62 PENGARUH POLLING MEDAN LISTRIK TINGGI TERHADAP

AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
ISSN 1978-8061
PENGARUH POLLING MEDAN LISTRIK TINGGI TERHADAP STRUKTUR β
POLYVINYLIDENE FLUORIDE (PVDF)
1
Ambran Hartono1, Priyambodo1
Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Syarif Hidayatullah Jakarta
Jalan Ir. H. Juanda no 85 Jakarta Indonesia 15412
E-mail: [email protected]
Abstrak
Material polyvinylidene fluoride (PVDF) merupakan material pintar yang memiliki
keuntungan dengan sifat ferroelektriknya. Salah satu struktur PVDF yaitu fase β
memiliki sifat piezoelektrik yang yang paling baik dibandingkan dengan struktur
lainnya. Umumnya material PVDF yang ada dipasaran adalah dalam bentuk fase α,
untuk itulah perlu dilakukan optimasi dengan suatu teknik untuk menghasilkan fase β
dari PVDF. Untuk meningkatkan kinerja dan sensitifitas material ini agar memiliki
sifat piezoelektrik yang lebih besar, telah dilakukan optimasi polling dengan
memberikan medan listrik DC tegangan tinggi. Hal ini dilakukan untuk lebih
mempolarisasikan dipole-dipole dari material PVDF. Permasalahan yang timbul
bagaimana menghasilkan medan listrik tegangan tinggi DC. Untuk menjawab
permasalahan tersebut maka telah berhasil dilakukan juga pembuatan penyearah
tegangan tinggi sebagai sumber medan pada alat polling. Hasil pengujian alal
penyearah tegangan tinggi DC 30 KV menunjukkan akurasi dan stabilitas yang sangat
baik. Demikian juga halnya dengan hasil polling pemberian medan listrik tinggi telah
mampu meningkatkan jumlah fase β dari PVDF secara signifikan. Untuk sampel
dengan roll hot press diperoleh sebesar 80% dan untuk sampel dari deep coating
diperoleh sebesar 83%. Dari hasil pengujian dan pelaksanaan polling jelas
mengindikasikan bahwa polling medan listrik tinggi berpengaruh secara signifikan
dalam meningkatkan jumlah fase β dari PVDF.
Kata kunci: Dipol, fase β, medan listrik tinggi, polling, PVDF
Abstract
Material polyvinylidene fluoride (PVDF) is a smart material that has the advantage
of piezoelectric properties. One structure has a β-phase PVDF is piezoelectric
properties are the best compared with other structures. PVDF material generally
available in the market is in the form of α-phase, that is what needs to be optimized
with a technique to produce β-phase of PVDF. To improve the performance and
sensitivity of this material in order to have a larger piezoelectric properties, has done
polling optimization by providing high-voltage DC electric field. This is done to
further polarize dipole-dipole of the PVDF material. The problems of how to produce
high voltage DC electric field. To answer these problems it has been successfully
performed also manufacture high voltage rectifier as the source field on polling tool.
The test results alal DC high voltage rectifier 30 KV demonstrated accuracy and
excellent stability. Similarly, the results of the poll giving high electric field has been
able to increase the amount of β-phase of PVDF significantly. For samples with a hot
press roll was obtained by 80% and to sample from the deep coating was obtained by
83%. From the results of the testing and implementation of the poll clearly indicates
that polling high electric field effect on significantly increasing the number of βphase of PVDF.
Keywords: β-phase, dipole, high electric field, polling, PVDF
62
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
Pendahuluan
Perkembangan teknologi fabrikasi dan
sistem sensor dengan memanfaatkan material
PVDF terus meningkat dengan pesat. Hal ini
bisa dimaklumi mengingat akan pentingnya
dan tingginya prospek untuk pemanfaatan
material ini dalam perkembangan maerial
sensor. Material PVDF merupakan salah satu
material yang handal untuk digunakan sebagai
material
sensor
dikarenakan
memiliki
kelebihan dan keunggulan yaitu bahan mudah
didapat, harga cukup murah dan memiliki
sensitifitas yang tinggi. Selain itu juga
memiliki keuntungan dikarenakan memiliki
titik leleh yang rendah yaitu 177ºC dan mudah
dibentuk (Kawai, 1969). Namun tentu saja
tidak sembarangan material PVDF saja bisa
digunakan sebagai elemen sensor, melainkan
material PVDF yang memiliki struktur β yang
baik dan tepat untuk digunakan sebagai
elemen sensor. Ini dikarenakan PVDF dengan
struktur
tersebut
mempunyai
sifat
piezoelektrik yang paling baik, selain itu juga
PVDF dengan struktur ini kaya akan momen
dipol dan memiliki polaritas yang lebih besar
dibandingkan dengan PVDF dengan struktur
lainnya (Hartono, 2015).
Polimer PVDF diketahui mempunyai tiga
bentuk struktur molekul padat yaitu struktur ,
struktur  dan struktur . Struktur β
mempunyai rantai molekul dengan konformasi
planar zig-zag semuanya trans (TTTT). Setiap
ikatan atom karbon (C) dengan atom fluor (F)
memiliki arah resultan momen dipol tertentu
dan atom karbon juga berikatan dengan
hidrogen (H) memiliki resultan arah momen
dipol yang searah dengan resultan antara
ikatan atom karbon dengan fluor. Jadi,
keduanya memiliki resultan yang saling
menjumlahkan sehingga bentuk fasa β
memperlihatkan sifat kristal polar. Struktur α
mempunyai dua rantai molekul dengan tipe
TGTG. Masing-masing dihubungkan dengan
pusat simetri yang mempunyai hubungan
simetri invers satu sama lain, sehingga
ISSN 1978-8061
mengakibatkan momen dipol lisrik total dari
seluruh kristal saling meniadakan. Rantai
molekuler bentuk ini mempunyai polarisasi
dengan dipol-dipol acak, sehingga secara
keseluruhan kristalnya adalah non polar.
Struktur γ merupakan fasa campuran antara
struktur β dan struktur α. Struktur ini
mempunyai nilai momen dipol tertentu namun
nilainya masih relatif kecil. Diantara ketiga
struktur tersebut, yang banyak dikembangkan
adalah PVDF dengan fase struktur  karena
memberikan efek piezoelektrik yang paling
besar dibandingkan dengan kedua fase struktur
lainnya (Lovinger A J, 1982).
Tentu saja material PVDF dengan
struktur β tidak serta merta ada melainkan
harus dilakukan suatu teknik fabrikasi dan
optimasi tertentu untuk mendapatkannya.
Salah satu teknik optimasi yang dilakukan
adalah dengan melakukan polling pemberian
medan listrik tinggi. Dalam paper ini akan
diuraikan bagaimana pengaruh polling
pemberian medan listrik tinggi terhadap
struktur β dari film PVDF. Bentuk molekul
padat PVDF merupakan salah satu hal yang
sangat mempengaruhi efek piezoelektrik dari
bahan tersebut. Ini dikarenakan efek
piezoelektrik dari suatu bahan sangat
dipengaruhi oleh polarisasi spontan dari bahan
tersebut, sedangkan polarisasi spontan suatu
bahan sangat dipengaruhi oleh orientasi
momen-momen dipol bahan tersebut. Bentuk
molekul
padat
dari
PVDF
dapat
dikelompokkan dalam 3 bentuk fasa struktur
yaitu fasa beta (TTTT), fasa alpha (TGTG’)
dan fasa gamma (TTTGTTTG’) (Lovinger A
J, 1981). Di bawah ini, akan dijelaskan
masing-masing fasa tersebut. Bentuk fasa ini
mempunyai rantai molekul dengan konformasi
jenis zig-zag planar yang semuanya trans
(TTTT) dengan pembelokan kecil yang
disebabkan oleh atom-atom fluor yang tidak
terikat dalam monomer-monomer yang
terdekat (Hasegawa, 1972). Bentuk kristal fasa
β adalah ortorombik yang menurut analisis
Hasegawa pada fasa ini memiliki unit sel a =
63
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
8,58 Å, b = 4,91 Å, dan c = 2,56 Å. dengan
melting point-nya berkisar 191˚C dan 212˚C.
Bentuk fasa ini merupakan fasa yang
sangat penting bagi aplikasi piezoelektrik.
Rantai-rantai bentuk β ini tersusun dalam arah
sepanjang longitudinal dari sel satuan. Setiap
ikatan atom karbon (C) dengan atom fluor (F)
memiliki arah resultan momen dipol tertentu
dan atom karbon juga berikatan dengan
hidrogen (H) memiliki arah resultan momen
dipol yang searah dengan resultan antara
ikatan atom karbon dengan fluor. Jadi,
keduanya memiliki resultan yang saling
menjumlahkan sehingga bentuk fasa β
memperlihatkan sifat kristal polar seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur rantai fasa β (Lovinger A J,
1982)
Bila pada film PVDF fasa β dilakukan
polling, akan ada sumbu yang terorientasi pada
arah sesuai dengan medan yang diberikan.
Sehingga struktur utama dari film tipis PVDF
mempunyai polaritas bersesuaian dengan
orientasi sepanjang arah medan listrik yang
diberikan. Hal ini akan menampilkan
polarisasi dipol dan dapat memperlihatkan
gejala piezoelektrik tinggi dari sampel (Davis
dkk, 1979). Oleh karena itu, pada fasa β inilah
didapat sifat piezoelektrik terbesar. Kenaikan
konstanta piezoelektrik ini sebanding dengan
kenaikan kandungan fasa β dalam bahan
karena fasa ini mempunyai polarisasi spontan
yang cukup besar dalam unit selnya (Eka
Setya N, 2008). Fasa β memiliki rapat kristal
sebesar 1,97 g/cm3 berdasarkan unit sel pada
model Hasegawa dan kawan-kawan. Modulus
elastik pada semua rantai trans telah dihitung
oleh Tashiro dan kawan-kawan. Nilai modulus
elastiknya yaitu 2,37x1011N/m2 (zigzag planar)
ISSN 1978-8061
dan 2,24x1011N/m2 (akibat defleksi). Nilai ini
merupakan
hasil
eksperimen
Tashiro.
Sedangkan momen dipol untuk fasa β sendiri
yaitu 7x10-28Ccm3 (Tadokoro, 1979).
Bentuk fasa alfa merupakan bentuk yang
paling sering dijumpai. Pertama kalinya
(Lando dkk, 1966) menghitung nilai unit sel
untuk fasa α yaitu : a = 9,66 Å, b = 4,96 Å,
dan c = 4,64 Å dengan sudut α = β = γ = 90°.
Perkembangan penelitian untuk fasa α
selanjutnya dilakukan oleh beberapa peneliti
(Bachmann dan Lando, 1981) untuk analisis
struktur dengan menggunakan analisis SinarX, (Kobayashi dkk, 1975) melalui analisis
sinar inframerah dan Spektroskopi Raman dan
(Hasegawa, dkk dengan Farmer, dkk, 1972)
untuk perhitungan energi potensial. Dari hasil
analisis struktur oleh Lando dan Bachmann
yang mempelajari struktur fasa α dengan
menggunakan analisis sinar-X didapat bahwa
unit sel fasa α memiliki grup ruang ortorombik
primitif. Unit sel untuk fasa α yaitu a = 4,96
Å, b = 9,64 Å, dan c = 4,62 dengan semua
sudut α = β = γ = 90˚.
Bentuk fasa α mempunyai dua rantai
molekuler dengan tipe TGTG’ dengan T =
179° dan G = 45°. Masing-masing
dihubungkan dengan pusat simetri yang
mempunyai hubungan simetri invers satu sama
lain (Gambar 2), sehingga mengakibatkan
momen dipol lisrik total dari seluruh kristal
saling meniadakan. Artinya, untuk seluruh
orientasi dipol-dipol bentuk ini membangun
resultan kristal non polar. Rantai molekuler
bentuk ini mempunyai polarisasi dengan dipoldipol acak, sehingga secara keseluruhan
kristalnya adalah non polar.
Gambar 2 Struktur rantai fasa α (Lovinger A J,
1982)
64
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
Pada tipe TGTG’ ini tidak terdapat
regangan sterik antara atom-atom fluor dan
hanya regangan minimal pada beberapa rantai
fluor-hidrogen, ini menyebabkan konformasi
TGTG’ memiliki energi potensial paling
rendah di antara semua polimorfi yang
diketahui (Hasegawa, 1972). Pada unit sel fasa
α memiliki kerapatan kristal 1,92 g/cm3 dan
modulus elastik rantai konformasi TGTG’-nya
yaitu 7,7x1010 N/m2. Fasa γ merupakan
modifikasi fasa campuran antara fasa α dan
fasa β. Berdasarkan studi difraksi sinar-X,
Takahashi dan Tadokoro mengusulkan bahwa
bentuk dari struktur fasa γ ini adalah
monoklinik dengan unit sel a = 4,96 Å, b =
9,59 Å, c = 9,23 Å dan β = 92,9˚(Gambar 3).
Konformasi yang diusulkan oleh keduanya
untuk fasa γ yaitu TTTGTTTG (Tadokoro,
1979).
Gambar 3 Unit sel fasa gamma (Lovinger A J,
1982)
Pembentukan
piezoelektrik
yang
signifikan dan aktivitas piroelektrik pada
PVDF membutuhkan polling menggunakan
medan listrik tinggi yang kekuatannya
tergantung pada struktur spesimen : sampel
dalam fase β (unit selnya adalah polar ) harus
dikenakan medan untuk polling dari 200 kV
cm-1 atau lebih. Untuk mengubah sampel
PVDF fase α ke fase β dibutuhkan medan
listrik ≈ 1,2 MV cm-1 atau lebih. Dua teknik
umumnya telah digunakan untuk polarisasi
PVDF
yaitu
teknik
konvensional
menggunakan medan listrik tinggi ke metalik
elektroda di kedua sisi film polimer, dan
metode yang lebih baru menggunakan debit
korona atau polling plasma. Yang pertama dari
teknik ini adalah jauh lebih umum, dan telah
ditinjau secara singkat (McKenney dan Roth,
1979). Umumnya elektroda dengan tebal
ISSN 1978-8061
sekitar 100 nm diepavorasikan langsung ke
spesimen untuk menghilangkan celah udara
(Gupta ddk, 1978) dan metalization melalui
larutan plating telah pula dilakukan
(McKenney dkk, 1980). Dari berbagai studi
dan kajian yang telah dilakukan oleh beberapa
peneliti seperti dijelaskan diatas semuanya
tidak lain ingin mengkaji lebih jauh mengenai
sifat piezoelektrik PVDF terhadap pengaruh
medan listrik polling (Yudianti, Rike dkk,
1996).
Pemberian medan listrik ektsternal akan
berpengaruh terhadap polarisasi pada orientasi
dipol suatu film untuk efek piezoelektrik.
Mula-mula medan listrik dinaikkan dengan
cara menaikkan sumber potensial di antara dua
elektroda. Polarisasi akan naik seiring dengan
kenaikan medan listrik tadi. Bila medan listrik
diturunkan sampai nol, maka polarisasi akan
turun namun tidak mengikuti grafik alur
kenaikan sebelumnya (Gambar 4). Ketika
medan listrik kembali bernilai nol, maka
polarisasi di dalam bahan tidak bernilai nol
melainkan ada nilai tertentu yaitu polarisasi
residu. Polarisasi residu disebabkan karena
transisi orientasi dipol yang telah berhenti
(Yudianti R, dkk, 1996). Polarisasi residu ini
akan mempengaruhi efek piezoelektrik bahan.
Apabila medan listrik dinaikkan terus maka
akan ada suatu keadaan di mana tidak akan
terjadi lagi polarisasi akibat medan listrik,
polarisasi ini disebut dengan polarisasi
saturasi.
Gambar 4 Hubungan antara
eksternal dengan polarisabilitas.
Piezoelektrik
medan
berhubungan
listrik
dengan
65
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
ISSN 1978-8061
perubahan polarisasi akibat adanya strainstress, temperatur dan medan listrik eksternal
seperti dalam persamaan 1. (Lovinger A J,
1982).
.
(1)
(2)
;
(3)
Jika persamaan 2 dan 3 disubstitusikan ke
persamaan 1 dan kemudian diintegralkan maka
akan didapatkan polarisasi seperti persamaan
4.
dari keduanya hampir berimpit sehingga tidak
ada momen dipol yang terjadi. Namun, ketika
medan listrik dari luar mempengaruhi bahan
tersebut, maka muatan positif akan terdorong
ke arah searah dengan medan listrik dari luar
tersebut
sedangkan muatan negatif akan
ditarik ke arah berlawanan dengan arah medan
luarnya (Gambar 5) sehingga terjadi
pergeseran arah dari keduanya yang kemudian
menimbulkan momen dipol listrik. Arah
momen dipol listriknya sendiri searah dengan
medan listrik yang diberikan dari luar.
P – Pr = d(S – Sr) + p’(T – T0)+ E χsε0
(4)
dengan:
P: Polarisasi
Pr: Polarisasi residual
d: konstanta piezoelektrik
S: Regangan (Strain)
Sr: Regangan residual
E: Medan listrik
Gambar 5 Proses deformasi polarisasi sebelum
adanya medan listrik eksternal dan setelah adanya
medan listrik luar.
Persamaan 5 menyatakan hubungan
antara pemberian medan listrik luar dan
momen dipol yang terjadi pada peristiwa
polarisasi sebagai berikut:
Χs: Susptibilitas dielektrik
(5)
ε0: Permitivitas dielektrik vakum
Dengan meninjau persamaan 4 di atas,
bahan yang bersifat piezoelektrik akan
memberikan respon polarisasi listrik spontan
ketika terjadi stress pada bahan. Sebaliknya
akan menghasilkan strain akibat medan listrik
yang diberikan. Konstanta piezoelektrik
didefinisikan sebagai kesebandingan antara
polarisasi dengan stress atau strain dengan
medan listrik (Fraden Jacob, 2003).
Momen dipol listrik dapat diarahkan
dengan suatu medan listrik.
Proses
penyearahan momen dipol listrik yang
dipengaruhi oleh medan listrik dari luar ini
disebut dengan polarisasi. Ketika tidak ada
gangguan medan listrik dari luar, maka muatan
negatif pada suatu molekul bahan terdistribusi
merata dengan muatan positif sehingga pusat
dengan
merupakan momen dipol
(C.m),
merupakan medan listrik luar (N/C)
dan α merupakan kemampuan untuk
berpolarisasi (C2.m/N) (Fathona I. W, 2009).
Adapun untuk vektor polarisasi sendiri
didefinisikan sebagai momen dipol per satuan
volume. Polarisasi ini juga dapat digambarkan
sebagai penyusunan terhadap muatan ikat pada
bahan jika diberi medan luar. Penyusunan ini
menyebabkan terbentuknya kerapatan muatan
ikat.
= Δ /ΔV
(6)
dengan merupakan vektor polarisasi
(C/m2) dan V merupakan unit volume (m3).
Sifat
piezoeletrik
pada
film
PVDF
66
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
tergantung pada banyaknya fasa β yang
terkandung pada film tipis PVDF, karena fasa
ini bersifat polar. Oleh karena itu, banyak
orang yang memberikan metode bagaimana
memperoleh fasa tersebut melalui pergeseranpergeseran fasa atau lebih dikenal dengan
metode transformasi fasa/transisi polimorfi.
Ada beberapa hal yang mengakibatkan
transformasi fasa pada film PVDF.
Transformasi fasa ini ditinjau dari beberapa
parameter antara lain yaitu medan listrik,
temperatur dan tekanan. Ketiga parameter ini
merupakan sebagian dari parameter lain yang
memungkinkan dapat melakukan transformasi
fasa. Adapun skema kesetangkupan mengenai
transformasi
fasa
dengan
hal
yang
mempengaruhi terjadinya transformasi fasa ini
dapat dilihat dari Gambar 6.
ISSN 1978-8061
sifat material tersebut misalnya
struktur,
kekuatan
material
dan
kekerasan
material tersebut.
7. Drawing pada temperatur rendah. Drawing
adalah
suatu proses perlakuan mekanik terhadap
suatu material dengan memberikan suatu
regangan pada material tersebut.
8. Ultradrawing pada temperatur tinggi.
9. Annealing pada tekanan tinggi.
10.
Polling menggunakan medan listrik
tinggi. Polling
adalah proses pengkutuban pada suatu
dipol-dipol
agar dipol tersebut terorientasi.
11.
Memungkinkan menghasilkan fasa γ
bila
menggunakan annealing dengan tekanan
tinggi.
12.
MCB(monochlorobenzene)/DMF
(dimethylformamide), cyclohexanone.
13.
DMF(dimethylformamide), DMA
(dimethylacetamide) atau DMSO
(dimethylsulpoxide).
14.
Drawing.
15.
Chyclohexanone.
Metode penyearahan orientasi dipol pada
PVDF
Gambar 6 Skema transformasi fasa pada PVDF
dengan
beberapa
parameter
yang
mempengaruhinya (Ambrovs, 1984).
Keterangan Gambar 6:
1. Pelelehan dengan temperatur leleh
2. Pelelehan dengan tekanan
3. Pelelehan
yang
memungkinkan
menghasilkan fasa β
bila menggunakan temperatur.
4. Pelelehan pada nilai temperatur tertentu.
5. Epitaxially pada KBr.
6. Annealing
pada
temperatur
tinggi.
Annealing adalah
suatu proses pemberian panas pada suatu
material
sehingga ada perubahan pada
Proses transformasi fasa atau transisi
jenis polimorf pada PVDF erat kaitannya
dengan keberadaan orientasi dipol pada tiap
fasanya. Ada beberapa cara yang dilakukan
untuk menyearahkan orientasi dipol-dipol
tersebut. Transformasi ini dapat dilakukan
secara induksi mekanik, panas, listrik serta
energi radiasi. Beberapa metode transformasi
pada penyearahan orientasi dipol ini antara
lain sebagai berikut:
a. Perubahan konsentrasi fasa β Akibat
Temperatur
Matsushige dan Takamura melakukan
percobaan mengenai pengaruh pemanasan di
bawah tekanan tinggi. Percobaan tersebut
menunjukkan adanya transformasi α menjadi
β.
67
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
Fasa α meleleh pada titik didih sekitar 286˚C
dengan tekanannya
sekitar
4
kbar.
Pembentukan
fasa β ini ditunjukkan pada pengamatan
peristiwa eksoterm pada 294˚C.
b.
Perubahan konsentrasi fasa β Akibat
Deformasi
Mekanik
Penarikan bahan film tipis PVDF dapat
mengakibatkan fasa α non polar berubah
menjadi fasa β yang bersifat polar. Penarikan
ini
misalnya dengan tensile tester. Penarikan ini
terjadi pada temperatur antara 50-100˚C
(Radiman, 2004). Pembentukan fasa β yang
lebih dominan dibandingkan α terjadi pada
temperatur penarikan antara 50°C dan 80°C
dengan ratio penarikan antara 3,5 dan 6 kali
panjang semula (Nenen dkk, ). Pada
temperature penarikan di atas 120°C tidak
terjadi lagi transformasi sempurna dari fasa α
ke
β.
c.
Perubahan konsentrasi fasa β Akibat
Induksi
Elektrik Transformasi jenis ini dilakukan
dengan cara memberikan induksi elektrik
berupa medan listrik yang tinggi sehingga
menyebabkan transisi fasa dari fasa α non
polar menjadi polar. Medan listrik tinggi ini
akan mempengaruhi orientasi dipol listrik
fasa α sehingga menjadi
polar.
d.
Perubahan konsentrasi fasa β Akibat
Induksi
Radiasi Energi Tinggi
Gal’perin dan Kosmynin melakukan transisi
untuk fasa α dengan γ-irradiasi pada 500
Mrad atau lebih. Transformasi sebagian dari
sampel
ini menjadi fasa β. Jika dengan
pelelehan atau pelarutan dan rekristalisasi,
maka fasa β akan
lebih dominan lagi.
Transisi ini dapat dilihat
dari perubahan
yang ditunjukkan dengan
pengenalan
cacat selama radiasi di mana terjadi
pengurangan
tarikan
dalam
semua
konformasi
trans tetapi menyebabkan
peningkatan pengaturan TGTG.
ISSN 1978-8061
Dari keempat jenis penyebab adanya
transformasi fasa tersebut, salah satu jenis
yang akan dipakai pada penelitian ini yaitu
transformasi akibat adanya medan listrik yang
tinggi. Metode yang akan dipakai untuk
menerapkannya
yaitu
disebut
metode
pengkutuban (polling). Jenis ini dipilih karena
lebih mudah untuk dilakukan. Salah satu
metode yang umum dan mudah dilakukan
untuk mengorientasikan dipol-dipol pada film
PVDF adalah dengan melakukan polling.
Adapun metode polling itu sendiri merupakan
metode yang dilakukan dengan memberikan
medan listrik yang tinggi pada temperatur
tinggi sampai selang waktu yang ditentukan
kemudian temperatur diturunkan secara
berkala hingga temperatur kamar. Temperatur
dalam metode ini dipakai pada temperatur di
bawah melting point polimer yang dipakai
dalam hal ini PVDF. Temperatur ini
digunakan agar mobilitas gerak internal
molekul cukup tinggi dan bebas bergerak
sehingga
memudahkan
untuk
mengorientasikan diri menjadi fasa polar yang
diinginkan. Medan listrik yang diberikan
diusahakan selalu dijaga kestabilan dan
kehomogenannya.
Ada beberapa hasil penelitian sebelumnya
dalam pemakaian medan listrik pada polling
untuk efek piezoelektrik dengan meninjau
transformasi orientasi dipol pada fasa film
PVDF beserta hasilnya sebagai berikut:
1. Menurut Gupta dkk. Pada tahun 1979
sendiri mengatakan bahwa perubahan
orientasi fasa α menjadi fasa β terjadi
dengan pemberian medan listrik tinggi
sebesar 3 MV/cm. Sedangkan, dalam
penelitian tugas akhirnya (Hidayat
Kurnia, 1998) menggunakan tegangan 1
kV dengan kekuatan medan listrik 0,38
MV/cm. Sehingga hasil penelitian yang
didapat tidak mendapatkan adanya
perubahan fasa pada sampel yang
ditelitinya.
2. (Haryanto, 1994) memberikan kekuatan
medan listrik sebesar 276 , 263, dan 346
68
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
3.
ISSN 1978-8061
kV/cm dengan besar tegangan 1,5 kV.
Hasilnya pun sama, tidak mengalami
perubahan yang signifikan terhadap
polarisasi.
(Teta Pratiwi, 2009) pada penelitiannya
juga hanya memakai medan yang kecil
dengan tegangan maksimum sampai 500
kV/cm sehingga perubahannya juga
kurang signifikan.
Polling
dengan
medan
listrik
menggunakan suatu elektroda yang bertujuan
untuk menginjeksi muatan agar muatan merata
dan dipol-dipolnya terarahkan. Sehingga perlu
diperhatikan mengenai konfigurasi elektroda
itu sendiri.Dalam paper ini akan pengaruh
polling dengan pemberian medan listrik tinggi
dari hasil penelitian yang telah dilakukan.
DC
untuk
menghasilkan
medan
listrik,
pengujian alat dan proses polling.
Sebelum pelaksanaan polling sebelumnya
terlebih dahulu dilakukan pembuatan alat
penyearah tegangan tinggi DC 20 KV. Secara
umum peralatan/instrument yang digunakan
dalam pembuatan penyearah ini adalah
transformator 30 KV, penyearah diode bridge
30 KV, kapasitor 5000 pF dan kapsitr
Dorknop 100 pF sebagai divider. Secara
skematik
diagram
rangkaian
polling
ditunjukkan pada gambar 7.
Eksperimen
Dalam eksperimen ini Perangkat /
peralatan dan bahan yang digunakan adalah
antara lain sebagai berikut:
a. Film PVDF
b. Alat polling
c. Penguat Tegangan tinggi DC
d. CO2 kering
e. Thermocouple
f. Variax potensial
g. Dll
Proses
listrik
polling
dilakukan
menggunakan
dengan
tujuan
medan
untuk
meningkatkan fraksi β dari film PVDF.
Dengan pemberian medan listrik tegangan
tinggi akan menyebabkan dipol-dipol dalam
film PVDF dapat terorientasi dengan baik.
Gambar 7 Skema rangkaian polling
Keterangan gambar 7.
1.
2.
3.
4.
Bagian 1 merupakan transformator 30 KV
Bagian 2 adalah rangkaian penyearah
diode HV 30 KV
Bagian 3 rangkaian divider (pembanding)
dan probe
Bagian 4 adalah alat polling
Untuk melihat kinerja dari alat penyearah
yang dibuat selanjutnya dilakukan pengujian.
Pengujian yang dilakukan adalah uji presisi
dan stabilitas kerja dari alat. Pengujian ini
dilakukan untuk melihat kualitas kerja dari alat
sumber tegangan tinggi DC yang telah dibuat.
Alat polling yang digunakan pada penelitian
ini secara skematik diperlihatkan pada Gambar
8.
Kuat medan listrik yang diberikan dalam
penelitian adalah 200 MV/cm. Dalam polling
ini dilakukan langkah-langkah eksperimen
yaitu: Pembuatan alat sumber tegangan tinggi
69
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
ISSN 1978-8061
Gambar 8 Skema alat polling
Proses polling dilakukan dengan melalui
tahapan yaitu diawali dengan mempersiapkan
dan merangkai perangkat polling. Setelah
peralatan telah dirangkai dengan benar
dilakukan peletakan sampel film PVDF pada
perangkat polling. Perlu diperhatikan bahwa
penempatan sampel harus benar-benar sesuai
dengan kedudukan diantara kedua elektroda.
Kemudian pemanas ruang polling dinyalakan
sekitar 10 menit hingga mencapai temperatur
80ºC. Setelah temperatur ruang polling
mencapai temperatur 80ºC, perangkat polling
mulai diaktifkan dengan menyalakan power
supply. Perlahan-lahan tegangan dinaikkan
sampai nilai tegangan tertentu yang
diinginkan. Proses pemberian medan ini
dilakukan selama 20 menit. Kemudian power
supply dimatikan dan diamkan selama
beberapa menit sampai temperatur ruang
polling
mencapai
temperatur
ruang,
selanjutnya sampel dikeluarkan dari alat
polling dengan hati-hati. Proses ini diulangi
untuk beberapa sampel lainnya. Pada tahap
selanjutnya dilakukan karakterisasi pada
sampel film PVDF yang telah dilakukan
polling.
Hasil dan Pembahasan
Sebagaimana telah dijelaskan pada bagian
eksperimen sebelum dilakukan polling terlebih
dahulu dibuat penyearah tegangan tinggi DC
20 KV. Hasil pembuatan alat penyearah
diperlihatkan pada Gambar 9 dan diagram
Blok rangkaian Gambar 10.
Gambar 9 Alat penyearah tegangan tinggi
DC
20 KV
Gambar 10 Diagram Blok Rangkaian penyearah
tegangan tinggi DC 20 KV
Tahap selanjutnya setelah pembuatan
alat penyearah penguat tegangan tinggi,
kemudian dilakukan pengujian untuk melihat
apakah alat yang dibuat dapat bekerja dengan
baik. Pengujian dilakukan dengan melihat
tanggapan output dari transformator (penguat)
terhadap sumber tegangan input yang
diberikan. Selanjutnya, dilakukan pengujian
tanggapan keluaran penyearah (diode) dimana
hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 1.
Pengujian ini dilakukan untuk memastikan
agar alat yang dibuat benar-benar dapat
bekerja dengan baik. Sangat dibutuhkan sekali
informasi apakah sistem penguatan dari
tegangan dapat berfungsi dengan baik, selain
itu juga perlu diketahui bahwa apakah
stabilitas tegangan keluaran dari penguat dan
penyearah memiliki tingkat stabilitas yang
baik atau tidak.
70
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
ISSN 1978-8061
Setelah semua tahapan ini dilakukan
dengan baik dan didapat hasil sesuai dengan
yang diharapkan maka bisa dikatakan bahwa
penguat penyearah bisa digunakan untuk
sumber medan listrik pada alat polling.
Tabel 1 Hasil pengujian tegangan keluaran dari
penyearah untuk input 0 – 100 volt.
sangat baik terhadap tegangan input yang
diberikan.
Tabel 2 Hasil pengujian Stabilitas keluaran
tegangan dari penguat untuk input 20
volt, 40
volt dan 60 volt.
Grafik keluaran penguat tegangan
untuk input tegangan dalam range 0 volt
sampai dengan 100 volt diperlihatkan pada
Gambar 11. Sementara itu hasil pengujian
stabilitas penguat didaftarkan pada Tabel 2
dan Gambar 12.
Gambar 12 Grafik tegangan keluaran uji stabilitas
penguat untuk input 20 volt, 40 volt dan 60 volt.
Gambar 11 Grafik tegangan keluaran
untuk input 0 – 100 volt
penguat
Dari gambar 11 terlihat bahwa respon
tegangan keluaran memiliki linieritas yang
Dari hasil pengujian tegangan keluaran
untuk
beberapa
input
tegangan
memperlihatkan bahwa alat penyearah penguat
bekerja dengan sangat baik, ini ditunjukkan
dengan grafik keluaran penyearah tegangan
yang menunjukkan linieritas yang cukup baik.
Selain itu juga optimasi penyearah penguat
juga menunjukkan hasil yang cukup baik, ini
bisa dilihat dari grafik keluaran untuk uji
stabilitas alat untuk input sebesar 20 volt, 40
volt dan 60 volt dalam rentang waktu 0 sampai
60 menit. Untuk rentang waktu pengujian
71
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
selama 60 menit terjadi pengurangan tegangan
keluaran DC sekitar 6 %. Hal ini terjadi
dikarenakan faktor udara (tidak vacuum)
diantara eletroda penyearah tegangan yang
masih memiliki fungsi dielektrik sehingga
terjadi penurunan tegangan keluaran. Setelah
pengujian keluaran dan stabilitas penguat
selanjutnya dilakukan proses polling medan
listrik. Pelaksanaan polling medan listrik
dilakukan pada 5 buah sampel film PVDF
yang difabrikasi dengan roll hot press untuk
temperatur 130ºC s/d 170ºC dan 5 buah yang
telah difabrikasi sebelumnya menggunakan
mesin deep coating untuk variasi temperatur
annealing 70ºC s/d 110ºC. Tegangan 20 KV
diaktifkan untuk menghasilkan medan listrik
yang diberikan adalah sebesar 200 MV/cm.
Dari hasil perhitungan pola difraksi XRD pada
sampel PVDF diperoleh jumlah fraksi  dari
film PVDF untuk sampel dengan roll hot press
yang dinyatakan pada Tabel 3. Fraksi β untuk
sampel dengan deep coating diperlihatkan
pada Tabel 4.
Tabel 3 Fraksi  film PVDF untuk sampel dengan
roll hot press setelah polling
ISSN 1978-8061
medan listrik tinggi. Hal ini mengindikasikan
bahwa piezoelektrisitas dari sampel semakin
baik.
Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang dilakukan bisa
diambil beberapa kesimpulan antara lain:
- Alat penguat yang dibuat bekerja
dengan baik dan memiliki akurasi dan
stabilitas yang baik
- Pemberian
polling
mengunakan
medan listrik berhasil meningkatkan
fase β dari PVDF
- Polling menggunakan medan listrik
tinggi sangat berpengaruh dengan
signifikan terhadap struktur β PVDF.
Daftar Pustaka
Ambrosv A., Holdik, (1984): Piezoelektrik
PVDF Films as Ultrasonic Transducers, J.
Sci. Instrument, vol. 17
Bachmann M. A. and Lando J. B., (1981): A
Re-examinations of the crystal structure of
phase II of poly-(vinylidene fluoride),
Macromolecules, 14, 40
Eka Setya Nova, (2008): Pengujian dan
Karakterisasi Film Polyvinylidene Fluoride
sebagai Piezoelektrik, skripsi fisika ITB,
Bandung
Tabel 4 Fraksi  film PVDF untuk sampel dengan
deep coating setelah polling
Farmer, B. L., Hopfinger, A. J. and Lando, J. B.
(1972): Polymorphism of the chain
conformation and packing of poly
(vinylidene fluoride), J. Appl. Phys., 43,
4293
Fathona I. W., (2009): Sistim Pengukuran
Kurva Hysterisis Ferroelektrik Berbasis
Mikrokontroller C8051F005 dan Rangkaian
Sawyer-Tower, Skripsi fisika ITB, Bandung
Fraden, Jacob, (2003), Handbook of Modern
Physics design and Application, New York:
Spinger
Dari kedua tabel tersebut sangat jelas
bahwa jumlah fraksi  dari sampel film PVDF
meningkat cukup baik dengan pemberian
Gupta D. K. and Doughty K. (1978): Corona
Charging and the Piezoelectric Effect in.
Poly (vinylidene fluoride), J. Appl. Phys., 49
(8), p. 4601
72
AL-FIZIYA Volume IX No. 2, April 2016
Hartono A., (2015): Pengembangan Material
PVDF untuk Sensor Reaksi Kimia dan
Contoh Aplikasinya untuk Mengukur Kadar
Glukosa, Disertasi Fisika, ITB, Bandung
Haryanto F., (1994), Pengaruh Proses
Penarikan dan Poling terhadap Efek
Piezoelektrik dari sampel Poly (vyniledene
Fluoride), Skripsi Fisika ITB, Bandung
ISSN 1978-8061
Yudianti R., dkk (1996): Pengaruh Tegangan
dan Waktu Poling terhadap Konstanta
Piezoelektrik dari Film PVDF yang di tarik
Buletin IPT No. 1 Vol. 11 Puslitbang
Terapan LIPI, Bandung
Hasegawa, R., et al. (1972): Crystal Structure of
Three Crystalline Forms of Poly (vinylidene
fluoride), Polymer Journal, 3. 600-610
Hasegawa R., Kobayashi M., and Tadokoro H.,
(1972): Molecular conformation and
packing of crystalline forms and the effect of
high pressure, Polymer J., 3, 591.
Kawai H., (1969): The Piezoelectricity of Poly
(vinylidene Fluoride), Japanese Journal of
Applied
Physics,
8:7,
8,
975
doi:10.1143/JJAP.8.975
Kobayashi M., Tashiro K., and Tadokoro H.,
(1975): Molecular Vibrations of 3 Crystal
Forms of Poly(Vinylidene Fluoride).
Macromolecules,8 (2), 158-171
Lovinger A. J., (1981): Poly(vinylidene
Fluoride), Bell Lab. New Jersey
Lovinger A. J., (1982): In Developments in
crystalline Polymers – I; Bassett, E., Ed.;
205Applied Science Publisher/ Cambridge
University Press: London
McKenney, J. M. And Roth. (1979): Standard
on Piezoelectric Crystals, Res. Nat. Bur.
Std., 84, 447
McKenney, J. E., Davis, G. T., and Broadhurst,
M. G.(1980): Electric-Field-Induced PhaseChanges In Plasma Poling of Polyvinylidene
Fluoride Respons, J. Appl. Phys., , 51, 1676
Pratiwi T., (2009): Prototype Fabrikasi Film
PVDF dengan metode Calendring dan
Karakterisasi Strukturnya, Skripsi, Fisika
ITB
Radiman, Cynthia L., (2004): Kimia Polimer,
Penerbit ITB, Bandung
Tadokoro H., (1979): Structure of Crystalyn
Polymers, John Willey and Sons, USA
73