## Sifat Fisika Material Pembentuk OLED: Sebuah Telaah Ilmiah

## Lukas B. Setyawan
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga lukas.setyawan@staff.uksw.edu

## Ringkasan
Perkembangan  teknologi  OLED  untuk  bidang  penampilan  dan  perlampuan  sangat menjanjikan.  Hal  ini  diperkuat  karena  ongkos  fabrikasi  perangkat  optoelektroniika menggunakan  material  organik  lebih  murah  dibandingkan  dengan  perangkat menggunakan material non-organik. Telaah ini membahas lebih dahulu konfigurasi OLED tipe small  molecular (SMOLED)  dan  tipe polymer (PLED).  Berikutnya  dibahas  material pembentuk  OLED  dan  sifat  fisikanya.    Material  organik  yang  digunakan  berbeda  satu dengan yang lain bukan hanya karena strukturnya tetapi juga mekanisme yang terjadi pada proses electroluminescence ( fluorescence atau phosphorescence ). Bila material organik ditumpuk secara benar akan diperoleh perangkat OLED yang memiliki efisiensi tinggi dan umur-kerja lebih  lama.    Tiga  proses  yang  sangat  penting  untuk  menentukan  efektifitas  OLED  adalah injeksi muatan, pengangkutan muatan, dan emisi cahaya. Berbagai lapisan pada tumpukan material  organik  dimaksudkan  untuk  memenuhi  tiga  proses  tersebut,  seperti  modifikasi pada  permukaan Hole  Injection  Layer (HIL)  dan Electron  Injection  Layer (EIL),  pemilihan material  yang  memiliki  mobilitas  tinggi  untuk  pengangkutan  seperti Hole  Transport  Layer (HTL)  dan Electron  Transport  Layer (ETL),  demikian  juga  lapisan  emisi  dengan  pengedop emitter  yang  memiliki  efisiensi  tinggi.  Warna  cahaya  yang  terbentuk  ditentukan  oleh  pita celah  ( band  gap )  material  semikonduktor.  Digunakan  lapisan  EML  yang  berbeda  untuk menghasilkan warna yang berbeda.
Kata  kunci: organic  light-emitting  diode,  polymer  light-emitting  diode,  electroluminescence, fluorescene, phosphorescence

## 1. Pendahuluan
OLED  ( Organic  Light-Emitting  Diode )  adalah Light-Emitting  Diode (LED)  dimana lapisan emissive  electroluminescent merupakan  lembaran  senyawa  organik  yang  akan memancarkan cahaya bila dilalui arus elektrik. Lapisan bahan semikonduktor organik ini diletakkan  di  antara  dua  elektroda.  Umumnya  salah  satu  elektroda  tersebut  tembus pandang. Konfigurasi dasar OLED memiliki susunan seperti Gambar 1.
OLED memiliki ketebalan sebesar 100 sampai 500nanometer, sekitar 1/200 ketebalan rambut  manusia.  Lapisan  bahan  organik  untuk  menyusun  OLED  bisa  2  atau  3  lapis. Struktur  dasar  OLED  terdiri  dari  bahan  organik  yang  diletakkan  di  antara  katode  dan anode,  yang  terbuat  dari  indium  tin  oxide  (ITO)  tembus  pandang.  Sedangkan  bahan organik  tersusun  beberapa  lapis  lembaran  tipis,  meliputi Hole Transporting Layer (HTL), Emissive  Layer (EML),  dan Electron  Transporting  Layer (ETL).  Dengan  memberikan
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 27 - 35
tegangan  yang  sesuai,  hole  dari  anode  akan  masuk  ke  EML  dan  elektron  dari  katode akan  masuk  ke  EML.  Di  dalam  EML  hole  dan  elektron  bergabung  sehingga  terjadi electroluminescene . Bahan HTL, ETL, EML, dan pilihan elektrode merupakan faktor kunci yang menentukan kualitas OLED.
Gambar 1. Konfigurasi OLED [1]
Gambar 2. Skema mekanisme electroluminescence pada OLED [2][3]. (1) Elektron (biru) dan hole (kuning) disuntikkan dari elektroda menuju lapisan emisif organik (EML). (2) terbentuk pasangan elektron-hole atau exciton (hijau). (3) rekombinasi exciton akan menyebabkan terjadinya emisi foton.
Gambar 3. Polymer yang paling banyak digunakan untuk menghasilkan electroluminescence pada OLED [2][3]. (a) Poly-para-phenylene vinylene (PPV) (b) Polyfluorenes (PFO)
Gambar 4. Diagram energi level [3]. (a) OLED lapis tunggal (b) OLED lapis jamak dengan hole transporting layer (HTL) dan electron transporting layer (ETL) disisipi emissive layer (EML).
Devais  OLED  dibedakan  menjadi  dua  macam,  tergantung  dari  tipe  lapisan organiknya, yaitu:
1.  Devais small molecule (SMOLED)
2.  Devais organic polymer (PLED atau LEP).
Devais small molecule difabrikasi menggunakan teknik evaporasi vakum, dengan meletakkan struktur polymer secara spin-casting atau memakai teknik cetak ink-jet. Sebutan OLED biasanya mengacu ke small-molecular OLED.
Bagian-bagian penyusun OLED adalah sebagai berikut.
1.  Substrat (plastik bening, kaca, foil)
Substrat digunakan sebagai tumpuan OLED. Sebagai substrat digunakan plastik, foil, atau kaca.
2.  Anode (tembus pandang)
Anode  biasanya  menggunakan indium  tin  oxide (ITO).  Material  ini  tembus pandang  sehingga  cahaya  bisa  terlihat  dan  cukup  menghantar  serta  memiliki work function besar  sehingga  menjamin  injeksi  hole  mencapai  level  HOMO  dari lapisan organik. Biasanya lapisan konduktif yang memiliki sifat elektrode tembus pandang  yang  dipakai  untuk  menggantikan  ITO  terdiri  dari  polimer  poly(3,4- ethylenedioxythiophene)  poly(styrenesulfonate)  atau  PEDOT:PSS  karena memiliki  level  HOMO  berada  di  antara work  function ITO  dan  HOMO  polimer lain yang biasa digunakan sehingga mengurangi rintangan energi ( energy barrier ) saat terjadi injeksi hole.
3. Electrons transport layer (ETL)
Komponen yang sering digunakan adalah: PBD, Alq 3 , TPBI, dan BCP (Gambar 5).
Gambar 5. Komponen yang sering digunakan pada electrons transport layer [3]. PBD = 2-(4-biphenyl)-5-(4-t- butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole; Alq3= tris(8-hydroxyquinoline) aluminum; TPBI =1,3,5-tris(N- phenylbenzimidizol-2-yl)benzene; BCP = bathocuprene
4. Holes transport layer (HTL)
Material  tipe-p    yang  sering  digunakan  sebagai  HTL  adalah: TPD  dan  NPB (Gambar 6).
Gambar 6. Komponen yang sering digunakan pada holes transport layer [3]. TPD =N,N-diphenyl-N,N-bis(3- methylphenyl)-1,1-biphenyl-4,4-diamine; NPB = 1,4-bis(1-naphthylphenylamino)biphenyl
5.  Lapisan emisif
Lapisan  ini  terbuat  dari  molekul  plastik  organik  (berbeda  dengan  di  lapisan konduktif) yang berfungsi untuk mengangkut elektron dari katode. Di lapisan ini
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 27 - 35
cahaya  dihasilkan.  Salah  satu  polymer  yang  digunakan  pada  lapisan  emisif adalah  polyfluorene.  Emiter  tersebut  adalah  pewarna  flurosens  dan  pewarna fosforesens. Pada semikonduktor organik hole secara umum lebih aktif bergerak dibanding  elektron.  Peluruhan  keadaan  tereksitasi  mengakibatkan  pemulihan level energi elektron, disertai dengan pancaran yang menyebar dengan frekuensi berada pada daerah visibel. Frekuensi radiasi ini tergantung pada celah pita ( band gap ) material, dalam hal ini adalah perbedaan energi antara HOMO dan LUMO. Warna  dari  cahaya  yang  dihasilkan  berbeda-beda  sesuai  dengan  tipe  molekul organik  yang  digunakan.  Untuk  memperoleh  tampilan  berwarna  digunakan beberapa  lapisan  organik.  Faktor  lain  dari  cahaya  yang  dihasilkan  adalah intensitasnya.  Makin  besar  arus  yang  diberikan  ke  OLED  makin  terang  cahaya yang terjadi.
6.  Katode (tembus pandang atau tidak tergantung pada jenis OLED)
Komponen katode yang dibutuhkan tergantung pada jenis OLED. Bahkan katode tembus pandang pun bisa digunakan. Biasanya digunakan metal seperti barium, kalsium, dan alumunium sebagai katode karena memiliki work function lebih kecil dibanding  anode  sehingga  membantu  proses  injeksi  elektron  menuju  level LUMO dari lapisan berbeda.

## 2. Small-Molecular OLED
Struktur  diode  p-n  merupakan  faktor  penting  untuk  devais  OLED.    Struktur  dasar SMOLED terdiri atas dua lapis lembaran tipis bahan  organik, yaitu hole transport layer – HTL (lapisan-p pada LED) dan electron transport layer – ETL (lapisan-n pada LED) yang disisipkan  di  antara  anode  dan  katode  (lihat  Gambar  7).  Kedua  lapisan  organik  ini, masing-masing memiliki ketebalan sekitar 500 Å, merupakan media untuk mengangkut pembawa muatan menuju penghubung yang terbentuk di antara dua lapisan itu.
Salah  satu  struktur  SMOLED  paling  dasar  menggunakan  bahan  organik  NPB (turunan dari naphthyl substituted benzidine) sebagai HTL dan Alq3 sebagai ETL. Pada struktur  tipikal  ini  digunakan  indium  tin  oxide  (ITO)  sebagai  anode  yang  tembus pandang dan magnesium-doped silver (Mg:Ag) sebagai katode.
Pada  saat  diberikan  tegangan,  terjadi  injeksi  muatan  elektron  melalui  katode  dan hole melalui anode. Elektron akan diangkut menuju LUMO ( Lowest Unoccupied Molecular Orbital ) dari ETL, dan hole menuju HOMO ( Highest Occupied Molecular Orbital ) dari HTL. Melintasi rintangan kedua muatan akan melakukan rekombinasi dengan sebagian besar hole  bergerak  menuju  Alq3  (Lihat  Gambar  8).  Exciton  terbentuk  pada  Alq3  dan memancarkan cahaya fluroscence warna hijau.
Rekombinasi yang terjadi pada elektron dan hole menyebabkan pembentukan foton dengan  frekuensi  sesuai  dengan  celah  energi  (E  =  hν)  antara  level  LUMO  dan  level HOMO  dari  emitting  molecule.  Dengan  demikian,  daya  elektrik  yang  diberikan  pada elektrode diubah menjadi cahaya. Menggunakan material dan dopan yang berbeda dapat dibangkitkan warna yang berbeda dan dengan menggabungkan beberapa material akan diperoleh sumber cahaya warna putih.
Gambar 7. Struktur dasar OLED terdiri atas lapisan hole-transport layer dan lapisan electron transport yang disisipkan di antara katode dan anode. [4]
Gambar 8. Diagram energi pada SMOLED. [4]
Gambar 9. Material yang digunakan pada OLED.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 27 - 35
Optimasi  pada small  molecule OLED  dilakukan  dengan  memberikan  dope phosphorescent  kompleks  Ir(ppy)3  terhadap  CBP.  HTL  adalah  lapisan  4,4 ′ -bis[ N -(1- naphthyl)- N -phenyl-amino]biphenyl  ( a -NPD).  Molekul  Bathocuprene ( BCP)  yang memiliki jarak HOMO-LUMO besar digunakan sebagai carrier dan exciton blocking layer . Katode  bilayer  terdiri  atas  lapisan  tipis  (<10  Å)  LiF  dan  lapisan  Al  yang  lebih  tebal, digunakan untuk membuat injeksi elektron secara efisien.
Gambar 10. Diagram level energi pada OLED setelah dioptimasi [4].

## 3. PLED
PLED  tersusun  atas  satu  atau  lebih  lapisan  tipis  semipenghantar  organik  yang disisipkan  di  antara  dua  elektroda,  salah  satu  elektroda  harus  tembus  pandang (transparan). (Gambar 11). Diagram level energi untuk PLED lapis tunggal diperlihatkan oleh  Gambar  12.  PLED  ini  menggunakan  PPV  (poly-para-phenylene  vinylene)  dengan ketebalan sekitar 100nm dan ITO sebagai anode serta kalsium sebagai katode.
Saat  diberikan  pra-tegangan  maju  maka  elektron  diinjeksikan  dari  katode  menuju LUMO  polymer  dan  hole  diinjeksikan  dari  anode  menuju  HOMO  polymer.  Elektron harus  mampu  mengatasi  rintangan  ( electron  injection  barrier )  yang  ada  di  antara  level Fermi  dari  kalsium  dan  level  LUMO  dari  polymer.  Untuk  memperkecil  rintangan biasanya digunakan logam yang memiliki work function rendah seperti Mg atau Ca agar didapat kontak ohmic . Bila terdapat  kesesuaian  energi  antara  katode  dan  LUMO  berarti tidak  banyak  energi  yang  terbuang  ketika  elektron  diinjeksikan.  Demikian  juga,  untuk menjamin  agar  terjadi  kontak ohmic saat  hole  diinjeksikan  dari  level  Fermi  ITO  menuju HOMO  polymer,  maka  ITO  perlu  diberi  perlakuan  dengan  berbagai  cara  (misalnya dilakukan  pembukaan  untuk  dibersihkan  menggunakan  ultraviolet-ozone)  agar  level Ferminya lebih rendah. Rintangan di sini disebut hole injection barrier .
Gambar 11. Struktur dasar PLED (dua lapis) [4].
Gambar 12. Diagram energi PLED [4].
Gambar 13. (a) Susunan OLED modern. (b) Diagram energi level HOMO dan LUMO molekul organik yang digunakan. (c) Struktur molekular material organik yang digunakan. [5]
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 27 - 35
Gambar  13(a)  memperlihatkan  tata  letak  susunan  OLED  multilayer  terdiri  atas beberapa lapisan organik berbeda agar diperoleh kinerja OLED yang lebih baik daripada OLED satu lapis. Empat lapisan organik  berbeda diletakkan pada indium tin oxide (ITO) yang  memiliki  ketebalan  140nm  dan  ditutupi  dengan  substrat  dari  kaca,  yang  telah dicuci sebelumnya dengan beberapa solvent (acetone, isopropanol) dalam bak ultrasonik dan  disinari  oleh  UV-ozone  dalam  ruang  khusus  (cleanroom).  Penyinaran  dengan  UV- ozone  ini  bukan  sekedar  proses  pencucian  saja  tetapi  sekaligus  juga  mengaktifkan permukaan  ITO  untuk  menaikkan  fungsi  kerja  ( work function )  ITO  sehingga  membantu proses injeksi hole ke dalam lapisan organik.
Lapisan  pertama  setebal  15nm  adalah  hexa-azatriphenylene-hexanitrile  (HATCN) sebagai  lapisan  penghasil  hole,  berikutnya  lapisan    α-NPD  setebal  100nm  bertindak sebagai hole transport layer (HTL)  dievaporasi  pada  ITO  yang  menutupi  substrate  kaca. Lapisan berikutnya adalah senyawa dua molekul organik yang berbeda dan membentuk emission layer (EML) , yaitu 4,4′-bis[9-carbazolyl]-2,2′-biphenyl (CBP) yang didope dengan 6,5wt%  tris[2-phenylpyridine]iridium  (Ir(ppy)3).  Setelah  EML  adalah electron  transport layer (ETL)  yaitu  Bphen  dengan  ketebalan  65nm.  Terakhir,  dideposit  kalsium  dengan ketebalan 15nm sebagai katode, dilindungi oleh lapisan aluminium setebal 100nm. Untuk melindungi  lapisan  organik  dan  katode  terhadap  pengaruh  embun  dan  udara  sekitar maka seluruh devais dienkapsulasi dengan selubung nitrogen oleh substrate kaca kedua yang dihubungkan dengan substrate dasar melalui perekat epoxy.
Gambar 14 menunjukkan tata letak susunan OLED dengan pancaran cahaya berbeda warna.
Gambar 14. Berbagai OLED dengan pancaran warna berbeda [5]. (a) Warna biru (b) Warna hijau (c) Warna merah (d) Warna putih menggunakan campuran red-green-blue (RGB) yaitu ( red and green phosphorescent, blue fluorescent ) sebagai emission layer (EML).
Lapisan  EML  yang  digunakan  untuk  menghasilkan  warna  biru  adalah  material dengan  sifat fluorescence ,  misalnya  Spiro-DPVBi.  Untuk  menghasilkan  warna  merah digunakan  EML  tipe phosphorescence ,  misalnya  platinum  octaethylporphyrin  (PtOEP). Sedangkan  untuk  menghasilkan  warna  hijau  digunakan  EML  tipe phosphorescence , misalnya  4,4′-bis[9-carbazolyl]-2,2′-biphenyl  (CBP)  yang  didope  dengan  6,5wt%  tris[2- phenylpyridine]iridium (Ir(ppy)3). Untuk memperoleh warna putih digunakan beberapa cara gabungan red-green-blue (RGB) [6].

## 4. Kesimpulan
Dua  tipe  OLED,  yaitu  SMOLED  dan  PLED  memiliki  struktur  yang  berbeda.  OLED terbentuk  setelah  melewati  tiga  proses  utama,  yaitu  injeksi  muatan,  pengangkutan muatan,  dan  emisi  cahaya.  Berbagai  lapisan  pada  tumpukan  material  organik dimaksudkan untuk memenuhi tiga proses tersebut, seperti modifikasi pada permukaan Hole  Injection  Layer (HIL)  dan Electron  Injection  Layer (EIL),  pemilihan  material  yang memiliki  mobilitas  tinggi  untuk  pengangkutan  seperti Hole  Transport  Layer (HTL)  dan Electron  Transport  Layer (ETL),  demikian  juga  lapisan  emisi  dengan  pengedop  emitter yang memiliki efisiensi tinggi.
Penelitian  secara  intensif  terhadap  material Emission  Layer menghasilkan  OLED dengan kualitas warna yang bagus, efisiensi perangkat, dan kestabilan kerja yang sangat baik.  Injeksi  dan  pengangkutan  muatan  sangat  penting  dalam  menentukan  tegangan kerja  dan  efisiensi  luminans.  Warna  cahaya  yang  terbentuk  ditentukan  oleh  pita  celah ( band  gap )  material  semikonduktor.  Digunakan  lapisan  EML  yang  berbeda  untuk menghasilkan warna yang berbeda.

## Daftar Pustaka
[1]  A. Khazanchi, A. Kanwar, L. Saluja, A. Damara, V. Damara, “OLED: A New Display Technology,” International Journal Of Engineering And Computer Science ,” vol. 1, issue 2, h. 75 – 84, 2012.
[2]  A.  Singh,  H.  L.  Vishwakarma,  “Organic  Light  Emitting  Diodes:  Materials, Fabrications  and  Applications,” International  Journal  of  Science  and  Research ,”  vol.  3, issue 6, h. 577 – 581, June 2014.
[3]  Y.  Karzazi,  “Organic  Light  Emitting  Diodes:  Devices  and  Applications,” J.Mater. Environ. Sci. , vol. 5, no.1, h. 1 – 12, 2014.
[4]  S. Rankel, “OLEDs Organic Light Emitting Diodes,” Seminar, University of Ljubljana, Ljubljana, May 2004.
[5]  T.D. Schmidt, “Photophysics of organic light-emitting diodes – Device efficiency and degradation processes,” Disertasi, Augsburg University, April 2013.
[6]  H.T. Nicolai, “Devices physics of white polymer light-emitting diodes,” PhD Thesis, University of Groningen, 2012.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 27 - 35