKRO DAN KENON-LINEARAN VARISTOR ZnO-TiOz YANG DISINTERPADA SUHU 1400.C DAN 1540 .C. Oalam rangka mencari varistor yang efektif, pembentukan struktur mikro sistem billerZnO-TiO2pads suhu sinter di bawah dan di atas suhu eutektik dan kenon-linearan varistor tersebut telah dipelajari. Pelet ZnO-TiO2yang disinter baik pads suhu di bawah maupun di atas suhu eutektik (t 537°C) memiliki ukuran butir yang makin keciljikakonsentrasi TiO2bertambah, tetapi mekanisme pembentukannya berbeda. Untuk pelet yang disinter pads suhu di bawah suhueutektik pengurangan ukuran butir terjadi karena rasa kedua Zn2TiO4yang menyebar menghambat pertumbuhan butir. Padspenyinteran di alas suhu eutektik terjadi penyinteran rasa cairo Oleh karCla itu pengecilan ukuran butir pads pelet yang disinter

di alas suhu eutektik terjadi kemungkinan karena konsentrasi TiO2yang dipilih telah melewati batas kejenuhan. Di datam peletZnO-TiO2yang disinter di alas suhu eutektik, rasa cair yang berpenetrasi ke batas butir menghasilkan butir yang cenderung bulat.Sementaraitu, kecilnya faktor kenon-linearan kemungkinan karena lapisanbatas butir tidak terdistribusi dengan merata daD teballapisan batas butir relatifberbeda satu sarna lain.

ABSTRACT

MICROSTRUCTURE DEVELOPMENT AND NON-LINEARITY OF ZoO- TiOz VARISTORS SINTERED AT1400 °C AND 1540 °c. In order to find effective varistor, microstructure development of binary system ZnO-TiO2at sinteringtemperature below and above the eutectic temperature and the non-linearity of the varistor had been studied. ZnO-TiO2pelletssintered below and above the eutectic temperature had grain size which tends to decrease as TiO2concentration increases. Thedecreasing mechanism of the grain size of the two pellets was different each other. For the pellets sintered below the eutectictenperature, the decreasing oCthegrain size was because distributedZn2TiO4second phase inhibitedgrain growth. In the sinteringabove the eutectic temperature, liquid phase sintering existed. Therefore, for the pellets sintered above the eutectic temperature,the decreasing of the grain size was because the added TiO2maybe exceeding the permissible amount of TiOr In the pelletssintered at temperature above the eutectic temperature, the liquid phase that penetrated grain boundaries produced roundedgrains. The non-linearity of the ZnO-TiO2varistors was small. It happened maybe because the grain boundary layer was not welldistributed and the thickness oCthe layer was relatively different each other.

Kata Kunci: Struktur mikro, Varistor, Kenon-linearan, ZnO, TiO2

PENDAHULUAN

ZoO adalah salah satu bahan venting untukpembuatan varistor, yaitu sebuah komponen yang dapatdigunakan sebagai penstabil tegangan clan pelindungrangkaian elektronik clan listrik dari tegangan berlebih(Over voltage) [1-5]. Fungsi seperti ini dimiliki varistorkarena komponen ini mempunyai karakteristikE-J (Medan listrik-Rapatarus) alanV-I (Tegangan-Arus)yang sangat non-linear. Varistor yang ads di pasaransaRI ini umumnya terbuat dari ZoO dengan oksidatambahan relatifbanyak [1-6].

Saat ini ads kecenderungan untuk meningkatkanefisiensi pembuatan varistor dari bahan ZoO denganmengurangi jumlah oksida tambahan. Secara teoritislangkah efisiensi ini dapat diwujudkan dengan berbagaicars clan salah satunya adalah dengan mengevaluasi

paduan rasa ZoO -oksida lain. Salah satu diagram rasa

yang ~apat dievaluasi adalah paduan biller ZnO-TiOl.Jika dari paduan dUBoksida ditemukan bahan varistor,maka varistor ini jauh lebih efisien dari pads varistorpasaran yang terdiri dari 4(empat) oksida ataulebih [1-6].

Sesuai diagram rasa ZnO-TiOl [7] terdapat rasaeair pads suhu di alas 1537°C(suhu eutektik) clantidakterdapat rasa eair tetapi terdapat rasapadat Zn2TiO4padssuhu di bawah suhu eutektik [7]. Dikaitkan denganpembentukan varistor, dUBkeadaan yang berbeda inisangat menarik clan venting untuk dipertimbangkandalam meraneang varistor. Seeara teoritis adanya rasacair di batHs butir ZoO dapat meningkatkan kenon-linearan karakteristik E-J (Medan listrik-Rapat arus)varistor karena pads kondisi ini terdapat perbedaankonduktifitas yang besar antara butir clan batas butir.

Pembentukan Struktur Mikro dan Kenon.Linearan Varistor ZnO-TiO1yang Disinter pada Suhu 1400.C dan 1540.C( Dani Gustaman Syarij)

Selain itu kehadiran rasa cair di batas butir didugaberpengaruh terhadap ukuran butir varistor. Sepertidiketahui bahwa karakteristik varistor dipengaruhi pulaoleh ukuran butir [6]. Oi sisi lain pada kondisi tidakterdapat rasa cair tetapi terdapat rasa padat ZnzTiO4punpenting untuk dievaluasi sebagai pembanding daDsebagai altematif, sekaligus untuk mengetahui pecanZnzTiO4terhadap kenon-linearan varistordengan bahandasarZoO. Makalahinimembahaspembentukanstrukturmikro varistor dari paduan ZnO-TiOzyang disinterpadasuhu 1400 °C daD 1540 °C daDhubungannya dengankenon-linearankarakteristik E-J.

PERCOBAAN

Serbuk ZoO dicampur dengan serbuk TiOz dengankomposisi sesuai Tabel 1. Campuran Tabel 1 diaduk didalam media aseton selama 1jam. Untuk mengeringkan,serbuk campuran kemudian dipanaskan pada suhu 60 °Cselama 24 jam. Serbuk campuran yang telah keringkemudian digerus daD diaduk di dalam mortar untukmenjamin homogenitas. Serbuk ini dipres dengan tekanan3,9 ton/cmz untuk mendapatkan pelet mentah. Peletmentah yang dihasilkan disinter pada suhu 1400 °C daD1540 °C selama 1jam di dalam atmosfir udara. Pelet basilsinter dianalisis secara metalografi menggunakanmikroskop optik daD dianalisis menggunakan difraksisinar-x menggunakan diftaktometer sinar-x buatan Philipsmilik Balai Besar Barang Keramik Bandung. Beberapasampel disinter 1100 °C/l jam untuk melengkapi analisisdifraksi sinar-x. Penyiapan sampel untuk metalografidilakukan dengan mengampelas pelet sinter secaraberjenjang dengan ampelas no.400 hingga no. 1500,selanjutnya dilakukan pemolesan dengan bantuan pastaintan daD pengetsaan menggunakan tarutao campuran

CHJCOOH daDHP dengan perbandingan 1 : 500. HargaV(tegangan) pada berbagai I (arus) untuk semua sampeldaTiberbagai komposisi diukur, kecuali beberapa sampelyang tidak mungkin ditentukan harga V daD I nya.Karakteristik V-I diubah menjadi karakteristik E-J denganmengubah V menjadi E dengan membagi V dengan tebal'pelet dan mengubah I menjadi J dengan membagi 1denganluas penampang pelet. Sementara itu, harga faktor kenon-linearan (a) ditentukan menggunakan persamaan (1) daTikaraketristikE-JpadahargaJ= 1mA/cmz [1,8].

dJ IJ d log J log J2 - log JlCt= dElE = dlogE ~ logE2-logEI (I)

Tabe/I. Komposisi campuran ZoOdan TiO2 dalam % mol dan % berat

deugau, a = Faktor kenon-linearan , E 1 daD E2 = Medanlistrik pada rapat arus J1 daD J2.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Identifikasi rasa

Untuk mengetahui rasa-rasa yang terdapat didalam sampel ZnO-TiOzbasil penyinteran pada subu dibawah suhu eutektik (1537 °C) [7], telah dilakukanpengambilanpola difraksibeberapa sampel yang disinterpada suhu 1100 °C/l jam daD 1400 °C/ljam Hasilnyadiperlihatkanpada Gambar 1,2 daD3. Gambar 1sampaidengan 3 ini memperlihatkan adanya puncak difraksi

25'"" 1j

ZOZ..zr-I. e" molT1O2]

,

j

'II) . z1 .

1

11 Kd.: ,'ZnO.zI'Zn2T1O4

"'1

=1 i r.i .1.11 rl~,~..J .Ioli 0 i: 0 .z.~~ UrlDUt~~VillW, .

1.1 i "" -, . . , , , I.. .. .. .. ... ..1 '"'" HI

'5"..z.

Gambar 1. Pola difraksi sampel ZnO + 6 % TiOzdisinterpada suhu 1100 .C/ljam.

"'.,:::~j""1"..

SI>L:zT2

.... II

~l]h~:~1.10'

n,---, ,.. II .~-.r.-;:111 ..1.....1

Gambar 1. Pola difraksi sampel ZnO + 10 % TiO. disinterpada suhu 1I00 "C/ljam.

1 1

"'"8113ZT1410" mol1I«IOaCI1J

....

....

II ,'Z)o().II'Zn21io4.

II

Gambar 3. Pola difraksi sampel ZoO + 106 % TiO.disinter pada suhu 1400 "C/ljam.

HU

No. ZoO (% mol) TIO.(% mol)1. 100 02. 99,5 0,53. 99 I4. 98,5 1,55. 98 26. 94 67. 90 10

Pembentukan Struktur Mikro dun Kenon-Linearan Varistor ZnO-TiO2yang Disinter pada Suhu 1400"C dun 1540"C( Dani Gustaman Syarij)

A 411lm B

Gambar 6, Struktur mikro pelet ZoO den ZoO-rial disinter pads suhu 1400"C/ljam. A. ZoO + 6 %mol TiOl, B. ZoO + 10 % mol TiOl.

suhu eutektik, pacta sampel terdapat rasa cair selamapenyinteran. Pacta penelitian ini diketahui bahwaperubahan ukuran butir terhadap perubahan konsentrasiTiO2berbanding terbalik sepertijuga terdapatpactapeletyang disinterpactasuhu di bawah suhu eutektik.Artinya,butir pelet sinter ZoO- TiO2 cenderung lebih kecildibandingkan dengan butir sampel ZoO mumi sepertitampak pacta Gambar 8 daD 9. Meskipun begitu, jikadibandingkan dengan sampel yang disinter di bawahsuhu eutektik, butir sampel yang disinter pactasuhu diatas suhu eutektik jauh lebih besar. Mekanismeperubahan ukuran butir adalah sebagai berikut.

Pactapenyinteran di atas suhu eutekrik di dalamsampelterjadipenyinteranfasacair. Fasacairyang bemdadi batas butir «wama putih) pacta Gambar 9) telahmengaktifkan pertumbuhan butir. Mekanismepertumbuhan butir pactakondisi terdapat rasacair secaraskematis diperlihatkan pactaGambar 7. Partikel-partikelyang lebihkecillarut kedalam rasacair, lalu mengendappactapartikel-partikel yang lebih besar. Akhimya, butirmengalami pembesaran (coarsening). Pacta kondisitertentu dari rasa cair, pertumbuhan butir terhenti pactaukuran butir tertentu. Sifat-sifat rasa cair di batas butir

ini ditentukan oleh faktor-faktor berikut yaitu kecepatanreaksi,jumlah rasa cairyang terbentuk, solubilitas relatifaditif,material utama (principalconstituent) daDperilakupembasahan (wetting behavior).

Butir dad pelet ZnO-TiO2semuanya relatiflebihkecil dari pacta butir pelet ZoO murni padahal padapenelitian terdahulu, penyinteran ZoO dengan rasa cairmenghasilkan pelet dengan butir yang lebih besar daripactaZoO mumi [9]. Hal ini terjadi kemungkinan karenapactapenelitian ini konsentrasi TiO2yang ditambahkan

PORI

-+

Gambar 7. Mekanisme pertumbuhan butir (coarsening)pada penyinteran rasa cairo

A 126 J1m B

Gambar 8. Struktur mikro pelet ZoO mumi dan ZnO.TiOI disinter pada suhu 1540"C/ljam. A, ZoO mum! denB. ZoO + 0,5 % mol TiOl,

Pembentukan Struktur Mikro don Kenon-Linearan VarlstorZnO- TiOzyang Disinter pada Suhu 1-100.C don 15-10.C( Dani Gustaman Syarlf)

yaitu lebih besar sarna dengan 20, kemungkinandisebabkanolehtidakdiperolehnyakombinasiyang tepatdari faktor-faktor di atas. Pada pelet yang disinter padasuhu 1540 °C, penyebab rendahnya harga a,kemungkinan adalah karena tidak terdistribusi denganmeratanya lapisanbatas butir clantidak seragamnyateballapisanbatasbutir. Selainitukemungkinankonduktivitaspennukaan butir clanbutir relatif sarna.Artinyakehadiranrasa cair atau fasakedua tidak mengubah kondisi ini.Sementara itu pengaruh ukuran butir terhadap harga ajuga tidak ter]ihat Hal inijelas terlihatketikaharga-hargaa Tabe] 2 dibandingkan dengan struktur mikro sampelpada Gambar 5 sampai dengan 6 clan Gambar 8sampaidengan 9. Harga a pelet yang disinter pada suhu1400°Cyang sedikit lebih besar dari pada harga a peletyang disinter pada suhu 1540 °C,kemungkinan karenarasakeduaZn2TiO4yang terdistribusimemilikiperbedaankonduktifitas dengan matriks ZoO.

KESIMPULAN

Pe]et ZnO- TiO2 yang disinter baik pada suhu dibawah suhu eutektik (] 537 °C) memiliki ukuran butir yang

makin kecil jika konsentrasi TiO2bertambah. Hal ini terjadikarena rasa kedua Zn2TiO4 (fasa padat) yang terbentukclan menyebar di dalam pelet telah menghalangipertumbuhan butir. Pada suhu sinter di atas suhu eutektikpembentukan struktur mikro terjadi o]eh terbentuknyarasa cair di batas butir. Makin kecilnya butir seiring

dengan pertambahan TiO2 diduga kuat karenakonsentrasi TiO2 yang dipilih pada penelitian ini telahmelewati batas kejenuhan. Fasa cair yang berpenetrasite]ah menyebabkan butir pelet yang disinter di atas suhueutektik cenderung bulat Sementara itu tidak terdistribusidengan meratanya ]apisan batas butir clan tidakmeratanya teballapisan ini kemungkinan menjadi sebabrendahnya faktor kenon-linearan. Untuk mengkonfinnasiini, penelitian yang sarna akan dilakukan tetapisintesisnya dilakukan dengan cara kimia.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penelitian inidibiayai oleh Dewan RisetNasionalmelauiLlPI di bawah kontrak peIjanjianno. 13/SP/RUTI1999.

DAFT AR ACUAN

[I]. MATSUOKAM., Jap.J. Appl.Phys., 10(197])736.[2]. WONGJ., J.App1.Phys.,46(1975)1653.[3]. LEVINSONLM., PHILIPP HR, J.App!.Phys.46

(1975)1332.[4]. LEVINSONLM.,PHILIPPH.R, Appl. Phys.Lett.,

24(1974).[5]. PHILIPPH.R.,LEVINSONLM., J. App!.Phys.,46

(1975).[6]. ANONYMOUS, Transient Voltage Suppression

Manua],GeneralElectric 1974.[7]. F.H.DULIN,D.E.RASE,J. Am.Ceram.Soc.,43 [3]

(1960)130.[8]. DANI GUSTAMAN Dkk., "Pengaruh Parameter

Penyinteran Terhadap Karakteristik E-J ZoO clanVaristorZnO-Bip),", ProsidingPISMIII, Serpong,(1998).

[9]. DANI GUSTAMAN S., dkk., "Studi PengaruhParameter Penyinteran Terhadap Struktur MikroVaristor ZnO-Bi2O) Menggunakan SEM",Prosiding Seminar Nasional Mikroskopi clanMikroanalisis-II,Serpong,(1998).

[10]. W.D.KINGERYeta!., Introductionto Ceramics,2ndedition, John Wiley and Sons, NY, ]976.

[11]. T.ASOKAN,eta!., J. Mater.Sci.,22(1987)1019.

.nil!

Prosiding Pertemuan /lmiah /lmu Pengetahuan don Teknologi Bahan '99SerpQng, /9- 20 Oktober /999 /SSN U/I-22/3

, tambilhan(zt) selain yang berasal dari ZoO (z), Denganmenggunakan data hanawalt sebagai pembanding,ternyatadiketahui bahwa puneak tambahan berasal daTi

senyawa Zn2Ti04' Gambar I sampai 3 memperlihatkanbahwa pacta sampel ZnO- Ti02 yang disinter pacta suhu1100 °C clan 1400 °C terdapat rasa Zn2Ti04, Data inibersesuaian dengan data diagram rasa ZnO- TiOpJ yangmenunjukkan bahwa pacta suhu di bawah 1537 °C (suhueutektik) terdapat rasa Zn2Ti04 hinggakonsentrasi Ti02sebesar 34 % mol.

,Untuk sampel ZoO + 6 % mol Ti02 yang mewakilisampel ZnO- Ti02 lainnya yang disinter pacta suhu di,atas suhu eutektik yaitu pacta suhu 1540 °C, poladifraksinya dapat dilihat pacta Gambar 4, SepertiGambar I sampai dengan 3, pacta pola difraksi Gambar 4ini terdapat pula puneak-puneak tambahan y~g berasal

daTi Zn2TiO 4' Hal ini teIjadi karena rasa eair (non-kristalin)

ZT21540-082"

I!54GoC11J

Ii;i

.0 ZnO." 0Zn2,'" I

I.. ,

P"t . ,lb... i""'~ l' ':

..~""'"~ ""-;:;'! ',r~ "Z'~-~:'I~

....~ \" ,,!.. =-f- ~,..J2t oil

Gambar 4. Pola difraksi sampel 2nO + 6 % Ti02 disinterpada suhu 1540 "C/ljam.

yang terdapat pactasampel ZnO- Ti02 selama penyinteran, .. berkristalisasi menjadi Zn2Ti04 pacta saat pendinginan.

Struktur Mikro Pada Suhu Sinter' Di Bawah Suhu .Eutektik

Gambar 5 clan6 memperlihatkan struktur mikropelet sinter ZnO-Ti02 dengan berbagai konsentrasi Ti02yangdisinterpactasuhu 1400°C. Dari Gambar5 clan6 inidiketahui bahwa ukuran butir menjadi semakin keeildengan 'pertambahan konsentrasi Ti°,2' Pacta suhu dibawah suhu eutektik, tidak terdapat rasa eair clanhanyaterdapat rasa padat Zn2Ti04 sehingga penyebabsemakin keeilnya ukuran butir adalah kehadiran fasapadat ini. Mekanisme pengeeilan butir akibat kehadiranZn2Ti04adalahsebagaiberikut.Selamapenyinteran,Ti02yang ditarnbahkan membentuk rasa padat Zn2TiO4 didalam pelet. Fasa padat Zn2TiO4yang tersebar di daIampelet sinter ZoO initersegregasidi batasbutir. Fasa padat

. yang tersegregasi kemudian menghaIangi pertumbOOanbutir karena pergerakan batas butir terhalang oleh rasapadat .ni (mobilitas batas butir turun). SemakiIibanyakZn2Ti04 semakin sukar pula pertumbuhan butir.

, Akibatnya butir yang terbentuk semakin ke<;:ilsebagairnanaterlihat pactaGambar 5 clan6.

Struktur Mikro Pada Suhu Di Atas Suhu Eutektik

Pembentukan struktur mikro unttuk sampel ZnO-

Ti02 yang disinter pacta sOOudi atas suhu eutektik yaitupacta sOOu1540 °C berbeda dengan struktur mikro sampelyang sarna yang disinter pacta suhu di bawah suhueutektik. Perbedaan ini terjadi karena pacta suhu di atas

A 41~m

c 41~m D

Gambar 5. Struktur mikro pelet ZnO clan ZnO-Ti02 disinter pada suhu 1400"C/ljam. A., ZnOmumi, B. ZnO+0,5% mol Ti02, C. ZnO+ I % mol Ti02, D. ZnO+ 2 % mol Ti02.

"11, ,lce..t.' j

.125.. i; I I;

I

.... i

1 I

1S1I1

j..lIi III..

Prosiding Pertemuan llmiah llmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan '99Serpong, 19 -20 Oktober 1999 ISSN 141/-2213

A 126 J1m B

c 126 IJ.m D

Gambar 9. Struktur mikro pelet ZnO-TiO, disinter pacta suhu 1540 "Clljam, memperlihatkan kehadiran rasakedua di batas butir (warna putih) dan blltir-butir yang cenderung bulat (rounded). A. ZnO + 1% mol TiO" B. ZnO+ 2 % mol TiO, C. ZnO + 6 % mol TiO,. D. ZnO + 10 % mol TiO,.

telah melewati batas optimumnya (batas jenuhnya)sehingga pactakonsentrasi di alaskonsentrasijenuh butircenderung mengeciJ. Pacta kondisi ini keseimbangantelah tercapai antara butir clanrasacair yang mengelilingibutir sebelum butir menjadi besar. Semakin banyak rasacair yang actadi batas butir, semakin kecil butir yangterbentuk

Adanya rasa cair menyebabkan butir r:enderungbulat (rounded) sepertijelas terlihat pactaGambar 9 Halini terjadi karena sudut interfasiaJ [10] semakin keciJ.Pengecilan sudut interfasial terjadi karena energi butir-butir (energi batas butir) lebih besar dari pacta energiracial-cairoPactakondisi ini rasacairberpenetrasike batasbutir. Akibatnya butir-butir menjadi bulat (bundar jikadua dimensi) seperti tampakjelas pactaGambar 7 clan8.

Kenon-linearan pelet sinter ZnO-TiOz

Untuk menggambarkan kenon-linearan sampelZnO-TiOzbaik yang disinterpactasuhu 1400°Cmaupunpactasuhu 1540°C,maka karakteristik E-J sampel basilsinter pacta kedua suhu tersebut ditentukan clan darikarakteristikE-J tersebutfaktorkenon-linearanditentukanmenggunakan persamaan (I). Beberapa sampel tidakdapat ditentukana nya karenapecah. Sampelyangpecahini hanya dapat dilihat struktur mikronya. Harga faktorkenon-linearan daTi sampel yang disinter pada suhu1400°Cclan1540°Cdapat dilihatpactaTabel2.

Tubel2. Barga a pelet ZnO-TiO, disinter padasuhu !400 "C dan 1540 "~CO

Dariharga-harga faktor kenon-linearan (a) Tabel2 yang lebih besar dari pacta I(satu) diketahui bahwakarakteristikE-JsampelZoO clanZnO-TiOz adalah non-linear. Kenon-linearan yang timbul dalan varistorumumnya diterima sebagai akibat dari adanyapenghalang schottky (schottky barriers) clan prosesFowla-Nordheim Tunneling pacta sambungan antararasa-rasa yang berbeda yang terbentuk selamapenyinteran[lI]. Dihubungkan dengan struktur mikro,kenon-linearandipengaruhidiantaranyaoleh faktor-fatorberikut yaitu homogenitas lapisan batas butir clanhomogenitas ketebalan lapisan batas butir. Sementaraitusecarafisiskenon-linearandipengaruhi oleh distribusikonduktifitas pactabutir(ZnO) clandensitas "deep trap"pactalapisan batas butir.

Harga-harga a yang reaItif rendah jikadibandingkan dengan harga a varistor yang dibutuhkan

ol1sentrasi I

a.no, (% mol), (Suhu sinter

1400°C)U-

2. 0.5 2,7 1,43. I 3,8 2,14. 1,5 3,35. 2 3,7 1,66. 6 2,1 1,7