SENSOR KAPASITIF TEKSTIL DENGAN LAPISAN TINTA KARBON KONDUKTIF MENGGUNAKAN METODE PENCAPAN UNTUK APLIKASI TEKSTIL CERDAS

Abstract

Integrasi nilai-nilai multifungsi dalam bahan tekstil telah menjadi bidang minat khusus dalam beberapa tahun terakhir. Tekstil cerdas mewakili generasi tekstil berikutnya yang diperkirakan akan digunakan dalam beberapa aplikasi fesyen, perabotan, dan teknis. Istilah material cerdas (smart material) digunakan untuk merujuk pada bahan yang memiliki kemampuan untuk merasakan dan/atau merespons dengan cara tertentu terhadap rangsangan lingkungan. Sensor tekstil merupakan material tekstil yang memiliki kemampuan untuk merasakan (sense) rangsangan dari lingkungan, sedangkan aktuator tekstil merupakan material tekstil yang memiliki kemampuan untuk merespons rangsangan sinyal dari lingkungan. Pembuatan sensor berbasis tekstil telah menjadi trend pada bidang penelitian mengenai pengembangan material tekstil cerdas. Sensor kapasitif berbasis tekstil menawarkan fitur bentuk serta fleksibilitas antarmuka antara manusia dan mesin yang lebih baik dibandingkan dengan sensor kapasitif elektronik konvensional pada umumnya. Perbedaan fitur bentuk dan fleksibilitas sensor kapasitif tekstil dan sensor kapasitif elektronik konvensional diduga dapat mempengaruhi sifat dan karakteristik diantara kedua jenis kapasitor tersebut. Kapasitor merupakan sebuah perangkat yang menyimpan energi listrik dalam suatu medan listrik. Perangkat kapasitor tergolong ke dalam komponen elektronik pasif dengan dua terminal. Ukuran efektifitas suatu perangkat kapasitor umumnya dinyatakan dalam bentuk kapasitansi. Perangkat kapasitor biasanya terdiri dari setidaknya dua konduktor listrik dalam bentuk pelat atau permukaan logam yang dipisahkan oleh media dielektrik. Secara umum, perangkat sensor kapasitif tekstil terdiri dari bahan dielektrik polimer (dapat berupa kain spacer 3D atau bahan busa) dan elektroda konduktif berbasis bahan tekstil. Elektroda berbasis tekstil dapat dibuat dengan berbagai cara, yaitu dengan metode tenunan, sulaman maupun pencapan. Salah satu cara untuk mendapatkan bahan tekstil konduktif adalah dengan cara melapisi bahan tinta karbon konduktif pada permukaan kain dengan menggunakan metode screen-printing. Busa poliuretan adalah contoh bahan dielektrik yang dapat digunakan dalam aplikasi sensor kapasitif. Permasalahan utama yang diselesaikan dalam penelitian ini adalah mengenai struktur dan teknik pembuatan sensor kapasitif tekstil dengan bahan busa poliuretan dan pelapis tinta karbon konduktif dengan menggunakan teknik cetak pada kain tekstil. Manfaat dari penelitian ini adalah ditemukannya metode pembuatan sensor kapasitif tekstil berbahan busa poliuretan dan lapisan tinta karbon konduktif dengan menggunakan teknik cetak pada kain tekstil. Pada penelitian ini telah berhasil dirancang sebuah perangkat sensor kapasitif tekstil dengan lapisan tinta karbon konduktif menggunakan metode pencapan (screen printing) untuk memperoleh bahan tekstil cerdas. Telah digunakan bahan foam poliuretan dengan densitas volume sebesar 0,031 gram/cm

3 dan 0,051 gram/cm sebagai material dielektrik pada rancangan sensor kapasitif tekstil. Lapisan karbon konduktif pada permukaan kain poliester yang dihasilkan dari proses pencapan (screen printing) tinta karbon konduktif berperan sebagai elektroda kapasitor pada rancangan sensor kapasitif. Tinta karbon konduktif yang telah digunakan pada pembuatan lapisan karbon konduktif untuk aplikasi sensor kapasitif tekstil terbuat dari campuran bahan carbon black 73,49 wt% dan binder poliakrilat 26,51 wt%. Pengaruh rancangan jarak antar elektroda, luas elektroda dan konstanta dielektrik terhadap nilai kapasitansi perangkat sensor kapasitif tekstil telah diamati dan dianalisis pada penelitian ini. Pada penelitian ini telah diperoleh hasil rancangan perangkat sensor kapasitif tekstil dengan nilai kapasitansi sebesar 1,049-18,264 pF dengan variasi pada rancangan jarak antar elektroda, luas elektroda dan konstanta dielektrik. Semakin besar nilai luas elektroda dan konstanta dielektrik pada rancangan sensor, maka semakin besar nilai kapasitansi perangkat sensor kapasitif tekstil. Semakin kecil jarak antar elektroda pada rancangan sensor, maka semakin besar nilai kapasitansi perangkat sensor kapasitif tekstil. Hasil analisis menunjukan bahwa rancangan sensor kapasitif tekstil memiliki kesesuaian yang baik terhadap model rumusan nilai kapasitansi kapasitor ideal plat sejajar dengan koefisien determinasi sebesar 0,903. Pada penelitian ini telah diperoleh model rumusan nilai kapasitansi sensor kapasitif tekstil dari hasil optimasi dengan koefisien determinasi sebesar 0,991 dalam bentuk 𝐶 ̂ = 0,0784 + 0,8447 (𝜀 0 𝜀 𝑟 𝐴 ). Pada penelitan ini telah ditemukan pengaruh perubahan struktur geometri dan 𝑑 bentuk geometri pada sensor kapasitif tekstil akibat deformasi gaya luar terhadap perubahan nilai kapasitansi untuk menentukan tingkat sensitifitas sensor kapasitif tekstil. Semakin besar gaya luar yang diaplikasikan pada perangkat sensor kapasitif, maka semakin besar pula perubahan nilai kapasitansi yang diperoleh. Telah diperoleh tingkat sensitifitas sensor dalam bentuk konstanta gradien perubahan kapasitansi terhadap tekanan pada perangkat sensor kapasitif tekstil sebesar 0,3197 - 0,4406. Pengaruh perubahan bentuk geometri berupa lengkungan pada perangkat sensor kapasitif tekstil telah diamati pada penelitian ini, baik secara eksperimen maupun pemodelan komputasi. Hasil pemodelan komputasi dan validasi eksperimen menunjukan bahwa perubahan bentuk geometri perangkat kapasitif tekstil berpengaruh terhadap nilai kapasitansi perangkat kapasitor. Pada penelitian ini telah dirumusan model nilai kapasitansi pada perangkat sensor kapasitif tekstil untuk kasus tekukan lengkung segmen pendek sesuai dengan persamaan 𝐶 =

2 𝜀 0 𝜀 𝑊 𝐿 √ 𝑙 𝑟 1 𝑙 2 tan −1 √ 𝑙 𝑙 2 . Hasil analisis validasi eksperimen menunjukan bahwa nilai kapasitansi pada perangkat sensor kapasitif tekstil untuk kasus tekukan 1 lengkung segmen pendek secara eksperimen dan pemodelan tidak berbeda secara signifikan. Kata kunci: Sensor kapasitif tekstil; dielektrik foam poliuretan; tinta karbon konduktif; tekstil cerdas.