PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR …

i

PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL

SEMIKONDUKTOR ZINC OXIDE YANG DIDOPING

ALUMINIUM

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

ZADID IHSANI

NIM. I 0411043

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

~

~

ppe"Sun':lfU!SaW:qaM£9tZ£9HZO·dlal.e:jJe)jemsue6uqua)l'19£'oN!we~nsJIIf

NIS3W)lIN)l3~15torusWVl:I90l:ld)lIN)l3.LS'V.LIn)l'V::I-.L3~'VL'\IS'V1383SSV.LIS~31\INn

199NI.LNV:>IIOION3dN'VO19010N)l3.L.L3SI~N'VI~3.LN3L'\13)1

Stoz/tt/tSIY:D6990:JOWONulsaw>tlu>tal.tS:!pn~sWeJDOJd

SNnNIS3N>lIN>l3l.VNvfuvsWVU90UdUIH>lVSV9nl.Ifn9N3dNVO9NI8WI8N3dSV9nl.l.vuns

2:DU!qW!qwadtDU!qW!qwad

DUep!8WI

ewe

ZOOtZ0866tSt90tL6tl"l.·W"l.·S'IOVHlnSWVAS'9N3'UO:

ZOOtZttOOZZ060'l7L6tl"l.W"ONl.IAnSNH::>3l.'UO:16JaU3ISJaAU0>l:

E'l70tt'l701:INVSHIOIOVZ:

tOOtZtOOOZSOLOZL6t/l.W'l.S'9NV8WVlsmm'U'EtOOtE0666tSZ'l70tL6tI"l.W"l.S'NVMVIl.SIU>lIOna'JO·Z

tOOt'l70'l7tOZ8t80E86t/6U3W'l.S'ouo~"Ie::>OJPUIIfew>tns·t:

COt-Ett90SW)U010UOnN3d"£(Ot-EZt90SW)l9U3N3N3W3I'vNVW"2:

(Ot-ES090SW>SVNVdNVHVONldU3dISVl.ndwo>rtDun)jnpuad4e!ln)le~ev.J

IIwnlNIWn,y9NldOOlO9NYA30lXOJNIZ1I0J.>lnONO)llW3S

'YW1I3.1SY.1II\IJ.>InONO)lNYlfn9N3dll

"d!SJV'"v"V'.lJo~eu!PJoo)l"£

"SqAV'.lDU!qW!qwaduasorj"2:"SqAeMs!se4ew"t

:uesnqwa.l

WnlNllr4Jn1V9NldOalO9NVA3alXO::>NIZ1I0UnaNO)llW3S1VW1I3.1SV.1IJ\IUnaNO)lNVlrn9N3d

£"Ott"OI:WININVSHIOIOVZ

ZOOtZ0866tSt90tL6t'diN·.L·W"'5'IOVH1nSWVAS'!)N3'\10

ZOOtZttOOZZ060"L6t'diN·.LW"ON.LIA:>3.L'\10

'SNn-.L::Irp!)'torw!P~edwa+Jaq'oo:oo:Ot'LtOZ-ZO-60le66ueleped!fn6uaduesoqW!.iuedap!Pue>tue4e+Jad!p4ela.i

100IvOv!O~8180€86!6U3W'is'ouoA4e::>OJPUI!few>tns'!

100!€06661S~vO!L61'.iW''.is'NVMVI.iSI~)fions'Ja'z

1001~1000~SOLO~L6!.iW'.iS'9NVSWVlsrnrn'~'€

ZOOtZ0866tSt90tL6t'diN,5'IOVH1nSWVAS'!)N3\10

ii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan

hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Selama

menyelesaikan skripsi ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang

dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis saat bekerja.

Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak memperoleh bantuan,

bimbingan, pengalaman, dan pelajaran yang sangat berharga dari berbagai pihak.

Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih

kepada:

1. Bapak Dr.Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku pembimbing pertama skripsi.

2. Bapak Prof. Dr.Techn. Suyitno, S.T., M.T. selaku pembimbing kedua skripsi.

3. Bapak Agus Kurniawan, S.T., M.T. selaku pembimbing lapangan skripsi.

4. Orang tua, kakak, adik, Tiara Setia Satiti, dan keluarga besar atas kasih sayang,

perhatian, doa, dan dukungan yang selalu diberikan kepada penulis.

5. Seluruh Dosen, Staf, dan Laboran Program Studi Teknik Mesin Universitas

Sebelas Maret.

6. Teman-teman Lab Nano Bioenergi : Mas Bambang, Husein, Bayu, Mbak

Dewi, Mas Yuda, Mas Catur, Mas Dedi, Pak Basuki, Mas Ratno, Mas Aryo,

Mas Aris, Mas Adit, Mas Fama.

7. Teman-teman teknik mesin angkatan 2011 untuk dukungan dan

kebersamaannya.

8. Semua pihak yang telah memberikan bantuan, dukungan, dan nasihat selama

ini kepada Penulis yang tidak bisa disebutkan satu - persatu.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum sempurna. Oleh karena

itu, masukan dan saran yang membangun sangat penulis terima. Penulis berharap

semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan bagi

pembaca pada umumnya. Akhirnya semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi segala

pihak.

Surakarta, Februari 2017

Penulis

iii

PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR

ZINC OXIDE YANG DIDOPING ALUMINIUM

Zadid Ihsani

I0411043

Mahasiswa Program Sarjana Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret, Surakarta

[email protected]

+6287736646825

Abstrak

Zinc Oxide (ZnO) adalah salah satu material semikonduktor yang dapat

dikembangkan menjadi modul termoelektrik karena memiliki banyak keuntungan.

Penelitian ini membahas tentang pengujian konduktivitas termal pellet ZnO doping

Aluminium (Al) dengan menggunakan metode steady-state. Pellet ZnO doping Al

(2 wt%) disintering pada temperatur 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, dan 1500ºC

dengan heating rate 8ºC/menit. Hasil uji SEM dan XRD menunjukkan bahwa

semakin tinggi temperatur sintering maka mengakibatkan ukuran butir meningkat,

batas butir mengecil, dan porositas menurun. Pada sampel sintering 1500ºC terdapat

fase ZnAlxOy yang menyebabkan menurunnya nilai konduktivitas termal. Nilai

konduktivitas termal tertingi didapatkan 2,25 W/m.°C pada temperatur sintering

1400oC dan suhu pengujian 300°C.

Kata Kunci: pellet, ZnO doping Al, konduktivitas termal, steady-state, sintering.

mailto:[email protected]

iv

THERMAL CONDUCTIVITY MEASUREMENTS OF

ALUMINUM-DOPED ZINC OXIDE SEMICONDUCTOR

Zadid Ihsani

I0411043

Student of Undergraduate Program of Mechanical Engineering Department

Sebelas Maret University Surakarta

[email protected]

+6287736646825

Abstract

Zinc Oxide (ZnO) is one of semiconductor material that can be developed into a

thermoelectric module because of its advantages. This study discusses the thermal

conductivity measurements of Aluminum (Al)-doped Zinc Oxide (ZnO) by using

steady-state method. Al-doped ZnO (2 wt%) pellet was sintered into temperatures

of 1100ºC, 1200ºC, 1300ºC, 1400ºC, and 1500ºC with heating rate 8ºC/minute. The

grain size of pellet became bigger, the crystallinity increased, and the porosity

decreased if the temperature of sintering became higher as pointed out by SEM and

XRD test. A phase of ZnAlxOy which caused the value of thermal conductivity to

decrease was found in the sample of sintering at 1500°C. The highest thermal

conductivity of 2.25 W/m.oC was obtained by which sintering temperature of

1400oC and operational temperature of 300oC.

Keywords: pellet, Al-doped ZnO, thermal conductivity, steady-state, sintering

mailto:[email protected]

v

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR .............................................................................................. ii

Abstrak ................................................................................................................... iii

Abstract .................................................................................................................. iv

DAFTAR ISI ........................................................................................................... v

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ vii

DAFTAR TABEL ................................................................................................. viii

DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... ix

DAFTAR NOTASI .................................................................................................. x

BAB I PENDAHULUAN ...................................... Error! Bookmark not defined.

1.1 Latar Belakang ........................................... Error! Bookmark not defined.

1.2 Perumusan masalah .................................... Error! Bookmark not defined.

1.3 Batasan masalah ......................................... Error! Bookmark not defined.

1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ................... Error! Bookmark not defined.

1.5 Sistematika Penulisan ................................. Error! Bookmark not defined.

BAB II LANDASAN TEORI ................................ Error! Bookmark not defined.

2.1 Tinjauan Pustaka ........................................ Error! Bookmark not defined.

2.2 Dasar Teori ................................................. Error! Bookmark not defined.

2.2.1 Modul Termoelektrik ........................... Error! Bookmark not defined.

2.2.2 Kalor .................................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.3 Konduktivitas termal ........................... Error! Bookmark not defined.

2.2.4 Standar pengujian ................................ Error! Bookmark not defined.

2.2.5 Perhitungan.......................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.6 Ketidakpastian ..................................... Error! Bookmark not defined.

vi

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............... Error! Bookmark not defined.

3.1 Tempat Penelitian ....................................... Error! Bookmark not defined.

3.2 Pengujian .................................................... Error! Bookmark not defined.

3.3 Analisa Data ............................................... Error! Bookmark not defined.

3.4 Diagram Alir Penelitian .............................. Error! Bookmark not defined.

3.4.1 Pembuatan Sampel .............................. Error! Bookmark not defined.

3.4.2 Alat uji konduktivitas termal ............... Error! Bookmark not defined.

3.4.3 Pengujian ............................................. Error! Bookmark not defined.

3.4.4 Penggunaan software ........................... Error! Bookmark not defined.

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN .......... Error! Bookmark not defined.

4.1 Hasil Pengujian SEM ................................. Error! Bookmark not defined.

4.2 Hasil Pengujian XRD ................................. Error! Bookmark not defined.

4.3 Hasil pengukuran Porositas ........................ Error! Bookmark not defined.

4.4 Hasil Pengujian Konduktivitas Termal ....... Error! Bookmark not defined.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................. Error! Bookmark not defined.

5.1 Kesimpulan ................................................. Error! Bookmark not defined.

5.2 Saran ........................................................... Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA ............................................. Error! Bookmark not defined.

LAMPIRAN ........................................................... Error! Bookmark not defined.

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1. Modul Termoelektrik ........................ Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 2. Proses perpindahan kalor ................. Error! Bookmark not defined.

Gambar 2. 3. Standar pengujian ASTM D 5470-06 (ASTM, 2006) .............. Error!

Bookmark not defined.

Gambar 3. 1. Skema alat pengujian konduktivitas termalError! Bookmark not

defined.

Gambar 3. 2. Alur penelitian .................................. Error! Bookmark not defined.

Gambar 3. 3. Langkah pembuatan sampel ............. Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 1. Skema pertumbuhan butir dikarenakan difusi atom ................. Error!


Gambar 4. 2. Foto SEM material ZnO:Al dengan perbesaran 2500X pada suhu

sintering (a) 1100°C, (b) 1200°C, (c) 1300°C, (d) 1400°C, (e) 1500°C ........ Error!


Gambar 4. 3. Grafik XRD material semikonduktor ZnO:Al. (a) ZnO (b) ZnAlxOy

................................................................................ Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 4. Gibbs free energy pada perubahan ukuran kristalError! Bookmark

not defined.

Gambar 4. 5. (a) Struktur kristal ZnO, (b) Struktur kristal ZnO doping Al ... Error!


Gambar 4. 6. Susunan kristal ................................. Error! Bookmark not defined.

Gambar 4. 7. Grafik porositas terhadap temperatur sinteringError! Bookmark

not defined.

Gambar 4. 8. Hubungan laju penyusutan terhadap temperatur sintering ....... Error!


Gambar 4. 9. Hasil pengujian konduktivitas termalError! Bookmark not defined.

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 4. 1. Ukuran butir sampel ZnO doping Al .... Error! Bookmark not defined.

Tabel 4. 2. Hasil EDAX material semikonduktor ZnO doping Al ................. Error!


Tabel 4. 3. Data analisa XRD sampel pellet ZnO:AlError! Bookmark not

defined.

ix

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Sampel Pellet ZnO doping Aluminium dan Data Porositas ...... Error!


Lampiran 2. Hasil uji EDAX ................................. Error! Bookmark not defined.

Lampiran 3. Identifikasi tipe material pada spektrum XRDError! Bookmark not

defined.

Lampiran 4. Analisa profil puncak pada spektrum XRDError! Bookmark not

defined.

Lampiran 5. Data uji konduktivitas termal ............ Error! Bookmark not defined.

Lampiran 6. Perhitungan nilai konduktivitas termalError! Bookmark not

defined.

Lampiran 7. Perhitungan uncertainty konduktivitas termalError! Bookmark not

defined.

Lampiran 8. Alat-alat penelitian ............................. Error! Bookmark not defined.

x

DAFTAR NOTASI

A : Luas meter-bar m2

Amb : Luas meter-bar m2

Aiso : Luas isolator m2

B : FWHM

D : Ukuran kristal nm

dA : Jarak antara sensor T1 dan T3 m

dB : Jarak sensor T3 dengan permukaan sampel m

dC : Jarak antara sensor T4 dan T6 m

dD : Jarak sensor T4 dengan permukaan sampel m

dg : Diameter sampel sebelum proses sintering m

ds : Diameter sampel sesudah proses sintering m

Dmb : Diameter meter-bar m

Diso : Diameter isolator m

k : Konduktivitas termal W/m.oC

kA : Konduktivitas termal meter-bar antara T1 dan T2 W/m.oC

kB : Konduktivitas termal meter-bar antara T2 dan T3 W/m.oC

kC : Konduktivitas termal meter-bar antara T4 dan T5 W/m.oC

kD : Konduktivitas termal meter-bar antara T5 dan T6 W/m.oC

kiC : Konduktivitas termal isolator dingin W/m.oC

kiH : Konduktivitas termal isolator panas W/m.oC

𝑙 : Laju penyusutan sampel %

LA : Jarak antara T1 dan T2 m

LB : Jarak antara T2 dan T3 m

LC : Jarak antara T4 dan T5 m

LD : Jarak antara T5 dan T6 m

LiC : Jarak antara T1 dan T3 m

LiH : Jarak antara T4 dan T6 m

q : Heat transfer W

qave : Heat transfer rata-rata W

qC : Heat transfer dingin W

xi

qH : Heat transfer panas W

RC : Total thermal resistance dingin W/oC

RH : Total thermal resistance panas W/oC

RmbH : Thermal resistance meter-bar panas W/oC

RmbC : Thermal resistance meter-bar dingin W/oC

RisoH : Thermal resistance isolator panas W/oC

RisoC : Thermal resistance isolator dingin W/oC

S : Koefisien Seebeck V/K

t : Tebal spesimen m

T : Temperatur oCelcius

TC : Temperatur permukaan meter-bar dingin oC

TH : Temperatur permukaan meter-bar panas oC

T1 : Temperatur meter-bar pada titik T1 oC






T13 : Beda temperatur antara T1 dan T3 oC

T46 : Beda temperatur antara T4 dan T6 oC

x : Jarak penempatan thermocouple m

ZT : Figure of merit

λ : Panjang gelombang X-ray Å

θ : Sudut difraksi oDerajat

σ : Konduktivitas listrik Ω-1m-1

PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR …

Documents

Transcript of PENGUJIAN KONDUKTIVITAS TERMAL SEMIKONDUKTOR …